ứng dụng matlab simulink mô phỏng converter điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép dfig

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ
PHỎNG CONVERTER ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP DFIG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Ths. Hoàng Đăng Khoa

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Tô Minh Nguyện
MSSV: 1111021
Ngành: Kỹ Thuật Điện – Khóa: 37

Tháng 5/2015



Tóm tắt đề tài

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề cho đề tài
Khi mức sống của ngƣời dân càng cao, nền kinh tế ngày càng hiện đại thì
nhu cầu về năng lƣợng cũng ngày càng lớn và việc phát triển điện năng thực sự là
một thách thức đối với nhiều quốc gia. Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về

năng lƣợng đồng thời bảo vệ môi trƣờng, phát triển bền vững, những nguồn năng
lƣợng sạch đã và đang đƣợc thế giới quan tâm nhiều hơn. Những nguồn năng lƣợng
vô tận từ thiên nhiên bao gồm năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa
nhiệt, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng thủy triều…Tất cả những loại năng lƣợng
sạch này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên
nhiên, môi trƣờng....Trong đó phát triển năng lƣợng gió đƣợc ƣu tiên hàng đầu. Ƣu
điểm của năng lƣợng gió là dễ khai thác, thời gian xây dựng ngắn và chi phí vận
hành tƣơng đối thấp.
Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lƣợng này
trong tƣơng lai thì công nghệ phải đƣợc cải tiến, chi phí xây dựng phải thấp và giá
mua điện phải cao hơn mức giá hiện tại.
Giới thiệu đề tài
Năng lƣợng gió biến đổi thành điện năng thông qua turbine gió và máy
phát. Nhƣng trong thực tế, vận tốc gió luôn biến đổi nên hệ thống biến đổi năng
lƣợng gió tốc độ thay đổi đƣợc sử dụng rộng rãi. Bộ converter điều khiển tối ƣu
công suất nhận đƣợc từ gió, giảm lực tác động lên kết cấu cơ khí và có khả năng
điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách độc lập.
Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió làm việc ở tốc độ thay đổi thì sử dụng
máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG là phù hợp nhất trong thời điểm hiện tại.
Bộ converter là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi khoảng 1/3 tổng công suất
máy 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 từ đó giảm đƣợc chi phí đầu tƣ.

SVTH: Tô Minh Nguyện

i


Tóm tắt đề tài

Hệ thống DFIG kết nối trực tiếp với lƣới điện phải có khả năng điều khiển
độc lập giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng để duy trì hệ số công suất
cũng nhƣ ổn định điện áp lƣới trong giới hạn cho phép, góp phần nâng cao chất
lƣợng điện năng và độ tin cậy của hệ thống điện. Bộ converter là bộ phận thực hiện
vai trò này. Do đó, đề tài: “Ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng bộ converter điều
khiển máy phát phát điện gió DFIG ” nhằm tìm hiểu và xây dựng mô hình điều
khiển của bộ converter.
Điểm nhấn của luận văn
- Xây dựng mô hình toán học bộ converter điều khiển máy phát điện gió
không đồng bộ nguồn kép DFIG.
- Tìm hiểu hệ thống máy phát DFIG và bộ chuyển đổi công suất Converter.
- Dùng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng bộ converter điều khiển
máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG.
Kết cấu của đề tài
Nội dung chính của đề tài gồm 6 chƣơng:
CHƢƠNG 1: Tổng quan về năng lƣợng điện gió
CHƢƠNG 2: Hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió
CHƢƠNG 3: Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG
CHƢƠNG 4: Xây dựng mô hình điều khiển converter
CHƢƠNG 5: Mô hình điều khiển converter trong matlab simulink
CHƢƠNG 6: Kết luận và kiến nghị

SVTH: Tô Minh Nguyện

ii


Mục lục

MỤC LỤC

CHƢƠNG: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG ĐIỆN GIÓ ........................... 1
1.1. Lịch sử phát triển năng lƣợng gió ........................................................... 1
1.1.1. Quá trình hình thành năng lƣợng gió ................................................ 1
1.1.2. Quá trình sử dụng năng lƣợng gió .................................................... 2
1.2. Những thuận lợi và hạn chế khi sử dụng gió để sản xuất điện ............... 8
1.3. Tình hình phát triển điện gió trên thế.................................................... 10
1.3.1. Tình hình chung ................................................................................. 10
1.3.2. Công nghệ điện gió ......................................................................... 14
1.3.3. Các cƣờng quốc điện gió của thế giới ............................................. 16
1.3.3.1. Công suất điện gió tính theo mật độ dân số .............................. 16
1.3.3.2. Công suất điện gió tính theo công suất lắp đặt ......................... 17
1.3.3.3. Triển vọng tƣơng lai của điện gió ............................................. 20
1.4. Tình hình phát triển điện gió ở Việt Nam ............................................. 21
1.4.1. Tiềm năng lƣợng điện gió ............................................................... 21
1.4.2. Các dự án điện gió ở Việt Nam ....................................................... 24
1.4.3. Thuận lợi và khó khăn về phát triển điện gió ................................. 26
CHƢƠNG II: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ ............... 28
2.1. Năng lƣợng gió...................................................................................... 28
2.2. Cấu tạo hệ thống năng gió..................................................................... 30
2.2.1. Tháp đỡ ........................................................................................... 30
2.2.2. Cánh quạt tuabin ............................................................................. 31
2.2.3. Bộ phận điều khiển hƣớng gió (hệ thống yaw) ............................... 32

SVTH: Tô Minh Nguyện

iii

Mục lục

2.2.4. Hộp số ............................................................................................. 32
2.2.5. Máy phát điện trong tuabin gió ....................................................... 33
2.2.6. Bộ phận đo tốc độ gió ..................................................................... 34
2.3. Thành phần máy phát điện gió .............................................................. 35
2.3.1. Phân loại cánh quạt turbine gió ....................................................... 35
2.3.1.1. Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục đứng .............................. 35
2.3.1.2. Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục ngang ............................ 36
2.3.1.3. So sánh cánh quạt turbine bố trí theo trục đứng và cánh quạt
turbine bố trí theo trục ngang ................................................................. 37
2.3.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lƣợng gió .................. 37
2.3.3. Các loại hệ thống turbine gió .......................................................... 38
2.3.3.1. Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ cố định..................... 38
2.3.3.2. Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ thay đổi ................. 39
2.3.4. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát nguồn kép ...... 41
2.4.1. Rotor ................................................................................................ 45
2.4.2. Trụ tháp ........................................................................................... 46
2.4.3. Hộp số ............................................................................................. 47
2.4.4. Máy phát.......................................................................................... 48
2.4.5. Hệ thống góc pitch .......................................................................... 48
2.4.6. Hệ thống yaw .................................................................................. 49
CHƢƠNG III: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
NGUỒN KÉP DFIG ....................................................................................... 50
3.1. Tổng quan về turbine gió máy phát điện nguồn kép DFIG .................. 50
3.2. Mô hình turbine gió với máy phát điện nguồn kép DFIG .................... 52
3.2.1. Mô hình turbine gió......................................................................... 52
3.2.2. Phƣơng trình chuyển đổi hệ qui chiếu ............................................ 55

SVTH: Tô Minh Nguyện

iv


Mục lục

3.2.2.1. Phƣơng trình chuyển đổi từ hệ abc sang hệ αβ ......................... 55
3.2.2.2. Phƣơng trình chuyển đổi từ hệ abc sang hệ dq ......................... 56
3.2.3. Mô hình toán học của DFIG ........................................................... 57
3.2.3.1. Mô hình toán học của DFIG trong hệ trục toạ độ tĩnh αβ ........ 58
3.2.3.2. Mô hình toán học của DFIG trong hệ trục toạ độ đồng bộ dq .. 60
CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CONVERTER ....... 63
4.1. Hệ thống máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG ................... 63
4.1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................... 63
4.1.2. Cấu tạo của máy phát DFIG ............................................................ 64
4.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện DFIG .............................. 65
4.2. Xây dựng mô hình converter điều khiển máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép (DFIG) ........................................................................................ 67
4.2.1. Điều khiển converter phía lƣới (GSC) ............................................ 67
4.2.2. Điều khiển converter phía rotor (RSC) ........................................... 69
CHƢƠNG V: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CONVERTER
TRONG MATLAB SIMULINK .................................................................... 71
5.1. Mô hình converter điều khiển máy phát điện DFIG 1.5 MW .............. 72
5.1.1. Khối tính Ps và Qs........................................................................... 76
5.1.1.1. Khối “abc2dq”........................................................................... 76
5.1.2. Mô hình điều khiển converter phía rotor ........................................ 78
5.1.2.1. Khối “Tính ims” ........................................................................ 79
5.1.2.2. Khối “Tính voltage” .................................................................. 80
5.1.2.3. Mô hình khối PWM .................................................................. 80
5.1.2.4. Bộ điều chỉnh PID Setpiont weighting và Anti-Windup .......... 82

5.1.3. Mô hình điền khiển convertor phía lƣới ......................................... 82
5.1.3.1. Khối “calculate Pr” ................................................................... 83

SVTH: Tô Minh Nguyện

v


Mục lục

5.1.3.2. Khối DC link điều khiển điện áp DC ........................................ 85
5.1.3.3. Khối tính góc deta ..................................................................... 85
5.1.3.4. Khối abc sang dq ....................................................................... 86
5.1.3.5. Khối Vdq sang idq .................................................................... 87
5.1.3.6. Khối tính id và iq ...................................................................... 87
5.1.3.7. Khối “Calculate P&Q” .............................................................. 88
5.1.4. Mô hình bộ nghịch lƣu cấp nguồn cho rotor máy phát ................... 88
5.2. Kết quả mô phỏng và nhận xét.............................................................. 89
5.2.1. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 89
5.2.1.1. Kết quả mô phỏng với tốc độ gió cố định ................................. 89
5.2.1.2. Kết quả mô phỏng với tốc độ gió thay đổi ................................ 93
5.2.2. Nhận xét .......................................................................................... 96
CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................ 98
6.1. Kết luận ................................................................................................. 98
6.2. Kiến nghị ............................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 100

SVTH: Tô Minh Nguyện

vi

Mục lục hình

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1: Tốc độ gió nguồn từ vệ tinh NASA's Quick Scatterometer (QuikSCAT) ..1
Hình 1.2: Những cối xay gió đầu tiên đƣợc dựng lên ở Ba Tƣ vào khoảng thế kỉ thứ
V .................................................................................................................2
Hình 1.3: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 ...................................................3
Hình 1.4 : Chiếc máy bơm nƣớc chạy bằng sức gió phía Tây nƣớc Mỹ những năm
1800………………………………………………………………………4
Hình 1.5: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo ....................................5
Hình 1.6: Máy phát Gedser công suất 200kW ............................................................6
Hình 1.7: Một số loại turbine gió đƣợc sử dụng phổ biến điện nay .........................11
Hình 1.8: Tình hình phát triển năng lƣợng điện gió toàn cầu theo số liệu thống kê
của hội đồng năng lƣợng gió toàn cầu (GWEC) năm 2014[3].................13
Hình 1.9: Công suất điện gió lắp đặt hàng năm từ 1997-2014 (theo GWEC)[4] .....14
Hình 1.10: Cột turbine điện gió lớn nhất thế giới hiện nay Vestas V164-8.0 MW
Đan Mạch ................................................................................................15
Hình 1.11: Đồ thị 1 mô tả thứ tự các nƣớc phát triển điện gió với số liệu ở thời điểm
2012 (theo QWEC)[4] .............................................................................16
Hình 1.12: Đồ thị 2 mô tả thứ tự 15 nƣớc phát triển điện gió nhất với số liệu ở thời
điểm năm 2012 (theo GWEC)[4] ............................................................17
Hinh 1.13: Công suất điện gió lắp đặt tại các quốc gia dẫn đầu từ năm 1980-2013
(theo GEWC)[4] ......................................................................................18
Hình 1.14: Công suất năng lƣợng điện gió toàn cầu từ năm 1997-2014 (theo
GWEC)[4] ...............................................................................................19
Hình 1.15: Mƣời nƣớc có năng lƣợng điện gió lắp đặt lớn nhất năm 2013 (theo
GWEC)[4] ...............................................................................................19

Hình 1.16: Các turbine điện gió đƣợc lắp đặt tại Việt Nam .....................................22
Hình 1.17: Bản đồ phân bố tốc độ gióViệt Nam ở độ cao 80 mét (2010) ................23
Hình 2.1: Tháp đỡ hình trụ ........................................................................................30
Hình 2.2. Cánh quạt turbine. .....................................................................................31
Hình 2.2: Cánh của turbine gió .................................................................................31
Hình 2.3: Bộ phận điều khiển hƣớng gió ..................................................................32

SVTH: Tô Minh Nguyện

vii


Mục lục hình

Hình 2.4: Hộp số và máy phát điện ...........................................................................33
Hình 2.5: Bộ phận đo tốc độ gió ...............................................................................34
Hình 2.7: Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục ngang ............................................36
Hình 2.6: Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục đứng ..............................................35
Hình 2.8: Máy phát DFIG .........................................................................................38
Hình 2.9: Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ cố định ..................................39
Hình 2.10: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi với máy phát
đồng bộ ....................................................................................................40
Hình 2.11: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi với máy phát không
đồng bộ nguồn kép ..................................................................................41
Hình 2.12: Cấu trúc của hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIG .......41
Hình 2.13: Tuabin điện gió GE 1.6 của Mỹ ..............................................................43
Hình 2.14: Cấu tạo của turbine GE ...........................................................................44
Hình 2.16: Trụ tuabin GE 1.6 MW ...........................................................................46
Hình 2.17: Móng turbine xây dựng trên biển ở Bạc Liêu .........................................47
Hình 2.18: Hộp số turbine gió ...................................................................................47

Hình 2.19: Hệ thống điều khiển góc pitch ................................................................48
Hình 2.20: Hệ thống yaw ..........................................................................................49
Hình 3.1: Tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG .......................................50
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa công suất và tốc độ cánh quạt ở nhiều cấp tốc độ gió
khác nhau ..................................................................................................52
Hình 3.4: Quan hệ Cp và λ.........................................................................................53
Hình 3.5: Mô hình turbine gió[8],[9] ........................................................................54
Hình 3.6: Mối liên hệ giữa trục toạ độ abc và αβ[2] .................................................55
Hình 3.7: Mối liên hệ giữa trục abc và dq[2] ............................................................56
Hình 3.8: Sơ đồ tƣơng đƣơng RL của stator và rotor ...............................................57
Hình 3.9: Mạch tƣơng đƣơng máyđiện DFIG trong hệ trục  ...............................59
Hình 4.10. Mạch tƣơng đƣơng máyđiện DFIG trong hệ toạ độ đồng bộ dq. ...........60
Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động của máy phát điện………………………………...65
Hình 4.2: Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lƣới ................................................68
Hình 5.1: Mô hình tổng thể điều khiển converter của máy phát điện
DFIG (1.5MW) .........................................................................................72
Hình 5.2: Sơ đồ tổng quát của khối CONVERTER..................................................74
Hình 5.3: Sơ đồ chi tiết của khối CONVERTER......................................................75

SVTH: Tô Minh Nguyện

viii


Mục lục hình

Hình 5.4: Sơ đồ khối tính Ps&Qs ..............................................................................76
Hình 5.5: Sơ đồ khối abc2dq .....................................................................................76
Hình 5.6: Sơ đồ khối tính vdq ...................................................................................77
Hình 5.7: Sơ đồ khối tính idq ....................................................................................77

Hình 5.8: Sơ đồ khối tính P&Q .................................................................................78
Hình 5.9: Mô hình điều khiển converter phía rotor ..................................................78
Hình 5.10: Khối “Tính ims” tính toán vị trí rotor và dòng từ hóa ............................79
Hình 5.11: Mô hình abc →anphabeta .......................................................................79
Hình 5.12. Khối “tính voltage” tính điện áp điều chỉnh rotor ...................................80
Hình 5.13: Mô hình khối PWM ................................................................................80
Hình 5.14: Khối vdq-vabc .........................................................................................81
Hình 5.15: Khối PWM chi tiết ..................................................................................81
Hình 5.16: Bộ điều chỉnh PID Setpiont weighting và Anti-Windup ........................82
Hình 5.17: Mô hình điền khiển convertor phía rotor ................................................82
Hình 5.19: Khối chuyển tọa độ abc sang tọa độ dq ..................................................83
Hình 5.20: Khối tính vdq ..........................................................................................84
Hình 6.21. Khối tính idq. ..........................................................................................84
Hình 5.21: Khối tính idq ...........................................................................................84
Hình 5.22: Khối tính Pr&Qr......................................................................................85
Hình 5.23: Khối DC-link điều khiển điện áp DC .....................................................85
Hình 5.24: Tính góc deta ...........................................................................................85
Hình 5.25: Khối abc2anphabe ...................................................................................86
Hình 5.26: Khối chuyển tọa độ abc sang dq .............................................................86
Hình 5.27: Khối Vdq-idq ..........................................................................................87
Hình 5.28: Khối tính id và iq ....................................................................................87
Hình 5.29: Khối Calculate PQ ..................................................................................88
Hình 5.30: Mô hình bộ nghịch lƣu cấp nguồn cho rotor máy phát ...........................88
Hình 5.31: Kết quả điều khiển converter của động cơ DFIG 1.5MW với tốc độ gió
cố định .....................................................................................................92
Hình 5.32: Kết quả điều khiển converter của động cơ DFIG 1.5MW với tốc độ gió
thay đổi. ...................................................................................................96

SVTH: Tô Minh Nguyện

ix


Mục lục bảng

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80m so với mặt đất năm 2010…23
Bảng 2.1: Các cấp độ gió tại vị trí cách mặt đất 10m và 30m[1] ..............................30

SVTH: Tô Minh Nguyện

x


Danh sách ký hiệu

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU

A
At: Diện tích mặt cắt của tuabin gió [m2]
B
B: Hệ số rung [N.m/s]
C
Cp: Hiệu suất rotor hay hiệu suất của cánh quạt tuabin
CDC: Điện dung trung gian của converter [F]
G
γ: Tỉ số của tốc độ gió
I
is: Dòng điện stator [A]

ir: Dòng điện rotor [A]
ims: Dòng điện từ hóa [A]
id: Dòng điện trục d trong hệ qui chiếu dq [A]
iq: Dòng điện trục q trong hệ qui chiếu dq [A]
J
JG: Moment quán tính máy phát [kg.m2]
JT: Moment quán tính tuabin [kg.m2]
K
Ks: Độ cứng thanh truyền [N.m/rad]
L
Ls: Điện cảm stator [H]
Lr: Điện cảm rotor [H]
Lm: Điện cảm từ hóa [H]

SVTH: Tô Minh Nguyện

xi


Danh sách ký hiệu

λ: Tỉ số tốc độ
Lsλ: Điện cảm rò dây quấn stator [H]
Lrλ: Điện cảm rò dây quấn rotor [H]
Lf: Điện cảm cuộn kháng lọc converter phía lƣới [H]

M
mf: Tỉ số điều chế tần số
ma: Tỉ số điều chế biên độ
N

Nr: Số vòng dây quấn rotor
Ns: Số vòng dây quấn stator
ngear: Tỉ số hộp số
O
ωturb: Vận tốc của tuabin [rad/s]
ωr: Vận tốc góc của rotor [rad/s]
ωs: Vận tốc góc của stator [rad/s]
ωm: Vận tốc góc cơ trục rotor máy phát [rad/s]
ωslip: Tốc độ trƣợt máy phát [rad/s]
P
Ptotal: Tổng công suất máy phát DFIG [W]
Ps: Công suất stator máy phát [W]
Pr: Công suất rotor máy phát [W]
Pgird: Công suất converter phía lƣới [W]
Pm: Công suất điện từ [W]
Pturb: Công suất tuabin [W]
p: Số cặp cực

SVTH: Tô Minh Nguyện

xii


Danh sách ký hiệu

P: là năng lƣợng hấp thu [W]
ψds: Từ thông trục d stator [Wb]
ψqs: Từ thông trục q stator [Wb]
ψdr: Từ thông trục d rotor [Wb]
ψqr: Từ thông trục q rotor [Wb]

Q
Qs: Công suất phản kháng cực stator [VAr]
Qr: Công suất phản kháng cực rotor [VAr]
Qg: Công suất phản kháng converter phía lƣới [VAr]
R
Rf: Điện trở cuộn kháng lọc converter phía lƣới [Ω]
ρ: Mật độ không khí [kg/m3]
R: Bán kính cánh quạt [m]
Rs: Điện trở stator [Ω]
S
s: Độ trƣợt của máy phát
T
Tturb: Moment trục tuabin [Nm]
Tshaft: Moment trục thanh truyền [N.m]
Te: Moment điện từ [N.m]
V
Vd: Tốc độ gió sau cánh quạt [m/s]
V: Tốc độ gió đi vào cánh quạt [m/s]
Vw: Vận tốc gió đi qua cánh quạt [m/s]
va: Điện áp pha a [V]
vb: Điện áp pha b [V]
vc: Điện áp pha c [V]

SVTH: Tô Minh Nguyện

xiii


Danh sách ký hiệu

vd: Điện áp trục d trong hệ qui chiếu dq [V]
vq: Điện áp trục q trong hệ qui chiếu dq [V]
vα: Điện áp trục α trong hệ qui chiếu αβ[V]
vβ: Điện áp trục trong β hệ qui chiếu αβ[V]
U
UDC: Điện áp một chiều trung gian của converter [V]
* Các ký hiệu chỉ số:
- Chỉ số trên:
s : Qui về phía stator
r : Qui về phía rotor
ref hoặc * : Giá trị đặt
- Chỉ số dƣới:
s: Các đại lƣợng của stator
r: Các đại lƣợng của rotor
T: Các đại lƣợng của tuabin
d, q: Các đại lƣợng qui chiếu trục d hoặc q trong hệ qui chiếu dq
αβ: Các đại lƣợng qui chiếu trục α hoặc βtrong hệ qui chiếu αβ
a, b, c: Các đại lƣợng pha a, pha b, pha c tƣơng ứng

SVTH: Tô Minh Nguyện

xiv


Danh sách ký hiệu

DANH SÁCH CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

AC: Active Current
DC: Direction Current

DFIG: Doubly - Fed Induction Generator
DFIM: Doubly - Fed Induction Machine
GSC: Gird Side Converter
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
PI: Proportional Integrator
PID: Proportional Integrator Derivation
PWM: Pulse-Width Modulation
RSC: Rotor Side Converter
V/f: Voltage/frequency
VSC: Voltage-Source Converters

SVTH: Tô Minh Nguyện

xv


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

CHƢƠNG I

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG ĐIỆN GIÓ

1.1. Lịch sử phát triển năng lƣợng gió
1.1.1. Quá trình hình thành năng lƣợng gió
Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt đất không đồng đều làm cho bầu khí
quyển, nƣớc và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của trái đất, mặt
ban đêm, bị che khuất không nhận đƣợc bức xạ của mặt trời và thêm vào đó là bức
xạ mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau
về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và hai cực
cũng nhƣ không khí giữa mặt ban ngày và ban đêm của trái đất di động tạo thành

gió. Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay
của trái đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo trái đất tạo thành khi quay
quanh mặt trời) nên cũng tạo thành các dòng không khi theo mùa.

Hình 1.1: Tốc độ gió nguồn từ vệ tinh NASA's Quick Scatterometer (QuikSCAT)
Do bị ảnh hƣởng bởi hiệu ứng Coriolis đƣợc tạo thành từ sự quay quanh
trục của trái đất nên không khí từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển
động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa bắc bán

SVTH: Tô Minh Nguyện

1


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

cầu và nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên bắc bán cầu không khí di chuyển
vào một vùng áp thấp ngƣợc với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao
theo chiều kim đồng hồ, trên nam bán cầu thì chiều hƣớng ngƣợc lại.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hƣởng bởi địa hình
tại từng địa phƣơng. Do nƣớc và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất
nóng lên nhanh hơn nƣớc, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển
hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nƣớc và hiệu ứng xảy
ra theo chiều ngƣợc lại.
1.1.2. Quá trình sử dụng năng lƣợng gió
Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con
người phải tìm các nguồn năng lƣợng mới thay thế, một trong số đó là năng lƣợng
gió. Những năm về sau, rất nhiều các chƣơng trình nghiên cứu và phát triển năng
lƣợng gió đƣợc thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án
nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện.

Hình 1.2: Những cối xay gió đầu tiên được dựng lên ở
Ba Tư vào khoảng thế kỉ thứ V
Lịch sử phát triển của thế giới loài ngƣời đã chứng kiến những ứng dụng
của năng lƣợng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió
giúp các thiết bị bơm nƣớc hoạt động và gió thổi vào cánh buồm giúp đƣa các con
thuyền đi xa.

SVTH: Tô Minh Nguyện

2


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

Theo những tài liệu cổ còn giữ lại đƣợc thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc
cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900
sau CN tại Ba Tƣ (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh
đón gió đƣợc bố trí xung quanh một trục đứng đƣợc làm từ những bó lau sậy hay
những tấm gỗ. Những bản hứng gió này đƣợc gắn vào cần trung tâm sử dụng thanh
chống ngang. Kích thƣớc của bản hứng gió đƣợc quyết định bởi các vật liệu sử
dụng thƣờng thì là dài 5m và cao 9m.
Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu
(Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phƣơng ngang, chúng phức tạp
hơn mô hình thiết kế tại Ba Tƣ. Cối xay hạt đƣợc sử dụng hầu hết ở Âu Châu, ngƣời
Pháp thu nhập kỹ thuật này vào năm 1105 sau Công Nguyên và ở Anh năm 1191
trƣớc Công Nguyên. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng đƣợc lực nâng
khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lƣợng gió
của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm
500 - 900 tại Ba Tƣ.

