Đề tài Máy điện dị bộ, nghiên cứu máy điện dị bộ nguồn kép trong chế độ máy phát sử dụng động cơ lai có tốc độ dải rộng

ành phần một chiều của bộ chỉnh lƣu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp tải sau khi chỉnh lƣu. Bộ biến đổi (mạch động lực) Điều khiển U1, f1 U2, f2 19 - Phần điều khiển Là bộ phận không thể thiếu đƣợc, quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định.  Bộ điều khiển nghịch lƣu gồm 3 phần: - Khâu phát xung chủ đạo: Là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đƣa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng transito. Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn có thể đảm nhận luôn chức năng khuyếch đại xung. - Khâu phân phối xung: Làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xung chủ đạo. - Khâu khuyếch đại trung gian: Có nhiệm vụ khuyếch đại xung nhận đƣợc từ bộ phận phân phối xung đƣa đến đảm bảo kích thích mở van.  Nhận xét: Biến tần nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật, biên độ đƣợc điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp một chiều. Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ thuộc phụ tải, dòng điện do tải xác định 1.2.3 Linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn IGBT (insulated gate bipolar transistor) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Hình 1.8 Hình dạng và cấu tạo của IGBT 20 - IGBT có cấu trúc gồm bốn lớp p-n-p-n. IGBT có cấu tạo gồm 3 cổng Gate(G), Collector(C), Emitor(E). Mạch điều khiển nối vào cổng GE, mạch công suất đƣợc nối giữa cổng C-E. - IGBT đƣợc thực hiện từ sự kết hợp giữa IGBT đầu vào với cổng Gate cách ly và transistor dạng n-p-n đầu ra, nhờ đó mà IGBT tập hợp đƣợc những đặc tính của cả IGBT và IGBT. Cổng Gate của IGBT giống nhƣ cổng Gate của MOSFET, còn cực Collector và Emitor giống nhƣ BJT. - IGBT là transistor công suất hiện đại, cho nên kích thƣớc gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu đƣợc điện áp và dòng điện lớn cũng nhƣ tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện.  Hoạt động. - Việc kích dẫn IGBT đƣợc thực hiện bằng xung điện áp đƣa vào cổng kích G. Khi tác dụng lên cổng G điện thế dƣơng so với Emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang điện loại n đƣợc kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor n-p-n và làm cho IGBT dẫn điện. Để ngắt IGBT ta ngắt điện áp cấp cho cổng GE. - Lớp p cực Collector của IGBT kết hợp với lớp n vùng khuyếch tán tạo tiếp xúc p-n, khi dẫn. Để đơn giản ta giả thiết cực E là điện thế mát. + Khi điện thế cực C âm, lớp tiếp xúc p-n khuyếch tán phân cực ngƣợc ngăn không cho dòng điện tải chạy trong linh kiện – linh kiện ở trạng thái ngắt. + Khi cực G có điện áp mát mà điện áp dƣơng trên cực C, tiếp xúc p-n khuyếch tán cũng phân cực ngƣợc làm cho dòng điện tải không chạy trong linh kiện- linh kiện ở trạng thái chƣa dẫn. + Khi cực G mang điện thế dƣơng lớn hơn điện áp đóng Vth, kênh n đƣợc tạo thành cho phép điện tử dịch chuyển vào vùng n – khuyếch tán. Lớp tiếp xúc p-n khuyếch tán phân cực thuận và điện tích lỗ hổng dịch chuyển vào vùng khuyếch tán. Trong vùng này điện tử kết hợp với điện tích lỗ hổng thiết lập khoảng trung hòa, các điện tích lỗ hổng còn lại kết hợp với cực E, tạo dòng điện giữa hai cực E-C. 21 Đặc tính Volt-Amper IGBT - Đặc tính V-A của IGBT có dạng tƣơng tự nhƣ đặc tính V-A của MOSFET. Hình 1.9 Sơ đồ kết nối và đặc tinh VI của IGBT  Đặc tính VI của IGBT đƣợc chia làm 3 vùng: + Vùng nghịch : VGE < VTh , đặc tính ra với thông số ID=0. Nằm trong vùng này IGBT ở chế độ ngắt. Trong đó là VTh điện áp đóng của MOSFET + Vùng tích cực: VCE VTh là vùng mà IGBT dẫn, dòng điện chạy từ cổng Drain đến cổng Source. Dòng IC tỷ lệ với điện áp VCE. Dòng IC lớn và điện áp C-E nhỏ. IGBT hoạt động nhƣ khóa đóng ngắt. + Vùng bão hòa: VCE > VGE - VTh ; VGE > VTh : Dòng IC hầu nhƣ không đổi khi điện áp VCE tăng và IGBT hoạt động nhƣ một khâu khuyếch đại. Để ngắt IGBT, cực G đƣợc nối tắt với cổng E làm cho dòng điện trong Transistor p-n-p ngƣng. Dòng IC đột ngột giảm, nguyên nhân là vì kênh điện tử bị gỡ bỏ, đồng thời hạt điện tích dƣơng dƣ thừa trong vùng n - khuyếch tán bị suy giảm vì kết hợp lại với điện tử.  Các thông số cơ bản IGBT - IGBT kết hợp những ƣu điểm của MOSFET và BJT. - Ƣu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh, làm nó đƣợc sử 22 dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rộng xung tần số cao. IGBT hiện chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp với họat động trong phạm vi công suất đến 10MW hoặc cao hơn nữa. - Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp nó thay thế dần GTO trong một số ứng dụng công suất lớn. - Giống nhƣ MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng và ngắt. IGBT có thể làm việc với dòng điện lớn. Tƣơng tự nhƣ GTO, transistor IGBT có khả năng chịu áp ngƣợc cao. - So với thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt IGBT rất nhanh và khả năng chịu tải đạt đến mức điện áp vài ngàn Volt (6kV) và dòng điện vài ngàn Amper. + Khả năng đóng cắt nhanh đến 100kHz + Điện áp định mức đến 6.3 kV + Dòng địng mức đến 2,4 kA + Ứng dụng cho bộ biến đổi có công suất lớn đến 10MW + Có khả năng chịu áp ngƣợc cao. + Sụt áp thấp 2-3V với áp địng mức 1000V. Các trạng thái đóng ngắt. - VCE >0, VGE >0 : IGBT đóng - VGE <=0 : IGBT ngắt - Mạch bảo vệ: IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong trƣờng hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT - Mạch kích: Mạch kích IGBT đƣợt thiết kế tƣơng tự nhƣ mạch kích cho MOSFET. Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT đƣợc chế tạo dƣới dạng IC công nghiệp. Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch. 23 1.2.4. Các khối trong biến tần gián tiếp 1.2.4.1. Khối chỉnh lƣu có điều khiển Bộ chỉnh lƣu có chức năng biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều. Các bộ chỉnh lƣu này có thể là chỉnh lƣu có điều khiển hoặc không điều khiển. Để giảm công suất tác dụng, ngƣời ta thƣờng mắc song song ngƣợc với tải một chiều diot. Trong các sơ đồ chỉnh lƣu có diot ngƣợc, khi có và không có điều khiển, năng lƣợng đƣợc truyền từ phía lƣới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lƣu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lƣu nhận năng lƣợng từ lƣới. Các bộ chỉnh lƣu có điều khiển, không có diot ngƣợc có thể trao đổi năng lƣợng theo hai chiều. Khi năng lƣợng truyền từ lƣới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lƣu nhận năng lƣợng từ lƣới, khi năng lƣợng truyền theo chiều ngƣợc lại (nghĩa là từ phía tải một chiều về lƣới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lƣu trả năng lƣợng về lƣới. Theo dạng xoay chiều cấp nguồn, có thể chia thành một hay ba pha. Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lƣu là: dòng điệnvà điện áp tải; dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến áp; số lần đập mạch trong một chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp có thể là dòng một chiều hay xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của tần số sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lƣu với tần số điện áp xoay chiều. Trong đề tài này tôi xin đi nghiên cứu sâu về mạch chỉnh lƣu điều khiển hoàn toàn IGBT, bộ chỉnh lƣu gồm các nhóm van điều chỉnh lƣu và máy biến áp. + Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng 1 chiều + Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu cần thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lƣới điện để vận hành an toàn, cải thiện đƣợc dạng sóng nguồn lƣới điện. 24 Hình 1.10 Sơ đồ chỉnh lƣu cầu 1 pha dùng IGBT Sơ đồ hình trên biểu diễn chỉnh lƣu cầu một pha điều khiển đối xứng đƣợc cấu tạo từ bốn con IGBT mắc theo sơ đồ hình 1.10.  Hoạt động. Trong nửa chu kì (UAB > 0) điện áp anod của Tranristor T1 dƣơng (catod T2 âm), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1,T2 đồng thời, thì các van này sẽ đƣợc dẫn để đặt điện áp lƣới lên tải. Điện áp tải một chiều còn trùng với điện áp xoay chiều chừng nào các Tranristor còn dẫn (khoảng dẫn của các Transistor phụ thuộc vào tính chất của tải). Đến nửa chu kì sau, điện áp đổi dấu (UAB < 0), anod của Tranristor T3 dƣơng catod T4 âm, nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3,T4 đồng thời, thì các van này sẽ đƣợc dẫn, để đặt điện áp lƣới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa chu kì trƣớc. - Khi = 1 cho xung điều khiển mở T1 và T2: ud =u2 Hai tranristor này sẽ tự nhiên bị khóa lại khi u2=0 - Khi = + cho xung điều khiển mở T3 và T4: ud =u2 U R E A B D1n T3 D3n T4 D2n T2 D4n T1 F 25 Hình 1.11 Sơ đồ điện áp và dòng điện  Nhận xét: - Chỉnh lƣu cầu một pha có điện áp ngƣợc trên van bé, biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn. - Tuy nhiên chúng có số lƣợng van nhiều hơn, giá thành cao hơn, sụt áp trên van lớn,điều khiển phức tạp hơn. 1.2.4.2. Khối nghịch lƣu Nghịch lƣu là thiết bị biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều với tần số tùy ý. Các van bán dẫn trong bộ nghịch lƣu có thể là thyristo hoặc transito. Nhƣng phù hợp và ƣu việt hơn ta dùng transito. Ƣu điểm dễ thấy là tổn hao đổi chiều nhỏ hơn. Bộ nghịch lƣu dùng transito có kích thƣớc nhỏ và nhẹ hơn bộ nghịch lƣu tƣơng đƣơng dùng thyristo. Khuyết điểm của nó là đòi hỏi tác động liên tục vào cực gốc trong chu kỳ dẫn của transito, một khuyết điểm nữa là điện áp dịnh mức thấp hơn của thyristo. Tuy nhiên dùng transito công suất 26 mở rộng đƣợc phạm vi và phát huy các ƣu điểm hơn thyristo do cải thiện đƣợc đại lƣợng định mức và gía thành. Nguồn áp vẫn là nguồn đƣợc sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của ngƣợc lƣu áp có thể điều chế theo phƣơng pháp khác nhau để có thể giảm đƣợc sóng điều hòa bậc cao. Trƣớc kia nghịch lƣu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lƣu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp. Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO càng trở nên lớn và có kích thƣớc gọn nhẹ, do đó ngƣợc lƣu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và đƣợc chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lƣu áp trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn. Vì vậy dƣới đây xem xét nghịch lƣu điện áp 3 pha dùng van an toàn. Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lý tƣởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không.  Cấu tạo Sơ đồ nghịch lƣu áp ba pha hình 1.12 đƣợc ghép từ ba sơ đồ 1 pha có điểm trung tính. Để đơn giản hóa việc tính toán ta giả thiết nhƣ sau : - Giả thiết các van là lý tƣởng, nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều. - Van động lực cơ bản T1, T2, T3, T4, T5, T6 làm việc với độ dẫn điện 180 , Za = Zb = Zc. Các điôt D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lƣợng về nguồn và tụ C đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lƣợng phản kháng từ tải. 27 Ta xét cụ thể nguyên lý và luật điều khiển cho các tranristo nhƣ sau: Hình 1.12. Sơ đồ nghịch lƣu áp ba pha  Hoạt động : Tụ C0 có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đối. Phƣơng pháp điều khiển các van transito thông thƣờng nhất là điều khiển cho góc mở của van là o180 và o120 .Ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu sao nhƣ hình vẽ bằng cách xá định điện áp trên tải trong từng khoản thời gian 60 0 (vì cứ 600 có một sự chuyển trạng thái mạch) với nguyên tắc van nào dẫn thì thông mạch. Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với hai pha đấu song song nhau. Do vậy điện áp trên tải sẽ chỉ có giá trị là uz /3 (khi một pha đấu song song với một trong hai pha còn lại ) hoặc 3/2 zU . Với giả thiết là tải đối xứng.  Nguyên tắc chuyển mạch Cho góc mở của mỗi transito là 180o và cứ 60o tiếp theo ( kể từ khi transito trƣớc đó mở thì cho 1 transito khác mở). Nhƣ vậy trong cùng một thời gian có 3 transito mở. D2n A B C Co + - Za Zb Zc T2 D6n T6 D4n T4 T1 D5n D3n D1 n T3 T5 E 28 Bảng trạng thái quá trình mở các transito. T 0 o60 oo 12060 oo 180120 oo 240180 oo 300240 oo 360300 T1 1 1 1 0 0 0 T2 0 1 1 1 0 0 T3 0 0 1 1 1 0 T4 0 0 0 1 1 1 T5 1 0 0 0 1 1 T6 1 1 0 0 0 1 Xét quá trình chuyển mạch từ T5 sang T2 tƣơng ứng khoảng từ ( oo 600 ) sang ( oo 12060 ) Trong khoảng ( oo 600 ) thì T1, T5, T6, dẫn. Chiều dòng điện trên tải đƣợc xác định theo chiều mũi tên, đến thời điểm 60o thì đảo trạng thái từ T5 sang T2. Do trên tải có Zc mang tính cảm nên dòng điện không đảo ngay lập tức mà năng lƣợng tích lũy trong Zc duy trì theo chiều cũ một thời gian, lúc đó buộc dòng điện duy trì phải thoát qua diod D2, qua tải về âm nguồn đến lúc dòng điện đổi chiều sẽ mang dòng điện duy trì thì D2 khóa. Quá trình chuyển mạch kết thúc. 29 Cũng lý luận tƣơng tự ta đƣợc thứ tự chuyển mạch nhƣ sau : t1 t2 t3 t4 T1 T4 T6 T3 T6 T2 T5 T1 T3 T5 T2 t t t Hình 1.13. Luật điều khiển các tranristo 30 Nhận xét : Điện áp dây của tải có dạng xung chữ nhật Điện áp pha của tải có dạng bậc thang Dòng điện của tải có dạng xoay chiều T4 io Uc Ub T5 T6 Ua T3 T1 T2 Hình 1.14 Dạng sóng nghịch lƣu 31 CHƢƠNG 2 HỆ THỐNG MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ. Máy phát là bộ phận chuyển đổi năng lƣợng cơ năng thành điện năng, máy phát điện là một phần tử rất quan trọng trong hệ thống. Các loại máy phát có thể sử dụng nhƣ: Máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều đồng bộ, máy phát điện xoay chiều không đồng bộ. Gần đây ngƣời ta đã phát triển và sử dụng máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía ( DFIG). Lý do sử dụng của máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG: Với mô hình cuả máy phát không đồng bộ roto dây quấn, bây giờ ta gắn vào trục máy phát một động cơ lai và quay nó cùng chiều từ trƣờng nhƣng với tốc độ lớn hơn, lúc này độ trƣợt có giá trị âm, dòng rorto đổi chiều do thay đổi thứ tự cắt các thanh dẫn của từ trƣờng, moomen quay của máy phát đổi chiều, chống lại chiều quay của roto và trở thành momen cản. Máy điện dị bộ làm việc nhƣ máy phát điện, biến cơ năng của máy lai Do máy lai co tốc độ không ổn định có thể làm việc ở tốc độ định mức, nhiều khi làm việc trên giá trị đồng bộ. Nếu máy điện đồng bộ thƣờng thì không thể đáp ứng đƣợc cho yêu cầu : u=const f=const. Chỉ có máy điện dị bộ nguồn kép dƣới sự điều khiển của bộ biến tần mới đáp ứng đƣợc yêu cầu này. - Khi tốc độ n < nđm, đó là tốc độ vận hành dƣới đồng bộ. Trong trƣờng hợp này máy phát lấy năng lƣợng từ lƣới qua roto. - Khi tốc độ n > nđm, đó là tốc độ vận hành trên đồng bộ.Trƣờng hợp này máy phát hoàn năng lƣợng về lƣới cũng qua roto. 32 - Khi tốc độ n = nđm, lúc đó máy điện dị bộ đạt đƣợc hai lần tốc độ đồng bộ, tức là hệ thống đã đạt hai lần công suất. * Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích máy phát. Vì vậy nó có thể làm việc một cách tin cậy hơn với giá thành và chi phí bảo dƣỡng thấp. Hơn nữa, các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể đƣợc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của rotor hoặc đƣa thêm hay thu hồi công suất, đƣợc gọi là công suất trƣợt ở rotor. Các máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn nhƣ vậy đƣợc gọi là máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIM (doubly-fed induction machine). Hiện nay ngƣời ta đã chế tạo và sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG với nhiều cải tiến và mang lại hiệu quả tốt hơn. Máy phát không đồng bộ Roto dây quấn (KĐB-RDQ), còn đƣợc gọi là không đồng bộ nguồn kép (doubly-fed induction Generator:DFIG). Máy phát KĐB-RDQ có Stato ghép trực tiếp vào lƣới, còn phía Rotor đƣợc nối với lƣới qua thiết bị điều khiển (hình 2.1). Hình 2.1 Mô hình hệ thống máy phát không đồng bộ Roto dây quấn (KĐB-RDQ) 33 Máy phát DFIG đƣợc xem là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng có tốc độ thay đổi. Bởi vì bộ biến đổi công suất đặt bên phía rotor nên làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn. Vấn đề duy nhất là khó điều khiển hơn. 2.2. CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT DFIG: DFIG thực chất là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn (đã nêu ở chƣơng 1 kết hợp với các bộ biến đổi Converter và Inverter thành một hệ thống). Trong hệ thống chuyển đổi năng lƣợng sử dụng DFIG thì stator của DFIG đƣợc kết nối trực tiếp với lƣới điện và mạch rotor nối với bộ biến đổi công suất thông qua vành trƣợt. Một tụ điện DC link đƣợc đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lƣợng. Hình 2.2 Cấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía (DFIG). Vành trƣợt đƣợc đặt ở phía đầu của rotor, có nhiệm vụ đƣa dòng điện một chiều ra ngoài. Thiết bị crowbar đƣợc trang bị ở đầu cực roto để bảo vệ quá dòng và tránh quá điện áp trong mạch một chiều. Khi xảy ra tình trạng quá dòng thiết bị crowbar sẽ ngắn mạch đầu cực roto thông qua điện trở crowbar, ngƣng hoạt 34 động của bộ điều khiển converter và cho phép DFIG làm việc nhƣ một máy phát điện không đồng bộ thông thƣờng, lúc này là tiêu thụ điện năng từ lƣới. Trong thực tế, điện áp định mức của rotor thƣờng nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator, nên máy biến áp nối giữa DFIG và lƣới điện sẽ có ba cuộn dây.  Bộ converter phía máy phát RSC có các ƣu điểm sau: + Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lƣới và khả năng tự điều chỉnh điện áp trong trƣờng hợp lƣới yếu. + Có khả năng hoàn toàn tự kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lƣới. + Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Bộ converter phía máy phát RSC còn điều khiển mômen, tốc độ máy phát và điều khiển hệ số công suất đầu cực stator. Trong khi đó, nhiêm vụ chính của bộ converter phía lƣới GSC là giữ cho điện áp phát DC link không đổi. Máy phát DFIG còn ƣu điểm là có thể làm việc với tốc độ rotor thay đổi trong khoảng ± so với tốc độ đồng bộ . Hình 2.3 thể hiện đặc tính mômen tốc độ của máy. Hình 2.3 Đặc tính mômen, tốc độ làm việc của máy phát DFIG. 35 2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT DFIG: Khi ta tác dụng một lực vào turbine quay, thông qua hộp số và trục truyền động làm roto quay. Khi đã đạt đến tốc độ trên đồng bộ (n2 > n1 ), thì máy phát DFIG sẽ tạo ra dòng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Tốc độ từ trƣờng: n1 = Cuộn dây stator của máy phát DFIG phát điện trực tiếp vào lƣới điện tƣơng tự nhƣ các máy phát điện không đồng bộ. Sự khác biệt là phần rotor cũng đƣợc kết nối với lƣới điện thông qua chuyển đổi năng lƣợng điện tử. Vì vậy, trong hệ thống DFIG, năng lƣợng cấp cho lƣới điện không chỉ bởi stator, mà còn bởi rotor. Do đó, hệ thống này đƣợc gọi là "máy phát nguồn kép". Mạch roto đƣợc cấp nguồn từ bộ nghịch lƣu nguồn áp VSC (voltage source converter) có biên độ và tần số thay đổi thƣờng sử dụng linh kiện điện tử công suất IGBT. Khi đã hòa đồng bộ với lƣới điện dòng năng lƣợng qua máy phát có thể đƣợc mô phỏng xảy ra hai trƣờng hợp: + Khi mômen quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là tốc độ vận hành dƣới đồng bộ. Trƣờng hợp này máy phát lấy năng lƣợng từ lƣới qua rotor. + Khi mômen quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là tốc độ vận hành trên đồng bộ. Trƣờng hợp này máy phát hoàn toàn năng lƣợng về lƣới cũng qua rotor. Để đảm bảo DFIG vận hành nhƣ máy phát ở hai chế độ trên, thì bộ biến đổi công suất cả hai phía (phía máy phát: RSC và phía lƣới: GSC đều phải là nghịch lƣu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều). 36 Hình 2.4 Chiều của dòng năng lƣợng qua máy phát DFIG ở 2 chế độ. a. Chế độ dƣới đồng bộ ; b. Chế độ trên đồng bộ Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả bốn góc phần tƣ của mặt phẳng phức dq, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lƣới (điều này ngƣợc lại với máy điện thông thƣờng). Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa DFIG và lƣới điện có thể đƣợc điều khiển độc lập với công suất thực. Máy điện thƣờng hoạt động nhƣ động cơ trƣớc khi đạt tới tốc độ nhất định (tốc độ trên đồng bộ), rồi sau đó mới phát ngƣợc công suất vào lƣới. Mục tiêu của điều khiển máy phát DFIG bao gồm: + Chế độ vận hành thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số: điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát DFIG và lƣới điện thông qua rotor, góp phần ổn định hệ thống điện. Thuận lợi của chế độ vận hành thứ nhất là lƣới đƣợc cung cấp một nguồn năng lƣợng không đổi, tuy nhiên năng lƣợng lại không đƣợc sử dụng một cách hiệu quả. + Chế độ vận hành thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất: Điều khiển công suất tác dụng bám các điểm vận hành tối ƣu của turbine, nhằm tối Lƣới điện Stator Rotor 4 b) Lƣới điện Stator Roto 3 a) 37 ƣu công suất thực nhận đƣợc hoặc để hạn chế công suất đầu vào. Tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ quá lớn và tránh lãng phí công suất. Thuận lợi của chế độ vận hành thứ hai là tối ƣu hóa năng lƣợng biến đổi từ năng lƣợng sang điện năng trong một khoảng thay đổi tốc độ rộng. Mỗi hệ thống turbine đều có chứa những hệ thống phụ (điện-điện tử, cơ khí, khí động học) với hằng số thời gian đáp ứng khác nhau. Thời hằng của các hệ thống điện thƣờng nhỏ hơn rất nhiều so với thời hằng của các hệ thống cơ. Sự khác nhau về thời hằng càng rõ ràng khi ta điều chỉnh tốc độ, do đó hệ thống điện càng phức tạp thì yêu cầu của hệ thống điều khiển cũng phức tạp theo. Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển turbine có tốc độ thay đổi DFIG. Hình 2.5 trình bày sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống biến đổi năng lƣợng tốc độ thay đổi trang bị máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG. Trong đó có thể phân biệt thành hai kênh điều khiển nhƣ sau: 38 + Điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng): Bao gồm điều khiển bộ biến đổi công suất phía roto RSC và điều khiển bộ biến đổi công suất phía lƣới GSC. + Điều khiển turbine: Kênh này đáp ứng chậm hơn, bao gồm điều khiển tốc độ. 2.4. PHẠM VI HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT KĐB – RDQ Nhờ khả năng cấp nguồn từ phía Rotor, máy điện không đồng bộ Rotor dây quấn cho phép thực hiện đơn giản bốn chế độ vận hành nhƣ hình 2.6, hoàn toàn độc lập với tốc độ quay cơ học (trên hoặc dƣới đồng bộ), việc máy hoạt động ở chế độ động cơ hay máy phát chỉ phụ thuộc vào dấu cho trƣớc của mômen mM. Theo hình 2.6, máy điện sẽ hoạt động ở chế độ máy phát, nếu mômen mang dấu âm. Ta đã biết, kích cỡ của mM đặc trƣng cho kích cỡ của công suất phát ra (ở chế độ máy phát) hoặc công suất lấy vào (ở chế độ động cơ) của máy điện KĐB-RDQ và việc điều khiển/điều chỉnh công suất đó (ví dụ: thông qua mômen) không đƣợc phép ảnh hƣởng đến hệ số công suất (HSCS) cos đã đặt cho thiết bị. Hình 2.6 Phạm vi hoạt động của máy phát KĐB-RDQ Trên đồng bộ, chế độ máy phát 0>s>α Trên đồng bộ, chế độ động cơ 0>s>α 4 2 1 3 Dƣới đồng bộ, chế độ máy phát 1>s>0 Dƣới đồng bộ, chế độ động cơ 1>s>0 m 0 nS 0 s 1 -1 39 CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR DÂY QUẤN – XÂY DỰNG TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN 3.1. MÔ HÌNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT KĐB-RDQ Xuất phát điểm để xây dựng mô hình là các phƣơng trình điện áp Stato, roto trên hệ thống cuộn dây Stato, Roto. Phƣơng trình điện áp Stato (chỉ số ”s” viết bên phải, trên cao: tọa độ cố định trên Stato ): dt d iRu s ss ss s s (3.1) Phƣơng trình điện áp Roto (chỉ số ”r” viết bên phải, trên cao: tọa độ cố định trên Roto ): dt d iRu r rr rr r r (3.2) Do máy có cấu trúc cân xứng về mặt cơ học, ta có thể bỏ qua các chỉ số phụ nhƣ trong (3.1) và (3.2), nếu ta biểu diễn các vector từ thông trên cùng một hệ tọa độ : rrrrr mrsss s LiLi LiLi (3.3) Phƣơng trình (pt.) mômen có dạng nhƣ sau : rrpsspM izizm 2 3 2 3 (3.4) Sau khi chuyển các pt.(3.1), (3.2) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq bất kỳ chuyển động quay tròn với tốc độ góc s ta thu đƣợc: 40 j j rr s dt d iRu dt d iRu r rr rr r r s s ss ss s s (3.5) Trong đó: rs (3.6) Sau khi triệt tiêu dòng Stator is và từ thông rotor r , từ hệ pt.