Điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng iii
MC LC
Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học
Li cam đoan i
Li cm ơn ii
Mc Lc iii
Tóm tắt luận văn viii
Danh sách các hình ix
Danh sách các ký hiệu sử dng trong luận văn xi
Phần m đầu xv
Chơng 1.Tổng quan năng lợng gió 1
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới 1
1.1.1.Giới thiệu chung tình hình năng lợng hiện nay 1
1.1.2. Tình hình phát triển năng lợng tái tạo 1
1.2. Kết qu nghiên cu ngoài nớc và trong nớc 4
1.2.1. Những nghiên cu ngoài nớc 4
1.2.2. Kết qu nghiên cu trong nớc 5
1.3. Mc tiêu và nhiệm v nghiên cu 6
1.4. Phạm vi nghiên cu 6
1.5. Phơng pháp nghiên cu 6

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng iv
Chơng 2. Cơ s lý thuyết 7
2.1. Cu tạo turbine gió 7
2.1.1. Các loại turbine gió 7
2.1.2. Cu tạo hệ thống máy phát điện gió 8
2.1.3. Các dạng tháp 9
2.1.4. Cánh quạt và trc cánh quạt 10
2.1.5. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hớng turbine 11

2.1.6. Hệ thống hãm 12
2.1.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt 12
2.1.8. Vỏ turbine 13
2.2. Mô hình và nguyên lý vận hành ca turbine gió 14
2.2.1. Mô hình
điều khiển ca turbine gió nguồn kép DFIG 14
2.2.2. Nguyên lý làm việc cơ bn ca turbine gió 14
2.3. Phơng pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió…. . 16
2.3.1. Phơng pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định 16
2.3.2. Phơng pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ 17
2.3.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 19
2.3.4. Phơng pháp nối lới cho hệ thống máy phát điện gió 20
2.4. Điều khiển m 20
2.4.1. Cu trúc điều khiển logic m 20
2.4.2. Phân loại bộ điều khiển m 21
2.4.3. Các bớc tổng hợp bộ điều khiển m 22

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng v
Chơng 3. Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép 25
3.1. Mô hình khối turbine gió 25
3.2. Biểu diễn các đại lợng pha sang đại lợng vector trong không gian 27
3.3. Quan hệ giữa hệ trc tọa độ tĩnh α-β và hệ trc tọa độ quay d-q 29
3.4. Quan hệ giữa hệ trc tọa độ quay abc và hệ trc tọa độ quay d-q. 30
3.5. Mô hình toán ca máy phát điện (DFIG) trong hệ trc tọa độ tĩnh α-β 30
3.6. Mô hình toán ca máy phát điện (DFIG) trong hệ trc tọa độ quay d-q 33
3.7. Điều khiển công sut tác dng và công sut phn kháng máy phát DFIG 36
3.7.1. Cơ s lý thuyết ca việc điều khiển 36
3.7.2. Điều khiển độc lập công sut tác dng và công sut phn kháng 37
3.8. Mô hình bộ chuyển đổi 40
3.8.1. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lới (GSC). 40

3.8.2. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC). 43
3.9. Các đại lợng cơ bn 47
Chơng 4. Thiết kế bộ PID m điều khiển máy phát không đồng bộ 49
4.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển 49
4.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID m 50
4.3. So sánh kết qu mô phỏng bộ điều khiển PID m khối. 56
Chơng 5. Mô
hình và kết qu mô phỏng dùng bộ PID m điều khiển 58
5.1. Mô hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG 58
5.1.1. Sơ đồ mô hình mô phỏng trong Matlab/simulink 60
5.1.2. Mô hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters 61
5.1.3. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lới 61
HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng vi
5.1.4. Mô hình tổng thể các khối điều khiển hệ thống máy phát DFIG 63
5.1.5. Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi công sut 64
5.1.6. Mô hình mô phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và 65
5.1.7. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lới 65
5.1.8. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor 66
5.1.9. Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ 66
5.1.10. Mô hình mô phỏng khối Rotor ca máy phát 67
5.1.11. Khối biến đổi dòng điện và công sut phía lới 67
5.1.12. Khối bo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 68
5.2. Trình tự mô phỏng 68
5.2.1. Mô phỏng turbine gió đáp ng với sự thay đổi vận tốc gió 68
5.2.2. Mô phỏng turbine gió đáp ng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều . 73
5.2.3. Mô phỏng đáp ng turbine gió khi xy ra sự cố…………………… 78
5.2.3.1. Mô phỏng lới B25 (25kV) bị chạm đt một pha….……… 78
5.2.3.2. Mô phỏng lới B120 (25kV) khi bị st áp………………… 80
Chơng 6. Kết luận và hớng phát triển ca đề tài 82
6.1. Kết luận 82

