Tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp po​

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

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

BÙI HỮU HÂN

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2017


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

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

BÙI HỮU HÂN

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH HOÀNG HƠN

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2017


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Trịnh Hoàng Hơn.
chữ ký, ghi rõ họ và tên

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT
1
2
3
4
5

Họ và tên
PGS.TS Ngô Cao Cường
PGS.TS Lê Chí Kiên
TS. Đinh Hoàng Bách
PGS.TS Võ Ngọc Điều
TS. Nguyễn Hùng

Chức danh Hội đồng

Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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


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

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

TP. HCM, ngày 27 tháng 09 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Bùi Hữu Hân .

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1970.

Nơi sinh: Thái Bình.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện.

MSHV:1541830022.

I- Tên đề tài:
Tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió - máy đồng bộ nam châm vĩnh
cửu
bằng phương pháp P&O.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
‒

Tìm hiểu sơ lược về năng lượng điện gió, cấu trúc và các phương pháp điều
khiển hệ thống điện gió một cách tổng quan nhất.

‒

Tìm hiểu và xây dựng mô hình động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
và các bộ phận liên quan (nếu có – turbine, cánh quạt, v.v) trong một hệ thống
điện gió.

‒

Tìm hiểu phương pháp quan sát và nhiễu loạn (P&O) để tìm điểm làm việc công
suất cực đại.

‒

ng d ng vào hệ thống điện gió.

Tìm hiểu và ứng d ng Simulink/Matlab để mô phỏng hệ thống máy phát điện
gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng d ng phương pháp P&O.

‒

Báo cáo kết quả mô phỏng.

III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017.
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/9/2017.
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Hoàng Hơn.
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
(Ký và ghi rõ họ tên)


ii

LỜI CÁM ƠN

Năng lượng tái tạo, năng lượng xanh đang được nghiên cứu và ứng d ng
rộng rãi trong và ngoài nước. Tuy nhiên, vấn đề này vẫn còn khá mới mẻ đối với
bản thân học viên. Trong quá trình nghiên cứu đề tài, học viên đã thu nhận và học
tập được rất nhiều kinh nghiệm quý báu. Tuy chưa thể nói luận văn này là một công
trình nghiên cứu đầy đủ và hoàn thiện về hệ thống điện gió, nhưng bản thân học
viên nhận thấy luận văn cũng đạt được một số kết quả đáng ghi nhận.
Học viên xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Trịnh Hoàng
Hơn, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho học viên những ý kiến, đóng góp
quý báu để học viên có thể hoàn thành luận văn. Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn
tới quý Thầy, Cô trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh đã trang
bị cho học viên một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong quá trình học
tập và nghiên cứu. Những kiến thức đó đã tạo nền tảng vững chắc giúp học viên
hoàn thành tốt luận văn.
Học viên xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn động viên, giúp
đỡ, luôn là chỗ dựa tinh thần để luận văn được hoàn thành trong hoàn cảnh vừa học
vừa làm vô cùng khó khăn vất vả.
Sau cùng học viên cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ và chia sẽ kinh
nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt quá trình làm luận văn.
Tuy học viên đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn vẫn còn nhiều thiếu
sót cần được điều chỉnh và bổ sung. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các
quý Thầy Cô để tri thức của học viên được hoàn thiện hơn khi ra trường.
Học viên thực hiện
Bùi Hữu Hân


iii

TÓM TẮT
Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm phát công suất cực đại của hệ
thống điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nhằm đạt m c đích

trên, học viên nghiên cứu và tìm hiểu lần lượt từng thành phần của hệ thống: hệ
thống cánh quạt turbine, hệ thống truyền động và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh
cửu. Phương trình động cho từng thành phần sau đó được phân tích và xây dựng.
Hệ phương trình động được giải nhờ vào phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab,
thông qua tín hiệu đáp ứng từ kết quả mô phỏng, phương pháp nhiễu loạn và quan
sát (P&O) được chọn lựa để tìm điểm phát công suất cực đại. Kết quả mô phỏng
cho thấy giải thuật đề xuất đáp ứng khá tốt ở những điều kiện vận hành khác nhau:
tốc độ gió thay đổi, tổng trở tải thay đổi, cả vận tốc gió và tổng trở tải thay đổi.


iv

ABSTRACT
The thesis describes a method to find maximum power point for wind power
system using permanent magnetic synchronous generator. To do so, all components
of wind power system such as wind turbine blade system, drive train system and
permanent magnetic synchronous generator are studied. The dynamic equation
system of each component is analyzed and established. Then the dynamic equation
based model is constructed by Simulink/Matlab software. From the output signal of
simulation, the appropriate method - perturb & observe (P&O) is chosen to find
maximum power point of the system. The archived results shown that, the proposed
method responses well and gives good results when the input conditions such as
wind speed power output requirement are changed.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN ..............................................................................................................ii

TÓM TẮT.................................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... x
Chương 1 ..................................................................................................................... 1
ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................. 1
I. L DO CHỌN ĐỀ TÀI........................................................................................ 1
II. MỤC TI

CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................. 2

III. Đ I TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C
IV. KẾT
V.

ẢD

....................................... 2

KIẾN ........................................................................................ 4

NGH A KHOA HỌC VÀ TH C TI N CỦA ĐỀ TÀI ................................. 4

PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................... 5
Chương 2 ..................................................................................................................... 7
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................................................... 7
2.1 Sự hình thành gió ............................................................................................... 7
2.2 Sử d ng năng lượng gió để tạo ra điện .............................................................. 9

2.3 Lợi ích của năng lượng gió .............................................................................. 11
2.4 Tình hình sử d ng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới ........... 13
2.5 Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam ...................................................... 14
2.6 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam ...................................................................... 15
2.6.1 Vị trí địa lý ............................................................................................... 15
2.6.2 Khí hậu ..................................................................................................... 15
2.6.3 Tiềm năng gió của Việt Nam ................................................................... 16
2.6.4 Lượng gió theo từng mùa ......................................................................... 16
2.6.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam ........................................... 16
Chương 3 ................................................................................................................... 18


vi
TỔNG QUAN VỀ HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ ............................................................. 18
3.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió............................................................. 18
3.2 Khí động học gió ............................................................................................. 19
3.3 Các loại cấu trúc của turbine gió ..................................................................... 20
3.4 Các bộ phận của turbine gió. ........................................................................... 21
3.4.1. Cánh quạt. ............................................................................................... 21
3.4.2 Bộ truyền động ......................................................................................... 26
3.4.2.1 Hộp số ................................................................................................. 27
3.4.2.2 Truyền động trực tiếp .......................................................................... 27
3.4.3 Máy phát................................................................................................... 29
3.4.3.1 Máy phát lồng sóc tốc độ không đổi (Fixed speed Squirrel Cage
Induction Generator) ....................................................................................... 29
3.4.3.2 Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ (Speed controlled Squirrel Cage
Induction Generator) ....................................................................................... 30
3.4.3.3 Máy phát dây quấn đồng bộ (Wound Rotor Synchronous Generator)31
3.4.3.4 Máy phát dây quấn không đồng bộ (Wound Rotor Induction
Generator - WRIG) ......................................................................................... 31

3.4.3.5 Máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator
- DFIG) ............................................................................................................ 32
3.4.5.6 Máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (Permanent
Magnet Generator - PMG) .............................................................................. 33
3.4.3.7 Máy phát một chiều (DC Generator) .................................................. 33
3.5 Các bộ chuyển đổi điện áp ............................................................................... 34
3.5.1 Bộ chỉnh lưu ............................................................................................. 34
3.5.2 Các bộ biến đổi DC-DC (DC/DC Chopper) ............................................ 40
3.5.2.1 Bộ biến đổi giảm áp - Buck chopper ..................................... 41
3.5.2.2 Bộ chuyển đổi tăng áp – Boost chopper ............................................. 44
3.5.2.3 Bộ biến đổi đảo áp, Buck - Boost Chopper .......................... 47
Chương 4 ................................................................................................................... 50
C C ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ ................................... 50
4.1 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet Synchronous
Generator: PMSG) ................................................................................................. 52


vii
4.1.1 Tổng quan về máy điện đồng bộ và máy điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu ..................................................................................................................... 52
4.1.2 Mô hình động của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
[33] .................................................................................................................... 58
4.2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển và bộ chuyển đổi Boost ............... 61
4.2.1 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển .............................................. 61
4.2.2 Bộ chuyển đổi tăng áp – Boost chopper .................................................. 64
4.3 MPPT cho hệ thống năng lượng gió ................................................................ 64
4.3.1 Điểm công suất cực đại ............................................................................ 67
4.3.2 Các phương pháp điều khiển MPPT ........................................................ 69
Chương 5 ................................................................................................................... 73
MÔ PHỎNG HỆ TH NG TRONG SIMULINK MATLAB ................................... 73

