(Luận văn thạc sĩ) điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HẰNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270

S KC 0 0 3 9 7 6

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN HẰNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013.


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.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Thanh Phương
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghệ 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 q Thầy Cơ trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã trang bị cho tôi

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 02/2013
Học viên thực hiện

NGUYỄN VĂN HẰNG

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

ii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan ........................................................................................................ i
Lời cảm ơn .......................................................................................................... ii
Mục Lục ............................................................................................................. iii
Tóm tắt luận văn ............................................................................................... viii
Danh sách các hình ............................................................................................. ix
Danh sách các ký hiệu sử dụng trong luận văn .................................................. xi

Phần mở đầu .......................................................................................................xv
Chương 1.Tổng quan năng lượng gió .........................................................................1
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới ..............................................1
1.1.1.Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay ....................................1
1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo ..................................................1
1.2. Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước .............................................4
1.2.1. Những nghiên cứu ngoài nước ..............................................................4
1.2.2. Kết quả nghiên cứu trong nước .............................................................5
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................6
1.4. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................6
1.5. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................6

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

iii


Chương 2. Cơ sở lý thuyết ..........................................................................................7
2.1. Cấu tạo turbine gió ........................................................................................7
2.1.1. Các loại turbine gió ................................................................................7
2.1.2. Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió.......................................................8
2.1.3. Các dạng tháp .........................................................................................9
2.1.4. Cánh quạt và trục cánh quạt .................................................................10
2.1.5. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine ...............11
2.1.6. Hệ thống hãm .......................................................................................12
2.1.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt...............12
2.1.8. Vỏ turbine ............................................................................................13
2.2. Mơ hình và ngun lý vận hành của turbine gió .........................................14
2.2.1. Mơ hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG .........................14
2.2.2. Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió .........................................14

2.3. Phương pháp điều khiển và các mơ hình hệ thống turbine gió…. . ............16
2.3.1. Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định ........................16
2.3.2. Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ ...........................17
2.3.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ...........19
2.3.4. Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió .......................20
2.4. Điều khiển mờ .............................................................................................20
2.4.1. Cấu trúc điều khiển logic mờ ...............................................................20
2.4.2. Phân loại bộ điều khiển mờ..................................................................21
2.4.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ ..................................................22

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

iv


Chương 3. Xây dựng mơ hình tốn máy phát khơng đồng bộ nguồn kép ................25
3.1. Mơ hình khối turbine gió .............................................................................25
3.2. Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong không gian ........27
3.3. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục tọa độ quay d-q ................29
3.4. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q. .............30
3.5. Mô hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β ......30
3.6. Mơ hình tốn của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q ....33
3.7. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG ..36
3.7.1. Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển ....................................................36
3.7.2. Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng ......37
3.8. Mô hình bộ chuyển đổi ................................................................................40
3.8.1. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lưới (GSC). .............................40
3.8.2. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC). ............................43
3.9. Các đại lượng cơ bản ...................................................................................47
Chương 4. Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ ......................49

4.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển ........................................................................49
4.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID mờ.......................................................50
4.3. So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID mờ khối. .............................56
Chương 5. Mơ hình và kết quả mô phỏng dùng bộ PID mờ điều khiển ..................58
5.1. Mơ hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG ..................................58
5.1.1. Sơ đồ mơ hình mơ phỏng trong Matlab/simulink ................................60
5.1.2. Mơ hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters ........61
5.1.3. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ................61

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

v


5.1.4. Mơ hình tổng thể các khối điều khiển hệ thống máy phát DFIG ................63
5.1.5. Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi cơng suất ....................................64
5.1.6. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và .................65
5.1.7. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới ................65
5.1.8. Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor ...............66
5.1.9. Mơ hình mơ phỏng khối máy phát khơng đồng bộ ..............................66
5.1.10. Mơ hình mơ phỏng khối Rotor của máy phát ....................................67
5.1.11. Khối biến đổi dòng điện và cơng suất phía lưới ................................67
5.1.12. Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG .....................68
5.2. Trình tự mơ phỏng .......................................................................................68
5.2.1. Mơ phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió .................68
5.2.2. Mơ phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều . .....73
5.2.3. Mơ phỏng đáp ứng turbine gió khi xảy ra sự cố……………………..78
5.2.3.1. Mô phỏng lưới B25 (25kV) bị chạm đất một pha….………...78
5.2.3.2. Mô phỏng lưới B120 (25kV) khi bị sụt áp…………………...80
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài ..................................................82

6.1. Kết luận .......................................................................................................82
6.1.1. Các kết quả đã đạt được trong đề tài ....................................................82
6.1.2. Hạn chế ................................................................................................82
6.2. Hướng phát triển của đề tài .........................................................................82
Tài liệu tham khảo ........................................................................................84

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

vi


PHẦN MỞ ĐẦU
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. 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 ngun 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 mơ 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 mơi trường thì việc phát triển và
sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Điều khiển máy phát không đồng
bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện’’làm đề tài nghiên cứu với mong muốn
hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển truyền thống đến việc
thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các phương pháp điều khiển thông
minh hiện nay như fuzzy logic.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

xv


1. Tổng quan năng lượng gió

Chƣơng 1:

TỔNG QUAN NĂNG LƢỢNG GIĨ
1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới.
1.1.1. Giới thiệu chung tình hình năng lƣợng hiện nay.
Mặc dù trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới có những biến động rất to
lớn về mọi mặt, từ việc suy thối tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lụt,
động đất thường xuyên nhưng nhìn chung bức tranh kinh tế và tài chính tồn cầu
trong thập kỷ qua vẫn tăng trưởng. Do đó mà nhu cầu sử dụng năng lượng ngày
càng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các
nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi. Tỷ suất tăng
trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 1990-2000 là: năng
lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%;
năng lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%. Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng

lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống. Trong đó điện gió có
tốc độ tăng trưởng cao nhất.
Cũng theo báo cáo của Ủy ban Năng lượng Gió thế giới, tổng cơng suất điện
gió được lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với
tổng công suất lắp đặt là 159 GW). Năm nước đứng đầu trong phát triển điện gió
gồm: Trung Quốc với tổng công suất lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đức là
27,2GW, Tây Ban Nha là 20,7GW và Ấn Độ là 13GW.[1]
1.1.2.Tình hình phát triển năng lƣợng tái tạo bằng sức gió ở một số nƣớc.
- Đức: là nước dẫn đầu về phát triển điện gió. Đến cuối năm 2003, tổng cơng
suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14,600MW, chiếm hơn 1/3 công suất
lắp đặt điện gió của tồn thế giới, chiếm hơn một nửa của tồn Châu Âu. Lượng khí
thải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sự
đóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăng
thêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững. Năm 2004, tổng lượng điện gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

1


1. Tổng quan năng lượng gió
chiếm 5,3% tổng lượng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 sẽ chiếm đến 8%.
Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm
2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50%. Mặt khác, một quyết
sách quan trọng nữa là tuyên bố trong vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử
hiện đang chiếm 30% lượng cung ứng điện sẽ lần lượt bị đóng cửa.
- Đan Mạch: Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km2, dân số
khoản 5 triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thu
nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro. Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trở
thành một động lực lớn của nền kinh tế, đó là một ví dụ thành cơng về thương mại

hóa trong lĩnh vực này. Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư 100 triệu USD
vào công việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió. Chính phủ Đan Mạch bù lỗ
cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành của nó, áp dụng chế độ ưu đãi
về thuế cho những người sử dụng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch
thì đánh thuế ơ nhiễm khơng khí. Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kế
hoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm. Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến
năm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện. Năm 2000 và 2003 mỗi
năm xây dựng 1 trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biển
Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suất
lắp đặt 40MW gồm 20 máy, mỗi máy 2MW. Năm 2008, Đan Mạch đã lắp đặt thêm
5 trang trại điện gió, tổng cơng suất lắp đặt là 750MW. Theo tin đã đưa chính phủ
Đan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển
Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng cơng suất 4,000MW.
- Mỹ: sau một thời kỳ ảm đạm về điện gió của thập kỷ 90 thế kỷ XX, đến nay
nước Mỹ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió. Hiện 27
Bang đã có các cơng trình điện gió lớn. Đến cuối năm 2003 tổng cơng suất lắp đặt
điện gió đã đạt 6,370MW. Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối với
điện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hồn tồn, đồng thời sau khi đưa vào
hoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1kWh được giảm thuế
1,5cent USD. Tại miền Tây nước Mỹ đã lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

2


1. Tổng quan năng lượng gió
tổng cơng suất là 300MW, là trang trại điện gió lớn nhất thế giới hiện nay. Tại bờ
biển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lượt
dựng lên, công suất điện của một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện

11/9 sẽ khởi công xây dựng tháp Tự Do, trên bãi đất bị tàn phá của tịa tháp đơi
Trung tâm thương mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phát
điện gió, nhằm cung cấp 20% lượng điện tiêu thụ của tòa nhà đó.
- Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trưởng Tây Ban Nha
đã thông qua kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tương
đối cụ thể về phát triển năng lượng gió. Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phát
điện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện tồn
quốc. Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnh
hưởng đối với mơi trường, tính tốn giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện pháp
khuyến khích, dự báo về thị trường… của việc phát triển năng lượng gió, có tính
khả thi rất cao.
- Pháp: Ngày 23/4/2004 nước Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc
việc khai thác than. Đó là hình ảnh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng của việc
phát triển nguồn năng lượng của thế giới. Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầu
trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sức
gió lên vị trí chiến lược. Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện
gió. Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000MW - 3000MW thiết bị điện gió,
đến năm 2010 sẽ có 3000MW đến 5000MW điện gió đưa vào vận hành. Theo tính
tốn sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6
triệu tấn khí thải CO2. Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn
60%.
- Nhật Bản: Năm 2002 Nhật Bản đã lắp đặt 486MW điện gió, năm 2003 đã có
730MW, năm 2004 đã có 936MW. Đến năm 2010 tổng cơng suất lắp đặt điện gió sẽ
đạt 3000MW. Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điện
lực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió,

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

3

1. Tổng quan năng lượng gió
mặt khác phải mua điện gió của các Cơng ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy
định.
Nhật Bản phấn đấu tự sản xuất hoàn tồn thiết bị điện gió, đồng thời hướng đến
xuất khẩu. Máy phát điện gió của các Cơng ty Nhật Bản có nhiều tính năng ưu việt,
tốc độ gió 1m/s đã có thể bắt đầu phát điện, cơng suất điện phát ra thường cao hơn
15 - 20% so với các thiết bị của các nước khác.
Nhật Bản đặt mục tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có cơng suất lắp đặt là
11,800MW.
- Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu
tiên của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên
lưới. Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đưa
vào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính phủ Bỉ tặng. Sau đó dựa vào nguồn
vốn chính phủ cũng như một số viện trợ của nước ngồi đã có một số cơ sở phát
điện gió được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và làm mẫu.
Theo quy hoạch phát triển trung dài hạn về điện gió tồn quốc, đến cuối năm
2005 tổng công suất lắp đặt phải là 1000MW, năm 2010 là 4000MW, năm 2015 là
10000MW, năm 2020 là 20000MW. Như vậy trong những năm từ 2011 đến năm
2020 bình quân mỗi năm cơng suất lắp đặt điện gió của Trung Quốc phải đạt
1600MW. [1]
1.2. Kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc và trong nƣớc về máy phát điện gió.
1.2.1. Những nghiên cứu ngoài nƣớc.
- Fernando D.Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz, “Wind Turbine
Control Systems Principles, Modelling and Gain Scheduling Design”. April 2006.
-Pedro Rosas, “Dynamic influences of wind power on the power system”.
PhD thesis; Technical University of Denmark, March 2003.
- Petru, “Modeling of Wind Turbines For Power System Studies”. Thesis for the
degree of doctor of philosophy, university of technology. Goteborg, Sweden 2003.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

4


1. Tổng quan năng lượng gió
- Marcia Martins, “Voltage Stability Issues Related to implementation of large
wind farm”. Thesis for the degree of licentiate of engineering. Chalmers university
of technology. Goteborg, Sweden 2006.
- Slavomir Seman, “Transient performance analysis of wind-power induction
generators”. Doctoral Dissertation,Helsinki University of Technology (Espoo,
Finland) on the 10th of November, 2006.
- Seman, S, Niiranen, J, Arkkio, A.2006.“ Ride - Through Analysis of Doubly
Fed Induction Wind - Power Generator under Unsymmetrical Network Disturbance
”. IEEE Transaction on Power Systems, Accepted for future publication, 7 p.
- Seman, S. Niiranen, J., Kanerva, S., Arkkio, A., Saitz, J. 2005. “Performance
Study of Doubly Fed Wind-Power Generator under Network Disturbances”.
- Ngồi ra cịn nhiều cơng trình nghiên cứu khác…
1.2.2. Kết quả nghiên cứu trong nƣớc.
Chính sách định hướng chiến lượt phát triển bền vững năng lượng Việt Nam là
phát triển nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo. Những cơng trình liên quan
đến nguồn năng lượng mới đã được nghiên cứu ứng dụng trong nước bao gồm:
- Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và định hướng phát triển năng lượng tái tạo
Việt Nam.
- Nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam tại Bình Thuận có cơng suất
120MW đã kết nối vào lưới điện quốc gia tháng 8/2009.
- Nhà máy điện gió Bạc Liêu có cơng suất 99MW với 66 trụ turbine gió dự kiến
sẽ hồn thành vào năm 2012.
- Năng lượng mặt trời Việt Nam và ứng dụng. Báo cáo tại Hội nghị năng lượng
mặt trời tại CHLB Đức năm 2006.

