Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép(DFIG)

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ DUY KHÁNH

MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH
NỘI ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP (DFIG)

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 9 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ DUY KHÁNH

MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
MÔ HÌNH NỘI ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
NGUỒN KÉP (DFIG)

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hướng dẫn khoa học :
PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Lê Duy Khánh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12-05-1986

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Hà Tĩnh

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khu Phố 4, Phường An Bình, Biên Hòa –
Đồng Nai.
Điện thoại riêng: 0932.289.919
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Nghề bậc 3/7

Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 07/2006

Nơi học (trường, thành phố): Trường Công Nhân Kỹ Thuật Đồng Nai

Ngành học: Điện Công Nghiệp
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 07/ 2011

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Khảo Sát & Tính Toán Kiểm Tra Hệ Thống Cung Cấp Điện, Và Hướng
Tiết Kiệm Năng Lượng Của Công Ty CoCa – Cola Việt Nam
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: Th.S Trần Tùng Giang
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:


Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trường Cao Đẳng Nghề Việt
9/2011 - 2012

Nam – Singapore, Thuận An – Giáo viên hợp đồng
Bình Dương

9/2012 đến nay

Trường Cao Đẳng Nghề Đồng
Nai, Biên Hoà – Đồng Nai

Giáo viên hợp đồng


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 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM TẠ
Điều trước tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS
Dương Hoài Nghĩa, người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp
những tài liệu vô cùng quí giá và dìu dắt tôi thực hiện hoàn thành luận văn
tốt nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cô đã giảng dạy, trang
bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá trình học
tập cũng như nghiên cứu sau này.
Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập tốt
trong suốt thời gian vừa qua.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộc đã động viên, tạo điều kiện
thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng
như trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
Người thực hiện

Lê Duy Khánh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến việc mô hình hóa và xây dựng
giải thuật điều khiển máy phát điện gió nguồn kép sử dụng máy phát không đồng bộ
nguồn kép (DFIG) được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
tốc độ thay đổi. Máy phát điện gió nguồn kép được xem như một đối tượng phi
tuyến và điều khiển đối tượng này bằng phương pháp điều khiển mô hình nội
Mô hình toán học máy phát điện gió nguồn kép được xây dựng trong một hệ trục
tọa độ tham chiếu dq thích hợp, định hướng theo véctơ điện áp lưới để cho sự phân
lập giữa điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator máy
phát.
Với kỹ thuật định hướng hệ trục tọa độ tham chiếu này, cho thấy có thể điều
khiển tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng hoàn toàn độc lập với điều khiển các
chế độ vận hành công suất thực. Do stator DFIG được nối trực tiếp với lưới điện và
điện áp stator được cố định theo điện áp lưới, nên mục tiêu điều khiển độc lập công
suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator DFIG máy phát được qui về
mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phần trục d và q của véctơ dòng điện stator
trong chế độ vận hành bình thường.
Để điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát và lưới điện, một giải
thuật điều khiển mô hình nội được thiết lập để điều khiển độc lập hai thành phần
của véctơ dòng stator bằng cách tác động lên điện áp rotor. Sau cùng, mô phỏng
được tiến hành, kết quả cho thấy giải thuật điều khiển mô hình nội cho chất lượng
tốt ở các khía cạnh được quan tâm như đáp ứng ngõ ra bám rất tốt theo sự thay đổi
nấc của tín hiệu đặt, luật điều khiển có tính bền vững cao trong điều kiện có sai số
mô hình.

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN.................................................................................................... 1
1.1.

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước đã công bố ....................................................................................................... 1

1.1.1

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ............................................................. 1

1.1.2

Các công trình liên quan .......................................................................................... 8

1.2.

Tính cần thiết của đề tài ......................................................................................... 12

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 12

1.4.

Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài ............................................................ 12

1.5.

Bố cục của luận văn ............................................................................................... 13

Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG DFIG ............................ 14
2.1.

Tổng quan về các phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép. 14

2.1.1.

Điều khiển mô hình nội IMC (Internal Model Control).................................... 15

2.1.2.

Các phương pháp điều khiển khác ....................................................................... 16

2.2.

Hệ thống điều khiển tuabin gió trang bị DFIG ...................................................... 17

2.3.

Vận hành công suất tuabin gió .............................................................................. 20

2.3.1.

Vận hành công suất cực đại .................................................................................. 21

2.3.2.

Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng .................... 23

2.4.

Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập ........................................................... 23

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP
(DFIG) ................................................................................................................................. 26
3.1.

Mô hình Tuabin gió ............................................................................................... 26

3.1.1.

Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor .............................................. 26

3.1.2.

Điều khiển tuabin gió ............................................................................................. 29

3.2.

Mô hình toán học của máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ..................... 30

3.2.1.

Mô hình toán học của DFIG biểu diễn trong hệ toạ độ αβ ............................... 31

3.2.2.

Mô hình toán học của DFIG biểu diễn trong hệ toạ độ đồng bộ dq ................ 37

3.3.

Biểu diễn trạng thái của hệ thống DFIG ................................................................ 41

3.4.

Điều khiển công suất DFIG ................................................................................... 43

3.4.1. Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator ........ 43


3.4.2. Giá tri điều khiển cho dòng điện stator (Reference value) .................................... 47
3.5.

Sơ đồ mô phỏng DFIG trên Matlab/Simulink ....................................................... 47

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG ............................................ 53
4.1.

Giới thiệu ............................................................................................................... 53

4.2.

Nguyên lý điều khiển mô hình nội ........................................................................ 53

4.2.1.

Nguyên lý điều khiển mô hình nội ....................................................................... 53

4.2.2.

Mối liên hệ giũa điều khiển mô hình nội và điều khiển truyền thống ............. 56

4.2.3.

Ổn định nội .............................................................................................................. 57

4.2.4.

Chất lượng điều khiển danh định ......................................................................... 58

4.3.

Thiết kê hệ thống điều khiển DFIG bằng phương pháp mô hình nội .................... 60

Chương 5: SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.................................................................. 65
5.1.

Sơ đồ mô phỏng ..................................................................................................... 65

5.2.

Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 69

5.2.1.

Kết quả mô phỏng ở chế độ danh định .................................................................. 70

5.2.2.

Tính bền vững của luật điều khiển khi có sai số mô hình ................................. 80

5.2.2.1. Trường hợp 1: Điện trở stator và rotor được giả thiết tăng lần lượt 20% và
30% so với giá trị danh định. ................................................................................ 80
5.2.2.2. Trường hợp 2: Điện trở stator và rotor được giả thiết giảm lần lượt 20% so
với giá trị danh định. .............................................................................................. 82
5.2.2.3. Trường hợp 3: Điện cảm tản rotor và điện cảm từ hoá giả thiết tăng lần lượt
20% so với giá trị danh định. ................................................................................ 83
5.2.2.4. Trường hợp 4: Điện cảm tản stator và điện cảm từ hoá giả thiết giảm lần lượt
20% so với giá trị danh định. ................................................................................ 84
5.2.2.5. Trường hợp 5: Moment quán tính của rotor được giả thiết tăng 20% so với giá
trị danh định. ........................................................................................................... 85
5.2.3.

Ảnh hưởng của các thông số bộ lọc IMC ............................................................. 86

5.2.3.1. Trường hợp 1: T1 = T2 = 0.3 .................................................................................. 86
5.2.3.2. Trường hợp 2: T1 = T2 = 0.05 ............................................................................... 87
5.2.3.3. Trường hợp 2: T1 = 0.3 và T2 = 0.05 .................................................................... 88
5.2.4.

So sánh kết quả đạt được với phương pháp thiết kế khác ................................. 89

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...................................... 92
6.1.

Kết luận.................................................................................................................. 92

6.1.1.

Các vấn đề đã giải quyết trong luận văn ............................................................. 92


6.1.2.
6.2.

