Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Biến Tần Trong Máy Phát Điện Gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG VĂN HỒNG

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN
TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN BÁCH PHÚC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2011


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên:
Đặng Văn Hồng
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 24/5/1978
Nơi sinh: Tiền Giang
Quê quán:
Thị xã Gò Công – Tiền Giang
Dân tộc:
Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng Viên
Trường Cao Đẳng Cộng Đồng Vĩnh Long
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:

27/21A Hoàng Hoa Thám - Phường 2 – TP Vĩnh Long
Điện thoại cơ quan:
Fax:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Cao Đẳng
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học: Kỹ Thuật Điện

Điện thoại nhà riêng: 0962962196
E-mail:

Thời gian đào tạo từ 9/1996 đến 3/ 2000
Trường Cao Đẳng SPKT Vĩnh Long

2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chuyển tiếp
Thời gian đào tạo từ 3/2002 đến 3/ 2004
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
Ngành học: Điện khí hóa – Cung cấp điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Cung cấp điện
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính qui
Thời gian đào tạo từ 02/2009 đến 02/ 2011
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
Ngành học: Thiết Bị Mạng & Nhà Máy Điện
Tên luận văn: Nghiên Cứu Và ứng Dụng Biến Tần Trong Máy Phát Điện Gió
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bách Phúc
Chức vụ: Viện trưởng Viện Điện – Điện Tử - Tin Học TPHCM
4. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ: Đạt TOEFL PBT 453 điểm


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Từ 3/2001
đến 10/2010
Từ 10/2010
đến nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trường THKT – LTTP Vĩnh Long

Giáo viên

Trường Cao Đẳng Cộng Đồng
Vĩnh Long

Giảng viên

Ngày
tháng năm 200…
Người khai ký tên

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng
năm 2011
( Ký tên và ghi rõ họ tên)

ĐẶNG VĂN HỒNG


Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý
thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình
truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá
trình học cao học tại trường.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS. NGUYỄN BÁCH PHÚC
Viện trường Viện Điện – Điện Tử - Tin Học Thành Phố Hồ Chí Minh . Mặc dù
công việc của thầy rất nhiều, nhưng trong quá trình nghiên cứu của tôi gặp khó
khăn, thầy cũng sẵn sàng sắp xếp thời gian để hai thầy trò gặp nhau giải quyếtvấn
đề. Thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ để tôi hoàn
thành tập luận văn này.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cơ quan, đồng nghiệp
và bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng
để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng

/2011

Học viên thực hiện

ĐẶNG VĂN HỒNG


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Bộ biến tần là một thiết bị có khả năng biến đổi điện áp và tần số nguồn điện.
Thông qua biến tần điện áp và tần số của nguồn được biến đổi theo yêu cầu của người
sử dụng.
Thông thường bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ lồng
sóc. Nhờ tần số đầu ra của biến tần có thể thay đổi tùy ý nên tốc độ của động cơ lồng
sóc biến đổi tùy ý theo đúng yêu cầu của công việc, mà không cần dùng hộp số hoặc
các bộ biến đổi khác.
Tốc độ quay của máy phát điện gió luôn luôn thay đổi theo tốc độ gió. Vì vậy,
nếu không có bộ biến tốc thì tần số của máy phát điện gió sẽ không giữ được ở tần số
cố định. Trước đây người ta phải dùng các bộ biến tốc rất kồng kềnh hoặc các thiết bị
điều tốc điện tử phức tạp để giữ cố định tần số máy phát điện gió.
Bộ biến tần có thể đóng vai trò tự động biến tốc cho máy phát điện gió, theo
nguyên tắc: tần số đầu vào của biến tần ( là tần số của máy phát điện gió luôn luôn biến
đổi theo tốc độ gió) sẽ được biến tần tự động điều khiển thành tần số đầu ra của biến tần
luôn phù hợp với tần số lưới điện (50Hz).
Luận văn này nghiên cứu chế độ làm việc của biến tần với máy phát điện gió. Do
hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc nghiên cứu ổn định
điện áp và tần số của đầu ra máy phát điện nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ.


ABSTRACT
Inverter is a device capable of variable voltage and frequency power. Through
the inverter voltage and frequency of the source was modified at the request of the user.

Conventional inverter is used to control the speed of the cage motor. Due to the
frequency of the inverter output can be arbitrarily changed the speed of the cage engine
arbitrary changes according to the requirements of the job, without a box number or
other converters.
Rotational speed of the wind generators are always changing as the wind speed.
So, if you do not have the frequency of the variable speed wind generators will not stay
in fixed frequency. Previously we had to use the variable speed kong very cumbersome
equipment or complex electronic speed regulator to keep a fixed frequency of wind
generators.
Inverter can play a role for automatic variable-speed wind generators, according
to the principle of variable frequency inverter input (the frequency of wind generators
was constantly changing as the wind speed) will be variable automatic frequency
control the output frequency of the inverter is always in line with the grid frequency
(50Hz).
This thesis research working mode of the inverter with wind generators. Due to
time restrictions should be in essay focuses on the study of voltage stability and
frequency of the generator output permanent magnet of small capacity.


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

MỤC LỤC
Trang
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN
TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
I. Tổng quan ................................................................................................................ 3
1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 3

2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài..................................................................... 4
3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 4
4. Ứng dụng của đề tài........................................................................................ 4
5. Điểm mới của luận văn................................................................................... 4
II. Mô hình turbin gió .................................................................................................. 4
1. Mật độ phân bố gió ......................................................................................... 4
2. Năng lượng gió ............................................................................................... 6
3. Sự chuyển đổi năng lượng gió........................................................................ 6
III. Giới thiệu máy phát điện gió sử dụng biến tần ..................................................... 8
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU
I. Cấu tạo ................................................................................................................... 11
II. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha ................................................. 12
III. Các phương trình cơ bản ..................................................................................... 12
IV. Mô hình toán học của máy điện kích thích nam châm vĩnh cửu ........................ 17
V. Mô hình trạng thái của máy điện trên hệ tọa độ từ thong rotor (d-q) ................. 19
VI. Xây dựng bộ biến đổi (BBĐ) .............................................................................. 21
6.1.Các phương trình chuyển đổi hệ tọa........................................................... 21
6.2 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ abc →  và ngược lại ...................... 21
6.2.1 Phương trình chuyển hệ tọa độ abc →  ........................................ 21
6.2.2 Phương trình chuyển hệ tọa độ  → abc ........................................ 22

HVTH: Đặng Văn Hồng 

i 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

6.3 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ  → dq và ngược lại ........................ 23
6.3.1 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ  → dq .................................. 23
6.3.2 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ dq →  ................................... 23
VII. Bộ BTU
7.1 Nguyên lý hiệu chỉnh P, PI, PD, PID ......................................................... 24
7.1.1 Khái niệm ......................................................................................... 24
7.1.2 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI .................................................... 25
7.2 Áp dụng phương pháp PID vào điều khiển máy phát đồng bộ .................. 25
Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN
I. Sơ lược về biến tần ............................................................................................... 27
1. Định nghĩa .................................................................................................... 27
2. Phân loại biến tần ......................................................................................... 27
2.1. Biến tần trực tiếp ................................................................................. 27
2.2. Biến tần gián tiếp ................................................................................ 27
3. Cấu trúc cơ bản của biến tần ........................................................................ 29
II. Phương Pháp điều khiển ....................................................................................... 30
2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)............................................ 30
2.1.1. Điều chế theo phương pháp SPWM ................................................ 30
2.1.2. Điều chế theo phương pháp vector không gian ............................... 35
2.1.2.1. Thành lập vector không gian ........................................................ 35
2.1.2.2. Tính toán thời gian đóng cắt ......................................................... 39
2.1.2.3. Kỹ thuật thực hiện vector không gian........................................... 41
2.1.2.4. Giản đồ đóng cắt các khóa để tạo ra vector Vs trong từng sector 42
2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp .............................................................. 43
Chương 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ LÀM VIỆC VỚI
BIẾN TẦN
I. Cấu trúc chung của máy phát điện gió làm việc với biến tần ................................ 45
II. Momen ngõ ra của turbin gió ............................................................................... 46
III. Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu .............................................................. 48

HVTH: Đặng Văn Hồng 

ii 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

3.1 Mô hình máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần .... 48
3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu làm việc
với biến tần ....................................................................................................... 49
3.3. Điện áp ngõ ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu ..................... 49
IV. Hoạt động của biến tần với máy phát điện gió ................................................... 50
4.1. Bộ chỉnh lưu .............................................................................................. 50
4.1.1. Bộ tụ bù ......................................................................................... 50
4.1.2 Dòng điện điều khiển điện áp ngõ ra máy phát .............................. 51
4.1.3 Dòng điều khiển bộ chỉnh lưu ........................................................ 51
4.2. Bộ nghịch lưu ........................................................................................... 54
4.2.1. Biên độ áp hài cơ bản cực đại ....................................................... 54
4.2.2. Điện áp pha cực đại ở chế độ quá điều chế ................................... 54
4.2.3. Điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu ....................................................... 54
4.2.4. Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu.................................................... 55
Chương 5: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU
LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN TRONG MATLAB
I. Xác định momen của turbin .................................................................................. 57
II. Xác định điện áp và tần số ngõ ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu ... 58
III. Tính toán các thông số biến tần .......................................................................... 62
3.1. Xác định điện áp DC trên tụ lọc ................................................................ 62
3.2. Biên độ điện áp hài cơ bản cực đại............................................................ 62

3.3. Điện áp pha tải cực đại ở chế độ quá điều chế ......................................... 62
3.4. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu.............................................................. 63
IV. Kết quả mô phỏng của máy phát điện gió làm việc với biến tần trong Matlab .. 65
4.1. Mô hình tổng quát ..................................................................................... 65
4.2. Các khối công suất trong máy phát điện gió làm việc với biến tần .......... 66
4.2.1. Khối turbin gió ................................................................................. 66
4.2.2. Khối máy phát .................................................................................. 66
4.2.3. Khối chỉnh lưu ................................................................................. 67

HVTH: Đặng Văn Hồng 

iii 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

4.2.4. Khối nghịch lưu ............................................................................... 67
4.3. Các khối điều khiển ................................................................................... 68
4.3.1. Khối điều khiển chỉnh lưu ............................................................... 68
4.3.2. Khối điều khiển nghịch lưu ............................................................. 68
4.4. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 69
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐẾ TÀI
I. Kết luận .................................................................................................................. 72
II. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................. 72
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 73

HVTH: Đặng Văn Hồng 

iv 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, năng lượng có thể là yếu
tố quan trọng nhất tác động đến phát triển chung của xã hội. Con người đã biết đến
dầu mỏ cả ngàn năm, nhưng dầu mỏ chỉ sử dụng nhiều ở thế kỷ XIX. Từ đó đến nay
chỉ gần 200 năm con người đã dùng phần lớn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và
than đã tích tụ cả chục triệu năm mới có được.
Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người đã
tiến hành khai thác thêm nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân và các
nguồn năng lượng tái tạo. Hiện nay ở các nước phát triển như Châu Âu, Châu Mỹ
đang quan tâm nghiên cứu nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời v.v… vì
nguồn năng lượng này gần như không gây ô nhiễm đến môi trường và có trữ lượng
vô hạn. Đây cũng là vấn đề để giải quyết nguồn năng lượng sắp cạn kiệt trong tương
lai.
Tuy nhiên nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung, nó phụ thuộc
rất nhiều vào kỹ thuật mới. Do đó giá thành sản xuất ra được 1KW rất cao. Theo xu
hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật cao đã phát triển và ứng dụng
ngày càng nhiều hơn thì giá thành để sản xuất ra 1KW sẽ giảm đến một lúc nào đó
giá thành để sản xuất năng lượng tái tạo sẽ giảm ngang bằng với năng lượng hóa
thạch và có xu hướng thấp hơn trong trong tương lai.
Ngày nay tính với tính năng kỹ thuật cao kết hợp với công nghệ kỹ thuật hiện
đại, con người đã chế tạo ra bộ biến tần. Bộ biến tần thực hiện biến đổi tần số, điện
áp đầu vào để ổn định được tần số, điện áp đầu ra đúng với yêu cầu của người sử
dụng. Với tính năng này, từ trước tới nay bộ biến tần thường được sử dụng nhiều

trong điều khiển động cơ, tốc độ động cơ được thay đổi tuyến tính đáp ứng được
mọi dây chuyền sản xuất.
Ngoài tính năng trên trong luận văn này bộ biến tần sẽ được sử dụng trong
Máy phát điện gió.Vì máy phát điện gió phụ thuộc vào vận tốc của gió, mà tốc độ
gió luôn luôn thay đổi sẽ làm cho tần số và điện áp biến động thường xuyên theo tốc

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 1 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

độ gió. Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc
nghiên cứu ổn định điện áp và tần số của đầu ra máy phát điện gió có công suất nhỏ
khi gắn trực tiếp biến tần vào máy phát điện gió.

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 2 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Chương 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN

TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
I Tổng quan
1 Đặt vấn đề
Công suất phát điện gió là một trong những nguồn năng lượng mới hấp dẫn
nhất, nó không gây ra sự ô nhiễm. Nhiều quốc gia có mức độ gió cao, cho nên các
quốc gia này sử dụng rộng rãi hệ thống máy phát điện bằng turbin gió. Ngày nay có
nhiều turbin gió sản xuất trên thế giới với nhiều loại máy phát khác nhau sử dụng bộ
biến đổi bằng điện tử công suất. Hầu hết các máy phát điện bằng turbin gió có đặc
điểm chung là ổn định tốc độ máy phát, Các loại máy phát điện bao gồm máy phát
điện cảm ứng roto lồng sóc, máy phát điện cảm ứng cung cấp nguồn đôi (DFIG) và
kỹ thuật điều khiển trực tiếp dùng trong máy phát đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh
cữu (PMSG). Điều quan trọng nữa là loại bỏ hộp số và sử dụng máy phát đồng bộ
nam châm vĩnh cữu đa cực. Lợi ích của việc loại bỏ hộp số là tiết kiệm về mặt kinh
tế như không cần dầu bôi trơn hộp số, bảo dưỡng và lắp đặt dễ dàng. Thêm vào đó
cấu trúc điều khiển trực tiếp có thể vận hành với bất cứ lượng công suất phản kháng
nào và chất lượng điện năng của nó hòa vào lưới điện được nâng cao khi các nhà
máy phát điện khác nhau. Ngày nay với kỹ thuật ứng dụng biến tần trong công
nghiệp turbin gió là giảm chi phí lắp đặt và vận hành an toàn. Nguyên tắc chung của
việc sử dụng biến tần là tăng giá trị công suất phát ra của turbin gió. Vì thế, việc
thiết kế là nâng cao công suất phát lớn hơn của turbin gió thường dẫn đến nâng cao
giá trị của điện áp thanh cái DC. Các giá trị này có thể được cung cấp bởi điện áp
các tụ điện trên thiết bị công suất, Ngoài ra cấu trúc điều khiển trực tiếp là chuyển
đổi công suất hoàn toàn. Ngay cả nếu công suất phát ra cao các chất bán dẫn này có
thể được sử dụng nạp điện vào bình acquy, Các linh kiện điện tử này có đặc tính là
khả năng dẫn điện cao và tổn thất công suất nhỏ. Vì vậy với kỹ thuật tích hợp bộ
biến tần đa bậc cho turbin gió cũng sẽ làm giảm sóng hài ngõ ra, bảo toàn biên độ

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 3 

Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

ngỏ ra dv/dt và cải thiện tất cả các đặc tính của điện từ trường.
Trong đề tài này ứng dụng biến tần hai bậc để ổn định tần số và điện áp ngõ
ra của máy phát điện gió
2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ nghịch lưu áp 3 pha hai bậc và ứng
dụng vào máy phát phát điện gió sử dụng máy phát điện một chiều.
Các nhiệm vụ chính:
-

Khảo sát đặc tính công suất turbin gió.

-

Khảo sát máy phát điện nam châm vĩnh cửu

-

Khảo sát dạng nghịch lưu áp 3 pha hai bậc

-

Mô phỏng máy phát điện gió sử dụng bộ nghịch lưu áp 3 pha hai bậc
trong Matlab.

-

Đánh giá kết quả trong mô phỏng.

-

Kết luận.
3 Phương pháp nghiên cứu

-

Khảo sát, phân tích tổng hợp.

-

Mô phỏng trên máy tính.

-

Đánh giá kết quả dưa trên mô phỏng.
4 Ứng dụng của đề tài

- Máy phát điện gió dược ứng dụng trong cung cấp điện cho gia, hệ thống
điện khu vực, lớn hơn nữa là hòa vào lưới điện quốc gia.
- Ứng dụng quan trọng nhất của máy phát điện gió điện là cung cấp điện cho
các vùng hải đảo, vùng xa mà lưới điện quốc không thể cung cấp được.
5 Điểm mới của luận văn
Sử dụng bộ nghịch lưu áp để ổn định tần số và điện ngõ ra của máy phát điện
gió, thay vì sử dụng hộp số hoặc thay đổi góc pitch để ổn định.
Sử dụng phương pháp này có thể nâng cao công suất phát ra that dễ dàng.

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 4 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

II. Mô hình turbin gió
1. Mật độ phân bố gió
Gió là sự di chuyển của khối không khí trong khí quyển, chủ yếu bắt nguồn
do khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng của trái đất.
Hàm mật độ xác suất thong thường nhất để mô tả tốc độ gió là hàm phân bố
Weibull, được biểu diễn bởi công thức:
k V 
P (Vm )   m 
C C 

k 1

e (Vm / C )

k

(1.1)

Trong đó k và C là hệ số hình dạng và hệ số tỷ lệ tương ứng. Hệ số này được
điều chỉnh để phù hợp với dữ liệu gió tại vị trí thích hợp.

Hàm xác suất phân bố Weibull cho thấy tốc độ gió trung bình hiếm khí xảy
ra ở mức gió thường xuyên hơn. Xác suất phân bố lớn nhất xảy ra tương ứng với
vận tốc gió 5,5m/s trong khi tốc độ gió trung bình 7m/s.
Tốc độ gió trung bình cũng là một hàm theo chiều cao. Mô hình toán được
đưa ra là một luật Prandtl logagrithmic, được mô tả bởi phương trình:
Vm ( z )
ln( z / z 0 )

Vm ( z ref ) ln( z ref / z 0 )

(1.2)

Trong đó z là chiều cao mặt đất và zref là chiều cao tham khảo ( thường là
10m) và z0 là chiều cao do bề mặt địa hình, các giá trị tiêu biểu của thông số này
theo địa hình được liêt kê trong bảng 2.1. Môt công thức thực nghiệm khác mô tả
ảnh hưởng của tốc độ gió đến địa hình và tuân thủ theo hàm mũ như sau:
 z
Vm ( z )  Vm ( z ref )
z
 ref








(1.3)

Trong đó, thông số  phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá trị  tương ứng
các loại đại hình khác nhau thể hiện cột cuối trong bảng 2.1

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 5 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Bảng 2.1 Giá trị điển hình chiều cao z0 và thành phần  theo từng loại địa hình
Z0(mm)



0,2 đến 0,3

0,1

Vùng cỏ thấp

1 đến 10

0,13

Vùng cỏ cao

40 đến 100

0,19

Vùng ngoại ô

1000 đến 2000

0,32

Loại bề mặt
Bãi cát

Sự tin cậy của công thức Weibull phụ thuộc vào ước lượng chính xác thong
số k và C. Để tính toán chính xác k và C, dữ liệu gió phải thu thập tương đối đầy đủ.
Trong nhiều trường hợp những thông tin như vậy không có sẵn. Dưới tình huống
như vậy, một trường hợp đơn giản hóa mô hình Weibull được đưa ra, xấp xỉ
K bằng 2 và C  2V /  với V là vận tốc gió trung bình, thế vào (2.1) ta được hàm
mật độ xác suất gọi là Rayleigh
P (Vm ) 

   Vm  2 
2Vm
   
exp
4 V  
V 2



(1.4)

Thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tương ứng tốc độ
gió trung bình bình là 5,4m/s và 8,2m/s.
2. Năng lượng gió
Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2)..v2, trong đó  (kg/m3)
là mật độ không khí. Công suất gió xuyên qua khu vực diện tích A với tốc độ gió
trung bình V là:
Pv 

1
 . A.v 3
2

(1.5)

Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm:
Tp

1
W   . A  v 3 dt
2
o

(1.6)

3. Sự chuyển đổi năng lượng gió
Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pr bởi cánh quạt

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 6 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh
quạt có vận tốc  và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc d
PR 

1
 . A. 3 .c p [ w]
2

(1.7)

Trong đó
- A: Diện tích cánh quạt gió (m2)
- Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn gọi ngắn gọn hơn là
hiệu suất rotor), được tính:
C P ( ,  )  C1 (

C2

i

 C 3   C 4 )e



C5



 C6 

(1.8)

Mà Các giá trị của hệ số C1 đến C6 là: C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 =
5, C5 = 21, C6 = 0.0068.


Và
1

i



R
v

1
0.035
 3
  0.08   1

(1.9)
(1.10)

: Vận tốc của rotor (v/p)
R: Bán kính cánh quạt (m)
V: Vận tốc gió (m/s)
: Góc quay cánh (độ)
Hệ số công suất cực đại C p max 

16
 59,3%
27

Giá trị lý thuyết Cmax chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng
lượng từ gió, đây còn được biết đến như một giới hạn Betz (Albert Betz ’s Law).
Đường công suất hiệu rotor được cho ở hình 2.5.
Một thuận lợi của công thức (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận
được từ gió. Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất
rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ
giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát.

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 7 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Hình 1.1. Đường cong hiệu suất rotor
Ta rút ra nhận xét, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên

qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh
thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt
gần như bằng không, hệ quả là hiệu suất gần bằng không. Như vậy, với một vận tốc
gió cho trước thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát.
Momen turbin gió được tính theo công thức sau:
Tm 

Pr





1
3
 . A. .c p
2


(N/m)

(1.11)

III. Giới thiệu máy phát điện gió làm việc với biến tần
Nhược điểm của máy phát điện sử dụng năng lượng gió là khi tốc độ gió thay
đổi thì tốc độ turbin sẽ thay đổi, tần số đầu ra của máy phát cũng thay đổi.
Có nhiều cách để ổn định tốc độ quay của turbin như:
Thứ nhất thay đổi bề mặt hứng gió của cánh quạt, phương pháp này là đặt
cho trục turbin gió với một giới hạn tốc độ cho phép, khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ
gió qui định, trục turbin gió sẽ quay nhanh hơn, bộ cảm biến sẽ nhận tín hiệu,

chuyển đến bộ phận điều khiển, bộ phận điều khiển sẽ so sánh với tốc độ quay đã
qui định. Cơ cấu chấp hành sẽ xoay cánh quạt để thay đổi bề mặt hứng gió. Bằng
cách này, tốc độ của turbin sẽ thay đổi kịp thời, để ổn định tần số ra của máy phát.

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 8 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều khiển chỉ cần sử dụng một động cơ điều
khiển cánh quạt khi tốc độ gió thay đổi. Nhược điểm của phương pháp này là các cơ
cấu khiều khiển sẽ làm việc liện tục, dẫn đến tổn hao năng lượng lớn, thiết bị mau
hỏng, …
Thứ hai, khi tốc độ gió thay đổi thì tốc độ turbin thay đổi, nhờ bộ phận hộp
số mà tốc độ Máy phát có thể tăng giảm sao cho gần với tốc độ đồng bộ. Nếu chế
tạo một bộ hộp số mà đáp ứng hầu hết thay đổi của tốc độ gió thì rất phức tạp, khó
có khả năng thực hiện được, ngược lại nếu hộp số đơn giản thì tốc độ turbin sẽ thay
đổi dạng bậc thang, Vì vậy phải kết hợp Hộp số với phương pháp thứ nhất.
Ngày nay với tính năng kỹ thuật cao với công nghệ kỹ thuật hiện đại, con
người đã chế tạo ra bộ biến tần. Bộ biến tần thực hiện biến đổi tần số, điện áp đầu
vào để được tần số, điện áp đầu ra đúng với yêu cầu của người sử dụng. Với tính
năng này, từ trước tới nay bộ biến tần thường được sử dụng nhiều trong điều khiển
động cơ, tốc độ động cơ được thay đổi tuyến tính đáp ứng được mọi dây chuyền sản
xuất. Ngoài tính năng trên bộ biến tần sẽ được sử dụng trong Máy phát điện gió.
Máy phát điện gắn trực tiếp với động cơ gió sẽ cho tần số và điện áp biến động
thường xuyên theo tốc độ gió, Bộ biến tần sẽ cung cấp tại đầu ra một nguồn điện có

tần số ổn định đồng bộ và điện áp ổn định ở trị số định mức.

