ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN


BK
TP.HCM
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP:

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA

GVHD:

PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
SVTH:

Nguyễn Lê Huy Bằng
MSSV:

40400160


i

LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng gửi lời cám ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:
Thầy Dương Hoài Nghĩa, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp
các tài liệu cần thiết em trong suốt thời gian làm luận văn.
Các thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ những
kiến thức vô giá cho em trong suốt thời gian học đại học.
Cuối cùng, em rất biết ơn bố mẹ và anh chị đã chăm lo, cám ơn bạn bè đã ủng hộ
em hoàn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010. ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
Mục lục hình iv

3.1.2 Công suất trong vectơ không gian. 27
3.1.3 Các phép chuyển hệ tọa độ 29
3.1.3.1 Chuyển đổi abc và αβ. 29
3.1.3.2 Chuyển đổi αβ và dq. 30
3.2 Mô hình toán học của DFIG. 31
3.2.1 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ. 31
3.2.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq. 35
3.3 Mô hình mô phỏng DFIG trên Matlab/Simulink. 37
Chương 4: ĐIỀU KHIỂN DFIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT. 41
4.1 Điều khiển trượt. 41
4.1.1 Luật điều khiển. 41
4.1.2 Hiện tượng dao động tần số cao. 43
4.2 Điều khiển hai thành phần công suất của DFIG bằng phương pháp trượt. 45
4.2.1 Hai thành phần công suất DFIG trong hệ dq định hướng áp. 45
4.2.2 Điều khiển trượt công suất thông qua điều khiển dòng rotor. 49
4.2.2.1 Phương trình trạng thái của hệ thống DFIG. 49
4.2.2.2 Luật điều khiển. 52
Chương 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ. 57
5.1 Sơ đồ mô phỏng. 57
5.2 Kết quả mô phỏng. 61
5.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ danh định. 61
5.2.2 Kết quả khảo sát tính bền vững của luật điều khiển. 67
Chương 6: KẾT LUẬN. 72
6.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn. 72
6.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. 72
Tài Liệu Tham Khảo 73
Phụ Lục 75

Hình 3.5: Sơ đồ tương đương RL trong hệ trục tọa độ tự nhiên của stator và rotor 32
Hình 3.6: Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha 33
Hình 3.7: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ 35
Hình 3.8: Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq 36
Hình 3.9: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq
quay với tốc độ đồng bộ 37
Hình 3.10: Mô hình mô phỏng DFIG trên hệ tọa độ αβ 38
Hình 3.11: Các khối chuyển hệ tọa độ điện áp từ abc sang αβ 38
Hình 3.12: Các khối tính dòng và từ thông. 39
Hình 3.13: Khối tính momen và ω
r
39
Hình 3.14: Các khối chuyển hệ tọa độ αβ sang abc. 40
Hình 4.1: Quỹ đạo trạng thái ở chế độ trượt (n=2) 42
Hình 4.2: Hàm Signum 43
Hình 4.3: Hiện tượng dao động tần số cao. 44

v

Hình 4.4: Hàm Saturation. 45
Hình 4.5:Định hướng hệ trục tọa độ dq theo vectơ điện áp lưới. 46
Hình 4.6:Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát và lưới điện.
47
Hình 4.7:Giản đồ vectơ điện áp lưới và vectơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua điện
trở stator. 48
Hình 4.8:Sơ đồ biểu diễn trạng thái của hệ thống điều khiển DFIG. 52
Hình 4.9: Tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển được trang bị với khâu Saturation. 56
Hình 4.10: a) Thêm cực vào trước khâu tính đạo hàm tạo ra hàm truyền hợp thức
b)Tín hiệu nấc được lọc trước khâu tính đạo hàm 56
Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển DFIG bằng phương pháp trượt 57

Hình 5.14: Dòng và áp rotor 66
Hình 5.15: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện trở stator và rotor lên 20% 69
Hình 5.16: Đáp ứng hệ thống khi giảm điện trở stator và rotor xuống 20% 70
Hình 5.17: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện cảm và hỗ cảm 71
vi

Ký hiệu dùng trong luận văn
as
v
,
bs
v
,
cs
v

Điện áp 3 pha a,b,c của stator
ar
v
,
br
v
,
cr
v
Điện áp 3 pha a,b,c của rotor
s

i
,
bs
i
,
cs
i
Dòng điện 3 pha a,b,c của stator
s
i
α
,
s
i
β
Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ αβ
ds
i
,
qs
i
Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ dq
ar
i
,
br
i
,
cr
i

