Điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ với tuabin kiểu trục ngang

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN
SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI
TUABIN KIỂU TRỤC NGANG

NGUYỄN THỊ THẮM

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN
SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI
TUABIN KIỂU TRỤC NGANG

Ngành:
TỰ ĐỘNG HOÁ

Mã số:
Học viên: NGUYỄN THỊ THẮM
Người hướng dẫn khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT
ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
VỚI TUABIN KIỂU TRỤC NGANG
Học viên: Nguyễn Thị Thắm
Lớp: TĐH- K11
Chuyên ngành: Tự động hóa
Người HD khoa học: TS Cao Xuân Tuyển
Ngày giao đề tài: 01/01/2010
Ngày hoàn thành: 30/8/2010

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

TS. CAO XUÂN TUYỂN

NGUYỄN THỊ THẮM

DUYỆT BGH

KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là cơng trình do tơi tổng hợp và
nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong
phần tài liệu tham khảo đã được trích dẫn. Các số liệu và kết quả mơ phỏng được thực
hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Cao Xuân Tuyển là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thắm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Mục lục
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các bảng…………………………………………………………………..1
Danh mục các hì nh vẽ, đồ thị………………………………………………………...2
Mở đầu ....................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ .6
1.2. Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của luận
văn.................................................................. ..............................................................6
1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió…………………………………................6
1.2.2. Cấu tạo tuabin phong điện.......................................................................7
1.2.3 Cơng śt tuabin gió………………………………………….…………9
1.2.4 Ngun lý hoạt động của các tuabin gió………………………………..9
1.3. Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC……….....11
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT
ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC
2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC…………………...13
2.2. Mơ hình tốn học đối tượng MĐĐB-KTVC……………………………………..14
2.2.1. Biểu diễn vector khơng gian các đại lượng 3 pha………………………...14
2.2.2. Mơ hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC…………………………..19
2.3. Hệ thống điều khiển góc cánh………………………………………………........21
2. 4. Hệ thống điều khiển phía máy phát…………………………………………..22
2.5. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hố chính
xác…………………………………………………………………………………….23

2.6. Tổng hợp các bộ điều khiển PI (mạch vòng dòng điện, Udc)……………………29
2.6.1. Tổng hợp vòng điều chỉnh vector dòng startor…………………………..29
2.6.2. Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay (UDC)……………………………30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2.7. Hệ thống điều khiển phía lưới…………………………………………………..31
2.7.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới……………………………...……31
2.7.2. Xây dựng mơ hình dịng phía lưới……………………………...………..32
2.7.3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới…………………………………...37
CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU
SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC
3.1. Bộ điều khiển MPPTP………………………………………………………….41
3.2 Bộ điều khiển từ thông máy phát………………………………………………45
3.3. Bộ điều khiển mờ MPPTL xác định cơng śt cực đại lấy từ gió phát lên lưới...49
CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN
4.1. Tổng quan………………………………………………………………………...53
4.1.1. Giới thiệu công cụ mô phỏng PLECS…………………………………… 53
4.1.2. Các tham số dùng cho mô phỏng ………………………………………..54
4.2. Xây dựng các khối mô phỏng trên Simulink và PLECS…………………………55
4.2.1. Khối “DFIM Model”…………………………………..………………….56
4.2.2. Khối “Generator Side Controller”………………………………………..59
4.2.3. Khối “Grid Side Controller”……………………………………………..62

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 90
PHỤ LỤC
TĨM TẮT LUẬN VĂN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Danh mục các bảng
Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 3.1

Các luật điều khiển của bộ điều khiển mờ

45

Bảng 3.2

Các luật điều khiển của bộ điều khiển mờ ĐKTTMF

49

Bảng 3.3

Các luật điều khiển của bộ điều khiển mờ MPPTL

52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình

Tên hì nh

Trang

Hình 1.1

Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang

8

Hình 1.2

Tuốc bin gió với tốc độ cố định

10

Hình 1.3

Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa
stator và lưới
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích

Hình 1.4

nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC)

