Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÕA LƯỚI CHO
MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN
CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: DƯƠNG QUỐC HƯNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI


DUYỆT BAN KHOA ĐT NGƯỜI HƯỚNG HỌC VIÊN
GIÁM HIỆU SAU ĐẠI HỌC DẪN



PGS.TS. Lại Khắc Lãi Dương Quốc Hưng



THÁI NGUYÊN - 2011

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 1 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỤC LỤC
Nội dung Trang
Lời cam đoan -4-
Lời cảm ơn -5-
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt -6-
Danh mục các bảng -8-
Danh mục các hình vẽ và đồ thị -9-
MỞ ĐẦU -14-
1. Tính cấp thiết của đề tài -14-
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn -14-
3. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu -15-
4. Kết cấu của luận văn -15-
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ
NGOÀI NƢỚC -16-
1.1. Tổng quan -16-
1.1.1. Đặt vấn đề -16-
1.1.2. Năng lượng gió -16-
1.1.3. Vài nét về trạm phong điện -18-
1.2. Máy phát điện sức gió (Phong điện) -19-
1.2.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió -19-
1.2.2. Cấu tạo của tuabin phong điện -21-
1.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện -23-
1.3. Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm
ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) -26-
1.3.1. Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng -26-
1.3.2. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG -28-
1.4. Kết luận chƣơng 1 -29-
CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC

GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -30-


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 2 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2.1. Máy điện cảm ứng nguồn kép -30-
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện -30-
2.1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG -32-
2.1.3. Công suất của DFIG -35-
2.1.4. Véctơ không gian -36-
2.1.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không
gian -37-
2.2. Mô tả toán học hệ thống DFIG -37-
2.2.1. Mô tả toán học máy điện DFIG -38-
2.2.2. Mô tả toán học bộ lọc phía lưới -39-
2.2.3. Mô tả toán học bộ DC – Link -40-
2.2.4. Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC) -41-
2.2.5. Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC) -41-
2.3. Từ trƣờng trong hệ thống DFIG -42-
2.3.1. Từ trường của stato -42-
2.3.2. Từ trường của lưới -42-
2.4. Kết luận chƣơng 2 -43-
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -44-
3.1. Tìm hiểu một số phƣơng pháp điều khiển máy phát điện sức gió . -44-
3.1.1. Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu -44-
3.1.2. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ -49-
3.2. Lý thuyết về điều khiển PID -50-
3.2.1. Đặt vấn đề -50-

3.2.2. Lý thuyết về điều khiển PID -51-
3.2.3. Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID -55-
3.2.4. Các hạn chế của điều khiển PID -57-
3.2.5. Ký hiệu thay thế và các dạng PID -58-


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 3 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện cảm ứng DFIG -60-
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát (MSC) -61-
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phía lưới (GSC) -64-
3.4. Kết luận chƣơng 3 -67-
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK –
PLECS VÀ KẾT LUẬN -69-
4.1. Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs -69-
4.2. Mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử dụng công cụ
Matlab – Simulink – Plecs -75-
4.2.1. Các tham số dùng cho mô phỏng -75-
4.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống -75-
4.2.3. Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) -77-
4.2.4. Xây dựng các khối điều khiển phía máy phát (MSC) -81-
4.2.5. Xây dựng các khối điều khiển phía lưới (GSC) -84-
4.3. Kết quả mô phỏng -86-
4.3.1. Khởi tạo quá trình mô phỏng -86-
4.3.2. Kết quả mô phỏng -89-
4.4. Kết luận và kiến nghị -96-
TÀI LIỆU THAM KHẢO -97-

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 4 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Dƣơng Quốc Hƣng
Sinh ngày 30 tháng 7 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện
sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” do thầy giáo PGS.TS Lại
Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn
toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu
sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn


Dƣơng Quốc Hƣng

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 5 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ
và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn
với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng
máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập
cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.
Tác giả luận văn


Dƣơng Quốc Hƣng

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 6 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
U
s
(stator voltage): Điện áp Stato
R
s
(stator resistance): Điện trở Stato
U
r
(rotor voltage): Điện áp Roto
R
r
( rotor resistance): Điện trở Roto
I
s
(stator current): Dòng điện Stato
R
m
(magnetizing resistance): Điện trở từ hoá
I
r
(rotor current): Dòng điện Roto
L
sλ
(stator leakage inductance): Điện cảm Stato
I

Rm
(magnetizing resistance current): Dòng điện từ hoá
L
rλ
(rotor leakage inductance): Điện cảm Roto
Ψs (stator flux): Từ trường Stato
ΨR (rotor flux): Từ trường Roto
ω1 (stator frequency): Tần số dòng điện Stato
L
m
(magnetizing inductance): Điện cảm từ hoá
s (slip): Độ trượt
L
M
: Điện cảm từ hoá
L
σ
≈ L
sλ
+ L
rλ
: Điện cảm khe hở
n
p
: Số đôi cực từ của máy phát
J: Mômen quán tính
T
s
: Mômen trên trục của máy phát


r
là tần số góc của Roto

2
là tần số trượt
T
m
: Mômen cơ khí
T
e
: Mômen điện từ
P
s
: Công suất tác dụng Stato
P
r
: Công suất tác dụng Roto
Q
s
: Công suất phản kháng Stato


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 7 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Q
r
: Công suất phản kháng Roto
P
loss
: Tổn thất công suất

P
mech
: Công suất từ hoá

, , ,
rd rq sd sq
u u u u
Các thành phần điện áp rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq

, , ,
rd rq sd sq
i i i i
Các thành phần dòng rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq

,
rs

Các thành phần véctor từ thông rotor, stator

,
sd sq

Các thành phần từ thông stator thuộc hệ tọa độ dq
Chữ viết tắt
NLG
Năng lượng gió
CL
Chỉnh lưu
NL
Nghịch lưu

ĐCĐB - KTVC
Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
MĐKĐBNK
Máy điện không đồng bộ nguồn kép
MĐĐB - KTVC
Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu
NLPL - NLDI
Nghịch lưu phía lưới
NLMF - NLFDI
Nghịch lưu phía máy phát
PĐSG
Phát điện sức gió
DFIG
Doubly-Fed Induction Generator
AVR
Automatic Voltage Regulator
GSC
Grid Side Converter
MSC
Machine Side Converter
ĐKCTĐ
điều khiển chuyển toạ độ trạng thái
KĐB-RLS
Không đồng bộ Roto lồng sóc
KĐB-RDQ
Không đồng bộ Roto dây quấn
ĐK
Điều khiển
MP
Máy phát

G
Grid



Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 8 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Tên bả ng
Trang
Bảng 2.1
Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG
34
Bảng 3.1
Lựa chọn phương pháp điều chỉnh
55
Bảng 3.2
Tác động của việc tăng một thông số độc lập
56
Bảng 3.3
Phương pháp Ziegler–Nichols
56


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 9 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình
Tên hì nh

Trang
Hình 1.1
Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch
20
Hình 1.2
Bộ nghịch lưu
20
Hình 1.3
Bộ đóng cắt mềm
20
Hình 1.4
Cấu tạo phong điện tua bin gió trục ngang
21
Hình 1.5
Cấu tạo bên trong của một số tuabin gió trong thực tế
22
Hình 1.6
Một trạm phong điện trong thực tế
22
Hình 1.7
Hệ thống kích thích xoay chiều
23
Hình 1.8
Tuabin gió với tốc độ cố định
26
Hình 1.9
Tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực
tiếp giữa stator và lưới
27
Hình 1.10

Tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép
27
Hình 1.11
Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG
28
Hình 1.12
Sơ đồ điều khiển dòng rotor bằng các bộ biến đổi
29
Hình 1.13
Hệ thống máy phát DFIG với bộ Back-to-Back
Converter
29
Hình 2.1
Cấu tạo của phát điện không đồng bộ
30
Hình 2.2
Stato của phát điện không đồng bộ
30
Hình 2.3
Đấu hình sao và đấu hình tam giác Stato của máy phát
31
Hình 2.4
Máy phát điện

32
Hình 2.5
Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG
33
Hình 2.6
Năng lượng trong hệ DFIG khi bỏ qua tổn thất

35


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 10 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 2.7
Nguyên lý của Véctơ không gian
36
Hình 2.8
Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG
37
Hình 2. 9
Sơ đồ thay thế và quy đổi của DFIG trong hệ toạ độ
không gian véctơ
38
Hình 2.10
Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ không gian
véctơ
39
Hình 2.11
Mô hình DC - Link
40
Hình 2.12
Mô hình bộ Grid Side Converter (GSC)
41
Hình 2.13
Mô hình bộ Machine Side Converter (MSC)
41
Hình 2.14
Điện áp lưới và từ trường Stato trong hệ toạ độ dq

a. Từ trường Stato b. Từ trường lưới điện
42
Hình 3.1
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp
máy phát được chỉnh lưu đơn giản
44
Hình 3.2
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp
máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu
thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát
45
Hình 3.3
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC)
46
Hình 3.4
Hệ thống điều khiển góc cánh
46
Hình 3.5
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía máy phát
48
Hình 3.6
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới
48
Hình 3.7
Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy
phát không đồng bộ: Cụm ăc-quy kích từ chỉ cần thiết
khi vận hành ở chế độ ốc đảo

49


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 11 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 3.8
Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K
p
(K
i
và K
d
là hằng
số)
52
Hình 3.9
Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị K
i
(K
p

và K
d
không đổi)
53
Hình 3.10
Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị K
d
(K
p

and K
i

không đổi)
54
Hình 3.11
Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG
60
Hình 3.12
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển phía Roto
62
Hình 3.13
Bộ điều khiển công suất tác dụng
63
Hình 3.14
Bộ điều khiển công suất phản kháng
64
Hình 3.15
Bộ điều khiển tốc độ
64
Hình 3.16
Mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới
65
Hình 3.17
Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link
66
Hình 4.1
Mạch ví dụ RLC
69
Hình 4.2

Mô phỏng mạch bằng Simulink
70
Hình 4.3
Kết quả mô phỏng
70
Hình 4.4
Sơ đồ mạch thể hiện trên PLECS
70
Hình 4.5
Mô hình mô phỏng RLC hoàn chỉnh
70
Hình 4.6
Sơ đồ toàn bộ hệ thống trên Simulink
71
Hình 4.7
Sơ đồ khối Direct Torque Control
72
Hình 4.8
Sơ đồ khối Plecs Circuit
72
Hình 4.9
Kết quả mô phỏng
73
Hình 4.10
Thư viện của Plecs 3.1.3
74
Hình 4.11
Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG
76
Hình 4.12

Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển máy phát điện
77


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 12 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
sức gió DFIG
Hình 4.13
Sơ đồ PLECS mô phỏng hệ thống phát gió sử máy điện
DFIG
78
Hình 4.14
Mô hình bộ biến đổi PWM
79
Hình 4.15
Mô hình thay thế tương đương của bộ PWM
79
Hình 4.16
Mô hình mô phỏng bộ PWM trên Plecs
80
Hình 4.17
Mô hình mô phỏng khối “3ph PQ” trên Plecs
80
Hình 4.18
Sơ đồ Plecs máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG
81
Hình 4.19
Mô hình bộ điều khiển tốc độ trên Simulink
82
Hình 4.20

Mô hình bộ điều khiển công suất trên Simulink
82
Hình 4.21
Bộ điều khiển công suất tác dụng
83
Hình 4.22
Bộ điều khiển công suất phản kháng
83
Hình 4.23
Mô hình bộ điều khiển dòng điện Roto trên Simulink
83
Hình 4.24
Điều khiển dòng điện Roto trục d
84
Hình 4.25
Điều khiển dòng điện Roto trục q
84
Hình 4.26
Mô hình bộ điều khiển điện áp trên Simulink
85
Hình 4.27
Mô hình bộ điều khiển dòng điện phía trên Simulink
85
Hình 4.28
Điều khiển dòng điện trục q (phía lưới)
86
Hình 4.29
Điều khiển dòng điện trục d (phía lưới)
86
Hình 4.30

Mở cửa sổ Model Properties
89
Hình 4.31
Đặt tên cho hàm Callbacks
89
Hình 4.32
Đồ thị công suất phát của máy phát DFIG khi tốc độ gió
thay đổi
90
Hình 4.33
Tốc độ máy phát, công suất phía Stato (Ps, Qs), phía
Roto (Pr, Qr) và công suất phát của hệ thống (P,Q)
91
Hình 4.34
Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện áp Rotor
(Ur) khi Vwind =12m

10.5m/s
92
Hình 4.35
Dòng điện Idc, điện áp một chiều Udc và công suất một
chiều Pdc của bộ DC – Link khi Vwind =12m

10.5m/s
92


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 13 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 4.36

Tốc độ máy phát, công suất phía Stato (Ps, Qs), phía
Roto (Qr, Qr) và công suất phát của hệ thống (P,Q) khi
Vwind =10.5m

8m/s
93
Hình 4.37
Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện áp Rotor
(Ur) khi Vwind =10.5m

8m/s
94
Hình 4.38
Dòng điện Idc in, điện áp một chiều Vdc và công suất
một chiều Pdc in của bộ DC – Link khi Vwind
=10.5m

8m/s
94
Hình 4.39
Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện áp Rotor
Ur) khi Vwind=12m

10.5m/s với thời gian mô phỏng
0,06s
96
Hình 4.40
Hình 4.40. Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện
áp Rotor Ur) khi Vwind =10.5m


8m/s với thời gian mô
phỏng 0,06s
96















Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 14 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nguồn năng lượng sạch khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn
năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Việc khai thác năng
lượng sạch có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát
triển bền vững.
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu nhằm sản xuất ra các
nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặt trời và năng lượng gió
[4], [10], [11], [12]. Hệ thống máy phát điện sức gió lợi dụng gió để làm quay
tuabin máy phát tạo ra điện đang được ứng dụng nhiều trong thực tế. Với tuabin gió

tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì hệ thống sẽ cồng
kềnh, tốn kém, do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của tuabin.
Loại tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed
Induction Generator), với Roto dây quấn và Roto được nối với lưới điện thông
qua một bộ back-to-back converter. Còn Stato của DFIG được nối trực tiếp với lưới
điện, điều khiển DFIG thông qua điều khiển bộ back-to-back converter phía Roto.
Vì bộ điều khiển nằm phía Roto nên công suất thiết kế chỉ bằng 1/3 công suất Stato,
dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều.
Việc nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển để điều khiển dòng Rotor cho máy
phát điện nguồn kép đang được chú ý [10], [11]. Đề tài đưa ra phương án: “Thiết kế
bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn
kép DFIG”.
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung phương pháp điều
khiển hòa lưới điện cho máy phát điện sức gió DFIG, trên cơ sở hai vấn đề:
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía Rotor (Rotor side
converter).


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 15 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới (Grid side
converter).
b. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh
hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong
việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng sạch. Ứng dụng tại các
nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng sạch.
3. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu nguồn năng lượng sạch nói chung và năng lượng gió nói riêng:
Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới.
- Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện cảm ứng nguồn
kép DFIG, các phương trình thay thế và mô tả máy điện DFIG.
- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển PID.
- Nghiên cứu thiết bộ điều khiển: Tổng hợp dòng, áp. Đo công suất (P, Q)
của lưới, của máy phát để đưa ra phương pháp điều khiển dòng kích từ Rotor máy
phát DFIG, nhằm ổn định điện áp, tần số, công suất máy phát và phát năng lượng
này lên lưới.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy
điện cảm ứng nguồn kép DFIG trên phần mềm MATLAB – SIMULINK – PLECS
4. Kết cấu của luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Chương 2: Mô hình toán học hệ thống máy phát điện sức gió dùng máy điện
cảm ứng nguồn kép
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện sức gió dùng máy điện
cảm ứng nguồn kép
Chương 4: Mô phỏng hệ thống trên matlab – simulink – plecs và kết luận



Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 16 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG
VÀ NGOÀI NƢỚC
1.1. TỔNG QUAN
1.1.1. Đặt vấn đề
Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải

đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng
lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng
dụng nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo từ gió.
Ưu điểm dễ thấy nhất của các trạm máy phát điện sử dụng sức gió (gọi tắt là
trạm phong điện) là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như
các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với
các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều
kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước. Các trạm phong điện có thể
đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường
dây tải điện.
1.1.2. Năng lƣợng gió
Năng lượng gió (NLG) là việc chuyển đổi gió thành 1 dạng năng lượng hữu
ích, chẳng hạn như sử dụng tua bin gió để tạo điện, cối xay gió cho sức mạnh cơ
khí, máy bơm gió để bơm nước hoặc thoát nước, hoặc buồm để đẩy con tàu
Vào cuối năm 2008, trên toàn thế giới khả năng sản xuất điện của gió là 121,2
GW, khoảng 1,5% điện năng được sử dụng trên toàn thế giới; và đang tăng trưởng
nhanh chóng, tăng gấp đôi trong ba năm từ năm 2005 đến 2008. 1 số nước đã đạt
được mức độ tương đối cao của sự thâm nhập điện gió (với trợ cấp lớn của chính
phủ), như 19% sản xuất điện tĩnh tại Đan Mạch, 13% tại Tây Ban Nha và Bồ Đào
Nha, và 7% tại Đức và Ireland trong 2008. Đến 2009, 80 quốc gia trên khắp thế giới
đang sử dụng năng lượng gió trên cơ sở thương mại.
Những trại gió quy mô lớn được kết nối với các mạng lưới truyền tải điện
năng; các cơ sở nhỏ hơn được sử dụng để cung cấp điện đến các địa điểm bị cô lập.


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 17 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Gió là một nguồn năng lượng có đặc tính ưu việt là có ở tất cả mọi nơi. Song
việc ứng dụng NLG trong các quá trình sản suất là hết sức khó khăn, để nhận được
công suất lớn cần có máy phát điện sức gió kích thước rất lớn. Thêm vào đó là NLG

không ổn định theo thời gian nên khó sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao
thông.
Năng lượng gió ở Việt Nam tuy không phong phú bằng các nước Châu Âu, thế
nhưng dọc bờ biển và hải đảo thì Việt Nam cao nhất so với các nước trong khu vực.
Hiện nay đang xây dựng một số cột đo gió độ cao trên 40 mét; khi đánh giá được thì
mới có thể khai thác. Việt Nam là nước ven biển nên có nhiều vùng gió tiềm năng,
hiện đang có một số dự án của Trung tâm nghiên cứu Năng Lượng Mới thuộc Đại
Học Bách Khoa Hà Nội có thể phát điện hoà vào mạng lưới điện Việt Nam. Căn cứ
việc đo gió họ đã tiến hành một dự án ở Bình Định đầu tiên là 50MW nhưng do khó
khăn về đất nên chỉ thực hiện được 20MW. Tập đoàn Tài chính EurOrient
(“EurOrient”) đã công bố kế hoạch thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo
và sạch hơn tại khu vực miền Bắc Việt Nam, đồng thời dự tính sẽ quyết định đầu tư
125 triệu USD nhằm góp phần phát triển năng lượng điện chạy bằng sức gió. Hoạt
động sản xuất điện bằng sức gió sắp triển khai đang được dự tính xây dựng theo
hình thức “xây dựng - sở hữu - chuyển giao” bởi một nhà sản xuất điện năng độc
lập và sẽ đóng vai trò xúc tác trong việc thúc đẩy đầu tư tư nhân vào ngành điện
Việt Nam. Dự án này sẽ góp phần phát triển các nguồn năng lượng tái tạo của Việt
Nam thông qua việc hỗ trợ tài chính để xây dựng các nhà máy phát điện chạy bằng
sức gió với tổng công suất 125MW, tuy nhiên công suất chính xác cũng như những
vấn đề khác vẫn chưa có được quyết định cuối cùng. Tập đoàn Tài chính EurOrient
cũng sẽ cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và nâng cao năng lực phục vụ việc phát triển sản
xuất điện gió nhằm đẩy mạnh hơn nữa việc sản xuất điện bằng sức gió ở các tỉnh
khác.
Việc nghiên cứu ứng dụng NLG ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm 1970
với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 18 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước về Năng lượng mới và tái tạo nên đã có một số

kết quả sau:
Về máy phát điện sức gió:
- Máy phát điện PD 170- 6, công suất 120W nạp ắcquy của Trường Đại Học
Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh.
- Máy phát điện PH- 500, công suất 500W của Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội.
- Máy WINDCHARGER, công suất 200W nạp ắcquy (theo thiết kế của Mỹ)
do một số cơ quan cải tiến thiết kế chế tạo.
- Máy phát điện gió công suất 150W của Trung tâm nghiên cứu SOLALAB
Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh.
Về động cơ gió bơm nước:
- Máy D- 4 bơm cột nước thấp của Viện năng lượng, Bộ Công Thương.
- Máy D- 3,2 bơm cột nước cao của Viện năng lượng, Bộ Công Thương.
- Các máy PB 380- 10 và 350- 8 bơm cột nước cao do Trường Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh thiết kế, chế tạo
- Máy OASIS bơm cột nước cao (trước đây do hợp tác xã 2- 9 Thành Phố Hồ
Chí Minh cải tiến, thiết kế và chế tạo).
Thời gian gần đây do nhu cầu nghiên cứu, ứng dụng năng lượng gió phát triển
mạnh, chúng ta đã nhập nhiều loại thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài. Tuy
nhiên việc nhập và ứng dụng các thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài còn đang
trong giai đoạn thử nghiệm. Bên cạnh các thiết bị phát điện dùng sức gió công suất
cực nhỏ nhập của Trung Quốc ta đã xây dựng các dự án nhà máy điện gió công suất
lớn.
1.1.3. Vài nét về trạm phong điện
Các máy phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu
Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới
về công nghệ phong điện.


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 19 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Tới nay hầu hết là các trạm phong điện trục ngang, gồm một máy phát điện có
trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tua bin 3 cánh
đón gió. Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn. 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 đại.
Các trạm phong điện trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng
đứng, Roto nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Trạm phong
điện trục đứng 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 không quá lớn nên vận
chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới
xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi sử dụng.
Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1 kW tới
hàng chục ngàn kW. Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có
thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc-quy và
bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc-quy. Khi không có gió
sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không
cần bộ nạp và ắc-quy.
Các trạm phong điện 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 quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu qủa từ
10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện.
1.2. MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
1.2.1. Hệ thống nối lƣới nguồn năng lƣợng gió
Hình 1.1. trình bày tổng quan về hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió và
năng lượng mặt trời. Trong đó:
DIM là máy phát điện sức gió
NLFDI; NLDI là các bộ nghịch lưu phía máy phát và nghịch lưu phía lưới:
Nhiệm vụ: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều được lưu trên bộ tụ
điện hoặc bộ ắc quy, hoặc ngược lại. Về mặt năng lượng, dòng năng lượng có thể

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 20 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
chuyển qua bộ nghịch lưu theo hai chiều. Chúng được tạo thành bởi các linh kiện
điện tử bán dẫn công suất (hình 1.2).
Bộ đóng cắt mềm: Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được
kết nối hoặc không kết nối với lưới. Chúng được tạo thành bởi các linh kiện bán dẫn
công suất (Thyristor) mỗi pha gồm hai Thyrisor mắc song song ngược, nên trong
quá trình đóng cắt không phát sinh hồ quang. Bộ đóng cắt mềm cho phép đóng cắt
với thời gian ngắn; thông qua thuật toán điều khiển, cho phép điều khiển được công
suất cấp cho tải và hướng truyền công suất (hình 1.3).

Hình 1.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch

Hình 1.2. Bộ nghịch lưu Hình 1.3. Bộ đóng cắt mềm


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 21 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1.2.2. Cấu tạo của Tuabin phong điện
Hình 1.4. trình bày cấu tạo phong điện tuabin gió trục ngang. Bao gồm các
phần chính:

Hình 1.4. Cấu tạo phong điện tua bin gió trục ngang
Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ
điểu khiển.
Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho
các cánh quạt chuyển động và quay.
Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.

Controller: Bộ điều khiển. Điều khiển máy phát (chủ yếu điều khiển dòng
điện roto của máy phát)
Gear box: 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.
Generator: Máy phát (Phát ra điện)
High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp .


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 22 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Nacelle: Vỏ - bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong. Một số vỏ
phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Tower: Trụ đỡ vỏ. Được làm bằng thép hình trụ. Tốc độ gió tăng lên nếu trụ
càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn.
Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng
tuabin gió.
Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi
có sự thay đổi hướng gió.
Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định được hướng gió.
Hình 1.5 trình bày cấu tạo bên trong của một số tuabin gió trong thực tế,
Hình 1.6 là những hình ảnh bên trong của một trạm phong điện.

Hình 1.5. Cấu tạo bên trong của một số tuabin gió trong thực tế

Hình 1.6. Một trạm phong điện trong thực tế

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 23 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở tốc độ
30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng
gió bất thường.
Năng lượng của gió làm cho cánh quạt quay dẫn đến Roto của máy phát
quay (Nhờ truyền động của bộ Gear box). Máy phát điện muốn phát ra điện được,
ngoài việc roto của máy phát quay, còn phải có dòng điện kích từ. Dòng điện kích
từ được đưa vào Roto của máy phát để kích thích từ trường của Roto máy phát . Hệ
thống thiết bị tạo ra dòng điện này gọi chung là hệ thống kích thích máy phát (Hình
1.7. trình bày sơ đồ đơn giản
của hệ thống kích thích máy
phát xoay chiều). Dòng điện
kích thích máy phát, chủ yếu
là để tạo từ trường cho Roto
nhưng những tác động của
nó còn có thể dùng để điều
chỉnh điện áp máy phát.
Ngoài ra, dòng điện này còn
điều chỉnh công suất vô công
của máy phát khi máy phát
nối vào lưới.
Để có thể thay đổi trị
số của dòng điện kích thích
nhằm đáp ứng được các yêu
cầu trên, cần phải có một bộ
phận điều khiển (Controller). Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích

thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều áp.
Bộ điều khiển kích từ máy phát - Bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR
(Automatic Voltage Regulator) có các nhiệm vụ sau:
Hình 1.7. Hệ thống kích thích xoay chiều


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 24 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- Điều chỉnh điện áp máy phát điện.
- Giới hạn tỷ số điện áp/tần số.
- Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện.
- Bù trừ điện áp suy giàm trên đường dây.
- Tạo độ suy giảm điện áp theo công suất vô công, đề cân bằng sự phân phối
công suất vô công giữa các máy với nhau trong hệ thống khi máy vận hành nối lưới.
- Khống chế dòng điện kháng do thiếu kích thích, nhằm tạo sự ổn định cho
hệ thống, khi máy nối lưới.
- Ngừng kích thích khi có sự cố trên lưới
* Điều chỉnh điện áp của máy phát điện
Bộ điều chỉnh điện thế tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy
phát điện, và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đưa ra tín hiệu điều
khiển để tăng hoặc giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữ điện áp đo được và
điện áp tham chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, người ta
chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu thường được đặt tại giá
trị định mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated) hoặc là điện áp thanh cái,
điện áp lưới tại chế độ vận hành hòa lưới (Paralled)
* Giới hạn tỷ số điện áp/tần số
Khi khởi động một tổ máy, lúc tốc độ quay của Roto còn thấp, tần số phát ra
sẽ thấp. Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăng dòng kích
thích lên sao cho đủ điện áp đầu ra như tham chiếu theo giá trị đặt hoặc điện áp
lưới. Điều này dẫn đến quá kích thích: cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị

nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp phụ sẽ bị quá kích
thích, bão hòa từ, và quá nhiệt. Thường tốc độ máy phát cần đạt đến 95% tốc độ
định mức. Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điều
chỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp
tham chiếu.
* Điều khiển công suất vô công của máy phát điện