Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ thống phong điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN THẾ VINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN NGUỒN KÉP
TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN THẾ VINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN NGUỒN KÉP
TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN THANH
PHƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Thế Vinh..................................................Giới tính: Nam ..............
Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1984.................................................Nơi sinh: TP Cà Mau.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.......................................................MSHV: 1641830028 ..
I- Tên đề tài:
Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ
thống phong điện
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống phong điện
- Tìm hiểu tổng quan ve máy phát điện nguồn kép
- Tìm hiểu về logic mờ, ứng dụng trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong
hệ thống phong điện.
- Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab
- Viết luận văn
III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài)

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15 tháng 8 năm 2018
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH và Viện
đào tạo Sau đại học đã nhiệt tình giảng dạy và hỗ trợ để tôi hoàn thánh khóa học. Đặc biệt
PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương đã truyền cảm hứng vá hướng dẫn để tôi hoàn thành
luận văn này.

Cám ơn các bạn học viên cùng lớp đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong học
tập để vượt qua khó khăn trong học tập và nghiên cứu tại trường.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật chất
và tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập.
Phan Thế Vinh


Trang i


Trang ii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan ......................................................................................................
Lời cảm ơn .........................................................................................................
Mục Lục ......................................................................................................... iii
Tóm tắt luận văn ............................................................................................viii
Danh sách các hình .......................................................................................... ix
Danh sách các ký hiệu sử dụng trong luận văn ................................................. xi
Phần mở đầu ................................................................................................... xv
Chương 1.Tổng quan năng lượng gió ...................................................................... 1
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới ............................................ 1
1.1.1.Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay ................................... 1

1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo ................................................ 1
1.2. Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước............................................ 4
1.2.1. Những nghiên cứu ngoài nước ........................................................... 4
1.2.2. Kết quả nghiên cứu trong nước .......................................................... 5
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu............................................................... 6
1.4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 6
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 6

Trang iii


Chương 2. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................... 7
2.1. Cấu tạo turbine gió ..................................................................................... 7
2.1.1. Các loại turbine gió ............................................................................. 7
2.1.2. Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió .................................................... 8
2.1.3. Các dạng tháp ..................................................................................... 9
2.1.4. Cánh quạt và trục cánh quạt .............................................................. 10
2.1.5. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine............... 11
2.1.6. Hệ thống hãm .................................................................................... 12
2.1.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt .............. 12
2.1.8. Vỏ turbine ......................................................................................... 13
2.2. Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió ....................................... 14
2.2.1. Mô hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG ........................ 14
2.2.2. Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió ........................................ 14
2.3. Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió…. . ........... 16
2.3.1. Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định ....................... 16
2.3.2. Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ .......................... 17
2.3.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)........... 19
2.3.4. Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió ...................... 20
2.4. Điều khiển mờ ......................................................................................... 20

2.4.1. Cấu trúc điều khiển logic mờ ............................................................ 20
2.4.2. Phân loại bộ điều khiển mờ ............................................................... 21
2.4.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ ................................................ 22

Trang iv


Chương 3. Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép ............... 25
3.1. Mô hình khối turbine gió .......................................................................... 25
3.2. Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong không gian........ 27
3.3. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục tọa độ quay d-q ............... 29
3.4. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q. ............ 30
3.5. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β ...... 30
3.6. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q ... 33
3.7. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG . 36
3.7.1. Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển.................................................. 36
3.7.2. Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng ...... 37
3.8. Mô hình bộ chuyển đổi ............................................................................. 40
3.9. Các đại lượng cơ bản ................................................................................ 41
Chương 4. Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ ..................... 43
4.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển...................................................................... 43
4.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID mờ .................................................... 44
4.3. So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID mờ khối. ............................ 50
Chương 5. Mô hình và kết quả mô phỏng dùng bộ PID mờ điều khiển ................. 52
5.1. Mô hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG ................................ 52
5.1.1. Sơ đồ mô hình mô phỏng trong Matlab/simulink ............................... 54
5.1.2. Mô hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters........ 55
5.1.3. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ............... 55
5.1.4. Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi công suất .................................. 57
5.1.5. Mô hình mô phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và ................ 58

