Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ roto day quấn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ MINH THẢO

Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao
chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy điện không đồng bộ roto dây quấn
Người hướng dẫn: Cao Xuân Tuyển

2012


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ
1.1 GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Từ lâu con người ñã biết sử dụng năng lượng gió ñể tạo ra cơ năng thay thế
cho sức lao ñộng nặng nhọc, ñiển hình là các thuyền buồm chạy bằng sức gió, các cối
xay gió xuất hiện từ thế kỷ 14 ñược dùng phổ biến từ thế kỷ 17, thịnh vượng nhất vào
thế kỷ 18 ñặc biệt ở Hà Lan với hàng ngàn chiếc. Từ thế kỷ 19 ñến nửa ñầu thế kỷ 20
với sự xuất hiện và phát triển của máy hơi nước và các loại ñộng cơ ñốt trong, các cối
xay gió hầu như bị lãng quên. Nhưng từ vài chục năm gần ñây với nguy cơ cạn dần
các nguồn nhiên liệu khai thác ñược từ lòng ñất và vấn ñề ô nhiễm môi trường do việc
ñốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu trên. Việc
nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong ñó có năng
lượng gió lại ñược nhiếu nước trên thế giới kể cả các nước có nền công nghiệp năng
lượng phát triển rất mạnh như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB ðức, Hà Lan, Anh, ðan Mạch,
Thụy ðiển…ñặc biệt quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều
nghành khoa học tiên tiến như thủy khí ñộng lực học, tự ñộng ñiều khiển, cơ học kết
cấu, truyền ñộng thủy lực, vật liệu mới…việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió ñã

ñạt ñược những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Từ
các cối xay gió với các cánh gió ñơn giản hiệu suất sử dụng năng lượng thấp chỉ
khoảng 20%, ñến nay các ñộng cơ gió phát ñiện với cánh quạt có biên dạng khí ñộng
học ngày một hoàn thiện hơn có thể ñạt ñược hiệu suất sử dụng năng lượng cao tới
42%. Nhiều phương pháp và hệ thống tự ñộng ñiều khiển hiện ñại ñã ñược sử dụng ñể
tự ñộng ổn ñịnh số vòng quay của ñộng cơ gió. Những ñộng cơ gió phát ñiện lớn còn
dùng cả hệ thống tự ñộng ñiện thủy lực và máy tính ñiện tử ñiều khiển. Nhiều vật liệu
mới ñã ñược sử dụng ñể chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với
ñộ bền cao trong mọi ñiều kiện thời tiết và chịu ñược sức gió của bão. Tại những nơi
có gió tốt, người ta ghép nhiều ñộng cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát ñiện
gió”. Người ta ñã có thể chế tạo những ñộng cơ gió phát ñiện rất lớn ñường kính tới
80m, công suất tới 3000 kW. Tuy nhiên ñối với mỗi nước quy mô phát triển của việc
ứng dụng năng lượng gió còn phụ thuộc vào vị trí ñịa lý, ñặc ñiểm tiềm năng gió và
trình ñộ công nghiệp
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió ñược sinh ra là do nguyên nhân
mặt trời ñốt nóng khí quyển, do trái ñất xoay quanh mặt trời và do sự không ñồng ñều
trên bề mặt trái ñất. Luồng gió thay ñổi tuỳ thuộc vào ñịa hình trái ñất, luồng nước, cây
cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển ñộng năng lượng cho nhiều mục ñích
Nguyễn Thị Minh Thảo, Lớp K13 TðH - ðHKTCN

1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
như: ñi thuyền, thả diều và phát ñiện. Năng lượng gió ñược mô tả như một quá trình,
nó ñược sử dụng ñể phát ra năng lượng cơ hoặc ñiện. Tuabin gió sẽ chuyển ñổi từ
ñộng lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những
công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy
phát có thể chuyển ñổi từ năng lượng cơ thành năng lượng ñiện.
Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể ñại diện cho

cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam. Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng
85% ñất ñai Việt Nam có ñộ cao và tốc ñộ gió trung bình phù hợp ñể phát ra năng
lượng gió. Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới ñã kết luận Việt Nam có khả năng tạo
ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió – gấp 10 lần tổng công suất phát ñiện
quốc gia dự kiến cho năm 2020.

Hình 1.1 Ưu ñãi ñầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam
ðặc biệt các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận ở ven biển ñược xem là có tiềm
năng lớn nhất cho năng lượng gió tại những vùng ñất lớn khô cằn và không phải là ñất
nông nghiệp màu mỡ. Hiện nay, có hơn 20 dự án ñiện gió tại Việt Nam, chủ yếu ở
Bình Thuận (12 dự án trên ñất liền và huyện ñảo Phú Quý), Ninh Thuận, Bình ðịnh,
Phú Yên và huyện ñảo Côn ðảo của tỉnh Bà Rịa- Vũng Tàu, nơi lượng gió cũng như
tốc ñộ gió trung bình cao nhất so với phần còn lại của ñất nước.
* Tổng quan về năng lượng gió (phong ñiện)
Các máy phát ñiện sử dụng sức gió ñã ñược sử dụng nhiều ở các nước châu
Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước ðức ñang dẫn ñầu thế giới về
công nghệ ñiện sử dụng sức gió (phong ñiện).

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

2



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Số thứ tự

Quốc gia

Công suất (MW)

01

ðức

22.247

02

Mỹ

16.818

03

Tây Ban Nha

15.145

04

Ấn ðộ

8.000

05

Trung Quốc

6.050

06

ðan Mạch

3.125

07

Ý

2.726

08

Pháp

2.454

09

Anh

2.389

10

Bồ ðào Nha

2.150

11

Ca na ña

1.846

12

Hà Lan

1.746

13

Nhật

1.538

14

Áo

982

15

Hy Lạp

871

16

Úc

824

17

Ai Len

805

18

Thụy ðiển

788

19

Na Uy

333

20

Niu Di Lân

322

21

Những nước khác

2.953

22

Thế giới

94.112

Nguồn: World Wind Energy Association, thời ñiểm: Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia ðức

Bảng 1: Thống kê sử dụng năng lượng gió trên thế giới
Thị Minh
Thảo,
K13học

TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

3



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Tới nay ña số vẫn là các máy phát ñiện tuabin gió trục ngang, gồm một máy
phát ñiện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một
tuabin 3 cánh ñón gió. Máy phát ñiện ñược ñặt trên một tháp cao hình côn. Trạm
phát ñiện kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ
trước, nhưng rất thanh nhã và hiện ñại.
Các máy phát ñiện tuabin gió trục ñứng gồm một máy phát ñiện có trục quay
thẳng ñứng, rotor nằm ngoài ñược nối với các cánh ñón gió ñặt thẳng ñứng. Loại
này có thể hoạt ñộng bình ñẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu
tạo ñơn giản, các bộ phận ñều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp
dễ dàng, ñộ bền cao, duy tu bảo dưỡng ñơn giản.
Hiện có các loại máy phát ñiện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ
1kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát ñiện này có thể hoạt ñộng ñộc lập hoặc
cũng có thể nối với mạng ñiện quốc gia. Các trạm ñộc lập cần có một bộ nạp, bộ ắcquy và bộ ñổi ñiện. Khi dùng không hết, ñiện ñược tích trữ vào ắc quy. Khi không có
gió sẽ sử dụng ñiện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng ñiện quốc gia thì không
cần bộ nạp và ắc-quy. Các trạm phát ñiện dùng sức gió có thể phát ñiện khi tốc ñộ gió

từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát ñiện khi tốc ñộ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h).
Tốc ñộ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát ñiện.

Hình 1.2 Hình ảnh bên trong MPð sức gió
* Những ưu ñiểm của phong ñiện
Ưu ñiểm dễ thấy nhất của phong ñiện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây
ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt ñiện, dễ chọn ñịa ñiểm và tiết kiệm ñất xây
dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy ñiện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh
với những ñiều kiện ñặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.Các trạm phong
ñiện có thể ñặt gần nơi tiêu thụ ñiện, như vậy sẽ tránh ñược chi phí cho việc xây dựng
ñường dây tải ñiện.Trước ñây, khi công nghệ phong ñiện còn ít ñược ứng dụng, việc
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

4



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
xây dựng một trạm phong ñiện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp ñều rất ñắt

nên chỉ ñược áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay phong ñiện ñã
trở nên rất phổ biến, thiết bị ñược sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp ñã hoàn thiện
nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm phong ñiện hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm
1986. Phong ñiện ñã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở
nhiều nước, và cũng rất phù hợp với ñiều kiện Việt nam.
* Các trạm phong ñiện có thể ñặt ở ñâu?
Trạm phong ñiện có thể ñặt ở những ñịa ñiểm và vị trí khác nhau, với những
giải pháp rất linh hoạt và phong phú. Các trạm phong ñiện ñặt ở ven biển cho sản
lượng cao hơn các trạm nội ñịa vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm
ñất xây dựng, ñồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn
trên bộ. Giải bờ biển Việt Nam trên 3000 km có thể tạo ra công suất hàng tỷ kW
phong ñiện. Những mỏm núi, những ñồi hoang không sử dụng ñược cho công nghiệp,
nông nghiệp cũng có thể ñặt ñược trạm phong ñiện. Trường hợp này không cần làm trụ
ñỡ cao, tiết kiệm ñáng kể chi phí xây dựng. Trên mái nhà cao tầng cũng có thể ñặt
trạm phong ñiện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp ñiện cho thành phố khi
không dùng hết ñiện. Trạm ñiện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ
bị mất ñiện.Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể ñặt các trạm phong ñiện. Nếu tận
dụng không gian phía trên các nhà xưởng ñể ñặt các trạm phong ñiện thì sẽ giảm tới
mức thấp nhất diện tích ñất xây dựng và chi phí làm ñường dây ñiện.ðiện khí hóa
ngành ñường sắt là xu hướng tất yếu của các nước công nghiệp. Chỉ cần ñặt với
khoảng cách 10 km một trạm 4800kW dọc các tuyến ñường sắt ñã có ñủ ñiện năng cho
tất cả các ñoàn tàu ở Việt nam hiện nay. Các vùng phong ñiện lớn ñặt gần tuyến ñường
sắt cũng rất thuận tiện trong việc vận chuyển và dựng lắp. Các ñầu máy diesel và than
ñá tiêu thụ lượng nhiên liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi trường sẽ ñược thay thế bằng
ñầu máy ñiện trong tương lai.ðặt một trạm phong ñiện bên cạnh các trạm bơm thủy lợi
ở xa lưới ñiện quốc gia sẽ tránh ñược việc xây dựng ñường dây tải ñiện với chi phí lớn
gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm phong ñiện. Việc bảo quản một trạm phong
ñiện cũng ñơn giản hơn việc bảo vệ ñường dây tải ñiện rất nhiều. Nhà máy nước ngọt
ñặt cạnh những trạm phong ñiện là mô hình tối ưu ñể giải quyết việc cung cấp nước
ngọt cho vùng ñồng bằng sông Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và ñường dây ñiện. Một

trạm phong ñiện 4 kW có thể ñủ ñiện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một
ngọn hải ñăng xa ñất liền. Một trạm 10 kW ñủ cho một ñồn biên phòng trên núi cao,
hoặc một ñơn vị hải quân nơi ñảo xa. Một trạm 40 kW có thể ñủ cho một xã vùng cao,
một ñoàn thăm dò ñịa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi ñường dây chưa thể
vươn tới ñược. Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

5



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
trạm phong ñiện hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ ñời sống công nhân, vừa
cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm... Không phải nơi nào ñặt
trạm phong ñiện cũng có hiệu quả như nhau. ðể có sản lượng ñiện cao cần tìm ñến
những nơi có nhiều gió. Các vùng ñất nhô ra biển và các thung lũng sông thường là
những nơi có lượng gió lớn. Một vách núi cao có thể là vật cản gió nhưng cũng có thể
lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi cho việc khai thác phong ñiện.
Khi chọn ñịa ñiểm ñặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống kê của cơ quan khí tượng

hoặc kinh nghiệm của nhân ñân ñịa phương, nhưng chỉ là căn cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi
nơi còn thay ñổi theo từng ñịa hình cụ thể và từng thời gian. Tại nơi dự ñịnh dựng trạm
phong ñiện cần ñặt các thiết bị ño gió và ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ ñó tính ra
sản lượng ñiện có thể khai thác, tuơng ứng với từng thiết bị phong ñiện. Việc này
càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc các vùng phong ñiện
tập trung.Gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên rất cao nên khi ñầu
tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê ñủ tin cậy. Rào cản chủ yếu ñối với
việc phát triển phong ñiện ở Việt nam chính là sự thiếu thông tin về năng lượng gió.
Tới nay ñã có một số công ty nước ngoài ñến Việt nam tìm cách khai thác phong ñiện,
nhưng vì chưa ñủ những số liệu cần thiết nên cũng chưa có sự ñầu tư nào ñáng kể vào
thị trường này. Một hãng ðức ñã xây dựng tại Ấn ñộ hàng ngàn trạm phong ñiện, có
cơ sở thường trực giám sát hoạt ñộng các trạm qua hệ thống vệ tinh viễn thông, xử lý
kỹ thuật ngay khi cần thiết, và hoàn toàn hài lòng về kết quả ñã thu ñược ở Ấn ñộ.
Hãng này cũng ñã ñến Việt Nam tìm thị trường nhưng chưa quyết ñịnh ñầu tư, vì chưa
có ñủ cứ liệu ñể xây dựng trên quy mô lớn, còn với quy mô nhỏ thì lợi tức không ñủ
bù lại chi phí cho một cơ sở kỹ thuật thường trực. Một công ty khác chuẩn bị xây dựng
12 trạm phong ñiện với công suất 3000 kW trên huyện ñảo Lý Sơn ñã khẳng ñịnh công
nghệ phong ñiện rất phù hợp với Việt Nam!

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái

Nguyên

6



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
* Tính kinh tế của phong ñiện
Chi phí ñể xây dựng một trạm phong ñiện gồm:
+ Chi phí cho máy phát ñiện và các cánh ñón gió chiếm phần chủ yếu. Có nhiều hãng
sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ thuật rất khác nhau.
+ Chi phí cho bộ ổn áp và hòa mạng, tự ñộng ñưa dòng ñiện về ñiện áp và tần suất với
mạng ñiện quốc gia.
+ Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị ñổi ñiện từ ắc-quy trở lại ñiện xoay chiều. Các
bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt ñộng ñộc lập.
+ Chi phí cho phần tháp hoặc trụ ñỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị và các
ñiều kiện ñịa chất công trình. Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam ñể giảm chi phí.
Với các trạm phong ñiện ñặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không ñáng kể.
+ Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp ñặt trạm ở Việt Nam
rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, ñặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven
sông hoặc dọc theo các tuyến ñường sắt.
1.2 KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ðỐI
TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Cho ñến nay có hai loại tuốc bin gió chính ñược sử dụng, ñó là: tuốc bin gió
tốc ñộ cố ñịnh và tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi.
Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc ñộ cố ñịnh (Fixed
speed wind turbine), trong ñó máy phát không ñồng bộ ñược nối trực tiếp với lưới.
Tuy nhiên hệ thống này có nhược ñiểm chính là do tốc ñộ cố ñịnh nên không thể thu
ñược năng lượng cực ñại từ gió.

Gearbox

IG

Soft
starter
Transformer

Capacitor bank

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc ñộ cố ñịnh
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

7



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Loại tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi (variable-speed wind turbine) khắc phục

ñược nhược ñiểm trên của tuốc bin gió với tốc ñộ cố ñịnh, ñó là nhờ thay ñổi ñược tốc
ñộ nên có thể thu ñược năng lượng cực ñại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc
ñộ thay ñổi là hệ thống ñiện phức tạp, vì cần có bộ biến ñổi ñiện tử công suất ñể tạo ra
khả năng hoạt ñộng với tốc ñộ thay ñổi, và do ñó chi phi cho tuốc bin gió tốc ñộ thay
ñổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc ñộ cố ñịnh.
Tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi
có bộ biến ñổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy ñiện dị bộ
nguồn kép (MDBNK).
Loại tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi có bộ biến ñổi nối trực tiếp giữa mạch
stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến ñổi ñược tính toán với công suất ñịnh mức
của toàn tuốc bin. Máy phát ở ñây có thể là loại không ñồng bộ rotor lồng sóc hoặc là
ñồng bộ. Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Hình 1.4 Tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi có bộ biến ñổi nối trực tiếp
giữa stator và lưới
năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta ñã chế tạo các loại tuốc bin gió
với công suất lớn ñến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi có bộ biến
ñổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, ñắt tiền do bộ biến ñổi cũng phải có
công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có xu
hướng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió
công suất lớn ñể giảm công suất của bộ biến ñổi và do ñó giảm giá thành, vì bộ biến
ñổi ñược nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó thường chỉ bằng cỡ 1/3
tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị ñi kèm như bộ lọc biến ñổi cũng rẻ hơn vì
cũng ñược thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn hệ thống. Do ñó ñối

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN

Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

8



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
tượng nghiên cứu của ñề tài là hệ thống phát ñiện sức gió sử dụng máy dị bộ nguồn
kép.

Hình 1.5 Tuốc bin gió tốc ñộ thay ñổi sử dụng MDBNK
Nhược ñiểm chính của tuốc bin gió với tốc ñộ thay ñổi sử dụng MDBNK là vấn ñề
lỗi lưới. Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí ñặt tuốc bin sẽ
gây ra sụt ñiện áp lưới, dẫn tới từ thông quá ñộ dao ñộng, làm cảm ứng trong mạch
rotor sức phản ñiện ñộng có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực ñại của bộ biến ñổi
có thể tạo ra, sẽ gây mất ñiều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có thể phá hỏng bộ biến
ñổi.
1.3 CÁC CẤU TRÚC ðIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ SỬ
DỤNG MDBNK
Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PðSG dùng MDBNK ñược sử dụng: hệ
thống sử dụng crowbar (hình 1.6) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 1.7).

Thị Minh
Thảo,

K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

9



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tem

Stator breaker

Ps, Qs

Pg, Qg

Grid

Tt
Pf, Qf
Pr

~
Crowbar

dv/dt
filter

~

filter

Lever I

Crowbar
control

β*

=

=

(Vector Control)

Wm

Tem*

Vbus*

Qs*

Qf *

Lever II
(Wind turbine control strategy)

Vw

Hình 1.6 Hệ thống PðSG dựa trên MDBNK sử dụng crowbar
Hệ thống gồm có các ñiều khiển thành phần sau: ñiều khiển tuốc bin, ñiều
khiển vector, ñiều khiển crowbar hoặc stator switch.
1.3.1 ðiều khiển tuốc bin
Nhiệm vụ của ñiều khiển tuốc bin là ñiều chỉnh tốc ñộ tuốc bin (sử dụng
ñộng cơ servo ñể ñiều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị ñặt của mô men (hoặc công
suất tác dụng) cho mức ñiều khiển vector theo chiến lược ñiều khiển như sau (hình
1.8):
- Khi tốc ñộ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc ñộ của máy
phát ñược giữ ở tốc ñộ thấp, dưới ñồng bộ 30% (1050 v/ph), công suất cực ñại nhận
ñược từ gió bằng cách ñiều chỉnh góc của cánh gió.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp

– Đại
Thái
Nguyên

10



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tem

Pg, Qg

Ps, Qs

Tt

Pf, Qf

Pr

~
dv/dt
filter

=

=

~

filter

Lever I

Stator switch
control

β*

Grid

Stator
Switch

(Vector Control)

Wm

Tem*

Vbus*

Qs*

Qf *

Lever II
(Wind turbine control strategy)

Vw

Hình 1.7 Hệ thống PðSG dựa trên MDBNK sử dụng stator switch
- Khi tốc ñộ gió lớn hơn giới hạn thấp 4m/s và nhỏ hơn 8m/s, tốc ñộ máy phát
ñược duy trì trong phạm vi lớn hơn 1050 v/ph (dưới tốc ñộ ñồng bộ 30 %) và nhỏ hơn
hoặc bằng 1950 v/ph (trên tốc ñộ ñồng bộ 30%), công suất cực ñại lấy từ gió bằng
cách ñiều chỉnh ñồng thời tốc ñộ rotor tuốc bin và góc của cánh gió.
- Khi tốc ñộ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc ñộ gió ñịnh mức, 12m/s, tốc ñộ
máy phát khi ñó ñược duy trì ở giá trị ñịnh mức (1950 v/ph – trên tốc ñộ ñồng bộ
30%), công suất cực ñại lấy từ gió bằng cách ñiều chỉnh góc của cánh gió.
- Khi tốc ñộ gió cao hơn tốc ñộ ñịnh mức (12m/s), tốc ñộ máy phát ñược giữ
ở giá trị ñịnh mức 1950 v/ph, công suất ñặt của máy phát bằng công suất ñịnh mức của
nó, nghĩa là công suất lấy từ gió ñược giữ bằng công suất ñịnh mức thông qua việc
ñiều chỉnh góc của cánh gió.
- Khi tốc ñộ gió quá thấp, năng lượng quá nhỏ hoặc khi tốc ñộ gió quá cao
(trên 25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lưới.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

11



Công suất (%)

Công suất (%)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.8 Các ñường cong sử dụng trong chiến lược ñiều khiển tuốc bin
1.3.2 ðiều khiển crowbar hoặc stator switch
Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến ñổi công suất ñối với hiện tượng quá dòng lớn khi
xảy ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới).
Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy ra lỗi lưới, nếu dòng rotor lớn quá mức
cho phép của bộ biến ñổi, lúc này ñiều khiển crowbar sẽ ñược kích hoạt, làm ngắn
mạch rotor, rẽ mạch dòng ngắn mạch qua crowbar ñể bảo vệ bộ biến ñổi, khi ñó máy
phát bị mất ñiều khiển. Khi biên ñộ dòng quá ñộ ñã giảm dưới mức an toàn, “crow
bar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể ñiều khiển ñược máy phát.
Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dòng quá ñộ rotor vượt
quá mức cho phép của bộ biến ñổi, bộ chuyển mạch ñiện tử công suất thyristor phía
stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì ñiều khiển phía rotor ñể ñiều
khiển tái hoà ñồng bộ máy phát vào lưới khi biên ñộ dòng quá ñộ giảm dưới mức an
toàn của bộ biến ñổi, và việc phát công suất hữu công, vô công lên lưới ñược khôi
phục trở lại.
1.3.3 ðiều khiển vector
Bao gồm hai ñiều khiển thành phần: ðiều khiển nghịch lưu phía máy phát và
ñiều khiển nghịch lưu phía lưới.
• ðiều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

12



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Mục tiêu của ñiều khiển NLPL là duy trì trị số ñiện áp một chiều trung gian
không ñổi theo giá trị ñặt của nó phù hợp với bộ biến ñổi nghịch lưu phía máy phát
(NLMP), và ñiều khiển hướng, trị số công suất vô công lên lưới.
• ðiều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)
Mục ñích của bộ NLMP là ñiều khiển công suất tác dụng (thông qua mô men),
và công suất phản kháng lên lưới một cách ñộc lập với nhau, thông qua ñiều khiển các
thành phần dòng ñiện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật ñiều khiển vector.
Với mục ñích của luận án là nâng cao chất lượng hệ thống PðSG sử dụng
MDBNK thông qua việc áp dụng giải pháp ñiều khiển thích hợp cho bộ ñiều khiển
nghịch lưu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu cầu
của ñiều khiển NLMP

1.4 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU ðIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU PHÍA MÁY PHÁT
Ở chế ñộ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và ñiện áp lưới
không ñổi; thực hiện ñiều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và
công suất phản kháng lên lưới.
Ở chế ñộ sự cố (ngắn mạch gây sụt ñiện áp lưới), thực hiện bám lưới; cung cấp
công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lưới ngay sau khi lỗi lưới ñể cấp dòng ngắn
mạch vào vị trí bị ngắn mạch ñể kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác
ñộng; ñiều chỉnh công suất phản kháng lên lưới ñể hỗ trợ lưới phục hồi ñiện áp, ñồng
thời tạo ñiều kiện ñể hệ thống trở về chế ñộ bình thường ngay sau khi lỗi lưới (vì mức
ñiện áp lưới lúc này ñã ñược nâng lên).
Ở chế ñộ sự cố, một vấn ñề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức ñộ lớn)
với bộ ñiều khiển nghịch lưu phía lưới là vấn ñề mất ñiều khiển dòng khi lỗi lưới.
Nguyên nhân là khi lỗi lưới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá ñộ dao ñộng, làm
cảm ứng trong mạch rotor ñiện áp quá ñộ có trị số lớn (sức phản ñiện ñộng) , và nếu
lớn hơn ñiện áp cực ñại của bộ biến ñổi có thể tạo ra ñược thì sẽ gây mất ñiều khiển
dòng và gây quá dòng lớn. Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ bộ biến
ñổi thông qua việc ñiều khiển crowbar hoặc stator switch. Máy phát bị mất ñiều khiển

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

13



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lưới,không thực hiện ñược nhiệm vụ ñặt ra khi lỗi
lưới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lưới ñiện kiểu “wind farm”
Các yếu tố ảnh hưởng tới sức phản ñiện ñộng cảm ứng trong mạch rotor bao
gồm: Mức ñộ dao ñộng của ñiện áp lưới khi lỗi lưới; Mức ñộ dao ñộng của từ thông
stator quá ñộ, mức ñộ dao ñộng này phụ thuộc vào mức ñộ dao ñộng ñiện áp lưới và
mức ñộ sụt ñiện áp lưới khi lỗi lưới; Mức ñộ dao ñộng, thay ñổi của tốc ñộ máy phát
và tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới
Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn ñề mà bộ ñiều khiển phía máy phát gặp
phải (mất ñiều khiển dòng và gây quá dòng lớn), ñể nâng cao ñược chất lượng hệ
thống PðSG sử dụng MDBNK, vấn ñề ñặt ra với bộ ñiều khiển phía máy phát là phải
khống chế ñược ñộ lớn của sức phản ñiện ñộng cảm ứng trong mạch rotor nhỏ hơn
khả năng cực ñại của bộ biến ñổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới ñược loại
bỏ, ñể tránh hiện tượng mất ñiều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới mức tối ña
sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch.
Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới ñiện áp quá ñộ cảm ứng
trong mạch rotor, ñể nâng cao ñược chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể ñược ñặt
ra với bộ ñiều khiển phía máy phát như sau:
- ðiều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công (thông qua mô men) và
công suất vô công (thông qua hệ số công suất cosϕ) phát lên lưới thông qua MDBNK
- Ổn ñịnh ñối với dao ñộng của ñiện áp lưới
- Ổn ñịnh ñối với dao ñộng của từ thông khi lỗi lưới.
- Ổn ñịnh ñối với dao ñộng, thay ñổi của tốc ñộ máy phát và tần số góc mạch
rotor ở chế ñộ bình thường và lỗi lưới.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

14



Lun vn thc s k thut
CHNG 2
Mễ HèNH TON HC CA H THNG MY PHT IN SC GIể S
DNG MY IN KHễNG NG B ROTO DY QUN
2.1 KHI QUT V H THNG PHT IN CHY SC GIể S DNG
MDBNK

Biến thế
uN MĐN us

NLPL
Lọc

3~

NLMP

HS

UDC

3~

3~

MP
ir
iN

DSP
NLPL
NLMP
MĐN
HS
MP
IE

is

IE

n

Nghch lu phía lới
Nghịch lu phía máy phát
Máy đóng ngắt
Hộp số
Máy phát
Máy khắc vạch xung

Hỡnh 2.1 S ủ cu trỳc h thng phỏt ủin chy sc giú s dng MDBNK
Hỡnh 2.1 mụ t s ủ cu trỳc mt h thng phỏt ủin chy sc giú s dng
MDBNK. H thng trờn bao gm mt MDBNK cú cun dõy stator ủc ni trc tip
vi li ủin ba pha. Cun dõy phớa rotor ủc ni vi h thng bin tn (dựng van
bỏn dn) cú kh nng ủiu khin dũng nng lng ủi theo hai chiu. H thng bin tn
bao gm hai cm: cm nghch lu phớa li (NLPL) v cm nghch lu phớa mỏy phỏt
(NLMP). Hai cm ủc ni vi nhau thụng qua mch ủin mt chiu trung gian. Cm
NLMP cú nhim v ủiu chnh v cỏch ly cụng sut hu cụng v cụng sut vụ cụng
thụng qua hai ủi lng mG (mụmen ca mỏy phỏt) v cụng sut vụ cụng Q ủng thi
ủm nhn vic hũa ủng b vi li cng nh ủiu chnh tỏch mỏy phỏt ra khi li
khi cn thit. Cm NLPL trờn thc t khụng ch cú nhim v chnh lu theo ngha
thụng thng: ly nng lng t li v, cm cũn cú kh nng thc hin nhim v
hon tr nng lng t mch mt chiu trung gian tr li li. Vỡ vy, v cu trỳc
mch ủin t cụng sut, cm NLPL hon ton ging nh cm NLMP. Cm NLPL cú
nhim v ủiu chnh n ủnh ủin ỏp mch mt chiu trung gian u DC sao cho khụng
ph thuc vo ủ ln cng nh chiu ca dũng nng lng chy qua rotor, ủng thi
Th Minh
Tho,
K13hc
TH
- HKTCN
S húaNguyn
bi Trung

tõm Hc
liuLp
i
Thỏi
Nguyờn

15



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ñiều chỉnh cosϕ phía lưới và qua ñó có thể giữ vai trò bù công suất vô công. Các van
bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL ñược ñiều khiển ñóng mở theo nguyên lý ñiều
chế vector không gian (ðCVTKG).
2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC PHÍA MÁY PHÁT VÀ PHÍA LƯỚI
2.2.1 Biểu diễn vector không gian các ñại lượng 3 pha
Theo lý thuyết ñiều khiển vector, trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang ) của
máy ñiện, vector không gian dòng ñiện stator của MDBNK ñược ñịnh nghĩa như sau:
i s (t ) =

o
o
2
isu (t ) + isv (t )e j120 + isw (t )e j 240  = i s e jωst

3

(2.1)

Trong ñó isu , isv , isw là các dòng ñiện hình sin, cùng biên ñộ, cùng tần số, lệch

nhau 1200 ñiện chạy trong ba pha dây quấn stator u, v, w .
Như vậy i s (t ) là véc tơ không gian quay với tốc ñộ góc ω s = 2π f s so với stator, với
f s là tần số mạch stator.

ðối với các ñại lượng khác của mạch stator, như ñiện áp stator, từ thông stator
ta ñều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như ñối với dòng
ñiện stator kể trên.
Với MDBNK, trên rotor cũng có cuộn dây ba pha r, s, t trong ñó chảy ba dòng
ñiện irr , irs , irt tần số góc ω r , vector không gian dòn ñiện rotor cũng ñược ñịnh nghĩa
như sau:
i r (t ) =

o
o
2
irr (t ) + irs (t )e j120 + irt (t )e j 240  = i r e jωr t

3

(2.2)

Vector i r (t ) là vector không gian quay với tốc ñộ góc ω r so với rotor, vì rotor
quay với tốc ñộ ω so với stator, nên i r (t ) cũng quay với tốc ñộ ω s = ω + ω r so với
stator.
ðối với các ñại lượng khác của mạch rotor, như ñiện áp rotor, từ thông rotor ta
ñều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như ñối với dòng ñiện
rotor kể trên.

Thị Minh
Thảo,

K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

16



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

jβ

jq

is

isβ

ωs

d

us

isq

ϑs

isd

α

isα
ψs

Hình 2.2 Biểu diễn các vector dòng stator, ñiện áp stator, từ thông stator trên hệ trục
toạ ñộ αβ và d,q
Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy ñiện), ta xây dựng một
hệ toạ ñộ cố ñịnh αβ có trục α trùng với trục cuộn dây pha u, và một hệ toạ ñộ quay
d,q có trục thực d trùng với véc tơ ñiện áp lưới us (uN), nghĩa là hệ toạ ñộ d,q này quay
với tốc ñộ ω s = 2π f s so với stator (hình 2.2). Các thành phần của vector dòng stator
trên 2 trục tọa ñộ αβ là isα , is β và trên hai trục toạ ñộ d,q là isd , isq , ta có mối liên hệ
giữa các thành phần của dòng ñiện stator trên các hệ trục toạ ñộ và các dòng ñiện pha
stator như sau:
isα = isu

1

is β = 3 (isu + 2isv )

isd = isα cos ϑs + is β sin ϑs

isq = −isα sin ϑs + is β cos ϑs

isu = isα

(2.3); isv = 0,5(−isα + 3isβ )

isw = −0, 5(isα + 3is β )
isα = isd cos ϑs − isq sin ϑs
is β = isd sin ϑs + isq cosϑs

(2.5); 

(2.4)

(2.6)

Các công thức biến ñổi cho vector dòng stator ở trên cũng ñúng với các vector
khác như vector ñiện áp stator, dòng rotor, ñiện áp rotor, từ thông stator, từ thông
rotor.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái

Nguyên

17



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát, thực chất là mô hình trạng thái liên
tục ñối tượng MDBNK. Cơ sở ñể xây dựng mô hình trạng thái liên tục của MDBNK là
các phương trình ñiện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor.
Phương trình ñiện áp stator:

s

uss = Rs i s +

Phương trình ñiện áp rotor:

r
r

dψ ss

(2.7)

dt
r
r r

u =Ri +

dψ rr

(2.8)

dt

Phương trình từ thông stator và rotor:
ψ s = i s Ls + i r Lm

ψ r = i s Lm + i r Lr

(2.9a,b)

 L s = L m + L σS
Với 
 L r = L m + L σr
Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo ñối xứng về mặt cơ học nên các giá
trị ñiện cảm là bất biến ñối với mọi hệ tọa ñộ quan sát. Do ñó, (2.9) ñược dùng một
cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải. Khi sử dụng trên hệ tọa ñộ
cụ thể ta sẽ ñiền thêm chỉ số.
Phương trình mômen:

mG =

3
3
z p ψ s × is = − z p ψ r × ir
2

2

(

)

(

)

(2.10)

Sau khi chuyển (2.7), (2.8), (2.9) sang biểu diễn trên hệ tọa ñộ dq là hệ toạ ñộ
quay với vận tốc góc ω s so với hệ toạ ñộ cố ñịnh ta thu ñược hệ phương trình sau:
 f
 us


u f
 r

ψ sf
 f
ψ r

f
s s

=Ri +
f

= Rr i r +

dψ sf
dt
dψ rf

dt
f
f
= i s Ls + i r Lm
f

+ jω sψ sf
+ jω rψ rf

(2.11a,b,c,d)

f

= i s Lm + i r Lr

với ω s = ω + ω r

(2.12)

Chỉ số phía trên bên phải “f” ñể chỉ hệ tọa ñộ quay dq. Vì ta ñiều khiển
MDBNK trên cơ sở phương pháp tựa theo ñiện áp lưới (tức là trên hệ tọa ñộ quay dq)
nên từ nay về sau, ñể cho thuận tiện, nếu không gây nhầm lẫn, ta quy ước các ñại
lượng trên hệ tọa ñộ dq sẽ không cần viết chỉ số “f” ở phía trên bên phải nữa.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

18



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Do stator của MDBNK ñược nối mạch với lưới nên tần số mạch stator chính là
tần số lưới, ñiện áp rơi trên ñiện trở Rs có thể bỏ qua ñược so với tổng ñiện áp rơi trên
hỗ cảm stator Lm và ñiện cảm tản Lσ s . Phương trình (2.7) có thể viết lại gần ñúng như
sau:
uss ≈

dψ ss
dt

hoặc us ≈ jω sψ s

(2.13)

Phương trình (2.13) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với ñiện áp
stator một góc chừng 900, hoặc diễn ñạt cách khác: vector từ thông stator luôn ñứng
vuông góc với vector ñiện áp stator, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa.
Mặt khác, thiết bị ñiều khiển ñược ñặt ở phía rotor và ta có cơ hội ñể sử dụng
dòng rotor làm biến ñiều khiển trạng thái của ñối tượng MDBNK. Vì vậy ta sẽ tìm
cách thông qua 2 phương trình từ thông (2.11c,d) khử dòng stator i s và từ thông rotor
ψ r , giữ lại dòng rotor i r và từ thông stator ψ s rồi thay vào 2 phương trình (2.11a,b) và

biến ñổi ta có:
 di r
1  1 1−σ 
1−σ
=−  +

 i r − jω r i r +
σ  Tr
σ
Ts 
 dt
 /
1
 / 1
1
 dψ s
ω
=
−
+
i

j
us

ψ s +
r
s
 dt
Ts
Lm
 Ts



1
 /
1
1−σ
ur −
u
 + jω ψ s +
σ Lr
σ Lm s
 Ts


(2.14)

với ψ s/ = ψ s / Lm
Viết (2.14) dưới dạng thành phần ta sẽ thu ñược mô hình ñiện toàn phần của
MDBNK như (2.15).

 dird
 1
1−σ 
1−σ  1 /
1
1−σ
/ 
= −
+
urd −
u

 ird + ω r irq +
 ψ sd − ωψ sq  +
dt
T
T
T
L
σ
σ
σ
σ
σ Lm sd
s 
r
 r
 s



 di




 rq = −ω r ird −  1 + 1 − σ  irq + 1 − σ  ωψ sd/ + 1 ψ sq/  + 1 urq − 1 − σ usq
 dt
σ 
σ Lm
Ts
 σ Tr σ Ts 
 σ Lr
 /
1
1 /
1
 dψ sd
/
 dt = T ird − T ψ sd + ω sψ sq + L usd
s
s
m

 dψ sq/
1
1
1
= irq − ω sψ sd/ − ψ sq/ +
usq


dt
T
T
L

s
s
m

(2.15)

ðể chọn ñược hệ tọa ñộ thích hợp ta thấy: Do Stato của máy phát ñược nối
mạch với lưới và vì vậy tần số mạch Stato chính là tần số lưới, ñiện áp rơi trên ñiện
trở R s có thể bỏ qua ñược so với tổng ñiện áp rơi trên hỗ cảm Stato Lm và ñiện áp
tiêu tán Ls, phương trình (2.7) có thể ñược viết gần ñúng như sau:
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

19

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
us ≈

dψ s
dt

hoặc: u s ≈ jωsψ s

Ở trên ñã nhận xét: vector từ thông stator luôn ñứng vuông góc với vector ñiện
áp stator. Trong tương quan cố ñịnh ñó, việc hướng của vector nào ñược chọn làm
hướng tựa cho hệ thống ñiều chỉnh không có ý nghĩa quyết ñịnh nữa. Nếu tựa:
• theo hướng từ thông stator ta có: usd = 0,ψ sq = 0
• theo hướng ñiện áp stator ta có: usq = 0,ψ sd = 0
Khi tựa theo hướng của ñiện áp lưới ta cần chú ý rằng ñiện áp rất có thể bị
méo dạng (ví dụ: Do nhiễu của các thiết bị ñiện tử công suất ñang hoạt ñộng, do nhiễu
của sấm chớp trên khí quyển) gây khó khăn cho việc ño góc pha của ñiện áp. Vì vậy,
phải chú ý thực hiện chống nhiễu tốt cho phép ño góc pha
Hệ phương trình (2.15) cũng có thể ñược viết lại dưới dạng mô hình trạng thái
như sau:
dx
= A x + Bs us + Br ur
dt

(2.16)

Trong ñó:
• vector trạng thái x T = ird

irq ψ sd/

ψ sq/ 

•

usT = usd

usq  là vector biến vào phía stator

•

urT = urd

urq  là vector biến vào phía rotor

Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator Bs, và ma trận vào phía rotor Br
có công thức như sau:
 1  1 1−σ 
1− σ
1− σ 
ωr
−
ω
−  +

σ
T
T
σ

T
σ

r
s

s




1  1 1− σ  1−σ
1−σ 

ω
−ωr
−  +


σ  Tr Ts  σ
σ Ts 
A=

1
1

ωs 
0
−



Ts
Ts


1
1 

0
−ωs

Ts
Ts 


Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

(2.17a)

20



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
 1−σ
− σ L
m


 0
Bs = 
 1

 Lm

 0





1−σ 
−
σ L m 

0 

1 


Lm 
0

 1
σ L
 r

; Br =  0

 0

 0


0 

1 
σ Lr 
0 

0 

(2.17b,c)

Mô hình trạng thái của MDBNK ñược thể hiện ở hình 2.3.
us

ur

dx

dt

Bs
Br

x

∫
A

Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MDBNK
Các ma trận của mô hình (2.33) cũng có thể ñược viết dưới dạng các ma trận
con như sau:
 A11
A=
 A 21

A12 
B 
B 
; Bs =  s1  ; Br =  r1 

A 22 
 Bs 2 
O

(2.18a,b,c)

Trong ñó:
 1  1 1−σ 

ωr
−  +

σ  Tr
Ts 

A11 = 
1  1 1−σ

−ωr
−  +

σ  Tr
Ts
1
T
s
A 21 = 

0



0
;
1
Ts 




;


 

 1
− T
s
A 22 = 

 −ωs

1
L
m
Bs 2 = 

 0


 1−σ
 σT
s
A12 = 
1 − σ
 σ ω



ωs 

;
1
− 
Ts 

0 
;
1 
Lm 

−

 1−σ
− σ L
m
Bs1 = 

 0


1−σ

σ



ω

1−σ

σ Ts

;






;
1−σ 
−
σ Lm 

 1
σ L
r
Br1 = 

 0


0


0 

1 
σ Lr 

(2.19a,b,c,d,e,f,g)
Khi này, mô hình trạng thái của MDBNK có thể ñược biểu diễn dưới dạng các
ma trận con như hình 2.4.
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

21



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ψ / 
ird 
urd 
usd 
Trong ñó i r =   ; ur =   ; us =   ; ψ s/ =  sd/ 
 irq 
 urq 
 usq 
ψ sq 

Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con ở hình 2.4 mô tả mô hình ñiện liên tục
của MDBNK trong không gian trạng thái. Dựa trên mô hình thể hiện ở hình 2.4, ta
hình dung ra có thể tách nó thành 2 nửa, nửa trên và nửa dưới. Nửa trên là mô hình
dòng rotor của MDBNK có vai trò làm cơ sở cho việc thiết kế khâu ñiều chỉnh dòng,
nửa dưới là mô hình từ thông stator. Vì ñiện áp stator là tương ñối ổn ñịnh ở trạng thái
làm việc bình thường, mà từ thông stator lại phụ thuộc vào ñiện áp stator, nên qua mô
hình trạng thái MDBNK thể hiện dưới dạng ma trận con này ta thấy rằng ảng hưởng
của ñiện áp stator và từ thông stator tới dòng ñiện rotor ñược xem như là các ñại lượng
nhiễu biến thiên rất chậm. Như sau này trong thiết kế các khâu ñiều chỉnh sẽ thấy, các
ñại lượng nhiễu ñó ở chế ñộ làm việc bình thường ñược khử ảnh hưởng bằng khâu bù
ñơn giản.

ur

us

B r1

A 11

di r
dt

∫
A 21

B s1

dψ

B s2

ir

/
s

dt

A 12

∫

ψ s/

A 22
Hình 2.4 Mô hình trạng thái của MDBNK thể hiện bằng ma trận con
* Nhận xét:
Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con hình (2.4) cho thấy rất rõ ràng ñiện áp
roto ur không ảnh hưởng trực tiếp mà chỉ có thể ảnh hưởng gián tiếp tới từ thông stato
ψ, thông qua dòng roto ir . ðiện áp stato us ( ñồng thời là ñiện áp lưới uN sau khi hòa
ñồng bộ) có ảnh hưởng trực tiếp, mang ý nghĩa quyết ñịnh tới ψ, ảnh hưởng của us tới
ir chỉ giữ vai trò như một ñại lượng nhiễu với modul cố ñịnh, với góc pha cho trước và
ño ñược và vì vậy có thể triệt tiêu dề dàng nhờ một khâu bù nhiễu thông thường.

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH

- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

22



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ψ /s

us

B s1
ur

A 12

B r1

dir
dt

ir

∫
A 11

Hình 2.5 Mô hình dòng rotor
Hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MDBNK sau khi ñược tách ra
như sau:
 dird
 1
1−σ 
1−σ  1 /
1
1−σ
/ 
= −
+
urd −
u

 ird + ω r irq +
 ψ sd − ωψ sq  +
σ  Ts
σ Lm sd
 dt
 σ Tr σ Ts 
 σ Lr
(2.20)

di





1
1
1
1
1
1
−
−
−
σ
σ
σ
 rq
/
/
 dt = −ω r ird −  σ T + σ T  irq + σ  ωψ sd + T ψ sq  + σ L urq − σ L usq
s 
s
r
m
 r




ðặt a =  1 + 1 − σ  ; b = 1 − σ ; c = 1 ; d = 1 − σ ; e = 1 − σ
 σTr

σT s 

σ

σ Lr

σ Lm

σTs

Khi ñó mô hình dòng rotor ñược viết dưới dạng:
 dird
/
/
 dt = −aird + ω r irq + eψ sd − bωψ sq + curd − dusd

 dirq = −ω i − ai + bωψ / + eψ / + cu − du
r rd
rq
sd
sq
rq
sq
 dt

(2.21a,b)

ðể thấy rõ ñặc ñiểm phi tuyến của mô hình dòng, hệ (2.21) ñược viết lại dưới
dạng ma trận như sau:
di r

= Ai r + Bur + Ni rωr + Xψ s/ + Sus
dt

(2.22)

Trong ñó:
ψ sd/ 
ird 
urd 
usd 
/
i r =   ; ur =   ; us =   ; ψ s =  / 
 irq 
 urq 
 usq 
ψ sq 

Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

23



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
 −a 0 
c 0
A=
là ma trận hệ thống; B = 

 là ma trận ñầu vào;
 0 −a 
0 c 
 0 1
/
N=
 là ma trận tương tác phi tuyến; thành phần nhiễu ψ s tác ñộng vào hệ
−
1
0


 e −bω 
; thành phần nhiễu us tác ñộng vào hệ thống qua ma
e 
bω

thống qua ma trận X = 
−d

trận S = 
0

0
.
−d 
N
ωr
ur
ψ s/
us

B

di r
dt

∫

ir

X
S

A

Hình 2.6 ðặc ñiểm phi tuyến của mô hình dòng rotor của MDBNK trên hệ tọa ñộ dq
Mô hình trạng thái (2.22) và hình 2.6 thể hiện rất rõ tính phi tuyến của
MDBNK. Như chúng ta ñã biết, ñối tượng MDBNK có ñiện áp rotor là một ñại lượng
vector ñặc trưng bởi module ur , góc pha ban ñầu ϑ0 và vận tốc góc ω r (tần số f r ).

Có thể tạm thời bỏ qua không xét tới góc pha ϑ0 . Trên hệ tọa ñộ dq tựa hướng ñiện áp
lưới, các thành phần urd , urq là hai ñại lượng một chiều, không chứa ω r . Như vậy ñầu
vào của mô hình dòng rotor, là vector ñiện áp rotor, ngoài hai thành phần urd , urq thể
hiện module ur còn phải có ω r . Do ñó ω r là ñại lượng vào thứ 3. Qua ñó ta thấy mô
hình trạng thái (2.22) có chứa tích của vector trạng thái i r với biến ñầu vào ω r thông
qua ma trận N. Do vậy N ñược gọi là ma trận tương tác phi tuyến. Hơn nữa trong ñiều
kiện lỗi lưới, có sự dao ñộng thay ñổi của từ thông stator, ñiện áp stator (ñiện áp lưới),
tốc ñộ máy phát và tần số góc mạch rotor càng làm bộc lộ tính phi tuyến mạnh của mô
hình dòng rotor MDBNK .
2.2.3 Các biến ñiều khiển công suất hữu công và vô công phía máy phát
Với MDBNK, ñộ lớn của mô men ñiện mG do máy sinh ra ñặc trưng cho ñộ
lớn của công suất hữu công (phát ra ở chế ñộ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế ñộ
ñộng cơ). Việc ñiều chỉnh công suất hữu công phải tiến hành ñộc lập với công suất vô
công Q ñã ñặt trước cho thiết bị. ðể giải quyết, ta phải tìm các ñại lượng có thể ñiều
Thị Minh
Thảo,
K13học
TðH
- ðHKTCN
Số hóaNguyễn
bởi Trung
tâm Học
liệuLớp
– Đại
Thái
Nguyên

24