Luận văn Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

Phương trình vi tích phân mô tả mối tương quan giữa tín hiệu ra u (t) với tín hiệu vào e (t) của bộ điều khiển PID là: (2.7.2) Trong đó e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t). Với r(t) là tín hiệu vào và c(t) đáp ứng ngõ ra của hệ thống. Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị KP, KD, và KI sao cho hệ thoả mãn các yêu cầu về chất lượng của hệ thống 7.1.2. Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ (PI) Hàm truyền của khâu PI có dạng: ( ) Ic P KG S K S   (2.7.3) Hình 3.6.1 thay hiệu chỉnh là khâu PI, hàm truyền vòng hở của hệ là: . 2 2 ( ) ( ). ( ) ( 2 . ) P S I C n K K nG S G S S S       (2.7.4) Bộ điều chỉnh PI tương đương với việc thêm nghiệm I P Kzero K  và nghiệm s=0 vào hàm truyền vòng hở. Sai số xác lập của hệ có khâu PI sẽ bằng 0 với tín hiệu vào là hàm nấc, và bằng hằng số tỉ lệ nghịch với giá trị KP nếu tín hiệu vào là hàm RAMP. Khi đó vấn đề đặt ra là chọn KP và KI sao cho hệ thoả mãn yêu cầu thiết kế. 7.2 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PID VÀO ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Máy điện đồng bộ là một hệ phi tuyến nhiều biến, việc tính toán xác định các hệ số tỉ lệ KP, KI, KD của bộ điều khiển rất khó khăn. Do đó, bằng thực nghiệm trên phần mềm Matlab, sử dụng phương pháp thử – sai để xác định các hệ số KP, KI, KD cho các bộ điều khiển. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 26  Bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ được trình bày trên hình 7.3 : Hình 2.8 Mô hình bộ điều chỉnh PID Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 27  Chöông 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN I. Sơ lược về biến tần 1. Định nghĩa Bộ biến tần là thay đổi tần số nguồn cung cấp dùng mạch điện tử Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp, bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại là bộ nghịch lưu dòng. 2. Phân loại biến tần Biến tần thường được chia làm hai loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp 2.1. Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng. 2.2. Biến tần gián tiếp Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau: Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau: Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 28  a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh. Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định. b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu. c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau: - Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp. - Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện. Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin. Cả điện áp và dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 29  3. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình vẽ Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu. Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định. Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức năng sau: - Theo dõi sự cố lúc vận hành - Xử lý thông tin từ người sử dụng Hình 3.2. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 30  - Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm - Xác định đặc tính – momen tốc độ - Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu - Kết nối với máy tính. Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển. Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp, và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống. Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ, biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó. Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ. II. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu. Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn. Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất. Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 31  Hình 3.3. Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung (vo1 là thành phần sin cơ bản, v ilà điện một chiều vào bộ nghịch lưu, vo là điện áp ra ) Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực. Trong đề tài này em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực. Có hai phương pháp điều chế cơ bản là: - Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM) - Điều chế vectơ Điều chế theo phương pháp SPWM Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn vc (gọi là tín hiệu điều khiển). Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang. Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển. Hình 3-3 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha: Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 32  Hình 3.4 Nguyên lý điều chế SPWM một pha Khi: vc > vtri , VA0 = Vdc/2 vc < ttri , VA0 = -Vdc/2 Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3-4. Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu. Hình 3.5. Cấu trúc nghịch lưu áp ba pha Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 33  Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau: Hình 3.6. Nguyên lý điều chế SPWM ba pha Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điều khiển với biên độ của sóng mang: c a tri Vm V  (3.1) ma - hệ số điều biến Vc - biên độ sóng điều khiển Vtri - biên độ sóng mang Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 34  Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01 (điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức: dc A01 a VmV 2  (3.2) Đối với điện áp dây là: dc AB1 aV 3Vm 2  (3.3) Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ có thể đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1). Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều khiển: tri f c fm f  (3.4) mf - hệ số điều chế tỷ số ftri - tần số sóng mang, bằng tần số PWM fc - tấn số tín hiệu điều khiển Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ. Nếu mf là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ (subharmonic). Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn. Giá trị của mf nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba. Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn vc. Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra. Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM. Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 35  2.1.2. Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM) Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điều chế độ rộng xung khác. Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lập nhau. Đối với phương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu được xem như một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7. 2.1.2.1. Thành lập vectơ không gian Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau: a b c(t) u (t) u ( ) 0u t   (3.5) Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệ tọa độ hai chiều vuông góc. Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng ba vectơ gồm [ua 0 0]T, trùng với trục x, vectơ [0 ub 0]T lệch một góc 120o và vectơ [0 0 ua]T lệch một góc 240o so với trục x, như hình vẽ sau: Hình 3.7. Biểu diễn vectơ không gian trong hệ tọa độ xy Từ đó ta xây dựng được phương trình của vectơ không gian trong hệ tọa độ phức như sau: Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 36  2 2j j 3 3 a b cu(t) 2 u u .e u .e 3         (3.6) Trong đó 2/3 là hệ số biến hình. Phân tích u(t) trong phương trình trên thành phần thực và phần ảo. t x yu uu j  (3.7) Ta xây dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ tọa độ phức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo trong phương trình (3-6), ta có:         a b x a b y b a x c c b y c c 2 u u cos(2 / 3) jsin(2 / 3) u cos( 2 / 3) jsin( 2 / 3) 3 2u u u cos(2 / 3) u cos( 2 / 3) 3 2u u sin(2 / 3) u sin( 2 / 3) 3 1 1 u1u 2 2 2 u u 3 3 3 u0 u(t) 2 2                                                (3.8) Tiếp theo hình thành tọa độ quay α-β bằng cách cho hệ tọa độ x-y quay với vận tốc góc ωt. Ta có công thức chuyển đổi hệ tọa độ như sau: x x y y cos( t) cos( t)u u ucos( t) sin( t) u uu sin( t) cos( t)sin( t) co 2 2 s( t)                                     (3.9) Nguồn áp ba pha tạo ra là cân bằng và sin nên ta có thể viết lại phương trình điện áp pha như sau: a b mc m m sin( t) sin( t 2 / 3) u V u V u V sin( t 2 / 3)          (3.10) Từ phương trình (3-9) ta xây dựng được phương trình sau: j j t r reV eu(t) V    (3.11) Thể hiện vectơ không gian có biên độ Vr quay với vận tốc góc ωt quanh gốc tọa Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 37  độ 0. Phương trình điện áp dây theo phương trình (3-8) như sau: L s 3 5 1 L 1 1 2 3 2 2V 3 2 3 3 q1V q V q0 2 2                      (3.12) Trong đó 2 để chuyền từ giá trị biên độ sang giá trị hiệu dụng, 3 để chuyển giá trị điện áp pha thành điện áp dây. Vectơ điện áp dây sẽ sớm pha hơn vectơ điện áp pha một góc π/6. Nếu lồng ghép các trạng thái có thể có của q1, q3 và q5 vào phương trình (3-11) ta thu được phương trình điện áp dây (trị biên độ) theo các trạng thái của các khóa. j(2n 1) /6 n 2 2 (2n 1 ) (2n 1 )e cos jsin 6 2. 63 3 V                   (3.13) Với n = 0,1,2,,6 ta thành lập được 6 vectơ không gian V1 – V6 và hai vectơ 0 là V0 và V7 như hình sau: Hình 3.8. Các vectơ không gian từ 1 đến 6 Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 38  Hình 3.9. Trạng thái đóng ngắt của các van Bảng 3.1: Giá trị điện áp các trạng thái đóng ngắt và vectơ không gian tương ứng (Ghi chú: độ lớn điện áp phải nhân với Vdc) Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 39  2.1.2.2. Tính toán thời gian đóng ngắt Xét trường hợp vectơ Vr nằm trong vùng 1 như hình sau: Hình 3.10. Vectơ không gian Vr trong vùng 1 Giả sử tần số băm xung fPWM đủ cao để trong suốt chu kỳ điều rộng xung Ts, vectơ Vr không thay đổi vị trí. Nhờ đó ta có thể phân tích Vr theo các vectơ V1, V2 và vectơ V0 hoặc V7 như phương trình sau: 1 1 2r s s 1 2 2 0 7 0 0 7 7V T V T V T V T T TT T              (3.14) Với: Ts là chu kỳ điều rộng xung Tn là thời gian duy trì ở trạng thái Vn Chuyển sang hệ tọa độ vuông góc, ta có phương trình sau – suy ra từ phương trình (3-11) và (3-12): s 1 1 0 7 cos cos cos2 2m T T T .0 3 3sin s 6 6 2 insi T 6 26 n                                               (3.15) Cân bằng phần thực và phần ảo, ta có: Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 40  s 1 1 s 1 1 2 2mcos cos cos 3 3 2 2ms T T T 6 6 2 T T Tin sin sin 6 6 23 3                                          (3.16) Giải phương trình trên để tìm T1 và T2: 1 s s 1 s s s 2 s s 2 s 3 3m m T T cos cos cos 6 6T T T 2 2 3cos 6 2 6 T cos T sin 3m sin mcos T m s 2 3 3 T T T sin 2 6 6 6 T cos cos 6 n 6 i 6                                                                                           2 s sT T msin sin 6 6 T msin( 6 )                        (3.17) Suy ra: 1 s 2 s 0 7 s 2 T msin( / 3 ) T msin( ) T T T T T 1 T            (3.18) Trong đó: m - tỷ số điều biên Ts - chu kỳ điều rộng xung θ - góc lệch pha giữa Vr và Vn Ta nhận thấy việc giải phương trình (3-13) để tìm T1, T2 và Ts không phụ thuộc vào hai vectơ giới hạn vùng đó: Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 41  Hình 3.11. Vectơ không gian Vr trong vùng bất kỳ Dựa trên kết quả trên phương trình (3-17), ta xây dựng công thức tổng quát trong phương trình (3-18) sau đây: A s s 0 7 s A B B msin( / 3 ) msi T T T T T T n( ) T T          (3.19) 2.1.2.3. Kỹ thuật thực hiện vectơ không gian Thông thường một trong những tiêu chuẩn để lựa chọn giản đồ đóng kích linh kiện là giảm thiểu tối đa số lần chuyền mạch của linh kiện, để giảm tổn hao trong quá trình đóng cắt của chúng. Số lần chuyển mạch sẽ ít nếu ta trình tự điều khiển sau: Hình 3.12. Giản đồ đóng cắt linh kiện Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 42  2.1.2.4. Giản đồ đóng cắt các khóa để tạo ra vectơ Vs trong từng sectơ: Các van công suất trong từng nhánh đóng ngắt đối nghịch nhau. Để đơn giản hóa sơ đồ, ta chỉ vẽ trạng thái của 3 van công suất phía trên. Ba van còn lại có trạng thái đối nghịch với ba van trên theo từng cặp: o S0 - S1 o S2 - S3 o S4 - S5 Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 43  Hình 3.13. Vectơ Vs trong các vùng từ 0-6 Nhận xét: - Dạng điện áp đầu hoặc dòng điện đầu ra của phương pháp SVPWM ít bị méo hơn do chứa ít các thành phần điều hòa hơn so với phương pháp SPWM. - Hiệu suất sử dụng điện áp đầu vào của phương pháp SVPWM cao hơn so với phương pháp SPWM 2.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Torque Moment) Sự khác nhau giữa phương pháp điều chế SVPWM và phương pháp DTC là phương pháp DTC không sử dụng khuôn mẫu chuyển mạch cố định (fixed switching pattern). Phương pháp này chuyển mạch bộ nghịch lưu theo yêu cầu của tải. Vì không sử dụng khuôn mẫu chuyển mạch cố định, phương pháp này đáp ứng cực nhanh theo sự biến động của tải. Độ chính xác vận tốc của phương pháp này lên tới 0,5%, mặc dù không cần phải sử dụng một thiết bị phản hồi nào. Trái tim của phương pháp này là khâu thích ứng động cơ. Khâu thích ứng này Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 44  dựa trên mô hình toán học cơ bản của động cơ. Khâu thích ứng yêu cầu thông tin về rất nhiều thông số động cơ, như điện trở stato, điện cảm tương hỗ, hệ số bão hòa,.. Thuật toán này lấy các thông tin này về động cơ lúc khởi động mà không làm quay động cơ. Nhưng việc làm quay động cơ trong vòng vài giây sẽ giúp cho việc điều chỉnh của khâu thích ứng. Hiệu chỉnh càng tốt, việc điều khiển tốc độ và momen càng có độ chính xác càng cao. Từ điện áp một chiều, dòng điện dây và vị trí chuyển mạch hiện thời, khâu thích ứng này tính toán ra từ thông và momen thực tế của động cơ. Những giá trị này được đưa tới bộ so sánh hai lớp từ thông và momen tương ứng. Đầu ra của các bộ so sánh này là tín hiệu tham chiếu momen và từ thông cho bảng lựa chọn chuyển mạch tối ưu. Vị trí chuyển mạch được lựa chọn được đưa thẳng tới bộ nghịch lưu mà không cần điều chế do đó có đáp ứng rất nhanh. Tín hiệu tham chiếu tốc độ đặt từ bên ngoài được giải mã để tạo ra từ thông và momen tham chiếu. Vì thế, trong phương pháp điều khiển trực tiếp momen, từ thông và momen động cơ là những biến được điều khiển trực tiếp vì thế có tên là điều khiển trực tiếp momen. - Ưu điểm của phương pháp này tốc độ đáp ứng rất nhanh, không cần các thiết bị phản hồi, giảm được sử hỏng hóc về cơ khí, hiệu suất gần bằng máy điện một chiều mà không có phản hồi. Nhược điểm của phương pháp này là sự trễ vốn có của bộ so sánh dẫn đến từ thông và momen bị nhấp nhô. Vì chuyển mạch được thực hiện ở tần số thấp nên câc thành phần điều hòa bậc thấp tăng lên Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 45  Chương 4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN I. Cấu trúc chung của máy phát điện gió làm việc với biến tần Hình 4.1 Mô hình máy phát điện gió làm việc với biến tần S11 S21 S12 S22 S13 S23 S14 S24 S15 S25 S16 S26 Biến tần & Bộ điều khiển r  Điều khiển góc pitch C Phanh Máy Cắt Lưới điện iht l Tốc độ gió Máy phát Hộp số Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 46  Hầu hết các máy phát điện bằng turbin gió có đặc điểm chung là ổn định tốc độ máy phát, Các loại máy phát điện bao gồm máy phát điện cảm ứng roto lồng sóc, máy phát điện cảm ứng cung cấp nguồn đôi (DFIG) và kỹ thuật điều khiển trực tiếp dùng trong máy phát đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cữu (PMSG). Điều quan trọng nữa là loại bỏ hộp số và sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu đa cực. Lợi ích của việc loại bỏ hộp số là tiết kiệm về mặt kinh tế như không cần dầu bôi trơn hộp số, bảo dưỡng và lắp đặt dễ dàng. Thêm vào đó cấu trúc điều khiển trực tiếp có thể vận hành với bất cứ lượng công suất phản kháng nào và chất lượng điện năng của nó hòa vào lưới điện được nâng cao khi các nhà máy phát điện khác nhau. Ngày nay với kỹ thuật ứng dụng biến tần trong công nghiệp turbin gió là giảm chi phí lắp đặt và vận hành an toàn. Nguyên tắc chung của việc sử dụng biến tần là tăng giá trị công suất phát ra của turbin gió. Vì thế, việc thiết kế là nâng cao công suất phát lớn hơn của turbin gió thường dẫn đến nâng cao giá trị của điện áp thanh cái DC. Các giá trị này có thể được cung cấp bởi điện áp các tụ điện trên thiết bị công suất, Ngoài ra cấu trúc điều khiển trực tiếp là chuyển đổi công suất hoàn toàn. Ngay cả nếu công suất phát ra cao các chất bán dẫn này có thể được sử dụng nạp điện vào bình acquy, Các linh kiện điện tử này có đặc tính là khả năng dẫn điện cao và tổn thất công suất nhỏ. Vì vậy với kỹ thuật tích hợp bộ biến tần đa bậc cho turbin gió cũng sẽ làm giảm sóng hài ngõ ra, bảo toàn biên độ ngỏ ra dv/dt và cải thiện tất cả các đặc tính của điện từ trường. II. Momen ngõ ra của turbin gió Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pr bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc  và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc  ][... 2 1 3 wcAP pR  (4.1) Trong đó - A: Diện tích cánh quạt gió (m2) - Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn gọi ngắn gọn hơn là Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 47  hiệu suất rotor), được tính:   643 2 1 5 )(),( CeCCCCC C i P   (4.2) Mà Các giá trị của hệ số C1 đến C6 là: C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 = 5, C5 = 21, C6 = 0.0068. Và v R  (4.3) 1 035.0 08.0 11 3  i (4.4) : Vận tốc của rotor (v/p) R: Bán kính cánh quạt (m) V: Vận tốc gió (m/s) : Góc quay cánh (độ) Hệ số công suất cực đại %3,59 27 16 max pC Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 48  III. Máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu 3.1 Mô hình máy phát máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần PM Turbin gió PMSG Máy phát điện nam châm vĩnh cửu Bộ tụ bù ngang Lc Zero cross detection Phase locked loop 3 dq  Bộ điều khiển DC regulator  - + Vdc Vdc * vv vw Tải ba pha AC vu ivc iuc iwc ic e iqc * C Bộ Nghịch lưu * idc Hình 4.2 Mô hình máy phát máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 49  3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần Sơ đồ mạch như hình vẽ đưa ra khâu quan sát dòng điện deadbeat trùng với điểm góc tọa độ cho máy phát điện. Bằng cách sử dụng cả bộ bù tụ và mô hình chuyển đổi PWM. Thiết kế vòng lặp khóa pha và sử dụng ba cảm biến cho việc xác định điện áp một chiều DC tại thanh cái một chiều và các dòng điện ngõ vào cho bộ chỉnh lưu để điều chế độ rộng xung. Với cách điều khiển này có thể giảm vùng chuyển đổi PWM và ước lượng được điện áp ngõ ra của máy phát điện bằng bộ ổn định điện áp khi tốc độ máy phát hoặc thay đổi tải. Hơn nữa mô hình của hệ thống này không cần cảm biến vị trí cơ. Một phần nữa là mô hình này sử dụng để phân tích cho máy phát là dùng trục toa độ rotor từ thông với trục q là góc của điện áp stator vs của máy phát điện. Hướng của vector điện áp stator vqs luôn luôn trùng với trục xoay q. Một thuận lợi nữa là đơn giản được việc điều khiển và phân tích hệ thống máy phát. Để xác định điện áp trục q bằng cách đo trực tiếp điện áp stator vds bằng 0. Khi điện áp điểm 0 của điện áp dây vvw dung làm tham chiếu cho thiết kế vòng lặp khóa pha để xác định góc pha của điện áp stator. 3.3. Điện áp ngõ ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu Để phát ra điện áp u, tần số 50Hz, thì với máy phát có p đôi cực thì tốc độ góc máy phát srad px fn mf /55.9 60 55.9  Vì máy phát điện nam châm vĩnh cửu được nối turbin gió nên để thay đổi tốc độ máy phát để điện áp ra phù hợp bằng hộp số có tỉ số truyền là Tỉ số truyền =Tốc độ máy phát/ tốc độ turbin tb mfK   (4.5) Momen máy phát lúc này là K T M mmf  (4.6) Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 50  Tần số ra của máy phát   2 pxf  (4.7) Điện áp ngỏ ra của máy phát Usd = Usd = K. (4.8) Chọn K hệ số máy phát ,  từ thông máy phát, vì máy phát có p cực nên J M mf tt 4  rad/s (4.9) Usd = Usd = K. (V) (4.10) IV. Hoạt động của biến tần với máy phát điện gió 4.1. Bộ chỉnh lưu Mô hình máy phát điện gió sử dụng vector stator tham chiếu được thể hiện như hình vẽ Ở trạng thái xác lập vds = 0, qs = qr = 0, idr = 0, iqs = - iqr và ds = Lmim = Lmids. Hơn nữa hướng của điện áp stator vqs độc lập với dòng điện ids, ta có công thức dsmdqs iLv   Trong đó  ( = r – iqs/(rids) tốc độ từ trường và r (r = Lm/rr) hằng số thời gian rotor. ic =iqc + jidc jCvqs il = iql + jidl is = iqs + jids vs = vqs + jvds -+  d + - d (r -) rr iqs = -iqf Bộ chuyển đổi PWM Bộ tụ bù Tải ba pha jidc jids rr Lm Hình 4.3. Sơ đồ thay thế bộ chỉnh lưu Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 51  4.1.1 Bộ tụ bù Dòng điện phản kháng trong stator của máy phát điện khi không tải phụ thuộc vào tốc độ được cho bởi công thức. ids = Cvqs (4.11) Bắng cách thay thế từ công thức 7 vào 6 ta được mL C 2 1  (4.12) Từ công thức 8 và 2 giá trị điện dung nhỏ nhất của bộ tụ Cmin được xác định ở tốc độ n = 1800 vòng/phút, khi đó ước lượng được giá trị hỗ cảm Lm = 53.365/(120) H. do đó giá trị Cmin = 50F 4.1.2. Dòng điện điều khiển điện áp ngõ ra của máy phát Dòng điện phản kháng của stator máy phát ids được xác định là tổng của dòng điện bộ tụ, dòng điện phản kháng của tải ba pha idl, Dòng điện phản kháng của bô chuyển đổi idc được xác định bởi công thức dcdlqsds iiCvi  (4.13) Trong khi đó dòng điện thực tế iqs của máy phát điện là tổng của dòng điện thực của tải ba pha iql với dòng điện thực của bộ biến đổi idc được viết bởi công thức: qcqlqs iii  (4.14) 4.1.3. Dòng điều khiển dòng bộ chỉnh lưu Bộ chuyển đổi nguồn điện áp ba pha sử dụng linh kiện điển tử công suất IGBT. Điện áp cân bằng AC trước tụ lọc được chuyển đổi sang tọa độ  dung để làm tham chiếu, khi  = 0 ta có ccccs viLdt dRv     (4.15) Vị trí vector từ thông được viết       dtiL r drr qsm e  (4.16) Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 52  Mô hình tính toán góc từ thông Hình 4.5 Sơ đồ điều khiển ổn định điện áp AC và DC của máy phát điện gió Hình 4.4. Mô hình tính toán góc từ thông Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 53  Điện áp của trục q là s L i sv r m ds qs    1 )( * (4.17) Trong đó Rc và Lc là điện trở và điện cảm của tụ lọc AC bộ chuyển đổi PWM, vs là vector điện áp ngõ ra của máy phát, ic là vector dòng điện của bộ chỉnh lưu PWM, vc là vector điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi PWM. Trong suốt thời gian lấy mẫu Ts, thì vs và vc được coi như không biến đổi. ta có công thức  )()()()1( kvkv R q kipki cs c e cec  (4.18) Để đưa ra cách điểu khiển deadbeat dễ dàng. Ta cần có thuật toán đều khiển đồng bộ trong tọa độ dq. Điều quan trong là ước lượng biến điều khiển của khoảng giá trị lấy mẫu ban đầu của vector không gian dòng điện ic(k+1) của bộ chỉnh lưu PWM để điều khiển nó được chình xác hơn, hoặc thoát khỏi thời gian tính toán trong bộ DSP. Giá trị dự đoán ban đầu ic(k+1) được sử dụng trong hệ tọa độ từ thông dq như sau:  0)()()()1( jcs c e cec ekvkvR q kipki  (4.19) Trong đó csc LTR e ep / , ee pq 1 , sT 0 (4.20) Điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu PWM có thể tính được tại thời điểm (k+1) như sau:  )1()()1( ** 0  kipie q R kvkv cec j e c sc  (4.21) Điện áp stator vs của máy phát điện (vs = vqs+jvds trong đó vds = 0), có thể được ược lượng bằng cách sử dụng khâu tích phân. Bởi vì vs tường đương với nhiễu trong hệ thống điều khiển dòng điện trong bộ chỉnh lưu PWM. Do đó vector không gian điện áp vs của máy phát dược xác định bởi công thức sau: )}()({ 1 )( zizi z zKzv ccis  (4.22) Trong đó hệ số hồi tiếp tích phân Ki đặt là 1.25. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 54  4.2. Bộ nghịch lưu 4.2.1 Biên độ điện áp hài cơ bản cực đại 3)1(1 d mt VU  (4.23) 4.2.2 Điện áp pha tải cực đại ở chế độ quá điều chế Ở chế độ quá điều chế thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo biến ma là chỉ số điều chế. Với ma trong bộ nghịch lưu ba pha hai bậc: d m a V V m  2 )1( (4.24) Các thành phần sóng hài bậc cao được giảm đến cực tiểu, và giá trị điện áp tải cực đại ở chế độ quá điều chế được tính khi cho am gần bằng 1. Suy ra: dam VmU  2 )1(  (4.25) Kỹ thuật điều rộng xung (PWM), sử dụng sóng mang tam giác tần số 5khz, biên độ sóng mang trong phạm vi (0,1). Khảo sát quá trình quá độ để xác lập dòng điện 3 pha trong các trường hợp sau: 4.2.3. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu Bằng kỹ thuật sin có biên độ hài cơ bản áp pha bằng 220V, tần số 50Hz. Biểu thức điện áp tải 3 pha )240100(cos220 )120100(cos220 )100(cos220 0 2 0 2 1    ttv ttv ttv t t t    (V) (4.26) Chọn t = 0 ta có 110)240(cos220 110)120(cos220 220 0 2 0 2 1    tv tv v t t t (V) (4.27) Xác định điện áp common mode V0: 0min 0 0maxV V V  , với : ),,max( 321max0 tttd vvvVV  (V) (4.28) Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 55  ),,min( 321min0 ttt vvvV  (V) (4.29) Chọn điện áp common mode V0 =150v Biểu thức áp nghịch lưu: i0 ti 0v v V  (4.30) 010 )100cos(220 VtV  (V) 020 )120100cos(220 VtV  (V) 030 )240100cos(220 VtV  (V) Biểu thức điện áp điều khiển: i0dki d vv V  (4.30) d dk V Vt v 01 )100cos(220  (V) d dk V Vt v 02 )120100cos(220  (V) d dk V Vt v 03 )240100cos(220  (V) 4.2.4. Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều khiển: tri f c fm f  (4.31) mf - hệ số điều chế tỷ số ftri - tần số sóng mang, bằng tần số PWM fc - tấn số tín hiệu điều khiển Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ. Nếu mf là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ (subharmonic). Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn. Giá trị của mf nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 56  là bội số của ba. Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn vc. Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra. Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM. Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 57  Chương 5 MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN I. Xác định momen của turbin Cho biết cánh quạt có bán kính R= 3m, hệ số  = 8, vận tốc gió v = 5m/s. Vận tốc gốc của cánh quạt rotor 3.13 3 40 3 5.8.  R v (rad/s) Hiệu suất cánh quạt turbin   643 2 1 5 CeCCCCCp i C i       (1) Trong đó C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 = 5, C5 = 21, C6 = 0.0068 và 1 035.0 08.0 11 3  i Với  = 8, Góc pitch  = 0 Suy ra 09.0035.0125.0035.0 8 11  i Thế vào (1) 4798.0 80068.0504.0 09.0 11605176.0 09.0 21       p p C xexC Công suất turbin gió pr CvAP ...2 1 3 Trong đó A = .R2 = 3.14 x 9 =28,6: Diện tích cánh quạt gió Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 58   = 1.125 mật độ không khí WxxxxPr 28.10604798.056.2825.12 1 3  Momen turbin gió được tính là  mNPT rm /4.80 3 40 28.1060   II. Xác định điện áp và tần số ngõ ra của máy phát điện nam châm vĩnh cửu - Giả sử máy phát điện nam châm vĩnh cửu có các giá tri như sau: Rs = 0.05 () Ld = 0.000635 (H) Lq = 0.000635 (H)  = 0.192 Wb J = 0.011(kg.m2) Số đôi cực p = 4 Để phát ra điện áp 380V, tần số 50Hz, thì với máy phát có 4 đôi cực thì tốc độ góc máy phát srad xpx fn mf /5.7855.94 50.60 55.9 60 55.9  Vì máy phát điện nam châm vĩnh cửu được nối turbin gió nên để thay đổi tốc độ máy phát để điện áp ra phù hợp bằng hộp số có tỉ số truyền là Tỉ số truyền =Tốc độ máy phát/ tốc độ turbin 9.5 3.13 5.78  tb mfK   Momen máy phát lúc này là mN K T M mmf /6.139.5 4.80  Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 59  Tần số ra của máy phát Hzx x pxf 504 14.32 5.78 2    Điện áp ngỏ ra của máy phát Usd = Usd = K. Chọn K = 6,5,  = 0.192, vì máy phát có 4 cực nên 300 011.04 4.13 4  xJ M mf tt rad/s Usd = Usd = K. = 6,5 x 0.192 x 300 = 380V Phương trình máy điện khi chuyển sang các thành phần của vectơ trên 2 trục tọa độ : Hay : Trong đó : sdsd s LT R  : hằng số thời gian trục d sqsq s L T R  : hằng số thời gian trục q Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 60  Thay các thành phần của si và s ta được : Thay (3.3.2)và (3.3.3) vào (3.3.6) Vậy (3.2.7) có dạng : Ñeå ñôn giaûn moâ hình ta ñaët: 1 3 4 5 6 2 7 8 9 10 11 12 1 1; ; 1 1; ; 3; ; 2 3; ; 2 sq s sd sd sd sd sq sq sq p p c sq sd sq c c L a a a T L L La a a L T L a a P a L J L L Pa a a P J J               Töø heä phöông trình trôû thaønh: Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 61  Bảng kết quả Các chỉ số Kết quả a1 74.78000635.0 05.01  d s sd L R T a2 1000635.0 000635.0  d q L L a3 8.1574 000635.0 11  dL a4 1 000635.0 000635.0  q d L L a5 74.78 000635.0 05.01  q s sq L R T a6 8.1574 000635.0 11  qL a7 36.320 000635.0 192.0  qL a8 244 2 3 2 3 22  P a9 45.11 011.0 192.0  J a10 0 011.0 000635.0000635.0  J LL qd a11 63.363 011.0 4  J P a12 64 2 3 2 3  P a13 192.0 a14 = Ld – Lq = 0.000635 -0.000653 = 0 Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 62  Töø heä phöông trình trôû thaønh: tsq sqe sqsqsd sq sdsqsd sd Mix dt d ixM Uii dt di Uii dt di 63.36345.1124 192.06 36.3208.157474.78 8.157474.78        Như vậy khi tốc độ gió thay đổi thì momen turbin gió thay đổi dẫn đến momen điện từ máy phát thay đổi kéo theo tốc độ quay của máy phát thay đổi cho nên tần số và điện áp của máy phát thay đổi III. Tính toán các thông số biến tần Ngõ vào chỉnh lưu cầu 3 pha IGBT lý tưởng. Nguồn ac 3f của máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Tụ lọc dc chọn khá lớn làm điện áp DC phẳng. Bộ nghịch lưu 3 pha sử dụng linh kiện IGBT lý tưởng. Điện áp ngõ ra Ud = 380V, tần số 50Hz 3.1 Xác định điện áp DC trên tụ lọc: V UV LLd 41314.3 2.380.323   3.2 Biên độ điện áp hài cơ bản cực đại V VU dmt 3523 413 3)1(1  3.3 Điện áp pha tải cực đại ở chế độ quá điều chế Ở chế độ quá điều chế thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính theo biến ma là chỉ số điều chế. Với ma trong bộ nghịch lưu ba pha hai bậc: 135.0 413 532 2 14.3 2 )1(  d m a V V m  Các thành phần sóng hài bậc cao được giảm đến cực tiểu, và giá trị điện áp tải cực đại ở chế độ quá điều chế được tính khi cho am gần bằng 1. Suy ra: Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 63  dam VmU  2 )1(  Kỹ thuật điều rộng xung (PWM), sử dụng sóng mang tam giác tần số 5khz, biên độ sóng mang trong phạm vi (0,1). Khảo sát quá trình quá độ để xác lập dòng điện 3 pha trong các trường hợp sau: 3.4 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu Với Biên độ hài cơ bản áp pha bằng 220V, tần số 50Hz. Biểu thức điện áp tải 3 pha )240100(cos220 )120100(cos220 )100(cos220 0 2 0 2 1    ttv ttv ttv t t t    (V) Chọn t = 0 ta có 110)240(cos220 110)120(cos220 220 0 2 0 2 1    tv tv v t t t (V) Xác định điện áp common mode V0: 0min 0 0maxV V V  , với : 193220413),,max( 321max0  tttd vvvVV (V) 110),,min( 321min0  ttt vvvV (V) Chọn điện áp common mode V0 =150v Biểu thức áp nghịch lưu: i0 ti 0v v V  010 )100cos(220 VtV  (V) 020 )120100cos(220 VtV  (V) 030 )240100cos(220 VtV  (V) Biểu thức điện áp điều khiển: i0dki d vv V  Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 64  d dk V Vt v 01 )100cos(220  (V) d dk V Vt v 02 )120100cos(220  (V) d dk V Vt v 03 )240100cos(220  (V) Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 65  IV. Mô hình hóa và kết quả mô phỏng máy phát điện gió làm việc với biến tần trong Matlab/Simulink 4.1. Mô hình tổng quát tu dien ti so truyen -K- powergui Discrete , s = 5e-005 ic i+ - ib i+ - ia i+ - dien áp ngo ra Uc Ub Ua Uc1 Ub1 Ua1 chinhluu g A B C + - Winturbin Vg Gocpitch Momen Wind (m/s) 5 [Vdc] [Vsi] Vdc Vd v+- 1/z Song mang va ap dieu khien Mo hinh may phat Md Usc Usb Usa Mo hinh bô nghich luu Vd Song mang1+Vdc -Vdc Measurements & Signals PQ KVA [Vdk] [Iabc ] Hieu suat 1 Goc pitch 0 Display 1 380 Dang song ra không tai Dang song ap dieu khien 1 Dang song Nguon 3pha Chinh dong va ap Vabc Iabc Vdc Ust Bo loc Vabc Iabc Vdc Vabc* Iabc* Vdc * Bo dk mot chieu In1 Vdk 500 A B C [Vdc ] [Iabc ] 2 [Vsi] [Vsi] 4 Vc 3 Vb Va 3 [Vdk] 2 Vdkj 1 Vdkj [Vdc] Hình 5.1 Mô hình máy phát điện gió làm việc với biến tần trong Matlab/Simulink Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 66  4.2. Các khối công suất trong máy phát điện gió làm việc với biến tần 4.2.1. Khối turbin gió 4.2.2 Khối máy phát 1 w null 0 mat do kk 1.125 hesothu 2 hesoCp1 ght 1 3 ght 25 Ti so 0.5 Switch Subtract Scope Math Function 1 u2 Math Function eu Logical Operator AND Lamda x vantoc Lamda 8 Hesothu 1 Hangso2 -C- Hangso1 1 Hangso 1 Fcn1 pi *u^2 Fcn u(1)^3 Divide Cut out <= Cut in >= CpxU^3 Canh quat 3 C6xlamda C6 -C- C5xlamdai C5 -21 C4 5 C3xbeta C3 0.4 C2xladai C2 -C- C1 -C- Beta3 1/wind 1 1/lamdai 1 -K- 0.08 beta In1ut1 Beta 2 Wind 1 Cp Cp Momen ws 4 Isq 3 Isd 2 Me 1 w*isq w*isd w*a2 w*a1 isq 1 s isd 1 s a9 K- a8 K- a7 K- a6 K- a5 K- a4 1 a3 K- a2 1 a14 0 a13 K- a12 6 a11 K- a10 0 Ws K- W 1 s Momen Momen Divide Constant 0.011 Add 4 Add3 Add2 Add 1 Add -a1 K- Usq 3 Usd 2 Mt 1 Hình 5.3. Khối máy phát Hình 5.2. Khối turbin gió Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 67  4.2.3. Khối chỉnh lưu 4.2.4. Khối nghịch lưu Song mang 11 -Vdc 2 +Vdc 1 Vbass 180 Tin hieu dieu khien Uc vdkj S1-S6 Tan so 50 Song mang Dien ap ra bien tan Vdk +Vdc -Vdc Dien ap dieu khien Vtj Vd Vdkj Clock Ap tai t f Vbase Vtj Vd 1 tu dien chinhluu g A B C + - [Vdc] Vd v+- 1/z [Vdk] Display 1 Controller Vabc Iabc Vdc Ust Bo dk mot chieu In1 Vdk Anti -aliasing Filters (7) Vabc Iabc Vdc Vabc* Iabc* Vdc * 500 A B C [Vdc ] [Iabc ] [Vsi] 3 [Vdk] Hình 5.4. Khối chỉnh lưu Hình 5.5. Khối nghịch lưu Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 68  4.3. Các khối điều khiển 4.3.1. Khối điều khiển chỉnh lưu 4.3.2. Khối điều khiển nghịch lưu Ust 1 m_Phi ->Vabc(t) wt VdVq Vabc (t) V->pu -K- PLL Vabc (pu) Freq wt Sin_Cos Measuremnt Unit sin_cos Vabc Iabc IdIq Vd DC Voltage Regulator Vdc Vdc_Ref Id_Ref Current Regulators IdIq Vd IdIq _Ref Vdc VdVq Vdc_Ref 0 A->pu -K- Vdc 3 Iabc 2 Vabc 1 S1 S3 S4 S5 S6 S1-S6 1 >= >= >= Goto 2 S3 Goto 1 S2 Goto S1 vdkj 2 Uc 1 S2 Vtj 1 Vtc f(u) Vtb f(u) Vta f(u) Scope 3 Vbase 3 f 2 t 1 Hình 5.7. Khối tạo tín hiệu sóng hình sin Hình 5.8 Khối tạo tín hiệu điều khiển Hình 5.6. Khối điều khiển chỉnh lưu Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 69  4.4. Kết quả mô phỏng * Khi tốc độ gió đạt tốc độ 5 m/s ta có kết quả như sau: - Momen cơ - Chọn tỉ số truyền của hộp số là ½, hiệu suất của máy phát là 85%. Ta có dạng sóng điện áp ra Hình 5.10. Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát Hình 5.9. Đồ thị momen ngõ ra của turbin gió Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 70  - Điện áp khi qua bộ chỉnh lưu - Các thông số của bộ nghịch lưu Tần số sóng điều khiển 50 Hz Chỉ số biên độ điều chế 0,81 Sóng mang tam giác dạng PD Tần số sóng mang 5KHz - Dạng sóng mang và điều khiển pha a Hình 5.11. Đồ thị điện áp một chiều Hình 5.12. Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 71  - Dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải Kết luận: - Khi tốc độ gió đạt 5m/s thì điện áp ngõ ra khi chưa qua bộ biến tần có biên độ 325V, f = 51,85Hz. - Khi qua bộ biến tần thì điện áp là 380V, f = 50Hz. Hình 5.13. Đồ thị điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 72  Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI I. Kết luận Luận văn đã thực hiện được một số nội dung như sau: - Xây dựng được mô hình của turbin gió, máy điện nam châm vĩnh cửu và bộ nghịch lưu áp ba pha hai bậc. - Tìm hiểu được nguyên lý quá trình chuyển đổi năng lượng gió sang năng lượng điện. - Giải quyết được việc ổn định điện áp và tần số đầu ra cho máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu. Có nghĩa là nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn vc. Qua khảo sát lý thuyết và mô phỏng minh họa, kết quả có được ta thấy - Để ổn định điện áp đầu ra của máy phát điện gió, ta chỉ cần thay đổi hệ số máy biến áp. - Vấn đề ổn định tần số cần phải qua bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu theo tần số chuẩn của tín hiệu chuẩn vc. - Tuy nhiên kết quả mô phỏng chỉ mang tính chất định tính chưa xác định được giới hạn thay đổi của các thông số dựa trên cơ sở toán học. II. Hướng phát triển của đề tài - Đề tài này chỉ nghiên cứu việc ổn định điện áp, tần số đầu ra của máy phát chưa nối với tải được vì còn phụ thuộc vào công suất phát, do đó hướng phát triển của đề tài là nghiên cứu vào quá trình nối lưới. - Đặc trưng cơ bản của phương pháp nghịch lưu áp là thành phần sóng hài của điện áp ra. Vì vậy có thể phát triển nghiên cứu các bộ nghịch lưu áp bậc cao hơn để giảm sóng hài hòa vào lưới điện tốt hơn. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 73  TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Wind Energy Systems Electronic Edition By Gary L. Johnson 2. Advanced Control of a PWM Converter with aVariable-Speed Induction Generator Tarek Ahmed†, Katsumi Nishida**, Mutsuo Nakaoka* and Toshihiko Tanaka 3. Design and control of a multilevel inverter For electric vehicles Arthur W. Matteson 4. Modeling and control of a synchronous Generator with electronic load Ivan Jadric 5. Modeling of wind turbines for power system studies Tomas Petru 6. Computer Simulation of Wind Power Systems Power Electronics and Transient Stability Analysis R. Melício, V. M. F. Mendes, J. P. S. Catalão 7. Modeling and Simulation of Synchronizing System for Grid-Connected PV/Wind Hybrid Generation M.i.m. Ridzuan, m. Imran hamid and makbul anwari 8. A PWM scheme for a 3-level inverter cascading two 2-level inverters V. T. Somasekhark, . Gopakumar*,m . R. Bauu, k. K. Mohapatra and l. Umanand 9. Advanced Control of a PWM Converter with a Variable-Speed Induction Generator Tarek Ahmed†, Katsumi Nishida**, Mutsuo Nakaoka* and Toshihiko Tanaka 10. Optimization of a Wind Turbine using Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Jan Vergauwe, André Martinez, Alberto Ribas 11. Development of a Wind Turbine Simulator for Wind Generator Testing Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 74  Bunlung Neammanee, Somporn Sirisumrannukul and Somchai Chatratana 12. Simulation of wind power with front-end converter into interconnected grid system Sharad W. Mohod1; Mohan V. Aware2 13. Giáo trình điện tử công suất. Nguyễn Văn Nhờ Nhà xuất bản đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh , 2005 14 . Lecture 25, Pulse - width modulation (PWM) technique. Prof. Ali Keyhani Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State university. 15. Power Electronics and Drivers (Version 2). 2002 Dr. Zainal Salam 16. Power Electronics Handbooks. Muhammad H.Rashid 17. Model Power Electronics and AC Drivers. Bimal K.Bose Pentice Hall, Inc, 2002. Các trang web: