Nghiên cứu giải thuật MPPT cho hệ thống máy phát điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG SƠN THẠCH

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG
MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số:

60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG
TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Phúc Khải .........................
Cán bộ chấm nhận xét 1: .....................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: .....................................................................
Luận vãn được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG
TP.HCM ngày ....... tháng ......... năm ..........
Thành phần hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm:
1 ..............................................................................................

2 ..............................................................................................
3 .........................................................................................................
4 .........................................................................................................
5 .........................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận vãn và Trưởng Khoa quản
lý chuyên ngành sau khi luận vãn được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

--------- oOo -----------

--------- oOo --------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

HOÀNG SƠN THẠCH

MSHV:

1570390

Ngày sinh:

13/09/1987

Nơi sinh:

TP.HCM

Chuyên ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số:

60.52.02.02

I. TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT
ĐIỆN GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
+ Nhiệm vụ: học viên tìm hiểu về năng lượng gió, hệ thống điện gió. Tìm hiểu các kỹ thuật
MPPT cho hệ thống điện gió. Tìm hiểu về máy phát PMSG. Chứng mình bằng mô phỏng
trên phần mềm MATLAB. Chứng minh các giải thuật bằng thực nghiệm.
+ Nội dung: luận văn sẽ nghiên cứu 2 vấn đề điều khiển phía máy phát để đạt được công
suất tối đa từ năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đồng thời
ngăn chặn quá tốc độ turbine để bảo vệ máy phát trên cùng một bộ điều khiển.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

13/08/2018

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

02/06/2019

IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI
Tp. HCM, ngày 10 tháng 09 năm 2019

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐỆN - ĐIỆN TỬ


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Phúc Khải, người đã hết lòng
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn khoa ĐiệnĐiện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý
báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên
cứu và cho đến khi tôi thực hiện đề tài này.
Tp. Hồ Chi Minh, ngày 1 tháng 6 năm 2019

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang i


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Vì lý bảo vệ môi trường và cải tiến kỹ thuật, phần lớn nhu cầu năng lượng điện sẽ được
đáp ứng bởi các nguồn phát nhỏ hơn có thể được phân tán trên một khu vực rộng. Khái
niệm này được gọi là nguồn phát phân tán (Distributed generation - DG) thay vì chỉ bao
gồm các nguồn phát tập trung như truyền thống. Các cụm đơn vị DG có thể được kết nối
với mạng điện năng cục bộ, được gọi là microgrids, để phục vụ tải cục bộ và tải phân tán.
Chúng có thể hoạt động ở chế độ kết nối lưới và độc lập. Microgrids với các đơn vị máy
phát gần với tải, do đó khoảng cách truyvền được giảm, giúp giảm tổn thất truyền và ngăn
ngừa quá tải. Hơn nữa, vì một số microgrids có thể hoạt động ở chế độ độc lập, nên khả
năng mất điện sẽ bị giảm. Ngoài ra, vì microgrids bao gồm nhiều đơn vị DG, nên độ tin
cậy cũng được nâng cao. Các đơn vị DG, thường bao gồm cả các nguồn tái tạo và năng
lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch), như tua-bin gió, pin quang điện, pin nhiên liệu,
và các ứng dụng nhiệt và điện kết hợp. Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió là một nguồn
năng lượng tái tạo quan trọng và hiện có mức sử dụng lớn nhất. Hệ thống điện gió được
giao tiếp với lưới điện thông qua các bộ chuyển đổi điện tử công suất. Vì các microgrids
có thể hoạt động ở cả hai chế độ hoạt động kết nối lưới và đảo, biến tần DCC/AC được sử
dụng để điều khiển hòa lưới và chuyển đổi giữa 2 chế độ hòa lưới và cục bộ. Bộ chuyển
đổi AC/DC phía máy phát điều khiển máy phát để thu năng lượng gió tối đa từ gió. Ở một
tốc độ gió cụ thể, năng lượng gió thu được là một hàm của tốc độ cánh quạt. Chỉ khi tuabin quay với tốc độ tối ưu, mới có thể thu được năng lượng tối đa từ gió. Do đó, kỹ thuật
theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) rất quan trọng đối với các hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió, góp phần giảm chi phí đầu tư hệ thống và tăng sự thâm nhập của nguồn năng

lượng này vào hệ thống điện. Ngoài ra, ở điều khiển máy phát, việc phát hiện tốc độ gió
tăng nhanh vượt định và có phương pháp làm giảm tốc độ gió để bảo vệ tua bin cũng là
một vấn đề quan tâm của hệ thống điện gió.
Trên những cơ sở đó, Luận văn sẽ nghiên cứu 2 vấn đề: điều khiển phía máy phát để đạt
được công suất tối đa từ năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(PMSG), đồng thời ngăn chặn quá tốc độ turbine để bảo vệ máy phát trên cùng một bộ điều
khiển.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 2


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

ABSTRACT
For environmental protection and technical innovation, the majority of electricity demand
will be met by smaller generation sources that can be dispersed over a wide area. This
concept is called Distributed generation (DG) instead of only focusing on traditional
sources. Groups of DG unit can be connected to a local power network, called microgrids,
to supply local and distributed loads. They can operate in grid connected or islanded mode.
Microgrids with DG units are close to the loader, so the transmission distance is reduced,
result on decrease transmission losses and prevents overloading. Moreover, because some
microgrids can operate in islanded mode, the possibility of power cut-off is reduced.
Besides, since microgrids consist of many DG units, reliability is also improved. DG units,
often include both renewable and traditional (fossil energy) sources, such as wind turbines,
photovoltaic cells, batteries, heat and power applications. Wind energy conversion systems
are an important source of renewable energy and currently is the most popular solution.

Wind power system is connected with the grid through power electronic converters.
Because microgrids can operate in both grid-connected and inverted operation modes, the
DCC / AC inverter is used to control grid connection and switch between grid-connected
and islanded mode. The AC I DC converter controls the generator to get maximum energy
from the wind. At a specific speed, the wind energy obtained is a function of the rotor
speed. Only when the turbine rotates at the optimum speed can the maximum energy gain
from the wind be obtained. Therefore, the maximum power point tracking (MPPT)
technique is very important for wind energy conversion systems, it reduces system
investment costs and increases the contribution of wind energy into power system. In
addition, in the control of the generator, the detection of overspeed and there is a method
to reduce the wind speed to protect turbines is also a concern of the wind power system.
On that basis, the thesis will study two issues: control the generator side to achieve
maximum power from wind energy using permanent magnet synchronous generator
(PMSG), and prevent turbine from overspeed to protect the generator on the same
controller.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 3


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận vãn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu giải thuật MPPT trong hệ
thống điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu” là công trình nghiên
cứu của chính bản thân tôi, duới sụ huớng dẫn của Tiến Sĩ. NGUYỄN PHÚC KHẢI, các
số liệu và kết quả thục nghiệm hoàn toàn trung thục. Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ

công trình khoa học nào của nguời khác, mọi sụ tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.
Tp. Hồ Chi Minh, ngày 1 tháng 6 năm 2019
Học viên

Hoàng Sơn Thạch

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 4


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ .................................................................................. ii
ABSTRACT ....................................................................................................................iii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ........................................................................................................................V
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIÊU .............................................................................................. ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... ix
CHUƠNG1: MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ....................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI................................................................................... 2
1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............... 4
CHUƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ..................................................... 5
2.1. TỔNG QUAN...................................................................................................... 5

2.2. HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ: ..................................................................................... 6
2.2.1.

Tua-bin gió: ............................................................................................... 6

2.2.2.

Năng lượng gió: ......................................................................................... 9

2.2.3.

Cánh đồng gió: ........................................................................................ 11

2.2.4.

Máy phát điện gió: ................................................................................... 13

2.3. ĐIỀU KHIÊN HỆ THỐNG CƠ: ....................................................................... 21
2.3.1.

Tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi: ...................................................... 21

2.3.2.

Truyền động hộp số hoặc trực tiếp: ......................................................... 23

CHUƠNG 3: MÁY PHÁT PMSG VÀ GIẢI THUẬT MPPT TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN GIÓ ...................................................................................................................... 25
3.1. MÔ HÌNH TOÁN MÁY ĐIỆN PMSG ............................................................. 25
3.2. ĐIỀU KHIÊN MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG .29

3.3. BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BOOST:....................................................................... 33

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang V


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
SỬ DỤNG PMSG ......................................................................... : .............................. 35
4.1. ĐIỀU KHIÊN MPPT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG [14]...
....................................................................... ....................... .' ....................... 35
4.1.1.

Điều khiển tỉ số đầu cánh (TSR): ............................................................ 36

4.1.2. ..............................................................................................................
Tín hiệu công suất hồi tiếp (PSF): ................................................................................... 37
4.1.3.

Tìm kiếm leo đồi (HCS):......................................................................... 38

4.2. GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN ÁP DỤNG TRÊN CÁC VÙNG TỐC ĐỘ
GIÓ KHÁC NHAU: .................................................................................................. 39
4.2.1.

Điều khiển PSF cải tiến (M-PSF):........................................................... 40

4.2.2.

HCS cải tiến (M-HCS): .......................................................................... 42

4.2.3.

Giải thuật MPPT đề xuất: ........................................................................ 46

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KÉT QUẢ
............. .......................................... . ...... ................ : .......................... 49
5.1. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ............................................................................. 49
5.1.1.

Giải thuật MPPT HCS truyền thống: ..................................................... 53

5.1.2.

Giải thuật C - MPPT đề xuất: ................................................................. 56

5.2. THỤC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ...................................................................... 64
5.2.1.

Xây dụng mạch thục nghiệm:................................................................. 64

5.2.2.

Kết quả thục nghiệm: .............................................................................. 67

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................. 70

6.1. KẾT LUẬN ....................................................................................................... 70
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...................................................................... 71
TÀI LỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 72

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang vi


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1.

Tua-bin gió 8MW Siemens Gamesa ....................................................... 2

Hình 1.2.

Đồ thị công suất lý tuởng ........................................................................ 3

Hình 2.1.

Mô hình sản xuất điện gió ....................................................................... 6

Hình 2.2.

Các loại tua-bin gió ................................................................................. 7

Hình 2.3.

Tua-bin gió trục ngang ............................................................................ 8

Hình 2.4.

Tỉ số đầu cánh và hệ số Cp .................................................................... 10

Hình 2.5.

Cánh đồng gió trên bờ và trên biển ....................................................... 12

Hình 2.6.

Kết nối các tua-bin gió .......................................................................... 13

Hình 2.7.

Máy phát không đồng bộ ....................................................................... 14

Hình 2.8.

Máy phát đồng bộ .................................................................................. 15

Hình 2.9.

Máy phát cục từ ẩn và cục từ lồi ........................................................... 16

Hình 2.10.

Máy phát PMSG .................................................................................... 18

Hình 2.11.

Inner and outer rotor .............................................................................. 19

Hình 2.12.

Radial Flux, Axial Flux and Transverse flux PMSG ............................ 20

Hình 2.13.

Điều khiển hệ thống .............................................................................. 22

Hình 2.14.

Truyền động trực tiếp và hộp số ............................................................ 23

Hình 3.1.

Mặt cắt trục máy phát PMSG ................................................................ 26

Hình 3.2.

Mạch tuơng đuơng PMSG trên khung dqO........................................... 28

Hình 3.3.

Đặt tuyến Công suất, tốc độ .................................................................. 30

Hình 3.4.

Điều khiển HCS..................................................................................... 32

Hình 3.5.

Điều khiển TSR trong WECS ............................................................... 32

Hình 3.6.

Điều khiển PSF trong WECS ................................................................ 33

Hình 3.7.

Bộ biến đổi DC DC BOOST ................................................................. 33

Hình 4.1.

Hệ thống chuyển đổi năng luợng gió PMSG......................................... 36

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang vii


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

Hình 4.2.

TSRANN ............................................................................................... 36

Hình 4.3.

PSFinPMSG .......................................................................................... 37

Hình 4.4.

Search-remember-reuse HCS ................................................................ 38

Hình 4.5.

Cấu hình PMSG và điều khiển MPPT................................................... 40

Hình 4.6.

Thuật toán M-PFS Algorithm................................................................ 42

Hình 4.7.

P-ÍO curve ............................................................................................. 42

Hình 4.8.

Dao động quanh điểm MPP của giải thuật HCS ................................... 44

Hình 4.9.

Giải thuật M-HCS ................................................................................. 46

Hình 4.10.

Giải thuật C-MPPT ............................................................................... 47

Hình 5.1.

Sơ đồ mô phỏng WECs trên MATLAB/SIMULINK ........................... 49

Hình 5.2.

Khối Turbine gió và thông số ............................................................... 50

Hình 5.3.

Đặc tính công suất tua-bin .................................................................... 50

Hình 5.4.

Mô hình PMSG ..................................................................................... 51

Hình 5.5.

Bộ chuyển đổi Boost ............................................................................. 51

Hình 5.6.

MPPT S-FUNCTION ........................................................................... 52

Hình 5.7.

MPPT S-FUNCTION ........................................................................... 52

Hình 5.8.

Tốc độ gió mô phỏng ............................................................................ 53

Hình 5.9.

Đáp ứng công suất cơ của giải thuật HCS ............................................ 54

Hình 5.10.

Tốc độ máy phát (RPM) ....................................................................... 55

Hình 5.11.

Điện áp Viink (V) ................................................................................. 55

Hình 5.12.

ĐiệnápVdc(V) ....................................................................................... 56

Hình 5.13.

Sơ đồ mô phỏng giải thuật C-MPPT..................................................... 58

Hình 5.14.

Đáp ứng công suất của giải thuật C-MPPT .......................................... 59

Hình 5.15.

Đáp ứng tốc độ máy phát của giải thuật C-MPPT ................................ 60

Hình 5.16.

Đáp ứng điện áp Viink của giải thuật C-MPPT .................................... 60

Hình 5.17.

Đáp ứng điện áp Vdc của giải thuật C-MPPT ...................................... 61

Hình 5.18.

So sánh Viink và Vopt của giải thuật C-MPPT .................................... 62

Hình 5.19.

Tín hiệu điều khiển D của giải thuật C-MPPT ..................................... 62

Hình 5.20.

Bộ biến đổi Boost và các khối đo dòng-áp ........................................... 65

Hình 5.21.

Khối vi xử lý, khối mạch kích và khối nguồn....................................... 65

Hình 5.22.

Mạch in PCB ......................................................................................... 66

Hình 5.23.

Mạch thục nghiệm hoàn chỉnh .............................................................. 66

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang viii


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

Hình 5.24.

Thủ nghiệm mạch boost với mô hình tua-bin gió ................................. 67

Hình 5.25.

Thử nghiệm mạch boost với mô hình turbine gió ................................. 68

Hình 5.26.

Xung kích từ vi xử lý (xanh) và xung kích VGS (vàng) ........................ 69

Hình 5.27. Dòng điện ngõ ra khi điện áp ngõ ra đạt 24V ................................................ 69

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. So sánh máy phát rotor cực từ lồi và cực từẩn ................................................... 17
Bảng 2. Giá trị các hằng số mô phỏng............................................................................. 57
Bảng 3. So sánh kết quả MPPT ....................................................................................... 63
Bảng 4. Thông số mạch Boost thực nghiệm .................................................................... 64

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
•

FOC: Field Oriented Control.
HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine
IG: Induction Generator
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
MPPT: Maximum Power Point Tracking
PI: Proportional-Integral Controller
PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator
PWM: Pulse Width Modulation
TSR: Tip Speed Ratio
VAWT: Vertical Axis Wind Turbine
WECS: Wind Energy Conversion System

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang ix


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, phần lớn mức tiêu thụ năng lượng của thế giới có nguồn gốc từ các nguồn tài
nguyên hóa thạch đang cạn kiệt với tốc độ nhanh hơn mức chúng có thể được tái sinh. Có
lẽ quan trọng hơn, việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch có ảnh hưởng đối với bầu khí quyển
và bề mặt Trái đất. Chúng bao gồm thay đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu, liên quan đến
việc giải phóng lượng CO2 (carbon dioxide) vào khí quyển. Những lo ngại ngày càng tăng
về khủng hoảng năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường này đã thúc đẩy đáng kể việc
sử dụng năng lượng tái tạo thay thế nguồn năng lượng truyền thống, trong đó có sự thâm
nhập mạnh mẽ của năng lượng gió. Trong số các hệ thống phát điện gió khác nhau, máy
phát điện tua bin gió tốc độ thay đổi (WTGs) đã thu hút được sự quan tâm lớn vì hiệu quả
sản xuất năng lượng cao và gai mô-men xoắn thấp. Trong các hệ thống như vậy, WTG có
thể được vận hành ở chế độ theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) để thu năng lượng gió
tối đa bằng cách điều chỉnh tốc độ trục máy phát. Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(PMSGs) đã được tìm thấy phù hợp với các hệ thống phát điện gió tốc độ thay đổi do các
ưu điểm của chúng như mật độ năng lượng cao, hiệu suất cao và độ tin cậy cao. Hơn nữa,
một máy phát PMSG có số cực cao có thể được kết nối trực tiếp với tua-bin gió mà không
cần sử dụng hộp số, giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì của hệ thống
WTG. Những lợi ích này đã làm cho các WTG dựa trên PMSG truyền động trực tiếp trở
thành cấu hình phổ biến trong các hệ thống điện gió hàng MW (hình 1.1). Nhiều nghiên
cứu đã được thực hiện về loại cấu trúc tua bin này và đề tài này cũng vậy.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 1

GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

Hình 1.1. Tua-bin gió 8MW Siemens Gamesa
1.2.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Một mục tiêu cơ bản của hệ thống điều khiển WECS là tăng sản luợng năng luợng thu đuợc
hàng năm để tối đa hóa lợi nhuận. Để đạt đuợc điều này, WECS thuờng đuợc điều khiển
để tạo ra năng luợng theo đuờng cong công suất lý tuởng, nhu trong Hình
1.2. Có thể thấy rằng ba vùng vận hành thuờng đuợc bao gồm, đó là vùng MPPT (Vùng
I), nằm giũa Vmin tốc độ gió cắt và tốc độ gió cánh quạt định mức VÍÌN; vùng tốc độ không
đổi (Vùng II) giữa VíìN và tốc độ gió định mức VN; và vùng năng luợng không đổi (Vùng
III) nằm giữa VN và tốc độ gió cắt Vmax. Các nghiên cứu điều khiển công suất ở các khu
vực khác nhau có thể đuợc tìm thấy ở [1-3]. Trong khu vục MPPT, các phuơng pháp kiểm
soát MPPT hiện tại có thể đuợc phân thành ba loại: phương pháp tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối
ưu, phương pháp tìm kiếm leo đồi (HCS) và phương pháp phản hồi tín hiệu công suất
(PSF). Phương pháp tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu được thực hiện bằng cách điều chỉnh trực
tiếp tỉ lệ tốc độ đầu cánh, được tính theo thời gian thực bằng cách sử dụng tín hiệu tốc độ
gió và tốc độ máy phát, để điều khiển đạt giá trị tối ưu cho trước. Mặc dù phương pháp này
đơn giản, nhưng nó không được áp dụng trong công nghiệp vì yêu cầu đo tốc độ gió [4],
Phương pháp HCS hướng hệ thống đến điểm công suất tối đa (MPP) bằng cách làm nhiễu
loạn tốc độ máy phát.
Hướng của nhiễu loạn hiện tại được quyết định theo đáp ứng công suất của nhiễu loạn trước
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 2

GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

đó [5-6]. Ưu điểm thiết yếu của HCS bao gồm chi phí thấp, không yêu cầu về thông số máy
phát cũng như các đặc tính khí động học của tua-bin và thực hiện dễ dàng trển các nền vi
xử lý số hoặc tương tự. Tuy nhiên, ứng dụng của nó bị giới hạn ở WECS quy mô nhỏ do
những hạn chế của chất lượng điện năng bị suy giảm do sự dao động công suất luôn tồn tại
và tốc độ theo dõi thấp. Đối với WECS quy mô vừa và lớn, phương pháp PSF thường được
áp dụng vì nó có tốc độ theo dõi nhanh và độ dao động công suất thấp [7]. Tuy nhiên,
phương pháp PSF chỉ hiệu quả với điều kiện là đặc tính khí động học của tua-bin được biết
đến. Nếu không, PSF không thể được thực hiện. Tuy nhiên, các đặc tính khí động học của
tua-bin gió hầu như không được biết đến hoặc không được biết chính xác trong công
nghiệp, đặc biệt là trong các thị trường tua- bin gió quy mô nhỏ. Do đó, phương pháp PSF
phần nào không thể được sử dụng để theo dõi chính xác MPP.

Hình 1.2. Đồ thị công suất lý tưởng
Ở các vùng có tốc độ gió cao, Vùng II và III, tốc độ và công suất của máy phát sẽ vượt quá
giới hạn nếu điều khiển MPPT vẫn được sử dụng. Sẽ thuận tiện và đơn giản hơn nhiều để
hạn chế tốc độ máy phát và công suất của tua-bin gió trong hệ thống turbine CÓ khả năng
điều chỉnh được góc pitch (variable pitch angle). Đó là, bất cứ khi nào quá tải xảy ra, bộ
điều khiển góc pitch sẽ được kích hoạt để hạn chế sự tăng nhanh của công suất. Tuy nhiên,
với hệ thống tua bin gió có góc pitch cố định thì điều này là không thể, làm cho việc hạn
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 3


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

chế tốc độ và công suất khá khó khan khi gặp gió lớn. Một số đề suất thêm tải điện trở vào
đầu ra của máy phát để ngăn quá tốc độ, công suất quá mức gây ra bởi quá tốc độ có thể bị
giảm do đóng tải điện trở. Tuy nhiên, tải điện trở cần không gian lắp đặt lớn và nó khá tốn
kém. Từ những phân tích trên, nhận thấy cần phát triển một bộ điều khiển cho hệ thống
điện gió sử dụng máy phát PMSG với góc pitch cố định vừa có khả năng tìm kiếm điểm
MPP với độ gọn công suất thấp ở vùng tốc độ gió thấp, đồng thời có khả năng điều khiển
hạn chế công suất khi có quá tải ở vùng gió cao, đó là mục tiêu của đề tài.
1.3.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu

Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu bằng lý
thuyết, đề xuất giải thuật, kiểm chứng giải thuật bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB
và hướng đến xây dựng mô hình thực nghiệm.
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
Nguyên cứu lý thuyết: Hệ thống điện gió, máy phát PMSG, các phương pháp điều khiển
MPPT cho hệ thống điện gió.
Mô phỏng: sử dụng phần mềm Matlab xây dụng giải thuật và kiểm chứng hiệu quả của giải
thuật.
Thực nghiệm: xây dựng sơ đồ nguyên lý và mạch in, hoàn chỉnh mạch thực nghiệm và thử
nghiệm.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
Lời kêu gọi cải tiến công nghệ năng lượng tái tạo đang gia tăng do sự nóng lên toàn cầu.
Nó ảnh hưởng đến con người ở một số khía cạnh như nền kinh tế, sức khỏe cộng đồng, môi
trường, ... Sự nóng lên toàn cầu được gây ra từ khí nhà kính, xuất phát từ việc đốt nhiên
liệu hóa thạch như dầu hoặc than. Sự ra đời của các nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp

đầy hứa hẹn cho các vấn đề. Có một số nguồn năng lượng tái tạo cho hệ thống năng lượng
điện. Trong số đó, năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển
nhanh nhất. Lợi thế của năng lượng gió cho hệ thống điện không chỉ là năng lượng tự do
và sạch mà còn có công suất cao. Năng lượng điện cao có thể được tạo ra từ sự kết hợp của
nhiều tua-bin gió như một trang trại gió hoặc công viển gió. Để kết nối năng lượng gió với
lưới tiện ích, phải có một hệ thống điều khiển và kết nối lưới thích hợp để đảm bảo chất
lượng điện năng cao và ổn định. Khi mức độ thâm nhập của năng lượng gió ngày càng
tăng, có những quy định cho sự kết nối liên quan đến chất lượng điện và độ tin cậy.
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 4


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

Hệ thống điện tử công suất hỗ trợ kết nối giữa năng lượng gió tốc độ thay đổi và lưới điện
giúp điều khiển công suất thực và phản kháng, và làm giảm ảnh hưởng của dao động trong
gió như điện áp thấp. Tuy nhiên, nó tạo ra các vấn đề khác do các thiết bị chuyển đổi của
bộ chuyển đổi năng lượng. Một vấn đề của kết nối lưới là sự biến dạng hài hòa của dòng
điện và điện áp lưới. Các biến dạng sóng hài làm suy giảm chất lượng điện năng. Điều này
dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng hơn trong hệ thống điện như bão hòa máy biến áp, hỏng
các thiết bị bảo vệ,... đó cũng là một trong những vấn đề cần phải tính đến khi muốn tăng
sự thâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo này vào lưới điện.
2.1.

TỔNG QUAN

Từ xa xưa, người ta đã biết sử dụng năng lượng gió được tại các trang trại để xay ngũ cốc

hoặc bơm nước dưới dạng cối xay gió. Nguyên tắc là chuyển đổi động năng từ gió sang
năng lượng cơ học. Nguyên tắc này được áp dụng cho năng lượng gió trong hệ thống điện.
Một tua-bin gió thu được động năng từ không khí đang chảy và thay đổi nó thành năng
lượng cơ học. Một máy phát điện được lắp đặt trong tua-bin gió chuyển đổi năng lượng cơ
học thành năng lượng điện. Như trong hình 2.1, động năng của gió làm

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 5


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

quay các cánh quạt của tua-bin gió. Điều này dẫn đến việc quay vòng trục của máy phát
điện, máy phát chuyển đổi năng luợng cơ học tù trục quay sang năng luợng điện. Ghép trục
tốc độ thấp của các cánh quạt với trục tốc độ cao của máy phát bằng hộp số. Trong một số
truờng hợp, hộp số là không mong muốn vì chúng đắt tiền, cồng kềnh và nặng. Một máy
phát đa cực là một cách khác của một hệ thống không hộp số. Cáp điện truyền năng luợng
điện đến máy biến áp. Máy biến áp tăng điện áp thấp của máy phát đến mức phân phối
hoặc truyền tải của hệ thống điện đuợc kết nối. Điện áp từ máy phát thuờng ở mức vài trăm
volt. Điện áp đầu ra tối đa của các tua-bin gió là 690 Volts.

Rotor Blade
Gear Box
Nacelle

Wind
Generator

Power Cables
Tower Switchyard

i

Transformer
Hình 2.1. Mô hình sản xuất điện gió
2.2.

HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ:

2.2.1. Tua-bỉngiổ:
Để hiểu đầy đủ về năng lượng gió, điều quan trọng là phải tìm hiểu về tua-bin gió. Tua bin
gió có thể được phân loại theo trục quay: trục dọc và trục ngang. Hình 2.2 cho thấy ba loại
tua-bin gió thẳng đứng. Tua bin gió thẳng đứng phù hợp cho các ứng dụng

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 6


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

năng lượng thấp. Hiệu suất năng lượng được giới hạn ở 25% [8]. Ưu điểm của tua-bin gió thẳng
đứng là mẩy phát và máy biến áp có thể được đật trên mật đất gần các cánh quạt. Điều này dẫn đến

chi phí lắp đặt và bảo trì thấp.

b. Tua-bin Savonỉus

a. Tua-bin Darrìeus
c. Tua-bin H - Rotor

Hình 2.2. Các loại tua-bin giỏ Loại tua-bin gió phổ biến hơn, như trong hình 2.3, là tua-bin
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 7


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

gió nằm ngang. Tương tự như các tua-bin gió thẳng đứng, các tua-bin gió nằm ngang có thể được
chế tạo với hai hoặc ba cánh quạt. Ngoài các bộ phận được giới thiệu ở phần trên, tua-bin giỏ có
hệ thống điều khiển kiểm soát tốc độ của cánh quạt. Máy đo gió đo tốc độ gỉó và truyền dữ liệu
đến bộ điều khiển. Gổc nghiêng của các cánh quạt được điều khiển bởi bộ điều khiển để đạt được
công suất gió tối đa và để hạn chế công suất cơ học trong trường hợp gỉố mạnh. Các cánh quạt
được cắt để giảm góc tấn công từ giỗ khỉ đạt được công suất định mức. Một motor điều khiển góc
yaw để turbine quay theo hướng gió được xác định bằng cánh chỉ hướng gió.
Đối với tua-bin gió cỡ nhỏ và vừa, ngoài điều khiển góc pitch, công suất tốí đa từ gió có thể bị hạn
chế bởi điều khiển thất tốc thụ động. Trái ngược với điều khiển góc pitch, điều khiển thất tốc thụ
động có góc pitch cố định. Đối với các tua-bin gió cỡ lớn hơn 1MW, điều khiển thất tốc sử dụng là
dạng chủ động, ngoài điều khiển góc pitch, công suất tối đa từ gió cỗ thể bị hạn chế bởi điều khiển
thất tốc thụ động.

Hình 2,3, Tua-bin gió trục ngang
Tua bin gió có thể được phân biệt thành 2 loại, tua bin gió tốc độ cố định và tốc độ thay

đổi. Tua bin gió tốc độ cố định được kết nối trực tiếp với lưới điện và hoạt động với tốc độ
đồng bộ của tần số góc của lưới bất kể tốc độ gió. Các dao động trong gió tạo ra các ứng
suất cơ học cho máy phát. Hơn nữa, vì hệ thống tạo gió được kết nối trực tiếp với lưới điện,
nên các dao động của gió sẽ ảnh hưởng đến phía lưới điện. Các tua-bin gió tốc độ thay đổi
hoạt động theo một cách ngược lại. Tốc độ của máy phát được thay đổi theo tốc độ gió giải
quyết vấn đề của ứng suất cơ học. Kết quả là điện áp đầu ra của máy phát có biên độ và tần
số thay đổi. Do đó phải có một bộ biến đổi công suất kết nối lưới để chuyển đổi điện áp và
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 8


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

tần số thay đổi của các tua-bin gió thành tần số đồng bộ của lưới cung cấp. Kết nối gián
tiếp máy phát thông qua bộ biến đổi giúp giảm các vấn đề gây ra từ các ứng suất cơ học
lên lưới điện.
2.2.2. Năng lượng gió:
Giống như các chất khác, không khí chuyển động gây ra từ sự biến đổi của áp suất và nhiệt
độ, không khí chuyển động có động năng. Mối quan hệ của động năng E, của khối không
khí m (kg), với vận tốc Vw được biểu thị bằng (2.1)
E = Ịmv?

(2.1)

Công suất tức thời của gió thổi qua một khu vực diện tích Av có thể được biểu thị bằng
(2.2):
= -2Pair-Av.vl

(2.2)

Trong đó pair là mật độ khối không khí đang thổi.
Trong hệ thống tua-bin gió có tốc độ thay đổi, các cánh quạt quay tự do theo tốc độ và
hướng của gió. Công suất khai thác từ gió phụ thuộc vào hệ số công suất rotor (Cp) thu
được năng lượng gió. Điều này dựa trên thực tế là tốc độ của gió sau khi thổi qua các cánh
quạt không thể chỉ còn vận tốc bằng không dẫn đến hiệu suất nhỏ hơn 1. Điều này không
liên quan gì đến hiệu suất của máy phát. Tham khảo định luật Betz, công suất cơ học được
bắt bởi tua-bin gió phụ thuộc vào hệ số công suất rô-to của tua-bin Cp như (2.3):
Ptur ~ 2 Cp(Ậ)paịr.Av. vw

LUẬN VĂN CAO HỌC

(2.3)

Trang 9


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

Hệ suất công suất rotor của tua-bin Cp là một hàm số tỉ lệ tốc độ đầu cánh À. và góc
nghiêng của cánh p. Phuơng trình 2.4 và 2.5 biểu thị mối quan hệ của Cp và À. p, với
biểu đồ đuợc minh họa trong hình 2.4
—21

Cp(2, £) = 0,5176.
1_

1

Ải Ả+0.08P

- 0,4£ - 5J. e Ải + 0.00682

(2.4)

0,035

p3+l

Hình 2.4. Tỉ số đầu cánh và hệ số Cp

(2.5)