Hình 1.3: Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13
Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió
càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực
ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các
thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải.
Ngƣời Hà Lan, với nhà thiết kế Jan Adrianenszoon, là những ngƣời đi tiên
phong trong việc thiết kế ra những loại cối xay này. Chúng đã tạo nên sự phát triển

SVTH: Tô Minh Nguyện

3


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

trong lĩnh vực thiết kế và phát minh vài loại cối xay. Ngoài việc xay hạt, cối xay gió
còn đƣợc dùng để tháo nƣớc những vùng đầm lầy ở Hà Lan. Những cối xay gió này
đƣợc du nhập vào Mỹ vào khoảng những năm 1700, nhờ vào thực dân Hà Lan. Loại
này mô phỏng theo cối xay gió bơm nƣớc đƣợc cho là một trong những ứng dụng
thành công của năng lƣợng gió. Turbine gió nhiều cánh xuất hiện trong lịch sử năng
lƣợng gió vào khoảng những năm 1800. Rotor tƣơng đối nhỏ có đƣờng kính khoảng
từ một đến vài mét đƣợc sử dụng chủ yếu để bơm nƣớc từ vài mét dƣới mặt đất để
phục vụ cho nông nghiệp. Những máy bơm nƣớc này với những cánh quạt bằng
kim loại và thiết kế cải tiến hơn.
Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị
chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới
với những công cụ mới: máy chạy hơi nước.

Hình 1.4: Chiếc máy bơm nƣớc chạy bằng sức gió

phía Tây nƣớc Mỹ những năm 1800
Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió
đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Có đặc điểm sau:
* Cánh đƣợc ghép thành xuyến tròn, đƣờng kính vòng ngoài 17m;
* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục
máy phát;
* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút;
* Công suất phát định mức là 12kW.

SVTH: Tô Minh Nguyện

4


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

Hình 1.5: Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo
Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy
nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể. Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul
La Cour năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy
bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện
năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy
nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Mặc dù gặp khó khăn do không có thị
trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và
lắp đặt.
Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 đến 3 kW được lắp đặt tại vùng
nông thôn của Đồng bằng lớn, Mỹ, vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava
công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW,
lắp đặt tại đảo Gedser, đông nam Đan Mạch. Sự phát triển của máy phát điện chạy
sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm sau:

- Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước
Tây Âu như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan;
- Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW.

SVTH: Tô Minh Nguyện

5


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

Hình 1.6: Máy phát Gedser công suất 200kW
Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm
1900. Tuabin gió hiện đại đầu tiên đƣợc thiết kế đặc biệt cho máy phát đƣợc xây
dựng bởi ngƣời Đan Mạch trong năm 1890. Nó cung cấp điện cho vùng nông thôn.
Lần đầu tiên hộp truyền động gia tốc đƣợc giới thiệu trong mẫu thiết kế. Hệ thống
này hoạt động trong 20 năm với công suất định mức là 12kW.
Nhiều phƣơng pháp hệ thống cũng đƣợc ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật
của turbine trong suốt giai đoạn này. Với kết cấu vững chắc thấp và cánh quạt thiết
kế theo động lực học, những hệ thống này đã hoạt động một cách ấn tƣợng. Năm
1910, vài trăm loại máy kiểu này đã cung cấp điện năng cho những ngôi làng ở Đan
Mạch. Vào khoảng năm 1925, máy phát điện bằng sức gió đã có mặt trên thị trƣờng
Mỹ.
Nhà máy năng lƣợng gió thực nghiệm sau đó đƣợc xây dựng ở các nƣớc
khác nhƣ Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức, Anh. Một sự phát triển đáng chú ý trong hệ
thống lớn này là turbine 1250kW thiết kế bởi Palmer C. Putman.
Nghiên cứu tập trung về nguyên lý hoạt động của turbine gió xuất hiện
trong những năm 1950. Ví dụ nhƣ rotor nhẹ và có tốc độ cố định phát triển ở Đức
vào năm 1968. Chúng có cánh làm bằng sợi thủy tinh đƣợc gắn trên cột rỗng cố
định bởi các dây cáp chằng, loại lớn nhất có đƣờng kính 15m và công suất 100kW.

