[TABLE="class: itemDisplayTable"]

[TD="class: metadataFieldLabel"]Nhà xuất bản:

[TD="class: metadataFieldValue"]Đại học Bách khoa Hà Nội

[TD="class: metadataFieldLabel"]Series/Report no.:

[TD="class: metadataFieldValue"]H.

2007

320tr.

[TD="class: metadataFieldLabel"]Tóm tắt:

[TD="class: metadataFieldValue"]Báo cáo giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa học và thiết kế chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30KW phù hợp với điều kiện Việt Nam" bao gồm :

Chương 1 : Hệ thống máy phát điện và Turbine có công suất 10-30kW - giới thiệu thiết bị và thiết kế chuẩn bị cho máy phát và Turbine trong nước.

Chương 2 : Hệ thống cột keo kiểu module - Phân tích tính toán kết cấu cột dây văng, thiết kế cụ thể kết cấu cột tháp. Chương 3 : Trạm điều khiển mặt đất.

Chương 4 : Hệ thống lưu điện - Thiết kế hệ thống lưu điện sử dụng acquy và thiết kế cấu trúc điều khiển nạp acquy.

Chương 5 : Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ.

Chương 6 : Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu - giới thiệu các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến cho máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu.

Chương 7 : Chuẩn đoán - giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống thiết bị điều khiển. Chương 8 : Cấu trúc bù cos cho tải ở che6` độ ốc đảo.

Chương 9 : Sản phẩm đào tạo kỹ sư , thạc sĩ, tiến sĩ.

Mục lục

Trang

Lời nói đầu

Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt

1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có 1

công suất 10-30kW

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Máy phát điện 1

1.2.1 Máy phát điện đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN 2

1.2.2 Thiết kế máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu phục vụ 3

tự chế tạo sau này tại Việt Nam

1.2.2.1 Xác định các kích thước cơ bản 3

1.2.2.2 Tính toán mạch từ 6

1.2.2.3 Tổn hao ở chế độ làm việc định mức 10

1.2.2.4 Các đặc tính làm việc của máy phát điện 12

1.2.2.5 Tính toán độ tăng nhiệt 17

1.2.2.6 Chỉ tiêu tiêu hao vật tư 18

1.2.2.7 Tổng kết các số liệu thiết kế 19

1.2.3 Thiết kế máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc phục 20

vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam

1.2.3.1 Xác định các kích thước chủ yếu 20

1.2.3.2 Tính toán mạch từ 26

1.2.3.3 Các tham số của máy ở tần số 50Hz 27

1.2.3.4 Tổn hao và hiệu suất của máy ở chế độ động cơ điện 30

1.2.3.5 Động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát 34

1.2.3.6 Tính toán độ tăng nhiệt 40

1.2.3.7 Chỉ tiêu tiêu hao vật tư 42

1.2.3.8 Tổng kết các số liệu thiết kế 43

1.3 Turbine gió (Wind Turbine) 44

1.3.1 Turbine gió đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN 44

1.3.1.1 Mô tả Turbine 46

1.3.1.2 Vận hành Turbine 47

1.3.2 Nghiên cứu thiết kế Turbine chuẩn bị cho việc chế tạo tại 49

Việt Nam

1.3.2.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống Turbine gió 50

1.3.2.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển góc cánh 62

gió

1.4 Tài liệu tham khảo của chương 1 67

I

2 Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module 69

2.1 Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng 69

2.1.1 Mô tả kết cấu 69

2.1.2 Hệ tải trọng tác dụng lên kết cấu 70

2.1.2.1 Tải trọng gió 70

2.1.2.2 Tải trọng gió do sức cản của cánh quạt Turbine Fwt 71

2.1.2.3 Tải trọng gió do cản của cột chính Fwc 72

2.1.2.4 Tải trọng của Turbine 72

2.1.3 Phân tích, tính toán kết cấu theo lý thuyết của 73

Timoshenco

2.1.4 Phân tích, tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử 76

hữu hạn sử dụng phần mềm SAP2000

2.1.4.1 Lựa chọn phần tử 76

2.1.4.2 Phân tích 3D 78

2.1.5 Kiểm tra ổn định của cột phụ khi lắp dựng 78

2.1.6 Độ bền kết cấu cụm quay tại chân cột 80

2.2 Thiết kế kết cấu cột tháp 82

2.2.1 Mô tả thiết kế 82

2.2.2 Mô tả hoạt động của hệ thống 87

2.2.3 Các bản vẽ thiết kế chi tiết 91

2.3 Kết luận 92

2.4 Tài liệu tham khảo của chương 2 92

3 Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất 93

3.1 Các thiết bị điều khiển 94

3.1.1 Tổng quan về hệ thống các thiết bị điều khiển (gồm cả 94

sản phẩm số 10)

3.1.1.1 Tổng quan về hệ thống 94

3.1.1.2 Cấp điều khiển hiện trường 96

3.1.1.3 Cấp điều khiển hệ thống 100

3.1.2 Hardware điều khiển hiện trường sử dụng TMS 101

320F2812 (sản phẩm số 8)

3.1.2.1 Khái quát về vi xử lý tín hiệu TMS 320F2812 101

3.1.2.2 Thiết kế Hardware của đề tài KC.06.20CN 114

3.1.3 Điều khiển hệ thống sử dụng PLC loại Simatic S7-200 129

3.1.3.1 Khái quát về bài toán điều khiển và truyền thông trong 129

hệ thống

3.1.3.2 Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng S7-200 131

3.1.3.3 Truyền thông giữa PC (ở xa), PLC S7-200 và DSP F2812 147

3.1.4 Module nghịch lưu sử dụng van điện tử công suất (sản 148

phẩm số 9)

3.1.4.1 Khái quát về thiết bị nghịch lưu 148

II

3.1.4.2 Thiết kế - chế tạo nghịch lưu cho thiết bị phát điện chạy 159

sức gió

3.2 Trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho các thiết bị 162

3.3 Tài liệu tham khảo của chương 3 166

4 Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện 169

4.1 Khái quát về hệ thống lưu điện 169

4.2 Thiết kế hệ thống lưu điện 175

4.2.1 Tính toán dàn ắc-quy lưu điện 175

4.2.2 Tính toán thiết kế mạch lực 176

4.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp 180

4.4 Tài liệu tham khảo của chương 4 186

5 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 187

5.1 Khái quát về máy phát không đồng bộ 187

5.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor 189

dây quấn

5.2.1 Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ 189

5.2.2 Mô hình toán và các biến điều khiển máy phát KĐB-RDQ 190

5.2.2.1 Mô hình toán của máy phát KĐB-RDQ 190

5.2.2.2 Mô hình trạng thái gián đoạn của máy phát KĐB-RDQ 193

5.2.2.3 Các biến điều khiển cách ly công suất hữu công P và vô 194

công Q

5.2.3 Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát 197

5.2.3.1 Mô hình dòng Rotor 197

5.2.3.2 Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều chỉnh dòng 2 197

chiều

5.2.4 Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát 198

5.2.4.1 Khái quát về phương pháp tuyến tính hóa chính xác 199

(TTHCX, Exact Linearization)

5.2.4.2 Đặc điểm phi tuyến của mô hình máy phát KĐB-RDQ 200

5.2.4.3 Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo 200

phương pháp TTHCX

5.2.4.4 Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo 202

phương pháp cuốn chiếu (Backstepping)

5.2.5 Cấu trúc điều khiển phía lưới 203

5.2.5.1 Mô hình toán mạch điện phía lưới 203

5.2.5.2 Cấu trúc điều khiển 204

5.2.5.3 Kết luận về cấu trúc ĐK phía lưới 206

5.3 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor 206

lồng sóc

5.3.1 Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RLS 206

III

5.3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát 208

5.3.2.1 Mô hình trạng thái gián đoạn 208

5.3.2.2 Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều khiển dòng 2 210

chiều

5.3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát 212

5.3.3.1 Đặc điểm phi tuyến của mô hình 213

5.3.3.2 Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo 213

phương pháp tuyến tính hóa chính xác (Exact

Linearization)

5.4 Tài liệu tham khảo của chương 5 214

6 Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích 217

vĩnh cửu

6.1 Khái quát về máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu 217

6.2 Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất nhỏ, vận hành 218

ở chế độ ốc đảo

6.3 Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất lớn, vận hành 220

ở chế độ hòa lưới

6.3.1 Mô hình toán của máy phát ĐB-KTVC 220

6.3.1.1 Mô hình trạng thái liên tục 221

6.3.1.2 Mô hình trạng thái gián đoạn 222

6.3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính 223

6.3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến 224

6.4 Tài liệu tham khảo của chương 6 225

7 Chẩn đoán - giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ 227

thống thiết bị điều khiển

7.1 Chẩn đoán lỗi phía nghịch lưu 228

7.1.1 Đáp ứng dòng điện khi hở mạch điều khiển một van 228

IGBT

7.1.2 Đáp ứng dòng điện khi ngắn mạch một van IGBT 231

7.1.3 Xác định vị trí van IGBT bị lỗi 233

7.1.3.1 Phương pháp ASVS 233

7.1.3.2 Phương pháp NDCCM 234

7.1.3.3 Phương pháp chẩn đoán lỗi hở mạch điều khiển, ngắn 235

mạch van IGBT được đề xuất

7.2 Chẩn đoán lỗi phía chỉnh lưu 237

7.2.1 Lỗi ngắn mạch diode chỉnh lưu 237

7.2.2 Lỗi hở mạch diode chỉnh lưu 240

7.2.3 Lỗi mất một pha của máy phát hoặc hở mạch hai diode 241

cùng pha

7.3 Mô phỏng kiểm chứng thuật toán 242

7.3.1 Mô phỏng lỗi phía nghịch lưu 242

IV

7.3.1.1 Lỗi hở mạch điều khiển van IGBT 242

7.3.1.2 Ngắn mạch IGBT 246

7.3.2 Mô phỏng lỗi phía chỉnh lưu 249

7.3.2.1 Xác định lỗi mất một pha máy phát 249

7.3.2.2 Xác định lỗi ngắn mạch Diode 250

7.3.2.3 Xác định lỗi hở mạch Diode 251

7.4 Thực hiện hệ thống giám sát - chẩn đoán lỗi từ xa 251

7.4.1 Module phần mềm thu thập dữ liệu trên DSP 253

TMS320F2812

7.4.2 Module phần mềm trên PLC S7-200 254

7.4.2.1 Giao thức truyền thông giữa PLC và DSP 254

7.4.2.2 Các lưu đồ thuật toán 255

7.4.3 Module phần mềm trên máy tính 262

7.4.3.1 Chế độ giám sát thực trạng vận hành 262

7.4.3.2 Chế độ nạp firmware 265

7.5 Tài liệu tham khảo của chương 7 267

8 Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo 269

8.1 Mô hình phụ tải 269

8.2 Phương pháp bù cosϕ 270

8.2.1 Ý tưởng của phương pháp 270

8.2.2 Sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển 272

8.2.3 Sử dụng bộ điều khiển PI mờ 273

8.2.4 Cấu trúc hệ thống điều chỉnh hệ số công suất 275

8.3 Mô phỏng kiểm chứng 275

8.3.1 Cấu trúc Simulink và PLECS 276

8.3.2 Kết quả mô phỏng 279

8.4 Tài liệu tham khảo của chương 8 286

9 Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ 287

9.1 Các sản phẩm đào tạo 287

9.1.1 Danh sách các đồ án tốt nghiệp Kỹ sư 287

9.1.2 Danh sách các luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ 288

9.1.3 Luận văn tốt nghiệp Tiến sĩ 288

9.2 Các báo cáo hội nghị, hội thảo hay tạp chí trong và ngoài 288

nước

9.2.1 Trong nước 288

9.2.2 Ngoài nước 289

10 Kết luận và kiến nghị 291

10.1 Kết luận 291

10.2 Kiến nghị 291

V

Báo cáo tóm tắt

Bản báo cáo này giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa

học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN:

„Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất

10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“

Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa

Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách

Khoa Hà Nội, PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện.

Tiếp theo lời nói đầu và danh mục các ký hiệu được sử dụng, bản báo cáo

bao gồm các phần sau:

ã Chương 1 „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công

suất 10-30kW“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1 trong mục 17 của

thuyết minh đề tài. Chương này chiếm 67 trang, giới thiệu các vấn đề xung

quanh hai mảng chính:

+ Giới thiệu thiết bị đang sử dụng: Máy phát và Turbine nhập ngoại vừa

đáp ứng nhu cầu sử dụng trước mắt của Đề tài, vừa giữ vai trò mẫu để

học tập trong quá trình thiết kế mới.

+ Giới thiệu các thiết kế, chuẩn bị cho việc tự chế tạo máy phát và

Turbine trong nước. Nội dung thiết kế máy phát điện 20kW (không

đồng bộ Rotor lồng sóc, đồng bộ kích thích vĩnh cửu) đã được thực

hiện một cách rất nghiêm túc và chi tiết. Nội dung thiết kế lại và mô

phỏng kiểm chứng Turbine đã được TS. Phạm Anh Tuấn thực hiện với

nhiều khiếm khuyết. Chủ nhiệm đề tài KC.06.20CN đã phải hợp tác với

Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polymer (Phó GĐ Trung tâm, PGS. TS.

Bùi Chương) thực hiện bổ sung phần thiết kế - chế tạo khuôn mẫu

cánh Turbine (bằng vật liệu Polymer) phục vụ chế tạo mới sau này.

ã Chương 2 „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“. Giới thiệu về

sản phẩm có số thứ tự 2 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương

này chiếm 24 trang. Sản phẩm này là một bộ phận quan trọng trong tổng

thể hệ thống phát điện chạy sức gió 20kW của đề tài KC.06.20CN. Sản

phẩm hoàn toàn được tự lực thiết kế, chế tạo và lắp đặt tại Việt Nam. Đề

tài KC.06.20CN đã hợp tác với nhóm chuyên gia do TS. Đỗ Quốc Quang

(Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp) đứng đầu để hoàn thành phần nhiệm

vụ này. Kết quả thu được là một hệ thống cột tháp đáp ứng tốt công năng

yêu cầu, đồng thời cho phép lắp ráp - nâng hạ một cách dễ dàng và không

phụ thuộc vào nguồn điện lưới. Chương này giới thiệu các nội dung:

+ Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng.

+ Thiết kế cụ thể kết cấu cột tháp.

ã Chương 3 „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“. Giới thiệu về sản

phẩm có số thứ tự 3 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương này

chiếm 75 trang và là chương phong phú nhất của toàn bộ báo cáo. Trạm

điều khiển mặt đất bao gồm:

+ không chỉ hạng mục xây dựng như trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho

các thiết bị và là nơi làm việc của nhân viên vận hành. Trạm còn giới

thiệu chi tiết về

+ các thiết bị điều khiển chứa trong tủ như: điều khiển hiện trường

(dùng TMS320F2812), điều khiển hệ thống (dùng Simatic S7-200),

nghịch lưu xoay chiều 3 pha.

ã Chương 4 „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“. Giới thiệu về sản phẩm có

số thứ tự 4 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Trong chương này, sản

phẩm về „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3

trong mục 16 của thuyết minh đề tài cũng được kết hợp giới thiệu.

Chưong này gồm 18 trang chứa hai nội dung:

+ Thiết kế hệ thống lưu điện sử dụng ắc-quy.

+ Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp ắc-quy.

ã Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“. Giới

thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài.

Chương này chiếm 30 trang với các phương pháp điều khiển tuyến tính và

phi tuyến cho:

+ Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), còn được gọi là

không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG).

Máy phát KĐB-RDQ có Stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía Rotor

được nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất.

+ Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage

Induction Generator: SCIG). Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát

KĐB-RLS có Stator nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất.

ã Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh

cửu“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.2 trong mục 16 của thuyết

minh đề tài. Chương này có 9 trang giới thiệu các phương pháp điều khiển

tuyến tính và phi tuyến cho máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-

KTVC, Permanentmagnet Excited Synchronous Generator: PMSG).

ã Chương 7 „Chẩn đoán - giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống

thiết bị điều khiển“. Chương này chiếm 42 trang, giới thiệu về một nội

dung mới xuất hiện trong quá trình thực hiện đề tài và là sản phẩm

phương pháp không có trong thuyết minh đăng ký. Ngoài chức năng thực

hiện các thuật toán điều khiển, để phục vụ mục đích chẩn đoán tình trạng

vận hành của hệ thống, DSP TMS320F2812 liên tục thu thập và lưu trữ

các dữ liệu đo đạc của toàn bộ hệ thống. Khi có nhu cầu phân tích và

giám sát tình trạng vận hành, các dữ liệu này sẽ được PLC S7-200 chuyể