Mô hình hóa và mô phỏng phát điện dị bộ nguồn kép trong tuabin gió

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP TRONG TUABIN GIÓ NGÔ VĂN QUANG BÌNH Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế ĐÀO QUỐC CHÍNH Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu và xây dựng mô hình động học cho máy phát điện dị bộ nguồn kép. Ngoài ra đã xây dựng thuật toán phương pháp điều chế vectơ không gian và mô hình cho bộ nghịch lưu nguồn áp. Kết quả nghiên cứu được mô phỏng, kiểm chứng bằng Matlab và Plecs cho thấy mô hình máy phát điện dị bộ nguồn kép trong tuabin gió đã xây dựng đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay với ưu điểm sử dụng nguồn năng lượng vô hạn, không gây ô nhiễm môi trường, có thể xây dựng và đưa vào sử dụng nhanh hơn năng lượng tái tạo (renewable energy): thủy điện, năng lượng gió, năng lượng mặt trời đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới và trong nước quan tâm đến [3], [4]. Trong đó năng lượng gió (wind energy) là một trong những hướng nghiên cứu chính được đầu tư nghiên cứu phát triển và sản xuất thành sản phẩm ở các nước phát triển trên thế giới [5], [6]. Sự tham gia của các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung cấp một lượng công suất đáng kể bên cạnh các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy điện... [7]. Trong đó máy phát điện dị bộ nguồn kép (Doubly-fed induction generator- DFIG) được các hãng sản xuất tuabin gió sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phát điện chạy bằng sức gió nhờ ưu thế: thiết bị điều khiển sử dụng van bán dẫn công suất lớn được đặt ở phía rotor nên chỉ cần thiết kế với công suất khoảng 20÷30% công suất của máy phát, dẫn đến giá thành của hệ thống hạ xuống rất nhiều [2]. 2. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP Máy điện dị bộ nguồn kép được mô hình hóa bằng mạch điện tương đương như hình 1. Hình 1. Mạch điện tương đương của máy phát điện dị bộ nguồn kép Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 02(22)/2012: tr. 5-12 6 NGÔ VĂN QUANG BÌNH – ĐÀO QUỐC CHÍNH Điện áp, dòng điện và từ thông phía stator của máy điện được mô tả bởi phương trình sau [2], [5], [8]: ⎧ dtψ sa () ut()=+ Rit () ⎪ sa s sa dt ⎪ ⎪ dtψ sb () ⎨utsb()=+ Rit s sb () (2.1) ⎪ dt ⎪ dtψ () ut() Rit () sc ⎪ sc=+ s sc ⎩ dt Tương tự ta có phương trình cân bằng ở phía rotor: ⎧ dtψ ra () ut()=+ Rit () ⎪ ra r ra dt ⎪ ⎪ dtψ rb () ⎨utrb()=+ Rit r rb () (2.2) ⎪ dt ⎪ dtψ () ut() Rit () rc ⎪ rc=+ r rc ⎩ dt Trong đó: - utututsa(), sb (), sc (), utututra(), rb (), rc (): điện áp stator, rotor của pha a, pha b và pha c; - itititsa(), sb (), sc (), itititra(), rb (), rc (): dòng điện stator, rotor của pha a, pha b và pha c; - ψψψsa(),ttt sb (), sc (), ψψψra(),ttt rb (), rc (): từ thông stator, rotor của pha a, pha b và pha c. Sử dụng các phép biến đổi ta chuyển mô hình máy điện dị bộ nguồn kép về hệ tọa độ tham chiếu quay với vận tốc góc ωg. Ta có phương trình điện áp phía stator và rotor trên hệ tọa độ tham chiếu [8]: ⎧ dψ sd uRi=−ωψ + ⎪ sd s sd g sq dt ⎪ dψ ⎪uRi=+ωψ +sq ⎪ sq s sq g sd dt ⎨ (2.3) dψ ⎪uRi=−−()ωωψ +rd ⎪ rd r rd g r rq dt ⎪ dψ ⎪uRi=+()ωωψ−+rq ⎩⎪ rq r rq g r rd dt MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP... 7 Phương trình từ thông phía stator và rotor: ⎧ψ sd = Lsisd + Lmird ⎪ ⎪ψ sq = Ls isq + Lmirq ⎨ (2.4) L i L i ⎪ψ rd = r rd + m sd ⎪ L i L i ⎩ψ rq = r rq + m sq