- 1 -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
BÙI VĂN VĨ
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẢM ỨNG KÍCH TỪ KÉP Chuyên ngành: Tự ñộng hóa
Mã số: 60.52.60
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, Năm 2012

- 2 -
Công trình ñược hoàn thành tại


1) Lý do chọn ñề tài:
- Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người
và là một yếu tố ñầu vào không thể thiếu ñược của hoạt ñộng kinh tế.
- Ngày nay, trữ lượng than, dầu, khí ñang ngày càng cạn kiệt.
- Hiện nay ở Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển ñiện
gió.Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất, lắp ñặt rẻ hơn cũng
như việc ñiều khiển các máy phát ñiện gió ñược dể dàng.
- Qua ñây chúng ta nhận thấy rằng tình hình khai thác năng lượng
gió chưa xứng tầm với tiềm năng hiện có, và việc khai thác tốt tiềm
năng này ñể phục vụ cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết.
- Với các lý do trên, tác giả ñã lựa chọn tài “Nghiên cứu hệ
thống ñiều khiển máy phát ñiện gió cảm ứng kích từ kép’’ làm ñề tài
nghiên cứu với mong muốn thỏa mãn các yêu cầu ñã ñề ra.
2) Mục tiêu của ñề tài:
- Nghiên cứu thuật toán ñiều khiển và mô phỏng máy phát ñiện
gió cảm ứng trên Matlab.
3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Phân tích hoạt ñộng, ñiều khiển máy phát ñiện gió cảm ứng kích
từ kép DFIG (Doubly Fed Induction Generator).
- Mô hình hóa của các thành phần trong hệ thống năng lượng gió.
- Sử dụng Matlab mô phỏng máy phát ñiện gió cảm ứng kích từ
kép DFIG với sự thay ñổi vận tốc gió.
4) Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu cấu tạo và cấu trúc truyền
ñộng của turbine gió .
- Sử dụng phần mềm Matlab ñể tính toán và mô phỏng.
- Đánh giá kết quả và ñề xuất hướng phát triển của ñề tài.
- 4 -
5) Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài:

Trong gần 10 năm trở lại ñây nó mới khẳng ñịnh ñược vị trí trên
thị trường năng lượng thế giới khi sản lượng ñiện gió tăng trưởng một
cách ngoạn mục với tốc ñộ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn
năng lượng hiện có.
Tiến bộ về công nghệ có tính ñột phá ñã giúp giảm giá thành ñiện
gió xuống nhiều lần, ñồng thời tăng công suất, hiệu quả và ñộ tin cậy
của các trạm ñiện gió.
1.3 Tiềm năng và tình hình khai thác ñiện gió tại Việt Nam
1.3.1. Khả năng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam
- Theo bản ñồ phân bố các cấp tốc ñộ gió của tổ chức Khí tượng
thế giới và bản ñồ phân bố các cấp tốc ñộ gió của khu vực Đông Nam
Á, do tổ chức True Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của
Ngân hàng Thế giới, xuất bản năm 2001, cho thấy: Khu vục ven biển tự
Bình Định ñến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía bắc
trung bộ, nhiều nơi có tốc ñộ gió ñạt từ 7.0; 8.0 và 9.0 m/giây, có thể
phát ñiện với công suất lớn (nối lưới ñiện quốc gia), hầu hết ven biển
- 6 -
còn lại trên lãnh thổ, một số nơi, vùng núi trong ñất liền tốc ñộ gió ñạt
từ 5.0 ñến 6.0 m/giây, có thể khai thác gió kết hợp ñiêden ñể tạo nguồn
ñiện ñộc lập cung cấp cho hải ñảo, vùng sâu, vùng xa.
1.3.2 Khả năng khai thác năng lượng gió ở Việt Nam tại các ñộ cao
khác nhau
1.3.2.1 Tại ñộ cao 10m trên mặt ñất
1.3.2.2 Tại ñộ cao 20m trên mặt ñất
1.3.2.3 Tại ñộ cao 40m trên mặt ñất
1.3.2.4 Tại ñộ cao 60m trên mặt ñất
1.3.3. Bản ñồ phân bố năng lượng gió ở Việt Nam
Bản ñồ phân bố năng lượng gió ở Việt Nam trên ñất liền và trên
biển.


Nhà máy ñiện gió với công suất 50MW, tại xã Phước Minh, huyện Ninh
Phước.

- 8 -
CHƯƠNG 2
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.1 Năng lượng gió
Xét một khối không khí có khối lượng m chuyển ñộng với vận
tốc v. Động năng của nó E ñược cho bởi. 2.2 Đường cong công suất của turbine gió
Hình 2.1. Đồ thị mối tương quan giữa công suất và vận tốc gió

v

m

p
3
C
2
1
C
2
1
νρπνρ
RP
m
=Α=
[W]
Đường cong hiệu suất turbine

Hình 2.17. Đường cong hiệu suất turbine
C
p0

Hình 2.18. Quan hệ công suất ngõ ra với vận tốc gió và tốc ñộ
Từ ñồ thị nhận thấy rằng ứng với mỗi vận tốc gió, tồn tại một tốc
ñộ của turbine cho công suất ngõ ra cực ñại.
2.5.4 Bộ phận chuyển ñổi công suất.
Hiện nay trong các turbine gió thường sử dụng bộ chuyển ñổi
nguồn ñiện áp back-to-back. Đường cong công suất
t
ối
ưu

Tốc ñộ turbine ω
wtr
(pu)

Công su
ất ngõ ra
DC
Hình 2.21. Cấu trúc của bộ chuyển ñổi nguồn ñiện áp back-to-back

- 11 -
2.5.5 Mạch liên kết DC

Trong hệ thống bộ chuyển ñổi biến ñổi toàn bộ công suất của
máy phát, do vậy có thể ñiều khiển ñược chính xác công suất phản
kháng và công suất tác dụng vào lưới.
- 13 -
CHƯƠNG 3
MÔ HÌNH THUẬT TOÁN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẢM ỨNG
KÍCH TỪ KÉP
3.1 Mô hình gió
Vận tốc gió có thể ñược tính toán sau:
V
wind
(t) = v
wa
+ v
wr
(t) + v
wg
(t) + v
wt
(t)
Mô hình gió ñược tạo trên simulink như hình

3.2 Mô hình rotor turbine gió
Moment ñộng học có thể xác ñịnh theo hệ số C

k
J
JJ +=
(3.4)
Momen turbine gió tương ñương

2
'
gear
wtr
wtr
k
T
T =
(3.5)
sơ ñồ mô hình rotor turbine gió như hình

Hình 3.3. Sơ ñồ mô phỏng mô hình truyền ñộng

3.4 Mô hình máy ñiện
3.4.1. Mô hình máy phát ñiện không ñồng bộ (Máy ñiện cảm ứng )
3.4.2. Mô hình máy phát ñiện cảm ứng rotor dây quấn trong hệ trục
ABC/abc
3.4.3. Mô hình máy ñiện cảm ứng rotor dây quấn trong hệ tọa ñộ
tham chiếu d-q vuông góc.
Phương trình ñiện áp stator.
- 15 -
e
qs
e

e
ds
e
drr
e
dr
dt
d
iRv
ψωω
ψ
)( −−+=
(3.13)
e
qrrs
e
qs
e
qrr
e
qr
dt
d
iRv
ψωω
ψ
)( −++=
(3.13)
Momen ñiện từ.


dr
e
qre
iipiipiipT
ψψψψψψ
−=−=−=
(3.14) (3.14)
3.5 Mô hình máy ñiện cảm ứng kích từ kép (DFIG)
3.5.1 Sơ ñồ tương ñương DFIG ở chế ñộ xác lập

Hình 3.8. Sơ ñồ tương ñương DFIG ở chế ñộ xác lập
Các phương trình ñiện áp

)(
Rmrsmsslsssss
IIILjILjIRV ++++=
ωω
(3.15)

)(
Rmrsmsrlrsr
rr
IIILjILjI
s
R
s
V

m

I
Rm

jω
s
L
lr
I
r

R
r
/s

I
s
jω
s
L
ls

- 16 -
Độ trượt

s
rs
s
ω

]
[
]
[
]
**
22
Im3Im333Re
rmsrmsRmmssss
IIIRIRSP
ψωψω
≈++==
&
(3.31)

[
]
[
]
[
]
**
2
Im3Im33Re
rmsrmsrrrr
IsIsIRSP
ψωψω
−≈−==
&
(3.32)

s
P
−
=
1
(3.34)
Từ ñây ta rút ra nhận xét, sự phân bố công suất tác dụng giữa các
cuộn dây stator và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số trượt.
Tùy thuộc vào ñiều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua
mạch rotor có thể ñi theo hai chiều :
Từ lưới qua bộ chuyển ñổi công suất ñến rotor khi ở dưới tốc ñộ
ñồng bộ, P
r
< 0.
- 17 -
Từ rotor qua bộ chuyển ñổi công suất ñến lưới khi ở trên tốc ñộ
ñồng bộ, P
r
> 0.
Trong cả hai trường hợp trên P
s
ñều phát công suất về lưới, P
s
>0.
3.5.2 Mô hình ñộng của DFIG
Mạch ñiện tương ñương


d
iRv
e
qs
e
dss
e
qss
e
qs
ψ
ψω
++=
(3.39)