SVTH: Tô Minh Nguyện

6


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

Trong những năm sau đó, nguồn sơ cấp để sản xuất ra điện khai thác từ
nhiên liệu hóa thạch trở nên rẻ và tin cậy hơn. Trong khi đó, nguồn năng lƣợng khai
thác từ gió tốn 12 đến 30cent/kWh trong năm 1940, thì với sản lƣợng tƣơng tự khai
thác thì từ những nguồn nhiên liệu khác chỉ tốn đến 3 đến cent/kWh vào năm 1970.
Chi phí cho điện năng khai thác từ nhiên liệu hóa thạch giảm xuống thấp hơn
3cent/kWh năm 1970. Nhiên liêu hóa thạch có nhiều nơi với giá rẻ hơn trong thời
điểm đó. Một vài dự án hạt nhân cũng đƣợc bắt tay vào thực hiện, và đƣợc tin tƣởng
rằng nó sẽ là nguồn năng lƣợng cuối cùng cho nhu cầu năng lƣợng trong tƣơng lai.
Do đó mối quan tâm về năng lƣợng gió giảm từ từ, đặt biệt trong năm 1970.
Tuy nhiên khủng hoảng dầu 1973 đã buộc các nhà khoa học, kỹ sƣ và
những nhà hoạch định chính sách phải suy nghĩ kỹ lại về việc dựa vào nhiên liệu
hóa thạch. Họ nhận ra rằng sự xáo trộn về chính sách hạn chế và giá cả leo thang
của nhiên liệu hóa thạch. Hơn nữa, ngƣời ta còn nhận thấy rằng nguồn dự trữ nhiên
liệu hóa thạch sớm hay muộn sẽ bị cạn kiệt. Năng lƣợng hạt nhân không đƣợc chấp
nhận vì nhiều lý do về sự an toàn. Những nhân tố trên đã làm sống lại mối quan tâm
về năng lƣợng gió. Nghiên cứu về sự phân tích nguồn năng lƣợng, sự phát triển của
thiết bị và các kỹ thuật giảm hao phí đã đƣợc tăng cƣờng. Mỹ đã giao phó cho cơ
quan hàng không và không gian Hoa Kỳ (NASA) việc phát triển turbine cỡ lớn. Kết
quả là một loạt turbine trục ngang với tên gọi là MOD-0, MOD-1, MOD-2 và
MOD-5 ra đời.
Việc nghiên cứu và phát triển năng lƣợng gió đƣợc trở nên mạnh mẽ hơn
trong những năm sau đó. Một vài sáng kiến mới nhƣ turbine xoáy, kiểu tăng cƣờng

máy khuếch tán, rotor Musgrove…Cũng đã đƣợc đề nghị trong giai đoạn đó.
Nguyên mẫu thiết kế của các loại turbine loại này đã đƣợc chế tạo và thử nghiệm.
Tuy nhiên, mẫu thiết kế với cánh trục ngang đã nỗi bật trên thị trƣờng tiêu dùng.
Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nƣớc châu
Âu, Mỹ và các nƣớc công nghiệp phát triển khác. Nƣớc Đức đang dẫn đầu thế giới
về công nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió). Tới nay đa số vẫn là các máy phát
điện turbine gió trục ngang, gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với
rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một turbine 3 cánh đón gió. Máy phát điện
đƣợc đặt trên một tháp cao hình côn. Trạm phát điện kiểu này mang dáng dấp
những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trƣớc, nhƣng rất thanh nhã và hiện
đại. Các máy phát điện turbine gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay

SVTH: Tô Minh Nguyện

7


Chương I: Tổng quan về năng lượng điện gió

thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Loại
này có thể hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu
tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp
ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện từ vài
năm gần đây nhưng đã được nhiều nơi quan tâm và sử dụng.
Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau,
từ 1 kW tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập
hoặc cũng có thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp,
bộ ắcquy và bộ đổi điện. Khi dùng không hết, điện được tích trữ vào ắc-quy. Khi
không có gió sẽ sử dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng điện quốc
gia thì không cần bộ nạp và ắc-quy.

Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s
(11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ
gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện.
1.2. Những thuận lợi và hạn chế khi sử dụng gió để sản xuất điện
Thuận lợi dễ thấy nhất của điện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng
được nguồn năng lượng vô tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà
máy nhiệt điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện,
không có nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh
như nhà máy điện hạt nhân, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn
với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều
kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước. Các trạm điện gió có thể đặt
gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây
tải điện. Trước đây, khi công nghệ phong điện còn ít được ứng dụng, việc xây dựng
một trạm điện gió rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ
được áp dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay điện gió đã trở nên
rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên
chi phí cho việc hoàn thành một trạm điện gió hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm
1986.
Các trạm điện gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với
những giải pháp rất linh hoạt và phong phú:

SVTH: Tô Minh Nguyện

8