Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ roto day quấn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ MINH THẢO

Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao
chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy điện khơng đồng bộ roto dây quấn
Người hướng dẫn: Cao Xuân Tuyển

2012


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ
1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió ñể tạo ra cơ năng thay thế
cho sức lao ñộng nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồm chạy bằng sức gió, các cối
xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 ñược dùng phổ biến từ thế kỷ 17, thịnh vượng nhất vào
thế kỷ 18 ñặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc. Từ thế kỷ 19 ñến nửa ñầu thế kỷ 20
với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước và các loại ñộng cơ ñốt trong, các cối
xay gió hầu như bị lãng quên. Nhưng từ vài chục năm gần ñây với nguy cơ cạn dần
các nguồn nhiên liệu khai thác được từ lịng đất và vấn đề ơ nhiễm mơi trường do việc
đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu trên. Việc
nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng
lượng gió lại được nhiếu nước trên thế giới kể cả các nước có nền cơng nghiệp năng
lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB ðức, Hà Lan, Anh, ðan Mạch,
Thụy ðiển…ñặc biệt quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều
nghành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học, tự động điều khiển, cơ học kết
cấu, truyền ñộng thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã

đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Từ
các cối xay gió với các cánh gió đơn giản hiệu suất sử dụng năng lượng thấp chỉ
khoảng 20%, ñến nay các ñộng cơ gió phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động
học ngày một hồn thiện hơn có thể đạt ñược hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới
42%. Nhiều phương pháp và hệ thống tự ñộng ñiều khiển hiện ñại ñã ñược sử dụng ñể
tự ñộng ổn ñịnh số vịng quay của động cơ gió. Những động cơ gió phát điện lớn cịn
dùng cả hệ thống tự động điện thủy lực và máy tính điện tử điều khiển. Nhiều vật liệu
mới ñã ñược sử dụng ñể chế tạo cánh như hợp kim nhơm, polime cốt sợi thủy tinh với
độ bền cao trong mọi ñiều kiện thời tiết và chịu ñược sức gió của bão. Tại những nơi
có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát điện
gió”. Người ta đã có thể chế tạo những động cơ gió phát điện rất lớn đường kính tới
80m, cơng suất tới 3000 kW. Tuy nhiên ñối với mỗi nước quy mô phát triển của việc
ứng dụng năng lượng gió cịn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc điểm tiềm năng gió và
trình độ cơng nghiệp
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió ñược sinh ra là do nguyên nhân
mặt trời ñốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự khơng đồng đều
trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây
cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích
Nguyễn Thị Minh Thảo, Lớp K13 TðH - ðHKTCN

1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
như: ñi thuyền, thả diều và phát điện. Năng lượng gió được mơ tả như một q trình,
nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ
động lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những
cơng việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy
phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng ñiện.
Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể đại diện cho

cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam. Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng
85% ñất ñai Việt Nam có độ cao và tốc độ gió trung bình phù hợp để phát ra năng
lượng gió. Các chun gia Ngân hàng Thế giới đã kết luận Việt Nam có khả năng tạo
ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió – gấp 10 lần tổng cơng suất phát điện
quốc gia dự kiến cho năm 2020.

Hình 1.1 Ưu đãi đầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam
ðặc biệt các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận ở ven biển được xem là có tiềm
năng lớn nhất cho năng lượng gió tại những vùng đất lớn khơ cằn và khơng phải là đất
nơng nghiệp màu mỡ. Hiện nay, có hơn 20 dự án điện gió tại Việt Nam, chủ yếu ở
Bình Thuận (12 dự án trên ñất liền và huyện ñảo Phú Quý), Ninh Thuận, Bình ðịnh,
Phú n và huyện đảo Cơn ðảo của tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió cũng như
tốc độ gió trung bình cao nhất so với phần cịn lại của đất nước.
* Tổng quan về năng lượng gió (phong ñiện)
Các máy phát ñiện sử dụng sức gió ñã ñược sử dụng nhiều ở các nước châu
Âu, Mỹ và các nước cơng nghiệp phát triển khác. Nước ðức đang dẫn đầu thế giới về
cơng nghệ điện sử dụng sức gió (phong điện).

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Ngun

2



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Số thứ tự

Quốc gia

Công suất (MW)

01

ðức

22.247

02

Mỹ

16.818

03

Tây Ban Nha

15.145

04

Ấn ðộ

8.000

05

Trung Quốc

6.050

06

ðan Mạch

3.125

07

Ý

2.726

08

Pháp

2.454

09

Anh

2.389

10

Bồ ðào Nha

2.150

11

Ca na ña

1.846

12

Hà Lan

1.746

13

Nhật

1.538

14

Áo

982

15

Hy Lạp

871

16

Úc

824

17

Ai Len

805

18

Thụy ðiển

788

19

Na Uy

333

20

Niu Di Lân

322

21

Những nước khác

2.953

22

Thế giới

94.112

Nguồn: World Wind Energy Association, thời ñiểm: Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia ðức

Bảng 1: Thống kê sử dụng năng lượng gió trên thế giới
Thị Minh
Thảo,
K13học

TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

3



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Tới nay ña số vẫn là các máy phát điện tuabin gió trục ngang, gồm một máy
phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một
tuabin 3 cánh ñón gió. Máy phát ñiện ñược ñặt trên một tháp cao hình cơn. Trạm
phát điện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ
trước, nhưng rất thanh nhã và hiện ñại.
Các máy phát ñiện tuabin gió trục ñứng gồm một máy phát ñiện có trục quay
thẳng đứng, rotor nằm ngồi được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Loại
này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu
tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước khơng q lớn nên vận chuyển và lắp ráp
dễ dàng, ñộ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản.
Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với cơng suất rất khác nhau, từ
1kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát ñiện này có thể hoạt động độc lập hoặc
cũng có thể nối với mạng ñiện quốc gia. Các trạm ñộc lập cần có một bộ nạp, bộ ắcquy và bộ đổi điện. Khi dùng khơng hết, điện được tích trữ vào ắc quy. Khi khơng có
gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng ñiện quốc gia thì khơng
cần bộ nạp và ắc-quy. Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió

từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt q 25 m/s (90 km/h).
Tốc ñộ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện.

Hình 1.2 Hình ảnh bên trong MPð sức gió
* Những ưu điểm của phong ñiện
Ưu ñiểm dễ thấy nhất của phong ñiện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây
ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt ñiện, dễ chọn ñịa ñiểm và tiết kiệm ñất xây
dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dịng nước mạnh
với những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong
điện có thể ñặt gần nơi tiêu thụ ñiện, như vậy sẽ tránh ñược chi phí cho việc xây dựng
ñường dây tải ñiện.Trước đây, khi cơng nghệ phong điện cịn ít được ứng dụng, việc
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

4



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
xây dựng một trạm phong ñiện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp ñều rất ñắt

nên chỉ ñược áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay phong ñiện ñã
trở nên rất phổ biến, thiết bị ñược sản xuất hàng loạt, cơng nghệ lắp ráp đã hồn thiện
nên chi phí cho việc hồn thành một trạm phong điện hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm
1986. Phong ñiện ñã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở
nhiều nước, và cũng rất phù hợp với ñiều kiện Việt nam.
* Các trạm phong ñiện có thể ñặt ở ñâu?
Trạm phong ñiện có thể ñặt ở những ñịa ñiểm và vị trí khác nhau, với những
giải pháp rất linh hoạt và phong phú. Các trạm phong ñiện ñặt ở ven biển cho sản
lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm
ñất xây dựng, ñồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn
trên bộ. Giải bờ biển Việt Nam trên 3000 km có thể tạo ra cơng suất hàng tỷ kW
phong điện. Những mỏm núi, những đồi hoang khơng sử dụng được cho cơng nghiệp,
nơng nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện. Trường hợp này khơng cần làm trụ
đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng. Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt
trạm phong điện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp ñiện cho thành phố khi
khơng dùng hết điện. Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ
bị mất điện.Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm phong điện. Nếu tận
dụng khơng gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm phong điện thì sẽ giảm tới
mức thấp nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện.ðiện khí hóa
ngành đường sắt là xu hướng tất yếu của các nước cơng nghiệp. Chỉ cần đặt với
khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc các tuyến đường sắt đã có ñủ ñiện năng cho
tất cả các ñoàn tàu ở Việt nam hiện nay. Các vùng phong ñiện lớn ñặt gần tuyến ñường
sắt cũng rất thuận tiện trong việc vận chuyển và dựng lắp. Các ñầu máy diesel và than
ñá tiêu thụ lượng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm mơi trường sẽ được thay thế bằng
đầu máy điện trong tương lai.ðặt một trạm phong ñiện bên cạnh các trạm bơm thủy lợi
ở xa lưới ñiện quốc gia sẽ tránh ñược việc xây dựng ñường dây tải ñiện với chi phí lớn
gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm phong ñiện. Việc bảo quản một trạm phong
ñiện cũng ñơn giản hơn việc bảo vệ ñường dây tải ñiện rất nhiều. Nhà máy nước ngọt
ñặt cạnh những trạm phong ñiện là mơ hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước
ngọt cho vùng đồng bằng sơng Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và ñường dây ñiện. Một

trạm phong ñiện 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một
ngọn hải ñăng xa ñất liền. Một trạm 10 kW ñủ cho một ñồn biên phịng trên núi cao,
hoặc một đơn vị hải qn nơi ñảo xa. Một trạm 40 kW có thể ñủ cho một xã vùng cao,
một đồn thăm dị địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi ñường dây chưa thể
vươn tới được. Một nơng trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

5



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
trạm phong ñiện hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống cơng nhân, vừa
cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm... Khơng phải nơi nào đặt
trạm phong điện cũng có hiệu quả như nhau. ðể có sản lượng điện cao cần tìm đến
những nơi có nhiều gió. Các vùng đất nhơ ra biển và các thung lũng sơng thường là
những nơi có lượng gió lớn. Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể
lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác phong điện.
Khi chọn địa ñiểm ñặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng

hoặc kinh nghiệm của nhân ñân ñịa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi
nơi cịn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng thời gian. Tại nơi dự ñịnh dựng trạm
phong ñiện cần ñặt các thiết bị ño gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ đó tính ra
sản lượng điện có thể khai thác, tuơng ứng với từng thiết bị phong ñiện. Việc này
càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng phong điện
tập trung.Gió là dạng năng lượng vơ hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi đầu
tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê ñủ tin cậy. Rào cản chủ yếu ñối với
việc phát triển phong ñiện ở Việt nam chính là sự thiếu thơng tin về năng lượng gió.
Tới nay đã có một số cơng ty nước ngồi đến Việt nam tìm cách khai thác phong điện,
nhưng vì chưa đủ những số liệu cần thiết nên cũng chưa có sự ñầu tư nào ñáng kể vào
thị trường này. Một hãng ðức ñã xây dựng tại Ấn ñộ hàng ngàn trạm phong điện, có
cơ sở thường trực giám sát hoạt động các trạm qua hệ thống vệ tinh viễn thông, xử lý
kỹ thuật ngay khi cần thiết, và hoàn toàn hài lịng về kết quả đã thu được ở Ấn độ.
Hãng này cũng đã đến Việt Nam tìm thị trường nhưng chưa quyết định đầu tư, vì chưa
có đủ cứ liệu để xây dựng trên quy mơ lớn, cịn với quy mơ nhỏ thì lợi tức khơng đủ
bù lại chi phí cho một cơ sở kỹ thuật thường trực. Một công ty khác chuẩn bị xây dựng
12 trạm phong ñiện với cơng suất 3000 kW trên huyện đảo Lý Sơn đã khẳng định cơng
nghệ phong điện rất phù hợp với Việt Nam!

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái

Nguyên

6



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
* Tính kinh tế của phong điện
Chi phí để xây dựng một trạm phong điện gồm:
+ Chi phí cho máy phát điện và các cánh ñón gió chiếm phần chủ yếu. Có nhiều hãng
sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ thuật rất khác nhau.
+ Chi phí cho bộ ổn áp và hịa mạng, tự động đưa dịng điện về ñiện áp và tần suất với
mạng ñiện quốc gia.
+ Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị đổi ñiện từ ắc-quy trở lại ñiện xoay chiều. Các
bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt ñộng ñộc lập.
+ Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị và các
ñiều kiện địa chất cơng trình. Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam để giảm chi phí.
Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như khơng đáng kể.
+ Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và cơng việc lắp đặt trạm ở Việt Nam
rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, ñặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven
sơng hoặc dọc theo các tuyến đường sắt.
1.2 KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ðỐI
TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió
tốc độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi.
Loại tuốc bin gió thơng thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed
speed wind turbine), trong đó máy phát khơng đồng bộ ñược nối trực tiếp với lưới.
Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên khơng thể thu
được năng lượng cực đại từ gió.

Gearbox

IG

Soft
starter
Transformer

Capacitor bank

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ cố định
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

7



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Loại tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi (variable-speed wind turbine) khắc phục

ñược nhược ñiểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, ñó là nhờ thay ñổi ñược tốc
ñộ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc
độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến ñổi ñiện tử công suất ñể tạo ra
khả năng hoạt ñộng với tốc ñộ thay ñổi, và do ñó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay
đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc ñộ cố ñịnh.
Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi
có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ
nguồn kép (MDBNK).
Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến ñổi nối trực tiếp giữa mạch
stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính tốn với cơng suất định mức
của tồn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại khơng đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là
đồng bộ. Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Hình 1.4 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp
giữa stator và lưới
năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió
với cơng suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến
đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có
cơng suất bằng cơng suất của tồn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có xu
hướng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió
cơng suất lớn để giảm cơng suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành, vì bộ biến
đổi ñược nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó thường chỉ bằng cỡ 1/3
tổng cơng suất tồn hệ thống, các thiết bị ñi kèm như bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì
cũng được thiết kế với cơng suất bằng 1/3 cơng suất của tồn hệ thống. Do đó đối

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN

Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Ngun

8



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
tượng nghiên cứu của ñề tài là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy dị bộ nguồn
kép.

Hình 1.5 Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK
Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MDBNK là vấn ñề
lỗi lưới. Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt tuốc bin sẽ
gây ra sụt ñiện áp lưới, dẫn tới từ thơng q độ dao động, làm cảm ứng trong mạch
rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi
có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dịng và gây q dịng lớn, có thể phá hỏng bộ biến
đổi.
1.3 CÁC CẤU TRÚC ðIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ðIỆN SỨC GIĨ SỬ
DỤNG MDBNK
Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PðSG dùng MDBNK ñược sử dụng: hệ
thống sử dụng crowbar (hình 1.6) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 1.7).

Thị Minh
Thảo,

K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

9



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tem

Stator breaker

Ps, Qs

Pg, Qg

Grid

Tt
Pf, Qf
Pr

~
Crowbar

dv/dt
filter

~

filter

Lever I

Crowbar
control

β*

=

=

(Vector Control)

Wm

Tem*

Vbus*

Qs*

Qf *

Lever II
(Wind turbine control strategy)

Vw

Hình 1.6 Hệ thống PðSG dựa trên MDBNK sử dụng crowbar
Hệ thống gồm có các ñiều khiển thành phần sau: ñiều khiển tuốc bin, ñiều
khiển vector, ñiều khiển crowbar hoặc stator switch.
1.3.1 ðiều khiển tuốc bin
Nhiệm vụ của ñiều khiển tuốc bin là ñiều chỉnh tốc ñộ tuốc bin (sử dụng
ñộng cơ servo ñể ñiều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị ñặt của mơ men (hoặc cơng
suất tác dụng) cho mức điều khiển vector theo chiến lược điều khiển như sau (hình
1.8):
- Khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc độ của máy
phát được giữ ở tốc ñộ thấp, dưới ñồng bộ 30% (1050 v/ph), cơng suất cực đại nhận
được từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp

– Đại
Thái
Nguyên

10



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tem

Pg, Qg

Ps, Qs

Tt

Pf, Qf

Pr

~
dv/dt
filter

=

=

~

filter

Lever I

Stator switch
control

β*

Grid

Stator
Switch

(Vector Control)

Wm

Tem*

Vbus*

Qs*

Qf *

Lever II
(Wind turbine control strategy)

Vw

Hình 1.7 Hệ thống PðSG dựa trên MDBNK sử dụng stator switch
- Khi tốc ñộ gió lớn hơn giới hạn thấp 4m/s và nhỏ hơn 8m/s, tốc độ máy phát
được duy trì trong phạm vi lớn hơn 1050 v/ph (dưới tốc ñộ ñồng bộ 30 %) và nhỏ hơn
hoặc bằng 1950 v/ph (trên tốc ñộ ñồng bộ 30%), công suất cực ñại lấy từ gió bằng
cách điều chỉnh đồng thời tốc độ rotor tuốc bin và góc của cánh gió.
- Khi tốc độ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc độ gió định mức, 12m/s, tốc độ
máy phát khi đó được duy trì ở giá trị ñịnh mức (1950 v/ph – trên tốc độ đồng bộ
30%), cơng suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió.
- Khi tốc ñộ gió cao hơn tốc ñộ ñịnh mức (12m/s), tốc ñộ máy phát ñược giữ
ở giá trị ñịnh mức 1950 v/ph, cơng suất đặt của máy phát bằng cơng suất định mức của
nó, nghĩa là cơng suất lấy từ gió ñược giữ bằng công suất ñịnh mức thông qua việc
ñiều chỉnh góc của cánh gió.
- Khi tốc độ gió q thấp, năng lượng q nhỏ hoặc khi tốc độ gió quá cao
(trên 25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lưới.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

11



Cơng suất (%)

Cơng suất (%)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.8 Các ñường cong sử dụng trong chiến lược ñiều khiển tuốc bin
1.3.2 ðiều khiển crowbar hoặc stator switch
Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi cơng suất đối với hiện tượng quá dòng lớn khi
xảy ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới).
Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy ra lỗi lưới, nếu dòng rotor lớn quá mức
cho phép của bộ biến ñổi, lúc này ñiều khiển crowbar sẽ ñược kích hoạt, làm ngắn
mạch rotor, rẽ mạch dịng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy
phát bị mất điều khiển. Khi biên độ dịng q ñộ ñã giảm dưới mức an toàn, “crow
bar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể điều khiển được máy phát.
Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dịng q độ rotor vượt
q mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử cơng suất thyristor phía
stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để điều
khiển tái hồ đồng bộ máy phát vào lưới khi biên độ dịng q độ giảm dưới mức an
tồn của bộ biến đổi, và việc phát cơng suất hữu cơng, vơ cơng lên lưới được khơi
phục trở lại.
1.3.3 ðiều khiển vector
Bao gồm hai ñiều khiển thành phần: ðiều khiển nghịch lưu phía máy phát và
điều khiển nghịch lưu phía lưới.
• ðiều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

12



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Mục tiêu của ñiều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian
khơng đổi theo giá trị đặt của nó phù hợp với bộ biến đổi nghịch lưu phía máy phát
(NLMP), và điều khiển hướng, trị số cơng suất vơ cơng lên lưới.
• ðiều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)
Mục đích của bộ NLMP là điều khiển cơng suất tác dụng (thông qua mô men),
và công suất phản kháng lên lưới một cách độc lập với nhau, thơng qua điều khiển các
thành phần dịng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector.
Với mục đích của luận án là nâng cao chất lượng hệ thống PðSG sử dụng
MDBNK thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển
nghịch lưu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu cầu
của ñiều khiển NLMP

1.4 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU ðIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU PHÍA MÁY PHÁT
Ở chế độ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và điện áp lưới
khơng đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và
công suất phản kháng lên lưới.
Ở chế ñộ sự cố (ngắn mạch gây sụt ñiện áp lưới), thực hiện bám lưới; cung cấp
cơng suất tác dụng lớn nhất có thể lên lưới ngay sau khi lỗi lưới để cấp dịng ngắn
mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác
ñộng; ñiều chỉnh cơng suất phản kháng lên lưới để hỗ trợ lưới phục hồi ñiện áp, ñồng
thời tạo ñiều kiện ñể hệ thống trở về chế độ bình thường ngay sau khi lỗi lưới (vì mức
điện áp lưới lúc này đã ñược nâng lên).
Ở chế ñộ sự cố, một vấn ñề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức độ lớn)
với bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới là vấn đề mất điều khiển dịng khi lỗi lưới.
Ngun nhân là khi lỗi lưới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá ñộ dao ñộng, làm
cảm ứng trong mạch rotor điện áp q độ có trị số lớn (sức phản ñiện ñộng) , và nếu
lớn hơn ñiện áp cực ñại của bộ biến ñổi có thể tạo ra ñược thì sẽ gây mất điều khiển
dịng và gây q dịng lớn. Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ bộ biến
đổi thơng qua việc điều khiển crowbar hoặc stator switch. Máy phát bị mất ñiều khiển

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

13



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lưới,khơng thực hiện được nhiệm vụ đặt ra khi lỗi
lưới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lưới ñiện kiểu “wind farm”
Các yếu tố ảnh hưởng tới sức phản ñiện ñộng cảm ứng trong mạch rotor bao
gồm: Mức ñộ dao ñộng của ñiện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động của từ thơng
stator q ñộ, mức ñộ dao ñộng này phụ thuộc vào mức ñộ dao ñộng ñiện áp lưới và
mức ñộ sụt ñiện áp lưới khi lỗi lưới; Mức ñộ dao ñộng, thay ñổi của tốc ñộ máy phát
và tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới
Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn đề mà bộ điều khiển phía máy phát gặp
phải (mất điều khiển dịng và gây q dịng lớn), ñể nâng cao ñược chất lượng hệ
thống PðSG sử dụng MDBNK, vấn đề đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát là phải
khống chế ñược ñộ lớn của sức phản ñiện ñộng cảm ứng trong mạch rotor nhỏ hơn
khả năng cực ñại của bộ biến ñổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới ñược loại
bỏ, ñể tránh hiện tượng mất điều khiển dịng và q dịng lớn, hạn chế tới mức tối ña
sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch.
Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới điện áp q ñộ cảm ứng
trong mạch rotor, ñể nâng cao ñược chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể ñược ñặt
ra với bộ điều khiển phía máy phát như sau:
- ðiều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công (thông qua mô men) và
công suất vô công (thông qua hệ số công suất cosϕ) phát lên lưới thông qua MDBNK
- Ổn ñịnh ñối với dao ñộng của ñiện áp lưới
- Ổn định đối với dao động của từ thơng khi lỗi lưới.
- Ổn ñịnh ñối với dao ñộng, thay ñổi của tốc độ máy phát và tần số góc mạch
rotor ở chế độ bình thường và lỗi lưới.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

14



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHƯƠNG 2
MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ SỬ
DỤNG MÁY ðIỆN KHÔNG ðỒNG BỘ ROTO DÂY QUẤN
2.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ðIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG
MDBNK

BiÕn thÕ
uN MĐN us

NLPL
Lọc

3~

NLMP

HS

UDC

3~

3~

MP
ir
iN

DSP
NLPL
NLMP
MĐN
HS
MP
IE

is

IE

n

Nghch lu phía lới
Nghịch lu phía máy phát
Máy đóng ngắt
Hộp số
Máy phát
Máy khắc vạch xung

Hỡnh 2.1 S ủ cu trúc hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MDBNK
Hình 2.1 mơ tả sơ đồ cấu trúc một hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng
MDBNK. Hệ thống trên bao gồm một MDBNK có cuộn dây stator được nối trực tiếp
với lưới điện ba pha. Cuộn dây phía rotor ñược nối với hệ thống biến tần (dùng van
bán dẫn) có khả năng điều khiển dịng năng lượng đi theo hai chiều. Hệ thống biến tần
bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch lưu phía máy phát
(NLMP). Hai cụm được nối với nhau thơng qua mạch điện một chiều trung gian. Cụm
NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly cơng suất hữu cơng và cơng suất vơ cơng
thơng qua hai đại lượng mG (mômen của máy phát) và công suất vô công Q ñồng thời
ñảm nhận việc hòa ñồng bộ với lưới cũng như ñiều chỉnh tách máy phát ra khỏi lưới
khi cần thiết. Cụm NLPL trên thực tế khơng chỉ có nhiệm vụ chỉnh lưu theo nghĩa
thông thường: lấy năng lượng từ lưới về, cụm cịn có khả năng thực hiện nhiệm vụ
hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại lưới. Vì vậy, về cấu trúc
mạch điện tử cơng suất, cụm NLPL hồn tồn giống như cụm NLMP. Cụm NLPL có
nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian u DC sao cho không
phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của dịng năng lượng chảy qua rotor, đồng thời
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung

tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

15



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
điều chỉnh cosϕ phía lưới và qua đó có thể giữ vai trị bù cơng suất vô công. Các van
bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL được điều khiển đóng mở theo ngun lý điều
chế vector khơng gian (ðCVTKG).
2.2 MƠ HÌNH TỐN HỌC PHÍA MÁY PHÁT VÀ PHÍA LƯỚI
2.2.1 Biểu diễn vector khơng gian các ñại lượng 3 pha
Theo lý thuyết ñiều khiển vector, trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang ) của
máy điện, vector khơng gian dịng điện stator của MDBNK được ñịnh nghĩa như sau:
i s (t ) =

o
o
2
isu (t ) + isv (t )e j120 + isw (t )e j 240  = i s e jωst

3

(2.1)

Trong đó isu , isv , isw là các dịng điện hình sin, cùng biên ñộ, cùng tần số, lệch

nhau 1200 ñiện chạy trong ba pha dây quấn stator u, v, w .
Như vậy i s (t ) là véc tơ không gian quay với tốc độ góc ω s = 2π f s so với stator, với
f s là tần số mạch stator.

ðối với các ñại lượng khác của mạch stator, như ñiện áp stator, từ thơng stator
ta đều có thể xây dựng các vector khơng gian tương ứng tương tự như đối với dịng
điện stator kể trên.
Với MDBNK, trên rotor cũng có cuộn dây ba pha r, s, t trong đó chảy ba dịng
điện irr , irs , irt tần số góc ω r , vector khơng gian dịn điện rotor cũng ñược ñịnh nghĩa
như sau:
i r (t ) =

o
o
2
irr (t ) + irs (t )e j120 + irt (t )e j 240  = i r e jωr t

3

(2.2)

Vector i r (t ) là vector khơng gian quay với tốc độ góc ω r so với rotor, vì rotor
quay với tốc ñộ ω so với stator, nên i r (t ) cũng quay với tốc ñộ ω s = ω + ω r so với
stator.
ðối với các ñại lượng khác của mạch rotor, như điện áp rotor, từ thơng rotor ta
đều có thể xây dựng các vector khơng gian tương ứng tương tự như đối với dịng điện
rotor kể trên.

Thị Minh
Thảo,

K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

16



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

jβ

jq

is

isβ

ωs

d

us

isq

ϑs

isd

α

isα
ψs

Hình 2.2 Biểu diễn các vector dịng stator, điện áp stator, từ thơng stator trên hệ trục
toạ ñộ αβ và d,q
Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy ñiện), ta xây dựng một
hệ toạ độ cố định αβ có trục α trùng với trục cuộn dây pha u, và một hệ toạ độ quay
d,q có trục thực d trùng với véc tơ ñiện áp lưới us (uN), nghĩa là hệ toạ ñộ d,q này quay
với tốc ñộ ω s = 2π f s so với stator (hình 2.2). Các thành phần của vector dịng stator
trên 2 trục tọa độ αβ là isα , is β và trên hai trục toạ ñộ d,q là isd , isq , ta có mối liên hệ
giữa các thành phần của dịng điện stator trên các hệ trục toạ độ và các dịng điện pha
stator như sau:
isα = isu

1

is β = 3 (isu + 2isv )

isd = isα cos ϑs + is β sin ϑs

isq = −isα sin ϑs + is β cos ϑs

isu = isα

(2.3); isv = 0,5(−isα + 3isβ )

isw = −0, 5(isα + 3is β )
isα = isd cos ϑs − isq sin ϑs
is β = isd sin ϑs + isq cosϑs

(2.5); 

(2.4)

(2.6)

Các cơng thức biến đổi cho vector dịng stator ở trên cũng ñúng với các vector
khác như vector ñiện áp stator, dịng rotor, điện áp rotor, từ thơng stator, từ thơng
rotor.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái

Nguyên

17



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.2.2 Mơ hình trạng thái liên tục phía máy phát
Mơ hình trạng thái liên tục phía máy phát, thực chất là mơ hình trạng thái liên
tục đối tượng MDBNK. Cơ sở để xây dựng mơ hình trạng thái liên tục của MDBNK là
các phương trình ñiện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor.
Phương trình điện áp stator:

s

uss = Rs i s +

Phương trình điện áp rotor:

r
r

dψ ss

(2.7)

dt
r
r r

u =Ri +

dψ rr

(2.8)

dt

Phương trình từ thông stator và rotor:
ψ s = i s Ls + i r Lm

ψ r = i s Lm + i r Lr

(2.9a,b)

 L s = L m + L σS
Với 
 L r = L m + L σr
Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên các giá
trị ñiện cảm là bất biến ñối với mọi hệ tọa ñộ quan sát. Do đó, (2.9) được dùng một
cách tổng qt, khơng cần có các chỉ số phía trên bên phải. Khi sử dụng trên hệ tọa ñộ
cụ thể ta sẽ ñiền thêm chỉ số.
Phương trình mơmen:

mG =

3
3
z p ψ s × is = − z p ψ r × ir
2

2

(

)

(

)

(2.10)

Sau khi chuyển (2.7), (2.8), (2.9) sang biểu diễn trên hệ tọa ñộ dq là hệ toạ ñộ
quay với vận tốc góc ω s so với hệ toạ ñộ cố ñịnh ta thu được hệ phương trình sau:
 f
 us


u f
 r

ψ sf
 f
ψ r

f
s s

=Ri +
f

= Rr i r +

dψ sf
dt
dψ rf

dt
f
f
= i s Ls + i r Lm
f

+ jω sψ sf
+ jω rψ rf

(2.11a,b,c,d)

f

= i s Lm + i r Lr

với ω s = ω + ω r

(2.12)

Chỉ số phía trên bên phải “f” ñể chỉ hệ tọa ñộ quay dq. Vì ta điều khiển
MDBNK trên cơ sở phương pháp tựa theo ñiện áp lưới (tức là trên hệ tọa ñộ quay dq)
nên từ nay về sau, ñể cho thuận tiện, nếu không gây nhầm lẫn, ta quy ước các ñại
lượng trên hệ tọa ñộ dq sẽ không cần viết chỉ số “f” ở phía trên bên phải nữa.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

18



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Do stator của MDBNK ñược nối mạch với lưới nên tần số mạch stator chính là
tần số lưới, ñiện áp rơi trên ñiện trở Rs có thể bỏ qua được so với tổng điện áp rơi trên
hỗ cảm stator Lm và ñiện cảm tản Lσ s . Phương trình (2.7) có thể viết lại gần ñúng như
sau:
uss ≈

dψ ss
dt

hoặc us ≈ jω sψ s

(2.13)

Phương trình (2.13) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp
stator một góc chừng 900, hoặc diễn đạt cách khác: vector từ thơng stator ln đứng
vng góc với vector điện áp stator, rất thuận lợi cho việc mơ hình hóa.
Mặt khác, thiết bị điều khiển được đặt ở phía rotor và ta có cơ hội để sử dụng
dịng rotor làm biến ñiều khiển trạng thái của ñối tượng MDBNK. Vì vậy ta sẽ tìm
cách thơng qua 2 phương trình từ thơng (2.11c,d) khử dịng stator i s và từ thơng rotor
ψ r , giữ lại dịng rotor i r và từ thông stator ψ s rồi thay vào 2 phương trình (2.11a,b) và

biến đổi ta có:
 di r
1  1 1−σ 
1−σ
=−  +

 i r − jω r i r +
σ  Tr
σ
Ts 
 dt
 /
1
 / 1
1
 dψ s
ω
=
−
+
i

j
us

ψ s +
r
s
 dt
Ts
Lm
 Ts



1
 /
1
1−σ
ur −
u
 + jω ψ s +
σ Lr
σ Lm s
 Ts


(2.14)

với ψ s/ = ψ s / Lm
Viết (2.14) dưới dạng thành phần ta sẽ thu được mơ hình điện tồn phần của
MDBNK như (2.15).

 dird
 1
1−σ 
1−σ  1 /
1
1−σ
/ 
= −
+
urd −
u

 ird + ω r irq +
 ψ sd − ωψ sq  +
dt
T
T
T
L
σ
σ
σ
σ
σ Lm sd
s 
r
 r
 s



 di




 rq = −ω r ird −  1 + 1 − σ  irq + 1 − σ  ωψ sd/ + 1 ψ sq/  + 1 urq − 1 − σ usq
 dt
σ 
σ Lm
Ts
 σ Tr σ Ts 
 σ Lr
 /
1
1 /
1
 dψ sd
/
 dt = T ird − T ψ sd + ω sψ sq + L usd
s
s
m

 dψ sq/
1
1
1
= irq − ω sψ sd/ − ψ sq/ +
usq


dt
T
T
L

s
s
m

(2.15)

ðể chọn được hệ tọa độ thích hợp ta thấy: Do Stato của máy phát ñược nối
mạch với lưới và vì vậy tần số mạch Stato chính là tần số lưới, ñiện áp rơi trên ñiện
trở R s có thể bỏ qua được so với tổng điện áp rơi trên hỗ cảm Stato Lm và ñiện áp
tiêu tán Ls, phương trình (2.7) có thể được viết gần ñúng như sau:
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

19

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
us ≈

dψ s
dt

hoặc: u s ≈ jωsψ s

Ở trên đã nhận xét: vector từ thơng stator ln đứng vng góc với vector điện
áp stator. Trong tương quan cố định đó, việc hướng của vector nào ñược chọn làm
hướng tựa cho hệ thống ñiều chỉnh không có ý nghĩa quyết định nữa. Nếu tựa:
• theo hướng từ thơng stator ta có: usd = 0,ψ sq = 0
• theo hướng điện áp stator ta có: usq = 0,ψ sd = 0
Khi tựa theo hướng của ñiện áp lưới ta cần chú ý rằng điện áp rất có thể bị
méo dạng (ví dụ: Do nhiễu của các thiết bị điện tử cơng suất đang hoạt động, do nhiễu
của sấm chớp trên khí quyển) gây khó khăn cho việc đo góc pha của điện áp. Vì vậy,
phải chú ý thực hiện chống nhiễu tốt cho phép đo góc pha
Hệ phương trình (2.15) cũng có thể được viết lại dưới dạng mơ hình trạng thái
như sau:
dx
= A x + Bs us + Br ur
dt

(2.16)

Trong đó:
• vector trạng thái x T = ird

irq ψ sd/

ψ sq/ 

•

usT = usd

usq  là vector biến vào phía stator

•

urT = urd

urq  là vector biến vào phía rotor

Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator Bs, và ma trận vào phía rotor Br
có cơng thức như sau:
 1  1 1−σ 
1− σ
1− σ 
ωr
−
ω
−  +

σ
T
T
σ

T
σ

r
s

s




1  1 1− σ  1−σ
1−σ 

ω
−ωr
−  +


σ  Tr Ts  σ
σ Ts 
A=

1
1

ωs 
0
−



Ts
Ts


1
1 

0
−ωs

Ts
Ts 


Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

(2.17a)

20



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
 1−σ
− σ L
m


 0
Bs = 
 1

 Lm

 0





1−σ 
−
σ L m 

0 

1 


Lm 
0

 1
σ L
 r

; Br =  0

 0

 0


0 

1 
σ Lr 
0 

0 

(2.17b,c)

Mơ hình trạng thái của MDBNK được thể hiện ở hình 2.3.
us

ur

dx

dt

Bs
Br

x

∫
A

Hình 2.3 Mơ hình trạng thái của MDBNK
Các ma trận của mơ hình (2.33) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận
con như sau:
 A11
A=
 A 21

A12 
B 
B 
; Bs =  s1  ; Br =  r1 

A 22 
 Bs 2 
O

(2.18a,b,c)

Trong đó:
 1  1 1−σ 

ωr
−  +

σ  Tr
Ts 

A11 = 
1  1 1−σ

−ωr
−  +

σ  Tr
Ts
1
T
s
A 21 = 

0



0
;
1
Ts 




;


 

 1
− T
s
A 22 = 

 −ωs

1
L
m
Bs 2 = 

 0


 1−σ
 σT
s
A12 = 
1 − σ
 σ ω



ωs 

;
1
− 
Ts 

0 
;
1 
Lm 

−

 1−σ
− σ L
m
Bs1 = 

 0


1−σ

σ



ω

1−σ

σ Ts

;






;
1−σ 
−
σ Lm 

 1
σ L
r
Br1 = 

 0


0


0 

1 
σ Lr 

(2.19a,b,c,d,e,f,g)
Khi này, mơ hình trạng thái của MDBNK có thể được biểu diễn dưới dạng các
ma trận con như hình 2.4.
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Ngun

21



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ψ / 
ird 
urd 
usd 
Trong đó i r =   ; ur =   ; us =   ; ψ s/ =  sd/ 
 irq 
 urq 
 usq 
ψ sq 

Mơ hình trạng thái sử dụng ma trận con ở hình 2.4 mơ tả mơ hình điện liên tục
của MDBNK trong khơng gian trạng thái. Dựa trên mơ hình thể hiện ở hình 2.4, ta
hình dung ra có thể tách nó thành 2 nửa, nửa trên và nửa dưới. Nửa trên là mơ hình
dịng rotor của MDBNK có vai trị làm cơ sở cho việc thiết kế khâu điều chỉnh dịng,
nửa dưới là mơ hình từ thơng stator. Vì ñiện áp stator là tương ñối ổn ñịnh ở trạng thái
làm việc bình thường, mà từ thơng stator lại phụ thuộc vào điện áp stator, nên qua mơ
hình trạng thái MDBNK thể hiện dưới dạng ma trận con này ta thấy rằng ảng hưởng
của điện áp stator và từ thơng stator tới dịng điện rotor được xem như là các ñại lượng
nhiễu biến thiên rất chậm. Như sau này trong thiết kế các khâu ñiều chỉnh sẽ thấy, các
ñại lượng nhiễu đó ở chế độ làm việc bình thường được khử ảnh hưởng bằng khâu bù
ñơn giản.

ur

us

B r1

A 11

di r
dt

∫
A 21

B s1

dψ

B s2

ir

/
s

dt

A 12

∫

ψ s/

A 22
Hình 2.4 Mơ hình trạng thái của MDBNK thể hiện bằng ma trận con
* Nhận xét:
Mơ hình trạng thái sử dụng ma trận con hình (2.4) cho thấy rất rõ ràng điện áp
roto ur khơng ảnh hưởng trực tiếp mà chỉ có thể ảnh hưởng gián tiếp tới từ thơng stato
ψ, thơng qua dịng roto ir . ðiện áp stato us ( ñồng thời là điện áp lưới uN sau khi hịa
đồng bộ) có ảnh hưởng trực tiếp, mang ý nghĩa quyết ñịnh tới ψ, ảnh hưởng của us tới
ir chỉ giữ vai trò như một đại lượng nhiễu với modul cố định, với góc pha cho trước và
đo được và vì vậy có thể triệt tiêu dề dàng nhờ một khâu bù nhiễu thông thường.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH

- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

22



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ψ /s

us

B s1
ur

A 12

B r1

dir
dt

ir

∫
A 11

Hình 2.5 Mơ hình dịng rotor
Hệ phương trình mơ tả mơ hình dịng rotor của MDBNK sau khi được tách ra
như sau:
 dird
 1
1−σ 
1−σ  1 /
1
1−σ
/ 
= −
+
urd −
u

 ird + ω r irq +
 ψ sd − ωψ sq  +
σ  Ts
σ Lm sd
 dt
 σ Tr σ Ts 
 σ Lr
(2.20)

di





1
1
1
1
1
1
−
−
−
σ
σ
σ
 rq
/
/
 dt = −ω r ird −  σ T + σ T  irq + σ  ωψ sd + T ψ sq  + σ L urq − σ L usq
s 
s
r
m
 r




ðặt a =  1 + 1 − σ  ; b = 1 − σ ; c = 1 ; d = 1 − σ ; e = 1 − σ
 σTr

σT s 

σ

σ Lr

σ Lm

σTs

Khi đó mơ hình dịng rotor được viết dưới dạng:
 dird
/
/
 dt = −aird + ω r irq + eψ sd − bωψ sq + curd − dusd

 dirq = −ω i − ai + bωψ / + eψ / + cu − du
r rd
rq
sd
sq
rq
sq
 dt

(2.21a,b)

ðể thấy rõ đặc điểm phi tuyến của mơ hình dịng, hệ (2.21) được viết lại dưới
dạng ma trận như sau:
di r

= Ai r + Bur + Ni rωr + Xψ s/ + Sus
dt

(2.22)

Trong đó:
ψ sd/ 
ird 
urd 
usd 
/
i r =   ; ur =   ; us =   ; ψ s =  / 
 irq 
 urq 
 usq 
ψ sq 

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

23



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
 −a 0 
c 0
A=
là ma trận hệ thống; B = 

 là ma trận ñầu vào;
 0 −a 
0 c 
 0 1
/
N=
 là ma trận tương tác phi tuyến; thành phần nhiễu ψ s tác ñộng vào hệ
−
1
0


 e −bω 
; thành phần nhiễu us tác ñộng vào hệ thống qua ma
e 
bω

thống qua ma trận X = 
−d

trận S = 
0

0
.
−d 
N
ωr
ur
ψ s/
us

B

di r
dt

∫

ir

X
S

A

Hình 2.6 ðặc điểm phi tuyến của mơ hình dịng rotor của MDBNK trên hệ tọa độ dq
Mơ hình trạng thái (2.22) và hình 2.6 thể hiện rất rõ tính phi tuyến của
MDBNK. Như chúng ta đã biết, đối tượng MDBNK có điện áp rotor là một đại lượng
vector ñặc trưng bởi module ur , góc pha ban ñầu ϑ0 và vận tốc góc ω r (tần số f r ).

Có thể tạm thời bỏ qua khơng xét tới góc pha ϑ0 . Trên hệ tọa độ dq tựa hướng ñiện áp
lưới, các thành phần urd , urq là hai đại lượng một chiều, khơng chứa ω r . Như vậy đầu
vào của mơ hình dịng rotor, là vector ñiện áp rotor, ngoài hai thành phần urd , urq thể
hiện module ur cịn phải có ω r . Do ñó ω r là ñại lượng vào thứ 3. Qua đó ta thấy mơ
hình trạng thái (2.22) có chứa tích của vector trạng thái i r với biến ñầu vào ω r thơng
qua ma trận N. Do vậy N được gọi là ma trận tương tác phi tuyến. Hơn nữa trong điều
kiện lỗi lưới, có sự dao động thay đổi của từ thơng stator, điện áp stator (điện áp lưới),
tốc ñộ máy phát và tần số góc mạch rotor càng làm bộc lộ tính phi tuyến mạnh của mơ
hình dịng rotor MDBNK .
2.2.3 Các biến điều khiển cơng suất hữu cơng và vơ cơng phía máy phát
Với MDBNK, độ lớn của mơ men điện mG do máy sinh ra đặc trưng cho độ
lớn của cơng suất hữu cơng (phát ra ở chế ñộ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế độ
động cơ). Việc điều chỉnh cơng suất hữu cơng phải tiến hành độc lập với cơng suất vơ
cơng Q ñã ñặt trước cho thiết bị. ðể giải quyết, ta phải tìm các đại lượng có thể điều
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

24