Mẫu: BÌA LUẬN VĂN CÓ IN CHỮ NHŨ (Khổ 210 x 297 mm)

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

D Ư Ơ N G V Ă N K H U Ô N

DƯƠNG VĂN KHUÔN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

L U Ậ N V Ă N T H Ạ C S Ĩ 2 0 1 2

Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014

M(cid:31)u nhãn đĩa CD-ROM:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

DƯƠNG VĂN KHUÔN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

DƯƠNG VĂN KHUÔN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Hùng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM

ngày 18 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS. TS. Trần Thu Hà

Chủ tịch

2

TS. Nguyễn Thanh Phương

Phản biện 1

3

TS. Nguyễn Minh Tâm

Phản biện 2

4

TS. Đinh Hoàng Bách

Ủy viên

5

TS. Võ Hoàng Duy

Ủy viên, Thư ký

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

TP. HCM, ngày … tháng … năm 20…

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: Dương Văn Khuôn

Giới tính: Nam

Nơi sinh: Kiên Giang

Sinh ngày: 19/05/1982

MSHV: 1241830014

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

I. TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT

ĐIỆN TUABIN GIÓ.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng bộ điều khiển hệ thống kích từ nhằm mục đích xác định mô

hình toán học và chỉ định một chiến lược điều khiển dựa trên mô hình này sao cho

tần số và đáp ứng ngõ ra của hệ thống điều khiển là tốt nhất.

- Mô phỏng trên Matlab-Simulink để kiểm nghiệm sự đúng đắn của thuật

toán nêu ra.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/01/2014

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Hùng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

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

công trình nào khác, theo tôi được biết.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện

Dương Văn Khuôn

ii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, xin chân thành cám ơn thầy TS. NGUYỄN HÙNG, người đã

tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.

Xin cám ơn các Thầy Cô đã cho em nền tản kiến thức – tri thức quí báu.

Xin cám ơn anh Lê Hoàng Hải nhà máy điện gió Bạc Liêu đã cung cấp tài

liệu điện gió rất hữu ích để em tham khảo các thông số kỹ thuật.

Xin cám ơn trường Đại Học Công Nghệ Tp. HCM, Khoa Cơ – Điện – Điện

Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, Tập thể lớp 12SMĐ11, đã

tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này.

Xin cám ơn cơ quan và các đồng nghiệp đã giúp đỡ cho em năng cao trình độ

chuyên môn.

Cuối cùng, Xin cám ơn Ba Mẹ, Người đã nuôi con khôn lớn, cho con đủ nghị

lực và trí khôn.

Học viên thực hiện

Dương Văn Khuôn

iii

TÓM TẮT

Nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió, đang và

đã là vấn đề nóng trong nghiên cứu nhà máy điện gió. Các công trình nghiên cứu

trong và ngòai nước đã thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên, khi nguồn gió không ổn định

để tuabin gió phát ra công suất ổn định là bài toán khó trong thiết kế hệ thống kích

từ cho máy phát điện tuabin gió. Xây dựng thuật toán và mô phỏng mạch kích từ ở

chế độ xác lập là trọng tâm của luận văn này. Trên nền cơ sở lý thuyết, thiết kế điều

khiển bộ kích từ. Từ kết qủa mô phỏng, sẽ có cái nhìn tổng thể về mô hình thiết kế

kích từ cho turbbine gió.

Nội dung Luận văn thực hiện gồm 5 chương, được tóm tắt như sau:

Nội dung chương 0, 1 giới thiệu về công nghệ sản xuất điện gió và các loại máy

phát điện trong hệ thống năng lượng gió.

Nội dung chương 2 xây dựng mô hình toán học cho máy phát điện cảm ứng

rotor dây quấn trong hệ thống năng lượng gió.

Nội dung chương 3 là ứng dụng matlab/simulink mô phỏng cho máy phát

điện cảm ứng rotor dây quấn.

Cuối cùng chương 4 kết luận và hướng phát triển đề tài.

iv

ABSTRACT

Researching and designing for excitation system of wind turbine

genenrator, that still is hot for studing of Wind plant.This project are studuing very

much in the world. However, when wind source are unstable in order to wind

turbine emit stable power, that is going difficult problems for design a excitation

system of wind turbine genenrator. The proposed algorithm and sumulink for

exciter at steady state, this is focal point of this thesis. Based on theoretics and

designs of exciter control. From result of sumulink will have a overview of the

model of the proposed and designed a excitation system of genenrator.

This thesis content include 5 chapter, as follows:

Chapter 0, 1: Introduce to wind power energy product technology and wind

generator styles of wind energy systems

Chapter 2: Building mathematical models for coil-rotor inductive

genenrator of wind energy systems.

Chapter 3: Apply Matlab/Sumulink for coil-rotor inductive genenrator.

Chapter 4: Conclusion and expansion of thesis.

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii

TÓM TẮT ............................................................................................................... iii

MỤC LỤC ............................................................................................................... v

DANH SÁCH KÝ HIỆU – VIẾT TẮT ................................................................. xii

DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... ix

CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1

0.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 2

0.2 Giới thiệu đề tài .................................................................................................. 3

0.3 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 4

0.3.1 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................... 4

0.3.2 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ

CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 5

1.1. Tổng quát .......................................................................................................... 6

1.1.1. Gió .................................................................................................................. 6

1.1.2. Tốc độ và hướng gió ...................................................................................... 7

1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió .................................................. 9

1.1.4. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số ......... 12

1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió .................................... 12

1.2.1. Máy phát điện đồng bộ ................................................................................... 12

1.2.2. Máy phát điện cảm ứng .................................................................................. 13

1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc .......................................................... 15

1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn ......................................................... 16

1.2.5. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ......................................... 16

1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió ................................................... 17

1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định ............................................................... 18

vi

1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất .................. 19

1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất .......................... 20

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM

ỨNG ROTOR DÂY QUẤN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ ...... 21

2.1. Mô hình toán của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn ................................ 22

2.1.1. Các phương trình cơ bản ................................................................................ 22

2.1.2. Bộ biến đổi ..................................................................................................... 26

2.2. Tính toán và lựa chọn các thông số ................................................................... 28

2.2.1. Tính toán mạch kích từ ở chế độ xác lập ....................................................... 28

2.2.3. Phương pháp điều khiển cho mô hình ................................................................. 34

2.2.2. Tính toán thông số bộ biến tần ....................................................................... 32

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG CHO MÁY

PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTO DÂY QUẤN .................................................... 37

3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink ........................................................ 38

3.2. Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt

động ở chế độ xác lập ............................................................................................... 40

3.2.1.Thông số .......................................................................................................... 40

3.2.2. Sơ đồ mô phỏng ............................................................................................. 40

3.2.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió .................................................. 41

3.2.4. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 43

3.2.4.1. Trường hợp ở tốc gió 5m/s .......................................................................... 43

3.2.4.2. Trường hợp ở tốc gió 6m/s .......................................................................... 46

3.2.4.3. Trường hợp ở tốc gió 7m/s .......................................................................... 49

3.2.4.4. Trường hợp ở tốc gió 8m/s .......................................................................... 52

3.3. Thống kê kết quả ............................................................................................... 54

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................... 55

4.1. Kết luận ............................................................................................................. 56

4.2. Hướng phát triển đề tài ...................................................................................... 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 57

vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Nhà máy thủy điện NTĐ

Nhà máy nhiệt điện MTĐ

Nhà máy điện nguyên tử NNT

Nhà máy điện gió NĐG

Tự động điều chỉnh kích từ TĐK

BCN Biến đổi chức năng

ĐKTĐ Điều kiện ổn định cần thiết của hệ thống

Tip – speed – ratio TSR

Máy phát MF

Kích từ KT

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió ................................................... 9

Bảng 2.1: Bảng kết quả các hệ số ............................................................................ 31

Bảng 3.1: Thống kê kết quả mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor

dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập ....................................................................... 54

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo ..................................................................... 6

Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét ............................ 8

Hình 1.3: Tuabin đón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor) .................. 10

Hình 1.4: Kích thước và công suất những loại tuabin điện gió đã được sản xuất hàng

loạt tính đến năm 2012 ............................................................................................. 10

Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi trụ

6 –7,5MW ................................................................................................................ 11

Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ ........................................................................ 11

Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số ................................... 12

Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ .................. 13

Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ ................................................................... 14

Hình 1.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện .......... 15

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc ................... 15

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG ..................................................... 16

Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo ................... 17

Hình 1.14: Turbine gió cố định ................................................................................ 19

Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi ..................................................... 20

Hình 1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi bằng điện tử công

suất ........................................................................................................................... 20

Hình 2.1: Mô hình chuyển đổi hệ tọa độ dq → αβ .................................................. 28

Hình 2.2: Mô hình điều khiển PID ........................................................................... 36

Hình 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển PI ứng dụng vào máy điện động cảm ứng rotor dây

quấn .......................................................................................................................... 36

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng hệ thống tuabin gió hoạt động ở chế độ xác lập ...... 40

Hình 3.2: Sơ đồ khối tuabin gió ............................................................................... 41

Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phát ................................................................................ 41

Hình 3.4: Sơ đồ khối chỉnh lưu ................................................................................ 42

Hình 3.5: Sơ đồ khối nghịch lưu .............................................................................. 42

x

Hình 3.6: Sơ đồ khối hồi tiếp điều khiển từ thông .................................................. 43

Hình 3.7: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 5m/s ................................. 43

Hình 3.8: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 5m/s ...................................................... 44

Hình 3.9: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 5m/s ............... 44

Hình 3.10: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 5m/s ........................ 45

Hình 3.11: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 5m/s ................................................... 45

Hình 3.12: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 6m/s ............................... 46

Hình 3.13: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 6m/s .................................................... 47

Hình 3.14: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 6m/s ............. 47

Hình 3.15: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 6m/s ........................ 48

Hình 3.16: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 6m/s ................................................... 48

Hình 3.17: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 7m/s ............................... 49

Hình 3.18: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 7m/s .................................................... 50

Hình 3.19: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 7m/s ............. 50

Hình 3.20: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 7m/s ........................ 51

Hình 3.21: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 7m/s ................................................... 51

Hình 3.22: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 8m/s ............................... 52

Hình 3.23: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 8m/s .................................................... 52

Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 8m/s .............. 53

Hình 3.25: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 8m/s ........................ 53

Hình 3.26: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 8m/s ................................................... 54

1

CHƯƠNG 0

MỞ ĐẦU

01. Đặt Vấn Đề

02. Giới Thiệu Đề Tài

03. Phạm Vi Nghiên Cứu

0.3.1 Đối Tượng Nghiên Cứu

0.3.2. Phạm Vi Nghiên Cứu

2

0.1 Đặt vấn đề

Trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về

Phong điện, năng lượng gió được xem như là nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn. Ưu

điểm của năng lượng gió là dễ khai thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và chi

phí vận hành tương đối thấp. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn

năng lượng này trong tương lai, công nghệ phải ngày càng hoàn thiện, năng suất

chuyển đổi gió thành điện ngày càng cao.

Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để tuabin vận hành tối ưu với vận

tốc gió nhất định thì hệ thống turbin và máy phát điện phải có chức năng tự điều

chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Tuy nhiên đối với hệ thống máy

phát điện công suất lớn thì việc điều chỉnh này rất khó khăn. Vì vậy đối với hệ

thống máy phát điện gió công suất lớn, người ta thường thay đổi từ thông trong hệ

thống kích từ của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn.

Chính vì lẽ đó, ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứu điều khiển máy

phát điện cảm ứng và DFIG, và gần đây nhất là luận văn Thạc Sĩ Võ Xuân Hải

(2009); Phạm Trung Hiếu (2011); Tôn Long Đại (2011); Nguyễn Anh Hùng (2012)

v.v…

- Nghiên cứu điều khiển máy phát điện cảm ứng và DFIG đã được các nhà

khoa học như Jeong –Ik Jang (2006); Lie Xu (2007); Jiabing Hu (2007) Muarli

M.Baggu (2007); Lingling Fan (2009); Yi Zhou, Paul Bauer (2009); Sol-Bin Lee

(2010) và Van-Tung Phan (2010).

Nhưng đa phần xây dựng mô hình điều khiển điện áp của máy phát để điều

chỉnh kích từ nên dẫn đến tần số và công suất của máy phát chưa được tối ưu. Chưa

có kết hợp các phương pháp chung lại với nhau.

Ngày này có nhiều phương pháp điều chỉnh kích từ của máy phát điện trong

hệ thống máy phát điện gió. Nhưng có thể tóm tắt sử dụng 4 giá trị hồi tiếp cơ bản

về để so sánh giá trị chuẩn do chúng ta đặt để điều khiển từ thông trong máy phát

điện như sau:

- Tốc độ gió, tốc độ tuabin, tốc độ máy phát.

3

- Momen tuabin, momen máy phát.

- Công suất tuabin, công suất máy phát.

- Điện áp máy phát, điện áp kết nối lưới.

Nếu sử dụng riêng lẻ từng trường hợp thì khó điều chỉnh kích từ. Dẫn đến

khó điều chỉnh tần số, điện áp và công suất ra của máy phát.

Do đó, nguyên tắc muốn ổn định giá trị nào thì chúng lấy giá trị đó hồi tiếp

về để điều khiển, ví dụ chúng ta muốn ổn định điện áp và công suất phát ra thì ta đặt

cảm biến tốc độ và đo công suất ngõ ra của máy phát, khi qua bộ biến đổi để có

dòng điện so sánh với dòng điện chuẩn điều khiển từ thông máy phát.

Tuy nhiên vấn đề quan trọng trong hệ thống máy phát điện gió là việc kết nối

lưới, vì vậy ổn định tần số và điện áp ra của máy phát là quan trọng nhất. Chính vì

thế đề tài “nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió” sẽ đi

sâu vào việc điều khiển từ thông của máy phát để ổn định điện áp và tần số ngõ ra

của máy phát điện gió.

0.2 Giới thiệu đề tài

Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta. Ở bất kỳ quốc

gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn luôn được coi là

nghành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế.

Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng một cách

đặc biệt. Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành công

nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân.

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng

được nâng cao nên cần phải phát triển xây dựng các nhà máy phát điện tận dụng các

nguồn tài nguyên vốn có như năng lượng mặt trời, năng lượng gió..... Trong đó, vấn

đề đáng quan tâm là hiệu suất và chất lượng điện năng.

Máy phát điện rotor dây quấn đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống

điện, nơi mà tính ổn định luôn được đòi hỏi cao. Trong đó, vấn đề đáng quan tâm là

hiệu suất và chất lượng điện năng. Bộ điều khiển ổn định điện áp máy phát quan

trọng nhất là bộ điều khiển kích từ đi vào máy phát . Vì thế, đề tài của em “nghiên

4

cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió’’ sẽ đi sâu vào tính toán,

thiết kế bộ kích từ cho nhà máy phát điện gió.

0.3 Phạm vi nghiên cứu

0.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều

khiển máy phát điện rotor dây quấn được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi

năng lượng gió WECS (Wind Energy - Conversion System).

0.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào các giải thuật điều khiển máy phát điện cảm ứng

rotor dây quấn. Và ba giải thuật được trình bày trong luận văn này là:

- Điều khiển tốc độ của tuabin gió.

- Điều khiển định hướng từ thông stator (Stator Flux Orient Control – SFOC)

với khâu điều chỉnh PI-anti_Winup.

- Điều khiển tần số và điện áp ngõ ra của máy phát ổn định.

5

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ

CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG

LƯỢNG GIÓ

1.1. Tổng quát

1.1.1. Gió

1.1.2. Tốc độ và hướng gió

1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió

1.1.4. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió

1.2.1. Máy phát điện đồng bộ

1.2.2. Máy phát điện cảm ứng

1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

2.2.5. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất

1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất

6

1.1. Tổng quát [1]

Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo

1.1.1. Gió

Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ

trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong

quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.

Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động. Sự chuyển

động của không khí được gọi là gió.

Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận

được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn,

thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như

nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau.

7

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo

những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí

quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp.

1.1.2. Tốc độ và hướng gió

Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên

giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ.

• 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s

• 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph

• 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph

• 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s

Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió được

biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm

mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ.

Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng

tây ứng với góc 2700.

Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort.

(Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiên được đưa

ra để đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông

hồ, biển…

8

Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét

Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ

công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010.

Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam. Bản đồ phân bố tốc độ gió

được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’. Kết quả mô phỏng được trình

bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km.

Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió. Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC

(International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của

tuabincho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và

sự xáo động gió trong năm.

9

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió

Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió

Tiêu chuẩn IV III II I

(vùng có (vùng có (vùng có (vùng có tuabintheo loại

gió yếu) gió trung bình) gió khá mạnh) gió mạnh) (IEC)

Tốc độ gió tiêu biểu 50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s 30 m/s

của 50 năm v REF

10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s 6 m/s Tốc độgió trung

bình trong năm v

TB

70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s Tốc độgió cao nhất

trong 50 năm 1.4v

REF

52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s 31,5 m/s Tốc độgió cao nhất

trong 1 năm

1.05vREF

1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió

Công nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus và loại

trụng ngang. Tuabin điện gió trục đứng có hệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình

giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại tuabin điện gió này thường được

sản xuất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW. Trước kia một số

tuabin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind

rotor), phương pháp này có nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió

thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt. Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió được

thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi. Phần

lớn những tuabin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up

wind rotor).

10

Hình 1.3: Tuabinđón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor)

Cho đến nay, phần lớn những tuabin lắp đặt trên thế giới sử dụng hộp số để

chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truyền đến máy phát điện.

Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu

được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử

dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực

tiếp với hệ thống rotor.

Công nghệ này trong những năm 90 không phát triển vì giá thành vật liệu nam

châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao. Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm

tăng nên công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh.

Hình 1.4: Kích thước và công suất những lọai tuabin điện gió đã được sản xuất

hàng loạt tính đến năm 2012

11

Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tuabin, được gọi là “Khái Niệm

Đan Mạch”. Trong công nghệ này tuabin hoạt động với một tốc độ nhất định để giữ

tần số điện phù hợp với lưới điện.

Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức,

công suất mỗi trụ 6 –7,5MW

Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ

12

1.1.4. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió [2][9]

1.2.1. Máy phát điện đồng bộ

Như chúng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định

theo số cực từ và tần số của lưới điện. Vì vậy, các cánh quạt tuabin và máy phát

phải được nối với nhau thông qua hộp truyền động cơ khí để có thể quay với tốc độ

đồng bộ.

13

Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ có ưu điểm: khi kết nối

với lưới điện, hệ thống này không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng. Vì vậy

chất lượng điện năng phát ra tốt hơn.

Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho

mạch kích từ. Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh ra hai vấn đề bất lợi cho

hệ thống:

- Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới

điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích từ.

- Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một

chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp.

- Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho

hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió.

Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ

1.2.2. Máy phát điện cảm ứng

Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát

cảm ứng. Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm

máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén. Máy

14

điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện. Trong các hệ thống kết hợp

nhiều dạng năng lượng khác nhau, công suất phản kháng được cung cấp từ các máy

phát đồng bộ hay máy phát Diesel. Trong hệ thống năng lượng gió, tụ điện cố định

được dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng.

Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ

Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ

cố định, vì vậy chúng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ. Máy phát

cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục

máy phát hay nhận năng lượng.

Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và

như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức. Khi làm việc như một động cơ,

rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường, và động cơ cảm ứng sẽ

nhận năng lượng để làm quay trục rotor.

Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của chúng được

nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn

tốc độ đồng bộ bằng động cơ sơ cấp. Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm.

Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ

thống năng lượng gió với stator được nối với lưới điện và rotor được quay bởi

tuabin gió.

15

Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu

cầu bảo dưỡng thường xuyên.

Hình 1.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện.

Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Máy

phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện

cảm ứng rotor lồng sóc. Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay

đổi điện trở rotor.

1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

Máy điện cảm ứng rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator –

SCIG) là một máy điện rất phổ biến do có cấu trúc đơn giản. Dây quấn stator được

nối với phụ tải hay nguồn kích từ. Rotor lồng sóc được cách điện và có điện trở lớn

nhằm tránh cho rotor bị rung động. Đối với tình trạng lưới điện không ổn định, có

thể gây ra các sự cố quá nhiệt, moment dao động trên máy phát.

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

16

1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Đối với máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, các bộ dây quấn rotor có thể

được nối với vành trượt và chổi theo phương pháp cổ điển, hoặc thông qua bộ biến

đổi công suất. Hệ thống năng lượng gió trang bị máy phát điện cảm ứng rotor dây

quấn cùng với các bộ biến đổi công suất, việc điều khiển ngõ ra dễ hơn hệ thống

dùng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc. Công suất phần ứng trên stator được điều

khiển bởi lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi công suất. Tuy nhiên, chi phí

máy phát cảm ứng rotor dây quấn cao hơn máy phát rotor lồng sóc.

1.2.5. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

Đối với hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một

khoảng giá trị giới hạn (± 30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không

đồng bộ nguồn kép được xem là giải pháp tốt nhất hiện nay. Bộ biến đổi điện tử

công suất chỉ điều chỉnh 20 ÷ 30% tổng công suất, do đó tổn hao và chi phí của các

bộ biến đổi công suất có thể giảm. Cấu trúc máy phát điện DFIG tương tự máy phát

điện cảm ứng dây quấn. Mạch stator của máy phát DFIG được nối trực tiếp với lưới

trong khi mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trượt

như hình:

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG

Máy phát điện gió nguồn kép DFIG là máy phát điện mà cực stator và rotor

có thể phát công suất. Khi máy điện làm việc như máy phát, hướng công suất trong

17

máy thể hiện như hình bên dưới, ở đó công suất vào là công suất cơ nhận từ turbin

gió.

Công suất truyền đến lưới là tổng công suất stator Ps và rotor Pr .

Ps Ps

a)w < wo b)w > wo

Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo

Máy phát có thể vận hành dưới tốc độ đồng bộ: Pr < 0, Ps> 0 hoặc vận hành

trên tốc độ đồng bộ: Pr > 0, Ps> 0.

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG bao gồm các mục tiêu:

- Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát điện và lưới điện.

- Điều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công

suất thực nhận được từ gió.

1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió [5], [10], [11]

Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi

thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với tuabin gió tốc độ

cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc

được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó

không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với

hệ thống turbine gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao

động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với

18

turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử

công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể

được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công

suất gây nên bởi hệ thống làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện.

Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi

thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ

gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao

động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được

hạn chế.

Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi turbine gió có thể được

cải thiện hơn so với turbine gió tốc độ cố định. Vì tốc độ quay của tuabin gió khá

thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo

hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát. Số cặp cực từ

thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ

quay của turbine theo vận tốc máy phát.

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây

được đề cập:

- Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ.

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc

hoặc máy phát đồng bộ.

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai

phía.

1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc

được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi

lưới điện như hình 1.14.

19

Hình 1.14: turbine gió cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai

tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định

mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây

với định mức và số cặp cực khác nhau. Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công

suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát

không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ

trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này

có 3 nhược điểm chính:

- Không thể điều khiển công suất tối ưu.

- Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi

tốc độ thay đổi đột ngột.

- Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control).

1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa

stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc

máy phát đồng bộ (SG). Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận

20

được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng

như chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên.

Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi

1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất

Hệ thống bao gồm turbine gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía

DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn được

nối thông qua một bộ biến đổi công suất back to back như hình 1.14. Ngày nay, cấu

hình này trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn

bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể

so với cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết

bị biến đổi công suất cũng thấp hơn.

Hình1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi điện tử công suất

21

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG

ROTOR DÂY QUẤN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1. Mô hình toán của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

2.1.1. Các phương trình cơ bản

2.1.2. Bộ biến đổi

2.2. Tính toán và lựa chọn các thông số

2.2.1. Tính toán mạch kích từ ở chế độ xác lập

2.2.1.1. Xác định momen của tuabin

2.2.1.2. Xác định điện áp ra của máy phát

2.2.2. Tính toán thông số bộ biến tần

22

2.1. Mô hình toán của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

2.1.1. Các phương trình cơ bản [12], [13], [14]

v

)

- Phương trình quan hệ giữa điện áp và từ thông trên hệ tọa (d-q):

dr

iR . r

dr

(  qr

r

d  dr dt

d  qs

)

v

qr

. iR r

qr

(  dr

r

dt

v

(2.1)

ds

. iR s

ds

 qs

d  ds dt

d  qs

v

qs

. iR s

qs

 ds

dt

(2.2)

- Phương trình quan hệ giữa điện áp stator và từ thông trên hệ trục tọa

)( t

)( t

abc:

)( tU sa

. iR s

sa

d  sa dt

)( t

)( t

(2.3)

)( tU sb

. iR s

sb

d  sb dt

)( t

)( t

(2.4)

)( tU sc

. iR s

sc

d  sc dt

(2.5)

,

,

Với:

 

 

  U t U t U t sb

sa

sc

,

,

: điện áp trên 3 dây pha stator

  t

  t

  t

i sa

i sb

i sc

,

,

   : từ thông móc vòng của 3 cuộn dây stator

  t

  t

  t

sb

sc

sa

: dòng điện trên dây 3 pha stator

sR

: điện trở dây quấn stator

23

0

0

j

120

j

120

)(

[ )( etUtU 

Nếu dùng cách biểu diễn vectơ thì:

)( tU s

sb

sa

)( etU sc

2 3

(2.6)

U

)( t

Từ (2.6) ta được :

s s

. iR s

s s

s d  s dt

(2.7)

0

0

j

120

j

240

Trong đó :

  t

  t

  t e

  t e

i s

i sa

i sb

i sc

 

 

2 3

0

0 120

j

j

240

là vectơ dòng stator.

  t

  t

  t e

  t e

 s

  sb

  sc

   sa

 

2 3

là vectơ từ thông stator.

Số “s” ở trên chỉ hệ quy chiếu stator.

Nếu quan sát trên hệ tọa độ rotor (d-q) – có trục d trùng với trục từ thông thì

U

)( t

(2.7) trở thành:

f j  s

f s

. iR s

f s

f d  s dt

(2.8)

f

Số chỉ “ f ” ở trên hệ quy chiếu rotor.

s gồm có 2 thành phần : một thành phần do dòng

Vectơ từ thông stator

f

s cảm ứng sang.

U

)( t

stator tự cảm ứng trong các cuộn dây stator, một thành phần do từ thông rotor

f s

. iL s

f s

f  p

f

(2.9)

p chỉ có thành phần thực

p do trục thực d đi qua trục

f

Vectơ từ thông rotor

p :

của chính vectơ

f p   p

(2.10)

24

.

MM 

Phương trình chuyển động của động cơ có dạng :

e

T

d  dt

J P c

(2.11)

eM

(

M

Với moment điện từ 

e

P  c s

i ). s

3 2

(2.12)

Trong đó :

TM

J

: moment tải

: moment quán tính

cP

: số đôi cực

: tốc độ của động cơ

f

- Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor (d-q):

s viết thành 2 thành phần theo trục d và q có dạng:

Từ thông stator

j sd sq

f s

(2.13)

Với:

 sd

iL sd

sd

 p

(2.14)

iL sd

sd

sd

(2.15)

Trong đó :

sdL

: điện cảm stator dọc trục d

sqL

: điện cảm stator dọc trục q

sdi

: thành phần trục d của dòng điện stator

sqi

: thành phần trục q của dòng điện stator

25

U

L



sd

iR s

sd

sd

iL sq

sq

Phương trình (3.2.4) chuyển sang thành phần của vectơ trên 2 trục tọa độ:

di sd dt

di

U

L

sq

iR qs

sq

iL   sq

sq



(2.16)

sq dt

(2.17)

L

sq

i

i

U



Hay:

sd

sq

sd

di sd dt

1 T

L

1 L

sd

sd

sd

i



(2.18)

sq

i sq

di sq dt

L sd L sq

1 T sq

 L sq

(2.19)

Trong đó:

T  sd

L sd R

s

L

: Hằng số thời gian trục d

T  sq

sq R

s

: Hằng số thời gian trục q

s vào phương trình moment điện từ

M

xi

Thay các thành phần của is và

e

P c

  s

s

3 2

(2.20)

M

i

Thay (2.18) và (2.19) vào (2.20) ta được:

e

 i   sd sq

P c

 sq

sq

3 2

M

i

L

(2.21)

(2.22)

 

e

P c

sq

sd

 Li sq

sd

sq

 i 

3 2

26

L

sq

a

Đơn giản mô hình ta đặt:

a 2

3 

a 1 

L

1 sdT

sd

1 sdL

L

sq

a

a

; ;

5 

6 

a 4

L

sd

1 sqT

1 sqL

 p

a

a

; ;

9

7

2 cP

a  8

p j

L

3 2

sq

L

L

sq

; ;

a 10

cP

a 12 

sd  j

P c11 a j

3 2

; ;

a

Từ hệ phương trình trở thành:

ia 1

sd

i  2

sq

Ua 3

sq

di sd dt

di

a

a

(2.23)

sd

sq

sd

i  4

ia 5

Ua 6

sq dt

i

(

)

(2.24)  7

aM  e

12

ia 13

sq

ia 14

sd

sq

i

)

(2.25)

sq

sd

sq

t

( iaa 9

8

ia 10

Ma 11

d  dt

(2.26)

2.1.2. Bộ biến đổi [12],[14],[15],[18]

0

0

0

0

0

j

j

j

[cos(

0 )0

sin(

120

)]

[cos(

120

)

sin(

120

[cos(

240

)

sin(

240

)]

s i s

i as

i bs

)] i cs

j

)

(

* Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ abc →αβ

i as

i bs

i bs

i cs

i bs

i cs

s i   s

s ji s 

3 2

3 2

1 2

1 2

1 2

1 2

(2.27)

s  i s   s i   s 

   

0

s  i as  s i  bs  s i  cs

    

1  2 3 2

3 2

     

 1     

(2.28)

27

1 2

Do ias+ ibs+ ics=0 (dòng cân bằng)

0

s  i s   s i  s   0 

    

s  i as  s i  bs  s i  cs

    

1  2 3 2

3 2

 1     

     

(2.29)

0

* Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ αβ → abc

s  i s   s i  s   0 

    

s  i as  s i  bs  s i  cs

    

2 3 1 3 1 3

1 3 1 3 1 3

1 3 1 3

        

       

0

   

s  i s   s i   s 

    

s  i as  s i  bs  s i  cs

2 3 1 3 1 3

1 3 1 3

       

        

(2.30)

* Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ αβ → dq và ngược lại:

j

- Mối quan hệ giữa vectơ điện áp trong hệ tọa độ αβ → dq:

s u  s

s eu s

j

u

s s

s eu s

(2.31)

ts

(góc giữa pha a và trục d) Trong đó

cos(

)

sin(

)

t

t

r ds

- Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ αβ → dq :

sin(

)

cos(

)

t

t

 s  s

 s  s

r qs

  

  

r  u s   r u   s 

   

 u  u  

   

(2.32)

- Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ dq → αβ:

r ds

28

cos( sin(

t ) t )

sin( cos(

t ) t )

 s  s

 s  s

r qs

  

  

r  u s   r u   s 

   

 u  u  

   

(2.33)

)

- Dòng stator trong hệ tọa độ stator:

s i s

i ( a

ai b

2 ia c

2 3

(2.34)

* Mô hình chuyển đổi hệ tọa độ dq → αβ

Hình 2.1: Mô hình chuyển đổi hệ tọa độ dq → αβ

2.2. Tính toán và lựa chọn các thông số [12],[15],[19]

2.2.1. Tính toán mạch kích từ ở chế độ xác lập

Giả sử máy phát có các thông số kỹ tuật sau: cánh quạt có bán kính R=41m,

8 , vận tốc gió 5m/s, Rs = 0,00189Ω, Ld = 0,0038 (H), Lq = 0,0038 (H),

hệ số

=1,45, J = 205,465, số đôi cực p = 4.

2.2.1.1.Xác định momen của tuabin

17,1

/

rad

s

6.8 41

. v  R

- Vận tốc gốc của cánh quạt rotor:

29

C 5  i

C

C

- Hiệu suất cánh quạt tuabin:

C 1

C  3

p

C 2  i

  eC 4 

  

(2.35)  6

Trong đó:

C1=0,5176, C2=116, C3=0,4, C4=5, C6=0,0068

1 008,0

035,0 3  1

 

1  i 

Và

8 , góc pitch β=0

Với

035,0

09,0

1  8

1 i

Suy ra

21 09,0

e

,0

0517

50.4,0

,0

068

8.

,0

4798

C p

116 09,0

  

  

Thế vào (4.40) ta được:

. CvA

.

3 .

P r

p

1 2

- Công suất của tuabin gió:

125.1

Trong đó A= π.R2 = 3,14.412 = 5278,34: Diện tích cánh quạt gió.

3

.125.1.

5278

,0.6.34,

4798

307704

525,

mật độ không khí.

rP

1 2

Nên W

525,

262955

32,

- Momen tuabin gió được tính là:

T m

307704 17,1

P r 

(N/m)

30

2.2.1.2.Xác định điện áp ra của máy phát

- Để phát ra điện áp 690V, tần số 50Hz thì với máy phát có 4 đôi cực thì tốc

5,78

độ góc của máy phát:

mf

n 55,9

60 f 55,9. p

50.60 55,9.4

(rad/s)

Vì máy phát được nối với tuabin gió nên để thay đổi tốc độ máy phát có điện

áp ra phù hợp bằng hộp số có tỉ số truyền là:

K

09,67

5,78 17,1

 mf  tb

Tỉ số truyền = tốc độ máy phát / tốc độ tuabin

32,

M

3920 ,

037

- Momen máy phát lúc này là:

mf

T m K

262995 09,67

(N/m)

f

. p

50

- Tần số ra của máy phát:

4.78,5 2.3,14

 2 

(Hz)

- Điện áp ngõ ra của máy phát :

Usd = K..

Chọn:

320

K = 0,0105 và =1,45, J = 205,465

tt

M mf 4 J

3920 ,205.4

037, 465

(rad/s)

Usd = 0,0105.205,465.320=690V

31

- Tính toán các hệ số:

Bảng 2.1: Bảng kết quả các hệ số

s

74,78

Các chỉ số kết quả

05,0 000635

,0

1 T

R L

sd

d

L

q

1

a1

L

,0 ,0

000635 000635

d

1574

8,

a2

1 000635

,0

1 dL

L

q

1

a3

L

,0 ,0

000635 000635

d

s

74,78

a4

1 T

05,0 000635

,0

sd

R L d

1574

8,

a5

1 000635

,0

1 dL

2283

46,

a6

.0 192 000635

,0

 qL

2

2

4

24

a7

3  P 2

3 2

45,1

,0

007507

a8

 j

,205

465

L

L

.0

000635

000635

d

q

0

a9

.0  011,0

j

,0

019468

a10

P j

4 465 ,205

4

6

a11

3  P 2

3 2

45,1

a12

.0

000635

.0

000635

0

L d

L q

a13

a14

32

.4

263

15.

i 973

U

i 

Từ hệ phương trình (2.23), (2.24), (2.25), (2.26) trở thành:

s

74,

d

sq

sq

di sd dt

di

15,263

52,50

i 973,4

U

i 



(2.36)

sd

sq

sd

sq dt

M

i 152,1

 (2.37)

e

sq

,2

,2

217

i 5536

M

(2.38)

sq

t

d  dt

(2.39)

2.2.2. Tính toán thông số bộ biến tần [8], [18], [22]

Ngõ vào chỉnh lưu cầu 3 pha IGBT lý tưởng. Nguồn AC 3 pha của máy phát

điện. Tụ lọc DC chọn khá lớn làm điện áp DC phẳng. Bộ nghịch lưu 3 pha sử dụng

linh kiện IGBT lý tưởng. Điện áp ngõ ra Ud = 380V, tần số 50Hz.

2

U 3

2.

932

V

V

d

690.3 14,3

LL 

- Xác định điện áp DC trên tụ lọc:

538

U

V

t

m

)1(1

932 3

V d 3

- Biên độ điện áp hài cơ bản cực đại:

- Điện áp pha tải cực đại ở chế độ quá điều chế:

Ở chế độ quá điều chế thì biên độ hài cơ bản điện áp ra tăng không tuyến tính

m

996,0

m

a

932.

V

d

538 2 14,3

V )1( 2 

theo biến ma là chỉ số điều chế. Với ma trong bộ nghịch lưu ba pha hai bậc:

33

Các thành phần sóng hài bậc cao được giảm đến cực tiểu và giá trị điện áp tải

U

cực đại ở chế độ quá điều chế được tính khi ma gần bằng 1, suy ra:

m

(1)

2 m V a d 

(2.40)

- Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu

Với biên độ hài cơ bản áp pha bằng 220V, tần số 50Hz. Biểu thức điện áp

220

cos

100(

)

t

t 

tải 3 pha.

vt

1

0

220

cos

100(

120

)

t

t 

(2.41)

2

vt

0

220

cos

100(

240

)

t

t 

(2.42)

3

vt

(2. 43)

220

1 tv

0

0

220

cos

(

120

)

110

t



2

vt

0

0

220

cos

(

240

)

110

t



3

vt

Chọn t=0 ta có:

Xác định điện áp common mode V0 = 150V:

V0min  V0  V0max, với:

V0max= Vd – max(vt1, vt2, vt3)=690-220=580V

V0min= – min(vt1, vt2, vt3)=110V

Chọn điện áp common mode V0 = 150V

Biểu thức áp nghịch lưu:

Vi0 = Vti + V0

220

cos

100(

)

t

t 

34

Vt

1

V 0

0

220

cos

t

100(

120

)

t 

(2.44)

Vt

2

V 0

0

220

cos

100(

240

)

t

t 

(2.45)

Vt

3

V 0

(2.46)

v

V 0 i dki V d

220

)

V 0

v

Biểu thức điện áp điều khiển:

dk

1

t cos( 100 V d

0

220

cos(

120

)

V 0

v

(2.47)

dk

2

t 100 V d

0

220

cos(

240

)

V 0

v

(2.48)

dk

3

t 100 V d

(2.49)

2.2.3. Phương pháp điều khiển cho mô hình

- Khái niệm khâu điều khiển:

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được vào hệ thống nhằm làm giảm sai

số xác lập, với đầu vào hàm nấc sẽ gây ra độ vọt lố và trong một số trường hợp là

không chấp nhận được với mạch động lực. Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD)

làm giảm vọt lốt, đáp ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn. Khâu

tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu. Khâu hiệu chỉnh vi

tích phân (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự

trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha.

Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng

K

K

thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm. Hàm truyền bộ điều khiển PID:

sC )( c

P

. SD

K I S

(2.50)

35

Với các giá trị KP, KD và KI là các hằng số thực, s là toán tử Laplace.

Phương trình vi tích phân mô tả mối tương quan giữa tín hiệu ra u (t) với tín

tu )(

KtK )(

dt

hiệu vào e (t) của bộ điều khiển PID là:

P

D

I

 teK )(

tde )( dt

(2.51)

Trong đó e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t). Với r(t) là tín hiệu

vào và c(t) đáp ứng ngõ ra của hệ thống.

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị KP, KD, và KI sao cho hệ thoả mãn các

yêu cầu về chất lượng của hệ thống

- Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ (PI)

K

Hàm truyền của khâu PI có dạng:

G S ( ) c

P

K I S

(2.52)

K

K

(

)

P S .

I

( ) G S G S

( ).

Hình 3.6.1 thay hiệu chỉnh là khâu PI, hàm truyền vòng hở của hệ là:

C

2 n 2 ( S S

)

2 .  n

I

zero

(2.53)

K  K

P

và nghiệm Bộ điều chỉnh PI tương đương với việc thêm nghiệm

s=0 vào hàm truyền vòng hở.

Sai số xác lập của hệ có khâu PI sẽ bằng 0 với tín hiệu vào là hàm nấc, và

bằng hằng số tỉ lệ nghịch với giá trị KP nếu tín hiệu vào là hàm RAMP. Khi đó vấn

đề đặt ra là chọn KP và KI sao cho hệ thoả mãn yêu cầu thiết kế.

Việc tính toán xác định các hệ số tỉ lệ KP, KI, KD của bộ điều khiển rất khó

khăn. Do đó, bằng thực nghiệm trên phần mềm Matlab, sử dụng phương pháp thử –

sai để xác định các hệ số KP, KI, KD cho các bộ điều khiển.

36

Bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ được trình bày trên hình 2.2 :

Hình 2.2: Mô hình bộ điều chỉnh PID

- Ứng dụng PI vào điều khiển kích từ cho máy phát điện cảm ứng rotor dây

MF

Vtuabin

Tuabin

iref

+ -

KT

it

KP

KP

KI

KP

KI

+ -

iref

KI

- + +

iref

quấn:

Hình 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển PI ứng dụng vào máy điện cảm ứng rotor dây quấn

37

CHƯƠNG 3

ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN

CẢM ỨNG ROTOR DÂY QUẤN

3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink

3.2. Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt

động ở chế độ xác lập

3.2.1.Thông số

3.2.2. Sơ đồ mô phỏng

3.2.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió

3.2.4. Kết quả mô phỏng

3.2.4.1.Trường hợp ở tốc gió 6m/s

3.2.4.2.Trường hợp ở tốc gió 7m/s

3.2.4.3.Trường hợp ở tốc gió 6m/s

3.2.4.4.Trường hợp ở tốc gió 7m/s

3.3. Thống kê kết quả

38

3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink

Có rất nhiều phần mềm chuyên dụng được phát triển cho mô hình hóa và mô

phỏng như simnon, Alaska, Pspice, Sigma vv… Một trong những phần mềm được

ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay là MatLab.

MatLab là một hệ thống tương tác trong đó dữ liệu cơ bản là mảng (array)

không yêu cầu định trước kích thước. Các chuyên ngành kỹ thuật như điện, điện tử,

điều khiển tự động, kỹ thuật cơ khí, năng lượng, hóa học …, các chuyên ngành toán

như kế toán, thống kê và chuyên ngành nghiên cứu sinh học là những địa chỉ ứng

dụng quen thuộc của Matlab. Trong công nghiệp Matlab là công cụ để chọn các

nghiên cứu hiệu quả, phát triển và phân tích.

Matlab được phát triển bởi công ty Math Works Inc, là ngôn ngữ máy tính

bậc cao được phát triển cho tính toán kỹ thuật. Nó thích hợp các chức năng tính

toán, hiển thị và lập trình trong môi trường dễ sử dụng. Các ứng dụng cơ bản của

Matlab bao gồm:

- Làm các phép toán.

- Phát triển thuật toán.

- Thu thập dữ liệu.

- Mô hình hóa, mô phỏng và tạo mẫu.

- Phân tích dữ liệu, khai thác và hiển thị.

- Đồ họa.

- Các phát triển ứng dụng.

Toán học của Matlab bao gồm một tập lớn các giải thuật tính toán bao hàm

từ các hàm cơ sở, các tính toán cho số phức tới các hàm phức tạp hơn như đảo ma

trận, biến đổi Fourier. Ngoài ra, Matlab còn cung cấp một số khối chuyên dụng đặc

biệt khác để giải các bài toán chuyên sâu được phát triển trong các ToolBox và

Blocket như sau:

39

Fuzzy logic ToolBox Logic mờ

Neural Network Blockset Mạng Nơron

Power System Blockset Các hệ thống công suất

Reatiem Workshop Ghép nối tiếp các thiết bị ngoại vi

Simmechanics Mô phỏng các hệ động lực học

Simulink laø moät phaàn meàm môû roäng cuûa MATLAB duøng ñeå moâ hình hoaù,

moâ phoûng vaø phaân tích moät heä thoáng ñoäng. Thoâng thöôøng duøng ñeå thieát keá heä

thoáng ñieàu khieån, thieát keá DSP, heä thoáng thoâng tin vaø caùc öùng duïng moâ phoûng

khaùc. Simulink laø thuaät ngöõ moâ phoûng deã nhôù ñöôïc gheùp bôûi hai töø Simulation vaø

Link. Simulink cho pheùp moâ taû heä thoáng tuyeán tính, heä phi tuyeán, caùc moâ hình

trong mieàn thôøi gian lieân tuïc, hay giaùn ñoaïn hoaëc moät heä goàm caû lieân tuïc vaø giaùn

ñoaïn.

Ñeå moâ hình hoaù, Simulink cung caáp cho baïn moät giao dieän ñoà hoïa ñeå söû

duïng vaø xaây döïng moâ hình söû duïng thao taùc "nhaán vaø keùo" chuoät. Vôùi giao dieän

ñoà hoïa ta coù theå xaây moâ hình vaø khaûo saùt moâ hình moät caùch tröïc quan hôn. Ñaây laø

söï khaùc xa caùc phaàn meàm tröôùc ñoù maø ngöôøi söû duïng phaûi ñöa vaøo caùc phöông vi

phaân vaø caùc phöông trình sai phaân baèng moät ngoân ngöõ laäp trình.

Ñieåm nhaán maïnh quan troïng trong vieäc moâ phoûng moät quaù trình laø vieäc

thaønh laäp ñöôïc moâ hình. Ñeå söû duïng toát chöông trình naøy, ngöôøi söû duïng phaûi coù

kieán thöùc cô baûn veà ñieàu khieån, xaây döïïng moâ hình toaùn hoïc theo quan ñieåm cuûa

lyù thuyeát ñieàu khieån vaø töø ñoù thaønh laäp neân moâ hình cuûa baøi toaùn.

(Nguồn http://www.luanvanmatlab)

40

3.2. Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn

hoạt động ở chế độ xác lập

3.2.1.Thông số

8 , tốc độ gió từ 5m/s đến 8m/s, Rs = 0,00189Ω, Ld = 0,0038 (H), Lq =

Giả sử máy phát có các thông số kỹ tuật sau: cánh quạt có bán kính R=41m,

hệ số 0,0038 (H), J = 205,465kg.m2, số đôi cực p = 4.

3.2.2. Sơ đồ mô phỏng

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn

hoạt động ở chế độ xác lập

41

3.2.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió

- Khối tuabin gió:

Hình 3.2: Sơ đồ khối tuabin gió

- Khối máy phát:

Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phát

42

- Khối chỉnh lưu:

Hình 3.4: Sơ đồ khối chỉnh lưu

- Khối nghịch lưu:

Hình 3.5: Sơ đồ khối nghịch lưu

43

- Khối hồi tiếp điều khiển từ thông

Hình 3.6: Sơ đồ khối hồi tiếp điều khiển từ thông

3.2.4. Kết quả mô phỏng

3.2.4.1. Trường hợp ở tốc gió 5m/s

- Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.7: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 5m/s

44

Ở hình 3.7 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và có

điện áp mỗi pha là 690V.

- Đồ thị điện áp 1 chiều:

Hình 3.8: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 5m/s

Ở hình 3.8 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là

hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.

- Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.9: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 5m/s

45

Ở hình 3.9 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ tăng giảm

là thời gian đóng và mở IGBT.

- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:

Hình 3.10: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 5m/s

Ở hình 3.10 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng hình

sin.

- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.11: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 5m/s

46

Ở hình 3.11 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng

của tải 3 pha.

3.2.4.2. Trường hợp ở tốc gió 6m/s

- Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.12: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 6m/s

Ở hình 3.12 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và

có điện áp mỗi pha là 690V.

47

- Đồ thị điện áp 1 chiều:

Hình 3.13: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 6m/s

Ở hình 3.13 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là

hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.

- Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.14: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 6m/s

Ở hình 3.14 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ

tăng giảm là thời gian đóng và mở IGBT.

48

- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:

Hình 3.15: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 6m/s

Ở hình 3.15 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng hình

sin.

- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.16: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 6m/s

49

Ở hình 3.16 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng

của tải 3 pha.

3.2.4.3. Trường hợp ở tốc gió 7m/s

- Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.17: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 7m/s

Ở hình 3.17 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và

có điện áp mỗi pha là 690V.

50

- Đồ thị điện áp 1 chiều:

Hình 3.18: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 7m/s

Ở hình 3.18 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là

hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.

- Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.19: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 7m/s

Ở hình 3.19 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ

tăng giảm là thời gian đóng và mở IGBT.

51

- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:

Hình 3.20: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 7m/s

Ở hình 3.20 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng hình

sin.

- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.21: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 7m/s

Ở hình 3.21 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng

của tải 3 pha.

52

3.2.4.4. Trường hợp ở tốc gió 8m/s

- Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát.

Hình 3.22: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 8m/s

Ở hình 3.22 điện áp ngõ ra 3 pha hinh sin, mỗi pha lệch nhau 1 góc 1200 và

có điện áp mỗi pha là 690V.

- Đồ thị điện áp 1 chiều:

Hình 3.23: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 8m/s

53

Ở hình 3.23 do mới khởi động nên điện áp bằng 0, sau đó tăng vọt lên (gọi là

hiện tượng bọc lố) và ổn định ở thời điểm từ 0,01s đến 0,1s.

- Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải

Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 8m/s

Ở hình 3.24 là dạng điện áp ngõ ra 3 pha lý tưởng, thể hiện biên độ

tăng giảm là thời gian đóng và mở IGBT.

- Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang:

Hình 3.25: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 8m/s

54

Ở hình 3.25 sóng màu vàng là sóng mang và điện áp điều khiển là sóng sin.

- Đồ thị dạng sóng dòng:

Hình 3.26: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 8m/s

Ở hình 3.26 là dòng 3 pha không cân bằng nhau. Bởi vì bị ảnh hưởng

của tải 3 pha.

3.3. Thống kê kết quả:

Bảng 3.1: Thống kê kết quả mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng

rotor dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập

Tốc độ gió (m/s) 5 7 8 6

Từ thông (cid:31) 1,45 1,4 1,4 1,45

Điện áp ngõ ra (V) 690 690 690 690

Điện áp 1 chiều (V) 498 498 498 498

Tần số (Hz) 50 50 50 50

Nhận xét:

Từ bảng 3.1 ta thấy khi tốc độ gió thay đổi từ 5m/s đến 8m/s thì các thông số

điện áp ngõ ra, điện áp 1 chiều, tần số đều bằng nhau. Nhưng từ thông thay đổi, tốc

độ gió càng lớn thì từ thông giảm để điều chỉnh tần số và điện áp ngõ ra máy phát là

ổn định.

55

CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

4.1. Kết luận

4.2. Hướng phát triển đề tài

56

4.1. Kết luận

Luận văn đã thực hiện một số nội dung như sau:

- Thiết lập mô hình toán học của máy phát điện tuabin gió.

- Tính toán và thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió.

- Giải quyết được việc ổn định điện áp và tần số đầu ra cho máy phát điện

rotor dây quấn trong hệ thống năng lượng gió.

4.2. Hướng phát triển đề tài

- Đề tài này chỉ nghiên cứu bộ kích từ ở chế độ xác lập để điều chỉnh điện áp

ngõ ra của máy phát và tần số. Chưa khảo sát được mạch kích từ ở chế độ quá độ và

ngắn mạch, do đó hướng phát triển của đề tài là nghiên cứu mô phỏng mạch kích từ

ở chế độ quá độ và ngắn mạch của lưới điện.

57

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Ngọc Tân; công nghiệp điện gió 2012.

[2] Nguyễn Anh Hùng (2012); mô hình điều khiển linh hoạt turbine gió nhỏ

hoạt động độc lập và kết nối lưới, luận văn cao học trường Đại học SPKT Tp.HCM.

[3] GE Turbines 1.6 MW.

[4] Võ Xuân Hải (2009); Điều khiển định hướng từ thông máy phát điện gió

không đồng bộ nguồn kép, luận văn Thạc sĩ, ĐHBK TPHCM.

[5] Hồ Viển Phương, mô hình máy phát điện gió hoạt động độc lập sử dụng

máy điện cảm ứng, luận văn cao học trường Đại học SPKT Tp.HCM.

[6] Trần Đình Long (2004); “tự động hóa hệ thống điện”, nhà xuất bản khoa

học kỹ thuật, 2004.

[7] Nguyễn Thương Ngô (2007); lý thuyết điều khiển tự động (thông thường

và hiện đại), nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.

[8] Nguyễn Văn Nhờ (2005); Giáo trình điện tử công suất, nhà xuất bản đại

học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.

[9] Andrea Stefani, Amine Yazidi, Claudio Rossi, Fiorenzo Filippetti,

Domenico Cassadei, Gerard-Andre Capolino, 2009; “Doubly Fed Industry

machines diagnosis based on signature analysis of rotor modulating signals,” IEEE

transactions on industry applications, vol.45, no.1, January/February 2009.

[10] Modeling and control of Squirrel Cage Induction Generator with Full

Power Converter applied to windmills , University of Oulu, 2009.

58

[11] Simulation and laboratory implementation of a wind tuabincontrol

system with short-term grid faults management, Technical University of Denmark,

October 2008.

[12] Che-Mun Ong (1997), Dynamic Simulation of Electric Machnery.

[13] Modeling and control of Squirrel Cage Induction Generator with Full

Power Converter applied to windmills , University of Oulu, 2009

[14] Wind Turbine Blockset in Matlab/Simulink, Aalborg University March

2004.

[15] Johnson, 2004, Wind Energy Systems Electronic Edition.

[16] Tarek Ahmed, Katsumi Nishida**, Mutsuo Nakaoka* and Toshihiko

Tanaka (2007), Advanced Control of a PWM Converter with a Variable-Speed

Induction Generator.

[17] Arthur W . Matteson (2008), Design and control of a multilevel inverter

for electric vehicles.

[18] R. Meliceo, V . M . F Mendes, J . P . S Catala (2009), Computer

Simulation of wind power systems power electronic and trabsient stability analysis.

[19] Tomas Petru (2003), Modeling of Wind Turbine for power system

studies.

[20] Dr . Zainal Salam (2002), power electronics and Drivers.

[21] Bimal K.Bose Pentice Hall (2002), Model power electronics and AC

Drivers.

[22] Sharad W. Mohod1; Mohan V. Aware2 (2009), Simulation of wind

power with front-end converter into interconnected grid system.