Khảo sát mô hình nhà máy phát điện gió trong lưới điện phân phối

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
− − − − − −− −− −

Nguyễn Chí Hiếu

Khảo sát mơ hình nhà máy phát điện
gió trong lưới điện phân phối
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2008


Luận văn tốt nghiệp

LỜI CÁM ƠN
Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học
Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM.
Xin chân thành cám ơn PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc dù bận rất nhiều việc nhưng
đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến q báu và hướng dẫn em hồn thiện đề tài
này. Cám ơn thầy Vũ Phan Tú và các thầy, cô đã giảng dạy em suốt thời gian khóa
học.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ và
động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này.
Kính chúc sức khỏe q thầy cơ và các bạn.

Lời cám ơn

Luận văn tốt nghiệp

NỘI DUNG LUẬN VĂN
------------Y”W-----------Đề tài “Khảo sát mơ hình nhà máy điện gió trong lưới điện phân phối” được chia
thành 05 chương:
Chương 1 : Tổng quan năng lượng gió
Chương 2 : Lý thuyết năng lượng gió
Chương 3 : Mơ hình máy phát điện gió DFIG
Chương 4 : Nhà máy điện gió trong lưới phân phối
Chương 5 : Kết luận và định hướng đề tài

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

ML 1-1

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Phụ lục
CHƯƠNG 1......................................................................................................................... 1-1
TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ .................................................................................... 1-1

1.1. GIỚI THIỆU ........................................................................................................................ 1-1
1.2. ĐẶC THÙ Ở VIỆT NAM ................................................................................................... 1-1
1.3. SỰ PHÁT TRIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIĨ............................................................. 1-2
1.4. CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ..................................................................................... 1-3
1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................... 1-4
1.6. PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN ............................................................................ 1-4

U

CHƯƠNG 2......................................................................................................................... 2-1
LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG GIÓ ...................................................................................... 2-1

2.1. HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................................................... 2-1
2.2. LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ............................................................................. 2-4
2.3. CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................... 2-11
2.4. MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG......................................... 2-13
2.5. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIĨ TRANG BỊ DFIG ......................................... 2-18
2.6. VẬN HÀNH CÔNG SUẤT TUABIN GIĨ ...................................................................... 2-20
CHƯƠNG 3......................................................................................................................... 3-1
MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ DFIG ............................................................................ 3-1

3.1. MƠ HÌNH TỐN HỌC DFIG ............................................................................................ 3-1
3.2. ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN ....................................................................................................... 3-6
3.3. ĐỊNH HƯỚNG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ XOAY DQ............................................................... 3-7
3.4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DFIG .................................................................................... 3-8
CHƯƠNG 4......................................................................................................................... 4-1
NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI.............................................................. 4-1

4.1. VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG HỆ THỐNG ĐỘC LẬP .......................... 4-1
4.2. VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG HỆ THỐNG LỚN................................. 4-10
CHƯƠNG 5......................................................................................................................... 5-1
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.................................................................... 5-1

5.1. KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 5-1
5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI......................................................................................... 5-1

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

ML 1-2

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1. GIỚI THIỆU

Hiện nay trên thế giới sử dụng chủ yếu các nguồn năng lượng hóa thạch (khoảng
80%) như: than, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên…Tuy nhiên việc
lạm dụng nguồn năng lượng này dẫn đến nhiều vấn đề:
Tác hại của việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch:
Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra điơxít
cácbon (CO2), ơxít sunphua (SOx), ơxít nitơ (NOx). Khi nồng độ của CO2 trong
khơng khí tăng lên thì nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên. Người ta dự đoán rằng nếu nhân
loại cứ tiếp tục đốt các nhiên liệu hóa thạch như thế này và khí CO2 vẫn tiếp tục tăng
lên thì sau 100 năm, nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng lên hai độ làm ảnh hưởng
rất lớn đối với trái đất.
▪

Ngồi ra, ơxít sunphua (SOx), ơxít nitơ (NOx) là ngun nhân tạo ra hiện tượng
mưa axít gây ra những tác hại to lớn đối với động thực vật trên trái đất.
▪

Ngày nay ở hầu hết các nước trên thế giới, cơ sở hạ tầng của mạng điện chủ yếu là
các nhà máy công suất lớn được nối kết vào mạng lưới truyền tải và phân phối. Thông

thường, các nhà máy đó là thủy điện, nhiệt điện hoặc điện hạt nhân, có cơng suất rất
lớn từ hàng trăm mega-wat (MW) đến vài giga-wat(GW).
Tuy nhiên, do các nguồn năng lượng truyền thống, kể cả năng lượng hạt nhân là có
hạn và phải đối mặt nhiều vấn đề liên quan môi trường sống. Vì vậy, vấn đề sử dụng
năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu phát triển mạnh trên thế giới.
1.2. ĐẶC THÙ Ở VIỆT NAM

Năng lượng điện thực sự không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và là một lĩnh
vực hết sức cơ bản để phát triển kinh tế xã hội của một quốc gia. Thực vậy, thế kỷ 21
là thế kỷ của công nghệ thông tin, công nghệ tự động, cơng nghiệp hóa nơng nghiệp.
Cùng với xu hướng tồn cầu hóa hiện nay thì chủ trương cơng nghiệp hóa hiện đại hóa
đất nước của nhà nước ta đã đặt ngành Điện lực thành cơ sở hạ tầng để phát triển kinh
tế và là thước đo cho sự phát triển kinh tế xã hội của nước nhà.
Ở Việt Nam, lĩnh vực biến đổi năng lượng gió tuy cịn khá mới mẻ, tuy nhiên Việt
Nam nằm trong vùng cận nhiệt đới gió mùa có đường bờ biển dài, được đánh giá có
một thuận lợi cơ bản để phát triển tiềm năng dạng năng lượng mới này, bước đầu thu
hút được sự quan tâm như dự án điện gió ở huyện đảo Lý Sơn, giai đoạn I (2003 –
2005) bao gồm 3 tuabin gió, mỗi tuabin có cơng suất lắp đặt 250kW, giai đoạn II
(2005 – 2010) với qui mô tương tự để cung cấp điện cho đảo. Dự án điện gió công suất
7,5MW tại Côn Đảo. Dự án tổ hợp điện gió và máy phát diesel ở đảo Phú Q, tỉnh
Bình Thuận, giai đoạn từ 2005 – 2010 với tổng công suất 13,2MW, trong đó điện gió
6,6MW và máy phát diesel 6.6MW. Trên đây là những cơng trình bước đầu nhằm giải
quyết vấn đề cung cấp điện cho những vùng xa mà việc liên kết với lưới điện quốc gia
ít có khả năng thực hiện. Dự án điện gió ở Phương Mai, tỉnh Bình Định với cơng suất
thiết kế 20MW, đây là một trong những dự án mang tính thương mại đầu tiên, bắt nhịp
xu hướng phát triển chung của thế giới về lĩnh vực biến đổi năng lượng gió.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 1-1

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của cơng nghệ máy tính, con người đã
làm ra những phần mềm mô phỏng như ATP, PSCAD, EMTP, Matlab, … để hỗ trợ
mơ phỏng và tính tốn những bài tốn về phương pháp số một cách nhanh chóng với
độ chính xác cao.
Chính vì những lý do trên, đề tài : “Khảo sát mơ hình nhà máy phát điện gió trong
lưới điện phân phối ” được hình thành.
1.3. SỰ PHÁT TRIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIĨ

Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy phát, có
thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi. Có nhiều lý do cho việc sử dụng hệ
thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng nhất là phạm vi
thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu cơng suất nhận được từ gió, giảm ứng
lực tác động lên kết cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột và khả năng điều
khiển cơng suất tác dụng và công suất phản kháng.
Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát khơng đồng
bộ cấp nguồn từ hai phía, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi rotor nối
thông qua một bộ biến đổi công suất, máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử
công suất đặt bên phía rotor. Ưu điểm nổi bậc khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử
công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% của tổng công suất phát. Có nghĩa là giảm
được tổn hao trong linh kiện điện tử cơng suất so với cấu hình phải biến đổi tồn bộ
cơng suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ.
Ngồi ra, giảm được chi phí đầu tư do sử dụng bộ biến đổi cơng suất có định mức nhỏ
hơn.
Với các ưu điểm trên, máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía được xem là
giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi. Ngày nay, DFIG

được sử dụng rất phổ biến trong ngành cơng nghiệp biến đổi năng lượng gió cho các
tuabin lớn với công suất lắp đặt DFIG đã đạt đến 5MW.
Ở khía cạnh chất lượng điện năng, vì hệ thống DFIG làm việc trong sự kết nối trực
tiếp với lưới điện, cũng như công suất lắp đặt ngày càng tăng nên địi hỏi khả năng
điều khiển để có thể tiêu thụ hoặc phát công suất kháng nhằm giữ cho điện áp lưới duy
trì trong giới hạn cho phép - góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy của
hệ thống điện, điều này có ý nghĩa quan trọng hơn khi hệ thống biến đổi năng lượng
gió kết nối với lưới điện yếu thông qua các đường dây dài. Ở khía cạnh kinh tế, thiết
kế và vận hành hệ thống tuabin gió cần phải đạt sản lượng điện năng hàng năm tối đa,
tức tối ưu năng lượng nhận được từ gió. Như vậy, để thỏa mãn đồng thời cả hai mục
tiêu trên địi hỏi hệ thống phải có khả năng điều khiển độc lập giữa công suất tác dụng
và công suất phản kháng để vừa thực hiện được mục tiêu tối ưu năng lượng nhận được
từ gió, đồng thời duy trì hệ số cơng suất ở mức cao theo mong muốn bất chấp các điều
kiện vận hành công suất thực.
Hệ thống DFIG cho ta khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất
phản kháng đầu cực stator máy phát thông qua bộ biến đổi công suất được đặt bên phiá
rotor. Do bản chất phi tuyến, điều khiển đối tượng DFIG phức tạp hơn nhiều so với
điều khiển động cơ không đồng bộ thông thường (standard induction motor). Để điều
khiển DFIG, thông thường hệ thống được định hướng tựa trường theo véctơ điện áp
lưới hoặc từ thơng stator nhằm phân tích tính phi tuyến như được sử dụng trong các sơ
đồ điều khiển hệ thống phi tuyến.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 1-2

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

1.4. CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN

Tác giả Paul Roberts đã tổng hợp khá đầy đủ các lý thuyết về máy phát điện sử
dụng DFIG trong “A Study of Brushless Doubly-Fed (Induction) Machines”. Ơng đã
mơ tả khá kỹ các phương trình lý thuyết và từ đó đưa ra các kỹ thuật điều khiển phi
tuyến có sử dụng tín hiệu hồi tiếp để điều khiển DFIG.
Andreas Petersson trong luận văn có nhan đề “Analysis, Modeling and Control of
Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines” đã tổng hợp đầy đủ các lý
thuyết về DFIG, cách điều khiển và mô phỏng DFIG. Hệ thống đã giảm được sự ảnh
hưởng của hiện tượng suy giảm điện áp tức thời (voltage sag).
Các tác giả Andreas Petersson, Lennart Harnefors và Torbjorn Thiringer đã có sự
so sánh giữa hệ thống DFIG định hướng theo véctơ điện áp lưới và định hướng theo
véctơ từ thông stator. Bài báo kết luận, tính ổn định của hệ thống định hướng theo
véctơ điện áp lưới độc lập với dòng điện rotor, ngược với định hướng theo véctơ từ
thông stator. Điều này có nghĩa hệ thống định hướng theo véctơ điện áp lưới có thể
được kích hồn tồn từ mạch rotor và phát công suất kháng theo yêu cầu mà không
làm mất đi tính ổn định của hệ thống.
Nhóm tác giả C. Batlle, A. D`oria - Cerezo và R. Ortega đã đề xuất giải thuật điều
khiển độc lập công suất tác dụng và cơng suất phản kháng phía stator DFIG dùng bộ
điều khiển PI, hệ thống DFIG được định hướng theo véctơ điện áp lưới để cho sự phân
lập giữa công suất tác dụng và cơng suất phản kháng, q trình điều khiển bằng cách
tác động lên điện áp rotor thông qua hiệu chỉnh hai thành phần dòng điện stator. Vòng
điều khiển dịng điện bao gồm một khâu tuyến tính hóa hồi tiếp và một bộ điều chỉnh
PI có ngõ vào là dòng điện stator và ngõ ra là điện áp rotor. Kết quả thu được là giải
thuật đơn giản và dễ thực hiện. Tuy nhiên, tính bền vững của hệ thống điều khiển
không cao do chưa xét đến yếu tố điện trở rotor thay đổi theo nhiệt độ làm việc vì khâu
tuyến tính hóa hồi tiếp địi hỏi xác định một cách chính xác giá trị này.
Điện trở dây quấn rotor được xem như một thông số không chắc chắn, để cải thiện
tính bền vững của giải thuật điều khiển, các tác giả C.Batlle, A.D`oria - Cerezo và R.
Ortega một lần nữa đề xuất giải thuật điều khiển PI thích nghi (Robust adaptive stable

PI controller) bằng việc thay khâu tuyến tính hóa hồi tiếp bởi khâu tuyến tính hóa hồi
tiếp thích nghi sử dụng giá trị điện trở rotor được ước lượng trực tiếp (on-line). Kết
quả, giá trị điện trở rotor được ước lượng hội tụ về giá trị thực, đảm bảo chất lượng
của hệ thống điều khiển được phục hồi, tăng tính ổn định và bền vững. Do thêm khâu
ước lượng điện trở rotor on-line đã làm cho giải thuật và sơ đồ điều khiển trở nên phức
tạp hơn rất nhiều.
Trong quá trình vận hành, sự cố ngắn mạch đầu cực máy phát có thể xảy ra. Sau
khi khắc phục sự cố, đòi hỏi phải tái lập cung cấp điện cho hệ thống với tổn hao công
suất là nhỏ nhất. Các tác giả Tao Sun, Z Chen, Frede Blaabjerg đã sử dụng chương
trình PSCAD điều khiển và mơ phỏng quá trình quá độ của hệ máy phát và hệ thống
điện trước và sau khi xảy ra sự cố.
Nhìn chung có nhiều yếu tố ảnh hưởng như: cơng suất kháng, thơng số máy, mức
kích từ, thời gian khắc phục sự cố, giới hạn vận hành, vị trí sự cố, làm ảnh hưởng đến
quá trình quá độ của hệ máy phát điện gió kết nối với lưới điện phân phối. Aleksandar
Radovan Katančević đã tiến hành thực hiện các mô phỏng bằng các mơ hình khác
nhau: máy đồng bộ (Synchronous Machine) máy không đồng bộ (Asynchronous
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 1-3

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Machine) và nhận thấy rằng hoàn toàn có thể kết nối máy phát điện gió vào hệ thống
điện. Tuy nhiên, để ổn định thì cần có những phương pháp điều khiển để máy phát có
thể hoạt động tốt trong điều kiện tốc độ gió ln thay đổi.
Nhóm tác giả Ahmed G. Abo-Khalil, Dong-Choon Lee và Se-Hyun Lee giới thiệu
một giải thuật đồng bộ để kết nối các máy phát DFIG (doubly fed induction generator)

với hệ thống.
1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu ngun lý hoạt động, mơ hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy
phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG (Doubly Fed Induction Generator)
được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (Wind Energy
Conversion System).
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu

Trong những năm gần đây, những công nghệ mới đã dẫn đến một sự thay đổi lớn
trong giá thành sản xuất của các hình thức phát điện phân bố, máy phát nhỏ vài chục
MW trở lại đã trở nên kinh tế hơn. Trong đó, nổi bật là năng lượng gió với khả năng
vận hành khá linh hoạt, và công suất phát ngày một lớn đang dần trở nên một nguồn
phát điện quan trọng.
Tuy nhiên, lưới điện hiện nay là một thể thống nhất, bao gồm cả một hệ thống lớn.
Vì vậy, có một nhu cầu khảo sát sự vận hành của hệ thống phát điện phân bố trong mơ
hình lưới điện phân phối.
Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:
Mơ hình hóa máy phát khơng đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG.
Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập cơng suất tác dụng và công suất phản kháng
trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện.
Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự thay đổi
tham số mơ hình.
So sánh kết quả đạt được với các phương pháp thiết kế khác.
1.6. PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN

Nội dung của luận văn có thể được phác thảo vắn tắt bao gồm các chương như sau:
Chương 1 : Tổng quan năng lượng gió
Chương 2 : Lý thuyết năng lượng gió

Chương 3 : Mơ hình máy phát điện gió DFIG
Chương 4 : Nhà máy điện gió trong lưới phân phối
Chương 5 : Kết luận và định hướng
Phần mềm PSCAD được sử dụng trong luận văn này để mơ hình hóa DFIG, xây
dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng kết quả.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 1-4

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.1. HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIĨ
2.1.1. Sự hình thành gió trong tự nhiên

Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất khơng đồng đều làm cho bầu khí
quyển, nước và khơng khí nóng khơng đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt
ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ
Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự chênh lệch về
nhiệt độ. Điều này đẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối khơng khí giữa xích
đạo và 2 cực cũng như khơng khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di
động tạo thành gió.
Trái Đất xoay trịn cũng góp phần vào việc làm xốy khơng 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 dịng khơng khí theo mùa.

Ngồi các yếu tố trên gió cịn bị ảnh hưởng bởi cấu tạo của địa hình của từng đia
phương.
2.1.2. Quá trình phát triển các hệ thống biến đổi năng lượng gió

Cối xay gió đầu tiên được phát triển để tự động hóa những công việc bơm nước và
xay ngũ cốc và thiết kế được được biết sớm nhất là hệ thống trục đứng phát triển ở Ba
Tư vào khoảng năm 500 đến năm 900 sau cơng ngun.

Hình 2.1: Cối xay gió của người Ba Tư (Persian windmill)
Trước năm 1390, người Hà Lan trình bày cải tiến thiết kế cối xay gió trụ tháp
(tower wind), loại cối xay gió này đã xuất hiện hơi sớm dọc theo biển Mediterranean
như hình dưới. Người Hà Lan đã đưa ra tiêu chuẩn cần thiết cho cối xay gió đặt trên
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-1

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

trụ tháp. Cả thiết kế cối xay loại trụ và cối xay trụ tháp sau này đã được định hướng về
hướng gió bằng tay và thực hiện bằng cách đẩy một địn bẩy lớn ở phía sau cối xay.

Hình 2.2: Cối xay gió cánh buồm trục ngang
Cải tiến chính của cối xay gió Châu Âu là sử dụng những cánh buồm của người
thiết kế để tạo ra lực nâng khí động học hình 1.4. Đặc tính này tạo ra sự cải tiến hiệu
suất rotor so với cối xay gió người Ba Tư bởi cho phép tăng tốc độ rotor.

Hình 2.3: Cối xay gió cải tiến của người Hà Lan

Sử dụng tua bin gió lớn đầu tiên để phát điện là một hệ thống xây dựng ở
Cleveland, Ohio năm 1888 bởi Charles F. Brush. Máy điện Brush (hình dưới) là một
cối xay gió đặt trên trụ với một rotor nhiều cánh có đường kính 17m, có một cái đi
lớn để chỉnh rotor theo hướng gió. Đây là tua bin gió đầu tiên kết hợp một hộp số (với
một tỷ số là 50:1) để điều chỉnh quay máy phát điện ở một tốc độ vận hành yêu cầu
(trong trường hợp này là 500 vòng/phút).

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-2

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.4: Sử dụng tua bin gió loại lớn đầu tiên để phát điện (ở Cleveland, Ohio,
1888)
Năm 1891, Dane Poul La Cour phát triển máy điện gió có cơng suất điện ở ngõ ra
đầu tiên kết hợp nguyên lý thiết kế khí động học đã sử dụng tốt ở các cối xay gió trụ
tháp ở Châu Âu. Tốc độ cao hơn của rotor La Cour tạo ra những cối xay gió trong thực
tế hồn tồn cho phát điện. Trước chiến tranh thế giới thứ nhất, máy điện 25kW đã sử
dụng rộng khắp ở Đan Mạch, nhưng các nhà máy điện hơi nước chạy bằng nhiên liệu
hóa thạch lớn hơn và rẻ hơn đã đẩy những cối xay gió ra khỏi thương mại.
Điều chỉnh
cánh
Trục tốc độ
thấp
Rơ to

Hộp số
Máy phát
Bộ điều
khiển

Hướng
gió

Đo vận tốc
gió

Thắng

Truyền động
hướng

Động cơ
truyền động
hướng

Trục tốc độ
cao

Vỏ tua bin

Đo hướng
gió

Cánh quạt Tháp gió

Hình 2.5: Cấu trúc của một tua bin điện gió hiện đại

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-3

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

2.2. LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.2.1. Năng lượng gió

Năng lượng tích trữ trong gió:
1
ρAr v 3 [W ]
2

PW =

(2.1)

Trong đó:

ρ – mật độ khơng khí [ kg / m 3 ], ở điều kiện chuẩn ρ có giá trị 1.293 kg /m 3
Ar – diện tích quét của cánh quạt tuabin [ m 2 ]

v – vận tốc gió [ m / s ].
Năng lượng trong gió tính được bằng cách nhân biểu thức (2.1) với khoảng thời

gian Tp (thường là một năm).
Năng lượng trung bình =

Tp
1
ρAr ∫ v 3dt
0
2

(2.2)

2.2.2. Sự phân bố vận tốc gió

Từ (2.1), (2.2), ta thấy rằng mối quan hệ giữa công suất và vận tốc gió theo lũy
thừa bậc ba, vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lượng gió tiềm năng thu
được ở một vùng nào đó. Tuy nhiên, vận tốc gió ln thay đổi theo điều kiện thời tiết
và điều kiện địa hình.
Vận tốc gió trung bình phải được xác định để ước tính năng lượng kỳ vọng nhận
được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có khuynh
hướng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó. Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể được
xác định cho khoảng thời gian một năm.
Sự thay đổi vận tốc gió thường được mơ tả bởi hàm mật độ xác suất. Một trong
những hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió là hàm
Weibull. Phân bố Weibull được biểu diễn bởi:
⎛ v ⎞k

k ⎛ v ⎞⎟k −1 −⎜⎜⎝c ⎠⎟⎟⎟
(
)
, 0

f v = ⎜⎜ ⎟ e
c ⎝c ⎠

(2.3)

Trong đó, k > 0 , c > 0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ. Vì thế, vận tốc gió
trung bình (hoặc vận tốc gió kỳ vọng) có thể được tính từ
v =

∫

∞
0

vf (v )dv =∫

∞
0

k

vk ⎛ v ⎞⎟k −1 −⎜⎜⎝⎛cv ⎠⎞⎟⎟⎟
⎜
e dv
c ⎜⎝c ⎠⎟

(2.4)

k

⎛v ⎞
Bằng phép đổi biến x = ⎜⎜ ⎟⎟ , vận tốc gió trung bình được viết lại
⎝c ⎠
v =

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

c
k

∫

∞
0

1

x k e −xdx =

C 2-4

c ⎛ 1 ⎞⎟
Γ⎜ ⎟
k ⎜⎝ k ⎠

(2.5)

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu

Luận văn tốt nghiệp

Γ là hàm gamma:

Γ(y ) =

∫

∞
0

e −x x y −1dx , với y = 1 +

1
k

(2.6)

Nếu hệ số dạng bằng 2, thì phân bố Weibull cịn được biết đến với tên gọi là phân
bố Rayleigh.
⎛1⎞
k = 2 , Γ ⎜⎜ ⎟⎟ = π
⎝2⎠

Mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ c và vận tốc gió trung bình v theo phân bố Rayleigh
c=

2
v
π

(2.7)

Hàm mật độ xác suất của vận tốc gió theo phân bố Rayleigh được cho như hình
2.6, với vận tốc gió trung bình lần lượt 5,4m/s; 6,8m/s và 8,2m/s.

Mật độ xác suất

0.15

0.1

0.05

0
0

10

5

15

20

25

Vận tốc gió [m/s]
Hình 2.6 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh thể hiện vận tốc gió trung bình
5.4m/s (nét

), 6.8m/s (nét
) và 8.2m/s (nét
)
2.2.3. Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor

Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió PR bởi cánh quạt tuabin
chính bằng sự khác nhau giữa động năng (năng lượng kinetic) tích trữ trong gió ở phía
trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc vd .
PR =

1
ρAr v 3C p
2

[W ]

(2.8)

Trong đó, C p được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn được gọi ngắn
gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-5

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Cp =

1
(1 + γ ) (1 + γ 2 )
2

(2.9)

γ là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt và tốc độ gió đi vào cánh quạt
γ=

vd
v

(2.10)

Để tìm hệ số cơng suất lớn nhất lấy đạo hàm CP theo biến λ và cho đạo hàm này
bằng 0.
dC p

1
1
= [(1 + γ )(−2γ ) + (1 − γ 2 )] = (1 + γ )(1 − 3γ ) = 0
dγ
2
2

=> γ =

(2.9)

v2 1
=
v 3

(2.10)

1⎛

1 ⎞⎛

⎝

⎠⎝

1⎞
⎠

16

Hệ số công suất cực đại C p max = ⎜1 + ⎟⎜1 − 2 ⎟ = = 59,3%
2
3
3
27
Giá trị lý thuyết C p,max chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng
lượng từ gió, đây cịn được biết đến như là giới hạn Betz (Albert Betz’s Law). Đường
cong hiệu suất rotor được cho ở hình 2.2.
Một thuận lợi của công thức (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từ
gió. Tuy nhiên, cơng thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với

cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ giữa hiệu suất
rotor với tốc độ quay của máy phát.
0.7

C p,max

0.6

Hiệu suất rotor

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

0.2

0.6

0.4

0.8

1

vd / v

Hình 2.7 Đường cong hiệu suất rotor lý thuyết

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-6

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Ta rút ra nhận xét, nếu như rotor quay q chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua
mà không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh
quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt gần như bằng
không, hệ quả là hiệu suất rotor gần bằng không. Như vậy, với một vận tốc gió cho
trước thì hiệu suất rotor cịn phụ thuộc vào tốc độ máy phát.
Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số λ (Tip - Speed - Ratio), được
định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo
hướng vng góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.
λ=

ωT Rb
v

(2.11)

ωT là tốc độ quay của tuabin (rotor) [ rad / s ] và Rb là bán kính của cánh quạt gió
[ m ].
1.4

14.4 m/s

Cơng suất đầu ra tuabin

1.2
13.2 m/s

1
0.8

12 m/s

0.6

10.8 m/s
9.6 m/s

0.4

8.4 m/s

0.2
0
0.2

7.2 m/s
6 m/s

0.4

0.6

0.8

1

Tốc độ tuabin [p.u]

1.2

1.4

Hình 2.8 Cơng suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-7

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

β

Rb
rb

Mặt cắt của cánh quạt

Mặt phẳng
quay

Hình 2.9 Góc pitch của cánh quạt gió

Trong thực tế, hiệu suất rotor khơng những phụ thuộc vào λ mà cịn phụ thuộc vào
góc pitch của cánh quạt gió β [ rad ] xoay quanh trục của chính nó, bởi vì hầu hết các
hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có trang bị thiết bị điều khiển pitch như minh họa
ở hình 2.4. C p nói chung là một hàm phi tuyến và khá phức tạp, nhà chế tạo thường
cho giá trị C p đối với mỗi loại tuabin như là hàm của λ và góc β . Một cơng thức xấp
xỉ thường được sử dụng của đường cong hiệu suất rotor được cho bởi cơng thức (2.12)
và có dạng đồ thị như hình 2.5.

⎛116
⎞⎟ −22.5
⎜
− 0.4β − 5⎟⎟e λi
C p (λ, β ) = 0.22 ⎜
⎜⎝ λ
⎠⎟

(2.12)

i

Giá trị λi được cho bởi quan hệ:
1
1
0.035
=

− 3
λi
λ + 0.08β β + 1

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-8

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Đặc tuyến công suất tuabin (β=0o)
Đặc tuyến cơng suất tuabin
Cơng
suất
phát ra
của
tuabin
đvtđ

Đặc tuyến định trước

Tốc độ tuabin đvtđ
Hình 2.10 Đường cong hiệu suất rotor C p (λ, β )

Điều khiển công suất thực: Công suất được điều khiển để đi theo đường đặc tuyến
công suất - tốc độ đã định trước ABCD.
2.2.4. Đường cong cơng suất tuabin gió

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió
chính là đường cong cơng suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu
ra, thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng có dạng như hình 2.6. Trong đó,
cần phân biệt các thơng số:
Vận tốc gió Cut-in (VC ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và tạo
ra cơng suất (net power).
▪

Vận tốc gió định mức (VR ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng
tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt đến
giá trị VR , cơng suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế. Khi lớn hơn VR thì
cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy
phát.
▪

Vận tốc gió Cut-out (VF ): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng VF thì
hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ
khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không.
▪

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-9

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Cut-in
VC

1.4

CutV
t F

Định
ứVR
Lượt bớt
công suất

1.2

Công suất phát

1
0.8

Miền hiệu
suất rotor cực
đại

Khơng
0.6
làm
việc
0.4

Miền phát
cơng suất
định mức và
giảm hiệu
suất rotor

0.2
0

0

5

10

15

20

Ngưng
hoạt
động

25

30

Vận tốc gió
Hình 2.11 Đường cong cơng suất lý tưởng của tubin gió
Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế cơng suất đưa vào tuabin - điều khiển cơ

(aerodynamic power control). Trong đó, điều khiển pitch là phương pháp phổ biến
nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc quay của
cánh quạt quanh trục của nó. Hầu hết các tuabin gió tốc độ thay đổi được trang bị bộ
điều khiển pitch. Khi dưới tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh ra cơng suất lớn
nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhận được. Trên
tốc độ gió định mức, góc pitch cần được điều chỉnh một cách tương tự để giới hạn
công suất cơ bằng công suất định mức.
Đối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục
kiểm tra công suất đầu ra của tuabin. Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều khiển pitch
sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm lượt bớt công suất và
xoay cánh quạt theo chiều ngược lại khi tốc độ gió giảm.
2.2.5. Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát

Như đã trình bày, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể, phụ thuộc
vào thiết kế động học của từng loại tuabin. Vì lý do kinh tế, thiết kế và vận hành hệ
thống biến đổi năng lượng gió cần đạt được sản lượng điện năng hàng năm tối đa, để
làm được như vậy thì trong vận hành cần phải liên tục thay đổi tốc độ rotor theo từng
tốc độ gió để cho λ ln bằng với giá trị yêu cầu tạo ra C p cực đại.
Theo lý thuyết cũng như vận hành trong thực tế cho thấy khi làm việc với tốc độ
rotor được điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm công suất
cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20 – 30% sản lượng điện năng so với vận hành ở tốc độ cố
định.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-10

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu

Luận văn tốt nghiệp

2.3. CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIĨ

Tuabin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi
1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ
thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo
tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó khơng có khả năng hấp thu
cơng suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống tuabin gió tốc độ cố
định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh
hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với tuabin gió tốc độ thay đổi, vận
tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động
cơng suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ
làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió vì thế có thể được hạn chế. Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng
bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với tuabin gió tốc độ cố định.
Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện,
điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực
từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và
hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát.
Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề
cập:
▪

Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát khơng đồng bộ.

Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc
máy phát đồng bộ.
▪
▪

Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía.

2.3.1. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát khơng đồng bộ rotor lồng sóc được kết
nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện
như hình 2.12.

IG

Lưới
điện

Soft
stater

Hộp số

MBA
Capacitor
bank

Hình 2.12 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ
cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có
số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định
mức và số cặp cực khác nhau. Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-11

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát khơng đồng bộ
thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng
nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.
Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3
nhược điểm chính:
▪

Khơng thể điều khiển cơng suất tối ưu.

Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc
độ thay đổi đột ngột.
▪

Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên khơng có khả
năng điều khiển tích cực (Active control).
▪

2.3.2. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi tồn

bộ cơng suất

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy

phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát khơng đồng bộ (IG) hoặc máy phát
đồng bộ (SG). Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu cơng suất nhận được từ gió,
nhưng do phải biến đổi tồn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chi phí đầu
tư cho bộ biến đổi cơng suất tăng lên.

G
Hộp số

=

≈

≈

=

Converter

MBA
Filter

Hình 2.13

Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi tồn bộ cơng
suất phát

2.3.3. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng DFIG

Hệ thống bao gồm tuabin gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG
có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor được nối thông qua một bộ

biến đổi công suất như hình 2.14. Ngày nay, cấu hình này trở nên rất thông dụng do
chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của tồn bộ cơng suất phát nên tổn hao trong
thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình biến đổi tồn bộ cơng
suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấp hơn.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-12

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

DFIG
Hộp số

Back to back
t
≈

Tuabin gió

MBA
=
≈

=

Filter

Crowbar
Hình 2.14 Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị với DFIG
2.4. MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG

Các máy điện khơng đồng bộ có thể loại bỏ những nhược điểm của cả máy điện
một chiều và máy điện đồng bộ. Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch
cơ khí và dịng điện một chiều để kích thích máy phát. Vì vậy, có thể làm việc một
cách tin cậy với giá thành và chi phí bảo dưỡng thấp. Hơn nữa các máy điện không
đồng bộ rotor dây quấn có thể được điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở
của rotor hoặc đưa thêm hay thu hồi công suất.
Đối với hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, DFIG được xem như
giải pháp tốt nhất và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Như đã đề cập ở phần
trước, lý do bộ biến đổi công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% tổng công suất phát,
điều này có nghĩa tổn hao trong thiết bị điện tử cơng suất nhỏ hơn so với cấu hình mà
bộ converter phải biến đổi tồn bộ cơng suất phát. Thêm vào đó, chi phí đầu tư cho
thiết bị điện tử cơng suất cũng thấp hơn.
2.4.1. Máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG

DFIG là máy điện khơng đồng bộ rotor dây quấn có mạch stator được kết nối trực
tiếp với lưới điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất thông qua
vành trượt như hình 2.15. Bộ biến đổi cơng suất gồm hai converter; converter phía
máy phát RSC (Rotor Side Converter) và converter phía lưới GSC (Grid Side
Converter), được kết nối theo kiểu “back-to-back”. Một tụ điện dc-link được đặt ở
giữa đóng vai trị tích trữ năng lượng.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-13

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu

Luận văn tốt nghiệp

MBA

DC link

RSC U dc

DFIG

≈

=

GSC
=
≈

Back-to-back
Crowbar
Hình 2.15 Máy phát khơng đồng bộ cấp nguồn từ hai phía
Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá
điện áp trong mạch dc-link. Khi xảy ra tình trạng q dịng, thiết bị crowbar sẽ ngắn
mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ
converter và cho phép DFIG làm việc như một máy điện không đồng bộ thông thường,
lúc này tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới.
Trong thực tế, điện áp định mức của mạch rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức
bên phía mạch stator nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện vì thế sẽ có ba cuộn

dây thay vì máy biến áp hai cuộn như minh họa ở hình 2.10, một cuộn sơ cấp nối tới
mạch stator và cuộn sơ cấp còn lại nối với mạch rotor.
Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp VSC (Voltage Source
Converter) có biên độ và tần số thay đổi, thường sử dụng linh kiện điện tử cơng suất
IGBT. Khi đã hịa đồng bộ với lưới điện, dịng năng lượng qua máy phát có thể được
mơ phỏng như hình 2.11, có thể xảy ra hai trường hợp:
▪ Gió thổi cánh quạt tuabin quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là
chế độ vận hành dưới đồng bộ (hệ số trượt dương, s > 0 ), máy phát lấy năng lượng từ
lưới qua rotor.

Gió thổi cánh quạt quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ
vận hành trên đồng bộ (hệ số trượt âm, s < 0 ) và máy phát hoàn năng lượng về lưới
qua rotor.
▪

Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến đổi công suất
ở cả hai phía máy phát RSC và phía lưới GSC (hình 2.12) đều phải là nghịch lưu có
khả năng điều khiển dịng cơng suất theo hai chiều (bi-directional).

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-14

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Lưới điện

Lưới điện

Stator

Stator

Rotor

Rotor
Năng lượng từ gió

Năng lượng từ gió
a) Chế độ dưới đồng bộ

b) Chế độ trên đồng bộ

Hình 2.16 Chiều của dịng năng lượng qua máy phát DFIG

Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức
PQ, nghĩa là DFIG có khả năng phát cơng suất phản kháng về lưới (điều này ngược
với máy điện không đồng bộ thông thường). Trên hết, công suất phản kháng trao đổi
giữa DFIG và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với cơng suất thực.
Bộ converter phía máy phát RSC cho ta các thuận lợi sau:
▪ Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc
phát công suất phản kháng về lưới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (trong trường hợp
lưới yếu).
▪

Có thể hồn tồn kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lưới.

▪ Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, cũng
như điều khiển mômen, tốc độ máy phát hoặc điều khiển hệ số cơng suất đầu cực
stator.

Trong khi đó, mục đích chính của bộ converter phía lưới GSC là để giữ cho điện áp
dc-link không đổi.
2.4.2. Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập

Sơ đồ tương đương của DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho ở hình 2.17.
Sơ đồ này chỉ thích hợp cho các phân tích và tính tốn ở trạng thái xác lập, dây quấn
nối Y. Trong trường hợp dây quấn Δ có thể qui đổi về mơ hình tương đương Y,
phương pháp j ω được sử dụng cho các tính tốn.
Rs

Is

j ωs Lls

j ωs Llr I r Rr / s
+

+

Vs

j ωs Lm

Rm
I Rm

−

Vr
s
−

Hình 2.17 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-15

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

Để ý rằng nếu điện áp rotor Vr được nối ngắn mạch thì mạch điện tương đương
DFIG trở về mạch điện tương đương nguyên thủy của máy điện khơng đồng bộ rotor
lồng sóc.
Các phương trình điện áp:
Vs = Rs I s + j ωs Lls I s + j ωs Lm (I s + I r + I Rm )
Vr
Rr
I r + j ωs Llr I r + j ωs Lm (I s + I r + I Rm )
=
s
s

(2.13)

0 = Rm I Rm + j ωs Lm (I s + I r + I Rm )

Trong đó:
Vs
điện áp stator (pha, RMS)
Vr
điện áp rotor
Is
dịng stator
Ir
dịng rotor
I Rm dịng điện từ hóa
tốc độ đồng bộ
ωs
ωr
tốc độ rotor
s
hệ số trượt

s=

Rs
Rr
Rm
Lls
Llr
Lm
ωsl

điện trở stator
điện trở rotor
điện trở từ hóa
điện cảm tản stator
điện cảm tản rotor
điện cảm từ hóa
vận tốc trượt

ωs − ωr
ωsl
=
ωs
ωs

(2.14)

Từ thơng khe hở khơng khí, stator và rotor lần lượt:
ψm = Lm (I s + I r + I Rm )
ψs = Lls I s + Lm (I s + I r + I Rm ) = Lls I s + ψm

(2.15)

ψr = Llr I r + Lm (I s + I r + I Rm ) = Llr I r + ψm

Thông qua một số phép biến đổi, ta được:
Vs = Rs I s + j ωs ψs
Vr
Rr
I r + j ωs ψr
=

s
s

(2.16)

0 = Rm I Rm + j ωs ψm

Tổn hao và mơmen điện từ được tính theo các biểu thức:

Pth = 3 (Rs I s2 + Rr I r2 + Rm I R2m
Te = 3p Im [ ψm I r* ]

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-16

)

(2.17)
(2.18)

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu


Luận văn tốt nghiệp

2.4.3. Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG

Để khảo sát sự phân bố công suất giữa các cuộn dây của DFIG, công suất biểu kiến
cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor phải được xác định. Công suất biểu kiến

cuộn stator Ss và rotor Sr có thể được tính theo
2
2
Ss = 3Vs I s* = 3Rs I s + j 3ωs Lls I s + j 3ωs ψm I s*
2
2
Sr = 3Vr I r* = 3Rr I r + j 3s ωs Llr I r + j 3s ωs ψm I r*

(2.19)

Bằng cách biến đổi:
ψm
2
2
2
Ss = 3Rs I s + j 3ωs Lls I s + j 3ωs
+ 3Rm I Rm − j 3ωs ψm I r*
Lm
2
2
Sr = 3Rr I r + j 3s ωs Llr I r + j 3s ωs ψm I r*

(2.20)

Với giả thiết bỏ qua các tổn hao đồng trong mạch stator, rotor và tổn hao sắt từ,
công suất tác dụng của cuộn stator và rotor được tính gần đúng:
2
2
Ps = Re ⎢⎡Ss ⎥⎤ = 3Rs I s + 3Rm I Rm + 3ωs Im [ψm I r* ] ≈ 3ωs Im [ψm I r* ]
⎣ ⎦

2
Pr = Re ⎢⎡Sr ⎥⎤ = 3Rr I r − 3s ωs Im [ψm I r* ] ≈ −3s ωs Im[ψm I r* ]
⎣ ⎦

(2.21)

Từ các biểu thức trên, công suất cơ được xác định bằng tổng công suất tác dụng
của cả hai cuộn stator và rotor.
Pm = 3ωs Im [ψm I r* ] − 3s ωs Im [ψm I r* ] = 3ωsl Im [ψm I r* ]

Suy ra:

Ps =

1
s
Pm
Pm , Pr = −
1−s
1−s

(2.22)

(2.23)

Từ đây ta rút ra nhận xét, sự phân bố công suất tác dụng giữa các cuộn dây stator
và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số trượt. Công suất qua mạch rotor (qua
bộ biến đổi công suất) ngược dấu và xấp xỉ bằng công suất cuộn stator nhân với hệ số
trượt, Pr = −sPs , còn được gọi là cơng suất trượt. Ta có sơ đồ phân bố cơng suất như
hình 2.18.

Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rotor có thể đi
theo hai chiều: từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor, Pr < 0 , ở chế độ dưới đồng
bộ và ngược lại từ mạch rotor qua bộ biến đổi công suất đến lưới, Pr > 0 , ở chế độ
trên đồng bộ. Trong cả hai trường hợp trên, mạch stator đều phát công suất về lưới,
Ps > 0 .
Như vậy, khi hệ thống biến đổi năng lượng gió cho phép vận hành trong phạm vi
thay đổi tốc độ Δω = ±30% quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong
phạm vi s = ±0.3 , thì cơng suất định mức của bộ biến đổi công suất chỉ cần được thiết
kế bằng 20 − 30% so công suất định mức của máy phát. Định mức của bộ biến đổi
cơng suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ được chọn, chi phí cho bộ biến đổi
cơng suất vì thế tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi tốc độ cho phép tăng hay giảm.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

C 2-17

HVTH: Nguyễn Chí Hiếu