Điều khiển công suất cua hệ thống điện gió

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

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

PHAN VĂN LƯU

ĐIỀU KHIỂN KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật
Điện Mã số ngành: 60 52 02
02

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. HUỲNH CHÂU DUY

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP. HCM ngày 10 tháng 05 năm 2013
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)
1. TS. Ngô Cao Cường
2. TS. Nguyễn Thanh Phương
3. TS. Nguyễn Thanh Phương

4. PGS.TS.Trần Thu Hà
5. TS. Nguyễn Hùng
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 KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.
HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày..… tháng ….. năm
…….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHAN VĂN LƯU

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1972

Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1181031037

I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu điều khiển công suất phản kháng và tác dụng của máy phát điện
không đồng bộ nguồn kép .
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan của bài toán điều khiển công suất điện gió
Chương 3: Hệ thống điện gió
Chương 4: Thuận toán điều khiển công suất điện gió
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Chương 6: Kết luận và kiến nghị của đề tài
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/6/2012
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/03/2013
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

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


i

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

Phan Văn Lưu


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời học tập và nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được
sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn
TS Huỳnh Châu Duy, luận văn với đề tài “ Điều khiển công suất cua3
hệ thống điện gió ” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn
TS Huỳnh Châu Duy đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận
văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tác giả
trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận
văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan
tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
bản luận văn.
Tác giả luận văn

Phan Văn Lưu


3

TÓM TẮT

Năng lượng gió ngày nay được quan tâm như là một trong những nguồn
năng lượng tái tạo quan trọng nhất do xuất phát từ thiên nhiên, vô tận . Tuy
nhiên, bất lợi lớn nằm trong sự tạo gió và thay đổi tốc độ gió và bài viết này
đưa ra một nghiên cứu về điều khiển công suất của hệ thống điện gió thông
qua máy phát điện cảm ứng không đồng bộ nguồn kép (ADFIG). Tốc độ trên
và dưới tốc độ đồng bộ được thu được bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi
nguồn điện hai chiều. Bằng cách điều khiển công suất tác dụng và phản
kháng, do đó hệ số công suất tổng thể của hệ thống có thể được lưu giữ duy
nhất dưới điều kiện tải trọng khác nhau. Bài viết này trình bày các kết quả mô
phỏng của một ADFIG kết nối lưới. Một đại diện thông qua bộ chuyển đổi
PWM dựa trên điều chế PWM cho cả hai công cụ chuyển đổi rotor và stator,
đề xuất. phương pháp (VOC) điều khiển công suất cho cả hai phía chuyển
đổi stator và rotor để cung cấp và điều khiển công suất tác dụng và phản kháng.
Một máy phát điện 1.5 MW được thiết kế và hiệu quả của nó trong điều khiển
được xác nhận trong các điều kiện vận hành khác nhau ở tốc độ trên đồng bộ
và tốc độ dưới đồng bộ.
Luận văn thực hiện bao gồm 6 chương
Chương 1: Giới thiệu
Chương 1 đã giới thiệu được các vấn về nhu cầu điện năng trên thế giới
và việt nam, từ đó đưa ra lộ trình điện năng tại Việt Nam đến năm 2020.
Nhìn nhận sự cạn kiệt tài nguyên, thiếu hụt điện của thế giới nói chung
và Việt Nam nói riêng. Từ đó chỉ ra sự cần thiết của nguồn năng lượng mới đó
là năng lượng tái tạo đóng vai trò quang trong trong việc bảo vệ an ninh quốc
gia.
Chương 2: Tổng quan bài toán điều khiển công suất điện gió
Chương này đưa ra giải pháp điều phối công suất phản kháng và tác dụng
của một trang trại gió. nghiên cứu sự điều khiển kết hợp cấu trúc biến với hệ


4

tối ưu hóa được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng và tác dụng của
stato của một máy phát điện cảm ứng nguồn kép.
- Nghiên cứu một giải pháp khiển kết hợp cấu trúc biến với hệ tối ưu hóa
được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng và tác dụng của stato của
một máy phát điện cảm ứng nguồn kép.
- Nghiên cứu mô hình trạng thái ổn định và tốc độ cố định của máy phát
điện tuabin gió tốc độ biến đổi về giới hạn ổn định điện áp và dự đoán sự sụp
đổ điện áp có thể xảy ra
Chương 3: Hệ thống điện gió
Chương này trình bài tóm tắc lịch sử của hệ thống điện gió qua các thời
kỳ và đưa ra những ưu điểm, nhược điểm của các loại máy phát điện gió thông
dụng được sử dụng trong hệ thống điện gió hiện nay, từ đây chọn mô hình
máy phát điện gió (DFIG) cho điểu khiển công suất hệ thống điện gió, đồng
thời nghiên cứu xây dưng mô hình toán học của hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió.
Chương 4: Thuật toán điều khiển công suất điện gió dựa trên mô hình
máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
Trong chương này, sơ đồ điều khiển công suất tác dụng và phản kháng
của máy phát điện cảm ứng nguồn kép. Thuật toán điều khiển được đề xuất có
thể làm giảm các gợn sóng của công suất tác dụng và phản kháng một cách
độc lập. Kết quả mô phỏng cho thấy điều khiển công suất hiệu quả hơn. Các
thuật toán đề xuất cho thấy hiệu quả tốt hơn
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Trong chương này đưa ra những xây dựng các sơ đồ mô phỏng trong
môi trường Matlab-Simulink. Đưa ra các kết quả mô phỏng về điều khiển công
suất tác dụng và phản kháng theo thời gian và vận tốc gió
Chương 6: Kết luận và kiến nghị

5

Chương này đưa ra những tìm hiểu như sau:
Tìm hiểu về lĩnh vực phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó
khăn trong việc phát triển năng lượng gió, tiềm năng về năng lượng gió của
Việt Nam.
Tìm hiểu các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió: sự phân bố gió, hiệu
suất của tua bin gió, vận hành hệ thống năng lượng gió tốc độ cố định và thay
đổi.
Tìm hiểu các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió.
Tìm hiểu về mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép (DFIG), mô phỏng mô hình DFIG trên MATLAB/SIMULINK.
Tìm hiểu về phương pháp điều khiển VOC, ứng dụng vào điều khiển.


6

ABSTRACT
Wind Energy is gaining interest now -a– days as one of the most
important renewable sources of energy due to its ecofriendly nature. But the
major disadvantage lies in variable speed wind generation and this paper gives
a study on control of Wind driven Asynchronous doubly fed Induction
Generator (ADFIG). The speeds above and below Synchronous speeds are
obtained using a bidirectional power flow converter. By using this reactive
power is controlled and hence the overall Power factor of system can be kept at
unity under varying load conditions. This paper presents simulation results of a
Grid-connected ADFIG. A switch-by-switch representation of the PWM
converters with a carrier-based Sinusoidal PWM modulation for both rotorand stator-side converter has been proposed. Stator-Flux Oriented vector
control approach is deployed for both stator- and rotor-side converters to

provide independent control of active and reactive power and keep the DClink voltage constant. A 1.5 MW generator is designed and its effectiveness
in controlling is verified in different operating conditions. above and below
synchronous speeds.
The dissertation consists of 6 chapters
Chapter 1: Introduction
Chapter 1 has introduced the issue of energy demand in the world and
Vietnam, from which energy roadmap to 2020 in Vietnam.
Recognizing the depletion of natural resources, lack of power of the
world in general and Vietnam in particular. From that point out the need for
new energy sources such as renewable energy in the optical role in protecting
national security.
Chapter 2: Overview of the control problems of wind power capacity
This chapter gives solutions to the reactive power distribution and effects
of a wind farm. controlled study of variables associated with structural
optimization system is used to control reactive power and effect of stator of an
induction generator dual power.


vii

Research a control solution combined with system structure optimization
variables are used to control reactive power and effect of the stator of an
induction generator dual power.
To study the steady state model and the fixed speed wind turbine
generator speed limit change on voltage stability and predict voltage collapse can
occur.
Chapter 3: Wind Power System
This chapter summarizes all the history of wind power systems over
time and give the advantages and disadvantages of various types of wind
generators are commonly used in the wind power system today, from here

select models the wind generator (DFIG) control for wind power systems,
construction and study mathematical models of systems convert wind energy.
Chapter 4: power control algorithm based on a model wind power generator
asynchronous dual source.
In this chapter, the control scheme works and reactive power of
induction generator dual power. Control algorithms have been proposed to
reduce the power of the ripple effect and resistance independently. Simulation
results show that power control more effective. The proposed algorithm shows
better performance
Chapter 5: Simulation Results
In this chapter make building simulation diagrams in Matlab-Simulink
environment. Given the simulation results for the power control and reactive over
time and wind speed
Chapter 6: Conclusions and Recommendations
This chapter gives the following understanding:
Learn about the field of wind power, advantages and difficulties in the
development of wind energy, wind energy potential of Vietnam.
Learn the system conversion of wind energy: wind distribution, effective
performance of wind turbines operating wind energy system fixed speed and
change.
Find out the type of generator used in power conversion systems Wind.


viii

Understanding mathematical model of asynchronous generator source
dual (DFIG), DFIG simulation model on MATLAB / SIMULINK. Learn
about VOC control method, the control application

1

Chương 1
GIỚI
THIỆU
Năng lượng là một yếu tố đầu vào thiết yếu không thể thiếu được trong
hoạt động của con người và hoạt động kinh tế xã hội. Đời sống kinh tế - xã hội
càng tăng cao thì nhu cầu về năng lượng càng lớn, điều này đã tạo nên sự khan
hiếm về năng lượng, việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối
với hầu hết mọi quốc gia.
Với tốc độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện nay thì trữ lượng dầu và khí
tự nhiên sẽ thường xuyên nằm trên đà sụt giảm mạnh trong suốt thế kỷ 21.
Than đá, nguồn nhiên liệu hóa thạch có trữ lượng lớn hơn dầu và khí tự nhiên,
thì lại là một trong những tác nhân gây ra sự nóng lên toàn cầu. Sự tồn trữ các
nguồn nhiên liệu này là vô cùng hạn chế, vì vậy sự chuyển hướng sử dụng
sang những nguồn năng lượng thay thế trong tương lai trở thành tất yếu.
Giữ gìn những nguồn năng lượng hiện có và sử dụng chúng một cách
hiệu quả là giải pháp kết hợp để giải quyết triệt để vấn đề an ninh năng lượng,
một vấn đề mang tính cấp thiết của thời đại ngày nay.
Một viễn cảnh thực tế không thể tránh khỏi đang diễn ra là nhu cầu năng
lượng cho những nền công nghiệp đang phát triển cũng như các xã hội tân tiến
đã phát triển liên tục tăng, ở Việt Nam, nền kinh tế từ sau đổi mới làm nhu cầu
về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển kịp thời.
Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thường trực của
ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả
nước.
1.1. Giới thiệu
1.1.1.

Nhu cầu điện năng trên thế giới

Ngành công nghiệp điện trên thế giới hiện nay chủ yếu dựa trên công
nghệ nhiệt điện và thủy điện, đã mang đến cho nhân loại nền văn minh điện,
nhưng cũng đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trường trái đất. Với việc đốt
cháy nhiên liệu gốc hóa thạch (than đá, dầu khí), đã trở thành nguồn phát thải


2

khí nhà kính lớn nhất gây ra biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Còn công nghệ
điện hạt nhân lại không an toàn và gây ra những hiểm họa phóng xạ như
Chernobyl (1986), Fukishima (2010) và để lại tác hại lâu dài cho môi trường.
Vì vậy, thế kỷ 21 với chiến lược phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là
thời kỳ phát triển “kinh tế xanh”, “năng lượng xanh” đã bắt đầu chứng kiến
những công nghệ mới để sản xuất điện, nhiên liệu "sạch hơn", trong đó có sản
xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo vô tận trong tự nhiên hay luôn phát
sinh cùng đời sống con người. Đó là những công nghệ sản xuất điện từ nguồn
năng lượng tái tạo có sẵn trong tự nhiên như: gió, mặt trời, sinh khối, sóng
biển, thủy triều, địa nhiệt và nhiệt biển.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế thế giới, nhu cầu về điện năng
hiện cũng đang tăng trưởng một cách mạnh mẽ. Nhưng sự bùng nổ về nhu cầu
điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu khí (vốn hiện tại
cung cấp một nửa năng lượng cho toàn thế giới) lâm vào tình thế rất khó khăn.
Một kịch bản đã được vạch ra cho tương lai năng lượng của thế giới theo đó
các nguồn năng lượng sạch tái tạo được như năng lượng gió, năng lượng mặt
trời, năng lượng khí sinh, địa nhiệt,… sẽ chỉ chiếm một phần, dầu mỏ và khí
thiên nhiên sẽ ngày càng giảm do khan hiếm dần
Theo thống kê của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA) thì năm 2004, tổng
công suất của các nguồn năng lượng tái tạo trên toàn thế giới là 160 GW
(không kể thủy điện lớn), chiếm 4% tổng công suất các nhà máy điện trên toàn

cầu, tương đương 1/5 tổng công suất các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới,
trong đó các nước đang phát triển chiếm 44%, tức là 70 GW. Công nghệ sử
dụng năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất thế giới hiện nay là điện mặt trời
đấu nối vào lưới điện quốc gia, có tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm là
60%, thứ hai là điện gió 28%.
Trong báo cáo 2012 về thị trường năng lượng tái tạo trung hạn, cơ quan
năng lượng quốc tế (IEA) nhận định năng lượng tái tạo sẽ đóng một vai trò
ngày càng quan trọng trong sản xuất điện, góp phần đảm bảo an ninh năng
lượng của toàn cầu trong 5 năm tới.


3

1.1.2.

Tổng quan nhu cầu điện năng của Việt Nam

Hình 1.1 Biểu đồ phụ tải điển hình
Hiện nay sự gia tăng phát triển kinh tế của Việt Nam với khoảng 7% năm
và lượng điện tiêu thụ gia tăng khoảng 15% năm, trong khi đó giá dầu, than,
khí đốt tăng cao và chủ yếu sẽ phải nhập khẩu nên sẽ gây khó khăn cho an
ninh năng lượng quốc gia. Việc bổ sung, đa dạng hóa nguồn năng lượng sơ
cấp, trong đó năng lượng tái tạo là cần thiết phục vụ phát triển bền vững, đặc
biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang diễn ra.
Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 đã coi biển có vị trí quan trọng
trong phát triển kinh tế và chiến lược phát triển năng lượng biển Việt Nam
đang được bước đầu triển khai. Tuy nhiên, chiến lược này còn chưa được tiến
hành một cách hệ thống, chưa có cơ quan đầu mối trong việc lập quy hoạch
chiến lược ngành năng lượng biển.
Việt Nam có hơn 1 triệu km2 biển, địa hình tự nhiên của Việt Nam tương

đối đa dạng, kéo dài theo hướng Bắc-Nam, có đủ các vùng đồng bằng, trung
du, cao nguyên, có bờ biển dài…và có tiềm năng về năng lượng biển như gió,
mặt trời, sóng, thủy triều,…, xét riêng về năng lượng gió theo thông tin từ
trang web năng lượng gió chi phí đầu tư cho điện bằng sức gió thấp hơn so với


4

Hình 1.2. Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét
thủy điện. Toàn bộ chi phí cho một trạm điện bằng sức gió 4.800kW khoảng
3.000.000 Euro.
Với 500 trạm điện bằng sức gió loại 4.800kW sẽ có công suất 2,4 triệu
kW, bằng công suất nhà máy thủy điện Sơn La, tổng chi phí sẽ là: 500 x
3.000.000 = 1,50 tỉ Euro = 1,875 tỉ USD, chi phí này nhỏ hơn 2,4 tỉ USD là dự
toán xây dựng nhà máy thủy điện Sơn La, gió còn là nguồn năng lượng vô tận
và miễn phí, năng lượng sạch.
Vì vậy nếu được quy hoạch, khai thác hợp lý sẽ đóng góp quan trọng
vào sự phát triển bền vững kinh tế Việt Nam.


5

1.1.3.

