Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

v
TÓM TT LUNăVĔN
NGHIÊN CU H THNG TUABIN GIÓ SỬ DNGăMÁYăPHÁTăĐIN
KHỌNGăĐNG B NGUN KÉP (DFIG)
Đại học S phạm kỹ thuật TP. HCM – 11/2012

Năng lng gió là ngun năng lng tái to đáng tin cy và phát trin nhất.
Sự đóng góp ca các nhƠ máy đin gió trong tng các nhƠ máy đin đc lắp đặc
ngƠy cƠng tăng trên toƠn th gii. H thng tuabin gió sử dng máy phát đin không
đng b ngun kép (DFIG) vi tc đ vƠ góc bc răng có th thay đi đc là h
thng tuabin gió ph bin nhất trong ngành công nghip đin gió. H thng có kh
năng vn hƠnh đc lp hoặc ni vi li. Nghiên cứu v h thng tuabin gió - DFIG
thực sự cần thit đ ti u hóa quá trình sn xuất đin năng từ gió và dự đoán chính
xác kt qu ca quá trình đó.
Lun văn thực hin nghiên cứu v h thng tuabin gió ậ DFIG ni vi li
trong môi trng Matlab/Simulink vi kh năng điu chnh đc lp công suất tác
dng, công suất phn kháng và kh năng điu chnh đin áp ca h thng nh kh
năng phát hoặc tiêu th công suất phn kháng.
vi
AN ABSTRACT OF A THESIS
STUDY OF A DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR (DFIG) BASED
WIND TURBINE SYSTEM
University of Technical Education Ho Chi Minh City – 11/2012

Wind power is the most reliable and developed renewable energy source.
The share of wind power with respect to total installed power capacity is increasing
worldwide. The Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbine with
variable-speed variable-pitch control scheme is the most popular wind power
generator in the wind power industry. This machine can be operated either in grid
connected or standalone mode. A thorough understanding of the modeling, control,
and dynamic as well as the steady state analysis of this machine in both operation

modes is necessary to optimally extract the power from the wind and accurately
predict its performance.
In this thesis, a detailed electromechanical model of a DFIG-based wind
turbine connected to power grid is developed in the Matlab/Simulink environment.
It has ability to control reactive power and decouple control of active and reactive
power by independently controlling the rotor excitation current. It has the capability
for generating or absorbing reactive power and could be use to control the reactive
power or the voltage at the grid terminals.

vii
MC LC
Trang tựa Trang
Quyt đnh giao đ tài
Xác nhn ca GVHD
Lý lch khoa hc i
Li cam đoan iii
Cm t iv
Tóm tắt lun văn v
Mc lc vii
Danh sách các từ vit tắt xi
Danh sách các hình v x
Phần m đầu 1
Chng 1. TNG QUAN 3
1.1. Tng quan chung v h thng tuabin gió 3
1.1.1. Tuabin gió 3
1.1.2. Cấu to tuabin gió 4
1.1.3. Phm vi hot đng ca tuabin gió 6
1.1.4. Các loi máy phát đin tuabin gió 7
1.2. Các kt qu nghiên cứu trong vƠ ngoƠi nc đƣ công b 9
1.3. Mc đích nghiên cứu 11

1.4. Đi tng nghiên cứu 11
1.5. ụ nghĩa khoa hc vƠ thực tin ca đ tƠi 11
1.6. Nhim v nghiên cứu 12
1.7. Phng pháp nghiên cứu 12
1.8. Đ cng lun văn 12
Chng 2. C S LÝ THUYT 13
2.1. Chuyn đi giữa các h trc ta đ abc↔↔dq 13
2.1.1. Mô hình MĐKĐB trong h ta đ  14
2.1.2. H qui chiu quay đng b dq 15
viii
2.1.3. Mi quan h ca các đi lng trong h ta đ abc và h ta đ dq 16
2.2. Kỹ thut điu ch đ rng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 16
2.2.1. B nghch lu 1 pha 17
2.2.2. B nghch lu 3 pha 18
2.3. B điu khin PI (Proportional Integral Controller) 19
Chng 3. H THNG TUABIN GIÓ ậ DFIG 22
3.1. Gii thiu chung 22
3.2. Các thƠnh phần chính ca h thng tuabin gió - DFIG 22
3.2.1. Máy phát đin không đng b ngun kép (DFIG) 23
3.2.1.1. Cấu to DFIG 23
3.2.1.2. Nguyên lý hot đng ca DFIG 23
3.2.1.3. Dòng công suất ca DFIG 26
3.2.1.4. Mô hình DFIG 28
3.2.2. B bin đi AC/DC/AC 31
3.2.2.1. B bin đi phía rotor (RSC) 32
3.2.2.2. B bin di phía li (GSC) 32
3.2.3. H truyn đng 32
3.2.4. Tuabin gió 35
3.2.5. H thng điu khin 36
3.2.6. H thng bo v 37

3.3. Phm vi hot đng 37
3.4. Các mô hình vn hƠnh h thng 38
3.4.1. Mô hình 1 - Dch chuyn đim công suất cực đi 38
3.4.2. Mô hình 2 - Điu khin góc bc răng 40
3.4.3. Mô hình 3 - Điu chnh công suất. 41
Chng 4. H THNG ĐIU KHIN TUABIN GIÓ - DFIG 42
4.1. Gii thiu chung 42
4.2. H thng điu khin b bin đi phía rotor (RSC) 42
4.3. H thng điu khin b bin đi phía phía li (GSC) 48
ix
4.4. B điu khin góc bc răng 50
Chng 5. MÔ PHNG H THNG TUABIN GIÓ ậ DFIG 52
5.1. Gii thiu chung 52
5.2. S đ mô phng h thng tuabin gió - DFIG ni vi li 52
5.2.1. S đ mô phng h thng tuabin gió - DFIG 54
5.2.2. S đ mô phng tuabin gió 55
5.2.3. S đ mô phng h thng điu khin tuabin gió - DFIG 56
5.2.4. S đ mô phng h thng điu khin RSC 57
5.2.5. S đ mô phng h thng điu khin GSC 58
5.2.6. H thng bo v tuabin gió - DFIG 59
5.2.7. S đ bin đi dữ liu phía tuabin gió 60
5.2.8. S đ bin đi dữ liu phía li 61
5.3. Kt qu mô phng 61
5.3.1. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi tc đ gió thay đi 61
5.3.2. Khi li 120 kV b st áp 66
5.3.3. Khi li 120 kV b vt áp 70
5.3.4. Khi li 25 kV b sự c chm đất mt pha 74
Chng 6. KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN CA Đ TÀI 77
6.1. Kt lun 77
6.2. Hng phát trin ca đ tƠi trong tng lai 78

TÀI LIU THAM KHO 79
PH LC 81
x
DANH SÁCH CÁC T VIT TT

o DFIG (Doubly Fed Induction Generator) - Máy phát đin không đng b
ngun kép.
o AC ậ Dòng đin xoay chiu.
o DC ậ Dòng đin xoay chiu.
o BBĐ ậ B bin đi.
o BĐK ậ B điu khin
o MĐ KĐB - Máy đin không đng b.
o PWM (Pulse Width Modulation) - Kỹ thut điu ch đ rng xung.
o PI (Proportional Integral Controller) - B điu khin t l tích phân
o RSC (Rotor Side Converter) - B bin đi phía rotor.
o GSC (Grid Side Converter) - B bin đi phía li.
o MPPT(Maximum Power Point Tracking) - Đng di chuyn đim công suất
cực đi.

xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH V
Hình v Trang
Hình 1.1. S đ khi ca các thành phần trong h thng tuabin gió ni vi li …1
Hình 1.2. Tuabin gió trc ngang (a) và tuabin gió trc đứng (b) ……………….…3
Hình 1.3. Các b phn chính ca h thng tuabin gió trc ngang…………….……5
Hình 1.4. Biu đ công suất ca tuabin gió có tc đ thay đi đc………….… 7
Hình 1.5. Tuabin gió có tc đ c đnh ……………………………………………7
Hình 1.6. Tuabin gió có tc đ thay đi có b bin đi ni trực tip vi li …….8
Hình 1.7. Tuabin gió có tc đ thay đi sử dng DFIG………………………… 9
Hình 2.1. S đ đấu dơy vƠ đin áp stator ca MĐKĐB ba pha………………….13

Hình 2.2. Vector không gian đin áp stator u
s






trong h ta đ αβ…………….…14
Hình 2.3. H trc ta đ dq………………….……….……….……………… …15
Hình 2.4. Điu ch đ rng xung b nghch lu 1 pha…….…………………… 17
Hình 2.5. Điu ch đ rng xung b nghch lu 3 pha…….…………………… 18
Hình 2.6. B điu khin PI……………….……….……….………………….….20
Hình 3.1. Các thành phần chính ca h thng tuabin gió ậ DFIG……….…….…23
Hình 3.2. Sự tng tác giữa tc đ quay ca rotor vi tần s từ trng quay to bi
dòng đin trong dây quấn rotor ca DFIG …………………………….25
Hình 3.3. Dòng công suất trong h thng tuabin gió - DFIG……………………26
Hình 3.4. Hng dòng công suất tác dng ca stator và rotor DFIG  các tc đ
rotor khác nhau ….…………………………………………………… 28
Hình 3.5. S đ mch đin tng đng ca DFIG………………………… …29
Hình 3.6. B bin đi AC/DC/AC trong DFIG………………………………… 31
Hình 3.7. Mô hình h truyn đng hai khi (a) và mt khi (b)………………….33
Hình 3.8. Đng cong đặc tính tuabin gió C
p
= f(λ, β)………………………… 36
Hình 3.9. S đ khi điu khin h thng tuabin gió ậ DFIG……………………37
Hình 3.10. Công suất c đầu ra ca tuabin gió theo tc đ quay ca rotor……… 39
Hình 3.11. Góc bc răng thay đi theo tc đ gió……………………………….40
Hình 4.1. Đng đặc tính công suất ca tuabin gió ậ DFIG…………………… 43
xii

Hình 4.2. Đặc tính V ậ I ca tuabin……………………………………………….45
Hình 4.3. B điu khin dòng đin … ……………………………….………… 47
Hình 4.4. S đ khi b điu khin RSC…………………………………………48
Hình 4.5. S đ mch đin tng đng ca b lc RL………………………….49
Hình 4.6. S đ khi b điu khin GSC………………………………….… …50
Hình 4.7. S đ khi b điu khin bc răng…………………………….… …51
Hình 5.1. S đ mô phng h thng tuabin gió ậ DFIG ni vi li……….… 53
Hình 5.2. S đ mô phng h thng tuabin gió ậ DFIG……………………….…54

Hình 5.3. S đ mô phng tuabin gió ………………………………………… 55

Hình 5.4. S đ mô phng h thng điu khin tuabin gió ậ DFIG…………… 56

Hình 5.5. S đ mô phng h thng điu khin RSC………………………….…57
Hình 5.6. S đ mô phng h thng điu khin GSC………………………….…58

Hình 5.7. H thng bo v h thng tuabin gió ậ DFIG………………………….59

Hình 5.8. S đ bin đi dữ liu phía tuabin gió……………………………… 60

Hình 5.9. S đ bin đi dữ liu phía li……………………………………….61
Hình 5.10. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi tc đ gió thay đi ứng vi
mô hình điu chnh công suất phn kháng………………….…… … 62

Hình 5.11. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi tc đ gió thay đi ứng vi
mô hình điu chnh đin áp………………………………………… 63

Hình 5.12. Đin áp li và ca nhà máy khi tc đ gió thay đi ứng vi mô hình
điu chnh công suất phn kháng………………………………………65

Hình 5.13. Đin áp li và ca nhà máy khi tc đ gió thay đi ứng vi mô hình
điu chnh đin áp………………………………………………………66

Hình 5.14. Đin áp li và nhà máy khi có st áp trên li 120kV vi mô hình điu
chnh công suất phn kháng……………………………………… … 67

Hình 5.15. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có st áp trên li 120kV
vi mô hình điu chnh công suất phn kháng……………………… 68

Hình 5.16. Đin áp li và nhà máy khi có st áp trên li 120kV vi mô hình điu
chnh đin áp………………………………………………………… 69

xiii
Hình 5.17. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có st áp trên li 120kV
vi mô hình điu chnh đin áp……………………………………… 70

Hình 5.18. Đin áp li và nhà máy khi có vt áp trên li 120kV vi mô hình điu
chnh công suất phn kháng……………………………………… ….71

Hình 5.19. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có vt áp trên li 120kV
vi mô hình điu chnh công suất phn kháng…………………….… 72

Hình 5.20. Đin áp li và nhà máy khi có vt áp trên li 120kV vi mô hình điu
chnh đin áp………………………………………………………… 73

Hình 5.21. Đáp ứng ca h thng tuabin gió - DFIG khi có vt áp trên li 120kV
vi mô hình điu chnh đin áp……………………………………… 74

Hình 5.22. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi có sự c chm đất mt pha
trên li 25kV vi mô hình điu chnh công suất phn kháng…….….75

Hình 5.23. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi có sự c chm đất mt pha
trên li 25kV vi mô hình điu chnh đin áp……………………….76


Phần mở đầu
1
PHN M ĐU

Ngành công nghip đin trên th gii ch yu dựa trên công ngh nhit đin và
thy đin, đƣ mang đn cho nhân loi nn văn minh đin, nhng cũng đƣ bc l mặt
trái ca nó đi vi môi trng trái đất. Năng lng hóa thch ngày càng cn kit và
vic đt cháy nhiên liu gc hóa thch (than đá, dầu khí), đƣ tr thành ngun phát
thi khí nhà kính ln nhất gây ra bin đi khí hu trên toàn cầu. Còn công ngh đin
ht nhân li không an toàn và gây ra những him ha phóng x nh sự c n nhà
máy đin ht nhân  Checnobn (1986), Fukishima (2010) vƠ đ li hu qu lâu dài
cho môi trng.
Vì vy, Th kỷ 21 vi chin lc phát trin bn vững trên toàn cầu, đặc bit là
thi kỳ phát trin “kinh t xanh”, “năng lng xanh” đƣ bắt đầu chứng kin những
công ngh sn xuất đin từ các ngun năng lng tái to vô tn trong tự nhiên hay
luôn phát sinh cùng đi sng con ngi nh các ngun năng lng: mặt tri, gió,
sinh khi, sóng bin, thy triu, đa nhit và nhit bin. Sử dng năng lng tái to
s mang li nhiu li ích v sinh thái cũng nh lƠ li ích gián tip cho kinh t. So
sánh vi các ngun năng lng khác, năng lng tái to có nhiu u đim hn vì
tránh đc các hu qu có hi đn môi trng.
Theo thng kê ca T chức Năng lng Quc t (IEA) thì năm 2004, tng công
suất ca các ngun năng lng tái to trên toàn th gii là 160 GW (không k thy
đin ln), chim 4% tng công suất các nhƠ máy đin trên toàn cầu, tng đng
1/5 tng công suất các nhƠ máy đin ht nhân trên th gii, trong đó các nc đang
phát trin chim 44%, tức là 70 GW.
Ph bin và có hiu qu nhất hin nay trên th gii là sử dng năng lng gió

đ phát đin. Tuy nhiên, nó cũng đòi hi vn đầu t khá cao vƠ l thuc vào tự
nhiên. Hin nhiu quc gia nh Đức, Trung Quc, Hà Lan, Tơy Ban Nha, Đan
Mch, đang đi đầu trong lĩnh vực này. Theo thng kê, tng công suất đin gió
đc lắp đặt trên toàn cầu năm 2007 lƠ 94.100 MW, đn tháng 3/2008 đt con s kỷ
lc là 100.000MW.
Phần mở đầu

2
Những nghiên cứu ứng dng tng hp và công ngh đin gió ni vi li đin
chính cũng nh dự trữ năng lng gió di mt dng khác đang đc tin hành
nhiu ni, k c Vit Nam.
Ti Vit Nam: Theo Tài liu “Bn đ Năng Lng Gió Khu Vực Đông Nam Á”
công b vƠo năm 2001, Vit Nam có mt tim năng vô cùng ln cho vic khai trin
đin gió thng mi. Tim năng đin gió qui mô ln đc đánh giá có công suất lý
thuyt lên đn 120-160 GW, vi phần ln các tim năng khai thác nằm dc  khu
vực b bin Đông - Đông Nam.
Chính vì những lý do trên nên vấn đ nghiên cứu v h thng đin gió đang
đc rất nhiu nhà khoa hc quan tơm đặc bit là h thng tuabin gió sử dng máy
phát đin không đng b ngun kép (DFIG ậ Doubly Fed Induction Generator) sử
dng b bin đi công suất AC/DC/AC vi u đim có kh năng điu chnh đc lp
công suất phn kháng và công suất tác dng, có kh năng tự điu chnh đc đin
áp đầu ra theo giá tr mong mun đng thi tn thất công suất ca b bin đi rất
thấp.
Chơng 1. Tổng quan
3
Chngă1
TNG QUAN

1.1. Tngăquanăchungăvăhăthngătuabinăgió
H thng tuabin gió là h thng sử dng năng lng c hc từ gió đ bin đi

thƠnh đin năng cung cấp cho các ph ti đin.
H thng tuabin gió gm các khi thành phần c bn: khi đng hc, khi c
năng vƠ khi đin năng đc trình bày  hình 1.1[Theo tài liu tham kho s 9].

1.1.1. Tuabin gió
Theo hình dng và cấu to bên ngoài, tuabin gió gm hai loi là tuabin trc
ngang và tuabin trc đứng (xem hình 1.2(a) và 1.2(b)).

a)
Hình 1.2. Tuabin gió trục ngang (a) và tuabin gió trục đứng (b)
b)
Hình 1.1. Sơ đồ khối của các thành phần trong hệ thống tuabin gió nối với lới
Gió
Tuabin
Hp s
Máy phát đin
BBĐ ĐTCS
Li
Khi
đng hc
Khi c
năng
Khi đin
năng
Chơng 1. Tổng quan

4
+ Tuabin gió kiu trc đứng có các cánh quay quanh mt trc thẳng đứng. Nó có
u đim là nhn gió từ mi hng nên không cần h thng điu hng, hp s và
các thit b máy phát đc đặt trong tr ca tuabin. Tuy nhiên, tuabin trc đứng li

có mt s nhc đim cũng lƠ lỦ do vì sao nó ít đc sử dng:
o Hiu suất khí đng hc gim do có nhiu b mặt cánh úp vào phía trc.
o Khi quay nu các cánh gió đu m thì mt bên có tác dng hứng gió làm
tuabin quay, bên còn li cn gió làm gim tc đ quay ca tuabin.
o Giá đỡ thng  mức chuẩn nên nó không cho phép có hp s vi những
tuabin trc đứng ln bi vì sức nặng và giá ca trc truyn ti rất cao.
+ Tuabin gió kiu trc ngang, có các cánh quay quanh mt trc nằm ngang
theo hng gió. Hầu ht các tuabin ln trong cánh đng gió hin đi là các tuabin
trc ngang vì chúng phù hp hn vi vic khai thác nhiu năng lng gió. Tuabin
gió kiu trc ngang có loi 2 hoặc 3 cánh qut. Ngày nay loi 3 cánh qut đc sử
dng rng rãi.
1.1.2. Cu to tuabin gió
Cấu to chung ca tuabin gió trc ngang đc trình bày  hình 1.3.
Trong đó:
- Cánh qut (Blade), gió thi qua các cánh qut và là nguyên nhân làm cho các
cánh qut chuyn đng quay.
- Rotor: Bao gm các cánh qut và trc cánh qut.
- Bc răng (Pitch) có nhim v giúp cánh qut ca tuabin có th đc xoay
hoặc làm nghiêng mt góc đ giữ cho rotor quay vi tc đ hp lý nhất nhằm
đt hiu suất sinh đin cao nhất và bo v cánh qut, rotor trong điu kin gió
quá ln.
- B hãm (phanh - Brake), dùng đ dừng rotor trong tình trng khẩn cấp
(thng là khi tc đ gió quá ln có th gây quá nhit cho h thng máy phát
đin). H thng hãm có th điu khin bằng đin, bằng sức nc hoặc bằng
đng c.
Chơng 1. Tổng quan

5
- Trc quay tc đ thấp (Low speed shaft) truyn c năng từ cánh qut tuabin
ti hp s.

- Trc quay tc đ cao (High speed shaft) đ quay rotor ca máy phát đin.

- Hp s (Gear box) có bánh răng, đc ni giữa trc tc đ thấp vi trc tc đ
cao vƠ tăng tc đ quay từ 30 đn 60 vòng/phút lên 1200 đn 1500 vòng/phút.
- Máy phát đin (Generator), nhn c năng từ trc quay tc đ cao đ bin
thƠnh đin năng cung cấp cho các ph ti đin.
- B điu khin (Controller), có chức năng điu khin hot đng ca tuabin gió.
B điu khin sử dng trong h thng tuabin gió rất đa dng nh điu khin
bc răng, điu khin hng gió hay điu khin dừng. B điu khin s khi
đng máy phát  tc đ gió khong 12 km/h đn 22 km/h và dừng máy phát
khi tc đ gió đt 104 km/h bi vì các máy phát này có th phát nóng.
Hình 1.3. Các bộ phận chính của hệ thống tuabin gió trục ngang
Cánh qut
Tr đỡ
Trc quay tc
đ cao
V
Thit b đo
hng gió
Thit b đo
tc đ gió
B điu khin
Máy phát đin
Hp s
B hãm
(phanh)
Rotor
Trc quay
tc đ thấp
Hng gió

B điu chnh
hng gió
Đng c điu
chnh hng gió
Bc răng
Chơng 1. Tổng quan

6
- Thit b đo tc đ gió (Anemometer), đo tc đ gió và truyn dữ liu tc đ
gió ti b điu khin.
- Thit b đo hng gió (Wind vane), đc dùng đ xử lỦ hng gió và liên lc
vi b phn điu chnh hng gió đ đnh hng tuabin gió.
- B phn điu khin hng gió (Yaw drive), dùng đ điu khin rotor luôn luôn
hng theo hng gió chính khi có sự thay đi hng gió.
- Đng c điu chnh hng tuabin (Yaw motor) giúp b phn điu khin hng
gió đnh đc hng gió.
- V tuabin (Nacelle), bao gm rotor và v bc ngoài, toàn b đc đặt trên
đnh tr và bên trong bao gm: hp s, các trc quay tc đ cao và trc quay
tc đ thấp, máy phát đin, b điu khin và b hãm. V bc ngoài dùng bo
v các thành phần bên trong v. Mt s v đ rng đ kỹ thut viên có th
đứng bên trong khi làm vic.
- Tr đỡ (Tower), có dng hình tr hoặc dng thanh đc làm bằng thép. Tr đỡ
cƠng cao thì thu đc năng lng gió càng nhiu vƠ phát ra đin nhiu hn.
Khi có gió thi vào b mặt các cánh qut làm cánh qut quay, kéo theo làm
quay rotor. Rotor đc ni vi trc quay tc đ thấp lƠ đầu vào ca hp s. Đầu ra
ca hp s ni vi trc quay tc đ cao ca rotor máy phát, kéo rotor ca máy phát
quay đ phát ra đin  đầu ra stator ca máy phát.
1.1.3. Phm vi hotăđng ca tuabin gió
Phm vi hot đng ca tuabin gió có tc đ vƠ bc răng thay đi đc minh
ha bi biu đ công suất tng ứng vi tc đ gió (xem hình 1.4).

Trong đó:
+ Tốc độ giới hạn đóng: là tc đ gió nh nhất mà tuabin gió bắt đầu phát đin.
Giá tr nƠy thng khong từ 3m/s đn 5m/s tùy từng loi tuabin.
+ Tốc độ định mức: là tc đ gió nh nhất mà ti đó tuabin phát công suất đnh
mức, thng là công suất ln nhất mƠ tuabin gió phát đc. Giá tr này
thng khong từ 11m/s đn 16 m/s tùy từng loi tuabin.
Chơng 1. Tổng quan

7
+ Tốc độ giới hạn cắt: là tc đ gió mà ti đó tuabin ngừng phát đin vƠ đc
dừng li và/hoặc tách ra nh thit b phanh và/hoặc b bc răng  cánh
tuabin đ bo v tuabin tránh b gãy trc. Giá tr nƠy thng xung quanh giá
tr 25 m/s.

1.1.4. Các loiămáyăphátăđin tuabin gió
Xét v tc đ quay ca tuabin gió thì ta có hai loi:
- Tuabin gió có tc đ c đnh
- Tuabin gió có tc đ thay đi.
Tuabin gió có tc đ c đnh (Fixed speed wind turbine) sử dng máy phát
không đng b hoặc máy phát đng b đc ni trực tip vi li (xem hình 1.5).
H thng nƠy có u đim là cấu to đn gin, giá thành thấp nhng nó có nhc
đim là hiu suất thấp, không điu chnh đc công suất tác dng và công suất phn
kháng, h s công suất thấp và phần c d b sự c khi tc đ gió thay đi nhiu.

Hình 1.5. Tuabin gió có tốc độ cố định
Hình 1.4. Biểu đồ công suất của tuabin gió có tốc độ thay đổi đợc
Tc đ gió [m/s]
Tc đ gii
hn đóng
Tc đ gii hn cắt

Tc đ đnh mức
Mô hình hot đng MPPT
Mô hình hot đng điu kin bc răng
Công suất đầu ra (pu)
Chơng 1. Tổng quan

8
Tuabin gió tc đ thay đi (Variable speed wind tuabin) đƣ khắc phc đc
nhc đim ca tuabin gió có tc đ c đnh. Nhng bất li ca các tuabin gió này
là h thng đin phức tp, vì cần có b bin đi đin tử công suất đ to ra kh năng
hot đng vi tc đ thay đi, vƠ do đó chi phi cho tuabin gió tc đ thay đi ln
hn so vi các tuabin có tc đ c đnh.
Tuabin gió vi tc đ thay đi có hai loi: tuabin gió vi tc đ thay đi có b
bin đi ni trực tip giữa stator vƠ li và tuabin gió sử dng máy phát đin không
đng b ngun kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator).
Loi tuabin gió vi tc đ thay đi có b bin đi ni trực tip giữa mch
stator ca máy phát vƠ li (xem hình 1.6), b bin đi đc tính toán vi công suất
đnh mức ca toàn tuabin. Máy phát  đơy có th lƠ máy phát không đng b rotor
lng sóc hoặc máy phát đng b.

Ngày nay vi xu hng ngày càng phát trin vic sử dng ngun năng lng
sch tái to từ gió, trên th gii ngi ta đƣ ch to các loi tuabin gió vi công suất
ln đn trên 7 MW, nu dùng loi tuabin gió tc đ thay đi có b bin đi ni trực
tip giữa stator vƠ li thì s tn kém do b bin đi cũng phi có công suất bằng
công suất ca toàn tuabin. Vì vy các hãng ch to tuabin gió có xu hng sử dng
DFIG làm máy phát trong các h thng tuabin gió công suất ln đ gim công suất
ca b bin đi vƠ do đó gim giá thành (xem hình 1.7). Vì b bin đi đc ni
vào mch rotor ca máy phát, công suất ca nó thng ch bằng cỡ 1/3 tng công
suất toàn h thng, các thit b đi kèm nh b lc bin đi cũng rẻ hn vì cũng đc
thit k vi công suất bằng 1/3 công suất ca toàn h thng.

Hình 1.6. Tuabin gió có tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp với lới
Chơng 1. Tổng quan

9

 u điểm của hệ thống tuabin gió - DFIG:
- Cho phép duy trì biên đ và tần s ca đin áp đầu ra là hằng s mà không
ph thuc vào tc đ gió giúp cho h thng tuabin gió ậ DFIG ni đc vi
li vƠ duy trì đc sự đng b vi li ti mi thi đim.
- Nó có th điu khin đc lp công suất phn kháng và công suất tác dng
bằng cách điu khin dòng đin kích từ rotor từ đó thực hin điu chnh h
s công suất.
- DFIG lƠ máy đin không đng b nên có cấu to đn gin và rẻ hn nhiu
so vi máy phát đng b. Trong DFIG, công suất danh đnh b bin đi
thng khong 20-30% tng công suất h thng nên gim giá thành b bin
đi, ít sinh ra sóng hài khi ni vi li và ci thin đc hiu suất h thng.
- Trong trng hp li công suất nh, đin áp có th dao đng, DFIG có th
phát hoặc tiêu th công suất phn kháng đ điu chnh đin áp đầu cực máy
phát.
- Hiu suất bin đi năng lng cao.
 Nhợc điểm của hệ thống tuabin gió - DFIG:
- Cần phi có vƠnh trt và chi than và yêu cầu phi bo dỡng chúng
thng xuyên.
- Dung lng công suất phn kháng b gii hn.
1.2. CácăktăquănghiênăcuătrongăvƠăngoƠiăncăđƣăcôngăb
Các kết quả trong nước:
Hình 1.7. Tuabin gió có tốc độ thay đổi sử dụng DFIG
Chơng 1. Tổng quan

10

- Điu khin máy đin d b ngun kép trong h thng phát đin chy sức gió
vi b điu khin dòng thích nghi bn vững trên c s kỹ thut Backstepping
ậ PGS. TSKH Nguyễn Phùng Quang - Năm 2007.
- Các kt qu thực nghim điu khin máy đin không đng b ngun kép trong
h thng phát đin chy sức gió áp dng phng pháp thit k phi tuyn
backstepping - Cao Xuân Tuyển, Nguyễn Phùng Quang - Năm 2006.
- Thit k b điu khin hòa li cho máy phát đin sức gió sử dng máy đin
cm ứng ngun kép DFIG ậ PGS. TS Lại Khắc Lãi - Tạp chí Khoa học Công
nghệ - Đại học Thái Nguyên số 10.
- ….
Các kết quả ngoài nước:
- Active Power Control Strategies of DFIG Wind Turbines - Noël A. Janssens,
Senior Member, IEEE, Guillaume Lambin, and Nicolas Bragard – IEEE
Power Tech 2007, Lausanne (Switzerland), 1-5 July 2007.
- Development of Optimal Controllers for a DFIG Based Wind Farm in a Smart
Grid Under Variable Wind Speed Conditions - Priyam Chakravarty, Student
Member, IEEE, and Ganesh Kumar Venayagamoorthy, Senior Member,
IEEE.
- Simulation and Analysis of a DFIG Wind Energy Conversion System with
Genetic Fuzzy Controller - B. Babypriya, N. Devarajan - International
Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE) ISSN: 2231-2307,
Volume-2, Issue-2, May 2012.
- Study of a Simplified Model for DFIG-Based Wind Turbines - F. K. A. Lima,
A. Luna, P. Rodríguez, E. H. Watanabe, M. Aredes – IEEE, 2009.
- A Complete Modeling and Simulation of Induction Generator Wind Power
Systems - Yu Zou, Malik Elbuluk, Yilmaz Sozer, IEEE, 2010.
- Doubly fed induction generator systems for wind turbines - S. Muller, M.
Deicke, RIK W. De Doncker, IEEE, 2002.
Chơng 1. Tổng quan

11
- Doubly fed induction generator uising back-to-back PWM converters and its
application to variable-speed wind-energy generation - R. Pena, J.C.Clare, G.
M. Asher, IEEE Puoc Electr. Power Appl., Vol. 143, No 3, May 1996.
- Pitch angle control for variable speed wind turbines - Jianzhong Zhang, Ming
Cheng, Zhe Chen, Xiaofan Fu, Nanjing China, 2008.
- …
1.3. Mcăđíchănghiênăcu
H thng tuabin gió - DFIG là h thng phát đin gió ph bin nhất trong
ngành công nghip năng lng gió hin nay. DFIG có kh năng điu chnh đc lp
công suất phn kháng và công suất tác dng, nó có kh năng điu chnh đc giá tr
đin áp đầu ra khi có dao đng đin áp trên li.
Do đó, mc đích chính ca đ tài là nghiên cứu h thng tuabin gió ậ DFIG,
kh năng điu chnh đc lp công suất tác dng vi công suất phn kháng và kh
năng điu chnh đin áp ca h thng.
1.4. Điătngănghiênăcu
- H thng tuabin gió trc ngang.
- Kho sát các thông s ca mô hình tuabin gió - DFIG.
- Kh năng điu chnh đin áp ca h thng tuabin gió ậ DFIG.
- Mô hình hóa mô phng vi phần mm Matlab/Simulink.
1.5. ụănghĩaăkhoaăhcăvƠăthựcătinăcaăđătƠiă
+ ụ nghĩa khoa hc:
- Đơy lƠ hng nghiên cứu mi có rất nhiu nhà khoa hc đang quan tơm vƠ
cha có nghiên cứu nào hoàn chnh v vấn đ này.
+ ụ nghĩa thực tin:
- Đ tƠi đa ra h thng tuabin gió - DFIG vi b bin đi công suất
AC/DC/AC vi kh năng điu chnh đc lp công suất phn kháng và
công suất tác dng đng thi có kh năng điu chnh đin áp. Đơy lƠ ứng
dng đin tử công suất vào h thng tuabin gió đ thực hin điu khin
nhằm gim tn hao và ti u hóa h s công suất li.

Chơng 1. Tổng quan

12
1.6. Nhimăvănghiênăcu
Trong quá trình nghiên cứu đ tài phi thực hin đc các nhim v sau:
- Nghiên cứu v mô hình h thng tuabin gió - DFIG ni vi li và các mô
hình vn hành khác nhau ca h thng tuabin gió - DFIG.
- Nghiên cứu v các b điu khin trong h thng tuabin gió - DFIG.
- Thực hin mô phng trên Matlab/Simulink.
- Tóm tắt li vấn đ đƣ nghiên cứu vƠ đa ra hng nghiên cứu trong tng
lai.
1.7. Phngăphápănghiênăcu
- Thực hin mô hình hóa, phân tích và tng hp các vấn đ cần nghiên cứu
ca h thng tuabin gió - DFIG.
- Thực hin mô phng trong môi trng Matlab/Simulink.
- So sánh vƠ đa ra nhn xét dựa trên kt qu mô phng.
1.8. Đăcngălunăvĕn
Các ni dung chính s nghiên cứu trong lun văn gm 6 chng:
- Chng 1 trình bƠy v tng quan v h thng tuabin gió - DFIG vƠ đa ra
những lỦ do cũng nh các mc đích ca vic nghiên cứu đ tài.
- Chng 2 đa ra các c s lý thuyt cần thit đ thực hin nghiên cứu đ
tài.
- Chng 3 phơn tích các thành phần chính ca h thng tuabin gió ậ DFIG
và các mô hình vn hành khác nhau ca h thng.
- Chng 4 phơn tích h thng điu khin trong h thng tuabin gió ậ DFIG.
- Chng 5 thực hin mô phng đ chứng minh cho những phơn tích trc
đó trong lun văn.
- Chng 6 tóm tắt li vấn đ đƣ nghiên cứu vƠ đa ra hng nghiên cứu
trong tng lai.
Chơng 2. Cơ sở lý thuyết

13
Chngă2
CăS LÝ THUYT

2.1. Chuynăđi giữa các h trc taăđ abc↔↔dq
Xét máy đin không đng b (MĐKĐB) ba pha A, B, C nh hình 2.1.

Do 3 pha stator đi xứng nhau và lch nhau 120
0
đin nên ta có [Theo tài liu
tham kho s 1, trang 167 - 177]:
u
sa
(t) + u
sb
(t) + u
sc
(t) = 0 (2.1)
Trong đó:
sa s s
sb s s
sc s s
u u cos t
2
u u cos( t )
3
2
u u cos( t )
3


















(2.2)
o ω
s
= 2πf
s
/p là tc đ đng b.
o f
s
là tần s ca mch stator.
o p là s đôi cực ca MĐKĐB
o |u
s
| lƠ biên đ ca đin áp pha, có th thay đi (đin áp pha là các s thực).

Vector không gian ca đin áp stator đc đnh nghĩa lƠ:
Hình 2.1. Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của MĐKĐB ba pha
Chơng 2. Cơ sở lý thuyết

14

24
jj
33
s sa sb sc
2
u ( t ) u ( t ) u ( t ).e u ( t ).e
3


  


(2.3)
Các đi lng khác nh dòng đin stator, từ thông stator, dòng đin từ hóa,
dòng đin rotor, từ thông rotor, cũng có th đc đnh nghĩa di dng véct
tng tự nh trên.
2.1.1. MôăhìnhăMĐKĐBătrongăh taăđ 
Mô hình trong h ta đ abc ca MĐKĐB không thun tin cho các tính toán
điu khin, mặt khác ta thấy rằng tất c các đi lng véct đu quay trong mặt
phẳng cắt ngang ca máy đin, do đó có th quy đi sang h ta đ α, β trong đó
trc 0α đc chn trùng vi trc dây quấn pha a stator, trc 0β lƠ trc o vuông góc
vi 0α. Khi đó véct không gian đin áp stator 








có th đc mô t thông qua giá
tr thực (u
sα
) và giá tr o (u
sβ
) là hai thành phần ca véct (hình 2.2).

Khi đó ta có mi quan h giữa các đi lng trong hai h ta đ là:
s sa
s sb sc
u ( t ) u ( t )
1
u ( t ) [u ( t ) u ( t )]
3









(2.4)
Và:

Hình 2.2. Vector không gian điện áp stator 







trong hệ tọa độ αβ
Chơng 2. Cơ sở lý thuyết

15
sa
s
sb
s
sc
1 0
u ( t )
u ( t )
13
u ( t )
u ( t )
22
u ( t )
13
-
22






















(2.5)
2.1.2. H taăđ quay đng b dq
Trong mặt phẳng ca h ta đ αβ, xét thêm mt h ta đ thứ hai có trc
hoành d và trc tung q, h ta đ thứ hai nƠy có chung đim gc và nằm lch đi mt
góc θ
s
so vi h ta đ stator (h ta đ αβ). Trong đó, 

=




quay tròn quanh
gc ta đ chung , góc θ
s
= ω
a
t+ ω
a0
. Khi đó s tn ti hai ta đ cho mt vector
trong không gian tng ứng vi hai h ta đ này.

Ta có mi quan h ca các đi lng trong h ta đ αβ vƠ h ta đ dq nh sau:
s sd s sq s
s sq s sd s
u u cos u sin
u u cos u sin











(2.6)
Và:
sd s s s s

sq s s s s
u u cos u sin
u u sin u cos








  


(2.7)
Hình 2.3. Hệ trục tọa độ dq
Chơng 2. Cơ sở lý thuyết

16
2.1.3. Mi quan h caăcácăđiălng trong h taăđ abc và h ta đ dq
sa
s s s
sd
sb
sq
s s s
sc
22
u
cos cos - cos -

u
33
2
u
u
3
22
sin -sin - -sin -
u
33

  

  

   

   


   






   





   

   

(2.8)
Và:
ss
sa
sd
sb s s
sq
sc
ss
cos sin
u
u
22
u cos - - sin -
u
33
u
22
cos - - sin -
33













   




   

   





   

   
   

(2.9)
2.2. Kỹ thutăđiu ch đ rng xung (PWM - Pulse Width Modulation)
Các b nghch lu áp thng điu khin dựa theo kỹ thut điu ch đ rng
xung PWM và qui tắc kích đóng đi nghch. Qui tắc kích đóng đi nghch đm bo

dng áp ti đc điu khin tuân theo gin đ kích đóng công tắc và kỹ thut điu
ch đ rng xung có tác dng hn ch ti đa các nh hng bất li ca sóng hài bc
cao xuất hin  phía ti.
Mt cách đn gin đ thực hin PWM là so sánh tín hiu điu khin (V
control
)
vi tín hiu sóng mang (có th là sóng tam giác hoặc sóng dng răng ca ậ V
tri
). Từ
mi quan h v giá tr giữa V
control
và V
tri
ta thu đc dãy xung hình chữ nht vi đ
rng khác nhau.