Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGUYỄN THỊ MAI HƢƠNG SÁCH LƢỢC ĐIỀU KHIỂN NHẰM NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG TRỤ LƢỚI CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Phùng Quang 2. Nguyễn Nhƣ Hiển Thái nguyên năm 2012 ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Mai Hương Nơi công tác: Phòng Quản lý Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. Tên đề tài: Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép.

Chuyên ngành: Tự động hóa. Mã số: 62526001 Tôi xin cam đoan, đây là luận án của riêng tôi. Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các kết quả mới trình bày trong luận án là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 09 năm 2012 Người viết Nguyễn Thị Mai Hương iii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.

Nguyễn Phùng Quang – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. Nguyễn Như Hiển – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả cũng xin được cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và Trung tâm Công nghệ cao- trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian và cơ sở vật chất để tác giả thực hiện thành công luận án.

iv MỤC LỤC Trang phụ bìa. i Lời cam đoan. ii Lời cảm ơn. iii Mục lục.

iv Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu và từ viết tắt. vii Danh mục các hình vẽ, đồ thị. x Danh mục bảng. xiii MỞ ĐẦU.

1 NỘI DUNG Chƣơng1.1 Khái quát về năng lượng gió .2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển .1 Công suất của tuốc bin gió .2 Điều khiển tuốc bin gió .3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép.3 Yêu cầu điều khiển trụ lưới .1 Các sự cố và các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của lưới .2 Yêu cầu trụ lưới.3 Các phương pháp điều khiển trụ lưới. Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK .1 Phép biến đổi hệ tọa độ .2 Mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép .3 Mô hình phía lưới .4 Điều khiển phía máy phát .1 Cấu trúc điều khiển .2 Thiết kế hệ thống điều khiển phía máy phát .3 Hòa đồng bộ với lưới .5 Điều khiển phía lưới .1 Cấu trúc điều khiển .2 Thiết kế hệ thống điều khiển. Thiết kế hệ thống điều khiển trụ lƣới .1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình thường của lưới điện …………………………………………………………………………38 3.2 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới .1 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới hoàn toàn .2 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới một phần .3 Sách lược điều khiển trụ lưới .1 Đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới .2 Điều khiển bộ biến đổi phía rotor khi xảy ra lỗi lưới.4 Tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều khiển phía lưới .1 Tính toán các vector điện áp và dòng điện khi không có thành phần bậc zero.2 Phân tích công suất tức thời theo các thành phần Clarke .3 Lọc tích cực trên cơ sở bù công suất tức thời .4 Thiết kế bổ sung chức năng lọc tích cực cho hệ thống điều khiển phía lưới .5 Trụ lưới không đối xứng sử dụng bộ điều khiển với thành phần đối xứng .1 Biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng .2 Xác định các thành phần đối xứng theo phương pháp công suất tức thời .3 Xác định các thành phần đối xứng sử dụng bộ lọc đa biến .4 Thiết kế bộ điều khiển với thành phần đối xứng .6 Cấu trúc điều khiển của toàn bộ hệ thống. Kết quả mô phỏng.2 Kết quả mô phỏng với lọc tích cực .1 Tải phi tuyến trong chế độ làm việc bình thường .2 Tải phi tuyến và lọc tích cực .3 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới .1 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới không có bảo vệ .2 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới có bảo vệ bằng BNQĐA .3 Kết quả mô phỏng khi có bộ điều khiển tổng hợp đối xứng .4 So sánh các khả năng cân bằng dòng lưới khi lỗi lưới không đối xứng.

