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

Bài viết Mô hình hóa và mô phỏng phát điện dị bộ nguồn kép trong Tuabin gió 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,... Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 generatorDFIG) 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]: dψ sa (t ) ⎧ ⎪usa (t ) = Rs isa (t ) + dt ⎪ dψ sb (t ) ⎪ (2.1) ⎨usb (t ) = Rs isb (t ) + dt ⎪ dψ sc (t ) ⎪ ⎪usc (t ) = Rs isc (t ) + dt ⎩ Tương tự ta có phương trình cân bằng ở phía rotor: dψ ra (t ) ⎧ ⎪ura (t ) = Rr ira (t ) + dt ⎪ dψ rb (t ) ⎪ (2.2) ⎨urb (t ) = Rr irb (t ) + dt ⎪ dψ rc (t ) ⎪ ⎪urc (t ) = Rr irc (t ) + dt ⎩ Trong đó: - usa (t ), usb (t ), usc (t ) , ura (t ), urb (t ), urc (t ) : điện áp stator, rotor của pha a, pha b và pha c; - isa (t ), isb (t ), isc (t ) , ira (t ), irb (t ), irc (t ) : dòng điện stator, rotor của pha a, pha b và pha c; - ψ sa (t ),ψ sb (t ),ψ sc (t ) , ψ ra (t ),ψ rb (t ),ψ rc (t ) : 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 ⎧ ⎪usd = Rs isd − ω gψ sq + dt ⎪ ⎪u = R i + ω ψ + dψ sq g sd ⎪⎪ sq s sq dt ⎨ ⎪u = R i − (ω − ω )ψ + dψ rd r rd g r rq ⎪ rd dt ⎪ dψ ⎪urq = Rr irq + (ω g − ωr )ψ rd + rq ⎩⎪ dt (2.3) 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 = L i + L i s sq m rq ⎪ sq ⎨ ⎪ψ rd = Lr ird + Lmisd ⎪ψ rq = Lr irq + Lmisq ⎩ (2.4) Phương trình mômen: 3 3 Te = p(ψ sd isq −ψ sqisd ) = pLm (isqird − isd irq ) 2 2 (2.5) Trong đó: - u sq , u sd , urq , u rd : 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 , ω g , ωsl = ω g − ωr : 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 ⎧ disd ⎛ Ls Lr ⎞ Rs Lr L2m L R L L L L =− isd + ⎜ ω g − ωsl ⎟ isq + m r ird + m r ωr irq + r usd − m urd ⎪ D D D D D D ⎝ D ⎠ ⎪ dt ⎪ disq ⎛ L L ⎞ L2 RL L L L R L L ⎪ = ⎜ − s r ω g + m ωsl ⎟ isd − s r isq − m r ωr ird + m r irq + r usq − m urq D D D D D D ⎪ dt ⎝ D ⎠ (2.6) ⎨ 2 ⎪ dird = Rs Lm i − Ls Lm ω i − Rr Ls i + ⎛ − Lm ω + Ls Lr ω ⎞ i − Lm u + Ls u sd g sq rd g sl ⎟ rq sd rd ⎜ ⎪ dt D D D D D D D ⎝ ⎠ ⎪ ⎪ dirq Ls Lm ⎛ L2m ⎞ Rs Lm LL RL L L = ω i + i + ω g − s r ωsl ⎟ ird − s s irq − m usq + s urq ⎪ g sd sq ⎜ D D D D D D ⎝ D ⎠ ⎩ dt 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 ⎧ disα ⎪ dt ⎪ ⎪ disβ ⎪⎪ dt ⎨ ⎪ dirα ⎪ dt ⎪ ⎪ dir β ⎪⎩ dt Rs Lr =− D =− L2m D Rs Lm isα + ωr isα − L2m D ωr isβ + Rs Lr isβ − Lm Rr D Lm Lr irα + Lm Lr D ωr irα + ωr ir β + Lm Rr ir β + Lr D Lr D D D D Rr Ls Ls Lr Lm Ls = isα − irα − ωr ir β − usα + urα D D D D D RL LL RL L L = s m isβ + s r ωr irα − s s ir β − m usβ + s ur β D D D D D usα − usβ − Lm D Lm D urα ur β 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 (2.7) 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 ch ...