i
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngoài các
tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng Offline, thời
gian thực được thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. TSKH. Nguyễn Phùng
Quang là trung thực.
Tác giả
Đặng Danh Hoằng



iii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vii
Danh mục các bảng biểu xi
Danh mục các hình vẽ và đồ thị xii
Mở đầu 1
Chương 1. Tổng quan 5
1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu 5

1.2 Các thành phần điều khiển của hệ thố
ng phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBNK
9
1.2.1 Điều khiển turbine 10
1.2.2 Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch 12
1.2.3 Điều khiển véc tơ 13

1.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng


3.1.3 Các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía
máy phát
36
3.1.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới 38
3.1.5 Mô hình gián đoạn phía lưới 41
3.1.6 Các biến điều khiển phía lưới 41

3.2 Khả nă
ng ứng dụng phương pháp passivity - based cho máy phát
không đồng bộ 3 pha nguồn kép
44
3.2.1 Phương trình EL của động học máy phát 44
3.2.2 Đặc điểm thụ động của máy phát 46
3.3 Kết luận chương 3 47

v
Chương 4. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió theo
phương pháp passivity - based
49
4.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát 49
4.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor tựa theo hệ thụ động EL 55
4.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
rd
55
4.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
rq
56

4.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng rotor kết hợp tựa theo hệ thụ động EL

5.2 Kết quả mô phỏng thời gian thực (Hardware - in - the - loop) 93

5.2.1 Giới thiệu về Board điều khiển R&D DS1104 của hãng
dSPACE
93
5.2.2 Thiết lập mô trường làm việc mô phỏng thời gian thực 93
5.2.3 Xây dựng cấu trúc mô phỏng thời gian thực 94
5.2.4
Tổng hợp các kết quả mô phỏng 96
5.3 Kết luận chương 5 100
Kết luận và kiến nghị 101
Danh mục các công trình đã công bố của luận án 103
Tài liệu tham khảo 104

i
r
Véctơ dòng điện phía lưới, stator, rotor máy phát
4 i
rd
, i
rq
, i
sd
, i
sq
Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ toạ độ dq
5 i
Nd
, i
Nq
Các thành phần dòng lưới trong hệ toạ độ dq
6 i
s
α
, i
s
β
Các thành phần dòng stator trong hệ toạ độ αβ
7 u
N
, u
s
,

Nq
Các thành phần điện áp lưới trong hệ toạ độ dq
12 J Mô men quán tính
13 L
m
Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor
14 L
s
=L
m
+L
σ
s
Điện cảm stator
15 L
r
=L
m
+L
σ
r
Điện cảm rotor
16 L
σ
s
Điện cảm tản phía stator
17 L
σ
r
Điện cảm tản phía rotor

23
2
1
.
m
rs
L
LL
σ
=− Hệ số tản tổng
24 ψ
s
, ψ
r
Véc tơ từ thông stator, rotor
25
ψ
sd
,
ψ
sq
Các thành phần từ thông stator trong hệ toạ độ dq
26
ψ
rd
,
ψ
rq
Các thành phần từ thông rotor trong hệ toạ độ dq
27

Góc mạch điện lưới, stator, rotor
33 A Ma trận hệ thống
34 B Ma trận cấu trúc hệ thống
35 V Ma trận quán tính
36 L
L
Ma trận quán tính điện từ
37 C Ma trận điều kiện
38 D Ma trận suy giảm
39 R Ma trận điện trở
40 L Hàm Lagrange
41 L
e
, L
m
Hàm Lagrange phần điện, cơ
42 Q Lực tác động lên hệ thống
43 Q
e
, Q
m
Lực tác động đầu vào phần điện, cơ
44 P Hàm thế năng

ix
45 P
e
, P
m
Hàm thế năng phần điện, cơ

61 IE Máy khắc mã vạch xung
62 MBA Máy biến áp
63 MP Máy phát
64 ĐCVTKG Điều chế véc tơ không gian
65 THĐAL Tựa hướng điện áp lưới
66 PLL Vòng khoá pha
67 PBC Passivity - Based Control

x
68 EL Euler - Lagrange
69
P
BC
I
R Bộ điều chỉnh dòng rotor theo phương pháp PBC
70 ĐCu
DC
Bộ điều chỉnh điện áp một chiều trung gian
71 ĐCϕ Bộ điều chỉnh góc ϕ (cosϕ hoặc sinϕ)
72 ĐCMM Bộ điều chỉnh mô men
73 ĐCD Bộ điều chỉnh dòng
74 ĐCDMP

Bộ điều chỉnh dòng máy phát
75 TSP Khâu tính giá trị đặt
76 GTT Khâu tính toán giá trị thực
77 ĐLĐK Đại lượng điều khiển
78 PĐSG Phát điện sức gió
79 ADC Bộ chuyển đổi tương tự số
80 GAS Ổn định toàn cục
xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu Nội dung Trang
1.1
Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với
nhau


xiii
3.7 Biểu diễn véc tơ dòng điện phía lưới 42
3.8
Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát phía máy phát và phía
lưới hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBNK
43
3.9 Phân tích MĐKĐBNK thành động học phần điện và phần cơ 44
3.10
Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển MĐKĐBNK theo
phương pháp PBC
47
4.1
Cấu trúc bộ điều chỉnh véc tơ dòng PBC bao gồm 2 khối chức
năng
53
4.2
Hệ thống điều khiển máy phát (MĐKĐBNK) trong hệ thống
PĐSG sử dụng bộ điều chỉnh Passivity - Based
54
4.3 Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần i
rd
tựa theo EL 56
4.4 Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần i
rq
tựa theo EL 57
4.5 Sơ đồ bộ điều chỉnh số dòng thành phần i
rd
tựa theo EL và
Hamilton

5.8 Đáp ứng dòng rotor 82
5.9 Đáp ứng dòng điện i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 83
5.10 Đáp ứng điện áp pha stator máy phát và lưới 83
5.11 Đáp ứng điện áp lưới và stator sau khi đã hoà đồng bộ 83
5.12 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 84
5.13 Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 84
5.14 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 84
5.15 Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 85
5.16 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 86
5.17 Đáp ứng dòng i
rd
và i
rq
theo giá trị đặt 86
5.18 Đáp ứng mô men, cosϕ của máy phát theo giá trị đặt 86
5.19 Đáp ứng dòng i
rd
và i

5.37 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (4) 96
5.38 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (5) 97
5.39 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (6) 98
5.40 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập
lưới 10%)
98
5.41 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập
lưới 25%)
99
5.42 Đáp ứng mô men, cosϕ, dòng điện rotor của máy phát (sập
lưới 50%)
991
MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nhu cầu phát điện chạy sức gió ở Việt Nam ngày càng trở nên có
tính thực tiễn cao, bởi nguồn tài nguyên than phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện
ngày càng cạn kiệt, thuỷ điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên
các con sông Việt Nam. Ngoài ra nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn
nghiên cứu và mới chỉ
dừng lại ở công suất nhỏ, trong khi đó sức gió ở Việt Nam
chưa được khai thác nhiều.
Trong tương lai gần hệ thống lưới điện sẽ xuất hiện các chủ lưới (các công ty
tư nhân, liên doanh trong và ngoài nước) tham gia cung cấp điện năng cho toàn hệ
thống. Vì vậy, việc bám lưới khi xảy các sự cố thông thường là một đòi hỏi cấp thiết
cho hệ thống máy phát điệ
n chạy bằng sức gió.

khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based), để cải thiện chất lượng điều
khi
ển hệ thống so với phương pháp điều khiển véc tơ dòng tuyến tính.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy điện không đồng bộ nguồn kép: Thực chất là máy điện không đồng bộ
ba pha có rotor dây quấn (MĐKĐBNK). Hiện tại MĐKĐBNK ít được sử dụng với
vai trò động cơ trong các hệ truyền động. Nhưng ý nghĩa của MĐKĐBNK trong vai
trò máy phát chạy sức gió ngày càng tă
ng.
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng MĐKĐBNK. Đây là loại máy điện hứa hẹn hiệu quả kinh tế cao nhất trong
các hệ thống như vậy.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án hạn chế trong việc khảo sát đặc điểm thụ
động của MĐKĐBNK để từ đó tổng h
ợp cấu trúc điều khiển tựa theo thụ động
(Passivity - based Controll, PBC) điều khiển véc tơ dòng rotor, thích hợp với chế độ
vận hành phi tuyến hơn so với cấu trúc điều khiển tuyến tính kinh điển.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển phi tuyến
passivity - based.
- Kiểm chứng bằng mô phỏng Offline trên cơ sở sử dụng phần mề
m Matlab -
Simulink - Plecs.
- Kiểm tra kết quả bằng mô phỏng thời gian thực.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học của đề tài là chứng minh khả năng sử dụng phương pháp
thiết kế điều khiển phi tuyến trên cơ sở đặc điểm thụ động của đối tượng điều khiển
là MĐKĐBNK. Luận án đã giải quy
ết thành công cả về lý thuyết lẫn mô phỏng
Offline và mô phỏng thời gian thực.

