ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

ĐÕAN QUỐC ĐẠT

HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT
KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC HÕA LƢỚI

CHUYÊN NGÀNH:

KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ :

60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

ĐỒN QUỐC ĐẠT

HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT
KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC HÕA LƢỚI

CHUN NGÀNH:

KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ :

60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – 2019

ii


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS - TS. Phan Quốc Dũng

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ………………………………………..
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA…………

iii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

ĐOÀN QUỐC ĐẠT

MSHV: 1570382

Ngày, tháng, năm sinh:


09/10/1991

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

Mã số : 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT KHƠNG ĐỒNG
BỘ ROTOR LỒNG SĨC HÕA LƢỚI
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về hệ thống năng lƣợng gió : Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổi
cơng suất.
- Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió : PMSG, DFIG, SCIG.
- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió.
- Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ máy điện khơng đồng bộ.
- Tìm hiểu hệ thống điện gió sử dụng máy phát SCIG hịa lƣới
- Mơ phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên PLECS.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/01/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS-TS Phan Quốc Dũng

Tp. HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO


TRƢỞNG KHOA….………
iv


LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phan Quốc Dũng, ngƣời đã hết
lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành đề tài này.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cơ trong bộ môn khoa
Điện-Điện Tử Trƣờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những
kiến thức quý báu cũng nhƣ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá
trình học tập nghiên cứu và cho đến khi tơi thực hiện đề tài này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 06 năm 2019

Học viên

v


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Các nguồn năng lƣợng tái phát triển đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới do giá
nhiên liệu hóa thạch tăng vọt. Sự phát triển các nguồn năng lƣợng tái tạo đƣợc coi là
quan trọng trong việc cải thiện an ninh năng lƣợng bằng cách giảm sự phụ thuộc
vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính trƣớc mối quan khí hậu
nóng lên tồn cầu. Các nguồn năng lƣợng tái tạo là các nguồn năng lƣợng tự nhiên
không thể cạn kiệt, ví dụ: gió, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối và thủy điện nhỏ. Trong
các nguồn năng lƣợng tái tạo này, điện gió đang phát triển rất nhanh và các tuabin
gió hiện đại hoạt động hiệu quả, đáng tin cậy và sản xuất điện với chi phí hợp lý có
nhiều tiềm năng phát triển ở Việt Nam. Sử dụng máy phát điện cảm ứng lồng sóc
(SCIG) làm phƣơng tiện để chuyển đổi năng lƣợng cơ học của tuabin gió thành
năng lƣợng điện có một loạt lợi thế, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho

hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió cỡ nhỏ và trung bình (WECS). Một SCIG có
chi phí sản xuất thấp với cấu trúc mạnh mẽ so với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh
cửu (PM). Ngồi ra, nó địi hỏi một chi phí bảo trì thấp so với một máy phát đồng
bộ rotor dây quấn (WRIG) hoặc một máy phát cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG). Nghiên
cứu để trích xuất cơng suất cực đại của năng lƣợng gió và đảm bảo các điều kiện
khắt khe của lƣới điện truyền thống là 2 yếu tố thiết yếu để dạng năng lƣợng này trở
nên càng hấp dẫn hơn và giá thành rẽ hơn cũng nhƣ thâm nhập nhiều hơn trong lƣới
điện quốc gia.
Trên cơ sở các vấn đề đặt ra, nội dung nghiên cứu đƣợc chia thành 5 chƣơng,
chƣơng 1 giới thiệu tổng quan, chƣơng 2 tìm hiểu về hệ thống chuyển đổi năng
lƣợng gió, chƣơng 3 trình bày các vấn đề nghiên cứu trong đề tài, chƣơng 4 thiết kế
hệ thống điện gió SCIG hịa lƣới trên nền PLECS, trình bày kết quả mơ phỏng và
cuối cùng chƣơng 5 trình bày kết luận và hƣớng phát triển đề tài.
vi


ABSTRACT
Renewable energy sources have attracted worldwide attention due to soaring fossil
fuel prices. The development of renewable energy sources is considered important
in improving energy security by reducing dependence on fossil fuels and reducing
greenhouse gas emissions in the face of global warming climate. Renewable energy
sources are natural sources of energy that cannot be exhausted, such as wind, solar,
geothermal, biomass and small hydroelectricity. In these renewable energy sources,
wind power is growing very fast and modern wind turbines operate efficiently,
reliably and produce electricity at a reasonable cost with great potential for
development in Vietnam. Using the Squirrel Cagee Induction Generator (SCIG) as a
means to convert the wind turbine's mechanical energy into electrical energy has a
number of advantages, making it an attractive option for the conversion system.
Small and medium wind energy (WECS). A SCIG has a low production cost with a
strong structure compared to a permanent magnet synchronous transmitter (PM). In

addition, it requires a low maintenance cost compared to a Wound Rotor Induction
Generator (WRIG) or a Doubly fed induction generator (DFIG). Research to extract
the maximum power of wind power and ensure the strict conditions of the
traditional grid are two essential factors for this form of energy to become more and
more attractive and cost-effective as well as more penetration in the national grid.
Based on the issues raised, the research content is divided into 5 chapters, chapter 1
introduces the overview, chapter 2 learns about wind energy conversion system,
chapter 3 presents research issues in the topic In chapter 4, the design of SCIG wind
power system harmonizes on PLECS platform, presents simulation results and
finally chapter 5 presents the conclusion and direction of study developing .

vii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG
MÁY PHÁT SCIG HỊA LƢỚI” là cơng trình nghiên cứu của chính bản thân tôi,
dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS Phan Quốc Dũng, các số liệu và kết quả thực
nghiệm hoàn tồn trung thực. Tơi cam đoan khơng sao chép bất kỳ cơng trình khoa
học nào của ngƣời khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.
Học viên cao học

viii


MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ vi
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... viii
MỤC LỤC


......................................................................................................... ix

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA .............................................................................. xi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...............................................................................xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xv
CHƢƠNG 1:

MỞ ĐẦU.......................................................................................... 1

1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI.............................................................................2
1.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...........3
CHƢƠNG 2:

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ ....................... 5

2.1. TỔNG QUAN................................................................................................5
2.2. HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIĨ .....................................7
2.2.1.

Tổng quan ............................................................................................7

2.2.2.

Turbine gió và năng lƣợng gió: .........................................................10

2.3. MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTOR LỒNG SÓC (SCIG) .................14
2.3.1.


Máy điện không đồng bộ: ..................................................................15

2.3.2.
Điều khiển tốc độ máy điện không đồng bộ bằng phƣơng pháp định
hƣớng từ thông (FOC) .......................................................................................31
CHƢƠNG 3:

CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI......................... 36

3.1. TỔNG QUAN..............................................................................................36
3.2. ĐIỀU KHIỂN MPPT ...................................................................................38
3.3. ĐIỀU KHIỂN HÕA LƢỚI ..........................................................................43
3.4. ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG MÁY PHÁT GIÓ SCIG [36] .......................47

ix


CHƢƠNG 4:
NỀN PLECS

MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ SCIG HÕA LƢỚI TRÊN
........................................................................................................ 50

4.1. GIỚI THIỆU PLECS [37] ...........................................................................50
4.1.1.

PLECS Standalone ............................................................................52

4.1.2.


PLECS Blockset ................................................................................53

4.2. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VỚI PLECS STANDALONE...55
4.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG
SCIG TRÊN NỀN PLECS ....................................................................................64
4.3.1.

Sơ đồ khối tổng quan .........................................................................64

4.3.2.

Xây dựng mơ hình các khối trong mơ phỏng ....................................66

4.3.3.

Giải thuật điều khiển .........................................................................74

4.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG..............................................................................79
4.4.1.

Tốc độ gió giảm 6m/s – 5m/s ............................................................80

4.4.2.

Tốc độ gió tăng 6m/s – 6.5m/s ..........................................................92

4.4.3.
nhau:

Đánh giá hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng ở các tốc độ gió khác

...........................................................................................................94

CHƢƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................... 98

5.1. KẾT LUẬN .................................................................................................98
5.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 100

x


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1.

Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió hịa lƣới .................. 2

Hình 2.1.

Cấu trúc WECS ................................................................................ 7

Hình 2.2.

Các thành phần chính của WECS .................................................... 7

Hình 2.3.

Một số turbine gió ngun thủy ..................................................... 10


Hình 2.4.

