Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hòa lưới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN QUỐC ĐẠT

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT
KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC HÒA LƯỚI

CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ:

KỸ THUẬT ĐIỆN
60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH - 2019

ii


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS - TS. Phan Quốc Dũng

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ............................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ............................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày ................... tháng .... năm ................
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1 ...... .. ................... .. .............................
2 .........................................................
3 .............................................................
4 .............................................................
5 .............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyền
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

iii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

ĐOÀN QUỐC ĐẠT

MSHV: 1570382

Ngày, tháng, năm sinh:

09/10/1991

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG
BỘ ROTOR LỒNG SÓC HÒA LƯỚI
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về hệ thống năng lượng gió : Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổi công
suất.
- Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió : PMSG, DFIG, SCIG.
- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió.
- Các phương pháp điều khiển tốc độ máy điện không đồng bộ.
- Tìm hiểu hệ thống điện gió sử dụng máy phát SCIG hòa lưới
- Mô phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên PLECS.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/01/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS-TS Phan Quốc Dũng

Tp. HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

IV


LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phan Quốc Dũng, 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 02 tháng 06 năm 2019
Học viên

5


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Các nguồn năng lượng tái phát hiển đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới do giá nhiên
liệu hóa thạch tăng vọt. Sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo được coi là quan
họng trong việc cải thiện an ninh năng lượng bằng cách giảm sự phụ thuộc vào nhiên
liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính trước mối quan khí hậu nóng lên toàn cầu.
Các nguồn năng lượng tái tạo là các nguồn năng lượng tự nhiên không thể cạn kiệt, ví
dụ: gió, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối và thủy điện nhỏ. Trong các nguồn năng lượng tái
tạo này, điện gió đang phát triển rất nhanh và các tuabin gió hiện đại hoạt động hiệu

quả, đáng tin cậy và sản xuất điện với chi phí hợp lý có nhiều tiềm năng phát triển ở
Việt Nam. Sử dụng máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) làm phương tiện để chuyển
đổi năng lượng cơ học của tuabin gió thành năng lượng điện có một loạt lợi thế, làm cho
nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cỡ nhỏ và
trung bình (WECS). Một SCIG có chi phí sản xuất thấp với cấu trúc mạnh mẽ so với
máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PM). Ngoài ra, nó đòi hỏi một chi phí bảo trì
thấp so với một máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRIG) hoặc một máy phát cảm ứng
2 cuộn dây (DFIG). Nghiên cứu để trích xuất công suất cực đại của năng lượng gió và
đảm bảo các điều kiện khắt khe của lưới điện truyền thống là 2 yếu tố thiết yếu để dạng
năng lượng này trở nên càng hấp dẫn hơn và giá thành rẽ hơn cũng như thâm nhập nhiều
hơn trong lưới điện quốc gia.
Trên cơ sở các vấn đề đặt ra, nội dung nghiên cứu được chia thành 5 chương, chương 1
giới thiệu tổng quan, chương 2 tìm hiểu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, chương
3 trình bày các vấn đề nghiên cứu trong đề tài, chương 4 thiết kế hệ thống điện gió SCIG
hòa lưới trên nền PLECS, trình bày kết quả mô phỏng và cuối cùng chương 5 trình bày
kết luận và hướng phát triển đề tài.

6


ABSTRACT
Renewable energy sources have attracted worldwide attention due to soaring fossil fuel
prices. The development of renewable energy sources is considered important in
improving energy security by reducing dependence on fossil fuels and reducing
greenhouse gas emissions in the face of global warming climate. Renewable energy
sources are natural sources of energy that cannot be exhausted, such as wind, solar,
geothermal, biomass and small hydroelectricity. In these renewable energy sources,
wind power is growing very fast and modem wind turbines operate efficiently, reliably
and produce electricity at a reasonable cost with great potential for development in
Vietnam. Using the Squirrel Cagee Induction Generator (SCIG) as a means to convert

