Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN QUANG XN

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIĨ
KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
Chuyên ngành: thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐỊA HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC ...........................
....................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
....................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
....................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày . . . . . tháng . . . . năm 2012
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)
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


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Quang Xuân ........................................... MSHV: 10181134 .....
Ngày, tháng, năm sinh: 03/06/1987 ................................................ Nơi sinh: Quảng Nam
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện ............................ Mã số : .....................
I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP .
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

-

Mơ hình hóa máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG trên hệ trục tọa độ dq.
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 Rotor side
converter).
Xây dựng giải thuật điều khiển bộ Grid Side Converter bằng phương pháp điều
khiển định hướng điện áp lưới (VOC).
Cải tiến phương pháp triển khai giải thuật điều khiển định hướng từ thông (FOC)
bằng phương pháp Hysteresis Current Control để điều khiển đóng ngắt 6 khố cơng
suất IGBT/Diode của bộ Rotor Side Converter

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) tháng 01/2012 .........
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao ĐT) tháng 7/2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Phạm Đình Trực .....

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM 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, phòng Quản lý và Đào tạo SĐH,
chuyên ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Xin cám ơn q thầy cơ đã tạo

điều kiện thuận lợi để em thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, TS. Phạm Đình Trực đã tận
tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến q báu và hướng dẫn em hồn thiện đề tài
này. Thầy đã cung cấp những tài liệu quan trọng, bổ sung cho em những kiến
thức cịn thiếu và ln tận tình hướng dẫn, động viên em. Xin cảm ơn các bạn
sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp CH Thiết bị,
mạng và nhà máy điện K2010, cám ơn vì sự đóng góp ý kiến hữu ích cùng
những thảo luận thú vị.
Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã ln ủng hộ và động viên
trong suốt q trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này.
Kính chúc sức khoẻ q thầy cơ và các bạn.

i


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn đã trình bày các vấn đề liên quan đến việc mơ hình hóa và xây dựng
giải thuật điều khiển máy phát điện không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG
được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi.
Mơ hình tốn học DFIG được xây dựng trong một hệ trục tọa độ tham chiếu
dq thích hợp, định hướng theo vector điện áp lưới để cho sự phân lập giữa điều
khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng bên phía stator máy phát.
Luận văn này đã có những cải tiến về mơ hình và phương pháp triển khai so
với các luận văn cao học của những năm trước về:
-

Xây dựng mơ hình hồn chỉnh bộ chuyển đổi cơng suất back to back
được cấu tạo từ 6 khố công suất IGBT/ Diode.

-

Xây dựng giải thuật điều khiển bộ Grid Side Converter bằng phương
pháp điều khiển định hướng điện áp lưới (VOC).

-

Cải tiến phương pháp triển khai giải thuật điều khiển định hướng từ
thông (FOC) bằng phương pháp Hysteresis Current Control để điều
khiển đóng ngắt 6 khố cơng suất IGBT/Diode của bộ Rotor Side
Converter

Với những cải tiến về mô hình này, cho thấy có thể điều khiển tiêu thụ hoặc
phát công suất tác dụng trên rotor tương ứng với chế độ vận hành trên hoặc
dưới vận tốc đồng bộ của máy phát điện.
Việc cải tiến phương pháp triển khai giải thuật điều khiển định hướng từ thông
(FOC) bằng phương pháp Hysteresis Current Control đã cho những kết quả
thành công nhất định như:
9 Điều khiển dùng mạch kích trễ thực hiện đơn giản.
9 Hệ số công suất đạt giá trị cao.
9 Điều chỉnh tần số dòng đặt sẽ điều chỉnh được tần số dòng thực.
Tuy nhiên bất lợi lớn nhất của phương pháp Hysteresis Current Control là tần
số chuyển mạch của các van bán dẫn không xác định và thay đổi theo tải.
ii


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Các từ viết tắt
DFIG

Doubly Fed Induction Generator

DFIM

Doubly Fed Induction Machine

FOC

Field Oriented Control

VOC

Voltage Oriented Control

GSC

Grid Side Converter

RSC

Rotor Side Converter

PLL

Phase Locked Loop

PI

Proportional Integral

PWM

Pulse Width Modulation

RMS

Root Mean Square

SG

Synchronuos Generator

SC

Stator Current

VSC

Voltage Source Converter

WECS

Wind Energy Convertion System

Ký hiệu
W

Năng lượng gió [J]

Ps

Cơng suất stator mát phát [W]

Pr

Công suất rotor mát phát [W]

Pm

Công suất điện từ [W]

Pturb

Công suất turbine [W]

Qs

Công suất kháng stator máy phát [Var]

Qr

Công suất kháng rotor máy phát [Var]
iii


Qg

Công suất kháng invertor lưới [Var]

S

Độ trượt máy phát

ωs

Vận tốc góc điện stator [rad/s]

ωr

Vận tốc góc điện rotor [rad/s]

ωm

Vận tốc góc cơ stator [rad/s]

ωturb

Vận tốc góc turbine [rad/s]

R

Bán kính quạt turbine [m]

Vw

Vận tốc gió [m/s]

C p (λ , β )

Hiệu suất turbine

Tturb

Monment trục turbine [N.m]

Tshaft

Monment trục thanh truyền [N.m]

Te

Monment điện từ [N.m]

J turb

Monment quán tính turbine [kg.m2]

J gen

Monment quán tính máy phát [kg.m2]

G

Tỉ số hộp số

Va

Điện áp pha a [V]

Vb

Điện áp pha b [V]

Va

Điện áp pha a [V]

Vc

Điện áp pha c [V]

Vd

Điện áp trụ d hẹ quy chiếu d-q [V]

Vq

Điện áp trụ q hẹ quy chiếu d-q [V]

Vα

Điện áp trụ α hẹ quy chiếu α-β[V]

iv


Vβ

Điện áp trụ β hẹ quy chiếu α-β[V]

is

dòng điện stator [A]

ir

dòng điện rotor [A]

Rs

Điện trở stator [Ω]

Ls

Điện cảm stator [H]

Lr

Điện cảm rotor [H]

Lm

Điện cảm từ hoá [H]

v


Luận văn cao học

Chương 1: Mở đầu

MỤC LỤC
Lời cảm ơn

i

Tóm tắt luận văn

ii

Thuật ngữ viết tắt

iii

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU .............................................................................................. 4
U

1.1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................. 4

1.2

PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI............................................. 6

1.2.1

Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 6

1.2.2

Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 7

1.3

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN .................................................................... 7

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MÁY PHÁT CẢM ỨNG
CẤP NGUỒN HAI PHÍA DFIG ........................................................ 9
2.1

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIĨ ....................................................... 9

2.1.1

Sự chuyển đổi của năng lượng gió ........................................................ 9

2.1.2

Đường cong cơng suất tuabin gió ....................................................... 14

2.1.3

Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát ............................ 16

2.2

HỆ THỐNG TURBINE GIĨ .............................................................. 16

2.2.1

Turbin gió tốc độ cố định .................................................................... 17

2.2.2

Tuabin gió tốc độ thay đổi................................................................... 17

2.2.3 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện cảm ứng cấp nguồn hai
phía DFIG ........................................................................................................ 18
2.3

MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA
DFIG .................................................................................................... 19

2.3.1

Mạch tương đương của máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía .... 20

2.3.2

Sự phân bố dịng cơng suất ................................................................. 22

2.3.3

Tỉ số stator-rotor ................................................................................. 25

2.3.4

Tối thiểu tổn hao từ hóa ...................................................................... 25

2.3.5

Các loại máy phát cấp nguồn từ hai phía khác................................... 27

2.4

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TURBINE GIÓ TRANG BỊ DFIG ........ 29

2.5

VẬN HÀNH CƠNG SUẤT TUABIN GIĨ........................................ 32

2.5.1

Vận hành cơng suất cực đại ................................................................ 32
1


Luận văn cao học

2.5.2

Chương 1: Mở đầu

Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng ...... 35

CHƯƠNG 3 MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG CẤP
NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG......................................................... 36
3.1

VECTOR KHƠNG GIAN VÀ CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ..................... 36

3.1.1

Vector không gian ............................................................................... 36