Lộ trình sử dụng điện năng 2020

Theo QHĐ VII, thì phát triển ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo
nhằm đa dạng hóa nguồn năng lương sơ cấp cho sản xuất điện, bảo tồn nguồn
nhiên liệu và góp phần bảo đảm an ninh năng lương cho đất nước.
Chỉ tiêu được đặt ra là tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ các nguồn năng

lượng tái tạo chiếm 3,5% năm 2010 lên 4,5% và 6% vào năm 2020 và năm
2030.
Năm 2011, tổng công suất phát điện năng lượng tái tạo khoảng 550MW,
trong đó chủ yếu là thủy điện nhỏ. Với công suất phát điện dự báo đến năm
2020 và 2030 lần lượt là 75.000MW và 147.000MW thì công suất phát điện
năng lượng tái tạo theo tỷ lệ trên sẽ là 4.200MW năm 2020 và 13.799MW
năm 2030.

Hình 1.3. Minh họa kế hoạch phát triển các dạng năng lượng tái tạo tại
Việt Nam giai đoạn 2011-2030
Đứng trước thách thức nhu cầu về điện ngày càng tăng, sự thiếu hụt điện,
và cạn kiệt tài nguyên của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Năng
lượng gió đang là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang được quan
tâm đầu tư xây dựng góp phần làm giảm bớt sự mất cân đối giữa cung và cầu
về điện năng.
Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió
không ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào


6

nhiều yếu tố đặc biệt là không gian, thời gian, các thành phần khác như kích
thước cánh quạt, cơ cấu truyền động, hộp giảm tốc, và máy phát điện xoay
chiều, tổn thất truyền tải xảy ra giữa bánh răng cánh quạt máy phát điện cảm
ứng,…làm ảnh hưởng đến sản lượng điện.
Chính vì thế việc nhanh chóng nghiên cứu thuật toán điều khiển công
suất của hệ thống điện gió là một việc cần thiết để đảm bảo công suất đầu ra
của hệ thống điện gió được ổn định.
Vì vậy đề tài “ Điều khiển công suất của hệ thống điện gió ” mang tính
cấp thiết và có ý nghĩ rất quan trọng đối với công tác nghiên cứu ứng dụng hệ

thống phát điện sử dụng năng lượng gió bổ sung nguồn điện chung để đảm
bảo an ninh năng lượng quốc gia và bảo vệ môi trường.

Hình 1.4. Minh họa điện năng dùng năng lượng gió
1.2. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn luận văn bao gồm 6 chương:
1.2.1. Chương 1: Giới thiệu
Giới thiệu nhu cầu điện năng trên thế giới và Việt Nam và từ đó đưa ra lộ
trình điện năng tại Việt Nam đến năm 2020.
1.2.2. Chương 2: Tổng quan bài toán điện gió
Chương này trình bày các đề tài đã được nghiên cứu liên quan đến điều
khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện gió trong nước và
ngoài nước và những ứng dụng của đề tài đã được nghiên cưu trong nước và
ngoài nước


7

1.2.3. Chương 3: Điều khiển công suất hệ thống điện gió
Điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện gió
1.2.4. Chương 4: Hệ thống điện gió
Chương này trình bày nguồn gốc năng lượng gió, turbine gió làm việc
như thế nào, cấu tạo hệ thống điện gió.
1.2.5. Chương 5: Mô phỏng và kết quả
Chương này giới thiệu mô phỏng về kết quả thực hiện điều khiển công
suất của hệ thống điện gió.
1.2.6. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển luận văn
Chương này tóm tắc lại những việc đã thực hiện ở luận văn này và
hướng phát triển của luận văn.
1.3.Kết luận

Chương 1 đã giới thiệu được các vấn về nhu cầu điện năng trên thế giới
và việt nam, từ đó đưa ra lộ trình điện năng tại Việt Nam đến năm 2020.
Nhìn nhận sự cạn kiệt tài nguyên, thiếu hụt điện của thế giới nói chung
và Việt Nam nói riêng. Từ đó chỉ ra sự cần thiết của nguồn năng lượng mới đó
là năng lượng tái tạo đóng vai trò quang trong trong việc bảo vệ an ninh quốc
gia.


72

Chương 4
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG
ĐIỆN GIÓ DỰA TRÊN MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
Máy phát không đồng bộ cảm ứng nguồn kép được chọn làm mô hình
máy phát điện trong hệ thống điều khiển công suất điện gió được xem là giải
pháp tốt nhất. Bời vì bộ biến đổi công suất được đặt bên phía rotor nên làm
giảm tổn hao và có chi phí thấp hơn.
4.1. Máy phát điện không đồng bộ cảm ứng nguồn kép
Thông thường, stator trực tiếp kết nối với lưới điện và phía rotor thì
giao tiếp thông qua một bộ biến đổi điện áp. Phạm vi vận hành rộng bao gồm
từ tốc độ dưới đồng bộ đến tốc độ trên đồng bộ, công suất chuyển đổi được đặt
ở phía rotor có hoạt động với luồn công suất theo cả hai hướng.
4.1.1. Cấu tạo máy điện cảm ứng rotor dây quấn
Máy điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIM) là một máy điện cảm ứng
rotor 3 pha thông thường. Cuộn dây stator máy điện được kết nối trực tiếp vào
lưới điện và cuộn dây rotor được kết nối với bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC)
phía rotor bởi các vành trượt và chổi quét.
Như thể hiện trong hình 4.1 máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG)
bao gồm hai bộ chuyển đổi nguồn điện áp hai chiều với một liên kết DC vòng,

máy cảm ứng rotor dây quấn, và turbine gió.


73

Hình 4.1 Máy phát điện cảm ứng nguồn kép loại turbine chạy bằng sức gió
trong đó:
ωs tốc độ góc đồng bộ
ωr tốc độ góc của rotor
ωt tốc độ góc của rotor turbine
V s điện áp đầu ra của stator
Vr điện áp đầu ra của bộ biến đổi nguồn điện áp phía rotor
Vg điện áp đầu ra của bộ biến đổi nguồn điện áp phía lưới điện
Vrc điện áp đầu ra của bộ biến đổi nguồn điện áp phía rotor của
pha c
Vgc điện áp đầu ra của bộ biến đổi nguồn điện áp phía lưới điện của
pha c
Vdc điện áp dc hằng số
Pm công suất cơ được tạo ra bởi turbine gió
Pg, Qg công suất tác dụng và phản kháng của bộ biến đổi nguồn điện
áp phía lưới điện
Pr công suất tác dụng của bộ biến đổi nguồn điện áp phía rotor
Ps, Qs công suất tác dụng và phản kháng của bộ biến đổi nguồn điện


74

áp phía stator
4.1.1.1. Bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC)
Loại máy này được trang bị với hai bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC)

giống hệt nhau. Những bộ biến đổi này thường sử dụng linh kiện bán dẫn công
suất (IGBT) trong thiết kế của chúng.
Sự kích thích nguồn AC được cung cấp thông qua bộ biến đổi nguồn
điện áp (VSC) phía lưới và bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía rotor. Bộ
biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía lưới được kết nối mạng lưới điện AC. Các
bộ biến đổi phía rotor được kết nối với cuộn dây rotor. Bộ biến đổi nguồn điện
áp phía lưới (VSC) và phía stator được kết nối với lưới điện AC phía máy tăng
thế để nâng điện áp đến cấp độ điện áp cao như lưới điện mong muốn.
Các bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) cho phép độ rộng biên độ của
máy điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIM) điều chỉnh tốc độ thay đổi. Nếu
biên độ tốc độ làm việc nhỏ, khi đó công suất nhỏ nên được điều khiển bằng
bộ biến đổi công suất hai chiều được kết nối với rotor. Nếu tốc độ thay đổi
được điều khiển trong khoảng +/_ 30%, khi đó bộ biến đổi phải có một định
mức sắp sỉ gần 30% của định mức máy phát điện. Do đó yêu cầu định mức bộ
biến đổi là nhỏ đáng kể hơn tổng công suất của máy phát điện nhưng nó còn
phù thuộc thuộc vào phạm vi tốc độ thay đổi được chọn lựa và sau đó là công
suất trượt. Cho nên, kích cỡ và chi phí của bộ biến đổi công suất tăng khi
phạm vi tốc độ xung quanh tốc độ đồng bộ tăng.
4.1.1.2. Liên kết DC với tụ điện
Các tụ điện được kết nối với các hoạt động liên kết DC như một hằng
số, nguồn điện áp DC gợn sóng tự do, cơ cấu lưu trữ năng lượng và nguồn
công suất phản kháng. Hơn nữa, liên kết DC cung cấp công suất truyền tải và
ổn định giữa hai hệ thống AC không đồng bộ.
4.1.1.3. Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển tạo ra những điều khiển như sau: Điều khiển góc
nghiên của cánh quạt, loại điều khiển thường dùng bởi điều khiển góc nghiên
khí động học để điều khiển công suất gió chiết ra bởi turbine cánh quạt, tín


75

hiệu điện áp điều khiển Vrc, loại được dùng để điều khiển bộ biến đổi điện áp
phía rotor và tín hiệu điện áp lưới Vgc, loại được dùng để điều khiển bộ biến
đổi điện áp phía lưới điện (điều khiển công suất điện). Lần lượt bộ biến đổi
điện áp phía rotor điều khiển công suất của turbine gió, và bộ biến đổi điện áp
phía lưới điện điều khiển điện áp thanh dẫn dc và công suất phản kháng tại các
thiết bị đầu cuối lưới.
Bằng cách thực hiện điều chế độ rộng của xung, nó có thể điều khiển
các bộ biến đổi điện áp (VSC) tạo ra một dạng sóng ngõ ra với độ lớn điện áp
và góc pha như mong muốn, đồng thời làm giảm sóng hài bậc thấp.
4.1.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện nguồn kép
Một phạm vi rộng của chế độ vận hành tốc độ thay đổi có thể đạt được
bằng cách áp dụng điều khiển điện áp trên các thiết bị đầu cuối rotor, điều này
được thực hiện thông qua bộ biến đổi điện áp phía rotor. Điện áp rotor có thể
được thay đổi ở cả độ lớn và pha của bộ điều khiển biến đổi, loại mà điều
khiển được dòng rotor, bộ biến đổi điện áp phía rotor thay đổi độ lớn và góc
của điện áp đặt vào và tách rời điều khiển công suất phản kháng và công suất
thực có thể đạt được.
Bộ điều khiển biến đổi điện áp (VSC) phía rotor cung cấp hai chức
năng quan trọng:
•

Thay đổi mômen điện từ của máy phát điện và tốc độ rotor

•

Điều khiển công suất phản kháng stator ngõ ra không đổi, điều

khiển hệ số công suất stator hoặc điều khiển điện áp thiết bị đầu cuối stator.
Bộ điều khiển biến đổi điện áp phía lưới điện cung cấp hai chức năng

quan trọng:
•

Điều tiết điện áp của tụ điện thanh dẫn DC

•

Điều khiển công suất phản kháng phía lưới

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) thay đổi công suất ở lưới
điện khi vận hành ở các tốc độ trên đồng bộ và dưới đồng bộ. Chế độ vận hành
này được phân tích như sau.
4.1.2.1. Công suất và các chế độ vận hành


76

4.1.2.1.2.1.

Công suất

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép stator được kết nối đến lưới điện có
tần số ồn định (fs). Tại điện áp lưới ổn định (Vs) tạo ra nguồn điện AC có tần
số không đổi trong suốt điều kiện vận hành và rotor được kết nối với bộ điều
khiển tần số hoặc bộ biến đổi điện áp có một tần số thay đổi (fr=s.fs). Tại tần
số fs không đổi cường độ từ trường giảm ở stator quay ở vận tốc góc hoặc tốc
độ không đổi (ωs=2πf s) là tốc độ đồng bộ của máy. Từ trường quay stator sẽ
gây ra một điện áp giữa thiết bị đầu cuối của rotor. Điện áp rotor cảm ứng này
sinh ra một dòng điện rotor (Ir), do đó tạo ra một từ trường rotor quay ở vận
tốc góc hoặc tốc độ thay đổi (ωr=2πf r). thường thì stator và rotor có số cực p

giống nhau. Quy ước là từ trường stator quay theo chiều kim đồng hồ. Cho
nên từ trường stator quay theo chiều kim đồng hồ tại một tốc độ không đổi, ổn
định (ωs (rmp) =120fs/p). Khi rotor được kết nối với bộ biến đổi điện áp có
tầng số thay đổi thì từ trường rotor cũng sẽ quay với tốc độ (ωr (rmp)
=120fr/p).
4.1.2.1.2.1.

