Khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật tìm kiếm điểm cực đại công suất phát (MPPT)

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHÂU MINH ĐẠO

KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT
NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN
VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI
CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT)
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 3 8 1 9

Tp. Hồ Chí Minh, 2012


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

CHÂU MINH ĐAO
̣

KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ
LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN VỚI KỸ THUẬT TÌM
KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT).

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ: 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

1


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ HDKH: PGS.TS NGUYỄN HỮ U PHÚ C
(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: .........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT,
Ngày 20 tháng 10 năm 2012

2


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: CHÂU MINH ĐẠO
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 13/02/1982
Nơi sinh: Bế n Tre
Quê quán: Tân Lơ ̣i Tha ̣nh, Giồ ng Trôm, Bế n Tre.
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 59, D4, Kp 6, Trƣờng Thọ, Thủ Đức, TP. HCM
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại:
0982293571
Fax:
E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/

2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 11/ 2005
Nơi học: Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Điê ̣n khí hóa & cung cấ p điê ̣n
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: thi tố t nghiê ̣p.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Ngƣời hƣớng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm
Học viên lớp bồi dƣỡng sau
Trƣờng đại học Bách khoa TP . Hồ
2006 - 2008
đa ̣i học ngành thiết bị , mạng
Chí Minh
và nhà máy điện.

2008 - 2011 Cty TNHH Scancom Viê ̣t Nam.
Vâ ̣n hành và quản lý bảo trì .
2010 - hiê ̣n Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Học viên cao học ngành thiết
nay
Tp. Hồ Chí Minh
bị, mạng và nhà máy điê ̣n.

i


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 chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 9 năm 2012

Châu Minh Đa ̣o

ii


LỜI CẢM TẠ
Đề tài này đƣợc thực hiện theo chƣơng trình đào tạo thạc sĩ tại Trƣờng Đại
học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn quí thầy cô đã tận tình hƣớng
dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em nghiên cứu thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy PGS. TS. Nguyễn
Hƣ̃u Phúc đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hƣớng dẫn em
hoàn thiện đề tài này. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô khoa điện – điện
tử Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã khích lệ, đôn đốc và giám
sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Rất cảm ơn trƣớc sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên
lớp cao học ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa 2010B, cám ơn vì sự đóng
góp những ý kiến bổ ích qua những cuộc thảo luận của tập thể lớp.
Xin gửi lời tri ân đến gia đình và những ngƣời thân vì đã luôn ủng hộ và
động viên tôi trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này.
Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn.
Học viên

Châu Minh Đa ̣o

iii


TÓM TẮT
Trong luâ ̣n văn này các vùng làm việc khác nhau của máy phát không đồng
bộ cấ p nguồ n hai phía (DFIG) của turbine gió (WT), trên quan điểm về tốc độ rôto,
công suất phát, tỉ số tố c đô ̣ đầu cánh (tip speed ratio TSR) λ và góc nghiêng β của
cánh quạt WT, đã đƣợc khảo sát và giới thiê ̣u . Sau đó, một thuật toán điều khiển
mới đƣợc đề xuất nhằm lấy đƣợc công suất cực đại có từ năng lƣợng gió, dựa trên
sự khác biệt giữa tố c đô ̣ quay t ối ƣu và tốc độ quay thực tế của trục turbine. Thuật
toán đƣợc thực hiện trong các chƣơng trình mô phỏng sử dụng phần mềm PSCAD.
Các kết quả của phƣơng pháp đề xuất sau đó đƣợc so sánh với các số liệu thực tế
của máy Nordex N80/2500 KW cho thấy tính đúng đắn và các ƣu điểm của phƣơng
pháp đề xuất.

ABSTRACT
In this thesis In this paper, different operational regions of doubly fed
induction generator (DFIG)- based wind turbine (WT), from the viewpoints of rotor
speed, generated power, tip speed ratio λ and angle of blades β of the WT's rotor,
are studied and classified. Then a new control algorithm for maximum wind power

point tracking (MPPT) and extraction, based on the difference between optimum
and current rotational speed of the shaft of WT, will be proposed. The algorithm is
implemented in control schemes and carried out in terms of various operational
conditions of wind speed in PSCAD software environment. The results obtained
are then compared with the actual data of Nordex N80/2500 KW for validation of
the proposed method. This comparison is done based on the speed of operation and
quality of generated power and the results show the advantages of the proposed
method.

iv


MỤC LỤC
TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iv
Mục lục ....................................................................................................................... v
Danh sách các chữ viết tắt
ix
Danh sách các hình
xi
Danh sách các bảng
xii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1

GIỚI THIÊU

̣ TỔNG QUAN .......................................................................... 1

1.2

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .......................................................................... 3

1.3

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 3

1.4

PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................................. 3

1.5

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U .................................................................. 4

1.6

KẾ HOẠCH THƢ̣C HIÊ ̣N ............................................................................ 4

1.7

GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................ 4

1.8

PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN ...................................................... 4

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ .
2.1

NĂNG LƢỢNG GIÓ ..................................................................................... 5

2.1.1

Hiê ̣u chin̉ h theo nhiê ̣t đô ̣ cho mâ ̣t đô ̣ không khí ............................................ 6

2.1.2

Hiê ̣u chỉnh theo độ cao so với mực nƣớc biể n cho mâ ̣t đô ̣ không khí ........... 7

2.2

ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ CAO THÁP ........................................................ 10

2.3

HIÊU
̣ SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁNH QUA ̣T ................................ 12

2.3.1

Hiê ̣u suấ t lớn nhấ t của cánh qua ̣t ................................................................. 12

2.3.2

Đƣờng cong công suất turbine gió lý tƣởng ................................................ 17

2.4

KIỂM SOÁ T TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ............................. 19

2.4.1 Sƣ̣ ảnh hƣởng của tốc độ cánh quạt thay đổi ................................................... 19
2.4.2

Các giải pháp kiể m soát tố c đô ̣ .................................................................... 21

v


2.4.2.1 Thay đổ i số cƣ̣c máy phát ............................................................................ 21
2.4.2.2 Hô ̣p số nhiề u cấ p .......................................................................................... 21
2.4.2.3 Máy phát cảm ứng hệ số trƣợt thay đổi ....................................................... 21
2.4.2.4 Các hệ thống kế t nố i lƣới gián tiế p .............................................................. 21
2.5

CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH TRONG GIÓ ............................................... 21

2.5.1

Biể u đồ tầ n số gió không liên tu ̣c ................................................................. 22

2.5.2

Hàm số mật độ xác suất vâ ̣n tố c gió ............................................................ 23

2.5.3

Thố ng kê Weibull và Rayleigh ..................................................................... 24

2.5.4

Công suấ t trung bình trong gió với thống kê Rayleigh ................................ 26

2.6

CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ ............. 27

2.6.1

Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ cố đinh ................................................. 27

2.6.2

Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣợng gió tốc độ thay đổi ................................................ 28

2.6.2.1 Hê ̣ thố ng biế n đổ i toàn bô ̣ công suấ t (FRC-fully rated converter) ........................ 28
2.6.2.2 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ thay đổ i sƣ̉ du ̣ng DFIG ........................ 28
Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG
3.1

GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 30

3.2

ƢU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG DFIG ............................................................. 30

3.3

VECTOR KHÔNG GIAN ..................................................................................... 31

3.3.1

Vector không gian ................................................................................................. 31

3.3.2

Biể u diễn công suấ t theo vector không gian .......................................................... 32

3.4

CÁC PHÉP CHUYỂN ĐỔI HỆ QUI CHIẾU ....................................................... 33

3.4.1

Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu abc sang hê ̣ qui chiế u αβ ................................ 34

3.4.2

Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu cố định αβ sang hê ̣ qui chiế u quay dq .............. 35

3.4.3

Phép chuyển đổi Park ........................................................................................... 36

3.5

MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG .............................................................................. 38

3.5.1

Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ tiñ h αβ ............................................ 38

3.5.2

Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ dq ................................................... 42

Chƣơng 4: KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT)
4.1

GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 45

4.2

CÔNG SUẤT KHÍ ĐỘNG HỌC .......................................................................... 46

4.3

CÁC VÙNG LÀM VIỆC ...................................................................................... 48

vi


4.3.1

Vùng I .................................................................................................................... 48

4.3.2

Vùng II ................................................................................................................... 49

4.3.3

Vùng III ................................................................................................................. 50

4.3.4

Vùng IV ................................................................................................................. 50

4.4

ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MPPT ........................................................................ 51

4.4.1

Vùng I .................................................................................................................... 52

4.4.2

Vùng II ................................................................................................................... 52

4.4.3

Vùng III ................................................................................................................. 52

4.4.4

Vùng IV ................................................................................................................. 53

Chƣơng 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRONG PSCAD VÀ KẾT QUẢ
5.1

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ KẾT NỐI LƢỚI ĐIỆN .............................. 54

5.2

XÂY DƢ̣NG MÔ HÌNH TURBINE GIÓ ............................................................. 54

5.2.1

Khố i WIND PARK ................................................................................................ 54

5.2.1.1 Mô tả chƣ́c năng .................................................................................................... 54
5.2.1.2 Các tín hiệu ngõ vào .............................................................................................. 55
5.2.1.3 Các tín hiệu ra ........................................................................................................ 55
5.2.2

KHỐI MÁ Y PHÁ T ................................................................................................ 57

5.2.2.1 Mô tả ...................................................................................................................... 57
5.2.2.2 Các thông số ngõ vào ............................................................................................. 58
5.2.2.3 Các thông số ngõ ra ............................................................................................... 58
5.2.3

KHỐI VSC............................................................................................................. 59

5.2.3.1 Rotor side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá rotor).................................................... 59
5.2.3.2 Gride side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá lƣới) ..................................................... 62

5.3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................................ 65

5.3.1

Giới thiê ̣u tổ ng quan WT Nordex N80/2500Kw ................................................... 65

5.3.2

Vâ ̣n tố c gió tăng thêm 2m/s ................................................................................... 66

5.3.3

Vâ ̣n tố c gió giảm đi 2m/s ....................................................................................... 67

5.3.4

Kế t quả tổ ng hơ ̣p cho vâ ̣n tố c gió tƣ̀ cut in đế n cut out và so sánh với Nordex

N80/2500Kw. ....................................................................................................................... 67
5.3.5

Nhâ ̣n xét kế t quả mô phỏng ................................................................................... 72

Chƣơng 6: KẾT LUẬN
6.1

CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT TRONG LUẬN VĂN .................................... 73

vii


6.2

ĐỀ XUẤT NHỮNG HƢỚNG NGHIÊN CƢ́U TIẾP THEO ................................ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 74

viii


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
CÁC TỪ VIẾT TẮT
DFIG

Doubly Fed Induction Generator

DFIM

Doubly Fed Induction Machine

FOC

Field Oriented Control

FRC

Fully Rated Converter

GSC

Grid Side Converter

IG

Induction Generator

MPPT

Maximum Power Point Tracking

PI

Proportional Integral

p.u

Per Unit

PWM

Pulse Width Modulation

RMS

Root Mean Square

RSC

Rotor Side Converter

SG

Synchronuos Generator

TSR

Tip Speed Ratio

VSC

Voltage Source Converter

WECS

Wind Energy Convertion System

Chỉ số trên
s, e

Hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq

T

Chuyển vị của ma trận, véctơ

Chỉ số dƣới
max, min

maximum, minimum

ref,

Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

KÝ HIỆU
vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr

điện áp pha stator và rotor

ix


ias, ibs, ics, iar , ibr , icr

dòng điện stator và rotor

ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr

từ thông stator và rotor

vαs, vβs, vαr, vβr

điện áp stator và rotor theo trục α,β

iαs, iβs, iαr, iβr

dòng stator và rotor theo trục α,β

ψαs, ψβs, ψαr, ψβr

từ thông stator và rotor theo trục α,β

vds, vqs, vdr, vqr

điện áp stator và rotor theo trục d,q

ids, iqs, idr, iqr

dòng stator và rotor theo trục d,q

ψds,ψqs,ψdr ,ψqr

từ thông stator và rotor theo trục d,q

Udc

điện áp dc-link

Rs, Rr

điện trở dây quấn stator và rotor

Lls, Llr

điện cảm tản stator và rotor

Ls, Lr

điện cảm stator và rotor

Lm

điện cảm từ hóa

𝜔g rated

tốc độ đồng bộ của máy phát

𝜔g

là tốc độ làm việc của máy phát.

