Thiết kế điều khiển mppt cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát dfig, cấp nguồn cho tải địa phương

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
------

BÁO CÁO MÔN HỌC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Đề tài: Thiết kế điều khiển MPPT cho hệ phát điện sức gió sử
dụng máy phát DFIG, cấp nguồn cho tải địa phương.
Giảng viên hướng dẫn:

Nhóm 8

PGS.TS

Họ và tên

MSSV

Hà Nội, 2023


MỤC LỤC
Chương 1.

Thực trạng năng lượng gió ở Việt Nam.................................................4

1.1.

Giới thiệu về năng lượng gió........................................................................4

1.2.

Thực trạng phát triển năng lượng gió ở Việt Nam........................................4

1.3.

Những thách thức trong phát triển năng lượng gió ở Việt Nam....................5

1.4.

Các giải pháp để phát triển năng lượng gió tại Việt Nam.............................6

Chương 2.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động...........................................................7

2.1.

Giới thiệu về máy phát điện sức gió.............................................................7

2.2.

Mơ hình cấu trúc cơ bản của hệ thống Turbine gió......................................7

2.3.

Các tầng điều khiển của hệ thống turbine gió...............................................9

2.3.1.

Tầng điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất................................9

2.3.2.

Tầng điều khiển turbine gió...................................................................9

2.3.3.

Tầng điều khiển giám sát.....................................................................10

Chương 3.

Mơ hình tốn học của hệ thống................................................................11

3.1.

Mơ hình hóa Windturbine.............................................................................11

3.2.

Mơ hình hóa DFIG.....................................................................................12

3.3.

Thuật tốn MPPT.......................................................................................15

3.4.

Mơ hình hóa tải...........................................................................................17

Chương 4.

4.1.

Thiết kế bài tốn..................................................................................18

Bài tốn điều khiển RSC............................................................................18

4.1.1. Phương pháp điều khiển SOFC.................................................................18
4.1.2. Mơ hình hóa bộ điều khiển RSC...............................................................20
4.2.

Bài toán điều khiển GSC............................................................................21

4.2.1. Phương pháp điều khiển phía lưới GSC....................................................21
4.2.2. Mơ hình hóa GSC......................................................................................22
Chương 5.

Kết quả mô phỏng và kết luận.............................................................23

5.1.

Kết quả mô phỏng......................................................................................23

5.2.

Kết luận......................................................................................................28

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................29

2

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Biểu đồ thành phần điện trong tồn hệ thống năm 2021 và 2022..................5
Hình 2.1. Turbine gió trục đứng (trái) và trục ngang (phải)..........................................7
Hình 2.2. Mơ hình cấu trúc của turbine gió...................................................................7
Hình 2.3. Các tầng điều khiển của hệ thống..................................................................9
Hình 2.4. Sơ đồ bộ biến đổi kiểu back-to-back.............................................................9
Hình 2.5. Mạng điều khiển giám sát hệ thống turbine gió...........................................10
Hình 3.1. Mơ hình hóa windturbine trong MATLAB Simulink..................................12
Hình 3.2. mơ hình trong hệ trục d-q tương đương của DFIG......................................13
Hình 3.3. Sơ đồ windturbine.......................................................................................15
Hình 3.4. Đồ thị cơng suất – tốc độ.............................................................................16
Hình 3.5. Mơ hình hóa tải phi tuyến trong MATLAB Simulink..................................17
Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển RSC.........................................................................18
Hình 4.2. Mơ phỏng bộ điều khiển RSC trong MATLAB Simulink...........................20
Hình 4.3. Mơ hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới...................................................21
Hình 4.4. Mơ phỏng bộ điều khiển GSC trong MATLAB Simulink...........................22
Hình 5.1. Mơ phỏng tồn bộ hệ thống.........................................................................23
Hình 5.2. Tốc độ gió đầu vào......................................................................................24
Hình 5.3. Điều khiển bám tốc độ.................................................................................24
Hình 5.4. Điều khiển momen......................................................................................25
Hình 5.5. Điện áp stator..............................................................................................25
Hình 5.6. Dịng điện stator..........................................................................................26
Hình 5.7. Cơng suất trên tải.........................................................................................26
Hình 5.8. Điện áp và dòng điện trên tải.......................................................................27


Chương 1. Thực trạng năng lượng gió ở Việt Nam.
1.1.

Giới thiệu về năng lượng gió.

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo và sạch có thể được khai thác
từ luồng gió để sản xuất điện. Năng lượng gió được sử dụng rộng rãi trên khắp thế
giới và đang trở thành một phương tiện quan trọng để bảo vệ môi trường và đáp ứng
nhu cầu năng lượng của xã hội hiện đại.
Năng lượng gió có nhiều ưu điểm, bao gồm độ sạch sẽ, khơng gây ra khí thải
và hiệu suất kinh tế cao. Khơng những thế, đặc tính địa lý của các vùng có gió mạnh
giúp năng lượng gió trở thành một nguồn năng lượng ổn định và tin cậy. Tuy nhiên,
năng lượng gió cũng có những hạn chế, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, ảnh
hưởng đến động vật hoang dã và cảnh quan, tùy thuộc vào tình hình thời tiết và nguồn
gió mà sản lượng điện có thể có sự biến động. Tổng quan về năng lượng gió cho thấy
rằng đây là một giải pháp tiềm năng để đáp ứng như cầu năng lượng của thế giới hiện
nay và bảo vệ môi trường. Việt Nam cũng đang tập trung vào phát triển năng lượng
gió như là một phương tiện để giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa
thạch và đạt được mục tiêu tăng trưởng kinh tế bền vững.

