(Luận văn thạc sĩ) điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG trong các miền làm việc khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN QUỐC HƯNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP DFIG TRONG CÁC MIỀN LÀM VIỆC
KHÁC NHAU

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

SKC 0 0 5 1 9 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGUYỄN QUỐC HƯNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG
TRONG CÁC MIỀN LÀM VIỆC KHÁC NHAU

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN QUỐC HƯNG
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 18-04-1991
Nơi sinh: Đồng Nai
Quê quán: Tp. Hồ Chí Minh
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 453/KA 24 Lê Văn Sỹ, P12, Q3, Tp. Hồ Chí Minh.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại riêng: 0128 606 8288
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 04/ 2014
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Sư Phạm Kỹ Thuật Điện công nghiệp.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LED
TRONG CHIẾU SÁNG KÍCH THÍCH RA HOA CÂY THĂNG LONG.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 20/04/2014, Đại học sư phạm kỹ

thuật Tp. Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: ThS Lê Trọng Nghĩa
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 5/2015 đến 4/2017
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Tên luận văn: ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ DFIG CÓ SENSOR TỐC ĐỘ TRONG
CÁC MIỀN LÀM VIỆC KHÁC NHAU

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 16/04/2017, Đại học sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
III. Q TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
08/2014 - đến nay Trường THCS Lạc Hồng, Q10, Tp.HCM

i

Công việc đảm nhiệm
Giáo viên Kỹ Thuật


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2017
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Quốc Hưng

ii


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay Tơi đã hồn thành đề tài tốt
nghiệp cao học của mình. Có được thành quả này, Tơi đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ
và giúp đỡ tận tình của thầy cơ, gia đình, cơ quan và bạn bè trong thời gian học tập vừa
qua.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc,
Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt
kinh nghiệm để Tơi hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho tơi một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân
thành cảm ơn q Thầy Cơ Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ
cho Tôi trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp
đỡ cho tơi rất nhiều để vượt qua khó khăn, đã tạo cho Tôi niềm tin và nỗ lực phấn đấu
để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017

Học viên thực hiện

Nguyễn Quốc Hưng

iii


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................iii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................... v
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vi
DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ....................................... ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................ xi
Chương 1: GIỚI THIỆU ................................................................................................. 1
1.1

Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1

1.2

Mục tiêu của đề tài ............................................................................................... 2

1.3

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ........................................................................... 2

1.3.1

Nhiệm vụ của đề tài ....................................................................................... 2

1.3.2

Giới hạn đề tài. .............................................................................................. 2

1.4

Phương pháp nghiên cứu: ..................................................................................... 3

1.5

Điểm mới của luận văn......................................................................................... 3

1.6

Nội dung của luận văn .......................................................................................... 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 4
2.1.

Cấu tạo turbine gió. .............................................................................................. 4

2.1.1

Các loại turbine gió........................................................................................ 4

2.1.2

Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió. ............................................................. 5

2.1.3

Các dạng cột tháp turbine gió. ....................................................................... 7

2.1.4

Cánh quạt và trục cánh quạt. ......................................................................... 9

2.1.5

Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine. ...................... 10

2.1.6

Hệ thống hãm. .............................................................................................. 11

2.1.7

Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt. ..................... 11

2.1.8

Vỏ turbine. ................................................................................................... 12

2.2

Các thông số liên quan đến máy phát điện dùng trong turbine gió. ................... 12

2.2.1

Các thơng số cơ bản máy điện khơng đồng bộ: ........................................... 12

2.2.2

Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ. .................................................. 13
vi


LUẬN VĂN THẠC SỸ

2.2.3
2.3

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Các công thức cơ bản của máy phát điện gió khơng đồng bộ. .................... 13

Mơ hình và ngun lý vận hành của turbine gió. ............................................... 13

2.3.1

Mơ hình của turbine gió nguồn kép DFIG. ................................................. 13

2.3.2

Nguyên lý làm việc của turbine gió. ............................................................ 14

2.4

Phương pháp điều khiển và các mơ hình hệ thống turbine gió. ......................... 14

2.4.1

Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định. ............................... 14

2.4.2

Phương pháp điều khiển tu bin gió thay đổi tốc độ. .................................... 15

2.4.3

Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió ............................... 17