Turbine gió trục ngang ................................................................... 11

Hình 2.5.

Turbine gió trục đứng .................................................................... 12

Hình 2.6.

Minh họa năng lƣợng gió từ khối khí m ........................................ 13

Hình 2.7.

Máy phát khơng đồng bộ hạ áp hãng VEM ................................... 14

Hình 2.8.

Mơ hình động cơ KĐB ................................................................... 15

Hình 2.9.

Hệ trục tọa độ abc và hệ tọa độ αβ ................................................. 18

Hình 2.10.

Vector sức từ động khi θ = ωt =0 (trên) và 60o (dƣới)................... 19

Hình 2.11.


Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator .......... 19

Hình 2.12.

Vec-tơ dịng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq ..
........................................................................................................ 24

Hình 2.13.

FOC cơ bản .................................................................................... 31

Hình 2.14.

FOC Trực tiếp ................................................................................ 32

Hình 2.15.

FOC Gián tiếp ................................................................................ 33

Hình 3.1.

Sơ đồ khối điểu khiển MPPT TSR................................................. 39

Hình 3.2.

Sơ đồ khối điểu khiển MPPT OTC ................................................ 40

Hình 3.3.

Đồ thị Tm-ωm .................................................................................. 41


Hình 3.4.

Sơ đồ khối điểu khiển MPPT PSF ................................................. 41

Hình 3.5.

Đặt tính cơng suất và moment của turbine gió .............................. 42

Hình 3.6.

Partial – Scale BTB 2L-VSCs trong WECs ................................... 45

Hình 3.7.

Parallel BTB 2L-VSCs trong WECs............................................. 46

Hình 3.8.

Parallel BTB 2L-VSCs với tụ DC link torongWECs ................... 47

xi


Hình 3.9.

Quy trình khởi động hệ thống WECS sử dụng SCIG với tụ DC link
........................................................................................................ 49

Hình 4.1.


PLECS ............................................................................................ 51

Hình 4.2.

PLECS Standalone ......................................................................... 52

Hình 4.3.

PLECS Blockset ............................................................................. 54

Hình 4.4.

Thƣ viện trong PLECS - Library Browser ..................................... 56

Hình 4.5.

PLECS Search Bar ......................................................................... 57

Hình 4.6.

New PLECS model ........................................................................ 58

Hình 4.7.

Cửa sổ thơng số mô phỏng (a: cài đặt slover, b: lệnh khởi tạo) ........
........................................................ Error! Bookmark not defined.

Hình 4.8.


SCOPE ........................................................................................... 62

Hình 4.9.

Xuất đồ thị mơ phỏng..................... Error! Bookmark not defined.

Hình 4.10.

Cấu trúc hệ thống WECS với SCIG............................................... 64

Hình 4.11.

Điều khiển phía máy phát .............................................................. 65

Hình 4.12.

Điều khiển phía hịa lƣới ................................................................ 66

Hình 4.13.

Mơ hình cánh turbine gió ............................................................... 67

Hình 4.14.

Mơ hình cánh turbine gió ............................................................... 68

Hình 4.15.

Mơ hình máy phát SCIG ................................................................ 70


Hình 4.16.

Bộ biến đổi cơng suất phía máy phát ............................................. 71

Hình 4.17.

Chọn khóa bán dẫn cho mạch chỉnh lƣu ........................................ 72

Hình 4.18.

Mạch lọc và lƣới điện .................................................................... 73

Hình 4.19.

Sơ đồ mơ phỏng trên PLECS ......................................................... 74

Hình 4.20.

Điều khiển phía máy phát .............................................................. 75

Hình 4.21.

Điều khiển chuyển trục xác định góc pha, từ thơng ...................... 76

Hình 4.22.

Điều khiển dịng trục d ................................................................... 77

Hình 4.23.


Điều khiển dịng trục q ................................................................... 77

Hình 4.24.

Điều khiển phía lƣới điện ............................................................... 78

Hình 4.25.

Điều khiển khởi động ..................................................................... 79

Hình 4.26.

Mơ phỏng tốc độ gió giảm ............................................................. 80
xii


Hình 4.27.

Tín hiệu điều khiển khởi động ....................................................... 81

Hình 4.28.

Điện áp Vdc ................................................................................... 82

Hình 4.29.

Vdc trong giai đoạn khởi động và tốc độ gió giảm ......................... 83

Hình 4.30.


Dịng điện stator trên trục dq ......................................................... 85

Hình 4.31.

Tốc độ máy phát wr (rad/s) ............................................................ 86

Hình 4.32.

Cơng suất đầu vào và đầu ra .......................................................... 87

Hình 4.33.

Dịng điện trực dq phía lƣới điện ................................................... 88

Hình 4.34.

Dịng điện lƣới iabc_grid .................................................................... 89

Hình 4.35.

Dạng sóng dịng điện lƣới phóng to ............................................... 90

Hình 4.36.

Fourier spectrum ia_grid ................................................................... 91

Hình 4.37.

Cơng suất Pin - Pout khi gió tăng ..................................................... 92


Hình 4.38.

Dịng điện stator trên trục dq khi gió tăng ..................................... 93

Hình 4.39.

Dịng điện trực dq phía lƣới điện khi gió tăng ............................... 94

Hình 4.40.

Đáp ứng cơng suất Pin và Pout ở các tốc độ gió khảo sát ................ 96

Hình 4.41.

Dịng điện trực dq phía lƣới điện khi gió tăng ............................... 97

xiii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
SCIG

Squirrel Cagee Induction Generator

WECS

Wind Energy Conversion System.

DFIG


Doubly Fed Induction Generator

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Generator

WRIG

Wound Rotor Induction Generator

FOC
MPPT

Field Oriented Control
Maximum Power Point Tracking

THD

Total Harmonic Distortion

DSP

Digital Signal Processor

FPGA

Field-Programmable Gate Array

HAWT


Horizontal-axis wind turbine

VAWT

Vertical axis wind turbine

DFOC

Direct field Oriented Control

DTC

Direct Torque Control

DPC

Direct Power Control

SMC

Sliding Mode Control

TSR

Tip speed ratio

P&O

Perturbation and observation


xiv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Thông số máy phát SCIG 110 kW............................................................. 69
Bảng 4.2 Thơng số sơ đồ hình T của SCIG .............................................................. 69
Bảng 4.3 Thông số mach lọc ..................................................................................... 72
Bảng 4.4 Kết quả mô phỏng ở các tốc độ gió khác nhau .......................................... 95

xv


CHƢƠNG 1:

MỞ ĐẦU

1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, việc nghiên cứu và sử dụng năng lƣợng tái tạo đang là một xu thế trên
thế giới, do có thể giảm đƣợc chi phí nhiên liệu, giảm sự phụ thuộc vào nguồn
năng lƣợng hóa thạch, có khả năng sản xuất trên qui mô lớn và kết nối đƣợc với
điện lƣới. Trong các dạng nguồn năng lƣợng tái tạo, thì năng lƣợng gió có nhiều
tìm năng phát triển ở Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu và làm chủ cơng nghệ,
cũng nhƣ các phƣơng pháp điều khiển công suất để tối ƣu hóa năng lƣợng nhận
đƣợc từ gió, nâng cao chất lƣợng điện năng đầu ra để đáp ứng các điều kiện khắt
khe của lƣới điện truyền thống cũng nhƣ các phƣơng pháp khởi động và bảo vệ
turbine là những yêu cầu hết sức cần thiết để làm tăng sự thâm nhập của nguồn
năng lƣợng tái tạo này vào cơ cấu năng lƣợng điện nƣớc ta.
Trang trại gió truyền thống chỉ bao gồm máy phát cảm ứng rotor lồng sóc tốc độ
khơng đổi (SCIG) phát điện lên lƣới AC thông qua một máy biến áp cách ly. Tuy
nhiên hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng gió thấp, cũng nhƣ hộp số 3 cấp nặng nề, dễ

hƣ hõng khiến cho sơ đồ phát điện này kém hiệu quả hơn. Hơn nữa để cung cấp
dòng kích từ, SCIG cần phải đƣợc cung cấp cơng suất phản kháng từ lƣới điện,
điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng của lƣới điện. Do đó sơ đồ này dần đƣợc thay
thế bằng các sơ đồ khác (hình 1.1). Những năm gần đây, hệ thống turbine gió đã
phát triển nhanh chống trên thế giới. So với kiểu turbine có tốc độ cố định thì kiểu
turbine có tốc độ có thể thay đổi đƣợc mang nhiều thuận lợi nhƣ có thể vận hành ở
điểm công suất cực đại ở các vùng gió khơng cố định, cải thiện đƣợc hiệu suất và
năng suất máy phát. Vì thế kiểu turbine loại này đƣợc sự quan tâm càng nhiều
trong cơng nghiệp năng lƣợng gió. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi thì khơng
tuyến tính và các thơng số ln thay đổi, địi hỏi bộ điều khiển phải hoạt động hiệu
quả và tin cậy để thu đƣợc công suất tối đa và đáp ứng các yêu cầu hòa lƣới. Đối
1


với một hệ thống điện gió cỡ trung bình và nhỏ thì máy phát SCIG với một turbine
gió thay đổi đƣợc tốc độ là một sự lựa chọn hấp dẫn, bởi với chi phí sản xuất thấp,
vận hành tin cậy so với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Ngồi ra,
SCIG ít địi hỏi bảo trì hơn so với các máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG)
và máy phát cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), nên đề tài đã chọn máy phát SCIG cho
hệ thống điện gió hịa lƣới.

Hình 1.1.

Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hịa lưới

1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Hiệu suất của WECS có tầm quan trọng lớn để cung cấp năng lƣợng thu thu đƣợc
tối đa từ gió. Khả năng thay đổi tốc độ của tuabin gió cho phép vận hành với hiệu
suất khí động học tối đa và cũng cung cấp một nhiễu loạn mô-men xoắn tối thiểu
trong mạch lái. Ngồi điều khiển tỷ lệ tốc độ đầu cần có máy đo gió để đo tốc độ

gió, một số sơ đồ điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) đã đƣợc báo
cáo trong tài liệu kỹ thuật, chủ yếu dựa trên điều khiển mô-men xoắn tối ƣu [1],
điều khiển tìm kiếm [ 2], điều khiển logic mờ [3] và phƣơng pháp điều khiển mạng
thần kinh [4]. Ngoài ra, một thuật toán điều khiển theo dõi nhanh đã đƣợc trình bày
2


trong [5], sơ đồ dựa trên logic mờ thích nghi đã đƣợc đề xuất trong [6] và [7] và bộ
điều khiển MPPT với điều khiển bù thích ứng đã đƣợc đề xuất trong [8]. Cuối
cùng, một thuật toán MPPT cho WECS với bộ tạo cảm ứng đƣợc cấp nguồn gấp
đôi, tận dụng cơng suất qn tính của rơto đã đƣợc trình bày trong [9].
Ngồi kiểm sốt MPPT, hiệu quả của tồn bộ WECS có thể đƣợc cải thiện bằng
cách tăng hiệu suất của máy phát điện. Điều này có thể đạt đƣợc thông qua điều
khiển từ thông liên kết (flux-linkage) máy phát bằng cách điều chỉnh dòng điện
stato trục d. Một phƣơng pháp điều khiển logic mờ đã đƣợc trình bày trong [10] và
các kỹ thuật điều khiển tìm kiếm đã đƣợc đề xuất trong [11] và [12]. Sơ đồ điều
khiển WECS của bộ điều khiển “minimum ohmic loss controller” SCIG kết hợp
với tìm kiếm hoặc bộ điều khiển MPPT logic mờ đã đƣợc trình bày trong [13]. Các
phƣơng pháp kiểm sốt hiệu quả tối ƣu dựa trên mơ hình cho một SCIG đã đƣợc đề
xuất trong [14]; tuy nhiên, trong [14] việc đo tốc độ gió chính xác là bắt buộc. Một
thiết kế điện dung đƣợc tối ƣu hóa cho DC link của bộ chuyển đổi back-to-back để
phát điện tua bin gió đã đƣợc trình bày trong [15-19].
Từ những nghiên cứu trên, có thể kết luận rằng cần có một giải thuật điều khiển để
đạt hiệu quả cao về năng lƣợng, chất lƣợng điện năng đầu ra và về chi phí cho
WECS với SCIG có đáp ứng động nhanh và có thể dễ dàng thực hiện. Đó cũng là
mục tiêu hƣớng đến của đề tài.
1.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật và kiểm chứng
bằng mô phỏng.
Nội dung nghiên cứu:

- Nguyên cứu lý thuyết: Năng lƣợng gió, điều khiển MPPT trong hệ thống điện
gió, hịa lƣới và khởi động máy phát gió.
3


- Mơ phỏng: tìm hiểu phần mềm PLECS với khả năng mô phỏng nhanh các hệ
thống điện tử công suất để kiểm chứng hiệu quả của giải thuật điều khiển.

4


CHƢƠNG 2:

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG
LƢỢNG GIÓ

2.1. TỔNG QUAN
Nhu cầu sử dụng năng lƣợng điện trên thế giới ngày càng tăng, trong khi các nguồn
năng lƣợng truyền thống đang cạn kiệt nhanh chóng với mức chi phí tăng và gây ô
nhiễm môi trƣờng. Để đáp ứng những thách thức này, sự chú ý đã tập trung vào các
nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ gió, mặt trời, pin nhiên liệu, v.v. Năng lƣợng gió là
một nguồn năng lƣợng xanh tái tạo quan trọng, có mặt khắp nơi, thân thiện với mơi
trƣờng và có sẵn miễn phí. Hơn nữa, năng lƣợng gió đƣợc đặc trƣng bởi độ tin cậy
cao và hiệu suất cao. Nhờ tất cả các tính năng này, cơng suất phát điện gió đã tăng
nhanh, với mức tăng trƣởng trung bình hàng năm khoảng 30%, trên thế giới, trong
thập kỷ qua.
Năng lƣợng điện đƣợc tạo ra từ gió bằng cách sử dụng tuabin gió và máy phát điện.
Hệ thống có thể đƣợc sử dụng cho tải độc lập hoặc đƣa vào mạng điện thông qua
bộ chuyển đổi công suất phù hợp. Tuabin gió hoạt động ở tốc độ cố định hoặc thay
đổi. Một máy phát điện với tuabin gió có tốc độ cố định thƣờng sử dụng một máy

phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) để chuyển đổi năng lƣợng cơ học từ tuabin gió
thành năng lƣợng điện (Hình 2.1a). Máy phát đƣợc kết nối trực tiếp với mạng điện.
Hệ thống hoạt động gần nhƣ ở tốc độ không đổi ngay cả khi tốc độ gió thay đổi.
Cấu trúc liên kết này là đơn giản, ít tốn kém và hiệu quả. Nhƣng, nó thu đƣợc mức
năng lƣợng thấp, tổn hao cơ học và chất lƣợng năng lƣợng điện năng đầu ra khơng
tốt.
Máy phát điện tua bin gió tốc độ thay đổi (hình 2.1b) có hiệu suất chuyển đổi năng
lƣợng cao từ gió qua một phạm vi tốc độ gió rộng hơn, cùng với chất lƣợng điện
năng tốt hơn. Ngoài ra sơ đồ này có khả năng điều chỉnh hệ số công suất, bằng
cách tiêu thụ hoặc sản xuất công suất phản kháng, và đảm bảo ứng suất cơ học thấp
5


hơn. Bộ chuyển đổi điện tử công suất đƣợc kết hợp giữa máy điện và hệ thống điện
nhƣ trong hình…. Hầu hết các nhà sản xuất tuabin gió lớn đang phát triển các
tuabin gió quy mơ megawatt mới dựa trên hoạt động tốc độ thay đổi với điều khiển
pitch control.

a. Tốc độ cố định của SCIG WECS

b. Tốc độ thay đổi của WECS với SCIG/SG
6


Hình 2.1.

Cấu trúc WECS

2.2. HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIĨ
2.2.1. Tổng quan

Cấu hình cơ bản của một WECS đƣợc kết nối lƣới đƣợc mơ tả trong hình 2.2.
WECS bao gồm một số thành phần cơ khí chuyển đổi động năng gió thành năng
lƣợng điện một cách có kiểm sốt, đáng tin cậy và hiệu quả. Các thành phần chính
của WECS có thể đƣợc phân loại thành các hệ thống cơ, điện và điều khiển. Các
thành phần cơ khí bao gồm tháp, xà cừ, cánh quạt, trung tâm cánh quạt, hộp số, ổ
đĩa, ổ ngáp, cảm biến tốc độ gió, tàu lái và phanh cơ [20]. Các thành phần điện bao
gồm máy phát điện, bộ chuyển đổi cơng suất có thể cùng với các bộ lọc phía máy
phát và lƣới điện, máy biến áp tăng áp và lƣới ba pha hoặc tải tiêu thụ. Các thành
phần liên quan đến điều khiển đƣợc sử dụng với cả hệ thống chuyển đổi năng
lƣợng cơ và điện. Các bộ phận dễ thấy nhất trong các tuabin gió lớn là tháp, vỏ bọc
và cánh quạt, và các bộ phận còn lại đƣợc đặt bên trong tuabin gió.

Hình 2.2.

Các thành phần chính của WECS

Mechanical Components: Động năng của gió trƣớc tiên đƣợc chuyển đổi thành
năng lƣợng cơ học với sự trợ giúp của các cánh quạt tuabin. Đối với các tuabin gió
7


công suất lớn, thiết kế ba cánh là hiệu quả và phổ biến nhất [21]. Hiệu suất chuyển
đổi năng lƣợng động học sang cơ học phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ hình dạng
của cánh quạt, góc của cánh quạt, tốc độ gió, mật độ khơng khí, v.v. Tốc độ và
hƣớng gió đƣợc đo với sự trợ giúp của các cảm biến, và một ổ ngáp đƣợc sử dụng
để di chuyển các cánh quạt cùng với vỏ bọc hƣớng về phía gió để lấy năng lƣợng
tối đa có thể. Khi tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, góc của các cánh quạt đƣợc
thay đổi sao cho công suất điện bị giới hạn ở giá trị định mức. Tua bin gió cỡ MW
thƣờng chạy ở tốc độ rất thấp (thƣờng là 6-20 vịng/phút) và mơ-men xoắn cao.
Electrical Components: Một máy phát điện đƣợc sử dụng để chuyển đổi năng

lƣợng cơ học quay thành năng lƣợng điện. Trong 30 năm qua, nhiều máy phát điện
nhƣ máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG), máy phát điện cảm ứng rotor dây
quấn (WRIG), máy phát điện cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), máy phát đồng bộ nam
châm vĩnh cửu (PMSG) và máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) đã đƣợc
phát triển cho tuabin gió [22]. Thế hệ đầu tiên của tuabin gió đƣợc dựa trên máy
phát SCIG, nhƣng các tuabin thế hệ hiện tại kết hợp cả máy phát điện cảm ứng và
đồng bộ. Các máy phát cảm ứng (IG) thƣờng hoạt động ở tốc độ quay cao, trong
khi các máy phát đồng bộ (SG) có thể hoạt động ở tốc độ thấp, trung bình hoặc cao
[23]. Để đạt đƣợc tốc độ hoạt động thấp hơn, máy phát điện cần đƣợc trang bị một
số lƣợng cực lớn, đây là một giải pháp khả thi với máy SG. Khi cung cấp số lƣợng
cực lớn, bán kính stato trở nên lớn hơn 6 lần và nặng hơn 4,5 lần so với các máy
phát điện cảm ứng dựa trên hộp số ba cấp [24]. Điện áp đầu ra của máy phát và tần
số thay đổi theo tốc độ gió. Máy phát có thể đƣợc ghép trực tiếp vào lƣới hoặc nó
có thể đƣợc giao tiếp thông qua bộ chuyển đổi điện tử công suất. Bằng cách sắp
xếp các thiết bị chuyển đổi năng lƣợng theo các cách khác nhau, có thể với các
phần tử liên kết dc nhƣ tụ điện hoặc cuộn cảm, nhiều cấu trúc liên kết chuyển đổi
nguồn có thể đƣợc lấy. Các bộ chuyển đổi điện tử cơng suất này có thể đƣợc kết
hợp với các máy phát điện để tạo thành một loạt các cấu hình WECS. Một lần nữa
bằng cách kết nối các tuabin gió theo cách khác nhau, có thể thu đƣợc các cấu hình
8


trang trại gió khác nhau. Các sóng hài là khơng thể tránh khỏi khi sử dụng các bộ
biến đổi công suất và để giải quyết vấn đề này, các bộ lọc sóng hài đƣợc sử dụng
trong các bộ biến đổi phía máy phát và lƣới điện. Bộ lọc sóng hài ở phía máy phát
điện giúp giảm méo sóng hài của dòng điện và điện áp. Điều này dẫn đến việc
giảm tổn thất sóng hài phát sinh trong lõi của máy phát điện và cuộn dây. Bộ lọc
sóng hài trong bộ chuyển đổi phía lƣới giúp đáp ứng các yêu cầu sóng hài nghiêm
ngặt đƣợc chỉ định bởi các Grid Code. Đầu ra của bộ lọc sóng hài phía lƣới đƣợc
kết nối với lƣới ba pha (hoặc tải) thông qua một máy biến áp tăng áp, thiết bị

chuyển mạch điện và CB. Bằng cách vận hành bộ chuyển đổi điện tử cơng suất ở
mức điện áp điểm tải, có thể khơng sử dụng máy biến áp.
Control System: Hệ thống tuabin gió cũng bao gồm một số hệ thống điều khiển
Slave cho các bộ phận cơ/điện và hệ thống điều khiển Master để đạt đƣợc hiệu suất
động và ổn định mong muốn cho WECS. Bộ điều khiển thƣờng theo dõi các biến
khác nhau nhƣ tốc độ gió, hƣớng gió, điện áp/dịng máy phát, điện áp liên kết bộ
lọc/dc nếu có, điện áp và dòng điện lƣới, và điều chỉnh trạng thái vận hành của hệ
thống hoặc các biến ở giá trị tham chiếu hoặc trong bộ ranh giới [25]. Ví dụ, khi
tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, hệ thống điều khiển Master sẽ khởi động hệ
thống điều khiển thụ động, chủ động hoặc Pitch control để đáp ứng và thay đổi góc
của các cánh quạt sao cho cơng suất đầu ra của tuabin không bao giờ vƣợt quá giá
trị định mức [26]. Các hệ thống điều khiển có các chức năng hạn chế trong các thế
hệ tuabin gió đầu tiên, và bây giờ chúng thực hiện một số lƣợng lớn các chức năng
liên quan đến hoạt động của tuabin, máy phát và bộ chuyển đổi cơng suất, hịa lƣới,
tiêu chuẩn bảo vệ và vận hành trang trại gió, v.v. Các hệ thống điều khiển thƣờng
đƣợc triển khai bằng máy tính, vi điều khiển, bộ xử lý tín hiệu số (DSP) hoặc
FPGA. Với các nền tảng điều khiển hiện đại, các lệnh điều khiển có thể đƣợc thực
hiện rất nhanh (trong vòng chƣa đến 100 micro giây) và lặp đi lặp lại.

9


2.2.2. Turbine gió và năng lượng gió:
Năng lƣợng gió là một trong những nguồn năng lƣợng tái tạo dồi dào nhất trên trái
đất, con ngƣời đã sử dụng năng lƣợng gió trong cơng việc hàng ngày từ rất lâu đời
trong lịch sử, ví dụ nhƣ gió dùng để tạo lực xay ngũ cốc và đó là lý do tại sao
chúng ta vẫn nói về "cối xay gió", mặc dù hiện nay chúng hầu nhƣ không đƣợc sử
dụng để nghiền hạt nữa. Hình 2.3 hiển thị một số cối xay gió nguyên thủy đƣợc sử
dụng bởi các nền văn minh sơ khai của lồi ngƣời.


Hình 2.3.

Một số turbine gió ngun thủy

Có thể thấy rằng hầu hết các cối xay gió lâu đời nhất thế giới đều có trục quay
thẳng đứng. Thiết kế ban đầu (Hình 2.3 (a) - (c)) rất đơn giản, họ dùng thảm bện
hoặc cánh buồm đƣợc để tạo ra lực cản và do đó để xoay các cối xay gió về trục
trung tâm. Cối xay gió trục dọc có một lợi thế đó là chúng độc lập với hƣớng gió.
Phiên bản mới hơn của các nhà máy trục dọc đƣợc phát triển ở Pháp và Ý, tƣơng
ứng hình d và e. Trong hình 2.3 (d), cối xay đƣợc gắn trực tiếp vào trục truyền
động thẳng đứng mà không có bất kỳ bánh răng trung gian hoặc cơ chế nào khác để
10