Điều khiển độc lập p và q của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép ứng dụng trí thông minh nhân tạo

Hình 4.3: Khối mô hình ph ơng trình điện áp stator và rotor Hình 4.4: Khối mô hình tính toán từ thông Hình 4.5: Khối mô hình 2dqabc Hình 4.6: Khối mô hình điều khiển converter phía rotor

Trang tựa

Quyết định giao đề tài

Xác nh n c a cán bộ h ớng d n

LỦ lịch khoa học i

L i cam đoan ii

C m tạ iii

Tóm tắt iv

M c l c v

Danh sách các chữ viết tắt viii

Danh sách các hình x

Danh sách các b ng xiii

M ăĐ U 1

CH NGă1 4

T NGăQUANăV ăNĔNGăL NGăGIÓ 4

1.1 Tổng quan chung về năng l ợng 4

1.2 Lịch sử phát triển năng l ợng gió 5

1.3 Tình hình phát triển điện gió hiện tại và triển vọng trong t ơng lai 9

1.4 Những thu n lợi và khó khăn c a việc sử d ng năng l ợng gió 12

1.5 Tiềm năng điện gió c a Việt Nam 14

1.6 Các kết qu nghiên c u trong và ngoài n ớc đư công bố 15

CH NGă2 17

C ăS ăLụăTHUY T 17

2.1 Các loại turbine gió: 17

2.2 Các loại c u hình turbine gió kết nối vào l ới điện 18

2.2.1 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 19

2.2.2 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép không chổi quét (BDFIG) 20

2.2.3 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permament Magnet SG) 20

2.3 Các thành phần chính c a hệ thông turbine gió ậ DFIG 21

2.4 Định nghĩa về mô hình và mô phỏng 23

2.5 u nh ợc điểm và m c đích xây dựng mô hình động 24

2.6 Mô hình động c a máy điện không đồng bộ 25

2.7 Ph ơng trình chuyển đổi hệ quy chiếu 28

2.7.1 Mối quan hệ giữa hệ thống ba pha và hệ thống hai pha 28

2.7.2 Mối quan hệ giữa hệ tr c tọa độ tĩnh và hệ tr c tọa độ quay 29

2.7.3 Mối quan hệ giữa hệ tr c tọa độ tĩnh abc và hệ tr c tọa độ quay dq 30

2.8 Ph ơng trình toán máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG 30

2.8.1 Mô hình toán máy điện DFIG trong vector không gian 31

2.8.2 Mô hình toán máy điện DFIG trong hệ quy chiếu quay 32

CH NGă3 35

ĐI UăKHI NăPIă NGăD NGăFUZZYăLOGIC 35

3.1 Bộ hiệu chỉnh PID truyền thống 35

3.2 Bộ hiệu chỉnh PI với khâu hiệu chỉnh anti windup 37

3.3 Điều khiển m 38

3.3.1 Khái niệm cơ b n 39

3.3.2 Định nghĩa t p m 40

3.3.3 C u trúc một bộ điều khiển m 40

3.3.4 Nguyên lỦ điều khiển m 40

MÔăHÌNHăMÔăPH NGăĐI UăKHI NăMÁYăPHÁTăĐI NăGIÓăDFIGă

TRONGăMATLABăSIMULINK 47

4.1 Mô hình máy phát điện nguồn kép DFIG - 2,3 MW 47

4.2 Mô hình điều khiển converter 51

4.2.1 Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát 52

4.2.2 Mô hình điều khiển converter phía l ới 54

4.2.3 Mô hình điều khiển tốc độ rotor turbine 54

4.2.4 Mô hình bộ nghịch l u áp c p nguồn cho rotor máy phát 55

4.3 Mô hình tua bin gió 55

CH NGă5 56

SOăSÁNHăK TăQU ăMÔăPH NGăKHIăS ăD NGăPIăSOăV IăS ăD NGăPIă K TăH PăFUZZYăLOGIC 56

5.1 Mô hình dùng để chạy mô phỏng trong Matlab/Simulink 56

5.2 So sánh giữa bộ điều khiển PI truyền thống và PI-Fuzzy 59

5.2.1 C u trúc điều khiển với bộ điều khiển PI truyền thống và PI-Fuzzy 59

5.2.2 Kết qu mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió cố định 60

5.2.3 Kết qu mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió thay đổi ng u nhiên 66

5.3 Phân tích kết qu mô phỏng 72

CH NGă6 75

K TăLU N 75

6.1 Kết lu n 75

6.2 H ớng phát triển c a đề tài trong t ơng lai 75

TÀIăLI UăTHAMăKH O 76

: Hệ số rung (N.m/s) : Độ c ng thanh truyền (M.m/rad)

 Chỉăsốăd iă

s : Các đại l ợng c a stator

ref : Các đại l ợng tham kh o

sr : Đại l ợng t ơng hỗ giữa stator và rotor

aa, bb, cc : Đại l ợng tự c m trên mỗi cuộn dây stator a, b, c t ơng ng

AA, BB, CC : Đại l ợng tự c m trên mỗi cuộn dây stator A, B, C t ơng ng gen : Các đại l ợng máy phát

sharf : Các đại l ợng tr c thanh truyền

turb : Các đại l ợng c a turbin

d; q : Các đại l ợng tr c d, tr c q t ơng ng trong hệ quy chiếu dq

α, β : Các đại l ợng tr c α, tr c β t ơng ng trong hệ quy chiếu αβ

a, b, c : Các đại l ợng pha a, pha b, pha c t ơng ng trên stator

A, B, C : Các đại l ợng pha A, pha B, pha C t ơng ng trên rotor

DANHăSÁCHăCÁCăHÌNHă

Hình 1.1: Cối xay gió Tây Ban Nha

Hình 1.2: Lịch sử phát triển năng l ợng gió từ 1996 đến 2008

Hình 2.1: Phân loại turbin gió

Hình 2.2: Turbin gió với DFIG

Hình 2.3: Turbin gió với BDFIG

Hình 2.4: Turbin gió với PMSG

Hình 2.5: Các thành phần chính c a hệ thống turbin gió ậ DFIG

Hình 2.6: Sơ đồ c u trúc chung c a máy điện không đồng bộ

Hình 2.7: Hệ quy chiếu quay dq

Hình 2.8: Nguyên lỦ vectơ không gian

Hình 2.9: Mối quan hệ giữa hai hệ tr c toạ độ αβ và dq

Hình 2.10: Mạch t ơng đ ơng máy điện DFIG quy đổi về phía stator

Hình 3.1: Bộ điều khiển PI sử d ng khâu anti-windup

Hình 3.2: Nguyên lỦ điều khiển m

Hình 3.3: Bộ điều khiển PI sử d ng Fuzzy logic

Hình 3.4: Giao diện soạn th o cơ b n Fuzzy logic trên matlab/Simulink

Hình 3.5: Soạn th o hàm thành viên sai số tốc độ e(t)

Hình 3.6: Soạn th o hàm thành viên độ dốc sai số tốc độ de/dt

Hình 3.7: Soạn th o hàm thành viên Kp

Hình 3.8: Soạn th o hàm thành viên Ti

Hình 3.9: Soạn th o lu t m

Hình 4.3: Khối mô hình ph ơng trình điện áp stator và rotor

Hình 4.4: Khối mô hình tính toán từ thông

Hình 4.5: Khối mô hình 2dqabc

Hình 4.6: Khối mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát và l ới Hình 4.7: Khối mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát

Hình 4.8: Khối mô hình tính toán vị trí rotor và dòng từ hoá ậ Estimate Ims Hình 4.9: Khối chuyển abc sang αβ

Hình 4.10: Khối tính điện áp điều chỉnh rotor

Hình 4.11: Khối mô hình điều khiển converter phía l ới

Hình 4.12: Khối điều khiển điện áp Vdc “DC-link”

Hình 4.13: Khối mô hình điều khiển tốc độ rotor turtin “speed control”

Hình 4.14: Khối mô hình bộ nghịch l u áp “Inverter”

Hình 4.15: Khối mô hình turbin gió

Hình 5.1: Mô hình tổng thể hệ thống điều khiển máy phát điện DFIG

Hình 5.2: Đồ thị giá trị đặt công su t tác d ng

Hình 5.3: Đồ thị giá trị đặt công su t ph n kháng

Hình 5.4: Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter

Control” sử d ng PI truyền thống Hình 5.5: Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter

Control” sử d ng PI truyền thống kết hợp PI-Fuzzy

Hình 5.6: Tốc độ gió cố định 12 m/s

Hình 5.7: Công su t tác d ng trong tr ng hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.8: Công su t ph n kháng trong tr ng hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.9: Dòng điện stator trong tr ng hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.10: Tốc độ rotor trong tr ng hợp tốc độ gió cố định

Hình 5.11: Góc pitch quạt gió trong tr ng hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.12: Tốc độ gió thay đổi ng u nhiên theo th i gian

Hình 5.13: Công su t tác d ng với tốc độ gió thay đổi

Hình 5.14: Công su t ph n kháng với tốc độ gió thay đổi

Hình 5.15: Dòng điện stator với tốc độ gió thay đổi

Hình 5.16: Tốc độ rotor trong tr ng hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.17: Góc pitch quạt gió trong tr ng hợp cố định tốc độ gió

B ng 3.1: Lu t m c a Kp

B ng 3.2: Lu t m c a Ti

B ng 5.1: Các thông số c a khối “Generator DFIG 2,3 MW”

B ng 5.2: Các thông số c a khối “Wind Turbine”

B ng 5.3: Các thông số c a khối “Converter”

