Điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép sử dụng back to back converters

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------------------

BÙI HỮU NGHĨA

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG
BỘ NGUỒN KÉP SỬ DỤNG BACK-TO-BACK CONVERTERS
Chun ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
Mã số: 605250

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2013

i


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Đình Trực

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

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

Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày …..
tháng …. Năm …..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ...................................................................

2. ...................................................................
3. ...................................................................
4. ...................................................................
5. ...................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

BÙI HỮU NGHĨA

MSHV: 11180115

Ngày, tháng, năm sinh:

27/04/1986

Nơi sinh: Vũng Tàu

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số: 60.52.50

I. TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP SỬ DỤNG BACK-TO-BACK CONVERTERS
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về năng lượng gió.
- Lý thuyết điều khiển DFIG (double fed induction generator).
- Mô phỏng hệ thống DFIG và so sánh kết quả giữa các phương pháp điều khiển.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS.PHẠM ĐÌNH TRỰC

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)

iii


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy Cô trường Đại Học Bách
Khoa Tp. Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt tơi tận tình, đã truyền đạt cho tơi
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi học tập tại trường.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô Khoa Điên-Điện Tử
đặc biệt là thầy Phạm Đình Trực đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp này.
Tơi xin cảm ơn gia đình tôi, những người thân đã cho tôi những điều kiện tốt
nhất để học tập trong suốt thời gian dài.
Ngoài ra tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người bạn của tơi, những người
đã cùng gắn bó, cùng học tập và giúp đỡ tôi trong những năm qua cũng như trong suốt
quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

iv


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này trình bày sơ lược về hệ thống năng lượng gió, lý thuyết điều khiển
RSI (rotor side inverter) dùng vectơ không gian.Tiếp theo là mô phỏng máy phát điện
gió khơng đồng bộ nguồn kép sử dụng back-to-back converters bằng ba phương pháp:

PWM, 3-level hysteresis kết hợp vectơ không gian, 3-level hysteresis kết hợp vectơ
không gian và PI. Từ kết quả mô phỏng, luận văn so sánh giữa ba phương pháp và
nhận thấy phương pháp điều khiển RSI bằng 3-level hysteresis kết hợp vectơ không
gian và PI cho ra đáp ứng của công suất tác dụng stator là tốt nhất. Tất cả các mô
phỏng được thực hiện bằng Matlab/Simulink.

THESIS SUMMARY
This thesis presents wind energy conversion system (WECS), RSI (rotor side
inverter) controller with space vector-based hysteresis current controller. The
simulations of a doubly-fed induction generator driven by a wind turbine in large
power systems using 3 different methods has been made: PWM, 3-level hysteresis +
space vector-based hysteresis current controller, 3-level hysteresis + space vectorbased hysteresis current controller + PI. From simulation results, comparion of 3
methods are discussed and the results show that 3-level hysteresis + space vector-based
hysteresis current controller + PI method has the best stator active power in 3 methods.
All the simulations are investigated with MATLAB/SIMULINK.

v


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Các kết quả nêu
trong Luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu, ví dụ
và trích dẫn trong Luận văn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI CAM ĐOAN

Bùi Hữu Nghĩa

vi

MỤC LỤC
Chương 1: Mở đầu .............................................................................................................1
1.1 Giới thiệu tổng quan .............................................................................................. 1
1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................................................................1
1.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu ..........................................................................................1
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................1
1.3 ĐỀ CƢƠNG LUẬN VĂN......................................................................................2
Chương 2: Tìm hiểu về năng lượng gió ............................................................................3
2.1 Lịch sử sử dụng năng lƣợng gió để phát điện .........................................................3
2.2 Phân loại turbine gió ................................................................................................5
2.2.1 Turbine gió kiểu trục thẳng đứng ..................................................................5
2.2.2 Turbine gió kiểu trục ngang ..........................................................................6
2.3 Các kiểu máy phát điện gió phổ biến .....................................................................7
2.3.1 Hộp số ...........................................................................................................8
2.3.2 Phƣơng pháp điều khiển ................................................................................9
2.4 Converter ..............................................................................................................11
2.4.1 Cặp inverter - chỉnh lƣu back-to-back ........................................................12
2.4.2 Converter ma trận ........................................................................................13
2.5 Sự khác biệt giữa các kiểu nối turbine gió với lƣới ..............................................14
2.6 Khởi động và ngắt máy phát điện gió khỏi lƣới ...................................................19
2.7 Mơ hình động lực của hệ thống turbine gió và phân tích tín hiệu nhỏ .................19
2.7.1 Mơ hình động lực của hệ thống turbine gió ................................................19
2.7.1.1 Mơ hình động lực gió ...............................................................................20
2.7.1.2 Moment đầu ra của turbine gió ................................................................20
2.7.1.3 Hiệu ứng bóng tháp ..................................................................................22
2.7.1.4 Mơ hình cơ học ........................................................................................23
vii

2.7.1.5 Mơ hình máy điện khơng đồng bộ ...........................................................25
2.7.1.6 Phƣơng pháp điều khiển V/f bằng hằng số ..............................................27
2.7.1.7 Mơ hình hộp số ........................................................................................28
2.7.1.8 Mơ hình lƣới ............................................................................................28
2.7.1.9 Mơ hình tốc độ gió ...................................................................................28
Chương 3: Điều khiển dịng RSI dùng vectơ khơng gian cho DFIG ...........................32
3.1 Mơ hình hóa DFIG ................................................................................................32
3.2 Điều khiển RSI bằng PWM ...................................................................................35
3.3 Điều khiển RSI dùng vectơ không gian cho DFIG ...............................................37
3.4 Điều khiển RSI dùng 3-level hysteresis + PI cho DFIG .......................................41
Chương 4: Mô phỏng điều khiển máy phát điện gió khơng đồng bộ nguồn kép
bằng Matlab/Simulink .....................................................................................................42
4.1Mô phỏng DFIG .....................................................................................................42
4.2Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI bằng PWM .............................44
4.3 Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI dùng hysteresis 3 tầng .........51
4.4 Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI bằng hysteresis 3 tầng+PI .....57
4.5 So sánh kết quả 3 phƣơng pháp điều khiển RSI và nhận xét ................................63
Chương 5: Kết luận và định hướng của đề tài ..............................................................67
Chương 6: Tài liệu tham khảo ........................................................................................69

viii


Chương 1

Mở đầu

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Giới thiệu:

Nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong tương lai gần. Vì vậy mà các
nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu và phát
triển liên tục như năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo… Trong đó, năng lượng
gió được sử dụng phổ biến, các dự án về năng lượng gió đã được xây dựng ở hầu
hết các quốc gia. SCIG (squirrel cage induction generator) và DFIG (doubly-fed
induction generator) là hai kiểu máy phát thường dùng cho các dự án. SCIG làm
việc với tốc độ gió cố định, cịn DFIG có thể làm việc với tốc độ gió thay đổi. Để
nghiên cứu hệ thống máy phát điện gió khơng đồng bộ nguồn kép (DFIG) sử dụng
back-to-back converter, luận văn này mô phỏng hệ thống DFIG dùng MATLAB
Simulink bằng các phương pháp điều khiển khác nhau.
1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
1.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu:
Mô hình hóa và xây dựng các giải thuật điều khiển máy phát điện cảm ứng
cấp nguồn từ hai phía DFIG (Double Fed Induction Generator) được trang bị
trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WECS (Wind Energy Conversion
System).
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu:
Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:
+ Xây dựng mơ hình hồn chỉnh bộ chuyển đổi công suất back to back được
cấu tạo từ 6 khố cơng suất IGBT/ Diode (bao gồm bộ Grid side converter và

1


Chương 1

Mở đầu

Rotor side converter), từ đó điều khiển được máy DFIG phát độc lập công
suất tác dụng trên stator, công suất phản kháng trên stator.

+ Sử dụng các phương pháp điều khiển khác nhau điều khiển đóng ngắt 6
khố công suất IGBT/Diode của bộ Rotor Side Converter.
+ Bằng mô phỏng, so sánh giữa các phương pháp điều khiển với nhau. Nhận
xét và kết luận.
1.3 Đề cƣơng luận văn:
Nội dung của luận văn bao gồm các chương sau:
Chƣơng 1: Mở đầu.
Chƣơng 2: Tìm hiểu về năng lượng gió
Chƣơng 3: Điều khiển RSI (rotor side inverter) dùng vectơ không gian cho
DFIG.
Chƣơng 4: Mơ phỏng điều khiển máy phát điện gió khơng đồng bộ nguồn kép
bằng Matlab/Simulink
Chƣơng 5: Kết luận và định hướng của đề tài
Chƣơng 6: Tài liệu tham khảo
Luận văn này dùng phần mềm Matlab/Simulink để mơ phỏng mơ hình điều
khiển DFIG bằng phương pháp SVO và FOC.

2


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ
2.1 Lịch sử sử dụng năng lƣợng gió để phát điện:
Lịch sử sử dụng năng lượng gió để phát điện đã có từ đầu thế kỷ 19, nhưng
vào thời đó giá nhiên liệu thấp làm cho năng lượng gió khơng được thu hút [1].
Nghiên cứu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đó được người ta quan tâm
hơn vào năm 1973 bởi sự khủng hoảng dầu hỏa. Vào thời điểm đó, do các vấn đề về

kỹ thuật và chi phí cao cho sản xuất, việc làm các turbine lớn bị gây trở ngại [1,2].
Vì vậy, các nghiên cứu về turbine gió chuyển sang nghiên cứu làm turbine giá rẻ là
các loại turbine nhỏ gồm máy phát điện không đồng bộ, hộp số và phương pháp
điều khiển đơn giản. Với loại hệ thống này, trục turbine quay với tốc độ cố định.
Máy phát không đồng bộ là sự lựa chọn thích hợp hơn cho hệ thống này. Tổn hao
thấp và kích thước nhỏ làm cho loại này có giá cả hợp lý [3]. Hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió bao gồm cánh quạt, máy phát điện, converter, hệ thống điều khiển
như trong hình 2.1.

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống phát điện gió lên lưới [4]
Đến khi có kết quả thành cơng của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió mới,
máy phát điện gió được phát triển với quy mô lớn hơn. Trong suốt 2 thập kỷ cuối
thế kỷ 19, sản xuất turbine gió phát triển cả về kích thước và cơng suất phát. Điều
này có nghĩa là đường kính rotor, cơng suất phát và trọng lượng tháp đỡ tăng. Trong
những năm đầu 1980, turbine gió với với đường kính khoảng 10 đến 15m, và công

3


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

suất phát từ 10 đến 65kW đã được lắp đặt. Đến giữa những năm 1980, bắt đầu xuất
hiện những turbine có đường kính khoảng 15 đến 25m và công suất phát lên tới
200kW. Ngày nay, năng lượng gió được lắp đặt với cơng suất từ 200kW đến 2MW
với bán kính rotor khoảng từ 47 đến 80m. Căn cứ theo hiệp hội năng lượng gió Mỹ
(AmericanWind Energy Association), loại turbine gió lớn được sản xuất gấp 120
lần về công suất so với thiết kế turbine thời kỳ đầu, với chi phí bảo trì và vận hành
cao hơn không nhiều, nhờ vậy mà cắt giảm được chi phí bảo trì và vận hành trên

