BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ VĂN HƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 5 7 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ VĂN HƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN– 60520202
Hướng dẫn khoa học:
TS HUỲNH CHÂU DUY

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2015


Đại Học Công Nghiệp TP.HCM

Ngành học:

Kỹ Thuật Điện

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Luận văn sử lý nước thải
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại Học Công nghiệp
TPHCM


Người hướng dẫn: Phạm Hoàng Đạt

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:

Thời gian

Từ tháng

Công ty xây dựng và lắp đặt điện

8/2010đến

Thế Minh

5/2011

Từ
6/2011


Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 3 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Hà Văn Hƣơng


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay Tôi đã hoàn thành đề tài
tốt nghiệp cao học của mình. Có được thành quả này, Tôi đã nhận được rất nhiều
sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình của thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè trong thời
gian học tập vừa qua.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS. Huỳnh Châu Duy
Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ,
truyền đạt kinh nghiệm để Tôi hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã trang bị cho Tôi
một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa
Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho Tôi trong quá trình học tập
cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã
giúp đỡ cho tôi rất nhiều để vượt qua khó khăn, đã tạo cho Tôi niềm tin và nỗ lực
phấn đấu để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2015
Học viên thực hiện


The main content of this thesis is the study of the optimal control system
using DFIG wind generator. By setting the pitch angle control model in order to
obtain the desired power sticking preset power. The advantage of this method is
rapid response, no overshoot and stability in different conditions when the wind
speed changes.


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan................................................................................................................... i
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Tóm tắt luận văn............................................................................................................iii
Mục lục...........................................................................................................................v
Danh sách ký hiệu sử dụng trong luận văn .................................................................viii
Danh sách các hình........................................................................................................xi
Danh sách các bảng .....................................................................................................xiv
Phần mở đầu................................................................................................................xv
Chương 1 : TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về năng lượng gió .............................................................................. 1
1.1.1.Bối cảnh lịch sử phát triển ............................................................................. 2
1.1.1.1 Sản xuất năng lượng cơ học ..................................................................... 2
1.1.1.2 Sản xuất năng lượng điện......................................................................... 3
1.2 Tiềm năng và tình hình khai thác điện gió tại Việt Nam ..................................... 7
1.2.1.Khả năng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam.......................................... 7

3.2 Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector không gian........................ 28


3.3 Mô hình toán của máy phát điện DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β ............. 30
3.4 Mô hình toán của máy phát điện DFIG trong hệ trục tọa độ quay d-q............ 33
3.5 Điều khiển công suất DFIG ............................................................................... 36
Chương 4 : ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ DFIG ................... 44
4.1 Hệ thống điều khiển tuabin gió dùng DFIG....................................................... 44
4.2 Thiết kế giải thuật điều khiển góc Pitch............................................................. 46
4.2.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió - DFIG .............................................. 48
4.2.2 Sơ đồ mô phỏng tuabin gió.......................................................................... 49
4.2.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin gió - DFIG ............................ 49
4.2.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển RSC ................................................. 50
4.2.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển GSC ............................................... 51
Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG........................................................................ 52
5.1 Trường hợp 1 : Vận tốc gió 15 m/s................................................................... 52
5.2 Trường hợp 2 : Vận tốc gió 12 m/s................................................................... 54
5.3 Trường hợp 3 : Vận tốc gió 8 m/s..................................................................... 57
5.4 Trường hợp 4 : Vận tốc gió thay đổi từ 8 m/s đến 15 m/s................................ 59
5.5 Trường hợp 5 : Vận tốc gió thay đổi 8-9-15 m/s.............................................. 62
5.6 Trường hợp 6 : Vận tốc gió thay đổi 15-12-9 m/s............................................ 64
5.7 Trường hợp 7 : Vận tốc gió thay đổi tốc độ gió từ 12 m/s đến 15 m/s và công
suất thay đổi từ 0.5pu đến 1pu................................................................................. 67
Chương 6: KẾT LUẬN............................................................................................ 70
6.1 Kết luận.............................................................................................................. 70
6.1.1. Kết quả đạt được . ...................................................................................... 70
6.1.2. Hạn chế....................................................................................................... 70
6.2. Hướng phát triển đề tài trong tương lai. ........................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 72


Te

Moment điện từ máy phát (N.m)

r

Vận tốc góc điện của rotor (rad/s)

s

Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s)

J

Moment quán tính turbine.(Kg/m2)

va

Điện áp pha A (V)

vb

Điện áp pha B (V)

vc

Điện áp pha C (V)

v


i r

Dòng điện rotor trục α hệ quy chiếu αβ


i r

Dòng điện rotor trục β hệ quy chiếu αβ

i s

Dòng điện stator trục α hệ quy chiếu αβ

i s

Dòng điện stator trục β hệ quy chiếu αβ

Rs

Điện trở stator (Ω)

Lr

Điện cảm dây quấn rotor qui về phía stator (H)

Ls

Điện cảm dây quấn stator (H)

Lls


Ps

Công suất tác dụng đầu cực stator (W)

Qs

Công suất phản kháng đầu cực stator (VAr)

Pn

Công suất định mức (W)

fn

Tần số định mức (Hz)

Vn

Điện áp định mức (V)

p

Số đôi cực từ

Λ

Tip-speed-ratio

Β

Hình 2.16 Mô hình máy phát không đồng bộ............................................................. 22
Hình 2.17 Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor (loại B)....... 22
Hình 2.18 Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor. ............ 23
Hình 2.19 Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ...................................... 23
Hình 2.20 Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ...................................... 24
Hình 2.21 Mô hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện............................................. 25
Hình 3.1: Đặc tính của Cp(λ,β)................................................................................... 27
Hình 3.2 Nguyên lý vector trong không gian .............................................................. 28
Hình 3.3 Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y..................... 30
Hình 3.4 Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq .................................... 34


Hình 3.5 Mạch điện tương đương mô hình động cơ DFIG trong hệ trục tọa độ tham
chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ .............................................................................. 36
Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi.................................................... 37
Hình 3.7 Định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới ................................ 38
Hình 3.8 Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator .................................. 39
Hình 3.9 Giản đồ véctơ dòng, áp và từ thông của DFIG............................................ 41
Hình 3.10 Giá trị tham chiếu điều khiển cho dòng điện stator được tính từ công suất
đặt................................................................................................................................ 43
Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển tổng thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG ........................ 44
Hình 4.2 : Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió ....................................... 47
Hình 4.3 : Khối điều chỉnh góc Pitch.......................................................................... 47
Hình 4.4. Mô hình điều khiển hệ thống điện gió......................................................... 48
Hình 4.5 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió - DFIG ............................................51
Hình 4.6 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin gió - DFIG...........................52
Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển RSC..................................................53
Hình 4.8 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển GSC................................................54
Hình 5.1 : Vận tốc gió , công suất đặt , góc Pitch .................................................... 53
Hình 5.2 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG ................................ 54

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2015 .........................................2
Bảng 1.2. Lịch sử turbine gió........................................................................................4
Bảng 1.3. Hoạt động của các turbine gió loại công suất lớn. ......................................5


PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn
năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến
sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền
thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường. Trong các loại hình năng lượng tái
tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau:
- Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo.
Nếu xem xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì
điện gió có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch.
- Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy
phong điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác.
- Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven
biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn.
- Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây
dựng các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện.
Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn
còn là một ngành mới mẻ. Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu. Các văn
bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức...về ngành cũng còn ở
mức rất hạn chế. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng
như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển
và sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Điều khiển tối ưu hệ thống điện

nhất.Trong những thập kỉ cuối của thế kỉ 20, tổng năng lượng gió trên toàn thế giới
tăng xấp xỉ gấp đôi sau mỗi 3 năm.Chi phí điện từ năng lượng gió giảm xuống còn
1/6 so với chi phí của đầu những năm 1980.Và xu hướng giảm này vẫn tiếp tục. Các
chuyên gia dự đoán rằng tổng năng lượng tích lũy trên toàn thế giới hằng năm sẽ
tăng khoảng 25% một năm và chi phí sẽ giảm khoảng 20% - 40%.
Kĩ thuật năng lượng gió phát triển rất nhanh vể mọi mặt.Cuối năm 1989, việc
chế tạo một turbine gió công suất 300kW có đường kính rotor 30m đòi hỏi kĩ thuật

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang1


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

tối tân.Nhưng chỉ trong 10 năm sau đó, một turbine gió công suất 2000kW có
đường kính rotor vào khoảng 80m đã được sản xuất đại trà. Tiếp theo đó dự án dùng
turbine gió công suất 3MW có đường kính rotor 90m được lắp đặt vào cuối thế kỉ
20. Hiện tại, turbine gió công suất 3 – 3.6 MW đã được thương mại hóa.Bên cạnh
đó, turbine gió công suất 4 – 5 MW đã được phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong
một số dự án, và turbine gió công suất 6 – 7 MW đang được phát triển trong tương
lai gần.Bảng 1 cho ta cái nhìn về sự phát triển của turbine gió từ năm 1985 đến năm
2015.
Bảng 1.1. Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2015
Năm

Công suất (kW)


70

2003

3000 – 3600

90 – 104

2015

4500 – 5000

112 – 128

1.1.1. Bối cảnh lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển tổng quát về năng lượng gió được chia thành hai phần:
 Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng cơ học.
 Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng điện.
1.1.1.1.

Sản xuất năng lƣợng cơ học :

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang2


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY


HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang3


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

1.1.1.2.

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Sản xuất năng lƣợng điện :

Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế tạo turbine gió đầu tiên phát ra
điện. Các kĩ sư Đan Mạch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lượng thiếu trong
chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai. Turbine gió của công ty Đan Mạch F. L.
Smidth chế tạo trong năm 1941 – 1942 có thể được xem là nguyên mẫu đầu tiên của
turbine gió phát điện ngày nay. Turbine gió Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay
dựa trên kĩ thuật tiên tiến của ngành máy bay cùng thời. Vào cùng thời điểm đó,
một người Mĩ Palmer Putnam đã chế tạo turbine gió khổng lồ cho công ty Mĩ
Morgan Smith Co., có đường kính 53 m. Turbine gió này không chỉ khác ở kích
thước to lớn mà kĩ thuật chế tạo cũng khác biệt. Kĩ thuật của người Đan Mạch cơ
bản dựa trên cánh quạt theo chiều gió đang thổi với sự điều khiển ngừng quay, hoạt
động ở tốc độ chậm. Kĩ thuật của Putnam cơ bản dựa trên cánh quạt theo hướng gió
thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên turbine gió của Putnam vẫn chưa thành
công.Nó được dỡ bỏ vào năm 1945.Bảng 2 sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về lịch sử
của turbine gió.
Bảng 1.2. Lịch sử turbine gió


cánh cao tháp
quạt

(m)

Ngày
ra đời

(m)

(m2)

23

408

18

0.04

4

¾

1891

53

2231



Trang4


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Đan Mạch
F. L. Smidth,
Đan Mạch
Gedser, Đan
Mạch
Hutter, Đức

24

456

70

0.15

3

24

1942

24

German Hutter đã phát triển một kĩ thuật thiết kế mới. Turbine gió gồm 2 cánh
mỏng bằng nhựa đón theo hướng gió thổi của tháp trên trục quay. Turbine gió này
nổi tiếng về hiệu suất cao.
Trái lại sự thành công của turbine gió Juul và Huuter, việc nghiên cứu
turbine gió công suất lớn bị ngưng sau chiến tranh thế giới thứ hai. Chỉ có loại
turbine gió công suất nhỏ cho hệ thống công suất ở vùng sâu vùng xa hay sạc pin là
còn được quan tâm. Việc khủng hoảng giá dầu đầu những năm 1970, năng lượng
gió mới được quan tâm trở lại. Kết quả là tài chính hỗ trợ cho nghiên cứu và phát
triển năng lượng gió đã được đầu tư. Các nước như Đức, Mĩ và Thụy Điển đã
nghiên cứu phiên bản turbine gió công suất lớn (vào khoảng megawatt).Tuy nhiên,
nhiều phiên bản này (xem bảng 1.3) đã không đáp ứng được mong đợi vì nhiều vấn
đề kĩ thuật.
Bảng 1.3.Hoạt động của các turbine gió loại công suất lớn.

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang5


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Công

Diện
Turbine và nƣớc
sản xuất

Đƣờngkính

2

(m )

(GWh)

Mod – 1, USA

60

2827

2

¾

¾

1979 – 83

Growian, Đức

100

7854

3

420


1257

0.63

8414

2

1979 – 93

60

2827

3

8441

6

1987 – 82

91

6504

2.5

8658


2922

2

14175

10

1988 – 93

École, Canada

64

4000

3.6

19000

12

1987 – 93

Mod – 5B, USA

98

7466