Mô hình hóa và mô phỏng phát điện dị bộ nguồn kép trong Tuabin gió

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP TRONG TUABIN GIÓ
NGÔ VĂN QUANG BÌNH
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế
ĐÀO QUỐC CHÍNH
Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu và xây dựng mô hình động
học cho máy phát điện dị bộ nguồn kép. Ngoài ra đã xây dựng thuật toán
phương pháp điều chế vectơ không gian và mô hình cho bộ nghịch lưu
nguồn áp. Kết quả nghiên cứu được mô phỏng, kiểm chứng bằng Matlab và
Plecs cho thấy mô hình máy phát điện dị bộ nguồn kép trong tuabin gió đã
xây dựng đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay với ưu điểm sử dụng nguồn năng lượng vô hạn, không gây ô nhiễm môi
trường, có thể xây dựng và đưa vào sử dụng nhanh hơn… năng lượng tái tạo (renewable
energy): thủy điện, năng lượng gió, năng lượng mặt trời… đang được các nhà nghiên
cứu trên thế giới và trong nước quan tâm đến [3], [4]. Trong đó năng lượng gió (wind
energy) là một trong những hướng nghiên cứu chính được đầu tư nghiên cứu phát triển
và sản xuất thành sản phẩm ở các nước phát triển trên thế giới [5], [6]. Sự tham gia của
các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung cấp một lượng công suất
đáng kể bên cạnh các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy
điện... [7]. Trong đó máy phát điện dị bộ nguồn kép (Doubly-fed induction generatorDFIG) được các hãng sản xuất tuabin gió sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phát điện
chạy bằng sức gió nhờ ưu thế: thiết bị điều khiển sử dụng van bán dẫn công suất lớn
được đặt ở phía rotor nên chỉ cần thiết kế với công suất khoảng 20÷30% công suất của
máy phát, dẫn đến giá thành của hệ thống hạ xuống rất nhiều [2].
2. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP
Máy điện dị bộ nguồn kép được mô hình hóa bằng mạch điện tương đương như hình 1.

Hình 1. Mạch điện tương đương của máy phát điện dị bộ nguồn kép
Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế

ISSN 1859-1612, Số 02(22)/2012: tr. 5-12


6

NGÔ VĂN QUANG BÌNH – ĐÀO QUỐC CHÍNH

Điện áp, dòng điện và từ thông phía stator của máy điện được mô tả bởi phương trình
sau [2], [5], [8]:
dψ sa (t )
⎧
⎪usa (t ) = Rs isa (t ) + dt
⎪
dψ sb (t )
⎪
(2.1)
⎨usb (t ) = Rs isb (t ) +
dt
⎪
dψ sc (t )
⎪
⎪usc (t ) = Rs isc (t ) + dt
⎩
Tương tự ta có phương trình cân bằng ở phía rotor:
dψ ra (t )
⎧
⎪ura (t ) = Rr ira (t ) + dt
⎪
dψ rb (t )
⎪

(2.2)
⎨urb (t ) = Rr irb (t ) +
dt
⎪
dψ rc (t )
⎪
⎪urc (t ) = Rr irc (t ) + dt
⎩
Trong đó:
- usa (t ), usb (t ), usc (t ) , ura (t ), urb (t ), urc (t ) : điện áp stator, rotor của pha a, pha b và pha c;
- isa (t ), isb (t ), isc (t ) , ira (t ), irb (t ), irc (t ) : dòng điện stator, rotor của pha a, pha b và pha c;
- ψ sa (t ),ψ sb (t ),ψ sc (t ) , ψ ra (t ),ψ rb (t ),ψ rc (t ) : từ thông stator, rotor của pha a, pha b và pha c.
Sử dụng các phép biến đổi ta chuyển mô hình máy điện dị bộ nguồn kép về hệ tọa độ
tham chiếu quay với vận tốc góc ωg.
Ta có phương trình điện áp phía stator và rotor trên hệ tọa độ tham chiếu [8]:
dψ sd
⎧
⎪usd = Rs isd − ω gψ sq + dt
⎪
⎪u = R i + ω ψ + dψ sq
g sd
⎪⎪ sq s sq
dt
⎨
⎪u = R i − (ω − ω )ψ + dψ rd
r rd
g
r
rq
⎪ rd

dt
⎪
dψ
⎪urq = Rr irq + (ω g − ωr )ψ rd� của vectơ trung bình (sectơ);
- Xác định các vectơ cơ bản để tạo được vectơ trung bình;


10

NGÔ VĂN QUANG BÌNH – ĐÀO QUỐC CHÍNH

- Xác định trình tự thực hiện và thời gian tác dụng của các vectơ cơ bản.
ur ur
ur
Thời gian tác động của hai vectơ cơ bản V1 , V2 gần với vectơ tham chiếu V ref được xác
định:
ur
⎧ uur Tpulse ur
V
=
V
T
+
V
T
1 1
2 2
⎪⎪ ref 2
(3.1)
⎨

⎪T = Tpulse − T − T
1
2
⎪⎩ 0
2
uur
uur
Trong đó T0 là thời gian tác động của vectơ V0 hay V7

Hình 5. Mô hình phương pháp điều chế vectơ không gian trong Malab/Simulink

4. MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU
Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu là một hàm của điện áp một chiều (DC-link voltage) và
các khóa bán dẫn như sau:
⎡u A ⎤
⎡ 2 −1 −1⎤ ⎡ S wA ⎤
⎢u ⎥ = 1 U ⎢ −1 2 −1⎥ ⎢ S ⎥
(4.1)
⎢ B ⎥ 3 DC ⎢
⎥ ⎢ wB ⎥
⎢⎣uC ⎥⎦
⎢⎣ −1 −1 2 ⎥⎦ ⎢⎣ SwC ⎥⎦

Hình 6. Mô hình bộ nghịch lưu trong Matlab/Simulink


MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP...

11

5. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Plecs với các thông số của máy điện dị bộ
nguồn kép: Pđm = 2 MW, Uđm = 690 V, Rs = 0,0108 pu, Rr = 0,0121 pu, Lm = 3,362 pu,
L s = 0,102 pu, L r = 0,11 pu, p = 2, f = 50 Hz và tần số băm xung fpulse = 4 kHz.
σ

σ

Hình 7. Mô hình máy điện dị bộ nguồn kép trong tuabin gió
800

150

600

100
400

50

Mo men

Dien ap

200

0

0

-200

-50
-400

-100

-600

-800

0

0.05

0.1

0.15

0.2
Thoi gian

0.25

0.3

Hình 8a. Điện áp nghịch lưu

0.35

0.4

-150

0

0.05

0.1

0.15

0.2
Thoi gian

0.25

0.3

0.35

0.4

Hình 8b. Mômen máy phát

6. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, mô hình máy điện dị bộ nguồn kép được mô phỏng kiểm chứng
bằng phần mềm Matlab&Plecs [1]. Ngoài ra cùng với mô hình bộ nghịch lưu áp theo
phương pháp điều chế vectơ không gian và bộ chỉnh lưu cho phép kiểm chứng lại mô
hình máy phát điện dị bộ nguồn kép trong tuabin gió. Tuy nhiên do chưa có các bộ điều

khiển như bộ điều khiển dòng điện, điều khiển công suất nên đặc tính của điện áp và
mômen của máy phát điện chưa được tốt.


12

NGÔ VĂN QUANG BÌNH – ĐÀO QUỐC CHÍNH

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]

Nguyễn Phùng Quang (2006). Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động.
NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006). Truyền động điện thông minh. NXB
Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
.Phạm Khánh Toàn (16/05/2011). Điện lực Việt Nam trong những năm tới, ngày truy
cập: 10/10/2011, />Tổng
quan
về
năng
lượng
gió,
ngày

truy
cập:
10/10/2011,
/>Furat Abdal Rassul Abbas, Mohammed Abdulla Abdulsada (2010). Simulation of
Wind-Turbine Speed Control by MATLAB. International Journal of Computer and
Electrical Engineering, Vol. 2, No. 5, pp.912-915.
Justin Wilkes, Jacopo Moccia (2011). Wind in power: 2010 European Statistics.
European Wind Energy Association - EWEA.
Ottmar Edenhofer, Ramón Pichs-Madruga, Youba Sokona (2011). Special Report on
Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. Intergovernmental Panel
on Climate Change - IPPC.
P. S. Mayurappriyan, Jovitha Jerome, M. Ramkumar, K. Rajambal (2009). Dynamic
Modeling and Analysis of Wind Turbine Driven Doubly Fed Induction Generator.
International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol. 2, No. 5, pp.367-372.

`
Title: MODELING AND SIMULATION OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR IN
A WIND TURBINE
Abstract: This paper presents the research results and the design of dynamic model of doubly
fed induction generator. In addition, the authors designed the algorithm of space vector
modulation and model of voltage source inverter. The investigation results were simulated by
using Matlab and Plecs and showed that the model of doubly fed induction generator for wind
turbine was made correctly to meet the technical requirement.

ThS. NGÔ VĂN QUANG BÌNH
Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế.
ĐT: 0983.300.435. Email:
ThS. ĐÀO QUỐC CHÍNH
Khoa Điện, Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế.
ĐT: 0905.150.581. Email: