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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
ỨNG DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 4 8 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT
ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP ỨNG
DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202


Ngày, tháng, năm sinh

: 20/07/1987

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Quê quán

: Quảng Ngãi

Dân tộc

: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Tổ dân phố 3, khu dân cư số 9, thị trấn Mộ
Đức, Huyện Mộ Đức, Tỉnh Quảng Ngãi.
Điện thoại cơ quan: 371 720 68

Điện thoại nhà riêng: 0904 553 465

Fax: 371 79 555

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo từ : 08/2005 đến 09/2008



TP. Kỹ Thuật

i


LỜI CAM ĐOAN
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 … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii


CẢM TẠ

Lời đầu tiên. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến cán bộ hướng dẫn khoa
học TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC. Người đã theo suốt tôi trong quá trình làm luận văn.
Bằng tri thức và sự tận tâm, thầy đã cho tôi những lời khuyên bổ ích để giúp tôi tiếp
cận với các tri thức khoa học bằng nhiều cách và nhiều góc độ khác nhau trong
suốt quá trình thực hiện để tôi định hướng và hoàn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt
thời gian đào tạo tại trường.
Chân thành cảm ơn quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Bách
Khoa TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học
tập nghiên cứu thực hiện luận văn.
Tiếp theo tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình và người thân yêu đã luôn


MSHV

: Kỹ Thuật Điện

: 128520202017

I – TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN
GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP SỬ DỤNG TRÍ THÔNG MINH
NHÂN TẠO
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Xây dựng mô hình điều khiển độ lập P và Q của DFIG trên phần mềm
Matlab Simulink
 Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào bộ điều khiển độc lập P và Q, so sánh kết
quả đạt được khi có và không có kết hợp Fuzzy logic.
III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

Ngày 22 tháng 02 năm 2014

IV – ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU

Trường ĐH SPKT Tp.HCM

V – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

Ngày 24 tháng 08 năm 2014

VI – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ .................................................................. 4
1.1. Tổng quan chung về năng lượng ....................................................................... 4
1.2. Lịch sử phát triển năng lượng gió ...................................................................... 5
1.3. Tình hình phát triển điện gió ở hiện tại và triển vọng trong tương lai. ............... 9
1.4. Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió ....................... 12
1.5. Tiềm năng điện gió của Việt Nam ................................................................... 14
1.6. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố ................................. 15
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................. 17
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 17
2.1. Các loại turbine gió: ........................................................................................ 17

v


2.2. Các loại cấu hình turbine gió kết nối vào lưới điện.......................................... 18
2.2.1. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ..................................... 19
2.2.2. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép không chổi quét (BDFIG) ........ 20
2.2.3. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permament Magnet SG) ...... 20
2.3. Các thành phần chính của hệ thông turbine gió – DFIG .................................. 21
2.4. Định nghĩa về mô hình và mô phỏng............................................................... 23
2.5. Ưu nhược điểm và mục đích xây dựng mô hình động ..................................... 24
2.6. Mô hình động của máy điện không đồng bộ .................................................... 25
2.7. Phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu ............................................................ 28
2.7.1. Mối quan hệ giữa hệ thống ba pha và hệ thống hai pha ............................. 28
2.7.2. Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay ..................... 29
2.7.3. Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh abc và hệ trục tọa độ quay dq .......... 30
2.8. Phương trình toán máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG ......................... 30
2.8.1. Mô hình toán máy điện DFIG trong vector không gian ............................. 31
2.8.2. Mô hình toán máy điện DFIG trong hệ quy chiếu quay ............................. 32
CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 35

5.2.3. Kết quả mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên ............ 66
5.3. Phân tích kết quả mô phỏng ............................................................................ 72
CHƯƠNG 6 ............................................................................................................. 75
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 75
6.1. Kết luận .......................................................................................................... 75
6.2. Hướng phát triển của đề tài trong tương lai ..................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 76

vii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Chú giải

P

: Công suất tác dụng (W)
: Công suất định mức của máy phát (W)

