(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép dfig trong các miền làm việc khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN QUỐC HƯNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP DFIG TRONG CÁC MIỀN LÀM VIỆC
KHÁC NHAU

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

SKC 0 0 5 1 9 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGUYỄN QUỐC HƯNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG
TRONG CÁC MIỀN LÀM VIỆC KHÁC NHAU

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017

Luan van


Luan van


Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN QUỐC HƯNG
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 18-04-1991
Nơi sinh: Đồng Nai
Quê quán: Tp. Hồ Chí Minh
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 453/KA 24 Lê Văn Sỹ, P12, Q3, Tp. Hồ Chí Minh.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại riêng: 0128 606 8288
Fax:

E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 04/ 2014
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Sư Phạm Kỹ Thuật Điện công nghiệp.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LED
TRONG CHIẾU SÁNG KÍCH THÍCH RA HOA CÂY THĂNG LONG.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 20/04/2014, Đại học sư phạm kỹ
thuật Tp. Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: ThS Lê Trọng Nghĩa
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 5/2015 đến 4/2017
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Tên luận văn: ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ DFIG CÓ SENSOR TỐC ĐỘ TRONG
CÁC MIỀN LÀM VIỆC KHÁC NHAU

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 16/04/2017, Đại học sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
III. Q TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
08/2014 - đến nay Trường THCS Lạc Hồng, Q10, Tp.HCM

i

Luan van

Công việc đảm nhiệm
Giáo viên Kỹ Thuật


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2017
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Quốc Hưng

ii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay Tơi đã hồn thành đề tài tốt
nghiệp cao học của mình. Có được thành quả này, Tơi đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ

và giúp đỡ tận tình của thầy cơ, gia đình, cơ quan và bạn bè trong thời gian học tập vừa
qua.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc,
Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt
kinh nghiệm để Tơi hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho tơi một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân
thành cảm ơn q Thầy Cơ Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ
cho Tôi trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp
đỡ cho tơi rất nhiều để vượt qua khó khăn, đã tạo cho Tôi niềm tin và nỗ lực phấn đấu
để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017
Học viên thực hiện

Nguyễn Quốc Hưng

iii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

TÓM TẮT
Các nguồn năng lượng truyền thống đang gặp nhiều thách thức như ô nhiễm môi
trường, chi phí đắt đỏ và ngày càng khan hiếm. Các nguồn năng lượng tái tạo được xem

như các nguồn năng lượng thay thế nhiều tiềm năng hiện nay bởi đây là các nguồn năng
lượng sạch, không gây hại mơi trường và khơng phải trả chi phí mua nguyên vật liệu
đầu vào.
Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nói chung thì năng lượng gió có tiềm năng phát
triển nhất bởi chi phí rẻ và có thể lắp đặt tại nhiều vùng địa lý khác nhau. Với trình độ
chế tạo ngày càng được hồn thiện, các tu bin gió có cơng suất lắp đặt khơng ngừng
tăng lên. Với các cánh quạt ngày càng lớn thì cơng suất điện thu được trong mỗi tubin
cũng tăng lên nhanh chóng. Với các tu bin gió có cơng suất khoảng 1MW trở lên thường
được trang bị các máy phát điện nguồn đôi (DFIG) bởi ưu điểm có thể hoạt động bình
thường khi vận tốc gió thay đổi và chỉ biến đổi một phần công suất điện thu được bởi
các bộ biến đổi điện tử công suất. Đây là các yếu tố quan trọng trong việc tăng hiệu quả
vận hành và giảm chi phí đầu tư thiết bị.
Với nhiều ưu điểm về kinh tế và kỹ thuật nêu trên thì việc vận hành máy phát
nguồn đơi cũng gặp nhiều khó khăn và phức tạp. Đã có nhiều cơng bố được thực hiện
về vấn đề điều khiển các máy phát DFIG trong những năm gần đây. Các nghiên cứu đã
đề xuất nhiều phương pháp điều khiển khác nhau để thu được nhiều nhất công suất gió
mang lại từ các vận tốc gió khác nhau.
Qua luận văn, phương pháp điều khiển công suất phát của DFIG được thực hiện
thơng qua vấn đề điều khiển góc lệch cánh quạt gió (góc beta) để cơng suất thu được là
nhiều nhất khi gió dưới định mức và cơng suất đạt công suất định mức khi vận tốc lớn
hơn vận tốc định mức. Các kết quả thu nhận được qua q trình mơ hình hóa mơ phỏng
trên phần mềm Matlab/Simulink để chứng minh hiệu quả của giải thuật được đề xuất.

iv

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

ABSTRACT
Currently, conventional energy sources are facing with many disadvantages such
as environment pollution, expensive and increasing scarce. Renewable energy sources
are considered as alternative energy sources present great potential because it is the
source of clean energy and not harm the environment and do not have to pay the cost of
purchasing raw materials inputs.
Over the field of renewable energy wind energy has the potential to grow the most
due to low cost and can be installed in many different geographical regions.
With high effective fabrication lead to the increasing of wind turbines capacity
were manufactured. The bigger turbine will create the larger power. Wind turbine,
which its power more than 1 MW, usually equipped with Doubly-Fed Induction
Generator (DFIG) due to their advantages. They have good performance in variety wind
speed and need no more than 30% total power was transferred via power electronic
devices. This is the key factor in increasing optical operational efficiency and reduce
equipment investment costs.
Beside many economic and techniques advantages mentioned above, the
operation of power generators sometimes also difficult and complex. There have been
many papers are presented about control DFIG generators in recent years. Studies have
suggested several different control methods to get the most power from the wind bring
different wind speeds.
In this thesis, a proposed control method of DFIG was presented to optimize power
flow injected to the grid. In this method, beta angle was controlled due to wind turbine
match curve of relationship between power-wind speed. The results were demonstrated
through the simulation DFIG model by Matlab/Simulink software to show the
effectiveness of the proposed algorithm.

v

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................iii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................... v
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vi
DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ....................................... ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................ xi
Chương 1: GIỚI THIỆU ................................................................................................. 1
1.1

Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1

1.2

Mục tiêu của đề tài ............................................................................................... 2

1.3

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ........................................................................... 2

1.3.1

Nhiệm vụ của đề tài ....................................................................................... 2

1.3.2

Giới hạn đề tài. .............................................................................................. 2

1.4

Phương pháp nghiên cứu: ..................................................................................... 3

1.5

Điểm mới của luận văn......................................................................................... 3

1.6

Nội dung của luận văn .......................................................................................... 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 4
2.1.

Cấu tạo turbine gió. .............................................................................................. 4

2.1.1

Các loại turbine gió........................................................................................ 4

2.1.2

Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió. ............................................................. 5

2.1.3

Các dạng cột tháp turbine gió. ....................................................................... 7

2.1.4

Cánh quạt và trục cánh quạt. ......................................................................... 9

2.1.5

Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine. ...................... 10

2.1.6

Hệ thống hãm. .............................................................................................. 11

2.1.7

Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt. ..................... 11

2.1.8

Vỏ turbine. ................................................................................................... 12

2.2

Các thông số liên quan đến máy phát điện dùng trong turbine gió. ................... 12

2.2.1

Các thơng số cơ bản máy điện khơng đồng bộ: ........................................... 12

2.2.2

Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ. .................................................. 13
vi

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

2.2.3
2.3

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Các công thức cơ bản của máy phát điện gió khơng đồng bộ. .................... 13

Mơ hình và ngun lý vận hành của turbine gió. ............................................... 13

2.3.1

Mơ hình của turbine gió nguồn kép DFIG. ................................................. 13

2.3.2

Nguyên lý làm việc của turbine gió. ............................................................ 14

2.4

Phương pháp điều khiển và các mơ hình hệ thống turbine gió. ......................... 14

2.4.1

Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định. ............................... 14

2.4.2

Phương pháp điều khiển tu bin gió thay đổi tốc độ. .................................... 15

2.4.3

Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió ............................... 17

2.5

Tình hình phát triển năng lượng gió trong những năm gần đây. ........................ 18

2.5.1

Tình hình phát triển năng lượng gió ngồi nước. ........................................ 18

2.5.2

Nhu cầu lắp đặt các trang trại gió cơng suất lớn xa bờ................................ 20

2.5.3

Tình trạng hoạt động của một số dự án phong điện của Việt Nam ............. 22

2.6

2.5.3.1

Nhà máy phong điện 1 Bình Thuận (REVN) ....................................... 22

2.5.3.2

Nhà máy phong điện Phú Quý (PVN) .................................................. 23

Các hướng nghiên cứu về năng lượng gió.......................................................... 24

2.6.1

Điều khiển cơng suất cực đại của DFIG bằng phương pháp ước lượng vận

tốc gió. 24
2.6.1

Điều khiển công suất hằng số cho máy phát DFIG với bộ lưu trữ năng lượng

dùng siêu tụ. ............................................................................................................. 25
2.6.3
2.7

Sử dụng thiết bị STATCOM nhằm ổn định điện áp nút kết nối DFIG. ...... 26

Hướng nghiên cứu của luận văn ......................................................................... 27

Chương 3: PHƯƠNG TRÌNH TỐN .......................................................................... 28
3.1

Mơ hình khối turbine gió . .................................................................................. 28

3.2

Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong khơng gian. .............. 29

3.3

Mơ hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β. ............ 31

3.4

Mơ hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q............ 34

3.5

Điều khiển công suất DFIG: ............................................................................... 36

Chương 4: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG ............................................................ 44
4.1

Mơ hình hóa máy phát DFIG. ............................................................................ 44

4.1.1

Hệ thống điều khiển phía rotor. ................................................................... 44

vii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

4.1.2

Hệ thống điều khiển phía lưới điện. ............................................................ 47

4.1.3

Hệ thống điều khiển góc cánh quạt tu bin gió. ............................................ 48

4.2

Mơ phỏng. .......................................................................................................... 51

4.2.1

Khi vận tốc gió khơng đổi. .......................................................................... 51

4.2.1.1

Vận tốc gió tại 5 m/s ............................................................................ 51

4.2.1.2

Vận tốc gió tại 6 m/s ............................................................................. 54

4.2.1.3

Vận tốc gió tại 7 m/s ............................................................................. 56

4.2.1.4

Vận tốc gió đạt 8 m/s. ........................................................................... 58

4.2.1.5

Vận tốc gió tại 9 m/s ............................................................................. 60

4.2.1.6

Vận tốc gió đạt 10 m/s. ........................................................................ 62

4.2.1.7

Vận tốc gió tại 11 m/s .......................................................................... 64

4.2.1.8

Vận tốc gió đạt 12 m/s. ........................................................................ 66

4.2.1.9

Vận tốc gió tại 13 m/s .......................................................................... 69

4.2.1.10 Vận tốc gió đạt 14 m/s. .......................................................................... 71
4.2.1.11 Vận tốc gió tại 15 m/s ........................................................................... 73
4.2.2

Khi vận tốc gió thay đổi. ............................................................................. 75

4.2.2.1

Khi vận tốc gió thay đổi từ 8 m/s lên 9 m/s. ........................................ 76

4.2.2.2

Khi vận tốc gió thay đổi từ 10 m/s xuống 8 m/s. ................................. 78

4.2.2.3

Khi vận tốc gió thay đổi từ 12 m/s lên 14 m/s ..................................... 80

4.2.2.4 Khi vận tốc gió thay đổi từ 13 xuống 12 m/s. ......................................... 83
4.2.2.5

Khi vận tốc gió thay đổi từ 13 m/s xuống 10 m/s. ............................... 85

4.2.2.6 Khi vận tốc gió thay đổi từ 10 m/s lên 12 m/s. ........................................ 87
4.3

Nhận xét.............................................................................................................. 90

Chương 5: KẾT LUẬN ................................................................................................ 94

5.1

Những vấn đề đã thực hiện được trong luận văn. .............................................. 94

5.2

Những vấn đề còn tồn tại trong luận văn. .......................................................... 95

5.3

Kiến nghị hướng phát triển của đề tài. ............................................................... 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 97

viii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Chú giải

Ρ

Mật độ không khí (kg/m3)

R

Bán kính cánh quạt (m)

V

Vận tốc gió (m/s)

Cp(α,β)

Hiệu suất cánh quạt turbine

Pm

Công suất turbine (w)

Tm

Moment cơ trục turbine (N.m)

Te

Moment điện từ máy phát (N.m)

r

Vận tốc góc điện của rotor (rad/s)

s

Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s)

J

Moment qn tính turbine.(Kg/m2)

va

Điện áp pha a (v)

vb

Điện áp pha b (v)

vc

Điện áp pha c (v)

v

Điện áp trục α hệ quy chiếu αβ

v

Điện áp trục β hệ quy chiếu αβ

vd

Điện áp trục d hệ quy chiếu quay dq

vq

Điện áp trục q hệ quy chiếu quay dq

idr

Dòng điện rotor trục d hệ quy chiếu quay dq

iqr

Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq

ids

Dòng điện stator trục d hệ quy chiếu quay dq

iqs

Dòng điện stotor trục q hệ quy chiếu quay dq

i r

Dòng điện rotor trục α hệ quy chiếu αβ

i r

Dòng điện rotor trục β hệ quy chiếu αβ

ix

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

i s

Dòng điện stator trục α hệ quy chiếu αβ

i s

Dòng điện stator trục β hệ quy chiếu αβ

Rs

Điện trở stator (Ω)

Lr

Điện cảm dây quấn rotor qui về phía stator (H)

Ls

Điện cảm dây quấn stator (H)

Lls

Điện cảm rò dây quấn stator (H)

Llr

Điện cảm rị dây quấn rotor (H)

Lm

Điện cảm từ hóa (H)

Nr / Ns

Tỷ số vịng dây quấn

 dr

Từ thơng rotor trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

 ds

Từ thông stator trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

 qr

Từ thông rotor trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

 qs

Từ thông stator trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

Ps

Công suất tác dụng đầu cực stator (W)

Qs

Công suất phản kháng đầu cực stator (Var)

Pn

Công suất định mức (W)

fn

Tần số định mức (Hz)

Vn

Điện áp định mức (V)

P

Số đơi cực từ

Λ

Tip-speed-ratio

β

Góc β (deg)

Chỉ số trên
e, s

Hệ trục tọa độ quay đồng bộ dq và hệ trục αβ

ref, *

Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

x

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2. 1 Các dạng turbine gió ....................................................................................... 5
Hình 2. 2 Cấu tạo turbine gió trục ngang ....................................................................... 5
Hình 2. 3 Cột thép hình ống ........................................................................................... 7
Hình 2. 4 Cột tháp khung giàn ........................................................................................ 8
Hình 2. 5 Cột tháp dạng dây nối đất ............................................................................... 8
Hình 2. 6 Cấu tạo tháp trụ............................................................................................... 9
Hình 2. 7 Cánh quạt ........................................................................................................ 9
Hình 2. 8 Trục cánh quạt .............................................................................................. 10

Hình 2. 9 Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt ................................................... 10
Hình 2. 10 Động cơ điều chỉnh hướng turbine ............................................................. 11
Hình 2. 11 Hệ thống hãm turbine ................................................................................. 11
Hình 2. 12 Hộp số chuyển đổi tốc độ ........................................................................... 12
Hình 2. 13 Vỏ turbine ................................................................................................... 12
Hình 2. 14 Đặt tính moment quay của máy điện khơng đồng bộ ................................. 13
Hình 2. 15 Sơ đồ kết nối hệ thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG .................. 14
Hình 2. 16 Mơ hình máy phát khơng đồng bộ .............................................................. 15
Hình 2. 17 Mơ hình máy phát khơng đồng bộ điều khiển điện trở rotor (loại B) ........ 15
Hình 2. 18 Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor. .............. 16
Hình 2. 19 Mơ hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ....................................... 16
Hình 2. 20 Mơ hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ....................................... 17
Hình 2. 21 Mơ hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện. ............................................. 18
Hình 2. 22 Biểu đồ tổng cơng suất lắp đặt của các nhà máy điện gió .......................... 19
Hình 2. 23 Thống kê công suất lắp đặt nhà máy điện gió tại một số quốc gia ............. 19
Hình 2. 24 Sơ đồ bố trí các trang trại gió tại Anh Quốc .............................................. 21
Hình 2. 25 thống kê các nước có tổng cơng suất lắp đặt nhà máy điện gió cao nhất thế
giới ................................................................................................................................ 22
Hình 2. 26 Dự án điện gió phong điện 1 Bình Thuận .................................................. 23
Hình 2. 27 Cơng trình phong điện huyện đảo Phú Quý ............................................... 23
xi

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 28 Ước lượng vận tốc gió dựa trên mạng thần kinh nhân tạo ......................... 24

Hình 2. 29 Bám cơng suất cực đại không cảm biến dựa trên mạng thần kinh nhân tạo
...................................................................................................................................... 24
Hình 2. 30 Cấu hình của DFIG được trong bị siêu tụ ESS........................................... 25
Hình 2. 31 Sơ đồ đơn tuyến của hệ thống điện có máy phát DFIG và STATCOM .... 26
Hình 2. 32 Sơ đồ tổng quan hệ thống điện có DFIG và STATCOM ........................... 26
Hình 3. 1 Đặc tính của Cp(λ,β) ..................................................................................... 29
Hình 3. 2 Ngun lý vector trong khơng gian .............................................................. 30
Hình 3. 3 Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y ...................... 32
Hình 3. 4 Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq ...................................... 35
Hình 3. 5 Mạch điện tương đương mơ hình động cơ DFIG trong hệ trục tọa độ tham
chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ................................................................................ 36
Hình 3. 6 Sơ đồ điều khiển dịng cơng suất trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện .... 38
Hình 3. 7 Định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới ................................. 38
Hình 3. 8 Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua điện
trở stator ........................................................................................................................ 40
Hình 3. 9 Giản đồ véctơ dịng, áp và từ thơng của DFIG ............................................. 41
Hình 3. 10 Giá trị tham chiếu điều khiển dịng điện stator được tính từ cơng suất đặt 43
Hình 4. 1 Mơ hình khối máy phát gió DFIG ................................................................ 44
Hình 4. 2 Đường đặc tính tu bin gió và đặc tính bám theo cơng suất của DFIG ......... 45
Hình 4. 3 Bộ điều khiển phía rotor ............................................................................... 46
Hình 4. 4 Mơ hình bộ điều khiển phía rotor ................................................................. 47
Hình 4. 5 Bộ điều khiển phía lưới ................................................................................ 48
Hình 4. 6 Mơ hình bộ điều khiển phía lưới .................................................................. 48
Hình 4. 7 Bộ hiệu chỉnh cơng suất máy phát và góc cánh tu bin ................................. 49
Hình 4. 8 Mơ hình điều khiển góc beta và cơng suất tác dụng DFIG .......................... 50
Hình 4. 9 Mơ hình bên trong một máy phát DFIG ....................................................... 50
Hình 4. 10 Mơ hình hệ thống điện gió trang bị DFIG nối lưới .................................... 51
xii

Luan van

LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 4. 11 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 5 m/s .................................. 52
Hình 4. 12 Kết quả vận tốc rotor tại 5 m/s ................................................................... 53
Hình 4. 13 Kết quả góc beta tại 5 m/s .......................................................................... 54
Hình 4. 14 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 6 m/s .................................. 55
Hình 4. 15 Kết quả vận tốc rotor tại 6 m/s ................................................................... 55
Hình 4. 16 Kết quả góc beta tại 6 m/s .......................................................................... 56
Hình 4. 17 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 7 m/s .................................. 57
Hình 4. 18 Kết quả vận tốc rotor tại 7 m/s ................................................................... 57
Hình 4. 19 Kết quả góc beta tại 7 m/s .......................................................................... 58
Hình 4. 20 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 8 m/s .................................. 59
Hình 4. 21 Kết quả vận tốc rotor tại 8 m/s ................................................................... 59
Hình 4. 22 Kết quả góc beta tại 8 m/s .......................................................................... 60
Hình 4. 23 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 9 m/s .................................. 61
Hình 4. 24 Kết quả vận tốc rotor tại 9 m/s ................................................................... 61
Hình 4. 25 Kết quả góc beta tại 9 m/s .......................................................................... 62
Hình 4. 26 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 10 m/s ................................ 63
Hình 4. 27 Kết quả vận tốc rotor tại 10 m/s ................................................................. 63
Hình 4. 28 Kết quả góc beta tại 10 m/s ........................................................................ 64
Hình 4. 29 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 11 m/s ................................ 65
Hình 4. 30 Kết quả vận tốc rotor tại 11 m/s ................................................................. 66
Hình 4. 31 Kết quả góc beta tại 11 m/s ........................................................................ 66
Hình 4. 32 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 12 m/s ................................ 67
Hình 4. 33 Kết quả vận tốc rotor tại 12 m/s ................................................................. 68
Hình 4. 34 Kết quả góc beta tại 12 m/s ........................................................................ 69

Hình 4. 35 Công suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 13 m/s ................................ 70
Hình 4. 36 Kết quả vận tốc rotor tại 13 m/s ................................................................. 70
Hình 4. 37 Kết quả góc beta tại 13 m/s ........................................................................ 71
Hình 4. 38 Công suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 14 m/s ................................ 72
Hình 4. 39 Kết quả vận tốc rotor tại 14 m/s ................................................................. 73
Hình 4. 40 Kết quả góc beta tại 14 m/s ........................................................................ 73
xiii

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 4. 41 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 15 m/s ................................ 74
Hình 4. 42 Kết quả vận tốc rotor tại 15 m/s ................................................................. 75
Hình 4. 43 Kết quả góc beta tại 15 m/s ........................................................................ 75
Hình 4. 44 Cơng suất của DFIG tại vận tốc gió thay đổi từ 8 lên 9 m/s ...................... 76
Hình 4. 45 Kết quả vận tốc rotor khi gió thay đổi từ 8 lên 9 m/s ................................. 77
Hình 4. 46 Kết quả góc beta khi gió thay đổi từ 8 lên 9 m/s ........................................ 78
Hình 4. 47 Cơng suất của DFIG khi gió thay đổi từ 10 xuống 8 m/s ........................... 79
Hình 4. 48 Kết quả vận tốc rotor khi gió thay đổi từ 10 xuống 8 m/s .......................... 79
Hình 4. 49 Kết quả góc beta khi gió từ 10 xuống 8 m/s ............................................... 80
Hình 4. 50 Cơng suất của DFIG khi gió thay đổi từ 12 lên 14 m/s .............................. 81
Hình 4. 51 Kết quả vận tốc rotor khi gió thay đổi từ 12 lên 14 m/s ............................. 82
Hình 4. 52 Kết quả góc beta khi gió từ 12 lên 14 m/s .................................................. 83
Hình 4. 53 Cơng suất của DFIG khi gió thay đổi từ 13 xuống 12 m/s ......................... 84
Hình 4. 54 Kết quả vận tốc rotor khi gió thay đổi từ 13 xuống 12 m/s ........................ 84
Hình 4. 55 Kết quả góc beta khi gió từ 13 xuống 12 m/s ............................................. 85

Hình 4. 56 Cơng suất của DFIG khi gió thay đổi từ 13 xuống 10 m/s ......................... 86
Hình 4. 57 Kết quả vận tốc rotor khi gió thay đổi từ 13 m/s sang 10 m/s.................... 87
Hình 4. 58 Kết quả góc beta khi gió từ 12 xuống 10 m/s ............................................. 87
Hình 4. 59 Cơng suất của DFIG khi gió thay đổi từ 10 lên 12 m/s .............................. 88
Hình 4. 60 Kết quả vận tốc rotor khi gió thay đổi từ 10 m/s sang 12 m/s.................... 89
Hình 4. 61 Kết quả góc beta khi gió từ 10 lên 12 m/s .................................................. 90
Hình 4. 62 Bảng thực nghiệm mối tương quan các thơng số DFIG ............................. 91
Hình 4. 63 Mối tương quan giữa vận tốc gió và cơng suất ngõ ra DFIG ..................... 91
Hình 4. 64 Mối tương quan giữa vận tốc gió và góc nghiên cánh tu bin gió ............... 92
Hình 4. 65 Mối tương quan giữa vận tốc gió và vận tốc rotor ..................................... 92

xiv

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1

Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn

năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái
tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng
nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống
đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng mơi trường. Theo [1], trong các loại hình năng lượng

tái tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau:
− Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo.
Nếu xem xét cả chi phí mơi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá
thành thì điện gió có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên
liệu hố thạch.
− Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy
phong điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác.
− Tài ngun năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven
biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn.
− Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng
các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện.
Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn cịn
là một ngành mới mẻ. Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu. Các văn bản pháp
lý cho phát triển điện gió, các thơng tin, kiến thức...về ngành cũng cịn ở mức rất hạn
chế. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng như phải đối mặt
với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và sử dụng nguồn năng
lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Tuy nhiên, với các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng gió nói
riêng, nguồn năng lượng đầu vào cung cấp cho các tu bin gió rất thất thường, phụ thuộc
hồn tồn vào điều kiện mơi trường bên ngồi và cũng khơng thể dự trữ được. Do đó,
muốn nâng cao hiệu suất của máy phát điện gió thì vấn đề quan tâm nhất hiện nay là

1

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

phải thu được cơng suất tối đa do gió mang lại khi vận tốc của chúng dưới tốc độ định
mức và thu được cơng suất định mức máy phát khi gió trên cơng suất định mức.
Đã có nhiều phương pháp được đề xuất để điều khiển máy phát gió kiểu DFIG
được đề xuất trong những năm gần đây và đạt nhiều kết quả như các cơng trình trong
nước [4, 6], và các cơng trình nước ngồi [24-25]. Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng
cao về việc phát triển năng lượng gió, cần phải có nhiều hơn các nghiên cứu về điều
khiển cơng suất ngõ ra tại các vận tốc gió khác nhau. Luận văn đề xuất phương pháp
điều khiển tối ưu công suất tác dụng bơm lên lưới. Hiệu quả của phương pháp này được
kiểm tra qua mơ hình hóa mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
1.2

Mục tiêu của đề tài
− Xây dựng mô hình tốn học các phần tử điều khiển máy phát điện gió dùng
DFIG.
− Thiết kế hệ thống điều khiển cơng suất máy phát điện gió dùng mơ hình nội
bằng phần mềm matlab và thiết kế bộ lọc imc.
− Dùng Matlab Simulink để mơ phỏng, phân tích kết quả hệ thống điều khiển
máy phát điện gió dùng DFIG.

1.3

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
− Tìm hiểu các dạng mơ hình của máy phát điện gió kết nối với lưới điện.
− Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mơ hình điều khiển
máy phát điện gió DFIG.
− Xây dựng mơ hình nội, bộ lọc imc điều khiển máy phát điện gió DFIG bằng
Matlab/Simulink.

− Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng và đưa ra hướng nghiên cứu
trong tương lai.
1.3.2 Giới hạn đề tài.
− Nội dung nghiên cứu xoay quanh vấn đề điều khiển độc lập công suất P,Q
để máy phát đạt hiệu suất tối đa và ổn định.
− Xây dựng mơ hình nội điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG bám các
điểm vận hành của tuabin nhằm đạt công suất thực cực đại, qua đó nhận xét,
2

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

đánh giá các kết quả mơ phỏng khi sử dụng mơ hình nội để điều khiển hệ
thống máy phát điện gió DFIG bằng phần mềm Matlab /Simulink.
1.4

Phương pháp nghiên cứu:
− Sử dụng phương pháp mơ hình nội và nhận xét các kết quả cần nghiên cứu
của hệ thống điều khiển máy phát điện gió DFIG.
− Thực hiện mơ phỏng trong mơi trường Matlab/Simulink.
− Đưa ra nhận xét dựa trên kết quả mô phỏng.

1.5

Điểm mới của luận văn
Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển máy phát điện tu bin gió trong các miền

làm việc khác nhau với nhiệm vụ tiến nhanh đến điểm làm việc mới khi vận tốc gió thay
đổi trong các miền làm việc khác nhau.
Luận văn sẽ cung cấp một cơng cụ mơ phỏng hữu ích cho các sinh viên, các nhà
nghiên cứu và những người quan tâm đến lĩnh vực phát triển năng lượng gió. Chi phí
xây dựng một hệ thống thực nghiệm quá cao và vận hành rất phức tạp nên việc sử dụng
phần mềm mô phỏng là hiệu quả và phù hợp nhất đối với các nhà giáo dục và nhà nghiên
cứu khoa học.
1.6

Nội dung của luận văn
Nội dung luận văn được chia thành các chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về các vấn đề trong luận văn.
Chương 2: Tổng quan năng lượng gió.
Chương 3: Phương trình tốn.
Chương 4: Mơ hình hóa mơ phỏng.
Chương 5: Kết luận.

3

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2 trình bày các cơ sở lý thuyết cơ bản về một hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió thành năng lượng điện phát lên lưới điện. Qua thông tin được cung cấp bởi

chương 2, người đọc sẽ nắm được tổng quan về tình hình phát triển năng lượng gió hiện
nay ở trong và ngồi nước, những thuận lợi cũng như khó khăn trong việc phát triển
nguồn năng lượng vơ tận này.
2.1.

Cấu tạo turbine gió.

2.1.1 Các loại turbine gió.
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:
− Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng.
− Một loại theo trục ngang.
Các loại tu bin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tu bin gió 3
cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi.
Ngày nay, tu bin gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.

4

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 1 Các dạng turbine gió
2.1.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió.
Cấu tạo một máy phát turbine gió trục ngang gồm những bộ phận sau:

Hình 2. 2 Cấu tạo turbine gió trục ngang
− Blades: Cánh quạt, Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các

cánh quạt chuyển động và quay, sẽ chuyển động lực của gió thành năng
lượng cơ.
− Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.

5

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

− Pitch: Bước răng, Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay với tốc độ gió khơng q cao hay quá thấp để tạo ra điện. Sau đây,
góc nghiên cánh quạt tu bin gió được gọi là góc beta do có kí hiệu là β.
− Brake: Bộ hãm (phanh), Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
− Low-speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
− Gearbox: Hộp số, Bánh răng được nối trục có tốc độ thấp với trục có tốc
độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/
phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện.
Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
− Generrator: Máy phát ra điện.
− Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến
14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65
dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát
nóng.
− Anemometer: Bộ đo lường và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
− Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng

tuabin gió.
− Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ
và bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator,
controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong
vỏ. Vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi
làm việc.
− Hight-speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
− Yaw drive: Thiết bị dùng để giữ cho rotor ln ln hướng về hướng gió
chính khi có sự thay đổi hướng gió.
− Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định chỉnh được hướng gió.
− Tower: Trụ đỡ Nacelle, Trụ tháp được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh
dằn bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn
để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn [8].
6

Luan van


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

2.1.3 Các dạng cột tháp turbine gió.
Cột tháp của tua bin gió dung để nâng đỡ nacelle và rotor.
Những cột tháp của tua bin gió lớn có thể là dạng cột thép trịn, cột khung giàn
thép hoặc cột tháp bê tông. Dạng cột tháp được giữ cố định bằng các dây nối đất thường
chỉ được sử dụng đối với các tua bin gió cỡ nhỏ.
Dạng cột thép hình ống (Tubular steel tower)

Hình 2. 3 Cột thép hình ống

Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cột thép hình ống được sản xuất trong
khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bích tại mỗi đầu và được nối lại với nhau tại các
điểm. Những cột tháp là hình nón (với đường kính của chúng tăng theo hướng chân đế)
để tăng độ mạnh của chúng và cũng là để tiết kiệm nguyên liệu.
Dạng cột tháp khung giàn (lattice tower)

7

Luan van