mỗi kWh. Turbine lớn khơng quay nhanh và ít gây ồn hơn so với turbine nhỏ [5].
Đến năm 1993, một vài nhà sản xuất đã thay thế máy phát điện không đồng bộ
truyền thống trong thiết kế turbine gió của họ bằng máy phát điện đồng bộ, trong
khi các nhà sản xuất khác nữa sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (doublyfed asynchronous generators).
Cùng với những tiến bộ trên về hệ thống turbine gió, các converter và phương
pháp điều khiển mới cũng được phát triển và thử nghiệm. Sự phát triển này bao
gồm sử dụng các thiết bị điện tử công suất hiện đại vào trong thiết kế hệ thống máy
phát làm xuất hiện loại tốc độ có thể thay đổi được. Bởi vì sự phát triển nhanh
chóng của điện tử công suất, làm khả năng điều khiển công suất cao hơn và giá
thành thấp hơn, ứng dụng của điện tử cơng suất trong turbine gió được mong đợi
tiến xa hơn nữa [6]. Ngoài ra, một vài phương pháp điều khiển được phát triển cho
turbine lớn với góc cánh quạt thay đổi được để điểu khiển tốc độ của trục turbine.
Nhiều nỗ lực nghiên cứu so sánh các cấu trúc khác nhau của hệ thống năng
lượng gió về các mặt như cơ, điện và kinh tế. Trong cùng điều kiện chuyển đổi năng
lượng, tất cả các nghiên cứu đi dến cùng một kết quả là turbine tốc độ thay đổi sẽ
sản xuất nhiều năng lượng hơn so với turbine có tốc độ không đổi (tăng năng lượng
đầu ra tới 20% so với hệ thống turbine cũ) [7,8]. Việc điều khiển góc nghiêng làm
tăng khả năng hấp thụ năng lượng gió và độ ổn định đối với những cơn gió mạnh.
Đối với kiểu turbine gió có tốc độ thay đổi, các sơ đồ khác đã được đề xuất.
Như một vài sơ đồ dựa vào tốc độ gió để tối ưu vận hành turbine gió [9]. Các kiểu
điều khiển khác tìm ra cơng suất cực đại cho vận hành bằng phương pháp tính toán

4


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

phức tạp [10-12]. Để đạt được công suất cực đại, các phương pháp điều khiển khác

như field-oriented control và V/f bằng hằng số được sử dụng [13-16].
2.2 Phân loại turbine gió:
Turbine gió thường được phân làm hai loại, dựa vào định hướng của trục
quay với hướng gió như trong hình 2.2:
+Turbine kiểu trục thẳng đứng.
+Turbine kiểu trục ngang.

Hình 2.2 (a) Turbine kiểu trục thẳng đứng [17] (b)Turbine kiểu trục ngang [1]
2.2.1 Turbine kiểu trục thẳng đứng (Vertical-axis wind turbine, VAWT):
Cối xay gió đầu tiên được xây dựng dựa vào cấu trúc kiểu turbine trục thẳng
đứng. Kiểu này chỉ dùng cho lắp đặt công suất nhỏ và có những ưu điểm sau:

5


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

+Dễ dàng bảo trì.
+Nhận gió từ bất cứ hướng nào.
+ Thiết kế cánh quạt đơn giản và chi phí sản xuất thấp.
Nhược điểm của kiểu này là:
+Không tự khởi động được, cần máy phát chạy kiểu motor lúc khởi động.
+Hiệu suất thấp.
+Khó điều khiển tốc độ cánh quạt cao.
+Dao động cao khi moment gió mạnh.
2.2.2 Turbine kiểu trục ngang (Horizontal-axis wind turbines, HAWT):
Đây là kiểu thiết kế phổ biến nhất. Turbine gió trục ngang được gắn trên tháp
như trong hình 2.2(b)

Ưu điểm:
+Hiệu suất cao.
+Có khả năng thay đổi góc cánh quạt.
+Tỷ số cost-to-power thấp.
Nhược điểm:
+Máy phát và hộp số phải được gắn trên tháp.
+Yêu cầu thiết kế phức tạp hơn.
Turbine kiểu trục ngang có thể được phân loại thành turbine upwind và turbine
downwind như trong hình 2.3.

6


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

Hình 2.3 (a) Turbine kiểu upwind (b)Turbine kiểu downwind [1]
Turbine kiểu upwind cần thiết bị cơ xoay để giữ cho rotor luôn đối mặt với
hướng gió. Ngược lại turbine kiểu downwind được xây dựng khơng có thiết bị xoay.
2.3 Các kiểu máy phát điện gió phổ biến:
Có nhiều kiểu máy phát được sử dụng cho turbine gió. Các turbine gió loại
nhỏ được trang bị máy phát DC lên tới vài kW. Hệ thống turbine gió hiện đại sử
dụng máy phát ba pha. Các kiểu thông thường của máy phát AC được sử dụng trong
máy phát turbine gió gồm:
+Máy phát khơng đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG).
+Máy phát khơng đồng bộ rotor dây quấn (WRIG).
+Máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG).
+Máy phát đồng bộ (với kích từ bên ngồi).
+Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).