Q

: Công suất phản kháng (Var)
: Điện áp (V)
: Dòng điện (A)
: Điện trở (Ω)
: Cảm kháng (H)
: Cảm kháng từ hóa (H)



: hệ quy chiếu abc

dq

: hệ quy chiếu dq

viii


Các ký hiệu chỉ số
 Chỉ số trên
s

: Quy về phía stator

r

: Quy về phía rotor

t

: Là ma trận chuyển vị

 Chỉ số dưới
s

: Các đại lượng của stator

r

: Các đại lượng của turbin

d; q

: Các đại lượng trục d, trục q tương ứng trong hệ quy chiếu dq

α, β

: Các đại lượng trục α, trục β tương ứng trong hệ quy chiếu αβ

a, b, c

: Các đại lượng pha a, pha b, pha c tương ứng trên stator

A, B, C

: Các đại lượng pha A, pha B, pha C tương ứng trên rotor

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1:

Cối xay gió Tây Ban Nha

Hình 1.2:

Lịch sử phát triển năng lượng gió từ 1996 đến 2008



Turbin gió với BDFIG

Hình 2.4:

Turbin gió với PMSG

Hình 2.5:

Các thành phần chính của hệ thống turbin gió – DFIG

Hình 2.6:

Sơ đồ cấu trúc chung của máy điện không đồng bộ

Hình 2.7:

Hệ quy chiếu quay dq

Hình 2.8:

Nguyên lý vectơ không gian

Hình 2.9:

Mối quan hệ giữa hai hệ trục toạ độ αβ và dq

Hình 2.10: Mạch tương đương máy điện DFIG quy đổi về phía stator
Hình 3.1:


Hình 3.9:

Soạn thảo luật mờ

x


Hình 4.1:

Khối mô hình máy phát DFIG

Hình 4.2:

Khối mô hình abc2dq

Hình 4.3:

Khối mô hình phương trình điện áp stator và rotor

Hình 4.4:

Khối mô hình tính toán từ thông

Hình 4.5:

Khối mô hình 2dqabc

Hình 4.6:

Khối mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát và lưới


Hình 5.4:

Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter
Control” sử dụng PI truyền thống

Hình 5.5:

Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter
Control” sử dụng PI truyền thống kết hợp PI-Fuzzy

Hình 5.6:

Tốc độ gió cố định 12 m/s

Hình 5.7:

Công suất tác dụng trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.8:

Công suất phản kháng trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.9:

Dòng điện stator trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.10: Tốc độ rotor trong trường hợp tốc độ gió cố định
Hình 5.11: Góc pitch quạt gió trong trường hợp cố định tốc độ gió
Hình 5.12: Tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian

Bảng 5.3:

Các thông số của khối “Converter”

Bảng 5.4:

Giá trị đặt công suất tác dụng

Bảng 5.5:

Giá trị đặt công suất phản kháng

Bảng 5.6:

Giá trị trung bình của Ps và Qs trong trường hợp tốc độ gió cố định

Bảng 5.7:

Giá trị trung bình của Ps và Qs trong trường hợp tốc độ gió thay đổi

xiii


MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU
1.

Lý do lựa chọn đề tài
Trong vòng 10 năm gần đây (2001 – 2010), Việt Nam đã đạt được những


phát điện diesel trên đảo Phú Quý hoặc dự án điện gió khác tại tỉnh Bạc Liêu. Ngoài
ra, còn nhiều dự án khác đang trong các giai đoạn tiến độ khác nhau đã được đăng
ký. Tuy nhiên điểm yếu lớn nhất của nguồn năng lượng gió thì thường không tập
trung nên muốn sử dụng ta phải đâu tư rãi rác và khi đã đầu tư thì vấn để sử dụng nó
một cách sao cho an toàn và hiệu quả nhất là một bài toán cần được giải quyết bằng
cách ứng dụng nhiều kỹ thuật mới. Hiện nay ở Việt Nam muốn đầu tư khai thác
nguồn năng lượng này đều phải nhập thiết bị công nghệ từ các nước tiên tiến, chính
điều này là yếu tố làm cho chi phí đầu tư, sản xuất điện tăng lên làm giảm đi tính
cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác. Theo xu hướng phát triển của thế
giới, các ngành kỹ thuật cao ngày càng phát triển và ứng dụng vào thì giá thành sản
xuất sẽ giảm dần, đến một lúc nào đó giá sản xuất năng lượng từ gió sẽ ngang bằng
năng lượng hoá thạch và theo dự báo thì thậm chí có thể thấp hơn trong vài thập
niên tới. Chính vì vậy nên năng lượng gió cần được quan tâm, nghiên cứu nhiều
hơn.
Với các lý do trên, đề tài “Điều khiển độc lập P và Q của máy phát điện gió
không đồng bộ nguồn kép ứng dụng trí thông minh nhân tạo” hiện nay là vấn đề cần
thiết nhằm nâng cao hiệu quả vận hành máy phát điện gió, góp phần vào việc phát
triển nguồn năng lượng điện xanh, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ
môi trường.
2.

