Tài liệu Mô hình hóa và điều khiển máy phát điện cảm ứng nguồn kép trong hệ thống tua bin gió

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

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

NGUYỄN CƠNG THỜI
“MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT
ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP TRONG HỆ
THỐNG TUA BIN GIÓ”

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã ngành: 60520202
TP. HCM, tháng …/2016


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

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

NGUYỄN CƠNG THỜI
“MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT
ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP TRONG HỆ
THỐNG TUA BIN GIÓ”

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã ngành: 60520202
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP. HCM, tháng .../2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương.
Luận văn Thạc sỹ được bảo vệ tại: Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM
ngày … tháng… năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm , học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sỹ)
TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS.TS Trương Việt Anh

2

TS. Đinh Hoàng Bách

Phản biện 1

3

TS. Nguyễn Hùng

Phản biện 2

4

PGS.TS. Lê Chí Kiên

5

TS. Đồn Thị Bằng

Chủ tịch

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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

PGS.TS Trương Việt Anh


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Công Thời

MSHV:1341830036

Ngày, tháng, năm sinh: 04/07/1987

Nơi sinh: Tỉnh Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số : 60520202

I. Tên đề tài: Mơ hình hóa và điều khiển máy phát điện cảm ứng nguồn kép trong
hệ thống tua bin gió.
II. Nhiệm vụ và nội dung :
- Xây dựng mơ hình và điều khiển máy phát điện cảm ứng nguồn kép trong hệ thống
tua bin gió thay đổi.
- Điều khiển máy phát điện cảm ứng nguồn kép với bộ chuyển đổi ba cấp và so sánh
với bộ chuyển đổi hai cấp truyền thống.
III. Ngày giao nhiệm vụ

: …/…/201…

IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : …/…/201…
V. Cán bộ hướng dẫn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương

: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong
Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và
các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Trong q trình thực
hiện Luận văn Tơi luôn chấp hành tốt nội quy, quy định của tổ chức mà tôi tham gia.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Công Thời


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Thanh Phương, Người đã từng bước
giúp đỡ Em hoàn thành luận văn này.
Xin cảm ơn quý Thầy, Cô đã cho em những kiến thức nền tản quý báu.
Xin cảm ơn trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ; Khoa Cơ-Điện-Điện tử ;
P. Quản lý sau đại học, tập thể Anh, Chị lớp 13SMĐ11, đã tạo điều kiện cho Em thực
hiện luận văn này.
Cuối cùng, xin được cảm ơn Ba, Mẹ đã nuôi con khôn lớn.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Công Thời


iii

TĨM TẮT
Điều khiển tua bin gió DFIG, đã và đang là vấn đề nóng trong điều khiển tua bin
gió, các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước đã thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên điều
khiển cho DFIG vẫn là một bài tốn nóng cần giải quyết. Do đó, bài luận văn này sẽ nghiên
cứu chi tiết mơ hình của hệ thống tuabin gió có kết nối lưới điện được trang bị máy phát
điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) gồm mơ hình DFIG, các mơ hình khí động học của tuabin
gió, hệ thống truyền động và mơ hình bộ nghịch lưu PWM ba pha hai cấp truyền thống,
bộ nghịch lưu PWM ba pha ba cấp.
Để điều khiển tối ưu hóa hệ thống tua bin gió cũng như đạt được hiệu suất cao từ đầu ra
WTGS, cần phát triển những phương pháp điều khiển dựa trên các mơ hình WTGS đã có
trước đây. Giải thuật điều khiển này bao gồm điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới, điều
khiển nghịch lưu phía máy phát, điều khiển bám điểm công suất cực đại và điều khiển
góc cánh. Bộ điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới được sử dụng để giữ cho điện áp DC-link
không đổi và tạo ra hệ số công suất của WTGS đồng nhất với lưới điện. Bộ điều khiển bộ
nghịch lưu phía máy phát có khả năng điều chỉnh mơ-men cơ học, công suất tác dụng và
công suất phản kháng. Bộ điều khiển theo dõi, bám điểm công suất cực đại được sử dụng
lấy giá trị tham chiếu cho công suất tác dụng tại các điểm đầu cuối stato. Bộ điều khiển
góc cánh được sử dụng để điều chỉnh góc đón gió của cánh tuabin, từ đó ổn định được
cơng suất danh định ở đầu ra, ngay cả trong trường hợp xuất hiện hiện tượng gió giật, gió
có tốc độ cao, hay tốc độ q thấp.
Do đó, các mơ hình và sơ đồ điều khiển định hướng từ thông cho bộ nghịch lưu kẹp điểm
trung tính ba cấp (NPC) cũng được nghiên cứu và áp dụng cho WTGS DFIG.

