v
TÓM TT LUNăVĔN
NGHIÊN CU H THNG TUABIN GIÓ SỬ DNGăMÁYăPHÁTăĐIN
KHỌNGăĐNG B NGUN KÉP (DFIG)
Đại học S phạm kỹ thuật TP. HCM – 11/2012

Năng lng gió là ngun năng lng tái to đáng tin cy và phát trin nhất.
Sự đóng góp ca các nhƠ máy đin gió trong tng các nhƠ máy đin đc lắp đặc
ngƠy cƠng tăng trên toƠn th gii. H thng tuabin gió sử dng máy phát đin không
đng b ngun kép (DFIG) vi tc đ vƠ góc bc răng có th thay đi đc là h
thng tuabin gió ph bin nhất trong ngành công nghip đin gió. H thng có kh
năng vn hƠnh đc lp hoặc ni vi li. Nghiên cứu v h thng tuabin gió - DFIG
thực sự cần thit đ ti u hóa quá trình sn xuất đin năng từ gió và dự đoán chính
xác kt qu ca quá trình đó.
Lun văn thực hin nghiên cứu v h thng tuabin gió ậ DFIG ni vi li
trong môi trng Matlab/Simulink vi kh năng điu chnh đc lp công suất tác
dng, công suất phn kháng và kh năng điu chnh đin áp ca h thng nh kh
năng phát hoặc tiêu th công suất phn kháng.
vi
AN ABSTRACT OF A THESIS
STUDY OF A DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR (DFIG) BASED
WIND TURBINE SYSTEM
University of Technical Education Ho Chi Minh City – 11/2012

Wind power is the most reliable and developed renewable energy source.
The share of wind power with respect to total installed power capacity is increasing
worldwide. The Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbine with
variable-speed variable-pitch control scheme is the most popular wind power
generator in the wind power industry. This machine can be operated either in grid
connected or standalone mode. A thorough understanding of the modeling, control,
and dynamic as well as the steady state analysis of this machine in both operation

1.4. Đi tng nghiên cứu 11
1.5. ụ nghĩa khoa hc vƠ thực tin ca đ tƠi 11
1.6. Nhim v nghiên cứu 12
1.7. Phng pháp nghiên cứu 12
1.8. Đ cng lun văn 12
Chng 2. C S LÝ THUYT 13
2.1. Chuyn đi giữa các h trc ta đ abc↔↔dq 13
2.1.1. Mô hình MĐKĐB trong h ta đ  14
2.1.2. H qui chiu quay đng b dq 15
viii
2.1.3. Mi quan h ca các đi lng trong h ta đ abc và h ta đ dq 16
2.2. Kỹ thut điu ch đ rng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 16
2.2.1. B nghch lu 1 pha 17
2.2.2. B nghch lu 3 pha 18
2.3. B điu khin PI (Proportional Integral Controller) 19
Chng 3. H THNG TUABIN GIÓ ậ DFIG 22
3.1. Gii thiu chung 22
3.2. Các thƠnh phần chính ca h thng tuabin gió - DFIG 22
3.2.1. Máy phát đin không đng b ngun kép (DFIG) 23
3.2.1.1. Cấu to DFIG 23
3.2.1.2. Nguyên lý hot đng ca DFIG 23
3.2.1.3. Dòng công suất ca DFIG 26
3.2.1.4. Mô hình DFIG 28
3.2.2. B bin đi AC/DC/AC 31
3.2.2.1. B bin đi phía rotor (RSC) 32
3.2.2.2. B bin di phía li (GSC) 32
3.2.3. H truyn đng 32
3.2.4. Tuabin gió 35
3.2.5. H thng điu khin 36
3.2.6. H thng bo v 37

TÀI LIU THAM KHO 79
PH LC 81
x
DANH SÁCH CÁC T VIT TT

o DFIG (Doubly Fed Induction Generator) - Máy phát đin không đng b
ngun kép.
o AC ậ Dòng đin xoay chiu.
o DC ậ Dòng đin xoay chiu.
o BBĐ ậ B bin đi.
o BĐK ậ B điu khin
o MĐ KĐB - Máy đin không đng b.
o PWM (Pulse Width Modulation) - Kỹ thut điu ch đ rng xung.
o PI (Proportional Integral Controller) - B điu khin t l tích phân
o RSC (Rotor Side Converter) - B bin đi phía rotor.
o GSC (Grid Side Converter) - B bin đi phía li.
o MPPT(Maximum Power Point Tracking) - Đng di chuyn đim công suất
cực đi.

xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH V
Hình v Trang
Hình 1.1. S đ khi ca các thành phần trong h thng tuabin gió ni vi li …1
Hình 1.2. Tuabin gió trc ngang (a) và tuabin gió trc đứng (b) ……………….…3
Hình 1.3. Các b phn chính ca h thng tuabin gió trc ngang…………….……5
Hình 1.4. Biu đ công suất ca tuabin gió có tc đ thay đi đc………….… 7
Hình 1.5. Tuabin gió có tc đ c đnh ……………………………………………7
Hình 1.6. Tuabin gió có tc đ thay đi có b bin đi ni trực tip vi li …….8
Hình 1.7. Tuabin gió có tc đ thay đi sử dng DFIG………………………… 9
Hình 2.1. S đ đấu dơy vƠ đin áp stator ca MĐKĐB ba pha………………….13

Hình 4.2. Đặc tính V ậ I ca tuabin……………………………………………….45
Hình 4.3. B điu khin dòng đin … ……………………………….………… 47
Hình 4.4. S đ khi b điu khin RSC…………………………………………48
Hình 4.5. S đ mch đin tng đng ca b lc RL………………………….49
Hình 4.6. S đ khi b điu khin GSC………………………………….… …50
Hình 4.7. S đ khi b điu khin bc răng…………………………….… …51
Hình 5.1. S đ mô phng h thng tuabin gió ậ DFIG ni vi li……….… 53
Hình 5.2. S đ mô phng h thng tuabin gió ậ DFIG……………………….…54

Hình 5.3. S đ mô phng tuabin gió ………………………………………… 55

Hình 5.4. S đ mô phng h thng điu khin tuabin gió ậ DFIG…………… 56

Hình 5.5. S đ mô phng h thng điu khin RSC………………………….…57
Hình 5.6. S đ mô phng h thng điu khin GSC………………………….…58

Hình 5.7. H thng bo v h thng tuabin gió ậ DFIG………………………….59

Hình 5.8. S đ bin đi dữ liu phía tuabin gió……………………………… 60

Hình 5.9. S đ bin đi dữ liu phía li……………………………………….61
Hình 5.10. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi tc đ gió thay đi ứng vi
mô hình điu chnh công suất phn kháng………………….…… … 62

Hình 5.11. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi tc đ gió thay đi ứng vi
mô hình điu chnh đin áp………………………………………… 63

Hình 5.12. Đin áp li và ca nhà máy khi tc đ gió thay đi ứng vi mô hình
điu chnh công suất phn kháng………………………………………65


Hình 5.23. Đáp ứng ca h thng tuabin gió ậ DFIG khi có sự c chm đất mt pha
trên li 25kV vi mô hình điu chnh đin áp……………………….76Phần mở đầu
1
PHN M ĐU

Ngành công nghip đin trên th gii ch yu dựa trên công ngh nhit đin và
thy đin, đƣ mang đn cho nhân loi nn văn minh đin, nhng cũng đƣ bc l mặt
trái ca nó đi vi môi trng trái đất. Năng lng hóa thch ngày càng cn kit và
vic đt cháy nhiên liu gc hóa thch (than đá, dầu khí), đƣ tr thành ngun phát
thi khí nhà kính ln nhất gây ra bin đi khí hu trên toàn cầu. Còn công ngh đin
ht nhân li không an toàn và gây ra những him ha phóng x nh sự c n nhà
máy đin ht nhân  Checnobn (1986), Fukishima (2010) vƠ đ li hu qu lâu dài
cho môi trng.
Vì vy, Th kỷ 21 vi chin lc phát trin bn vững trên toàn cầu, đặc bit là
thi kỳ phát trin “kinh t xanh”, “năng lng xanh” đƣ bắt đầu chứng kin những
công ngh sn xuất đin từ các ngun năng lng tái to vô tn trong tự nhiên hay
luôn phát sinh cùng đi sng con ngi nh các ngun năng lng: mặt tri, gió,
sinh khi, sóng bin, thy triu, đa nhit và nhit bin. Sử dng năng lng tái to
s mang li nhiu li ích v sinh thái cũng nh lƠ li ích gián tip cho kinh t. So
sánh vi các ngun năng lng khác, năng lng tái to có nhiu u đim hn vì
tránh đc các hu qu có hi đn môi trng.
Theo thng kê ca T chức Năng lng Quc t (IEA) thì năm 2004, tng công
suất ca các ngun năng lng tái to trên toàn th gii là 160 GW (không k thy
đin ln), chim 4% tng công suất các nhƠ máy đin trên toàn cầu, tng đng
1/5 tng công suất các nhƠ máy đin ht nhân trên th gii, trong đó các nc đang
phát trin chim 44%, tức là 70 GW.
Ph bin và có hiu qu nhất hin nay trên th gii là sử dng năng lng gió

thƠnh đin năng cung cấp cho các ph ti đin.
H thng tuabin gió gm các khi thành phần c bn: khi đng hc, khi c
năng vƠ khi đin năng đc trình bày  hình 1.1[Theo tài liu tham kho s 9].

1.1.1. Tuabin gió
Theo hình dng và cấu to bên ngoài, tuabin gió gm hai loi là tuabin trc
ngang và tuabin trc đứng (xem hình 1.2(a) và 1.2(b)).

a)
Hình 1.2. Tuabin gió trục ngang (a) và tuabin gió trục đứng (b)
b)
Hình 1.1. Sơ đồ khối của các thành phần trong hệ thống tuabin gió nối với lới
Gió
Tuabin
Hp s
Máy phát đin
BBĐ ĐTCS
Li
Khi
đng hc
Khi c
năng
Khi đin
năng
Chơng 1. Tổng quan

4
+ Tuabin gió kiu trc đứng có các cánh quay quanh mt trc thẳng đứng. Nó có
u đim là nhn gió từ mi hng nên không cần h thng điu hng, hp s và
các thit b máy phát đc đặt trong tr ca tuabin. Tuy nhiên, tuabin trc đứng li

- Trc quay tc đ cao (High speed shaft) đ quay rotor ca máy phát đin.

- Hp s (Gear box) có bánh răng, đc ni giữa trc tc đ thấp vi trc tc đ
cao vƠ tăng tc đ quay từ 30 đn 60 vòng/phút lên 1200 đn 1500 vòng/phút.
- Máy phát đin (Generator), nhn c năng từ trc quay tc đ cao đ bin
thƠnh đin năng cung cấp cho các ph ti đin.
- B điu khin (Controller), có chức năng điu khin hot đng ca tuabin gió.
B điu khin sử dng trong h thng tuabin gió rất đa dng nh điu khin
bc răng, điu khin hng gió hay điu khin dừng. B điu khin s khi
đng máy phát  tc đ gió khong 12 km/h đn 22 km/h và dừng máy phát
khi tc đ gió đt 104 km/h bi vì các máy phát này có th phát nóng.
Hình 1.3. Các bộ phận chính của hệ thống tuabin gió trục ngang
Cánh qut
Tr đỡ
Trc quay tc
đ cao
V
Thit b đo
hng gió
Thit b đo
tc đ gió
B điu khin
Máy phát đin
Hp s
B hãm
(phanh)
Rotor
Trc quay
tc đ thấp
Hng gió

Trong đó:
+ Tốc độ giới hạn đóng: là tc đ gió nh nhất mà tuabin gió bắt đầu phát đin.
Giá tr nƠy thng khong từ 3m/s đn 5m/s tùy từng loi tuabin.
+ Tốc độ định mức: là tc đ gió nh nhất mà ti đó tuabin phát công suất đnh
mức, thng là công suất ln nhất mƠ tuabin gió phát đc. Giá tr này
thng khong từ 11m/s đn 16 m/s tùy từng loi tuabin.
Chơng 1. Tổng quan

7
+ Tốc độ giới hạn cắt: là tc đ gió mà ti đó tuabin ngừng phát đin vƠ đc
dừng li và/hoặc tách ra nh thit b phanh và/hoặc b bc răng  cánh
tuabin đ bo v tuabin tránh b gãy trc. Giá tr nƠy thng xung quanh giá
tr 25 m/s.

1.1.4. Các loiămáyăphátăđin tuabin gió
Xét v tc đ quay ca tuabin gió thì ta có hai loi:
- Tuabin gió có tc đ c đnh
- Tuabin gió có tc đ thay đi.
Tuabin gió có tc đ c đnh (Fixed speed wind turbine) sử dng máy phát
không đng b hoặc máy phát đng b đc ni trực tip vi li (xem hình 1.5).
H thng nƠy có u đim là cấu to đn gin, giá thành thấp nhng nó có nhc
đim là hiu suất thấp, không điu chnh đc công suất tác dng và công suất phn
kháng, h s công suất thấp và phần c d b sự c khi tc đ gió thay đi nhiu.

Hình 1.5. Tuabin gió có tốc độ cố định
Hình 1.4. Biểu đồ công suất của tuabin gió có tốc độ thay đổi đợc
Tc đ gió [m/s]
Tc đ gii
hn đóng
Tc đ gii hn cắt

Hình 1.6. Tuabin gió có tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp với lới
Chơng 1. Tổng quan

9

 u điểm của hệ thống tuabin gió - DFIG:
- Cho phép duy trì biên đ và tần s ca đin áp đầu ra là hằng s mà không
ph thuc vào tc đ gió giúp cho h thng tuabin gió ậ DFIG ni đc vi
li vƠ duy trì đc sự đng b vi li ti mi thi đim.
- Nó có th điu khin đc lp công suất phn kháng và công suất tác dng
bằng cách điu khin dòng đin kích từ rotor từ đó thực hin điu chnh h
s công suất.
- DFIG lƠ máy đin không đng b nên có cấu to đn gin và rẻ hn nhiu
so vi máy phát đng b. Trong DFIG, công suất danh đnh b bin đi
thng khong 20-30% tng công suất h thng nên gim giá thành b bin
đi, ít sinh ra sóng hài khi ni vi li và ci thin đc hiu suất h thng.
- Trong trng hp li công suất nh, đin áp có th dao đng, DFIG có th
phát hoặc tiêu th công suất phn kháng đ điu chnh đin áp đầu cực máy
phát.
- Hiu suất bin đi năng lng cao.
 Nhợc điểm của hệ thống tuabin gió - DFIG:
- Cần phi có vƠnh trt và chi than và yêu cầu phi bo dỡng chúng
thng xuyên.
- Dung lng công suất phn kháng b gii hn.
1.2. CácăktăquănghiênăcuătrongăvƠăngoƠiăncăđƣăcôngăb
Các kết quả trong nước:
Hình 1.7. Tuabin gió có tốc độ thay đổi sử dụng DFIG
Chơng 1. Tổng quan

10

11
- Doubly fed induction generator uising back-to-back PWM converters and its
application to variable-speed wind-energy generation - R. Pena, J.C.Clare, G.
M. Asher, IEEE Puoc Electr. Power Appl., Vol. 143, No 3, May 1996.
- Pitch angle control for variable speed wind turbines - Jianzhong Zhang, Ming
Cheng, Zhe Chen, Xiaofan Fu, Nanjing China, 2008.
- …
1.3. Mcăđíchănghiênăcu
H thng tuabin gió - DFIG là h thng phát đin gió ph bin nhất trong
ngành công nghip năng lng gió hin nay. DFIG có kh năng điu chnh đc lp
công suất phn kháng và công suất tác dng, nó có kh năng điu chnh đc giá tr
đin áp đầu ra khi có dao đng đin áp trên li.
Do đó, mc đích chính ca đ tài là nghiên cứu h thng tuabin gió ậ DFIG,
kh năng điu chnh đc lp công suất tác dng vi công suất phn kháng và kh
năng điu chnh đin áp ca h thng.
1.4. Điătngănghiênăcu
- H thng tuabin gió trc ngang.
- Kho sát các thông s ca mô hình tuabin gió - DFIG.
- Kh năng điu chnh đin áp ca h thng tuabin gió ậ DFIG.
- Mô hình hóa mô phng vi phần mm Matlab/Simulink.
1.5. ụănghĩaăkhoaăhcăvƠăthựcătinăcaăđătƠiă
+ ụ nghĩa khoa hc:
- Đơy lƠ hng nghiên cứu mi có rất nhiu nhà khoa hc đang quan tơm vƠ
cha có nghiên cứu nào hoàn chnh v vấn đ này.
+ ụ nghĩa thực tin:
- Đ tƠi đa ra h thng tuabin gió - DFIG vi b bin đi công suất
AC/DC/AC vi kh năng điu chnh đc lp công suất phn kháng và
công suất tác dng đng thi có kh năng điu chnh đin áp. Đơy lƠ ứng
dng đin tử công suất vào h thng tuabin gió đ thực hin điu khin
nhằm gim tn hao và ti u hóa h s công suất li.


13
Chngă2
CăS LÝ THUYT

2.1. Chuynăđi giữa các h trc taăđ abc↔↔dq
Xét máy đin không đng b (MĐKĐB) ba pha A, B, C nh hình 2.1.

Do 3 pha stator đi xứng nhau và lch nhau 120
0
đin nên ta có [Theo tài liu
tham kho s 1, trang 167 - 177]:
u
sa
(t) + u
sb
(t) + u
sc
(t) = 0 (2.1)
Trong đó:
sa s s
sb s s
sc s s
u u cos t
2
u u cos( t )
3
2
u u cos( t )
3

Vector không gian ca đin áp stator đc đnh nghĩa lƠ:
Hình 2.1. Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của MĐKĐB ba pha
Chơng 2. Cơ sở lý thuyết

14

24
jj
33
s sa sb sc
2
u ( t ) u ( t ) u ( t ).e u ( t ).e
3


  


(2.3)
Các đi lng khác nh dòng đin stator, từ thông stator, dòng đin từ hóa,
dòng đin rotor, từ thông rotor, cũng có th đc đnh nghĩa di dng véct
tng tự nh trên.
2.1.1. MôăhìnhăMĐKĐBătrongăh taăđ 
Mô hình trong h ta đ abc ca MĐKĐB không thun tin cho các tính toán
điu khin, mặt khác ta thấy rằng tất c các đi lng véct đu quay trong mặt
phẳng cắt ngang ca máy đin, do đó có th quy đi sang h ta đ α, β trong đó
trc 0α đc chn trùng vi trc dây quấn pha a stator, trc 0β lƠ trc o vuông góc
vi 0α. Khi đó véct không gian đin áp stator 



Hình 2.2. Vector không gian điện áp stator 







trong hệ tọa độ αβ
Chơng 2. Cơ sở lý thuyết

15
sa
s
sb
s
sc
1 0
u ( t )
u ( t )
13
u ( t )
u ( t )
22
u ( t )
13
-
22




quay tròn quanh
gc ta đ chung , góc θ
s
= ω
a
t+ ω
a0
. Khi đó s tn ti hai ta đ cho mt vector
trong không gian tng ứng vi hai h ta đ này.

Ta có mi quan h ca các đi lng trong h ta đ αβ vƠ h ta đ dq nh sau:
s sd s sq s
s sq s sd s
u u cos u sin
u u cos u sin











(2.6)
Và:
sd s s s s

u
33
2
u
u
3
22
sin -sin - -sin -
u
33

  

  

   

   


   






   











   




   

   





   

   
   

(2.9)
2.2. Kỹ thutăđiu ch đ rng xung (PWM - Pulse Width Modulation)
Các b nghch lu áp thng điu khin dựa theo kỹ thut điu ch đ rng
xung PWM và qui tắc kích đóng đi nghch. Qui tắc kích đóng đi nghch đm bo