ωr

tốc độ cánh quạt

kT

tỷ số vòng dây stator và rotor

Te,Tm

mômen điện từ và mômen cơ

p

số cặp cực từ

J,H

mômen quán tính và hệ số quán tính rotor

v, vd

vận tốc gió trƣớc, sau cánh quạt

vb

vâ ̣n tố c qua mă ̣t phẳ ng cánh qua ̣t

R, A

bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin

ρ, Cρ

mật độ không khí và hiệu suất rotor

λ, β

Tip speed ratio và góc pitch

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
Bảng 2.1: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo nhiê ̣t đô ̣

Bảng 2.2: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo áp suấ t (đô ̣ cao so với mƣ̣c nƣớc biể n )
Bảng 2.3: Hê ̣ số ma sát theo điạ hin
̀ h.
Bảng 2.4: Đặc tính gồ ghề dùng cho biểu thức (2.16).
Bảng 5.1: Thông số WT Nordex N80(2,5MW).
Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng.
Bảng 5.3: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW.

xi

TRANG
7
9
10
11
66
69
69


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

◦

2

TRANG

Hình 2.1: Công suất gió trên 1 m mặt cắt ngang tại 15 C và 1 atm.

6
Hình 2.2: Mối quan hệ giữa áp suất không khí và độ cao so với mặt biển.
8
Hình 2.3: (a) tỷ số vận tốc gió theo đô ̣ cao và (b) tỷ số công suất so với độ cao.
11
Hình 2.4: Đặt tính gió đi qua cánh quạt
13
Hình 2.5: Đặc tính hiệu suất cánh quạt.
15
Hình 2.6: Đặc tính hiệu suất cánh quạt theo TSR.
16
Hình 2.7: Góc nghiên của cánh qua ̣t.
17
Hình 2.8: Hiệu suất Cp (λ, β)
17
Hình 2.9: Công suất WT phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin
18
Hình 2.10: Đƣờng cong công suất lý tƣởng của tuabin gió.
19
Hình 2.11: Đặc tính hiệu suất Cp theo tố c đô ̣ quay của cánh qua ̣t.
20
Hình 2.12: Đặc tính công suất thu đƣợc theo tốc độ quay cánh quạt.
20
Hình 2.13: Biể u đồ vâ ̣n tố c gió tính theo giờ trên năm.
23
Hình 2.14: Hàm số mật độ xác suất vận tốc gió (pdf).
24
Hình 2.15: Hàm mật độ xác suất Weibull
25
Hình 2.16: Hàm mật độ xác suất với tham số tỷ lệ c thay đổi.

26
Hình 2.17: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ cố định.
27
Hình 2.18: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất
phát
28
Hình 2.19: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió đƣợc trang bị với DFIG.
29
Hình 3.1: Nguyên lý của véctơ không gian.
31
Hình 3.2: Các đại lƣợng của hệ trục abc biểu diễn trong hệ trục αβ.
35
Hình 3.3: Mối liên hệ giữa hệ trục αβ hệ trục dq.
36
Hình 3.4: Mối liên hệ giữa hệ trục abc và hệ trục dq
37
Hình 3.5: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y.
38
Hình 3.6: Sơ đồ tƣơng đƣơng RL của stator và rotor.
39
Hình 3.7: Mô hình lý tƣởng của máy điện không đồng bộ ba pha.
40
Hình 3.8: Mạch điện tƣơng đƣơng mô hình động DFIG trong hệ trục αβ.
41
Hình 3.9: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq.
43
Hình 3.10: Mạch điện tƣơng đƣơng mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq
quay với tốc độ đồng bộ.
43
Hình 4.1: Cấu hình điển hình của WT DFIG.

46
Hình 4.2: Hệ số công suất Cp(λ, β).
47
Hình 4.3: Các vùng điều khiển DFIG.
49
Hình 4.4: Đặc tính công suất WT.
51
Hình 5.1: Hệ thống turbine gió và máy phát DFIG.
54
Hình 5.2: Mô hình wind park.
55
Hình 5.3: Xác định momen cơ Tm.
56
Hình 5.4: Khối xác định tốc độ tham chiếu.
56
Hình 5.5: Khối điều khiển góc nghiêng β.
57
Hình 5.6: Mô hình máy điê ̣n cảm ƣ́ng rotor dây quấ n .
57
Hình 5.7: Các biến ngõ ra của máy phát.
58
Hình 5.8: Xác định vị trí của vector từ thông.
60

xii


Hình 5.9: Xác định dòng điều khiển bên rotor.
Hình 5.10: Bô ̣ ta ̣o xung kích Hysteresis Buffer.
Hình 5.11: Sơ đồ các khóa IGBT.

Hình 5.12: Bộ điều khiển tách.
Hình 5.13: Xác định thành phần dq của dòng điện.
Hình 5.14: Xác định điện áp pha tham chiếu.
Hình 5.15: Bô ̣ phát xung PWM sin.
Hình 5.16: Đáp ƣ́ng tố c đô ̣ khi vâ ̣n tố c gió tăng.
Hình 5.17: Đáp ƣ́ng tố c đô ̣ khi vâ ̣n tố c gió giảm .
Hình 5.18: Tốc độ gió (m/s).
Hình 5.19: Đáp ứng tốc độ của rotor máy phát.
Hình 5.20: Hệ số Cp.
Hình 5.21: Góc nghiêng của cánh quạt β.
Hình 5.22: So So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW.
Hình 5.23: Kết quả các vùng làm việc của DFIG.

xiii

61
61
62
63
64
64
65
66
67
68
68
68

68
70

71


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1

1.1 GIỚI THIÊU
̣ TỔNG QUAN.
Gió là một nguồn năng lƣợng miễn phí, sạch và vô tận. Nó đã đáp ứng tốt
cho loài ngƣời ở nhiều nƣớc bằng việc cung cấp lực đẩy tàu thủy và truyền động các
turbine gió để xay ngũ cốc và bơm nƣớc. Sự quan tâm đến năng lƣợng gió đã tụt
hậu, khi sản phẩm dầu mỏ rẻ và phong phú sau chiến tranh thế giới lần thứ II. Chi
phí vốn cao và sự không chắc chắn của hƣớng gió đƣa năng lƣợng gió vào tình thế
bất lợi về kinh tế. Sau đó vào năm 1973, nƣớc Arab đặt lệnh cấm vận dầu mỏ.
Những ngày của dầu mỏ rẻ và phong phú đã đi đến kết thúc. Con ngƣời bắt đầu
nhận thức rằng nguồn cung cấp dầu của thế giới sẽ không kéo dài mãi mãi và nguồn
cung cấp còn lại cần đƣợc bảo tồn cho nền công nghiệp hóa học dầu mỏ. Ví dụ việc
sử dụng dầu làm nhiên liệu lò hơi sẽ phải đƣợc loại bỏ. Các nguồn năng lƣợng khác
ngoài dầu và khí tự nhiên phải đƣợc phát triển.
Hai nguồn năng lƣợng ngoài dầu mỏ mà đã đƣợc giả định để cung cấp cho
nhu cầu năng lƣợng trong thời gian dài của United States là than đá và năng lƣợng
hạt nhân. Nhiều ngƣời nghỉ có đủ than cho vài thế kỷ với mức tiêu thụ nhƣ hiện nay
(2006) và tƣơng tự nhƣ vậy cho năng lƣợng hạt nhân sau khi lò phản ứng tái sinh
đƣợc khai thác hoàn toàn. Đây là các nguồn thông tin đã đƣợc chứng minh, trong ý

nghĩa đó công nghệ đƣợc phát triển cao và lƣợng lớn than đá và hạt nhân cấp nguồn
cho nhà máy phát điện thì đang hoạt động và cung cấp khối năng lƣợng đáng kể đến
khách hàng. Thật không may, cả hai than đá và hạt nhân phát sinh các vấn đề thuộc
về môi trƣờng đáng sợ. Than đòi hỏi hoạt động khai thác qui mô lớn, đất để lại thì
khó hoặc không thể khôi phục lại sự hữu ích trong nhiều trƣờng hợp. Sự đốt cháy
than có thể làm đảo lộn cân bằng nhiệt của hành tinh. Việc sinh ra khí carbon
dioxide và sulfur dioxide có thể ảnh hƣởng đến khí quyển và khả năng của hành

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

1

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

tinh làm ra lƣơng thực cho con ngƣời. Than đá cũng là một nguyên liệu hóa học dầu
mỏ và nhiều ngƣời cho là đốt nó nhƣ nguyên liệu lò hơn thật dại dột. Năng lƣợng
hạt nhân có một vài lợi thế hơn than đá trong đó không có carbon dioxide hoă ̣c
sulfur dioxide đƣợc sinh ra, các hoạt động khai mỏ thì có qui mô nhỏ hơn và nó
không có tác dụng chủ yếu khác ngoài việc cung cấp nhiệt. Khó khăn chính là vấn
đề xử lý chất thải, trong đó vì những lo ngại của nhiều ngƣời, có lẽ sẽ không bao
giờ có giải pháp thật sự thỏa mãn.
Vì những vấn đề này, năng lƣợng gió và dạng khác nhƣ năng lƣợng mặt trời
đang đƣợc khuyến khích mạnh mẽ. Năng lƣợng gió có thể trở thành nguồn năng
lƣợng chính mặt dù chi phí hơi cao so với năng lƣợng than đá và hạt nhân vì về cơ
bản các vấn đề phi kinh tế và chính trị của năng lƣợng than đá và hạt nhân. Điều

này không nói rằng chi phí cho năng lƣợng gió sẽ luôn luôn cao hơn năng lƣợng
than đá và hạt nhân. Vì sự tiến bộ đáng kể đang thực hiện trong việc làm năng
lƣợng gió ít tốn kém. Nhƣng thậm chí không có lợi thế về chi phí rõ ràng, năng
lƣợng gió cũng có thể trở thành dạng năng lƣợng quan trọng thật sự trong bức tranh
năng lƣợng thế giới.
Sự biến đổi năng lƣợng gió đƣợc thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy
phát, có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi. Có nhiều lý do cho việc
sử dụng hệ thống biến đổi năng lƣợng gió có tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng
nhất là phạm vi thay đổi tốc độ theo pha ̣m vi thay đổ i của vâ ̣n tố c gió

rộng cho

phép điều khiển tối ƣu công suất nhận đƣợc từ gió, giảm ứng lực tác động lên kết
cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột và khả năng điều khiển công suất
tác dụng và công suất phản kháng.
Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lƣợng gió trang bị máy phát điện
cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG (Doubly Fed Induction Generator), stator đƣợc
kết nối trực tiếp với lƣới điện còn rotor nối thông qua một bộ biến đổi công suất,
máy phát đƣợc điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên phía rotor. Ƣu điểm
nổi bậc khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 -

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

2

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

30% của tổng công suất phát, nghĩa là giảm đƣợc tổn hao trong linh kiện điện tử
công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát nhƣ hệ thống biến
đổi năng lƣợng gió sử dụng máy phát đồng bộ (SG). Với các ƣu điểm trên, máy
phát không đồng bộ DFIG xem là giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng
lƣợng gió tốc độ thay đổi.
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Đề xuất kỹ thuật mới, đơn giản cho viê ̣c tìm kiếm điểm điểm cực đại công
suất phát (MPPT) sƣ̉ du ̣ng hê ̣ thố ng máy phát năng lƣơ ̣ng gió DFIG làm viê ̣c trong
lƣới điê ̣n.
- Kế t quả đa ̣t đƣơ ̣c phải đƣơ ̣c so sánh với sản phẩm thƣ̣c tế để chƣ́ng minh
tính đúng đắn của kỹ thuật đề xuất.
1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, đề xuất thuật toán điều khiển và xây dựng
mô hiǹ h mô phỏng hê ̣ thố ng máy phát điện cảm ứng cấp nguồn hai phía DIFG đƣợc
ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió (WECS).
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề nhƣ sau:
- Đề xuấ t thuâ ̣t toán MPPT.
- Mô hình hóa và mô phỏng hê ̣ thố ng máy phát DFIG kế t nố i lƣới với nút
vô hạn.
- Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có
sự hay đổi tham số mô hình. So sánh kết quả đạt đƣợc với số liệu thực tế của hảng
Nordex chƣ́ng minh sƣ̣ đúng đắ n của thuâ ̣t toán đề xuấ t .

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

3

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra bằng mô phỏng, so sánh với số liê ̣u thƣ̣c tế .
1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
- Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan.
- Tìm hiểu về tổng quan về năng lƣợng gió.
- Tìm hiểu các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió đang áp dụng
trên thế giới và so sánh ƣu nhƣợc điểm của các cấu hình này.
- Xây dụng mối quan hệ giữa các thông số trong máy phát điện cảm ứng
DFIG.
- Đƣa ra giải thuật tìm kiếm điểm điểm cực đại công suất phát cho DFIG.
- Mô phỏng trên PSCad và so sánh với số liê ̣u thƣ̣c tế của hảng Nordex

.

Nhâ ̣n xét kế t quả .
1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Có thể ứng dụng vào thực tế trong ngành điện sử dụng năng lƣợng gió.
- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển nghiên cứu đề án sự
xâm nhập của năng lƣợng gió vào hệ thống điện Việt Nam.
1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về năng lƣợng gió.

Chƣơng 3: Mô hình toán học DFIG trong các hệ trục tọa độ αβ và dq.
Chƣơng 4: Đề xuấ t thuâ ̣t toán tìm kiế m điể m cƣ̣c đa ̣i công suấ t phấ t .
Chƣơng 5: Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả.
Chƣơng 6: Kế t luâ ̣n và đề xuất những hƣớng nghiên cứu tiếp theo.

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

4

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ.
2

2.1 NĂNG LƢỢNG GIÓ.
Xét một khối không khí với khối lƣợng m đang di chuyển với vận tốc v.
Năng lƣợng động năng KE đƣợc cho bởi biểu thức quen thuộc sau:
1

KE = mv 2

(2.1)

2

Công suất là năng lƣợng theo thời gian, công suất qua diện tích A tƣơng
ứng khối lƣợng không khí di chuyển với vận tốc v là:

Công suất qua diện tích A =

Năng lƣợng
Th ời gian

=

1

𝑚

2 Th ơi gian

𝑣2

(2.2)

Lƣu lƣợng theo khối lƣợng 𝑚, qua diện tích A là tích của mật độ không khí
ρ, vận tốc v, và diện tích phần mặt cắt ngang A:
𝑚 = 𝜌𝐴𝑣

(2.3)

Kết hợp (2.3) với (2.2) ta đƣợc mối quan hệ quan trọng:
1

𝑃𝑤 = 𝜌𝐴𝑣 3

(2.4)

2

Trong hệ đơn vị S.I. Pw là công suất trong gió (watts); ρ là mật độ không
khí (kg/m3) (tại 15◦C và 1 atm, ρ = 1,225 kg/m3); A là diện tích mặt cắt ngang mà
gió đi qua (m2); và v là vận tốc gió bình thƣờng đến diê ̣n tić h mă ̣t cắ t A (m/s). Hình
2.1 cho thấ y công suất gió trên 1 m2 mặt cắt ngang tại 15◦C và 1 atm.
Hiển nhiên cần quan tâm là năng lƣợng trong một khoảng vận tốc gió. Với
mối quan hệ phi tuyến giữa công suất và vận tốc gió, cần lƣu ý là không thể sử dụng

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

5

HVTH: Châu Minh Đa ̣o