1.2.

Thực trạng phát triển năng lượng gió ở Việt Nam.

Việt Nam có nhiều tiềm năng để phát triển năng lượng gió do có sự đa dạng địa
hình. Vùng biển của Việt Nam rất rộng và cũng có nhiều tiềm năng để khai thác năng
lượng gió. Được đánh giá là có tiềm năng về năng lượng gió lớn với hơn 39% tổng
diện tích của nước ta được ước tính có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/s ở
độ cao 65m. Theo Báo cáo Năng lượng thế giới 2021 của Tổ chức Năng lượng Quốc
tế (IEA), tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước tính lên đến hơn 500 GW, gấp 5
lần nhu cầu năng lượng của đất nước. Đây là một con số khổng lồ cho thấy tiềm năng
phát triển năng lượng gió ở Việt Nam là rất lớn.
Tuy nhiên, tình hình phát triển năng lượng gió tại Việt Nam vẫn cịn khá chậm

và chưa đạt mức độ cao như mong đợi. Theo thông tư số 39/2018/TT-BCT của Bộ
Công Thương về cơ chế khuyến khích phát triển điện năng lượng tái tạo, tổng cơng
suất lắp đặt điện gió tại Việt Nam đạt khoảng 16,5 GW đến cuối năm 2020. Tuy nhiên,
điện gió chỉ chiếm khoảng 10% tổng công suất lắp đặt của điện mặt trời và thủy điện.
Việc triển khai năng lượng gió ở Việt Nam vẫn cịn nhiều thách thức.
Các dự án điện gió đã triển khai tại Việt Nam bao gồm Dự án điện gió Bạc Liêu
99 MW, Dự án điện gió Mũi Dinh 37,6 MW và Dự án điện gió Phúc Liên 48 MW.
Ngồi ra, Việt Nam cũng đang triển khai nhiều dự án điện gió lớn khác, bao gồm Dự
án điện gió Sơng Hậu 1 (127 MW), Dự án điện gió Bình Định 82 MW, và Dự án điện
gió Hà Tĩnh 400 MW.
Nói chung, tình hình phát triển năng lượng gió tại Việt Nam cho thấy rằng đây
là một ngành cơng nghiệp mới và tiềm năng để đóng góp vào việc đáp ứng nhu cầu
năng lượng của đất nước. Tuy nhiên, còn nhiều thách thức cần được vượt qua. Để phát
triển năng lượng gió tại Việt Nam, cần có sự đầu tư về cơ sở hạ tầng, nhất là các trạm
biến áp và mạng lưới điện. Ngoài ra, cần đơn giản hóa thủ tục đầu tư, tăng cường giám
sát và quản lý chất lượng dự án để đảm bảo tính bền vững và hiệu quả cho các dự án
điện gió.


1.3.

Những thách thức trong phát triển năng lượng gió ở Việt Nam.

Để phát triển năng lượng gió tại Việt Nam, các nhà đầu tư và các chuyên gia
phải đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức quan trọng nhất đó là
thiếu hạ tầng kỹ thuật và hệ thống lưới truyền tải điện phù hợp. Việc xây dựng các
cơng trình phát điện gió địi hỏi sự hỗ trợ của các hạ tầng kỹ thuật, bao gồm đường
dây truyền tải điện và các trạm biến áp. Tuy nhiên, hiện tại, hệ thống lưới truyền tải
điện tại Việt Nam vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu của các dự án điện gió, gây khó
khăn trong việc triển khai các dự án này.

Thách thức tiếp theo đó là chi phí đầu tư ban đầu cao. Việc xây dựng các cơng
trình điện gió địi hỏi một khoản đầu tư lớn, đặc biệt là trong giai đoạn đầu, khi các dự
án còn trong giai đoạn khởi động. Chi phí đầu tư cao đã gây khó khăn cho các nhà đầu
tư trong việc tìm kiếm nguồn vốn. Bên cạnh đó, các đối tác tài chính thường yêu cầu
các định chế chính phủ và các cơ quan tài chính đảm bảo quyết định đầu tư và tài trợ.
Thách thức thứ ba là các thủ tục phê duyệt chậm chạp và phức tạp. Việc xây
dựng các dự án điện gió địi hỏi sự phê duyệt của nhiều cơ quan chức năng, từ cấp địa
phương đến cấp trung ương. Quá trình phê duyệt này thường rất phức tạp và tốn nhiều
thời gian, đôi khi kéo dài đến nhiều năm. Điều này đã gây khó khăn cho các nhà đầu
tư và làm chậm quá trình triển khai các dự án năng lượng gió. Vì vậy, việc tối ưu hóa
q trình phê duyệt cần được quan tâm và đẩy mạnh hơn.
Cuối cùng, một trong những thách thức khác đối mặt trong phát triển năng
lượng gió tại Việt Nam là tình trạng thất thốt điện năng.Tình trạng thất thốt điện
năng là một vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực điện lực.
Thất thoát điện năng khiến cho lượng điện sản xuất ra không đủ để đáp ứng nhu cầu
của người dân và các doanh nghiệp. Điều này đặc biệt ảnh hưởng đến việc triển khai
các dự án năng lượng gió, vì đa số các khu vực sản xuất điện gió nằm ở các vùng nông
thôn, xa trung tâm điện lực, dẫn đến tỷ lệ thất thoát điện năng cao.
Tổng thể, phát triển năng lượng gió tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách
thức, nhưng cũng có tiềm năng lớn để phát triển trong tương lai. Việc tận dụng tiềm
năng gió của đất nước sẽ giúp đảm bảo nguồn cung cấp điện năng sạch và ổn định,
góp phần giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường và giảm thiểu chi phí nhập khẩu năng lượng.

Hình 1.1. Biểu đồ thành phần điện trong toàn hệ thống năm 2021 và 2022


1.4.

Các giải pháp để phát triển năng lượng gió tại Việt Nam.

Việt Nam là một trong những quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng gió
lớn. Tuy nhiên, để khai thác được tiềm năng này thì cần phải đưa ra những giải pháp
phù hợp. Dưới đây là một số giải pháp để phát triển năng lượng gió tại Việt Nam.
Để nâng cao cơ sở hạ tầng cho phát triển năng lượng gió, cần đầu tư vào hệ
thống lưới truyền tải điện. Hiện nay, hệ thống này vẫn còn hạn chế, đặc biệt là ở
những vùng nơng thơn. Vì vậy, cần đưa ra các kế hoạch đầu tư để nâng cao hệ thống
này, đồng thời cũng cần cải thiện khả năng kết nối với các khu vực khác.
Thúc đẩy sự phát triển công nghiệp sản xuất các thiết bị năng lượng gió là một
giải pháp quan trọng. Hiện nay, Việt Nam vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu các thiết bị
này từ nước ngoài. Để giảm thiểu sự phụ thuộc này, cần tăng cường đầu tư vào nghiên
cứu và phát triển, cùng với việc thúc đẩy các doanh nghiệp trong nước sản xuất các
thiết bị này.
Các thủ tục phê duyệt, cấp phép và giám sát cũng cần được đơn giản hóa. Hiện
nay, q trình này vẫn cịn chậm chạp và phức tạp, gây khó khăn cho các doanh
nghiệp muốn đầu tư vào phát triển năng lượng gió. Đơn giản hóa quy trình này sẽ giúp
tăng cường sự đầu tư từ các doanh nghiệp và giúp tăng sản lượng năng lượng gió.
Cuối cùng, cần tăng cường hợp tác địa phương và tuyên truyền giáo dục cộng
đồng. Việc này giúp tạo sự đồng thuận trong việc triển khai các dự án năng lượng gió,
đồng thời giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực đến mơi trường. Cần xây dựng các
chương trình tun truyền về lợi ích của năng lượng gió, đồng thời tạo điều kiện cho
địa phương được hưởng lợi từ các dự án này.
Tổng hợp lại, để phát triển năng lượng gió tại Việt Nam, cần có sự đồng tâm và
nỗ lực chung từ cả chính phủ, các doanh nghiệp, cộng đồng và các tổ chức quốc tế.
Tập trung vào việc nâng cao cơ sở hạ tầng, thúc đẩy sự phát triển cơng nghiệp sản
xuất thiết bị năng lượng gió, đơn giản hóa các quy trình phê duyệt, cấp phép và giám
sát, và tăng cường hợp tác địa phương và tuyên truyền giáo dục cộng đồng. Chỉ khi
các vấn đề này được giải quyết thì năng lượng gió có thể trở thành một nguồn năng
lượng thay thế đáng tin cậy và bền vững cho Việt Nam, đóng góp vào việc giảm thiểu
ơ nhiễm mơi trường và giảm thiểu chi phí năng lượng cho người dân.

Chương 2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động.
2.1.

Giới thiệu về máy phát điện sức gió.

Tuabin gió (windturbine) là thiết bị dùng để biến đổi động năng của gió thành
cơ năng. Có hai loại turbine gió là turbine gió trục đứng và turbine gió trục ngang.
Trong đó tuabin gió trục ngang phổ biến hơn và tạo ra được nhiều năng lượng hơn.

Hình 2.1. Turbine gió trục đứng (trái) và trục ngang (phải)
Thành phần chính của một hệ thống turbine gió gồm có: Cánh quạt, hộp số (hộp
đổi tốc), máy phát và bộ biến đổi điện năng.

2.2.

Mơ hình cấu trúc cơ bản của hệ thống Turbine gió.

Hình 2.2. Mơ hình cấu trúc của turbine gió
Các thành phần của một hệ thống turbine gió được thể hiện trên hình 2.2. Trong
đó:


-

Pi
tc
h:
B
ộ

p
h
ậ
n
h
ỗ
tr
ợ
b
ả
o
v
ệ
cá
n
h
q
u
ạt
v
à
ro
to
r
tr
o
n
g
đi
ề

u
ki
ệ
n
g
ặ
p
gi
ó
lớ
n.
N

-

-

-

gồi ra, pitch cịn giúp tạo nên nguồn điện năng ổn định đạt hiệu suất cao nhất
(không quá cao hoặc quá thấp) khi quay trong gió.
Rotor: Là thiết bị gắn liền với cánh quạt giúp tạo ra điện năng. Chúng sẽ hoạt
động dựa theo nguyên tắc nâng: Khi xuất hiện luồng gió đi qua dưới cánh quạt
sẽ khiến khơng khí tạo nên áp suất cao. Song song đó, phía trên cánh quạt cũng
sẽ tạo nên lực kép làm rotor quay.
Blades: Thuộc bộ phận cánh quạt của tuabin gió, kết hợp với trục động cơ
tuabin để quay hoặc chuyển động tạo năng lượng.
Brake: Là phanh (bộ hãm), dùng để dừng rotor trong những tình trạng khẩn cấp.
Low-speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ thấp của máy phát.
High-speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ cao của máy phát.

Gearbox (hộp số): Bộ phận kết nối chuyển động quay của rotor với máy phát
điện để sinh ra năng lượng điện. Được đặt giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ
cao để gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút lên khoảng 1200
đến 1500 vòng/phút, đây là tốc độ quay mà hầu hết các máy phát cần để sản
sinh ra điện năng.
Generator (máy phát): Là máy phát điện cảm ứng để tạo ra điện năng.
Yaw drive: Giúp định hình rotor ln hướng về chiều có xuất hiện nguồn gió
chính.
Yaw motor: Động cơ giúp cho thiết bị yaw drive định hình được hướng gió một
cách chính xác.
Controller: Bộ phận điều khiển chính của tuabin gió.
Anemometer: Bộ phận đo lường tốc độ gió. Thực hiện nhiệm vụ truyền tốc độ
gió đến bộ phận điều khiển (controller)
Wind vane: Hỗ trợ xử lý hướng gió và kết hợp cùng yaw drive để định hình
tuabin gió.
Nacelle: Là lớp vỏ của tuabin gió, lớp vỏ này giúp bảo vệ các thiết bị bên trong
thật cẩn thận.
Tower: Trụ đỡ Nacelle, có chất liệu chính được làm từ thép. Khi trụ càng cao sẽ
hỗ trợ thu về năng lượng gió càng nhiều, từ đó tạo ra dịng điện lớn hơn.


2.3.

Các tầng điều khiển của hệ thống turbine gió.

Hình 2.3. Các tầng điều khiển của hệ thống
2.3.1. Tầng điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất.
Bao gồm hai cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng, điều khiển năng lượng phía
máy phát và phía lưới. Với hệ thống turbine gió sử dụng máy phát DFIG thường sử
dụng bộ biến đổi kiểu back-to-back gồm một bộ biến đổi AC-DC nối với một bộ biến

đổi DC-AC.

Hình 2.4. Sơ đồ bộ biến đổi kiểu back-to-back
2.3.2. Tầng điều khiển turbine gió.
Cấu trúc điều khiển turbine với chức năng điều khiển góc cánh và điều khiển tốc
độ quay.
Điều khiển góc cánh quạt (pitch angle control): Công suất đầu ra được điều khiển
bằng cách thay đổi góc nghiêng của cánh quạt. Góc nghiêng được điều khiển thông qua


áp lực dầu. Sử dụng trong trường hợp tốc độ gió trên định mức để điều khiển cơng
suất ra ln ở định mức của hệ thống.
2.3.3. Tầng điều khiển giám sát.
Turbine gió có thể làm việc trong những điều kiện khơng thể đốn trước, ảnh
hưởng tiêu cực đến việc vận hành vì vậy việc giám sát và điều khiển vận hành hệ
thống cần được xem xét và quan tâm một cách tỉ mỉ.

Hình 2.5. Mạng điều khiển giám sát hệ thống turbine gió.


Chương 3. Mơ hình toán học của hệ thống.
3.1.

Mơ hình hóa Windturbine.

Cơng suất của luồng khơng khí được tính theo công thức sau:
𝜕𝐸𝑘 1 𝜕𝑚
1
1
𝑃 =

=
𝑉 2 = (𝜌𝐴𝑉 )𝑉 2 = 𝜌𝐴𝑉3
𝑊
𝑊 𝑊
𝑊
𝜕𝑡
2 𝜕𝑡 𝑊
2
2
Trong đó:
𝜌: mật độ khơng khí (𝑘 𝑔/𝑚 3).

(3.1)

𝐴: diện tích qt bởi cánh quạt khi quay (𝑚 2).
𝑉𝑊 là tốc độ gió (𝑚 /𝑠).
Cơng suất thực tế turbine nhận được đặc trưng bởi hệ số công suất 𝐶𝑝 (phụ thuộc
vào tỷ số giữa cánh quạt và tốc độ gió, góc pitch):
1
𝑃 = 𝜌𝜋𝑅 2𝑉 3
(𝜆,, 𝛽))
(3.2)
𝐶
𝑊 𝑝

𝑊

Trong đó:

2

𝜆,: tỷ số giữa cánh quạt và tốc độ gió.
𝛽): góc pitch.
𝑅: bán kính cánh quạt (m).

Nếu 𝜔𝑟 là tốc độ rotor thì 𝜆, (Tip speed ratio - TSR) được tính bằng cơng thức:
𝜔𝑟 × 𝑅
𝜆, =
𝑉

(3.3)

𝑊

Hệ số cơng suất 𝐶𝑝 được tính bởi:
−𝐶6
𝐶2
𝑥
(
)
− 𝐶5) 𝑒 𝜆,𝑖
𝐶
×𝐶
𝛽) 3 × 𝛽) − 𝐶4
( 𝑝 𝜆,, 𝛽) = 𝐶1 𝜆,𝑖 −
1
1
0.035
=
−
𝜆,𝑖 𝜆, + 0.08𝛽) 1 + 𝛽)3

Trong đó 𝐶1, 𝐶2, 𝐶3, 𝐶4, 𝐶5, 𝐶6 là các hằng số của động cơ cho trước.

(3.4)

Từ công thức trên ta thấy hệ số công suất 𝐶𝑝 đạt cực đại khi 𝛽) = 0°. Nếu tỷ số
tốc độ 𝜆, được giữ ở giá trị tối ưu 𝜆,𝑜𝑝 𝑡 , thì hệ số công suất cực đại 𝐶𝑝 𝑚 𝑎𝑥 = 𝐶𝑝 (𝜆,𝑜𝑝 𝑡 ).
Khi đó ta có tốc độ rotor tối ưu:
𝜔𝑟 𝑜𝑝 𝑡

=

𝜆,𝑜𝑝 𝑡 ×
𝑉𝑊
𝑅

(3.5)


Hình 3.1. Mơ hình hóa windturbine trong MATLAB Simulink

3.2.

Mơ hình hóa DFIG.

Giả thuyết rằng các cuộn stator và rotor được bố trí một cách đối xứng về mặt
khơng gian, dây quấn stator và rotor được kết nối hình Y-Y. Khe hở khơng khí đồng
nhất. Bỏ qua tổn hao dịng rị và sắt từ. Hiện tượng móc vịng từ thơng chỉ xảy ra với
sóng hài cơ bản. Hệ phương trình thu được trên cơ sở sóng cơ bản của các đại lượng
dịng, áp và từ thơng. Ta có phương trình:
𝑉𝑎𝑠

𝐼𝑎𝑠
𝜓𝑎𝑠
𝑅𝑠 0 0
𝑑
[𝑉𝑏𝑠] = [ 0 𝑅𝑠 0 [𝐼𝑏𝑠] + [𝜓𝑏𝑠 ]
(3.6)
𝑉𝑐𝑠
0 0 ] 𝐼𝑐𝑠
𝑑𝑡 𝜓𝑐𝑠
𝑅𝑠
𝜓𝑎𝑟
𝐼𝑎𝑟
0
𝑑
0 [𝐼𝑏𝑟 ] +
𝑑𝑡
] 𝐼𝑐𝑟
𝜓𝑐𝑟
𝑅𝑟
Từ thông stator và rotor như một hàm của dòng điện được cho là:
𝜓𝑎𝑠
𝐿𝑠 𝑀𝑠 𝑀𝑠 𝐼𝑎𝑠
𝐼𝑎𝑟
[𝜓𝑏𝑠] = [𝑀𝑠 𝐿𝑠 𝑀𝑠] [𝐼𝑏𝑠] + [𝑀𝑠𝑟 ] [𝐼𝑏𝑟 ]
𝑀𝑠 𝑀𝑠 𝐿𝑠 𝐼𝑐𝑠
𝐼𝑐𝑟
𝜓𝑐𝑠
𝐼𝑎𝑠
𝜓𝑎𝑟
𝐿𝑟 𝑀𝑟 𝑀𝑟 𝐼𝑎𝑟

𝐿𝑟 𝑀𝑟 ] [𝐼𝑏𝑟 ] + [𝑀𝑠𝑟 ] [𝐼𝑏𝑠]
[𝜓𝑏𝑟 ] =
𝐼𝑐𝑠
[𝑀𝑟
𝑀𝑟 𝐿𝑟 𝐼𝑐𝑟
𝑀𝑟
𝜓𝑐𝑟
𝑉𝑎𝑟
𝑅𝑟 0
[ 𝑉𝑏𝑟 ] = [ 0 𝑅𝑟
[𝜓𝑏𝑟
𝑉𝑐𝑟 ]
0 0

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Trong đó: đại lượng đặc trưng có chỉ số dưới s và r lần lượt là stator và rotor.
Các vector điện áp [𝑉𝑎𝑠 𝑉𝑏𝑠 𝑉𝑐𝑠]𝑇, [𝑉𝑎𝑟 𝑉𝑏𝑟 𝑉𝑐𝑟 ]𝑇 và các vector dòng điện
[𝐼𝑎𝑠 𝐼𝑏𝑠 𝐼𝑐𝑠 ]𝑇, [𝐼𝑎𝑟 𝐼𝑏𝑟 𝐼𝑐𝑟 ]𝑇. 𝜑 là từ thông, R là điện trở, 𝐿𝑠 và 𝐿𝑟 là độ tự cảm stator
và rotor. 𝑀𝑠 và 𝑀𝑟 là cảm kháng giữa các pha stator và rotor.
Ta xét mơ hình trong hệ trục d-q tương đương của DFIG:


Hình 3.2. mơ hình trong hệ trục d-q tương đương của DFIG
Trong đó:

𝑣𝑠𝑑 , 𝑣𝑠𝑞, 𝑣𝑟 𝑑 , 𝑣𝑟 𝑞 là điện áp stator và rotor trong hệ trục d-q.
𝑖𝑠𝑑 , 𝑖𝑠𝑞 , 𝑖𝑟 𝑑 , 𝑖𝑟 𝑞 là dòng điện stator trong hệ trục d-q.
𝑅𝑠, 𝑅𝑟 , 𝜔𝑠, 𝜔𝑟 là điện trở và tốc độ góc stator, rotor.
𝜓𝑠𝑑 , 𝜓𝑠𝑞 , 𝜓𝑟 𝑑, 𝜓𝑟 𝑞 là từ thông stator và rotor trong hệ trục d-q.
𝐿𝑠𝑠 , 𝐿𝑚 , 𝐿𝑟 𝑟 là điện cảm stator, điện cảm từ hóa và điện cảm rotor.