the wind turbine's mechanical energy into electrical energy has a number of advantages,
making it an attractive option for the conversion system. Small and medium wind energy
(WECS). A SCIG has a low production cost with a strong structure compared to a
permanent magnet synchronous transmitter (PM). In addition, it requhes a low
maintenance cost compared to a Wound Rotor Induction Generator (WRIG) or a Doubly
fed induction generator (DFIG). Research to extract the maximum power of wind power
and ensure the strict conditions of the traditional grid are two essential factors for this
form of energy to become more and more attractive and cost-effective as well as more
penetration in the national grid.
Based on the issues raised, the research content is divided into 5 chapters, chapter 1
introduces the overview, chapter 2 learns about wind energy conversion system, chapter
3 presents research issues in the topic In chapter 4, the design of SCIG wind power
system harmonizes on PLECS platform, presents simulation results and finally chapter
5 presents the conclusion and direction of study developing .


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG
MÁY PHÁT SCIG HÒA LƯỚI” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, duới
sụ huớng dẫn của PGS. TS Phan Quốc Dũng, 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.
Học viên cao học

viii


MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................. vi

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... viii
MỤC LỤC .................................................................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ............................................................................... xi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. xiv
DANH MỤC BẢNG BIÊU ....................................................................................... XV
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 ............ 3
CHUÔNG 2: HỆ THỐNG CHUYÊN ĐÔI NĂNG LUỢNG GIÓ ............................... 5
2.1. TÔNG QUAN..................................................................................................5
2.2. HỆ THỐNG CHUYÊN ĐÔI NĂNG LUỢNG GIÓ ........................................ 7
2.2.1.

Tổng quan ..............................................................................................7

2.2.2.

Turbine gió và năng lượng gió: ...........................................................10

2.3. MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ÚNG ROTOR LỒNG SÓC (SCIG) ....................14
2.3.1.

Máy điện không đồng bộ:.................................................................... 15

2.3.2.
Điều khiển tốc độ máy điện không đồng bộ bằng phương pháp định
hướng từ thông (FOC) ......................................................................................... 31
CHUÔNG 3: CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI ................................36
3.1. TÔNG QUAN................................................................................................36

3.2. ĐIỀU KHIÊN MPPT .....................................................................................38
3.3. ĐIỀU KHIÊN HÒA LUỚI ............................................................................43
3.4. ĐIỀU KHIÊN KHỞI ĐỘNG MÁY PHÁT GIÓ SCIG [36] .........................47
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SCIG HÒA LƯỚI TRÊN
NỀNPLECS ................................................................................................................ 50

IX


4.1. GIỚI THIỆU PLECS [37] .............................................................................50
4.1.1.

PLECS Standalone ..............................................................................52

4.1.2.

PLECS Blockset .................................................................................. 53

4.2. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VỚI PLECS STAND ALONE... 55
4.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG
SCIG TRÊN NỀN PLECS .................................................................................. ....64
4.3.1.

Sơ đồ khối tổng quan ......................................................................... 64

4.3.2.

Xây dựng mô hình các khối trong mô phỏng ......................................66

4.3.3.

Giải thuật điều khiển ...........................................................................74

4.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................... 79
4.4.1.

Tốc độ gió giảm 6m/s - 5m/s............................................................... 80

4.4.2.

Tốc độ gió tăng 6m/s - 6.5m/s ............................................................. 92

4.4.3.
nhau:

Đánh giá hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở các tốc độ gió khác
94

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................. 98
5.1. KẾT LUẬN ...................................................................................................98
5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 100

X


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1.

Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới ..................... 2

Hình 2.1.

Cấu trúc WECS ................................................................................... 7

Hình 2.2.

Các thành phần chính của WECS ....................................................... 7

Hình 2.3.

Một số turbine gió nguyên thủy ........................................................ 10

Hình 2.4.

Turbine gió trục ngang ......................................................................11

Hình 2.5.

Turbine gió trục đứng .......................................................................12

Hình 2.6.

Minh họa năng lượng gió từ khối khí m ...........................................13

Hình 2.7.

Máy phát không đồng bộ hạ áp hãng VEM ......................................14

Hình 2.8.

