Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển quá trình lưu điện của trạm phát điện sức gió thuộc đề tài KC.06.20CN

- NGUYỄN ĐĂNG TOÀN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LƯU ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ THUỘC ĐỀ TÀI KC.06.02CN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN ĐĂNG TOÀN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LƯU ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ THUỘC ĐỀ TÀI KC.06.02CN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- NGUYỄN PHÙNG QUANG Hà Nội - 2005 MỤC LỤC Trang Mục lục Lời nói đầu 01 Chương 1: Tổng quan về hệ thống lưu điện trong đề tài KC.06.20CN… 03 1.1 Nhiệm vụ.
- 03 1.2 Sơ đồ nguyên lý tổng quan của hệ thống máy phát chạy sức gió.
- 03 1.3 Cấu trúc hệ thống máy phát điện chạy sức gió trong đề tài.
- KC.06.20CN 04 1.4 Chế độ vận hành hệ thống PĐCSG.
- 09 1.5 Tổng quan về hệ thống lưu điện trong trạm phát điện chạy sức gió.
- 10 1.5.1 Hệ thống ăcqui.
- 18 Chương 2: Tính toán thiết kế hệ thống lưu điện.
- 24 2.1 Đề xuất phương pháp xây dựng mạch nạp cho hệ thống lưu điện của đề tài.
- Mạch đo và điều khiển.
- 31 2.2 Tính toán bộ ăcqui lưu điện.
- 36 2.4 Thiết kế mạch đo.
- Thiết kế mạch đo dòng.
- Thiết kế mạch đo áp.
- 39 2.5 Thiết kế mạch điều khiển mở van.
- 40 2.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình lưu điện cho DSP.
- 42 Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều chỉnh điện áp.
- 46 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lưu điện.
- 46 3.2 Cấu trúc điều chỉnh điện áp lưu điện.
- Thiết kế bộ điều chỉnh số.
- 50 3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện.
- 51 3.5 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp.
- Một số vấn đề về mô phỏng hệ thống với Matlab-Simulink và PLECS.
- Mô phỏng hệ thống lưu điện trong đề tài KC.06.20.CN.
- 58 Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống trên Matlab & Simulink.
- 62 4.1 Mô phỏng với điện áp nguồn cấp không đổi.
- 62 4.2 Mô phỏng với điện áp nguồn cấp thay đổi.
- các hệ thống phát điện chạy sức gió được thiết kế chế tạo để biến năng lượng gió thành điện năng phục vụ con người.
- Tuy nhiên, để tận dụng tốt nguồn năng lượng gió cần phải xây dựng được giải pháp điều khiển phù hợp cho hệ thống phát điện chạy sức gió.
- Một trong những giải pháp đó là sử dụng hệ thống lưu điện bằng ăcqui.
- Luận văn này sẽ trình bày quá trình thiết kế, xây dựng và kiểm nghiệm giải pháp điều chỉnh chất lượng hệ thống lưu điện trên quan điểm xây dựng một hệ điều khiển số.
- Người thực hiện rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn quan tâm.
- Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình đến PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang - Bộ môn Điều khiển Tự động trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này.
- Tôi cũng rất lấy làm cảm kích trước những ý kiến đóng góp quý báu từ phía bạn bè, đồng nghiệp đã giúp tôi giải quyết được những vướng mắc trong khi thực hiện.
- Hà Nội ngày……..tháng……..năm 2005 Người thực hiện Nguyễn Đăng Toàn Ch-¬ng1: Tæng quan vÒ hÖ thèng l-u ®iÖn - 3 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU ĐIỆN CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ TRONG ĐỀ TÀI KC.06.20CN 1.1.
- Nhiệm vụ Với nhiệm vụ là nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển quá trình lưu điện của trạm phát điện chạy sức gió thuộc đề tài KC.06.20.CN, thì để thực hiện được điều này trước tiên ta tìm hiểu nhiệm vụ, chức năng của hệ thống lưu điện, cơ sở phương pháp thực hiện lưu điện.
- Cụ thể hơn các nội dung cần thực hiện bao gồm.
- Nghiên cứu đưa ra phương pháp nạp cho hệ thống lưu điện phù hợp với thực tế của đề tài.
- Tính toán, thiết kế, chế tạo bộ ăcquy lưu điện và mạch điều chỉnh nạp lưu điện.
- Xây dựng cấu trúc điều chỉnh điện áp và mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab&Simulink.
- Sơ đồ nguyên lý tổng quan của hệ thống máy phát chạy sức gió (PĐCSG) Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý tổng quan về hệ thống máy phát điện chạy sức gió Ch-¬ng1: Tæng quan vÒ hÖ thèng l-u ®iÖn - 4 - Hệ thống máy phát tốc độ thay đổi gồm có một máy phát đồng bộ, một bộ chỉnh lưu diode, một bộ nghịch lưu, bộ lọc một chiều và bộ lọc xoay chiều phía sau ngịch lưu.
- Tuabin được nối trục với máy phát qua hộp truyền số (đối với hệ thống công suất nhỏ 20kW thì không có hộp số), máy phát quay ở cuộn dây stator lấy điện đưa đến chỉnh lưu, qua bộ liên kết điện áp 1 chiều (có nhiều cấu tạo khác nhau, hình vẽ chỉ mang tính minh hoạ), qua nghịch lưu, biến áp đến tải tiêu thụ.
- Hệ thống PĐCSG bao gồm nhiều thành phần được điều khiển phối hợp vận hành bởi một hệ thống điều khiển chung.
- Việc thu thập thông tin điểm đo, chương trình xử lý là nhiệm vụ của hệ thống DSP.
- Mỗi hệ thống có một dải tốc độ gió hoạt động.
- Tốc độ gió khởi đầu là tốc độ mà tại đó tổn hao toàn hệ thống bé hơn năng lượng gió có thể tạo ra.
- Tốc độ gió dừng là tại đó nếu hoạt động tiếp thì cơ cấu cơ khí có thể bị phá hủy.
- Trên cánh của tuabin có cơ cấu điều khiển độ nghiêng của cánh tùy thuộc tốc độ gió và hướng gió.
- Hệ thống còn có bình ăcqui để dự trữ năng lượng và bù áp trong quá trình hoạt động.
- Cấu trúc hệ thống máy phát điện chạy sức gió trong đề tài KC.06.20CN Sơ đồ hệ thống của toàn bộ hệ thống phát điện chạy sức gió gồm có các thành phần sau: bộ phận cánh và trục turbine, 1 máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, 1 bộ chỉnh lưu diode, khâu một chiều trung gian (DC link), một hệ thống lưu điện ăcqui cùng với bộ nạp của nó, 1 bộ điện trở dùng để tạo mômen hãm đặt lên trục máy phát nhằm duy trì điện áp một chiều Ud không Ch-¬ng1: Tæng quan vÒ hÖ thèng l-u ®iÖn - 5 - vượt quá giá trị giới hạn 240V.
- Một bộ nghịch lưu sử dụng van IGBT có nhiệm vụ biến điện áp một chiều trên mạch một chiều trung gian thành điện áp xoay chiều với tần số và điện áp mong muốn cung cấp cho phụ tải thông qua biến áp .
- SGSimatic S7-200DSP3Holding brake 3 Brake_on/ff Wind wheelV wind OPERATOR Manual_on/off User priorityStatusV wind f Ud, IdUc,Ic Uf,IfS1S2T,levelS3S4charging controllerPhụ tải1 Uf,If`Phụ tải S_Un+1 S_Un+2 S_Un+m Máy phát: Nhiệm vụ của máy phát là biến cơ năng trên trục turbine thành điện năng cung cấp cho lưới.
- Máy phát ở trong hệ thống này là máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, có công suất danh định là 20kW, với số cực là 36.
- Ưu điểm nổi bật của loại máy phát này là cấu trúc đơn giản vì không cần bộ phận kích từ, và có số cực nhiều hơn so với các máy phát điện đồng bộ thông thường.
- Hệ thống turbine ở đây là turbine tốc độ thay đổi, do đó tần số máy phát cũng thay đổi.
- Bộ chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu được sử dụng trong hệ thống này là chỉnh lưu diode cầu 3 pha.
- Chức năng của nó là biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha trên Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống máy phát điện chạy sức gió trong đề tài KC.06.20.CN Ch-¬ng1: Tæng quan vÒ hÖ thèng l-u ®iÖn - 6 - cực của máy phát thành điện áp một chiều.
- Mạch nạp phụ có Rhạnchế lớn được đóng khi hệ thống bắt đầu 1 quá trình khởi động mới, mạch nạp chính có R nhỏ chỉ được đóng khi điện áp trên tụ C đã đầy, khi tính toán tổn thất thì tổn hao ở mạch chính là tương đối lớn, trong khi vai trò của R không thật cần thiết khi tụ đã đầy nên có thể không cần trong sơ đồ.
- Thông số của mạch chỉnh lưu : Hình 1.3: Mạch chỉnh lưu chính Điện áp pha máy phát đặt vào chỉnh lưu: tsinU2u2a2= )240tsin(U2u)120tsin(U2u02c202b2.
- Trong đó U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp mỗi pha.
- Do máy phát gồm 3 pha nối hình sao, có điện áp dây là 220 V nên điện áp mỗi pha là 127V.
- Giá trị trung bình của điện áp sau chỉnh lưu là: V297127.34,2U34,2U63U22d.
- Hệ thống lưu trữ ăcqui và bộ nạp ăcqui: Nhiệm vụ của hệ thống ăcqui là cung cấp nguồn nuôi cho mạch điều khiển, lưu trữ điện năng để dự trữ trong Ud Rhạn chế u2c u2b u2a D1 D3 D5 D2 D6 D4 Id Ch-¬ng1: Tæng quan vÒ hÖ thèng l-u ®iÖn - 7 - Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý thực hiện hãm bằng điện trở trường hợp máy phát ngừng làm việc và san bằng điện áp trên mạch một chiều trung gian trong trường hợp Ud qúa thấp.
- Khi điện áp Ud thấp hơn điện áp trên cực ăcqui thì bộ ăcqui sẽ phóng điện qua tụ và san bằng được điện áp trên Ud, việc này sẽ giữ cho Ud không quá bé trong trường hợp gió nhỏ hoặc quá tải.
- Việc điều khiển nạp ăcqui sẽ do vi xử lý tín hiệu DSP thực hiện.
- Bộ nghịch lưu: Vai trò của bộ nghịch lưu trong hệ thống là biến đổi điện áp một chiều trên mạch một chiều trung gian thành điện áp xoay chiều 3 pha cung cấp cho tải.
- Tần số điện áp xoay chiều trên tải là 50Hz và điện áp pha là 380V.
- Máy biến áp: để đảm bảo được điện áp 380V trên tải thì cần có một bộ tăng áp.
- ở đây máy biến áp sẽ được chọn vì những lý do sau: Về kinh tế thì máy biến áp có giá thành rẽ hơn nhiều so với boost converter, với máy biến áp thì ta có thể cách ly được phần điều khiển với tải.
- Bộ điện trở hãm: Sơ đồ mạch lực của bộ điện trở hãm như sau: Ch-¬ng1: Tæng quan vÒ hÖ thèng l-u ®iÖn - 8 - Mục đích của việc sử dụng bộ điện trở hãm là tạo mômen hãm lên trục máy phát để duy trì điện áp Ud không vượt quá giá trị ngưỡng đồng thời tận dụng nguồn năng lượng thừa để đun nước.
- Dòng điện chạy vào bộ điện trở sẽ được quyết định bởi độ mở van của van IGBT.
- Khi dòng chạy vào bộ điện trở thì đồng thời dòng điện tổng trong dây quấn máy phát cũng tăng lên một lượng tương ứng.
- Dòng điện này tạo ra mômen hãm điện từ kéo máy phát quay chậm lại, điều này làm cho điện áp Ud giảm.
- Độ mở van sẽ do một bộ điều khiển trong vi xử lý tín hiệu (DSP) thực hiện.
- Phanh hãm cơ khí: mục đích sử dụng bộ phanh này là phục vụ cho yêu cầu dừng turbine khi gió quá to hoặc qúa nhỏ để đảm bảo an toàn và hiệu quả của hệ thống.
- Sensor đo tốc độ (anemometer): là thiết bị đo tốc độ gió cung cấp cho bộ điều khiển thông tin về tốc độ gió để quyết định điều khiển hoạt động của hệ thống.
- Sensor này truyền tín hiệu đo là tốc độ gió về PLC dưới dạng tín hiệu nguồn dòng 420 mA.
- Panel điều khiển: là bảng điều khiển phục vụ cho mục đích hiển thị trạng thái của hệ thống, thực hiện đóng cắt bằng tay của người vận hành.
- Hệ thống điều khiển cho hệ thống turbine gió: gồm có 2 thiết bị điều khiển là PLC S7-200 của hãng siemens và DSP TMS320 của Texas Instrument.
- DSP thực hiện điều khiển động học hệ thống (điều khiển cấp dưới), đó là điều khiển biến tần, điều khiển bộ nạp ăcqui và điều khiển bộ điện trở hãm.
- Tốc độ tính toán của loại DSP này rất cao cho phép rút ngắn thời gian tính toán nhằm mục đích thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp trong hệ thống truyền động.
- Ch-¬ng1: Tæng quan vÒ hÖ thèng l-u ®iÖn - 9 - PLC là bộ điều khiển logic khả trình, thực hiện nhiệm vụ điều khiển logic đóng cắt hệ thống đồng thời là thiết bị thu thập dữ liệu từ DSP truyền lên rồi truyền qua module modem lên internet.
- Phần firmware và dữ liệu hệ thống sẽ được trao đổi giữa một phần mềm chuẩn bệnh từ xa chạy trong một PC trên mạng internet.
- Việc truyền thông này được thực hiện qua một module mở rộng của PLC là module modem.
- Chế độ vận hành hệ thống PĐCSG Hệ thống PĐCSG có thể chia thành 2 trạng thái là trạng thái hoạt động và trạng thái dừng.
- Turbine chỉ quay khi nằm trong dải tốc độ gió thích hợp.
- Ở đây dải tốc độ gió hoạt động là từ 2.5m/s đến 50 m/s.
- Khi tốc độ gió quá thấp (0 và đủ lớn thì van dẫn cho dòng điện đi vào tải.
- Như vậy để chọn van đóng cắt MOSFET ta dựa trên hai thông số quan trọng là điện áp lớn nhất đặt lên van khi van ở trạng thái khoá và dòng điện trung bình đi qua van.
- Chọn dòng nạp định mức cho hệ thống ăcqui gồm một dãy măc nối tiếp 10 bình 12V là: A101010010CIBmaxn.
- chọn hệ số an toàn dòng điện cho van là ki = 1,6 nên ta tính được dòng điện của van cần chọn.
- Iv A) Điện áp đầu vào cho mạch nạp khi gió to nhất là : Vin = Vinmax = 297V  chọn hệ số an toàn điện áp cho van là ku=2 nên ta tính được điện áp của van cần chọn là: V V Từ những kết quả trên ta có thể chọn van công suất có các thống số sau: MOSFET IXTQ16N60P kênh n có: Idmax = 16A Udmax = 600V Pdmax = 300W RDsmax = 0,3Ohm trr = 410ns Ch-¬ng 2: TÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng l-u ®iªn - 36 - Chọn diod Trong mạch động lực vai trò của các điot D1, D2, D3 yêu cầu đóng cắt được với tần số cao.
- Mặt khác từ nhiệm vụ làm việc của từng van trong sơ đồ ta chọn được các điot như sau: Điot D1 và D2 phải chịu điện áp ngược và dòng điện trung bình giống như van MOSFET, do đó ta chọn 2 điot loại HFA16PB60.
- Điot D3 có chức năng cùng với L1, R2, C2 bảo vệ van MOSFET không cần chịu điện áp ngược và dòng điên lớn như van D1 và D2, do đó ta chọn D3 là loại P6KE200 có điện áp ngược là 200V và dòng điện là 6A.
- Tính toán mạch lọc và mạch bảo vệ van Điện cảm trong mạch động lực đóng vai trò làm giảm độ gợn sóng của dòng điện trong mạch khi van đóng cắt.
- Khi van mở dòng điện trong mạch tăng lên, còn khi van khoá dòng điện trong mạch giảm xuống.
- Xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp khi van mở ta có thể tính được giá trị điện cảm : U Un E i 0 tx T 2T iv iD t t I 0 I Hình 2.9: Diễn biến của dòng điện tải Ch-¬ng 2: TÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng l-u ®iªn - 37 - Lsinut0outininonoutoutinLI)f.VV)(VV(LVTtV,VVdtdi.L.
- (2-13) Trong đó: IL : Độ gợn sóng của dòng điện trong mạch IL : thường lấy bằng ( 0,30,4)I, chọn IL= 0,3.10 =3A f : Tần số đóng cắt của van, chọn f = 20KHz Vin : Điện áp đầu vào cho mạch nạp Vinmax = 297V Vout : Điện áp đầu ra nạch nạp Vout max = 120V Thay các giá trị vào (2-13) ta tính được L2max=1mH Tính giá trị của tụ điện C1 Tụ điện C1 trong mạch đóng vai trò cùng với điện cảm tạo thành mạch lọc để giữ cho điện áp có dạng bằng phẳng ít nhấp nhô.
- Cũng xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp ta có thể tính được giá trị của C1 theo công thức sau: csinoutL1V)f.VV(IC

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt