Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA
MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP
LƯỚI ĐỐI XỨNG Học viên : Đặng Thị Loan Phượng
Người HD Khoa Học: TS Cao Xuân Tuyển THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN


TS. Cao Xuân Tuyển
BAN GIÁM HIỆU
HỌC VIÊN Đặng Thị Loan Phượng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn Đặng Thị Loan Phượng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các
thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Cao Xuân Tuyển, Người đã tận tình hướng

dụng MĐKĐBRTDQ nối lƣới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều
khiển nghịch lƣu phía máy phát nhƣ sau
10
Chƣơng 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN
12
2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ
12
2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới
13
2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha
13
2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
15
2.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và vô công phía máy
phát
22
2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới
24
2.2.5 Mô hình gián đoạn phía lưới
28
2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới
29
Chƣơng 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỐI
TƢỢNG
32

3.1. Khái quát các phƣơng pháp đã áp dụng và lựa chọn phƣơng pháp điều
khiển
32
3.2 Phƣơng pháp điều khiển nội DFIG

Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm
48
4.2.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ lỗi lƣới ngắn mạch ba pha đỗi xứng
51
4.2.2.1. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng
bộ 10% (n=1350v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về
0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên
1000 Var sau đó về 0
Var
51
4.2.2.2. Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng
bộ 10% (n=1650v/ph). Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về
0Nm cuối cùng về-10Nm. Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên
1000 Var sau đó về 0
Var
54
4.3 Kết luận
56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………………….
57
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
62
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3
LỜI GIỚI THIỆU
Xã hội loài ngƣời muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu không thể thiếu

một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các
thành phần dòng. Tuy nhiên phƣơng pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần
số mạch rotor biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trƣờng hợp lƣới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
4
điện gặp sự cố dẫn tới sập lƣới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch rotor,
của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lƣới. Những
đặc điểm kể trên đã làm cho phƣơng pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực.
Bản luận văn này giới thiệu một phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không
cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MĐKĐBRTDQ,
đó là phƣơng pháp điều khiển mô hình nội. Đây là phƣơng pháp chƣa đƣợc áp dụng
cho đối tƣợng MĐKĐBRTDQ. Với phƣơng pháp này, thông qua bộ điều khiển phản
hồi trạng thái, hệ thống trở thành ổn định tiệm cận toàn cục trong toàn bộ không
gian trạng thái. Luận văn đƣợc chia thành:
Chƣơng 1 Đặt vấn đề, lựa chọn đối tƣợng điều khiển
Chƣơng 2 Mô hình toán học đối tƣợng điều khiển
Chƣơng 3 Phân tích lựa chọn phƣơng án điều khiển đối tƣợng.
Chƣơng 4 Mô phỏng và kết luận.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo trong trƣờng Đại
học Kỹ thuật Công Nghiệp ĐH Thái Nguyên.
Đặc biệt là thầy giáo TS. Cao Xuân Tuyển đã hƣớng dẫn em tận tình trong quá
trình làm luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng xong bản luận văn không tránh khỏi
những điểm sai xót hạn chế.Kính mong quý thầy cô cùng các bạn góp ý để luận văn
của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Thái Nguyên, ngày 2 tháng 9 năm 2011
Ngƣời thực hiện Đặng Thị Loan Phƣợng


khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay
đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định.
Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có
bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới và tuốc bin gió sử dụng máy điện không
đồng bộ rô to dây quấn (MĐKĐBRTDQ).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
6
Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch
stator của máy phát và lƣới, do dó bộ biến đổi đƣợc tính toán với công suất định
mức của toàn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc
hoặc là đồng bộ. Ngày nay với xu hƣớng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Gearbox
G
TransformerPower electronic
converter
≈
=
≈
=

Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và
lƣới
Năng lƣợng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới ngƣời ta đã chế tạo các loại tuốc
bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi
có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi
cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo
tuốc bin gió có xu hƣớng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ
thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm
giá thành, vì bộ biến đổi đƣợc nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó

g
Stator breaker
P
s
, Q
s
T
em
T
t
P
r
dv/dt
filter
filter
P
f
, Q
f
~
=
=
~
Lever I
(Vector Control)
Lever II
(Wind turbine control strategy)
Crowbar
Crowbar
control

GridP
g
, Q
g
P
s
, Q
s
T
em
T
t
P
r
dv/dt
filter
filter
P
f
, Q
f
~
=
=
~
Lever I
(Vector Control)
Lever II
(Wind turbine control strategy)
Stator switch

của nó, nghĩa là công suất lấy từ gió đƣợc giữ bằng công suất định mức thông qua
việc điều chỉnh góc của cánh gió.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9
- Khi tốc độ gió quá thấp, năng lƣợng quá nhỏ hoặc khi tốc độ gió quá cao
(trên 25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lƣới.
A
B
C
D
E
Công suất cực đại
Công suất
giới hạn
I1 I2 I3
Tốc độ gió (m/s)
5 10 15 20
u
đm
100
Công suất (%)
A
E
Tốc độ máy phát (v/ph)
50
100
Công suất (%)
B
C
D

(NLMP), và điều khiển hƣớng, trị số công suất vô công lên lƣới.
 Điều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)
Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua mô men),
và công suất phản kháng lên lƣới một cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển
các thành phần dòng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector.
Với mục đích của luận án là nâng cao chất lƣợng hệ thống PĐSG sử dụng
MDKDB thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển
nghịch lƣu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu
cầu của điều khiển NLMP
1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với điều khiển nghịch lƣu phía máy phát
Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng
MĐKĐBRTDQ nối lƣới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển phía máy
phát nhƣ sau:
Ở chế độ làm việc bình thƣờng, thực hiện bám lƣới với tần số và điện áp lƣới
không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và
công suất phản kháng lên lƣới.
Ở chế độ sự cố (ngắn mạch gây sụt điện áp lƣới), thực hiện bám lƣới; cung cấp
công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lƣới ngay sau khi lỗi lƣới để cấp dòng ngắn
mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lƣợng
tác động; điều chỉnh công suất phản kháng lên lƣới để hỗ trợ lƣới phục hồi điện áp,
đồng thời tạo điều kiện để hệ thống trở về chế độ bình thƣờng ngay sau khi lỗi lƣới
(vì mức điện áp lƣới lúc này đã đƣợc nâng lên).
Ở chế độ sự cố, một vấn đề có thể xảy ra (nhất là khi sập lƣới với mức độ lớn)
với bộ điều khiển nghịch lƣu phía lƣới là vấn đề mất điều khiển dòng khi lỗi lƣới.
Nguyên nhân là khi lỗi lƣới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá độ dao động,
làm cảm ứng trong mạch rotor điện áp quá độ có trị số lớn (sức phản điện động) , và
nếu lớn hơn điện áp cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra đƣợc thì sẽ gây mất điều
khiển dòng và gây quá dòng lớn. Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
11

S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
12
Chng 2
Mễ HèNH TON HC I TNG IU KHIN
2.1 Khỏi quỏt v h thng phỏt in chy sc giú s dng MKBRTDQ

NLPL
3~
3~
NLMP
3~
MP
u
s
u
N
MĐN
i
N
i
r
i
s
n
DSP
U
DC
Biến thế
IE
HS

ging nh cm NLMP. Cm NLPL cú nhim v iu chnh n nh in ỏp mch
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
13
một chiều trung gian
DC
u
sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng nhƣ chiều của
dòng năng lƣợng chảy qua rotor, đồng thời điều chỉnh
cos

phía lƣới và qua đó có
thể giữ vai trò bù công suất vô công. Các van bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL
đƣợc điều khiển đóng mở theo nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG).
2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lƣới
2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lƣợng 3 pha
Theo lý thuyết điều khiển vector, trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang ) của
máy điện, vector không gian dòng điện stator của MĐKĐBRTDQ đƣợc định nghĩa
nhƣ sau:
120 240
2
( ) ( ) ( ) ( )
3
oo
s
jt
jj
ss
su sv sw
i t i t i t e i t e i e


là tần số mạch stator.
Đối với các đại lƣợng khác của mạch stator, nhƣ điện áp stator, từ thông stator ta
đều có thể xây dựng các vector không gian tƣơng ứng tƣơng tự nhƣ đối với dòng
điện stator kể trên.
Với MĐKĐBRTDQ, trên rotor cũng có cuộn dây ba pha r, s, t trong đó chảy ba
dòng điện
rr
i
,
rs
i
,
rt
i
tần số góc

r
, vector không gian dòn điện rotor cũng đƣợc
định nghĩa nhƣ sau:
120 240
2
( ) ( ) ( ) ( )
3
oo
r
jt
jj
rr
rr rs rt
i t i t i t e i t e i e

d
s

jq
s

i
sd
i
sq
i
s

s

i
s
i
s

s
u

Hình 2.2 Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator trên hệ trục
toạ độ

và d,q
Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), ta xây dựng một
hệ toạ độ cố định


i
, ta có mối
liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator trên các hệ trục toạ độ và các dòng
điện pha stator nhƣ sau:
1
( 2 )
3
s su
s su sv
ii
i i i









(2.3)
0,5( 3 )
0,5( 3 )
su s
sv s s
sw s s
ii
i i i
i i i


(2.5)
cos sin
sin cos
s sd s sq s
s sd s sq s
i i i
i i i











(2.6)
Các công thức biến đổi cho vector dòng stator ở trên cũng đúng với các vector
khác nhƣ vector điện áp stator, dòng rotor, điện áp rotor, từ thông stator, từ thông
rotor.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
15
2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát
Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát, thực chất là mô hình trạng thái liên
tục đối tƣợng MĐKĐBRTDQ. Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của
MĐKĐBRTDQ là các phƣơng trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây
stator, rotor.

sr
r m r
i L i L
i L i L









(2.9a,b)
Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên các giá
trị điện cảm là bất biến đối với mọi hệ tọa độ quan sát. Do đó, (2.9) đƣợc dùng một
cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải. Khi sử dụng trên hệ tọa
độ cụ thể ta sẽ điền thêm chỉ số.
Phƣơng trình mômen:
   
33
22
sr
G p s p r
m z i z i

    
(2.10)
Sau khi chuyển (2.7), (2.8), (2.9) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq là hệ toạ độ
quay với vận tốc góc

i L i L
i L i L







  




  








(2.11a,b,c,d)
với
sr
  

(2.12)
Chỉ số phía trên bên phải “f” để chỉ hệ tọa độ quay dq. Vì ta điều khiển

uj


(2.13)
Phƣơng trình (2.13) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator
một góc chừng 90
0
, hoặc diễn đạt cách khác: vector từ thông stator luôn đứng vuông
góc với vector điện áp stator, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa.
Mặt khác, thiết bị điều khiển đƣợc đặt ở phía rotor và ta có cơ hội để sử dụng
dòng rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tƣợng MĐKĐBRTDQ. Vì vậy ta
sẽ tìm cách thông qua 2 phƣơng trình từ thông (2.11c,d) khử dòng stator
s
i
và từ
thông rotor
r

, giữ lại dòng rotor
r
i
và từ thông stator
s

rồi thay vào 2 phƣơng
trình (2.11a,b) và biến đổi ta có:
/
/
/
1 1 1 1 1 1 1


   




(2.14)
với
/
/
s s m
L



Viết (2.14) dƣới dạng thành phần ta sẽ thu đƣợc mô hình điện toàn phần của
MĐKĐBRTDQ nhƣ (2.15).
//
//
/
//
/
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
1 1 1
1
   
  
       
   

dt T
  
  
    
  
  
    

  

//
11











  


rq s sd sq sq
sm
u
TL

  
(2.16)

Trong đó:
 vector trạng thái
//T
rd rq sd sq
x i i






T
s sd sq
u u u



là vector biến vào phía stator

T
r rd rq
u u u



là vector biến vào phía rotor
Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator B

  

  




  
  






  

  

























;
1
0
1
0
B
00
00
r
r
r
L
L






11 12
21 22
AA
A
AA




;
1
2
B
B
B
s
s
s




;
1
B
B
O
r
r









  




;
12
11
A
11
s
s
T
T










1
A
1
s
s
T
T











;

1
1
0
B
1
0
m
s
m
L






;
1
1
0
B
1
0
r
r
r
L
L









(2.19a,b,c,d,e,f,g)
Khi này, mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng
các ma trận con nhƣ hình 2.4.
Trong đó



;
/
/
/
sd
s
sq









Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con ở hình 2.4 mô tả mô hình điện liên tục
của MĐKĐBRTDQ trong không gian trạng thái. Dựa trên mô hình thể hiện ở hình
2.4, ta hình dung ra có thể tách nó thành 2 nửa, nửa trên và nửa dƣới. Nửa trên là mô
hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ có vai trò làm cơ sở cho việc thiết kế khâu điều
chỉnh dòng, nửa dƣới là mô hình từ thông stator. Vì điện áp stator là tƣơng đối ổn
định ở trạng thái làm việc bình thƣờng, mà từ thông stator lại phụ thuộc vào điện áp
stator, nên qua mô hình trạng thái MĐKĐBRTDQ thể hiện dƣới dạng ma trận con
này ta thấy rằng ảng hƣởng của điện áp stator và từ thông stator tới dòng điện rotor
đƣợc xem nhƣ là các đại lƣợng nhiễu biến thiên rất chậm. Nhƣ sau này trong thiết kế
các khâu điều chỉnh sẽ thấy, các đại lƣợng nhiễu đó ở chế độ làm việc bình thƣờng
đƣợc khử ảnh hƣởng bằng khâu bù đơn giản.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ψ
/
s
d
ψ
dt
r
r
2

Hình 2.4 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ thể hiện bằng ma trận con B
r
1

A
11
u
r

di
dt
r
i
B
s1
A
1


   

rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
  
  
    
  
  
    
(2.20a,b)
Đặt a =









Khi đó mô hình dòng rotor đƣợc viết dƣới dạng:

//
//

      




      


rd
rd r rq sd sq rd sd
rq
r rd rq sd sq rq sq
di
ai i e b cu du
dt
di
i ai b e cu du
dt
  
  
(2.21a,b)
Để thấy rõ đặc điểm phi tuyến của mô hình dòng, hệ (2.21) đƣợc viết lại dƣới
dạng ma trận nhƣ sau:






;
sd
s
sq
u
u
u




;
/
/
/
sd
s
sq











là ma trận tƣơng tác phi tuyến; thành phần nhiễu
/
s

tác động vào hệ thống qua ma
trận
X
eb
be







; thành phần nhiễu
s
u
tác động vào hệ thống qua ma trận
0
S
0
d
d


