Mô phỏng bộ điều khiển góc nghiêng và hệ thống tạo gió dựa trên PMSG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO CUỐI KỲ: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN GĨC NGHIÊNG
VÀ HỆ THỐNG TẠO GIÓ DỰA TRÊN PMSG
GVHD: TS. NGUYỄN THỊ MI SA
SVTH:

Khóa: 2020
Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng năm 2023



MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................2
1.1 Đặt vấn đề........................................................................................................2
1.2 Mục tiêu đề tài.................................................................................................2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
GIĨ
........................................................................................................3
2.1 Ngun lí hoạt động của hệ thống....................................................................3
2.2 Hình ảnh và thơng số Tuabin gió trong matlab................................................3
2.3 Công suất đầu ra của tuabin.............................................................................5
2.4 Hệ thống truyền động.......................................................................................6
2.5 Khối PMSM (Permanent Magnet Synchronous Machine)...............................7
2.6 Bộ điều khiển góc............................................................................................7

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK...........9
3.1 Sơ đồ mơ phỏng...............................................................................................9
3.2 Dạng sóng điện áp, dịng điện, tốc độ góc, cơng suất của PMSG....................9
3.3 Dạng sóng dịng điện và điện áp sau khi phóng to.........................................10
3.4 Dạng sóng momen điện từ và tốc độ góc của PMSG.....................................10
3.5 Dạng sóng bộ điều khiển góc.........................................................................11
3.6 Nhận xét.........................................................................................................11
KẾT LUẬN.............................................................................................................12

1


CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và
được xem là nguồn năng lượng tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng thông
thường khác để sản xuất điện. Nguồn năng lượng từ gió hiện đang là đối tượng
nghiên cứu và nó cũng sẽ giúp giảm thiểu tác động của hiện tượng nóng lên tồn
cầu. Hệ thống điện gió hiện nay có rất nhiều loại. Một số loại hệ thống được kết nối
với lưới điện và một số khác kết nối độc lập với hệ thống tải. Điều này được chia ra
phụ thuộc vào mục đích sử dụng năng lượng gió. Năng lượng gió được chuyển đổi
thành năng lượng điện thơng qua Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (Wind
Energy Conversion System - WECS). WECS bao gồm Tua bin gió, bộ truyền động,
máy phát điện và bộ chuyển đổi điện năng. Có một số loại máy phát điện được sử
dụng trong q trình chuyển đổi như Máy phát điện kích từ (Induction Generator IG), Máy phát điện kích từ song song (Double Fed Induction Generator - DFIG) và
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous
Generator - PMSG). PMSG được sử dụng rộng rãi trong WECS vì tính hiệu quả và

khả năng kiểm sốt cao của nó. Ngày nay, các vật liệu nam châm vĩnh cửu với
cường độ trường cưỡng bức cao, khả năng chịu nhiệt cao và tính chất kinh tế khiến
nó trở thành sản phẩm được săn đón cho việc sản xuất năng lượng gió. Mơ hình đề
xuất của WECS dựa trên PMSG bao gồm một tuabin gió, hệ thống truyền lực,
PMSG và khối điều khiển.
1.2 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra một hệ thống tuabin gió sử dụng máy
phát điện từ dựa trên PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) thơng qua
việc điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt để duy trì giá trị khơng đổi. Phương pháp
này sẽ giúp điều khiển cơng suất đầu ra của PMSG một cách chính xác và ổn định
hơn, đồng thời tăng cường hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Để mô phỏng và
chứng minh tính khả thi của phương pháp thiết kế và điều khiển này, chúng tôi sử
dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mơ hình. Kết quả mơ phỏng sẽ minh
chứng cho tính ổn định của mơ hình và hiệu quả của phương pháp đề xuất.

2


CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI
NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 Ngun lí hoạt động của hệ thống

2.2 Hình ảnh và thơng số Tuabin gió trong matlab

3








Chú thích của thơng số trên:
Nominal mechanical output power (W): Công suất cơ học định mức với đơn
vị là W
Base power of the electrical generator (VA): Công suất cơ bản của máy phát
điện với đơn vị là VA
Base wind speed (m/s): Tốc độ gió với đơn vị (m/s)
Maximum power at base wind speed (pu of nominal mechanical power): Công
suất tối đa ở tốc độ cơ bản
Base rotational speed (p.u. of base generator speed): Tốc độ quay cơ bản
Pitch angle beta to display wind-turbine power characteristics (beta >= 0)
(deg): gốc độ beta hiển thị cơng suất máy phát điện gió

4


Đặc điểm cơng suất của tuabin (với góc nghiêng beta = 0)
Mơ hình này dựa trên các đặc tính năng lượng ở trạng thái ổn định của
tuabin. Độ cứng của hệ thống truyền động là vô hạn và hệ số ma sát và quán tính của
tuabin phải được kết hợp với hệ số ma sát của máy phát điện nối với tuabin.
2.3 Cơng suất đầu ra của tuabin

Trong đó








Pm Cơng suất đầu ra của tuabin (W)
cp Hệ số hiệu suất của tuabin
ρ Mật độ khơng khí (kg/m3)
A Diện tích phần cách quét được của tuabin (m 2)
vwind Tốc độ gió (m/s)
β Góc nghiêng của cánh

5


Với

Các hệ số từ c1 đến c6 là hằng số : c1 = 0,5176, c2 = 116, c3 = 0,4, c4 = 5,
c5 = 21 và c6 = 0,0068.
Trong đó có

λ =(Wr x R)/v)/v
 Wr tốc độ góc của rơto
 R)/v độ dài của cánh quạt
 v tốc độ gió (m/s)
2.4 Hệ thống truyền động

Trong đó:
 Ht là hằng số momen qn tính của tuabin

 wt là tốc độ góc của tuabin gió
 Ts là momen xoắn trục
 Kss là độ cứng trục
 θsta là góc xoắn trục
 wr là tốc độ rôto của máy phát
 Webs là tốc độ cơ sở điện
 Dt hệ số giảm xóc

Từ cơng thức trên ta có mơ hình truyền động như sau:

6


2.5 Khối PMSM ( Permanent Magnet Synchronous Machine )
Nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong máy điện
đồng bộ với ưu điểm là thiết kế rotor đơn giản khơng có cuộn dây
trường, vịng trượt và hệ thống kích từ. PMSG đang trở nên rất phổ
biến vì kích thước nhỏ gọn, mật độ năng lượng cao, độ tin cậy cao
và mạnh mẽ. Mơ hình PMSG trong cơng cụ simulink của matlab:

2.6 Bộ điều khiển góc

Bộ điều khiển góc cánh (Pitch controller) có chức năng thay đổi góc quay
của cánh tuabin tương ứng với từng tốc độ gió khác nhau.
Khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ định mức thì góc quay của cánh tuabin cho
phép thu hết năng lượng từ dịng gió.

7

Khi tốc độ gió cao hơn định mức thì góc cánh tuabin thay đổi nhằm hạn chế
bớt năng lượng tuabin nạp vào nhằm bảo đảm an toàn đối với máy móc thiết bị cơ
khí, bảo vệ máy phát điện và duy trì tốc độ tuabin như định mức.
Khi tốc độ gió tăng cao và vượt xa phạm vi quay của tuabin và góc cánh sẽ
được thay đổi để ngừng tiếp nhận năng lượng từ trường gió.
Nhiệm vụ giữ cố định góc nghiêng cách quạt Beta bằng 0. Bộ điều khiển
được mô phỏng trong Matlab như sau:

8


CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
SIMULINK
3.1 Sơ đồ mơ phỏng

3.2 Dạng sóng điện áp, dịng điện, tốc độ góc, cơng suất của PMSG

9


3.3 Dạng sóng dịng điện và điện áp sau khi phóng to

3.4 Dạng sóng momen điện từ và tốc độ góc của PMSG

10


3.5 Dạng sóng bộ điều khiển góc

3.6 Nhận xét

Từ mơ phỏng trên kết quả cho thấy rằng bằng cách áp dụng phương pháp
kiểm sốt góc nghiêng của cách quạt ln bằng 0. Hiệu quả của hệ thống và độ tin
cậy có thể đạt được ở mức độ tốt. Chất lượng điện năng được đảm bảo tốt và công
suất của PMSG sẽ chỉ phu thuộc vào tốc độ gió.

11


KẾT LUẬN
Qua bài tập trên đã giúp chúng em hiểu hơn về nguyên lý hoạt động của hệ
thống điều khiển góc nghiêng và hệ thống tạo gió dựa trên PMSG
cũng như các khối chức năng. Qua đó có một cái nhìn tổng quan về năng lượng gió
là 1 nguồn năng lượng tự nhiên gần như sạch tuyệt đối và vô tận từ thiên nhiên
mang lại. Tạo dựng một hành trang bổ ích cho con đường trở thành một kĩ sư điện
trong tương lai.

12