(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HẰNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270

S KC 0 0 3 9 7 6

Tp. Hồ Chí Minh, 2013

Luan van


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HẰNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013.

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
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 28 tháng 02 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN VĂN HẰNG

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

i


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.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Thanh Phương
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghệ 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 q Thầy Cơ trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã trang bị cho tôi
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 02/2013
Học viên thực hiện

NGUYỄN VĂN HẰNG

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

ii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan ........................................................................................................ i
Lời cảm ơn .......................................................................................................... ii
Mục Lục ............................................................................................................. iii
Tóm tắt luận văn ............................................................................................... viii
Danh sách các hình ............................................................................................. ix
Danh sách các ký hiệu sử dụng trong luận văn .................................................. xi
Phần mở đầu .......................................................................................................xv
Chương 1.Tổng quan năng lượng gió .........................................................................1
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới ..............................................1
1.1.1.Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay ....................................1
1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo ..................................................1
1.2. Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước .............................................4
1.2.1. Những nghiên cứu ngoài nước ..............................................................4

1.2.2. Kết quả nghiên cứu trong nước .............................................................5
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................6
1.4. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................6
1.5. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................6

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

iii


Chương 2. Cơ sở lý thuyết ..........................................................................................7
2.1. Cấu tạo turbine gió ........................................................................................7
2.1.1. Các loại turbine gió ................................................................................7
2.1.2. Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió.......................................................8
2.1.3. Các dạng tháp .........................................................................................9
2.1.4. Cánh quạt và trục cánh quạt .................................................................10
2.1.5. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine ...............11
2.1.6. Hệ thống hãm .......................................................................................12
2.1.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt...............12
2.1.8. Vỏ turbine ............................................................................................13
2.2. Mơ hình và ngun lý vận hành của turbine gió .........................................14
2.2.1. Mơ hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG .........................14
2.2.2. Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió .........................................14
2.3. Phương pháp điều khiển và các mơ hình hệ thống turbine gió…. . ............16
2.3.1. Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định ........................16
2.3.2. Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ ...........................17
2.3.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ...........19
2.3.4. Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió .......................20

2.4. Điều khiển mờ .............................................................................................20
2.4.1. Cấu trúc điều khiển logic mờ ...............................................................20
2.4.2. Phân loại bộ điều khiển mờ..................................................................21
2.4.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ ..................................................22

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

iv


Chương 3. Xây dựng mơ hình tốn máy phát khơng đồng bộ nguồn kép ................25
3.1. Mơ hình khối turbine gió .............................................................................25
3.2. Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong không gian ........27
3.3. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục tọa độ quay d-q ................29
3.4. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q. .............30
3.5. Mô hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β ......30
3.6. Mơ hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q ....33
3.7. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG ..36
3.7.1. Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển ....................................................36
3.7.2. Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng ......37
3.8. Mô hình bộ chuyển đổi ................................................................................40
3.8.1. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lưới (GSC). .............................40
3.8.2. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC). ............................43
3.9. Các đại lượng cơ bản ...................................................................................47
Chương 4. Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ ......................49
4.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển ........................................................................49
4.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID mờ.......................................................50
4.3. So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID mờ khối. .............................56

Chương 5. Mơ hình và kết quả mô phỏng dùng bộ PID mờ điều khiển ..................58
5.1. Mơ hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG ..................................58
5.1.1. Sơ đồ mơ hình mơ phỏng trong Matlab/simulink ................................60
5.1.2. Mơ hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters ........61
5.1.3. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ................61

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

v


5.1.4. Mơ hình tổng thể các khối điều khiển hệ thống máy phát DFIG ................63
5.1.5. Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi cơng suất ....................................64
5.1.6. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và .................65
5.1.7. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ................65
5.1.8. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor ...............66
5.1.9. Mơ hình mơ phỏng khối máy phát khơng đồng bộ ..............................66
5.1.10. Mơ hình mơ phỏng khối Rotor của máy phát ....................................67
5.1.11. Khối biến đổi dòng điện và cơng suất phía lưới ................................67
5.1.12. Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG .....................68
5.2. Trình tự mơ phỏng .......................................................................................68
5.2.1. Mơ phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió .................68
5.2.2. Mơ phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều . .....73
5.2.3. Mơ phỏng đáp ứng turbine gió khi xảy ra sự cố……………………..78
5.2.3.1. Mô phỏng lưới B25 (25kV) bị chạm đất một pha….………...78
5.2.3.2. Mô phỏng lưới B120 (25kV) khi bị sụt áp…………………...80
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài ..................................................82
6.1. Kết luận .......................................................................................................82

6.1.1. Các kết quả đã đạt được trong đề tài ....................................................82
6.1.2. Hạn chế ................................................................................................82
6.2. Hướng phát triển của đề tài .........................................................................82
Tài liệu tham khảo ........................................................................................84

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

vi


Tóm tắt luận văn
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. Sự phát triển của khoa học và công nghệ phục vụ trong ngành công
nghiệp năng lượng tái tạo trong đó có các turbine gió nguồn kép (DFIG) thay đổi
tốc độ được sử dụng nhiều hơn so với các turbine tốc độ gió cố định. Nội dung
chính của luận văn này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống phát điện của tổ
máy phát hòa lưới thông qua bộ chuyển đổi. Do stator của máy phát điện được kết
nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp lưới trong khi rotor
được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC, nên mục tiêu điều
khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng phía stator của máy phát DFIG
được qui về điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator trên hệ tọa độ
tham chiếu d-q ở chế độ xác lập.
Việc điều khiển dịng cơng suất trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lưới
điện được thực hiện bằng cách sử dụng giải thuật điều khiển mờ để điều khiển độc
lập hai thành phần của vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotor
thơng qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Kết quả cho thấy khi sử dụng các bộ PID mờ
vào điều khiển thì đáp ứng hệ thống bám rất tốt theo sự thay đổi của tín hiệu đặt,

điện áp VDC-link ln giữ ổn định và ln là hằng số. Mơ hình được mơ phỏng để
nghiên cứu dựa trên mơ hình hiện có của Matlab/Simulink phiên bản 2010a.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

vii


Abstract
In recent years, wind energy has become one of the most important energy
source and promising for the use of renewable energy sources. The development of
science and technology for renewable energy industries including wind turbines
dual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed wind
turbines. The main content of this thesis is the study of the control system's power
generating grid through the converter. Due to the stator of the generator is
connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is
connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active
and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent
control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system
in the setting mode.
The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the
grid is made using fuzzy control algorithm to control two independent components
of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter
AC/DC/AC. The results showed that when using fuzzy PI and fuzzy PID control,
the system response very good grip on the change of the signal, VDC - link voltage
to keep stable and always constant. Model was been based simulation to study the
existing model of Matlab/Simulink version 2010a.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 2.1: Các dạng turbine gió............................................................................ 7
Hình 2.2: Cấu tạo turbine gió trục ngang ............................................................ 8
Hình 2.3: Cấu tạo tháp trụ ................................................................................... 9
Hình 2.4: Tháp mắc cáo..................................................................................... 10
Hình 2.5: Cánh quạt ........................................................................................... 10
Hình 2.6: Trục cánh quạt ................................................................................... 11
Hình 2.7: Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt ........................................ 11
Hình 2.8: Động cơ điều chỉnh hướng turbine .................................................... 12
Hình 2.9: Hệ thống hãm turbine ........................................................................ 12
Hình 2.10: Hộp số chuyển đổi tốc độ ............................................................... 13
Hình 2.11: Vỏ turbine ........................................................................................ 13
Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG ................... 14
Hình 2.13: Mơ hình máy phát khơng đồng bộ .................................................. 16
Hình 2.14: Mơ hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor .......... 17
Hình 2.15: Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor .... 18
Hình 2.16: Mơ hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ............................ 18
Hình 2.17: Mơ hình turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG ............ 19
Hình 2.18: Mơ hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện ................................... 20

