Thạc Sĩ Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

MỤC LỤC
Nội dung Trang
Lời cam đoan -4-
Lời cảm ơn . -5-
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt -6-
Danh mục các bảng . -8-
Danh mục các hình vẽ và đồ thị . -9-
MỞ ĐẦU . -14-
1. Tính cấp thiết của đề tài . -14-
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn -14-
3. Đối tượng và mục đích nghiên cứu -15-
4. Kết cấu của luận văn . -15-
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ
NGOÀI NƯỚC . -16-
1.1. Tổng quan . -16-
1.1.1. Đặt vấn đề -16-
1.1.2. Năng lượng gió -16-
1.1.3. Vài nét về trạm phong điện -18-
1.2. Máy phát điện sức gió (Phong điện) . -19-
1.2.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió . -19-
1.2.2. Cấu tạo của tuabin phong điện . -21-
1.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện . -23-
1.3. Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm
ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) . -26-
1.3.1. Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng -26-
1.3.2. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG -28-
1.4. Kết luận chương 1 . -29-
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -30-
2.1. Máy điện cảm ứng nguồn kép . -30-
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện . -30-
2.1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG -32-
2.1.3. Công suất của DFIG . -35-
2.1.4. Véctơ không gian . -36-
2.1.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không
gian -37-
2.2. Mô tả toán học hệ thống DFIG . -37-
2.2.1. Mô tả toán học máy điện DFIG . -38-
2.2.2. Mô tả toán học bộ lọc phía lưới . -39-
2.2.3. Mô tả toán học bộ DC – Link -40-
2.2.4. Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC) . -41-
2.2.5. Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC) -41-
2.3. Từ trường trong hệ thống DFIG -42-
2.3.1. Từ trường của stato -42-
2.3.2. Từ trường của lưới . -42-
2.4. Kết luận chương 2 . -43-
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -44-
3.1. Tìm hiểu một số phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió . -44-
3.1.1. Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu -44-
3.1.2. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ -49-
3.2. Lý thuyết về điều khiển PID . -50-
3.2.1. Đặt vấn đề -50-
3.2.2. Lý thuyết về điều khiển PID -51-
3.2.3. Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID -55-
3.2.4. Các hạn chế của điều khiển PID -57-
3.2.5. Ký hiệu thay thế và các dạng PID -58-
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện cảm ứng DFIG -60-
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát (MSC) -61-
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phía lưới (GSC) . -64-
3.4. Kết luận chương 3 . -67-
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK –
PLECS VÀ KẾT LUẬN -69-
4.1. Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs . -69-
4.2. Mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử dụng công cụ
Matlab – Simulink – Plecs . -75-
4.2.1. Các tham số dùng cho mô phỏng -75-
4.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống -75-
4.2.3. Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) . -77-
4.2.4. Xây dựng các khối điều khiển phía máy phát (MSC) -81-
4.2.5. Xây dựng các khối điều khiển phía lưới (GSC) -84-
4.3. Kết quả mô phỏng -86-
4.3.1. Khởi tạo quá trình mô phỏng . -86-
4.3.2. Kết quả mô phỏng -89-
4.4. Kết luận và kiến nghị . -96-
TÀI LIỆU THAM KHẢO . -97-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nguồn năng lượng sạch khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn
năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Việc khai thác năng
lượng sạch có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát
triển bền vững.
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu nhằm sản xuất ra các
nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặt trời và năng lượng gió
[4], [10], [11], [12]. Hệ thống máy phát điện sức gió lợi dụng gió để làm quay
tuabin máy phát tạo ra điện đang được ứng dụng nhiều trong thực tế. Với tuabin gió
tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì hệ thống sẽ cồng
kềnh, tốn kém, do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của tuabin.
Loại tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed
Induction Generator), với Roto dây quấn và Roto được nối với lưới điện thông
qua một bộ back-to-back converter. Còn Stato của DFIG được nối trực tiếp với lưới
điện, điều khiển DFIG thông qua điều khiển bộ back-to-back converter phía Roto.
Vì bộ điều khiển nằm phía Roto nên công suất thiết kế chỉ bằng 1/3 công suất Stato,
dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều.
Việc nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển để điều khiển dòng Rotor cho máy
phát điện nguồn kép đang được chú ý [10], [11]. Đề tài đưa ra phương án: “Thiết kế
bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn
kép DFIG”.
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung phương pháp điều
khiển hòa lưới điện cho máy phát điện sức gió DFIG, trên cơ sở hai vấn đề:
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía Rotor (Rotor side
converter).
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới (Grid side
converter).
b. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh
hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong
việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng sạch. Ứng dụng tại các
nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng sạch.
3. Đối tượng và mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu nguồn năng lượng sạch nói chung và năng lượng gió nói riêng:
Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới.
- Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điện cảm ứng nguồn
kép DFIG, các phương trình thay thế và mô tả máy điện DFIG.
- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển PID.
- Nghiên cứu thiết bộ điều khiển: Tổng hợp dòng, áp. Đo công suất (P, Q)
của lưới, của máy phát để đưa ra phương pháp điều khiển dòng kích từ Rotor máy
phát DFIG, nhằm ổn định điện áp, tần số, công suất máy phát và phát năng lượng
này lên lưới.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy
điện cảm ứng nguồn kép DFIG trên phần mềm MATLAB – SIMULINK – PLECS
4. Kết cấu của luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Chương 2: Mô hình toán học hệ thống máy phát điện sức gió dùng máy điện
cảm ứng nguồn kép
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện sức gió dùng máy điện
cảm ứng nguồn kép
Chương 4: Mô phỏng hệ thống trên matlab – simulink – plecs và kết luận

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG
VÀ NGOÀI NƯỚC
1.1. TỔNG QUAN
1.1.1. Đặt vấn đề
Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải
đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng
lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng
dụng nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo từ gió.
Ưu điểm dễ thấy nhất của các trạm máy phát điện sử dụng sức gió (gọi tắt là
trạm phong điện) là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như
các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với
các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều
kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước. Các trạm phong điện có thể
đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường
dây tải điện.
1.1.2. Năng lượng gió
Năng lượng gió (NLG) là việc chuyển đổi gió thành 1 dạng năng lượng hữu
ích, chẳng hạn như sử dụng tua bin gió để tạo điện, cối xay gió cho sức mạnh cơ
khí, máy bơm gió để bơm nước hoặc thoát nước, hoặc buồm để đẩy con tàu .
Vào cuối năm 2008, trên toàn thế giới khả năng sản xuất điện của gió là 121,2
GW, khoảng 1,5% điện năng được sử dụng trên toàn thế giới; và đang tăng trưởng
nhanh chóng, tăng gấp đôi trong ba năm từ năm 2005 đến 2008. 1 số nước đã đạt
được mức độ tương đối cao của sự thâm nhập điện gió (với trợ cấp lớn của chính
phủ), như 19% sản xuất điện tĩnh tại Đan Mạch, 13% tại Tây Ban Nha và Bồ Đào
Nha, và 7% tại Đức và Ireland trong 2008. Đến 2009, 80 quốc gia trên khắp thế giới
đang sử dụng năng lượng gió trên cơ sở thương mại.
Những trại gió quy mô lớn được kết nối với các mạng lưới truyền tải điện
năng; các cơ sở nhỏ hơn được sử dụng để cung cấp điện đến các địa điểm bị cô lập.
Gió là một nguồn năng lượng có đặc tính ưu việt là có ở tất cả mọi nơi. Song
việc ứng dụng NLG trong các quá trình sản suất là hết sức khó khăn, để nhận được
công suất lớn cần có máy phát điện sức gió kích thước rất lớn. Thêm vào đó là NLG
không ổn định theo thời gian nên khó sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao
thông.
Năng lượng gió ở Việt Nam tuy không phong phú bằng các nước Châu Âu, thế
nhưng dọc bờ biển và hải đảo thì Việt Nam cao nhất so với các nước trong khu vực.
Hiện nay đang xây dựng một số cột đo gió độ cao trên 40 mét; khi đánh giá được thì
mới có thể khai thác. Việt Nam là nước ven biển nên có nhiều vùng gió tiềm năng,
hiện đang có một số dự án của Trung tâm nghiên cứu Năng Lượng Mới thuộc Đại
Học Bách Khoa Hà Nội có thể phát điện hoà vào mạng lưới điện Việt Nam. Căn cứ
việc đo gió họ đã tiến hành một dự án ở Bình Định đầu tiên là 50MW nhưng do khó
khăn về đất nên chỉ thực hiện được 20MW. Tập đoàn Tài chính EurOrient
(“EurOrient”) đã công bố kế hoạch thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo
và sạch hơn tại khu vực miền Bắc Việt Nam, đồng thời dự tính sẽ quyết định đầu tư
125 triệu USD nhằm góp phần phát triển năng lượng điện chạy bằng sức gió. Hoạt
động sản xuất điện bằng sức gió sắp triển khai đang được dự tính xây dựng theo
hình thức “xây dựng - sở hữu - chuyển giao” bởi một nhà sản xuất điện năng độc
lập và sẽ đóng vai trò xúc tác trong việc thúc đẩy đầu tư tư nhân vào ngành điện
Việt Nam. Dự án này sẽ góp phần phát triển các nguồn năng lượng tái tạo của Việt
Nam thông qua việc hỗ trợ tài chính để xây dựng các nhà máy phát điện chạy bằng
sức gió với tổng công suất 125MW, tuy nhiên công suất chính xác cũng như những
vấn đề khác vẫn chưa có được quyết định cuối cùng. Tập đoàn Tài chính EurOrient
cũng sẽ cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và nâng cao năng lực phục vụ việc phát triển sản
xuất điện gió nhằm đẩy mạnh hơn nữa việc sản xuất điện bằng sức gió ở các tỉnh
khác.
Việc nghiên cứu ứng dụng NLG ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm 1970
với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Doãn Phước (2002) Lý thuyết điều khiển tuyến tính. Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật.
[2] Nguyễn Phùng Quang (1998) Điều khiển tự động truyền động điện xoay
chiều ba pha (tái bản lần thứ 1). Nhà xuất bản Giáo dục.
[3] Nguyễn Phùng Quang (2004) MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều
khiển tự động. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[4] Nguyễn Phùng Quang: Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong
hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa
mômen và hệ số công suất. Tuyển tập VICA 3, Hà Nội, 4/1998, tr. 413-437.
[5] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002) Truyền động điện thông
minh. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[6] Nguyễn Phùng Quang (1996) Điều khiển truyền động điện xo ay chiều ba
pha, Nhà xuất bản Giáo dục
[7] Nguyễn Phùng Quang (2007) Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện
bằng sức gió có công suất 10 – 30 KW phù hợp với điều kiện Việt Nam, Phòng
Thí nghiệm Tự động hóa Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
[8] Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuấn, “PLECS , công cụ mô phỏng chuyên
nghiệp cho thiết kế điều khiển”, Phòng Thí nghiệm trọng điểm về Tự động hoá,
Trung tâm nghiên cứu triển khai Công nghệ cao , Trường đại học Bách khoa Hà
nội.
[9] Nguyễn Thị Thắm, “Điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sức gió sử dụng
máy điện đồng bộ với tuabin kiểu trục ngang”, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên
ngành Tự động hoá, Trường ĐHKTCN, năm 2010.
[10] ANDREAS PETERSSON, “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed
Induction Generators for Wind Turbines”, THESIS FOR THE DEGREE OF DOCTOR
OF PHILOSOPHY, Division of Electric Power Engineering Department of Energy
and Environment, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, G¨oteborg,
Sweden 2005
[11] F. Abrahamsen, “Energy optimal control of induction motor drives”, Ph.D.
dissertation, Aalborg Univ., Aalborg, Denmark, Feb. 2000.
[12] F. Blaabjerg and Z. C. amd S. Kjaer, “Power electronics as efficient
interface in dispersed power generation systems”, IEEE Transactions on Power
Electronics, vol. 19, pp. 1184–1194, Sept 2004.
[13] J. Bendl, M. Chombt, and L. Schreier, “Adjustable-speed operation of
doubly fed machines in pumped storage power plants”, in Proc. Ninth International
Conference on Electrical Machines and Drives, Sep., 1–3, 1999, pp. 223–227.
[14] CAMILLE HAMON, “Doubly-fed Induction Generator Modeling and
Control in DigSilent Power Factory”, Master’s Thesis at KTH School of Electrical
Engineering
[15] Jost H. Allmeling, Wolfgang P. Hammer: “PLECS – Piece-wise Linear
Electrical Circuit Simulation for Simulink”.
[16] Dr. John Schönberger, “Modeling a DFIG Wind Turbine System using
PLECS”, Plexim GmbH Technoparkstrasse 18005 Zürich, December 2008
[17] Một số tài liệu trên mạng Internet