Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI TUABIN KIỂU TRỤC NGANG NGUYỄN THỊ THẮM THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI TUABIN KIỂU TRỤC NGANG Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: Học viên: NGUYỄN THỊ THẮM Người hướng dẫn khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI TUABIN KIỂU TRỤC NGANG Học viên: Nguyễn Thị Thắm Lớp: TĐH- K11 Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa học: TS Cao Xuân Tuyển Ngày giao đề tài: 01/01/2010 Ngày hoàn thành: 30/8/2010 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. CAO XUÂN TUYỂN HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ THẮM DUYỆT BGH KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo đã được trích dẫn. Các số liệu và kết quả mô phỏng được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Cao Xuân Tuyển là trung thực v chưa tng được công bố trong bt k công trnh no khc. . Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thắm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục Lờ i cam đoan Lờ i cả m ơn Mục lục Danh mụ c cá c bả ng………………………………………………………………… 1 Danh mụ c cá c hì nh vẽ, đồ thị……………………………………………………… .2 Mở đầu . 4 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Đặt vn đề .6 1.2. Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió v đối tượng nghiên cứu của luận văn 6 1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió………………………………… 6 1.2.2. Cu tạo tuabin phong điện .7 1.2.3 Công sut tuabin gió………………………………………….…………9 1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió……………………………… 9 1.3. Khái quát về hệ thống pht điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC……… .11 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC 2.1. Cu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC………………… .13 2.2. Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC…………………………………… 14 2.2.1. Biểu diễn vector không gian cc đại lượng 3 pha……………………… .14 2.2.2. Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC………………………… 19 2.3. Hệ thống điều khiển góc cánh……………………………………………… 21 2. 4. Hệ thống điều khiển phía máy phát………………………………………… 22 2.5. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thi theo phương php tuyến tính hoá chính xác…………………………………………………………………………………….23 2.6. Tổng hợp các bộ điều khiển PI (mạch vòng dòng điện, U dc )……………………29 2.6.1. Tổng hợp vòng điều chỉnh vector dòng startor………………………… 29 2.6.2. Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay (U DC )……………………………30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.7. Hệ thống điều khiển phía lưới………………………………………………… 31 2.7.1 Cu trúc hệ thống điều khiển phía lưới…………………………… .……31 2.7.2. Xây dựng mô hnh dòng phía lưới…………………………… .……… 32 2.7.3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới………………………………… .37 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC 3.1. Bộ điều khiển MPPTP………………………………………………………….41 3.2 Bộ điều khiển t thông máy phát………………………………………………45 3.3. Bộ điều khiển mờ MPPTL xc định công sut cực đại ly t gió pht lên lưới .49 CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 4.1. Tổng quan……………………………………………………………………… .53 4.1.1. Giới thiệu công cụ mô phỏng PLECS…………………………………… 53 4.1.2. Các tham số dùng cho mô phỏng ……………………………………… 54 4.2. Xây dựng các khối mô phỏng trên Simulink và PLECS…………………………55 4.2.1. Khối “DFIM Model”………………………………… ………………….56 4.2.2. Khối “Generator Side Controller”……………………………………… 59 4.2.3. Khối “Grid Side Controller”…………………………………………… 62 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ . 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 90 PHỤ LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục các bảng Bảng Tên bả ng Trang Bảng 3.1 Các luật điều khiển của bộ điều khiển mờ 45 Bảng 3.2 Các luật điều khiển của bộ điều khiển mờ ĐKTTMF 49 Bảng 3.3 Các luật điều khiển của bộ điều khiển mờ MPPTL 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hnh Tên hì nh Trang Hình 1.1 Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang 8 Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ cố định 10 Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới 10 Hình 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC) 11 Hình 1.5 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản. 11 Hình 1.6 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát 12 Hình 2.1 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) 13 Hình 2.2 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha 14 Hình 2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ  16 Hình 2.4 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq 17 Hình 2.5 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V 17 Hình 2.6 Hệ thống điều khiển góc cánh 22 Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía máy phát 23 Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển chuyển trạng thái 28 Hình 2. 9 Sơ đồ cấu trúc vòng điều chỉnh dòng 29 Hình 2.10 Sơ đồ hai vòng điều chỉnh thay thế 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ quay ĐCĐB 30 Hình 2.12 Sơ đồ thay thế (cấu trúc ở hình 2.11) khi thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ quay ĐCĐB 31 Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới 32 Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phía lưới 32 Hình 2.15 Sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới 33 Hình 2.16 Sơ đồ thay thế 34 Hình 2.17 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới 34 Hình 2.18 Mô hình gián đoạn phía lưới 36 Hình 2.19 Cấu trúc điều khiển phía lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB - KTVC 38 Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh dòng phía lưới 39 Hình 3.1 Quan hệ giữa P 0 , tốc độ máy phát, tốc độ gió và hoạt động của các bộ điều khiển mờ MPPTL, ĐKTTMF 41 Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ MPPTP 42 Hình 3.3 Sơ đồ khối khâu mờ hoá, các luật điều khiển, thiết bị hợp thành và giải mờ của bộ điều khiển mờ MPPTP 43 Hình 3.4 Các giá trị của biến đầu vào “SLCS” 43 Hình 3.5 Các giá trị của biến đầu vào “LSLTD” 44 Hình 3.6 Các giá trị của biến đầu ra “SLTD” 44 Hình 3.7 Phương thức tìm điểm làm việc có hiệu suất cực đại của hệ thống 46 Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ từ thông máy phát ĐKTTMF 47 Hình 3.9 Sơ đồ khối khâu mờ hoá, các luật điều khiển, thiết bị hợp thành và giải mờ của bộ điều khiển mờ ĐKTTMF 47 Hình 3.10 Các giá trị của biến đầu vào “SLCS 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.11 Các giá trị của biến đầu vào “LSLD” 48 Hình 3.12 Các giá trị của biến đầu ra “SLD” 49 Hình 3.13 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ MPPTL 50 Hình 3.14 Các giá trị của biến đầu vào “SLTD” 50 Hình 3.15 Các giá trị của biến đầu ra “LSLCS” 51 Hình 3.16 Các giá trị của biến đầu ra “SLCS” 51 Hình 4.1 Sơ đồ PLECS máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 53 Hình 4.2 Sơ đồ Simulink mô phỏng toàn bộ hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB - KTVC 55 Hình 4.3 Sơ đồ Simulink khối “DFIM Model” 56 Hình 4.4 Sơ đồ PLECS mô phỏng hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC 57 Hình 4.5 Sơ đồ PLECS mô phỏng hệ thống biến tần (“Back to back converter”) 57 Hình 4.6 Sơ đồ PLECS bộ nghịch lưu nguồn áp/chỉnh lưu 58 Hình 4.7 Sơ đồ Simulink mô phỏng khâu PLL 59 Hình 4.8 Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ thống điều chỉnh phía máy phát (“Generator Side Controller”) 59 Hình 4.9 Sơ đồ Simulink khâu phản hồi trạng thái MĐĐB - KTVC 60 Hình 4.10 a,b Mẫu xung điều chế và sơ đồ định nghĩa thời gian đóng ngắt van 61 Hình 4.10 c Sơ đồ Simulink mô phỏng khâu ĐCVTKG (“SVPWM”) 62 Hình 4.11 Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ thống điều chỉnh phía lưới (“Grid Side Controller”) 63 Hình 4.12 Sơ đồ Simulink mô phỏng khâu điều chỉnh dòng phía lưới (Dead-beat Current Controller) 63 . 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC) 11 Hình 1.5 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng. NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI TUABIN KIỂU TRỤC NGANG Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: