Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

i

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NGUYỄN THỊ MAI HƢƠNG

SÁCH LƢỢC ĐIỀU KHIỂN NHẰM NÂNG CAO TÍNH
BỀN VỮNG TRỤ LƢỚI CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN
CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG
BỘ NGUỒN KÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
2. PGS. TS. Nguyễn Nhƣ Hiển

Thái nguyên năm 2012

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Mai Hương

Nơi công tác: Phòng Quản lý Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
Tên đề tài: Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của
hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép.
Chuyên ngành: Tự động hóa.
Mã số: 62526001
Tơi xin cam đoan, đây là luận án của riêng tơi. Ngồi các tài liệu tham khảo
đã được trích dẫn, các kết quả mới trình bày trong luận án là do tôi phát triển, và
chưa từng được cơng bố trong bất kì một tài liệu nào.
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 09 năm 2012
Người viết

Nguyễn Thị Mai Hương

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

iii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang – Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành
bản luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Như Hiển – Trường Đại
học Kỹ thuật Cơng nghiệp đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để tác giả
hoàn thành luận án.
Tác giả cũng xin được cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Khoa
Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và Trung tâm Công nghệ cao- trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian và cơ sở vật chất để tác giả

thực hiện thành cơng luận án.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

iv

MỤC LỤC
Trang phụ bìa ............................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................... ii
Lời cảm ơn ................................................................................................................. iii
Mục lục....................................................................................................................... iv
Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu và từ viết tắt ......................................................... vii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..................................................................................... x
Danh mục bảng ........................................................................................................ xiii

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
NỘI DUNG
Chƣơng1. Tổng quan ............................................................................................... 6
1.1 Khái quát về năng lượng gió ............................................................................ 6
1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện khơng đồng bộ nguồn kép và
các phương pháp điều khiển ............................................................................ 8
1.2.1 Công suất của tuốc bin gió ...................................................................... 9
1.2.2 Điều khiển tuốc bin gió ........................................................................... 9
1.2.3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép............................................. 11
1.3 Yêu cầu điều khiển trụ lưới ............................................................................ 12
1.3.1 Các sự cố và các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của
lưới ......................................................................................................... 12
1.3.2 Yêu cầu trụ lưới..................................................................................... 13

1.3.3 Các phương pháp điều khiển trụ lưới.................................................... 14
Chƣơng 2. Mơ hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng
MPKĐBNK .............................................................................................................. 17
2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ .................................................................................. 17
2.2 Mơ hình máy điện khơng đồng bộ nguồn kép ............................................... 18

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

v

2.3 Mơ hình phía lưới ........................................................................................... 21
2.4 Điều khiển phía máy phát .............................................................................. 23
2.4.1 Cấu trúc điều khiển ............................................................................... 23
2.4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển phía máy phát ......................................... 26
2.4.3 Hòa đồng bộ với lưới ............................................................................ 29
2.5 Điều khiển phía lưới ....................................................................................... 30
2.5.1 Cấu trúc điều khiển ............................................................................... 30
2.5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển ................................................................. 32
Chƣơng 3. Thiết kế hệ thống điều khiển trụ lƣới ................................................ 38
3.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình thường của lưới
điện …………………………………………………………………………38
3.2 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới ................................................................ 39
3.2.1 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới hoàn toàn ...................................... 39
3.2.2 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới một phần ....................................... 41
3.3 Sách lược điều khiển trụ lưới ......................................................................... 42
3.3.1 Đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới ................................................... 42
3.3.2 Điều khiển bộ biến đổi phía rotor khi xảy ra lỗi lưới............................ 42
3.4 Tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều khiển phía lưới ............. 43