B ng 5.4: Giá trị đặt công su t tác d ng

B ng 5.5: Giá trị đặt công su t ph n kháng

B ng 5.6: Giá trị trung bình c a Ps và Qs trong tr ng hợp tốc độ gió cố định

B ng 5.7: Giá trị trung bình c a Ps và Qs trong tr ng hợp tốc độ gió thay đổi

M ăĐ Uă

1ă

M ăĐ Uă

1 Lýădoălựaăch năđ ătƠiă

Trong vòng 10 năm gần đây (2001 ậ 2010), Việt Nam đư đạt đ ợc những

b ớc tăng tr ng kinh tế nhanh chóng, với tốc độ trung bình đạt 7,2%/năm Cùng với đó là nhu cầu sử d ng điện năng trong các ngành kinh tế và sinh hoạt liên t c gia tăng với tốc độ trung bình kho ng 14,5% Tổng s n l ợng điện th ơng phẩm đư tăng từ 31,3 tỷ kWh (2001) lên tới 99,1 tỷ kWh (2010), điều này có nghĩa là s n

l ợng điện tiêu th đư tăng hơn 3 lần trong vòng 10 năm So với năm 2009, thì s n

l ợng điện th ơng phẩm năm 2010 tăng kho ng 14,3%, g p 2,5 lần so với tốc độ tăng tr ng GDP (Gross Domestic Product) [8]

Nhằm đ m b o cho nhu cầu về điện năng để phát triển kinh tế - xư hội, Chính

ph Việt Nam đư đặt ra một số m c tiêu s n xu t điện trong Quy hoạch Phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 ậ 2020 có xét đến 2030 bao gồm: Cung c p đ nhu cầu điện trong n ớc, s n l ợng điện s n xu t và nh p khẩu năm 2015 kho ng

194 ậ 210 tỷ kWh, kho ng 330 ậ 362 tỷ kWh vào năm 2020, kho ng 695 ậ 834 tỷ kWh v o 2030 và u tiên phát triển nguồn năng l ợng tái tạo cho s n xu t điện, tăng tỷ lệ điện năng s n xu t từ nguồn năng l ợng này từ m c 3,5% năm 2010, lên 4,5% tổng điện năng s n xu t vào năm 2020 và 6% vào 2030 [8]

Tr ớc những thách th c về tình trạng thiếu điện và ng phó hiệu qu với biến đổi khí h u trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các nguồn năng l ợng tái tạo là một gi i pháp kh thi nhằm đ m b o an ninh năng

l ợng và b o vệ môi tr ng [8] Gần đây, Chính ph Việt Nam đư xác định rõ các

m c tiêu trong định h ớng phát triển dạng “điện xanh” này Trong đó, năng l ợng gió đ ợc xem là một lĩnh vực trọng tâm, do một số nghiên c u đánh giá cho th y Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án gió với quy mô lớn là r t kh thi Điển hình là một số dự án đư đ ợc đầu t và đ a vào v n hành nh dự án điện gió

Xư Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thu n, dự án điện gió lai tạo với máy

phát điện diesel trên đ o Phú QuỦ hoặc dự án điện gió khác tại tỉnh Bạc Liêu Ngoài

ra, còn nhiều dự án khác đang trong các giai đoạn tiến độ khác nhau đư đ ợc đăng

kỦ Tuy nhiên điểm yếu lớn nh t c a nguồn năng l ợng gió thì th ng không t p trung nên muốn sử d ng ta ph i đâu t rưi rác và khi đư đầu t thì v n để sử d ng nó một cách sao cho an toàn và hiệu qu nh t là một bài toán cần đ ợc gi i quyết bằng cách ng d ng nhiều kỹ thu t mới Hiện nay Việt Nam muốn đầu t khai thác nguồn năng l ợng này đều ph i nh p thiết bị công nghệ từ các n ớc tiên tiến, chính điều này là yếu tố làm cho chi phí đầu t , s n xu t điện tăng lên làm gi m đi tính cạnh tranh so với các nguồn năng l ợng khác Theo xu h ớng phát triển c a thế giới, các ngành kỹ thu t cao ngày càng phát triển và ng d ng vào thì giá thành s n

xu t sẽ gi m dần, đến một lúc nào đó giá s n xu t năng l ợng từ gió sẽ ngang bằng năng l ợng hoá thạch và theo dự báo thì th m chí có thể th p hơn trong vài th p niên tới Chính vì v y nên năng l ợng gió cần đ ợc quan tâm, nghiên c u nhiều hơn

Với các lỦ do trên, đề tài “Điều khiển độc l p P và Q c a máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép ng d ng trí thông minh nhân tạo” hiện nay là v n đề cần thiết nhằm nâng cao hiệu qu v n hành máy phát điện gió, góp phần vào việc phát triển nguồn năng l ợng điện xanh, nhằm đ m b o an ninh năng l ợng và b o vệ môi tr ng

2 M căđíchănghiênăc uă

Kết hợp ng d ng Fuzzy logic vào điều khiển độc l p P và Q c a máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG

3 Nhi măv ăc aăđ ătƠiă

B ớc 1: Tìm hiểu mô hình động máy điện không đồng bộ

B ớc 2: Mô phỏng máy điện không đồng bộ bằng phần mềm Matlab

B ớc 3: Đ a ra các ph ơng pháp điều khiển

B ớc 4: Mô phỏng điều khiển độc l p P và Q c a DFIG

B ớc 5: Kết hợp ng d ng Fuzzy logic vào bộ điều khiển độc l p P và Q

M ăĐ Uă

3ă

4 Gi iăh năc aăđ ătƠiă

Đề tài nghiên c u t p trung vào việc xây dựng mô hình điều khiển độc l p P

và Q c a máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG có kết hợp ng d ng Fuzzy logic dựa trên phần mềm matlab/simulink, đánh giá kết qu đạt đ ợc thông qua các dữ liệu thu đ ợc Đề tài cần nghiên c u áp d ng, kiểm ch ng trên thực tế

5 Ph ngăphápănghiênăc u

Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab dựa trên mô hình động c a máy điện, mô hình này hoàn toàn dùng simulink với các thông số máy có thực không có sẵn trong Powersim, vì mô hình này đ ợc xây dựng dựa trên mô hình động c a máy nên hoàn toàn có thể l p trình quá trình điều khiển mà v n tốc có thể thay đổi đ ợc

Hệ thống turbine gió - DFIG có thể điều chỉnh đ ợc tốc độ, đây là máy phát điện gió phổ biến nh t trong ngành công nghiệp năng l ợng gió Máy phát này có thể

v n hành nối với l ới hoặc v n hành độc l p

Tìm hiểu rõ hơn về mô hình hóa, điều khiển cũng nh phân tích trạng thái xác

l p c a máy phát này trong c hai mô hình v n hành là điều cần thiết để tối u hóa quá trình s n xu t điện năng từ gió và dự đoán chính xác kết qu c a quá trình đó

ng d ng kỹ thu t Fuzzy logic vào để điều khiển độc l p P và Q c a mô hình máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

1.1 T ngăquanăchungăv ănĕngăl ngă

Lịch sử phát triển c a xư hội loài ng i gắn liền với quá trình phát minh, chuyển đổi và sử d ng năng l ợng Th t khó hình dung b t kỳ một hoạt động có Ủ

th c nào c a con ng i lại không cần đến năng l ợng S n xu t và tiêu th năng

l ợng nh h ng và chịu nh h ng c a nhiều v n đề lớn c a xư hội nh môi

tr ng và sinh thái, chính sách và cơ s pháp lỦ, phát triển kinh tế và dân số, giao

l u quốc tế và th ơng mại hóa các nguồn năng l ợng, trình độ công nghệ và m c

độ công nghiệp hóa, hiện đại hóa c a từng quốc gia Một quốc gia khó tiếp c n với các nguồn năng l ợng thì đó sẽ là c n tr lớn đối với nền phát triển công nghiệp và kinh tế c a chính n ớc đó

Dân số tăng nhanh, nhu cầu cung c p năng l ợng ngày càng cao trong khi nguồn năng l ợng tr nên khan hiếm, làm tăng vọt giá mua nhiên liệu Trong bối

c nh giá dầu thế giới đang leo cao, nền công nghiệp nhiều n ớc bị tác động mạnh

và kéo theo các nh h ng về an ninh chính trị Hiện nay điện năng trên thế giới

ch yếu dựa vào nhiệt điện và th y điện nh ng hai loại này sử d ng sau th i gian dài đư bộc lộ mặt trái c a nó đối với môi tr ng Bên cạnh đó nguồn năng l ợng từ các nguồn hóa thạch thì ngày càng cạn kiệt theo th i gian, đồng th i việc đốt cháy các loại nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu khí) đư tr thành nguồn phát l ợng khí

th i nhà kính lớn nh t gây ra những biến đổi khí h u trên toàn cầu Còn nguồn điện hạt nhân lại không đ m b o an toàn và gây ra những hiểm họa khi x y ra sự cố nh phóng xạ, điển hình là sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima I sau tr n động đ t

và sóng thần Sendai 2011 Đến ngày 13 tháng 3 năm 2011, các sự kiện khác đư diễn

ra tại nhà máy điện Fukushima II 11,5 km về phía nam và nhà máy điện hạt nhân Onagawa