(3.5) ta thu đƣợc hệ sau: (3.7) Trong đó : mss L/ ' . Viết (3.7) dƣới dạng thành phần ta sẽ thu đƣợc mô hình điện toàn phần của máy phát KĐB-RDQ. sq m sdssq s rq s sq sd m sqssd s rd s sd sq m rq r sdsq s rdrrq sr rq sd m rd r sqsd s rrrd sr rd u LT i Tdt d u LT i Tdt d u L u LT ii TTdt di u L u LT ii TTdt di 111 111 1111111 1111111 '' ' '' ' '' '' (3.8) Để chọn đƣợc hệ tọa độ thích hợp ta hãy theo dõi suy nghĩ sau: Do Stato của máy phát đƣợc nối mạch với lƣới và vì vậy tần số mạch Stato chính là tần số lƣới, điện áp rơi trên điện trở Rs có thể bỏ qua đƣợc so với tổng điện áp rơi trên hỗ cảm Stato Lm và điện áp tiêu tán Ls, Phƣơng trình (3.1) có thể đƣợc viết gần đúng nhƣ sau: s m s s r s s s m r r s s rrr sr r u L j T i Tdt d u L u L j T iji TTdt di 111 1111111 ' ' ' 41 dt d u ss hoặc sss ju (3.9) Phƣơng trình (3.9) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp một góc chừng 900, hoặc diễn đạt cách khác: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện áp stator. Trong tƣơng quan cố định đó, việc hƣớng của vector nào đó đƣợc chọn làm hƣớng tựa cho hệ thống điều chỉnh không có nghĩa quyết định nữa. Nếu tựa: - Theo hƣớng từ thông Stator ta có: usd =0, sq =0 - Theo hƣớng điện áp Stator ta có usq =0 , sd =0 Khi tựa theo hƣớng của điện áp lƣới ta cần chú ý rằng điện áp rất có thể bị méo dạng (ví dụ: Do nhiễu của các thiết bị điện tử công suất đang hoạt động, do nhiễu của sấm chớp trên khí quyển) gây khó khăn cho việc đo góc pha của điện áp. Vì vậy, phải chú ý thực hiện chống nhiễu tốt cho phép đo góc pha. Hệ pt.(3.8) có thể đƣợc viết lại dƣới dạng mô hình trạng thái nhƣ sau: dt dx = Ax + Bsus +Brur (3.10) Với: Vector trạng thái: '' ,,, sqsdrqrd T iix Vector điện áp Stator: sqsd T s uuu , là vector đầu vào phía Stato Vector điện áp Rotor: rqrd T r uuu , là vector đầu vào phía Roto Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía Stator B, và ma trận vào phía rotor B, có công thức tính sau: 42 s s s s s s s s sr r r sr T T T T T T TT TT A 1 1 11 11 1 0 0 1 111 111 ; m m m m s L L L L B 1 0 0 1 1 0 0 1 ; rB 00 00 1 0 0 1 r r L L (3.11) Ma trận trạng thái của máy phát KĐB-RDQ đƣợc thể hiện ở hình 3.1a. Các ma trận của mô hình (2.10) cũng có thể đƣợc viết dƣới dạng các ma trận con (hình 3.1b) nhƣ sau: 0 ;; 1 2 1 22 12 21 11 r r s s s B B B B B A A A A A (3.12) 43 Hình 3.1 a) Mô hình trạng thái theo (3.10) b) Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con ở (3.12) Nhận xét: Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con hình (3.1b) cho thấy rất rõ ràng là điện áp Rotor ur không ảnh hƣởng trực tiếp, mà chỉ có thể ảnh Bs1 Br1 Bs2 A22 A12 A11 A21 Ur Us ir dt dir dt d s ' ' s b) Us x BS Br A Ur a) dt dx 44 hƣởng gián tiếp tới từ thông Stato s thông qua dòng Rotor ir . Điện áp Stator us (đồng thời là điện áp lƣới uN sau khi hòa đồng bộ) có ảnh hƣởng trực tiếp, mang ý nghĩa quyết định tới s , ảnh hƣởng của us tới ir chỉ giữ vai trò nhƣ một đại lƣợng nhiễu với module cố định, với góc pha cho trƣớc/ đo đƣợc và vì vậy có thể bị triệt tiêu dễ dàng nhờ một khâu bù nhiễu thông thƣờng. 3.2. MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN CỦA MÁY PHÁT KĐB- RDQ Nhờ phép tích phân lặp pt.(3.10) trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu, ta thu đƣợc mô hình gián đoạn của máy. Mô hình đó sẽ là xuất phát điểm để thiết kế các khâu điều chỉnh sau này: )()()1( kuHkxkx rr (3.13) Ma trận quá độ trạng thái , các ma trận đầu vào Hs phía Stator, Hr phía Rotor có công thức nhƣ sau: 22 12 21 11 1 1 11 11 0 0 11 1 11 1 s s s s s s s s sr r r sr T T T T T T T T T T T T T T T T TT T T T TT T 0 00 00 0 0 ; 0 0 1 0 0 1 1 2 1 rr r r s s m m m m s HL T L T H H H L T L T L T L T H (3.14) 45 Mô hình gián đoạn (3.13) của MP sử dụng ma trận con (3.14) đƣợc thể hiện trong hình (3.2a). Tách nửa trên ra thể hiện trên hình (3.2b), ta thu đƣợc mô hình dòng Rotor, xuất phát điểm để thiết kế khấu điều chỉnh dòng (ĐCD) sau này. Hinh 3.2 a) Mô hình trạng thái gián đoạn theo pt.(3.13) b) Mô hình dòng của máy phát KĐB-RDQ Hs1 Hr1 Hs2 22 z -1 l 12 21 z -1 l Ur(k) Us(k) ir(k) Ir(k+1) )1(' ks )(' ks a) Hr1 z -1 l 11 Hs1 12 b) Us(k) Ur(k) )(' ks ir(k ) Ir(k+1) 11 46 *Nhận xét: Từ hình (3.2b), ta thấy rất rõ ràng rằng hai đại lƣợng us và s - vì máy phát đƣợc ghép với lƣới điện 3 pha ổn định – chỉ giữ vai trò hai đại lƣợng nhiễu biến thiên rất chậm và do đó có thể bị khử ảnh hƣởng bằng một khâu bù xuôi đơn giản. 3.3 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH PHÍA MÁY PHÁT. 3.3.1 Mô hình dòng Rotor Sau khi tách mô hình trạng thái gián đoạn pt.(3.10) của máy phát, ta thu đƣợc mô hình dòng Rotor ở hình 3.2b với phƣơng trình sau đây: )()()()()1( 11 ' 1211 kuHkuHkkiki rrsssrr (3.15) Phƣơng trình (3.15) có thể đƣợc viết lại dƣới dạng thành phần cho hệ tọa độ dq: )()()()()1( )()()()()()1( 11 ' 131112 1111 ' 141211 kuhkkikiki kuhkuhkkikiki rqrsqrqrdrq sdsrdrsqrqrdrd (3.16) Trong pt.(2.16), điện áp và từ thông Stator có thể đƣợc coi là các đại lƣợng nhiễu biến thiên chậm. Vì vậy, ảnh hƣởng của chúng có thể bị khử một cách dễ dàng nhờ một khâu bù nhiễu. Tuy nhiên, vì các đại lƣợng đó gần nhƣ không đổi, chúng có thể bị thành phần tích phân (tiềm ẩn trong khâu ĐC dòng) bù một cách chính xác và đủ nhanh mà không cần thêm khâu bù bên ngoài. Điều này đƣợc chứng minh nhiều qua thực tế. Tuy nhiên, để đảm bảo tính chính xác, chặt chẽ về phƣơng diện toán học, ta vẫn giữ nguyên khâu bù trong các xử lý tiếp theo. Giả thiết y(k) là đầu ra của một khâu điều chỉnh vector RI mà ta đang cần tìm, ta có thể viết phƣơng trình có bù nhiễu sau: )1()1()()1( 1 ' 12 1 1 kuHkkyHku sssrr (3.17) Sau khi thay (3.17) vào (3.15) ta thu đƣợc mô hình dòng Rotor đã bù nhiễu: 47 )1()()1( 11 kykiki rr hoặc )()()( 1 11 zyzzizzi rr (3.18) Vế y(k-1) trong pt.(3.18) chỉ rõ ràng một nhịp trễ do tính toán đã đƣợc xét đến. 3.3.2. Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ điều chỉnh dòng hai chiều. Các dẫn dắt ở trên đã chỉ ra rõ ràng: Điều kiện tiên quyết để có thể ĐK cách ly tốt 2 thành phần công suất P và Q chính xác là khâu ĐC hai chiều, bảo đảm áp đặt nhanh, chính xác và không tƣơng tác (tách kênh, decoupled) hai thành phần dòng ird và irq. Giả thiết ta sử dụng ma trận điều chỉnh RI nhƣ trong hình 3.3. Khâu ĐC đó sẽ thỏa mãn phƣơng trình sau trên miền z: )()()( * ziziRzy rrI (3.19) Chỉ số “*” viết bên phải, trên cao: giá trị cần, giá trị đặt. Sau khi thay (3.19) vào (3.18) ta thu đƣợc hàm truyền của mô hình dòng đã khép kín mạch vòng điều chỉnh. )()( *11 11 1 ziRRzzIzzi rIIr (3.20) Phƣơng trình (3.20) sẽ thỏa mãn nếu ta sử dụng khâu điều chỉnh với điện áp ứng tức thời theo phƣơng trình sau: 2 11 1 1 z zI RI (3.21) Trong đó: I Ma trận đơn vị: 48 Hình 3.3 Cấu trúc của khâu điều chỉnh dòng Rotor Khâu điều chỉnh theo (3.21) và hình (3.3) có đặc tính động học rất cao, chính xác và đồng thời bảo đảm cách ly tốt hai thành phần dòng irq và ird. Ngoài ra, ta cũng có thể thiết kế khâu ĐC dòng với đáp ứng hữu hạn. 3.4. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÍA MÁY PHÁT 3.4.1 Đặt vấn đề. Đối với các hệ thống ĐK cho MP điện, cấu trúc Đk tuyến tính trình bày ở mục 3.3 đã đáp ứng đƣợc các đòi hỏi rất cao về chất lƣợng. Tuy nhiên, cấu trúc ở hình 3.3 đƣợc thiết kế trên cơ sở mô hình dòng tuyến tính (3.15) thu đƣợc nhờ phép ” tuyến tính hóa trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu” và thực hiện với điều kiện r =const trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu. Trong thực tế vận hành, ta hay gặp các sự cố nhƣ sập điện áp lƣới (sập theo tỷ lệ %), hay mất cân pha nghiêm trọng. Đó là những trƣờng hợp mà điều kiện r = const )(* kir Hr1 z -1 l 11 Hs1 12 Hs1 12 Rl Phía vi điều chỉnh Phía Rotor Us(k) Us(k) ir(k ) ir(k+1) y(k) ir(k ) 1z * 11rH )1(' ks )( ' ks Ur(k) z -1: một nhịp trễ của NL 49 không còn thỏa mãn, dẫn đến suy giảm chất lƣợng của phƣơng pháp ĐK tuyến tính. Vì lý do ấy, một cấu trúc ĐK phi tuyến, phù hợp với bản chất phi tuyến của MP sẽ giúp tránh đƣợc nhƣợc điểm trên. 3.4.2. Khái quát về phƣơng pháp tuyến tính hóa chính xác Xét lớp đối tƣợng phi tuyến có dạng: ).(;)()( xgyuxHxfx (3.22) Với: )(),.....(),()( ; )( . . . )( (); . . . ; . . . 21 111 xhxhxhxH xg xg g u u u x x x m mn Nếu lớp đối tƣợng (3.22) thỏa mãn một số điều kiện (ví dụ: sự tồn tại của vector bậc tƣơng đối, tính suy biến của ma trận L), ta có thể sử dụng phép chuyển hệ tọa độ: 50 )( . . . )( . . . )( . . . )( )( . . . 1 1 1 1 1 1 xgL xg xgL xg xm z z z m r f m r f n m (3.23) Để chuyển (3.22 ) từ hệ tọa độ trạng thái x sang hệ tọa độ trạng thái z mới: CzyBwAzz ; (3.24) Hình 3.4 Chuyển hệ tọa độ trạng thái (TTHCX) cho đối tƣợng phi tuyến Trên hệ tọa độ trạng thái z, phƣơng trình (3.24) có đặc điểm của một hệ vào-ra tuyến tính với công thức của các ma trận A, B, C sẽ đƣợc đƣa ra cho các trƣờng hợp cụ thể sau. Vector biến vào nguyên thủy u đƣợc ĐK theo luật sau: Đối tƣợng vào ra tuyến tính: CzyBwAzz ; wxLxa )()( 1 uxHxfx )()( ).(xgy Khâu ĐK chuyển hệ tọa độ Đối tƣợng phi tuyến w x y x U 51 wxLxau )()( 1 với )( . . . )( )()( )()...( . . . )()...( )( 1 1 11 1 1 1 1 xgL xgL xLxa xgLLxgLL xgLLxgLL xL m r f r f m r fhm r fh r fh r fh (3.25) 3.4.3. Đặc điểm phi tuyến của mô hình máy phát KĐB-RDQ Sau khi thay thế tham số của máy bởi các kí hiệu: )()1(),()1(),()1(),()1(),()1()(1 smrsr TeLdLcbTTa (chú ý: Các kí hiệu a, b, c, d, e chỉ có ý nghĩa tại mục này ), máy điện KĐB- RDQ đƣợc mô tả trên hệ tọa độ dq nhƣ sau: rr msqsdsssqsrqsq msdsqsssdsrdsd sqrqsdsqrdrrqrq sdrdsqsdrqrrdrd v LuTTi LuTTi ducubeiaii ducubeiaii ''' ''' '' '' (3.26) Sau khi định nghĩa các tham số mới, ta có thể chuyển viết (2.26) dƣới dạng cơ bản nhƣ công thức (3.22): 52 1 )(; 0 1 0 ; 0 0 1 )(; )( )( )( ; 1 2 221 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 '' '' 3 2 1 3 2 1 x x xhhh ax ax xf x x x xg xg xg y y y y ducube ducube u u u u v i i x x x x r sqrqsdsq sdrdsqsd r rq rd (3.27) Trong mô hình (3.27 ), hai đại lƣợng nhiễu uS và s đã đƣợc đƣa vào các biến ĐK u1 và u2. Vector biến vào u đƣợc bổ sung thêm biến r là điều đúng với bản chất của máy điện. Mô hình (3.27) chỉ rõ đặc điểm ”cấu trúc phi tuyến” của đối tƣợng, một đặc điểm chỉ có thể chế ngự tốt bởi một giải pháp điều khiển phi tuyến. 3.4.4. Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng cấu trúc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến tính hóa chính xác (TTHCX ). Điều kiện tuyến tính hóa chính xác phần mô hình dòng Rotor – hai phƣơng trình đầu tiên của hệ pt.(3.8). Theo pt.(3.25), ta dễ dàng tìm đƣợc hàm điều khiển truyền động trạng thái dƣới đây cho mô hình dòng Rotor của máy điện không đồng bộ nguồn kép:   wxLxau x x ax ax u u u 3 2 1 )( 1 2 )( 2 1 3 2 1 1 100 10 01 0  (3.28) Kết quả cuối cùng là mô hình thay thế trên hệ tọa độ trạng thái mới có dạng tổng quát nhƣ pt.(3.24) với hai đặc điểm vào ra tuyến tính và thiết kế tuyến tính đã đƣợc đề cập đến. Có thể chi ra ngay hai tính chất quan trọng khi áp dụng TTHCX cho đối tƣợng máy phát loại KĐB-RDQ, đó là: Tính chất 1: Có thể áp dụng các phƣơng pháp thiết kế ĐK tuyến tính quen biết cho đối tƣợng (3.24). Với tính chất này, khi thiết kế khâu ĐC dòng 53 Rotor ta không còn phụ thuộc vào điều kiện r là hằng trong một chu kỳ trích mẫu. Tính chất 2: Mô hình (3.24) còn có đặc điểm tách kênh vào – ra. Với đặc điểm này, việc ĐK cách ly hai quá trình tạo công suất tác dụng P và phản kháng Q đã trở lên vô cùng đơn giản. Nhƣ mục 3.3 đã giới thiệu, chìa khóa của hệ thống ĐK máy phát KĐB- RDQ chính là mạch vòng ĐC dòng Rotor trên hệ tọa độ dq, sử dụng 2 thành phần dòng Rotor ird và irq làm các biến ĐK cách ly công suất tác dụng P (ĐK mômen mG ) công suất phản kháng Q (ĐK hệ số công suất cos ). Dễ dàng nhận thấy, tại đây ta cũng có thể thay thế khâu ĐC 2 chiều RI bởi một cấu trúc mới với khâu ĐK chuyển hệ tọa độ trạng thái và 2 khâu ĐC RIrd, RIrq riêng rẽ cho 2 thành phần dòng đã tách kênh. 3.5. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHÍA LƢỚI 3.5.1. Mô hình toán mạch điện phía lƣới. Lƣới điện 3~ Biến thế NLPL LD CF RF UDC UN iN 3~ gd= iN a) 54 Hình 3.5 Sơ đồ mạch điện phía lƣới: a) Sơ đồ tổng quát ; b) Sơ đồ thay thế và c) Mô hình dòng phía lƣới. Đầu ra của NLPL thƣờng đƣợc ghép với lƣới thông qua cảm kháng LD (có điện trở cuộn dây là RD), qua khâu lọc RC và biến áp (hình 3.5a). Điện cảm của lƣới cho trƣớc là LN, biến áp đƣợc thay thế tƣơng đƣơng bởi điện cảm tiêu tán TL và điện áp lƣới đƣợc thay bởi nguồn áp eN, từ đó ta có sơ đồ mạch điện phía lƣới nhƣ hình 3.5b. Vì tổng điện áp rơi trên biến thế và điện cảm lƣới rất nhỏ so với điện áp rơi trên khâu lọc, ta có thể bỏ qua chúng và thu đƣợc sơ đồ tối giản phục vụ thiết kế ở hình 3.5c . Ở trạng thái xác lập, ta thu đƣợc phƣơng trình lọc RC từ hình 3.5c nhƣ sau: FFF Fs N iRi Cj e 1 (3.29) NLPL LD CF RF UN iN 3~ gd= iN UDC eN c) iT NLPL LD CF RF UN iN 3~ gd= iN UDC LN TL eN b) 55 Trên hệ tọa độ THĐAL với NqNdN jeee , trong đó eNq =0 ta có thể vết: Fd Fs FqF Fq Fs FdFNd i C iR i C iRe 1 0 1 (3.30) Trong đó FqFdF jiii . Nhờ phƣơng trình 3.30 ta có thể tính chính xác giá trị của các thành phần dòng iFd, iFq ở chế độ xác lập, các thành phần dòng kể trên cùng với điện áp lƣới là không đổi, vì vậy đối với mạch vòng ĐC dòng phía lƣới chúng cũng chỉ giữ vai trò của các đại lƣợng nhiễu cố định. Tƣơng tự khâu dòng ĐC dòng Rotor, các đại lƣợng nhiễu phía lƣới cũng có thể bị triệt tiêu ảnh hƣởng nhờ khâu bù nhiễu hoặc nhờ thành phần tích phân tiềm ẩn trong thuật toán điều chỉnh dòng. Từ hình 3.6c ta có thể xây dựng các pt.dòng áp phía lƣới nhƣ sau: FTN N N DNDN iii e dt di LiRu (3.31) Sau khi chuyển pt.(3.31) sang hệ tọa độ dq đồng thời thế dòng iN trong phƣơng trình thứ nhất bởi iN thuộc phƣơng trình thứ 2 ta thu đƣợc phƣơng trình điện áp mới. 0 dt di L jeeiLjeiRe iLje dt di LiRu F D NvqNvdFDsNFDNv TDsNv T DTDN (3.32) Phƣơng trình (3.32) có thể đƣợc viết lại dƣới dạng mô hình trạng thái nhƣ sau: 56 )( 11 )( 11 NvqNq D TdsTd D Tq NvdNd D TqsTd D Td eu L ii Tdt di eu L ii Tdt di (3.33) Từ (3.33) ta thu đƣợc ngay mô hình dòng gián đoạn phía lƣới nhƣ sau: Với D D N D s s D N NvNNNTNT L T L T H T T T T T T keHkuHkiki 0 0 ; 1 1 )()()()1( (3.34) Mô hình (3.34) chính là xuất phát điểm để thiết kế khâu ĐC dòng phía lƣới. Giả thiết rằng ta chỉ trực tiếp đo dòng iN ở đầu ra của NLPL, vậy ta phải sử dụng pt.(3.30) để tính dòng rồi sau đó nhờ pt.(3.31) tính giá trị thực dòng lƣới (dòng biến thế ) iR. 2.2.4.2. Cấu trúc điều khiển Nhƣ trên đã chỉ ra: Then chốt của cấu trúc ĐK phía lƣới là khâu ĐC dòng hai chiều, cho phép áp đặt nhanh và chính xác 2 thành phần dòng phía lƣới là Ndi và Nqi (hình 3.6) Trình tự thiết kế khâu ĐC dòng phía lƣới cũng giống hệt nhƣ phía Rotor của MP. Giả thiết là biến yN (k) đầu ra của khâu điều chỉnh vector RIN, ta có thể viết pt. điều chỉnh sau, trong đó đã có bù nhiễu và trễ thời gian tính: )1()()1( 1 keHkyHku NvNNNN (3.35) Thay (2.35) vào (2.34) ta thu đƣợc mô hình dòng đã bù nhiễu sau đây: )1()()1( kykiki NTNT (3.36) Tại đây ta có hai nhận xét: - Mô hình dòng phía lƣới có cấu trúc hoàn toàn tƣơng tự nhƣ mô hình dòng Rotor (3.18). 57 - eNv chỉ giữ vai trò của đại lƣợng nhiễu cố định và vì vậy ảnh hƣởng của nó có thể bị loại trừ chỉ nhờ thành phần tích phân tiềm ẩn trong khâu ĐC dòng mà không cần bất kỳ khâu bù phụ nào. Để thu đƣợc đáp ứng tức thời đồng thời cách ly tốt hai thành phần của vector dòng, ta có thể sử dụng ngay khâu ĐC nhƣ pt.(3.21) 2 1 1 z zI R NIN (3.37) Bỏ qua khâu bù phụ thêm, ta thu đƣợc nhờ pt. (3.37) tính cụ thể của khâu ĐCD nhƣ sau: )2()1()1(1)()1( )2()1()1(1)()1( kykTxkx T T kx T L ku kykTxkx T T kx T L ku NqTqsTq D Tq D Nq NdTqsTd D Td D Nd (3.38) Trong đó: NqNdN TqTqTqTdTdTdTqTdT jyyy iixiixjxxx ** ;; 58 Ni Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển phía lƣới với khâu ĐC vector dòng. Tuy rằng về lý thuyết các biến động của đại lƣợng nhiễu eNv có thể đƣợc thành phần I tiềm ẩn trong (3.37) san bằng và vì vậy ta có thể bỏ qua không cần khâu bù phụ ở (3.38), thiết bị chỉ có thể hoạt động dƣới điều kiện: yN nhận đƣợc giá trị ban đầu chuẩn xác. )0()0( keHky NvNN (3.39) Với (k=0) tính theo các phƣơng trình (3.30) và (3.31). Khâu ĐC theo (3.37)-(3.39) có độ tin cậy cao và kém nhạy tham số, đó là ƣu điểm lớn. Tuy nhiên, có thể tồn tại khả năng là LD không đủ lớn, dẫn đén méo dạng hình sin của dòng iT do khâu điều chỉnh có tính động cao (đáp ứng tức thời). Đây là điều mà các nhà quản lý lƣới điện khó chấp nhận. Chỉ có hai khả năng khắc phục, hoặc ta thiết kế LD chuẩn xác hơn, hoặc ta chọn giải pháp điều chỉnh có tốc độ chậm hơn. Ví dụ: với tốc độ đáp ứng hữu hạn , thỏa mãn các yêu cầu trên, ta có thể bảo đảm rất tốt dạng hình sin cho dòng phía lƣới iT đặc biệt khi MP phát huy hết công suất. Lƣới điện Tới mạch 1 chiều trung gian UDc DCU iNu iNv iNd iNq uNd uNq uNu uNv u v Ndi Nqi tw tv tu w RI NLPL Hệ số công suất Góc pha PWM Khâu đc UDc UDc Khâu đc Khâu đc dòng Nje Ni Ni 3 2 Nje N Nu 59 Nhận xét: - Lƣới điện trong hình có thể là lƣới điện quốc gia (khi hệ thống phát điện có hòa lƣới ) hoặc chỉ là lƣới phụ tải cục bộ (khi hệ thống phát điện không hòa lƣới). - Cấu trúc điều khiển phía lƣới không chỉ góp phần điều khiển cách ly một cách chắc chắn hai thành phần công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q trong mọi chế độ vận hành.Bằng cách cài đặt một phƣơng pháp điều khiển thích hợp, ta có thể loại trừ đƣợc các thành phần hài phát lên lƣới (vai trò lọc tích cực) hay bù hệ số công suất cos mà không cần đến tụ bù. 60 KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp với sự hƣớng dẫn tận tình của các thầy cô trong bộ môn Điện công nghiệp, đặc biệt là sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS.Nguyễn Tiến Ban cùng những cố gắng của bản thân, em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp “Máy điện dị bộ, nghiên cứu máy điện dị bộ nguồn kép trong chế độ máy phát sử dụng động cơ lai có tốc độ dải rộng”. Đồ án đã hoàn thành một số công việc: - Nghiên cứu máy điện dị bộ làm việc trong chế độ máy phát. - Nghiên cứu hệ thống máy phát điện dị bộ nguồn kép. - Xây dựng các mô hình toán của hệ thống DFIG. Do điều kiện khách quan và chủ quan đề tài còn có một số khuyết điểm và hƣớng nghiên cứu của đề tài là thực hiện mô phỏng, các mô hình điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trên nền MATLAB & Simulink để lấy kết quả phục vụ cho việc ứng dụng thực tế sau này. Nghiên cứu máy phát dị bộ nguồn kép là một lĩnh vực mới và có nhiều khó khăn vì vậy cuốn đồ án mới dừng lại ở 3 nội dung đã tổng kết ở phía trên. Tác giả mong nhận đƣợc sự đóng góp của các thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn. Hải Phòng, ngày 12 tháng 7 năm 2010. Sinh viên thực hiện Hoàng Xuân An 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS. TSKH Thân Ngọc Hoàn, (2005), Máy điện, Nhà xuất bản xây dựng. [2]. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh,(2005), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học - kỹ thuật. [3]. PGS. TSKH Thân Ngọc Hoàn, TS Nguyễn Tiến Ban, Điều khiển tự động các hệ thống truyền động điện, (2007), Nhà xuất bản khoa học - kỹ thuật. [4]. Nguyễn Phùng Quang, (Hà Nội 4/1998), Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo dảm phân ly giữa mômen và các hệ số công suất , Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về tự động hóa, tr. 413-437. [5]. Nguyễn Phùng Quang; A. Dittrich, ( 2006), Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản khoa học - kỹ thuật. [6]. Cao Xuân Tuyển, Nguyễn Phùng Quang,( Hà Nội 6/2005), Các thuật toán phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật Backstepping điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về tự động hóa, tr. 545-550. [7]. Nguyễn Quang Tuấn, Phạm Lê Chi, Nguyễn Phùng Quang, (2005), Cấu trúc tách kênh trực tiếp điều khiển hệ thống máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, Chuyên san “ Kỹ thuật điều khiển tự động”, số 6(2), tr. 28-35,tạp chí Tự động hóa ngày nay. 62 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1 ....................................................................................................... 3 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ .................................................................... 3 TRONG CHẾ ĐỘ MÁY PHÁT ....................................................................... 3 1.1. MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ .................................................. 3 1.1.1. Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn. ....................................... 4 1.1.1.1. Cấu tạo của máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn................. 4 1.1.1.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát không đồng bộ rotor dây quấn. ........ 8 1.1.2.1. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc. ..................... 10 1.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc 1.2. BIẾN TẦN ............................................................................................... 15 1.2.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 15 1.2.2. Biến tần gián tiếp .................................................................................. 15 1.2.2.1. Biến tần dùng nghịch lƣu dòng ......................................................... 17 1.2.2.2. Biến tần dùng nghịch lƣu áp .............................................................. 18 1.2.3. Linh kiện bán dẫn điều khiển hoàn toàn IGBT (insulated gate bipolar transistor) ............................................................................................ 19 1.2.4. Các khối trong biến tần gián tiếp ......................................................... 23 1.2.4.1. Khối chỉnh lƣu có điều khiển ............................................................ 23 1.2.4.2. Khối nghịch lƣu ................................................................................. 25 CHƢƠNG 2 ..................................................................................................... 31 HỆ THỐNG MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP .................... 31 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ. ........................................................................................ 31 2.2. CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT DFIG: ..................................................... 33 2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT DFIG: ...................... 35 2.4. PHẠM VI HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT KĐB – RDQ .................. 38 CHƢƠNG 3 ..................................................................................................... 39 MÔ HÌNH MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR DÂY QUẤN – XÂY DỰNG TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN ............................................................. 39 3.1. MÔ HÌNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT KĐB-RDQ ................................ 39 3.2. MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN CỦA MÁY PHÁT KĐB-RDQ ......................................................................................................................... 44 3.3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH PHÍA MÁY PHÁT. .......... 46 3.3.1. Mô hình dòng Rotor ............................................................................. 46 3.3.2. Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ điều chỉnh dòng hai chiều. .............................................................................. 47 3.4. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÍA MÁY PHÁT ............... 48 3.4.1. Đặt vấn đề.............................................................................................. 48 3.4.2. Khái quát về phƣơng pháp tuyến tính hóa chính xác ............................ 49 3.4.3. Đặc điểm phi tuyến của mô hình máy phát KĐB-RDQ ..................... 51 63 3.4.4. Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng cấu trúc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến tính hóa chính xác (TTHCX ). ............ 52 3.5. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHÍA LƢỚI ................................................ 53 3.5.1. Mô hình toán mạch điện phía lƣới. ....................................................... 53 2.2.4.2. Cấu trúc điều khiển ........................................................................... 56 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 61