Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: TS. Cao Xuân Tuyển
Mục lục
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở
đầu………………………………………………………………1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
1.1 Đặt vấn đề 3
1.2. Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên
cứu của luận văn 3
1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió 3
1.2.2. Cấu tạo tuabin phong điện 4
1.2.3 Công suất tuabin gió 4
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió 5
1.3. Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-
KTVC 6
CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC
2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC 7
2.2. Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC 8
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: TS. Cao Xuân Tuyển
2.2.1. Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha 8
2.2.2. Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC 8
2.3. Hệ thống điều khiển góc cánh 8
2. 4. Hệ thống điều khiển phía máy phát 9

4.3. Kết quả mô phỏng phía máy phát……………………………….17
4.3.1 Kết quả mô phỏng giá trị dòng i
sd
…………………………… 17
4.3.2 Kết quả mô phỏng giá trị dòng i
sq
…………………………… 17
4.3.3 Kết quả mô phỏng giá trị công suất P
0
trên hệ tọa độ dq………18
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Mở đầu
Xã hội loài người muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu
không thể thiếu được đó là phải duy trì nguồn năng lượng để nuôi sống
xã hội đó. Trong đó điện năng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng.
Hiện nay các nguồn điện năng chính là dầu khí, than đá hoặc đang có
nguy cơ cạn kiệt hoặc đã đến giới hạn khai thác. Trong khi đó điện hạt
nhân tuy đã phát triển mạnh nhưng vẫn chứa mối nguy hiểm to lớn tiềm
tàng không an toàn. Vì vậy các nguồn năng lượng sạch khác như gió,
mặt trời, thủy triều đang được nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn một
tương lai tươi sáng hơn, được áp dụng rộng rãi hơn. Với những nước
như Việt Nam, có nhiều địa hình phức tạp, nhiều nơi vùng sâu vùng xa
điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới hoặc có nhưng rất hạn chế. Đây lại
chính là những nơi có tiềm năng lớn về năng lượng gió. Vì vậy các hệ
thống phát điện chạy sức gió cần được chúng ta quan tâm phát triển.
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước, đề tài
tập trung vào nghiên cứu để đưa ra và áp dụng thuật toán điều khiển tối

Chương 3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU
SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB - KTVC
Chương 4. KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT
LUẬN
Hệ thống điều khiển được kiểm chứng qua công cụ mô phỏng
MATLAB & Simulink. Đặc biệt để thêm tính khách quan, mô hình đối
tượng động cơ, biến tần, lưới điện sẽ sử dụng của hãng PLECS, một bộ
phần mềm thêm vào Simulink để mô phỏng các hệ thống điện.
Chương 4 cũng đưa ra các kết quả mô phỏng, qua đó, ta quan sát
được tác dụng của cấu trúc điều khiển mới, so sánh ưu điểm với cấu trúc
cũ.
Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu với sự hướng
dẫn tận tình của TS. Cao Xuân Tuyển, song luận văn không thể tránh
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
2
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét của
các thầy cô giáo và các bạn quan tâm.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ (PHONG
ĐIỆN)
1.1. Đặt vấn đề
Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái
tạo từ gió ngày càng tăng ở mỗi quốc gia trên toàn thế giới nói chung và
ở nước ta nói riêng, vì:
- Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
- Nhu cầu ngày càng lớn về điện năng trên toàn thế giới nói chung
và ở Việt Nam nói riêng, đòi hỏi phải đa dạng hóa các nguồn năng
lượng.
- Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn,

- Một loại theo trục đứng ( giống như máy bay trực thăng.)
- Một loại theo trục ngang.
Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt.
Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt
hướng về chiều gió đang thổi. Ngày nay tuabin gió trục ngang 3 cánh
quạt được sử dụng rộng rãi.
1.2.3 Công suất tuabin gió
Dãy công suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn
cỡ vài MW. Để có dãy công suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thành
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
4
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
một nhóm nhưng tuabin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp
năng lượng lớn hơn cho lưới điện. Các tuabin gió loại nhỏ có công
suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình. Viễn thông hoặc bơm nước
đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin và hệ thống
quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình
là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới
điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này.
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió
Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một
tuabin gió làm việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng
điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió
để tạo ra điện.
Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng
lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor
được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay
máy phát để tạo ra điện.
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở
tốc độ 30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh

C
L
NL
PL
G
ea
r
B
ox
G
ri
d
S
G
~
=
=
~
NL
MF
NL
PL
Ge
ar
Bo
x
Gr
id
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Hình 1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích

góc cánh
MPPTLMPPTP
ω
r
P
0
ω
r
*
θ
P
0
*
Q
0
*
U
s
*
U
DC
*
NLMF NLPL
Gear
Box
Grid
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Khối điều khiển phía máy phát điều khiển bộ nghịch lưu phía máy
phát (NLMF) nhằm tối ưu hiệu suất máy phát và giữ điện áp một chiều
trung gian có giá trị không đổi.

e
θ
−
s
i
α
s
i
β
s
j
e
θ
−
s
u
α
s
u
β
ĐK
CT
Đ
sd
i
∗
*
ω
+
-

ω
MPPT
P
r
ω
0
P
-
P
I
RE
C
ω
REC: Bộ chỉnh lưu; NLMP: Nghịch lưu phía máy phát.
ĐKCTĐ: Điều khiển chuyển toạ độ trạng thái.
MPPTP: Bộ điều khiển mờ xác định tốc độ máy phát ứng với
công suất cực đại lấy từ gió
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
2. 4. Hệ thống điều khiển phía máy phát
Để đảm bảo công suất tác dụng mà máy phát phát ra được truyền
lên lưới qua tụ nối giữa hai bộ biến đổi, điện áp trên tụ phải được giữ
không đổi. Trong hệ toạ độ tựa từ thông cực từ, nếu ta điều khiển để véc
tơ dòng stator i
s
vuông góc với véc tơ từ thông cực từ , nghĩa là thành
phần dòng từ hoá i
sd
= 0, và toàn bộ dòng stator chỉ để tạo mô men (hay
công suất tác dụng), khi đó nếu bỏ qua tổn hao trong máy phát và bộ
biến đổi, công suất tác dụng máy phát phát ra được xác định như sau :

θ
suvw
i
3
2
s
j
e
θ
−
s
i
α
s
i
β
s
j
e
θ
−
s
u
α
s
u
β
ĐK
CT
Đ

R
UDC
R
+
+
-
-
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Trong đó: ĐKCTĐ: Điều khiển chuyển toạ độ trạng thái; ĐKTTMF:
Điều khiển từ thông máy phát.
2.5. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp
tuyến tính hoá chính xác
Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển chuyển trạng thái được minh hoạ như
hình 2.3
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển chuyển trạng thái
2.6. Tổng hợp các bộ điều khiển PI (mạch vòng dòng điện, U
dc
)
2.6.1. Tổng hợp vòng điều chỉnh vector dòng startor
Ta thấy, do hiệu quả tách kênh khi chuyển hệ mô hình trạng thái
của đối tượng, ta có thể thiết kế các bộ điều chỉnh riêng rẽ cho từng trục
d và q. Sơ đồ cấu trúc của vòng điều chỉnh dòng startor sẽ có dạng như
sau:
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
_
L
sd
w
1
[A/s

sq
L
T
sd
sd
L
T
L
sq
w
3
[rad/s]
x
1
= i
sd
[A] x
2
= i
sq
[A]
11
Hình 2.28.Cấu trúc bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
2.6.2. Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay (U
DC
)
Mô hình MĐĐB cực tròn kích thích vĩnh cửu chỉ ra rất rõ ràng
rằng: vì từ thông cực từ là hằng (vĩnh cửu), mô men quay tỷ lệ thuận
trực tiếp với thành phần dòng i

PH
TT
ĐC
ĐB
u
s
d
u
s
q
ω
s
w
3
_
_
R
ω
ω
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ
quay ĐCĐB
ω
*
ω
s
W
2
_
_
R

MPPTP, ta có cấu trúc của bộ điều khiển mờ MPPTL với chức năng là
tìm ra công suất cực đại lấy từ gió để phát lên lưới như hình 2.13.
Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới
2.7.2. Xây dựng mô hình dòng phía lưới
2.7.2.1. Mô hình liên tục phía lưới
2.7.2.2 Mô hình gián đoạn phía lưới
2.7.3. Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới
2.7.3.1. Phương thức điều khiển hệ thống phía lưới
2.7.3.2 Thiết kế khâu điều chỉnh dòng phía lưới có đáp ứng tức thời
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
13
NLP
L
SVPW
M
N
θ
3
2
N
j
e
θ
−
N
i
α
N
i
β

Q
Nd
u
Nq
u
0
Q
*
0
Q
Nd
i
Nq
i
Nd N
u u
=
MPP
TL
0
P
∗
0
P
r
ω
0
P
Nu
i

hệ giừa công suất máy phát phát lên lưới (P
0
) và tốc độ máy phát (ω
r
)
được chỉ ra ở hình 3.1
Với một giá trị xác định của tốc độ gió, bộ điều khiển mờ MPPTP
có nhiệm vụ là tìm ra tốc độ của máy phát tương ứng để công suất lấy từ
gió truyền lên lưới là lớn nhất. Giả sử gió đang có tốc độ Vw
4
, và tốc độ
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
14
A
ω
r1
V
W1
V
W2
V
W3
V
W4
B
ω
r2
H
E
MPPTL

, công suất phát lên lưới sẽ tăng lên ứng với điểm D, sau
đó bộ điều khiển mờ MPPTP sẽ tìm ra tốc độ ω
r4
ứng với điểm E là điểm
mà công suất ra là cực đại. Nếu tốc độ gió giảm từ Vw
2
xuống Vw
3
,
công suất ra sẽ giảm xuống ứng với điểm G, sau đó MPPTP sẽ tìm ra tốc
độ ω
r3
để cho công suất ra cực đại ứng với điểm H.
Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPPTP được giải thích như
sau: ứng với sự tăng hoặc giảm của tốc độ máy phát, MPPTP xác định
sự thay đổi công suất đầu ra ∆P
0
tương ứng. Nếu ∆P
0
dương ứng với sự
thay đổi tốc độ máy phát trước đó L∆ω
r
là dương, thì hướng tìm tốc độ
máy phát là theo hướng tìm trước đó. Ngược lại, nếu L∆ω
r
dương gây
nên ∆P
0
âm, thì hướng tìm tốc độ máy phát ứng với công suất ra cực đại
sẽ theo hướng ngược lại.

P
0
+
+
α
+
KP
0
KWR
∆P
0
∆P
0
(p
u)
∆ω
r
(p
u)
∆
ω
r
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
3.2 Bộ điều khiển từ thông máy phát
Trong quá trình máy phát làm việc, ta có thể điều chỉnh giảm từ
thông khe hở thông qua thành phần dòng stator tạo từ thông i
sd
để giảm
tổn hao sắt và do đó làm tăng hiệu suất của hệ thống. Việc điều chỉnh
giảm từ thông để có hiệu suất hệ thống

0
(k-1) để xác định
bước thay đổi ∆P
0
(k)., kết hợp với
bước thay đổi dòng tạo từ thông trước
đó L∆i
sd
(pu) để tạo ra bước thay đổi
của dòng tạo từ thông i
sd
từ các luật
mờ thông qua suy luận mờ và giải mờ.
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
16
Hình 3.3 Phương thức tìm điểm làm
việc có hiệu suất cực đại của hệ thống
M
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ từ thông máy phát ĐKTTMF

Hình 3.13. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ MPPTL
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
17
Khâu
tính các
hệ số tỉ lệ
Z
-1
+

0
(k
)
∆P
0
(k)
p
u
∆i
sd
*
(pu
)
∆i
sd
*
sq
i
∗
P
0
(k-1)
Khâu tỉ
lệ
Z
-1
+
-

÷

r
(p
u)
∆P
0
(p
u)
∆P
0
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
CHƯƠNG 4
KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN
4.1. Tổng quan
4.1.1. Giới thiệu công cụ mô phỏng PLECS
4.1.2. Các tham số dùng cho mô phỏng
4.2. Xây dựng các khối mô phỏng trên MATLAB
4.2.1. Xây dựng các khối mô phỏng trên Simulink và PLECS
4.2.1.1. Khối “DFIM Model”
4.3. Kết quả mô phỏng phía máy phát
4.3.1 Kết quả mô phỏng giá trị dòng i
sd
4.3.2 Kết quả mô phỏng giá trị dòng i
sq
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
18
Hình 4.17 b:
Giá trị dòng i
sd
trên Plecs
Hình 4.17 a:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
0 2 4 6 8 10 12
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
4.3.3.2 Trường hợp khi có khâu mờ ĐKTTMF
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
20
Hình 4.19 :Giá trị P
0
khi chưa có khâu mờ ĐKTTMF và MPPTP
Hình 4.20
Giá trị i
sd
trên hệ tọa độ dq khi có khâu mờ ĐKTTMF
(dòng i
sd
giảm tại t = 4s)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
0 2 4 6 8 10 12
0
0.5

sd
giảm thì từ thông
máy phát và tổn hao giảm làm cho công suất P
0
tăng (tại t = 4s).
Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp
22