Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-------------------o0o------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG TRẠM PHÁT
PHONG ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ

BÙI THANH TÙNG

THÁI NGUYÊN 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG TRẠM PHÁT
PHONG ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ

Học viên

: Bùi Thanh Tùng

Người HD Khoa Học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

THÁI NGUYÊN 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận
văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Thái Ngun, ngày 25 tháng 11 năm 2011
Tác giả luận văn

Bùi Thanh Tùng


LỜI CÁM ƠN
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng
lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng
lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu
ứng dụng rộng rãi.
Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió khơng
ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là khơng
gian và thời gian. Chính vì thế việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để xác định các số liệu về
tốc độ gió ở một khu vực cụ thể là việc làm rất cần thiết và quan trọng đối với công tác nghiên
cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió.
Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật
Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung:
“Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ”. Với sự giúp
đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng như sự nỗ lực của bản thân
đến nay tơi đã hồn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài.

Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại
ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn tương đối
mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tơi rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cơ giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến
vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy
thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học KTCN Thái Ngun, và đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn
và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học GSTS. Nguyễn Văn Liễn đã trang bị kiến thức,
dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Thái nguyên, ngày 25 tháng 11 năm 2011
Học viên

Bùi Thanh Tùng


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ

MỤC LỤC
MỤC LỤC

1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TĂT

3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

4

TỔNG QUAN

5

1. Tính cấp thiết của đề tài

5

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6

3. Phương pháp nghiên cứu

6

4. Nội dung luận văn

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH VÀ PHONG

8

ĐIỆN
1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo.

8

1.2. Hệ thống năng lượng gió.

10

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM
CHÂM VĨNH CỬU VÀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ
SỬ DỤNG MĐĐB-KTVC

17

2.1. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).

17

2.2. Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-

20

KTVC
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÙNG
TRONG TRẠM PHÁT PHONG ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ

22

3.1. Bộ chỉnh lưu AC-DC sơ đồ cầu 3 pha không điều khiển.

22

3.2. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter).

23

3.2.1. Mơ hình tốn học bộ biến đổi DC-DC tăng áp.
3.2.2.Thiết kế bộ điều khiển tuyến tính hóa chính xác và phản hồi

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

1

23
28

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ
trạng thái gán điểm cực cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp
3.3. Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck converter)

32

3.4. Bộ biến đổi DC-DC tăng giảm áp, liên kết DC-bus và ắc-quy

34

3.5. Bộ biến đổi DC-AC

36

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN MATLAB &

38

SIMULINK
4.1. Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp

39

4.2. Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hạ áp

43

4.3. Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC

45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

48

PHỤ LỤC

49

TÀI LIỆU THAM KHẢO

52

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

2

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
NLMT

Năng lượng mặt trời

NLG

Năng lượng gió

TL -HL

Thượng lưu và hạ lưu

NLM & TT

Năng lượng mới và tái tạo

NLTT

Năng lượng tái tạo

PĐCSG

Phát điện chạy sức gió

KĐB

Khơng đồng bộ

KĐB - RDQ Không đồng bộ rotor dây quấn
DFIG

Máy phát không đồng bộ nguồn kép

KĐB - RLS

Không đồng bộ rotor lồng sóc

ĐK

Điều khiển

NL

Nghịch lưu

MP

Máy phát

DC-DC

Bộ biến đổi một chiều- một chiều

AC-DC

Bộ biến đổi xoay chiều- một chiều

NLPL

Nghịch lưu phía lưới

NLMP

Nghịch lưu máy phát

ĐB - KTVC

Đồng bộ kích thích vĩnh cửu

CL

Chỉnh lưu

SG

Máy phát sức gió tạo năng lượng xoay chiều

PMSG

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

MDBNK

Tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

3

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang

14

Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ cố định

15

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp
16

giữa stator và lưới
Hình 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC)