Phương trình ñiện áp rotor

dt
d
iRv
e
dr
e
qrrs
e
drr
e
dr
ψ
ψωω


-

-

+

L
lr
(ω
s –
ω
r
)
e
qs
ψ
R
r

-
e
dr
iL
e
qs
v

s –
ω
r
)
e
ds
ψ
R
r

-
e
qr
i
e
qr
v

Trục d
Trục q
- 18 -
dt
d
iRv
e
qr
e
drrs
e
qrr





+
+
+
+
=














e
qr
e
dr
e
qs
e


)(
2
3
)(
2
3
)(
2
3
e
ds
e
qr
e
qs
e
dr
e
ds
e
qs
e
qs
e
ds
e
qr
e
dr


4.2.2. Điều khiển ñộc lập công suất tác dụng và công suất phản
kháng phía stator
Công suất tác dụng P
s
, công suất phản kháng Q
s
và momen
ñiện từ T
e
. e
drs
s
m
e
dsss
iuiuP
L
L
2
3
2
3
−==
(4.14)

)

3
−=
(4.16)
q

β

e
qr
v
e
r
v
e
dr
v
d

θ
s
e
ds
uv =
ω
s

- 20 -
Với u
s
và ω

Hình 4.4. Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển turbine gió

Việc ñiều khiển turbine gió thường là ñiều khiển tốc ñộ turbine
gió và ñiều khiển bộ chuyển ñổi công suất ñối với các turbine gió kết
nối lưới thông qua bộ AC-DC-AC.
H
ộp số

P
P
t Power
converteKênh ñiều khiển DFIG
Điều khiển
phía
rotor

P
ref
n
P
mea
n
P
ref
s
Q
ref
dc
U
mea
s
Q
mea
s
P
mea
f
i
ref
pitch
β
mea
r
i
- 21 -
4.3.1. Kênh ñiều khiển turbine

4.4 Mô phỏng tổ máy phát ñiện turbine gió tốc ñộ thay ñổi sử dụng
máy ñiện cảm ứng nguồn ñôi ( DFIG) kết nối lưới ñiện.
- 22 -
4.4.1. Mô tả mô hình tổ máy phát ñiện turbine gió ( DFIG) kết nối
lưới ñiện.
Tổ máy phát ñiện gió 9MW gồm 6 turbine gió công suất mỗi
turbine 1.5MW ñược ñấu ñến hệ thống phân phối 22KV và kết nối ñến
lưới 110KV thông qua ñường dây 20km.
4.4.2. Sơ ñồ hệ thống tổ máy phát ñiện turbine gió ( DFIG) kết nối
lưới ñiện
4.4.3 Sơ ñ ồ mô phỏng turbine gió và máy phát ñiện DFIG.

Hình 4.10. Sơ ñồ turbine gió máy phát ñiện DFIG
4.4.3.1. Mô hình máy ñiện DFIG
- Sơ ñồ cấu trúc máy phát ñiện DFIG
- Các thông số của turbine gió và máy phát ñiện DFIG
4.4.3.2. Khối ñiều khiển DFIG
4.4.3.3. Khối biến ñổi dòng ñiện và công suất phía lưới
4.5. Kết quả mô phỏng turbine gió ñáp ứng với sự thay ñổi vận tốc
gió
- 23 -
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
2
4
6
8
10
12
14

0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Toc do tren truc Roto
Thoi gian[s]
Toc do [pu]

Hình 4.16 Dạng sóng tốc ñộ trên Rotor máy phát ñiện DFIG

- 24 -
4.5.3. Công suất tác dụng và công suất phản kháng
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Cong suat tac dung dau cuc may phat
Thoi gian[s]
Cong suat tac dung [MW]

4.5.4.Dòng ñiện và ñiện áp trên thanh góp B575

Hình 4.18. Dạng sóng ñiện áp trên thanh góp B575

Nhận xét

Khi tốc ñộ gió nhỏ hơn giới hạn 14m/s, góc pitch cánh quạt là 0
ñộ. Khi tốc ñộ gió vượt quá giới hạn nhất ñịnh, góc pitch cánh quạt tăng
lên ñể giảm bớt năng lượng thu vào, Tốc ñộ gió càng lớn thì góc pich
càng tăng khi tốc ñộ gió giảm thì góc pitch cũng giảm xuống. Khi vận
tốc gió tăng, công suất tác dụng dòng ñiện và ñiện áp ngõ ra của các
turbine gió cũng gia tăng tương ứng. - 26 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