Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện không đồng bộ rôto dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN MẠNH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG
BỘ RÔTO DÂY QUẤN NGUỒN KÉP DFIG CỦA TUA BIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.PGS. TS Nguyễn Lân Tráng

Hà Nội - 2014


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển tua bin gió sử dụng máy điện nguồn kép DFIG
nối lưới
LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………...............1
PHẦN MỞ ĐẦU............................................................................................................... 2
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN
SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN NGUỒN KÉP DFIG............................................... 3
1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo ................................................................................. 3
1.2. Tổng quan về máy phát điện sức gió và các máy phát điện sức gió thông dụng ........... 3
1.2.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió.........................................................................3
1.2.2 Các loại máy phát điện sức gió thông dụng ............................................................... 4
1.3. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG .................... 7
CHƯƠNG II

MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG ................................................. 10
2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện cảm ứng nguồn kép DFIG ............ 10
2.1.1. Cấu tạo của máy phát điện DFIG........................................................................... 10
2.1.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện nguồn kép DFIG......................................... 12
2.1.3. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG ............................................................... 12
2.1.4. Công suất của DFIG .............................................................................................. 15
2.1.5. Véctơ không gian.................................................................................................... 16
2.1.6. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không gian .................... 18
2.2.Mô tả toán học máy phát điện nguồn kép DFIG ......................................................... 18
2.2.1. Mô tả toán học máy phát điện DFIG ...................................................................... 18
2.2.3. Mô tả toán học bộ DC-Link .................................................................................... 21
2.2.4. Mô tả toán học bộ điều khiển phía lưới (GSC) ....................................................... 22
2.2.5. Mô tả toán học bộ điều khiển phía tua bin (MSC)................................................... 23
CHƯƠNG III
CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TUA BIN GIÓ DFIG ................................................. 24
3.1. Cấu trúc tiêu biểu của tua bin gió trục ngang............................................................. 24
NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển tua bin gió sử dụng máy điện nguồn kép DFIG
nối lưới
3.2 Cấu trúc cánh quạt và trụ tua bin ................................................................................ 25
3.2.1 Cấu trúc cánh quạt.................................................................................................. 25
3.2.2. Cấu trúc trụ tua bin gió .......................................................................................... 29
3.3. Tổng quan về bộ điều khiển cho tua bin gió DFIG .................................................... 30
3.3.1. Cấu trúc bộ điều khiển và biến đổi tần số ............................................................... 32
3.3.2. Cấu trúc bộ điều khiển phía rôto (RSC).................................................................. 34

3.3.3. Cấu trúc bộ bảo vệ quá dòng (Crowbar) ................................................................ 36
3.3.4. Cấu trúc bộ điều khiển phía lưới (GSC) ................................................................ 37
3.3.5. Cấu trúc các bộ điều khiển phụ trợ và điều khiển tua bin ....................................... 38
CHƯƠNG IV
MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUA BIN GIÓ SỬ DỤNG PLC S7-300 ....... 46
4.1. Tổng quan bộ điều khiển PLC S7-300/400 của Siemens............................................ 46
4.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển khả trình PLC ................................................................... 46
4.1.2 Bộ điều khiển khả trình PLC S7-300/400 của Siemens ............................................ 48
4.1.3 Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-300............................................................................ 51
4.1.4. Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-300....................................................................... 52
4.2. Mạng truyền thông công nghiệp của Siemens............................................................ 53
4.3. Mô hình mạng DCS điều khiển tua bin gió nối lưới................................................... 60
4.3. Thiết lập hệ thống PLC và lập trình PLC cho toàn bộ hệ thống ................................. 64
4.3.1 Thiết lập cấu hình PLC trên phần mềm PCS7.......................................................... 64
4.3.2 Lập trình bằng ngôn ngữ LAD trên phần mềm PCS7............................................... 65
4.3.3 Thiết lập giao diện HMI trên PCS7 ......................................................................... 68
CHƯƠNG V
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 71
Kết luận ........................................................................................................................... 71
Đề xuất ............................................................................................................................ 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 72
PHỤ LỤC ...........................................................................................................................74
NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện không đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Tua bin gió với tốc độ cố định
Hình 1.2.Tua bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato và
lưới.
Hình 1.3 Tua bin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép
Hình 1.4.Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG
Hình 1.5.Sơ đồ điều khiển dòng rôto bằng các bộ biến đổi
Hình 1.6.Hệ thống máy phát DFIG với bộ biến đổi nguồn
Hình 2.5 Mặt cắt chi tiết của máy điện không đồng bộ rôto dây quấn
Hình 2.6.Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG
Hình 2.7.Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG
Bảng 2.1.Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG
Hình 2.8.Năng lượng trong máy phát điện DFIG khi bỏ qua tổn thất
Hình 2.9. Nguyên lý của véctơ không gian
Hình 2.10.Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG
Hình 2.11.Sơ đồ thay thế và quy đổi của DFIG trong hệ toạ độ không gian véctơ
Hình 2.12.Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ không gian véctơ
Hình 2.13.Mô hình DC-Link
Hình 2.14.Mô hình bộ điều khiển phía lưới (GSC)
Hình 2.15.Mô hình bộ điều khiển phía tua bin (MSC )
Hình 3.1 Cấu trúc các bộ phận của 1 t ua bin gió điển hình
Hình 3.2 Kích thước và công suất những lọai tua -bin điện gió đã được sản xuất
hàng loạt tính đến năm 2012
Hình 3.3 Cấu trúc lớp vật liệu chế tạo cánh quạt
Hình 3.4 Cánh quạt tua-bin Growian
Hình 3.5.Tiết diện cánh quạt và cấu hình thân cánh
Hình 3.6.Thân trụ làm bằng thép và bê tông
Hình 3.9.Cấu trúc tổng quan bộ điều khiển tua bin DFIG
Hình 3.10.Sơ đồ khối các đối tượng điều khiển tua bin gió DFIG
NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

1


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện không đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
Hình 3.11.Chế độ điều khiển và biến đổi tần số của DFIG
Hình 3.13.Cấu trúc sơ đồ điều khiển công suất tác dụng của DFIG
Hình 3.14.Cấu trúc bộ điều khiển công suất phản kháng
Hình 3.14.Cấu trúc sơ đồ điều khiển Crowbar
Hình 3.15.Sơ đồ liên kết giữa GSC, DC -Link và RSC
Hình 3.16.Sơ đồ điều khiển GSC với bộ điều khiển PI
Hình 3.17.Mô hình cơ khí và năng lượng của Tua bin gió
Hình 3.18.Nguyên lý bộ điều khiển tốc độ tua bin DFIG
Hình 3.19.Cấu trúc 2 mạch vòng của bộ điều khiển tốc độ tua bin DFIG
Hình 3.20.Nguyên tắc của cơ chế Yawing
Hình 3.21. Nguyên tắc điều khiển của bộ điều khiển góc cánh
Hình 3.22. Nguyên tắc điều khiển của điều khiển rung lắc đột ngột
Hình 3.23.Cấu trúc bộ điều khiển góc cánh tua bin DFIG
Hình 3.24.Cấu trúc bộ điều khiển công suất tác dụng của tua bi n DFIG
Hình 4.1.Cấu trúc bên trong của PLC
Hình 4.2.Vòng quét của PLC
Hình 4.3.Cấu trúc của bộ điều khiển PLC
Hình 4.4.Hình ảnh PLC S7-300 của Siemens
Hình 4.5.Hình ảnh PLC S7-300 của Siemens và các mô đun mở rộng
Hình 4.6.Mạng MPI
Hình 4.7.Mạng AS-i
Hình 4.8.Mạng Ethernet công nghiệp
Hình 4.9.Mạng PROFIBUS

Hình 4.10.Mô hình mạng DCS của hệ thống điều khiển tua bin gió
Hình 4.11.Tủ PLC tại tua bin 1
Hình 4.12.Thiết lập phần cứng PLC trên phần mềm PCS7
Hình 4.13.Chọn hàm và khối chương trình trên phần mềm PCS7
Hình 4.14. Lập trình cho tua bin 1 bằng ngôn ngữ LAD
Hình 4.15.Lập trình cho chế độ tự động
NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

2


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện không đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
Hình 4.16.Bảng tín hiệu PLC
Hình 4.17.Khai báo thẻ trên WinCC
Hình 4.18. Lựa chọn mục thiết kế giao diện HMI
Hình 4.19.Giao diện HMI đối với tua bin 1

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

3


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện không đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

4


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân tôi đã nỗ lực hết mình và được
sự hướng dẫn tận tình của các Thầy, C ô trong Bộ môn H ệ thống điện. Đặc biệt là
thầy giáo PGS.TS Nguyễn Lân Tráng , Thầy hướng dẫn trực tiếp cho tôi và có
những chỉ dạy, g óp ý vô cùng quý báo để giúp t ôi hoàn thành luận văn này.
Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, trình độ chuyên môn về tin học và
ngoại ngữ của bản thân còn hạn chế nên luận văn còn nhiều khuyếm khuyết. T ôi
rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của các th ầy cô, bạn bè và đồng nghiệp
trong ngành để luận văn được hoàn thiện và áp dụng vào thực tế hiệu quả.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện-Viện
Điện, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều
kiện học tập, nghiên cứu cho t ôi trong suốt quá trình thực hiện tại trường !

Tác giả

Nguyễn Văn Mạnh

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

1


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong các yếu tố ả nh hưởng trực tiếp đến sự ph át triển kinh tế xã hội ở Việt
Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song
song với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc ph òng, sản
xuất, công nghiệp, du lịch ...Nhu cầu về s ản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên
ngày một rõ rệt.
Trong những năm gần đây các hoạt động nghi ên cứu, ứng dụng năng l ượng
mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá
mạnh mẽ và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió
để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền
buồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ
vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên li ệu khai thác
được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối
lượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá thạch.
Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên vi ệc nghiên cứu, sử dụng các
dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được
nhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm.Trên cơ sở áp dụng các thành
tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng năng
lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị v à quy

mô ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra
hệ thống phát điện và nối lưới hệ thống điện quốc gia . Vì vậy đề tài “Thiết kế bộ
điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn
kép DFIG” mang tính cấp thiết và ý nghĩa quan trọng trong điều kiện tình hình
kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay.
Đề tài sẽ tập trung vào phân tích bộ điều khiển nối lưới cho tua bin gió sử
dụng máy phát điện nguồn kép DFIG và mô hình điều khiển tua bin.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

2


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN NGUỒN KÉP DFIG
1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo là 1 nguồn năng lượng sạch, thân thiện và không gây ô
nhiểm môi trường và được hầu hết các nước trên thế giới đang chú trọng nghiên
cứu và đầu tư phát triển về mô hình và qui mô phát triển.
Nguồn năng lượng tái tạo rất đa dạng và phong phú như: năng lượng gió,
năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều… Phương pháp
xây dụng và công ng hệ phát triển nguồn năng lượng tái tạo cũng hoàn toàn khá c
nhau như: năng lượng gió sử dụng sức gió để phát điện, năng lượng địa nhiệt sử
dụng nguồn nhiệt rất lớn trong lòng trái đất để làm sôi nước và chạy tua bin máy
phát, năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin mặt trời để tạo ra điện, năng lượng

thủy triều sử dụng sức nước để làm chạy pit tông máy phát điện…
Ở các nước kinh tế phát triển và đang phát triển đặc biệt các nước có biển
trên thế giới hiện nay, nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hó a thạch
(Than, dầu…) người ta đang chú trọng và đầu tư phát triển nguồn năng lượng tái
tạo đặc biệt là nguồn năng lượng gió.
Đối với nước ta đến nay đã và đang xây dựng các trang trại gió sử dụng
máy phát điện sức gió của Mỹ, Nga, Đức ...trong Ninh Thuận và các tỉnh phía
nam. Đây là một nguồn năng lượng dồi dào có tính cách mạng trong tương lai và
trong tình hình kinh tế xã hội ở nước ta .
1.2. Tổng quan về máy phát điện sức gió và các máy phát điện sức gió th ông
dụng
1.2.1. Tổng quan về máy phát điện sức gió
Máy phát điện sức gió có 02 kiểu chính:
- Máy phát điện sức gió kiểu trục ngang: Đây là loại máy đang được sử dụng
phổ biến hiện nay. Với cấu tạo là trục quay rôto nằm ngang.
- Máy phát điện sức gió kiểu đứng: Đây là loại máy ít sử dụng. Với cấu tạo là
trục quay rôto thẳng đứng theo phương thân trụ máy phát.
NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

3


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
Máy phát điện gió với công suất khác nhau từ 1kw tới hàng chục mw. Các
máy phát điện gió có thể hoạt động độc lập hoặc có thể nối với mạng điện quốc
gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc quy 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 mà sử dụng máy biến áp kết nối với trạm phân phối và nối lưới hệ thống điện
quốc gia.
Các máy phát điện gió có thể ph át 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 thiết bị phong điện sử dụng.
1.2.2 Các loại máy phát điện sức gió thông dụng
Hiện nay trên thế giới có hai loại tua bin gió chính đang được sử dụng trong
hệ thống máy phát điện sức gió đó là:
+ Tua bin gió tốc độ cố định.
+ Tua bin gió với tốc độ thay đổi.
a. Loại tua bin gió vớ i tốc độ cố định
Đây là loại tua bin sử dụng máy điện không đồng bộ. Máy phát không đồng
bộ được nối trực tiếp với lưới. Tuy nhiên loại máy phát điện này có nhược điểm
chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió.
Cấu tạo của loại tua bin này bao gồm thành phần chính sau:
+ Cánh quạt tua bin: Có nhiệm vụ hứng gió.
+ Hộp số: Đây là hộp số của máy phát.
+ Máy phát điện IG: Biến động năng của gió thành điện năng.
+ Bộ đóng cắt mềm: Đóng cắt trong quá trình hoạt động nối lưới hoặc không nối
lưới.
+ Hệ thống tụ điện: Là hệ thống tụ điện nối song song với đầu ra máy phát điện.
+ Máy biến áp: Biến đổi điện áp lên lưới.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

4

Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Hình 1.1.Tua bin gió với tốc độ cố định
b. Loại tua bin gió tốc độ thay đổi
Tua bin gió với tốc độ thay đổi có ha i loại: Tua bin gió với tốc độ thay đổi
có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato và lưới. Và tua bin gió sử dụng máy điện
cảm ứng nguồn kép (DFIG).
+ Loại tua bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch
stato của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi đượ c tính toán với công suất định
mức của toàn tua bin. Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rôto lồng sóc
hoặc đồng bộ.
Cấu tạo của loại tua bin này bao gồm thành phần chính sau:
+ Cánh quạt tua bin: Hứng gió
+ Hộp bánh răng: Đây là hộp số của máy phát.
+ Máy phát điện: Biến cơ năng của gió thành điện năng.
+ Bộ biến đổi công suất: Bao gồm các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu và DC link.
+ Máy biến áp: biến đổi điện áp lên lưới.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

5


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Hình 1.2.Tua bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổ i nối trực tiếp
giữa stato và lưới.
+ Loại tua bin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG: Đây là loại máy
điện rôto dây quấn và rôto được nối với lưới điện thông qua một bộ biến đổi điện
áp chỉnh lưu- nghịch lưu.
Stato của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, điều khiển DFIG thông
qua điều khiển bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu -nghịch lưu phía rôto.
Cấu tạo của loại tua bin này bao gồm thành phần chính sau:
+ Cánh quạt tua bin: Hứng gió.
+ Hộp số: Biến đổi tốc độ thấp thành cao.
+ Máy phát điện DGIG: M áy phát điện nguồn kép.
+ Bộ biến đổi công suất: Bao gồm các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu và mạch lọc DC.
+ Máy biến áp: Biến đổi điện áp lên lưới.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

