điều khiển độc lập p và q của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép ứng dụng trí thông minh nhân tạo

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
ỨNG DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 4 8 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT
ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP ỨNG
DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10/2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT
ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP ỨNG
DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10/2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên

: Lê Thanh Hải

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh

: 20/07/1987

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Quê quán

: Quảng Ngãi

Dân tộc

: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Tổ dân phố 3, khu dân cư số 9, thị trấn Mộ
Đức, Huyện Mộ Đức, Tỉnh Quảng Ngãi.
Điện thoại cơ quan: 371 720 68

Điện thoại nhà riêng: 0904 553 465

Fax: 371 79 555

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo từ : 08/2005 đến 09/2008

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ: 09/2009 đến 07/2011

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Thiết kế hệ thống điện, điều khiển lập trình nâng cao
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường ĐH SPKT
TP.HCM
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

06/2009- 09/2014

Công ty TNHH Nguồn Năng Lượng

Quản lý dự án

10/2014 đến nay

Công ty TNHH Công Nghệ Tấn Huy

TP. Kỹ Thuật

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 chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii


CẢM TẠ

Lời đầu tiên. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến cán bộ hướng dẫn khoa
học TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC. Người đã theo suốt tôi trong quá trình làm luận văn.
Bằng tri thức và sự tận tâm, thầy đã cho tôi những lời khuyên bổ ích để giúp tôi tiếp
cận với các tri thức khoa học bằng nhiều cách và nhiều góc độ khác nhau trong
suốt quá trình thực hiện để tôi định hướng và hoàn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt
thời gian đào tạo tại trường.
Chân thành cảm ơn quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Bách
Khoa TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học
tập nghiên cứu thực hiện luận văn.
Tiếp theo tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình và người thân yêu đã luôn

động viên giúp đỡ tôi, là chỗ dựa tinh thần vững chắc để tôi có thể vượt qua được
những khó khăn trong thời gian qua.
Cuối cùng tôi muốn cảm ơn đến quý công ty TNHH Nguồn Năng Lượng đã tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu tại trường.
Xin chân thành cảm ơn!.

iii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độ lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày tháng năm 2014

TÓM TẮT
Họ và tên học viên

: Lê Thanh Hải

Phái

: Nam

Ngày tháng năm sinh : 20/07/1987

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên nghành

MSHV

: Kỹ Thuật Điện

: 128520202017

I – TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP SỬ DỤNG TRÍ THÔNG MINH
NHÂN TẠO
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Xây dựng mô hình điều khiển độ lập P và Q của DFIG trên phần mềm
Matlab Simulink
 Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào bộ điều khiển độc lập P và Q, so sánh kết
quả đạt được khi có và không có kết hợp Fuzzy logic.
III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

Ngày 22 tháng 02 năm 2014

IV – ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU

Trường ĐH SPKT Tp.HCM

V – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

Ngày 24 tháng 08 năm 2014

VI – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

CN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC

iv


MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa .....................................................................................................................
Quyết định giao đề tài..................................................................................................
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn ..................................................................................
Lý lịch khoa học ......................................................................................................... i
Lời cam đoan............................................................................................................. ii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ..................................................................................................................... iv
Mục lục ..................................................................................................................... v
Danh sách các chữ viết tắt ...................................................................................... viii
Danh sách các hình .................................................................................................... x
Danh sách các bảng ................................................................................................ xiii

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................... 4

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ .................................................................. 4
1.1. Tổng quan chung về năng lượng ....................................................................... 4
1.2. Lịch sử phát triển năng lượng gió ...................................................................... 5
1.3. Tình hình phát triển điện gió ở hiện tại và triển vọng trong tương lai. ............... 9
1.4. Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió ....................... 12
1.5. Tiềm năng điện gió của Việt Nam ................................................................... 14
1.6. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố ................................. 15
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................. 17
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 17
2.1. Các loại turbine gió: ........................................................................................ 17

v


2.2. Các loại cấu hình turbine gió kết nối vào lưới điện.......................................... 18
2.2.1. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ..................................... 19
2.2.2. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép không chổi quét (BDFIG) ........ 20
2.2.3. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permament Magnet SG) ...... 20
2.3. Các thành phần chính của hệ thông turbine gió – DFIG .................................. 21
2.4. Định nghĩa về mô hình và mô phỏng............................................................... 23
2.5. Ưu nhược điểm và mục đích xây dựng mô hình động ..................................... 24
2.6. Mô hình động của máy điện không đồng bộ .................................................... 25
2.7. Phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu ............................................................ 28
2.7.1. Mối quan hệ giữa hệ thống ba pha và hệ thống hai pha ............................. 28
2.7.2. Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay ..................... 29
2.7.3. Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh abc và hệ trục tọa độ quay dq .......... 30
2.8. Phương trình toán máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG ......................... 30
2.8.1. Mô hình toán máy điện DFIG trong vector không gian ............................. 31
2.8.2. Mô hình toán máy điện DFIG trong hệ quy chiếu quay ............................. 32
CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 35

ĐIỀU KHIỂN PI ỨNG DỤNG FUZZY LOGIC ................................................... 35
3.1. Bộ hiệu chỉnh PID truyền thống ...................................................................... 35
3.2. Bộ hiệu chỉnh PI với khâu hiệu chỉnh anti windup .......................................... 37
3.3. Điều khiển mờ ................................................................................................ 38
3.3.1. Khái niệm cơ bản...................................................................................... 39
3.3.2. Định nghĩa tập mờ .................................................................................... 40
3.3.3. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ ................................................................. 40
3.3.4. Nguyên lý điều khiển mờ .......................................................................... 40

vi


3.4. Bộ hiệu chỉnh PI ứng dụng Fuzzy logic........................................................... 41
CHƯƠNG 4 ............................................................................................................. 47
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG
TRONG MATLAB SIMULINK ............................................................................. 47
4.1. Mô hình máy phát điện nguồn kép DFIG - 2,3 MW ........................................ 47
4.2. Mô hình điều khiển converter ......................................................................... 51
4.2.1. Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát .................................... 52
4.2.2. Mô hình điều khiển converter phía lưới .................................................... 54
4.2.3. Mô hình điều khiển tốc độ rotor turbine .................................................... 54
4.2.4. Mô hình bộ nghịch lưu áp cấp nguồn cho rotor máy phát.......................... 55
4.3. Mô hình tua bin gió ......................................................................................... 55
CHƯƠNG 5 ............................................................................................................. 56
SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHI SỬ DỤNG PI SO VỚI SỬ DỤNG PI
KẾT HỢP FUZZY LOGIC..................................................................................... 56
5.1. Mô hình dùng để chạy mô phỏng trong Matlab/Simulink ................................ 56
5.2. So sánh giữa bộ điều khiển PI truyền thống và PI-Fuzzy ................................. 59
5.2.1. Cấu trúc điều khiển với bộ điều khiển PI truyền thống và PI-Fuzzy .......... 59
5.2.2. Kết quả mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió cố định ............................... 60

5.2.3. Kết quả mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên ............ 66
5.3. Phân tích kết quả mô phỏng ............................................................................ 72
CHƯƠNG 6 ............................................................................................................. 75
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 75
6.1. Kết luận .......................................................................................................... 75
6.2. Hướng phát triển của đề tài trong tương lai ..................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 76

vii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Chú giải

P

: Công suất tác dụng (W)
: Công suất định mức của máy phát (W)

Q

: Công suất phản kháng (Var)
: Điện áp (V)
: Dòng điện (A)
: Điện trở (Ω)
: Cảm kháng (H)
: Cảm kháng từ hóa (H)



: Từ thông (Wb)
: Hệ số rung (N.m/s)
: Độ cứng thanh truyền (M.m/rad)

J

: Moment quán tính (N.m)
: Moment điện từ (N.m)

R

: Bán kính quạt gió turbine (m)



: Vận tốc góc (rad/s)
: Vận tốc góc trục rotor của máy phát (rad/s)
: Vận tốc trượt của máy phát (rad/s)

s

: Hệ số trượt

p

: Số đôi cực

abc

: hệ quy chiếu abc

dq

: hệ quy chiếu dq

viii


Các ký hiệu chỉ số
 Chỉ số trên
s

: Quy về phía stator

r

: Quy về phía rotor

t

: Là ma trận chuyển vị

 Chỉ số dưới
s

: Các đại lượng của stator

r

: Các đại lượng của rotor

g

: Các đại lượng phía lưới

ref

: Các đại lượng tham khảo

sr

: Đại lượng tương hỗ giữa stator và rotor

aa, bb, cc

: Đại lượng tự cảm trên mỗi cuộn dây stator a, b, c tương ứng

AA, BB, CC : Đại lượng tự cảm trên mỗi cuộn dây stator A, B, C tương ứng
gen

: Các đại lượng máy phát

sharf

: Các đại lượng trục thanh truyền

turb

: Các đại lượng của turbin

d; q

: Các đại lượng trục d, trục q tương ứng trong hệ quy chiếu dq

α, β

: Các đại lượng trục α, trục β tương ứng trong hệ quy chiếu αβ

a, b, c

: Các đại lượng pha a, pha b, pha c tương ứng trên stator

A, B, C

: Các đại lượng pha A, pha B, pha C tương ứng trên rotor

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1:

Cối xay gió Tây Ban Nha

Hình 1.2:

Lịch sử phát triển năng lượng gió từ 1996 đến 2008

Hình 1.3:

Tổng công suất lắp đặt từ 2010 – 2013 [MW]

Hình 1.4:

Tổng công suất lắp đặt của các nước

Hình 1.5:

Tỉ lệ phần trăm công suất lắp đặt mới ở các nước 2013

Hình 1.6:

Tổng công suất lắp đặt từ 1997 – 2020 [GW]

Hình 1.7:

Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65 m) theo
Ngân hàng Thế giới.

Hình 2.1:

Phân loại turbin gió

Hình 2.2:

Turbin gió với DFIG

Hình 2.3:

Turbin gió với BDFIG

Hình 2.4:

Turbin gió với PMSG

Hình 2.5:

Các thành phần chính của hệ thống turbin gió – DFIG

Hình 2.6:

Sơ đồ cấu trúc chung của máy điện không đồng bộ

Hình 2.7:

Hệ quy chiếu quay dq

Hình 2.8:

Nguyên lý vectơ không gian

Hình 2.9:

Mối quan hệ giữa hai hệ trục toạ độ αβ và dq

Hình 2.10: Mạch tương đương máy điện DFIG quy đổi về phía stator
Hình 3.1:

Bộ điều khiển PI sử dụng khâu anti-windup

Hình 3.2:

Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 3.3:

Bộ điều khiển PI sử dụng Fuzzy logic

Hình 3.4:

Giao diện soạn thảo cơ bản Fuzzy logic trên matlab/Simulink

Hình 3.5:

Soạn thảo hàm thành viên sai số tốc độ e(t)

Hình 3.6:

Soạn thảo hàm thành viên độ dốc sai số tốc độ de/dt

Hình 3.7:

Soạn thảo hàm thành viên Kp

Hình 3.8:

Soạn thảo hàm thành viên Ti

Hình 3.9:

Soạn thảo luật mờ

x


Hình 4.1:

Khối mô hình máy phát DFIG

Hình 4.2:

Khối mô hình abc2dq

Hình 4.3:

Khối mô hình phương trình điện áp stator và rotor

Hình 4.4:

Khối mô hình tính toán từ thông

Hình 4.5:

Khối mô hình 2dqabc

Hình 4.6:

Khối mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát và lưới

Hình 4.7:

Khối mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát

Hình 4.8:

Khối mô hình tính toán vị trí rotor và dòng từ hoá – Estimate Ims

Hình 4.9:

Khối chuyển abc sang αβ

Hình 4.10: Khối tính điện áp điều chỉnh rotor
Hình 4.11: Khối mô hình điều khiển converter phía lưới
Hình 4.12: Khối điều khiển điện áp Vdc “DC-link”
Hình 4.13: Khối mô hình điều khiển tốc độ rotor turtin “speed control”
Hình 4.14: Khối mô hình bộ nghịch lưu áp “Inverter”
Hình 4.15: Khối mô hình turbin gió
Hình 5.1:

Mô hình tổng thể hệ thống điều khiển máy phát điện DFIG

Hình 5.2:

Đồ thị giá trị đặt công suất tác dụng

Hình 5.3:

Đồ thị giá trị đặt công suất phản kháng

Hình 5.4:

Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter
Control” sử dụng PI truyền thống

Hình 5.5:

Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter
Control” sử dụng PI truyền thống kết hợp PI-Fuzzy

Hình 5.6:

Tốc độ gió cố định 12 m/s

Hình 5.7:

Công suất tác dụng trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.8:

Công suất phản kháng trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.9:

Dòng điện stator trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.10: Tốc độ rotor trong trường hợp tốc độ gió cố định
Hình 5.11: Góc pitch quạt gió trong trường hợp cố định tốc độ gió
Hình 5.12: Tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian

xi


Hình 5.13: Công suất tác dụng với tốc độ gió thay đổi
Hình 5.14: Công suất phản kháng với tốc độ gió thay đổi
Hình 5.15: Dòng điện stator với tốc độ gió thay đổi
Hình 5.16: Tốc độ rotor trong trường hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.17: Góc pitch quạt gió trong trường hợp cố định tốc độ gió

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1:

Luật mờ của Kp

Bảng 3.2:

Luật mờ của Ti

Bảng 5.1:

Các thông số của khối “Generator DFIG 2,3 MW”

Bảng 5.2:

Các thông số của khối “Wind Turbine”

Bảng 5.3:

Các thông số của khối “Converter”

Bảng 5.4:

Giá trị đặt công suất tác dụng

Bảng 5.5:

Giá trị đặt công suất phản kháng

Bảng 5.6:

Giá trị trung bình của Ps và Qs trong trường hợp tốc độ gió cố định

Bảng 5.7:

Giá trị trung bình của Ps và Qs trong trường hợp tốc độ gió thay đổi

xiii


MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU
1.

Lý do lựa chọn đề tài
Trong vòng 10 năm gần đây (2001 – 2010), Việt Nam đã đạt được những

bước tăng trưởng kinh tế nhanh chóng, với tốc độ trung bình đạt 7,2%/năm. Cùng
với đó là nhu cầu sử dụng điện năng trong các ngành kinh tế và sinh hoạt liên tục
gia tăng với tốc độ trung bình khoảng 14,5%. Tổng sản lượng điện thương phẩm đã
tăng từ 31,3 tỷ kWh (2001) lên tới 99,1 tỷ kWh (2010), điều này có nghĩa là sản
lượng điện tiêu thụ đã tăng hơn 3 lần trong vòng 10 năm. So với năm 2009, thì sản
lượng điện thương phẩm năm 2010 tăng khoảng 14,3%, gấp 2,5 lần so với tốc độ
tăng trưởng GDP (Gross Domestic Product) [8].
Nhằm đảm bảo cho nhu cầu về điện năng để phát triển kinh tế - xã hội, Chính
phủ Việt Nam đã đặt ra một số mục tiêu sản xuất điện trong Quy hoạch Phát triển
Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến 2030 bao gồm: Cung cấp đủ
nhu cầu điện trong nước, sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu năm 2015 khoảng
194 – 210 tỷ kWh, khoảng 330 – 362 tỷ kWh vào năm 2020, khoảng 695 – 834 tỷ
kWh vảo 2030 và ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện,
tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng này từ mức 3,5% năm 2010, lên
4,5% tổng điện năng sản xuất vào năm 2020 và 6% vào 2030 [8].
Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến
đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các
nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng
lượng và bảo vệ môi trường [8]. Gần đây, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các
mục tiêu trong định hướng phát triển dạng “điện xanh” này. Trong đó, năng lượng
gió được xem là một lĩnh vực trọng tâm, do một số nghiên cứu đánh giá cho thấy
Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án gió với quy mô lớn là rất khả thi.
Điển hình là một số dự án đã được đầu tư và đưa vào vận hành như dự án điện gió ở
Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận, dự án điện gió lai tạo với máy