Mục đích nghiên cứu
Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào điều khiển độc lập P và Q của máy phát

điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG.
3.

Nhiệm vụ của đề tài
Bước 1: Tìm hiểu mô hình động máy điện không đồng bộ

lập của máy phát này trong cả hai mô hình vận hành là điều cần thiết để tối ưu hóa
quá trình sản xuất điện năng từ gió và dự đoán chính xác kết quả của quá trình đó.
Ứng dụng kỹ thuật Fuzzy logic vào để điều khiển độc lập P và Q của mô hình
máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép.

3


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1. Tổng quan chung về năng lượng
Lịch sử phát triển của xã hội loài người gắn liền với quá trình phát minh,
chuyển đổi và sử dụng năng lượng. Thật khó hình dung bất kỳ một hoạt động có ý
thức nào của con người lại không cần đến năng lượng. Sản xuất và tiêu thụ năng
lượng ảnh hưởng và chịu ảnh hưởng của nhiều vấn đề lớn của xã hội như môi
trường và sinh thái, chính sách và cơ sở pháp lý, phát triển kinh tế và dân số, giao
lưu quốc tế và thương mại hóa các nguồn năng lượng, trình độ công nghệ và mức
độ công nghiệp hóa, hiện đại hóa của từng quốc gia. Một quốc gia khó tiếp cận với
các nguồn năng lượng thì đó sẽ là cản trở lớn đối với nền phát triển công nghiệp và
kinh tế của chính nước đó.
Dân số tăng nhanh, nhu cầu cung cấp năng lượng ngày càng cao trong khi
nguồn năng lượng trở nên khan hiếm, làm tăng vọt giá mua nhiên liệu. Trong bối
cảnh giá dầu thế giới đang leo cao, nền công nghiệp ở nhiều nước bị tác động mạnh
và kéo theo các ảnh hưởng về an ninh chính trị. Hiện nay điện năng trên thế giới
chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện nhưng hai loại này sử dụng sau thời gian
dài đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trường. Bên cạnh đó nguồn năng lượng từ
các nguồn hóa thạch thì ngày càng cạn kiệt theo thời gian, đồng thời việc đốt cháy

thẳng đứng được làm từ 6 đến 10 cánh quạt bằng cỏ hay chất liệu vải, những cối
xay gió đã được sử dụng để bơm nước và nghiền lúa mì và các loại ngũ cốc khác và
chúng có một chút khác biệt so với phiên bản cối xay gió có trục nằm ngang ở Châu
Âu sau này. Cối xay gió đã được sử dụng rộng rãi ở Trung Đông dùng sản xuất
lương thực ở thế kỷ 11 và sau đó các ý tưởng này được phát triển sang Châu Âu vào
khoản thế kỷ 13. Ngược với kiểu thiết kế trục dọc của người Ba Tư, người Châu Âu
lại thiết kế kiểu trục ngang [7].
Đan Mạch là quốc gia đầu tiên sử dụng gió để phát điện. Đan Mạch đã sử
dụng một turbine gió đường kính 23m vào năm 1890 để tạo ra điện. Đến năm 1910,
hàng trăm turbine gió có công suất từ 5 đến 25 kW đã hoạt động ở Đan Mạch [7].

5


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Hình 1.1: Cối xay gió Tây Ban Nha (Nguồn )
Khoảng năm 1925, các nhà máy điện gió thương mại sử dụng hai và ba cánh
quạt xuất hiện trên thị trường Mỹ. Các thương hiệu phổ biến nhất là Wincharger
(200 đến 1200 W) và Jacobs (1,5-3 kW). Chúng được sử dụng trong các trang trại
để sạc pin lưu trữ và các pin này được sử dụng để vận hành các radio, đèn chiếu
sáng, và các thiết bị nhỏ với các mức điện áp 12, 32 hay 110 volt. Sau đó, Cục Quản
lý điện nông thôn (REA) được thành lập bởi Quốc hội vào năm 1936. Các khoản
vay lãi suất thấp được cung cấp để truyền tải và phân phối cần thiết có thể được xây
dựng để cung cấp điện cho nông dân. Trong những ngày đầu của REA, khoảng năm
1940, điện có thể được cung cấp cho khách hàng nông thôn với chi phí 3-6 cent cho
mỗi KWh. Chi phí tương ứng của gió tạo ra điện là 12 đến 30 cent cho mỗi KWh đã
bao gồm lãi suất, khấu hao, bảo trì. Điện năng sản xuất từ nhà máy trung tâm với
chi phí thấp hơn cộng với độ tin cậy cao hơn dẫn đến sự sụp đổ nhanh chóng của
các nhà máy phát điện gió [7].

là 6500 kW và máy thứ hai là 7500 kW. Chiều cao tháp của máy 6500 kW cao 145
m với hai roto mỗi rotor có đường kính 61 m. Mỗi rotor điều khiển một máy phát
điện dc. Sức mạnh dc đã được sử dụng để điều khiển một chuyển đổi đồng bộ dc/ac
và được kết nối với lưới điện.
Thomas ước tính chi phí đầu tư cho máy của mình vào khoảng 75$ cho mỗi
Kw lắp đặt. Mức chi phí này được xem là đủ thấp để được Ủy ban điện liên bang

7


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

quan tâm và gởi cho Quốc hội để tiến đến việc tài trợ. Vào năm 1951 khi chiến
tranh Triều Tiên đã bắt đầu thì Quốc hội đã quyết định không tài trợ cho các mẫu
thử nghiệm. Dự án sau này đã bị hủy bỏ, điều này về cơ bản đánh dấu sự kết thúc
nghiên cứu năng lượng gió của Mỹ trong hơn hai mươi năm cho đến khi việc cung
cấp nhiên liệu thực sự trở thành một vấn đề.
Các nước khác tiếp tục nghiên cứu điện gió trong một thời gian dài. Đan Mạch
xây dựng turbine gió Gedser của họ vào năm 1957. Máy này sản xuất 200 KW với
lượng gió 15 m/s. Nó được kết nối với hệ thống điện công Đan Mạch và sản xuất
khoảng 400.000 KWh mỗi năm. Tháp này cao 26 m và rotor có đường kính 24 m.
Máy phát điện được đặt tại nhà ở trên đỉnh tháp. Chi phí lắp đặt hệ thống này là
khoảng 250$/KW. Tua bin gió này chạy mãi cho đến năm 1968 thì ngừng.
Tiến sĩ Ulrich Hutter của Đức xây dựng một máy 100 KW vào năm 1957. Nó
đạt công suất của nó chỉ với tốc độ gió 8 m/s, thấp hơn nhiều so với các máy nói
trên. Máy này sử dụng một cách gọn nhẹ với đường kính cánh quạt 35 m được làm
từ sợi thủy tinh với cột tháp là một ống rỗng đơn giản hỗ trợ bằng dây guy. Góc của
cánh quạt sẽ thay đổi tùy vào tốc độ gió để giữ vận tốc các cánh quạt không đổi.
Tiến sĩ Hutter đã thu được hơn 4000 giờ hoạt động công suất định mức đầy đủ trong
11 năm tiếp theo, đây là một con số đáng kể cho một máy thử nghiệm. Điều này đã