10

11

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích
Hình 1.5

nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh

11

lưu đơn giản.
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích
nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh
Hình 1.6

lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy

12

phát
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích
Hình 2.1
Hình 2.2

nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC)
Xây dựng vector khơng gian dịng stator từ các đại lượng pha

13
14

Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector khơng gian trên hệ
Hình 2.3

16

tọa độ 

Hình 2.4

Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq

17

Hình 2.5

Chuyển hệ tọa độ cho vector khơng gian bất kỳ V

17

Hình 2.6 Hệ thống điều khiển góc cánh

22

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía máy phát

23

Hình 2.8

Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển chuyển trạng thái

28

Hình 2. 9

Sơ đồ cấu trúc vịng điều chỉnh dịng

29
29

Hình 2.10 Sơ đồ hai vịng điều chỉnh thay thế
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ quay ĐCĐB

30

Sơ đồ thay thế (cấu trúc ở hình 2.11) khi thiết kế khâu điều chỉnh
tốc độ quay ĐCĐB
Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới

31

Hình 2.14 Sơ đồ ngun lý phía lưới

32

Hình 2.15 Sơ đồ tổng qt mạch điện phía lưới

33

Hình 2.16 Sơ đồ thay thế

34

Hình 2.17 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới

34

Hình 2.18 Mơ hình gián đoạn phía lưới

36

Hình 2.12

Cấu trúc điều khiển phía lưới của hệ thống phát điện chạy sức
Hình 2.19

gió sử dụng MĐĐB - KTVC

Quan hệ giữa P0, tốc độ máy phát, tốc độ gió và hoạt động của

các bộ điều khiển mờ MPPTL, ĐKTTMF

Hình 3.2

Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ MPPTP

Hình 3.3

38
39

Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh dịng phía lưới
Hình 3.1

32

41
42

Sơ đồ khối khâu mờ hoá, các luật điều khiển, thiết bị hợp thành
và giải mờ của bộ điều khiển mờ MPPTP

43

Hình 3.4

Các giá trị của biến đầu vào “SLCS”

43

Hình 3.5

Các giá trị của biến đầu vào “LSLTD”

44

Hình 3.6

Các giá trị của biến đầu ra “SLTD”

44

Hình 3.7

Phương thức tìm điểm làm việc có hiệu suất cực đại của hệ thống

46

Hình 3.8

Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ từ thông máy phát ĐKTTMF

47

Hình 3.9

Sơ đồ khối khâu mờ hố, các luật điều khiển, thiết bị hợp thành
và giải mờ của bộ điều khiển mờ ĐKTTMF

Hình 3.10 Các giá trị của biến đầu vào “SLCS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

47

48




Hình 3.11

Các giá trị của biến đầu vào “LSLD”

48

Hình 3.12

Các giá trị của biến đầu ra “SLD”

49

Hình 3.13 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ MPPTL

50

Hình 3.14 Các giá trị của biến đầu vào “SLTD”

50

Hình 3.15 Các giá trị của biến đầu ra “LSLCS”

51

Hình 3.16 Các giá trị của biến đầu ra “SLCS”

51

Hình 4.1
Hình 4.2

Sơ đồ PLECS máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Sơ đồ Simulink mơ phỏng tồn bộ hệ thống phát điện sức gió sử
dụng MĐĐB - KTVC

53
55

Hình 4.3

Sơ đồ Simulink khối “DFIM Model”

56

Hình 4.4

Sơ đồ PLECS mơ phỏng hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng
MĐĐB-KTVC
Sơ đồ PLECS mơ phỏng hệ thống biến tần

57

Hình 4.5

(“Back to back converter”)

57

Hình 4.6

Sơ đồ PLECS bộ nghịch lưu nguồn áp/chỉnh lưu

58

Hình 4.7

Sơ đồ Simulink mơ phỏng khâu PLL

59

Hình 4.8

Sơ đồ Simulink mơ phỏng hệ thống điều chỉnh phía máy phát
(“Generator Side Controller”)

59

Sơ đồ Simulink khâu phản hồi trạng thái MĐĐB - KTVC
Hình 4.9

60

Hình 4.10 Mẫu xung điều chế và sơ đồ định nghĩa thời gian đóng ngắt van
a,b
Hình 4.10 Sơ đồ Simulink mơ phỏng khâu ĐCVTKG (“SVPWM”)
c
Hình 4.11