87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………89 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.91 TÀI LIỆU THAM KHẢO.92 vii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 1 Ptb Công suất của turbin gió KW 2 tb Mật độ không khí Kg/m3 3 Rcg Bán kính của cánh gió m 4 vgm Tốc độ gió phía trước cánh gió (m/s) 5 Ctb Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hình học của turbin gió r6 p Góc xoay của cánh gió 7 tb Tốc độ góc của turbin rad/s 8 tb Hệ số phụ thuộc vào tốc độ góc của turbin và tốc độ gió 9 s Vận tốc góc mạch stator rad/s 10 r Vận tốc góc mạch rotor rad/s 11 m Vận tốc góc cơ của rotor rad/s 12 n Vận tốc góc của mạch lưới rad/s 13 in Véc tơ dòng điện lưới 14 ic Véc tơ dòng điện bộ biến đổi phía lưới 15 is Véc tơ dòng điện stator máy phát 16 ir Véc tơ dòng điện rotor máy phát 17 if Véc tơ dòng điện chạy qua nhánh song song của bộ lọc 18 ird Thành phần d của dòng điện rotor 19 irq Thành phần q của dòng điện rotor viii 20 isd Thành phần d của dòng điện sator 21 isq Thành phần q của dòng điện sator 22 ind Thành phần d của dòng điện lưới 23 inq Thành phần q của dòng điện lưới 24 icd Thành phần d của dòng điện bộ biến đổi phía lưới 25 icq Thành phần q của dòng điện bộ biến đổi phía lưới 26 i fd Thành phần d của dòng điện qua nhánh song song của bộ lọc 27 i fq Thành phần q của dòng điện qua nhánh song song của bộ lọc 28 un Véc tơ điện áp lưới 29 uc Véc tơ điện áp bộ biến đổi phía lưới 30 u ss Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ sator 31 u rr Véc tơ điện áp rotor trên hệ trục tọa độ rotor 32 us Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ dq 33 ur Véc tơ điện áp rotor trên hệ trục tọa độ dq 34 ur0 Điện áp rotor khi hở mạch 35 u s t , us t Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới trên hệ trục tọa độ 36 us n , us n Thành phần thứ tự ngược của điện áp lưới trên hệ trục tọa độ 37 u sdt , u sqt Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới trên hệ trục tọa độ dq 38 u sdn , u sqn Thành phần thứ tự ngược của điện áp lưới trên hệ trục tọa độ dq ix 39 u rd , u rq Các thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq 40 u sd , u sq Các thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ dq 41 und , unq Các thành phần điện áp lưới trong hệ tọa độ dq 42 u cd , ucq Các thành phần điện áp bộ biến đổi phía lưới trong hệ tọa độ dq 43 J Mô men quán tính Kgm 2 44 Lm Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor H 45 Điện cảm stator H Ls = Lm Ls 46 Điện cảm rotor H Lr = Lm Lr 47 Ls Điện cảm tản phía stator H 48 Lr Điện cảm tản phía rotor H 49 Rs Điện trở stato 50 Rr Điện trở rotor 51 PKĐBNK Máy phát không đồng bộ nguồn kép 52 BBĐPMP Bộ biến đổi phía máy phát 53 BBĐPL Bộ biến đổi phía lưới 54 PBC Passivity - Based Control 55 EL Euler - Lagrange 56 THĐX Tổng hợp đối xứng 57 BNQĐA Bộ ngắt quá điện áp 58 TTGTĐ Tính toán giá trị đặt 59 PLL Phase-locked Loop 60 LL Lỗi lưới x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Kí hiệu Nội dung hình vẽ, đồ thị Trang 1.1 Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện 6 sức gió 1.2 Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng 7 lượng tương ứng. (a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ 1.3 Hệ thống máy phát sức gió 8 1.4 Các vùng làm việc của một tuốc bin gió (nét đậm: đặc tính 10 công suất tối ưu của hệ thống) 1.5 Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK 12 1.6 Các sách lược trụ lưới 16 2.1 Biến đổi các hệ trục tọa độ 18 2.2 Mạch điện phía lưới (a) và mô hình phía lưới (b) 22 2.3 Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 24 2.4 Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát 25 2.5 Sơ đồ khối điều khiển phía lưới 31 2.6 Cấu trúc điều khiển phía lưới 32 2.7 Bù điện áp lưới 35 2.8 Bộ biến đổi phía lưới với bộ điều khiển deadbeat 36 3.1 Cấu trúc điều khiển phía máy phát 42 3.2 Các vector dòng áp trong hệ trục tọa độ αβ 44 3.3 Bộ lọc tích cực song song 45 3.4 Bộ lọc tích cực ba pha ba dây bù dòng 46 3.5 Công suất tác dụng trên tải 47 3.6 Nguyên lý bộ lọc tích cực bù thành phần công suất không đổi 48 trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới 3.7 Nguyên lý chức năng lọc tích cực sẽ được tích hợp bổ sung vào 48 xi cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới 3.8 Xác định các dòng điện phụ 56 3.9 Xác định các thành phần điện áp thứ tự thuận 57 3.10 Xác định thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới 58 3.11 Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới khi có tải phi tuyến 59 3.12 Phân ly thành phần thứ tự thuận và ngược sử dụng các bộ lọc 61 đa biến 3.13 Xác định thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp lưới 62 3.14 Thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp lưới khi có tải 63 phi tuyến 3.15 Cấu trúc điều khiển phía lưới với bộ điều khiển THĐX 64 3.16 Cấu trúc điều khiển phía lưới với bộ điều khiển THĐX có tích 66 hợp chức năng lọc tích cực 3.