điều khiển để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA


ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA
MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP
LƯỚI ĐỐI XỨNG





Học viên : Đặng Thị Loan Phượng
Người HD Khoa Học: TS Cao Xuân Tuyển





THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tư Do - Hạnh Phúc
o0o

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA
MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP
LƯỚI ĐỐI XỨNG

Học viên
: Đặng Thị Loan Phượng
Lớp
: CH-K12
Chuyên ngành
: Tự động hoá
Người hướng dẫn
: TS. Cao Xuân Tuyển
Ngày giao đề tài
: 2/2011
Ngày hoàn thành đề tài
: 10/2011

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS. Cao Xuân Tuyển
BAN GIÁM HIỆU
HỌC VIÊN


Đặng Thị Loan Phượng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn


Đặng Thị Loan Phượng




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các
thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Cao Xuân Tuyển, Người đã tận tình hướng

dẫn tôi hoàn thành luận văn này, đến Khoa Sau Đại học - Trường Đại học Kỹ thuật
công nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng Hành
chính Tài vụ, Trung tâm thí nghiệm đã tạo những điều kiện để tôi hoàn thành khóa
học.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Tự động hóa - khoa Điện,
Bộ môn Đo lường & điều khiển tự động – khoa Điện tử, Các thầy cô phòng thí
nghiệm Điện – Điện tử, đã giúp đỡ và tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt
để tôi hoàn thành khóa học.

Tác giả luận văn


Đặng Thị Loan Phượng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1
Mục Lục
Mục lục ……………………………………………………………….………………………….
1
Lời giới thiệu
3
Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU
KHIỂN.
5
1.1 Khái quát và lựa chọn đối tƣợng
8
1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tƣợng
8
1.3 Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử

dụng MĐKĐBRTDQ nối lƣới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều
khiển nghịch lƣu phía máy phát nhƣ sau
10
Chƣơng 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN
12
2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ
12
2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới
13
2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha
13
2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
15
2.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và vô công phía máy
phát
22
2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới
24
2.2.5 Mô hình gián đoạn phía lưới
28
2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới
29
Chƣơng 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỐI
TƢỢNG
32

3.1. Khái quát các phƣơng pháp đã áp dụng và lựa chọn phƣơng pháp điều
khiển
32
3.2 Phƣơng pháp điều khiển nội DFIG

32
3.3 Bộ điều khiển theo mô hình nội
33
3.4 Áp dụng mô hình nội để điều khiển phía máy phát

37
3.4.1. Phương thức điều khiển cho MVFC
37
3.4.1.1. Mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong
37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2
3.4.1.2. Điều khiển vòng ngoài
41
3.5 Tổng hợp khâu điều chỉnh dòng phía lƣới
42
Chƣơng 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN
46
4.1 Hệ thống mô phỏng
46
4.2 Kết quả mô phỏng
46
4.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ bình thƣờng
46
4.2.1.1. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng bộ
10% (n=1350v/ph),Công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700
Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm
46
4.2.1.2. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng bộ
10% (n=1650v/ph),Công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700

Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm
48
4.2.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ lỗi lƣới ngắn mạch ba pha đỗi xứng
51
4.2.2.1. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng
bộ 10% (n=1350v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về
0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên
1000 Var sau đó về 0
Var
51
4.2.2.2. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng
bộ 10% (n=1650v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về
0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên
1000 Var sau đó về 0
Var
54
4.3 Kết luận
56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………………….
57
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
62
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
65


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3
LỜI GIỚI THIỆU
Xã hội loài ngƣời muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu không thể thiếu

đƣợc đó là phải duy trì nguồn năng lƣợng để nuôi sống xã hội đó. Trong đó điện
năng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Hiện nay các nguồn điện năng chính là
dầu khí, than đá hoặc đang có nguy cơ cạn kiệt hoặc đã đến giới hạn khai thác.
Trong khi đó điện hạt nhân tuy đã phát triển mạnh nhƣng vẫn chứa mối nguy hiểm
to lớn tiềm tàng không an toàn. Vì vậy các nguồn năng lƣợng sạch khác nhƣ gió,
mặt trời, thủy triều đang đƣợc nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn một tƣơng lai tƣơi
sáng hơn, đƣợc áp dụng rộng rãi hơn. Với những nƣớc nhƣ Việt Nam, có nhiều địa
hình phức tạp, nhiều nơi vùng sâu vùng xa điện lƣới quốc gia chƣa thể vƣơn tới hoặc
có nhƣng rất hạn chế. Đây lại chính là những nơi có tiềm năng lớn về năng lƣợng
gió. Vì vậy các hệ thống phát điện chạy sức gió cần đƣợc chúng ta quan tâm phát
triển.
Máy điện không đồng bộ rô to dây quấn (MĐKĐBRTDQ) đƣợc ứng dụng ngày
càng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong các hệ thống
máy phát điện chạy sức gió. Máy phát nằm trong dải công suất điều chỉnh từ vài
chục kW đến trên 7 MW và có những ƣu điểm nổi bật:
 Khả năng điều chỉnh dễ dàng dòng năng lƣợng qua máy phát bằng biến
tần có công suất thấp hơn máy phát nhiều bằng tác động lên vành góp
rotor, giúp hạ đáng kể giá thành toàn hệ.
 MDKDB có khả năng hoạt động với hệ số trƣợt trong một phạm vi khá
rộng (tới ±30%), cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lƣợng gió.
Tuy vậy để phát đƣợc chất lƣợng tốt, cần phải có một phƣơng pháp điều chỉnh
thích hợp trong hệ thống máy phát nhằm nâng cao hiệu suất, chất lƣợng điện. Điều
này trở nên khá phức tạp bởi vì ngoài các ƣu điểm kể trên MĐKĐBRTDQ có những
khó khăn cơ bản là hai thành phần dòng i
rd
, i
rq
có nhiệm vụ điều khiển công suất hữu
công và công suất vô công lại có mối quan hệ phi tuyến phụ thuộc lẫn nhau. Trƣớc
đây ngƣời ta giải quyết vấn đề bằng việc coi tần số mạch rotor bằng hằng số trong

một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các
thành phần dòng. Tuy nhiên phƣơng pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần
số mạch rotor biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trƣờng hợp lƣới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
4
điện gặp sự cố dẫn tới sập lƣới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch rotor,
của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lƣới. Những
đặc điểm kể trên đã làm cho phƣơng pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực.
Bản luận văn này giới thiệu một phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không
cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MĐKĐBRTDQ,
đó là phƣơng pháp điều khiển mô hình nội. Đây là phƣơng pháp chƣa đƣợc áp dụng
cho đối tƣợng MĐKĐBRTDQ. Với phƣơng pháp này, thông qua bộ điều khiển phản
hồi trạng thái, hệ thống trở thành ổn định tiệm cận toàn cục trong toàn bộ không
gian trạng thái. Luận văn đƣợc chia thành:
Chƣơng 1 Đặt vấn đề, lựa chọn đối tƣợng điều khiển
Chƣơng 2 Mô hình toán học đối tƣợng điều khiển
Chƣơng 3 Phân tích lựa chọn phƣơng án điều khiển đối tƣợng.
Chƣơng 4 Mô phỏng và kết luận.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo trong trƣờng Đại
học Kỹ thuật Công Nghiệp ĐH Thái Nguyên.
Đặc biệt là thầy giáo TS. Cao Xuân Tuyển đã hƣớng dẫn em tận tình trong quá
trình làm luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng xong bản luận văn không tránh khỏi
những điểm sai xót hạn chế.Kính mong quý thầy cô cùng các bạn góp ý để luận văn
của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Thái Nguyên, ngày 2 tháng 9 năm 2011
Ngƣời thực hiện


Đặng Thị Loan Phƣợng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
5

Chƣơng 1
ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN.

1.1 Khái quát và lựa chọn đối tƣợng
Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính đƣợc sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc
độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi.
Loại tuốc bin gió thông thƣờng nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed
wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ đƣợc nối trực tiếp với lƣới. Tuy
nhiên hệ thống này có nhƣợc điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu
đƣợc năng lƣợng cực đại từ gió.


Gearbox
IG
Soft
starter
Transformer
Capacitor bank

Hình 1.1 Tuốc bin gió với tốc độ cố định
Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục đƣợc
nhƣợc điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi đƣợc tốc độ
nên có thể thu đƣợc năng lƣợng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc độ
thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra

khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay
đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định.
Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có
bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới và tuốc bin gió sử dụng máy điện không
đồng bộ rô to dây quấn (MĐKĐBRTDQ).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
6
Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch
stator của máy phát và lƣới, do dó bộ biến đổi đƣợc tính toán với công suất định
mức của toàn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc
hoặc là đồng bộ. Ngày nay với xu hƣớng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Gearbox
G
TransformerPower electronic
converter
≈
=
≈
=

Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và
lƣới
Năng lƣợng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới ngƣời ta đã chế tạo các loại tuốc
bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi
có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi
cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo
tuốc bin gió có xu hƣớng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ
thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm
giá thành, vì bộ biến đổi đƣợc nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó

thƣờng chỉ bằng cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị đi kèm nhƣ bộ lọc
biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng đƣợc thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn
hệ thống. Do đó đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phát điện sức gió sử
dụng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn.
Gearbox
DFIG
Transformer
Power electronic
converter
≈
=
≈
=

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
7
Hình 1.3 Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ
Nhƣợc điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ
là vấn đề lỗi lƣới. Lỗi lƣới trong hệ thống năng lƣợng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt
tuốc bin sẽ gây ra sụt điện áp lƣới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng
trong mạch rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại
của bộ biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có
thể phá hỏng bộ biến đổi.
1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tƣợng.
Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PĐSG dùng MĐKĐBRTDQ đƣợc sử
dụng: hệ thống sử dụng crowbar (hình 1.4) và hệ thống sử dụng stator switch (hình
1.5).
GridP
g
, Q

g
Stator breaker
P
s
, Q
s
T
em
T
t
P
r
dv/dt
filter
filter
P
f
, Q
f
~
=
=
~
Lever I
(Vector Control)
Lever II
(Wind turbine control strategy)
Crowbar
Crowbar
control

W
m
V
w
T
em
* V
bus
*
Q
s
*
Q
f
*
β*

Hình 1.4 Hệ thống PĐSG dựa trên MĐKĐBRTDQ sử dụng crowbar

Hệ thống gồm có các điều khiển thành phần sau: điều khiển tuốc bin, điều khiển
vector, điều khiển crowbar hoặc stator switch.
a) Điều khiển tuốc bin
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
8
Nhiệm vụ của điều khiển tuốc bin là điều chỉnh tốc độ tuốc bin (sử dụng động cơ
servo để điều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị đặt của mô men (hoặc công suất
tác dụng) cho mức điều khiển vector theo chiến lƣợc điều khiển nhƣ sau (hình 1.6):
- Khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc độ của máy
phát đƣợc giữ ở tốc độ thấp, dƣới đồng bộ 30% (1050 v/ph), công suất cực đại nhận
đƣợc từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió.

GridP
g
, Q
g
P
s
, Q
s
T
em
T
t
P
r
dv/dt
filter
filter
P
f
, Q
f
~
=
=
~
Lever I
(Vector Control)
Lever II
(Wind turbine control strategy)
Stator switch

control
W
m
V
w
T
em
* V
bus
*
Q
s
*
Q
f
*
β*
Stator
Switch

Hình 1.5 Hệ thống PĐSG dựa trên MĐKĐBRTDQ sử dụng stator switch
- Khi tốc độ gió lớn hơn giới hạn thấp 4m/s và nhỏ hơn 8m/s, tốc độ máy
phát đƣợc duy trì trong phạm vi lớn hơn 1050 v/ph (dƣới tốc độ đồng bộ 30 %) và
nhỏ hơn hoặc bằng 1950 v/ph (trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ
gió bằng cách điều chỉnh đồng thời tốc độ rotor tuốc bin và góc của cánh gió.
- Khi tốc độ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc độ gió định mức, 12m/s, tốc độ
máy phát khi đó đƣợc duy trì ở giá trị định mức (1950 v/ph – trên tốc độ đồng bộ
30%), công suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió.
- Khi tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức (12m/s), tốc độ máy phát đƣợc giữ
ở giá trị định mức 1950 v/ph, công suất đặt của máy phát bằng công suất định mức

của nó, nghĩa là công suất lấy từ gió đƣợc giữ bằng công suất định mức thông qua
việc điều chỉnh góc của cánh gió.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9
- Khi tốc độ gió quá thấp, năng lƣợng quá nhỏ hoặc khi tốc độ gió quá cao
(trên 25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lƣới.
A
B
C
D
E
Công suất cực đại
Công suất
giới hạn
I1 I2 I3
Tốc độ gió (m/s)
5 10 15 20
u
đm
100
Công suất (%)
A
E
Tốc độ máy phát (v/ph)
50
100
Công suất (%)
B
C
D

25
50
n
đm
n
min

Hình 1.6 Các đƣờng cong sử dụng trong chiến lƣợc điều khiển tuốc bin
b) Điều khiển crowbar hoặc stator switch
Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất đối với hiện tƣợng quá dòng lớn khi xảy
ra lỗi lƣới (ngắn mạch lƣới).
Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy ra lỗi lƣới, nếu dòng rotor lớn quá mức
cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ đƣợc kích hoạt, làm ngắn
mạch rotor, rẽ mạch dòng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy
phát bị mất điều khiển. Khi biên độ dòng quá độ đã giảm dƣới mức an toàn, “crow
bar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể điều khiển đƣợc máy phát.
Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lƣới, nếu dòng quá độ rotor vƣợt
quá mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử công suất thyristor phía
stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lƣới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để
điều khiển tái hoà đồng bộ máy phát vào lƣới khi biên độ dòng quá độ giảm dƣới
mức an toàn của bộ biến đổi, và việc phát công suất hữu công, vô công lên lƣới đƣợc
khôi phục trở lại.
c) Điều khiển vector
Bao gồm hai điều khiển thành phần: Điều khiển nghịch lƣu phía máy phát và
điều khiển nghịch lƣu phía lƣới.
 Điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
10
Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian
không đổi theo giá trị đặt của nó phù hợp với bộ biến đổi nghịch lƣu phía máy phát

(NLMP), và điều khiển hƣớng, trị số công suất vô công lên lƣới.
 Điều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)
Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua mô men),
và công suất phản kháng lên lƣới một cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển
các thành phần dòng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector.
Với mục đích của luận án là nâng cao chất lƣợng hệ thống PĐSG sử dụng
MDKDB thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển
nghịch lƣu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu
cầu của điều khiển NLMP
1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với điều khiển nghịch lƣu phía máy phát
Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBRTDQ nối lƣới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển phía máy
phát nhƣ sau:
Ở chế độ làm việc bình thƣờng, thực hiện bám lƣới với tần số và điện áp lƣới
không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và
công suất phản kháng lên lƣới.
Ở chế độ sự cố (ngắn mạch gây sụt điện áp lƣới), thực hiện bám lƣới; cung cấp
công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lƣới ngay sau khi lỗi lƣới để cấp dòng ngắn
mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lƣợng
tác động; điều chỉnh công suất phản kháng lên lƣới để hỗ trợ lƣới phục hồi điện áp,
đồng thời tạo điều kiện để hệ thống trở về chế độ bình thƣờng ngay sau khi lỗi lƣới
(vì mức điện áp lƣới lúc này đã đƣợc nâng lên).
Ở chế độ sự cố, một vấn đề có thể xảy ra (nhất là khi sập lƣới với mức độ lớn)
với bộ điều khiển nghịch lƣu phía lƣới là vấn đề mất điều khiển dòng khi lỗi lƣới.
Nguyên nhân là khi lỗi lƣới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá độ dao động,
làm cảm ứng trong mạch rotor điện áp quá độ có trị số lớn (sức phản điện động) , và
nếu lớn hơn điện áp cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra đƣợc thì sẽ gây mất điều
khiển dòng và gây quá dòng lớn. Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
11

bộ biến đổi thông qua việc điều khiển crowbar hoặc stator switch. Máy phát bị mất
điều khiển hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lƣới,không thực hiện đƣợc nhiệm vụ đặt
ra khi lỗi lƣới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lƣới điện kiểu “wind farm”
Theo [7], các yếu tố ảnh hƣởng tới sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor
bao gồm: Mức độ dao động của điện áp lƣới khi lỗi lƣới; Mức độ dao động của từ
thông stator quá độ, mức độ dao động này phụ thuộc vào mức độ dao động điện áp
lƣới và mức độ sụt điện áp lƣới khi lỗi lƣới; Mức độ dao động, thay đổi của tốc độ
máy phát và tần số góc mạch rotor khi lỗi lƣới
Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn đề mà bộ điều khiển phía máy phát gặp
phải (mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn), để nâng cao đƣợc chất lƣợng hệ
thống PĐSG sử dụng MĐKĐBRTDQ, vấn đề đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát
là phải khống chế đƣợc độ lớn của sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor
nhỏ hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi ngay sau khi lỗi lƣới cũng nhƣ khi lỗi lƣới
đƣợc loại bỏ, để tránh hiện tƣợng mất điều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới
mức tối đa sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch.
Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hƣởng tới điện áp quá độ cảm ứng
trong mạch rotor, để nâng cao đƣợc chất lƣợng hệ thống, các yêu cầu cụ thể đƣợc
đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát nhƣ sau:
- Điều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công (thông qua mô men) và
công suất vô công (thông qua hệ số công suất cos) phát lên lƣới thông qua
MĐKĐBRTDQ
- Ổn định đối với dao động của điện áp lƣới
- Ổn định đối với dao động của từ thông khi lỗi lƣới.
- Ổn định đối với dao động, thay đổi của tốc độ máy phát ở chế độ bình
thƣờng và lỗi lƣới.
Ba yếu tố này đƣợc đề cập đếm trong bộ điều khiển phía máy phát dƣới dạng
nhiễu sức phản điện động. Mục tiêu của đề tài là sử dụng phƣơng pháp điều khiển
thích hợp, để bù sức phản điện động, giảm ảnh hƣởng của nhiễu sức giảm điện động.

S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
12
Chng 2
Mễ HèNH TON HC I TNG IU KHIN
2.1 Khỏi quỏt v h thng phỏt in chy sc giú s dng MKBRTDQ

NLPL
3~
3~
NLMP
3~
MP
u
s
u
N
MĐN
i
N
i
r
i
s
n
DSP
U
DC
Biến thế
IE
HS

NLPL
Nghch l-u phía l-ới
NLMP
Nghịch l-u phía máy phát
MĐN
Máy đóng ngắt
HS
Hộp số
MP
Máy phát
IE
Máy khắc vạch xung
Lọc

Hỡnh 2.1 S cu trỳc h thng phỏt in chy sc giú s dng MKBRTDQ
H thng trờn bao gm mt MKBRTDQ cú cun dõy stator c ni trc
tip vi li in ba pha 1. Cun dõy phớa rotor c ni vi h thng bin tn
(dựng van bỏn dn) cú kh nng iu khin dũng nng lng i theo hai chiu. H
thng bin tn bao gm hai cm: cm nghch lu phớa li (NLPL) v cm nghch
lu phớa mỏy phỏt (NLMP). Hai cm c ni vi nhau thụng qua mch in mt
chiu trung gian. Cm NLMP cú nhim v iu chnh v cỏch ly cụng sut hu
cụng v cụng sut vụ cụng thụng qua hai i lng
G
m
(mụmen ca mỏy phỏt) v
cụng sut vụ cụng Q ng thi m nhn vic hũa ng b vi li cng nh iu
chnh tỏch mỏy phỏt ra khi li khi cn thit. Cm NLPL trờn thc t khụng ch
cú nhim v chnh lu theo ngha thụng thng: ly nng lng t li v, cm
cũn cú kh nng thc hin nhim v hon tr nng lng t mch mt chiu trung
gian tr li li. Vỡ vy, v cu trỳc mch in t cụng sut, cm NLPL hon ton

ging nh cm NLMP. Cm NLPL cú nhim v iu chnh n nh in ỏp mch
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
13
một chiều trung gian
DC
u
sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng nhƣ chiều của
dòng năng lƣợng chảy qua rotor, đồng thời điều chỉnh
cos

phía lƣới và qua đó có
thể giữ vai trò bù công suất vô công. Các van bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL
đƣợc điều khiển đóng mở theo nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG).
2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới
2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lƣợng 3 pha
Theo lý thuyết điều khiển vector, trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang ) của
máy điện, vector không gian dòng điện stator của MĐKĐBRTDQ đƣợc định nghĩa
nhƣ sau:
120 240
2
( ) ( ) ( ) ( )
3
oo
s
jt
jj
ss
su sv sw
i t i t i t e i t e i e



   

(2.1)
Trong đó
su
i
,
sv
i
,
sw
i
là các dòng điện hình sin, cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau
120
0
điện chạy trong ba pha dây quấn stator u, v, w .
Nhƣ vậy
()
s
it
là véc tơ không gian quay với tốc độ góc
2
ss
f


so với stator, với
s
f

là tần số mạch stator.
Đối với các đại lƣợng khác của mạch stator, nhƣ điện áp stator, từ thông stator ta
đều có thể xây dựng các vector không gian tƣơng ứng tƣơng tự nhƣ đối với dòng
điện stator kể trên.
Với MĐKĐBRTDQ, trên rotor cũng có cuộn dây ba pha r, s, t trong đó chảy ba
dòng điện
rr
i
,
rs
i
,
rt
i
tần số góc

r
, vector không gian dòn điện rotor cũng đƣợc
định nghĩa nhƣ sau:
120 240
2
( ) ( ) ( ) ( )
3
oo
r
jt
jj
rr
rr rs rt
i t i t i t e i t e i e



   

(2.2)
Vector
()
r
it
là vector không gian quay với tốc độ góc

r
so với rotor, vì rotor quay
với tốc độ ω so với stator, nên
()
r
it
cũng quay với tốc độ
sr
  

so với stator.
Đối với các đại lƣợng khác của mạch rotor, nhƣ điện áp rotor, từ thông rotor ta
đều có thể xây dựng các vector không gian tƣơng ứng tƣơng tự nhƣ đối với dòng
điện rotor kể trên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
14

j


d
s

jq
s

i
sd
i
sq
i
s

s

i
s
i
s

s
u

Hình 2.2 Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator trên hệ trục
toạ độ

và d,q
Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), ta xây dựng một
hệ toạ độ cố định


có trục

trùng với trục cuộn dây pha u, và một hệ toạ độ quay
d,q có trục thực d trùng với véc tơ điện áp lƣới u
s
(u
N
), nghĩa là hệ toạ độ d,q này
quay với tốc độ
2
ss
f


so với stator (hình 2.2). Các thành phần của vector dòng
stator trên 2 trục tọa độ

là
s
i

,
s
i

và trên hai trục toạ độ d,q là
sd
i
,
sq

i
, ta có mối
liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator trên các hệ trục toạ độ và các dòng
điện pha stator nhƣ sau:
1
( 2 )
3
s su
s su sv
ii
i i i









(2.3)
0,5( 3 )
0,5( 3 )
su s
sv s s
sw s s
ii
i i i
i i i








  


  


(2.4)
cos sin
sin cos
sd s s s s
sq s s s s
i i i
i i i








  



(2.5)
cos sin
sin cos
s sd s sq s
s sd s sq s
i i i
i i i











(2.6)
Các công thức biến đổi cho vector dòng stator ở trên cũng đúng với các vector
khác nhƣ vector điện áp stator, dòng rotor, điện áp rotor, từ thông stator, từ thông
rotor.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
15
2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát, thực chất là mô hình trạng thái liên
tục đối tƣợng MĐKĐBRTDQ. Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của
MĐKĐBRTDQ là các phƣơng trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây
stator, rotor.

Phƣơng trình điện áp stator:
s
s
s
s
s
ss
d
u R i
dt


(2.7)
Phƣơng trình điện áp rotor:
r
r
r
r
r
rr
d
u R i
dt


(2.8)
Phƣơng trình từ thông stator và rotor:

sr
s s m

sr
r m r
i L i L
i L i L









(2.9a,b)
Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên các giá
trị điện cảm là bất biến đối với mọi hệ tọa độ quan sát. Do đó, (2.9) đƣợc dùng một
cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải. Khi sử dụng trên hệ tọa
độ cụ thể ta sẽ điền thêm chỉ số.
Phƣơng trình mômen:
   
33
22
sr
G p s p r
m z i z i

    
(2.10)
Sau khi chuyển (2.7), (2.8), (2.9) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq là hệ toạ độ
quay với vận tốc góc

s

so với hệ toạ độ cố định ta thu đƣợc hệ phƣơng trình sau:

f
s
f
ff
s
s s s s
f
r
f
ff
r
r r r r
ff
f
sr
s s m
ff
f
sr
r m r
d
u R i j
dt
d
u R i j
dt

i L i L
i L i L







  




  








(2.11a,b,c,d)
với
sr
  

(2.12)
Chỉ số phía trên bên phải “f” để chỉ hệ tọa độ quay dq. Vì ta điều khiển

MĐKĐBRTDQ trên cơ sở phƣơng pháp tựa theo điện áp lƣới (tức là trên hệ tọa độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
16
quay dq) nên từ nay về sau, để cho thuận tiện, nếu không gây nhầm lẫn, ta quy ƣớc
các đại lƣợng trên hệ tọa độ dq sẽ không cần viết chỉ số “f” ở phía trên bên phải nữa.
Do stator của MĐKĐBRTDQ đƣợc nối mạch với lƣới nên tần số mạch stator
chính là tần số lƣới, điện áp rơi trên điện trở
s
R
có thể bỏ qua đƣợc so với tổng điện
áp rơi trên hỗ cảm stator
m
L
và điện cảm tản
s
L

. Phƣơng trình (2.7) có thể viết lại
gần đúng nhƣ sau:
s
s
s
s
d
u
dt


hoặc
s s s

uj


(2.13)
Phƣơng trình (2.13) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator
một góc chừng 90
0
, hoặc diễn đạt cách khác: vector từ thông stator luôn đứng vuông
góc với vector điện áp stator, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa.
Mặt khác, thiết bị điều khiển đƣợc đặt ở phía rotor và ta có cơ hội để sử dụng
dòng rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tƣợng MĐKĐBRTDQ. Vì vậy ta
sẽ tìm cách thông qua 2 phƣơng trình từ thông (2.11c,d) khử dòng stator
s
i
và từ
thông rotor
r

, giữ lại dòng rotor
r
i
và từ thông stator
s

rồi thay vào 2 phƣơng
trình (2.11a,b) và biến đổi ta có:
/
/
/
1 1 1 1 1 1 1

1 1 1
r
rr
r s r s
r s s r m
s
r
s s s
s s m
di
i j i j u u
dt T T T L L
d
i j u
dt T T L
  
  
   



   
  
       

   
   





   




(2.14)
với
/
/
s s m
L



Viết (2.14) dƣới dạng thành phần ta sẽ thu đƣợc mô hình điện toàn phần của
MĐKĐBRTDQ nhƣ (2.15).
//
//
/
//
/
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
1 1 1
1
   
  
       
   

   
   
  
       
   
   
   

rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
sd
rd sd s sq sd
s s m
sq
s
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
d
iu
dt T T L
d
i

dt T
  
  
    
  
  
    

  

//
11











  


rq s sd sq sq
sm
u
TL

  
(2.15)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
17
Ở trên đã nhận xét: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện
áp stator. Trong tƣơng quan cố định đó, việc hƣớng của vector nào đƣợc chọn làm
hƣớng tựa cho hệ thống điều chỉnh không có ý nghĩa quyết định nữa. Nếu tựa:
 theo hƣớng từ thông stator ta có:
0, 0
sd sq
u



 theo hƣớng điện áp stator ta có:
0, 0
sq sd
u



Hệ phƣơng trình (2.15) cũng có thể đƣợc viết lại dƣới dạng mô hình trạng thái
nhƣ sau:

A B B
sr
sr
dx
x u u
dt

  
(2.16)

Trong đó:
 vector trạng thái
//T
rd rq sd sq
x i i






T
s sd sq
u u u



là vector biến vào phía stator

T
r rd rq
u u u



là vector biến vào phía rotor
Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator B

s
, và ma trận vào phía rotor B
r
có
công thức nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
18

1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
A
11
0
11
0
r
r s s
r
r s s
s
ss
s
ss
T T T
T T T
TT
TT
  

  

  

  




  
  






  

  














(2.17a)

1
0
1
0
B
1
0
1
0
m
m
s
m
m
L
L
L
L






















;
1
0
1
0
B
00
00
r
r
r
L
L













(2.17b,c)
Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ đƣợc thể hiện ở hình 2.3.

B
s
B
r
A

u
s
u
r
x
dx
dt


Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ

Các ma trận của mô hình (2.33) cũng có thể đƣợc viết dƣới dạng các ma trận con
nhƣ sau:

11 12
21 22
AA
A
AA




;
1
2
B
B
B
s
s
s




;
1
B
B
O
r
r





(2.18a,b,c)
Trong đó:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
19

11
1 1 1
A
1 1 1
r
rs
r
rs
TT
TT




















  




;
12
11
A
11
s
s
T
T

















;

21
1
0
A
1
0
s
s
T
T







;
s
22
s

1
A
1
s
s
T
T











;

1
1
0
B
1
0
m
s
m
L

L















;
2
1
0
B
1
0
m
s
m
L
L








;
1
1
0
B
1
0
r
r
r
L
L









(2.19a,b,c,d,e,f,g)
Khi này, mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng
các ma trận con nhƣ hình 2.4.
Trong đó

rd
r
rq
i
i
i




;
rd
r
rq
u
u
u




;
sd
s
sq
u
u
u





;
/
/
/
sd
s
sq









Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con ở hình 2.4 mô tả mô hình điện liên tục
của MĐKĐBRTDQ trong không gian trạng thái. Dựa trên mô hình thể hiện ở hình
2.4, ta hình dung ra có thể tách nó thành 2 nửa, nửa trên và nửa dƣới. Nửa trên là mô
hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ có vai trò làm cơ sở cho việc thiết kế khâu điều
chỉnh dòng, nửa dƣới là mô hình từ thông stator. Vì điện áp stator là tƣơng đối ổn
định ở trạng thái làm việc bình thƣờng, mà từ thông stator lại phụ thuộc vào điện áp
stator, nên qua mô hình trạng thái MĐKĐBRTDQ thể hiện dƣới dạng ma trận con
này ta thấy rằng ảng hƣởng của điện áp stator và từ thông stator tới dòng điện rotor
đƣợc xem nhƣ là các đại lƣợng nhiễu biến thiên rất chậm. Nhƣ sau này trong thiết kế
các khâu điều chỉnh sẽ thấy, các đại lƣợng nhiễu đó ở chế độ làm việc bình thƣờng
đƣợc khử ảnh hƣởng bằng khâu bù đơn giản.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

20

B
r
1
B
s1
B
s2

A
11
A
2
A
1
2
A
2
1

u
r
u
s
di
dt
i
/
s

ψ
/
s
d
ψ
dt
r
r
2

Hình 2.4 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ thể hiện bằng ma trận con


B
r
1

A
11
u
r

di
dt
r
i
B
s1
A
1

2
/
s
ψ
u
s
r

Hình 2.5 Mô hình dòng rotor
Hệ phƣơng trình mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ sau khi đƣợc
tách ra nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
21
//
//
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1

   
  
       

   
    

   
  

       
   


   

rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
  
  
    
  
  
    
(2.20a,b)
Đặt a =











sr
TT



11
; b =


1
; c =
1
r
L

; d =
m
L


1
; e =
s
T


1

Khi đó mô hình dòng rotor đƣợc viết dƣới dạng:

//
//

      




      


rd
rd r rq sd sq rd sd
rq
r rd rq sd sq rq sq
di
ai i e b cu du
dt
di
i ai b e cu du
dt
  
  
(2.21a,b)
Để thấy rõ đặc điểm phi tuyến của mô hình dòng, hệ (2.21) đƣợc viết lại dƣới
dạng ma trận nhƣ sau:

/
A B N X S
r
rr
r r s s
di
i u i u
dt

    
(2.22)
Trong đó:

rd
r
rq
i
i
i




;
rd
r
rq
u
u
u





;
sd
s
sq
u
u
u




;
/
/
/
sd
s
sq









0
A
0
a
a






là ma trận hệ thống;
0
B
0
c
c




là ma trận đầu vào;
01
N
10







là ma trận tƣơng tác phi tuyến; thành phần nhiễu
/
s

tác động vào hệ thống qua ma
trận
X
eb
be







; thành phần nhiễu
s
u
tác động vào hệ thống qua ma trận
0
S
0
d
d







.