Trang v


5.1.6. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ............... 58
5.1.7. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor .............. 59
5.1.8. Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ............................. 59
5.1.9. Mô hình mô phỏng khối Rotor của máy phát..................................... 60
5.1.10. Khối biến đổi dòng điện và công suất phía lưới ............................... 60
5.1.11. Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG .................... 61
5.2. Trình tự mô phỏng.................................................................................... 61
5.2.1. Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió ................ 61
5.2.2. Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều . .... 67
5.2.3. Mô phỏng đáp ứng turbine gió khi xảy ra sự cố……………………..72
5.2.3.1. Mô phỏng lưới B25 (25kV) bị chạm đất một pha….………...72
5.2.3.2. Mô phỏng lưới B120 (25kV) khi bị sụt áp…………………...73
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài ................................................ 76
6.1. Kết luận ................................................................................................... 76
6.1.1. Các kết quả đã đạt được trong đề tài.................................................. 76
6.1.2. Hạn chế ............................................................................................. 76
6.2. Hướng phát triển của đề tài ...................................................................... 76
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 78

Trang vi


Tóm tắt luận văn
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn
năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo. Sự phát triển của khoa học và công nghệ phục vụ trong ngành công

nghiệp năng lượng tái tạo trong đó có các turbine gió nguồn kép (DFIG) thay đổi
tốc độ được sử dụng nhiều hơn so với các turbine tốc độ gió cố định. Nội dung
chính của luận văn này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống phát điện của tổ
máy phát hòa lưới thông qua bộ chuyển đổi. Do stator của máy phát điện được kết
nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp lưới trong khi rotor
được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC, nên mục tiêu điều
khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng phía stator của máy phát DFIG
được qui về điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator trên hệ tọa độ
tham chiếu d-q ở chế độ xác lập.
Việc điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lưới
điện được thực hiện bằng cách sử dụng giải thuật điều khiển mờ để điều khiển độc
lập hai thành phần của vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotor
thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Kết quả cho thấy khi sử dụng các bộ PID mờ
vào điều khiển thì đáp ứng hệ thống bám rất tốt theo sự thay đổi của tín hiệu đặt,
điện áp VDC-link luôn giữ ổn định và luôn là hằng số. Mô hình được mô phỏng để
nghiên cứu dựa trên mô hình hiện có của Matlab/Simulink.

Trang vii


Abstract
In recent years, wind energy has become one of the most important energy
source and promising for the use of renewable energy sources. The development of
science and technology for renewable energy industries including wind turbines
dual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed wind
turbines. The main content of this thesis is the study of the control system's power
generating grid through the converter. Due to the stator of the generator is
connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is
connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active
and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent

control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system
in the setting mode.
The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the
grid is made using fuzzy control algorithm to control two independent components
of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter
AC/DC/AC. The results showed that when using fuzzy PI and fuzzy PID control,
the system response very good grip on the change of the signal, VDC - link voltage
to keep stable and always constant. Model was been based simulation to study the
existing model of Matlab/Simulink.

Trang viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 2.1: Các dạng turbine gió ......................................................................... 7
Hình 2.2: Cấu tạo turbine gió trục ngang .......................................................... 8
Hình 2.3: Cấu tạo tháp trụ ................................................................................ 9
Hình 2.4: Tháp mắc cáo ................................................................................. 10
Hình 2.5: Cánh quạt ....................................................................................... 10
Hình 2.6: Trục cánh quạt ................................................................................ 11
Hình 2.7: Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt....................................... 11
Hình 2.8: Động cơ điều chỉnh hướng turbine.................................................. 12
Hình 2.9: Hệ thống hãm turbine ..................................................................... 12
Hình 2.10: Hộp số chuyển đổi tốc độ ............................................................ 13
Hình 2.11: Vỏ turbine .................................................................................... 13
Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG .................. 14

Hình 2.13: Mô hình máy phát không đồng bộ ................................................ 16
Hình 2.14: Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor .......... 17
Hình 2.15: Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor .... 18
Hình 2.16: Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ........................... 18
Hình 2.17: Mô hình turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG ........... 19
Hình 2.18: Mô hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện ................................. 20
Hình 2.19: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ cơ bản ......................... 21
Hình 2.20: Các bộ điều khiển mờ ................................................................... 22
Hình 2.21: Cấu trúc tổng quát một hệ mờ ....................................................... 22
Hình 3.1: Đặc tính của Cp(λ,β)....................................................................... 26
Hình 3.2: Nguyên lý vector trong không gian ................................................. 27
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục . ...................... 29
Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y .......... 30
Hình 3.5: Mạch tương đương máy phát điện DFIG trong hệ tọa độ quay d-q...35