Phương trình mômen: 3 3 T = p(ψ i −ψ i )= pL (i i −i i ) (2.5) e 2 sd sq sq sd 2 m sq rd sd rq Trong đó: - usq , usd , urq , urd : điện áp stator, rotor trên trục q, trục d; - isq , isd ,irq , ird : dòng điện stator, rotor trên trục q, trục d; - ψ sq , ψ sd , ψ rq , ψ rd : từ thông stator, rotor trên trục q, trục d; - Rs , Rr : điện trở stator, rotor; - Lσ s , Lσ r , Lm : điện cảm tản stator, rotor, hỗ cảm giữa hai cuộn dây; - ωr , ωg , ωωωsl= g− r : tốc độ rotor, hệ tọa độ tham chiếu và tốc độ trượt; - p: số đôi cực từ, J: mômen quán tính. Do thiết bị điều khiển được đặt ở phía rotor và ta có cơ hội sử dụng dòng rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tượng máy điện dị bộ nguồn kép. Vì vậy ta sẽ tìm cách chuyển mô hình máy điện dị bộ nguồn kép theo biến trạng thái dòng điện ⎧di R L⎛⎞ L L L2 L R L LL L sd s riiiiuu s r m m r m rr m ⎪ =−sd+⎜⎟ωω g− sl sq++ rd ω r rq + sd− rd ⎪ dt D⎝⎠ D D D D D D ⎪ 2 disq ⎛⎞LL L RL L L L RL L sr mii sr mr i mr iuur m ⎪ =⎜⎟−ωωg+ sl sd−− sq ω r rd++ rq sq− rq ⎪ dt⎝⎠ D D D D D D D ⎨ (2.6) di R L L L R L⎛⎞ L2 L L LL ⎪ rd= s miii− s mωωω − r s+− m+ s r iuu−ms+ ⎪ dt Dsd D g sq D rd⎜⎟ D g D sl rqDD sd rd ⎪ ⎝⎠ 2 ⎪dirq LL RL⎛⎞ L LL RL L L smii sm m sr iiuu ss m s ⎪ =++ωωωg sd sq⎜⎟ g− sl rd −− rq sq+ rq ⎩ dt D D⎝⎠ D D D D D Từ hệ phương trình (2.6) ta xây dựng phương trình trong hệ tọa độ cố định với stator: ωg = 0 (stator reference frames - αβ): 8 NGÔ VĂN QUANG BÌNH – ĐÀO QUỐC CHÍNH ⎧di R L L2 L R L LL L ssrmα =−iii+++ωω mrmr iuu +r − m ⎪ dt Dsrsrαβα D D D rrsr βαα D D ⎪ 2 ⎪disβ LRLLLLRLL =−−−msrmrmrmωωii i++ iuur − ⎪ dt Drsαβ D s D rr α D r βββ D s D r ⎨ (2.7) di R L R L L L L L ⎪ rsmrssrα =ii−−ω iuu − m+ s ⎪ dt Dsrαα D D rrsr βαα D D ⎪ di RL LL RL LL ⎪ rβ =+smii srω − ssiuu−ms+ ⎩⎪ dt Dsrrβα D DDDrsrβββ Hình 2. Mô hình máy điện dị bộ nguồn kép trong Matlab/Simulink 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN Hình 3. Sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần nguồn áp MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP... 9 Mỗi pha của động cơ có thể nhận một .trong hai trạng thái: 1 (nối với cực “+” của Udc hay 0 (nối với cực “-“ của Udc). Do có 3 pha (3 cặp van bán dẫn) nên sẽ tồn tại 8 khả năng nối các pha của động cơ với Udc như trong bảng 1, tương ứng với 8 vectơ tạo một vectơ không gian điện áp (hình 4). Bảng 1. Các vectơ chuyển mạch, điện áp pha và điện áp dây Hình 4. Vectơ điện áp và không gian vectơ Ý tưởng của phương pháp điều chế vectơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vectơ không gian tham chiếu trên quỹ đạo đường tròn của vectơ điện áp bộ nghịch ur lưu. Vectơ tham chiếu Vref ở đây chính là vectơ trung bình trong thời gian một chu kỳ điều chế Tpulse của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. Các bước thực hiện giải thuật điều chế vectơ không gian: - Xác định vị trí của vectơ trung bình (sectơ); - Xác định các vectơ cơ bản để tạo được vectơ trung bình; 10 NGÔ VĂN QUANG BÌNH – ĐÀO QUỐC CHÍNH - Xác định trình tự thực hiện và thời gian tác dụng của các vectơ cơ bản. ur ur ur Thời gian tác động của hai vectơ cơ bản VV12, gần với vectơ tham chiếu Vref được xác định: uur ur ur ⎧ Tpulse VVTVT=+ ⎪ ref2 1 1 2 2 ⎨ (3.1) T ⎪TTT=pulse −− ⎩⎪ 0122 uur uur Trong đó T0 là thời gian tác động của vectơ V0 hay V7 Hình 5. Mô hình phương pháp điều chế vectơ không gian trong Malab/Simulink 4. MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu là một hàm của điện áp một chiều (DC-link voltage) và các khóa bán dẫn như sau: ⎡⎤uSA ⎡211−− ⎤⎡⎤wA 1 ⎢⎥uU= ⎢−12 − 1S ⎥⎢⎥ (4.1) ⎢⎥BDC3 ⎢ ⎥⎢⎥wB ⎣⎦⎢⎥uC ⎣⎢−−112S ⎦⎣⎦⎥⎢⎥wC Hình 6. Mô hình bộ nghịch lưu trong Matlab/Simulink MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP... 11 5. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Plecs với các thông số của máy điện dị bộ nguồn kép: Pđm = 2 MW, Uđm = 690 V, Rs = 0,0108 pu, Rr = 0,0121 pu, Lm = 3,362 pu, Lσs = 0,102 pu, Lσr = 0,11 pu, p = 2, f = 50 Hz và tần số băm xung fpulse = 4 kHz. Hình 7. Mô hình máy điện dị bộ nguồn kép trong tuabin gió 800 150 600 100 400 50 200 0 0 Dien ap Mo men Mo -200 -50 -400 -100 -600 -800 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 -150 Thoi gian 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 Thoi gian Hình 8a. Điện áp nghịch lưu Hình 8b. Mômen máy phát 6. KẾT LUẬN Trong bài báo này, mô hình máy điện dị bộ nguồn kép được mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab&Plecs [1]. Ngoài ra cùng với mô hình bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều chế vectơ không gian và bộ chỉnh lưu cho phép kiểm chứng lại mô hình máy phát điện dị bộ nguồn kép trong tuabin gió. Tuy nhiên do chưa có các bộ điều khiển như bộ điều khiển dòng điện, điều khiển công suất nên đặc tính của điện áp và mômen của máy phát điện chưa được tốt. 12 NGÔ VĂN QUANG BÌNH – ĐÀO QUỐC CHÍNH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang (2006). Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006). Truyền động điện thông minh. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3] .Phạm Khánh Toàn (16/05/2011). Điện lực Việt Nam trong những năm tới, ngày truy cập: 10/10/2011, lc-vit-nam-trong-nhng-nm-ti. [4] Tổng quan về năng lượng gió, ngày truy cập: 10/10/2011, [5] Furat Abdal Rassul Abbas, Mohammed Abdulla Abdulsada (2010). Simulation of Wind-Turbine Speed Control by MATLAB. International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 2, No. 5, pp.912-915. [6] Justin Wilkes, Jacopo Moccia (2011). Wind in power: 2010 European Statistics. European Wind Energy Association - EWEA. [7] Ottmar Edenhofer, Ramón Pichs-Madruga, Youba Sokona (2011). Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. Intergovernmental Panel on Climate Change - IPPC. [8] P. S. Mayurappriyan, Jovitha Jerome, M. Ramkumar, K. Rajambal (2009). Dynamic Modeling and Analysis of Wind Turbine Driven Doubly Fed Induction Generator. International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol. 2, No. 5, pp.367-372. ` Title: MODELING AND SIMULATION OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR IN A WIND TURBINE Abstract: This paper presents the research results and the design of dynamic model of doubly fed induction generator. In addition, the authors designed the algorithm of space vector modulation and model of voltage source inverter. The investigation results were simulated by using Matlab and Plecs and showed that the model of doubly fed induction generator for wind turbine was made correctly to meet the technical requirement. ThS. NGÔ VĂN QUANG BÌNH Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế. ĐT: 0983.300.435. Email: qbinhtam@gmail.com ThS. ĐÀO QUỐC CHÍNH Khoa Điện, Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế. ĐT: 0905.150.581. Email: dqchinh@hueic.edu.vn