Xây dựng mô hình giả lập turbine gió sử dụng PMSG

đăng: 28/3/2018 Tóm tắt Trong bài báo, một mô hình giả lập của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong hệ thống turbine gió được thiết kế và xây dựng theo các yêu cầu khác nhau từ sự phát triển. Hệ thống giả lập bao gồm phần nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL), động cơ không đồng bộ 5,5 kW và biến tần. Giao diện trên máy tính được viết trên nền LabVIEW để cung cấp cho người sử dụng một giao diện thân thiện và có thể điều khiển thời gian thực cho các thực nghiệm. Hệ thống có thể mô phỏng đặc tính của turbine gió trong thực tế. Hệ thống được thử nghiệm với tần số điện áp cố định, tốc độ thay đổi. Kết quả phân tích lý thuyết và các kết quả thực nghiệm của mô hình cho thấy hệ thống hoàn toàn khả thi và hiệu quả. Từ khóa: Năng lượng gió; PMSG - máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu; bộ điều khiển PI; bộ chuyển đổi PWM back-to-back; máy phát điện điều khiển gió; turbine gió biến tốc. Abstract In this paper, a wind turbine emulator is designed and implemented considering different requirements from the development. The wind turbine emulator includes Machine-side and Network-side converter, Induction motor 5,5 kW, and Inverter. The PC interface is also developed by the LabVIEW language to provide friendly to the user an interface and a real-time control of the experiments. The wind turbine emulator can accurately reproduce the characteristics of the actual wind turbine. The wind turbine emulator is tested with variable speed, constant voltage frequency. The theoretical analyses and the experimental results show that the scheme is available and effective. Keywords: Wind power; PMSG - Permanent Magnet Synchronous Generator; PI controller; back-to- back PWM converter; control wind generator; variable - speed wind turbine. Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Pm kW Công suất đầu ra của turbine gió (W) Hệ số biến đổi năng lượng là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh và góc cánh A m3 Tiết diện vòng quay của cánh quạt P kg/m3 Mật độ không khí ω rad/s Tốc độ quay turbine v m/s Vận tốc của gió R m Bán kính của turbine Chữ viết tắt PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator (máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu) PWM Pulse Width Modulation (điều chế bề rộng xung) DSP Digital Signal Processor (vi xử lý tín hiệu) MBA Máy biến áp ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ NLPM Nghịch lưu phía máy NLPL Nghịch lưu phía lưới ĐKMP Điều khiển máy phát ĐK_DC Điều khiển nguồn một chiều DC 6NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việc nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió luôn là một đề tài có tính cấp thiết trong cuộc sống, bởi vì nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, mà nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Từ những cấp bách trên cho thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu ứng dụng để đưa nguồn điện gió vào cuộc sống. Hệ thống năng lượng gió hiện tại ở Việt Nam có công suất đưa vào lưới không cao so với tiềm năng gió ở Việt Nam [2]. Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia đến năm 2020, công suất điện gió Việt Nam đạt 800 MW, đến năm 2030 đạt 6.000 MW [10]. Đây là mục tiêu để chúng ta vươn tới, nhưng hiện tại thì nguồn năng lượng gió chỉ đạt 160 MW [1], vậy chúng ta phải cố gắng rất nhiều để đạt được con số 800 MW. Hệ thống turbine gió vừa và nhỏ ở Việt Nam ít được đưa vào khai thác, đây là một sự lãng phí rất lớn. Do vậy, nghiên cứu và thực nghiệm hệ thống turbine gió loại này là rất cần thiết. Kết quả thực nghiệm sẽ là nền tảng quan trọng cho việc phát triển vững chắc hệ thống phát điện sức gió của Việt Nam. Đi đôi với việc khai thác tiềm năng gió thì việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên có chất lượng cao trong lĩnh vực năng lượng gió cũng là đòi hỏi cấp thiết. Để