Hệ số công suất tối đa của rotor, bất kể cấu hình là 0,593 [9]. Sau khi thổi qua các cánh
quạt, gió xuôi dòng có tốc độ và năng luợng thấp hơn. Do đó, các tua-bin gió trong một
trang trại gió ảnh huởng lẫn nhau. Tua bin gió, thuờng đuợc đặt cách 10 aba lần so với bán
kính cánh quạt của chúng để tránh hiệu ứng wake [10]. Nếu tỉ lệ tốc độ đầu cánh nhỏ hơn
3, hiệu úng Wake sẽ làm giảm hệ số công suất rotor tối đa hơn nữa [9]. Tỉ lệ tốc độ đầu
cánh có thể đuợc tính từ (2.6):
2 = (2.6)
vw

Trong đó íữb là tốc độ góc của rotor (rad/s) và R là bán kính của cánh quạt (m).
2.2.3. Cánh đồng gió:
Một lợi thế chính của năng lượng gió là nhiều tua-bin gió có thể được tổng hợp để tạo ra
công suất cao. Một trang trại gió hoặc công viên gió bao gồm hàng chục hoặc lên đến vài

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 10


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

trăm tua-bin gió và có thể lắp đặt trên bờ và ngoài khơi. Trang trại gió ngoài khơi tạo ra
năng lượng ổn định hơn trang trại gió trên bờ vì tốc độ gió cao hơn và ổn định hơn. Hình
2.5 cho thấy một trang trại gió trên bờ và ngoài khơi. Hơn nữa, năng lượng gió có thể là
một hệ thống lưới kết hoặc độc lập. Ở một vùng xa xôi, một nhóm các tua-bin gió nhỏ cung
cấp năng lượng điện cho các hộ gia đình hoặc các tòa nhà kinh doanh tách biệt với lưới
điện. Mặc dù chi phí lắp đặt ban đầu cao, nhưng nó đáng để đầu tư cho các đơn vị năng
lượng điện tự tạo trọn đời.
Như được mô tả trong phần trước, các tua-bin gió tốc độ thay đổi giảm thiểu các vấn đề
của ứng suất cơ học. Do các đầu ra độ lớn và tần số thay đổi của các tua-bin gió tốc độ thay
đổi, phải có thiết bị điện tử công suất kết lưới để tách rời các đầu ra của các tua-bin gió và
lưới điện. Hơn nữa, các cánh quạt của tua-bin gió quay theo tốc độ gió trong khu vực lân
cận của chúng. Vì tốc độ gió là khác nhau ở mỗi vị trí của một trang trại gió, mỗi tua-bin
gió đều quay với tốc độ khác nhau, do đó, mỗi tua-bin gió cần có các bộ điện tử công suất
khác nhau.
Hình 2.6 minh họa một kết nối thành nhóm và kết nối riêng lẻ của một trang trại gió. Kết
nối thành nhóm loại bỏ khái niệm tốc độ thay đổi vì tất cả các tua-bin gió được kết nối với
một bộ chuyển đổi AC/DC. Do đó chúng phải hoạt động với cùng tốc độ. Ngược lại, kết
nối riêng lẻ có xem xét khái niệm tốc độ khác nhau giữa các tua-bin. Hơn nữa, loại kết nối
này cung cấp độ tin cậy cho hệ thống điện vì chỉ có một bộ chuyển trung tâm có vai trò
quan trọng nhất, đó là bộ chuyển đổi phía lưới. Khi một trong các bộ chuyển đổi phía máy
phát không hoạt động, các tua-bin gió khác có thể cung cấp năng lượng. Đối với kết nối

thành nhóm, cả hai bộ chuyển đổi có vai trò quan trọng như nhau. Một lỗi trong một trong
hai bộ chuyển đổi dẫn đến ngừng cung cấp điện của trang trại gió.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 11


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

a. Cánh đồng gió trên bờ

b. Cánh đồng gió trên biển
Hình 2.5. Cánh đồng gió trên bờ và trên biển

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 12


GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT

HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH

2.2.4. Máy phát điện gió:
Một máy phát điện có chức năng chuyển đổi năng lượng cơ trên trục thành năng lượng
điện trên các bộ dây quấn đầu ra. về cơ bản có hai loại máy phát điện: DC và AC. Máy
phát điện một chiều không được ưa chuộng cho tua-bin gió vì yêu cầu chi phí bảo trì cao

do hệ thống chổi than và cổ góp và nó cũng yêu cầu bộ biến tần DC-AC. Máy phát điện
xoay chiều, chủ yếu có hai loại: Không đồng bộ (cảm ứng) và đồng bộ. Trong phần này
của đề tài mô tả ngắn gọn các máy phát điện được sử dụng trong tua- bin gió để thấy ưu
điểm và nhược điểm của chúng.
Máy phát không đồng bộ:
Máy phát điện không đồng bộ còn được gọi là máy phát điện cảm ứng. Loại máy phát này
tạo ra năng lượng điện khi rotor quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ. Tốc độ đồng bộ

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang 13