1


MỞ ĐẦU

phát điện diesel trên đảo Phú Quý hoặc dự án điện gió khác tại tỉnh Bạc Liêu. Ngoài
ra, còn nhiều dự án khác đang trong các giai đoạn tiến độ khác nhau đã được đăng
ký. Tuy nhiên điểm yếu lớn nhất của nguồn năng lượng gió thì thường không tập
trung nên muốn sử dụng ta phải đâu tư rãi rác và khi đã đầu tư thì vấn để sử dụng nó
một cách sao cho an toàn và hiệu quả nhất là một bài toán cần được giải quyết bằng
cách ứng dụng nhiều kỹ thuật mới. Hiện nay ở Việt Nam muốn đầu tư khai thác
nguồn năng lượng này đều phải nhập thiết bị công nghệ từ các nước tiên tiến, chính
điều này là yếu tố làm cho chi phí đầu tư, sản xuất điện tăng lên làm giảm đi tính
cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác. Theo xu hướng phát triển của thế
giới, các ngành kỹ thuật cao ngày càng phát triển và ứng dụng vào thì giá thành sản
xuất sẽ giảm dần, đến một lúc nào đó giá sản xuất năng lượng từ gió sẽ ngang bằng
năng lượng hoá thạch và theo dự báo thì thậm chí có thể thấp hơn trong vài thập
niên tới. Chính vì vậy nên năng lượng gió cần được quan tâm, nghiên cứu nhiều
hơn.
Với các lý do trên, đề tài “Điều khiển độc lập P và Q của máy phát điện gió
không đồng bộ nguồn kép ứng dụng trí thông minh nhân tạo” hiện nay là vấn đề cần
thiết nhằm nâng cao hiệu quả vận hành máy phát điện gió, góp phần vào việc phát
triển nguồn năng lượng điện xanh, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ
môi trường.
2.

Mục đích nghiên cứu
Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào điều khiển độc lập P và Q của máy phát

điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG.
3.

Nhiệm vụ của đề tài
Bước 1: Tìm hiểu mô hình động máy điện không đồng bộ

Bước 2: Mô phỏng máy điện không đồng bộ bằng phần mềm Matlab
Bước 3: Đưa ra các phương pháp điều khiển
Bước 4: Mô phỏng điều khiển độc lập P và Q của DFIG
Bước 5: Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào bộ điều khiển độc lập P và Q

2


MỞ ĐẦU

4.

Giới hạn của đề tài
Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình điều khiển độc lập P

và Q của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG có kết hợp ứng dụng
Fuzzy logic dựa trên phần mềm matlab/simulink, đánh giá kết quả đạt được thông
qua các dữ liệu thu được. Đề tài cần nghiên cứu áp dụng, kiểm chứng trên thực tế.
5.

Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab dựa trên mô hình động của máy

điện, mô hình này hoàn toàn dùng simulink với các thông số máy có thực không có
sẵn trong Powersim, vì mô hình này được xây dựng dựa trên mô hình động của máy
nên hoàn toàn có thể lập trình quá trình điều khiển mà vận tốc có thể thay đổi được.
Hệ thống turbine gió - DFIG có thể điều chỉnh được tốc độ, đây là máy phát điện
gió phổ biến nhất trong ngành công nghiệp năng lượng gió. Máy phát này có thể
vận hành nối với lưới hoặc vận hành độc lập.
Tìm hiểu rõ hơn về mô hình hóa, điều khiển cũng như phân tích trạng thái xác

lập của máy phát này trong cả hai mô hình vận hành là điều cần thiết để tối ưu hóa
quá trình sản xuất điện năng từ gió và dự đoán chính xác kết quả của quá trình đó.
Ứng dụng kỹ thuật Fuzzy logic vào để điều khiển độc lập P và Q của mô hình
máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép.

3


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1. Tổng quan chung về năng lượng
Lịch sử phát triển của xã hội loài người gắn liền với quá trình phát minh,
chuyển đổi và sử dụng năng lượng. Thật khó hình dung bất kỳ một hoạt động có ý
thức nào của con người lại không cần đến năng lượng. Sản xuất và tiêu thụ năng
lượng ảnh hưởng và chịu ảnh hưởng của nhiều vấn đề lớn của xã hội như môi
trường và sinh thái, chính sách và cơ sở pháp lý, phát triển kinh tế và dân số, giao
lưu quốc tế và thương mại hóa các nguồn năng lượng, trình độ công nghệ và mức
độ công nghiệp hóa, hiện đại hóa của từng quốc gia. Một quốc gia khó tiếp cận với
các nguồn năng lượng thì đó sẽ là cản trở lớn đối với nền phát triển công nghiệp và
kinh tế của chính nước đó.
Dân số tăng nhanh, nhu cầu cung cấp năng lượng ngày càng cao trong khi
nguồn năng lượng trở nên khan hiếm, làm tăng vọt giá mua nhiên liệu. Trong bối
cảnh giá dầu thế giới đang leo cao, nền công nghiệp ở nhiều nước bị tác động mạnh
và kéo theo các ảnh hưởng về an ninh chính trị. Hiện nay điện năng trên thế giới
chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện nhưng hai loại này sử dụng sau thời gian
dài đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trường. Bên cạnh đó nguồn năng lượng từ
các nguồn hóa thạch thì ngày càng cạn kiệt theo thời gian, đồng thời việc đốt cháy

các loại nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu khí) đã trở thành nguồn phát lượng khí
thải nhà kính lớn nhất gây ra những biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Còn nguồn điện
hạt nhân lại không đảm bảo an toàn và gây ra những hiểm họa khi xảy ra sự cố như
phóng xạ, điển hình là sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima I sau trận động đất
và sóng thần Sendai 2011. Đến ngày 13 tháng 3 năm 2011, các sự kiện khác đã diễn
ra tại nhà máy điện Fukushima II 11,5 km về phía nam và nhà máy điện hạt nhân
Onagawa.

4


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Đứng về khía cạnh kinh tế, năng lượng lại là một trong những đề tài nóng
bỏng nhất. Hiện nay, trên nhiều diễn đàn những cuộc tranh luận kéo dài cũng vì
chung quanh việc tìm kiếm một nguồn năng lượng “tốt nhất” trên các mặt khả năng
sẵn có, chi phí khai thác, hiệu quả sử dụng, an toàn và có tính cạnh tranh. Bên cạnh
lĩnh vực thương mại thì hậu quả của hiện tượng nóng lên toàn cầu, ảnh hưởng chất
thải phóng xạ, mưa axit … được đặt lên bàn cân để xem xét trong các chính sách về
năng lượng. Có thể nói đây là một công việc đầy khó khăn, thử thách, tốn nhiều thời
gian, tiền bạc và công sức. Điều này làm chúng ta phải có kế hoạch khám phá ra
những nguồn năng lượng mới thay thế. Các nguồn năng lượng sạch là các nguồn
năng lượng đang được tập trung chú ý khai thác một cách sao cho đạt hiệu quả cao
nhất.
1.2. Lịch sử phát triển năng lượng gió
Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của
năng lượng gió từ rất sớm. Năng lượng gió liên quan đến cối xay gió và turbine gió,
theo những tài liệu cổ còn giữ lại thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay gió hoạt
động nhờ vào sức gió là bắt đầu vào khoảng năm 200 trước Công Nguyên ở Ba Tư
(Iran), bởi nhà địa lí người Ba Tư Estakhri. Cối xay gió đầu tiên là turbine trục gió

thẳng đứng được làm từ 6 đến 10 cánh quạt bằng cỏ hay chất liệu vải, những cối
xay gió đã được sử dụng để bơm nước và nghiền lúa mì và các loại ngũ cốc khác và
chúng có một chút khác biệt so với phiên bản cối xay gió có trục nằm ngang ở Châu
Âu sau này. Cối xay gió đã được sử dụng rộng rãi ở Trung Đông dùng sản xuất
lương thực ở thế kỷ 11 và sau đó các ý tưởng này được phát triển sang Châu Âu vào
khoản thế kỷ 13. Ngược với kiểu thiết kế trục dọc của người Ba Tư, người Châu Âu
lại thiết kế kiểu trục ngang [7].
Đan Mạch là quốc gia đầu tiên sử dụng gió để phát điện. Đan Mạch đã sử
dụng một turbine gió đường kính 23m vào năm 1890 để tạo ra điện. Đến năm 1910,
hàng trăm turbine gió có công suất từ 5 đến 25 kW đã hoạt động ở Đan Mạch [7].

5


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Hình 1.1: Cối xay gió Tây Ban Nha (Nguồn )
Khoảng năm 1925, các nhà máy điện gió thương mại sử dụng hai và ba cánh
quạt xuất hiện trên thị trường Mỹ. Các thương hiệu phổ biến nhất là Wincharger
(200 đến 1200 W) và Jacobs (1,5-3 kW). Chúng được sử dụng trong các trang trại
để sạc pin lưu trữ và các pin này được sử dụng để vận hành các radio, đèn chiếu
sáng, và các thiết bị nhỏ với các mức điện áp 12, 32 hay 110 volt. Sau đó, Cục Quản
lý điện nông thôn (REA) được thành lập bởi Quốc hội vào năm 1936. Các khoản
vay lãi suất thấp được cung cấp để truyền tải và phân phối cần thiết có thể được xây
dựng để cung cấp điện cho nông dân. Trong những ngày đầu của REA, khoảng năm
1940, điện có thể được cung cấp cho khách hàng nông thôn với chi phí 3-6 cent cho
mỗi KWh. Chi phí tương ứng của gió tạo ra điện là 12 đến 30 cent cho mỗi KWh đã
bao gồm lãi suất, khấu hao, bảo trì. Điện năng sản xuất từ nhà máy trung tâm với
chi phí thấp hơn cộng với độ tin cậy cao hơn dẫn đến sự sụp đổ nhanh chóng của
các nhà máy phát điện gió [7].

Sau năm 1940, chi phí tạo ra điện tiếp tục giảm chậm với mức dưới 3 cent cho
mỗi Kwh vào đầu những năm 1970. Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng
nhà máy với công suất lớn hơn và hiệu quả hơn. Ngoài thế hệ máy phát điện gió cho

6


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

nhà ở, một số tiện ích trên thế giới đã xây dựng turbine gió lớn hơn để cung cấp
điện cho khách hàng của họ. Turbine gió lớn nhất được xây dựng trước những năm
1970 là một cỗ máy 1250 Kw được xây dựng trên Grandpa’s Knob, gần Rutland,
Vermont, vào năm 1941. Khái niệm này bắt đầu vào năm 1934 khi một kỹ sư
Palmer C. Putnam bắt đầu nhìn vào máy phát điện gió để giảm chi phí điện cho nhà
Cape Cod của mình. Năm 1939, Putnam đã trình bày ý tưởng của mình và kết quả
công việc sơ bộ của mình cho Công ty S. Morgan Smith York, Pennsylvania. Họ đã
đồng ý để tài trợ cho một dự án năng lượng gió và thử nghiệm và turbine gió SmithPutnam được ra đời. Máy phát điện gió được kết nối vào mạng Central Vermont
Public Service Corporation’s.
Giữa năm 1941 và 1945 máy Smith-Putnam tích lũy khoảng 1100 giờ hoạt
động. Dự án đã được xem xét và được xác định là một thành công kỹ thuật. Tuy
nhiên kinh tế không thể biện minh cho việc xây dựng máy móc nhiều hơn tại thời
điểm đó. Máy Smith-Putnam có thể được xây dựng trong khoảng 190$/Kw trong
khi nếu bằng dầu và than có thể được mua vào năm 1945 chỉ với 125$/Kw. Đây là
một sự khác biệt quá lớn để biện minh cho các cổ đông, vì vậy dự án đã được ngừng
lại và máy phát điện gió đã bị tháo dỡ.
Kết quả kỹ thuật của tua bin gió Smith-Putnam khiến Percy H. Thomas là một
kỹ sư của Ủy ban điện liên bang đã tốn khoảng 10 năm với một phân tích chi tiết
cho thế hệ điện gió. Thomas sử dụng dữ liệu kinh tế từ máy Smith-Putnam và kết
luận rằng máy lớn hơn là cần thiết để đạt khả năng về kinh tế. Ông đã thiết kế hai
máy lớn trong phạm vi kích thước ông cảm thấy là tốt nhất. Một máy với công suất

là 6500 kW và máy thứ hai là 7500 kW. Chiều cao tháp của máy 6500 kW cao 145
m với hai roto mỗi rotor có đường kính 61 m. Mỗi rotor điều khiển một máy phát
điện dc. Sức mạnh dc đã được sử dụng để điều khiển một chuyển đổi đồng bộ dc/ac
và được kết nối với lưới điện.
Thomas ước tính chi phí đầu tư cho máy của mình vào khoảng 75$ cho mỗi
Kw lắp đặt. Mức chi phí này được xem là đủ thấp để được Ủy ban điện liên bang

7


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

quan tâm và gởi cho Quốc hội để tiến đến việc tài trợ. Vào năm 1951 khi chiến
tranh Triều Tiên đã bắt đầu thì Quốc hội đã quyết định không tài trợ cho các mẫu
thử nghiệm. Dự án sau này đã bị hủy bỏ, điều này về cơ bản đánh dấu sự kết thúc
nghiên cứu năng lượng gió của Mỹ trong hơn hai mươi năm cho đến khi việc cung
cấp nhiên liệu thực sự trở thành một vấn đề.
Các nước khác tiếp tục nghiên cứu điện gió trong một thời gian dài. Đan Mạch
xây dựng turbine gió Gedser của họ vào năm 1957. Máy này sản xuất 200 KW với
lượng gió 15 m/s. Nó được kết nối với hệ thống điện công Đan Mạch và sản xuất
khoảng 400.000 KWh mỗi năm. Tháp này cao 26 m và rotor có đường kính 24 m.
Máy phát điện được đặt tại nhà ở trên đỉnh tháp. Chi phí lắp đặt hệ thống này là
khoảng 250$/KW. Tua bin gió này chạy mãi cho đến năm 1968 thì ngừng.
Tiến sĩ Ulrich Hutter của Đức xây dựng một máy 100 KW vào năm 1957. Nó
đạt công suất của nó chỉ với tốc độ gió 8 m/s, thấp hơn nhiều so với các máy nói
trên. Máy này sử dụng một cách gọn nhẹ với đường kính cánh quạt 35 m được làm
từ sợi thủy tinh với cột tháp là một ống rỗng đơn giản hỗ trợ bằng dây guy. Góc của
cánh quạt sẽ thay đổi tùy vào tốc độ gió để giữ vận tốc các cánh quạt không đổi.
Tiến sĩ Hutter đã thu được hơn 4000 giờ hoạt động công suất định mức đầy đủ trong
11 năm tiếp theo, đây là một con số đáng kể cho một máy thử nghiệm. Điều này đã

đóng góp quan trọng cho việc thiết kế các tua-bin gió lớn hơn được thực hiện.

8


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Hình 1.2: Lịch sử phát triển năng lượng gió từ 1996 đến 2008 [15]
1.3. Tình hình phát triển điện gió ở hiện tại và triển vọng trong tương lai.
Theo báo cáo của World Wind Energy Association đến thời điểm giữa 2013
thì trên toàn thế giới Công suất gió đạt gần 300 gigawatt. Trong đó 14 GW công
suất lắp đặt mới trong nửa năm 2013 sau khi lắp đặt 16,5 GW vào năm 2012, công
suất điện gió toàn cầu đã đạt 296 GW, dự kiến cho cả năm là 318 GW. Sụt giảm
đáng kể ở Mỹ làm dẫn đến giảm toàn cầu, một phần bù đắp bằng thị trường mới,
Trung Quốc đã đạt tổng công suất 80 GW [15].

Hình 1.3: Tổng công suất lắp đặt từ 2010 – 2013 [MW] [15]

9