3.4.1 Tính tốn các vector điện áp và dịng điện khi khơng có thành phần bậc
zero......................................................................................................... 43
3.4.2 Phân tích cơng suất tức thời theo các thành phần Clarke ..................... 44
3.4.3 Lọc tích cực trên cơ sở bù cơng suất tức thời ....................................... 45
3.4.4 Thiết kế bổ sung chức năng lọc tích cực cho hệ thống điều khiển phía
lưới ........................................................................................................ `47
3.5 Trụ lưới không đối xứng sử dụng bộ điều khiển với thành phần đối xứng ... 49
3.5.1 Biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng ............................. 49
3.5.2 Xác định các thành phần đối xứng theo phương pháp công suất tức
thời ......................................................................................................... 53
3.5.3 Xác định các thành phần đối xứng sử dụng bộ lọc đa biến .................. 59

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

vi

3.5.4 Thiết kế bộ điều khiển với thành phần đối xứng .................................. 63
3.6 Cấu trúc điều khiển của toàn bộ hệ thống ...................................................... 66
Chƣơng 4. Kết quả mô phỏng...............................................................................70
4.1 Các sơ đồ mô phỏng ....................................................................................... 70
4.2 Kết quả mô phỏng với lọc tích cực ................................................................ 76
4.2.1 Tải phi tuyến trong chế độ làm việc bình thường ................................. 76
4.2.2 Tải phi tuyến và lọc tích cực ................................................................. 78
4.3 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới ................................................................. 81
4.3.1 Các kết quả mơ phỏng khi lỗi lưới khơng có bảo vệ ............................ 81
4.3.2 Các kết quả mơ phỏng khi lỗi lưới có bảo vệ bằng BNQĐA ............... 83
4.3.3 Kết quả mô phỏng khi có bộ điều khiển tổng hợp đối xứng ................. 85
4.4 So sánh các khả năng cân bằng dòng lưới khi lỗi lưới không đối xứng ........ 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………89
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN............91
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................92

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

vii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ TỪ
VIẾT TẮT
STT

Ý nghĩa

Ký hiệu

Đơn vị

1

Ptb

Cơng suất của turbin gió

KW

2

tb

3

Rcg

Bán kính của cánh gió

4

vgm

Tốc độ gió phía trước cánh gió

5

Ctb

Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hình học của

Kg/m3

Mật độ khơng khí

m
(m/s)

turbin gió
r6

p

Góc xoay của cánh gió

7

tb

Tốc độ góc của turbin

8

tb

Hệ số phụ thuộc vào tốc độ góc của turbin và

rad/s

tốc độ gió
9

s

Vận tốc góc mạch stator

rad/s

10

r

Vận tốc góc mạch rotor

rad/s

11

m

Vận tốc góc cơ của rotor

rad/s

12

n

Vận tốc góc của mạch lưới

rad/s

13

in

Véc tơ dịng điện lưới

14

ic

Véc tơ dịng điện bộ biến đổi phía lưới

15

is

Véc tơ dòng điện stator máy phát

16

ir

Véc tơ dòng điện rotor máy phát

17

if

Véc tơ dòng điện chạy qua nhánh song song
của bộ lọc

18

ird

Thành phần d của dòng điện rotor

19

irq

Thành phần q của dịng điện rotor

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

viii

20

isd

Thành phần d của dòng điện sator

21

isq

Thành phần q của dòng điện sator

22

ind

Thành phần d của dòng điện lưới

23

inq

Thành phần q của dòng điện lưới

24

icd

Thành phần d của dòng điện bộ biến đổi phía
lưới

25

Thành phần q của dịng điện bộ biến đổi phía

icq

lưới
26

Thành phần d của dịng điện qua nhánh song

i fd

song của bộ lọc
27

Thành phần q của dòng điện qua nhánh song

i fq

song của bộ lọc
28

un

Véc tơ điện áp lưới

29

uc

Véc tơ điện áp bộ biến đổi phía lưới

30

u ss

Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ sator

31

u rr

Véc tơ điện áp rotor trên hệ trục tọa độ rotor

32

us

Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ dq

33

ur

Véc tơ điện áp rotor trên hệ trục tọa độ dq

34

ur0

Điện áp rotor khi hở mạch

35

u s t , us

t

Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới trên
hệ trục tọa độ

36

us n , us

n

Thành phần thứ tự ngược của điện áp lưới trên

hệ trục tọa độ

37

u sdt , u sqt

Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới trên
hệ trục tọa độ dq

38

u sdn , u sqn

Thành phần thứ tự ngược của điện áp lưới trên
hệ trục tọa độ dq

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

ix

39

u rd , u rq

Các thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq

40

u sd , u sq

Các thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ
dq

41

und , unq

Các thành phần điện áp lưới trong hệ tọa độ dq

42

u cd , ucq

Các thành phần điện áp bộ biến đổi phía lưới
trong hệ tọa độ dq
Kgm 2

43

J

Mơ men qn tính

44

Lm

Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor

H

Điện cảm stator

H

Điện cảm rotor

H

45
Ls = Lm

Ls

46
Lr = Lm

Lr

47

L

s

Điện cảm tản phía stator

H

48

L

r

Điện cảm tản phía rotor

H

49

Rs

Điện trở stato

50

Rr

Điện trở rotor

51

PKĐBNK

Máy phát khơng đồng bộ nguồn kép

52

BBĐPMP

Bộ biến đổi phía máy phát

53

BBĐPL

Bộ biến đổi phía lưới

54

PBC

Passivity - Based Control

55

EL

Euler - Lagrange

56

THĐX

Tổng hợp đối xứng

57

BNQĐA

Bộ ngắt q điện áp

58

TTGTĐ

Tính tốn giá trị đặt

59

PLL

Phase-locked Loop

60

LL

Lỗi lưới

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Kí hiệu
Nội dung hình vẽ, đồ thị
1.1
Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện

Trang
6

sức gió
1.2

Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng

7

lượng tương ứng. (a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng
lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng chảy năng lượng ở chế
độ trên đồng bộ
1.3

Hệ thống máy phát sức gió

8

1.4

Các vùng làm việc của một tuốc bin gió (nét đậm: đặc tính

10

cơng suất tối ưu của hệ thống)
1.5

Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

12

1.6

Các sách lược trụ lưới

16

2.1
2.2

Biến đổi các hệ trục tọa độ
Mạch điện phía lưới (a) và mơ hình phía lưới (b)

18
22

2.3

Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát

24

2.4

Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát

25

2.5

Sơ đồ khối điều khiển phía lưới

31

2.6

Cấu trúc điều khiển phía lưới

32

2.7

Bù điện áp lưới

35

2.8

Bộ biến đổi phía lưới với bộ điều khiển deadbeat

36

3.1

Cấu trúc điều khiển phía máy phát

42

3.2

Các vector dịng áp trong hệ trục tọa độ αβ

44

3.3

Bộ lọc tích cực song song

45

3.4

Bộ lọc tích cực ba pha ba dây bù dịng

46

3.5

Cơng suất tác dụng trên tải

47

3.6

Nguyên lý bộ lọc tích cực bù thành phần công suất không đổi

48

trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới
3.7

Nguyên lý chức năng lọc tích cực sẽ được tích hợp bổ sung vào

Số hóa bởi trung tâm học liệu

48

/>

xi

cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới
3.8

Xác định các dòng điện phụ

56

3.9

Xác định các thành phần điện áp thứ tự thuận

57

3.10

Xác định thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới

58

3.11

Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới khi có tải phi tuyến

59

3.12

Phân ly thành phần thứ tự thuận và ngược sử dụng các bộ lọc

61

đa biến
3.13

Xác định thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp lưới

62

3.14

Thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp lưới khi có tải

63

phi tuyến
3.15
3.16

Cấu trúc điều khiển phía lưới với bộ điều khiển THĐX
Cấu trúc điều khiển phía lưới với bộ điều khiển THĐX có tích

64
66

hợp chức năng lọc tích cực
3.17

Cấu trúc điều khiển của tồn bộ hệ thống

68

4.1

71

4.2

Ngun lý mơ phỏng hệ thống máy phát sức gió với
MPKĐBNK
Ngun lý điều khiển phía rotor

4.3

Mơ hình PLECS

73

4.4

Mơ hình mạch lọc tích cực

73

4.5

Bộ điều khiển dịng passivity-based phía rotor

74

4.6
4.7

Cấu trúc điều khiển phía lưới
Bộ điều khiển dịng đáp ứng hữu hạn phía lưới

75
75

4.8

Các kết quả mơ phỏng với tải phi tuyến trong chế độ làm việc

77

72

bình thường
4.9
4.10
4.11
4.12

THD của dịng điện lưới trong chế độ làm việc bình thường với
tải phi tuyến
Kết quả mơ phỏng với tải phi tuyến và có lọc tích cực

78

THD của dịng điện lưới trong chế độ làm việc bình thường với
tải phi tuyến có lọc tích cực
Các kết quả mơ phỏng khi lỗi lưới khơng có bảo vệ

80

79

82

điện áp
4.13

Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới có bảo vệ bằng bộ ngắt quá

Số hóa bởi trung tâm học liệu

84

/>

xii

4.14

Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới với bộ điều khiển THĐX sử

86

dụng cả thành phần thứ tự thuận và ngược
4.15

Các kết quả mơ phỏng khi lỗi lưới

Số hóa bởi trung tâm học liệu

87

/>

xiii

DANH MỤC BẢNG

4.1 Các thơng số của MPKĐBNK ……………………………………………....63

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

xiv

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng lượng
điện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng
truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện... là các dạng năng lượng đang ngày càng cạn
kiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Nguồn điện năng khai thác từ
các nhà máy điện ngun tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an tồn.
Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió,
năng lượng mặt trời... là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế giới. Tuy
nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới chỉ được
thực hiện với công suất nhỏ. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió đang
ngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu.
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụng
máy điện khơng đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảm
giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng 1/3
công suất tổng của hệ thống máy phát. Đồng thời, do khả năng có thể làm việc trong

một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện
khơng đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sử
dụng các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay đồng bộ kích thích vĩnh cửu với
bộ biến đổi đặt ở phía stator.
Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện càng ngày càng có yêu cầu khắt khe
hơn về chất lượng nguồn điện. Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới, trong đó
có các hệ thống máy phát điện sức gió vốn ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể trong
tổng dung lượng điện năng của nhiều quốc gia, cũng phải đảm bảo các yêu cầu chất
lượng đề ra. Mặt khác khi các hệ thống này tập hợp thành cả "vườn" sức gió thì vấn đề
trụ lưới với mục tiêu tránh rã lư ới là một đòi hỏi hết sức cấp thiết. Đặc biệt, khi hệ
thống phân phối bị lỗi lưới thì các hệ thống máy phát này không được phép cắt khỏi
lưới một cách khơng có kiểm sốt vì có thể làm cho lỗi lưới càng trầm trọng thêm và
việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở lên khó khăn hơn. Khi vận hành các hệ thống
phát điện sức gió phải đảm bảo u cầu có thể duy trì tình trạng làm việc song song với
lưới khi xảy ra lỗi lưới và tái lập lại trạng thái làm việc bình thường càng sớm càng tốt

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

2

sau khi sự cố lỗi lưới được loại bỏ. Không những thế, hệ thống điều khiển phía lưới
trong các hệ thống máy phát sức gió hiện đại cịn u cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới
trong suốt q trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới khơng đối xứng.
Hiện nay đã có một số các cơng trình nghiên cứu về khả năng trụ lưới trong hệ
thống phát điện chạy sức gió. Tuy nhiên, việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới
không đối xứng còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Đồng thời vấn đề kết hợp
hạn chế ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến, với tải phi tuyến ở đây
được hiểu là những tải gây ra méo dạng điện áp cũng chưa được quan tâm một cách

triệt để.
Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Sách lược điều khiển nhằm nâng cao
tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện
khơng đồng bộ nguồn kép" nhằm hồn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa
quan tâm giải quyết triệt để như đã kể trên.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thống
phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát khơng đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao
khả năng trụ lưới của hệ thống.
Các nội dung chính của luận án
• Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho nghịch lưu (hoặc bộ biến
đổi) phía máy phát. Khi có lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển bảo
đảm q trình vận hành đồng bộ, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối.
• Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để xác
định các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện phục vụ cho việc
điều khiển trụ lưới đối xứng và khơng đối xứng.
• Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng để nâng cao khả năng trụ
lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và
ngược của một hệ thống ba pha khơng có dây trung tính với các tiêu chí khác nhau cho
từng thành phần. Với phương pháp này th ì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dịng phía
lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dịng lưới trên các trục
tọa độ quay tương ứng.
• Đề xuất một cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

3

dụng máy phát điện nguồn kép. Ở chế độ xác lập (khơng có lỗi lưới), bộ điều khiển
phía lưới đóng vai trị một bộ lọc tích cực để làm cho dịng điện lưới có dạng hình sin
hơn khi làm việc với các tải phi tuyến. Khi lỗi lưới, kể cả lỗi lưới khơng đối xứng thì bộ
điều khiển tổng hợp đối xứng được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân
bằng dòng điện trong các pha.
• Lựa chọn sử dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo
thụ động (passivity–based) để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát của hệ thống máy
phát sức gió sử dụng máy điện khơng đồng bộ nguồn kép.
• Kiểm chứng các thuật tốn điều khiển thông qua các mô phỏng trong môi trường
Matlab-Simulink-Plecs.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát máy phát sức gió sử dụng máy phát
khơng đồng bộ nguồn kép.
• Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc áp dụng phương pháp thiết kế phi
tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động.
• Phạm vi nghiên cứu chính của luận án là tìm ra sách l ược điều khiển trụ lưới cho
bộ điều khiển phía máy phát và tích hợp chức năng lọc tích cực và bộ điều khiển phía
lưới với hệ thống ba pha ba dây có hoặc khơng có dây trung tính.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• Ý nghĩa khoa học chính của luận án là đã xây dựng nền tảng lý thuyết cho sách
lược trụ lưới khi xuất hiện lỗi lưới đối xứng hay không đối xứng mà luận án đề xuất
• Hai ý ngh ĩa thực tiễn chính là khơng chỉ mơ phỏng thành cơng mà cịn chỉ ra tính
khả thi của sách lược điều khiển trụ lưới và tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điều
khiển nghịch lưu phía lưới.
Những đóng góp của luận án
• Xây dựng và mơ phỏng thành cơng sách lược điều khiển trụ lưới không đối xứng
trên cơ sở phân tích các thành phần thứ tự thuận và ngược của hệ thống ba pha khơng
có dây trung tính. Luận án giải quyết vấn đề điều khiển trụ lưới một cách triệt để hơn
so với các phương pháp điều khiển trụ lưới hiện tại.
• Đã chứng minh khả năng tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

4

khiển máy phát sức gió sử dụng máy điện khơng đồng bộ nguồn kép để cải thiện chất
lượng điện năng khi làm việc với các tải phi tuyến.
Cấu trúc luận án
Phần đầu của chương 1 tr ình bày khái quát về hệ thống máy phát sức gió và các
đặc điểm cơ bản của các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay trong đó nhấn
mạnh vào hệ thống tuốc bin sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép, sơ lược về
các phương pháp điều khiển máy phát nguồn kép và giới thiệu phương pháp điều khiển
passivity-based. Phần tiếp theo của chương 1 trình bày về một số vấn đề đặt ra trong
vận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến. Phần
cuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của
hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiên
cứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệ
thống 3 pha 4 dây). Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đối
xứng cho hệ thống 3 pha 3 dây. Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng
được trình bày chi tiết trong chương 3.
Chương 2 được dành để trình bày việc mơ hình hóa các thành phần, cấu trúc và
các thuật tốn điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điện
sức gió. Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mơ hình máy điện khơng
đồng bộ nguồn kép và mơ hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vector
điện áp lưới dq . Trên cơ sở các mơ hình tốn đã có để xây dựng cấu trúc điều khiển
phía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp
passivity-based. Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đ ồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòa
đồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện

cụ thể. Phần cuối của chương 2 trình bày v ề việc xây dựng cấu trúc điều khiển phía
lưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat.
Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án. Phần đầu của chương 3 giới
thiệu khái quát về động học máy phát nguồn kép khi lỗi lưới. Tác hại của việc lỗi lưới
đối với hệ thống truyền tải cũng như bản thân hệ thống phát điện sức gió. Phần tiếp
theo trình bày phương pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán nhằm bảo vệ
bộ biến đổi phía rotor trong khi vẫn đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ với lưới. Các đóng
góp của đề tài nghiên cứu thể hiện ở phần điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi có các
trạng thái lỗi lưới khác nhau. Trước tiên là lỗi lưới đối xứng, kể cả sự suy giảm và méo
dạng điện áp lưới gây ra bởi các tải phi tuyến có cơng suất lớn trong các lưới yếu. Từ

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

5

đó, một bộ lọc tích cực được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng. Phần cuối cùng
của chương đề cập một cách chi tiết sách lược nâng cao khả năng trụ lưới khơng đối
xứng. Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu chính của đề tài. Phần cuối của chương 3
đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho tồn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy phát điện nguồn kép. Theo đó, trong quá trình làm việc bình thường thì bộ
điều khiển phía lưới đóng vai trị m ột bộ lọc tích cực để làm cho dịng đi ện lưới có
dạng hình sin hơn khi làm việc với các tải phi tuyến. Khi có lỗi lưới, kể cả lỗi lưới
khơng đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng sẽ được đưa vào làm việc để hỗ
trợ điện áp lưới và làm cân bằng dịng điện trong các pha.
Chương 4 trình bày các sơ đ ồ mô phỏng, các kết quả nghiên cứu về việc hịa
đồng bộ, các đặc tính điều khiển và bảo vệ bộ biến đổi phía máy phát trong chế độ làm
việc bình thường cũng như khi xảy ra lỗi lưới, khảo sát khả năng hỗ trợ lưới và khả
năng suy giảm sóng hài khi sử dụng chức năng lọc tích cực. Trọng tâm của chương 4

dành cho các kết quả nghiên cứu về điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi lỗi lưới đối
xứng và không đối xứng. Các kết quả này được đề cập trong hai trường hợp. Trường
hợp thứ nhất là khi máy phát nguồn kép làm việc trong chế độ bình thường và khơng
áp dụng biện pháp điều khiển trụ lưới. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá
được mức độ ảnh hưởng của việc lỗi lưới đối với các thành phần khác nhau trong hệ
thống điều khiển khi không áp dụng sách lược điều khiển trụ lưới. Trường hợp thứ hai
là khi áp dụng sách lược trụ lưới trong quá trình xảy ra lỗi lưới. Từ các kết quả nghiên
cứu này có thể đánh giá được hiệu quả của sách lược điều khiển trụ lưới bằng việc so
sánh với các kết quả mơ phỏng trong trường hợp khơng có các biện pháp xử lý lỗi lưới.
Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

6

Chương 1. Tổng quan
1.1 Khái quát về năng lượng gió
Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những
năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao. Đặc biệt, sự phát triển năng
lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng
lượng sạch, năng lượng tái tạo. Các số liệu thống kê được cơng bố bởi Hội đồng năng
lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho bi ết dung lượng của các hệ thống
máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW [39].
Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ợưng của các hệ thống phát điện chạy
sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.535 MW [35]. Trong khi
dung lượng đó ở Mỹ đã tăng từ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn
16.800 MW ở cuối năm 2007 [12, 26].
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các

tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1.
Hệ thống
phát điện sức gió

Máy phát một
chiều

Máy phát xoay
chiều

Máy phát xoay
chiều 1 pha

Máy phát xoay
chiều 3 pha

Máy phát đồng bộ
kích thích vĩnh cửu

Máy phát khơng
đồng bộ

Máy phát khơng
đồng bộ 3 pha rotor
lồng sóc

Máy phát khơng
đồng bộ 3 pha
nguồn kép

Hình1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió
Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió có
thể là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát khơng đồng bộ rotor lồng

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

7

sóc và máy phát khơng đồng bộ ba pha rotor dây quấn. Ngày nay, các hệ thống
tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây
quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor. Các máy phát như vậy cịn được gọi là
các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK). Bên cạnh khả năng làm việc
với dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọng
của các MPKĐBNK là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với
khoảng 30% công suất tổng của máy phát [25, 28, 42, 46]. Điều này cho phép giảm
được dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống [25, 28, 29, 32, 42, 84] .
Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy
phát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thích
vĩnh cửu và máy phát khơng đồng bộ rotor lồng sóc.
Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảy
năng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1.2.
S
n

-1

Trên đồng bộ
Chế độ máy phát

0>s>-∞

Trên đồng bộ
Chế độ động cơ
0>s>-∞

ns

0

Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát
1>s>0

Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0

0

1
m
(a)

Lưới điện

Lưới điện

Rotor
Stator

Rotor
Stator

(b)

(c)

Hình1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng lượng tương ứng.
(a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng
chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

8

1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và
các phương pháp điều khiển
Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên
hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới. Các
cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi
phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới. Hai bộ biến đổi liên hệ với
nhau thơng qua mạch một chiều trung gian.

Gió

!
MPKĐBNK

Điện áp
một chiu
trung gian

m

AC

AC
DC

DC

B iu khin
phớa mỏy phỏt

B iu khin
phớa li

cos'

TeÔ

Ô
n

Q Ôg

iu khin

gúc pitch

u Ôdc

Qun lý
h thng

iu khin turbine

Hỡnh 1.3: H thng máy phát sức gió [45]

Hệ thống điều khiển trên hình 1.3 gồm có hai phần chính: phần điều khiển tuốc
bin và phần điều khiển máy phát nguồn kép [20]. Phần điều khiển tuốc bin cung cấp
các giá trị đặt của công suất tác dụng hay mômen điện từ Te* cho phần điều khiển máy
phát nguồn kép. Giá trị đặt này được tính tốn dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng
tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của
tuốc bin. Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch θ p được đưa trực tiếp tới bộ
phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin. Trong khi đó,
mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các cơng suất tác dụng và

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

9

công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn.

1.2.1 Cơng suất của tuốc bin gió
Cơng suất của tuốc bin gió được tính theo cơng thức sau [29, 48, 65, 66]:

Ptb =

1
3
ρtbπ Rcg2 vgm
Ctb
2

(1.1)

Trong đó, ρ tb là mật độ khơng khí ( kg/m 3 ), Rcg bán kính của cánh gió ( m ),
v gm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió ( m/s ), Ctb là hệ số

phụ thuộc vào cấu trúc hình học của tuốc bin gió và được cho bởi
Ctb = f (θ p , λtb )

(1.2)

với θ p là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của
cánh gió và được gọi tắt là góc pitch, λtb là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc
quay của tuốc bin ωtb và tốc độ gió v gm
λtb (t ) =

ωtb (t ) Rcg
vgm (t )

(1.3)

Lưu ý rằng theo các tài liệu nghiên cứu thì giá trị cực đại của Ctb là 0.593 và
còn được gọi là giới hạn Betz [19, 41, 59, 66].

Các công thức (1.1), (1.2) và (1.3) cho thấy là cơng suất của tuốc bin gió phụ
thuộc vào cấu trúc của tuốc bin gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của tuốc
bin. Vì vậy, với một góc pitch cố định và ở một mức độ gió cho trước thì cơng suất của
một tuốc bin gió cịn phụ thuộc tốc độ quay của nó nữa.
1.2.2. Điều khiển tuốc bin gió
Như đã trình bày trong mục 1.2.1, để duy trì cơng suất được biến đổi từ năng
lượng gió thành cơng suất cơ trên trục của tuốc bin là cực đại thì cần phải đảm bảo giá
trị của hệ số Ctb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió trong dải tốc độ gió cho phép. Việc
điều chỉnh sao cho tốc độ tuốc bin đạt được giá trị cho phép phát ra công suất đỉnh
được thực hiện thơng qua việc điều khiển góc pitch. Ở tốc độ gió nằm ngồi dải tốc độ
cho phép của tuốc bin thì thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ
khí để giữ cho tuốc bin khơng quay. Muốn như vậy thì tốc độ trục cơ của tuốc bin gió
(được kết nối với trục rotor của MPKĐBNK thông qua một hộp số) phải được điều

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

10

khiển bám theo đường đặc tính tối ưu cho phép khai thác công suất tối đa ứng với
từng tốc độ gió như đã được thể hiện ở các cơng thức (1.1), (1.2), (1.3) và hình 1.4.
Đây cũng chính là một chủ đề đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu khá rộng rãi [16,
19, 23, 48, 62, 80].