Các kết luận về giải thuật điều khiển ................................................................... 92

Hướng phát triển đề tài .......................................................................................... 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 1
PHỤ LỤC.............................................................................................................................. 6


CÁC TỪ VIẾT TẮT

Các từ viết tắt
DC

Direct Current

DFIG

Doubly Fed Induction Generator

DFIM

Doubly Fed Induction Machine

MPPT

Maximum Power Point Tracking

WECS

Wind Energy Convertion System

RSC

Rotor Side Converter

GSC

Grid Side Converter

IG

Induction Generator

SG

Synchronuos Generator

SMC

Sliding Model Control

IMC

Internal Model Control

VSC

voltage source converter

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

Chỉ số trên
s, e

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

ref , ∗

giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

mea

giá trị đo lường


chuyển vị của ma trận, véctơ

T
Chỉ số dưới

n,b

giá trị danh định, trị cơ bản

max , min

maximum, minimum

Ký hiệu
;

;

;

;

;

;

;

;
;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

điện áp pha stator và rotor
;

dòng điện stator và rotor
từ thông stator và rotor
điện áp stator và rotor theo trục α,β
dòng stator và rotor theo trục α,β
từ thông stator và rotor theo trục α,β
điện áp stator và rotor theo trục d,q
dòng stator và rotor theo trục d,q

;

từ thông stator và rotor theo trục d,q

điện áp lưới và điện áp dc-link
điện trở dây quấn stator và rotor
điện cảm tản stator và rotor

;

điện cảm stator và rotor

;

tốc độ đồng bộ và rotor [elec.rad/s ]

điện cảm từ hóa


vận tốc góc cơ học của rotor [mach.rad/s ]
vận tốc trượt và độ trượt

s

tỷ số vòng dây stator và rotor

;

góc vị trí stator và rotor [elec.rad ]

;

công suất tác dụng, phản kháng phía stator

;

mômen điện từ và mômen cơ

;

thời hằng stator và rotor

σ; f

hệ số tản tổng và hệ số ma sát [N.m.s/rad ]

p

số cặp cực từ

J; H

mômen quán tính và hệ số quán tính rotor

;

;

λ; β

bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin
!

mật độ không khí và hiệu suất rotor

Tip - speed - ratio và góc pitch


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định ......................................2
Hình 1.2: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi .....................................3
Hình 1.3: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát
không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ..............................................................................4
Hình 1.4: Cấu trúc máy phát không đồng bộ nguồn kép ...........................................5
Hình 1.5: Mô hình bộ điều khiển phía lưới ................................................................6
Hình 1.6: Chiều dòng năng lượng chạy qua DFIG ...................................................7
Hình 1.7: Phạm vi hoạt động của DFIG .....................................................................8
Hình 2.1: Sơ đồ điều khiển tổng thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG ....................18
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ ........................................................21
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh .......................................22
Hình 3.1: Góc pitch của cánh quạt gió .....................................................................27
Hình 3.2: Đường đặc tính CP(λ,β) ............................................................................28
Hình 3.3: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ Tuabin ................28
Hình 3.4: Đường cong công suất lý tưởng của tubin gió (khi β = 0 độ ) .................29
Hình 3.5: Sơ đồ mối liên hệ giữa đại lượng abc và αβ ............................................31
Hình 3.6: Sơ đồ nối dây của cuộn dây stator và rotor hình Y-Y..............................33
Hình 3.7: Sơ đồ tương đương R và L trong hệ trục toạ độ tự nhiên của stator và
rotor. ..........................................................................................................................34
Hình 3.8: Mô hình lý tưởng của máy điện không đồng bộ ba pha...........................35
Hình 3.9: Sơ đồ tương đương mô hình động của DFIG trong hệ toạ độ tĩnh. .........36
Hình 3.10: Mối liên hệ giữa các đại lượng trong hệ trục toạ độ αβ và dq ...............37
Hình 3.11: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq ................................38
Hình 3.12: Sơ đồ tương đương mô hình động của DFIG trong hệ toạ độ đồng bộ dq
...................................................................................................................................40

Hình 3.13 Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện
...................................................................................................................................44


Hình 3.14 Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua
điện trở stator ............................................................................................................45
Hình 3.15: Sơ đồ mô phỏng DFIG ...........................................................................49
Hình 3.16:Các khối chức năng trong sơ đồ mô phỏng DFIG ..................................52
Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển mô hình nội ..............................................................54
Hình 4.2:Hệ thống điêu khiển dùng mô hình nội .....................................................56
Hình 4.3: Hệ thống điều khiển truyền thống tương đương ......................................56
Hình 4.4: Hệ thống điều khiển mô hình nội tương đương .......................................57
Hình 4.5: Sơ đồ khối để khảo sát ổn định nội ..........................................................57
Hình 4.6: Cấu trúc điều khiển mô hình nội ..............................................................58
Hình 4.7: Cấu trúc điều khiển mô hình nội cho DFIG .............................................60
Hình 4.8: Khối điều khiển IMC ...............................................................................62
Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng đầu cực
stator DFIG bằng phương pháp mô hình nội ............................................................65
Hình 5.2: Các khối chức năng trong sơ đồ điều khiển DFIG...................................68
Hình 5.3: Giá trị đặt cho Mômen cơ học cung cấp vào trục rotor DFIG .................71
Hình 5.4: Giá trị đặt cho hai thành phần dòng stator

"

và

"

............................72

Hình 5.5: Công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu bên phía stator.....73
Hình 5.6: Hệ số công suất cosφ ................................................................................73
Hình 5.7: Đáp ứng

và

theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt .........................74

Hình 5.8: Công suất tác dụng và phản kháng đầu cực stator DFIG .........................75
Hình 5.9: Thành phần từ thông

và

của rotor ..............................................76

Hình 5.10: Điện áp stator và rotor ............................................................................77
Hình 5.11: Dòng điện stator và rotor .......................................................................78
Hình 5.12: Hai thành phần trục d và q của véctơ điện áp rotor từ ngõ ra của bộ điều
khiển ..........................................................................................................................79
Hình 5.13: Kết quả mô phỏng khi điện trở stator và rotor tăng lần lượt 20% và 30%
so với giá trị danh định. .............................................................................................81
Hình 5.14 :Kết quả mô phỏng khi điện trở stator và rotor giảm lần lượt 20% so với
giá trị danh định. .......................................................................................................82


Hình 5.15: Kết quả mô phỏng khi điện cảm tản rotor và điện cảm từ hoá tăng lần
lượt 20% so với giá trị danh định. .............................................................................83
Hình 5.16: Kết quả mô phỏng khi điện cảm tản stator và điện cảm từ hoá giảm lần
lượt 20% so với giá trị danh định. .............................................................................84
Hình 5.17: Kết quả mô phỏng khi Moment quán tính của rotor tăng 20% so với giá

trị danh định. .............................................................................................................85
Hình 5.18: Kết quả mô phỏng khi thay đổi thời hằng bộ lọc IMC T1 = T2 = 0.3.....87
Hình 5.19: Kết quả mô phỏng khi thay đổi thời hằng bộ lọc IMC T1 = T2 = 0.05...88
Hình 5.20: Kết quả mô phỏng khi thay đổi thời hằng bộ lọc IMC T1 = 0.3;T2 = 0.05.
...................................................................................................................................89

Hình 5.21: Đáp ứng
và theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt của phương
pháp điều khiển mô hình nội. ....................................................................................90

và theo sự thay đổi nấc của tín hiệu đặt của phương
Hình 5.22: Đáp ứng
pháp điều khiển trượt [1]. ..........................................................................................90


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1.

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong
và ngoài nước đã công bố

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụng máy
điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuabin làm máy phát điện để giảm giá
thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ làm việc với khoảng 1/3 công

suất tổng của hệ thống máy phát. Đồng thời, do khả năng có thể làm việc trong một
khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện
không đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sử
dụng các máy phát đồng bộ kích từ vĩnh cửu với bộ biến đổi đặt ở phía stator.
Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện ngày càng có yêu cầu khắt khe hơn về
chất lượng nguồn điện. Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới, trong đó có
các hệ thống máy phát điện sức gió cũng phải đảm bảo các yêu cầu chất lượng đề
ra. Đăc biệt, khi hệ thống phân phối bị sự cố sập lưới thì các hệ thống máy phát này
không được phép cắt khỏi lưới một cách không có kiểm soát vì có thể làm cho sự cố
trên lưới càng trầm trọng thêm và việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở nên khó
khăn hơn. Không những vậy, hệ thống điều khiển phía lưới trong hệ thống máy phát
điện gió hiện đại còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình sự
cố, kể cả sự cố lưới đối xứng và lưới không đối xứng.
1.1.1.1.

Các mô hình hệ thống biến đổi năng lượng gió.

Tuabin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay
đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với tuabin gió tốc độ cố
định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được
GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

1

HVTH: Lê Duy Khánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó không có
khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống
tuabin gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động
công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với tuabin
gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất,
theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu
bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên
bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế. Như vậy, chất
lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với
tuabin gió tốc độ cố định.
Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện,
điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp
cực từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới
điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát.
a. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định
Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được
kết nối trực tiếp với lưới điện như hình 1.1.

Hình 1.1: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

2

HVTH: Lê Duy Khánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, nhưng mô hình này lại
có những nhược điểm như sau: không thể điều khiển công suất tối ưu, do tốc độ
rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột
ngột, do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có
khả năng điều khiển tích cực (Active control).
b. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi
Hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và
lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát đồng bộ
(SG) như hình 1.2. Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận được
từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như
chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên.

Hình 1.2: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi
c. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát
không đồng bộ nguồn kép (DFIG).
Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn, còn được gọi là máy phát không đồng
bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator - DFIG). DFIG có stator nối trực
tiếp vào lưới, còn phía rotor được nối với lưới qua thiết bị điều khiển như hình 1.3.

GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

3

HVTH: Lê Duy Khánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

Hình 1.3: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát
không đồng bộ nguồn kép (DFIG)
1.1.1.2.

Máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction
Generator)

a. Cấu trúc của hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát
không đồng bộ nguồn kép
Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sử dụng DFIG thì stator của DFIG được
kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor nối với bộ biến đổi công suất thông qua
vành trượt. Bộ biến đổi công suất gồm hai converter; converter phía máy phát RSC
(Rotor Side Converter) và converter phía lưới GSC (Grid Side Converter), được kết
nối theo kiểu “back-to-back”. Một tụ điện DC link được đặt ở giữa đóng vai trò tích
trữ năng lượng.
Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá
điện áp trong mạch DC-link. Khi xảy ra tình trạng quá dòng thiết bị crowbar sẽ
ngắn mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, làm ngưng hoạt động của bộ
GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

4

HVTH: Lê Duy Khánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

điều khiển converter và cho phép DFIG làm việc như một máy phát điện không
đồng bộ thông thường, lúc này là tiêu thụ công suất từ lưới.

Hình 1.4: Cấu trúc máy phát không đồng bộ nguồn kép
Trong thực tế, điện áp định mức của rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên
phía mạch stator, nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện sẽ có ba cuộn dây,
một cuộn sơ cấp nối tới mạch stator và cuộn sơ cấp còn lại nối với mạch rotor.
Bộ converter phía máy phát RSC có các ưu điểm sau:
• Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ
hoặc phát công suất phản kháng về lưới và khả năng tự điều chỉnh điện áp
trong trường hợp lưới yếu.
• Có khả năng hoàn toàn tự kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với
điện áp lưới.
• Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng.
Bộ converter phía máy phát RSC còn điều khiển mômen, tốc độ máy phát
và điều khiển hệ số công suất đầu cực stator.

GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

5

HVTH: Lê Duy Khánh


S

K

L

0

0

2

1

5

4