6


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Hình 1.3 Tua bin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép
1.3. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG
Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta
phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió. Việc kích từ được
thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới ( trường hợp vận hành có hoà lưới) hoặc nhờ
nguồn ngoài như: ắc quy, nguồn điện mồi khác để tạo kích từ. Đối với hệ thống

phát điện sức gió dùng máy điện cảm ứng nguồn kép (máy điện không đồng bộ
nguồn kép DFIG) với công suất lớn thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoà
lưới, đồng thời năng lượng do tua bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ
động được nhờ hệ thống điều khiển góc cánh độc lập , cho phép thay đổi tốc độ
quay.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

7


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Hình 1.4.Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFI G
Cấu trúc của máy phát điện sức gió sử dụng máy đi ện cảm ứng nguồn kép
DFIG:
+ Cánh quạt tua bin: Có nhiệm vụ hứng gió.
+ Hộp số: Biến đổi tốc độ quay chậm thành nhanh .
+ Máy phát điện DFIG: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp .
+ Bộ điều khiển máy phát: Bao gồm các bộ biến đổi công suất và có nhiệm vụ
điều khiển phía máy phát.
+ Bộ điều khiển tua bin: Bao gồm các bộ điều khiển công suất, điều khiển góc
đón gió của cánh quạt...
+ Bộ quản lý hệ thống : đây là bộ quản lý chung toàn bộ hệ thống như trạng thái
hệ thống tua bin, chất lượng điện năng, trạng thái máy biến áp và trạng thái gió.
Bên trong bộ điều khiển tua bin có bộ biến đổi cơ khí để điểu khiển mô
men hoặc tốc độ của máy phát hoặ c hệ số công suất đầu cuối của stato. Bộ biến

đổi phía lưới (GSC) có vai trò giữ cho điện áp một chiều DC -link bằng hằng số .

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

8


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Hình 1.5.Sơ đồ điều khiển dòng rôto bằng các bộ biến đổi

Hình 1.6.Hệ thống máy phát DFIG với bộ biến đổi nguồn

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

9


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
CHƯƠNG II
MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG

2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện cảm ứng nguồn kép

DFIG
2.1.1. Cấu tạo của máy phát điện DFIG
Cấu tạo của máy phát điện không đồng bộ DFIG gồm 02 phần chính là
stato và rôto. Ngoài ra có các bộ phận khác như : Vỏ máy, nắp máy và trục
máy.Trục máy được làm bằng thép trên đó có gắn ổ bi hoặc bạc lót.
a.Stato
Stato có chức năng tạo ra điện thế xoay chiều 3 pha nhờ sự thay đổi từ
thông khi rôto quay. Các thành phần chính của stato: Lõi stato, cuộn dây stato,
đầu ra, thân và nắp máy.
+ Lõi thép stato: được ép bằng các lá tôn silic dầy 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn
cách điện. Dọc chiều dài lõi thép cứ khoảng 3 ÷ 6 cm lại có một rãnh thông gió
ngang trục rộng 10 mm.
+ Nắp máy được chế tạo từ thép tấm hoặc gang đúc. Ở các máy công suất trung
bình và lớn, ổ trục đặt ở giá đỡ ổ trụ c riêng cố định trên bệ máy.
Nhiệt sinh ra lớn nhất ở stato so với các thành phần khác của máy phát vì
vậy dây quấn ph ải phủ lớp cách điện chịu nhiệt rất tốt.
+ Cuộn dây stato có thể mắc theo hai cách sau:
- Cách mắc kiểu hình sao: Cho ra điện áp cao, được sử dụng phổ biến.
- Cách mắc kiểu tam giác: Cho ra dòng điện lớn.
b. Rôto
Rôto có chức năng: Tạo ra từ trường và xoay để tạo ra sứ c điện động trong
cuộn dây stato. Các thành phần chính: Lõi thép rôto, cuộn dây rôto (Cuộn kích
từ).

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

10

Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
+ Lõi thép rôto làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình
trụ, sau đó gia công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ, phần không phay rãnh
làm thành mặt cực từ.
+ Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôto, được chế tạo từ dây đồng tiết diện hình
chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây được
cách điện với nhau bằng các vật liệu cách điện như mica, giấy cách điện….
Hai đầu của cuộn dây kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt ở
đầu trục, thông qua hai chổi than điện để đưa dòng kích từ vào. Dòng kích từ
được cung cấp từ hệ thống kích thích.

Hình 2.5 Mặt cắt chi tiết của máy điện không đồng bộ rôto dây quấn

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

11


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
2.1.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện nguồn kép DFIG
Đưa 01 dòng kích từ vào dây quấn rôto của máy phát sẽ sinh ra từ trường
đều, khi gió làm quay cánh quạt tức làm rôto quay, thì từ trường đều sẽ quét lên
dây quấn stato, trên dây quân stato sẽ xuấ t hiệ n sức điện động cả m ứng. Nối dây
quấ n stato với phụ tả i (Hoặc nối lưới) thì trong dây q uấn stato sẽ x uất hiện dòng
điệ n. Biên độ của điện á p stato phụ thuộc độ lớn của dòng kích từ . Tần số điện á p

stato phụ thuộc tốc độ quay củ a rôto.
2.1.3. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG
Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG được trình bày như hình
2.6. Đây là trường hợp mạch điện đấu hình Y, tuy nhiên nếu đấu hình ∆ chúng ta
cũng có thể chuyển về hình Y tương đương và tính toán tương tự.

Hình 2.6.Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG

Hình 2.7.Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

12


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
Áp dụng định luật định luật Kirhoff 2 cho 3 vòng ta được:
.

.

.

.

.

.

U s = R s I s + j 1 L s  I s + j 1 L m ( I s + I r + I Rm )
.
.
.
.
.
U r Rr .
=
I r + j 1 L r  I r + j 1 L m ( I s + I r + I Rm )
s
s
.

.

.

.

0 = R m I Rm + j 1 L m ( I s + I r + I Rm )
Trong đó:

U s : Điện áp stato

Rs : Điện trở stato
U r : Điện áp rôto

Rr : Điện trở rôto

I s : Dòng điện stato

Rm : Điện trở từ hoá
I r : Dòng điện rôto
Ls : Điện cảm stato
I Rm : Dòng điện từ hoá
I r : Điện cảm rôto

1 : Tần số dòng điện

stato

Lm : Điện cảm từ hoá
s (slip): Độ trượt
Độ trượt s được tính theo công thức sau:

s=

1 −  r  2
=
1
1

.

 1 là tần số góc của rôto và  2 là tần số trượt.
NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

13


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
Từ trường mạch từ, từ trường của stato và rôto được xác định như sau:
.

.

.

Ψ m = L m ( Is + Ir + IRm )
.

.

.

.

.

Ψ s = L sλ I s + L m ( I s + I r + I R m )= L sλ I s + Ψ m
.

.

.

.

.

Ψ r = L rλ I r + L m ( I s + I r + I R m )= L r λ I r + Ψ

m

Do đó các biểu thức trên có thể được viết lại như sau:
.

.

U

=R

s

s

I s + jω 1L

sλ

I s + j ω 1Ψ

s

.

U

r

s

=

R

.
r

s

I r + jω 1Ψ

r

.

0=R

m

I R m + jω 1Ψ

m

Tổn thất công suất xác định bằng bi ểu thức sau:

Plo ss = 3 (R s I s 2 + R r I r 2 + R m I m 2 )
Và mômen cơ điện Te được tính bằng:

T e = 3 n p I m [ Ψ m I *r ] ≈ 3 n p I m [Ψ r I *r ]
Trong đó: n p là số đôi cực từ.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

14


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Máy công suất
nhỏ
< 4 kw

Máy công suất
trung bình
100 kw

Máy công suất
lớn
> 800 kw

Điện trở stato và
rôto ( R s và R r )

0,04

0,01

0,01

Điện cảm s toto và
rôto
( Ls + Ls ≈ L )

0,2

0,3

0,3

Điện cảm từ hóa

2

3,5

4

Lm
Bảng 2.1.Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG
2.1.4. Công suất của DFIG

Công suất bi ểu kiến của stato (Ss) và của r ôto (Sr) được xác định bằng
cách tính cho 1 pha sau đó nhân 3 (tính chất đối xứng):
.

S s =3 U s I *s =3R s I s2 +3j ω 1L sλ Is2 +3jω1 Ψ m Is*
|Ψ M |2
2
+3R m I Rm
-3jω 1Ψ m I *r
=3R I +3jω 1L I +3jω 1
Lm
2
s s

2
sλ s

.

S r =3 U r I *r =3R r I r2 +3jω 1sL sλ I r2 +3jω1 sΨ m I r*
Vậy công suất tác dụng của stato và rôto là:

 
Ps = R e  S s  = 3 R s I s2 + 3 R I R2 m + 3 1 I m  m I r*  ≈ 3 1 I m  m I r* 
 
 
Pr = R e  S r  = 3 R r I r2 − 3 1 sI m  m I r*  ≈ − 3 1 I m  m I r* 
 

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

15


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
Nếu bỏ qua tổn thất, công suất từ hoá được xem như tổng công suất stato và
rôto:

Pmech = 31Im  mIr*  − 31sIm  mIr*  = 3r Im  mIr* 
Từ các biểu thức ta có thể thấy rằng:

P≈

Pmech
(1 − s)

Pmech
P
≈
−
s
và
(1 − s )

Hình 2.8.Năng lượng trong máy phát điện DFIG khi bỏ qua tổn thất
Chúng ta dễ dàng thấy rằng năng lượng stato và rôto có liên hệ chặt chẽ với
nhau thông qua độ trượt s (Pr ≈ −sPs).

2.1.5. Véctơ không gian
Ý tưởng của việc sử dụng véctơ không gian là để mô tả máy điện cảm ứng
bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha. Cuộn dây 3 pha của stato được cung
cấp một dòng điện 3 pha sẽ sinh ra từ trường quay. Từ trường quay này có thể
được hình thành chỉ với 2 pha. Đây chính là nguyên lý của phương pháp véctơ
không gian.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

16


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Hình 2.9. Nguyên lý của v éctơ không gian
S s chỉ số lượng của 3 pha, lần lượt là Sa, Sb, Sc. Áp dụng phép biến đổi:

S s = S  + jS  =

2K
( S a + aS b + a 2 S c )
3

Trong đó:
K: Hằng số biến đổi của phương pháp véctơ không gian và được lựa chọn bằng
1
2

a = e

j 2
3



Chỉ số “s” chỉ ra rằng véctơ không gian được tham chiếu đến stato của máy
phát.
Một véctơ không gian có thể được biểu diễn:

S

s

= Se

j ( 1 +  )

Trong đó:  là góc dịch pha :

1 =

d 1
dt

Do vậy khi chuyển từ hệ toạ độ véctơ sang hệ toạ độ đồng bộ (hệ toạ độ dq)
có mối liên hệ sau:

s = sd + jsq = e- j1 s s = se jf
NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

17


Luận văn cao học Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện khô ng đồng bộ rôto
dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió
2.1.6. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không gian
Công suất tác dụng P được tính bởi công thức:
P = u a i a + u bi b + u ci c =

Chọn K=

3
2K

. s

2

R e [ U (Is )* ]=

3
2K

.

2

R e[ U I* ]

.
1
*
nên: P = 3Re[ U I ]
2
.

Tương tự:

Q=3I m [ U I* ]

2.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN NGUỒN KÉP DFIG

Hình 2.10.Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG
Bộ biến đổi điện áp (BBC) gồm bộ biến đổi phía lưới (GSC) và bộ biến đổi
phía máy phát (MSC).
Hơn nữa giữa GSC và lưới có đặt một bộ lọc LC nhằm lọc bớt những sóng
hài bậc cao gây ra bởi GSC.
2.2.1. Mô tả toán học máy phát điện DFIG
Hình 2.11 trình bày sơ đồ thay thế tương đương dạng gần đúng của DFIG
được mô tả trong hệ toạ độ không gian véctơ của stato. Chữ s có nghĩa là không
gian véctơ được tham chiếu đến stato của DFIG.

NGUYỄN VĂN MẠNH

KHÓA 2012A

18