7


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

Máy phát khơng đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thương mại. Vận hành
không đồng bộ của máy phát không đồng bộ được xem là ưu điểm đối với hệ thống
turbine gió, bởi vì nó linh hoạt đối với tốc độ gió thay đổi.
Có hai kiểu chính của máy phát khơng đồng bộ: rotor lồng sóc (SC- squirrel
cage) và rotor dây quấn (WR- wound rotor). Một loại khác của máy phát không
đồng bộ là DFIG (double fed induction generator), DFIG có thể dựa trên máy phát
khơng đồng bộ rotor lồng sóc hay rotor dây quấn.
Máy phát khơng đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng phổ biến bởi giá thành
thấp, cấu trúc đơn giản.
Rotor dây quấn thích hợp cho mục đích điều khiển tốc độ. Bằng cách thay đổi
điện trở rotor, đầu ra của máy phát có thể được điều khiển và vì vậy điều khiển tốc
độ của máy phát là có thể. Mặc dù máy phát không đồng bộ rotor dây quấn có
những ưu điểm như trên nhưng nó mắc hơn so với rotor lồng sóc.
DFIG (double fed induction generator) là một loại máy không đồng bộ cả
rotor và stator đều được kết nối với lưới. Rotor được kết nối với lưới thông qua bộ
converter. Công suất của converter thường bằng khoảng 1/3 công suất của máy phát
[18].
Một kiểu khác của máy phát được để xuất cho turine gió trong một vài bài báo
nghiên cứu là máy phát điện đồng bộ. Kiểu máy phát này có khả năng kết nối trực
tiếp với turbine gió khơng cần hộp số. Điều này có lợi cho tuổi thọ và bảo trì. Máy
phát đồng bộ có thể sử dụng kiểu kích từ hay rotor nam châm vĩnh cửu (PMpermanent magnet).
Máy phát điện đồng bộ kiểu kích từ hay nam châm vĩnh cửu khác với máy

phát không đồng bộ ở chỗ từ thơng từ hóa được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu
hay nguổn dc cho rotor. Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho phép vận hành
với hệ số công suất cao và hiệu suất cao.
Trong các loại thì máy phát khơng đồng bộ là kiểu phổ biến nhất trong hệ
thống turbine gió hiện đại [6].
2.3.1 Hộp số:

8


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

Kết nối cơ giữa máy phát điện và turbine rotor có thể trực tiếp hay thông qua
hộp số. Hộp số giúp chuyển đổi tốc độ turbine cho phù hợp với máy phát. Sử dụng
hộp số hay không là phụ thuộc vào loại máy phát điện. Tuy nhiên việc sử dụng hộp
số làm giảm hiệu suất và trong một vài trường hợp làm giảm độ tin cậy của hệ
thống [4].
2.3.2 Phƣơng pháp điều khiển:
Các phương pháp điều khiển được chia làm hai loại chính:
+Các phương pháp điều khiển với tốc độ hằng số.
+Các phương pháp điều khiển với tốc độ thay đổi được.
Đối với turbine có tốc độ hằng số thì khơng có điều khiển tốc độ trục turbine.
Điều khiển khi tốc độ bằng hằng số là phương pháp điều khiển dễ dàng và chi phí
thấp, nhưng tốc độ thay đổi thì có những ưu điểm sau:
+Bám theo công suất cực đại giúp khai thác năng lượng gió lớn nhất có thể
được.
+Ứng suất cơ học thấp.
+Sự thay đổi ít của cơng suất.

+Giảm tiếng ồn tại tốc độ gió thấp.
Sau đây, các ưu điểm sẽ được giải thích ngắn gọn.
Bằng cách điểu khiển tốc độ trục, năng lượng sẽ nhận được nhiểu hơn [4]. Kết
quả so sánh cơng suất sản xuất được của turbine có tốc độ thay đổi và turbine có tốc
độ cố định ứng với các tốc độ gió khác nhau được cho trong hình 2.4.