6.1.1. Các kết qu đư đạt đợc trong đề tài 82
6.1.2. Hạn chế 82
6.2. Hớng phát triển ca đề tài 82
Tài liệu tham kho 84



HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng vii
Tóm tắt luận văn
Trong những năm gần đây, năng lợng gió đư tr thành một trong những nguồn
năng lợng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dng các nguồn năng
lợng tái tạo. Sự phát triển ca khoa học và công nghệ phc v trong ngành công
nghiệp năng lợng tái tạo trong đó có các turbine gió nguồn kép (DFIGΨ thay đổi
tốc độ đợc sử dng nhiều hơn so với các turbine tốc độ gió cố định. Nội dung
chính ca luận văn này là nghiên cu về việc điều khiển hệ thống phát điện ca tổ
máy phát hòa lới thông qua bộ chuyển đổi. Do stator ca máy phát điện đợc kết
nối trực tiếp vào lới điện và điện áp đợc cố định theo điện áp lới trong khi rotor
đợc kết nối thông qua một công c chuyển đổi AC/DC/AC, nên mc tiêu điều
khiển độc lập công sut tác dng và phn kháng phía stator ca máy phát DFIG
đợc qui về điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator trên hệ tọa độ
tham chiếu d-q  chế độ xác lập.
Việc điều khiển dòng công sut trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lới
điện đợc thực hiện bằng cách sử dng gii thuật điều khiển m để điều khiển độc
lập hai thành phần ca vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotor
thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Kết qu cho thy khi sử dng các bộ PID m
vào điều khiển thì đáp ng hệ thống bám rt tốt theo sự thay đổi ca tín hiệu đặt,
điện áp V
DC
-link luôn giữ ổn định và luôn là hằng số. Mô hình đợc mô phỏng để
nghiên cu dựa trên mô hình hiện có ca Matlab/Simulink phiên bn 2010a.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng viii
Abstract

In recent years, wind energy has become one of the most important energy
source and promising for the use of renewable energy sources. The development of
science and technology for renewable energy industries including wind turbines
dual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed wind
turbines. The main content of this thesis is the study of the control system's power
generating grid through the converter. Due to the stator of the generator is
connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is
connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active
and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent
control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system
in the setting mode.
The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the
grid is made using fuzzy control algorithm to control two independent components
of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter
AC/DC/AC. The results showed that when using fuzzy PI and fuzzy PID control,
the system response very good grip on the change of the signal, V
DC
- link voltage
to keep stable and always constant. Model was been based simulation to study the

existing model of Matlab/Simulink version 2010a.








HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH Trang
Hình 2.1: Các dạng turbine gió 7
Hình 2.2: Cu tạo turbine gió trc ngang 8
Hình 2.3: Cu tạo tháp tr 9
Hình 2.4: Tháp mắc cáo 10
Hình 2.5: Cánh quạt 10
Hình 2.6: Trc cánh quạt 11
Hình 2.7: Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt 11
Hình 2.8: Động cơ điều chỉnh hớng turbine 12
Hình 2.9: Hệ thống hãm turbine 12
Hình 2.10: Hộp số chuyển đổi tốc độ 13
Hình 2.11: Vỏ turbine 13
Hình 2.12:
Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 14
Hình 2.13:
Mô hình máy phát không đồng bộ 16
Hình 2.14:
Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện tr rotor 17
Hình 2.15:

Đng đặc tính moment theo độ trợt s, thay đổi điện tr rotor 18
Hình 2.16:
Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ 18
Hình 2.17: Mô hình turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG 19
Hình 2.18: Mô hình kết nối trạm điện gió vào lới điện 20
Hình 2.19:
Các khối chc năng ca bộ điều khiển m cơ bn 21
Hình 2.20:
Các bộ điều khiển m 22
Hình 2.21:
Cu trúc tổng quát một hệ m 22
Hình 3.1: Đặc tính ca Cp(λ,βΨ 26
Hình 3.2: Nguyên lý vector trong không gian 27
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa hệ trc tọa độ tĩnh α-β và hệ trc . 29
Hình 3.4: Sơ đồ đu dây ca hai bộ dây qun stator và rotor dạng Y-Y 30
Hình 3.5: Mạch tơng đơng máy phát điện DFIG trong hệ tọa độ quay d-q 35
HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng x
Hình 3.6: Mối quan hệ giữ các đại lợng trong hệ trc tọa độ α-β và d-q … 36
Hình 3.7: Gin đồ vector điện áp lới và vector từ thông stator 38
Hình 3.8: Cu trúc ca bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back 40
Hình 3.9: Sơ đồ mạch lọc tơng đơng ca bộ lọc RL 41
Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển GSC 42
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiể GSC dùng PID m 42
Hình 3.12: Đng đặc tính V-I ca turbine 44
Hình 3.13: Bộ điều khiển dòng điện 45
Hình 3.14: Sơ đồ khối bộ điều khiển RSC 46
Hình 4.1: Câu tru

c bô
̣

điêu khiê
̉
n PID m kinh điển 49
Hình 4.2: Đặc tính động học ca bộ điều khiển PID 49
Hình 4.3: Bộ chỉnh định m tham số PID 51
Hình 4.4: Tập m ngõ vào ca bộ Kp m 51
Hình 4.5: Tập m ngõ vào ca bộ K
I
m 52
Hình 4.6: Tập m ngõ vào ca bộ K
D
m 52
Hình 4.7: Tập m ngõ ra ca bộ Kp m 53
Hình 4.8: Tập m ngõ ra ca bộ K
I
m 53
Hình 4.9: Tập m ngõ ra ca bộ K
D
m 54
Hình 4.10: Quy luật thay đổi K
p
54
Hình 4.11: Quy luật thay đổi K
I
55
Hình 4.12: Quy luật thay đổi K
D
55
Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển PI thông thng khối V
dq

_ctrl_grid_conv 56
Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển PID m khối V
dq
_ctrl_grid_conv 56
Hình 4.15: Điện áp, dòng điện, công sut và điện áp Vdc-link khi 57
Hình 4.16: Điện áp, dòng điện, công sut và điện áp Vdc-link khi 57
Hình 5.1: Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió công sut 9MW. 60
Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió công sut 9MW 60
Hình 5.3: Mô hình khối Wind turbine và Generator&Converter. 61
Hình 5.4: Mô hình mô phỏng khối Wind turbine. 61
HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng xi
Hình 5.5: Đặc tính công sut theo tốc độ ca turbine. 62
Hình 5.6: Sơ đồ máy phát điện DFIG và bộ chuyển đổi công sut 63
Hình 5.7: Mô hình khối điều khiển Wind DFIG-Grid và Wind DFIG-Rotor. 64
Hình 5.8: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lới. 65
Hình 5.9: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor 65
Hình 5.10: Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ 66
Hình 5.11: Mô hình mô phỏng khối rotor máy phát không đồng bộ DFIG 66
Hình 5.12: Mô hình mô phỏng khối biến đổi dòng điện . 67
Hình 5.13: Khối bo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 67
Hình 5.14: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch ca turbine 68
Hình 5.15: Điện áp, dòng điện, công sut tác dng, công sut phn kháng 69
Hình 5.16: Điện áp trung gian Vdc-link 70
Hình 5.17: Dạng sóng dòng điện id- rotor ca máy phát điện DFIG 70
Hình 5.18: Dạng sóng dòng điện iq- rotor ca máy phát điện DFIG 70
Hình 5.19: Dạng moment điện từ ca máy phát điện DFIG, 71
Hình 5.20: Điện áp trên các B120, B25, B575, công sut tác dng 71
Hình 5.21: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch ca turbine, 73
Hình 5.22: Điện áp, dòng điện, công sut tác dng, công sut phn kháng 73
Hình 5.23: Dạng sóng dòng điện id- rotor ca máy phát điện DFIG, 75

Hình 5.24: Dạng sóng dòng điện iq- rotor ca máy phát điện DFIG 75
Hình 5.25: Dạng moment điện từ ca máy phát điện DFIG, 75
Hình 5.26: Điện áp trên các bus B120, B25, B575, công sut tác dng 76
Hình 5.27: Điện áp và dòng ti trên B2300, tốc độ 77
Hình 5.28: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xy ra sự cố.77
Hình 5.29: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xy ra sự cố.79
Hình 5.30: Điện áp ti, dòng điện ti, tốc độ động cơ, công sut lới tại B25. . 80
Hình 5.31: Điện áp ti, dòng điện ti, tốc độ động cơ. 81
Hình 5.32: Điện áp ti, dòng điện ti, tốc độ động cơ. 81

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng xii
DANH SÁCH KÝ HIU S DNG TRONG LUNăVĔN

Ký hiu
Chú gii
ρ
Mật độ không khí (kg/m
3
)
R
Bán kính cánh quạt (m)
v
Vận tốc gió (m/s)
C
p
(α,β)
Hiệu sut cánh quạt turbine
m
P

Công sut turbine (w)
m
T

Moment cơ trc turbine (N.m)
e
T

Moment điện từ máy phát (N.m)
r


Vận tốc góc điện ca rotor (rad/s)
rm


Vận tốc góc cơ máy phát [mach.rad/s]
s


Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s)
k
gear

Tỉ số truyền
J
wtr

Moment quán tính turbine.(Kg/m
2

)
a
v

Điện áp pha a (v)
b
v

Điện áp pha b (v)
c
v

Điện áp pha c (v)
v


Điện áp trc α hệ quy chiếu αβ
v


Điện áp trc β hệ quy chiếu αβ
d
v

Điện áp trc d hệ quy chiếu quay dq
q
v

Điện áp trc q hệ quy chiếu quay dq
dr

i

Dòng điện rotor trc d hệ quy chiếu quay dq
qr
i

Dòng điện rotor trc q hệ quy chiếu quay dq
ds
i

Dòng điện stator trc d hệ quy chiếu quay dq
HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng xiii
qs
i

Dòng điện rotor trc q hệ quy chiếu quay dq
r
i


Dòng điện rotor trc α hệ quy chiếu αβ
r
i


Dòng điện rotor trc β hệ quy chiếu αβ
s
i


Dòng điện stator trc α hệ quy chiếu αβ
s
i


Dòng điện stator trc β hệ quy chiếu αβ
s
R

Điện tr stator (ΩΨ
r
L

Điện cm dây qun rotor qui về phía stator (H)
s
L

Điện cm dây qun stator (H)
s
L

Điện cm rò dây qun stator (H)
r
L

Điện cm rò dây qun rotor (H)
m
L

Điện cm từ hóa (H)

/
rs
NN

Tỷ số vòng dây qun
R
c
Điện tr stator nối lới (Ψ
L
c

Điện cm rò stator nối với lới (H)
s


Góc vị trí stator (elec.rad)
as

bs

cs


Từ thông stator (Wb)
ar

br

cr


Từ thông rotor (Wb)
dr


Từ thông rotor trc d hệ quy chiếu dq (Wb)
ds


Từ thông stator trc d hệ quy chiếu dq (Wb)
qr


Từ thông rotor trc q hệ quy chiếu dq (Wb)
qs


Từ thông stator trc q hệ quy chiếu dq (Wb)
DC
V

Điện áp một chiều trung gian ca bộ converter (V)
DC
C

Điện dung trung gian ca bộ converter (H)
s
P

Công sut tác dng đầu cực stator (W)

s
Q

Công sut phn kháng đầu cực stator (Var)
HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng xiv
n
P

Công sut định mc (W)
n
f

Tần số định mc (Hz)
n
V

Điện áp định mc (V)
V
g
Điện áp lới (V)
V
dis
Điện áp lới phân phối (V)
Cosφ
Hệ số công sut
H(s)
Hằng số quán tính (kg.m
2
)
F

Hệ số ma sát (N.m.s)
p
Số đôi cực từ
λ
Tip-speed-ratio
β
Góc pitch (deg)
Chỉ s trên

e, s
Hệ trc tọa độ quay đồng bộ dq và hệ trc αβ
ref, *
Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt
mea
Giá trị đo lng











HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng xv
PHNăMăĐU

Trong những năm gần đây, năng lợng gió đư tr thành một trong những nguồn

năng lợng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dng các nguồn năng lợng
tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sn xut điện, nhiều nớc đang hớng đến sử dng
nguồn năng lợng tái tạo và hạn chế ph thuộc vào nguồn năng lợng truyền thống
đang dần cạn kiệt và nh hng môi trng. Trong các loại hình năng lợng tái tạo,
năng lợng gió đợc chú trọng đặc biệt bi các đặc điểm u việt sau:
- Điện gió có giá thành thp, thp nht trong các nguồn năng lợng tái tạo. Nếu xem
xét c chi phí môi trng, xã hội và sc khỏe con ngi vào giá thành thì điện gió
có thể cạnh trạnh với điện đợc sn xut từ nguồn nhiên liệu hoá thạch.
- Điện gió tiết kiệm tài nguyên đt, do phần lớn diện tích đt trong nhà máy phong
điện vẫn có thể đợc sử dng cho các mc đích khác.
- Tài nguyên năng lợng gió tơng đối phong phú, đặc biệt  các vùng ven biển và
các vùng đt trống, do vậy có thể phát triển  qui mô lớn.
- Thi gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thi gian xây dựng các
dự án điện truyền thống nh điện hạt nhân hay nhiệt điện.
 Việt Nam, dù đợc đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lợng gió vẫn
còn là một ngành mới mẻ. Mọi th thuộc ngành này đều  bớc khi đầu. Các văn
bn pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thc về ngành cũng còn 
mc rt hạn chế. Tuy nhiên, đng trớc nhu cầu sử dng điện ngày càng cao, cũng
nh phi đối mặt với vn đề an ninh năng lợng và môi trng thì việc phát triển và
sử dng nguồn năng lợng sạch, trong đó có điện gió là hết sc cần thiết .
Từ các u việt trên, tác gi đư lựa chọn đề tài “Điều khiển máy phát không đồng
bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện’’làm đề tài nghiên cu với mong muốn
hiểu biết thêm về các phơng pháp vận hành và điều khiển truyền thống đến việc
thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các phơng pháp điều khiển thông
minh hiện nay nh fuzzy logic.
1. Tổng quan năng lượng gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 1
Chngă1:
TNG QUAN NĔNGăLNG GIÓ

1.1. Hin trng v phát trinăĐin gió trên th gii.
1.1.1. Gii thiuăchungătìnhăhìnhănĕngălng hin nay.
Mặc dù trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới có những biến động rt to
lớn về mọi mặt, từ việc suy thoái tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lt,
động đt thng xuyên nhng nhìn chung bc tranh kinh tế và tài chính toàn cầu
trong thập kỷ qua vẫn tăng trng. Do đó mà nhu cầu sử dng năng lợng ngày
càng cao, trong khi các nguồn năng lợng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các
nguồn năng lợng tái tạo hiện đang đợc các nớc quan tâm rộng rãi. Tỷ sut tăng
trng ca toàn thế giới về các dạng năng lợng điện năm 1990-2000 là: năng
lợng gió: 32%; năng lợng mặt tri: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%;
năng lợng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%. Nh vậy tỷ sut tăng trng ca năng
lợng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lợng truyền thống. Trong đó điện gió có
tốc độ tăng trng cao nht.
Cũng theo báo cáo ca y ban Năng lợng Gió thế giới, tổng công sut điện
gió đợc lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với
tổng công sut lắp đặt là 159 GWΨ. Năm nớc đng đầu trong phát triển điện gió
gồm: Trung Quốc với tổng công sut lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đc là
27,2GW, Tây Ban Nha là 20,7GW và n Độ là 13GW.[1]
1.1.2.Tình hình phát trinănĕngălng tái to bng sức gió  mt s nc.
- Đức: là nớc dẫn đầu về phát triển điện gió. Đến cuối năm 2003, tổng công
sut lắp đặt điện gió ca nớc Đc đư đạt đến 14,600MW, chiếm hơn 1/3 công sut
lắp đặt điện gió ca toàn thế giới, chiếm hơn một nửa ca toàn Châu Âu. Lợng khí
thi hiệu ng nhà kính ca Đc my năm gần đây đư gim 17 triệu tn, là một sự
đóng góp rõ rệt ca nớc Đc trong việc thực hiện “Nghị định th Kyoto”, tăng
thêm lòng tin cho nớc Đc về phát triển bền vững. Năm 2004, tổng lợng điện gió
1. Tổng quan năng lượng gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 2
chiếm 5,3% tổng lợng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 sẽ chiếm đến 8%.

Nớc Đc đư có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mc tiêu là đến năm
2025 sẽ đa tỷ lệ trên lên ít nht 25%, đến năm 2050 là 50%. Mặt khác, một quyết
sách quan trọng nữa là tuyên bố trong vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử
hiện đang chiếm 30% lợng cung ng điện sẽ lần lợt bị đóng cửa.
- ĐanăMch: Là một nớc nhỏ nht Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km
2
, dân số
khon 5 triệu dân mà có đến 65,000 ngi tham gia làm nghề điện gió; tổng thu
nhập đư đạt đến 3 tỷ Euro. Nghề chế tạo máy phát điện gió ca Đan Mạch đư tr
thành một động lực lớn ca nền kinh tế, đó là một ví d thành công về thơng mại
hóa trong lĩnh vực này. Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đư đầu t 100 triệu USD
vào công việc nghiên cu và phát triển năng lợng gió. Chính ph Đan Mạch bù lỗ
cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành ca nó, áp dng chế độ u đưi
về thuế cho những ngi sử dng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch
thì đánh thuế ô nhiễm không khí. Kết qu là mc tiêu 10% năng lợng sạch ca kế
hoạch năng lợng đợc thực hiện sớm trớc 3 năm. Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến
năm 2030 điện gió sẽ đáp ng một nửa yêu cầu về điện. Năm 2000 và 2003 mỗi
năm xây dựng 1 trang trại điện gió  gần b biển Bắc, trang trại điện gió trên biển
Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nht thế giới hiện nay, công sut
lắp đặt 40MW gồm 20 máy, mỗi máy 2MW. Năm 2008, Đan Mạch đư lắp đặt thêm
5 trang trại điện gió, tổng công sut lắp đặt là 750MW. Theo tin đư đa chính ph
Đan Mạch đư cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển
Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng công sut 4,000MW.
- Mỹ: sau một thi kỳ m đạm về điện gió ca thập kỷ 90 thế kỷ XX, đến nay
nớc Mỹ đư tr thành một trong những thị trng lớn nht về điện gió. Hiện 27
Bang đư có các công trình điện gió lớn. Đến cuối năm 2003 tổng công sut lắp đặt
điện gió đư đạt 6,370MW. Chính ph Liên bang Mỹ đư có chính sách u đưi đối với
điện gió: mua thiết bị điện gió đợc miễn thuế hoàn toàn, đồng thi sau khi đa vào
hoạt động còn miễn gim một phần thuế sn xut, c phát ra 1kWh đợc gim thuế
1,5cent USD. Tại miền Tây nớc Mỹ đư lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có

1. Tổng quan năng lượng gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 3
tổng công sut là 300MW, là trang trại điện gió lớn nht thế giới hiện nay. Tại b
biển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lợt
dựng lên, công sut điện ca một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện
11/9 sẽ khi công xây dựng tháp Tự Do, trên bưi đt bị tàn phá ca tòa tháp đôi
Trung tâm thơng mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phát
điện gió, nhằm cung cp 20% lợng điện tiêu th ca tòa nhà đó.
- Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trng Tây Ban Nha
đư thông qua kế hoạch phát triển năng lợng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tơng
đối c thể về phát triển năng lợng gió. Mc tiêu là đến năm 2010 sn lợng phát
điện ca các loại năng lợng tái tạo phi đạt đến 12% tổng lợng phát điện toàn
quốc. Kế hoạch phát triển đó đư đa ra phân tích kỹ lỡng về các mặt kỹ thuật, nh
hng đối với môi trng, tính toán giá thành đầu t, những tr ngại, các biện pháp
khuyến khích, dự báo về thị trng… ca việc phát triển năng lợng gió, có tính
kh thi rt cao.
- Pháp: Ngày 23/4/2004 nớc Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc
việc khai thác than. Đó là hình nh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng ca việc
phát triển nguồn năng lợng ca thế giới. Pháp là một nớc chiếm vị trí hàng đầu
trong lĩnh vực năng lợng hạt nhân, nhng đến nay đư đa việc phát điện bằng sc
gió lên vị trí chiến lợc. Pháp đư hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện
gió. Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000MW - 3000MW thiết bị điện gió,
đến năm 2010 sẽ có 3000MW đến 5000MW điện gió đa vào vận hành. Theo tính
toán sau khi kế hoạch nói trên đợc thực thi mỗi năm sẽ gim đợc 3 triệu đến 6
triệu tn khí thi CO
2
. Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trng mỗi năm hơn
60%.
- Nht Bn: Năm 2002 Nhật Bn đư lắp đặt 486MW điện gió, năm 2003 đư có

730MW, năm 2004 đư có 936MW. Đến năm 2010 tổng công sut lắp đặt điện gió sẽ
đạt 3000MW. Chính sách năng lợng mới ca Nhật Bn quy định, các Công ty điện
lực có nghĩa v m rộng việc sử dng điện gió, một là tự mình phi phát điện gió,
1. Tổng quan năng lượng gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 4
mặt khác phi mua điện gió ca các Công ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy
định.
Nhật Bn phn đu tự sn xut hoàn toàn thiết bị điện gió, đồng thi hớng đến
xut khẩu. Máy phát điện gió ca các Công ty Nhật Bn có nhiều tính năng u việt,
tốc độ gió 1m/s đư có thể bắt đầu phát điện, công sut điện phát ra thng cao hơn
15 - 20% so với các thiết bị ca các nớc khác.
Nhật Bn đặt mc tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có công sut lắp đặt là
11,800MW.
- Trung Quc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu
tiên ca Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên
lới. Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đa
vào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính ph Bỉ tặng. Sau đó dựa vào nguồn
vốn chính ph cũng nh một số viện trợ ca nớc ngoài đư có một số cơ s phát
điện gió đợc xây dựng nhằm mc đích nghiên cu và làm mẫu.
Theo quy hoạch phát triển trung dài hạn về điện gió toàn quốc, đến cuối năm
2005 tổng công sut lắp đặt phi là 1000MW, năm 2010 là 4000MW, năm 2015 là
10000MW, năm 2020 là 20000MW. Nh vậy trong những năm từ 2011 đến năm
2020 bình quân mỗi năm công sut lắp đặt điện gió ca Trung Quốc phi đạt
1600MW. [1]
1.2. Kt qu nghiên cứuăngoƠiăncăvƠătrongănc v máyăphátăđin gió.
1.2.1. Nhng nghiên cứuăngoƠiănc.
- Fernando D.Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz, “Wind Turbine
Control Systems Principles, Modelling and Gain Scheduling Design”. April 2006.
- Pedro Rosas, “Dynamic influences of wind power on the power system”.

PhD thesis; Technical University of Denmark, March 2003.
- Petru, “Modeling of Wind Turbines For Power System Studies”. Thesis for the
degree of doctor of philosophy, university of technology. Goteborg, Sweden 2003.
1. Tổng quan năng lượng gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 5
- Marcia Martins, “Voltage Stability Issues Related to implementation of large
wind farm”. Thesis for the degree of licentiate of engineering. Chalmers university
of technology. Goteborg, Sweden 2006.
- Slavomir Seman, “Transient performance analysis of wind-power induction
generators”. Doctoral Dissertation,
Helsinki University of Technology (Espoo,
Finland) on the 10th of November, 2006.

- Seman, S, Niiranen, J, Arkkio, A.2006.“ Ride - Through Analysis of Doubly
Fed Induction Wind - Power Generator under Unsymmetrical Network Disturbance
”. IEEE Transaction on Power Systems, Accepted for future publication, 7 p.
- Seman, S. Niiranen, J., Kanerva, S., Arkkio, A., Saitz, J. 2005. “Performance
Study of Doubly Fed Wind-Power Generator under Network Disturbances”.
- Ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cu khác…
1.2.2. Kt qu nghiên cứuătrongănc.
Chính sách định hớng chiến lợt phát triển bền vững năng lợng Việt Nam là
phát triển nguồn năng lợng mới, năng lợng tái tạo. Những công trình liên quan
đến nguồn năng lợng mới đư đợc nghiên cu ng dng trong nớc bao gồm:
- Nghiên cu đánh giá hiện trạng và định hớng phát triển năng lợng tái tạo
Việt Nam.
- Nhà máy điện gió đầu tiên ca Việt Nam tại Bình Thuận có công sut
120MW đư kết nối vào lới điện quốc gia tháng 8/2009.
- Nhà máy điện gió Bạc Liêu có công sut 99MW với 66 tr turbine gió dự kiến
sẽ hoàn thành vào năm 2012.

- Năng lợng mặt tri Việt Nam và ng dng. Báo cáo tại Hội nghị năng lợng
mặt tri tại CHLB Đc năm 2006.
- Tổng quan về thành tựu khai thác, sử dng năng lợng biển thế giới và định
hớng phát triển tại Việt Nam. Báo cáo khoa hoc tại Hội nghị năng lợng biển toàn
quốc 10-2007.
- Tiềm năng và kh năng khai thác năng lợng gió tại đo Quan Lạn tỉnh
Qung Ninh. Báo cáo khoa học tại Hội nghị năng lợng biển toàn quốc 10-2007.
1. Tổng quan năng lượng gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 6
- Tiềm năng và kh năng cung cp năng lợng mặt tri (điện và nhiệt) cho hai
đo Quan Lạn (Qung Ninh) và Cồn Cỏ (Qung Trị). Báo cáo khoa học tại Hội nghị
năng lợng biển toàn quốc 10-2007.
Mặc dù đư có nhiều công trình nghiên cu về lãnh vực năng lợng tái tạo nhng
nhìn chung hiện nay nớc ta chỉ mới bắt đầu kêu gọi, khuyến khích phát triển năng
lợng tái tạo.
1.3. Mc tiêu và nhim v nghiên cứu:
- Tìm hiểu các dạng mô hình ca máy phát điện gió kết nối với lới điện.
- Trình bày các phơng trình chuyển đổi năng lợng trong mô hình điều khiển
máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện.
- Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG).
- Xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn
kép (DFIG) trong hệ thống phong điện bằng các bộ PID m trong Matlab/Simulink.
- Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết qu mô phỏng.
1.4. Phm vi nghiên cứu.
- Phạm vi nghiên cu xoay quanh vn đề điều khiển cân bằng công sut P, Q và
tần số để máy phát đạt hiệu sut tối đa đồng thi gim sự mt ổn định khi hòa vào
lới.
- Xây dựng mô hình điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép kết

nối với lới điện, qua đó nhận xét, đánh giá các kết qu mô phỏng khi sử dng hệ
m để điều khiển hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phần
mềm Matlab/Simulink.
1.5. Phngăphápănghiênăcứu:
- Sử dng các phơng pháp toán học hiện đại nh gii thuật logic m để điều
khiển tối u cho hệ thống.
- Sử dng phơng pháp mô hình hóa để kiểm tra và so sánh các thông số trong
hệ thống trớc và sau khi điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG)
hiện có ca phần mềm Matlab/Simulink.
2. Cơ sở lý thuyết

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 7
Chngă2:
CăS LÝ THUYT

2.1 . Cu to turbine gió.
2.1.1. Các loi turbine gió.
Có nhiều loại turbine gió khác nhau: loại trc ngang hoặc loại trc đng. Chúng
đợc lắp đặt  nhiều vị trí khác nhau, tùy thuộc tốc độ gió thổi vào và cần điều
khiển hớng gió để đạt hiệu sut cao nht.
Aerogenerator X Vertical Axis.

Hình 2.1 Các dạng turbine gió
2. Cơ sở lý thuyết

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 8
2.1.2 . Cu to h thngămáyăphátăđin gió.
Cu tạo một máy phát turbine gió trc ngang gồm những bộ phận sau:

Hình 2.2 Cấu tạo turbine gió trục ngang

- Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các cánh
quạt chuyển động và quay, sẽ chuyển đổi động lực ca gió thành năng lợng cơ.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trc.
- Pitch: Bớc răng. Cánh đợc xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay với tốc độ gió không quá cao hay quá thp để tạo ra điện.
- Brake: Bộ hãm (phanh): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cp bằng
điện, bằng sc nớc hoặc bằng động cơ.
- Low-speed shaft: Trc quay tốc độ thp.
- Gearbox: Hộp số. Bánh răng đợc nối với trc có tốc độ thp với trc có tốc độ
cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc
độ quay là yêu cầu ca hầu hết các máy phát điện sn xut ra điện. Bộ bánh răng
này rt đắt tiền nó là một phần ca bộ động cơ và turbine gió.
- Generator: Máy phát điện.
2. Cơ sở lý thuyết

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 9
- Controller: Bộ điều khiển sẽ khi động động cơ  tốc độ gió khong 3.5 m/s đến
25 m/s. Bi vì các máy phát này có thể phát nóng.
- Anemometer: Đo lng tốc độ và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển.
- Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ đợc đặt trên đỉnh tr và
bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller,
brake. Vỏ bọc ngoài dùng bo vệ các thành phần bên trong vỏ. Vỏ phi đ rộng để
một kỹ thuật viên có thể đng khi làm việc bên trong.
- Hight-speed shaft: Trc truyền động ca máy phát  tốc độ cao.
- Yaw drive: Thiết bị dùng để giữ cho rotor luôn luôn hớng về hớng gió chính
khi có sự thay đổi hớng gió.
- Yaw motor: Động cơ điều chỉnh hớng gió.
- Tower: Tr đỡ Nacelle. Tr tháp đợc làm bằng thép hình tr hoặc thanh dằn
bằng thép. Bi vì tốc độ gió tăng lên nếu tr càng cao, tr đỡ cao hơn để thu đợc
năng lợng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.[26]

2.1.3. Các dng tháp.
Tháp dạng tr:

Hình 2.3 Cấu tạo tháp trụ
2. Cơ sở lý thuyết

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 10
Tháp dạng mắc cáo:

Hình 2.4 Tháp mắc cáo
2.1.4 . Cánh qut và trc cánh qut.
Cánh quạt (BladesΨ: đợc thiết kế để nhận lực nâng ca gió bằng cách tạo ra các
áp lực khác nhau trên bề mặt cánh quạt. Để đạt hiệu sut cực đại.

Hình 2.5 Cánh quạt
Trc cánh quạt có tác dng để kết nối các cánh quạt lại với nhau và chúng đợc
nối với trc chính. Thông thng một máy phát điện có 3 cánh quạt đợc điều
chỉnh góc quay (Pitch) bi 3 động cơ.[26]
2. Cơ sở lý thuyết

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 11

Hình 2.6 Trục cánh quạt
2.1.5 . Đngăcăđiu chỉnh cánh qutăvƠăđiu khinăhng turbine.
Hệ thống điều khiển góc nghiên ca cánh quạt, đợc sử dng 3 động cơ để thay
đổi góc quay (Yaw driver). Mc đích để nhận đợc năng lợng gió là lớn nht có thể
và không nhận năng lợng khi tốc độ gió vợt giới hạn cho phép nh giông bo.

Hình 2.7 Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt
2. Cơ sở lý thuyết

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phơng 12
Động cơ điều khiển hớng turbine: Mc đích để chỉnh turbine hớng vuông góc
với hớng gió khi có thay đổi hay nhiễu loạn hớng gió.

Hình 2.8 Động cơ điều chỉnh hướng turbine
2.1.6 . H thng hãm.


Hình 2.9 Hệ thống hãm turbine
2.1.7 . Hp s chuynăđi tcăđ và h thngăđiu khin cánh qut.
Hệ thống hộp số (Gearbox): Mc đích làm tăng vận tốc quay ca gió từ 30 đến
60 vòng/phút lên 1200 đến 1500 v/p để có kh năng phát ra điện.