iv

ABSTRACT
Wind farm control Asynchronous dual source - DFIG, is and has been a important
issues in the wind farm control. The research projects in the country and abroad have done
so much. However control for DFIG is still a hot problem to be solved. Therefore this
thesis will provide detailed models of a grid-connected wind turbine system equipped with
a doubly-fed induction generator (DFIG), which includes the aerodynamic models of the
wind turbine, the models of the mechanical transmission system, the DFIG models and the
three-phase two-level PWM voltage source converter models. In order to obtain satisfying
output power from the WTGS, control strategies are also necessary to be developed based
on the previously obtained WTGS models. These control schemes include the grid-side
converter control, the generator-side converter control, the maximum power point tracking
control and the pitch angle control. The grid-side converter controller is used to keep the
DC-link voltage constant and yield a unity power factor looking into the WTGS from the
grid-side. The generator-side converter controller has the ability of regulating the torque,
active power and reactive power. The maximum power point tracking control is used to
provide the reference values for the active power at the stator terminals. The pitch angle
control scheme is used to regulate the pitch angle and thus keep the output power at rated
value even when the wind speed experiences gusts. Various studies in the literature have
reported that two-level converters have several disadvantages compared with three-level
converters. Among the disadvantages are high switching losses, high dv/dt, and high total
harmonic distortion (THD). Hence, the models and field oriented control schemes for
three-level neutral-point-clamped (NPC) converters are also investigated and applied to a
WTGS. Besides, an advanced modulation technology, namely, space vector PWM
(SVPWM), is also investigated and compared to traditional sinusoidal PWM in a WTGS
DFIG.


v

MỤC LỤC
TÓM TẮT .................................................................................................................... i
ABSTRACT ............................................................................................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT................................................................ viii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xvi
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. xx
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
1.1. Giới thiệu .............................................................................................................. 1
1.2. Đặc vấn đề ............................................................................................................ 2
1.3.Tổng quan tình hình nghiên cứu. .......................................................................... 3
1.3.1. Mơ hình của hệ thống tua bin gió ...................................................................... 3
1.3.2. Phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện tua bin gió ........................... 4
1.3.2.1. Điều khiển góc cánh (Pitch angle) ................................................................. 4
1.3.2.2. Điều khiển theo dõi, bám điểm công suất cực đại ......................................... 5
1.3.2.3. Điều khiển DFIG ............................................................................................ 6
1.3.3. Cấu trúc liên kết bộ nghịch lưu công suất của hệ thống máy phát tua bin gió . 7
1.4. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................... 8
1.5. Phạm vi nghiên cứu. ............................................................................................. 8
1.6. Bố cục của luận văn. ............................................................................................ 9
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HỆ THỐNG TUA BIN GIĨ DFIG .................................. 10
2.1. Giới thiệu ............................................................................................................ 10
2.2. Cấu tạo tua bin gió. .......................................................................................... 12
2.3. Cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió và vùng hoạt động của tua bin gió 13
2.3.1. Tua bin gió có tốc độ cố định (WT Loại A) .................................................... 14
2.3.2. Tua bin gió có tốc độ thay đổi có Điện trở roto biến thiên (WT Loại B) ....... 14
2.3.3. Tuabin gió có tốc độ thay đổi, bộ nghịch lưu công suất phạm vi cục bộ (WT
Loại C) ....................................................................................................................... 14

vi

2.3.4. Tuabin gió biến đổi có bộ nghịch lưu cơng suất bằng công suất máy phát (WT
Loại D): ..................................................................................................................... 15
2.3.5. Ưu nhược điểm của các loại tua bin gió. ......................................................... 15
2.3.6. Vùng hoạt động của hệ thống tua bin gió ....................................................... 17
2.4. Mơ hình DFIG .................................................................................................... 21
2.4.1. Mơ hình DFIG biểu diễn trong hệ quy chiếu ABC ......................................... 21
2.4.2. Mô hình DFIG được biểu diễn trong Hệ quy chiếu DQO-dqo cố định trên
Roto ........................................................................................................................... 26
2.4.3. Mơ hình DFIG được biểu diễn trong Hệ quy chiếu DQO-dqo gắn trên stato 30
2.4.4. Mơ hình DFIG được biểu diễn trong Hệ quy chiếu quay đồng bộ DQO-dqo. 32
2.4.5. Mơ hình rút gọn được biểu diễn trong Hệ quy chiếu Quay đồng bộ DQO-dqo
................................................................................................................................... 39
2.5. Bộ chuyển đổi Back To Back (VSC) hai cấp ..................................................... 45
2.5.1. Mơ hình bộ chuyển đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) hai cấp được biểu diễn
trong hệ quy chiếu ABC ............................................................................................ 46
2.5.2. Mơ hình bộ chuyển đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) hai cấp được biểu diễn
trong hệ quy chiếu đồng bộ hóa DQ ......................................................................... 49
2.5.3. Kết quả mô phỏng cho Bộ chỉnh lưu nguồn điện áp ba pha hai cấp ............... 50
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN DFIG TRONG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TỐC ĐỘ
THAY ĐỔI ................................................................................................................ 53
3.1. Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới điện, điều khiển ổn định điện áp DC-link 54
3.2. Điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát, điều khiển độc lập cơng suất P,Q .... 64
3.3. Theo dõi, điều khiển bám điểm công suất cực đại ............................................. 71
3.4. Điều khiển góc cánh (Pitch Angle Control) ....................................................... 72
CHƯƠNG 4. MƠ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU BA TRONG HỆ THỐNG TUA BIN
GIÓ DFIG.................................................................................................................. 92
4.1. Giới thiệu ............................................................................................................ 92

4.2. Mơ hình hóa bộ nghịch lưu ba cấp kẹp điểm trung tính NPC............................ 93
4.3. Chất lượng điện của DFIG với bộ chuyển đổi 3 cấp.......................................... 97


vii

4.4. So sánh giữa Bộ chuyển đổi hai cấp và chuyển đổi ba cấp trong hệ thống máy
phát tua bin gió DFIG. ............................................................................................. 104
4.4.1. Chỉ tiêu THD, đánh giá chất lượng kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu 2 cấp và
3 cấp. ....................................................................................................................... 104
4.4.2. Thảo luận các kết quả. ................................................................................... 111
4.4.3. Kết Luận ........................................................................................................ 111
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 112
5.1. Kết luận ............................................................................................................ 112
5.2. Xu hướng của tua bin gió trong tương lai. ....................................................... 113
5.3. Kiến nghị .......................................................................................................... 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 115


viii

DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
WTGS

Hệ thống máy phát điện tua bin gió có tốc độ thay đổi

WT

Tua bin gió

DFIG

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép

THD

Biến dạng tồn phần

PWM

Điều chế độ rộng xung

DPC

Điều khiển nguồn trực tiếp

VSC

Bộ chuyển đổi nguồn áp

SVPWM

không gian véc tơ PWM

PMSG

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

MPPT

Theo dõi bám điểm công suất cực đại

FOC

Điều khiển định hướng từ thông

DTC

Điều khiển mô-men cơ trực tiếp

IGBT

Transitor bán dẫn có cổng cách điện

NPC

Điểm trung tính bị kẹp

VSI

Bộ biến đổi nguồn điện áp

Pωt

Công suất thu được của tua bin gió

ρ

Mật độ khơng khí

R

Bán kính cánh roto

vω

Vận tốc gió

Cp

Hệ số cơng suất của tuabin gió

β

Góc pitch

λ

Tỷ số tốc độ đầu cánh

JB1, JB2, JB3

Quán tính của ba cánh tua bin gió

JH

Qn tính ổ trục

JGB

Qn tính hộp số

JG

Qn tính máy phát

KHB

Hệ số co giãn giữa ổ trục và cánh.


ix

KHGB

Hệ số co giãn giữa ổ trục và hộp số

KGBG

Hệ số co giãn giữa hộp số và máy phát

DHB

Độ giảm sóc tương hỗ giữa ổ trục và lưỡi

dHGB

Giảm sóc tương hỗ giữa ổ trục và hộp số

d GBG

Giảm sóc tương hỗ giữa hộp số và máy phát

DB1, DB2, DB3

Tự giảm sóc của ba cánh tua bin

DH

Tự giảm sóc của ổ trục

DGB

Tự giảm sóc của hộp số

DG

Tự giảm sóc của máy phát điện

TB1, TB2, TB3

Ba mơ-men xoắn khí động học tác dụng lên ba cánh

TG

Mô-men cơ của máy phát

θB1, θB2, θB3, θH

Vị trí góc của ba cánh, ổ trục, hộp số và máy phát.

θGB, θG
ωB1, ωB2, ωB3, ωH

Vận tốc góc của ba cánh, ổ trục, hộp số và máy phát

ωGB, ωG
Jwt

Quán tính kết hợp của tua bin gió

Dwt

giảm sóc kết hợp của tua bin gió

Tw

Mơ-men xoắn kết hợp của tua bin gió

θwt

vị trí góc của tua bin gió

ωwt

Vận tốc góc của tua bin gió

J G2 m

Qn tính kết hợp của máy phát

K 2m

Hệ số co giãn kết hợp giữa tua bin sức gió và máy phát

DG2 m

Tự giảm sóc của máy phát

d2m

Giảm sóc tương hỗ giữa tua bin gió và máy phát

G2 m

Vị trí góc kết hợp của máy phát điện.

G2 m

Vận tốc góc của máy phát điện

SB

Cơng suất biểu kiến (VA)

ω0

Vận tốc góc cơ sở (rad/s)

x

P

Số cực của máy phát

NGB

Tỷ số vận tốc hộp số

B'

Tốc độ góc cơ sở trục máy phát (rad/giây)

TB'

Mơ-men xoắn cơ sở đầu trục máy phát(Nm)

 B'

Tốc độ góc cơ sở (rad) trục tốc độ cao

J B'

Quán tính cơ sở (Nm/(rad/giây)) ở phía tốc độ cao

K B'

Hệ số cứng cơ sở (Nm/(rad/giây)) ở phía tốc độ cao

DB' , d B'

Hệ số giảm sóc cơ sở (Nm/(rad/giây)) ở phía tốc độ cao

σ

Góc giữa trục từ tính của cuộn dây pha A stato, và cuộn dây pha
a roto

ωr

Tốc độ góc của roto

vA,vB,vC

Điện áp đầu cuối của stato

va,vb,vc

Điện áp đầu cuối của roto

iA,iB,iC

Dòng điện stato trong hệ quy chiếu ABC

ia,ib,ic

Dòng điện roto trong hệ quy chiếu ABC

rs

Điện trở của cuộn dây stato

rr

Điện trở của cuộn dây roto

Lss

Độ tự cảm của cuộn dây stato

Lsm

Điện cảm tương hỗ giữa hai cuộn dây pha stato bất kỳ

Lrr

Độ tự cảm của cuộn dây pha roto

Lrm

Điện cảm tương hỗ giữa hai cuộn dây roto bất kỳ

Lsrm

Điện cảm tương hỗ tối đa giữa các cuộn dây pha stato và roto

V ABC

Véc tơ điện áp stato

V abc

Véc tơ điện áp roto

I ABC

Véc tơ dòng điện stato

I abc

Véc tơ dòng điện roto

 ABC

Véc tơ liên kết từ thông stato


xi
 abc

Véc tơ liên kết từ thông roto

R ss

Ma trận điện trở stato

R rr

Ma trận điện trở roto

Lss

Ma trận tự cảm và điện cảm tương hỗ của stato

L rr

Ma trận tự cảm và điện cảm tương hỗ của roto

L sr

Ma trận điện cảm tương hỗ giữa cuộn dây roto và stato

T sro

Ma trận biến đổi stato trên hệ quy chiếu được cố định trên roto

T rro

Ma trận biến đổi roto trên hệ quy chiếu được cố định trên roto

vDro,vQro,vOro

Điện áp đầu cực stato được biểu diễn trong hệ quy chiếu roto
DQO

vdro,vqro, vOro

Điện áp đầu cực roto được biểu diễn trong hệ quy chiếu roto dqo

iDro, iQro, iOro

Dòng điện đầu cực stato được biểu diễn trong hệ quy chiếu roto
DQO

idro, iqro, ioro

Dòng điện đầu cực roto được biểu diễn trong hệ quy chiếu roto
dqo

Tsst

Ma trận biến đổi stato cho hệ quy chiếu cố định stato

Trst

Ma trận biến đổi roto cho hệ quy chiếu cố định stato

vDst, vQst, vOst

Điện áp đầu cực stato được biểu diễn trong hệ quy chiếu stato cố
định DQO

vdst,vqst, vost

Điện áp đầu cực roto được biểu diễn trong hệ quy chiếu cố định
stato dqo

iDst, iQst, iOst

Dòng điện pha stato được biểu diễn trong hệ quy chiếu stato cố
định DQO

idst, iqst, iost

Dòng điện pha roto được biểu diễn trong hệ quy chiếu stato cố
định dqo

s

Tốc độ đồng bộ

Ts

Ma trận biến đổi stato cho hệ quy chiếu quay đồng bộ

Tr

Ma trận biến đổi roto cho hệ quy chiếu quay đồng bộ


xii

vD, vQ, vO

Điện áp đầu cực stato được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay
đồng bộ trong DQO

vd , vq , vo

Điện áp đầu cực roto được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay đồng
bộ t rong dqo

iD, iQ, iO

Dòng điện pha stato được biểu diễn trong hệ quy chiếu
quay đồng bộ DQO

id, iq, io

Dòng điện pha roto được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay đồng
bộ dqo

rm

Tốc độ quay cơ học

Tdev

Ma trận Mô-men phát triển

Ps

Công suất tác dụng của DFIG

Qs

Công suất phản kháng của DFIG

vds, ids,ds

Liên kết từ thông, dòng điện và điện áp đầu cực stato trục d trong
mơ hình thứ tự 4 được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay đồng bộ

vqs, iqs,qs

Liên kết từ thơng, dịng điện và điện áp đầu cuối trục q stato trong
mô hình thứ tự 4 được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay đồng
bộ

vdr, idr,dr

Liên kết từ thơng, dịng điện và điện áp đầu cuối trục d roto trong
mơ hình thứ tự 4 được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay đồng bộ

vqr, iqr,qr

Liên kết từ thơng, dịng điện và điện áp đầu cuối trục d roto trong
mơ hình thứ tự 4 được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay đồng bộ

Ls

Điện cảm rị stato

Lr

Điện cảm rị roto

Lm

Điện cảm từ hóa

eat, ebt, ect

Nguồn áp của bộ chỉnh lưu PWM ba pha

Rg

Điện trở phía AC của bộ chỉnh lưu PWM ba pha

Lg

Điện cảm phía AC của bộ chỉnh lưu PWM ba pha


xiii

iag, ibg, icg

Dòng điện đầu vào của bộ chỉnh lưu PWM ba pha

C

Tụ liên kết DC link của bộ chỉnh lưu PWM ba pha

RL

Điện trở tải của bộ chỉnh lưu PWM ba pha

idc

Dòng điện liên kết DC-link

iL

Dòng điện tải cảm

vdc

Điện áp DC

Skka, b, c

Hàm chuyển mạch của pha k

va,0, vb,0, vc,0

Điện áp phía AC của bộ chỉnh lưu PWM đến điểm trung tính 0
nguồn điện

vN,0

Điện áp điểm N đến điểm trung tính, 0 của bộ chỉnh lưu PWM

va,N, vb N, vc N

Điện áp từ phía AC của bộ chỉnh lưu PWM đến điểm N.

T

Ma trận biến đổi của bộ chỉnh lưu PWM ba pha



Góc giữa hệ quy chiếu cố định đến hệ quy chiếu đồng bộ

gs

Tốc độ đồng bộ của điện áp đầu vào ba pha hoặc điện áp phía lưới
điện Sd,Sq Hàm chuyển mạch biểu diễn trong hệ quy chiếu đồng bộ
DQ

idg, iqg

Dòng điện đầu vào biểu diễn trong hệ quy chiếu đồng bộ DQ

ed , e q

Điện áp đầu vào biểu diễn trong hệ quy chiếu đồng bộ DQ

m

Chỉ số điều biến

Pg

Công suất hiệu dụng của bộ nghịch lưu phía lưới điện

Qg

Cơng suất phản kháng của bộ nghịch lưu phía lưới điện


xiv


Góc giữa trục α của hệ quy chiếu cố định và trục D của hệ quy chiếu
đồng bộ

e, e

Điện áp phía lưới điện biểu diễn trong hệ quy chiếu cố định

vd , v q

Tín hiệu điện áp điều khiển của bộ nghịch lưu phía lưới điện

VLa

Sụt điện áp tự cảm bên AC của pha a

V(a , 0 )

Điện áp từ phía AC của bộ nghịch lưu phía lưới điện đến điểm trung
tính của nguồn điện, 0 của pha a

Em

Độ lớn điện áp đầu vào phía AC

Vm

Độ lớn của điện áp phía AC đến điểm trung tính của nguồn điện

Im

Độ lớn của dịng điện phía AC phía lưới điện của bộ nghịch lưu

vma

Tín hiệu điều biến cho pha-a

vr

Tín hiệu sóng mang của SPWM

Vma

Độ lớn của tín hiệu điều biến cho pha-a

VT

Độ lớn của tín hiệu sóng mang

va1

Thành phần cơ bản của điện áp từ phía AC của bộ chuyển đổi phía
lưới điện đến điểm trung tính của nguồn điện, 0

s, s

Liên kết từ thông stato biểu diễn trong hệ quy chiếu cố định α, β

s

Từ thơng tổng stato

s

Vị trí góc từ thơng stato

is, is

Dịng điện stato trục α, β được biểu diễn trong hệ quy chiếu cố
định.


xv

ir, i r

Dòng điện roto trục α, β được biểu diễn trong hệ quy chiếu cố
định

xs, ys

Liên kết từ thông stato trục DQ biểu diễn trong hệ quy chiếu từ
thông stato

ixr, iyr

Liên kết từ thông roto trục DQ được biểu diễn trong hệ quy chiếu
từ thơng stato

ixs, iys

Dịng điện stato trục DQ được biểu diễn trong hệ quy chiếu từ thơng
stato

ixr, iyr

Dịng điện roto trục DQ biểu diễn trong hệ quy chiếu từ thơng stato

ims

Dịng điện từ hóa của máy phát

vxr, vyr

Điện áp đầu cực roto trục DQ được biểu diễn trong hệ quy chiếu từ
thơng stato

s

Vận tốc góc của từ thơng stato

vxr, vyr

Tín hiệu điều khiển của bộ nghịch lưu phía máy phát

Pmax

Giá trị cơng suất cực đại

βref

Góc cánh tham chiếu


V*

Véc tơ điện áp đầu ra tham chiếu

 

V0 ,V1 ,...,V7

Véc tơ điện áp của bộ nghịch lưu hai bậc

T0 ,T1,..., T7

Thời gian mở của vector V0 ,V1 ,...,V7

Sa

Trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển đối ba cấp cho pha-

 



xvi

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ tuabin gió thay đổi (WTGS) và DFIG. .................................................. 11
Hình 2.2: Chiều của dịng năng lượng qua máy phát DFIG ở chế độ dưới đồng bộ hình
a), chế độ trên đồng bộ hình b) [2]. ............................................................................... 11
Hình 2.3: Thành phần Hệ thống máy phát điện tua bin gió. ............................................ 12
Hình 2.4: Đường cong cơng suất lý tưởng của tua bin gió. ............................................. 18
Hình 2.5: So sánh ba phương pháp khi góc cánh bằng khơng. ........................................ 20
Hình 2.6: Mặt cắt ngang máy phát điện cảm ứng nguồn kép. ......................................... 21
Hình 2.7: Biến đổi ABC đến DQO-dqo gắn trên roto. .................................................... 28
Hình 2.8: Biến đổi hệ quy chiếu tĩnh ABC đến DQO-dqo. ............................................. 30
Hình 2.9: Giản đồ biến đổi khung tham chiếu quay đồng bộ ABC đến DQO-dqo ......... 33
Hình 2.10: Mạch động lực bộ nghịch lưu PWM. ............................................................. 46
Hình 2.11: Mơ hình bộ nghịch lưu PWM ba pha hai cấp trong mơi trường
Matlab/Simulink. .............................................................................................................. 51
Hình 2.12: Điện áp DC-link trong bộ chỉnh lưu PWM hai cấp. ...................................... 51
Hình 3.1: Mạch PWM phía lưới điện. ............................................................................. 54
Hình 3.2: Sơ đồ véc tơ của hệ quy chiếu đồng bộ DQ cho bộ chuyển đổi phía lưới điện55
Hình 3.3: Biểu đồ pha của bộ chuyển đổi bên lưới điện. ................................................. 59
Hình 3.4: Điều biến dạng sóng SPWM. ........................................................................... 60
Hình 3.5: Mạch điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới điện. ............................................... 62
Hình 3.6: Mạch điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới điện ba pha trong mơi trường
Matlab/Simulink. .............................................................................................................. 63
Hình 3.7: Điện áp đầu vào ba pha bộ chuyển đổi phía lưới điện. ................................... 63
Hình 3.8: Điện áp DC-link. .............................................................................................. 64
Hình 3.9: Vectơ không gian của hệ quy chiếu tĩnh và từ thơng stato. ............................. 65
Hình 3.10: Chuyển đổi hệ quy chiếu quay đồng bộ ABC đến DQO-dqo. ....................... 66

Hình 3.11: Mơ hình bộ điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát. ................................... 70
Hình 3.12: Đường cong C p -λ........................................................................................... 72


xvii

Hình 3.13: Bộ điều khiển góc cánh .................................................................................. 73
Hình 3.14: Mơ hình hệ thống tuabin gió DFIG 1,5 MW. ................................................ 77
Hình 3.15: Tốc độ gió thay đổi theo nấc. ......................................................................... 78
Hình 3.16: Quan hệ cơng suất với sự thay đổi tốc độ gió. ............................................... 78
Hình 3.17: cơng suất tác dụng. ......................................................................................... 79
Hình 3.18: Cơng suất phản kháng. ................................................................................... 79
Hình 3.19: Góc cánh. ....................................................................................................... 80
Hình 3.20: Dịng điện stato ngang trục (p.u) (hệ quy chiếu từ thông stato). ............ Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.21: Dịng điện dọc trục stato (pu) (hệ quy chiếu từ thơng stato). ........................ 81
Hình 3.22: Dịng điện ngang trục roto (pu) (hệ quy chiếu từ thông stato). ..................... 82
Hình 3.23: Dịng điện dọc trục roto (pu) (khung tham chiếu từ thơng stato). ................. 82
Hình 3.24: Dịng điện roto (pu) (Hệ quy chiếu ABC). .................................................... 82
Hình 3.25: Dịng điện stato (pu) (Hệ quy chiếu ABC). ................................................... 83
Hình 3.26: Mơ-men điện từ (pu). ..................................................................................... 83
Hình 3.27: Điện áp DC-link. ............................................................................................ 84
Hình 3.28: Đường cong vận tốc gió. ................................................................................ 84
Hình 3.29: Cơng suất tác dụng (pu) với vận tốc gió thay đổi hình sin. ........................... 85
Hình 3.30: Cơng suất phản kháng (pu) với tốc độ gió thay đổi hình sin. ........................ 85
Hình 3.31: Dịng điện dọc trục stato (pu) với tốc độ gió thay đổi hình sin. ................... 86
Hình 3.32: Dịng điện ngang trục stato (pu) với vận tốc gió thay đổi hình sin. .............. 86
Hình 3.33: Dịng điện dọc trục roto (pu) với vận tốc gió thay đổi hình sin. .................... 87
Hình 3.34: Dịng điện ngang trục roto (pu) với vận tốc gió thay đổi hình sin. ................ 87
Hình 3.35: Dịng điện pha roto (pu) với vận tốc gió thay đổi hình sin. ........................... 88

Hình 3.36: Dịng điện pha stato (pu) với vận tốc gió thay đổi hình sin. .......................... 88
Hình 3.37: Mơ-men với vận tốc gió thay đổi hình sin. ................................................... 89
Hình 3.38: Tốc độ quay (pu) với vận tốc gió thay đổi hình sin. .................................... 89
Hình 3.39: Điện áp DC-link với vận tốc gió thay đổi hình sin. ....................................... 90
Hình 4.1a: Mạch cơng suất chính của bộ nghịch lưu kẹp điểm trung tính ba cấp. .......... 93


xviii

Hình 4.1b: Mơ hình, bộ điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 3 cấp........................................ 94
Hình 4.2: Tốc độ gió thay đổi theo nấc. ........................................................................... 97
Hình 4.3: Cơng suất tác dụng (pu).của WTGS DFIG dùng bộ nghịch lưu ba cấp. ......... 98
Hình 4.4: Cơng suất phản kháng (pu) WTGS DFIG dùng bộ nghịch lưu ba cấp. .......... 98
Hình 4.5: Dịng điện trục đứng stato WTGS (pu) dùng bộ nghịch lưu ba cấp (hệ quy
chiếu từ thơng stato). ........................................................................................................ 99
Hình 4.6: Dịng điện stato (pu) WTGS trên bộ nghịch lưu ba cấp (hệ quy chiếu từ thơng
stato). ................................................................................................................................ 99
Hình 4.7: Dịng điện dọc trục roto (pu) WTGS DFIG dùng bộ chuyển đổi ba cấp hệ quy
chiếu từ thơng stato). ...................................................................................................... 100
Hình 4.8: Dòng điện truc thực roto (pu) WTGS DFIG dùng bộ chuyển đổi ba cấp (hệ
quy chiếu từ thông stato). ............................................................................................... 100
Hình 4.9: Dịng điện roto (pu) DFIG WTGS dùng bộ chuyển đổi ba cấp (hệ quy chiếu
ABC). ............................................................................................................................. 101
Hình 4.10: Dòng điện stato (pu) WTGS dùng bộ nghịch lưu ba cấp (hệ quy chiếu ABC).
........................................................................................................................................ 101
Hình 4.11: Điện áp 3 pha đầu cực roto DFIG (pu) trong WTGS dùng bộ ngịch lưu ba cấp
(hệ quy chiếu ABC). ...................................................................................................... 102
Hình 4.12: Điện áp dây roto DFIG (pu) trong WTGS dùng bộ ngịch lưu ba cấp (hệ quy
chiếu ABC)..................................................................................................................... 102
Hình 4.13: Mơ-men điện từ (pu) WTGS dùng bộ nghịch lưu ba cấp. ........................... 103

