Mô hình hóa và điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép cho một hệ thống phát điện gió​

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

TÔ THÀNH LẬP
MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY
PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017


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

TÔ THÀNH LẬP
MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY
PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 19 tháng 11 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS TS. NGÔ CAO CƯỜNG

Chủ tịch

2

TS. ĐINH HOÀNG BÁCH

Phản biện 1

3

TS. NGUYỄN HÙNG

Phản biện 2

4

PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

5

PGS TS. LÊ CHÍ KIÊN

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

PGS TS. NGÔ CAO CƯỜNG


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

tháng 04 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Tô Thành Lập

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15/ 10/ 1990

Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 15418300008

I- Tên đề tài:
MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN
KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ
 MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG
BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ
 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG SIMULINK MATLAB
III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng 10 năm 2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Tháng 04 năm 2017
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA

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

PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG


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

TÔ THÀNH LẬP


ii

LỜI CẢM ƠN
Việc nghiên cứu vấn đề cực đại công suất trong hệ thống điện gió vẫn còn
khá mới mẻ đối với bản than và ở nước ta. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đề

tài, bản thân tôi đã thu nhận được nhiều kiến thức và 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 tôi nhận thấy luận văn cũng đạt được một số kết quả
đáng ghi nhận.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS TS. DƯƠNG
HOÀI NGHĨA, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi những ý kiến, đóng
góp quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các
thầy, cô trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho tôi 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 tôi hoàn thành tốt luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn động viên, giúp đỡ,
là chỗ dựa tinh thần vững chắc để tôi có thể vượt qua những khó khăn trong thời
gian học và làm luận văn.
Sau cùng tôi cảm ơn những anh chị khóa học trước, những người bạn đã
giúp đỡ và chia sẽ kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt quá trình làm luận
văn.
Tuy tôi 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 luận văn ngày càng hoàn thiện hơn.
Học viên thực hiện Luận văn

TÔ THÀNH LẬP


iii

TÓM TẮT
Hiện nay nhu cầu phát điện chạy bằng sức gió ở Việt Nam ngày cảng trở nên
có tính thực tiễn cao. Nhu cầu về điện năng đang tăng trưởng một cách mạnh mẽ
cung với sự phát triển của nền kinh tế và sự tăng dân số. Nhưng sự bùng nổ về nhu

cầu về điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu, than và khí – vốn
hiện tại cung cấp hơn một nửa năng lượng. Thủy điện cũng gần khai thác hết công
suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam. Nguồn năng lượng mặt trời vẫn
đang ở giai đoạn nghiên cứu và mới dừng lại ở công suất còn nhỏ, năng lượng sóng
biển và thủy triều còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm. Trong khi đó
sức gió ở Việt Nam chưa được khai thác nhiều.
Máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát
điện chạy bằng sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phíá
rotor thay vì trực tiếp trên stator. Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần
thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành chỉ còn 1/3 so
với các loại máy điện khác. Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, nhất là khi công
suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về phương pháp điều khiển có phần phức tạp.
Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song chủ yếu theo các phương
pháp điều khiển kinh điểm. Trong luận văn này, đề tài “Nghiên cứu và xây dựng mô
hình mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ nguồn kép”.
Máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly – Fed Induction Generator).
Có thể làm việc với các vùng tốc độ khác nhau: trên tốc độ đồng bộ và dưới tốc độ
cơ sở thậm chí là tốc độ máy lai có thể giảm đến 65% tốc độ định mức.
Khi đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay vì sử dụng các
máy đồng bộ kinh điển kết hợp với bộ biến đổi điện tử công suất thấy rằng DFIG có
những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn
rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được. Chính vì thiết bị
điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng
1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang
lưới. Như đã trình bày ở trên, đây chính là ưu điểm vượt trội của DFIG so với các
thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới. Tuy nhiên, cấu trúc


iv
ấy lại khiến cho DFIG khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống

sự cố xảy ra trên lưới. Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp trên thanh cái sẽ bị sụt
giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh. Từ thông này sẽ
gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn
có thể gây ra dòng rất lớn.
Trong luận văn này, tác giả xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển máy
phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống phong điện bằng
Matlab/Simulink.


v

ABSTRACT
Nowadays the need for generating electricity by wind force in Viet Nam is
becoming highly realistic. The significantly growing need for electricity

is

combined with economic development and population growth. However, the
explosion of electricity need is happening as soon as the oil, coal and gas sources
provides over a half energy. Hydroelectric power is exploited and nearly hydraulic
source in rivers of Vietnam is exhaustible. Solar power source is being studied and
just provided with low power. The wave power and tide power are searching and
commissioning. Meanwhile, wind power has not been exploited significantly.
The Doubly – Fed Induction Generators have been used as electric
generators run by wind power because they have controlling capacity of power
indirectly by rotor instead of directly stator. The controller in rotor is designed one
third as much as power of the whole generator, so its cost reduces one third down
compared with other electric machines. Although it is controlled more complexibly,
this gives an economical price especially when power expense is growing. There are
a lot of study works for this in the world but they used classical controlling

methods. In this thesis, the theme “Study and design a model stimulating control
system of Doubly – Fed Induction Generator”.
Doubly – Fed Induction Generator (DFIG) is able to run with different speed
areas: over synchronous speed and below basic speed even its speed can be down
to 65% norm speed.
When considering using DFIG as a coaxial generator instead of using
classical synchronous generators with power electronic converters, it sees that DFIG
has very remarkable strengths because its stator directly connected with network
and its rotor connected with the network through a controllable power electronic
component. The controller for DFIG is in rotor so its power is approximately one
third of the power of the generator and power current flows from stator to the
network. As mentioned above, this is more significant strength of DFIG than other
generators with controller in stator and rotor. However, this structure makes
DFIG more difficult to control especially in some problems happening in network.


vi
At that time, voltage in bus bar dropped suddenly makes flux magnet in generator
oscillate, that causes induce electromotive force (IMF) in rotor resulting in over
current.
In this thesis, we design a model stimulating control system of Doubly – Fed
Induction Generator in the discharge by of Matlab/Simulink.


vii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii

ABSTRACT ................................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................x
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH .............................................................................. xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... xiv
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. L DO CHỌN ĐỀ TÀI......................................................................................1
2. MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U .......................................3
4. KẾT UẢ D
5.

KIẾN ........................................................................................3

NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................................5

CHƯƠNG 1 ................................................................................................................6
GIỚI THIỆU TỔNG UAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ .............................6
1.1Tổng quan về năng lượng gió ............................................................................6
1.2 Sự hình thành gió ..............................................................................................7
1.3Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện ..............................................................8
1.4 Lợi ích của năng lượng gió .............................................................................10
1.5Tình hình sử dụng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới ...........11
1.6Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam ......................................................13
1.7 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam ......................................................................14
1.7.1 Vị trí địa lý ...............................................................................................14
1.7.2 Khí hậu.....................................................................................................14
1.7.3 Tiềm năng gió của Việt Nam ..................................................................14
1.7.4 Lượng gió theo từng mùa ........................................................................15
1.7.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam ..........................................15

CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................18
MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ............................................18


viii
2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió ............................................................21
2.2 Khí động học gió .............................................................................................24
2.3 Các loại cấu trúc của turbine gió .....................................................................25
2.4 Các bộ phận của tuabin gió .............................................................................27
2.4.1 Cánh quạt .................................................................................................27
2.4.2 Bộ truyền động .......................................................................................32
2.4.3 Máy phát ..................................................................................................35
2.5 Phương pháp điều khiển ..................................................................................36
2.5.1 Cấp điều khiển hiện trường ....................................................................36
2.5.2 Cấp điều khiển hệ thống ..........................................................................37
2.6 Các bộ chuyển đổi điện áp ..............................................................................38
2.6.1 Bộ chỉnh lưu [22] .....................................................................................38
2.6.2 Các bộ biến đổi DC-DC [19] ...................................................................42
2.6.2.1Bộ biến đổi giảm áp - Buck converter ..................................43
2.6.2.2 Bộ chuyển đổi Boost .........................................................................46
2.6.2.3Bộ biến đổi đảo áp – Buck - Boost converter .....................49
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................52
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ .....................................52
3.1Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới .................................................................53
3.3Điều khiển điểm công suất cực đại ..................................................................57
3.3.1 MPPT cho hệ thống năng lượng gió .......................................................57
3.3.2 Điểm công suất cực đại...........................................................................59
3.3.3 Các phương pháp điều khiển MPPT ........................................................61
3.4Điều khiển góc pitch ........................................................................................63

