Ứng dụng logic mơ điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

NG DNG LOGIC M IU KHIN NI LI CHO
TUABIN GIể S DNG MY PHT IN KHễNG NG B
NGUN KẫP
Lờ Kim Anh*

TểM TT
Nghiờn cu s dng v khai thỏc hiu qu ngun nng lng tỏi to núi chung v ngun
nng lng giú núi riờng phỏt in cú ý ngha thit thc n vic gim bin i khớ hu v gim
s ph thuc vo cỏc ngun nhiờn liu húa thch cú nguy c cn kit, gõy ụ nhim mụi trng.
iu khin tuabin giú vn hnh c ti u vi vn tc giú nht nh, thỡ h thng phi t iu chnh
theo s thay i ca vn tc v hng giú. Cụng ngh s dng cỏc b iu khin kinh in cũn gp
nhiu hn ch trong h thng iu khin t iu chnh. Bi bỏo ó a ra c kt qu mụ phng
iu khin ni li cho tuabin giú s dng mỏy phỏt in khụng ng b ngun kộp (Doubly Fed
Induction Generator DFIG) theo gii thut logic m nhm duy trỡ cụng sut phỏt ti a ca h
thng bt chp ti ni vi h thng.
T khúa: Nng lng giú; tuabin giú; tuabin giú ni li; mỏy phỏt in khụng ng
b ngun kộp; logic m.

CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR WIND TURBINE
FOR GRID CONNECTING USING FUZZY LOGIC
ABSTRACT
The research of using and exploiting effectively renewable energy sources in general
and solar energy sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change
and dependance on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing
environmental pollution. For the purpose of operating efficiently of wind turbine at a certain wind
velocity, the system must function and be self-adjusted to the change of wind speed and direction.
Controlling technology based on classical controllers still have many drawbacks in self-adjusted
controlling. The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind
turbine using Doubly Fed Induction Generator (DFIG), applied fuzzy logic algorithm to maintain

maximum capacity of the systems with disregard of connected power loads.
Key words:

Wind energy; Wind Turbine;

grid connected wind turbine;

Induction Generator; Fuzzy logic.
*

GV. Khoa in in t, Trng Cao ng Cụng nghip Tuy Hũa. Tnh Phỳ Yờn.
Email:

84

Doubly Fed


Ứng dụng logic . . .

1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của
thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con
người ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái
tạo nói chung và nguồn năng lượng gió nói
riêng là nguồn năng lượng sạch, không gây ô
nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ
lượng năng lượng gió ở nước ta rất lớn. Theo
số liệu của ngân hàng thế giới, tiềm năng gió
của Việt Nam (ở độ cao 65m) rất khả quan, ước

đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà
máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công

suất dự báo của ngành điện đến năm 2020.
Theo [1], đây sẽ là nguồn năng lượng tiềm
năng đáng kể có thể khai thác và bổ sung cho
nguồn điện lưới quốc gia, thay thế dần các
nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn
kiệt, cải thiện được môi trường sống đang là
mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Việc
ứng dụng logic mờ điều kiển nối lưới cho
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG) nhằm hướng đến phát
triển lưới điện thông minh và điều khiển linh
hoạt các nguồn năng lượng tái tạo.

Bảng 1. Tiềm năng gió của Đông Nam Á ở độ cao 65m[1]

2. Hệ thống điều khiển nối lưới tuabin
gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép (DFIG)
Theo [2], hệ thống điều khiển nối lưới
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG) bao gồm các thành phần
cơ bản, như hình 1. Hệ thống tuabin gió, với

phía stator được nối trực tiếp lưới điện, phía
rotor được nối qua hai bộ biến đổi. Bộ biến
đổi phía rotor (AC/DC) cho điện áp ra một
chiều (DC), bộ biến đổi phía lưới (DC/AC)

đưa ra điện áp xoay chiều (AC) nối lưới, hai
bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch
một chiều trung gian.

85


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

Hỡnh 1. S cu trỳc c bn h thng iu khin ni li cho tuabin giú s dng mỏy
phỏt in DFIG [2]
2.1. Ngun giú
Theo [3], nng lng giú l ngun nng
lng do chuyn ng ca khụng khớ vi mt
vn tc trong mt thi gian nht nh. Theo
nh lut Betz (nh vt lý ngi c Albert

Betz 1885 1968) v ng lc hc khớ quyn
thỡ nng lng giú ny khụng th chuyn tt
c sang mt loi nng lng khỏc. C nng E
ca mt khi lng khụng khớ m chuyn ng
vi vn tc v l:

Cụng sut P thu c ph thuc vo khi
lng khụng khớ chuyn ng, vn tc giú,

mt khụng khớ , tit din A ca vũng quay
cỏnh qut.

2.2. Mụ hỡnh tuabin giú

Theo [4], cụng sut ca tuabin giú c tớnh theo biu thc:
Pm = C p (l , b )
86

rA
2

v 3 (3)


Ứng dụng logic . . .

thức (3) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan
trọng nhất của công suất; công suất đầu ra
tăng theo lũy thừa 3 vận tốc. Hệ số biến đổi
năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (3) theo [5],
được tính như sau:

Trong đó: Pm: Công suất đầu ra của tuabin
(W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ
số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β); A:
Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2); ρ: Mật
độ của không khí, ρ = 1.255 (kg/m3). Từ biểu

Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Cp và λ, như hình 3.

Rω
trong đó ω tốc độ quay
v
của tuabin, R bán kính của tuabin, v vận tốc của gió. Mômen của tuabin gió được tính như sau:

Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là: l =

Mặt khác, tuabin gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào
tốc độ của gió. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Pm và vận tốc gió (v), như hình 4.

Hình 4. Đường cong mối quan hệ giữa Pm và v[5]
87


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

T cỏc biu thc (3), (4), (5), (6) ó phõn tớch trờn, mụ hỡnh tuabin giú c xõy dng trờn
Matlab/Simulink vi thụng s u vo tc giú, tc ca mỏy phỏt in v thụng s u ra
mụmen, nh hỡnh 5.

Hỡnh 5. Mụ hỡnh tuabin giú

2.3. Mụ hỡnh mỏy phỏt in DFIG
Mụ hỡnh mỏy phỏt in khụng ng b ngun kộp (DFIG) cú hai loi h trc ta c s
dng: H ta gn c nh vi stator v h ta dq cũn gi l h ta ta theo in ỏp
stator, c la chn phỏt trin mụ hỡnh cng nh phỏt trin cỏc thut toỏn iu khin cho
mỏy phỏt in khụng ng b ngun kộp, nh hỡnh 6.
Trong ú:

s: l tc gúc ca stator, r: l tc gúc mch in rotor (r= s- m), m: l tc gúc
c ca rotor.
Theo [6], phng trỡnh in ỏp trờn stator v rotor trong h ta dq c tớnh nh sau:
Mt khỏc, t thụng ca stator v rotor biu thc (7) v (8) c tớnh nh sau:

s = is Ls + ir Lm (9)
r = ir Lr + is Lm (10)
vi Lm: l h cm gia hai cun dõy stator v rotor v Ls, Lr: l cỏc in cm ca stator v
rotor. T cỏc biu thc (7), (8), (9) v (10) ó phõn tớch trờn, ta vit li nh sau:

88


Ứng dụng logic . . .

L2m
với σ = 1−
(13) : là hệ số tản toàn phần. Các biểu thức (11), (12) viết theo các thành
Ls Lr

phần d và q cho dòng điện rotor và từ thông stator như sau:

1−σ
. Theo [7], mômen của máy phát điện (DFIG) trong hệ tọa độ dq tựa theo điện
σ
áp stator (ψsd = 0) được tính như sau:

Với: a =

với Pc: số đôi cực. Công suất phản kháng
Mặt khác, việc hiệu chỉnh công suất phản kháng cũng có thể thực hiện hiệu chỉnh hệ số công
suất
Từ các biểu thức (18),(19) và (20) ta thấy mômen điện từ và công suất phảng kháng được
điều chỉnh thông qua dòng điện ở rotor (ird, irq), hình 7 là sơ đồ nối lưới sử dụng bộ điều khiển
PI kinh điển cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG).

89


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

3. Xõy dng b iu khin m
Vic xõy dng b iu khin m da vo s cu trỳc c bn h thng iu khin m, nh
hỡnh 8 gm 4 khi: khi m húa, khi hp thnh, khi lut m v khi gii m.

3.1. B iu khin PI m cho dũng in (ird)
Nh ó phõn tớch tờn, mụmen v cụng sut phn khỏng c iu chnh thụng qua dũng
in rotor (ird, irq). Theo [8], b iu khin PI m cho dũng in rotor (ird), s dng hm liờn
thuc Trapmf cho tp m ngừ vo v ngừ ra. Tớn hiu sai lch ngừ vo bao gm 3 tp m NL,
S, PL (Negative large, Small, Possitive large) vi cỏc tp giỏ tr tp m ngừ vo, nh hỡnh 9.

90


Ứng dụng logic . . .

Tín hiệu ngõ ra cũng bao gồm 3 tập mờ NL, S, PL (Negative large, Small, Possitive large)
với các tập giá trị mờ, như hình 10.

Luật suy diễn mờ if…then được sử dụng để điều chỉnh linh hoạt các hệ số KP, KI theo quy
luật sau: if sai số là nhỏ (S) then KP, KI bé (S); if sai số là lớn mang giá trị âm (NL) then KP, KI
lớn (NL); if sai số là lớn mang giá trị dương (PL) then KP, KI lớn (PL). Giải mờ được sử dụng
kỹ thuật giải mờ centroid cho các hệ số KP, KI , như hình 11,12.

3.2. Bộ điều khiển PI mờ cho dòng điện (irq)
Theo [8], bộ điều khiển PI mờ cho dòng điện ở rotor (irq), cũng tương tự như bộ điều khiển

PI mờ cho dòng điện ở rotor (ird), chỉ khác là các giá trị của 3 tập mờ ngõ vào và 3 tập mờ ngõ
ra. Luật hợp thành if…then và kỹ thuật giải mờ centroid, như hình 13.

91


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

Tớn hiu ngừ ra cng bao gm 3 tp m NL, S, PL (Negative large, Small, Possitive large)
vi cỏc tp giỏ tr m, nh hỡnh 14.

Gii m c s dng k thut gii m centroid cho cỏc h s KP, KI , nh hỡnh 15,16.

92


Ứng dụng logic . . .

4. Xây dựng mô hình và mô phỏng trên Matlab - Simulink
4.1. Xây dựng mô hình trên Matlab - Simulink
Xây dựng hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG) trên Matlab – Simulink dựa vào sơ đồ hình 7, thay các bộ điều khiển PI
kinh điển bằng các bộ điều khiển mờ (ird, irq), như hình 17,18.

93


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

4.2. Kt qu mụ phng trờn Matlab - Simulink

4.2.1. Mụ phng khi s dng b iu khin PI kinh in

5. Kt lun
Qua kt qu mụ phng ta thy, ng dng
logic m iu khin ni li cho tuabin giú
s dng mỏy phỏt in khụng ng b ngun
kộp (DFIG) ó phỏt huy i a cụng sut phỏt
ra ca tuabin, ti thi im t 0.1s úng ti
ni li, ta thy cỏc giỏ tr dũng in, in ỏp

v cụng sut luụn t c giỏ tr t. B iu
khin m t iu chnh c cỏc giỏ tr v h
thng luụn lm vic trng thỏi n nh so vi
khi khụng dựng b iu khin m. Mụ hỡnh iu
khin ni li nhm hng n vic phỏt trin
li in thụng minh v iu khin ni li linh
hot cho cỏc ngun nng lng tỏi to.
94


Ứng dụng logic . . .

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Danh Liên, 2008, Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam và khả năng ứng dụng, Trung tâm nghiên
cứu năng lượng mới, Trường Đại học bách khoa Hà Nội.
[2] Martin Kanálik, Frantisek Lizák,2005, Possibilities of Distributed Generation Simulations Using by
Matlab, 51707-IC-1.
[3] Roohollah Fadaeinedjad, Gerry Moschopoulost, and Mehrdad Moallemt,2006, Simulation of a Wind
Turbine with Doubly-Fed Induction Machine Using FAST and Simulink, IEEE.
[4] Tao Sun, 2004, Power Quality of Grid-Connected Wind Turbines with DFIG and Their Interaction

with the Grid, Institute of Energy Technology Aalborg University, Denmark May.
[5] Yazhou Lei, Alan Mullane, Gordon Lightbody, and Robert Yacamini,2006, Modeling of the Wind
Turbine With a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies, IEEE.
[6] B.Chitti Babu, K.B.Mohanty,2010, Doubly-Fed Induction Generator for Variable Speed Wind Energy
Conversion Systems - Modeling & Simulation,International Journal of Computer and Electrical
Engineering, Vol. 2, No. 1.
[7] Zhe Chen, 2011, DFIG Fault Ride Through Control, Department of energy technology,

May 30.
[8] Evgenije Adzic, Zoran Ivanovic, Milan Adzic, Vladimir Katic, 2009, Maximum Power Search in

Wind Turbine Based on Fuzzy Logic Control, Acta Polytechnica Hungarica, Vol. 6, No. 1.

95