16

Hình 2.1 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

20

Hình 2.2 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

20

khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát
Hình 2.3 Cấu trúc chung của hệ thống
Hình 3.1 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng áp
Hình 3.2 Mạch tương đương khi T1 dẫn, D2 tự khóa
Hình 3.3 Mạch tương đương khi T1 khóa, D2 dẫn
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính
xác
Hình 3.5 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC giảm áp
Hình 3.6 Mạch tương đương của bộ buck
Hình 3.7 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng giảm áp
Hình 3.8 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha
Hình 3.9 Sơ đồ ghép ba nghịch lưu một pha thành nghịch lưu ba pha
Hình 4.1 Sơ đồ mơ phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp
Hình 4.2 Kết quả mơ phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp
Hình 4.3 Sơ đồ mơ phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy
Hình 4.4 Mơ phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy
Hình 4.5 Mơ phỏng khối DC-AC, gồm 3 nghịch lưu một pha ghép lại
Hình 4.6 Dịng điện tải
Hình 4.7 Mơ phỏng điện áp

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

4

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

21
24
24
25
32
33
33
34
35
36
39
40
42
43
45
46
47


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ

TỔNG QUAN
1. Tính cấp thiết của để tài:
Các bộ biến đổi điện là vấn đề kinh điển, tuy nhiên để nâng cao chất lượng
điện áp và độ ổn định cũng như khắc phục tính phi tuyến của điện áp là vấn đề
thời sự. Ở Việt Nam hiện nay có khá nhiều nhà máy phong điện với công suất
khác nhau, việc nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng điện áp như một nhu cầu

quan trọng trong hệ thống điện.
Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở
Việt Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng
song song với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phịng,
sản xuất, cơng nghiệp, du lịch,... Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng
lên ngày một rõ rệt.
Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng
lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát
triển khá mạnh mẽ và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng
năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình
là các thuyền buồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV.
Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn
nhiên liệu khai thác được từ lịng đất và vấn đề ơ nhiễm mơi trường do việc đốt
hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hố thạch.
Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các
dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được
nhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các
thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử
dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng
các thiết bị và quy mô ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất
của sức gió là để tạo ra hệ thống phát điện. Vì vậy đề tài:
“Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất
nhỏ” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế
- xã hội ở Việt Nam hiện nay.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

5

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ.
Phong điện thường xuyên làm việc ở vùng tốc độ khơng ổn định, điện áp có tính
phi tuyến.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Các kết quả dự kiến giúp nâng cao chất lượng điện áp trong trạm phát phong
điện và khai thác vận hành, cải tiến các thiết bị hiện có.
3. Phương pháp nghiên cứu:
Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương
pháp nghiên cứu sau đây:
- Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về ứng
dụng các nguồn NLM & TT trên thế giới và ở Việt Nam.
- Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam để đưa ra biện pháp
sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất.
- Xây dựng mơ hình và mơ phỏng trong hệ thống.
4. Nội dung nghiên cứu:
Bản luận văn được chia làm 4 chương với nội dung như sau:
Chương 1 Tổng quan về năng lượng sạch và phong điện
Nghiên cứu về các nguồn năng lượng mới và tái tạo và hệ thống năng
lượng gió.
Chương 2 Nghiên cứu về máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu và hệ
thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC
- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam
châm vĩnh cửu.
- Nghiên cứu về hệ thống hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng

MĐĐB-KTVC
Chương 3 Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi dùng trong trạm phát phong
điện công suất nhỏ
HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

6

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ
- Cầu ba pha chỉnh lưu không điều khiển
- Bộ biến đổi DC-DC
- Bộ biến đổi AC-DC
- Bộ biến đổi DC-DC tăng giảm áp
Chương 4 mô phỏng các bộ biến đổi trên Mat lap & Simulink
- Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp
- Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hạ áp
- Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

7

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH VÀ PHONG ĐIỆN

1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo.
1.1.1. Nguồn năng lượng mặt trời.
Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát
triển của sự sống trên trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong
phú mà thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta. Năng lượng mặt trời thu được trên
trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến trái đất.
Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt
nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
1.1.2. Nguồn năng lượng gió.
Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi
chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh
lệch nhiệt độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối khơng khí từ
những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất
thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu.
1.1.3. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ.
Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm
năng về năng lượng (gọi là thuỷ năng). Thông thường nguồn thuỷ năng phụ
thuộc vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua. Nguồn thuỷ năng có thể
phân bố đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối. Để tập trung năng lượng
của dòng chảy, nghĩa là để tạo được độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và
hạ lưu người ta sử dụng một số phương pháp kiểu trạm thuỷ điện như: Phương
pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn, phương pháp tập trung năng lượng
bằng đường dẫn và phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy.
1.1.4. Nguồn năng lượng sinh khối.
Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn
cũng như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà
HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

8

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ
phê..., các loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm.... Sinh
khối là nguồn năng lượng đầu tiên của loài người và mặc dù ngày nay các nguồn
năng lượng hoá thạch như: tha đá, dầu mỏ, khí đốt là các nguồn năng lượng
chính nhưng sinh khối vẫn cịn được sử dụng với một khối lượng và tỉ lệ khá lớn,
nhất là ở các nước đang phát triển.
Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh. Nó tồn tại và
phát triển được trên hành tinh chúng ta là nhờ có ánh sáng mặt trời. Các loại thực
vật hấp thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các
khoáng chất, nước và các nguyên tố vô cơ khác thành các chất hữu cơ. Phản
ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật. Nếu kể đến
cả sản phẩm oxy của phản ứng quang hợp ta có thể nói rằng sinh khối nói chung
và thực vật nói riêng có ý nghĩa quyết định đối với sự sống trên hành tinh chúng
ta.
Năng lượng sinh khối hồn tồn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá
thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề.
1.1.5. Nguồn năng lượng địa nhiệt.
Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một
lớp vỏ khơng khí khơng dày lắm, nhiệt độ lên đến 10000 C đến hơn 40000 C.
Còn ở lớp trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình qn trong năm là 150
C, dưới lớp đó là một lớp có nhiệt độ bình qn là 5400 C, cịn tại lớp lõi trong
nhiệt độ bình quân là 70000 C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành
với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt
nhân, sự phân hủy các chất phóng xạ tiến hành thường xun trong lịng Trái đất
như Thori (Th), Protactini (Pa), Urani (U)...vv, năng lượng do các phản ứng
phóng xạ được tích tụ trong lịng quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ
làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp suất cao. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy

địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ơn, tức là tầng có nhiệt độ khơng chịu ảnh
hưởng của nhiệt độ Mặt Trời. Dưới tầng Thường ôn càng xuống sâu nhiệt độ
càng tăng.
Theo đánh giá của các chun gia, có khoảng 10% diện tích vỏ quả đất có
chữa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó. Các nguồn này
có thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn.
1.1.6. Nguồn năng lượng đại dương.
Nguồn năng lượng này được chia thành 3 loại chính: Năng lượng thuỷ
triều, năng lượng nhiệt đại dương và năng lượng sóng biển. Tiềm năng là vơ
cùng to lớn, gió thổi trên một khoảng khơng gian bao la trên các đại dương sẽ tạo
HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

9

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ
ra sóng biển dữ dội, liên tục và mang theo một nguồn năng lượng có thể nói là
vơ tận. Thuỷ triều là kết quả giữa lực hút của mặt trời, mặt trăng với quả đất và
do sự chuyển động của quả đất xung quanh mặt trời, cũng như sự quay xung
quanh trục nghiêng của quả đất.
Với năng lượng nhiệt đại dương có thể xem như một nhà máy nhiệt
hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự
các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại
không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. Nhiệt độ đại dương không biến đổi
nhiều từ ban ngày sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định.
tuy nhiên có thể sẽ thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích
đạo.
Cuối cùng là năng lượng sóng biển, đây cũng là một nguồn năng lượng

rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý,
thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời
gian từng giờ, từng ngày và từng mùa.
1.2. Hệ thống năng lượng gió.
1.2.1. 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 toàn 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 toàn 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.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

10

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ

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

công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên tới hàng chục MW.
1.2.2. Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió.
1.2.2.1. Khái niệm về năng lượng gió.
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên
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 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.
1.2.2.2. 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.
HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

11

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ

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 .
HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

12

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ
- 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 khơng q cao hay q 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.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

13

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ
Hình 1.1 Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang

1.2.2.3. Cơng suất tuabin gió.
Dãy cơng suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới cơng 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 thơng hoặc bơm nước đơi 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.
1.2.2.4. 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
khơng thể thu được năng lượng cực đại từ gió.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

14

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ

Gearbox

IG

Soft
starter
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.

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp
giữa stator và lưới
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
HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

15

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ
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 (PMSG)

Gear
Box

NLMF

NLPL

=

~

SG

Grid

=

~

Hình 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC)

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU VÀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG
MĐĐB-KTVC.
2.1. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
2.1.1. Khái niệm chung.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet Synchhronous
Generator) là máy phát điện đồng bộ có cơng suất nhỏ, tuy nhiên điểm khác biệt
của nó với các máy phát đồng bộ thông thường là ở phần cảm (roto ) từ thông
được tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu mà khơng dùng cuộn dây kích từ.
Máy phát điện đồng bộ hoạt động duy nhất ở tốc độ đồng bộ, tốc độ không
đổi này được xác định bằng số đôi cực và tần số điện áp của cuộn dây phần ứng.
Máy điện đồng bộ được gọi là máy đồng bộ bởi vì tốc độ của chung tỷ lệ bậc
nhất với tần số điện áp của cuộn dây stato.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

16

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ
Do đó tốc độ đồng bộ được xác định bằng công thức sau:
edb =

2πf
ω
=
p/2 p/2

Hoặc

ndb =

120π
p

(rad/s)
(vịng/phút)

Trong đó:
ωdb: Tốc độ của từ trường quay.
ω là tần số góc của hệ thống điện.
F là tần số điện Hz
p là số đôi cực.
Khi roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay, tần số điện áp của
Stato cũng có thể xác định bằng cơng thức :
p.ndb
ndb =

120
2.1.2. Cấu tạo của PMSG :
+ Stato: Bao gồm lõi thép được dập từ những lá thép kỹ thuật điện hình trịn,
bên trong có các rãnh ép lại với nhau để đặt các cuộn dây. 3 cuộn dây AX, BY,
CZ được quấn giống hệt nhau theo phương pháp quấn thông thường và lệch nhau
120 độ điện.

+ Rô to: Làm bằng các lá thép kỹ thuật điện mỏng dập và ép thành khối trụ trịn,
bên ngồi có gắn các miếng nam châm vĩnh cửu (như hình vẽ) , ở giữa có gắn
trục quay và vịng bi .
Tùy từng u cầu về cơng nghệ mà ta có thể chế tạo những loại roto nam châm
vĩnh cửu khác nhau: Những máy phát tuabin có vịng quay nhỏ thì máy cần số
lượng cặp cực từ phải lớn do đó xung quanh các lá thép ro to được dập thành
nhiều rãnh nhỏ để gắn nam châm vĩnh cửu.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

17

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ

Đối với các máy phát có tuabin số vịng quay lớn thì số lượng cặp cực từ
rất nhỏ, nam châm có kích thước lớn và được gắn trực tiếp vào bên ngồi rơ to
hoặc được gắn sâu vào bên trong các lá thép kỹ thuật điện đảm bảo khi ro to
quay với tốc độ lớn thì nam châm vĩnh cửu khơng bị văng ra ngồi.
+Vỏ: làm bằng gang hoặc hợp kim được đúc hình trụ tròn bao lấy Stato, hai
bên đầu được gọi là các mặt bích có nhiệm vụ đỡ trục quay bằng các vịng bi.