ψ
Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ αβ
ds
ψ
,
qs
ψ
Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ dq
r
α
ψ
,
r
β
ψ
Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ αβ
dr
ψ
,
qr
ψ
Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq
s
P
,
s
Q
,
s
S

vii

Chỉ số đi kèm
ref,* Viết ở trên, bên phải: giá trị đặt
s,e Viết ở trên, bên phải: đại lượng thuộc hệ tọa độ αβ ,dq
d,q Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục d,q
α,β Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục α, β
s,r Viết ở dưới, bên phải: đại lượng stator, rotor viii

Tóm tắt luận văn
Luận văn tìm hiểu tổng quan về các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Đi sâu
tìm hiểu về mô hình toán, mô phỏng và điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn
từ hai phía (DFIG) ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
Mô hình mô phỏng của DFIG được xây dựng trong hệ tọa độ αβ.
Các phương trình toán của DFIG sử dụng trong hệ thống điều khiển được tính trên
hệ tọa độ dq định hướng theo vectơ điện áp lưới. Mục tiêu điều khiển là điều khiển độc
lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator. Việc điều khiển độc lập
hai thành phần công suất này có ý nghĩa là điều khiển độc lập công suất tác dụng để tối
ưu công suất nhận được từ gió, điều khiển độc lập công suất phản kháng để ổn định hệ
thống điện. Trên hệ tọa độ dq đinh hướng theo vectơ điện áp lưới mục tiêu điều khiển
độc lập hai thành phần công suất tương đương với điều khiển hai thành phần dòng điện
dr
i
,
qr
i
phía rotor.

đổi năng lượng cơ này thành điện năng. Điện năng này có thể được sử dụng trực tiếp,
lưu trữ hay hòa vào mạng điện.
Những thuận lợi:
• Đầu tiên, phát điện từ gió không gây ô nhiễm môi trường. Mặc dù, có một số
ảnh hưởng về tiếng ồn và quang cảnh, phát điện từ gió giúp giảm ô nhiễm
không khí so với sử dụng các nguồn năng lượng khác, không gây hiệu ứng nhà
kính.
• Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận, chỉ tốn chi phí đầu tư ban đầu, bảo
trì và vận hành, không tốn chi phí nhiên liệu.
• Vị trí lắp đặt đa dạng hơn thủy điện, có thể lắp đặt ở những đảo, vùng núi, nơi
lưới điện quốc gia không đến được. Đáp ứng nhu cầu năng lượng cho những
nơi này.
• Giá thành thấp. Với sự phát triển của kỹ thuật phát điện bằng sức gió, giá thành
không còn là vấn đề như những thập niên trước. Giờ đây, giá điện từ gió rẻ hơn
giá điện từ những nguồn khác như than, dầu hay biomas…
Những khó khăn:
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

2

• Công suất phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ gió. Nên chỉ lắpđặt được ở những vùng
có sức gió tương đối cao, nhằm tăng hiệu quả đầu tư. Và do tốc độ gió không
ổn định nên công suất phát ra cũng không ổn định.
• Các turbine gió gây tiếng ồn và làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí có
thể làm xáo trộn hệ sinh thái của một số loài chim hoang dã, làm nhiễu xạ sóng
truyền thanh và truyền hình.
• Chịu đựng kém trong các điều kiện gió bão, việc bảo vệ an toàn cho các turbine
gió khá phức tạp.

3

Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại bao gồm:
- Turbine gió: có hai loại trục dọc và trục ngang. Turbine dạng trục ngang với ưu
điểm hiệu suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chuyển đổi có
công suất lớn.
- Tháp đỡ: để có được nguồn gió lớn và ổn định người ta thường lấy gió trên
cao. Tháp đỡ dùng để nâng đỡ hệ thống turbine, máy phát, các bộ phận cơ
khí…Cấu trúc tháp bằng bêtông hoặc thép, có tính toán tần số cộng hưởng khi
đưa hệ thống vào hoạt động.
- Hộp truyền động (Gear box): Máy phát thường có tốc độ định mức khoảng
1000 – 1500 rpm trong khi tốc độ của turbine gió chỉ khoảng 30 – 50 rpm. Vì
vậy hộp truyền động được sử dụng để tương thích hai cấp tốc độ này.
- Máy phát điện: Hầu hết các hệ thống kết nối với lưới điện điều sử dụng máy
phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng. Một số hệ thống làm việc độc lập sử
dụng máy phát điện nam châm vĩnh cữu. Máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai
phía (DFIG) với nhiều ưu điểm trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang
là máy phát được sử dụng phổ biến nhất.
- Bộ biến đổi công suất: được sử dụng để khởi động, hòa đồng bộ, điều khiển,
và bảo vệ máy phát kết nối lưới điện. Bộ biến đổi công suất là linh hồn của hệ
thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện.
- Thiết bị truyền tải, kết nối lưới điện: Các máy biến áp được sử dụng để kết
nối với lưới điện.
- Hệ thống điều khiển, giám sát và bảo vệ: Hệ thống chuyển đổi năng lượng
gió hiện đại sẽ được trang bị các hệ thống điều khiển, và giám sát máy phát.
Nhằm tối ưu công suất nhận được từ gió, bảo vệ toàn hệ thống khỏi sự cố. Hệ
thống này bao gồm các cảm biến đo hướng gió, tốc độ gió…Được thiết kế làm
việc với mức an toàn và tin cậy cao để đảm bảo hệ thống làm việc an toàn.
1.2.2
Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