- Tổng quan về thành tựu khai thác, sử dụng năng lượng biển thế giới và định
hướng phát triển tại Việt Nam. Báo cáo khoa hoc tại Hội nghị năng lượng biển toàn
quốc 10-2007.
- Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng gió tại đảo Quan Lạn tỉnh
Quảng Ninh. Báo cáo khoa học tại Hội nghị năng lượng biển toàn quốc 10-2007.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

5


1. Tổng quan năng lượng gió
- Tiềm năng và khả năng cung cấp năng lượng mặt trời (điện và nhiệt) cho hai
đảo Quan Lạn (Quảng Ninh) và Cồn Cỏ (Quảng Trị). Báo cáo khoa học tại Hội nghị
năng lượng biển tồn quốc 10-2007.
Mặc dù đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về lãnh vực năng lượng tái tạo nhưng
nhìn chung hiện nay nước ta chỉ mới bắt đầu kêu gọi, khuyến khích phát triển năng
lượng tái tạo.
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
- 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 khơng đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện.
- Xây dựng mơ hình tốn học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG).
- Xây dựng mơ hình và mơ phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn
kép (DFIG) trong hệ thống phong điện bằng các bộ PID mờ trong Matlab/Simulink.
- Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng.
1.4. Phạm vi nghiên cứu.
- Phạm vi nghiên cứu xoay quanh vấn đề điều khiển cân bằng công suất P, Q và
tần số để máy phát đạt hiệu suất tối đa đồng thời giảm sự mất ổn định khi hịa vào

lưới.
- Xây dựng mơ hình điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép kết
nối với lưới điện, qua đó nhận xét, đánh giá các kết quả mơ phỏng khi sử dụng hệ
mờ để điều khiển hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phần
mềm Matlab/Simulink.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Sử dụng các phương pháp toán học hiện đại như giải thuật logic mờ để điều
khiển tối ưu cho hệ thống.
- Sử dụng phương pháp mơ hình hóa để kiểm tra và so sánh các thông số trong
hệ thống trước và sau khi điều khiển máy phát khơng đồng bộ nguồn kép (DFIG)
hiện có của phần mềm Matlab/Simulink.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

6


2. Cơ sở lý thuyết

Chƣơng 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 . Cấu tạo turbine gió.
2.1.1. Các loại turbine gió.
Có nhiều loại turbine gió khác nhau: loại trục ngang hoặc loại trục đứng. Chúng
được lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau, tùy thuộc tốc độ gió thổi vào và cần điều
khiển hướng gió để đạt hiệu suất cao nhất.

Aerogenerator X Vertical Axis.

Hình 2.1 Các dạng turbine gió

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

7


2. Cơ sở lý thuyết
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 đổi động lực của gió thành năng lượng cơ.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay với tốc độ gió khơng q cao hay q thấp để tạo ra điện.
- 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 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 turbine gió.
- Generator: Máy phát điện.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

8

2. Cơ sở lý thuyết
- Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 3.5 m/s đến
25 m/s. Bởi vì các máy phát này có thể phát nóng.
- Anemometer: Đo lường tốc độ và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển.
- 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,
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 khi làm việc bên trong.
- Hight-speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
- Yaw drive: Thiết bị dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính
khi có sự thay đổi hướng gió.
- Yaw motor: Động cơ điều chỉnh 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.[26]
2.1.3. Các dạng tháp.
Tháp dạng trụ:

Hình 2.3 Cấu tạo tháp trụ

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

9


2. Cơ sở lý thuyết
Tháp dạng mắc cáo:

Hình 2.4 Tháp mắc cáo

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 2.5 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 (Pitch) bởi 3 động cơ.[26]

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

10


2. Cơ sở lý thuyết

Hình 2.6 Trục cánh quạt
2.1.5 . Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hƣớng 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 2.7 Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

11


2. Cơ sở lý thuyết

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.

Hình 2.8 Động cơ điều chỉnh hướng turbine
2.1.6 . Hệ thống hãm.

Hình 2.9 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.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

12


2. Cơ sở lý thuyết

Hình 2.10 Hộp số chuyển đổi tốc độ
2.1.8 . Vỏ turbine.

Hình 2.11 Vỏ turbine

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

13


2. Cơ sở lý thuyết
2.2 . Mơ hình và ngun lý vận hành của turbine gió.

2.2.1 . Mơ hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG.

Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG
2.2.2 . Ngun lý làm việc cơ bản của turbine gió.
Hình 2.12 trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển của máy phát nguồn kép DFIG
bao gồm các kênh sau:
 Kênh điều khiển turbine.
Kênh điều khiển turbine gió với đáp ứng động chậm hơn, điều khiển tốc độ và
điều khiển công suất ngõ vào bao gồm cả bộ phận điều chỉnh góc pitch và giá trị
tham chiếu cho công suất tác dụng máy phát DFIG. Vì thế nó cung cấp tín hiệu điều
khiển βref trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển cơng suất tác
dụng Psref cho kênh điều khiển máy phát DFIG.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

14


2. Cơ sở lý thuyết
Hệ thống điều khiển tổng thể như Hình 2.12 cần thơng tin các tín hiệu đo lường:
Công suất tác dụng Psmea và công suất phản kháng Q smea (tại điểm M đầu cực stator
hoặc trên lưới điện), điện áp Vdcmea trên DC-link, dòng điện qua bộ lọc i mea
, tốc độ
f
máy phát rmea và dòng điện rotor i rmea .
 Kênh điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG.
Kênh điều khiển máy phát điện DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi cơng suất
phía rotor và điều khiển bộ biến đổi cơng suất phía lưới.
Điều khiển phía rotor: Mục tiêu chính của điều khiển phía rotor là điều khiển
độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Công suất tác dụng và công

suất phản kháng có thể điều khiển thơng qua dịng điện stator. Bộ biến đổi phía
rotor hoạt động trong hệ trục tọa độ tham chiếu d-q.
Điều khiển phía lưới : Mục tiêu chính của điều khiển phía lưới là giữ điện áp
mối nối DC ở một giá trị bất chấp độ lớn và hướng của công suất rotor và để đảm
bảo bộ chuyển đổi hoạt động với hệ số công suất nhất định (thường = 1). Điều này
có nghĩa là bộ chuyển đổi phía lưới chỉ trao đổi cơng suất tác dụng với lưới. Và trên
lý thuyết sự trao đổi công suất phản kháng của máy phát DFIG với lưới chỉ thông
qua stator. Điện áp mối nối DC và công suất tác dụng được điều khiển gián tiếp
bằng cách điều khiển dòng điện bộ chuyển đổi phía lưới.[6]
Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:
- Giá trị điều khiển công suất tác dụng Psref , thông tin này được cung cấp bởi
kênh điều khiển turbine gió.
- Giá trị điều khiển công suất phản kháng Qsref , giá trị này có thể được gán bởi
người vận hành. Chẳng hạn, trong trường hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát
công suất phản kháng để hỗ trợ điện áp lưới.
- Giá trị điều khiển điện áp DC-link Vdcref được quyết định bởi kích cỡ của bộ
chuyển đổi cơng suất, tỉ số điện áp stator-rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi
công suất.
Kênh điều khiển turbine tạo ra hai tín hiệu điều khiển.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

15


2. Cơ sở lý thuyết
- Giá trị điều khiển công suất tác dụng Psref là tín hiệu đặt cho kênh điều khiển
DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy phát rmea và
công suất đo lường Psmea tại điểm M.
- Giá trị điều khiển βref được đưa trực tiếp đến cánh quạt turbine, bộ phận chấp

hành góc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiển công suất. Giá trị này tạo
ra dựa trên thông tin công suất đo lường Psmea và công suất định mức Pnref thường là
giá trị danh định của turbine.
Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn
Pnref , kênh điều khiển turbine sẽ giữ góc pitch ở trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều

khiển Psref cho kênh điều khiển máy phát DFIG nhằm đạt cơng suất tối đa, sau đó
kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ công suất đầu
ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển turbine.
Trong trường hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển turbine
sẽ ra lệnh cho kênh chấp hành góc pitch hiệu chỉnh góc pitch β để lược bớt cơng
suất và kênh điều khiển máy phát DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển bằng giá trị
định mức Pnref , kênh điều khiển máy phát DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy
phát về một phạm vi định trước.[6]
2.3. Phƣơng pháp điều khiển và các mơ hình hệ thống turbine gió.
2.3.1. Phƣơng pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định.
Mơ hình máy phát điện gió dùng máy điện khơng đồng bộ.

Hình 2.13 Mơ hình máy phát khơng đồng bộ

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

16


2. Cơ sở lý thuyết
Ƣu điểm:
- Cấu tạo đơn giản.
- Chi phí thấp.
Nhƣợc điểm:

- Khơng điều khiển bù cơng 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 giông, bảo sẽ ảnh hưởng
đến hệ thống cơ của turbine gió. Lưới điện mất ổn định.
2.3.2. Phƣơng pháp điều khiển tutbine 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.

Hình 2.14 Mơ hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor
Dao động cơng 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 đến 2% giữa lúc
có tải và khơng tải.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương

17