9


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

Hình 2.4 So sánh cơng suất sản xuất bởi turbine gió tốc độ thay đổi và turbine
tốc độ hằng số tại các tốc độ gió khác nhau [4]
Từ hình 2.4, ta thấy hệ thống có tốc độ thay đổi có cơng suất đầu ra lớn hơn hệ
thống có tốc độ cố định. Ví dụ, đối với hệ thống tốc độ cố định với tốc độ gió là
7m/s, năng lượng sản xuất được là 54.6 MWh, trong khi hệ thống với tốc độ thay
đổi có thể sản xuất tới 75.8 MWh. Trong khi turbine chạy, có một số thay đổi do
thành phần điện hay cơ gây ra. Sự thay đổi có liên quan đến phần cơ bao gồm sự
thay đổi của dòng điện do tốc độ gió thay đổi. Sự thay đổi liên quan đến phần điện
như sóng hài điện áp gây ra bởi converter. Các sóng hài có thể giải quyết bằng cách
sử dụng bộ lọc thích hợp. Tuy nhiên, bởi vì hằng số thời gian lớn của sự dao động
của thành phần cơ, chúng không thể bị hủy bởi thành phần điện [4]. Một giải pháp
có thể giảm phần lớn sự dao động này đối với phần cơ bằng cách sử dụng turbin gió
có tốc độ thay đổi. Tham khảo [7] và [19] so sánh nhiễu cơng suất của turbine gió
10


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

điển hình với phương pháp tốc độ hằng số và phương pháp tốc độ thay đổi cho
trong hình 2.5.

Hình 2.5 So sánh cơng suất sinh bởi turbine gió tốc độ thay đổi và turbine tốc
độ hằng số tại các tốc độ gió khác nhau [1] [6] [20].
Mặc dù vận hành với tốc độ thay đổi được dùng cho các turbine gió hiện đại,
phương pháp này có vài nhược điểm, như tổn hao thêm của các thành phần thêm
vào và phương pháp điều khiển phức tạp [10].

2.4 Converter:
Converter có vai trị quan trọng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
dùng phương pháp điều khiển có tốc độ thay đổi. Hệ thống với tốc độ hằng số hầu
như khơng có converter, ngoại trừ bù cơng suất phản kháng. Mục tiêu điều khiển
converter gồm:
+Đạt được công suất truyền cực đại từ gió, khi tốc độ gió thay đổi bằng cách
điều khiển tốc độ rotor.
11


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

+Làm cho máy phát điện phát ra tần số và điện áp AC không đổi lên lưới.
Cùng với sự phát triển của điện tử cơng suất, các thiết bị bán dẫn có dịng điện
và điện áp định mức cao hơn, ít tổn hao hơn, độ tin cậy cao hơn và giá thành rẻ hơn
với mỗi kVA. Vì vậy, converter trở nên hấp dẫn hơn đối với các hệ thống phát điện

turbine gió. Trong một vài ứng dụng, toàn bộ năng lượng của máy phát được truyền
qua converter, trong khi những loại khác chỉ một phần cơng suất này turyền qua
converter [4].
Cấu hình của hầu hết các converter ngày nay trong hệ thống turbine gió là cặp
nghịch lưu-chỉnh lưu. Converter ma trận là converter chuyển đổi trực tiếp điện AC
sang AC có tiềm năng thay thế cặp inverter chỉnh lưu.
2.4.1 Cặp nghịch lƣu - chỉnh lƣu back-to-back:
Cặp nghịch lưu- chỉnh lưu được cho trong hình 2.6. Một converter vận hành
kiểu chỉnh lưu, trong khi converter kia vận hành kiểu nghịch lưu. Hai converter này
được kết nối với nhau qua một tụ điện. Điện áp của tụ điện sẽ được duy trì với điện
áp cao hơn biên độ điện áp dây của lưới. Xem xét hệ thống turbine gió gồm backto-back PWM VSC (voltage source converter) gồm chỉnh lưu và nghịch lưu kết nối
với máy phát và lưới điện. Công suất truyền được điều khiển bởi converter phía lưới
(GSC – grid side converter) để giữ cho điện áp dc khơng đổi, trong khi converter
phía máy phát có nhiệm vụ kích từ cho máy phát và điều khiển máy phát để cơng
suất gió cực đại truyền về tụ dc [21].
Trong các converter 3 pha AC/AC, cấu trúc cặp nghịch lưu- chỉnh lưu được sử
dụng phổ biến nhất. Tụ dc dùng để lưu trữ điện năng trao đổi giữa bộ chỉnh lưu và
bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, trong vài bái báo, tụ dc được xem như và một khuyết
điểm. Tụ dc nặng và lớn gây tăng thêm tổn hao và giảm tuổi thọ của toàn hệ thống
[21].