3.5Các phép chuyển hệ tọa độ...............................................................................64
3.5.1 Chuyển đổi abc và αβ. .............................................................................64
3.5.2 Chuyển đổi αβ và dq. ...............................................................................66
3.6 Mô hình toán học của DFIG............................................................................67
3.6.1 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ. ...........................................................67
3.6.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq. ...........................................................68
3.7Vector không gian PWM .................................................................................70


ix
CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................75
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG MATLAB/ SIMULINK ..................................75
4.1Mô phỏng Grid -Side converter .......................................................................77
4.2 Mô phỏng Generator -Side converter ..............................................................85
4.3 Các phương pháp điều khiển DFIG ................................................................98
4.3.1 DFIG điều khiển tốc độ tuabin gió .........................................................98
4.3.2 Điều khiển DFIG .....................................................................................99
CHƯƠNG 5 ............................................................................................................108
KẾT LUẬN .............................................................................................................108
5.1 Kết quả đạt được ...........................................................................................108
5.2Những mặt còn hạn chế..................................................................................108
5.3 Hướng phát triển của đề tài ...........................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................110
PHỤ LỤC


x

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
P&O

: Perturb & observe

MPP

: Maximum Power Point

MPPT

: Maximum Power Point Tracker

DFIG

: Doubly Fed Induction 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

NLG

: Năng lượng gió

CL

Chỉnh lưu

NL

Nghịch lưu

MPKĐBNK

Máy điện không đồng bộ nguồn kép

NLPL-NLDI

Nghịch lưu phía lưới

NLMF-NLFDI

Nghịch lưu phía máy phát

PĐSG

Phát điện sức gió

KĐB-RDQ

Không đồng bộ Roto dây quấn

ĐK

Điều khiển

MP

Máy phát

MFNK

Máy phát nguồn kép


xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 - Cách gió được hình thành .........................................................................8
Hình 1. 2 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận. ...................................................................9
Hình 1.3 - Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam. Tốc độ trung bình năm tại độ cao
65m. ...........................................................................................................................15
Hình 2.1 - Mô hình tiêu biểu của trạm phát điện dùng năng lượng gió ....................18
Hình 2.2 - Các thành phần cơ bản của một tua bin gió .............................................18

Hình 2.3 - Đặc tuyến rotor quay quá tốc độ .............................................................19
Hình 2.4 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió .....................................................21
Hình 2. 5 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió ....................................................21
Hình 2. 6 a - Turbine gió tốc độ cố định. ..................................................................22
Hình 2. 6 b - Turbine gió tốc độ thay đổi. .................................................................23
Hình 2. 7: Turbine gió tốc độ thay đổi. ....................................................................24
Hình 2.8 – Tuabin trục ngang (trái) và tuabin trục dọc (phải). .................................26
Hình 2. 9 - Tuabin ngược chiều gió (trái) và tuabin thuận chiều gió (phải). ............26
Hình 2. 10 - Khí động lực có thể được chia thành lực nâng và lực kéo [7]. .............27
Hình 2. 11- Mô hình BEM. .......................................................................................28
Hình 2.12 – Actuator model. .....................................................................................29
Hình 2. 13 – Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt. ......................................................30
Hình 2. 14- Cp của các loại cánh quạt khác nhau của tuabin gió. ............................32
Hình 2.15 - Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối
với lưới điện. .............................................................................................................32
Hình 2. 16 – Cấu tạo hộp số. .....................................................................................33
Hình 2. 17- Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép. .........................36
Hình 2. 18– Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường. ..........................37
Hình 2.19– Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. ....................................39
Hình 2. 20– Mạch chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển. .......................................40
Hình 2.21– Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. ......................................40
Hình 2.22– Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. ..........................................41
Hình 2.23– Mạch chỉnh lưu tia ba pha điểu khiển. ...................................................41
Hình 2.24– Mạch chỉnh lưu ba pha có điều khiển. ...................................................42


xii
Hình 2. 25 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck. .................................................43
Hình 2. 26– Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost. .................................................46
Hình 2. 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost. ....................................49

Hình 3.1 - Hệ thống máy phát sức gió ......................................................................52
Hình 3.2 - Mạch điện phía lưới (a) và mô hình phía lưới(b) ....................................53
Hình 3.3 - Sơ đồ khối điều khiển phía lưới ...............................................................54
Hình 3.4 - Cấu trúc điều khiển phía lưới...................................................................55
Hình 3.5 - Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát ......................................................55
Hình 3.6 - Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát .........................................56
Hình 3.7 - Góc pitch của cánh quạt gió.....................................................................57
Hình 3.8 - Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh .....................................57
Hình 3.9 – Đặc tính cp – cho các góc pitch

khác nhau. ......................................60

Hình 3.10 – Công suất turbine ở các tốc độ gió khác nhautại góc pitch

= 0 ........60

Hình 3.11 - Xác định điểm MPP bằng phương pháp “leo đồi” [23]. ........................62
Hình 3.12 - Điều khiển góc picth .............................................................................64
Hình 3.13 - Mối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ ..................................................64
Hình 3.14 - Mối liên hệ giữa đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và dq .....................66
Hình 3.15 - Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y..................................................67
Hình 3.16 - Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha ................68
Hình 3.17 - Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ ............68
Hình 3.18 - Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq ............................69
Hình 3.19 - Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham
chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ .............................................................................69
Hình 3.20 - Nguyên lý vector không gian .................................................................70
Hình 3.21 – Chỉnh lưu cầu ba pha.............................................................................72
Hình 3.22 – Các dạng sóng tải trở. ............................................................................73
Hình 3.23 – Thứ tự dẫn điện của các chỉnh lưu và khoảng dẫn. ...............................73

Hình 4. 1 - Mô phỏng hệ thống năng lượng gió trong Simulink Matlab. .................75
Hình 4. 2 – Tuabin gió trong Simulink Matlab. ........................................................76
Hình 4. 3 – Thông số tuabin gió. ...............................................................................76
Hình 4.4 – Mô hình điều khiển phía lưới ..................................................................77
Hình 4.5 - Khối gird ..................................................................................................78


xiii
Hình 4.6 - Khối tuabin gió ........................................................................................79
Hình 4.7 - Thông số tuabin gió .................................................................................80
Hình 4.8 - Thông số tốc độ gió .................................................................................81
Hình 4.9 - Mô phỏng phía gird..................................................................................82
Hình 4.10 - Mô phỏng tuabin gió ..............................................................................83
Hình 4. 11 – Điều khiển phía máy phát khi chưa gắn tải ..........................................85
Hình 4. 12 – Khối wind farm ....................................................................................86
Hình 4. 13- Khối giám sát B25 .................................................................................86
Hình 4. 14– Cấu hình statcom ..................................................................................87
Hình 4. 15a – Tuabin gió...........................................................................................88
Hình 4.15b – Điện áp ngõ ra B25 .............................................................................89
Hình 4.15c – Điện áp ngõ ra Stacom ........................................................................90
Hình 4.16a – Điều khiển phía máy phát khi có gắn tải .............................................92
Hình 4.16b – Tải 3MW và 6MW cùng điện áp 25kV...............................................93
Hình 4.17a – Tuabin gió............................................................................................94
Hình 4.17b – Điện áp ngõ ra tại B25 ........................................................................95
Hình 4.17c – Điện áp ngõ ra của Stacom ..................................................................96
Hình 4. 18 a – Mô phỏng tốc độ gió cố định ............................................................98
Hình 4. 18 b –Mô phỏng tốc độ gió thay đổi ............................................................99
Hình 4.19a – Sơ đồ khối bộ điều khiển trực tiếp công suất DPC ...........................100
Hình 4. 19b – Bộ điều khiển DFIG .........................................................................101
Hình 4. 20 – Khối điều khiển PWM ......................................................................102

Hình 4. 21 - Khối điều khiển tín hiệu PWM ...........................................................102
Hình 4. 22 - Khối tải ...............................................................................................103
Hình 4.23 - Khối nghịch lưu và PWM 2 bậc ..........................................................103
Hình 4.24 - Khối nghịch lưu và PWM 3 bậc ..........................................................104
Hình 4.25 - Dòng ngõ ra 3 pha ................................................................................104
Hình 4.26 – Điện áp ngõ ra 3 pha ...........................................................................105
Hình 4.27 - Tín hiệu xung PWM điều khiển...........................................................107


xiv

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1. 1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới. ...............12
Bảng 1.2: Tiềm năng gió ở Việt Nam .......................................................................17
Bảng 3.1 - Tóm tắt giải thuật P&O [23]. ..................................................................62


1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một
yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế.
Ngày nay trữ lượng than, dầu, khí đang ngày càng cạn kiệt.
Hiện nay nhu cầu phát điện chạy bằng sức gió ở Việt Nam ngày cảng trở nên
có tính thực tiễn cao. Nhu cầu về điện năng đang tăng trưởng một cách mạnh mẽ
cung với sự phát triển của nền kinh tế và sự tăng dân số. Nhưng sự bùng nổ về nhu
cầu về điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu, than và khí - vốn
hiện tại cung cấp hơn một nửa năng lượng. Thủy điện cũng gần khai thác hết công
suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam. Nguồn năng lượng mặt trời vẫn
đang ở giai đoạn nghiên cứu và mới dừng lại ở công suất còn nhỏ, năng lượng sóng

biển và thủy triều còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm. Trong khi đó
sức gió ở Việt Nam chưa được khai thác nhiều.
Hiện nay ở 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.
ua đây, chúng ta nhận thấy rằng 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 phục vụ cho n Máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng
làm máy phát điện chạy bằng sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng
gián tiếp từ phía rotor thay vì trực tiếp trên stator. Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở
phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá
thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác. Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh
tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về phương pháp điều
khiển có phần phức tạp. Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song chủ
yếu theo các phương pháp điều khiển kinh điển. Trong luận văn này, đề tài " MÔ
HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN
KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ " được nghiên cứu.


2
Máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly - Fed Induction Generator).
Có
thể làm việc với các vùng tốc độ khác nhau: trên tốc độ đồng bộ và dưới tốc độ cơ
sở thậm chí là tốc độ máy lai có thể giảm đến 65% tốc độ định mức.
Khi đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay vì sử dụng các
máy đồng bộ kinh điển kết hợp với bộ biến đổi điện tử công suất thấy rằng DFIG có
những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn
rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được. Chính vì thiết bị
điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng
1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang

lưới. Như đã trình bày ở trên, đây chính là ưu điểm vượt trội của DFIG so với các
thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới. Tuy nhiên, cấu trúc
ấy lại khiến cho DFIG khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống
sự cố xảy ra trên lưới. Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp trên thanh cái sẽ bị sụt
giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh. Từ thông này sẽ
gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn
có thể gây ra dòng rất lớn.
Luận văn này xây dựng mô hình hóa và mô phỏng điều khiển máy phát
không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống điện gió bằng Matlab/Simulink.
2.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Tìm hiều về gió và hệ thống phát điện gió.
Tìm hiều về hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG và xây dựng

giải thuật điều khiển cho hệ thống.
Nghiên cứu thuật toán điều khiển và mô phỏng máy phát không đồng bộ nguồn
kép trong hệ thống điện gió.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung các phương pháp điều khiển
cho máy phát điện sức gió DFIG.
Ý nghĩa khoa học của đề tài là đề xuất mô hình mới ứng dụng máy điện không
bộ nguồn kép làm chức năng máy phát, nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng máy điện
không bộ nguồn kép trong máy phát điện. Đề tài đã giải quyết thành công cả về mặt
lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng.


3
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng, góp phần
tiết kiệm chi phí vận hành các trạm phát điện.
ĐỐI TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U

3.

Nghiên cứu các đặc tính của gió.
Tìm hiểu các dạng mô hình của máy phát điện gió.
Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển
máy
phát không đồng bộ nguồn kép DFIG trong hệ thống điện gió.
Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng
bộ
nguồn kép (DFIG).
Xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép
(DFIG) trong hệ thống điện gió bằng cách mô phỏng trong Matlab/Simulink.
Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng.
KẾT QUẢ D

4.


KIẾN

Tổng quan về tình hình nghiên cứu, sử dụng nguồn năng lượng gió trên

thế giới và tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam. Trong đó tìm hiểu tốc độ gió,
cấp gió, chế độ gió, tiềm năng và quy hoạch phát triển năng lượng điện gió Việt
Nam. Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh kết quả nghiên cứu trong nước. Chính sách
định hướng chiến lượt phát triển bền vững năng lượng Việt Nam là phát triển nguồn
năng lượng mới, năng lượng tái tạo hệ thống máy phát điện sức gió dùng máy điện
không đồng bộ nguồn kép đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng
rãi, và đây cũng chính là nội dung mà luận văn nghiên cứu.



Tình hình phát triển chung của thế giới về lĩnh vực biến đổi năng lượng

gió và tiềm năng của Việt Nam.


Đối với hệ thống biến đổi năng lượng gió làm việc ở tốc độ thay đổi,

việc sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator
– DFIG) là phù hợp nhất trong thời điểm hiện tại. Ưu điểm nổi bật khi sử dụng
DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 - 30% của tổng công


4
suất phát, nghĩa là giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu
hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử
dụng máy phát đồng bộ đồng thời giảm được chi phí đầu tư.


Luận văn trình bày khái quát về vai trò, cấu tạo, nguyên lý làm việc của

hệ thống máy phát điện sức gió đồng thời trình bày khái quát một số hệ thống máy
phát điện sức gió thông dụng. Luận văn đưa ra một số loại tua bin gió và sơ đồ khối
hệ thống điện gió. Trong đó luận văn cũng nhấn mạnh hệ thống máy phát điện sức
gió dùng máy phát không đồng bộ nguồn kép đang có xu hướng nghiên cứu để đưa
vào sử dụng rộng rãi, và giới thiệu bộ điều khiển DFIG. Đây cũng chính là nội dung
mà luận văn nghiên cứu.


Tìm hiểu ứng dụng và nguyên lý hoạt động của DFIG trong cấu hình hệ

thống biến đổi năng lượng gió vận tốc thay đổi.


Luận văn trình bày về cấu tạo, nguyên lý làm việc, sơ đồ mạch điện thay

thế và các phương trình điện, từ của máy phát điện DFIG. Đồng thời mô tả toán học
hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện DFIG trong hệ toạ độ không
gian véc tơ. Ý tưởng của việc sử dụng véctơ không gian SVPWM là để mô tả máy
điện DFIG chỉ bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha. Luận văn đưa ra sơ đồ
khối hệ thống máy phát. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
máy phát DFIG. Việc mô tả toán học hệ thống là tiền đề cho việc xây dựng các bộ
điều khiển hoà lưới. Khối máy điện DFIG điều khiển:
 Bộ biến đổi điện áp phía lưới
 Bộ biến đổi điện áp phía máy phát
 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật
điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG – Doubly Fed
Induction Generator) được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió WECS (Wind Energy - Conversion System).


Tìm phương pháp điều khiển tối ưu công suất tác dụng nhận từ gió.



Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép



Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn
kép DFIG



Xây dựng bộ điều khiển phía lưới



Xây dựng bộ điều khiển phía máy phát


5


Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn

các vấn đề như: Nghiên cứu điều khiển hệ thống DFIG thông qua mô hình hóa và
mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không không thiết kế thi công
mô hình thực tế.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

5.

Hiện nay việc phát triển và triển khai dự án năng lượng gió để đáp ứng sử
dụng điện trên thế giới trong đó có Việt Nam là nhu cầu cấp thiết.


Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet).



Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực

nghiên cứu.


Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink.



Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng.


6
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ
1.1

Tổng quan về năng lượng gió
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 những vấn đề trên ta phải tìm nguồn năng lượng tái tạo,
năng lượng sạch để thay thế hiệu quả, 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 dụng

năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái sinh trong đó có năng lượng gió.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được
ưu tiên được 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 khoản 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 tìm 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 sẽ chiếm phần lớn
trong thị trường năng lượng của thế giới [1].
Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng
cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng cho môi trường nhỏ. Tổng năng lượng
của các máy phát sức gió được lắp đặt trên thế giới được gia tăng một cách ngoạn
mục. Sự tham gia của các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung


7
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...
Tuabin gió được sử dụng 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 thụ 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 dụng được trong hệ
thống điện gió thì máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) là máy phát có

nhiều ưu điểm, có thể sử dụng 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.
1.2

Sự hình thành gió
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển

Trái Đất, là một dạng gián tiếp của năng lượng Mặt Trời. Gió 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. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào
việc làm xoáy không khí và vì trục 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.