3.1.2

Hệ trục tọa độ tĩnh stator- αβ .............................................................. 37

3.1.3

Hệ qui chiếu quay dq ........................................................................... 39

3.1.4

Quan hệ giữa các hệ trục toạ độ ......................................................... 40

3.2

MƠ HÌNH TỐN HỌC DFIG TRONG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ αβ: .... 45

3.3

MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA DFIG TRONG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ dq
............................................................................................................. 47

3.4

CÔNG SUẤT CỦA DFIG .................................................................. 48

3.5

SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG CỦA MÁY PHÁT DFIG ................................. 51

CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN....................... 53
4.1

CẤU TRÚC TỔNG QT CỦA MƠ HÌNH DFIG .......................... 53

4.2

ĐIỀU KHIỂN BỘ GSC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG
ĐIỆN ÁP LƯỚI (VOC) ...................................................................... 55

4.2.1

Cấu trúc tổng quát của bộ GSC .......................................................... 55

4.2.2

Lý thuyết điều khiển bộ GSC ............................................................... 56

4.2.3

Sơ đồ điều khiển chi tiết bộ GSC ......................................................... 60

4.3

ĐIỀU KHIỂN BỘ RSC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG
VECTOR TỪ THÔNG (FOC) ............................................................ 68

4.3.1

Cấu trúc tổng quát của bộ RSC ........................................................... 68

4.3.2

Lý thuyết điểu khiển bộ RSC ............................................................... 69

4.3.3

Sơ đồ điều khiển chi tiết bộ RSC ......................................................... 73

4.4

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO DÒNG ĐIỆN DÙNG MẠCH
KÍCH TRỄ (HYSTERESIS CURRENT CONTROL-HCC) .............. 74

CHƯƠNG 5 SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................... 78
5.1

SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ........................................................................... 78

5.2

THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA DFIG ................................................ 83

5.3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................................... 84

5.3.1

DFIG vận hành dưới tốc độ đồng bộ .................................................. 85

5.3.2

DFIG vận hành trên vận tốc đồng bộ ................................................. 95

5.3.3

DFIG vận hành khi vận tốc gió thay đổi ........................................... 100
2


Luận văn cao học

Chương 1: Mở đầu

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI ..................................... 106
6.1

KẾT LUẬN ....................................................................................... 106

6.2

ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................... 106

CHƯƠNG 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 107

3


Luận văn cao học

Chương 1: Mở đầu

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Để đáp ứng nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng của thế giới, trong khi nguồn năng
lượng hóa thạch (dầu mỏ,than đá) ngày càng cạn kiệt và nguồn năng lượng thủy điện
cũng có giới hạn, thì nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng địa
nhiệt, năng lượng gió, năng lượng thủy triều ... đang được quan tâm và nghiên cứu
nhiều nơi trên thế giới vì nó khơng những là nguồn năng lượng vơ hạn mà cịn xét trên
khía cạnh bảo vệ mơi trường và kinh tế. Trong đó, lĩnh vực biến đổi năng lượng gió
đang thu hút rất nhiều sự quan tâm như một nguồn năng lượng sạch vô hạn, không thải
các loại khí gây hiệu ứng nhà kính và thực sự có hiệu quả kinh tế cao. Do đó, năng
lượng gió được xem như một trong những dạng năng lượng thay thế trong tương lai
không xa và nằm trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm
năng về năng lượng gió trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Ớ thời điểm hiện nay, năng lượng gió chỉ chiếm 1.5% tổng nhu cầu năng lượng của toàn
thế giới. Tuy sự đóng góp của năng lượng gió hiện nay cịn hạn chế nhưng trong hơn
thập kỉ trở lại đây, năng lượng gió là ngành năng lượng có tốc độ phát triển nhanh nhất
với hơn 28%. Hiện nay, có hơn 80 quốc gia trên thế giới có lắp đặt cơ sở sản xuất năng
lượng gió. Dẫn đầu trong các quốc gia sản xuất năng lượng gió lớn là: Đan Mạch với
19% ,Tây Ban Nha với 13%, Đức và Hà Lan với 7%....Năm 2009, Mỹ đã lắp đặt thêm
9922MW điện năng gió, tăng 39% so với năm 2008, nâng tổng công suất lắt đặt năng

lượng gió ở nước này lên hơn 35000MW (tương đương với 35 nhà máy điện hạt nhân
cỡ trung bình).
Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển khơng ngừng về kĩ thuật và công nghệ, đặc biệt là
các giải thuật điều khiển mới và các linh kiện điện tử cơng suất, đã góp phần thúc đẩy
sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực biến đổi năng lượng gió trên cả phương diện công
suất và kinh tế.
Ở Việt Nam, là nước nằm trong cùng cận nhiệt đới gió mùa có hơn 3000 km bờ biển và
90% lãnh thổ là đồi núi vì thế rất có tiềm năng để phát triển năng lượng gió. Theo ước
tính thì tổng cơng suất năng lượng gió của nước ta khoảng 513360MW, gấp 200 lần
4


Luận văn cao học

Chương 1: Mở đầu

công suất của nhà máy thủy điện Sơn La. Do đó, bước đầu nước ta cũng đầu tư vào một
số dự án như: dự án gồm 6 tuabin gió với cơng suất lắp đặt mỗi tuabin là 250kW cung
cấp điện cho đảo Lý Sơn, dự án điện gió cơng suất 7.5MW tại Cơn Đảo, dự án tổ hợp
máy phát điện gió và diesel với tổng cơng suất 13.2MW (trong đó máy phát điện gió là
6.6MW và máy phát điện diesel 6.6MW). Trên đây là những cơng trình bước đầu nhằm
giải quyết vấn đề cung cấp điện cho những vùng xa mà 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 là dự án mang tính thương mại đầu tiên ở nước ta.
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. Tuy nhiên, trong thực tế hầu hết là sử
dụng hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi bởi vì phạm vi thay đổi tốc độ
rộng cho phép điều khiển tối ưu công 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 cơng suất phản kháng.

Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát cảm ứng cấp
nguồn từ hai phía DFIG, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi rotor được
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 bật của hệ thống này là thiết bị điện tử công
suất chỉ biến đổi khoảng 20%-30% tổng cơng suất phát. Có nghĩa là giảm được tổn hao
trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi tồn bộ cơng suất phát và
tiết kiệm được chi phí cho các linh kiện điện tử có cơng suất định mức nhỏ hơn. Do đó,
DFIG được xem là giải pháp thích hợp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ
thay đổi. Ngày nay, DFIG được dùng rất phổ biến trong ngành cơng nghiệp biến đổi
năng lượng gió với cơng suất tuabin có thể đạt tới 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 đòi hỏi khả năng điều
khiển nhận hoặc phát công suất phản kháng cho điện áp lưới chính xác nhằm góp phần
nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống điện. 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 là tối ưu hóa cơng suất nhận được từ gió. Do đó, để thỏa mãn đồng thời cả hai
5


Luận văn cao học

Chương 1: Mở đầu

mục tiêu trên thì hệ thống cần 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 đáp ứng được hệ số công suất theo yêu cầu bất chấp các điều
kiện vận hành.
Do bản chất phi tuyến nên điều khiển DFIG phức tạp hơn nhiều so với điều khiển động
cơ không đồng bộ thơng thường. Để điều khiển DFIG thì hệ thống phải được phân tích
trong hệ trục tọa độ được định hướng theo vector điện áp lưới hoặc theo từ thơng stator.

Theo truyền thống, bài tốn điều khiển DFIG có thể được thực hiện bởi các bộ điều
khiển PI có độ lợi cố định, quá trình thiết kế và chất lượng điều khiển phụ thuộc vào
tính chính xác của mơ hình. Tuy nhiên, các bộ điều khiển PI độ lợi cố định thường rất
nhạy đối với nhiễu và sự thay đổi thơng số của mơ hình do điều kiện làm việc như nhiệt
độ dây quấn, q trình bão hịa mạch từ..., vì thế khơng đảm bảo chất lượng điều khiển
.Để khắc phục những khó khăn trên, ta có thể dùng các phương pháp điều khiển hiện
đại như : điều khiển tham chiếu mơ hình nội (Model Reference Adaptive Control), điều
khiển định hướng trường (Field Orientation Control), điều khiển trượt (Sliding Model
Control), điều khiển dùng mạng nơtron nhân tạo (Artificial Neutral), logic mờ (Fuzzy
Logic)....
Trong các phương pháp điều khiển trên thì phương pháp điều khiển định hướng trường
FOC và phương pháp điều khiển định hướng điện áp lưới SOC là hai phương pháp đơn
giản nhất trong việc điều khiển hệ thống phi tuyến như DFIG, nó cho phép ta điều khiển
độc lập công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp vdc của bộ back to back.
Trong luận văn này sẽ trình bày một cách triển khai mới dựa trên phương pháp định
hướng trường FOC.
1.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mơ hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát
điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) được

