BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

LÊ MINH VƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

LÊ MINH VƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

Ủ
viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ MINH VƯƠNG

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn
tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM;
Viện Khoa học Kỹ thuật; Viện Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi tôi đang công
tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận
văn tốt nghiệp này.

Lê Minh Vương


i

TÓM TẮT
Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất
cân bằng giữa nhu cầu sử dụng điện và khả năng cung cấp nguồn điện. Nguyên
nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện
ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông
nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo
động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ
cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện.
Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa
mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia
trở nên khó thực hiện hơn.

power, tidal energy... are worthy of study. Among the energy sources
mentioned above, wind power is attracting the attention of many scientists.
The research on optimal exploitation of wind power system capacity is
very necessary. This is also the main reason for choosing the topic of this
thesis, "Optimal power control of wind turbine power systems" which
includes the following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Overview of wind turbine power systems
- Chapter 3: Optimal power control of wind turbine power systems
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works


3

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục .........................................................................................................iii
Danh sách hình vẽ ......................................................................................... v
Danh sách bảng............................................................................................. ix
Chương 1 - Giới thiệu chung ......................................................................
1
1.1. Giới thiệu ................................................................................................
1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2
1.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 3
1.4. Nội dung nghiên cứu ..............................................................................
4
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu .........................................................
4

5

3.2.3. Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất ................................. 40
3.2.4. Kỹ thuật nhiễu loạn và quan sát ........................................................ 41
3.3. Động cơ không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong bài toán điều khiển
tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió ............................................. 43
3.3.1. Vector không gian và các phép biến đổi ........................................... 44
3.3.2. Công suất theo vector không gian ..................................................... 46
3.3.3. Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và  ....................................... 47
3.3.4. Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ............ 49
3.4. Bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống điện gió ................................ 54
3.4.1. Điều khiển converter phía lưới .......................................................... 55
3.4.2. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC ............... 56
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió ....................................................................................................
59
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 59
4.2. Mô phỏng máy phát điện DFIG ........................................................... 59
4.3. Mô phỏng tuabin gió ............................................................................ 62
4.4. Mô phỏng các bộ điều khiển ................................................................ 63
4.5. Điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió.......................... 64
4.6. Kết quả mô phỏng ................................................................................ 67
4.6.1. Tốc độ rotor không đổi ...................................................................... 67
4.6.2. Tốc độ rotor thay đổi ......................................................................... 78
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 86
5.1. Kết luận ................................................................................................ 86
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 86
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 88



Hình 3.8. Nguyên lý vector không gian ...................................................... 44
Hình 3.9. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và  ....................................... 47
Hình 3.10. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq ...................................... 48


7

Hình 3.11. Mối liên hệ giữa trục tọa độ  và dq ....................................... 49
Hình 3.12. Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y ........................................ 50
Hình 3.13. Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor ................................ 50
Hình 3.14. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục  .............................. 51
Hình 3.15. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục quay dq ...................... 53
Hình 3.16. Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới ................................ 55
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát
điện DFIG .................................................................................................... 59
Hình 4.2. Khối máy phát điện DFIG ........................................................... 61
Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng máy phát điện DFIG......................................... 61
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển ............................................. 64
Hình 4.5. Sơ đồ kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió .... 65
Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin
gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, DFIG .................... 65
Hình 4.7. Tốc độ rotor, nr = 300 (rpm)........................................................ 67
Hình 4.8. Công suất cực đại, PMPP với nr = 300 (rpm)................................. 68
Hình 4.9. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 300 (rpm) .................... 68
Hình 4.10. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 300 (rpm) ......................................................................
69
Hình 4.11. Tốc độ rotor, nr = 600 (rpm)...................................................... 70
Hình 4.12. Công suất cực đại, PMPP với nr = 600 (rpm) .............................. 70
Hình 4.13. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 600 (rpm) .................. 71

tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ................................... 80
Hình 4.31. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ....................................... 81
Hình 4.32. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường
hợp 2 ............................................................................................................ 82
Hình 4.33. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi Trường hợp 2 ............................................................................................... 82
Hình 4.34. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ................................... 83
Hình 4.35. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ....................................... 83
Hình 4.36. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường
hợp 3 ............................................................................................................ 84
Hình 4.37. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi Trường hợp 3 ............................................................................................... 84
Hình 4.38. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ................................... 85


ix

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 4.1. Bảng lookup table ứng với hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất .....
..................................................................................................................... 67


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Năng lượng điện có vai trò vô cùng quan trọng trong việc thúc đẩy sự
phát triển về kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của một Quốc gia.
Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất

lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nguồn nhiên liệu đầu vào, ít gây ô
nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng,... Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một
quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển. Do đó,
việc sử dụng năng lượng gió trong sản xuất năng lượng điện tại Việt Nam sẽ
hoàn toàn khả thi và nên được khuyến khích khai thác sử dụng. Giải pháp này
hoàn toàn phù hợp với chủ trương của Chính phủ theo Nghị quyết số 35/NQCP, ngày 18 tháng 03 năm 2013, về một số vấn đề cấp bách trong lĩnh vực bảo
vệ môi trường [1]. Trong nghị quyết này, có nội dung tiết kiệm năng lượng,
thân thiện với môi trường, ưu tiên phát triển nguồn năng lượng sạch, năng
lượng tái tạo hướng tới phát triển nền kinh tế xanh. Đồng thời, giải pháp cũng
theo đúng tinh thần của Quy hoạch điện VII có điều chỉnh, công suất theo
nguồn năng lượng tái tạo là 21% và điện năng theo nguồn năng lượng tái tạo là
11% đến năm 2030 [2].
Góp phần cho vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu khai thác tối ưu công
suất hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề
tài: “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió”.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự tiến bộ và phát triển của kinh tế - xã hội, con người luôn
phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển đó là sự không bền vững của
môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên bị cạn kiệt và hàng loạt những
vấn đề khác. Trong đó, vấn đề an ninh năng lượng điện được đánh giá là đặc
biệt quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong giai đoạn này.
“Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt
Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy vào năm 2050, dân số
thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người. Hiện nay, với mức độ tăng dân số, trong
vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử
dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại.


3



4

1.4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép trong hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió;
- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió.
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Bắt đầu từ thế kỷ thứ 11, năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai
thác và cho đến nay, đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa học kỹ
thuật và nhu cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu và
khai thác năng lượng gió cho sản xuất năng lượng điện.
Pham Ngoc Hung và Trinh Trong Chuong đã nghiên cứu điều khiển tối
ưu công suất của hệ thống điện gió và đã công bố các kết quả thông qua bài
báo, “Nghiên cứu xác định điểm công suất cực đại của hệ thống biến đổi năng
lượng gió sử dụng kỹ thuật logic mờ” trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ
Năng lượng, Trường Đại học Điện Lực. Các kết quả mô phỏng của bài báo cho
thấy đề xuất đã cải thiện hiệu suất của máy phát điện gió khi tốc độ gió thay
đổi. Đề xuất được áp dụng cho máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
[5].
Lê Duy Khánh và Dương Hoài Nghĩa, “Mô phỏng phương pháp điều
khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”, đã giới
thiệu phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) dựa trên nguyên tắc mô hình
nội bộ, được hình thành 1982 và đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
ngày nay. Mô hình nội được sử dụng để thiết kế các thông số của bộ điều khiển
cho DFIG. Quá trình thiết kế chi tiết được mô tả và kết quả mô phỏng được
đưa ra cho thấy tính phù hợp của phương pháp điều khiển [6].
Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”,

D. Kumar và K. Chatterjee, “A review of conventional and advanced
MPPT algorithms for wind energy systems”, đã tổng quan các giải thuật bám
điểm công suất cực đại cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió. Các ưu điểm
và khuyết điểm của mỗi giải thuật được trình bày trong nghiên cứu này. Các
giải thuật bám điểm công suất cực đại được phân loại theo các đo lường công
suất mà được dựa trên các bộ điều khiển công suất trực tiếp hoặc gián tiếp.
Việc so sánh giữa các giải thuật thông qua các tiêu chí về tính phức tạp, yêu
cầu tốc độ gió ngõ vào, các huấn luyện trước khi điều khiển, các đáp ứng về tốc


6

độ, cũng như khả năng đạt được công suất ngõ ra cực đại. Có thể nhận thấy
rằng nghiên cứu này như là một tài liệu tham khảo chuẩn cho việc lựa chọn giải
thuật bám điểm công suất cực đại của một hệ thống biến đổi năng lượng gió cụ
thể [11].
K. Vigneswaran và P. S. Kumar, "Maximum power point tracking
(MPPT) method in wind power system" đã giới thiệu một giải thuật điều khiển
thích nghi, tìm kiếm leo đồi cải tiến (Hill Climb Search, HCS) để bám điểm
công suất cực đại của hệ thống điện gió trong các điều kiện gió thay đổi khác
nhau và quá trình bám tăng tốc theo thời gian. Thuật toán được giới thiệu trong
nghiên cứu này không yêu cầu các đặc tính cơ không tường minh của tuabin
như là đặc tính hệ số công suất, đặc tính công suất hoặc đặc tính moment.
Ngoài ra, thuật toán cũng sử dụng đặc điểm ghi nhớ để thích nghi cho bất kỳ
loại tuabin gió khảo sát nào và phỏng đoán tốc độ rotor tối ưu tương ứng với
tốc độ gió mà chưa xảy ra trước đó. Thuật toán được giới thiệu phù hợp cho
các hệ thống điện gió nhỏ nối lưới hoặc nối ắc quy [12].
H. G. Jeong, R. H. Seung và K. B. Lee, "An improved maximum power
point tracking method for wind power systems", đã giới thiệu một giải thuật
bám điểm công suất cực đại cải tiến cho các hệ thống điện gió mà kết hợp điều

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
1.7. Kết luận
Nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới nói chung và Việt Nam
nói riêng là rất lớn. Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam - EVN, để
đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực
hiện được mục tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công
nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm
[15]. Do đó, việc đầu tư phát triển nguồn điện, trong đó có các nguồn năng
lượng tái tạo là vô cùng cần thiết và hiệu quả đối với một quốc gia có nhiều
điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam. Vì vậy, việc nghiên cứu điều khiển
tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió là hết sức cần thiết và cấp bách.


8

Chương 2
Tổng quan hệ thống điện gió
2.1. Giới thiệu
Năng lượng gió có nguồn gốc từ nguồn năng lượng mặt trời và là một
trong các nguồn năng lượng thiên nhiên mà đang được đặc biệt quan tâm liên
quan đến nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới. Hiện tại, năng lượng gió
đã mang đến nhiều hứa hẹn, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất năng lượng điện.
Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lượng này trong
tương lai, các nhà khoa học cần nghiên cứu nhiều hơn để hoàn chỉnh các công
nghệ khai thác và sử dụng. Năng lượng gió được dựa trên nguyên lý là gió sẽ
tạo ra sức quay các tuabin và sau đó, sẽ tạo ra năng lượng điện. Các yếu tố hình
thành nên nguồn năng lượng gió bao gồm: sự hâm nóng bầu khí quyển quanh
mặt trời, sự chuyển vận của trái đất và sự lồi lõm của mặt đất.
Các ưu và nhược điểm của nguồn năng lượng gió có thể được liệt kê và
phân tích như sau:

2.2. Năng lượng gió trên thế giới [16], [21]
Năng lượng gió phát triển nhanh vào những năm 1990. Tuy nhiên, năng
lượng gió có sự phân bố không đồng đều trên thế giới. Đến cuối năm 2012,
khoảng 76% công suất là ở Châu Âu, 18% ở Nam Mỹ và 8% ở Châu Á Thái
Bình Dương.
2.2.1. Châu Âu
Từ cuối năm 2012, có khoảng 76% tuabin gió trên thế giới là ở Châu
Âu. Những nước có công suất lắp đặt lớn nhất là Đức, Đan Mạch và Tây Ban
Nha.
Theo đó, tổ chức EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) của Đức quy định
mức giá từ hệ thống năng lượng gió của năm 2012 là: 8,8 eurocents/kWh cho 3
năm đầu tiên và 5,9 eurocents/kWh cho những năm tiếp theo. Chính phủ Đức
thường xuyên thay đổi mức giá mua năng lượng điện gió và khuyến khích phát
triển nguồn năng lượng gió ngoài khơi.


10

2.2.2. Bắc Mỹ
Sau khi năng lượng điện gió phát triển bùng nổ ở California vào giữa
những năm 1980, nó đã phát triển chậm lại ở Bắc Mỹ.
Tuy nhiên, vào năm 1998, nhiều dự án năng lượng điện gió đã được
phát triển trở lại với công suất hơn 800MW. Cùng với sự thành công từ năng
lượng gió của Mỹ, Canada cũng đã lắp đặt các nhà máy điện gió đầu tiên.
2.2.3. Nam và Trung Mỹ
Với các rào cản về chính sách, năng lượng điện gió tại các vùng Nam và
Trung Mỹ đã không phát triển một cách mạnh mẽ. Mặc dù, theo các khảo sát
và đánh giá, đây là hai vùng có tiềm năng của nguồn năng lượng gió rất lớn.
Bên cạnh đó, nhiều dự án phát triển năng lượng gió ở Nam Mỹ cũng đã được
ủng hộ từ chương trình hỗ trợ quốc tế nhưng chỉ thu được những thành công