Hình 4.12

Sơ đồ Simulink mơ phỏng hệ thống điều chỉnh phía lưới (“Grid
Side Controller”)
Sơ đồ Simulink mô phỏng khâu điều chỉnh dịng phía lưới
(Dead-beat Current Controller)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



61

62

63

63


Hình 4.13

Cấu trúc tồn bộ hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB –
KTVC trên hệ tọa độ dq được mơ phỏng trên Simulink

Hình 4.14 Cấu trúc bộ ĐKPHTT
Hình 4.15 Cấu trúc PMSM trên hệ tọa độ dq
Hình 4.16
a
Hình 4.16
b
Hình 4.17
a
Hình 4.17
b
Hình 4.18
a
Hình 4.18
b
Hình 4.19
a
Hình 4.19
b

Giá trị dịng isd trên hệ tọa độ dq
Giá trị dòng isd trên Plecs
Giá trị dòng isq trên hệ tọa độ dq
Giá trị dòng isq trên Plecs
Giá trị P0 trên hệ tọa độ dq khi chưa có khâu mờ
Giá trị P0 trên hệ tọa độ dq khi chưa có khâu mờ
Giá trị P0 trên hệ tọa độ dq khi có khâu mờ
Giá trị P0 trên Plecs khi có khâu mờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




-4-

MỞ ĐẦU
Xã hội loài người muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu khơng thể thiếu
được đó là phải duy trì nguồn năng lượng để ni sống xã hội đó. Trong đó điện
năng đóng một vai trị đặc biệt quan trọng. Hiện nay các nguồn điện năng chính là
dầu khí, than đá... hoặc đang có nguy cơ cạn kiệt hoặc đã đến giới hạn khai thác.
Trong khi đó điện hạt nhân tuy đã phát triển mạnh nhưng vẫn chứa mối nguy hiểm
to lớn tiềm tàng không an tồn. Vì vậy các nguồn năng lượng sạch khác như gió,
mặt trời, thủy triều đang được nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn một tương lai tươi
sáng hơn, được áp dụng rộng rãi hơn. Với những nước như Việt Nam, có nhiều địa
hình phức tạp, nhiều nơi vùng sâu vùng xa điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới
hoặc có nhưng rất hạn chế. Đây lại chính là những nơi có tiềm năng lớn về năng
lượng gió. Vì vậy các hệ thống phát điện chạy sức gió cần được chúng ta quan tâm
phát triển.
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước, đề tài tập trung vào
nghiên cứu để đưa ra và áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu để lấy cơng suất cực
đại từ gió cho bộ phát điện chạy sức gió.
Máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB - KTVC) ngày càng
đuợc ứng dụng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong
các hệ thống máy phát điện chạy sức gió. Máy phát nằm trong dải công suất điều
chỉnh từ vài chục kW đến vài MW và có những ưu điểm nổi bật:
 Từ thơng đã tồn tại sẵn sàng nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên
bề mặt roto. Vì vậy, chỉ cần máy phát quay là tại các cực nối ra của máy

phát đã xuất hiện điện áp.
 Có thể được sử dụng linh hoạt trong các hệ thống phát điện chạy sức gió
một cách linh hoạt theo một trong hai phương án sau:
o Sử dụng một khâu chỉnh lưu đơn giản ở phía máy phát.
o Sử dụng một khâu nghịch lưu phía máy phát
Trong hệ thống điều khiển có thể sử dụng các bộ điều khiển mờ để tối ưu hóa
hiệu suất hệ thống, nâng cao chất lượng điều khiển và lấy cơng suất cức đại từ năng
lượng gió. Tuy vậy để phát được chất lượng tốt, cần phải có một phương pháp điều
chỉnh thích hợp trong hệ thống máy phát nhằm nâng cao hiệu suất, chất lượng điện
cũng như giảm giá thành.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



4


-5-

Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sức gió sử
dụng máy điện đồng bộ với tuốc bin kiểu trục ngang”.
Trong luận văn này còn đưa ra một phương pháp mới trong việc tách kênh hai
thành phần dòng ird, irq sử dụng những tiến bộ mới nhất trong lý thuyết điều khiển
phi tuyến. Đó là phương pháp tuyến tính hóa chính xác do giáo sư người Italia A.
Isidori đề xuất. Luận văn được chia thành các chương như sau:
Chương 1 . TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ
Chương 2 . TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB - KTVC
Chương 3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ

HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB KTVC
Chương 4. KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT
LUẬN
Hệ thống điều khiển được kiểm chứng qua công cụ mô phỏng MATLAB &
Simulink. Đặc biệt để thêm tính khách quan, mơ hình đối tượng động cơ, biến tần,
lưới điện sẽ sử dụng của hãng PLECS, một bộ phần mềm thêm vào Simulink để mô
phỏng các hệ thống điện.
Chương 4 cũng đưa ra các kết quả mơ phỏng, qua đó, ta quan sát được tác dụng
của cấu trúc điều khiển mới, so sánh ưu điểm với cấu trúc cũ.
Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình
của TS. Cao Xuân Tuyển, song luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác
giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn quan tâm.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Cao Xuân Tuyển – Viện Nghiên cứu Phát
triển Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Ngun đã tận tình
hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2010
Người thực hiện

Nguyễn Thị Thắm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



5


-6-

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ (PHONG ĐIỆN)
1.1. Đặt vấn đề
Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió ngày
càng tăng ở mỗi quốc gia trên tồn thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, vì:
- Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
- Nhu cầu ngày càng lớn về điện năng trên tồn thế giới nói chung và ở Việt
Nam nói riêng, địi hỏi phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng.
- Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải
đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng
lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng
dụng nhằm phát triển lĩnh vực tái tạo năng lượng gió ở nước ta phát triển mạnh hơn
nữa.
Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các tuốc bin gió trong việc
cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm”
gồm nhiều tuốc bin gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng
trên đất liền, hoặc được xây dựng trên các vùng biển “offshore”. Tổng cơng suất mà
các “Wind farm” tạo ra có thể lên tới hàng chục MW.
1.2. Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của
luận văn
1.2.1. Khái niệm về năng lượng gió
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do ngun nhân
mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng
đều trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng
nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho
nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện.
Năng lượng gió được mơ tả như một q trình, nó được sử dụng để phát ra năng
lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

-7-

cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước
hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng
lượng cơ thành năng lượng điện.
1.2.2. Cấu tạo tuabin phong điện
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:
- Một loại theo trục đứng ( giống như máy bay trực thăng.)
- Một loại theo trục ngang.
Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tuabin gió
3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang
thổi. Ngày nay tuabin gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.
Tuabin gió trục ngang gồm các phần chính sau đây:
-

Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu

khiển.
-

Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các

cánh quạt chuyển động và quay.
-

Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng

điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.

- Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió
khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ
khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát
nóng.
- Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ
cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc
độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng
này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
- Generator: Máy phát (Phát ra điện)
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




-8-

- Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và
bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and
brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ
rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
- Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay
trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép.
Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng
gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng tuabin

gió.
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor ln ln hướng về hướng gió chính khi có sự
thay đổi hướng gió.
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định được hướng gió.

Hình 1.1 Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




-9-

1.2.3 Cơng suất tuabin gió
Dãy cơng suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài MW.
Để có dãy cơng suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm nhưng tuabin
với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện.
Các tuabin gió loại nhỏ có cơng suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình. Viễn
thông hoặc bơm nước đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin và hệ
thống quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử
dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà
mạng điện không thể nối tới các khu vực này.
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió
Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một tuabin gió làm
việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt
điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện.
Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng của gió
làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor được nối với trục chính và
trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện.
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở tốc độ 30

mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng
gió bất thường.
Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng
có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn.
Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc
độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi.
Loại tuốc bin gió thơng thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed
speed wind turbine), trong đó máy phát khơng đồng bộ được nối trực tiếp với lưới.
Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể
thu được năng lượng cực đại từ gió.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 10 -

Gearbox

Soft
starter

IG

Transformer

Capacitor bank

Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ cố định

Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục
được nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được
tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió
có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất
để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió
tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định.
Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có
bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ
nguồn kép (MDBNK).
Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch
stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính tốn với cơng suất định
mức của tồn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại khơng đồng bộ rotor lồng sóc
hoặc là đồng bộ.

Gearbox

≈
G

=

≈

=
Power electronic
converter

Transformer

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp

giữa stator và lưới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 11 -

Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng
sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với cơng
suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi
nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có
cơng suất bằng cơng suất của tồn tuốc bin. Các hệ thống phát điện turbine gió cơng
suất nhỏ và vừa hiện nay vẫn sử dụng phổ biến loại turbine tốc độ thay đổi sử dụng
máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
Gear
Box

NLMF

~
SG

Grid

NLPL

=
=

~

Hình 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC)
1.3. Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC
Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện khơng đồng bộ ta
phải tạo từ thơng kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió. Việc kích từ đó
hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hồ lưới), hoặc nhờ
ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thơng dư trong máy điện
khơng đồng bộ.
Gear
Box

CL

~
SG

NLPL

Grid

=
=

~

Hình 1.5. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam
châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản
Gear

Box

NLMF

NLPL

~ học Thái Nguyên=
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại
SG

=

Grid


~


- 12 -

Hình 1.6. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam
châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ
theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát
Ở các hệ thống phát điện turbine gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam
châm vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) có ưu thế hơn về mặt tạo từ thơng kích từ nhờ hệ
thống nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor của máy, vì vậy chỉ cần quay máy phát là
đầu ra máy phát đã xuất hiện điện áp, đây là một trong những ưu điểm của hệ thống
phát điện sức gió sử dụng MĐĐB – KTVC. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng
MĐĐB-KTVC có thể sử dụng bộ chỉnh đơn giản phía máy phát như hình 1.5, hoặc
sử dụng bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) như hình 1.6.

Ở các hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) dùng MĐĐB-KTVC với công suất
cỡ lớn ( >50 kW) thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng
lượng do tuốc bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thống
điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, do đó ta có thể chọn
một trong hai phương án, chọn phương án nào còn phụ thuộc vào khả năng đầu tư.
Trong phạm vi đề tài, để có thể điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát, ta tập
trung nghiên cứu hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB-KTVC dùng bộ nghịch lưu phía
máy phát như hình 1.6.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 13 -

CHƢƠNG 2
TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN
CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC
2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC
Sơ đồ cấu trúc điều khiển điển hình của một hệ thống phát điện sức gió sử
dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu như hình 2.1, trong đó sử dụng bộ
nghịch lưu có điều khiển phía máy phát (NLMF) để có thể thực hiện thuật tốn điều
khiển tối ưu hiệu suất của máy phát.

Gear
Box

NLMF

~
SG

Grid

NLPL

=
=

~

θ
Điều khiển
góc cánh

Điều khiển
phía máy phát

Điều khiển
phía lưới
P0*

ωr*
ωr

Us*

UDC

*

MPPTP

Q0*
P0

MPPTL

Hình 2.1. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC)
Khối điều khiển góc cánh có nhiệm vụ điều chỉnh góc cánh của tuốc bin gió
thơng qua điều chỉnh góc quay của động cơ đồng bộ nhằm duy trì tốc độ máy phát
ứng với công suất cực đại lấy từ gió.
Khối điều khiển phía máy phát điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát
(NLMF) nhằm tối ưu hiệu suất máy phát và giữ điện áp một chiều trung gian có giá
trị khơng đổi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 14 -

Khối điều khiển phía lưới thực hiện điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)
nhằm điều khiển phát cơng suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực
đại lên lưới.
2.2. Mơ hình tốn học đối tƣợng MĐĐB-KTVC
2.2.1. Biểu diễn vector không gian các đại lƣợng 3 pha

Với các loại máy điện xoay chiều ba pha nói chung, ta đều có ba dịng điện
hình sin cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau 120o điện chảy vào stator qua ba cực
tương ứng với pha u, v, w. Gọi ba dịng đó là isu , isv , isw . Ba dịng này thỏa mãn
phương trình:

isu (t )  isv (t )  isw (t )  0

(2.1)

Trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) của máy điện, ta thiết lập một hệ tọa
độ phức có trục thực đi qua trục cuộn dây pha u. Trên hệ tọa độ đó, ta định nghĩa
một vector khơng gian dịng stator như sau (hình 2.2):
i s (t ) 

o
o
2
isu (t )  isv (t )e j120  isw (t )e j 240   i s e jst

3

(2.2)

Im
o

e j120

i s (t)

v

2

1
u
w

2

3

3

Re

isu (t)
2
3

e

o

isw (t)e j240

isv (t)e j120

o

j240o

Hình 2.2: Xây dựng vector khơng gian dòng stator từ các đại lượng pha
is(t) là một vector có module khơng đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với
tốc độ góc  s  2 f s và tạo với trục thực một góc pha    s t với f s là tần số mạch
stator.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 15 -

Dễ dàng chứng minh được rằng dòng điện của từng pha là hình chiếu của
vector dịng stator lên trục của cuộn dây pha tương ứng. Đối với các đại lượng stator
khác của máy điện như điện áp stator, từ thơng stator ta đều có thể xây dựng các
vector khơng gian tương ứng như đối với dịng điện stator kể trên. Tổng quát thì
một đại lượng stator bất kỳ x xác định một vector không gian như sau:

xs (t ) 

o
o
2
xsu (t )  xsv (t )e j120  xsw (t )e j 240   x s e jst

3

(2.3)

Bây giờ ta đặt tên hệ tọa độ phức nói trên là hệ tọa độ  (hình 2.5) với trục

 trùng với trục cuộn dây pha u. Đó là hệ tọa độ stator cố định. Các thành phần của
vector dòng stator trên hai trục tọa độ là is và is .
Dễ dàng chứng minh được rằng hai thành phần dòng is và is được xác định
từ ba dòng pha nhờ cơng thức (2.4). Ngược lại, các dịng pha stator của máy điện
được xác định từ các thành phần dòng is và is theo công thức (2.5):
is  isu

1

is  3 (isu  2isv )


(2.4)

isu  is

isv  0,5(is  3is  )

isw  0,5(is  3is  )

(2.5)

Trong công thức (2.4) ta khơng cần đến dịng pha thứ ba chính là vì các dịng
pha có mối quan hệ thơng qua phương trình (2.1). Cũng qua (2.4) ta thấy is và is
là hai dịng hình sin.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 16 -

jβ
Cuén d©y
pha V

isw

is

is

120o
Cuén d©y
pha U

isv

isu = is

120o

α

120o

Cuén d©y
pha W

Hình 2.3. Biểu diễn dịng điện stator dưới dạng vector không gian
trên hệ tọa độ 
Với MĐĐB-KTVC, ta xây dựng một hệ trục tọa độ quay dq có hướng của trục
thực d trùng với trục của từ thông cực và gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ của hệ .
Hệ tọa độ này quay quanh điểm gốc với tốc độ góc  là tốc độ cơ học của rotor,
cũng chính là tốc độ ωs.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 17 -

j
Trục
điện áp l-ới

jb

Cuộn dây
pha V

is

jq

is

us

isb

isd s
isa

is

Trục
Rotor

a



s

isq

d

Cuộn d©y
pha U

α

Rotor

Cn d©y
pha W

Hình 2.4. Vector dịng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq
Gọi isd và isq là hai thành phần trên hai trục tọa độ d, q của vector dịng stator.
Vector i s (t ) có thể được viết cho hai hệ tọa độ như sau:

i ss  is  jis
 f
i s  isd  jisq

(2.6)

Các chỉ số phía trên bên phải “s” và “f” để chỉ hệ tọa độ  và dq.
Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian:
Xét một hệ tọa độ tổng qt xy. Ngồi ra ta hình dung thêm một hệ tọa độ thứ
2 với các trục x* y * có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc  * so với hệ xy.
Quan sát một vector V bất kỳ ta thu được:
- Trên hệ xy:

V xy  x  jy

(2.7)

- Trên hệ x* y * :

V *  x*  jy *

(2.8)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên