Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện turbin gió (1)

37

CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN CẢM ỨNG ROTOR DÂY QUẤN
3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink
3.2. Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt
động ở chế độ xác lập
3.2.1.Thông số
3.2.2. Sơ đồ mô phỏng
3.2.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió
3.2.4. Kết quả mô phỏng
3.2.4.1.Trường hợp ở tốc gió 6m/s
3.2.4.2.Trường hợp ở tốc gió 7m/s
3.2.4.3.Trường hợp ở tốc gió 6m/s
3.2.4.4.Trường hợp ở tốc gió 7m/s
3.3. Thống kê kết quả


38

3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink
Có rất nhiều phần mềm chuyên dụng được phát triển cho mô hình hóa và mô
phỏng như simnon, Alaska, Pspice, Sigma vv… Một trong những phần mềm được
ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay là MatLab.
MatLab là một hệ thống tương tác trong đó dữ liệu cơ bản là mảng (array)
không yêu cầu định trước kích thước. Các chuyên ngành kỹ thuật như điện, điện tử,
điều khiển tự động, kỹ thuật cơ khí, năng lượng, hóa học …, các chuyên ngành toán
như kế toán, thống kê và chuyên ngành nghiên cứu sinh học là những địa chỉ ứng
dụng quen thuộc của Matlab. Trong công nghiệp Matlab là công cụ để chọn các
nghiên cứu hiệu quả, phát triển và phân tích.

Matlab được phát triển bởi công ty Math Works Inc, là ngôn ngữ máy tính
bậc cao được phát triển cho tính toán kỹ thuật. Nó thích hợp các chức năng tính
toán, hiển thị và lập trình trong môi trường dễ sử dụng. Các ứng dụng cơ bản của
Matlab bao gồm:
- Làm các phép toán.
- Phát triển thuật toán.
- Thu thập dữ liệu.
- Mô hình hóa, mô phỏng và tạo mẫu.
- Phân tích dữ liệu, khai thác và hiển thị.
- Đồ họa.
- Các phát triển ứng dụng.
Toán học của Matlab bao gồm một tập lớn các giải thuật tính toán bao hàm
từ các hàm cơ sở, các tính toán cho số phức tới các hàm phức tạp hơn như đảo ma
trận, biến đổi Fourier. Ngoài ra, Matlab còn cung cấp một số khối chuyên dụng đặc


39

biệt khác để giải các bài tốn chun sâu được phát triển trong các ToolBox và
Blocket như sau:
Fuzzy logic ToolBox

Logic mờ

Neural Network Blockset

Mạng Nơron

Power System Blockset

Các hệ thống cơng suất

Reatiem Workshop

Ghép nối tiếp các thiết bị ngoại vi

Simmechanics

Mơ phỏng các hệ động lực học

Simulink là một phần mềm mở rộng của MATLAB
dùng để mô hình hoá, mô phỏng và phân tích một hệ
thống động. Thông thường dùng để thiết kế hệ thống
điều khiển, thiết kế

DSP, hệ thống thông tin và các

ứng dụng mô phỏng khác. Simulink

là thuật ngữ mô

phỏng dễ nhớ được ghép bởi hai từ Simulation và Link.
Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi
tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián
đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn.
Để mô hình hoá, Simulink cung cấp cho bạn một giao
diện đồ họa để sử dụng và xây dựng mô hình sử dụng
thao tác "nhấn và kéo" chuột. Với giao diện đồ họa ta
có thể xây mô hình và khảo sát mô hình một cách
trực quan hơn. Đây là sự khác xa các phần mềm trước

đó mà người sử dụng phải đưa vào các phương vi phân
và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập
trình.
Điểm nhấn mạnh quan trọng trong việc mô phỏng
một quá trình là việc thành lập được mô hình. Để sử


40

dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến
thức cơ bản về điều khiển, xây dựïng mô hình toán học
theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và từ đó
thành lập nên mô hình của bài toán.
(Nguồn nvanmatlab)
3.2. Mơ hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn
hoạt động ở chế độ xác lập
3.2.1.Thơng số
Giả sử máy phát có các thơng số kỹ tuật sau: cánh quạt có bán kính R=41m,
hệ số λ = 8 , tốc độ gió từ 5m/s đến 8m/s, Rs = 0,00189Ω, Ld = 0,0038 (H), Lq =
0,0038 (H), J = 205,465kg.m2, số đơi cực p = 4.
3.2.2. Sơ đồ mơ phỏng


41

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn
hoạt động ở chế độ xác lập
3.2.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió
- Khối tuabin gió:

42

Hình 3.2: Sơ đồ khối tuabin gió
-

Khối máy phát:

Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phát
-

Khối chỉnh lưu:


43

Hình 3.4: Sơ đồ khối chỉnh lưu
- Khối nghịch lưu:

Hình 3.5: Sơ đồ khối nghịch lưu
-

Khối hồi tiếp điều khiển từ thông


44

Hình 3.6: Sơ đồ khối hồi tiếp điều khiển từ thông
3.2.4. Kết quả mô phỏng
3.2.4.1. Trường hợp ở tốc gió 5m/s

-

Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.7: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 5m/s
Ở hình 3.7 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và có
điện áp mỗi pha là 690V.


45

-

Đồ thị điện áp 1 chiều:

Hình 3.8: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 5m/s
Ở hình 3.8 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là
hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.
-

Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.9: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 5m/s
Ở hình 3.9 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ tăng giảm
là thời gian đóng và mở IGBT.


46

- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:

Hình 3.10: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 5m/s
Ở hình 3.10 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng hình
sin.
- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.11: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 5m/s
Ở hình 3.11 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng
của tải 3 pha.


47

3.2.4.2. Trường hợp ở tốc gió 6m/s
-

Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.12: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 6m/s
Ở hình 3.12 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và
có điện áp mỗi pha là 690V.

-

Đồ thị điện áp 1 chiều:


48

Hình 3.13: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 6m/s

Ở hình 3.13 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là
hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.
-

Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.14: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 6m/s
Ở hình 3.14 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ
tăng giảm là thời gian đóng và mở IGBT.
- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:


49

Hình 3.15: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 6m/s
Ở hình 3.15 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng hình
sin.
- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.16: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 6m/s


50

Ở hình 3.16 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng
của tải 3 pha.
3.2.4.3. Trường hợp ở tốc gió 7m/s
-

Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.17: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 7m/s
Ở hình 3.17 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và
có điện áp mỗi pha là 690V.


51

-

Đồ thị điện áp 1 chiều:

Hình 3.18: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 7m/s
Ở hình 3.18 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là
hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.
-

Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.19: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 7m/s
Ở hình 3.19 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ
tăng giảm là thời gian đóng và mở IGBT.


52

- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:

Hình 3.20: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 7m/s
Ở hình 3.20 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng hình

sin.
- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.21: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 7m/s
Ở hình 3.21 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng
của tải 3 pha.


53

3.2.4.4. Trường hợp ở tốc gió 8m/s
-

Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.22: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 8m/s
Ở hình 3.22 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và
có điện áp mỗi pha là 690V.
-

Đồ thị điện áp 1 chiều:

Hình 3.23: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 8m/s


54

Ở hình 3.23 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là
hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.
-

Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 8m/s
Ở hình 3.24 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ
tăng giảm là thời gian đóng và mở IGBT.
- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:

Hình 3.25: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 8m/s


55

Ở hình 3.25 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng sin.
- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.26: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 8m/s
Ở hình 3.26 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng
của tải 3 pha.
3.3. Thống kê kết quả:
Bảng 3.1: Thống kê kết quả mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng
rotor dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập
Tốc độ gió (m/s)
Từ thông ϕ
Điện áp ngõ ra (V)
Điện áp 1 chiều (V)
Tần số (Hz)

5
1,45

690
498
50

6
1,45
690
498
50

7
1,4
690
498
50

8
1,4
690
498
50

Nhận xét:
Từ bảng 3.1 ta thấy khi tốc độ gió thay đổi từ 5m/s đến 8m/s thì các thông số
điện áp ngõ ra, điện áp 1 chiều, tần số đều bằng nhau. Nhưng từ thông thay đổi, tốc
độ gió càng lớn thì từ thông giảm để điều chỉnh tần số và điện áp ngõ ra máy phát là
ổn định.