Mô hình động cơ KĐB .....................................................................15

Hình 2.9.

Hệ trục tọa độ abc và hệ tọa độ a0 .................................................... 18

Hình 2.10.

Vector sức từ động khi 0 = Cữt =0 (trên) và 60° (dưới) ................... 19

Hình 2.11.

Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator .............19

Hình 2.12.
Vec-tơ dòng stator trên hệ tọa độ cố định a0 và hệ tọa độ quay dq ..
................................................................................................................................. :....
24 Hình 2.13................................................................................................... FOCcơbản
..................................................................................................................................... 31
Hình 2.14.

FOC Trực tiếp ................................................................................... 32

Hình 2.15.

FOC Gián tiếp ................................................................................... 33

Hình 3.1.

Sơ đồ khối điểu khiển MPPT TSR ................................................... 39

Hình 3.2.

Sơ đồ khối điểu khiển MPPT OTC ................................................... 40

Hình 3.3.

Đồ thị Tm-O)m ................................................................................... 41

Hình 3.4.

Sơ đồ khối điểu khiển MPPT PSF .................................................... 41

Hình 3.5.

Đặt tính công suất và moment của turbine gió .................................42

Hình 3.6.

Partial - Scale BTB 2L-VSCs trong WECs ......................................45

Hình 3.7.

Parallel BTB 2L-VSCs trong WECs ................................................ 46

Hình 3.8.

Parallel BTB 2L-VSCs với tụ DC link torongWECs ....................... 47
11

Hình 3.9. Quy trình khởi động hệ thống WECS sử dụng SCIG với tụ DC link
..... .. ...........................................................................................

49

Hình 4.1.

PLECS ...............................................................................................51

Hình 4.2.

PLECS Standalone ............................................................................52

Hình 4.3.

PLECS Blockset ................................................................................54

Hình 4.4.

Thư viện trong PLECS - Library Browser ........................................56

Hình 4.5.

PLECS Search Bar ............................................................................57

Hình 4.6.

New PLECS model ...........................................................................58

Hình 4.7. Cửa sổ thông số mô phỏng (a: cài đặt slover, b: lệnh khởi tạo) .....................
....................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.8.

SCOPE ..............................................................................................62

Hình 4.9. Xuất đồ thị mô phỏng ................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 4.10.

Cấu trúc hệ thống WECS với SCIG ..................................................64

Hình 4.11.

Điều khiển phía máy phát..................................................................65

Hình 4.12.

Điều khiển phía hòa lưới ...................................................................66

Hình 4.13.

Mô hình cánh turbine gió ..................................................................67

Hình 4.14.

Mô hình cánh turbine gió ..................................................................68

Hình 4.15.

Mô hình máy phát SCIG ...................................................................70

Hình 4.16.

Bộ biến đổi công suất phía máy phát ................................................71

Hình 4.17.

Chọn khóa bán dẫn cho mạch chỉnh lưu ...........................................72

Hình 4.18.

Mạch lọc và lưới điện ........................................................................73

Hình 4.19.

Sơ đồ mô phỏng trên PLECS ............................................................74

Hình 4.20.

Điều khiển phía máy phát..................................................................75

Hình 4.21.

Điều khiển chuyển trục xác định góc pha, từ thông ..........................76

Hình 4.22.

Điều khiển dòng trục d ......................................................................77

Hình 4.23.

Điều khiển dòng trục q ......................................................................77

Hình 4.24.

Điều khiển phía lưới điện ..................................................................78

Hình 4.25.

Điều khiển khởi động ........................................................................79

Hình 4.26.

Mô phỏng tốc độ gió giảm ................................................................80
xii


Hình 4.27.

Tín hiệu điều khiển khởi động ..........................................................81

Hình 4.28.

Điện áp Vdc.......................................................................................82

Hình 4.29.

Vdc trong giai đoạn khởi động và tốc độ gió giảm ...........................83

Hình 4.30.

Dòng điện stator trên trục dq .............................................................85

Hình 4.31.