Hình 4.14: Điện áp DC-link (V) của bộ nghịch lưu ba cấp. .......................................... 103
Hình 4.15: Ứng suất điện áp IGBT lên bộ chuyển đổi hai cấp Hình a), ba cấp Hình b) bộ
chuyển đổi phía roto DFIG khi tốc độ gió bằng 12m/s. ................................................ 104
Hình 4.16: Dịng điện và thành phần sóng hài dịng điện roto với bộ chuyển đổi hai cấp
Hình a), ba cấp Hình b). ................................................................................................. 105
Hình 4.17: Điện áp và thành phần sóng hài điện áp DC-link với bộ chuyển đổi hai cấp
Hình a), ba cấp Hình b). ................................................................................................. 106


xix

Hình 4.18: Dịng điện và thành phần sóng hài dịng điện stator với bộ chuyển dổi hai cấp
Hình a), ba cấp Hình b). ................................................................................................. 107
Hình 4.19: Điện áp và thành phần sóng hài điện áp stator với bộ chuyển dổi hai cấp Hình
a), ba cấp Hình b). .......................................................................................................... 108
Hình 4.20: Công suất tác dụng với bộ chuyển dổi hai cấp Hình a), ba cấp Hình b). .... 109
Hình 4.21: Cơng suất phản kháng với bộ chuyển dổi hai cấp Hình a), ba cấp Hình b) khi
tốc độ gió bằng 12m/s. ................................................................................................... 110


xx

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Hệ số αi,j . ......................................................................................................... 20
Bảng 3.1: Dữ liệu mô phỏng bộ chuyển đổi bên lưới điện. ............................................. 63
Bảng 3.2: Các mơ hình và giải thuật điều khiển trong WTG ......................................... 74
Bảng 3.3: Bảng thông số hệ thống máy phát điện tuabin gió. ......................................... 75
Bảng 4.1: Thời gian ổn định quá độ và THD của stato DFIG với hai bộ chuyển đổi. .. 109

.

1

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1. Giới thiệu.
Trong những năm gần đây, tình trạng ô nhiễm môi trường đã trở thành mối quan
tâm lớn trong đời sống hàng ngày của mọi người và cuộc khủng hoảng năng lượng đã
khiến con người phát triển các công nghệ mới để tạo ra năng lượng tái tạo và sạch. Năng
lượng gió cùng với năng lượng mặt trời, thủy điện và thủy triều… là những giải pháp
tiềm năng để sản xuất năng lượng thân thiện môi trường. Trong số các nguồn năng lượng
tái tạo đó, năng lượng gió có tốc độ phát triển nhanh nhất (khoảng 20% mỗi năm) trong
ngành công nghiệp năng lượng. Với mối quan tâm đến ơ nhiễm mơi trường, các cánh
đồng gió đã và đang được xây dựng ở nhiều nước bằng các chính sách cấp chính phủ.
Theo thơng báo đến năm 2020, 20% điện năng tiêu thụ được cung cấp bởi các trang trại
gió ngồi khơi quy mơ lớn ở Châu Âu. Bên cạnh đó, Châu Âu đang thực hiện kế hoạch
cho việc mở rộng quy mơ của các trang trại gió ngồi khơi lên cơng suất hơn 30 GW đến
cuối năm 2015 . Ngoài Châu Âu, các nước khác như Trung Quốc và Mỹ cũng có nguồn
tài nguyên năng lượng gió ngoài khơi đầy hứa hẹn cùng kế hoạch tương tự để lắp đặt các
tua bin gió, trang trại gió.
Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa và bờ biển dài hơn 3200 km, hơn nữa cịn có cả
gió mùa Tây Nam thổi vào mùa hè, tốc độ gió trung bình ở Biển Đơng Việt Nam khá
mạnh. Vì vậy nhờ vào vị trí địa lý mà tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam là rất
triển vọng. Theo đánh giá , Việt Nam có tiềm năng lớn nhất khu vưc Đơng Nam Á về
năng lượng gió. Tổng tiềm năng năng lượng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360
MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công
suất dự báo của nghành điện năm 2020. Tuy nhiên công suất thu được từ năng lượng
gió ở một số điểm như Tuy Phong, Bình Thuận, ngồi khơi Bạc Liêu, đảo Phú Q, …
vẫn chưa tương xứng với tiềm năng này, và sự kiện (21/11/2014) EVN mua điện Trung

Quốc với giá cao cho thấy một điều đang nóng và rất nóng là Việt Nam còn đang thiếu