tạo điều kiện thí nghiệm tốt cho viên sinh và học viên cần một hệ thống thực nghiệm turbine gió. Hệ thống này đáp ứng đầy đủ tính chất và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thực. Với những turbine gió thì luôn có kích thước lớn, giá thành cao, chi phí vận hành và lắp đặt tốn kém và đòi hỏi một diện tích lớn để lắp đặt. Do vậy, cần đưa ra một giải pháp cho các vấn đề trên, đó là xây dựng hệ thống giả lập turbine gió. Với hệ thống này thì phương pháp thực nghiệm, đánh giá hệ thống được đơn giản hóa với mô hình giả lập. Đây là hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất và đã xây dựng thành công. Với hệ thống giả lập turbine gió này, sẽ tạo điều kiện rất tốt cho sinh viên, học viên thực nghiệm. Mô hình được trình bầy ở hình 1. Hình 1. Mô hình thực nghiệm hệ thống turbine gió giả lập 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIÓ Cấu trúc cơ bản của turbine gió giả lập được đề xuất cho ở hình 1, nó bao gồm hai phần chính sau: Phần mềm: - Mô phỏng trên Matlab. - Giao diện quan sát và điều khiển trên LabVIEW. Phần cứng: - Biến tần (thông số ở bảng 5). - Động cơ không đồng bộ (thông số ở bảng 2). - Hộp số (thông số ở bảng 4). - Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG - thông số ở bảng 3). - IGBT bao gồm nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL). - Khối điều khiển máy phát (ĐKMP), điều khiển nguồn một chiều (ĐK DC). - Bộ lọc (LC). - Máy biến áp (MBA - 220/380 V). 2.1. Xây dựng mối quan hệ giữa tần số và tốc độ máy phát PMSG Với giá trị tần số được thiết lập trên máy tính, thông qua giao diện LabVIEW sẽ đặt tần số cho biến tần thông qua chuẩn RS485, để điều khiển ĐCKĐB (hình 1). LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 7 Tốc độ của động cơ không đồng bộ theo được tính theo công thức [4]: (1) Thông qua hộp số (gearbox), tốc độ của turbine gió sẽ như sau [6]: (2) : tốc độ của turbine gió : tốc độ của máy phát PMSG G: tỉ lệ gear box Từ công thức (1) và (2) ta rút ra: (3) Với tần số khác nhau sẽ cho ra tốc độ khác nhau. Ở đây ta lưu ý: vì tốc độ của gió là giả lập, do vậy theo như công thức (2) thì tỷ số này khác với thực tế của hệ thống turbine gió. Còn trong thực tế, tốc độ của turbine gió sẽ nhỏ hơn tốc độ máy phát, nhưng ở mô hình giả lập thì điều này là ngược lại. Nghĩa là tốc độ của ĐCKĐB cao hơn so với PMSG theo bảng 2, 3. Do đó, trong quá trình thiết kế nhóm tác giả đã đề xuất thêm gearbox nhằm mục đích giảm tốc độ của ĐCKĐB sao cho phù hợp với tốc độ định mức của PMSG theo bảng 4. Do đó, có sự khác biệt cơ bản giữa hệ thống turbine gió và hệ thống turbine gió giả lập, do tốc độ ở thực tế luôn nhỏ hơn. Ví dụ cứ 1000 vòng quay của ĐCKĐB ta có 378 vòng máy phát PMSG. Hình 2. Đường đặc tính quan hệ giữa tần số và tốc độ PMSG phát ra điện, là nguồn đầu vào cho NLPM. Nguồn đầu ra của NLPM là điện áp DC, chính là đầu vào cho NLPL. Sau đó thông qua bộ lọc (LC) và MBA, điện sẽ được đưa lên lưới. Chức năng hai bộ điều khiển ĐKMP, ĐK_DC được điều khiển theo thuật toán PI, các tham số sẽ được cài đặt trên mô hình giả lập turbine gió theo hình 18. Giao tiếp RS485 được thiết lập để giao tiếp giữa máy tính, biến tần và counter theo hình 10. Thông qua giao tiếp này, tốc độ được cài đặt trên giao diện LabVIEW, cũng như tốc độ hiển thị sẽ được counter gửi về máy tính, giúp người thực nghiệm quan sát được tốc độ máy phát (PMSG) khi hoạt động theo hình 14. 2.2. Mô hình nguồn gió và turbine gió Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với vận tốc v theo [6, 7]: (4) Công suất P thu được lệ thuộc vào khối lượng không khí chuyển động, vận tốc gió, mật độ không khí và tiết diện A của vòng quay cánh quạt. (5) Công thức (5) cho thấy vận tốc gió tăng 1 lần thì công suất tăng theo lũy thừa 3. Công suất của turbine được tính theo công thức sau: (6) Hệ số biến đổi năng lượng của công thức (6) theo [5] có công thức như sau: (7) Hình 3. Đường cong mối quan hệ giữa Cp và của turbine gió Với (8) Tỷ số giữa tốc độ đầu cánh turbine và tốc độ gió là: = (9) Với công suất đầu ra của turbine: (10) Mômen của turbine gió được tính theo [6] như sau: (11) Mặt khác, turbine gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ gió. Theo hình 4 là biểu diễn mối quan hệ giữa Pm và tốc độ gió. 8NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 Hình 4. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Pm và tốc độ gió Hình 5. Mô hình nguồn gió và turbine gió mô phỏng trên Matlab Mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) Phương trình dòng và áp trên hệ tọa độ dq theo [3, 9]: (12) (13) trong đó: Lsd : điện cảm stator đo ở vị trí đỉnh cực; Lsq: điện cảm stator đo ở vị trí ngang cực; p: từ thông cực (vĩnh cửu); Tsd, Tsq: hằng số thời gian stator tại vị trí đỉnh cực. Phương trình mômen: (14) Để điều khiển máy phát điện nối lưới, ta dùng hai bộ NLPM và NLPL. NLPL dùng để hòa đồng bộ cho máy phát điện cũng như tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết. NLPL nhằm ổn định mạch một chiều trung gian. Hình 6. Mô hình mô phỏng PMSG trên Matlab Hình 7. Mô hình giả lập turbine gió sử dụng PMSG LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 9 2.3. Thiết kế các bộ điều khiển PI Hình 8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho NLPM và NLPL Các bộ điều của hệ thống được sử dụng là bộ điều khiển PI, vì bộ điều khiển này có các ưu điểm như: dễ chế tạo, giá thành rẻ. Bộ điều khiển PI được sử dụng ở cả hai phía NLPM và NLPL và được xây dựng trên họ vi xử lý TMS320F28335 theo hình 9. Hình 9. Tủ điều khiển hệ thống turbine gió giả lập 2.4. Giao tiếp qua cổng truyền thông RS485 RS485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn một cách đáng kể. RS485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1.200 m, không phụ thuộc số trạm tham gia [8]. Hệ thống này sử dụng mạng truyền thông RS485 để giao tiếp với hệ thống được thiết lập để máy tính làm master, các thiết bị khác bao gồm biến tần, counter là các slaver. Mỗi slaver sẽ được cài đặt các IP khác nhau để master tiện quản lý các slaver này. Địa chỉ IP để cài đặt cho hệ thống là: counter có địa chỉ 01, biến tần có địa chỉ 02. Hình 10. Cổng giao tiếp truyền thông RS485 10 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 2.6. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink Hình 11. Mô hình mô phỏng hệ thống turbine gió Matlab Mô hình mô phỏng hệ thống turbine gió trên Matlab được thể hiện ở hình 11. Ta đặt tốc độ gió ban đầu cho hệ thống là 11,5 m/s, điện áp đầu ra của PMSG (thông số PMSG bảng 1) sẽ được cấp cho NLPM. Bộ NLPM sẽ chuyển đổi điện áp xoay chiều AC thành DC. Nguồn DC thông qua bộ NLPL tạo ra điện áp AC sẽ phát công suất ra lưới điện. Hình 12. Mô phỏng tốc độ gió Hình 13. Công suất đầu ra của turbine gió 3. XÂY DỰNG GIAO DIỆN HỆ THỐNG TURBINE GIÓ GIẢ LẬP TRÊN LABVIEW Tác giả xây dựng giao diện hệ thống giả lập turbine gió để quan sát đối tượng. Qua giao diện này ta có thể quan sát được tốc độ PMSG, công suất máy phát, mômen và tốc độ gió. Ở giao diện cũng đưa ra đồ thị phản ánh quan hệ giữa tốc độ và tần số theo như hình 2. Phương thức giao tiếp truyền thông được thông qua chuẩn RS485 theo như hình 10. Tác giả có sử dụng mạch chuẩn đổi USB - RS485 (UT-890J) để tạo ra chuẩn giao tiếp truyền thông RS485, nhằm mục đích kết nối giữa máy tính với biến tần và counter. Hình 14. Giao diện hệ thống turbine gió (thực nghiệm) Các tham số lamda và Cp cũng được đưa ra tính toán trên giao diện dựa theo công thức (7, 8, 9). Hệ thống sẽ được điều khiển thông qua việc thiết lập tần số cho biến tần theo hình 14. Giá trị của tần số của biến tần cũng được hiển thị trên giao diện nhằm tạo điều kiện quan sát tốt nhất khi điều khiển hệ thống từ xa. Ngoài chức năng điều khiển, giao diện còn có thêm giao diện quan sát lỗi ở NLPM, NLPL và HELP, nhằm mục đích giám sát và tương tác với người sử dụng hệ thống giả lập turbine gió.Với giá trị khai báo trên hình 14, ta có tốc độ gió 11 m/s, tốc độ máy phát là 316 vg/ph và công suất đầu ra của turbine gió là 2532 W. Qua kết quả thực nghiệm trên LabVIEW, ta thấy giá trị đạt được gần với giá trị mô phỏng theo mục 6 đã trình bày. 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hình 15. Dòng điện đầu ra của hệ thống khi mô phỏng trên Matlab LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 11 Hình 15 hiển thị dòng điện khi mô phỏng trên Matlab. Khi ta đặt tốc độ gió là 11,5 m/s thì hệ thống dao động trong khoảng thời gian là 0,6 s, ổn định ở thời điểm 0,8 s. Hình 16. Điện áp đầu ra của hệ thống khi mô phỏng trên Matlab Hình 16 hiển thị điện áp mô phỏng trên Matlab cho ba pha. Ở đầu ra NLPL, khi đưa vào lưới điện, điện áp này còn cần phải xử lý qua bộ lọc LC và cũng đảm bảo điện áp trùng pha, trùng biên độ và trùng tần số với lưới điện. Hình 17. Hòa nối lưới cho PMSG (thực nghiệm khi đo hai pha) Hình 17 hiển thị điện áp đo trên hai pha của đầu ra NLPL, sau khi chỉnh định để đạt được biên độ, pha và tần số thỏa mãn các điều kiện trước khi hòa lưới điện. Hình 18. Thông số cài đặt PI (thực nghiệm) Hình 18 thể hiện giá trị các hệ số PI đã cài đặt cho hệ thống, bao gồm cài đặt hệ số Ki cho điện áp, dòng điện, hệ số Kp cho điện áp, dòng điện. Trên giao diện cũng thể hiện điện áp một chiều, điện áp các pha A,B,C 4. KẾT LUẬN Công trình nghiên cứu đã thu được một số kết quả mô phỏng cũng như thực nghiệm về hệ thống turbine gió giả lập. Kết quả mô phỏng trong trường hợp tốc độ gió cố định là 11,5 m/s và bằng 8,1 thì tại thời điểm 0,8 s, tần số, điện áp, góc pha được xác lập, đáp ứng hoàn toàn các điều kiện hòa nối với lưới (hình 15 - 17). Các tác giả cũng đã thực nghiệm trên mô hình turbine gió giả lập, kết quả thực nghiệm (hình 7, 9, 14, 18) đã chứng minh tính đúng đắn và chính xác của hệ thống đề xuất. Bảng 1. Thông số của turbine gió Công suất định mức 2,5 kW Tốc độ gió định mức 11 m/s Bán kính turbine gió 1,35 m Số cánh 3 Hệ số công suất Bảng 2. Thông số ĐCKĐB Công suất định mức 5,5 kW Dòng điện định mức 11,7 A Tốc độ định mức 1445 vg/ph Mômen định mức 35 N·m Số cực 2 Bảng 3. Thông số máy phát PMSG Công suất định mức 2,5 kW Điện áp pha định mức 110 V Tốc độ định mức 335 vg/ph Tần số định mức 35 Hz Điện trở stator Rs 0,3667 Điện cảm stator Ls 3,29 mH Số cặp cực 14 12 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 Bảng 4. Thông số hộp số Công suất đầu vào 5,5 kW Tỷ số 3,78 Bảng 5. Thông số của biến tần MV300 A Công suất định mức 7,5 kW Điện áp định mức 380 V Dòng điện định mức 17 A Dải tần số hoạt động 1-400 Hz Kiểu loại MV300 A - 7R5G - 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vũ Thành Tự Anh (2013). Năng lượng gió của Việt Nam tiềm năng và triển vọng. Nhietdien.vn [2]. CPC IT - KHVT (2013). Tiềm năng điện gió của Việt Nam. Tạp chí Tia sáng. [3]. Celso R. Schmidlin Jr, F. Kleber de A. Lima, C. Gustavo C. Branco, and Tobias R. Fernandes Neto (2016). Modelling and control of PMSG based WECS: Evaluating the Test Bench Result. IEEE International Conference on Industry Applications. [4]. Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Trọng Thắng (2016). Nguyên lý hoạt động của máy điện. Nhà xuất bản Xây dựng. [5]. Johanna Salazar, Fernando Tadeo, Kritchai Witheephanich, Martin Hayes and Cesar de Prada (2012). Control for a Variable Speed Wind Turbine Equipped with a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). Springer Berlin Heidelberg. [6]. Springer (2014). Wind Power Electric Systems. [7]. Springer (2006). Wind Turbine Control SystemsPower. [8]. Hoàng Minh Sơn (2006). Mạng truyền thông công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [9]. Ms. Srinidhi Varadarajan, Dr. Sasi.K.Kottayil (2016). Active Power Control in Grid Connected Wind driven PMSG. Biennial International Conference on Power and Energy Systems. [10].Ngọc Tuấn (2016). Việt Nam phấn đấu đạt 6.000 MW điện gió vào năm 2030.