máy phát đồng bộ.
• Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía.
1.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định.
Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được
kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới
điện như hình 1.2.

Hình 1.2: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ
cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có
số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

5

và số cặp cực khác nhau. Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được từ
gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát không đồng bộ thường
cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa
với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.
Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3
nhược điểm chính:
• Không thể điều khiển công suất tối ưu.
• Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc
độ thay đổi đột ngột.
• Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control).
1.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất.
Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy
phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát

Sự thay đổi vận tốc gió được mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Hàm mật độ xác suất
được sử dụng phổ biến để miêu tả vận tốc gió là hàm Weibull. Phân bố Weibull được
miêu tả:
݂
ሺ
߱
ሻ
ൌ

݇
ܿ
ቀ
߱
ܿ
ቁ
௞
ି
ଵ
݁
ି
ሺ
ఠ
/
௖
ሻ
ೖ

(1.1)

Trong đó, k: hệ số hình dạng, c: hệ số tỷ lệ, ߱: là tốc độ gió. Từ đó, vận tốc gió

ቀ
ω
ୡ
ቁ
ౡ
d
ω
(1.2)

Với Γ là hàm gamma Euler
߁
ሺ
ݖ
ሻ
ൌ
න
ݐ
௭
ି
ଵ
∞
଴
݁
ି
௧
݀ݐ

(1.3)

Chương 1: Hệ thống chuy

Hình 1.5: Đồ thị mật độ

ể
n đổi năng lượng gió.
GVHD: PGS.TS D
ngc gió trung bình
được tính như sau: 1c
k k
ω
 
= Γ
 
 

Weibull tr
ở thành phân bố Rayleigh.

( )
2
2
2
c
f e
c


Trang

7

(1.4)

(1.5)

phương tr
ình (1.4), cho
(1.6)

a các t
ốc độ gió 5,4
c gió trung bình 5.4 m/s (nét li
ền), 6.8
Chương 1: Hệ thống chuy
ể

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằ
ng
1.3.2
Hiệu suấ
t turbine gió.
Trước khi khảo sát hi
ệ
sau :
- R
b
t turbine gió.

ệ
u suất của turbine gió, một số định ngh
ĩa đ
a cánh gió.

a cánh gió, kho
ảng cách từ mặt cắt ngang c
ủ
t, t
ốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn phía trư
ớ
ưng, t
ốc độ gió ở khoảng cách đủ lớ
n sau khi ra kh
n tích quét c
ủa cánh gió.
: góc pitch góc gi
ữa đường cung và mặt phẳng xoay.
Hình
1.6: Góc pitch của cánh quạt gió.
(hay công su
ất cơ) P
mech
lấy được từ gió bở
i cánh qu
ăng c

9

Công suất cơ này phụ thuộc vào diện tích quét của cánh gió, và tỷ lệ với lập phương
vận tốc gió.

3
1
( , ) ( )
2
mech R p
P A C W
ρ λ β ω
=

(1.7)

Với: C
p
: Hệ số công suất của turbine gió.
ρ : mật độ không khí kg/m
3
.
λ
: Tỉ số tốc độ gió mặt và gió lưng
Với một vận tốc gió cho trước, giá trị của C
p
phụ thuộc vào
λ
. Được tính như sau:
C

ߣ
െ
3
ߣ
ଶ
ሻ

(1.9)

Giải phương trình
ௗ஼
೛
ௗఒ
ൌ0 . Ta được ߣൌെ1 (loại vì ω, ω
0
> 0) và ߣൌ
ଵ
ଷ
. Vậy giá trị
lớn nhất của C
p
là:
ܥ
௣௠௔௫
ൌ
1
2
൬
1
൅

p
. Do đó, C
p
là mối quan hệ giữa
tốc độ gió và tốc độ rotor. Mối quan hệ này chính là tỷ số giữa tốc độ tiếp tuyến của rìa
cánh quạt với tốc độ gió mặt – TSR ( Tip Speed Ratio).
ߣ
ൌ
߱
௥
ܴ
௕
߱

(1.11)

Với trường hợp turbine gió tốc độ thay đổi,công suất đầu ra của máy phát có thể được
giới hạn bằng cách thay đổi góc pitch (β) của cánh gió. Để có thể lấy được công suất
tối ưu từ gió, tốc độ rotor được điều khiển theo tốc độ của gió. Nhưng khi tốc độ gió
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

10

quá cao ( giông, bão…), áp lực ly tâm cơ khí lên cánh quạt tăng lên đến giới hạn của
vật liệu phải chịu đựng, ta phải cho ngừng rotor để bảo vệ cho hệ thống.

Hình 1.7: Giới hạn của hiệu suất rotor
1.3.3


Giá trị
i
λ
được cho bởi quan hệ:
Chương 1: Hệ thống chuy
ể

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằ
ng

Hình
Trên đồ thị hình 1.8
, giá tr
có tỷ số giữa tốc độ
gió m
Bây giờ ta khảo sát s
ự
gió thay đổi. Với mộ
t turbine
turbine gió chỉ phụ thuộ
c vào tVới
2
1
2
b
m R

p
là giá trị tối ưu C
popt
, v
ớ
gió m
ặt và tốc độ gió lưng tối ưu
popt
λ
.
ự
phụ thuộc của công suất đầu ra củ
a turbine v
t turbine
ở điều kiện không khí không đổ
i thì công su
c vào t
ốc độ gió mặt và hệ số công suất C
p

3 3
1
( , )
2
mech R p p
P A C mC
ρ λ β ω ω
= =
ng s
ố

mech R p p
P A C mC
ρ λ β ω ω(1.14)

quy
ết định công suất
ố
c độ turbine khác
Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

12Hình 1.9: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine
Nhận xét: Muốn đạt được công suất lớn nhất với tốc độ gió đã cho thì tốc độ rotor
phải được điều khiển phù hợp với tốc độ gió để duy trì giá trị tối ưu của C
p
(hình 1.8) .
Hơn nữa, khi tốc độ gió quá chậm hay quá nhanh rotor cần các chế độ không làm việc
hoặc ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các thiết bị khác tránh trường hợp quá
tải. Sẽ dẫn tới gãy turbine hay hư hỏng các thiết bị công suất.
Việc điều khiển tốc độ rotor có thể thực hiện bằng hệ thống cơ ( điều chỉnh góc
pitch của cánh gió) hoặc bằng các phương pháp điều khiển tốc độ bằng điện.
Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbine gió là
đường công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra. Thường

c đ
tốc độ nhỏ hơn định mứ
c, turbine gió
nhất. Khi tốc độ
gió trên đ
hợp với phương pháp đi
ề
rộng hơn.

ể
n đổi năng lượng gió.
GVHD: PGS.TS D
ngout (
V
F
): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạ
t đ
ần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ
máy phát và các c
hí khác, trong trư
ờng hợp này công suất phát ra bằ
ng không.
:
Đường cong công suất lý tưởng củ
a turbine gió
c đ
ộ thay đổi điều được trang bị bộ điề

o ra công su
ất tối ưu
o v
ể turbine gió. Kết
có dãi
điều chỉnh
Chương 2:Hệ thống máy phát DFIG. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang

14

Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG.
Máy phát DFIG được xem là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió tốc độ thay đổi. Bời vì bộ biến đổi công suất được đặt bên phía rotor nên chỉ
biến đổi 20 – 30% tổng công suất phát, làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn. Vấn đề
duy nhất là khó điều khiển hơn.
2.1
Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG.
DFIG thực chất máy điện không đồng bộ rotor dây quấn. Trong hệ thống chuyển
đổi năng lượng gió sử dụng DFIG thì stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới
điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất (back-to-back inveter
)thông qua vành trượt như hình 2.1. Một tụ điện DC-link được đặt ở giữa đóng vai trò
tích trữ năng lượng.

Hình 2.1: Cấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía.
Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá
điện áp trong mạch DC-link. Khi xảy ra tình trạng quá dòng, thiết bị crowbar sẽ ngắn
mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ
converter và cho phép DFIG làm việc như một máy điện không đồng bộ thông thường,