Phương trình điện áp stator và rotor trong hệ trục d-q như sau:
𝑑𝜓𝑠𝑑
𝑣𝑠𝑑 = 𝑅𝑠 𝑖𝑠𝑑 +
− 𝜔𝑠𝜓𝑠𝑞
{
𝑑𝑡𝑠𝑞
𝑑𝜓
𝑣 =𝑅𝑖 +
+𝜔𝜓
𝑠𝑞
𝑠 𝑠𝑞
𝑠 𝑠𝑑
𝑑𝑡
𝑑𝜓𝑟 𝑑
𝑣𝑟 𝑑 = 𝑅𝑟 𝑖𝑟 𝑑 +
− 𝜔𝑟 𝜓𝑟 𝑞
{
𝑑𝑡𝑟 𝑞
𝑑𝜓
𝑣 =𝑅𝑖 +
+𝜔𝜓
𝑟 𝑞
𝑟 𝑟 𝑞
𝑟 𝑟 𝑑

𝑑𝑡
Phương trình từ thông trong hệ trục d-q như sau:
𝜓𝑠𝑑 = 𝐿𝑠𝑠 𝑖𝑠𝑑 + 𝐿𝑚 𝑖𝑟 𝑑 ; 𝜓𝑠𝑞 = 𝐿𝑠𝑠 𝑖𝑠𝑞 + 𝐿𝑚 𝑖𝑟 𝑞
𝜓𝑟 𝑑 = 𝐿𝑚 𝑖𝑠𝑑 + 𝐿𝑟 𝑟 𝑖𝑟 𝑑 ; 𝜓𝑟 𝑞 = 𝐿𝑚 𝑖𝑠𝑞 + 𝐿𝑟 𝑟 𝑖𝑟 𝑞
Trong đó:

(3.10)

(3.11)

(3.12)
(3.13)

𝐿𝑠𝑠 = 𝐿𝑚 + 𝐿𝑠 và 𝐿𝑟 𝑟 = 𝐿𝑚 + 𝐿 𝑟 .

Biểu thức momen điện từ của DFIG được biểu diễn bởi:
3𝑝 𝐿𝑚 (𝜓
𝑇 =
−𝜓 𝑖 )
�
�
𝑒 𝑚
𝑠𝑞 𝑟 𝑑
𝑠𝑑 𝑟 𝑞
2 𝐿𝑠𝑠

(3.14)

Với 𝑝 là số cặp cực.
Công suất tác dụng và cơng suất phản kháng phía stator được biểu diễn bởi công thức:

3
𝑃𝑠 =

2
3

(𝑣𝑠𝑑 𝑖𝑠𝑑 + 𝑣𝑠𝑞 𝑖𝑠𝑞 )

(3.15)

(3.16)
(𝑣 𝑖 − 𝑣𝑠𝑑 𝑖𝑠𝑞 )
2 𝑠𝑞 𝑠𝑑
Bộ biến đổi phía rotor được điều khiển trong hệ trục d-q đồng bộ, với trục d được
định hướng dọc theo vị trí vector từ thơng stator. Bằng cách này có thể điều khiển tách
rời cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của stator. Ảnh hưởng của điện trở
stator có thể được bỏ qua và từ thơng stator có thể được giữ khơng đổi khi stator được
kết nối với lưới điện.
𝑄𝑠 =

Với 𝑣𝑠𝑞 = 0, 𝑣𝑠𝑑 ≈ −𝜔𝑠𝜓𝑠𝑞 và 𝜓𝑠𝑑 ≈ 0 thay vào (3.12) ta có mối quan hệ giữa
dịng điện stator và dịng điện rotor từ đó có:
3 𝐿𝑚
𝑣𝑠𝑑 �
𝑃𝑠 = −
2 𝑠𝑠 �
(3.17)
𝑟 ��

3 𝑣2 𝐿 3
𝐿𝑚
𝑣𝑠𝑑
𝑄𝑠
𝑠𝑑
𝑖
= 2 𝜔𝑠𝐿𝑠𝑠+ 2
𝐿 𝑟 𝑞
𝑠𝑠

Điện áp rotor ở trạng thái ổn định:
𝑣

=𝑅𝑖
𝑟 𝑑

𝑟 𝑟 𝑑

𝑑𝑖𝑟 𝑑

+ 𝜎𝐿
𝑟 𝑟

− (𝜎𝜔 𝐿

��
𝑑𝑡

𝐿𝑚 𝜓 )

+
𝜔

𝑟 𝑟 𝑟 𝑟 𝑞

𝑑𝑖𝑟 𝑞

𝑟

𝐿𝑠𝑠

𝑠𝑞

(3.18)

𝑣𝑟 𝑞 = 𝑅𝑟 𝑖𝑟 𝑞 + 𝜎𝐿𝑟 𝑟

{

+ 𝜎𝜔𝑟 𝐿𝑟 𝑟 𝑖𝑟 𝑑
𝑑𝑡
Trong đó: 𝜎 = (𝐿𝑟 𝑟 − ) là hệ số rò rỉ của máy phát.
𝐿2𝑚

𝐿𝑠𝑠

Từ biểu thức (3.17) ta thấy, công suất tác dụng của stator được điều khiển bởi 𝑖𝑟 𝑑 trong
khi 𝑖𝑟 𝑞 điều khiển cống suất phản kháng. Tuy nhiên với MPPT, DFIG sẽ mang lại công
suất tác dụng tối đa cho lưới/tải. Biểu thức momen (3.14) trở thành:
3𝑝 𝐿𝑚 𝜓

𝑇 =
(3.19)
� �
𝑒 𝑚
2 𝐿𝑠𝑠 𝑠𝑞 𝑟 𝑑


3.3.

Thuật toán MPPT.

a) Tổng quan
Theo dõi điểm công suất tối đa (Maximum Power Point Tracking – MPPT) là một
công nghệ đặc biệt có thể áp dụng để tạo ra nguồn năng lượng tốt hơn từ các turbine
gió và module năng lượng mặt trời PV trong các trường hợp khác nhau. Như vậy, bản
chất của MPPT là theo dõi điểm năng lượng tối đa hoạt động bằng cách điều chỉnh trở
kháng để giữ cho hệ thống hoạt động ở gần với điểm công suất cực đại của Turbine
trong các điều kiện khác nhau như sự thay đổi của tốc độ gió,…
MPPT có nhiều kỹ thuật điều khiển như thuật tốn nhiễu loạn quan sát P&O, điều
khiển tốc độ đầu cánh TSR, điều khiển tối ưu – mối qun hệ - cơ sở ORBC,…Trong
các thuật tốn nêu trên thì thuật tốn TSR) là thuật toán tương đối đơn giản, trực quan
nhất.
b) Nguyên lý
Theo cách này, tốc độ gió được đo lường liên tục. Trên cơ sở dữ liệu gió đo được,
tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu λ theo từng giá trị tốc độ gió và do đó có
thể đạt cơng suất đầu ra tối ưu. Q trình điều khiển được dựa vào đường cong cơng
suất tuabin hình 3.4.

Hình 3.3. Sơ đồ windturbine
Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn tốc độ gió định mức thì cơng suất phát ra nhỏ hơn

công suất danh định, tốc độ rotor được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc
gió để giữ cho λ bằng hằng số tương ứng với giá trị cực đại của Cp . Vùng làm việc
này được gọi là miền Cp cực đại. Các phương trình dưới đây thể hiện mối quan hệ
giữa tốc độ rotor với tốc độ gió thơng qua các hệ số ropt của turbine.
𝜆,𝑜𝑝 𝑡
=

𝑘
𝑜𝑝 𝑡

1

=

×𝐶

2

𝑝 𝑜𝑝 𝑡

𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡×𝑅
𝑉

×
×𝜌×𝐴

(

𝑃𝑤𝑜𝑝 𝑡 = 𝑘 𝑜𝑝 𝑡 × (𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡)3

𝑅
𝜆,𝑜𝑝 𝑡

)

3

(3.20)


Hình 3.4. Đồ thị cơng suất – tốc độ
Ta thấy rằng công suất của động cơ DFIG theo công thức (3.15), (3.16) được điều
khiển bởi các dòng điện 𝑖𝑠𝑞 , 𝑖𝑠𝑑 . Như vậy để thuận lợi cho việc điều khiển công suất
động cơ DFIG ta thiết kế so sánh 𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡 tìm được thơng qua phương pháp TSR và tốc độ
quay thực tế của roto chuyển thành momen cơ 𝑇𝑤𝑜𝑝 𝑡 thông qua một bộ PI đơn giản với
cốt lõi là phương trình ()
𝑇
𝑤𝑜𝑝 𝑡

= 𝑃𝑤𝑜𝑝 𝑡 = 𝑘
2
𝑜𝑝 𝑡 𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡
𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡

(3.21)

Từ 𝑇𝑤𝑜𝑝 𝑡 xác định được ở trên ta có thể xác định được dịng điện 𝑖𝑟 𝑞 thơng qua phương
trình
𝑇𝑒 𝑚 = 3𝑝 𝐿𝑚
𝜓 𝑖

2 𝐿𝑠𝑠 𝑠𝑞 𝑟 𝑑

(3.22)


3.4.

Mơ hình hóa tải.

Sử dụng mơ hình tải phi tuyến

Hình 3.5. Mơ hình hóa tải phi tuyến trong MATLAB Simulink
Tải phi tuyến là loại tải mà dòng điện và điện áp không cùng pha, dẫn đến tạo ra các
thành phần khơng tuần hồn trong hệ thống điện.
Các loại tải phi tuyến phổ biến bao gồm bộ chỉnh lưu (rectifier), bộ nghịch đảo
(inverter), tải điện trở khơng tuyến tính, tải điện dung khơng tuyến tính và tải cảm
khơng tuyến tính. Với đề tài nay, nhóm em chọn sử dụng tải phi tuyến sử dụng bộ
chỉnh lưu được nối với tụ và điện trở.


Chương 4. Thiết kế bài toán.
4.1.

Bài toán điều khiển RSC.

4.1.1. Phương pháp điều khiển SOFC.
Điều khiển này đòi hỏi đo lường các đại lượng dòng, áp trên rotor và stator, và xác
định vị trí rotor. Từ thơng stator được thiết lập bởi phương trình:
𝜓𝑠 = ∫(𝑢⃗
�

�⃗⃗𝑠 )𝑑𝑡

𝑠

− 𝑅𝑠

(4.1)

Ảnh hưởng của điện trở stator sẽ được giới hạn và có thể bỏ qua.

Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển RSC
Chọn hệ quy chiếu dq quay đồng bộ với từ thông và trục d định hướng theo từ thơng
stator, do đó.
𝜓𝑑𝑠 = 𝜓𝑠 =
𝐿𝑚 |�
�⃗
⃗𝑚 ⃗𝑠 |

(4.2)

𝜓𝑞𝑠 = 0
Phương trình từ thông rotor trong định hướng từ thông stator:
𝜓
𝑑𝑟

= 𝐿𝑚 2 |𝑖
𝐿𝑠

𝑚 2

| + (𝐿 − 𝐿 ) 𝑖
𝑚 𝑠
𝑟
𝐿𝑠
2
𝑚

𝜓 = (𝐿 − 𝐿 ) 𝑖
𝑟
𝑞𝑟
𝑞𝑟
𝐿𝑠

𝑑𝑟

(4.3)


Phương trình từ thơng stator có thể viết lại như sau:
𝜓𝑑𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑑𝑠 + 𝐿𝑚 𝑖𝑑𝑟 = 𝐿𝑚 |𝑖𝑚 𝑠 |
𝜓𝑞𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑞𝑠 + 𝐿𝑚 𝑖𝑞𝑟 = 0

(4.4)


Với các máy có cơng suất hàng kW trở lên, điện trở Rs nhỏ có thể bỏ qua.
Do đó phương trình điện áp trên stator và rotor được viết lại như sau:
𝑢𝑑𝑠 ≈ 0
𝑢𝑞𝑠 ≈ 𝜔𝑠 𝜓𝑑𝑠 = 𝜔𝑠 𝐿𝑚 |𝑖𝑚 𝑠 | = |𝑉𝑠 |
=𝑅 𝑖

𝑢
𝑑𝑟

=𝑅 𝑖

𝑢
𝑞𝑟

+ (𝐿

𝑟 𝑑𝑟

𝐿2

+ (𝐿
𝑟

𝑟 𝑞𝑟

𝑚
2
−𝐿 ) 𝑑𝑖𝑑𝑟 −
𝜔
𝑟
𝐿𝑠
𝑑𝑡

𝐿𝑠

−

𝑚

𝑑𝑖𝑞𝑟
)

𝑑𝑡

+
𝜔

(

(𝐿
𝑠𝑙𝑖𝑝

𝐿𝑚 2

𝑠𝑙𝑖𝑝

𝐿𝑠

𝑟

|𝑖

2𝑚
−𝐿 )
𝑖

𝐿𝑠

| + (𝐿 −
𝑚 𝑠

(4.5)
𝑞𝑟

𝐿2

𝑚

) 𝑖 )

𝑟

𝑑𝑟

𝐿𝑠

Phương trình cơng suất stator trong định hướng từ thông stator:
3
𝐿𝑚
3
𝑃 =3 ��
(𝑖
= − |𝑉 |
𝑖
+
𝑖 )� = 𝑢

𝑢
�
𝑠

2

𝑑𝑠 𝑑𝑠

𝑞𝑠 𝑞𝑠

2

𝑄 =3 ��
(𝑖

−
𝑖 )� = 3 𝑢
𝑢
�
𝑞𝑠 𝑑𝑠
𝑑𝑠 𝑞𝑠
𝑠
2
2 𝑞𝑠 𝑑𝑠
Phương trình momen điện từ:
𝑇
�
� = 3 𝑝 (𝜓
−
) = 3 𝑝 𝜓

�
� 𝜓 � �
𝑒

2

𝑑𝑠 𝑞𝑠

𝑞𝑠 𝑑𝑠

2

𝑞𝑟

2 𝑠 𝐿𝑠
3
𝐿𝑚
−𝑖 )
|𝑉
(
= 𝑠 | |𝑉 |
𝑑𝑟
2 𝑠 𝐿𝑠 𝜔𝑠𝐿𝑚

𝑞𝑠 𝑞𝑠

𝑑𝑠

3 |𝑉𝑠 | 𝐿𝑚 𝑖
𝑞𝑟

𝑝
𝑞𝑠 = −
2 𝜔𝑠 𝐿𝑠

(4.6)

(4.7)

Nhận xét :
Từ phương trình (4.6) và (4.7), ta thấy rằng moment và cơng suất tác dụng phụ thuộc
vào dịng điện 𝑖𝑞𝑟 , trong khi đó cơng suất phản kháng phụ thuộc vào dịng 𝑖𝑑𝑟 . Vì vậy
𝑖𝑑𝑟 và 𝑖𝑞𝑟 là các đại lượng điều khiển công suất và momen. Do đó ta có thể sử dụng thành
phần dịng điện để điều khiển độc lập cơng suất tác dụng và công suất phản kháng.