Trang ix


Hình 3.6: Mối quan hệ giữ các đại lượng trong hệ trục tọa độ α-β và d-q …...36
Hình 3.7: Giản đồ vector điện áp lưới và vector từ thông stator.......................38
Hình 3.8: Cấu trúc của bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back................. 40
Hình 3.9: Cấu trúc bộ converter AC/DC/AC .................................................. 40
Hình 4.1: Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ kinh điển ....................................... 43
Hình 4.2: Đặc tính động học của bộ điều khiển PID ....................................... 43
Hình 4.3: Bộ chỉnh định mờ tham số PID ....................................................... 45
Hình 4.4: Tập mờ ngõ vào của bộ Kp mờ ....................................................... 45
Hình 4.5: Tập mờ ngõ vào của bộ KI mờ ........................................................ 46
Hình 4.6: Tập mờ ngõ vào của bộ KD mờ ....................................................... 46
Hình 4.7: Tập mờ ngõ ra của bộ Kp mờ ......................................................... 47
Hình 4.8: Tập mờ ngõ ra của bộ KI mờ .......................................................... 47

Hình 4.9: Tập mờ ngõ ra của bộ KD mờ ......................................................... 48
Hình 4.10: Quy luật thay đổi Kp ..................................................................... 48
Hình 4.11: Quy luật thay đổi KI ..................................................................... 49
Hình 4.12: Quy luật thay đổi KD ..................................................................... 49
Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển PI thông thường khối Vdq_ctrl_grid_conv ........... 50
Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển PID mờ khối Vdq_ctrl_grid_conv ........................ 50
Hình 4.15: Điện áp, dòng điện, công suất và điện áp Vdc-link khi .................. 51
Hình 4.16: Điện áp, dòng điện, công suất và điện áp Vdc-link khi .................. 51
Hình 5.1: Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió công suất 9MW. ....................... 54
Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió công suất 9MW. ...... 54
Hình 5.3: Mô hình khối Wind turbine và Generator&Converter. .................... 55
Hình 5.4: Mô hình mô phỏng khối Wind turbine. ........................................... 55
Hình 5.5: Đặc tính công suất theo tốc độ của turbine. ..................................... 56
Hình 5.6: Sơ đồ máy phát điện DFIG và bộ chuyển đổi công suất.. ................ 57
Hình 5.7: Mô hình khối điều khiển Wind DFIG-Grid và Wind DFIG-Rotor... 58
Hình 5.8: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới. ............ 59
Hình 5.9: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor.. .......... 59

Trang x


Hình 5.10: Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ.. ....................... 60
Hình 5.11: Mô hình mô phỏng khối rotor máy phát không đồng bộ DFIG....... 60
Hình 5.12: Mô hình mô phỏng khối biến đổi dòng điện .................................. 61
Hình 5.13: Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG.. ................. 61
Hình 5.14: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine.. ................. 62
Hình 5.15: Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng.. .... 63
Hình 5.16: Điện áp trung gian Vdc-link.. ........................................................ 64
Hình 5.17: Dạng sóng dòng điện id- rotor của máy phát điện DFIG... ............. 64
Hình 5.18: Dạng sóng dòng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG.. .............. 64

Hình 5.19: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, ............................ 65
Hình 5.20: Điện áp trên các B120, B25, B575, công suất tác dụng .................. 65
Hình 5.21: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine, .................. 67
Hình 5.22: Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng ...... 67
Hình 5.23: Dạng sóng dòng điện id- rotor của máy phát điện DFIG, ............... 69
Hình 5.24: Dạng sóng dòng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG ................ 69
Hình 5.25: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, ............................ 69
Hình 5.26: Điện áp trên các bus B120, B25, B575, công suất tác dụng............ 70
Hình 5.27: Điện áp và dòng tải trên B2300, tốc độ ......................................... 71
Hình 5.28: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.71
Hình 5.29: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.72
Hình 5.30: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ, công suất lưới tại B25. . 73
Hình 5.31: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ. ..................................... 74
Hình 5.32: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ. ..................................... 75

Trang xi


DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Chú giải

ρ

Mật độ không khí (kg/m3)

R

Bán kính cánh quạt (m)

v

Vận tốc gió (m/s)

Cp(α,β)

Hiệu suất cánh quạt tuabine

Pm

Công suất turbine (w)

Tm

Moment cơ trục turbine (N.m)

Te

Moment điện từ máy phát (N.m)

ωr

Vận tốc góc điện của rotor (rad/s)

ωrm

Vận tốc góc cơ máy phát [mach.rad/s]