2.5

Tình hình phát triển năng lượng gió trong những năm gần đây. ........................ 18

2.5.1

Tình hình phát triển năng lượng gió ngồi nước. ........................................ 18

2.5.2

Nhu cầu lắp đặt các trang trại gió cơng suất lớn xa bờ................................ 20

2.5.3

Tình trạng hoạt động của một số dự án phong điện của Việt Nam ............. 22

2.6

2.5.3.1

Nhà máy phong điện 1 Bình Thuận (REVN) ....................................... 22

2.5.3.2

Nhà máy phong điện Phú Quý (PVN) .................................................. 23

Các hướng nghiên cứu về năng lượng gió.......................................................... 24

2.6.1

Điều khiển cơng suất cực đại của DFIG bằng phương pháp ước lượng vận

tốc gió. 24
2.6.1

Điều khiển công suất hằng số cho máy phát DFIG với bộ lưu trữ năng lượng

dùng siêu tụ. ............................................................................................................. 25
2.6.3
2.7

Sử dụng thiết bị STATCOM nhằm ổn định điện áp nút kết nối DFIG. ...... 26

Hướng nghiên cứu của luận văn ......................................................................... 27

Chương 3: PHƯƠNG TRÌNH TỐN .......................................................................... 28
3.1

Mơ hình khối turbine gió . .................................................................................. 28

3.2

Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong khơng gian. .............. 29

3.3

Mơ hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β. ............ 31

3.4

Mơ hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q............ 34

3.5

Điều khiển công suất DFIG: ............................................................................... 36

Chương 4: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG ............................................................ 44
4.1

Mơ hình hóa máy phát DFIG. ............................................................................ 44

4.1.1

Hệ thống điều khiển phía rotor. ................................................................... 44
vii


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

4.1.2

Hệ thống điều khiển phía lưới điện. ............................................................ 47

4.1.3

Hệ thống điều khiển góc cánh quạt tu bin gió. ............................................ 48

4.2

Mơ phỏng. .......................................................................................................... 51

4.2.1

Khi vận tốc gió khơng đổi. .......................................................................... 51

4.2.1.1

Vận tốc gió tại 5 m/s ............................................................................ 51

4.2.1.2

Vận tốc gió tại 6 m/s ............................................................................. 54

4.2.1.3

Vận tốc gió tại 7 m/s ............................................................................. 56

4.2.1.4

Vận tốc gió đạt 8 m/s. ........................................................................... 58

4.2.1.5

Vận tốc gió tại 9 m/s ............................................................................. 60

4.2.1.6

Vận tốc gió đạt 10 m/s. ........................................................................ 62

4.2.1.7

Vận tốc gió tại 11 m/s .......................................................................... 64

4.2.1.8

Vận tốc gió đạt 12 m/s. ........................................................................ 66

4.2.1.9

Vận tốc gió tại 13 m/s .......................................................................... 69

4.2.1.10 Vận tốc gió đạt 14 m/s. .......................................................................... 71
4.2.1.11 Vận tốc gió tại 15 m/s ........................................................................... 73
4.2.2

Khi vận tốc gió thay đổi. ............................................................................. 75

4.2.2.1

Khi vận tốc gió thay đổi từ 8 m/s lên 9 m/s. ........................................ 76

4.2.2.2

Khi vận tốc gió thay đổi từ 10 m/s xuống 8 m/s. ................................. 78

4.2.2.3

Khi vận tốc gió thay đổi từ 12 m/s lên 14 m/s ..................................... 80

4.2.2.4 Khi vận tốc gió thay đổi từ 13 xuống 12 m/s. ......................................... 83
4.2.2.5

Khi vận tốc gió thay đổi từ 13 m/s xuống 10 m/s. ............................... 85

4.2.2.6 Khi vận tốc gió thay đổi từ 10 m/s lên 12 m/s. ........................................ 87
4.3

Nhận xét.............................................................................................................. 90

Chương 5: KẾT LUẬN ................................................................................................ 94

5.1

Những vấn đề đã thực hiện được trong luận văn. .............................................. 94

5.2

Những vấn đề còn tồn tại trong luận văn. .......................................................... 95