Hình 1.4: Các vùng làm việc của một tuốc bin gió (nét đậm: đặc tính cơng suất
tối ưu của hệ thống)

Hình 1.4 là một ví dụ về mối quan hệ giữa cơng suất của một tuốc bin với tốc độ
góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau. Đường đặc tính cơng suất tối ưu của

tuốc bin được thể hiện bằng nét đậm và được mơ tả như sau [66]:
• Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi
công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của tuốc bin gió
được điều chỉnh sao cho Ctb đạt được giá trị tối ưu để cơng suất biến đổi từ năng
lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất. Vùng làm việc như vậy cịn được gọi là
vùng tối ưu cơng suất.
• Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc độ gió
vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin ứng với từng tốc độ gió
sao cho Ctb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc pitch để giữ
cho cơng suất cơ trên trục của tuốc bin là hằng số. Vùng làm việc như vậy cịn được
gọi là vùng cơng suất khơng đổi.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>

11

• Khi việc điều chỉnh hệ số Ctb và góc pitch đã ở mức tới hạn mà tốc độ gió vẫn
tiếp tục tăng thì buộc phải cắt máy phát để bảo vệ tuốc bin và các bộ biến đổi công
suất.
Cần chú ý rằng việc điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin có thể thực hiện trực
tiếp bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh
gió hoặc thực hiện gián tiếp thơng qua việc điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát.

1.2.3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép
Các thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với các bộ điều khiển kiểu PI
được trình bày trong [18, 44, 65, 67, 69, 75]. Đặc điểm chung của các phương pháp này
là có thêm một thành phần bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằm
loại bỏ các ảnh hưởng của lực phản điện động của máy. Chi tiết của vấn đề này được

trình bày trong [84]. Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward phụ thuộc vào độ
chính xác của các tham số của MPKĐBNK nên thường khơng có được đặc tính làm
việc lý tưởng trong thực tế do các tham số MPKĐBNK có thể bị biến đổi trong quá
trình làm việc. Một phương pháp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khác là điều khiển
dead-beat được trình bày trong [49, 72]. Tuy nhiên, phương pháp này dựa trên việc giả
thiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mơ hình gián
đoạn của MPKĐBNK là mơ h ình tuyến tính hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiển
tuyến tính. Để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward và để đảm bảo chất lượng của
hệ thống điều khiển trong một khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, các phương pháp
điều khiển phi tuyến đã được đề nghị áp dụng cho điều khiển MPKĐBNK. Vấn đề này
đã được trình bày trong các tài liệu [1, 5, 49, 57, 73, 74].
Như đã trình bày ở trên, mặc dù hệ thống điều khiển hồn chỉnh của một tuốc
bin gió phải gồm cả phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy
nhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần điều khiển MPKĐBNK. Hiện nay đã có
nhiều phương pháp điều khiển MPKĐBNK được nghiên cứu như phương pháp tựa
theo điều khiển cuốn chiếu (backstepping based) [5], phương pháp tuyến tính hóa
chính xác (exact linearzation) [73, 74], phương pháp tựa theo thụ động (passivity based)
và phương pháp tựa phẳng (flatness based) [1]. Luận án này sử dụng phương pháp thiết
kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động để điều khiển bộ biến đổi phía máy
phát (hình 1.5). Giá trị đặt tối ưu cho phần điều khiển MPKĐBNK gồm mômen điện từ
Te* và công suất phản kháng Qg* được cung cấp từ phần điều khiển tuốc bin và phần
điều độ của lưới. Chi tiết của phương pháp này sẽ được trình bày trong ch ương 2.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

/>