5.1 Mô phỏng hệ thống trong Simulink Matlab .................................................... 73
5.1.1 Giới thiệu các Block và toolbox sử d ng trong chương trình .................. 73
5.1.2 Mô phỏng hệ thống .................................................................................. 76
5.1.3 Mô hình chi tiết ........................................................................................ 78
5.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 87
5.2.1 Trường hợp vận tốc gió không đổi tải thay đổi (kiểm tra tính đúng đắn
của hệ thống) ..................................................................................................... 87
5.2.2 Trường hợp vận tốc gió thay đổi, tải không đổi (kiểm tra tính làm việc
hiệu quả của hệ thống) ........................................................................................ 94
5.2.3 Trường hợp vận tốc gió thay đổi, tải thay đổi ........................................ 100
5.2.4 Nhận xét định lượng ............................................................................... 105
5.3 Kết luận .......................................................................................................... 106
Chương 6 ................................................................................................................. 108
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 108
6.1 Kết quả đạt được ............................................................................................ 108
6.2 Những mặt còn hạn chế ................................................................................. 108
6.3 Hướng phát triển của đề tài............................................................................ 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 110


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

P&O

: Perturb & observe

MPP

: Maximum Power Point

MPPT

: Maximum Power Point Tracker

PMG

: Permanent Magnet Generator

PMSG

: Permanet Magnet Synchronous Generator

WRSG

: Wound Rotor Synchronous Generator

WRIG

: Wound Rotor Induction Generator

SCIG

: Squirrel Cage Induction Generator

DFIG

: Doubly Fed Induction Generator

DCG

: DC Generator

VRG Variable Reluctance Generator
INCond

: Incremental Conductance

FLC

: Fuzzy logic controller

IEA

: International Energy Agency

HAWT

: Horizontal Axis Wind Turbine

VAWT

: Vertical Axis Wind Turbine

BEM

: blade element method

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4. 1 Bảng tóm tắt trạng thái dẫn của các diode và điện áp v0 tức thời trên tải 63
Bảng 4. 2 Tóm tắt giải thuật P&O [27], “đại lượng thay đổi” trong luận văn là tốc
độ rotor của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu ................................................. 71
Bảng 5. 1 Các Block thường dùng để mô phỏng trong luận văn .............................. 73


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát PMSG và thuật
toán P&O ..................................................................................................................... 2
Hình 2. 1 Sự hình thành gió trên mặt đất .................................................................... 8
Hình 2. 2 Turbine gió đầu tiên 12 kW ........................................................................ 9
Hình 2. 3 Turbine đầu tiên ngoài nước Mỹ ............................................................... 10
Hình 2. 4 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận. ................................................................. 11
Hình 3. 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió ...................................................... 18
Hình 3. 2 turbine tr c ngang (trái), turbine tr c dọc (phải)[4] .................................. 20
Hình 3. 3 Turbine ngược chiều gió (trái) và turbine thuận chiều gió (phải). ............ 21
Hình 3. 4 Lực nâng và lực kéo tác động vào cánh quạt [15] .................................... 22
Hình 3. 5 Mô hình BEM- blade element method [8]. ............................................... 22
Hình 3. 6 Actuator model [17], [ 18] ........................................................................ 23
hinh 3. 7 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt. ............................................................ 24
Hình 3. 8 Cp của các loại cánh quạt khác nhau của turbine gió. .............................. 26
Hình 3. 9 Cấu tạo hộp số (Gearbox) ......................................................................... 28
Hình 3. 10 Sơ đồ khối minh họa cho phương pháp truyền động trực tiếp; cánh quạt
được nối trực tiếp vào rotor máy phát; có bộ biến đối dùng linh kiện bán dẫn để
tương thích tần số phát và tải. ................................................................................... 28

Hình 3. 11 – Hệ thống điện gió sử d ng động cơ lồng sóc tốc độ không đổi kết hợp
với bộ khởi động mềm. ............................................................................................. 30
Hình 3. 12 - Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ, được trang bị bộ biến đổi điện áp
AC/DC/AC. ............................................................................................................... 30
Hình 3. 13 - Máy phát dây quấn đồng bộ ứng d ng trong turbine gió. .................... 31
Hình 3. 14 - Turbine gió sử d ng máy phát dây quấn không đồng bộ. .................... 32
Hình 3. 15 - Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép. ........................ 32
Hình 3. 16 - Turbine gió sử d ng máy phát kích từ vĩnh cửu. .................................. 33
Hình 3. 17 - Turbine gió dùng máy phát DC. ........................................................... 34
Hình 3. 18 Chỉnh lưu 1 pha bán kỳ không t lọc ...................................................... 35
Hình 3. 19 - Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa bán kỳ .............................................. 36
Hình 3. 20 – Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. .................................. 36
Hình 3. 21 – Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. .................................... 37


xi
Hình 3. 22 – Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển. ................................ 38
Hình 3. 23 – Minh họa mạch chỉnh lưu có điều khiển - Mạch chỉnh lưu tia ba pha
điều khiển. ................................................................................................................. 39
Hình 3. 24 - Chỉnh lưu cầu một pha sử d ng diod có t lọc ..................................... 40
Hình 3. 25 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck. ................................................. 41
Hình 3. 26 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost. ................................................ 44
Hình 3. 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost chopper. ...................... 47
Hình 4. 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống điện gió nam châm vĩnh cửu ................ 51
Hình 4. 2 Cấu tạo máy điện khi stator đòng vai trò kích từ (phần cảm) ................... 54
Hình 4. 3 Cấu tạo rotor cực ẩn; hình bên trái phát họa hình cắt ngang của rotor, hình
bên phải minh họa một rotor trong thực tế (nguồn ảnh internet); cả hai rotor đều là
loại hai cực từ. ........................................................................................................... 55
Hình 4. 4 Cấu tạo rotor cực lồi; hình bên trái phát họa hình cắt ngang của rotor, hình
bên phải minh họa một rotor trong thực tế (nguồn ảnh internet); cả hai rotor đều là

loại bốn cực từ. .......................................................................................................... 55
Hình 4. 5 Minh họa mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu ....... 56
Hình 4. 6 Minh họa nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha ............ 57
Hình 4. 8 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ................................................. 62
Hình 4. 9 Dạng áp tức thời trên tải, và các trạng thái dẫn của mỗi diod trong mạch
cầu chỉnh lưu ............................................................................................................. 63
Hình 4. 10 Mạch điện một chiều đơn giản ................................................................ 65
Hình 4. 11 Minh họa sự phối hợp trở kháng với nguồn và tải cho trước.................. 66
Hình 4. 12 – Đặc tính Cp –

cho các góc pitch

khác nhau. .................................. 68

Hình 4. 13 – Công suất turbine ở các tốc độ gió khác nhau ..................................... 69
Hình 4. 14 - Xác định điểm MPP bằng phương pháp “leo đồi” [27]. ....................... 70
Hình 4. 15 Lưu đồ giải thuật thuật toán P&O ........................................................... 72
Hình 4. 16 Phương pháp P&O hoạt động không hiệu quả khi tốc độ gió liên t c
thay đổi. ..................................................................................................................... 72
Hình 5. 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu
điều khiển bằng thuật toán P&O ............................................................................... 76
Hình 5. 2 - Mô phỏng hệ thống máy phát điện gió trong Simulink Matlab.............. 77


xii
Hình 5. 3 – Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng Turbine, Generator and Rectifier; hình bên
trái có thể tìm thấy trong hình 5.2; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong. .......... 79
Hình 5. 4 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng wind-turbine; hình bên trái có thể tìm thấy
trong hình 5.3; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong .......................................... 80
Hình 5. 5 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng turbine; hình bên trên có thể tìm thấy trong

Hình 5.4; hình bên dưới là sơ đồ chi tiết bên trong ................................................. 80
Hình 5. 6 Các thông số của khối Turbine ................................................................. 81
Hình 5. 7 Khối máy phát: 12kW 67Nm 1700rpm; Hình phía trên được tìm thấy
trong hình 5.4; hình bên dưới sơ đồ chi tiết. ............................................................. 82
Hình 5. 8 Cấu hình của PMSG (bảng thông số 1)..................................................... 82
Hình 5. 9 Thông số PMSG (bảng thông số 2) ........................................................... 83
Hình 5. 10 Khối Rectifier; hình bên trái có thể được tìm thấy trong hình 5.3; hình
bên phải là bảng thông số cài đặt cho khối chỉnh lưu ............................................... 84
Hình 5. 11 Khối P&O MPPT; hình bên trên được trích từ hình 5.2; hình bên dưới là
sơ đồ chi tiết .............................................................................................................. 85
Hình 5. 12 Khối IO đặc trưng cho khối IO1 và IO2 trong hình 5.11. ...................... 85
Hình 5. 13 Khối DC-Load; hình trên được trích xuất từ hình 5.3; hình bên dưới trình
bày sơ đồ chi tiết của khối DC-Load. ....................................................................... 86
Hình 5. 14 Khối tăng áp Boost converter, hình bên trái được trích xuất từ hình 5.2;
hình bên phải là sơ đồ chi tiết mô phỏng bộ DC/DC chopper .................................. 87
Hình 5. 15 Vận tốc gió được giả sử là không đổi (8 m/s) ......................................... 88
Hình 5. 16 Điện trở tải thay đổi [25 16,67 14,29 16,67] tương ứng các thời điểm [0
40 60 80] s ................................................................................................................. 89
Hình 5. 17 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian ................................................ 89
Hình 5. 18 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian ......................................... 90
Hình 5. 19 Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian ............................ 90
Hình 5. 20 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian ................................. 91
Hình 5. 21 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là điện áp ngõ vào bộ
chopper) theo thời gian ............................................................................................. 91
Hình 5. 22 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo
thời gian ..................................................................................................................... 92
Hình 5. 23 Đáp ứng của giá trị Duty Cycle (D) theo thời gian ................................. 92


xiii

Hình 5. 24 Vận tốc gió được giả sử là không đổi [8 6 9 7 8] (m/s) tương ứng với các
thời điểm [0 40 60 80 100] (s)................................................................................... 94
Hình 5. 25 Đặc tính ngõ vào của tải theo thời gian, trường hợp này tải không đổi và
bằng 25  .................................................................................................................. 95
Hình 5. 26 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian ................................................ 95
Hình 5. 27 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian ......................................... 96
Hình 5. 28 Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian ............................ 96
Hình 5. 29 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian ................................. 97
Hình 5. 30 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là điện áp ngõ vào bộ
chopper) theo thời gian ............................................................................................. 97
Hình 5. 31 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo
thời gian ..................................................................................................................... 98
Hình 5. 32 Đáp ứng của giá trị Duty Cycle (D) theo thời gian ................................. 98
Hình 5. 33 Vận tốc gió theo thời gian ..................................................................... 100
Hình 5. 34 Sự thay đổi tải theo thời gian ................................................................ 101
Hình 5. 35 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian .............................................. 101
Hình 5. 36 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian ....................................... 102
Hình 5. 37 Đáp ứng công suất Tuabin gió (cũng là công suất Turbine nhận được)
theo thời gian ........................................................................................................... 102
Hình 5. 38 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian ............................... 103
Hình 5. 39 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là công suất ngõ vào bộ
chopper) theo thời gian ........................................................................................... 103
Hình 5. 40 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo
thời gian ................................................................................................................... 104
Hình 5. 41 Đáp ứng của giá trị Duty cycle (D) theo thời gian ................................ 104
Hình 5. 42 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 8m/s (được chiết trích từ hình
4.13)......................................................................................................................... 105
Hình 5. 43 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 6m/s (được chiết trích từ hình
4.13)......................................................................................................................... 106

1
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Năng lượng là nhu cầu không thể thiếu đối với nhân loại, năng lượng được sử
d ng trong tất cả các lĩnh vực để ph c v cuộc sống của con người từ sinh hoạt, vui
chơi giải trí, công nghiệp, nông nghiệp, y học,… Trải qua những thời đại khác nhau
nguồn năng lượng chính được khai thác và sử d ng cũng khác nhau; từ xa xưa khi
chưa có nền công nghiệp, nhu cầu cuộc sống chỉ đơn giản là các bữa ăn trong ngày
thì nguồn năng lượng chính được sử d ng chỉ là thân cây cối, củi khô,.. Thời gian
dần trôi, kiến thức khoa học phát triển, nhu cầu của nhân loại tăng lên thì các nguồn
năng lượng chính được khai thác cũng thay đổi như: than đá, dầu khí (gọi chung là
năng lượng hóa thạch), năng lượng hạt nhân,…, ra đời và được sử d ng ph c v
cho cuộc sống. Năng lượng cần thiết đến mức con người luôn sử d ng cùng lúc tất
cả các nguồn năng lượng có thể khai thác và sử d ng được. Tuy nhiên, có những
nguồn năng lượng bên cạnh mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại thì còn mang lại
nhiều rủi ro nguy hiểm, ví d , năng lượng hạt nhân chẳng hạn, cho đến nay nhân
loại chưa có gì đảm bảo 100% an toàn khi sử d ng nguồn năng lượng này.
Trong thời đại cận đại và hiện đại, nguồn năng lượng hóa thạch đóng vai trò chủ
yếu với lý do dễ khai thác và sẵn có trong lớp vỏ quả đất. Tuy nhiên, nguồn năng
lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và khi sử d ng làm ảnh hưởng đến môi trường,
gây nên hiệu ứng nhà kính. Ngành năng lượng xanh (hay còn được gọi là năng
lượng tái tạo) như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đã được hình thành trong
nhiều thập niên qua; viễn cảnh sẽ được phát triển và khai thác mạnh mẽ để thay thế
nguồn năng lượng hóa thạch.
Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển điện gió. Cùng với sự phát triển của công
nghệ sản xuất nên việc lắp ráp rẻ hơn cũng như việc điều khiển các máy phát điện
gió được dễ dàng. Thực tế cho thấy, tình hình khai thác năng lượng gió chưa xứng
tầm với tiềm năng gió Việt Nam hiện có, và việc khai thác tốt tiềm năng này để

ph c v cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết.


2
Với các lý do trên, Học viên muốn nghiên cứu “Tìm Điểm Công Suất Cực Đại
Cho Máy Phát Điện Gió – Máy Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Bằng Phương Pháp
P&O” cho luận văn Thạc sĩ của mình.
II. MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI
Sử d ng phần mềm Simulink Matlab và thuật toán điều khiển P&O (quan sát và
nhiễu loạn) để tìm điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống máy
phát điện gió - máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
III.

Đ I TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U

Đối tượng: Tìm điểm phát công suất cực đại cho hệ thống máy phát gió bằng
thuật toán P&O; hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm
vĩnh cửu có sơ đồ khối như trong hình 1. Tất cả các khối sẽ được phân tích và thành
lập hệ phương trình động, mô hình mô phỏng cho hệ phương trình động sẽ được
xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab. Các thông số trong bộ điều
khiển sẽ được chọn lựa bằng lập luận, bằng thống kê hoặc bằng phương pháp thử và
sai để có được đặc tính ngõ ra như mong muốn khi các thông số ngõ vào được thay
đổi một cách ngẫu nhiên trong phạm vi cho phép.

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát PMSG và thuật
toán P&O
Phương pháp nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình toán học dựa vào phương trình động (phương trình vi phân)
của từng khối (hình 1) trong hệ thống:
 Phương trình khí động học của gió

 Khối Turbine: Mô tả mối quan hệ giữa công suất gió, cánh quạt (bao hàm cả
kích thước và hình dạng) và mật độ không khí,...


3
 Khối PMSG: Là mô hình toán học của máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
 Khối biến đổi điện áp AC/DC; DC/DC và DC/AC: Mô hình toán học của
từng bộ điện tử công suất được trình bày và mô phỏng lại dựa vào phần mềm
Simulink Matlab.
 Giải thuật quan sát và nhiễu loạn (P&O) được trình bày và mô phỏng trong
khối Giải thuật P&O.
- Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của từng khối: Các khối sau khi được mô
phỏng sẽ được kiểm tra tính đúng đắn dựa vào dạng đáp ứng quá độ (so sánh với
cơ sở lý thuyết hoặc tài liệu tham khảo); giá trị vào ra khi hệ thống ở trạng thái
xác lập (đáp ứng trong thời gian dài).
- Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của cả hệ thống: Sau khi từng khối được
kiểm tra tính đúng đắn, chúng sẽ được kết nối vào thành một hệ thống. Để kiểm
tra tính đúng đắn của hệ thống luận văn đề xuất phương pháp như sau:
 Tiêu chí đánh giá là giá trị công suất truyền từ máy phát đến tải.
 Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính gió không đổi: Thay đổi
tải, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty cycle là
hằng số) P&O.
 Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải không đổi: Thay đổi
đặc tính gió, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty
cycle là hằng số) P&O.
 Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải và đặc tính gió thay đổi
ngẫu nhiên (không đồng thời): So sánh kết quả với khi có sử d ng thuật toán
với lý thuyết công suất cực đại lý thuyết (thông qua tính toán) của máy phát
với từng trường hợp năng lượng gió ngõ vào.
- Toàn bộ quá trình trình bày trên được thực hiện và kiểm tra nhờ vào phần mềm

mô phỏng Simulink Matlab.


4
IV.

V.

KẾT QUẢ D

KIẾN

-

Mô hình động hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.

-

Sử d ng thuật toán P&O để tìm điểm phát công suất cực đại.

-

Đánh giá đáp ứng của hệ thống khi thông số ngõ vào thay đổi.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TI N CỦA ĐỀ TÀI
Với sự khát khao học hỏi, và khát khao cùng với giới khoa học trong nước

nghiên cứu nắm bắt được công nghệ hiện đại, học viên chọn đề tài “Tìm Điểm Công
Suất Cực Đại Cho Máy Phát Điện Gió – Máy Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Bằng
Phương Pháp P&O” với tính mới không cao, nhưng học viên hy vọng luận văn sẽ là

tài liệu tham khảo bổ ích cho những khóa học sau. Riêng bản thân học viên cũng sẽ
học hỏi được nhiều điều bổ ích cho bản thân.


5
PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá thì nhu cầu năng
lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước. Vấn đề đặt ra là phát triển
nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi trường và cảnh
quang thiên nhiên. Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ, khí
đốt… ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra hiệu
ứng nhà kính. Để giảm thiểu những vấn đề trên ta cần phải tìm nguồn năng lượng
thay thế đó là năng lượng tái tạo, năng lượng sạch; từ đó có thể giảm nhẹ tác động
của năng lượng đến tình hình kinh tế, an ninh chính trị quốc gia. Nhận thấy được
tầm quan trọng của vấn đề về năng lượng để phát triển. Việt Nam có các quan điểm
về chính sách sử d ng năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo trong đó có
năng lượng gió.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được ưu
tiên đầu tư và phát triển ở Việt Nam. Nhiều dự án công trình đã được khởi công và
xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có
công suất khoảng 800KW, công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định
đang được xây dựng…
Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng rất lớn. Nhà máy
điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890.
Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ
phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện gió sẽ chiếm phần
lớn trong thị trường năng lượng của thế giới [32].
Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng cho
hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng tới môi trường so với các nguồn năng lượng
khác là không đáng kể. Tổng năng lượng của các máy phát sức gió được lắp đặt trên

thế giới được gia tăng một cách ngoạn m c. 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...


6
Tuabin gió được sử d ng trong hộ gia đình được phân bố rộng rãi trên thế giới.
Sự tương tác giữa hệ thống điện gió trong gia đình và trong lưới điện sẽ là một khía
cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống điện gió trong tương lai. Đó là
điều cần thiết để đảm bảo rằng lưới điện có khả năng làm việc trong giới hạn của
tần số và điện áp phù hợp cho các dự án kết hợp việc sản xuất năng lượng điện từ
gió và việc tiêu th điện của người tiêu dùng, đồng thời để đảm bảo duy trì lưới
điện hoạt động ổn định. Vì vậy khi điện gió hòa vào lưới điện phải không làm chất
lượng điện xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của lưới điện, do đó cần có máy
phát điện phù hợp. Trong tất cả các máy phát điện có thể sử d ng được trong hệ
thống điện gió thì máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là máy phát
có nhiều ưu điểm, có thể sử d ng trong trường hợp này vì tính ổn định và an toàn
của nó trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để
kích từ.
Để hệ thống làm việc tại điểm có công suất cực đại ở các tốc độ gió khác nhau,
ta phải phát triển một hệ thống có khả năng sản sinh tối đa sản lượng điện của
tuabin gió ở mọi điều kiện hoạt động. Nói chung, các kỹ thuật MPPT có thể được
chia thành hai loại, c thể là các phương pháp trực tiếp và gián tiếp. Phương pháp
trực tiếp bao gồm: nhiễu loạn và quan sát (P&O), gia tăng độ dẫn (INCond :
Incremental Conductance), hồi tiếp điện áp hoặc dòng điện, phương pháp logic mờ
(FLC: Fuzzy logic controller), phương pháp nơron… Các phương pháp gián tiếp
bao gồm: Điện áp PV vòng hở, Dòng PV ngắn mạch... Phương pháp P&O là
phương pháp tương đối cơ bản, đơn giản, dễ áp d ng và được sử d ng khá rộng rãi
và phổ biến.

7
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯ NG GIÓ
2.1 Sự hình thành gió
Gió là những luồng không khí chuyển động trên phạm vi lớn. Trên bề mặt
của Trái đất, gió bao gồm một khối lớn không khí chuyển động. Trong không
gian vũ tr , gió mặt trời là sự chuyển động của các chất khí hoặc các hạt tích điện từ
mặt trời vào không gian, trong khi gió hành tinh là sự thoát khí của nguyên tố hóa
học nhẹ chuyển từ bầu khí quyển của một hành tinh vào không gian. Gió thường
được phân loại theo quy mô về không gian, tốc độ, lực tạo ra gió, các khu vực gió
xảy ra, và tác động của chúng. Những cơn gió mạnh nhất được quan sát trên một
hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta xảy ra trên sao Hải Vương và sao Thổ. Gió
có những khía cạnh khác nhau, một là vận tốc của gió; hai là áp suất dòng khí; ba là
tổng năng lượng của gió.
Trong khí tượng học, cơn gió thường được gọi theo sức mạnh của nó, và hướng
gió thổi. Sự tăng tốc đột ngột của gió được gọi là cơn gió mạnh. Sự tăng tốc kéo dài
(khoảng một phút) của các cơn gió mạnh được gọi là gió giật. Gió với khoảng thời
gian kéo dài hơn có những cái tên khác nhau kết hợp với tốc độ trung bình của gió,
chẳng hạn như gió nhẹ (breeze), gió mạnh (gale), bão (storm), cơn bão (hurricane),
và cơn bão lớn (typhoon). Gió xảy ra trên các phạm vi khác nhau, từ cơn bão kéo
dài hàng ch c phút, cho đến gió địa phương được hình thành do sự nung nóng của
bề mặt đất liền kéo dài khoảng vài giờ, cho đến gió toàn cầu do sự khác biệt trong
sự hấp th năng lượng mặt trời giữa các vùng khí hậu trên trái đất. Hai nguyên nhân
chính của gió hoàn lưu khí quyển quy mô lớn là sự khác biệt nhiệt độ giữa xích
đạo và các cực, và vòng quay của Trái đất (hiệu ứng Coriolis). Trong vùng nhiệt
đới, hoàn lưu nhiệt thấp trên địa hình bình nguyên và cao nguyên có thể tạo ra lưu
thông gió mùa. Tại các khu vực ven biển các chu kỳ gió thổi từ biển vào đất liền và
ngược lại có thể được coi là gió địa phương; ở các khu vực có địa hình biến động,
gió núi và gió thung lũng là những gió địa phương [30].

8
C thể hơn, gió trên bề mặt trái đất được hình thành do sự chuyển động của
không khí từ nơi khí áp cao về nơi khí áp thấp. Xuất hiện điều này là do bức xạ Mặt
Trời chiếu xuống Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không
khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất bị che khuất và không nhận
được bức xạ của Mặt Trời, thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo
nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về
áp suất (Hình 2.1). Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí
và vì tr c quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo
thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.

Hình 2. 1 Sự hình thành gió trên mặt đất
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh tr c của
Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động
thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và
Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ tr thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một
vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều
kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. Ngoài các yếu tố có tính
toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và