5.3

Kiến nghị hướng phát triển của đề tài. ............................................................... 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 97

viii


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1

Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn

năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái
tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng
nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống

đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng mơi trường. Theo [1], trong các loại hình năng lượng
tái tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau:
− Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo.
Nếu xem xét cả chi phí mơi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá
thành thì điện gió có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên
liệu hố thạch.
− Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy
phong điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác.
− Tài ngun năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven
biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn.
− Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng
các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện.
Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn cịn
là một ngành mới mẻ. Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu. Các văn bản pháp
lý cho phát triển điện gió, các thơng tin, kiến thức...về ngành cũng cịn ở mức rất hạn
chế. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng như phải đối mặt
với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và sử dụng nguồn năng
lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Tuy nhiên, với các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng gió nói
riêng, nguồn năng lượng đầu vào cung cấp cho các tu bin gió rất thất thường, phụ thuộc
hồn tồn vào điều kiện mơi trường bên ngồi và cũng khơng thể dự trữ được. Do đó,
muốn nâng cao hiệu suất của máy phát điện gió thì vấn đề quan tâm nhất hiện nay là

1


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

phải thu được cơng suất tối đa do gió mang lại khi vận tốc của chúng dưới tốc độ định
mức và thu được cơng suất định mức máy phát khi gió trên cơng suất định mức.
Đã có nhiều phương pháp được đề xuất để điều khiển máy phát gió kiểu DFIG
được đề xuất trong những năm gần đây và đạt nhiều kết quả như các cơng trình trong
nước [4, 6], và các cơng trình nước ngồi [24-25]. Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng
cao về việc phát triển năng lượng gió, cần phải có nhiều hơn các nghiên cứu về điều
khiển cơng suất ngõ ra tại các vận tốc gió khác nhau. Luận văn đề xuất phương pháp
điều khiển tối ưu công suất tác dụng bơm lên lưới. Hiệu quả của phương pháp này được
kiểm tra qua mơ hình hóa mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
1.2

Mục tiêu của đề tài
− Xây dựng mô hình tốn học các phần tử điều khiển máy phát điện gió dùng
DFIG.
− Thiết kế hệ thống điều khiển cơng suất máy phát điện gió dùng mơ hình nội
bằng phần mềm matlab và thiết kế bộ lọc imc.
− Dùng Matlab Simulink để mơ phỏng, phân tích kết quả hệ thống điều khiển
máy phát điện gió dùng DFIG.

1.3

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
− Tìm hiểu các dạng mơ hình của máy phát điện gió kết nối với lưới điện.
− Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mơ hình điều khiển
máy phát điện gió DFIG.
− Xây dựng mơ hình nội, bộ lọc imc điều khiển máy phát điện gió DFIG bằng
Matlab/Simulink.
− Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng và đưa ra hướng nghiên cứu

trong tương lai.
1.3.2 Giới hạn đề tài.
− Nội dung nghiên cứu xoay quanh vấn đề điều khiển độc lập công suất P,Q
để máy phát đạt hiệu suất tối đa và ổn định.
− Xây dựng mơ hình nội điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG bám các
điểm vận hành của tuabin nhằm đạt công suất thực cực đại, qua đó nhận xét,
2


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

đánh giá các kết quả mơ phỏng khi sử dụng mơ hình nội để điều khiển hệ
thống máy phát điện gió DFIG bằng phần mềm Matlab /Simulink.
1.4

Phương pháp nghiên cứu:
− Sử dụng phương pháp mơ hình nội và nhận xét các kết quả cần nghiên cứu
của hệ thống điều khiển máy phát điện gió DFIG.
− Thực hiện mơ phỏng trong mơi trường Matlab/Simulink.
− Đưa ra nhận xét dựa trên kết quả mô phỏng.

1.5

Điểm mới của luận văn
Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển máy phát điện tu bin gió trong các miền

làm việc khác nhau với nhiệm vụ tiến nhanh đến điểm làm việc mới khi vận tốc gió thay
đổi trong các miền làm việc khác nhau.

Luận văn sẽ cung cấp một cơng cụ mơ phỏng hữu ích cho các sinh viên, các nhà
nghiên cứu và những người quan tâm đến lĩnh vực phát triển năng lượng gió. Chi phí
xây dựng một hệ thống thực nghiệm quá cao và vận hành rất phức tạp nên việc sử dụng
phần mềm mô phỏng là hiệu quả và phù hợp nhất đối với các nhà giáo dục và nhà nghiên
cứu khoa học.
1.6

Nội dung của luận văn
Nội dung luận văn được chia thành các chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về các vấn đề trong luận văn.
Chương 2: Tổng quan năng lượng gió.
Chương 3: Phương trình tốn.
Chương 4: Mơ hình hóa mơ phỏng.
Chương 5: Kết luận.

3


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2 trình bày các cơ sở lý thuyết cơ bản về một hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió thành năng lượng điện phát lên lưới điện. Qua thông tin được cung cấp bởi
chương 2, người đọc sẽ nắm được tổng quan về tình hình phát triển năng lượng gió hiện
nay ở trong và ngồi nước, những thuận lợi cũng như khó khăn trong việc phát triển
nguồn năng lượng vơ tận này.
2.1.

Cấu tạo turbine gió.

2.1.1 Các loại turbine gió.
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 tu bin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tu bin gió 3
cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi.
Ngày nay, tu bin gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.

4


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 1 Các dạng turbine gió
2.1.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió.
Cấu tạo một máy phát turbine gió trục ngang gồm những bộ phận sau:

Hình 2. 2 Cấu tạo turbine gió trục ngang
− Blades: Cánh quạt, Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các
cánh quạt chuyển động và quay, sẽ chuyển động lực của gió thành năng
lượng cơ.
− Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.

5

LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

− Pitch: Bước răng, Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay với tốc độ gió khơng q cao hay quá thấp để tạo ra điện. Sau đây,
góc nghiên cánh quạt tu bin gió được gọi là góc beta do có kí hiệu là β.
− Brake: Bộ hãm (phanh), Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
− Low-speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
− Gearbox: Hộp số, Bánh răng được nối 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.
− Generrator: Máy phát ra điện.
− Controller: 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.
− Anemometer: Bộ đo lường và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
− Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng
tuabin gió.
− Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt 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. Vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi
làm việc.
− Hight-speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
− Yaw drive: Thiết bị 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 chỉnh được hướng gió.
− Tower: Trụ đỡ Nacelle, Trụ tháp 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 [8].
6


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

2.1.3 Các dạng cột tháp turbine gió.
Cột tháp của tua bin gió dung để nâng đỡ nacelle và rotor.
Những cột tháp của tua bin gió lớn có thể là dạng cột thép trịn, cột khung giàn
thép hoặc cột tháp bê tông. Dạng cột tháp được giữ cố định bằng các dây nối đất thường
chỉ được sử dụng đối với các tua bin gió cỡ nhỏ.
Dạng cột thép hình ống (Tubular steel tower)

Hình 2. 3 Cột thép hình ống
Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cột thép hình ống được sản xuất trong
khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bích tại mỗi đầu và được nối lại với nhau tại các
điểm. Những cột tháp là hình nón (với đường kính của chúng tăng theo hướng chân đế)
để tăng độ mạnh của chúng và cũng là để tiết kiệm nguyên liệu.
Dạng cột tháp khung giàn (lattice tower)

7


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 4 Cột tháp khung giàn
Cột tháp dạng khung giàn được sản xuất sử dụng những mặt nghiêng mối hàn
thép. Lợi thế cơ bản của cột thép dạng khung giàn là chi phí thấp, vì một cột tháp dạng
khung giàn chỉ u cầu bằng một nửa số nguyên liệu so với một cột tháp hình ống với
độ vững chãi tương tự. Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ mà những cột tháp khung giàn ít
được sử dụng cho các tu bin gió cỡ lớn và hiện đại ngày nay.
Cột tháp dạng dây nối đất (Guyed pole tower)

Hình 2. 5 Cột tháp dạng dây nối đất
Nhiều tu bin gió nhỏ được xây dựng với cột tháp thu hẹp được hỗ trợ bởi những
dây nối. Lợi thế đó là tiết kiệm trọng lượng và do vậy tiết kiệm chi phí. Sự bất lợi là
việc phải chấp nhận những khó khăn xung quanh cột tháp, điều làm nó ít phù hợp trong
khu vực nơng trại. Nhược điểm của loại cột tháp này là dễ bị nghiêng dẫn đến hư hỏng,
do vậy ảnh hưởng đến an toàn tổng thể.
8


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Cột tháp dạng trụ:

Hình 2. 6 Cấu tạo tháp trụ
2.1.4 Cánh quạt và trục cánh quạt.
Cánh quạt (Blades): được thiết kế để nhận lực nâng của gió bằng cách tạo ra các
áp lực khác nhau trên bề mặt cánh quạt. Để đạt hiệu suất cực đại.

Hình 2. 7 Cánh quạt
Trục cánh quạt có tác dụng để kết nối các cánh quạt lại với nhau và chúng được
nối với trục chính. Thơng thường một máy phát điện có 3 cánh quạt được điều chỉnh
góc quay (góc beta) bởi 3 động cơ.

9


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 8 Trục cánh quạt
2.1.5 Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine.
Hệ thống điều khiển góc nghiên của cánh quạt, được sử dụng 3 động cơ để thay
đổi góc quay (Yaw driver). Mục đích để nhận được năng lượng gió là lớn nhất có thể
và khơng nhận năng lượng khi tốc độ gió vượt giới hạn cho phép như giơng bảo.

Hình 2. 9 Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt
Động cơ điều khiển hướng turbine: Mục đích để chỉnh turbine hướng vng góc
với hướng gió khi có thay đổi hay nhiễu loạn hướng gió.

10


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 10 Động cơ điều chỉnh hướng turbine

2.1.6 Hệ thống hãm.

Hình 2. 11 Hệ thống hãm turbine
2.1.7 Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt.
Hệ thống hộp số (Gearbox): Mục đích làm tăng vận tốc quay của gió từ 30 đến 60
vịng/phút lên 1200 đến 1500 v/p để có khả năng phát ra điện.

11


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 12 Hộp số chuyển đổi tốc độ
2.1.8 Vỏ turbine.

Hình 2. 13 Vỏ turbine
2.2

Các thông số liên quan đến máy phát điện dùng trong turbine gió.

2.2.1 Các thơng số cơ bản máy điện không đồng bộ:
Máy điện không đồng bộ dùng truyền động cho tải cơ, tốc độ quay rotor nhỏ hơn
so với tốc độ từ trường.
Tốc độ từ trường:

n1 

60 f

p

(vòng/phút)

(2.1)

p : là số đôi cực.
f : là tần số làm việc

(Hz)

s

n1  n
n1

Độ trượt:

(2.2)
12


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

n: là tốc độ quay của rotor (vịng/phút)
2.2.2 Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ.
− Khi 0 < n < n1 hay 0 < s < 1 máy điện làm việc ở chế độ động cơ.
− Khi n < 0 hay s > 1 máy điện làm việc ở chế độ hãm ngược.

− Khi n > n1 hay s < 0 rotor của máy điện có tốc độ lớn hơn tốc độ từ trường
(nhờ động cơ sơ cấp gắn đồng trục), máy điện làm việc ở chế độ máy phát
điện không đồng bộ. Moment điện từ sinh ra ngược với chiều quay của rotor
có tác dụng hãm, máy điện chuyển cơ năng thành điện năng. Máy điện cung
cấp công suất tác dụng cho lưới điện.

Hình 2. 14 Đặt tính moment quay của máy điện không đồng bộ
2.2.3 Các công thức cơ bản của máy phát điện gió khơng đồng bộ.
Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2)..V2, trong đó  (kg/m3) là mật
độ khơng khí. Cơng suất gió xun qua khu vực diện tích A với tốc độ gió trung bình
V là:
Pv 

1
 . AV
. 3
2

Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm:
Tp

1
W   . A  V 3 dt
2
o
2.3

Mô hình và ngun lý vận hành của turbine gió.

2.3.1 Mơ hình của turbine gió nguồn kép DFIG.

13


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 15 Sơ đồ kết nối hệ thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG
2.3.2 Nguyên lý làm việc của turbine gió.
Năng lượng gió thổi vào cánh turbine làm quay turbine. Trục turbine được nối với
hộp số để tăng tỉ số truyền để ổn định cho rotor máy phát. Hệ thống điều khiển nhận tín
hiệu tốc độ gió để thay đổi góc quay của cánh quạt, sao cho nhận được năng lượng gió
qua cánh turbine là lớn nhất. Vận tốc góc truyền từ hộp số vào máy phát điện, vào hệ
thống điều khiển để hệ thống điều khiển máy phát đưa công suất ngõ ra đạt giá trị danh
định.
Khi hệ thống đã hồ đồng bộ với lưới điện, dịng năng lượng qua máy phát hoạt
động hai chế độ:
− Khi gió thổi vào cánh turbine quay ứng với tần số thấp hơn tần số của lưới
điện. Đây là chế độ làm việc dưới đồng bộ (sub – synchronous) máy điện
lấy năng lượng từ lưới qua stator.
− Khi gió thổi vào cánh turbine quay ứng với tần số cao hơn tần số của lưới
điện. Đây là chế độ làm việc quá đồng bộ (super – synchronous) máy điện
đưa năng lượng đến lưới qua rotor.
2.4

Phương pháp điều khiển và các mơ hình hệ thống turbine gió.

2.4.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định.
Mơ hình máy phát điện gió dùng máy điện khơng đồng bộ.

14


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 16 Mơ hình máy phát khơng đồng bộ
 Ưu điểm:
− Cấu tạo đơn giản.
− Chi phí thấp.
 Nhược điểm:
− Khơng điều khiển bù công suất phản kháng.
− Công suất phát ra phụ thuộc vào năng lượng gió nhận được.
− Khi năng lượng gió là lớn, thay đổi đột ngột như giơng, bảo sẽ ảnh hưởng
đến hệ thống cơ của turbine gió. Lưới điện mất ổn định.
2.4.2 Phương pháp điều khiển tu bin gió thay đổi tốc độ.
Loại này thiết kế để đạt hiệu quả cực đại về phương diện khí động học. Chúng đáp
ứng được sự thay đổi của tốc độ gió [12-13].

Hình 2. 17 Mơ hình máy phát khơng đồng bộ điều khiển điện trở rotor (loại B)
Dao động công suất ngõ ra sẽ giảm khi có sự thay đổi hệ số trượt. Hệ số trượt
trong máy phát thường duy trì nhỏ, do đó tốc độ thay đổi khoảng 1  2% giữa lúc có tải
và khơng tải.
15


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 18 Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor.
Mơ hình máy phát điện gió đồng bộ với DC – link converter. Hệ thống có thể vận
hành máy phát điện ở một tần số độc lập với tần số nguồn điện. Thay đổi tần số máy
phát điện làm thay đổi tốc độ máy phát điện [12-13].
Mơ hình máy phát điện gió khơng đồng bộ nguồn kép DFIG. Khi hệ thống đã hồ
đồng bộ với lưới điện, dịng năng lượng qua máy phát hoạt động hai chế độ.
Khi turbine gió quay với tần số thấp hơn tần số của lưới điện. Đây là chế độ làm
việc dưới đồng bộ máy điện lấy năng lượng từ lưới qua stator.
Khi turbine gió quay ứng với tần số cao hơn tần số của lưới điện. Đây là chế độ
làm việc trên đồng bộ máy điện đưa năng lượng đến lưới qua rotor.

Hình 2. 19 Mơ hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ

16


LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Hình 2. 20 Mơ hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ
 Ưu điểm:
− Tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng cơ điện
− Giảm tác động cơ lên turbine khi có thay đổi tốc độ gió
− Nâng cao chất lượng điện năng
 Nhược điểm:
− Cấu tạo phức tạp
− Giá thành cao

− Tổn hao một phần công suất qua các bộ điều khiển, đóng ngắt cơng suất lớn
nhưng hiện nay cơng nghệ ngày càng phát triển nên các vấn đề trên đã được
hạn chế và cải thiện được hiệu suất làm việc.
2.4.3 Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió
Trạm điện gió gồm nhiều turbine liên kết với nhau, tuỳ thuộc vào cơng suất của
trạm điện gió mà số lượng và cơng suất turbine gió sẽ khác nhau. Cơng suất mỗi turbine
trung bình 1.5 MW. Các hệ thống lưới liên kết nhau qua hệ thống truyền tải DC hoặc
AC.

17