Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng
lượng
điện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng
lượng
truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện là các dạng năng lượng đang ngày
càng cạn
kiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Nguồn điện năng khai
thác từ
các nhà máy điện nguyên tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an
toàn.
Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng
lượng gió,
năng lượng mặt trời là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế
giới. Tuy
nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới
chỉ được
thực hiện với công suất nhỏ. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ
gió đang
ngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu.
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử
dụng
máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để
giảm
giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng
1/3
công suất tổng của hệ thống máy phát. Đồng thời, do khả năng có thể làm việc
trong
một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy

điện
không đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc
sử
dụng các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay đồng bộ kích thích v ĩnh
cửu với
bộ biến đổi đặt ở phía stator.
Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện càng ngày càng có yêu cầu
khắt khe
hơn về chất lượng nguồn điện. Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới,
trong đó
có các hệ thống máy phát điện sức gió vốn ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể
trong
tổng dung lượng điện năng của nhiều quốc gia, cũng ph ải đảm bảo các yêu cầu
chất
lượng đề ra. Mặt khác khi các hệ thống này tập hợp thành cả "vườn" sức gió thì
vấn đề
trụ lưới với mục tiêu tránh rã lư ới là một đòi hỏi hết sức cấp thiết. Đặc biệt,
khi hệ
thống phân phối bị sự cố sập lưới thì các hệ thống máy phát này không được
phép cắt
khỏi lưới một cách không có kiểm soát vì có thể làm cho lỗi lưới càng trầm
trọng thêm
và việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở lên khó khăn hơn. Khi vận hành
các hệ
thống phát điện sức gió phải đảm bảo yêu cầu có thể duy trì tình trạng làm việc
song
song với lưới khi xảy ra sự cố sập lưới và tái lập lại trạng thái làm việc bình
thường
2
càng sớm càng tốt sau khi sự cố lỗi lưới được loại bỏ. Không những thế, hệ thống điều

khiển phía lưới trong các hệ thống máy phát sức gió hiện đại còn yêu cầu phải có khả
năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không
đối xứng.
Hiện nay đã có một số các công trình nghiên cứu về khả năng trụ lưới trong hệ
thống phát điện chạy sức gió. Tuy nhiên, việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới
không đối xứng còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Đồng thời vấn đề kết hợp
hạn chế ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến, với tải phi tuyến ở đây
được hiểu là những tải gây ra méo dạng điện áp cũng chưa đư ợc quan tâm một cách
triệt để.
Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Sách lược điều khiển nhằm nâng cao
tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện
không đồng bộ nguồn kép" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa
quan tâm giải quyết triệt để như đã kể trên.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thống
phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao
khả năng trụ lưới của hệ thống.
Các nội dung chính của luận án
· Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho nghịch lưu (hoặc bộ biến
đổi) phía máy phát. Khi có lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển bảo
đảm quá trình vận hành đồng bộ, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối.
· Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để xác
định các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện phục vụ cho việc
điều khiển trụ lưới đối xứng và không đối xứng.
· Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng để nâng cao khả năng trụ
lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và
ngược của một hệ thống ba pha không có dây trung tính với các tiêu chí khác nhau cho
từng thành phần. Với phương pháp này th ì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phía
lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dòng l ưới trên các trục
tọa độ quay tương ứng.

3
· Đề xuất một cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy phát điện nguồn kép. Ở chế độ xác lập (không có lỗi lưới), bộ điều khiển
phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng điện lưới có dạng hình sin
hơn khi làm việc với các tải phi tuyến và làm việc như một bộ bù công suất phản kháng
để hỗ trợ lưới. Khi lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp
đối xứng được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng đi ện
trong các pha.
· Lựa chọn sử dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo
thụ động (passivity–based) để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát của hệ thống máy
phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép.
· Kiểm chứng các thuật toán điều khiển thông qua các mô phỏng trong môi trường
Matlab-Simulink-Plecs.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
· Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát máy phát sức gió sử dụng máy phát
không đồng bộ nguồn kép.
· Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc áp dụng phương pháp thiết kế phi
tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động.
· Phạm vi nghiên cứu chính của luận án là tìm ra sách l ược điều khiển trụ lưới cho
bộ điều khiển phía máy phát và tích hợp chức năng lọc tích cực và bộ điều khiển phía
lưới với hệ thống ba pha ba dây có hoặc không có dây trung tính.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
· Ý nghĩa khoa học chính của luận án là đã xây dựng nền tảng lý thuyết cho sách
lược trụ lưới khi xuất hiện lỗi lưới đối xứng hay không đối xứng mà luận án đề xuất
· Hai ý ngh ĩa thực tiễn chính là không chỉ mô phỏng thành công mà còn chỉ ra tính
khả thi của sách lược điều khiển trụ lưới và tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điều
khiển nghịch lưu phía lưới.
Những đóng góp của luận án
· Xây dựng và mô phỏng thành công sách lược điều khiển trụ lưới không đối xứng
trên cơ sở phân tích các thành phần thứ tự thuận và ngược của hệ thống ba pha không

có dây trung tính. Luận án giải quyết vấn đề điều khiển trụ lưới một cách triệt để hơn
so với các phương pháp điều khiển trụ lưới hiện tại.
4
· Đã ch ứng minh khả năng tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều
khiển máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép để cải thiện chất
lượng điện năng khi làm việc với các tải phi tuyến.
Cấu trúc luận án
Phần đầu của chương 1 tr ình bày khái quát về hệ thống máy phát sức gió và các
đặc điểm cơ bản của các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay trong đó nhấn
mạnh vào hệ thống tuốc bin sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép, sơ lược về
các phương pháp điều khiển máy phát nguồn kép và giới thiệu phương pháp điều khiển
passivity-based. Phần tiếp theo của chương 1 trình bày về một số vấn đề đặt ra trong
vận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến. Phần
cuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của
hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiên
cứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệ
thống 3 pha 4 dây). Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đối
xứng cho hệ thống 3 pha 3 dây. Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng
được trình bày chi tiết trong chương 3.
Chương 2 được dành để trình bày việc mô hình hóa các thành phần, cấu trúc và
các thuật toán điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điện
sức gió. Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mô hình máy điện không
đồng bộ nguồn kép và mô hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vector
điện áp lưới dq . Trên cơ sở các mô hình toán đã có đ ể xây dựng cấu trúc điều khiển
phía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp
passivity-based. Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đ ồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòa
đồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện
cụ thể. Phần cuối của chương 2 trình bày v ề việc xây dựng cấu trúc điều khiển phía
lưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat.
Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án. Phần đầu của chương 3 giới

thiệu khái quát về động học máy phát nguồn kép khi sập lưới. Tác hại của việc sập lưới
đối với hệ thống truyền tải cũng như bản thân hệ thống phát điện sức gió. Phần tiếp
theo trình bày phương pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán nhằm bảo vệ
bộ biến đổi phía rotor trong khi vẫn đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ với lưới. Các đóng
góp của đề tài nghiên cứu thể hiện ở phần điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi có các
trạng thái lỗi lưới khác nhau. Trước tiên là lỗi lưới đối xứng, kể cả sự suy giảm và méo
5
dạng điện áp lưới gây ra bởi các tải phi tuyến có công suất lớn trong các lưới yếu. Từ
đó, một bộ lọc tích cực được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng. Phần cuối cùng
của chương đề cập một cách chi tiết sách lược nâng cao khả năng trụ lưới không đối
xứng. Đây c ũng chính là nội dung nghiên cứu chính của đề tài. Phần cuối của chương 3
đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy phát điện nguồn kép. Theo đó, trong quá trình làm việc bình thường thì bộ
điều khiển phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng đi ện lưới có
dạng hình sin hơn khi làm vi ệc với các tải phi tuyến. Khi có lỗi lưới, kể cả lỗi lưới
không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng sẽ được đưa vào làm việc để hỗ
trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng điện trong các pha.
Chương 4 trình bày các sơ đ ồ mô phỏng, các kết quả nghiên cứu về việc hòa
đồng bộ, các đặc tính điều khiển và bảo vệ bộ biến đổi phía máy phát trong chế độ làm
việc bình thư ờng cũng như khi xảy ra lỗi lưới, khảo sát khả năng hỗ trợ lưới và khả
năng suy giảm sóng hài khi sử dụng chức năng lọc tích cực. Trọng tâm của chương 4
dành cho các kết quả nghiên cứu về điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi sập lưới đối
xứng và không đối xứng. Các kết quả này được đề cập trong hai trường hợp. Trường
hợp thứ nhất là khi máy phát nguồn kép làm việc trong chế độ bình thường và không
áp dụng biện pháp điều khiển trụ lưới. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá
được mức độ ảnh hưởng của việc lỗi lưới đối với các thành phần khác nhau trong hệ
thống điều khiển khi không áp dụng sách lược điều khiển trụ lưới. Trường hợp thứ hai
là khi áp dụng sách lược trụ lưới trong quá trình xảy ra lỗi lưới. Từ các kết quả nghiên
cứu này có thể đánh giá được hiệu quả của sách lược điều khiển trụ lưới bằng việc so
sánh với các kết quả mô phỏng trong trường hợp không có các biện pháp xử lý lỗi lưới.

Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị.
6
Chương 1. Tổng quan
1.1 Khái quát về năng lượng gió
Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những
năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao. Đặc biệt, sự phát triển năng
lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng
lượng sạch, năng lượng tái tạo. Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng
lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho bi ết dung lượng của các hệ thống
máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW [39].
Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ợưng của các hệ thống phát điện chạy
sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.535 MW [35]. Trong khi
dung lượng đó ở Mỹ đã tăng t ừ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn
16.800 MW ở cuối năm 2007 [12, 26].
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các
tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1.
Hệ thống
phát điện sức gió
Máy phát một
chiều
Máy phát xoay
chiều 1 pha
Máy phát xoay
chiều
Máy phát xoay
chiều 3 pha
M
á
y

p
h
á
t
đ
ồ
n
g

b
ộ
k
í
c
h
t
h
í
c
h
v
ĩ
n
h
c
ử
u
M
á
y

p
h
á
t
k
h
ô
n
g
đ
ồ
n
g
b
ộ
3
p
h
a
r
o
t
o
r
lồng
sóc
Máy phát không
đồng bộ
Máy phát không

đồng bộ 3 pha
nguồn kép
Hình1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió
Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió có
thể là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát không đồng bộ rotor lồng
7
sóc và máy phát không đồng bộ ba pha rotor dây quấn. Ngày nay, các hệ thống
tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây
quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor. Các máy phát như vậy còn được gọi là
các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK). Bên cạnh khả năng làm việc
với dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọng
của các MPKĐBNK là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với
khoảng 30% công suất tổng của máy phát [25, 28, 42, 46]. Điều này cho phép giảm
được dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống [25, 28, 29, 32, 42, 84] .
Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy
phát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thích
vĩnh cửu và máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc.
Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảy
năng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1.2.
S
Trên đồng bộ
Chế độ máy phát
0>s>- ∞
Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát
1>s>0
Lưới điện
Rotor
Stator
(b)

-1
0
1
(a)
Trên đồng bộ
Chế độ động cơ
0>s>- ∞
Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0
Lưới điện
Rotor
Stator
(c)
m
Hình1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và d òng chảy năng lượng tương ứng.
(a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng
chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ.
8
1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và
các phương pháp điều khiển
Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên
hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới. Các
cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi
phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới. Hai bộ biến đổi liên hệ với
nhau thông qua mạch một chiều trung gian.
Gió
MPKĐBNK
m
AC

Điện áp
một chiều
trung gian
AC
DC
Bộ điều khiển
phía máy phát
DC
Bộ điều khiển
phía lưới
cos'
¤
n
u
¤dc
Điều khiển
Te¤
Q
¤g
Quản lý
hệ thống
góc pitch
Điều khiển turbine
Hình 1.3: Hệ thống máy phát sức gió [45]
Hệ thống điều khiển trên hình 1.3 gồm có hai phần chính: phần điều khiển tuốc
bin và phần điều khiển máy phát nguồn kép [20]. Phần điều khiển tuốc bin cung cấp
các giá trị đặt của công suất tác dụng hay mômen điện từ
T
e* cho phần điều khiển máy
phát nguồn kép. Giá trị đặt này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng

tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của
tuốc bin. Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch

p
được đưa trực tiếp tới bộ
phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin. Trong khi đó,
mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và
9
công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn.
1.2.1 Công suất của tuốc bin gió
Công suất của tuốc bin gió được tính theo công thức sau [29, 48, 65, 66]:
P
tb
=
1
2
2 3
(1.1)
Trong đó,
〉
tb
là mật độ không khí (
kg/m
3
),
R
cg bán kính của cánh gió (
m ),
v
gm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (

m/s ),
C
tb
là hệ số
phụ thuộc vào cấu trúc hình học của tuốc bin gió và được cho bởi
C
tb
=
f (

p

,
tb
)
(1.2)
với

p
là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của
cánh gió và được gọi tắt là góc pitch,

tb
là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc
quay của tuốc bin

tb
và tốc độ gió
v
gm

tb
(t ) =
 tb ( t ) R cg
vgm (t )
(1.3)
Lưu ý rằng theo các tài liệu nghiên cứu thì giá trị cực đại của
C
tb
là
0.593 và
còn được gọi là giới hạn Betz [19, 41, 59, 66].
Các công thức (1.1), (1.2) và (1.3) cho thấy là công suất của tuốc bin gió phụ
thuộc vào cấu trúc của tuốc bin gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của tuốc
bin. Vì vậy, với một góc pitch cố định và ở một mức độ gió cho trước thì công suất của
một tuốc bin gió còn phụ thuộc tốc độ quay của nó nữa.
1.2.2. Điều khiển tuốc bin gió
Như đã trình bày trong mục 1.2.1, để duy trì công suất được biến đổi từ năng
lượng gió thành công suất cơ trên trục của tuốc bin là cực đại thì cần phải đảm bảo giá
trị của hệ số
C
tb
là tối ưu ứng với từng tốc độ gió trong dải tốc độ gió cho phép. Việc
điều chỉnh sao cho tốc độ tuốc bin đạt được giá trị cho phép phát ra công suất đỉnh
được thực hiện thông qua việc điều khiển góc pitch. Ở tốc độ gió nằm ngoài dải tốc độ
cho phép của tuốc bin thì thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ
khí để giữ cho tuốc bin không quay. Muốn như vậy thì tốc độ trục cơ của tuốc bin gió
(được kết nối với trục rotor của MPKĐBNK thông qua một hộp số) phải được điều
10
khiển bám theo đường đặc tính tối ưu cho phép khai thác công suất tối đa ứng với
từng tốc độ gió như đã đư ợc thể hiện ở các công thức (1.1), (1.2), (1.3) và hình 1.4.

Đây cũng chính là một chủ đề đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu khá rộng rãi [16,
19, 23, 48, 62, 80].
Hình 1.4: Các vùng làm việc của một tuốc bin gió (nét đậm: đặc tính công suất
tối ưu của hệ thống)
Hình 1.4 là một ví dụ về mối quan hệ giữa công suất của một tuốc bin với tốc độ
góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau. Đường đặc tính công suất tối ưu của
tuốc bin được thể hiện bằng nét đậm và được mô tả như sau [66]:
· Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi
công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của tuốc bin gió
được điều chỉnh sao cho
C
tb
đạt được giá trị tối ưu để công suất biến đổi từ năng
lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất. Vùng làm việc như vậy còn được gọi là
vùng tối ưu công suất.
· Khi công suất của máy phát đ ã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc độ gió
vẫn tiếp tục tăng th ì có thể điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin ứng với từng tốc độ gió
sao cho
C
tb
đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc pitch để giữ
cho công suất cơ trên trục của tuốc bin là hằng số. Vùng làm việc như vậy còn đư ợc
gọi là vùng công suất không đổi.
11
· Khi việc điều chỉnh hệ số
C
tb
và góc pitch đ ã ở mức tới hạn mà tốc độ gió vẫn
tiếp tục tăng thì bu ộc phải cắt máy phát để bảo vệ tuốc bin và các bộ biến đổi công
suất.

Cần chú ý rằng việc điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin có thể thực hiện trực
tiếp bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh
gió hoặc thực hiện gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát.
1.2.3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép
Các thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với các bộ điều khiển kiểu PI
được trình bày trong [18, 44, 65, 67, 69, 75]. Đặc điểm chung của các phương pháp này
là có thêm một thành phần bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằm
loại bỏ các ảnh hưởng của lực phản điện động của máy. Chi tiết của vấn đề này được
trình bày trong [84]. Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward phụ thuộc vào độ
chính xác của các tham số của MPKĐBNK nên thường không có được đặc tính làm
việc lý tư ởng trong thực tế do các tham số MPKĐBNK có thể bị biến đổi trong quá
trình làm việc. Một phương pháp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khác là điều khiển
dead-beat được trình bày trong [49, 72]. Tuy nhiên, phương pháp này dựa trên việc giả
thiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mô hình gián
đoạn của MPKĐBNK là mô h ình tuyến tính hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiển
tuyến tính. Để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward và để đảm bảo chất lượng của
hệ thống điều khiển trong một khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, các phương pháp
điều khiển phi tuyến đã được đề nghị áp dụng cho điều khiển MPKĐBNK. Vấn đề này
đã được trình bày trong các tài liệu [1, 5, 49, 57, 73, 74].
Như đã trình bày ở trên, mặc dù hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tuốc
bin gió phải gồm cả phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy
nhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần điều khiển MPKĐBNK. Hiện nay đã có
nhiều phương pháp điều khiển MPKĐBNK được nghiên cứu như phương pháp tựa
theo điều khiển cuốn chiếu (backstepping based) [5], phương pháp tuyến tính hóa
chính xác (exact linearzation) [73, 74], phương pháp tựa theo thụ động (passivity based)
và phương pháp tựa phẳng (flatness based) [1]. Luận án này sử dụng phương pháp thiết
kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động để điều khiển bộ biến đổi phía máy
phát (hình 1.5). Giá trị đặt tối ưu cho phần điều khiển MPKĐBNK gồm mômen điện từ
T
e* và công suất phản kháng

