1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng
lượng
điện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng
lượng
truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện là các dạng năng lượng đang ngày
càng cạn
kiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Nguồn điện năng khai
thác từ
các nhà máy điện nguyên tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an
toàn.
Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng
lượng gió,
năng lượng mặt trời là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế
giới. Tuy
nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới
chỉ được
thực hiện với công suất nhỏ. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ
gió đang
ngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu.
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử
dụng
máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để
giảm
giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng
1/3
công suất tổng của hệ thống máy phát. Đồng thời, do khả năng có thể làm việc
trong
một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy

khiển phía lưới trong các hệ thống máy phát sức gió hiện đại còn yêu cầu phải có khả
năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không
đối xứng.
Hiện nay đã có một số các công trình nghiên cứu về khả năng trụ lưới trong hệ
thống phát điện chạy sức gió. Tuy nhiên, việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới
không đối xứng còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Đồng thời vấn đề kết hợp
hạn chế ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến, với tải phi tuyến ở đây
được hiểu là những tải gây ra méo dạng điện áp cũng chưa đư ợc quan tâm một cách
triệt để.
Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Sách lược điều khiển nhằm nâng cao
tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện
không đồng bộ nguồn kép" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa
quan tâm giải quyết triệt để như đã kể trên.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thống
phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao
khả năng trụ lưới của hệ thống.
Các nội dung chính của luận án
· Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho nghịch lưu (hoặc bộ biến
đổi) phía máy phát. Khi có lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển bảo
đảm quá trình vận hành đồng bộ, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối.
· Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để xác
định các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện phục vụ cho việc
điều khiển trụ lưới đối xứng và không đối xứng.
· Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng để nâng cao khả năng trụ
lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và
ngược của một hệ thống ba pha không có dây trung tính với các tiêu chí khác nhau cho
từng thành phần. Với phương pháp này th ì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phía
lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dòng l ưới trên các trục
tọa độ quay tương ứng.

có dây trung tính. Luận án giải quyết vấn đề điều khiển trụ lưới một cách triệt để hơn
so với các phương pháp điều khiển trụ lưới hiện tại.
4
· Đã ch ứng minh khả năng tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều
khiển máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép để cải thiện chất
lượng điện năng khi làm việc với các tải phi tuyến.
Cấu trúc luận án
Phần đầu của chương 1 tr ình bày khái quát về hệ thống máy phát sức gió và các
đặc điểm cơ bản của các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay trong đó nhấn
mạnh vào hệ thống tuốc bin sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép, sơ lược về
các phương pháp điều khiển máy phát nguồn kép và giới thiệu phương pháp điều khiển
passivity-based. Phần tiếp theo của chương 1 trình bày về một số vấn đề đặt ra trong
vận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến. Phần
cuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của
hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiên
cứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệ
thống 3 pha 4 dây). Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đối
xứng cho hệ thống 3 pha 3 dây. Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng
được trình bày chi tiết trong chương 3.
Chương 2 được dành để trình bày việc mô hình hóa các thành phần, cấu trúc và
các thuật toán điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điện
sức gió. Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mô hình máy điện không
đồng bộ nguồn kép và mô hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vector
điện áp lưới dq . Trên cơ sở các mô hình toán đã có đ ể xây dựng cấu trúc điều khiển
phía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp
passivity-based. Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đ ồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòa
đồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện
cụ thể. Phần cuối của chương 2 trình bày v ề việc xây dựng cấu trúc điều khiển phía
lưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat.
Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án. Phần đầu của chương 3 giới

Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị.
6
Chương 1. Tổng quan
1.1 Khái quát về năng lượng gió
Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những
năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao. Đặc biệt, sự phát triển năng
lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng
lượng sạch, năng lượng tái tạo. Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng
lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho bi ết dung lượng của các hệ thống
máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW [39].
Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ợưng của các hệ thống phát điện chạy
sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.535 MW [35]. Trong khi
dung lượng đó ở Mỹ đã tăng t ừ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn
16.800 MW ở cuối năm 2007 [12, 26].
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các
tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1.
Hệ thống
phát điện sức gió
Máy phát một
chiều
Máy phát xoay
chiều 1 pha
Máy phát xoay
chiều
Máy phát xoay
chiều 3 pha
M
á
y



p
h
á
t
k
h
ô
n
g
đ
ồ
n
g
b
ộ
3
p
h
a
r
o
t
o
r
lồng
sóc
Máy phát không
đồng bộ
Máy phát không

-1
0
1
(a)
Trên đồng bộ
Chế độ động cơ
0>s>- ∞
Dưới đồng bộ
Chế độ động cơ
1>s>0
Lưới điện
Rotor
Stator
(c)
m
Hình1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và d òng chảy năng lượng tương ứng.
(a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng
chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ.
8
1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và
các phương pháp điều khiển
Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên
hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới. Các
cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi
phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới. Hai bộ biến đổi liên hệ với
nhau thông qua mạch một chiều trung gian.
Gió
MPKĐBNK
m
AC

tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của
tuốc bin. Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch

p
được đưa trực tiếp tới bộ
phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin. Trong khi đó,
mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và
9
công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn.
1.2.1 Công suất của tuốc bin gió
Công suất của tuốc bin gió được tính theo công thức sau [29, 48, 65, 66]:
P
tb
=
1
2
2 3
(1.1)
Trong đó,
〉
tb
là mật độ không khí (
kg/m
3
),
R
cg bán kính của cánh gió (
m ),
v
gm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (

tb
(t ) =
 tb ( t ) R cg
vgm (t )
(1.3)
Lưu ý rằng theo các tài liệu nghiên cứu thì giá trị cực đại của
C
tb
là
0.593 và
còn được gọi là giới hạn Betz [19, 41, 59, 66].
Các công thức (1.1), (1.2) và (1.3) cho thấy là công suất của tuốc bin gió phụ
thuộc vào cấu trúc của tuốc bin gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của tuốc
bin. Vì vậy, với một góc pitch cố định và ở một mức độ gió cho trước thì công suất của
một tuốc bin gió còn phụ thuộc tốc độ quay của nó nữa.
1.2.2. Điều khiển tuốc bin gió
Như đã trình bày trong mục 1.2.1, để duy trì công suất được biến đổi từ năng
lượng gió thành công suất cơ trên trục của tuốc bin là cực đại thì cần phải đảm bảo giá
trị của hệ số
C
tb
là tối ưu ứng với từng tốc độ gió trong dải tốc độ gió cho phép. Việc
điều chỉnh sao cho tốc độ tuốc bin đạt được giá trị cho phép phát ra công suất đỉnh
được thực hiện thông qua việc điều khiển góc pitch. Ở tốc độ gió nằm ngoài dải tốc độ
cho phép của tuốc bin thì thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ
khí để giữ cho tuốc bin không quay. Muốn như vậy thì tốc độ trục cơ của tuốc bin gió
(được kết nối với trục rotor của MPKĐBNK thông qua một hộp số) phải được điều
10
khiển bám theo đường đặc tính tối ưu cho phép khai thác công suất tối đa ứng với
từng tốc độ gió như đã đư ợc thể hiện ở các công thức (1.1), (1.2), (1.3) và hình 1.4.

Cần chú ý rằng việc điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin có thể thực hiện trực
tiếp bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh
gió hoặc thực hiện gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát.
1.2.3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép
Các thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với các bộ điều khiển kiểu PI
được trình bày trong [18, 44, 65, 67, 69, 75]. Đặc điểm chung của các phương pháp này
là có thêm một thành phần bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằm
loại bỏ các ảnh hưởng của lực phản điện động của máy. Chi tiết của vấn đề này được
trình bày trong [84]. Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward phụ thuộc vào độ
chính xác của các tham số của MPKĐBNK nên thường không có được đặc tính làm
việc lý tư ởng trong thực tế do các tham số MPKĐBNK có thể bị biến đổi trong quá
trình làm việc. Một phương pháp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khác là điều khiển
dead-beat được trình bày trong [49, 72]. Tuy nhiên, phương pháp này dựa trên việc giả
thiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mô hình gián
đoạn của MPKĐBNK là mô h ình tuyến tính hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiển
tuyến tính. Để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward và để đảm bảo chất lượng của
hệ thống điều khiển trong một khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, các phương pháp
điều khiển phi tuyến đã được đề nghị áp dụng cho điều khiển MPKĐBNK. Vấn đề này
đã được trình bày trong các tài liệu [1, 5, 49, 57, 73, 74].
Như đã trình bày ở trên, mặc dù hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tuốc
bin gió phải gồm cả phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy
nhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần điều khiển MPKĐBNK. Hiện nay đã có
nhiều phương pháp điều khiển MPKĐBNK được nghiên cứu như phương pháp tựa
theo điều khiển cuốn chiếu (backstepping based) [5], phương pháp tuyến tính hóa
chính xác (exact linearzation) [73, 74], phương pháp tựa theo thụ động (passivity based)
và phương pháp tựa phẳng (flatness based) [1]. Luận án này sử dụng phương pháp thiết
kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động để điều khiển bộ biến đổi phía máy
phát (hình 1.5). Giá trị đặt tối ưu cho phần điều khiển MPKĐBNK gồm mômen điện từ
T
e* và công suất phản kháng

Đối với yêu cầu đảm bảo chất lượng của một hệ thống truyền tải và cung cấp
điện thì vấn đề sóng hài và dao động điện áp ngày càng nhận được sự quan tâm của các
nhà cung cấp cũng như của các hộ tiêu thụ điện.
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành sản xuất công nghiệp trong đó sử
dụng rộng rãi các thiết bị điện tử công suất lớn như các bộ biến đổi xoay chiều - một
chiều, các bộ biến tần, các loại lò điện cùng với các hệ thống điều khiển từ đơn giản
đến phức tạp để tạo ra một hệ thống truyền động điện linh hoạt, đáp ứng được các yêu
cầu điều khiển khác nhau và thích ứng cho nhiều loại phụ tải. Tuy nhiên, việc sử dụng
các thiết bị này cũng tạo ra những thách thức ngày càng to lớn đối với yêu cầu đảm bảo
chất lượng của nguồn điện cung cấp. Các thiết bị này tạo nên những những phụ tải phi
tuyến và gây ra các thành phần sóng hài trên lưới. Những sóng hài này làm cho điện áp
lưới bị méo dạng và gây ảnh hưởng không tốt cho những phụ tải được nối với nó [30,
50, 51, 52, 81]. Hiện nay, để khắc phục vấn đề này người ta có thể sử dụng các bộ lọc
tích cực thay vì sử dụng các bộ lọc thụ động vốn cồng kềnh và khó đáp ứng cho các
dạng sóng hài khác nhau. Các ưu điểm cơ bản của bộ lọc tích cực là khả năng bù một
13
số sóng hài quan trọng mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính của lưới, đồng thời thích
ứng với sự thay đổi của lưới và tải.
Trong luận án này tập trung nghiên cứu khắc phục sự cố sập lưới trong hệ thống
lưới phân phối và ảnh hưởng của sóng hài và dao động điện áp trong hệ thống phát
điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao chất lượng
của hệ thống.
1.3.2 Yêu cầu trụ lưới
Các hệ thống máy phát sức gió với MPKĐBNK có nhược điểm là rất nhạy đối
với các nhiễu loạn lưới, đặc biệt là khi lỗi lưới. Một trong các giải pháp để bảo vệ hệ
thống khi xảy ra sập lưới là cắt máy phát ra khỏi lưới. Trong trường hợp này, hệ thống
không có khả năng khôi phục lại ngay lập tức tình trạng làm việc như lúc trước khi xảy
ra sự cố (phải hòa đồng bộ lại). Mặt khác, việc cắt các máy phát ra khỏi lưới có thể còn
làm tồi tệ hơn tình trạng sập lưới do việc cắt máy phát có thể gây nên quá trình cân
bằng dẫn đến mất ổn định và hậu quả có thể là rã l ưới.

trong các lưới điện yếu ngay cả trong trạng thái làm việc bình thường. Trong một số
trường hợp, các nhiễu loạn trên lưới hoặc tải không đối xứng cũng làm cho điện áp lưới
không còn đối xứng nữa [91]. Điều này có thể dẫn tới mất ổn định của hệ thống, ảnh
hưởng đến chức năng làm việc của một số thiết bị điện và có thể làm cho hệ thống bảo
vệ mất cân bằng dòng điện tác động [56].
Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi sập lưới cũng như khi
làm việc với tải không cân bằng đã đư ợc đề cập trong nhiều công trình nghiên cứu.
Trong tài liệu [11], bộ điều khiển dòng của bộ biến đổi phía lưới được thực hiện trên
trục tọa độ ứng với thành phần thứ tự thuận. Trong khi đó, thành phần thứ tự ngược của
điện áp lưới được đưa thêm vào trong thành phần điện áp đầu ra của bộ điều khiển
dòng. Cách thức thực hiện bộ điều khiển như đ ã trình bày còn được gọi là phương pháp
sử dụng bộ điều khiển feedforward thành phần điện áp thứ tự ngược. Đồng thời, nghiên
cứu này còn đưa ra phương pháp sử dụng hai bộ điều khiển dòng được thực hiện trên
cả hai hệ trục tọa độ tương ứng với các thành phần thứ tự thuận và ngược và được gọi
là bộ điều khiển vector dòng đối ngẫu. Phương pháp này cũng được đề cập đến trong
nhiều tài liệu nghiên cứu khác, chẳng hạn như trong [6, 21, 64]. Các biện pháp khắc
phục lỗi lưới không đối xứng sử dụng bộ biến đổi với 4 nhánh van trong hệ thống ba
pha 4 dây cũng được đề cập trong các tài liệu [7, 38]. Bộ điều khiển dòng loại này cho
phép điều khiển riêng rẽ các thành phần dòng điện thứ tự thuận, ngược và zero dẫn đến
việc có thể loại bỏ được các nhiễu loạn của điện áp do tải không cân bằng gây ra. Tuy
15
nhiên, phương pháp này không áp dụng được cho các hệ thống ba pha không có dây
trung tính. Một phương pháp khác được cho là có khả năng bù dòng tải phi tuyến và
không cân bằng sử dụng bộ lọc tích cực cho điều khiển dòng sin được trình bày trong
tài liệu [8].
Những vấn đề còn tồn tại:
Các phương pháp trụ lưới như đ ã kể trên còn một số nhược điểm như sau:
· Không điều khiển đưa công suất tác dụng về không và không điều khiển công
suất phản kháng bám điện áp lưới trong suốt quá trình lỗi lưới
· Chưa giải quyết triệt để các vấn đề điều khiển bộ biến đổi phía lưới để bù lỗi lưới

Điều khiển
feedforward điện
áp thứ tự ngược
[11]
Điều khiển vector
dòng đối ngẫu
[6, 21, 64]]
Điều khiển bộ biến
đổi 4 nhánh van
[7, 38]
Sử dụng bộ lọc
tích cực điều
khiển dòng sin
[8]
Điều khiển
tổng hợp đối
xứng
Hình 1.6: Các sách lược trụ lưới
Kết luận chương 1
Chương 1 đ ã giải quyết được các vấn đề sau:
· Tổng quan về các hệ thống biến đổi năng lượng gió
· Đưa ra đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện
không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển.
· Khái quát các yêu cầu điều khiển trụ lưới nói chung và điều khiển trụ lưới của hệ
thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép.
· Trình bày và đánh giá các phương pháp điều khiển trụ lưới đã có từ đó đề xuất
sách lược điều khiển trụ lưới nhằm nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy bằng
sức gió.
17
Chương 2 . Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng

〈
trùng với
e
j 0
0
như được biểu diễn trên hình 2.1. Khi đó

s〈 0
= T
sf

sabc
(2.1)
T
thành phần zero được thêm vào để ma trận
T
sf
có thể nghịch đảo được.
Ma trận biến đổi được cho bởi [85]
Tsf =


0
 1
 2
1
2
3
2
1

3

−−

−
3
2
1 
2 
18
0
j¯
jq
j¯
! f
d
0
®
µf
®
0
Hình 2.1: Biến đổi các hệ trục tọa độ
Trong trường hợp tổng quát, nếu 〈 là một hệ tọa độ cố định trong mặt
phẳng phức và dq là một hệ tọa độ mới với góc quay
 f (xem hình 2.1) thì

sdq
=
T
rf

trong đó  〈 =
(

s〈

s
)
T
, 
s
=
(

d

q
)
, và ma trận biến đổi
d
 − sin
f
cos
f

19
Các phương tr ìnhđiện áp của stator và rotor có thể được viết như sau:
s s
dΨ
s
dt

trên hệ tọa độ cố định với rotor.
Các từ thông stator và rotor được xác định bởi
Ψ

s
Ψ

r
= i s Ls + i r Lm
= i r Lr + i s Lm
(2.5)
với
L
m
là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và
L
s
, L
r
là các điện cảm
của stator và rotor.
Nếu biểu diễn điện cảm tản phía stator và rotor là
L
⌠s
và L
⌠r
thì các điện cảm
của stator và rotor được tính như sau
Ls
Lr