6


Luận văn cao học

Chương 1: Mở đầu

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:
-

Mơ hình hóa máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG trên hệ trục tọa độ
dq.

-

Xây dựng mơ hình hồn chỉnh bộ chuyển đổi cơng suất back to back được cấu
tạo từ 6 khố cơng suất IGBT/ Diode (bao gồm bộ Grid side converter và 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 và kể cả phát công suất tác
dụng trên rotor khi máy DFIG hoạt động trên vận tốc đồng bộ.

-

Xây dựng giải thuật điều khiển bộ Grid Side Converter bằng phương pháp điều
khiển định hướng điện áp lưới (VOC).

-

Cải tiến phương pháp triển khai giải thuật điều khiển định hướng từ thông (FOC)
bằng phương pháp Hysteresis Current Control để điều khiển đóng ngắt 6 khố
cơng suất IGBT/Diode của bộ Rotor Side Converter

-

Bằng mơ phỏng, đánh giá tính ổn định bền vững của hệ thống điều khiển khi có
sự thay đổi thông số hệ thống.

1.3 ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Mở đầu.
Chương 2: Tìm hiểu về năng lượng gió và máy phát cảm ứng cấp nguồn hai chiều
DFIG.
Chương 3: Mô hình tốn học của động cơ cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG.
7


Luận văn cao học

Chương 1: Mở đầu

Chương 4: Lý thuyết và phương pháp điều khiển.
Chương 5: Sơ đồ và kết quả mô phỏng.
Chương 6: Kết luận và định hướng đề tài.
Chương 7 : 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.

8


Luận văn cao học

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

CHƯƠNG 2

TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MÁY PHÁT CẢM
ỨNG CẤP NGUỒN HAI PHÍA DFIG

2.1 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIĨ
2.1.1 Sự chuyển đổi của năng lượng gió
2.1.1.1 Sự phân phối của vận tốc gió
Thơng thường vận tốc của gió là một hàm mật độ xác suất Weibull được mô tả như sau:
k ⎛ω ⎞
f (ω ) = ⎜ ⎟
c⎝ c ⎠

k −1

e

− (ω ) k
c

(2.1)

Ở đó k là thơng số hình dạng, c là tham số theo tỉ lệ và ω là vận tốc gió.
Do đó, vận tốc gió trung bình ω được tính theo cơng thức :
∞

c
k

1
k

ω = ∫ ω f (ω )d ω = Γ( )
0

(2.2)
∞

Trong đó Γ là hàm gamma Euler: Γ( z ) = ∫ t z −1e − t dt

(2.3)

0

Nếu hệ số k=2 thì hàm phân phối Weibull sẽ trở thành hàm phân phối Rayleigh. Lúc đó
ta thu được mối quan hệ giữa hệ số tỉ lệ và vận tốc trung bình khi k=2 và Γ(1/2)=√π :
c=

2

π

ω

(2.4)

Hàm mật độ xác suất của gió được biễu diễn như hình 2.1 với vận tốc gió trung bình lần
lượt là 5.4 m/s (đường liền), 6.8 m/s (đường gạch chấm), 8.2 m/s (đường chấm).

9

Luận văn cao học

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

Hình 2.1 : Hàm mật độ xác suất của tương ứng với vận tốc gió trung bình [1]
2.1.1.2 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor
Năng lượng thực tế lấy được từ gió PR bởi cánh quạt tuabin gió chính là bằng sự khác
nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động
năng của gió ở phía sau cánh quạt có vận tốc vd .
PR =

1
ρ Ar v3C p
2

[W]

(2.5)

Với Cp là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hiệu suất rotor),được tính:
1
C p = (1 + γ )(1 − γ 2 )
2

(2.6)

γ là tỉ số của tốc độ gió phía sau và trước cánh quạt tuabin
γ=

vd

v

(2.7)

10


Luận văn cao học

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

Để tìm hiệu suất rotor cực đại,ta lấy đạo hàm 2.6 ta được:
dC p

1
= (−3γ 2 − 2γ + 1) = 0
2
dγ

Suy ra :

(2.8)

1
3

γ max = ⇒ C p ,max = 0.593

Giá trị Cp,max chỉ ra rằng một tuabin gió khơng thể có hiệu suất lớn hơn 59,3% , đây cịn
gọi là giới hạn Betz (Albezt Betz). Hiệu suất của các tuabin gió hiện nay là vào khoảng

22% đến 47% tùy thuộc vào trình độ thiết kế và chế tạo tuabin gió. Đường cong hiệu
suất tuabin gió như hình 2.2:

Hình 2.2 : Đường cong hiệu suất rotor trên lý thuyết [1]
Ta rút ra được nhận xét sau: nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xun
qua cánh quạt mà khơng tác động nhiều lên cánh quạt do đó năng lượng mà rotor nhận
được thấp, ngược lại nếu tốc độ gió lớn thì rotor quay q nhanh vì vậy ảnh hưởng đến
độ bền và kết cấu cơ của tuabin. Do vậy, với một vận tốc gió cho trước thì hiệu suất của
rotor còn phụ thuộc vào tốc độ của tuabin như hình 2.3 sau:
11


Luận văn cao học

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

Hình 2.3 : công suất đầu ra của tuabin phụ thuộc vào tốc độ gió và tốc độ tuabin [2]
Hiệu suất rotor còn được biểu diễn theo tỉ số λ (tip-speed-ratio), được định nghĩa là tỉ số
giữa vận tốc tiếp tuyến với đỉnh cánh quạt và vận tốc vng góc với mặt phẳng quay
của cánh quạt.
λ=

ωT Rb

(2.9)

v

Với ωT là tốc độ quay của tuabin [rad/s] và Rb là bán kính của cánh quạt gió [m]
Ngồi ra hiệu suất rotor cịn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt gió β [rad], quay

quanh trục của chính nó, bởi vì vậy các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đều trang
bị thiết bị điều khiển góc pitch như hình 2.4. Hàm Cp nói chung là một hàm phi tuyến
khá phức tạp, do đó nhà sản xuất tuabin thường cho giá trị Cp của mỗi loại tuabin là
một hàm của hệ số λ và β.

12


Luận văn cao học

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

Hình 2.4: Góc pitch của cánh quạt gió [2]
Một cơng thức xấp xỉ thường được sử dụng để biểu diễn hiệu suất rotor như sau:
⎛ 116
⎞
− 0.4β − 5 ⎟ e
C p (λ , β ) = 0.22 ⎜
⎝ λi
⎠

ở đó λi được định nghĩa :

1

λi

=

−22.5

λi

1
0.035
− 3
λ + 0.08β β + 1

Đường cong hiệu suất rotor như hình 2.5:

13

(2.10)

(2.11)


Luận văn cao học

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

Hình 2.5 : Hiệu suất của rotor theo tỉ số λ và góc pitch β [1]
2.1.2 Đường cong cơng suất tuabin gió
Một trong những thơng số quan trọng nhất của tuabin gió là đường cong công suất, thể
hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và cơng suất đầu ra, thường được gọi là đường cong
cơng suất lý tưởng có dạng như hình 2.6. Trong đó có các thơng số sau:
-

Vận tốc gió Cut-in(Vc):là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng được ma sát và tạo ra cơng
suất.

-

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

14


Luận văn cao học

-

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

Vận tốc gió Cut-out (VF): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến giá trị VF thì hệ thống
cần phải ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, lúc này hệ
thống phát ra cơng suất bằng khơng.

Hình 2.6 : Đường cong cơng suất lý tưởng của tuabin gió [2]
Khi vận tốc gió lớn thì cần hạn chế cơng suất đưa vào tuabin bằng phương pháp điều
khiển góc pitch, đó là phương pháp điều khiển 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 đều được trang bị bộ điều khiển pitch. Khi tốc độ gió
dưới tốc độ định mức, tuabin cần sản xuất ra công suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh
góc pitch của cánh quạt để cực đại hóa năng lượng nhận được từ gió. Ngược lại, khi tốc
độ gió trên tốc độ định mức thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn cơng suất nhận

được bằng công suất định mức.
Đối với các hệ thống tuabin gió có trang bị bộ điều khiển góc pitch thì bộ điều khiển sẽ
liên tục kiểm tra công suất đầu ra của tuabin nhằm điều khiển góc pitch để tuabin gió
ln nhận được cơng suất cực đại.
15


Luận văn cao học

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

2.1.3 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát
Như đã trình bày ở trên, hiệu suất rotor đạt được giá trị cực đại ở mỗi giá trị λ cụ thể
phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin gió. Vì lí do kinh tế, thiết kế và
vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần được sản lượng hằng năm tối đa, do vậy
trong vận hành cần phải thay đổi tốc độ rotor theo từng tốc độ gió để cho λ ln bằng
giá trị u cầu để tạo ra hiệu suất cực đại.
2.2 HỆ THỐNG TURBINE GIĨ
Tuabin gió có thể hoạt động với tốc độ cố định (thực tế là tốc độ thay đổi trong khoảng
1%) hoặc tốc độ thay đổi.
Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát được nối trực tiếp với lưới điện do đó tốc
độ được cố định với tần số của lưới nên hầu như không thể điều khiển được và khơng
thể tích trữ sự ln chuyển của năng lượng khi có sự thay đổi tốc độ gió lớn. Tuy nhiên,
đối với hệ thống tốc độ cố định thì khi có sự hỗn loạn của tốc độ gió dẫn đến sự biến
thiên của công suất nên ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện.
Đối với tua bin gió tốc độ thay đổi, máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công
suất nhằm thay đổi tốc độ rotor. Sự dao động của công suất do tốc độ gió biến đổi có
thể được tăng lên hay giảm xuống bằng cách thay đổi tốc độ rotor. Do đó, sự biến đổi
của công suất do hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và mạch lái có thể được giảm
xuống. Vì vậy, do chất lượng công suất tốt hơn mà tuabin gió tốc độ thay đổi được sử

dụng rộng rãi hơn tuabin gió tốc độ cố định.
Tốc độ quay của tuabin gió là khá thấp nên cần phải điều chỉnh theo tần số điện. Điều
này có thể được giải quyết theo 2 cách: sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực của
máy phát. Số cặp cực thiết lập tần số cơ của máy phát theo tần số điện, còn hộp số thì
điều chỉnh tốc độ rotor của tuabin theo tốc độ cơ của máy phát.
Trong phần này hệ thống tuabin gió sẽ được giới thiệu như sau:
-

Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát cảm ứng.

-

Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát cảm ứng lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ.
16


Luận văn cao học

-

Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG

Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát đồng bộ nhiều cực hoặc máy phát đồng bộ
nhiều cực nam châm vĩnh cửu.

-

Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG.

2.2.1 Turbin gió tốc độ cố định

Đối với tuabin gió tốc độ cố định máy phát cảm ứng thì được nối trực tiếp vào lưới điện
như hình 2.1. Tốc độ rotor của tuabin gió tốc độ cố định được xác định dựa vào hộp số
và số cặp cực của máy phát.

Hình 2.1:Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát cảm ứng
Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định thường có hai mức tốc độ cố định, do sử dụng hai
máy phát có định mức và số cặp cực khác nhau hoặc sử dụng một máy phát nhưng có
hai cuộn dây có định mức và số cặp cực khác nhau. Điều này làm tăng khả năng khí
động lực cho tuabin cũng như làm giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp.
2.2.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi như hình 2.2 bao gồm khối nghịch lưu nối vào
stator của máy phát. Máy phát có thể là máy phát cảm ứng lồng sóc hoặc là máy phát
đồng bộ.

17