Tốc độ máy phát wr (rad/s) ...............................................................86

Hình 4.32.

Công suất đầu vào và đầu ra .............................................................87

Hình 4.33.

Dòng điện trực dq phía luới điện.......................................................88

Hình 4.34.

Dòng điện lưới iabc_grid ................................................................................................................. 89

Hình 4.35.

Dạng sóng dòng điện lưới phóng to ..................................................90

Hình 4.36.

Fourier spectrum ia grid ................................................................................................................ 91

Hình 4.37.

Công suất Pin - Pout khi gió tăng......................................................92

Hình 4.38.

Dòng điện stator trên trục dq khi gió tăng.........................................93

Hình 4.39.

Dòng điện trực dq phía lưới điện khi gió tăng ..................................94

Hình 4.40.

Đáp ứng công suất Pin và Pout ở các tốc độ gió khảo sát .................96

Hình 4.41.

Dòng điện trực dq phía lưới điện khi gió tăng ..................................97

xiii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
SCIG
Squirrel Cagee Induction Generator
WECS

Wind Energy Conversion System.

DFIG

Doubly Fed Induction Generator

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Generator

WRIG

Wound Rotor Induction Generator

FOC
MPPT

Field Oriented Control
Maximum Power Point Tracking

THD

Total Harmonic Distortion

DSP

Digital Signal Processor

FPGA

Field-Programmable Gate Array

HAWT

Horizontal-axis wind turbine

VAWT

Vertical axis wind turbine

DFOC

Dữect field Oriented Control

DTC

Dữect Torque Control

DPC

Dữect Power Control

SMC

Sliding Mode Control

TSR

Tip speed ratio

p&o

Perturbation and observation

XIV


DANH MỤC BẢNG BIỂU
•
Bảng 4.1 Thông số máy phát SCIG 110 kw ................................................................ 69
Bảng 4.2 Thông số sơ đồ hình T của SCIG ................................................................ 69
Bảng 4.3 Thông số mach lọc ....................................................................................... 72
Bảng 4.4 Kết quả mô phỏng ở các tốc độ gió khác nhau ........................................... 95

15


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo đang là một xu thế trên thế
giới, do có thể giảm được chi phí nhiên liệu, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng
hóa thạch, có khả năng sản xuất trên qui mô lớn và kết nối được với điện lưới. Trong
các dạng nguồn năng lượng tái tạo, thì năng lượng gió có nhiều tìm năng phát triển ở
Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ, cũng như các phương pháp
điều khiển công suất để tối ưu hóa năng lượng nhận được từ gió, nâng cao chất lượng
điện năng đầu ra để đáp ứng các điều kiện khắt khe của lưới điện truyền thống cũng
như các phương pháp khởi động và bảo vệ turbine là những yêu cầu hết sức cần thiết
để làm tăng sự thâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo này vào cơ cấu năng lượng
điện nước ta.
Trang trại gió truyền thống chỉ bao gồm máy phát cảm ứng rotor lồng sóc tốc độ không
đổi (SCIG) phát điện lên lưới AC thông qua một máy biến áp cách ly. Tuy nhiên hiệu
suất chuyển đổi năng lượng gió thấp, cũng như hộp số 3 cấp nặng nề, dễ hư hõng khiến
cho sơ đồ phát điện này kém hiệu quả hơn. Hơn nữa để cung cấp dòng kích từ, SCIG
cần phải được cung cấp công suất phản kháng từ lưới điện, điều này ảnh hưởng đến

chất lượng của lưới điện. Do đó sơ đồ này dần được thay thế bằng các sơ đồ khác (hình
1.1). Những năm gần đây, hệ thống turbine gió đã phát triển nhanh chống trên thế giới.
So với kiểu turbine có tốc độ cố định thì kiểu turbine có tốc độ có thể thay đổi được
mang nhiều thuận lợi như có thể vận hành ở điểm công suất cực đại ở các vùng gió
không cố định, cải thiện được hiệu suất và năng suất máy phát. Vì thế kiểu turbine loại
này được sự quan tâm càng nhiều trong công nghiệp năng lượng gió. Hệ thống turbine
gió tốc độ thay đổi thì không tuyến tính và các thông số luôn thay đổi, đòi hỏi bộ điều
khiển phải hoạt động hiệu quả và tin cậy để thu được công suất tối đa và đáp ứng các
yêu cầu hòa lưới. Đối

1


với một hệ thống điện gió cỡ trung bình và nhỏ thì máy phát SCIG với một turbine gió
thay đổi được tốc độ là một sự lựa chọn hấp dẫn, bởi với chi phí sản xuất thấp, vận
hành tin cậy so với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Ngoài ra, SCIG ít
đòi hỏi bảo trì hơn so với các máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) và máy phát
cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), nên đề tài đã chọn máy phát SCIG cho hệ thống điện gió
hòa lưới.

LCL

Hình 1.1. Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới

1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐÈ TÀI
Hiệu suất của WECS có tầm quan họng lớn để cung cấp năng lượng thu thu được tối
đa từ gió. Khả năng thay đổi tốc độ của tuabin gió cho phép vận hành với hiệu suất khí
động học tối đa và cũng cung cấp một nhiễu loạn mô-men xoắn tối thiểu trong mạch
lái. Ngoài điều khiển tỷ lệ tốc độ đầu cần có máy đo gió để đo tốc độ gió, một số sơ đồ
điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) đã được báo cáo trong tài liệu kỹ

thuật, chủ yếu dựa trên điều khiển mô-men xoắn tối ưu [1], điều khiển tìm kiếm [ 2],
điều khiển logic mờ [3] và phương pháp điều khiển mạng thần kinh [4], Ngoài ra, một
thuật toán điều khiển theo dõi nhanh đã được trình bày 2


trong [5], sơ đồ dựa trên logic mờ thích nghi đã được đề xuất trong [6] và [7] và bộ
điều khiển MPPT với điều khiển bù thích ứng đã được đề xuất bong [8]. Cuối cùng,
một thuật toán MPPT cho WECS với bộ tạo cảm ứng được cấp nguồn gấp đôi, tận dụng
công suất quán tính của rôto đã được trình bày trong [9].
Ngoài kiểm soát MPPT, hiệu quả của toàn bộ WECS có thể được cải thiện bằng cách
tăng hiệu suất của máy phát điện. Điều này có thể đạt được thông qua điều khiển từ
thông liên kết (flux-linkage) máy phát bằng cách điều chỉnh dòng điện stato trục d. Một
phương pháp điều khiển logic mờ đã được trình bày trong [10] và các kỹ thuật điều
khiển tìm kiếm đã được đề xuất trong [11] và [12]. Sơ đồ điều khiển WECS của bộ
điều khiển “minimum ohmic loss controller” SCIG kết hợp với tìm kiếm hoặc bộ điều
khiển MPPT logic mờ đã được trình bày trong [13]. Các phương pháp kiểm soát hiệu
quả tối ưu dựa trên mô hình cho một SCIG đã được đề xuất trong [14]; tuy nhiên, trong
[14] việc đo tốc độ gió chính xác là bắt buộc. Một thiết kế điện dung được tối ưu hóa
cho DC link của bộ chuyển đổi back-to-back để phát điện tua bin gió đã được trình bày
trong [15-19].
Từ những nghiên cứu trên, có thể kết luận rằng cần có một giải thuật điều khiển để đạt
hiệu quả cao về năng lượng, chất lượng điện năng đầu ra và về chi phí cho WECS với
SCIG có đáp ứng động nhanh và có thể dễ dàng thực hiện. Đó cũng là mục tiêu hướng
đến của đề tài.
1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu
Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật và kiểm chứng bằng
mô phỏng.
Nội dung nghiên cứu:
- Nguyên cứu lý thuyết: Năng lượng gió, điều khiển MPPT trong hệ thống điện gió,
hòa lưới và khởi động máy phát gió.

- Mô phỏng: tìm hiểu phần mềm PLECS với khả năng mô phỏng nhanh các hệ
3


thống điện tử công suất để kiểm chứng hiệu quả của giải thuật điều khiển.

4


CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG
LƯỢNG GIÓ
2.1.

TỔNG QUAN

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện trên thế giới ngày càng tăng, trong khi các nguồn
năng lượng truyền thống đang cạn kiệt nhanh chóng với mức chi phí tăng và gây ô
nhiễm môi trường. Để đáp ứng những thách thức này, sự chú ý đã tập trung vào các
nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, pin nhiên liệu, v.v. Năng lượng gió là một
nguồn năng lượng xanh tái tạo quan trọng, có mặt khắp nơi, thân thiện với môi trường
và có sẵn miễn phí. Hơn nữa, năng lượng gió được đặc trưng bởi độ tin cậy cao và hiệu
suất cao. Nhờ tất cả các tính năng này, công suất phát điện gió đã tăng nhanh, với mức
tăng trưởng trung bình hàng năm khoảng 30%, trên thế giới, trong thập kỷ qua.
Năng lượng điện được tạo ra từ gió bằng cách sử dụng tuabin gió và máy phát điện. Hệ
thống có thể được sử dụng cho tải độc lập hoặc đưa vào mạng điện thông qua bộ chuyển
đổi công suất phù hợp. Tuabin gió hoạt động ở tốc độ cố định hoặc thay đổi. Một máy
phát điện với tuabin gió có tốc độ cố định thường sử dụng một máy phát điện cảm ứng
lồng sóc (SCIG) để chuyển đổi năng lượng cơ học từ tuabin gió thành năng lượng điện
(Hình 2.la). Máy phát được kết nối trực tiếp với mạng điện. Hệ thống hoạt động gần
như ở tốc độ không đổi ngay cả khi tốc độ gió thay đổi. Cấu trúc liên kết này là đơn

giản, ít tốn kém và hiệu quả. Nhưng, nó thu được mức năng lượng thấp, tổn hao cơ học
và chất lượng năng lượng điện năng đầu ra không tốt.
Máy phát điện tua bin gió tốc độ thay đổi (hình 2. lb) có hiệu suất chuyển đổi năng
lượng cao từ gió qua một phạm vi tốc độ gió rộng hơn, cùng với chất lượng điện năng
tốt hơn. Ngoài ra sơ đồ này có khả năng điều chỉnh hệ số công suất, bằng cách tiêu thụ
hoặc sản xuất công suất phản kháng, và đảm bảo ứng suất cơ học thấp

5


hơn. Bộ chuyển đổi điện tử công suất được kết hợp giữa máy điện và hệ thống điện như
trong hình.... Hầu hết các nhà sản xuất tuabin gió lớn đang phát triển các tuabin gió quy
mô megawatt mới dựa trên hoạt động tốc độ thay đổi với điều khiển pitch control.

a. Tốc độ cố định của SCIG WECS

• WRSG *

b. Tốc độ thay đổi của WECS với SCIG/SG

6


Hình 2.1. Cẩu trúc WECS
2.2.

HỆ THỐNG CHUYỀN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.2.7. Tổng quan
Cấu hình cơ bản của một WECS được kết nối lưới được mô tả ương hình 2.2. WECS bao

gồm một số thành phần cơ khí chuyển đổi động năng gió thành năng lượng điện một cách
có kiểm soát, đáng tin cậy và hiệu quả. Các thành phần chính của WECS có thể được phân
loại thành các hệ thống cơ, điện và điều khiển. Các thành phần cơ khí bao gồm tháp, xà
cừ, cánh quạt, trung tâm cánh quạt, hộp số, ổ đĩa, ổ ngáp, cảm biến tốc độ gió, tàu lái và
phanh cơ [20]. Các thành phần điện bao gồm máy phát điện, bộ chuyển đổi công suất có
thể cùng với các bộ lọc phía máy phát và lưới điện, máy biến áp tăng áp và lưới ba pha
hoặc tải tiêu thụ. Các thành phần liên quan đến điều khiển được sử dụng với cả hệ thống
chuyển đổi năng lượng cơ và điện. Các bộ phận dễ thấy nhất trong các tuabin gió lớn là
tháp, vỏ bọc và cánh quạt, và các bộ phận còn lại được đặt bên trong tuabin gió.

Hình 2.2. Các thành phần chính của WECS

Mechanical Components: Động năng của gió trước tiên được chuyển đổi thành năng
lượng cơ học với sự trợ giúp của các cánh quạt tuabin. Đối với các tuabin gió

7


công suất lớn, thiết kế ba cánh là hiệu quả và phổ biến nhất [21]. Hiệu suất chuyển đổi
năng lượng động học sang cơ học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng của cánh
quạt, góc của cánh quạt, tốc độ gió, mật độ không khí, v.v. Tốc độ và hướng gió được
đo với sự trợ giúp của các cảm biến, và một ổ ngáp được sử dụng để di chuyển các cánh
quạt cùng với vỏ bọc hướng về phía gió để lấy năng lượng tối đa có thể. Khi tốc độ gió
lớn hơn giá trị định mức, góc của các cánh quạt được thay đổi sao cho công suất điện
bị giới hạn ở giá trị định mức. Tua bin gió cỡ MW thường chạy ở tốc độ rất thấp (thường
là 6-20 vòng/phút) và mô-men xoắn cao.
Electrical Components: Một máy phát điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng
cơ học quay thành năng lượng điện. Trong 30 năm qua, nhiều máy phát điện như máy
phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG), máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG),
máy phát điện cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

(PMSG) và máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) đã được phát triển cho tuabin
gió [22]. Thế hệ đầu tiên của tuabin gió được dựa trên máy phát SCIG, nhưng các tuabin
thế hệ hiện tại kết hợp cả máy phát điện cảm ứng và đồng bộ. Các máy phát cảm ứng
(IG) thường hoạt động ở tốc độ quay cao, trong khi các máy phát đồng bộ (SG) có thể
hoạt động ở tốc độ thấp, trung bình hoặc cao [23]. Để đạt được tốc độ hoạt động thấp
hơn, máy phát điện cần được trang bị một số lượng cực lớn, đây là một giải pháp khả
thi với máy SG. Khi cung cấp số lượng cực lớn, bán kính stato trở nên lớn hơn 6 lần và
nặng hơn 4,5 lần so với các máy phát điện cảm ứng dựa trên hộp số ba cấp [24], Điện
áp đầu ra của máy phát và tần số thay đổi theo tốc độ gió. Máy phát có thể được ghép
trực tiếp vào lưới hoặc nó có thể được giao tiếp thông qua bộ chuyển đổi điện tử công
suất. Bằng cách sắp xếp các thiết bị chuyển đổi năng lượng theo các cách khác nhau,
có thể với các phần tử liên kết dc như tụ điện hoặc cuộn cảm, nhiều cấu trúc liên kết
chuyển đổi nguồn có thể được lấy. Các bộ chuyển đổi điện tử công suất này có thể được
kết hợp với các máy phát điện để tạo thành một loạt các cấu hình WECS. Một lần nữa
bằng cách kết nối các tuabin gió theo cách khác nhau, có thể thu được các cấu hình 8


trang trại gió khác nhau. Các sóng hài là không thể tránh khỏi khi sử dụng các bộ biến đổi
công suất và để giải quyết vấn đề này, các bộ lọc sóng hài được sử dụng trong các bộ biến
đổi phía máy phát và lưới điện. Bộ lọc sóng hài ở phía máy phát điện giúp giảm méo sóng
hài của dòng điện và điện áp. Điều này dẫn đến việc giảm tổn thất sóng hài phát sinh trong
lõi của máy phát điện và cuộn dây. Bộ lọc sóng hài trong bộ chuyển đổi phía lưới giúp
đáp ứng các yêu cầu sóng hài nghiêm ngặt được chỉ định bởi các Grid Code. Đầu ra của
bộ lọc sóng hài phía lưới được kết nối với lưới ba pha (hoặc tải) thông qua một máy biến
áp tăng áp, thiết bị chuyển mạch điện và CB. Bằng cách vận hành bộ chuyển đổi điện tử
công suất ở mức điện áp điểm tải, có thể không sử dụng máy biến áp.
Control System: Hệ thống tuabin gió cũng bao gồm một số hệ thống điều khiển Slave
cho các bộ phận cơ/điện và hệ thống điều khiển Master để đạt được hiệu suất động và ổn
định mong muốn cho WECS. Bộ điều khiển thường theo dõi các biến khác nhau như tốc
độ gió, hướng gió, điện áp/dòng máy phát, điện áp liên kết bộ lọc/dc nếu có, điện áp và

dòng điện lưới, và điều chỉnh trạng thái vận hành của hệ thống hoặc các biến ở giá trị
tham chiếu hoặc trong bộ ranh giới [25]. Ví dụ, khi tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức,
hệ thống điều khiển Master sẽ khởi động hệ thống điều khiển thụ động, chủ động hoặc
Pitch control để đáp ứng và thay đổi góc của các cánh quạt sao cho công suất đầu ra của
tuabin không bao giờ vượt quá giá trị định mức [26]. Các hệ thống điều khiển có các chức
năng hạn chế trong các thế hệ tuabin gió đầu tiên, và bây giờ chúng thực hiện một số
lượng lớn các chức năng liên quan đến hoạt động của tuabin, máy phát và bộ chuyển đổi
công suất, hòa lưới, tiêu chuẩn bảo vệ và vận hành hang trại gió, v.v. Các hệ thống điều
khiển thường được triển khai bằng máy tính, vi điều khiển, bộ xử lý tín hiệu số (DSP)
hoặc FPGA. Với các nền tảng điều khiển hiện đại, các lệnh điều khiển có thể được thực
hiện rất nhanh (trong vòng chưa đến 100 micro giây) và lặp đi lặp lại.
2.2.2. Turbine gió và nãng lượng gió:
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo dồi dào nhất trên trái đất,
con người đã sử dụng năng lượng gió trong công việc hàng ngày từ rất lâu đời trong lịch
sử, ví dụ như gió dùng để tạo lực xay ngũ cốc và đó là lý do tại sao chúng ta vẫn nói về
9


"cối xay gió", mặc dù hiện nay chúng hầu như không được sử dụng để nghiền hạt nữa.
Hình 2.3 hiển thị một số cối xay gió nguyên thủy được sử dụng bởi các nền văn minh sơ
khai của loài người.

Hình 2.3.

Một sổ turbine gió nguyên thủy

Có thể thấy rằng hầu hết các cối xay gió lâu đời nhất thế giới đều có trục quay thẳng đứng.
Thiết kế ban đầu (Hình 2.3 (a) - (c)) rất đơn giản, họ dùng thảm bện hoặc cánh buồm được
để tạo ra lực cản và do đó để xoay các cối xay gió về trục trung tâm. cối xay gió trục dọc
có một lợi thế đó là chúng độc lập với hướng gió. Phiên bản mới hơn của các nhà máy

trục dọc được phát triển ở Pháp và Ý, tương ứng hình d và e. Trong hình 2.3 (d), cối xay
được gắn trực tiếp vào trục truyền động thẳng đứng mà không có bất kỳ bánh răng trung
gian hoặc cơ chế nào khác để chuyển hướng chuyển động quay. Hình 2.3 (e) cho thấy một
trong những cối xay gió tiên tiến được tạo ra bởi Fausto Veranzio ở Ý [27]. Có thể thấy
rằng cối xay gió này được thiết kế với các cánh quạt hình cốc giúp cải thiện hiệu quả của
thiết bị. Veranzio cũng đã phát triển một cơ chế truyền động cho các cối xay gió của mình,
cho phép cối xay chạy ở tốc độ cao hơn nhiều, mặc dù các cánh quạt được thiết kế cho tỷ
lệ tốc độ đầu thấp [27]. Các cối xay gió trục ngang là một phát minh tương đối mới hơn
10