Hình 1.2. Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 9 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Khi gió thổi vào cánh quạt turbin gió biến động năng thành cơ năng, Cơ năng sẽ
biến đổi thành điện năng do turbin được nối vào máy phát điện. Điện áp ngõ ra của
máy phát biến thành điện áp một chiều, sau đó qua bộ nghịch lưu áp để được điện
áp và tần số đạt yêu cầu sử dụng cho hộ gia đình hoặc hòa vào lưới điện khu vực
hay quốc gia. Trong đề tài này sử dụng máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm
vĩnh cửu.

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 10 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ PHÁT MÁY ĐIỆN
NAM CHÂM VĨNH CỬU
I. Cấu tạo:
Máy điện nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một máy điện có một Stator 3 pha
cổ điển giống như một động cơ không đồng bộ, Rotor có các nam châm vĩnh cửu
được lắp đặt trên bề mặt, xem hình 1-1.

Hình 2.1. Mặt cắt của một động cơ đồng bộ PM
Đặc biệt, PMSM là tương đương với một động cơ không đồng bộ, ở đó có từ
trường khe hở không khí được tạo bởi một nam châm vĩnh cửu, vì vậy từ trường
Rotor là không đổi. Các động cơ đồng bộ PM đưa ra một số thuận lợi trong thiết kế
các hệ thống điều khiển chuyển động hiện đại. Sử dụng của một nam châm vĩnh cửu
để phát ra đường từ thông khe hở không khí thực chất làm cho nó có khả năng thiết
kế các động cơ PM hiệu quả cao.

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 11 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

II. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha
Máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu:

Hình 2.2. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực lồi

Hình 2.3. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn

III. Các phương trình cơ bản:
Hệ phương trình cân bằng áp trong hệ toạ độ pha:
Stator: uabcs  rs iabcs 

Rotor: u f  rf i f 

HVTH: Đặng Văn Hồng 

d abcs
dt

d f
dt

(2.1)

(2.2)

Trang 12 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

Với:
uf: điện áp ngoài đặt vào mạch kích từ
rf: điện trở của dây quấn kích từ
rs: điện trở của dây quấn stator

rs = diag [rs rs rs)

(2.3)

Xét máy có dây quấn đệm:
Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm:

Hình 2.4. Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm
Trong đó:
ikd: dòng thanh do từ trước dọc trục d cảm ứng ra.
ikd: dòng thanh do từ trường ngang trục q cảm ứng ra.
if: dòng chạy trong cuộn dây kích từ.
id: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục.
iq: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục.
Phương trình điện áp trong hệ toạ độ pha:

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 13 


Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió







d a

dt
d b
ub  rsib 
dt
d c
uc rsic 
dt
d d
ud rsid 
dt

ua  rsia 

GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc

( 2.4.1)
( 2.4.2)
( 2.4.3)
( 2.4.4 )

Trong đó:
ua, ub, uc: lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c.
ia, ib, ic: lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c.
a, b, c: lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c.
f: từ thông móc vòng của cuộn dây kích từ.
Phöông trình töø thoâng:

 a  Laa ia  Labib  Lac ic  Laf i f

(2.5)

 b  Lba ia  Lbb ib  Lbc ic  Lbf i f

(2.6)

 c  Lca ia  Lcb ib  Lcc ic  Lcf i f

(2.7)

 f  L fa ia  L fbib  L fc ic  L ff i f

(2.8)

Với:
 Laa, Lbb, Lcc; lần lượt là từ cảm của các cuộn dây pha a, b, c.
 Lff: từ cảm của cuộn dây kích từ.
 Lab, Lac, Lba, Lca, Lcb: lần lượt là hỗ cảm giữa các pha.
 Laf, Lbf, Lcf: lần lượt là hỗ cảm của các cuộn dây pha a,b,c qua
cuộn dây kích từ.
 Lfa, Lfb, Lfc: lần lượt là hỗ cảm của cuộn dây kích từ qua các cuộn
dây pha a, b, c.

HVTH: Đặng Văn Hồng 

Trang 14