Hình 2.19: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ cơ bản .......................... 21
Hình 2.20: Các bộ điều khiển mờ ...................................................................... 22
Hình 2.21: Cấu trúc tổng quát một hệ mờ ......................................................... 22
Hình 3.1: Đặc tính của Cp(λ,β) ......................................................................... 26
Hình 3.2: Ngun lý vector trong khơng gian ................................................... 27
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục . ....................... 29
Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y........... 30
Hình 3.5: Mạch tương đương máy phát điện DFIG trong hệ tọa độ quay d-q...35

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

ix


Hình 3.6: Mối quan hệ giữ các đại lượng trong hệ trục tọa độ α-β và d-q …...36
Hình 3.7: Giản đồ vector điện áp lưới và vector từ thơng stator.......................38
Hình 3.8: Cấu trúc của bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back ................. 40
Hình 3.9: Sơ đồ mạch lọc tương đương của bộ lọc RL ..................................... 41
Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển GSC .............................................. 42
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiể GSC dùng PID mờ ......................... 42
Hình 3.12: Đường đặc tính V-I của turbine ...................................................... 44
Hình 3.13: Bộ điều khiển dịng điện.................................................................. 45
Hình 3.14: Sơ đồ khối bộ điều khiển RSC ........................................................ 46
Hình 4.1: Cấ u trúc bô ̣ điề u khiể n PID mờ kinh điển ......................................... 49
Hình 4.2: Đặc tính động học của bộ điều khiển PID ......................................... 49
Hình 4.3: Bộ chỉnh định mờ tham số PID ......................................................... 51
Hình 4.4: Tập mờ ngõ vào của bộ Kp mờ ......................................................... 51
Hình 4.5: Tập mờ ngõ vào của bộ KI mờ .......................................................... 52

Hình 4.6: Tập mờ ngõ vào của bộ KD mờ ......................................................... 52
Hình 4.7: Tập mờ ngõ ra của bộ Kp mờ ............................................................ 53
Hình 4.8: Tập mờ ngõ ra của bộ KI mờ ............................................................. 53
Hình 4.9: Tập mờ ngõ ra của bộ KD mờ ............................................................ 54
Hình 4.10: Quy luật thay đổi Kp ........................................................................ 54
Hình 4.11: Quy luật thay đổi KI ........................................................................ 55
Hình 4.12: Quy luật thay đổi KD ........................................................................ 55
Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển PI thơng thường khối Vdq_ctrl_grid_conv ........... 56
Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển PID mờ khối Vdq_ctrl_grid_conv ......................... 56
Hình 4.15: Điện áp, dịng điện, cơng suất và điện áp Vdc-link khi ................... 57
Hình 4.16: Điện áp, dịng điện, cơng suất và điện áp Vdc-link khi ................... 57
Hình 5.1: Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió cơng suất 9MW. ........................ 60
Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió cơng suất 9MW........ 60
Hình 5.3: Mơ hình khối Wind turbine và Generator&Converter. ..................... 61
Hình 5.4: Mơ hình mơ phỏng khối Wind turbine. ............................................. 61

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

x


Hình 5.5: Đặc tính cơng suất theo tốc độ của turbine. ...................................... 62
Hình 5.6: Sơ đồ máy phát điện DFIG và bộ chuyển đổi cơng suất.. ................. 63
Hình 5.7: Mơ hình khối điều khiển Wind DFIG-Grid và Wind DFIG-Rotor. .. 64
Hình 5.8: Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới.............. 65
Hình 5.9: Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor.. .......... 65
Hình 5.10: Mơ hình mơ phỏng khối máy phát khơng đồng bộ.. ........................ 66
Hình 5.11: Mơ hình mơ phỏng khối rotor máy phát khơng đồng bộ DFIG... .... 66

Hình 5.12: Mơ hình mơ phỏng khối biến đổi dịng điện . .................................. 67
Hình 5.13: Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG.................... 67
Hình 5.14: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine.................... 68
Hình 5.15: Điện áp, dịng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng.. ..... 69
Hình 5.16: Điện áp trung gian Vdc-link.. ........................................................... 70
Hình 5.17: Dạng sóng dịng điện id- rotor của máy phát điện DFIG... .............. 70
Hình 5.18: Dạng sóng dịng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG.. ............... 70
Hình 5.19: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, ............................. 71
Hình 5.20: Điện áp trên các B120, B25, B575, công suất tác dụng ................... 71
Hình 5.21: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine,................... 73
Hình 5.22: Điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng ....... 73
Hình 5.23: Dạng sóng dịng điện id- rotor của máy phát điện DFIG, ................ 75
Hình 5.24: Dạng sóng dịng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG ................. 75
Hình 5.25: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, ............................. 75
Hình 5.26: Điện áp trên các bus B120, B25, B575, cơng suất tác dụng ............ 76
Hình 5.27: Điện áp và dịng tải trên B2300, tốc độ ........................................... 77
Hình 5.28: Điện áp, dịng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.77
Hình 5.29: Điện áp, dịng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.79
Hình 5.30: Điện áp tải, dịng điện tải, tốc độ động cơ, công suất lưới tại B25. . 80
Hình 5.31: Điện áp tải, dịng điện tải, tốc độ động cơ. ....................................... 81
Hình 5.32: Điện áp tải, dịng điện tải, tốc độ động cơ. ....................................... 81

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

xi


DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu

Chú giải

ρ

Mật độ khơng khí (kg/m3)

R

Bán kính cánh quạt (m)

v

Vận tốc gió (m/s)

Cp(α,β)

Hiệu suất cánh quạt turbine

Pm

Cơng 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)

rm

Vận tốc góc cơ máy phát [mach.rad/s]

s

Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s)

kgear

Tỉ số truyền

Jwtr

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

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

xii


iqs

Dòng điện rotor 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

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)

Ls

Điện cảm rò dây quấn stator (H)

Lr

Điện cảm rị dây quấn rotor (H)

Lm

Điện cảm từ hóa (H)

Nr / Ns

Tỷ số vòng dây quấn

Rc

Điện trở stator nối lưới (Ω)

Lc

Điện cảm rị stator nối với lưới (H)

s

Góc vị trí stator (elec.rad)

 as  bs  cs

Từ thông stator (Wb)

 ar  br  cr

Từ thông rotor (Wb)

 dr

Từ thông 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)

VDC

Điện áp một chiều trung gian của bộ converter (V)

C DC

Điện dung trung gian của bộ converter (H)

Ps

Công suất tác dụng đầu cực stator (W)

Qs

Công suất phản kháng đầu cực stator (Var)

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

xiii


Pn

Công suất định mức (W)

fn

Tần số định mức (Hz)

Vn

Điện áp định mức (V)

Vg

Điện áp lưới (V)

Vdis

Điện áp lưới phân phối (V)

Cosφ

Hệ số cơng suất

H(s)

Hằng số qn tính (kg.m2)

F

Hệ số ma sát (N.m.s)

p

Số đơi cực từ

λ

Tip-speed-ratio

β

Góc pitch (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

mea

Giá trị đo lường

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

xiv

PHẦN MỞ ĐẦU
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. 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 ngun 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 mơ 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 mơi trường thì việc phát triển và
sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Điều khiển máy phát không đồng
bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện’’làm đề tài nghiên cứu với mong muốn
hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển truyền thống đến việc
thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các phương pháp điều khiển thông
minh hiện nay như fuzzy logic.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

xv


1. Tổng quan năng lượng gió

Chƣơng 1:

TỔNG QUAN NĂNG LƢỢNG GIĨ
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới.
1.1.1. Giới thiệu chung tình hình năng lƣợng hiện nay.
Mặc dù trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới có những biến động rất to
lớn về mọi mặt, từ việc suy thối tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lụt,
động đất thường xuyên nhưng nhìn chung bức tranh kinh tế và tài chính tồn cầu
trong thập kỷ qua vẫn tăng trưởng. Do đó mà nhu cầu sử dụng năng lượng ngày
càng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các
nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi. Tỷ suất tăng
trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 1990-2000 là: năng
lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%;
năng lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%. Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng
lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống. Trong đó điện gió có
tốc độ tăng trưởng cao nhất.
Cũng theo báo cáo của Ủy ban Năng lượng Gió thế giới, tổng cơng suất điện
gió được lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với
tổng công suất lắp đặt là 159 GW). Năm nước đứng đầu trong phát triển điện gió
gồm: Trung Quốc với tổng công suất lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đức là
27,2GW, Tây Ban Nha là 20,7GW và Ấn Độ là 13GW.[1]
1.1.2.Tình hình phát triển năng lƣợng tái tạo bằng sức gió ở một số nƣớc.

- Đức: là nước dẫn đầu về phát triển điện gió. Đến cuối năm 2003, tổng cơng
suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14,600MW, chiếm hơn 1/3 công suất
lắp đặt điện gió của tồn thế giới, chiếm hơn một nửa của tồn Châu Âu. Lượng khí
thải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sự
đóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăng
thêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững. Năm 2004, tổng lượng điện gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

1


1. Tổng quan năng lượng gió
chiếm 5,3% tổng lượng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 sẽ chiếm đến 8%.
Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm
2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50%. Mặt khác, một quyết
sách quan trọng nữa là tuyên bố trong vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử
hiện đang chiếm 30% lượng cung ứng điện sẽ lần lượt bị đóng cửa.
- Đan Mạch: Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km2, dân số
khoản 5 triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thu
nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro. Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trở
thành một động lực lớn của nền kinh tế, đó là một ví dụ thành cơng về thương mại
hóa trong lĩnh vực này. Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư 100 triệu USD
vào công việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió. Chính phủ Đan Mạch bù lỗ
cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành của nó, áp dụng chế độ ưu đãi
về thuế cho những người sử dụng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch
thì đánh thuế ơ nhiễm khơng khí. Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kế
hoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm. Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến

năm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện. Năm 2000 và 2003 mỗi
năm xây dựng 1 trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biển
Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suất
lắp đặt 40MW gồm 20 máy, mỗi máy 2MW. Năm 2008, Đan Mạch đã lắp đặt thêm
5 trang trại điện gió, tổng cơng suất lắp đặt là 750MW. Theo tin đã đưa chính phủ
Đan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển
Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng cơng suất 4,000MW.
- Mỹ: sau một thời kỳ ảm đạm về điện gió của thập kỷ 90 thế kỷ XX, đến nay
nước Mỹ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió. Hiện 27
Bang đã có các cơng trình điện gió lớn. Đến cuối năm 2003 tổng cơng suất lắp đặt
điện gió đã đạt 6,370MW. Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối với
điện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hồn tồn, đồng thời sau khi đưa vào
hoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1kWh được giảm thuế
1,5cent USD. Tại miền Tây nước Mỹ đã lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

2


1. Tổng quan năng lượng gió
tổng cơng suất là 300MW, là trang trại điện gió lớn nhất thế giới hiện nay. Tại bờ
biển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lượt
dựng lên, công suất điện của một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện
11/9 sẽ khởi công xây dựng tháp Tự Do, trên bãi đất bị tàn phá của tịa tháp đơi
Trung tâm thương mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phát
điện gió, nhằm cung cấp 20% lượng điện tiêu thụ của tòa nhà đó.
- Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trưởng Tây Ban Nha

đã thông qua kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tương
đối cụ thể về phát triển năng lượng gió. Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phát
điện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện tồn
quốc. Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnh
hưởng đối với mơi trường, tính tốn giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện pháp
khuyến khích, dự báo về thị trường… của việc phát triển năng lượng gió, có tính
khả thi rất cao.
- Pháp: Ngày 23/4/2004 nước Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc
việc khai thác than. Đó là hình ảnh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng của việc
phát triển nguồn năng lượng của thế giới. Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầu
trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sức
gió lên vị trí chiến lược. Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện
gió. Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000MW - 3000MW thiết bị điện gió,
đến năm 2010 sẽ có 3000MW đến 5000MW điện gió đưa vào vận hành. Theo tính
tốn sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6
triệu tấn khí thải CO2. Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn
60%.
- Nhật Bản: Năm 2002 Nhật Bản đã lắp đặt 486MW điện gió, năm 2003 đã có
730MW, năm 2004 đã có 936MW. Đến năm 2010 tổng cơng suất lắp đặt điện gió sẽ
đạt 3000MW. Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điện
lực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió,

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

3


1. Tổng quan năng lượng gió

mặt khác phải mua điện gió của các Cơng ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy
định.
Nhật Bản phấn đấu tự sản xuất hoàn tồn thiết bị điện gió, đồng thời hướng đến
xuất khẩu. Máy phát điện gió của các Cơng ty Nhật Bản có nhiều tính năng ưu việt,
tốc độ gió 1m/s đã có thể bắt đầu phát điện, cơng suất điện phát ra thường cao hơn
15 - 20% so với các thiết bị của các nước khác.
Nhật Bản đặt mục tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có cơng suất lắp đặt là
11,800MW.
- Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu
tiên của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên
lưới. Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đưa
vào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính phủ Bỉ tặng. Sau đó dựa vào nguồn
vốn chính phủ cũng như một số viện trợ của nước ngồi đã có một số cơ sở phát
điện gió được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và làm mẫu.
Theo quy hoạch phát triển trung dài hạn về điện gió tồn quốc, đến cuối năm
2005 tổng công suất lắp đặt phải là 1000MW, năm 2010 là 4000MW, năm 2015 là
10000MW, năm 2020 là 20000MW. Như vậy trong những năm từ 2011 đến năm
2020 bình quân mỗi năm cơng suất lắp đặt điện gió của Trung Quốc phải đạt
1600MW. [1]
1.2. Kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc và trong nƣớc về máy phát điện gió.
1.2.1. Những nghiên cứu ngoài nƣớc.
- Fernando D.Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz, “Wind Turbine
Control Systems Principles, Modelling and Gain Scheduling Design”. April 2006.
-Pedro Rosas, “Dynamic influences of wind power on the power system”.
PhD thesis; Technical University of Denmark, March 2003.
- Petru, “Modeling of Wind Turbines For Power System Studies”. Thesis for the
degree of doctor of philosophy, university of technology. Goteborg, Sweden 2003.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

4


1. Tổng quan năng lượng gió
- Marcia Martins, “Voltage Stability Issues Related to implementation of large
wind farm”. Thesis for the degree of licentiate of engineering. Chalmers university
of technology. Goteborg, Sweden 2006.
- Slavomir Seman, “Transient performance analysis of wind-power induction
generators”. Doctoral Dissertation,Helsinki University of Technology (Espoo,
Finland) on the 10th of November, 2006.
- Seman, S, Niiranen, J, Arkkio, A.2006.“ Ride - Through Analysis of Doubly
Fed Induction Wind - Power Generator under Unsymmetrical Network Disturbance
”. IEEE Transaction on Power Systems, Accepted for future publication, 7 p.
- Seman, S. Niiranen, J., Kanerva, S., Arkkio, A., Saitz, J. 2005. “Performance
Study of Doubly Fed Wind-Power Generator under Network Disturbances”.
- Ngồi ra cịn nhiều cơng trình nghiên cứu khác…
1.2.2. Kết quả nghiên cứu trong nƣớc.
Chính sách định hướng chiến lượt phát triển bền vững năng lượng Việt Nam là
phát triển nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo. Những cơng trình liên quan
đến nguồn năng lượng mới đã được nghiên cứu ứng dụng trong nước bao gồm:
- Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và định hướng phát triển năng lượng tái tạo
Việt Nam.
- Nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam tại Bình Thuận có cơng suất
120MW đã kết nối vào lưới điện quốc gia tháng 8/2009.
- Nhà máy điện gió Bạc Liêu có cơng suất 99MW với 66 trụ turbine gió dự kiến
sẽ hồn thành vào năm 2012.
- Năng lượng mặt trời Việt Nam và ứng dụng. Báo cáo tại Hội nghị năng lượng
mặt trời tại CHLB Đức năm 2006.

- Tổng quan về thành tựu khai thác, sử dụng năng lượng biển thế giới và định
hướng phát triển tại Việt Nam. Báo cáo khoa hoc tại Hội nghị năng lượng biển toàn
quốc 10-2007.
- Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng gió tại đảo Quan Lạn tỉnh
Quảng Ninh. Báo cáo khoa học tại Hội nghị năng lượng biển toàn quốc 10-2007.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

5


1. Tổng quan năng lượng gió
- Tiềm năng và khả năng cung cấp năng lượng mặt trời (điện và nhiệt) cho hai
đảo Quan Lạn (Quảng Ninh) và Cồn Cỏ (Quảng Trị). Báo cáo khoa học tại Hội nghị
năng lượng biển tồn quốc 10-2007.
Mặc dù đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về lãnh vực năng lượng tái tạo nhưng
nhìn chung hiện nay nước ta chỉ mới bắt đầu kêu gọi, khuyến khích phát triển năng
lượng tái tạo.
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
- 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 khơng đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện.
- Xây dựng mơ hình tốn học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG).
- Xây dựng mơ hình và mơ phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn
kép (DFIG) trong hệ thống phong điện bằng các bộ PID mờ trong Matlab/Simulink.
- Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng.
1.4. Phạm vi nghiên cứu.

- Phạm vi nghiên cứu xoay quanh vấn đề điều khiển cân bằng công suất P, Q và
tần số để máy phát đạt hiệu suất tối đa đồng thời giảm sự mất ổn định khi hịa vào
lưới.
- Xây dựng mơ hình điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép kết
nối với lưới điện, qua đó nhận xét, đánh giá các kết quả mơ phỏng khi sử dụng hệ
mờ để điều khiển hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phần
mềm Matlab/Simulink.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Sử dụng các phương pháp toán học hiện đại như giải thuật logic mờ để điều
khiển tối ưu cho hệ thống.
- Sử dụng phương pháp mơ hình hóa để kiểm tra và so sánh các thông số trong
hệ thống trước và sau khi điều khiển máy phát khơng đồng bộ nguồn kép (DFIG)
hiện có của phần mềm Matlab/Simulink.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

6


2. Cơ sở lý thuyết

Chƣơng 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 . Cấu tạo turbine gió.
2.1.1. Các loại turbine gió.
Có nhiều loại turbine gió khác nhau: loại trục ngang hoặc loại trục đứng. Chúng
được lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau, tùy thuộc tốc độ gió thổi vào và cần điều

khiển hướng gió để đạt hiệu suất cao nhất.

Aerogenerator X Vertical Axis.

Hình 2.1 Các dạng turbine gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

7


2. Cơ sở lý thuyết
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 đổi động lực của gió thành năng lượng cơ.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay với tốc độ gió khơng q cao hay q thấp để tạo ra điện.
- 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 với 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 turbine gió.

- Generator: Máy phát điện.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

Luan van

8