ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN


BK
TP.HCM



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP:

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA




GVHD:

PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
SVTH:

Nguyễn Lê Huy Bằng
MSSV:

40400160

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2010


Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

















Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện

i

LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng gửi lời cám ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:
Thầy Dương Hoài Nghĩa, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp
các tài liệu cần thiết em trong suốt thời gian làm luận văn.
Các thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ những
kiến thức vô giá cho em trong suốt thời gian học đại học.
Cuối cùng, em rất biết ơn bố mẹ và anh chị đã chăm lo, cám ơn bạn bè đã ủng hộ
em hoàn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010.


ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
Mục lục hình iv

Ký hiệu dùng trong luận văn vi
Tóm tắt luận văn viii
Chương 1: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ. 1
1.1 Năng luợng gió. 1
1.1.1 Giới thiệu về phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn. 1
1.1.2 Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam. 2
1.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. 2
1.2.1 Các thành phần của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. 2
1.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. 3
1.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định. 4
1.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất. 5
1.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất. 5
1.3 Tốc độ gió và công suất của turbine. 6
1.3.1 Mật độ gió. 6
1.3.2 Hiệu suất turbine gió. 8
1.3.3 Đường cong công suất turbine gió. 10
Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG. 14
2.1 Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG. 14
2.2 Sơ đồ DFIG ở chế độ xác lập. 16
2.3 Sự phân bố công suất trong DFIG 18
2.4 Điều khiển máy phát DFIG. 20
2.5 .Điều khiển tối ưu công suất turbine gió. 22
2.5.1 Điều khiển tối ưu TSR (Tip – Speed – Ratio). 22
2.5.2 Điều khiển bám công suất đỉnh. 24
Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG DFIG. 26
3.1 Vectơ không gian và các phép biến đổi. 26

iii

3.1.1 Vectơ không gian. 26

3.1.2 Công suất trong vectơ không gian. 27
3.1.3 Các phép chuyển hệ tọa độ 29
3.1.3.1 Chuyển đổi abc và αβ. 29
3.1.3.2 Chuyển đổi αβ và dq. 30
3.2 Mô hình toán học của DFIG. 31
3.2.1 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ. 31
3.2.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq. 35
3.3 Mô hình mô phỏng DFIG trên Matlab/Simulink. 37
Chương 4: ĐIỀU KHIỂN DFIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT. 41
4.1 Điều khiển trượt. 41
4.1.1 Luật điều khiển. 41
4.1.2 Hiện tượng dao động tần số cao. 43
4.2 Điều khiển hai thành phần công suất của DFIG bằng phương pháp trượt. 45
4.2.1 Hai thành phần công suất DFIG trong hệ dq định hướng áp. 45
4.2.2 Điều khiển trượt công suất thông qua điều khiển dòng rotor. 49
4.2.2.1 Phương trình trạng thái của hệ thống DFIG. 49
4.2.2.2 Luật điều khiển. 52
Chương 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ. 57
5.1 Sơ đồ mô phỏng. 57
5.2 Kết quả mô phỏng. 61
5.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ danh định. 61
5.2.2 Kết quả khảo sát tính bền vững của luật điều khiển. 67
Chương 6: KẾT LUẬN. 72
6.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn. 72
6.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. 72
Tài Liệu Tham Khảo 73
Phụ Lục 75

iv

Mục lục hình
Hình 1.1: Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với
lưới điện. 2
Hình 1.2: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 4
Hình 1.3: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát 5
Hình 1.4: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía rotor 6
Hình 1.5: Đồ thị mật độ xác suất của các vận tốc gió trung bình 5.4 m/s (nét liền), 6.8
m/s (nét đứt), 8.2 m/s (nét chấm). 7
Hình 1.6: Góc pitch của cánh quạt gió. 8
Hình 1.7: Giới hạn của hiệu suất rotor 10
Hình 1.8: Đường cong hiệu suất rotor C
p
(ࣅ,β) 11
Hình 1.9: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine 12
Hình 1.10: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió. 13
Hình 2.1: Cấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía. 14
Hình 2.2: Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG ở 2 chế độ. 15
Hình 2.3: Đặc tính moment – tốc độ của máy phát DFIG 16
Hình 2.4: Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập 16
Hình 2.5: Sự phân bố công suất (bỏ qua tổn thất) của DFIG 19
Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển tổng thể turbine gió tốc độ thay đổi DFIG 21
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ (TSR) 23
Hình 2.8: Đường cong công suất turbine 24
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh 25
Hình 3.1: Nguyên lý vector không gian 26
Hình 3.2: Mối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ 29
Hình 3.3: Mối liên hệ giữa đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và dq 30
Hình 3.4: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y 31

Hình 3.5: Sơ đồ tương đương RL trong hệ trục tọa độ tự nhiên của stator và rotor 32
Hình 3.6: Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha 33
Hình 3.7: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ 35
Hình 3.8: Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq 36
Hình 3.9: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq
quay với tốc độ đồng bộ 37
Hình 3.10: Mô hình mô phỏng DFIG trên hệ tọa độ αβ 38
Hình 3.11: Các khối chuyển hệ tọa độ điện áp từ abc sang αβ 38
Hình 3.12: Các khối tính dòng và từ thông. 39
Hình 3.13: Khối tính momen và ω
r
39
Hình 3.14: Các khối chuyển hệ tọa độ αβ sang abc. 40
Hình 4.1: Quỹ đạo trạng thái ở chế độ trượt (n=2) 42
Hình 4.2: Hàm Signum 43
Hình 4.3: Hiện tượng dao động tần số cao. 44

v

Hình 4.4: Hàm Saturation. 45
Hình 4.5:Định hướng hệ trục tọa độ dq theo vectơ điện áp lưới. 46
Hình 4.6:Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát và lưới điện.
47
Hình 4.7:Giản đồ vectơ điện áp lưới và vectơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua điện
trở stator. 48
Hình 4.8:Sơ đồ biểu diễn trạng thái của hệ thống điều khiển DFIG. 52
Hình 4.9: Tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển được trang bị với khâu Saturation. 56
Hình 4.10: a) Thêm cực vào trước khâu tính đạo hàm tạo ra hàm truyền hợp thức
b)Tín hiệu nấc được lọc trước khâu tính đạo hàm 56
Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển DFIG bằng phương pháp trượt 57

Hình 5.2: Nguồn 3 pha đối xứng cung cấp cho mạch stator 58
Hình 5.3: Chuyển đổi abc - dq 58
Hình 5.4: ABC-TO-DQ 59
Hình 5.5: Tính toán từ thông, công suất và momen 59
Hình 5.6: Luật điều khiển trượt 60
Hình 5.7: DQ-TO-ABC 60
Hình 5.8: Tính toán F1,F2 61
Hình 5.9: Giá trị đặt cho hai thành phần dòng rotor 63
Hình 5.10: Đáp ứng của
e
dr
i
và
e
qr
i
theo tín hiệu đặt. 63
Hình 5.11: Các mặt trượt S
1
và S
2
. 64
Hình 5.12: Công suất P
s
, Q
s
và Mômen T
e
. 65
Hình 5.13: Dòng và áp stator 66

Hình 5.14: Dòng và áp rotor 66
Hình 5.15: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện trở stator và rotor lên 20% 69
Hình 5.16: Đáp ứng hệ thống khi giảm điện trở stator và rotor xuống 20% 70
Hình 5.17: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện cảm và hỗ cảm 71



vi

Ký hiệu dùng trong luận văn
as
v
,
bs
v
,
cs
v

Điện áp 3 pha a,b,c của stator
ar
v
,
br
v
,
cr
v
Điện áp 3 pha a,b,c của rotor
s

v
α
,
s
v
β
Hai thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ αβ
ds
v
,
qs
v

Hai thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ dq

r
v
α
,
r
v
β
Hai thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ αβ
dr
v
,
qr
v
Hai thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq
as

i
,
bs
i
,
cs
i
Dòng điện 3 pha a,b,c của stator
s
i
α
,
s
i
β
Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ αβ
ds
i
,
qs
i
Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ dq
ar
i
,
br
i
,
cr
i

Dòng điện 3 pha a,b,c của rotor
r
i
α
,
r
i
β
Hai thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ αβ
dr
i
,
qr
i
Hai thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ dq
as
ψ
,
bs
ψ
,
cs
ψ
Từ thông ba pha a,b,c của stator
s
α
ψ
,
s
β

ψ
Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ αβ
ds
ψ
,
qs
ψ
Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ dq
r
α
ψ
,
r
β
ψ
Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ αβ
dr
ψ
,
qr
ψ
Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq
s
P
,
s
Q
,
s
S

Công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến phía stator
m
T
,
e
T

Momen cơ và momen điện
β Góc picth
λ Tip – Speed – Ratio
σ Hệ số từ thông tản
s
ω
,
r
ω
Tốc độ đồng bộ và tốc độ rotor
p Số cặp cực
ρ Mật độ không khí
p
C
Hiệu suất rotor
r
θ
,
e
θ
Góc vị trí stator và rotor
J,s Momen quán tính, hệ số trượt

vii

Chỉ số đi kèm
ref,* Viết ở trên, bên phải: giá trị đặt
s,e Viết ở trên, bên phải: đại lượng thuộc hệ tọa độ αβ ,dq
d,q Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục d,q
α,β Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục α, β
s,r Viết ở dưới, bên phải: đại lượng stator, rotor


viii

Tóm tắt luận văn
Luận văn tìm hiểu tổng quan về các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Đi sâu
tìm hiểu về mô hình toán, mô phỏng và điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn
từ hai phía (DFIG) ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
Mô hình mô phỏng của DFIG được xây dựng trong hệ tọa độ αβ.
Các phương trình toán của DFIG sử dụng trong hệ thống điều khiển được tính trên
hệ tọa độ dq định hướng theo vectơ điện áp lưới. Mục tiêu điều khiển là điều khiển độc
lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator. Việc điều khiển độc lập
hai thành phần công suất này có ý nghĩa là điều khiển độc lập công suất tác dụng để tối
ưu công suất nhận được từ gió, điều khiển độc lập công suất phản kháng để ổn định hệ
thống điện. Trên hệ tọa độ dq đinh hướng theo vectơ điện áp lưới mục tiêu điều khiển
độc lập hai thành phần công suất tương đương với điều khiển hai thành phần dòng điện
dr
i
,
qr
i
phía rotor.

Hệ thống điều khiển DFIG được thiết kế dùng phương pháp điều khiển trượt, với
những ưu điểm sau: đáp ứng nhanh, không vọt lố, bền vững trong các điều kiện làm
việc khác nhau.

Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

1

Chương 1: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ.
1.1
Năng luợng gió.
1.1.1
Giới thiệu về phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn.
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra do mặt trời đốt nóng khí
quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và xoay quanh trục của nó, do sự không đồng
đều trên bề mặt trái đất. Từ xa xưa, con người đã biết lợi dụng sức gió để phục vụ cho
nhu cầu cuộc sống của mình. Thuyền buồm chạy bằng sức gió, cối xay gió, hệ thống
đưa nước lên đồng ruộng bằng sức gió… là những máy biến đổi năng lượng gió sơ
khai nhất.
Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng sạch, bảo vệ môi
trường. Lĩnh vực sử dụng năng lượng gió để phát điện năng đang được quan tâm rất
nhiều trên thế giới như một nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn. Là một nguồn năng
lượng năng lượng tái tạo thích hợp để thay thế cho năng lượng khoáng sản ( than đá,
dầu mỏ, khí đốt …) đang dần cạn kiệt, nằm trong chiến lược phát triển năng lượng của
nhiều quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió trên thế giới.
Quá trình biến đổi năng lượng gió thành điện năng được thực hiện bằng một hệ
thống bao gồm 3 thành phần: khí động học, cơ và điện. Cánh quạt và turbine nhận
năng lượng từ gió, biến đổi thành năng lượng cơ, đưa vào máy phát. Máy phát sẽ biến

đổi năng lượng cơ này thành điện năng. Điện năng này có thể được sử dụng trực tiếp,
lưu trữ hay hòa vào mạng điện.
Những thuận lợi:
• Đầu tiên, phát điện từ gió không gây ô nhiễm môi trường. Mặc dù, có một số
ảnh hưởng về tiếng ồn và quang cảnh, phát điện từ gió giúp giảm ô nhiễm
không khí so với sử dụng các nguồn năng lượng khác, không gây hiệu ứng nhà
kính.
• Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận, chỉ tốn chi phí đầu tư ban đầu, bảo
trì và vận hành, không tốn chi phí nhiên liệu.
• Vị trí lắp đặt đa dạng hơn thủy điện, có thể lắp đặt ở những đảo, vùng núi, nơi
lưới điện quốc gia không đến được. Đáp ứng nhu cầu năng lượng cho những
nơi này.
• Giá thành thấp. Với sự phát triển của kỹ thuật phát điện bằng sức gió, giá thành
không còn là vấn đề như những thập niên trước. Giờ đây, giá điện từ gió rẻ hơn
giá điện từ những nguồn khác như than, dầu hay biomas…
Những khó khăn:
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

2

• Công suất phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ gió. Nên chỉ lắpđặt được ở những vùng
có sức gió tương đối cao, nhằm tăng hiệu quả đầu tư. Và do tốc độ gió không
ổn định nên công suất phát ra cũng không ổn định.
• Các turbine gió gây tiếng ồn và làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí có
thể làm xáo trộn hệ sinh thái của một số loài chim hoang dã, làm nhiễu xạ sóng
truyền thanh và truyền hình.
• Chịu đựng kém trong các điều kiện gió bão, việc bảo vệ an toàn cho các turbine
gió khá phức tạp.

Nhưng với sự phát triển của kỹ thuật phát điện bằng năng lượng gió những năm
gần đây, những khó khăn đã được tháo gỡ phần lớn. Mức sử dụng năng lượng gió trên
thế giới ngày càng nhiều. Số liệu thống kê vào 04/2005 cho thấy mức sử dụng năng
lượng gió của một số quốc gia trên thế giới: Đức 16.628 MW, Tây Ban Nha 8.263
MW, Mỹ 6.752 MW, Đan Mạch 3.118 MW, Ấn Độ 2.983 MW, Pháp 390 MW.
1.1.2
Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam.
Việt Nam có một bờ biển dài với sức gió hàng năm lớn, vô cùng thuận lợi cho việc
phát triển năng lượng gió. Theo các kết quả khảo sát, Việt Nam là quốc gia có tiềm
năng năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á với 513.360 MW. Hai vùng giàu tiềm
năng nhất là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình
Thuận). Gió ở hai nơi này có vận tốc trung bình lớn (6 m/s) và ổn định có thể xây dựng
các turbine gió công suất lên đến 5MW.
Hiện nay, nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy
Phong, Bình Thuận sắp phát điện. Nhà máy gồm 5 turbine, cao 92m, 3 cánh quạt, mỗi
cánh dài 37.2m, đạt công suất 1.5 MW/turbine. Và các công ty của Đức đã được nhà
nước cấp phép đầu tư lĩnh vực phát điện sức gió, và ở Hải Phòng nhà máy chế tạo
turbine gió đầu tiên của Việt Nam đã được thành lập. Lĩnh vực phát điện sức gió ở
Việt Nam đang ở giai đoạn phát triển mạnh mẽ.
1.2
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
1.2.1
Các thành phần của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

Hình 1.1: Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với
lưới điện.
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

3

Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại bao gồm:
- Turbine gió: có hai loại trục dọc và trục ngang. Turbine dạng trục ngang với ưu
điểm hiệu suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chuyển đổi có
công suất lớn.
- Tháp đỡ: để có được nguồn gió lớn và ổn định người ta thường lấy gió trên
cao. Tháp đỡ dùng để nâng đỡ hệ thống turbine, máy phát, các bộ phận cơ
khí…Cấu trúc tháp bằng bêtông hoặc thép, có tính toán tần số cộng hưởng khi
đưa hệ thống vào hoạt động.
- Hộp truyền động (Gear box): Máy phát thường có tốc độ định mức khoảng
1000 – 1500 rpm trong khi tốc độ của turbine gió chỉ khoảng 30 – 50 rpm. Vì
vậy hộp truyền động được sử dụng để tương thích hai cấp tốc độ này.
- Máy phát điện: Hầu hết các hệ thống kết nối với lưới điện điều sử dụng máy
phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng. Một số hệ thống làm việc độc lập sử
dụng máy phát điện nam châm vĩnh cữu. Máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai
phía (DFIG) với nhiều ưu điểm trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang
là máy phát được sử dụng phổ biến nhất.
- Bộ biến đổi công suất: được sử dụng để khởi động, hòa đồng bộ, điều khiển,
và bảo vệ máy phát kết nối lưới điện. Bộ biến đổi công suất là linh hồn của hệ
thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện.
- Thiết bị truyền tải, kết nối lưới điện: Các máy biến áp được sử dụng để kết
nối với lưới điện.
- Hệ thống điều khiển, giám sát và bảo vệ: Hệ thống chuyển đổi năng lượng
gió hiện đại sẽ được trang bị các hệ thống điều khiển, và giám sát máy phát.
Nhằm tối ưu công suất nhận được từ gió, bảo vệ toàn hệ thống khỏi sự cố. Hệ
thống này bao gồm các cảm biến đo hướng gió, tốc độ gió…Được thiết kế làm
việc với mức an toàn và tin cậy cao để đảm bảo hệ thống làm việc an toàn.
1.2.2
Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi
1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ
thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo
tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó không có khả năng hấp thu
công suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống turbine gió tốc độ cố
định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh
hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận
tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động
công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ
làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thốnglàm ảnh hưởng đến
chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

4

phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công
suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm
việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng
gió vì thế có thể được hạn chế. Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi
turbine gió có thể được cải thiện hơn so với turbine gió tốc độ cố định.
Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện,
điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực
từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và
hộp số điều chỉnh tốc độ quay của turbine theo vận tốc máy phát.
Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề
cập:
• Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ.
• Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc

máy phát đồng bộ.
• Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía.
1.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định.
Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được
kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới
điện như hình 1.2.

Hình 1.2: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ
cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có
số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

5

và số cặp cực khác nhau. Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được từ
gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát không đồng bộ thường
cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa
với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.
Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3
nhược điểm chính:
• Không thể điều khiển công suất tối ưu.
• Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc
độ thay đổi đột ngột.
• Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control).
1.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất.
Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy
phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát

đồng bộ (SG). Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió,
nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chi phí đầu
tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên.

Hình 1.3: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát
1.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất.
Hệ thống bao gồm turbine gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG
có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn được nối thông
qua một bộ biến đổi công suất dạng back to back như hình 1.9. Ngày nay, cấu hình này
trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn bộ công suất
phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

6

biến đổi toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công
suất cũng thấp hơn.

Hình 1.4: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía rotor
1.3
Tốc độ gió và công suất của turbine.
1.3.1
Mật độ gió.
Do vận tốc gió luôn thay đổi theo điều kiện thời tiết và địa hình. Nên để đánh giá
tiềm năng gió người ta thường tính vận tốc gió trung bình, từ đó người ta có thể tính
năng lượng kỳ vọng nhận được ở một vùng cụ thể. Do vận tốc gió thường thay đổi
theo mùa và có xu hường lặp lại với chu kỳ một năm sau đó, nên vận tốc gió trung
bình được xác định cho khoảng thời gian một năm.

Sự thay đổi vận tốc gió được mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Hàm mật độ xác suất
được sử dụng phổ biến để miêu tả vận tốc gió là hàm Weibull. Phân bố Weibull được
miêu tả:
݂
ሺ
߱
ሻ
ൌ

݇
ܿ
ቀ
߱
ܿ
ቁ
௞
ି
ଵ
݁
ି
ሺ
ఠ
/
௖
ሻ
ೖ

(1.1)

Trong đó, k: hệ số hình dạng, c: hệ số tỷ lệ, ߱: là tốc độ gió. Từ đó, vận tốc gió

trung bình ( hay vận tốc gió kỳ vọng) được tính như sau:
ω
ഥ
ൌ
න
ω
∞
଴
f
ሺ
ω
ሻ
d
ω
ൌ
න
ω
k
c
∞
଴
ቀ
ω
c
ቁ
୩
ି
ଵ
e
ି

ቀ
ω
ୡ
ቁ
ౡ
d
ω
(1.2)

Với Γ là hàm gamma Euler
߁
ሺ
ݖ
ሻ
ൌ
න
ݐ
௭
ି
ଵ
∞
଴
݁
ି
௧
݀ݐ

(1.3)

Chương 1: Hệ thống chuy

ể

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằ
ng
Vận tố
c gió trung bình


Nếu, phân bố
Weibull tr


Hệ số tỷ lệ đượ
c tính v
2k =
,
1
2
π
 
Γ =
 
 


Từ phân bố
Rayleigh ta v
m/s;
6,8 m/s ; 8,2 m/s (hình 1.5

Hình 1.5: Đồ thị mật độ

ể
n đổi năng lượng gió.
GVHD: PGS.TS D
ng


c gió trung bình
được tính như sau:


1c
k k
ω
 
= Γ
 
 

Weibull tr
ở thành phân bố Rayleigh.

( )
2
2
2
c
f e
c

ω
ω
ω
 
−
 
 
=

c tính v
ới vận tốc gió trung bình cụ thể từ
phươ

2
c
ω
π
=

Rayleigh ta v
ẽ được đồ thị mật độ xác suất củ
a các t
6,8 m/s ; 8,2 m/s (hình 1.5
)

xác suất của các vận tố
c gió trung bình 5.4 m/s (nét li
m/s (nét đứt), 8.2 m/s (nét chấm).
GVHD: PGS.TS Dương Hoài Ngh
ĩa

Trang

7

(1.4)

(1.5)

phương tr
ình (1.4), cho
(1.6)

a các t
ốc độ gió 5,4
c gió trung bình 5.4 m/s (nét li
ền), 6.8
Chương 1: Hệ thống chuy
ể

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằ
ng
1.3.2
Hiệu suấ
t turbine gió.
Trước khi khảo sát hi
ệ
sau :
- R
b

: Chiều dài củ
a cánh gió.
- r
b
: Bán kính củ
a cánh gió, kho
của turbine.
- ω: tốc độ gió mặ
t, t
- ω
0
: tốc độ
gió lưng, t
- A
R
: diệ
n tích quét c
- β
: góc pitch góc gi
Hình
Năng lượng thực tế
(hay công su
độ chênh lệch độ
ng năng c
động năng của gió ở
phía tr
ể
n đổi năng lượng gió.
GVHD: PGS.TS D
ng

t turbine gió.

ệ
u suất của turbine gió, một số định ngh
ĩa đ
a cánh gió.

a cánh gió, kho
ảng cách từ mặt cắt ngang c
ủ
t, t
ốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn phía trư
ớ
ưng, t
ốc độ gió ở khoảng cách đủ lớ
n sau khi ra kh
n tích quét c
ủa cánh gió.
: góc pitch góc gi
ữa đường cung và mặt phẳng xoay.
Hình
1.6: Góc pitch của cánh quạt gió.
(hay công su
ất cơ) P
mech
lấy được từ gió bở
i cánh qu
ăng c

ủa tích trữ trong gió ở phía trướ
c cánh qu
phía trư
ớc cánh quạt có vận tốc ω
0
.
GVHD: PGS.TS Dương Hoài Ngh
ĩa

Trang

8

ĩa đ
ược đưa ra như
ủ
a cánh gió đến trục
ớ
c cánh quạt.
n sau khi ra kh
ỏi cánh gió.

i cánh qu
ạt turbine là
c cánh qu
ạt có vận tốc ω, và
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

9

Công suất cơ này phụ thuộc vào diện tích quét của cánh gió, và tỷ lệ với lập phương
vận tốc gió.

3
1
( , ) ( )
2
mech R p
P A C W
ρ λ β ω
=

(1.7)

Với: C
p
: Hệ số công suất của turbine gió.
ρ : mật độ không khí kg/m
3
.
λ
: Tỉ số tốc độ gió mặt và gió lưng
Với một vận tốc gió cho trước, giá trị của C
p
phụ thuộc vào
λ
. Được tính như sau:
C

୮
ൌ
1
2
ሺ
1
൅
ߣ
ሻ
ሺ
1
െ
ߣ
ଶ
ሻ

(1.8)

Để tìm hiệu suất cực đại của rotor ta lấy đạo hàm:
݀
ܥ
௣
݀ߣ
ൌ
1
2
ሺ
1
െ
2

ߣ
െ
3
ߣ
ଶ
ሻ

(1.9)

Giải phương trình
ௗ஼
೛
ௗఒ
ൌ0 . Ta được ߣൌെ1 (loại vì ω, ω
0
> 0) và ߣൌ
ଵ
ଷ
. Vậy giá trị
lớn nhất của C
p
là:
ܥ
௣௠௔௫
ൌ
1
2
൬
1
൅

1
3
൰
൬
1
െ
1
9
൰
ൌ
16
27
ൎ
0
.
593

(1.10)

Giá trị lý thuyết C
pmax
chỉ ra rằng turbine không thể lấy nhiều hơn giá trị 59,3% công
suất gió hiện hữu (giới hạn Betz – Albert Betz’s Law ). Đây là giới hạn công suất có
thể nhận được từ gió. Từ đó, ta có thể vẽ đường cong hiệu suất rotor ở hình 1.6
Nhận xét: Nếu rotor quay quá chậm thì gió dễ dàng thổi xuyên qua khe hở giữa các
cánh gió, khi đó ߱ൎ߱
଴
. Ngược lại khi rotor quay quá nhanh thì sẽ tạo thành một
tường chắn gió. Ta thấy, tốc độ của rotor ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ gió mặt và gió
lưng. Nói cách khác nó ảnh hưởng đến giá trị của C

p
. Do đó, C
p
là mối quan hệ giữa
tốc độ gió và tốc độ rotor. Mối quan hệ này chính là tỷ số giữa tốc độ tiếp tuyến của rìa
cánh quạt với tốc độ gió mặt – TSR ( Tip Speed Ratio).
ߣ
ൌ
߱
௥
ܴ
௕
߱

(1.11)

Với trường hợp turbine gió tốc độ thay đổi,công suất đầu ra của máy phát có thể được
giới hạn bằng cách thay đổi góc pitch (β) của cánh gió. Để có thể lấy được công suất
tối ưu từ gió, tốc độ rotor được điều khiển theo tốc độ của gió. Nhưng khi tốc độ gió
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

10

quá cao ( giông, bão…), áp lực ly tâm cơ khí lên cánh quạt tăng lên đến giới hạn của
vật liệu phải chịu đựng, ta phải cho ngừng rotor để bảo vệ cho hệ thống.

Hình 1.7: Giới hạn của hiệu suất rotor
1.3.3

Đường cong công suất turbine gió.
Trên thực tế, hiệu suất của rotor không những phụ thuộc vào
λ
mà còn phụ thuộc
vào góc pitch của cánh quạt gió β [rad] xoay quanh trục của chính nó. Nên hầu hết các
turbine gió điều trang bị thiết bị điều khiển pitch. Điều này, càng làm cho việc xác
định hàm C
p
trở nên phức tạp. Nhà chế tạo thường cho giá trị của C
p
là một hàm theo
λ
, β với mỗi loại turbine. Một công thức xấp xỉ thường được sử dụng của đường công
hiệu suất rotor được cho bởi công thức (1.12) và có dạng đồ thị như hình 1.8

22.5
116
( , ) 0.22( 0.4 5)
i
p
i
C e
λ
λ β β
λ
−
= − −


(1.12)

Giá trị
i
λ
được cho bởi quan hệ:
Chương 1: Hệ thống chuy
ể

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằ
ng

Hình
Trên đồ thị hình 1.8
, giá tr
có tỷ số giữa tốc độ
gió m
Bây giờ ta khảo sát s
ự
gió thay đổi. Với mộ
t turbine
turbine gió chỉ phụ thuộ
c vào t


Với
2
1
2
b
m R

ρπ
=
là hằ
ng s
Vậy ứng với một tố
c đ
đầu ra. Hình 1.9 thể hiệ
n công su
nhau.
ể
n đổi năng lượng gió.
GVHD: PGS.TS D
ng



3
1 1 0.035
0.08 1
λ λ β β
= −
+ +

Hình
1.8: Đường cong hiệu suất rotor C
p
(
,β)
, giá tr
ị max của C

p
là giá trị tối ưu C
popt
, v
ớ
gió m
ặt và tốc độ gió lưng tối ưu
popt
λ
.
ự
phụ thuộc của công suất đầu ra củ
a turbine v
t turbine
ở điều kiện không khí không đổ
i thì công su
c vào t
ốc độ gió mặt và hệ số công suất C
p

3 3
1
( , )
2
mech R p p
P A C mC
ρ λ β ω ω
= =
ng s
ố

c đ
ộ gió cho trước tốc độ của turbine sẽ
quy
n công su
ất đầu ra với các vận tốc gió và t
ố
GVHD: PGS.TS Dương Hoài Ngh
ĩa

Trang

11

1 1 0.035
0.08 1

(1.13)


,β)

ớ
i góc β cố định ta sẽ
a turbine v
ới các tốc độ
i thì công su
ất ra của
p
:
3 3

mech R p p
P A C mC
ρ λ β ω ω


(1.14)

quy
ết định công suất
ố
c độ turbine khác
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

12


Hình 1.9: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine
Nhận xét: Muốn đạt được công suất lớn nhất với tốc độ gió đã cho thì tốc độ rotor
phải được điều khiển phù hợp với tốc độ gió để duy trì giá trị tối ưu của C
p
(hình 1.8) .
Hơn nữa, khi tốc độ gió quá chậm hay quá nhanh rotor cần các chế độ không làm việc
hoặc ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các thiết bị khác tránh trường hợp quá
tải. Sẽ dẫn tới gãy turbine hay hư hỏng các thiết bị công suất.
Việc điều khiển tốc độ rotor có thể thực hiện bằng hệ thống cơ ( điều chỉnh góc
pitch của cánh gió) hoặc bằng các phương pháp điều khiển tốc độ bằng điện.
Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbine gió là
đường công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra. Thường

được gọi là đường cong công suất lý tưởng. Thể hiện ở hình 1.10. Các thông số trong
đó:
• Vận tốc gió Cut-in (V
c
): là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng ma sát và tạo công
suất.
• Vận tốc gió định mức (V
R
): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng
theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt đến
giá trị V
R
, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế. Khi lớn hơn
V
R
thì cần phải điều chỉnh để hệ thống turbine lượt bớt công suất nhằm tránh
quá tải cho máy phát.
Chương 1: Hệ thống chuy
ể

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằ
ng
• Vận tốc gió Cut-
out (
hệ thống turbine c
trúc cơ k
hí khác, trong tr
Hình 1.10
:
Đa số các turbine gió tố

c đ
tốc độ nhỏ hơn định mứ
c, turbine gió
nhất. Khi tốc độ
gió trên đ
hợp với phương pháp đi
ề
rộng hơn.

ể
n đổi năng lượng gió.
GVHD: PGS.TS D
ng


out (
V
F
): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạ
t đ
ần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ
máy phát và các c
hí khác, trong trư
ờng hợp này công suất phát ra bằ
ng không.
:
Đường cong công suất lý tưởng củ
a turbine gió
c đ
ộ thay đổi điều được trang bị bộ điề

u khi
c, turbine gió đi
ều khiển góc pitch để tạ
o ra công su
gió trên đ
ịnh mức cần điều khiển góc pitch để bả
o v
ề
u khiển tốc độ turbine gió bằng điện để
có dãi
GVHD: PGS.TS Dương Hoài Ngh
ĩa

Trang

13

t đ
ến ngưỡng V
F
thì
máy phát và các c
ấu
ng không.


a turbine gió
.
u khi
ển góc pitch. Khi

o ra công su
ất tối ưu
o v
ể turbine gió. Kết
có dãi
điều chỉnh
Chương 2:Hệ thống máy phát DFIG. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

14

Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG.
Máy phát DFIG được xem là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió tốc độ thay đổi. Bời vì bộ biến đổi công suất được đặt bên phía rotor nên chỉ
biến đổi 20 – 30% tổng công suất phát, làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn. Vấn đề
duy nhất là khó điều khiển hơn.
2.1
Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG.
DFIG thực chất máy điện không đồng bộ rotor dây quấn. Trong hệ thống chuyển
đổi năng lượng gió sử dụng DFIG thì stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới
điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất (back-to-back inveter
)thông qua vành trượt như hình 2.1. Một tụ điện DC-link được đặt ở giữa đóng vai trò
tích trữ năng lượng.

Hình 2.1: Cấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía.
Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá
điện áp trong mạch DC-link. Khi xảy ra tình trạng quá dòng, thiết bị crowbar sẽ ngắn
mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ
converter và cho phép DFIG làm việc như một máy điện không đồng bộ thông thường,

lúc này tiêu thụ năng lượng từ lưới.
Trong thực tế, điện áp định mức của mạch rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức
bên phía mạch stator nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện sẽ có ba cuộn dây.