tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Lời cam đoan 4-
Lời cảm ơn 5-
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 6-
Danh mục các hình vẽ và đồ thị 8-
MỞ ĐẦU 9-
1. Tính cấp thiết của đề tài 9-
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 9-
3. Đối tượng và mục đích nghiên cứu 10-
4. Kết cấu của luận văn 10-
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 11-
1.1. Tổng quan 11-
1.1.1. Đặt vấn đề 11-
1.1.2. Năng lượng gió 11-
1.1.3. Vài nét về trạm phong điện 11-
1.2. Máy phát điện sức gió (Phong điện) 11-
1.2.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió 11-
1.2.2. Cấu tạo của tuabin phong điện 12-
1.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện 12-
1.3. Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng
máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction
Generator) 12-
1.3.1. Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông
dụng 12-
1.3.2. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện
DFIG 12-
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY

PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN
KÉP 13-
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
1
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
2.1. Máy điện cảm ứng nguồn kép 13-
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện.
13-
2.1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG 13-
2.1.3. Công suất của DFIG 13-
2.1.4. Véctơ không gian 13-
2.1.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng
trong véctơ không gian 13-
2.2. Mô tả toán học hệ thống DFIG 13-
2.2.1. Mô tả toán học máy điện DFIG 14-
2.2.2. Mô tả toán học bộ lọc phía lưới 14-
2.2.3. Mô tả toán học bộ DC – Link 14-
2.2.4. Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC)
14-
2.2.5. Mô tả toán học bộ Machine Side Converter
(MSC) 14-
2.3. Từ trường trong hệ thống DFIG 14-
2.3.1. Từ trường của stato 14-
2.3.2. Từ trường của lưới 14-
2.4. Kết luận chương 2 14-
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -15-
3.1. Tìm hiểu một số phương pháp điều khiển máy phát điện
sức gió -44-
3.1.1. Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử

dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 15-
3.1.2. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ
15-
3.2. Lý thuyết về điều khiển PID 15-
3.2.1. Đặt vấn đề 15-
3.2.2. Lý thuyết về điều khiển PID 15-
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
2
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
3.2.3. Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
15-
3.2.4. Các hạn chế của điều khiển PID 15-
3.2.5. Ký hiệu thay thế và các dạng PID 15-
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió
sử dụng máy điện cảm ứng DFIG 15-
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát (MSC) -16-
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phía lưới (GSC) 18-
3.4. Kết luận chương 3 20-
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB –
SIMULINK – PLECS VÀ KẾT LUẬN 21-
4.1. Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs 21-
4.2. Mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử
dụng công cụ Matlab – Simulink – Plecs 21-
4.2.1. Các tham số dùng cho mô phỏng 21-
4.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 21-
4.2.3. Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) 23-
4.2.4. Xây dựng các khối điều khiển phía máy phát
(MSC) 23-
4.2.5. Xây dựng các khối điều khiển phía lưới (GSC)
23-

4.3. Kết quả mô phỏng 23-
4.3.1. Khởi tạo quá trình mô phỏng 23-
4.3.2. Kết quả mô phỏng 25-
4.4. Kết luận và kiến nghị 28-
TÀI LIỆU THAM KHẢO 29-
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
3
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Dương Quốc Hưng
Sinh ngày 30 tháng 7 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hoá - Trường đại học
Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy
phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” do thầy
giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ
ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn
Dương Quốc Hưng
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
4
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động

viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS
Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới
cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép
DFIG” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ
dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả
trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện
luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã
quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành bản luận văn.
Tác giả luận văn
Dương Quốc Hưng
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
5
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
U
s
(stator voltage): Điện áp Stato
R
s
(stator resistance): Điện trở Stato
U
r
(rotor voltage): Điện áp Roto

R
r
( rotor resistance): Điện trở Roto
I
s
(stator current): Dòng điện Stato
R
m
(magnetizing resistance): Điện trở từ hoá
I
r
(rotor current): Dòng điện Roto
L
sλ
(stator leakage inductance): Điện cảm Stato
I
Rm
(magnetizing resistance current): Dòng điện từ hoá
L
rλ
(rotor leakage inductance): Điện cảm Roto
Ψs (stator flux): Từ trường Stato
ΨR (rotor flux): Từ trường Roto
ω1 (stator frequency): Tần số dòng điện Stato
L
m
(magnetizing inductance): Điện cảm từ hoá
s (slip): Độ trượt
L
M

: Điện cảm từ hoá
L
σ
≈ L
sλ
+ L
rλ
: Điện cảm khe hở
n
p
: Số đôi cực từ của máy phát
J: Mômen quán tính
T
s
: Mômen trên trục của máy phát
ω
r
là tần số góc của Roto
ω
2
là tần số trượt
T
m
: Mômen cơ khí
T
e
: Mômen điện từ
P
s
: Công suất tác dụng Stato

Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
6
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
P
r
: Công suất tác dụng Roto
Q
s
: Công suất phản kháng Stato
Q
r
: Công suất phản kháng Roto
P
loss
: Tổn thất công suất
P
mech
: Công suất từ hoá
, , ,
rd rq sd sq
u u u u
Các thành phần điện áp rotor, stator
thuộc hệ tọa độ dq
, , ,
rd rq sd sq
i i i i
Các thành phần dòng rotor, stator thuộc
hệ tọa độ dq
,
r s

ψ ψ
Các thành phần véctor từ thông rotor,
stator
,
sd sq
ψ ψ
Các thành phần từ thông stator thuộc hệ
tọa độ dq
Chữ viết tắt
NLG Năng lượng gió
CL Chỉnh lưu
NL Nghịch lưu
ĐCĐB - KTVC Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ nguồn kép
MĐĐB - KTVC Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu
NLPL - NLDI Nghịch lưu phía lưới
NLMF - NLFDI Nghịch lưu phía máy phát
PĐSG Phát điện sức gió
DFIG Doubly-Fed Induction Generator
AVR Automatic Voltage Regulator
GSC Grid Side Converter
MSC Machine Side Converter
ĐKCTĐ điều khiển chuyển toạ độ trạng thái
KĐB-RLS Không đồng bộ Roto lồng sóc
KĐB-RDQ Không đồng bộ Roto dây quấn
ĐK Điều khiển
MP Máy phát
G Grid
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
7

Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình Tên hình Trang
Hình 1.1
Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch
11
Hình 1.11
Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG
12
Hình 2.5
Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG
25
Hình 2.8 Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG
14
Hình 3.11
Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió
DFIG
16
Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển phía Roto 16
Hình 3.13 Bộ điều khiển công suất tác dụng 17
Hình 3.14 Bộ điều khiển công suất phản kháng 17
Hình 3.15 Bộ điều khiển tốc độ 18
Hình 3.16 Mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới 18
Hình 3.17 Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link 19
Hình 4.11
Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió
DFIG
22
Hình 4.12
Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển máy

phát điện sức gió DFIG
22
Hình 4.33
Tốc độ máy phát, công suất phía Stato (Ps, Qs),
phía Roto (Pr, Qr) và công suất phát của hệ
thống (P,Q)
26
Hình 4.34
Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện áp
Rotor (Ur) khi Vwind =12m
→
10.5m/s
27
Hình 4.35
Dòng điện Idc, điện áp một chiều Udc và công
suất một chiều Pdc của bộ DC – Link khi Vwind
=12m
→
10.5m/s
28
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
8
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nguồn năng lượng sạch khá dồi dào, có khả năng thay
thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường.
Việc khai thác năng lượng sạch có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã
hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững.
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu nhằm sản

xuất ra các nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặt
trời và năng lượng gió [4], [10], [11], [12]. Hệ thống máy phát điện sức
gió lợi dụng gió để làm quay tuabin máy phát tạo ra điện đang được ứng
dụng nhiều trong thực tế. Với tuabin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi
nối trực tiếp giữa stator và lưới thì hệ thống sẽ cồng kềnh, tốn kém, do
bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của tuabin.
Loại tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG
(Doubly-Fed Induction Generator), với Roto dây quấn và Roto được
nối với lưới điện thông qua một bộ back-to-back converter. Còn Stato
của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, điều khiển DFIG thông qua
điều khiển bộ back-to-back converter phía Roto. Vì bộ điều khiển nằm
phía Roto nên công suất thiết kế chỉ bằng 1/3 công suất Stato, dẫn đến
giá thành rẻ hơn nhiều.
Việc nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển để điều khiển dòng
Rotor cho máy phát điện nguồn kép đang được chú ý [10], [11]. Đề tài
đưa ra phương án: “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện
sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG”.
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung phương
pháp điều khiển hòa lưới điện cho máy phát điện sức gió DFIG, trên cơ
sở hai vấn đề:
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
9
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía Rotor (Rotor
side converter).
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới (Grid
side converter).
b. Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết
kế hoàn chỉnh hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid System). Đem
lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn
năng lượng sạch. Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử
dụng nguồn năng lượng sạch.
3. Đối tượng và mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu nguồn năng lượng sạch nói chung và năng lượng
gió nói riêng: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới.
- Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện
cảm ứng nguồn kép DFIG, các phương trình thay thế và mô tả máy điện
DFIG.
- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển PID.
- Nghiên cứu thiết bộ điều khiển: Tổng hợp dòng, áp. Đo công
suất (P, Q) của lưới, của máy phát để đưa ra phương pháp điều khiển
dòng kích từ Rotor máy phát DFIG, nhằm ổn định điện áp, tần số, công
suất máy phát và phát năng lượng này lên lưới.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống phát điện sức gió sử
dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG trên phần mềm MATLAB –
SIMULINK – PLECS
4. Kết cấu của luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài
nước
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
10
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Chương 2: Mô hình toán học hệ thống máy phát điện sức gió
dùng máy điện cảm ứng nguồn kép
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện sức gió
dùng máy điện cảm ứng nguồn kép

Chương 4: Mô phỏng hệ thống trên matlab – simulink – plecs
và kết luận
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG
VÀ NGOÀI NƯỚC
1.1. TỔNG QUAN
1.1.1. Đặt vấn đề
1.1.2. Năng lượng gió
1.1.3. Vài nét về trạm phong điện
1.2. MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
1.2.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió
Hình 1.1. trình bày tổng quan về hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió
và năng lượng mặt trời. Trong đó:
DIM là máy phát điện sức gió
NLFDI; NLDI là các bộ nghịch lưu phía máy phát và nghịch lưu phía
lưới:
Bộ đóng cắt mềm: Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị
được kết nối hoặc không kết nối với lưới.
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
11
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Hình 1.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch
1.2.2. Cấu tạo của Tuabin phong điện
1.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện
1.3. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG (Doubly-
Fed Induction Generator).
1.3.1. Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng
1.3.2. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng
nguồn kép

Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không
đồng bộ ta phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ
gió. Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp
vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện
với điều kiện có từ thông dư trong máy điện không đồng bộ. Ở các hệ
thống phát điện sức gió dùng máy điện cảm ứng nguồn kép (còn được
gọi là máy điện không đồng bộ nguồn kép) với công suất cỡ lớn thường
được thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng lượng do
tuabin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thống
điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay (hình 1.11).
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
12
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Hình 1.11. Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG
Chương 2
MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN
SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP
2.1. MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện
2.1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG
Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG được trình bày
như hình 2.5.
Hình 2.5. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG
2.1.3. Công suất của DFIG
2.1.4. Véctơ không gian
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
s
U
&
r

U
s
&
13
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
2.1.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong
véctơ không gian
2.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG DFIG
Hình 2.8 trình bày sơ đồ mạch điện thay thế hệ thống DFIG.
Như đã đề cập trước đó, hệ thống điều khiển gồm một bộ biến đổi điện
áp Back – to – Back Converter cùng bộ nguồn một chiều DC link ở
giữa.
Bộ Back – to – Back Converter gồm bộ biến đổi phía lưới (grid-
side converter – GSC) và bộ biến đổi phía máy phát (machine-side
converter - MSC). Hơn nữa giữa GSC và lưới (Grid – G) có đặt một bộ
lọc nhằm lọc bớt những sóng hài bậc cao gây ra bởi GSC.
Rs Lσ R
R
L
M
Cdc
≈
L
f
R
f
Udc
=
=
≈

DFIG
MSC
GSC
DC - Link
i
s
s
E
s
g
i
s
f
u
s
s
i
s
R
i
s
g
u
s
R
u
s
f
Hình 2.8. Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG
2.2.1. Mô tả toán học máy điện DFIG

2.2.2. Mô tả toán học bộ lọc phía lưới
2.2.3. Mô tả toán học bộ DC – Link
2.2.4. Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC)
2.2.5. Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC)
2.3. TỪ TRƯỜNG TRONG HỆ THỐNG DFIG
2.3.1. Từ trường của Stato
2.3.2. Từ trường của lưới
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
14
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Chương 2 tập trung trình bày về cấu tạo, nguyên lý làm việc, sơ
đồ mạch điện thay thế và các phương trình điện, từ của máy phát điện
DFIG. Đồng thời mô tả toán học hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy phát điện cảm ứng DFIG trong hệ toạ độ không gian véc tơ.
Ý tưởng của việc sử dụng véctơ không gian là để mô tả máy điện cảm
ứng chỉ bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha. Tác giả đưa ra sơ đồ
khối hệ thống máy phát, sau đó lần lượt mô tả toán học cho từng khối:
Khối máy điện DFIG
Bộ lọc phía lưới
Bộ lưu điện áp một chiều DC – Link
Bộ biến đổi điện áp phía lưới
Bộ biến đổi điện áp phía máy phát
Trong chương này chúng ta cũng đi tìm hiểu sự hình thành từ
trường trong máy phát và viết các phương trình mô tả từ trường phía
Stato và từ trường của lưới.
Việc mô tả toán học hệ thống là tiền đề cho việc xây dựng các
bộ điều khiển hoà lưới điện sau này.
Chương 3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC

GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG
3.1. TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT
ĐIỆN SỨC GIÓ
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
15
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
3.1.1. Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử
dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu
3.1.2. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ
3.2. LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN PID
3.2.1. Đặt vấn đề
3.2.2. Lý thuyết về điều khiển PID
3.2.3. Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
3.2.5. Ký hiệu thay thế và các dạng PID
3.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG DFIG
Sơ đồ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG
được trình bày như hình 3.11.
L
f
R
f
MSC
GSC
M¸y ph¸t DFIG
§K dßng
MF
§K C.suÊt
MF
§K tèc

®é
TÝnh to¸n
C.suÊt MAX
+
-
-
+
§K ®iÖn
¸p
§K dßng
®iÖn
TÝnh to¸n
C.suÊt P,Q
Hép b¸nh
r¨ng
Tua bin
giã
L¦íI §IÖN
v
Udc
*
n
g
*
P, Q
*
i
dq
*
i

q
*
Udc
3
Hình 3.11. Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát (MSC)
a. Mạch vòng điều khiển dòng điện
Sơ đồ cấu trúc của vòng kín điều khiển dòng điện phía
Roto như hình 3.12.
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
16
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Kp +
Ki
p
G(p)
R
a
- jω
2
L
σ
Σ Σ Σ
i
ref
R
i
R
E
E

DFIG
u'
R
u
R
(-)
(-)
(-)
Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển phía Roto
Hàm truyền từ u’
R
đến i
R
sẽ là:
R s a
1
G(p)
pL R R R
σ
=
+ + +
Các hệ số của bộ điều khiển PI là:
^ ^ ^
R s
p c i c a
k L ;k (R R R )
σ
= α = α + +
α
c

: Giải thông vòng lặp kín của hệ động lực học dòng điện; Ký
hiệu “^” chỉ các thông số ước lượng.
^ ^ ^
R s
a R c
R k ( L R R )
σ
= α − −

b. Mạch vòng điều khiển công suất
suất biểu diễn theo từ trường của Stato như sau:
2
s s s 1 sd sq sq sd
s 1 sd sd sq sq
P 3R i 3 ( i i )
Q 3 ( i i )
= + ω ψ − ψ
= ω ψ + ψ
Trong đó Ps và Qs lần lượt là công suất tác dụng và công suất phản
kháng Stato. P*ref và Q*ref là công suất tác dụng và công suất phản
kháng đặt (P*ref được lấy từ đầu ra của mạch vòng điều khiển tốc độ,
Q*ref đặt bằng 0). Tín hiệu ra của mạch vòng điều khiển công suất là
i*rd và i*rq trở thành tín hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện.
Cấu trúc mạch vòng điều khiển công suất có dạng như hình 3.13
và 3.14.
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
17
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
P*ref
Ps

Kp
Ki
1/p
(-)
i*rd

Q*ref=0
Qs
Kp
Ki
1/p
(-)
i*rq
Hình 3.13 – 3.14. Bộ điều khiển công suất tác dụng và phản kháng
c. Mạch vòng điều khiển tốc độ (Speed Controller)
Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ có dạng như hình 3.15.
Trong đó n
MF
là tốc độ quay của máy phát (đo trên trục Roto của máy
phát); n*
ref
là tốc độ đặt của mạch vòng điều khiển tốc độ (n*
ref
được lấy
từ đầu ra của bộ theo dõi công suất cực đại – “MPT” (Maximum Power
Tracking). n*
ref
được tính theo công thức:
opt
*

ref
60 n
n v
2 R
λ
=
π
Trong đó: λ
opt
là mômen trên trục của hộp bánh răng nối tuabin gió
và máy phát; v là tốc độ gió; n là tỉ số truyền của bánh răng
(Gearbox).
n*ref
n
MF
Kp
Ki
1/p
(-)
P*
ref
Hình 3.15. Bộ điều khiển tốc độ
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phía lưới (GSC)
a. Mạch vòng điều khiển dòng điện
Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới được cho
như hình 3.16
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
18
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
(-)

(-)
u
f
u'
f
E(p)
i
i
ref
ΣΣΣ
R
G(p)
F(p)
Hình 316. Mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới
Hàm truyền của mạch vòng trong sẽ trở thành:
f
1
f f f af
i (p) 1
G (p)
u ' (p) L p R R
= =
+ +
Chọn:
^ ^
f f
af f
R L R
= α −
thì hàm truyền của hệ thống sẽ là:

g f
E i
2
f f
p
G (p)
L (p )
=
+ α
Cuối cùng luật điều khiển cho mạch vòng điều khiển dòng điện phía
lưới được viết như sau:
^
ref
if
f
f pf f f af 1 f
k
u k (i i ) (R j L )i
p
 
= + − − − ω
 ÷
 
Trong đó:
^ ^ ^
2
f f f
pf f if f af f
^ ^
f f

af f
k L ; k (R R ) L ;
R L R
= α = α + = α
= α −
b. Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link
Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link được trình bày như
hình 3.17
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
19
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
F(p)
PC
dc
G
a
Σ Σ Σ
W
ref
W
Pr
i'
fq
(-)
i
fq
3E
gq
2
(-)

(-)
G'(p)
Hình 3.17. Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link
truyền G’(p) có dạng:
g
'
'ref
dc g a
fq
6E
W(p)
G (p)
pC 6E G
i (p)
−
= =
+
(3.39)
Chọn bộ điều khiển là PI.
^
dc
1
a
g,nom
a a C a G
F(p) G (p)
p 6E p
−
ω ω ω
= = − −

Nếu chọn
^
dc
a g,mom
G a C / (6E )
ω
=
thì:
PW
2 2
dc
2p
G (p)
C (p 2a p a )
ω ω
−
=
+ ζ + ζ
Trong đó:
^
dc
gq g,mom dc
E / E ; C C
ζ = =
Với:
gq g,mom
E E ; 1= ζ =
thì
PW
2

dc
2a p
G (p)
C (p a )
ω
ω
−
=
+
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Nội dung chương 3 tập trung thiết kế các bộ điều khiển hoà lưới
cho máy phát DFIG, bao gồm các bộ điều khiển dòng điện, điện áp,
công suất, phía máy phát và phía lưới. Tuy nhiên trước đó tác giả có
giới thiệu một số sơ đồ cấu trúc điều khiển máy phát điện sức gió, tiêu
biểu là máy phát điện sức gió công suất nhỏ, sử dụng máy điện kích
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
20
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
thích vĩnh cửu. Tác giả cũng giới thiệu về lý thuyết điều khiển kinh điển
PID (đây chính là lý thuyết điều khiển mà tác giả đã sử dụng để xây
dựng các bộ điều khiển cho máy phát DFIG), trên các phương diện: vai
trò, cách thức chỉnh định các thông số Kp, Ki, Kd và phương pháp biểu
diễn toán học chúng, từ đó đưa ra nhận xét về ưu, nhược điểm của các
bộ điều khiển kinh kiển này.
Xuất phát từ sơ đồ khối của hệ thống, nội dung của chương tập
trung thiết kế lần lượt các vòng điều khiển từ trong ra ngoài sử dụng lý
thuyết kinh điển PI. Bộ biến đổi phía máy phát: Điều khiển tốc độ của
máy phát để đạt được công suất tối đa. Hệ thống điều khiển phía máy
phát dựa trên một số mạch vòng điều khiển tốc độ, điều khiển công suất
và điều khiển dòng điện.

Bộ biến đổi phía lưới: Điều khiển điện áp một chiều DC bus
(U
dc
). Để làm được điều này chúng ta cần thiết kế mạch vòng điều khiển
điện áp để được dòng điện trục d (I
*
d
). Dòng điện (I
*
d
) trở thành đầu vào
của bộ điều khiển dòng điện để điều khiển công suất tác dụng P. Bộ biến
đổi GSC cũng có thể được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng
Q, bằng cách sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện trên trục q (I
d
).
Chương 4
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK –
PLECS VÀ KẾT LUẬN
4.1. GIỚI THIỆU CÔNG CỤ MATLAB – SIMULINK - PLECS
4.2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DFIG
SỬ DỤNG CÔNG CỤ MATLAB – SIMULINK – PLECS
4.2.1. Các tham số dùng cho mô phỏng
Tham số máy phát:
Công suất thiết kế: P
m
= 1,5 MW
Điện áp stator (pha-pha, hiệu dụng): U
l
= 575V, 50Hz

Số đôi cực: Z
p
= 2
Điện trở stator: R
s
= 0,0014 Ω
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
21
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Điện trở rotor: R
r
= 0,992 mΩ
Điện cảm stator: L
s
λ
= 89,98 μH
Điện cảm rotor: L
r
λ
= 82,09 μH
Hỗ cảm giữa stator và rotor : L
m
= 1,53 mH
Mô men quán tính: J =5 kg.m
2
Các tham số khác:
Tỉ số truyền bánh răng của bộ Gearbox: n = 1:75,71
Mômen trên trục của tuabin: λ
opt
= 8 kg.m

2
Bán kính tuabin: R = 8m
Điện cảm cuộn lọc: L
f
= 0,0006H
Điện trở cuộn lọc: R
f
= 0,01 Ω
Điện dung tụ điện mạch một chiều trung gian: C
dc
= 38 mF
4.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống
xuất phát từ sơ đồ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện
sức gió DFIG được trình bày như hình 4.11.
Ta xây dựng sơ đồ mô phỏng cho hệ thống như hình 4.12.
L
f
R
f
MSC
GSC
M¸y ph¸t DFIG
§K dßng
MF
§K C.suÊt
MF
§K tèc
®é
TÝnh to¸n
C.suÊt MAX

+
-
-
+
§K ®iÖn
¸p
§K dßng
®iÖn
TÝnh to¸n
C.suÊt P,Q
Hép b¸nh
r¨ng
Tua bin
giã
L¦íI §IÖN
v
Udc
*
n
g
*
P, Q
*
i
dq
*
i
q
*
Udc

3
Hình 4.11. Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
22
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
PGS.TS. LAI KHAC LAI
DUONG QUOC HUNG
HE THONG MAY PHAT DIEN SUC GIO
SU DUNG MAY DIEN CAM UNG DFIG
CAC BO DIEU KHIEN PHIA LUOI
CAC BO DIEU KHIEN PHIA MAY PHAT
KHOI HIEN THI KET QUA
n(v /ph)
n*(v /ph)
P*
dieu khien toc do
thet a
Ir2
Irq*
Ird*
Vr dq*
dieu khien dong dien MF
S
P*
Irq*
Ird*
di eu khien cong suat M F
1200
Udc dat
Toc do gio (m/s)

RRF->3ph
PLL1
PLL
f(u)
MPT
MOT CHIEU
LPF
LPF
LPF
Vw Vw'
LPF
0
Iq ref
th r
th 50Hz
th Ir
GOC CANH
Idc in
Vdc
Pdc in
DONG-AP-CS 1 CHIEU
DONG - AP
Id*
Iq*=0
Ir1
theta
Vdq*
DIEU KHIEN DONG DIEN
Vdc *
Vdc

Id*
DIEU KHIEN DIEN AP
m1
Vwind
m2
Ir1
Vdc
n(v /ph)
P,Q
Ir2
th r
PLECS
Circuit
DFIG
Speed
Stator PQ
Rotor PQ
Sy s PQ
CS HE T HONG
CONG SUAT
Vdq*
theta
Vdc
m1
3phase modul ation
Irabc
Isabc
Vrabc
DONG - AP MF
Hình 4.12. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển máy phát điện sức

gió DFIG
4.2.3. Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG)
4.2.4. Xây dựng các khối điều khiển phía máy phát
(Machine Side Converter – MSC)
4.2.5. Xây dựng các khối điều khiển phía lưới (Grid Slide
Converter – GSC)
4.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.3.1. Khởi tạo quá trình mô phỏng
Để bắt đầu quá trình mô phỏng trên Matlab – Simulink – Plecs.
Ta viết một M-file khai báo các thông số cần thiết cho quá trình và đặt
tên file là “luanvanhung.m”. M-file được viết như sau (chương trình
được áp dụng cho tốc độ gió 12m/s, nếu áp dụng cho 10.5m/s ta sửa lại
chương trình bằng cách: Bỏ các ký tự % ở các dòng lệnh tốc độ gió
10.5m/s và thêm các ký tự % vào các dòng lệnh tốc độ gió 12m/s):
Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
23
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
clear all %Xoa bien trong Workspace
load('Wind_turbine_model.mat'); %Lay bang
du lieu cho khoi chuyen doi toc do gio thanh
momen
%Nhung dieu khien ban dau voi toc do gio =
12 m/s
load('Wind_speed_12'); %Bang vector cho toc
do gio 12m/s
Vw1 = 12; %toc do gio 12m/s
Vw2 = 8; %toc do gio 8m/s

%Nhung dieu khien ban dau voi toc do gio =
10.5 m/s

%load('Wind_speed_10.5'); %Bang vector cho
toc do gio 10.5m/s
%Vw1 = 10.5; %toc do gio 10.5m/s
%Vw2 = 8; %toc do gio 8m/s

%Cac thong so cho thoi gian mo phong
Tstop = 1; %Thoi gian ket thuc mo phong
Tswitch = 0.2; %Thoi gian toc do gio chuyen
doi tu 12m/s – 10.5m/s (hoac 10.5m/s-8m/s)

%Cac thong so cho khoi banh rang (khoi MPT)
TSR_opt = 8; %Momnen tren truc may phat
R = 35; %Ban kinh tua bin
gearbox = 75.7098; %He so truyen banh rang

%Thong so luoi dien
Vpp = 470; %Bien do dien ap pha Ufmax
=470=>Ud=(Ufmax/sqrt(2))*sqrt(3)=575V
f=50; %Tan so luoi dien
Vspk = 183; %Bien do dien ap Rotor
L = 0.6e-3; %Dien cam cuon loc phia luoi

%Dien ap mot chieu dat
Udc=1200;%Von

%Cac thong so cua DFIG
Rs=0.0014; %ohm
Ls=8.998e-5; %H
Rr=9.9187e-4; %ohm
Lr=8.2088e-5; %H

Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
24
Tóm tắt Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Lm=1.526e-3; %H
J=5; %or 50 %kgm2
zp=2;
N1=1;
N2=1;
u=1;

%Thong so cua bo dieu khien dong dien Rotor
kp_i = 0.00003;
ki_i = 0.003;
4.3.2. Kết quả mô phỏng
a. Kết quả mô phỏng
Các kết quả mô phỏng được thực hiện trong các trường hợp tốc
độ gió thay đổi nhảy bậc từ 12m/s xuống 10.5m/s hoặc từ 10.5m/s
xuống 8m/s.
Với tốc độ gió 12m/s công suất phát cực đại của máy phát đạt
xấp xỉ 1,5MW (giá trị âm thể hiện máy phát năng lượng lên lưới). Lúc
này tốc độ của máy phát là gần 2000v/ph.
Dòng điện điện áp Stato, Roto được trình bày như hình 4.34.
Dòng điện Stator phát lên lưới có dạng hình sin chuẩn, có biên độ và tần
số ít biến đổi khi tốc độ gió giảm đột ngột từ 12m/s xuống 10.5m/s.
Biên độ cực đại của điện áp Roto là 183V (bằng giá trị đặt).

Học viên: Dương Quốc Hưng – K12 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
25
Hình 4.33. Tốc độ máy phát, công suất phía Stato (Ps, Qs), Phía
Roto (Pr, Qr) và công suất phát của hệ thống (P,Q) khi tốc độ gió

chuyển từ 12m/s
→
10.5m/s
Ps
Qs
Ps
Qs