ωs

Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s)

kgear

Tỉ số truyền

Jwtr

Moment quán tính turbine.(Kg/m2)

va

Điện áp pha a (v)

vb

Điện áp pha b (v)

vc

Điện áp pha c (v)

vα

Điện áp trục α hệ quy chiếu αβ

vβ

Điện áp trục β hệ quy chiếu αβ

vd

Điện áp trục d hệ quy chiếu quay dq

vq

Điện áp trục q hệ quy chiếu quay dq

idr

Dòng điện rotor trục d hệ quy chiếu quay dq

iqr

Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq

ids

Dòng điện stator trục d hệ quy chiếu quay dq

Trang xii


iqs

Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq

iα r

Dòng điện rotor trục α hệ quy chiếu αβ

iβ r

Dòng điện rotor trục β hệ quy chiếu αβ

iα s

Dòng điện stator trục α hệ quy chiếu αβ

iβ s

Dòng điện stator trục β hệ quy chiếu αβ

Rs

Điện trở stator (Ω)

Lr

Điện cảm dây quấn rotor qui về phía stator (H)

Ls

Điện cảm dây quấn stator (H)

Ls

Điện cảm rò dây quấn stator (H)

Lr

Điện cảm rò dây quấn rotor (H)

Lm

Điện cảm từ hóa (H)

Nr / Ns

Tỷ số vòng dây quấn

θs

Góc vị trí stator (elec.rad)

ψ as ψ bs ψ cs

Từ thông stator (Wb)

ψ ar ψ br ψ cr

Từ thông rotor (Wb)

ψ dr

Từ thông rotor trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

ψ ds

Từ thông stator trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

ψ qr

Từ thông rotor trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

ψ qs

Từ thông stator trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

VDC

Điện áp một chiều trung gian của bộ converter (V)

CDC

Điện dung trung gian của bộ converter (H)

Ps

Công suất tác dụng đầu cực stator (W)

Qs

Công suất phản kháng đầu cực stator (Var)

Pn

Công suất định mức (W)

fn

Tần số định mức (Hz)

Trang xiii


Vn

Điện áp định mức (V)

H(s)

Hằng số quán tính (kg.m2)

F

Hệ số ma sát (N.m.s)

p

Số đôi cực từ

λ

Tip-speed-ratio

β

Góc pitch (deg)

Chỉ số trên
e, s

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

ref, *

Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

mea

Giá trị đo lường

Trang xiv


PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn
năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng
tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng
nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống
đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường. Trong các loại hình năng lượng tái tạo,
năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau:
- Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu xem
xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì điện gió
có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch.
- Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy phong
điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác.
- Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven biển và

các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn.
- Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng các
dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện.
Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn
còn là một ngành mới mẻ. Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu. Các văn
bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức...về ngành cũng còn ở
mức rất hạn chế. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng
như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và
sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng logic mờ
trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ thống phong điện” làm đề tài
nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều
khiển truyền thống đến việc thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các
phương pháp điều khiển thông minh hiện nay như fuzzy logic.

Trang xv


1. Tổng quan năng lượng gió

Chương 1:

TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới.
1.1.1. Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay.
Mặc dù trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới có những biến động rất to
lớn về mọi mặt, từ việc suy thoái tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lụt,
động đất thường xuyên nhưng nhìn chung bức tranh kinh tế và tài chính toàn cầu
trong thập kỷ qua vẫn tăng trưởng. Do đó mà nhu cầu sử dụng năng lượng ngày
càng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các

nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi. Tỷ suất tăng
trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 1990-2000 là: năng
lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%;
năng lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%. Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng
lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống. Trong đó điện gió có
tốc độ tăng trưởng cao nhất.
Cũng theo báo cáo của Ủy ban Năng lượng Gió thế giới, tổng công suất điện
gió được lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với
tổng công suất lắp đặt là 159 GW). Năm nước đứng đầu trong phát triển điện gió
gồm: Trung Quốc với tổng công suất lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đức là
27,2GW, Tây Ban Nha là 20,7GW và Ấn Độ là 13GW.[1]
1.1.2.Tình hình phát triển năng lượng tái tạo bằng sức gió ở một số nước.
- Đức: là nước dẫn đầu về phát triển điện gió. Đến cuối năm 2003, tổng công
suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14,600MW, chiếm hơn 1/3 công suất
lắp đặt điện gió của toàn thế giới, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu. Lượng khí
thải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sự
đóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăng
thêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững. Năm 2004, tổng lượng điện gió

Trang 1


1. Tổng quan năng lượng gió
chiếm 5,3% tổng lượng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 sẽ chiếm đến 8%.
Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm
2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50%. Mặt khác, một quyết
sách quan trọng nữa là tuyên bố trong vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử
hiện đang chiếm 30% lượng cung ứng điện sẽ lần lượt bị đóng cửa.
- Đan Mạch: Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km2, dân số
khoản 5 triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thu

nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro. Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trở
thành một động lực lớn của nền kinh tế, đó là một ví dụ thành công về thương mại
hóa trong lĩnh vực này. Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư 100 triệu USD
vào công việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió. Chính phủ Đan Mạch bù lỗ
cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành của nó, áp dụng chế độ ưu đãi
về thuế cho những người sử dụng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch
thì đánh thuế ô nhiễm không khí. Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kế
hoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm. Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến
năm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện. Năm 2000 và 2003 mỗi
năm xây dựng 1 trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biển
Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suất
lắp đặt 40MW gồm 20 máy, mỗi máy 2MW. Năm 2008, Đan Mạch đã lắp đặt thêm
5 trang trại điện gió, tổng công suất lắp đặt là 750MW. Theo tin đã đưa chính phủ
Đan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển
Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng công suất 4,000MW.
- Mỹ: sau một thời kỳ ảm đạm về điện gió của thập kỷ 90 thế kỷ XX, đến nay
nước Mỹ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió. Hiện 27
Bang đã có các công trình điện gió lớn. Đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặt
điện gió đã đạt 6,370MW. Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối với
điện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hoàn toàn, đồng thời sau khi đưa vào
hoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1kWh được giảm thuế
1,5cent USD. Tại miền Tây nước Mỹ đã lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có

Trang 2


1. Tổng quan năng lượng gió
tổng công suất là 300MW, là trang trại điện gió lớn nhất thế giới hiện nay. Tại bờ
biển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lượt
dựng lên, công suất điện của một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện

11/9 sẽ khởi công xây dựng tháp Tự Do, trên bãi đất bị tàn phá của tòa tháp đôi
Trung tâm thương mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phát
điện gió, nhằm cung cấp 20% lượng điện tiêu thụ của tòa nhà đó.
- Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trưởng Tây Ban Nha
đã thông qua kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tương
đối cụ thể về phát triển năng lượng gió. Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phát
điện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện toàn
quốc. Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnh
hưởng đối với môi trường, tính toán giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện pháp
khuyến khích, dự báo về thị trường… của việc phát triển năng lượng gió, có tính
khả thi rất cao.
- Pháp: Ngày 23/4/2004 nước Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc
việc khai thác than. Đó là hình ảnh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng của việc
phát triển nguồn năng lượng của thế giới. Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầu
trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sức
gió lên vị trí chiến lược. Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện
gió. Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000MW - 3000MW thiết bị điện gió,
đến năm 2010 sẽ có 3000MW đến 5000MW điện gió đưa vào vận hành. Theo tính
toán sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6
triệu tấn khí thải CO2. Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn
60%.
- Nhật Bản: Năm 2002 Nhật Bản đã lắp đặt 486MW điện gió, năm 2003 đã có
730MW, năm 2004 đã có 936MW. Đến năm 2010 tổng công suất lắp đặt điện gió sẽ
đạt 3000MW. Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điện
lực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió,

Trang 3


1. Tổng quan năng lượng gió

mặt khác phải mua điện gió của các Công ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy
định.
Nhật Bản phấn đấu tự sản xuất hoàn toàn thiết bị điện gió, đồng thời hướng đến
xuất khẩu. Máy phát điện gió của các Công ty Nhật Bản có nhiều tính năng ưu việt,
tốc độ gió 1m/s đã có thể bắt đầu phát điện, công suất điện phát ra thường cao hơn
15 - 20% so với các thiết bị của các nước khác.
Nhật Bản đặt mục tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có công suất lắp đặt là
11,800MW.
- Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu
tiên của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên
lưới. Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đưa
vào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính phủ Bỉ tặng. Sau đó dựa vào nguồn
vốn chính phủ cũng như một số viện trợ của nước ngoài đã có một số cơ sở phát
điện gió được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và làm mẫu.
Theo quy hoạch phát triển trung dài hạn về điện gió toàn quốc, đến cuối năm
2005 tổng công suất lắp đặt phải là 1000MW, năm 2010 là 4000MW, năm 2015 là
10000MW, năm 2020 là 20000MW. Như vậy trong những năm từ 2011 đến năm
2020 bình quân mỗi năm công suất lắp đặt điện gió của Trung Quốc phải đạt
1600MW. [1]
1.2. Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước về máy phát điện gió.
1.2.1. Những nghiên cứu ngoài nước.
- Fernando D.Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz, “Wind Turbine
Control Systems Principles, Modelling and Gain Scheduling Design”. April 2006.
-Pedro Rosas, “Dynamic influences of wind power on the power system”.
PhD thesis; Technical University of Denmark, March 2003.
- Petru, “Modeling of Wind Turbines For Power System Studies”. Thesis for the
degree of doctor of philosophy, university of technology. Goteborg, Sweden 2003.

Trang 4