Các chế độ vận hành

4.1.2.1.2.1. Chế độ tốc độ dưới đồng bộ

Hình 2.4 minh họa trường hợp từ trường rotor quay với tốc độ chậm
hơn so với từ trường stator.


77

Hình 4.2 Chế độ hoạt động dưới đồng bộ của DFIG
Máy phát điện hoạt động ở dạng tốc độ dưới đồng bộ ωm < ωs,,
•

Nếu tốc độ quay của rotor là chính xác ωm= ωs - ωr và

•

Cả hai thứ tự pha của stator và rotor là giống nhau và theo chiều

dương như đã đề cập thứ tự pha thuận ωr>0.
Điều kiện này diễn ra trong quá trình làm chậm tốc độ gió. Để trích
xuất điện năng tối đa từ turbine gió, các điều kiện sau đây cần được thỏa mãn:

•

Bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía rotor sẽ cung cấp dòng

điện AC tần số thấp (điện áp rotor (Vr) âm sẽ được áp dụng) cho cuộn dây
rotor
•

Công suất rotor sẽ được cung cấp bởi các tụ điện thanh dẫn DC

Thông qua bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía rotor, loại bộ biến đổi
mà có xu hướng giảm điện áp thanh dẫn DC, bộ biến đổi nguồn điện áp
(VSC) phía lưới điều khiển điện áp DC này và giữ cho nó không đổi, nguồn
điện lấy từ lưới điện thông qua bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía lưới và
phân phối đến rotor thông qua bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía rotor.
Trong thời gian chế độ hoạt động này bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía
lưới hoạt động như là một chỉnh lưu và bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía
rotor hoạt động như một biến tần từ đó nguồn điện được phân phối đến lưới
điện bởi stator.
4.1.2.1.2.2

Chế độ tốc độ trên đồng bộ

Các dạng tốc độ trên đồng bộ đạt được bởi từ trường rotor xoay ngược
chiều kim đồng hồ. Hình 2.5 đại diện cho dạng tốc độ trên đồng bộ. Tuy nhiên,
để đại diện cho sự quay ngược chiều kim đồng hồ của rotor, đó là dạng được
phân tích tương đương với đảo chiều của từ trường rotor .


78

Hình 4.3 Chế độ hoạt động trên đồng bộ của DFIG
Máy phát điện hoạt động ở dạng tốc độ trên đồng bộ ωm > ωs,,
>0
và

•

Nếu tốc độ quay của rotor là chính xác ωm = ωs-(- ωr) = ωs,+ ωr

•

Cả hai thứ tự pha của stator và rotor là giống nhau và theo chiều

âm như đã đề cập thứ tự nghịch pha ωr<0
Điều kiện này diễn ra trong quá trình tốc độ gió cao. các điều kiện sau
đây cần được thỏa mãn để trích xuất điện năng tối đa từ tuabin gió và giảm
ứng suất cơ học.
•

Cuộn dây rotor cung cấp điện AC đến lưới điện chính thông qua

các các bộ biến đổi điện áp (VSCs)
•

Nguồn điện rotor được chuyển đến tụ thanh dẫn DC, loại mà có

xu hướng tăng điện áp DC. Bộ biến đổi điện áp VSC phía lưới điều khiển
điện áp liên kết DC này và có xu hướng giữ cho nó không đổi. Nguồn điện
được chiết xuất từ bộ biến đổi điện áp VSC bên rotor và phân phối cho lưới

điện. Trong chế độ hoạt động này, bộ biến đổi điện áp VSC phía rotor hoạt
động như một chỉnh lưu và bộ biến đổi điện áp VSC phía lưới hoạt động như