ng (passivity - based)
nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống so với phương pháp điều khiển tuyến
tính.
Chương 2 Trình bày khái quát về phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến
trên cơ sở tựa theo đặc điểm thụ động (passivity - based) của đối tượng điều khiển.
Chương 3 Giới thiệu mô hình hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng
MĐKĐBNK, mô hình toán phía máy phát và phía lưới, cấu trúc điều khiển tổng
quát toàn hệ thống cũng như nghiên cứu bản chất phi tuyến của MĐKĐBNK. Từ

4
mô hình mô tả máy phát, đi đánh giá khả năng áp dụng phương pháp điều khiển phi
tuyến passivity - based cho MĐKĐBNK.
Chương 4 Trình bày việc xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát
điện sức gió theo phương pháp passivity - based. Ngoài ra cũng đề cập đến các vấn
đề khác nhằm nâng cao chất lượng điều khiển như vấn đề điện áp ra khỏi vùng giới
hạn, vấn đề trễ
trong bộ vi xử lý tín hiệu số, và các bộ điều khiển vòng ngoài v.v
đánh giá so sánh cấu trúc điều khiển phi tuyến passivity - based và cấu trúc điều
khiển tuyến tính.
Chương 5 Kiểm chứng chất lượng bộ điều chỉnh bằng mô phỏng Offline trên
Matlab - Simulink - Plecs cũng như mô phỏng thời gian thực trên thiết bị thực
nghiệm tại Trung tâm Công nghệ cao - Đại học Bách Khoa Hà Nội. Qua kết quả mô
phỏng Offline và mô phỏ
ng thời gian thực khẳng định tính đúng đắn của thuật toán
điều khiển mới.
Kết luận và một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.
Hình 1.1: Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau
Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MP) điện
sức gió vớ
i 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có những
ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mômen xoắn lớn
nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí thấp và có tốc độ gió
nhỏ dẫn đến thường có công suất vừa và nhỏ. Với turbine kiểu trục ngang sẽ khắc
phục được nhượ
c điểm trên của turbine trục đứng nhưng nhược điểm là chi phí xây
dựng lắp đặt cao. Chính vì vậy tuỳ vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu
turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp.

6
Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sức
gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy
phát điện sức gió hiện nay như hình 1.2.

Máy phát đồng bộ
kích thích vĩnh cửu
(hình 1.3)
Máy phát không
đồng bộ
Máy phát không
đồng bộ 3 pha rotor
lồng sóc (hình 1.3)

Máy phát không
đồng bộ 3 pha
nguồn kép
(hình 1.4)
Hệ thống
Phát điện sức gió
Máy phát xoay chiều Máy phát một chiều
MF
≈
=
=
≈

Hộp số

7
Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3
pha nguồn kép như hình 1.4.

MF
≈
=
=
≈

Hộp số

8 Hình 1.5: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng ở chế độ MP

(chưa ai làm)
a) Phạm vi hoạt động
b) Dòng năng lượng MP ở chế độ dưới đồng bộ
b) Dòng năng lượng MP ở chế độ trên đồng bộ
Rotor
Stator
Stator
Rotor
Trên đồng bộ
Chế độ máy phát
0>s>-∞
Trên đồng bộ
Chế độ động cơ
0>s>-∞
Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0
Dưới đồng bộ
Chế độ máy phát
1>s>0
S
n
n
s
0

1

0

Hình 1.7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar
P
f
, Q
f

≈
=
=
≈T
t
lọc
lọc

f
*
T
em
W
m
V
W
β
*

P
s
, Q
s

Máy cắt
Lưới

10


tb
là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của turbine gió và
được xác định theo (1.2):

tb p tb
Cf(,)
θ
λ
=
(1.2)
với
θ
p
là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của
cánh gió và được gọi là góc pitch,
λ
tb
là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc quay
của turbine
ω
tb
và tốc độ gió v
gm
:
≈
=
=
≈
Q
s
*
Q
f
*
T
em
W
m

V
W

β
*

P
s
, Q
s

Lưới

Stator switch