2.1.3. Ngun lý hoạt động:
PMSG có ngun lý hoạt động tương tự như các loại máy phát đồng bộ
3 pha thơng thường. Khi Tuabin quay thì thơng qua hệ thống truyền động gắn
với rôto của máy phát làm rô to quay. Nhờ nguyên lý cảm ứng điện từ mà từ
thông do các cặp cực từ nam châm vĩnh cửu sinh ra lần lượt đi sẽ móc vịng qua
khe hở khơng khí vào các cuộn dây phần ứng .Do đó làm cho các cuộn dây này
lần lượt xuất hiện sức điện động cảm ứng. Sức điện động này được tạo ra có biên
độ giống nhau nhưng lệch nhau 120 độ điện. Khi các đầu dây của cuộn dây được
đấu ra ngoài ta nhận được một nguồn điện 3pha .
Sức điện động cảm ứng trong mỗi cuộn dây có thể xác định bằng các công
thức như sau:
eA(t)= E0 Sin ωt
eB(t)= E0 Sin (ωt – 1200).
ec(t)= E0 Sin (ωt – 2400).
Trong đó sức điện động cực đại trong tất
cả các pha của 3 pha stato là
E0= ω.w.Φ
Tuy nhiên nếu dây quấn được quấn rải
trên stato, thì sức điện động cảm ứng
nhỏ hơn và được tính bằng cơng thức:
E0 = ω.w.Φ.Kdq= 2πf w.Φ.Kdq
Trong đó:
w là số vịng dây quấn trong một pha.
HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

18

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ
Φ là từ thông dưới một cực từ do nam châm sinh ra.
Kdq là hệ số dây quấn.
Giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng sẽ là:
2π
E=
fwΦK dq
2
Hay E = 4,44. f w.Φ.Kdq
2.1.4. Máy phát điện PMSG.
Tốc độ gió có lưu lượng nước thấp, khơng ổn định làm cho tốc độ vịng
quay của tuabin thấp ta chọn máy phát điện nam châm vĩnh cửu PMSG.
Ta chọn PMSG có các thơng số sau đây:
Mơ
Cơng suất Điện áp ra AC Tốc độ Số cực Tần số
men
quay roto
xoắn
(P)
(U)
(n )
(p )
(f )
(M)

Dòng Hiệu
điện ra suất
(I )
(H)

6 kw
180V
250rpm 24
50Hz 306Nm 16.9A 93,8%
(Máy được sản xuất bởi Công ty thương mại và XNK Nam Kinh Lewis; Địa
chỉ: TP Nam Kinh, Giang Tô, Trung Quốc;Webside: )
2.2. 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.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

19

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện cơng suất nhỏ
Gear
Box

CL

NLPL

~
SG

Grid

=
=

~

Hình 2.1. 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

NLM
F

NLPL

~

SG

Grid

=

=

~

Hình 2.2. 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 2.1, hoặc sử dụng bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) như hình
2.2.

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

20

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ
Để đầu ra của hệ thống có thể cung cấp nguồn điện chất lượng cao hay
cịn được gọi là điện năng thương mại thì cấu trúc chính của hệ thống biến
đổi điện gồm những phần chính sau:
+ Máy phát PMSG.
+ Hộp số.
+ Bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn điện 3 pha AC- DC.
+ Bộ biến đổi DC-DC.
+ Bộ nạp Ắc quy.
+ Ắc Quy.
+ Bộ nghịch lu DC- AC.

+ Mỏy bin ỏp.

chỉnh
lưu Cầu 3

turbine

Bộ bbđ
dc- dc

Bộ bbđ
dc- ac
ắc quy

PMSG

dC

HP
S

A

DC
MBA
/y

DC

AC

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển

Hỡnh 2.3 Cu trỳc chung của hệ thống

HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH

21

HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

B
C
N