Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện turbin gió

Mẫu: BÌA LUẬN VĂN CĨ IN CHỮ NHŨ (Khổ 210 x 297 mm)

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

DƯƠNG VĂN KHUÔN

DƯƠNG VĂN KHUÔN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH
TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
2012

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


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

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

DƯƠNG VĂN KHN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

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

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


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

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

DƯƠNG VĂN KHN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH
TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

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

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Hùng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 18 tháng 01 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS. TS. Trần Thu Hà

Chủ tịch

2

TS. Nguyễn Thanh Phương

Phản biện 1

3

TS. Nguyễn Minh Tâm

Phản biện 2

4

TS. Đinh Hoàng Bách

Ủy viên

5

TS. Võ Hoàng Duy

Ủy viên, Thư ký

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


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày … tháng … năm 20…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: Dương Văn Khuôn

Giới tính: Nam

Sinh ngày: 19/05/1982

Nơi sinh: Kiên Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1241830014

I. TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN TUABIN GIĨ.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Xây dựng bộ điều khiển hệ thống kích từ nhằm mục đích xác định mơ
hình tốn học và chỉ định một chiến lược điều khiển dựa trên mô hình này sao cho
tần số và đáp ứng ngõ ra của hệ thống điều khiển là tốt nhất.
- Mô phỏng trên Matlab-Simulink để kiểm nghiệm sự đúng đắn của thuật
toán nêu ra.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/01/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Hùng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác, theo tôi được biết.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này
đã được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện

Dương Văn Khuôn


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn thầy TS. NGUYỄN HÙNG, người đã
tận tình giúp đỡ em hồn thành luận văn này.
Xin cám ơn các Thầy Cô đã cho em nền tản kiến thức – tri thức quí báu.
Xin cám ơn anh Lê Hoàng Hải nhà máy điện gió Bạc Liêu đã cung cấp tài
liệu điện gió rất hữu ích để em tham khảo các thơng số kỹ thuật.
Xin cám ơn trường Đại Học Công Nghệ Tp. HCM, Khoa Cơ – Điện – Điện
Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, Tập thể lớp 12SMĐ11, đã
tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn cơ quan và các đồng nghiệp đã giúp đỡ cho em năng cao trình độ
chun mơn.
Cuối cùng, Xin cám ơn Ba Mẹ, Người đã nuôi con khôn lớn, cho con đủ nghị
lực và trí khơn.

Học viên thực hiện

Dương Văn Khuôn


iii

TĨM TẮT
Nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió, đang và
đã là vấn đề nóng trong nghiên cứu nhà máy điện gió. Các cơng trình nghiên cứu
trong và ngịai nước đã thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên, khi nguồn gió khơng ổn định
để tuabin gió phát ra cơng suất ổn định là bài tốn khó trong thiết kế hệ thống kích
từ cho máy phát điện tuabin gió. Xây dựng thuật tốn và mơ phỏng mạch kích từ ở
chế độ xác lập là trọng tâm của luận văn này. Trên nền cơ sở lý thuyết, thiết kế điều
khiển bộ kích từ. Từ kết qủa mơ phỏng, sẽ có cái nhìn tổng thể về mơ hình thiết kế
kích từ cho turbbine gió.
Nội dung Luận văn thực hiện gồm 5 chương, được tóm tắt như sau:
Nội dung chương 0, 1 giới thiệu về công nghệ sản xuất điện gió và các loại máy
phát điện trong hệ thống năng lượng gió.
Nội dung chương 2 xây dựng mơ hình toán học cho máy phát điện cảm ứng
rotor dây quấn trong hệ thống năng lượng gió.
Nội dung chương 3 là ứng dụng matlab/simulink mô phỏng cho máy phát
điện cảm ứng rotor dây quấn.
Cuối cùng chương 4 kết luận và hướng phát triển đề tài.


iv

ABSTRACT
Researching and designing for excitation system of wind turbine
genenrator, that still is hot for studing of Wind plant.This project are studuing very
much in the world. However, when wind source are unstable in order to wind

turbine emit stable power, that is going difficult problems for design a excitation
system of wind turbine genenrator. The proposed algorithm and sumulink for
exciter at steady state, this is focal point of this thesis. Based on theoretics and
designs of exciter control. From result of sumulink will have a overview of the
model of the proposed and designed a excitation system of genenrator.
This thesis content include 5 chapter, as follows:
Chapter 0, 1: Introduce to wind power energy product technology and wind
generator styles of wind energy systems
Chapter 2: Building mathematical models for coil-rotor inductive
genenrator of wind energy systems.
Chapter 3: Apply Matlab/Sumulink for coil-rotor inductive genenrator.
Chapter 4: Conclusion and expansion of thesis.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii
TÓM TẮT ............................................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................... v
DANH SÁCH KÝ HIỆU – VIẾT TẮT................................................................. xii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... ix
CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU.............................................................................................1
0.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 2
0.2 Giới thiệu đề tài .................................................................................................. 3
0.3 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 4
0.3.1 Đối tượng nghiên cứu...................................................................................... 4
0.3.2 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ
CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 5
1.1. Tổng quát .......................................................................................................... 6
1.1.1. Gió .................................................................................................................. 6
1.1.2. Tốc độ và hướng gió ...................................................................................... 7
1.1.3. Sự phát triển của cơng nghệ tuabin điện gió .................................................. 9
1.1.4. Ngun tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số ......... 12
1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió .................................... 12
1.2.1. Máy phát điện đồng bộ................................................................................... 12
1.2.2. Máy phát điện cảm ứng .................................................................................. 13
1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc .......................................................... 15
1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn ......................................................... 16
1.2.5. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ......................................... 16
1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió................................................... 17
1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định ............................................................... 18


vi

1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi tồn bộ cơng suất .................. 19
1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần cơng suất .......................... 20
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM
ỨNG ROTOR DÂY QUẤN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIĨ ...... 21
2.1. Mơ hình tốn của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn ................................ 22
2.1.1. Các phương trình cơ bản ................................................................................ 22
2.1.2. Bộ biến đổi ..................................................................................................... 26
2.2. Tính tốn và lựa chọn các thơng số ................................................................... 28
2.2.1. Tính tốn mạch kích từ ở chế độ xác lập ....................................................... 28
2.2.2. Tính tốn thơng số bộ biến tần ....................................................................... 32
2.2.3. Phương pháp điều khiển cho mơ hình ................................................................. 34

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG CHO MÁY
PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTO DÂY QUẤN.................................................... 37
3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink ........................................................ 38
3.2. Mơ hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt
động ở chế độ xác lập ............................................................................................... 40
3.2.1.Thông số .......................................................................................................... 40
3.2.2. Sơ đồ mô phỏng ............................................................................................. 40
3.2.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió .................................................. 41
3.2.4. Kết quả mơ phỏng .......................................................................................... 43
3.2.4.1. Trường hợp ở tốc gió 5m/s.......................................................................... 43
3.2.4.2. Trường hợp ở tốc gió 6m/s.......................................................................... 46
3.2.4.3. Trường hợp ở tốc gió 7m/s.......................................................................... 49
3.2.4.4. Trường hợp ở tốc gió 8m/s.......................................................................... 52
3.3. Thống kê kết quả ............................................................................................... 54
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................... 55
4.1. Kết luận ............................................................................................................. 56
4.2. Hướng phát triển đề tài...................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 57


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
NTĐ

Nhà máy thủy điện

MTĐ

Nhà máy nhiệt điện

NNT

Nhà máy điện nguyên tử

NĐG

Nhà máy điện gió

TĐK

Tự động điều chỉnh kích từ

BCN

Biến đổi chức năng

ĐKTĐ

Điều kiện ổn định cần thiết của hệ thống

TSR

Tip – speed – ratio

MF

Máy phát

KT

Kích từ


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió ................................................... 9
Bảng 2.1: Bảng kết quả các hệ số ............................................................................ 31
Bảng 3.1: Thống kê kết quả mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor
dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập ....................................................................... 54


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo..................................................................... 6
Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét ............................ 8
Hình 1.3: Tuabin đón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor) .................. 10
Hình 1.4: Kích thước và cơng suất những loại tuabin điện gió đã được sản xuất hàng
loạt tính đến năm 2012 ............................................................................................. 10
Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, cơng suất mỗi trụ
6 –7,5MW ................................................................................................................ 11
Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ ........................................................................ 11
Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số ................................... 12
Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ .................. 13
Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ ................................................................... 14
Hình 1.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện .......... 15
Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc ................... 15

Hình 1.12: Sơ đồ ngun lý của máy phát DFIG ..................................................... 16
Hình 1.13: Hướng cơng suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo ................... 17
Hình 1.14: Turbine gió cố định ................................................................................ 19
Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi ..................................................... 20
Hình 1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi bằng điện tử cơng
suất ........................................................................................................................... 20
Hình 2.1: Mơ hình chuyển đổi hệ tọa độ dq → αβ .................................................. 28
Hình 2.2: Mơ hình điều khiển PID ........................................................................... 36
Hình 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển PI ứng dụng vào máy điện động cảm ứng rotor dây
quấn .......................................................................................................................... 36
Hình 3.1: Mơ hình mơ phỏng hệ thống tuabin gió hoạt động ở chế độ xác lập ...... 40
Hình 3.2: Sơ đồ khối tuabin gió ............................................................................... 41
Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phát ................................................................................ 41
Hình 3.4: Sơ đồ khối chỉnh lưu ................................................................................ 42
Hình 3.5: Sơ đồ khối nghịch lưu .............................................................................. 42


x

Hình 3.6: Sơ đồ khối hồi tiếp điều khiển từ thơng .................................................. 43
Hình 3.7: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 5m/s ................................. 43
Hình 3.8: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 5m/s ...................................................... 44
Hình 3.9: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi khơng tải ở tốc gió 5m/s ............... 44
Hình 3.10: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 5m/s ........................ 45
Hình 3.11: Đồ thị dạng sóng dịng ở tốc gió 5m/s ................................................... 45
Hình 3.12: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 6m/s ............................... 46
Hình 3.13: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 6m/s .................................................... 47
Hình 3.14: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi khơng tải ở tốc gió 6m/s ............. 47
Hình 3.15: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 6m/s ........................ 48
Hình 3.16: Đồ thị dạng sóng dịng ở tốc gió 6m/s ................................................... 48

Hình 3.17: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 7m/s ............................... 49
Hình 3.18: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 7m/s .................................................... 50
Hình 3.19: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi khơng tải ở tốc gió 7m/s ............. 50
Hình 3.20: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 7m/s ........................ 51
Hình 3.21: Đồ thị dạng sóng dịng ở tốc gió 7m/s ................................................... 51
Hình 3.22: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 8m/s ............................... 52
Hình 3.23: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 8m/s .................................................... 52
Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi khơng tải ở tốc gió 8m/s .............. 53
Hình 3.25: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 8m/s ........................ 53
Hình 3.26: Đồ thị dạng sóng dịng ở tốc gió 8m/s ................................................... 54


1

CHƯƠNG 0
MỞ ĐẦU
01. Đặt Vấn Đề
02. Giới Thiệu Đề Tài
03. Phạm Vi Nghiên Cứu
0.3.1 Đối Tượng Nghiên Cứu
0.3.2. Phạm Vi Nghiên Cứu


2

0.1 Đặt vấn đề
Trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về
Phong điện, năng lượng gió được xem như là nguồn năng lượng sơ cấp vơ hạn. Ưu
điểm của năng lượng gió là dễ khai thác, cơng nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và chi
phí vận hành tương đối thấp. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn

năng lượng này trong tương lai, cơng nghệ phải ngày càng hồn thiện, năng suất
chuyển đổi gió thành điện ngày càng cao.
Vì tốc độ gió ln thay đổi theo thời gian, để tuabin vận hành tối ưu với vận
tốc gió nhất định thì hệ thống turbin và máy phát điện phải có chức năng tự điều
chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Tuy nhiên đối với hệ thống máy
phát điện cơng suất lớn thì việc điều chỉnh này rất khó khăn. Vì vậy đối với hệ
thống máy phát điện gió công suất lớn, người ta thường thay đổi từ thông trong hệ
thống kích từ của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn.
Chính vì lẽ đó, ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứu điều khiển máy
phát điện cảm ứng và DFIG, và gần đây nhất là luận văn Thạc Sĩ Võ Xuân Hải
(2009); Phạm Trung Hiếu (2011); Tôn Long Đại (2011); Nguyễn Anh Hùng (2012)
v.v…
- Nghiên cứu điều khiển máy phát điện cảm ứng và DFIG đã được các nhà
khoa học như Jeong –Ik Jang (2006); Lie Xu (2007); Jiabing Hu (2007) Muarli
M.Baggu (2007); Lingling Fan (2009); Yi Zhou, Paul Bauer (2009); Sol-Bin Lee
(2010) và Van-Tung Phan (2010).
Nhưng đa phần xây dựng mơ hình điều khiển điện áp của máy phát để điều
chỉnh kích từ nên dẫn đến tần số và công suất của máy phát chưa được tối ưu. Chưa
có kết hợp các phương pháp chung lại với nhau.
Ngày này có nhiều phương pháp điều chỉnh kích từ của máy phát điện trong
hệ thống máy phát điện gió. Nhưng có thể tóm tắt sử dụng 4 giá trị hồi tiếp cơ bản
về để so sánh giá trị chuẩn do chúng ta đặt để điều khiển từ thơng trong máy phát
điện như sau:
-

Tốc độ gió, tốc độ tuabin, tốc độ máy phát.


3

-

Momen tuabin, momen máy phát.

-

Công suất tuabin, công suất máy phát.

-

Điện áp máy phát, điện áp kết nối lưới.

Nếu sử dụng riêng lẻ từng trường hợp thì khó điều chỉnh kích từ. Dẫn đến
khó điều chỉnh tần số, điện áp và cơng suất ra của máy phát.
Do đó, ngun tắc muốn ổn định giá trị nào thì chúng lấy giá trị đó hồi tiếp
về để điều khiển, ví dụ chúng ta muốn ổn định điện áp và công suất phát ra thì ta đặt
cảm biến tốc độ và đo cơng suất ngõ ra của máy phát, khi qua bộ biến đổi để có
dịng điện so sánh với dịng điện chuẩn điều khiển từ thông máy phát.
Tuy nhiên vấn đề quan trọng trong hệ thống máy phát điện gió là việc kết nối
lưới, vì vậy ổn định tần số và điện áp ra của máy phát là quan trọng nhất. Chính vì
thế đề tài “nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió” sẽ đi
sâu vào việc điều khiển từ thông của máy phát để ổn định điện áp và tần số ngõ ra
của máy phát điện gió.
0.2 Giới thiệu đề tài
Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta. Ở bất kỳ quốc
gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng ln ln được coi là
nghành cơng nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế.
Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng một cách
đặc biệt. Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành công
nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân.

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng
được nâng cao nên cần phải phát triển xây dựng các nhà máy phát điện tận dụng các
nguồn tài nguyên vốn có như năng lượng mặt trời, năng lượng gió..... Trong đó, vấn
đề đáng quan tâm là hiệu suất và chất lượng điện năng.
Máy phát điện rotor dây quấn đóng một vai trị quan trọng trong hệ thống
điện, nơi mà tính ổn định ln được địi hỏi cao. Trong đó, vấn đề đáng quan tâm là
hiệu suất và chất lượng điện năng. Bộ điều khiển ổn định điện áp máy phát quan
trọng nhất là bộ điều khiển kích từ đi vào máy phát . Vì thế, đề tài của em “nghiên


4

cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió’’ sẽ đi sâu vào tính tốn,
thiết kế bộ kích từ cho nhà máy phát điện gió.
0.3 Phạm vi nghiên cứu
0.3.1 Đối tượng nghiên cứu
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mơ hình hóa và xây dựng giải thuật điều
khiển máy phát điện rotor dây quấn được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió WECS (Wind Energy - Conversion System).
0.3.2 Phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung vào các giải thuật điều khiển máy phát điện cảm ứng
rotor dây quấn. Và ba giải thuật được trình bày trong luận văn này là:
- Điều khiển tốc độ của tuabin gió.
- Điều khiển định hướng từ thơng stator (Stator Flux Orient Control – SFOC)
với khâu điều chỉnh PI-anti_Winup.
- Điều khiển tần số và điện áp ngõ ra của máy phát ổn định.