12


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

Hình 2.6 Sơ đồ cặp converter chỉnh lưu- nghịch lưu back-to-back [4].

2.4.2 Converter ma trận (MC – matrix converter):
Converter ma trận là converter chuyển đổi trực tiếp AC thành AC và bao gồm
1 dãy 9 khóa bán dẫn hai chiều. Cấu trúc được cho trong hình 2.7.

Hình 2.7 Cấu trúc converter ma trận [4].
Ý tưởng cơ bản của converter ma trận là tần số đầu ra, điện áp đầu ra mong
muốn có thể đạt được bằng cách điều khiển các khóa đóng ngắt một cách hợp lý. Sự
phát triển của converter ma trận với điều khiển tần số cao được giới thiệu đầu tiên

13


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

torng bài viết của Venturini và Alesina vào năm 1980 [22,23]. Các khóa hai chiều
được sắp xếp thành một dãy 3x3 và được đặt tên là converter ma trận. Họ cũng giải
thích phương pháp điều chế tần số thấp và hàm truyển trực tiếp thơng qua phân tích
tốn học chính xác. Trong phương pháp này được biết như là phương pháp trực
tiếp, điện áp đầu ra được chuyển trực tiếp từ AC chứ không gián tiếp qua DC nữa.
Kể từ đó, các nghiên cứu về converter ma trận tập trung vào việc điều khiển khóa
hai chiều cũng như kỹ thuật điều chế.
Trong trường hợp so sánh converter ma trận với cặp chỉnh lưu – nghịch lưu
dùng PWM, converter ma trận có dạng sóng sin đầu vào và đầu ra ít méo dạng hơn,
dịng cơng suất hai chiều và có thể điều khiển hệ số cơng suất đầu vào [24]. Ưu
điểm chính của converter ma trận là thiết kế gọn làm nó thích hợp với các ứng dụng
cần kích thước và trọng lượng nhỏ, nhất là các ứng dụng trong không gian vũ trụ.
Mặt hạn chế của converter ma trận gồm biên độ của điện áp đầu ra của
converter ma trận chỉ có thể đạt tới 0.866 điện áp vào, thiết kế bộ lọc của converter

ma trận phức tạp và bởi vì khơng có tụ dc nối giữa đầu ra và đầu vào [25].
2.5 Sự khác biệt giữa các kiểu nối turbine gió với lƣới :
Kết nối của các turbine gió với lưới phụ thuộc vào kiểu của máy phát điện và
converter. Cấu hình của turbine gió có thể chia làm ba loại: kết nối trực tiếp với lưới
không dùng converter, kết nối thông qua converter, kết nối qua full-scale PE (power
electronic) converter, kết nối qua partially-rated PE converter. Tiếp theo, cấu hình
của động cơ và converter thường được sử dụng trong hệ thống turbine gió sẽ được
thảo luận.
Đầu tiên là máy phát điện khơng đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG – squirrel cage
induction generator) được mơ tả trong hình 2.8. Đối với máy phát điện không đồng
bộ, sử dụng hộp số là cần thiết để chuyển đổi tốc độ giữa máy phát và turbine. Tụ
điện (để bù công suất phản kháng) và khởi động mềm đều cần thiết. Tốc độ và công
suất được giới hạn bởi điều khiển góc pitch. Sự thay đổi của độ trượt nằm trong
khoảng 1-2%, nhưng có vài turbine gió dùng SCIG (squirrel cage induction

14


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

generator) trong cơng nghiệp tăng điện trở rotor và vì vậy tăng độ trượt (2-3%). Sơ
đồ này cho phép tăng tốc độ một ít trong những cơn gió mạnh để giảm ứng suất cơ.
Tuy nhiên, cấu hình này dựa vào tốc độ cố định và khơng phù hợp với turbine gió
có tầm cơng suất cao và đối với vùng có tốc độ gió thay đổi rộng [6,26].

Hình 2.8 Hệ thống turbine gió với SCIG [4].
Ba hệ thống turbine gió dùng cho máy phát điện gió, có khả năng vận hành với
tốc độ thay đổi được cho trong hình 2.9. Hệ thống turbine gió trong hình 2.9 sử

dụng máy phát điện khơng đồng bộ rotor dây quấn (WRIG). Ý tưởng của mơ hình
này là điện trở rotor có thể thay đổi được bằng cách sử dụng điện trở ngoài và
converter. Bằng cách điều khiển điện trở rotor, độ trượt của máy sẽ có thể thay đổi
trên 10% (tầm tốc độ 2-4%) [6]. Trong vận hành bình thường, điện trở rotor thấp,
tương ứng với độ trượt thấp, nhưng trong khi gió mạnh thì điện trở rotor tăng để cho
phép tăng tốc độ.

15


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

Hình 2.9 Hệ thống turbine gió dựa trên máy phát khơng đồng bộ với khả năng
thay đổi tốc độ vận hành: (a) rotor dây quấn, (b) nguồn kép, (c) Nguồn kép không
chổi quét [4].

16


Chương 2

Tìm hiểu về năng lượng gió

Hình 2.9 (b) là cấu hình của của máy phát khơng đồng bộ nguồn kép và
converter kết nối rotor với lưới. Với cấu hình này, nó có thể mở rộng tầm tốc độ
hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất. Nguyên nhân điều khiển tốc độ mà không
ảnh hưởng đến hiệu suất là do phần cơng suất trượt có thể truyền lên lưới bằng
converter thay vì lãng phí ở điện trở rotor [4]. Cơng suất định mức của converter là

sPnom, trong đó ‘s’ là độ trượt lớn nhất có thể và Pnom là cơng suất định mức của
máy. Độ trượt rotor có thể dương hay có thể âm bởi vì cơng suất rotor có thể dương
hay âm (converter có thể truyền theo hai chiều). Ví dụ. nếu tầm cơng suất của
converter là 10% cơng suất máy phát, tốc độ điều khiển trong tầm 90% đến 110%
của tốc độ đồng bộ. Điều này có nghĩa là tại 110% tốc độ, s = -0.1 và công suất
truyền từ rotor lên lưới. Trái lại tại tốc độ 90%, độ trượt là 0.1, và 10% công suất
truyền từ lưới vào rotor thông qua converter. Với những đặc điểm này, tầm điều
khiển lớn hơn mà tổn hao nhỏ hơn, cấu hình trong hình 2.9(b) được dùng nhiều hơn
cấu hình trong hình 2.9(a).
Trong cấu hình trong hình 2.9(a) và 2.9(b), với máy phát không đồng bộ rotor
dây quấn, rotor dùng cổ góp và chổi than. Cổ góp và chổi than gây vấn đề về cơ học
và tổn hao điện năng. Để giải quyết vấn đề này, một sự lựa chọn là sử dụng máy
phát không đồng bộ nguồn kép không chổi quét (BDFIG – Brushless Double Fed
induction generator) cho trong hình 2.9(c). Trong sơ đồ này, cuộn stator (cuộn
chính) được kết nối trực tiếp với lưới, trong khi cuộn phụ nối với lưới điện thông
qua converter. Bằng cách sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp cho cuộn phụ,
có thể điều khiển máy phát không đồng bộ tại bất kỳ tốc độ nào. Ngồi ra, trong cấu
hình này một phần công suất được truyền qua converter.
Trong loại tiếp theo, máy điện được kết nối với lưới điện thông qua fully-rated
converter. Nó có nghĩa là tồn bộ cơng suất giữa turbine gió và lưới phải thơng qua
converter. Điều này gây thêm tổn hao trong truyền cơng suất. Tuy nhiên, cấu hình
này sẽ cải thiện được chất lượng kỹ thuật. Trong cấu hình này có thể sử dụng máy
điện đồng bộ hay khơng đồng bộ, như trong hình 2.10. Hệ thống trong hình 2.10(a)
sử dụng hộp số với SCIG (squirrel cage induction generator). Hệ thống trong hình
2.10(b) và 2.10(c) sử dụng máy phát điện đồng bộ mà khơng có hộp số.

17