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

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

BÙI HỮU HÂN

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM
CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật
Điện Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm
2017


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

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

BÙI HỮU HÂN

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM
CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O

LUẬN VĂN THẠC SĨ

P
P
G
bi
T
P
S.
bi
P
G
T
Ủ
S.
v

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
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 27 tháng 09 năm
2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ


‒

ng d ng vào hệ thống điện gió.

Tìm hiểu và ứng d ng Simulink/Matlab để mô phỏng hệ thống máy phát điện
gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng d ng phương pháp P&O.

‒

Báo cáo kết quả mô phỏng.

III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017.
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/9/2017.
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Hoàng Hơn.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN
NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

sót cần được điều chỉnh và bổ sung. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các
quý Thầy Cô để tri thức của học viên được hoàn thiện hơn khi ra trường.
Học viên thực hiện
Bùi Hữu Hân


3

TÓM TẮT
Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm phát công suất cực đại của hệ
thống điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nhằm đạt m c đích
trên, học viên nghiên cứu và tìm hiểu lần lượt từng thành phần của hệ thống: hệ
thống cánh quạt turbine, hệ thống truyền động và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh
cửu. Phương trình động cho từng thành phần sau đó được phân tích và xây dựng.
Hệ phương trình động được giải nhờ vào phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab,
thông qua tín hiệu đáp ứng từ kết quả mô phỏng, phương pháp nhiễu loạn và quan
sát (P&O) được chọn lựa để tìm điểm phát công suất cực đại. Kết quả mô phỏng
cho thấy giải thuật đề xuất đáp ứng khá tốt ở những điều kiện vận hành khác nhau:
tốc độ gió thay đổi, tổng trở tải thay đổi, cả vận tốc gió và tổng trở tải thay đổi.


4

ABSTRACT
The thesis describes a method to find maximum power point for wind power
system using permanent magnetic synchronous generator. To do so, all components
of wind power system such as wind turbine blade system, drive train system and
permanent magnetic synchronous generator are studied. The dynamic equation
system of each component is analyzed and established. Then the dynamic equation
based model is constructed by Simulink/Matlab software. From the output signal of


LỤC

...................................................................................................................

v

DANH

MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................vii DANH
MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................ix DANH
MỤC

CÁC

HÌNH

...........................................................................................

x

Chương 1 ..................................................................................................................... 1
ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................. 1
I. L DO CHỌN ĐỀ TÀI........................................................................................ 1
II. MỤC TI

CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................. 2

III. Đ I TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C
IV. KẾT

TỔNG QUAN VỀ HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ............................................................. 18
3.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió............................................................. 18
3.2 Khí động học gió ............................................................................................. 19
3.3 Các loại cấu trúc của turbine gió ..................................................................... 20
3.4 Các bộ phận của turbine gió. ........................................................................... 21
3.4.1. Cánh quạt. ............................................................................................... 21
3.4.2 Bộ truyền động ......................................................................................... 26
3.4.2.1 Hộp số ................................................................................................. 27
3.4.2.2 Truyền động trực tiếp.......................................................................... 27
3.4.3 Máy phát................................................................................................... 29
3.4.3.1 Máy phát lồng sóc tốc độ không đổi (Fixed speed Squirrel Cage
Induction Generator) ....................................................................................... 29
3.4.3.2 Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ (Speed controlled Squirrel Cage
Induction Generator) ....................................................................................... 30
3.4.3.3 Máy phát dây quấn đồng bộ (Wound Rotor Synchronous Generator)31
3.4.3.4 Máy phát dây quấn không đồng bộ (Wound Rotor Induction
Generator - WRIG) ......................................................................................... 31
3.4.3.5 Máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator
- DFIG)............................................................................................................ 32
3.4.5.6 Máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (Permanent
Magnet Generator - PMG) .............................................................................. 33
3.4.3.7 Máy phát một chiều (DC Generator) .................................................. 33
3.5 Các bộ chuyển đổi điện áp ............................................................................... 34
3.5.1 Bộ chỉnh lưu ............................................................................................. 34
3.5.2 Các bộ biến đổi DC-DC (DC/DC Chopper) ............................................ 40
3.5.2.1 Bộ biến đổi giảm áp - Buck chopper
..................................... 41
3.5.2.2 Bộ chuyển đổi tăng áp – Boost chopper ............................................. 44
3.5.2.3 Bộ biến đổi đảo áp, Buck - Boost Chopper
.......................... 47

5.3 Kết luận ..........................................................................................................106
Chương 6 .................................................................................................................108
KẾT LUẬN .............................................................................................................108
6.1 Kết quả đạt được ............................................................................................108
6.2 Những mặt còn hạn chế .................................................................................108
6.3 Hướng phát triển của đề tài............................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................110


8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
P&O

: Perturb & observe

MPP

: Maximum Power Point

MPPT

: Maximum Power Point Tracker

PMG

: Permanent Magnet Generator

PMSG



IEA

: International Energy Agency

HAWT

: Horizontal Axis Wind Turbine

VAWT

: Vertical Axis Wind Turbine

BEM

: blade element method


9

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4. 1 Bảng tóm tắt trạng thái dẫn của các diode và điện áp v0 tức thời trên tải 63
Bảng 4. 2 Tóm tắt giải thuật P&O [27], “đại lượng thay đổi” trong luận văn là tốc
độ rotor của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu ................................................. 71
Bảng 5. 1 Các Block thường dùng để mô phỏng trong luận văn .............................. 73


10

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3. 15 - Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép. ........................
32
Hình 3. 16 - Turbine gió sử d ng máy phát kích từ vĩnh cửu. ..................................
33
Hình 3. 17 - Turbine gió dùng máy phát DC. ........................................................... 34
Hình 3. 18 Chỉnh lưu 1 pha bán kỳ không t lọc ......................................................
35


11

Hình 3. 19 - Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa bán kỳ .............................................. 36
Hình 3. 20 – Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. ..................................
36
Hình 3. 21 – Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. .................................... 37


12

Hình 3. 22 – Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển................................. 38
Hình 3. 23 – Minh họa mạch chỉnh lưu có điều khiển - Mạch chỉnh lưu tia ba pha
điều khiển. ................................................................................................................. 39
Hình 3. 24 - Chỉnh lưu cầu một pha sử d ng diod có t lọc .....................................
40
Hình 3. 25 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck. .................................................
41
Hình 3. 26 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost. ................................................ 44
Hình 3. 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost chopper. ......................
47
Hình 4. 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống điện gió nam châm vĩnh cửu ................

thay đổi. ..................................................................................................................... 72
Hình 5. 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu


13

điều khiển bằng thuật toán P&O ............................................................................... 76
Hình 5. 2 - Mô phỏng hệ thống máy phát điện gió trong Simulink Matlab.............. 77


xii
Hình 5. 3 – Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng Turbine, Generator and Rectifier; hình bên
trái có thể tìm thấy trong hình 5.2; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong. ..........
79
Hình 5. 4 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng wind-turbine; hình bên trái có thể tìm thấy
trong hình 5.3; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong .......................................... 80
Hình 5. 5 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng turbine; hình bên trên có thể tìm thấy trong
Hình 5.4; hình bên dưới là sơ đồ chi tiết bên trong ................................................. 80
Hình 5. 6 Các thông số của khối Turbine ................................................................. 81
Hình 5. 7 Khối máy phát: 12kW 67Nm 1700rpm; Hình phía trên được tìm thấy
trong hình 5.4; hình bên dưới sơ đồ chi tiết. ............................................................. 82
Hình 5. 8 Cấu hình của PMSG (bảng thông số 1)..................................................... 82
Hình 5. 9 Thông số PMSG (bảng thông số 2)........................................................... 83
Hình 5. 10 Khối Rectifier; hình bên trái có thể được tìm thấy trong hình 5.3; hình
bên phải là bảng thông số cài đặt cho khối chỉnh lưu ...............................................
84
Hình 5. 11 Khối P&O MPPT; hình bên trên được trích từ hình 5.2; hình bên dưới là
sơ đồ chi tiết .............................................................................................................. 85
Hình 5. 12 Khối IO đặc trưng cho khối IO1 và IO2 trong hình 5.11. ...................... 85
Hình 5. 13 Khối DC-Load; hình trên được trích xuất từ hình 5.3; hình bên dưới trình

Hình 5. 32 Đáp ứng của giá trị Duty Cycle (D) theo thời gian ................................. 98
Hình 5. 33 Vận tốc gió theo thời gian .....................................................................100
Hình 5. 34 Sự thay đổi tải theo thời gian ................................................................101
Hình 5. 35 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian ..............................................101
Hình 5. 36 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian .......................................102
Hình 5. 37 Đáp ứng công suất Tuabin gió (cũng là công suất Turbine nhận được)
theo thời gian...........................................................................................................102
Hình 5. 38 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian ...............................103
Hình 5. 39 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là công suất ngõ vào bộ
chopper) theo thời gian ...........................................................................................103
Hình 5. 40 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo
thời gian...................................................................................................................104
Hình 5. 41 Đáp ứng của giá trị Duty cycle (D) theo thời gian................................104
Hình 5. 42 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 8m/s (được chiết trích từ hình
4.13).........................................................................................................................105
Hình 5. 43 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 6m/s (được chiết trích từ hình
4.13).........................................................................................................................106


1

Chương 1


2

ĐẶT VẤN ĐỀ
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Năng lượng là nhu cầu không thể thiếu đối với nhân loại, năng lượng được sử
d ng trong tất cả các lĩnh vực để ph c v cuộc sống của con người từ sinh hoạt, vui

Sử d ng phần mềm Simulink Matlab và thuật toán điều khiển P&O (quan sát và
nhiễu loạn) để tìm điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống máy
phát điện gió - máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
III.

Đ I TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U

Đối tượng: Tìm điểm phát công suất cực đại cho hệ thống máy phát gió bằng
thuật toán P&O; hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm
vĩnh cửu có sơ đồ khối như trong hình 1. Tất cả các khối sẽ được phân tích và thành
lập hệ phương trình động, mô hình mô phỏng cho hệ phương trình động sẽ được
xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab. Các thông số trong bộ điều
khiển sẽ được chọn lựa bằng lập luận, bằng thống kê hoặc bằng phương pháp thử và
sai để có được đặc tính ngõ ra như mong muốn khi các thông số ngõ vào được thay
đổi một cách ngẫu nhiên trong phạm vi cho phép.

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát PMSG và thuật
toán P&O
Phương pháp nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình toán học dựa vào phương trình động (phương trình vi phân)
của từng khối (hình 1) trong hệ thống:


Phương trình khí động học của gió

 Khối Turbine: Mô tả mối quan hệ giữa công suất gió, cánh quạt (bao
hàm cả kích thước và hình dạng) và mật độ không khí,...


3

Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải không đổi: Thay

đổi đặc tính gió, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán
(Duty cycle là hằng số) P&O.
 Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải và đặc tính gió thay
đổi ngẫu nhiên (không đồng thời): So sánh kết quả với khi có sử d ng thuật
toán
với lý thuyết công suất cực đại lý thuyết (thông qua tính toán) của máy phát
với từng trường hợp năng lượng gió ngõ vào.
- Toàn bộ quá trình trình bày trên được thực hiện và kiểm tra nhờ vào phần mềm
mô phỏng Simulink Matlab.


4

IV.

V.

KẾT QUẢ D

KIẾN

-

Mô hình động hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.

-

Sử d ng thuật toán P&O để tìm điểm phát công suất cực đại.

tiên đầu tư và phát triển ở Việt Nam. Nhiều dự án công trình đã được khởi công và
xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có
công suất khoảng 800KW, công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định
đang được xây dựng…
Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng rất lớn. Nhà máy
điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890.
Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ
phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện gió sẽ chiếm phần
lớn trong thị trường năng lượng của thế giới [32].
Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng cho
hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng tới môi trường so với các nguồn năng lượng
khác là không đáng kể. Tổng năng lượng của các máy phát sức gió được lắp đặt trên
thế giới được gia tăng một cách ngoạn m c. Sự tham gia của các máy phát sức gió
trong các hệ thống phân phối điện cung cấp một lượng công suất đáng kể bên cạnh
các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy điện...