5

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIĨ VÀ
CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG GIÓ
1.1. Tổng quát
1.1.1. Gió
1.1.2. Tốc độ và hướng gió
1.1.3. Sự phát triển của cơng nghệ tuabin điện gió
1.1.4. Ngun tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số
1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió
1.2.1. Máy phát điện đồng bộ
1.2.2. Máy phát điện cảm ứng
1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc
1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
2.2.5. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)
1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định
1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi tồn bộ cơng suất
1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần cơng suất


6

1.1. Tổng quát [1]

Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo
1.1.1. Gió
Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi khơng đồng đều làm nhiệt độ
trong bầu khí quyển, nước và khơng khí ln khác nhau, trái đất ln quay trong
quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.

Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm khơng khí chuyển động. Sự chuyển
động của khơng khí được gọi là gió.
Ngồi ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận
được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn,
thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như
nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau.


7

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xốy theo
những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí
quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp.
1.1.2. Tốc độ và hướng gió
Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên
giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ.
• 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s
• 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph
• 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph
• 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s
Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió được
biểu thị bằng phương vị đơng, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm
mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ.
Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng
tây ứng với góc 2700.
Ngồi ra, người ta cịn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort.
(Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiên được đưa
ra để đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sơng
hồ, biển…

8

Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét
Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ
công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010.
Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam. Bản đồ phân bố tốc độ gió
được thực hiện với phần mềm mơ phỏng ‘MesoMap’. Kết quả mơ phỏng được trình
bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km.
Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió. Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC
(International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của
tuabincho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và
sự xáo động gió trong năm.


9

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió
Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió
Tiêu chuẩn

I

II

III

IV

tuabintheo loại

(vùng có

(vùng có

(vùng có

(vùng có

(IEC)

gió mạnh)

gió khá mạnh)

gió trung bình)

gió yếu)

50 m/s

42,5 m/s

37,5 m/s

30 m/s

10 m/s

8,5 m/s

7,5 m/s

6 m/s

70 m/s

59,5 m/s

52,5 m/s

42 m/s

52,5 m/s

44,6 m/s

39,4 m/s

31,5 m/s

Tốc độ gió tiêu biểu
của 50 năm v REF
Tốc độgió trung
bình trong năm v
TB
Tốc độgió cao nhất
trong 50 năm 1.4v
REF
Tốc độgió cao nhất

trong 1 năm
1.05vREF

1.1.3. Sự phát triển của cơng nghệ tuabin điện gió
Cơng nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus và loại
trụng ngang. Tuabin điện gió trục đứng có hệ số cơng suất thấp nhưng vì cấu hình
giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại tuabin điện gió này thường được
sản xuất cho những nơi cần cơng suất khoảng từ 5 đến 20kW. Trước kia một số
tuabin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind
rotor), phương pháp này có nhiều nhược điểm như dịng gió ln bị xáo động do gió
thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt. Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió được
thiết kế với ngun tắc đón gió từ phía sau khơng cịn được sử dụng rộng rãi. Phần
lớn những tuabin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up
wind rotor).


10

Hình 1.3: Tuabinđón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor)
Cho đến nay, phần lớn những tuabin lắp đặt trên thế giới sử dụng hộp số để
chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truyền đến máy phát điện.
Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu
được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử
dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực
tiếp với hệ thống rotor.
Công nghệ này trong những năm 90 khơng phát triển vì giá thành vật liệu nam
châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao. Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm
tăng nên công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh.

Hình 1.4: Kích thước và cơng suất những lọai tuabin điện gió đã được sản xuất

hàng loạt tính đến năm 2012