Q
g*
được cung cấp từ phần điều khiển tuốc bin và phần
điều độ của lưới. Chi tiết của phương pháp này sẽ được trình bày trong ch ương 2.
12
Các phương pháp
điều khiển MPKĐBNK
Phương pháp điều
khiển tuyến tính
[18, 44, 49, 65, 67, 69,
72, 75]]
Phương pháp
điều khiển phi
tuyến
Cuốn chiếu
(backstepping)
[5]
Tuyến tính hóa
chính xác
(exact linearization)
[73, 74]]
Tựa phẳng
(flatness based)
[1]
Tựa theo thụ
động
(passivity based)
Hình 1.5: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK
1.3 Yêu cầu điều khiển trụ lưới
1.3.1 Các sự cố và các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của lưới

Đối với yêu cầu đảm bảo chất lượng của một hệ thống truyền tải và cung cấp
điện thì vấn đề sóng hài và dao động điện áp ngày càng nhận được sự quan tâm của các
nhà cung cấp cũng như của các hộ tiêu thụ điện.
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành sản xuất công nghiệp trong đó sử
dụng rộng rãi các thiết bị điện tử công suất lớn như các bộ biến đổi xoay chiều - một
chiều, các bộ biến tần, các loại lò điện cùng với các hệ thống điều khiển từ đơn giản
đến phức tạp để tạo ra một hệ thống truyền động điện linh hoạt, đáp ứng được các yêu
cầu điều khiển khác nhau và thích ứng cho nhiều loại phụ tải. Tuy nhiên, việc sử dụng
các thiết bị này cũng tạo ra những thách thức ngày càng to lớn đối với yêu cầu đảm bảo
chất lượng của nguồn điện cung cấp. Các thiết bị này tạo nên những những phụ tải phi
tuyến và gây ra các thành phần sóng hài trên lưới. Những sóng hài này làm cho điện áp
lưới bị méo dạng và gây ảnh hưởng không tốt cho những phụ tải được nối với nó [30,
50, 51, 52, 81]. Hiện nay, để khắc phục vấn đề này người ta có thể sử dụng các bộ lọc
tích cực thay vì sử dụng các bộ lọc thụ động vốn cồng kềnh và khó đáp ứng cho các
dạng sóng hài khác nhau. Các ưu điểm cơ bản của bộ lọc tích cực là khả năng bù một
13
số sóng hài quan trọng mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính của lưới, đồng thời thích
ứng với sự thay đổi của lưới và tải.
Trong luận án này tập trung nghiên cứu khắc phục sự cố sập lưới trong hệ thống
lưới phân phối và ảnh hưởng của sóng hài và dao động điện áp trong hệ thống phát
điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao chất lượng
của hệ thống.
1.3.2 Yêu cầu trụ lưới
Các hệ thống máy phát sức gió với MPKĐBNK có nhược điểm là rất nhạy đối
với các nhiễu loạn lưới, đặc biệt là khi lỗi lưới. Một trong các giải pháp để bảo vệ hệ
thống khi xảy ra sập lưới là cắt máy phát ra khỏi lưới. Trong trường hợp này, hệ thống
không có khả năng khôi phục lại ngay lập tức tình trạng làm việc như lúc trước khi xảy
ra sự cố (phải hòa đồng bộ lại). Mặt khác, việc cắt các máy phát ra khỏi lưới có thể còn
làm tồi tệ hơn tình trạng sập lưới do việc cắt máy phát có thể gây nên quá trình cân
bằng dẫn đến mất ổn định và hậu quả có thể là rã l ưới.

Khi tổng dung lượng của các hệ thống máy phát sức gió trên thế giới ngày càng
gia tăng một cách đáng kể thì chỉ được phép cắt các máy phát điện sức gió ra khỏi lưới
khi thỏa mãn một số yêu cầu cụ thể [34, 89].
Khi hệ thống phân phối bị sự cố sập lưới sẽ làm gia tăng mạnh dòng điện cân
bằng trong các cuộn dây của MPKĐBNK. Do liên hệ giữa từ trường stator và rotor,
dòng điện lớn này sẽ tác động vào mạch rotor và bộ biến đổi có thể dẫn đến việc phá
hỏng bộ biến đổi nếu không có các biện pháp bảo vệ bộ biến đổi. Một nghiên cứu trong
[13] đã chỉ ra rằng khi MPKĐBNK chịu tác động của nhiễu điện áp lưới sẽ gây ra dao
động của từ thông trong máy. Khi các nhiễu loạn đó xuất hiện bộ biến đổi sẽ gia tăng
điện áp rotor để khống chế dòng điện của nó. Khi điện áp yêu cầu vượt quá khả năng
giới hạn của bộ biến đổi thì việc điều khiển dòng sẽ không còn tác dụng [53, 61]. Vì
vậy, hệ thống điều khiển cần duy trì làm việc và giảm dao động càng nhiều càng tốt
trong suốt thời gian có lỗi lưới. Mặt khác, hệ thống cần phải được tái lập ổn định càng
sớm càng tốt khi hết lỗi lưới [82]. Không những thế, các hệ thống điều khiển trong các
hệ thống máy phát sức gió hiện tại còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốt
quá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không đối xứng.
14
1.3.3 Các phương pháp điều khiển trụ lưới
Các giải pháp hiện tại:
Giải pháp kinh điển được trình bày trong các tài liệu [15, 58, 61, 68, 77] thường
sử dụng một hệ thống các điện trở tiêu tán có điều khiển với các thyristor được dùng để
đóng cắt mạch (được gọi là crowbar). Khi điện áp một chiều trung gian tăng cao hoặc
khi điện áp lưới giảm xuống đến một mức nào đó thì hệ thống này tác động. Bộ biến
đổi phía máy phát sẽ ngừng làm việc và các dây quấn rotor của máy phát được nối kín
mạch qua hệ thống điện trở tiêu tán này. Như vậy, trong quá trình lỗi lưới MPKĐBNK
được sử dụng như một động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, góp phần tiêu thụ năng
lượng gió trên hệ thống điện trở. Bản chất của giải pháp này là ngắt chế độ máy phát.
Hiện nay, vấn đề khắc phục lỗi lưới không đối xứng trong thực tế vận hành đã
và đang nhận được sự quan tâm, nghiên cứu rộng rãi do lỗi lưới không đối xứng có thể
xảy ra thường xuyên hơn cả lỗi lưới đối xứng. Điện áp không đối xứng còn xuất hiện

trong các lưới điện yếu ngay cả trong trạng thái làm việc bình thường. Trong một số
trường hợp, các nhiễu loạn trên lưới hoặc tải không đối xứng cũng làm cho điện áp lưới
không còn đối xứng nữa [91]. Điều này có thể dẫn tới mất ổn định của hệ thống, ảnh
hưởng đến chức năng làm việc của một số thiết bị điện và có thể làm cho hệ thống bảo
vệ mất cân bằng dòng điện tác động [56].
Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi sập lưới cũng như khi
làm việc với tải không cân bằng đã đư ợc đề cập trong nhiều công trình nghiên cứu.
Trong tài liệu [11], bộ điều khiển dòng của bộ biến đổi phía lưới được thực hiện trên
trục tọa độ ứng với thành phần thứ tự thuận. Trong khi đó, thành phần thứ tự ngược của
điện áp lưới được đưa thêm vào trong thành phần điện áp đầu ra của bộ điều khiển
dòng. Cách thức thực hiện bộ điều khiển như đ ã trình bày còn được gọi là phương pháp
sử dụng bộ điều khiển feedforward thành phần điện áp thứ tự ngược. Đồng thời, nghiên
cứu này còn đưa ra phương pháp sử dụng hai bộ điều khiển dòng được thực hiện trên
cả hai hệ trục tọa độ tương ứng với các thành phần thứ tự thuận và ngược và được gọi
là bộ điều khiển vector dòng đối ngẫu. Phương pháp này cũng được đề cập đến trong
nhiều tài liệu nghiên cứu khác, chẳng hạn như trong [6, 21, 64]. Các biện pháp khắc
phục lỗi lưới không đối xứng sử dụng bộ biến đổi với 4 nhánh van trong hệ thống ba
pha 4 dây cũng được đề cập trong các tài liệu [7, 38]. Bộ điều khiển dòng loại này cho
phép điều khiển riêng rẽ các thành phần dòng điện thứ tự thuận, ngược và zero dẫn đến
việc có thể loại bỏ được các nhiễu loạn của điện áp do tải không cân bằng gây ra. Tuy
15
nhiên, phương pháp này không áp dụng được cho các hệ thống ba pha không có dây
trung tính. Một phương pháp khác được cho là có khả năng bù dòng tải phi tuyến và
không cân bằng sử dụng bộ lọc tích cực cho điều khiển dòng sin được trình bày trong
tài liệu [8].
Những vấn đề còn tồn tại:
Các phương pháp trụ lưới như đ ã kể trên còn một số nhược điểm như sau:
· Không điều khiển đưa công suất tác dụng về không và không điều khiển công
suất phản kháng bám điện áp lưới trong suốt quá trình lỗi lưới
· Chưa giải quyết triệt để các vấn đề điều khiển bộ biến đổi phía lưới để bù lỗi lưới

khi lưới bị sự cố không đối xứng.
· Vai trò của bộ biến đổi phía máy phát và phía lưới trong quá trình làm việc bình
thường với tải không đối xứng cũng chưa được nghiên cứu một cách hoàn thiện.
Vấn đề cần tiếp tục giải quyết:
Nghiên cứu vấn đề trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng hoặc khi hệ thống
lưới có nhiều loại tải có các thành phần sóng hài cao.
Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp nâng cao khả năng trụ lưới
không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và ngược
với các tiêu chí khác nhau cho từng thành phần. Với phương pháp này th ì các tín hiệu
đặt của bộ điều khiển dòng phía lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và
ngược của dòng lưới trên các trục tọa độ quay tương ứng. Một bộ điều khiển dòng nh ư
vậy còn đư ợc gọi là bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX) và sẽ được trình bày
trong chương 3.
Hình 1.6 thể hiện một cách vắn tắt các sách lược điều khiển trụ lưới đã được
trình bày trong một số tài liệu nghiên cứu, kể cả phương pháp sử dụng bộ điều khiển
THĐX được đề xuất ở trên. Các giải pháp theo nhánh (1) của sơ đồ có bản chất là ngắt
chế độ máy phát, còn theo nhánh (2) sẽ cho phép thực hiện các giải pháp trụ lưới khác
nhau.
16
Sách lược
trụ lưới
(1)
Lỗi lưới
đối xứng
(2)
Lỗi lưới
không đối xứng
Sử dụng BNQDA
(crowbar)
[15, 58, 61, 68, 77]

Điều khiển
feedforward điện
áp thứ tự ngược
[11]
Điều khiển vector
dòng đối ngẫu
[6, 21, 64]]
Điều khiển bộ biến
đổi 4 nhánh van
[7, 38]
Sử dụng bộ lọc
tích cực điều
khiển dòng sin
[8]
Điều khiển
tổng hợp đối
xứng
Hình 1.6: Các sách lược trụ lưới
Kết luận chương 1
Chương 1 đ ã giải quyết được các vấn đề sau:
· Tổng quan về các hệ thống biến đổi năng lượng gió
· Đưa ra đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện
không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển.
· Khái quát các yêu cầu điều khiển trụ lưới nói chung và điều khiển trụ lưới của hệ
thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép.
· Trình bày và đánh giá các phương pháp điều khiển trụ lưới đã có từ đó đề xuất
sách lược điều khiển trụ lưới nhằm nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy bằng
sức gió.
17
Chương 2 . Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng

MPKĐBNK
2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ
Để giảm độ phức tạp của các phương trình vi phân mô t ả động học của
MPKĐBNK và lưới thì các đại lượng ba pha như d òng điện, điện áp, từ thông thường
được mô tả bởi các biến trên một hệ trục tọa độ hai pha mới. Hệ trục tọa độ mới này có
thể là một hệ trục tọa độ cố định hoặc một hệ trục tọa độ quay [63, 86] Công cụ để
chuyển đổi các đại lượng từ một hệ trục tọa độ cố định sang một hệ trục tọa độ quay và
ngược lại là các phép biến đổi Clarke và Park [14, 85].
Trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, tất cả các đại lượng ba pha có thể
được biến đổi sang một hệ trục tọa độ quay và thường được gọi là hệ trục tọa độ quay
dq
hai pha. Khi đó các tính toán được thực hiện với biên độ và góc pha của chúng trên
các hệ trục tọa độ dq này .
Đặt

s
là ký hiệu đặc trưng cho các đại lượng ba pha. Giá trị tức thời của từng
pha, được ký hiệu là

sa
, 
sb
, and 
sc
thỏa mãn ph ương tr ình sau:
2 0 0
3
trong đó  sa (t ) +  sb (t ) +  sc (t ) = 0 và chỉ số dưới "s" biểu thị các đại lượng
trong hệ thống cuộn dây cố định.
Bây giờ ta thiết lập một hệ trục tọa độ mới, ký hiệu là 〈 , trong đó trục

〈
trùng với
e
j 0
0
như được biểu diễn trên hình 2.1. Khi đó

s〈 0
= T
sf

sabc
(2.1)
T
thành phần zero được thêm vào để ma trận
T
sf
có thể nghịch đảo được.
Ma trận biến đổi được cho bởi [85]
Tsf =


0
 1
 2
1
2
3
2
1

2
1 
2 
.

(
=  + 
trong đó

〈 0
=
(

s〈

s

s 0
)
T
, 
s
=
( sa  sb  sc ) . Chú ý rằng

s 0
là
a

2

3

−−

−
3
2
1 
2 
18
0
j¯
jq
j¯
! f
d
0
®
µf
®
0
Hình 2.1: Biến đổi các hệ trục tọa độ
Trong trường hợp tổng quát, nếu 〈 là một hệ tọa độ cố định trong mặt
phẳng phức và dq là một hệ tọa độ mới với góc quay
 f (xem hình 2.1) thì

sdq
=
T
rf


s〈
T
(2.2)
 cos
Trf
=

sin f 

Hình 2.1 biểu diễn các đại lượng ba pha trên hệ trục tọa độ cố định
〈 (trái)
và sự biến đổi giữa các hệ trục
〈 và
dq
(phải).
2.2 Mô hình máyđi ện không đồng bộ nguồn kép
Như đã thảo luận ở trên, với điều khiển dòng của MPKĐBNK sử dụng kỹ thuật
điều khiển vector thì cần phải biến đổi các biến sang một hệ tọa độ quay dq . Hệ tọa độ
này có thể tựa theo vector từ thông stator [44, 65, 67, 70] hoặc với vector điện áp lưới
[31, 49, 69, 72]. Do MPKĐBNK làm việc song song với lưới nên cần phải có chức
năng hòa đ ồng bộ. Vì vậy, việc chọn một hệ trục tọa độ dq với trục d trùng với
vector điện áp lưới có thể đem lại một số thuận lợi nhất định [43]. Hệ tọa độ như vậy sẽ
độc lập với các tham số của máy điện và độ chính xác của khâu đo tốc độ quay [69].
Chính vì các lý do trên, hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới được lựa chọn để phát triển
mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn
kép sau này.
ej
ej
ej

trong đó  〈 =
(

s〈

s
)
T
, 
s
=
(

d

q
)
, và ma trận biến đổi
d
 − sin
f
cos
f

19
Các phương tr ìnhđiện áp của stator và rotor có thể được viết như sau:
s s
dΨ
s
dt

s
(2.3)
r
dΨ r
dt
r
(2.4)
Trong đó,
u
s
và u
r
là các điện áp stator và rotor,
i
s
và i
r
là các dòng điện
stator và rotor, Rs and
R
r
là các điện trở stator và rotor,
Ψ
s
và
Ψ
r
là các từ thông
stator và rotor. Chỉ số s phía trên các đại lượng này mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ
〈 , cố định với stator. Chỉ số r phía trên các đại lượng này nhằm mô tả đại lượng đó

trên hệ tọa độ cố định với rotor.
Các từ thông stator và rotor được xác định bởi
Ψ

s
Ψ

r
= i s Ls + i r Lm
= i r Lr + i s Lm
(2.5)
với
L
m
là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và
L
s
, L
r
là các điện cảm
của stator và rotor.
Nếu biểu diễn điện cảm tản phía stator và rotor là
L
⌠s
và L
⌠r
thì các điện cảm
của stator và rotor được tính như sau
Ls
Lr

= Lm + L⌠s
= Lm + L⌠r