Ch ngă1:ăT NGăQUANăV ăNĔNGăL NGăGIÓă

5ă

Đ ng về khía cạnh kinh tế, năng l ợng lại là một trong những đề tài nóng bỏng nh t Hiện nay, trên nhiều diễn đàn những cuộc tranh lu n kéo dài cũng vì chung quanh việc tìm kiếm một nguồn năng l ợng “tốt nh t” trên các mặt kh năng sẵn có, chi phí khai thác, hiệu qu sử d ng, an toàn và có tính cạnh tranh Bên cạnh lĩnh vực th ơng mại thì h u qu c a hiện t ợng nóng lên toàn cầu, nh h ng ch t

th i phóng xạ, m a axit … đ ợc đặt lên bàn cân để xem xét trong các chính sách về năng l ợng Có thể nói đây là một công việc đầy khó khăn, thử thách, tốn nhiều th i gian, tiền bạc và công s c Điều này làm chúng ta ph i có kế hoạch khám phá ra những nguồn năng l ợng mới thay thế Các nguồn năng l ợng sạch là các nguồn năng l ợng đang đ ợc t p trung chú Ủ khai thác một cách sao cho đạt hiệu qu cao

nh t

1.2 Lịchăs ăphátătri nănĕngăl ngăgióă

Lịch sử phát triển c a thế giới loài ng i đư ch ng kiến những ng d ng c a năng l ợng gió từ r t sớm Năng l ợng gió liên quan đến cối xay gió và turbine gió, theo những tài liệu cổ còn giữ lại thì b n thiết kế đầu tiên c a chiếc cối xay gió hoạt động nh vào s c gió là bắt đầu vào kho ng năm 200 tr ớc Công Nguyên Ba T (Iran), b i nhà địa lí ng i Ba T Estakhri Cối xay gió đầu tiên là turbine tr c gió thẳng đ ng đ ợc làm từ 6 đến 10 cánh quạt bằng cỏ hay ch t liệu v i, những cối xay gió đư đ ợc sử d ng để bơm n ớc và nghiền lúa mì và các loại ngũ cốc khác và chúng có một chút khác biệt so với phiên b n cối xay gió có tr c nằm ngang Châu

Âu sau này Cối xay gió đư đ ợc sử d ng rộng rưi Trung Đông dùng s n xu t

l ơng thực thế kỷ 11 và sau đó các Ủ t ng này đ ợc phát triển sang Châu Âu vào kho n thế kỷ 13 Ng ợc với kiểu thiết kế tr c dọc c a ng i Ba T , ng i Châu Âu lại thiết kế kiểu tr c ngang [7]

Đan Mạch là quốc gia đầu tiên sử d ng gió để phát điện Đan Mạch đư sử

d ng một turbine gió đ ng kính 23m vào năm 1890 để tạo ra điện Đến năm 1910, hàng trăm turbine gió có công su t từ 5 đến 25 kW đư hoạt động Đan Mạch [7]

Hìnhă1.1: Cối xay gió Tây Ban Nha (Nguồn http://wikipedia.org)

Kho ng năm 1925, các nhà máy điện gió th ơng mại sử d ng hai và ba cánh quạt xu t hiện trên thị tr ng Mỹ Các th ơng hiệu phổ biến nh t là Wincharger (200 đến 1200 W) và Jacobs (1,5-3 kW) Chúng đ ợc sử d ng trong các trang trại

để sạc pin l u trữ và các pin này đ ợc sử d ng để v n hành các radio, đèn chiếu sáng, và các thiết bị nhỏ với các m c điện áp 12, 32 hay 110 volt Sau đó, C c Qu n

lỦ điện nông thôn (REA) đ ợc thành l p b i Quốc hội vào năm 1936 Các kho n vay lưi su t th p đ ợc cung c p để truyền t i và phân phối cần thiết có thể đ ợc xây dựng để cung c p điện cho nông dân Trong những ngày đầu c a REA, kho ng năm

1940, điện có thể đ ợc cung c p cho khách hàng nông thôn với chi phí 3-6 cent cho mỗi KWh Chi phí t ơng ng c a gió tạo ra điện là 12 đến 30 cent cho mỗi KWh đư bao gồm lưi su t, kh u hao, b o trì Điện năng s n xu t từ nhà máy trung tâm với chi phí th p hơn cộng với độ tin c y cao hơn d n đến sự s p đổ nhanh chóng c a các nhà máy phát điện gió [7]

Sau năm 1940, chi phí tạo ra điện tiếp t c gi m ch m với m c d ới 3 cent cho mỗi Kwh vào đầu những năm 1970 Điều này đư đ ợc thực hiện bằng cách sử d ng nhà máy với công su t lớn hơn và hiệu qu hơn Ngoài thế hệ máy phát điện gió cho

Ch ngă1:ăT NGăQUANăV ăNĔNGăL NGăGIÓă

Giữa năm 1941 và 1945 máy Smith-Putnam tích lũy kho ng 1100 gi hoạt động Dự án đư đ ợc xem xét và đ ợc xác định là một thành công kỹ thu t Tuy nhiên kinh tế không thể biện minh cho việc xây dựng máy móc nhiều hơn tại th i điểm đó Máy Smith-Putnam có thể đ ợc xây dựng trong kho ng 190$/Kw trong khi nếu bằng dầu và than có thể đ ợc mua vào năm 1945 chỉ với 125$/Kw Đây là một sự khác biệt quá lớn để biện minh cho các cổ đông, vì v y dự án đư đ ợc ngừng lại và máy phát điện gió đư bị tháo dỡ

Kết qu kỹ thu t c a tua bin gió Smith-Putnam khiến Percy H Thomas là một

kỹ s c a y ban điện liên bang đư tốn kho ng 10 năm với một phân tích chi tiết cho thế hệ điện gió Thomas sử d ng dữ liệu kinh tế từ máy Smith-Putnam và kết

lu n rằng máy lớn hơn là cần thiết để đạt kh năng về kinh tế Ông đư thiết kế hai máy lớn trong phạm vi kích th ớc ông c m th y là tốt nh t Một máy với công su t

là 6500 kW và máy th hai là 7500 kW Chiều cao tháp c a máy 6500 kW cao 145

m với hai roto mỗi rotor có đ ng kính 61 m Mỗi rotor điều khiển một máy phát điện dc S c mạnh dc đư đ ợc sử d ng để điều khiển một chuyển đổi đồng bộ dc/ac

và đ ợc kết nối với l ới điện

Thomas ớc tính chi phí đầu t cho máy c a mình vào kho ng 75$ cho mỗi

Kw lắp đặt M c chi phí này đ ợc xem là đ th p để đ ợc y ban điện liên bang

quan tâm và g i cho Quốc hội để tiến đến việc tài trợ Vào năm 1951 khi chiến tranh Triều Tiên đư bắt đầu thì Quốc hội đư quyết định không tài trợ cho các m u thử nghiệm Dự án sau này đư bị h y bỏ, điều này về cơ b n đánh d u sự kết thúc nghiên c u năng l ợng gió c a Mỹ trong hơn hai m ơi năm cho đến khi việc cung

Tiến sĩ Ulrich Hutter c a Đ c xây dựng một máy 100 KW vào năm 1957 Nó đạt công su t c a nó chỉ với tốc độ gió 8 m/s, th p hơn nhiều so với các máy nói trên Máy này sử d ng một cách gọn nhẹ với đ ng kính cánh quạt 35 m đ ợc làm

từ sợi th y tinh với cột tháp là một ống rỗng đơn gi n hỗ trợ bằng dây guy Góc c a cánh quạt sẽ thay đổi tùy vào tốc độ gió để giữ v n tốc các cánh quạt không đổi Tiến sĩ Hutter đư thu đ ợc hơn 4000 gi hoạt động công su t định m c đầy đ trong

11 năm tiếp theo, đây là một con số đáng kể cho một máy thử nghiệm Điều này đư đóng góp quan trọng cho việc thiết kế các tua-bin gió lớn hơn đ ợc thực hiện

Ch ngă1:ăT NGăQUANăV ăNĔNGăL NGăGIÓă

9ă

Hìnhă1.2: Lịch sử phát triển năng l ợng gió từ 1996 đến 2008 [15]

1.3 Tìnhăhìnhăphátătri năđi năgióă ăhi năt iăvƠătri năv ngătrongăt ngălai.ă

Theo báo cáo c a World Wind Energy Association đến th i điểm giữa 2013 thì trên toàn thế giới Công su t gió đạt gần 300 gigawatt Trong đó 14 GW công

su t lắp đặt mới trong nửa năm 2013 sau khi lắp đặt 16,5 GW vào năm 2012, công

su t điện gió toàn cầu đư đạt 296 GW, dự kiến cho c năm là 318 GW S t gi m đáng kể Mỹ làm d n đến gi m toàn cầu, một phần bù đắp bằng thị tr ng mới, Trung Quốc đư đạt tổng công su t 80 GW [15]

Hìnhă1.3: Tổng công su t lắp đặt từ 2010 ậ 2013 [MW] [15]

Công su t gió toàn cầu đư tăng 5% trong vòng sáu tháng (sau khi 7% trong cùng th i kỳ trong năm 2012 và 9% trong năm 2011) và 16,6% hàng năm (giữa năm 2013 so với giữa năm 2012) Trong khi đó, tốc độ tăng tr ng hàng năm trong năm 2012 là cao hơn đáng kể (19%) [15]

Đ ng đầu về thị tr ng gió năm 2013 là: Trung Quốc, Đ c, n Độ và V ơng quốc Anh [15]

Hìnhă1.4: Tổng công su t lắp đặt c a các n ớc [15]

Ch ngă1:ăT NGăQUANăV ăNĔNGăL NGăGIÓă

v sau lắp đặt Ngoài ra, chúng ta cũng ch a đ nh n th c về công nghệ, chi phí,

v n hành và ch a đ các số liệu về gió để có sự quy hoạch tổng thể…

1.4 Nh ngăthu năl iăvƠăkhóăkhĕnăc aăvi căs ăd ngănĕngăl ngăgióă

a Nh ngăthu năl i:ă

Năng l ợng gió là nhiên liệu sinh ra b i gió, vì v y nó là nguồn nhiên liệu sạch Năng l ợng gió không gây ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt điện dựa vào sự đốt cháy nhiên liệu than hoặc khí ga

Năng l ợng gió thuộc lĩnh vực công nghiệp mũi nhọn nên đ ợc đặc biệt u đưi Đ ợc sự hỗ trợ c a nhiều cơ quan ban ngành và các tổ ch c tín d ng

Năng l ợng gió có nhiều vùng Do đó nguồn cung c p năng l ợng gió c a

đ t n ớc thì r t phong phú Năng l ợng gió là một dạng năng l ợng có thể tái tạo lại đ ợc mà giá c lại th p do khoa học tiến tiến ngày nay Kho ng 4 đến 6 cent/KWh Điều đó còn tuỳ thuộc vào nguồn gió, tài chính c a công trình và đặc điểm c a công trình

Turbine gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì v y đó là một điều kiện kinh

tế cho các vùng nông thôn, là nơi tốt nh t về gió mà có thể tìm th y Những ng i nông dân và các ch trang trại có thể tiếp t c công việc trên đ t c a họ b i vì turbine gió chỉ sử d ng một phần nhỏ đ t trồng c a họ, ch đầu t năng l ợng gió chỉ ph i tr tiền bồi th ng cho những nông dân và ch các trang trại mà có đ t sử

d ng việc lắp đặt các turbine gió

Ch ngă1:ăT NGăQUANăV ăNĔNGăL NGăGIÓă

ph thuộc vào công nghệ và b o d ỡng sửa chữa c a n ớc ngoài

Ch a có các tiêu chuẩn áp d ng cho điện gió tại Việt Nam d n tới khó khăn trong việc c p ch ng nh n đầu t và thẩm định kỹ thu t dự án

Nh ợc điểm lớn nh t c a năng l ợng gió là sự ph thuộc vào điều kiện th i tiết và chế độ gió Vì v y khi thiết kế, cần nghiên c u hết s c chi tiết về chế độ gió, địa hình cũng nh loại gió không có các dòng rối (có nh h ng không tốt đến máy phát) Cũng vì những lỦ do có tính ph thuộc vào điều kiện môi tr ng nh trên, năng l ợng gió tuy ngày càng phổ biến và quan trọng nh ng ch a thể là nguồn năng l ợng ch lực

Một điểm cần l u Ủ nữa là kh năng các trạm điện gió sẽ gây ô nhiễm tiếng ồn trong khi v n hành, cũng nh có thể phá vỡ c nh quan tự nhiên và có thể nh

h ng đến tín hiệu vô tuyến nếu các yếu tố về kỹ thu t không đ ợc quan tâm đúng

m c Do v y, khi xây dựng các khu điện gió cần tính toán kho n cách hợp lỦ đến các khu dân c , khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực

Năng l ợng gió ph i cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông th ng một giá cơ b n Điều đó còn ph thuộc vào nơi có gió mạnh nh thế nào Vì thế nó đòi hỏi vốn đầu t ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khác Năng l ợng gió là một nguồn năng l ợng không liên t c và nó không luôn luôn có khi cần có điện Năng l ợng gió không thể dự trữ đ ợc và không ph i t t

c năng l ợng gió có thể khai thác đ ợc tại th i điểm mà có nhu cầu về điện Những nơi có năng l ợng gió tốt th ng những vị trí xa xôi cách thành phố, nhà máy, khu công nghiệp, đây là những nơi có nhu cầu về điện cao

1.5 Ti mănĕngăđi năgióăc aăVi tăNamă

Nằm trong khu vực c n nhiệt đới gió mùa với b biển dài, Việt Nam có một thu n lợi cơ b n để phát triển năng l ợng gió So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân c n cho th y gió tại biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa [9]

Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng l ợng gió không tr i đều trên toàn bộ lưnh thổ Với nh h ng c a gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau Trong

ch ơng trình đánh giá về năng l ợng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đư có một

kh o sát chi tiết về năng l ợng gió khu vực Đông Nam Á hình 1.7, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nh t Theo số liệu, tiềm năng gió c a Việt Nam (trên

độ cao 65 mét) r t kh quan, ớc đạt 513.360 MW t c là lớn hơn 200 lần công su t

c a th y điện Sơn La (2400 MW), và hơn 10 lần tổng công su t dự báo c a ngành điện vào năm 2020 Hai vùng giàu tiềm năng nh t để phát triển năng l ợng gió là Sơn H i (Ninh Thu n) và vùng đồi cát độ cao 60-100m từ phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thu n) Vùng này không những có tốc độ gió trung bình lớn, mà còn

có một thu n lợi là số l ợng các cơn bưo khu vực ít và gió có xu thế ổn định Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với v n tốc trung bình 6-7 m/giây, t c là v n tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công su t 3-3,5

mW c hai khu vực này, dân c th a thớt, th i tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng dân tộc đặc biệt khó khăn c a Việt Nam Ngoài ra, các vùng đ o ngoài khơi nh Bạch Long Vĩ, đ o Phú QuỦ, Tr ng Sa, … là những địa điểm gió có v n tốc trung bình cao, tiềm năng năng l ợng gió tốt, có thể xây dựng các trạm phát điện gió công su t lớn để cung c p năng l ợng điện cho dân c trên đ o T t nhiên,

để chuyển từ tiềm năng lỦ thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng

kỹ thu t, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là c một câu chuyện dài, nh ng điều đó không ngăn c n việc chúng ta xem xét một cách th u đáo tiềm năng to lớn

về năng l ợng gió Việt Nam [9]

Ch ngă1:ăT NGăQUANăV ăNĔNGăL NGăGIÓă

15ă

Hìnhă1.7: Tiềm năng về năng l ợng gió c a Đông Nam Á ( độ cao 65m) theo

Ngân hàng Thế giới

1.6 Cácăk tăqu ănghiênăc uătrongăvƠăngoƠiăn căđưăcôngăbốăă

a Cácăk tăqu ănghiênăc uătrongăn c:ă

- Đ a ra các phân bố gió và tiềm năng phát triển gió Việt Nam, số liệu nghiên

c u giúp xem xét đánh giá kh năng ng d ng phát điện gió Việt Nam ậ Tạ

Văn Đa, báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp bộ, Hà Nội 10-2006

- Áp d ng đ ợc ph ơng pháp thiết kế phi tuyến backstepping để điều khiển máy

điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát điện gió ậ Cao Xuân

Tuyển, Nguyễn Phùng Quang –Năm 2006

- Thiết kế bộ điều khiển hòa l ới cho máy phát điện s c gió sử d ng máy điện

c m ng nguồn kép DFIG ậ PGS TS Lại Khắc Lãi – Tạp chí Khoa học công

nghệ - Đại học Thái Nguyên số 10

- ……

b Cácăk tăqu ănghiênăc uăngoƠiăn c:ă

- Simulation and Analysis of a DFIG Wind Energy Conversion System with

Genetic Fuzzy Controller ậ B Babypriya, N Devarajan – International

Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE) ISSN: 2231-2307,

Volume-2, Issue-2, May 2012.ă

- Development of Optimal Controllers for a DFIG Based Wind Farm in a Smart

Grid Under Variable Wind Speed Conditions ậ Priyam Chakravarty, Student

Member, IEEE, and Ganesh Kumar Venayagamoorthy, Senior Member, IEEE

- Active Power Control Strategies of DFIG Wind Turbines ậ Noel A Janssens,

Senior Member, IEEE, Guillaume Lambin, and Nicolas Bragard – IEEE Power Tech 2007, Lausanne (Switzerland), 1-5 July 2007

- Study of a Simplified Model for DFIG-Based Wind Turbines ậ F K A Lima,

A Luna, P Rodriguez, E H Watanabe, M Aredes – IEEE, 2009

- Doubly fed induction generator systems for wind turbines ậ S Muller, M

Deicke, RIK W De Doncker, IEEE, 2002

- Ridethrough of Wind Turbines with Doubly-Fed Induction Generator During a

Voltage Dip ậ Johnan Morren, Sjoerd W.H de Haan - IEE transactions on

energy conversion, vol.20, no.2, June 2005

ă

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

17ă

C ăS ăLụăTHUY Tă

2.1 Cácălo iăturbineăgió:ă

Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng c a gió thành cơ năng Năng

l ợng này có thể đ ợc dùng trực tiếp nh trong tr ng hợp c a cối xay bằng s c gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng nh trong tr ng hợp máy phát điện bằng s c gió

Máy phát điện bằng s c gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nh ng thành phần quan trọng nh t v n là motor điện một chiều; loại dùng nam châm vĩnh cửu và cánh đón l y gió Còn lại là các bộ ph n khác nh : đuôi lái gió, tr c và cột để dựng máy phát, bộ ph n đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông d ng Máy phát điện turbine gió th ng sử d ng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết c u đơn gi n và phù hợp đặc điểm tốc độ th p c a turbine gió Các máy phát điện sử d ng năng l ợng gió th ng đ ợc xây dựng gần nhau

và điện năng s n xu t ra đ ợc hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có đ ợc nguồn điện phù hợp Việc sử d ng ắc quy để l u giữ nguồn điện phát ra chỉ sử d ng cho máy phát điện đơn lẻ và cung c p cho hộ tiêu th nhỏ (gia đình) Việc l u điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại th ng cho hiệu su t th p hơn và chi phí cao cho bộ l u điện tuy nhiên có u điểm là ổn định đầu ra Ngoài ra còn có một cách

l u trữ năng l ợng gió khác Ng i ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng l ợng gió sẽ đ ợc tích trữ trong hệ thống r t nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ đ ợc lần l ợt bung ra để xoay động cơ v n hành máy phát điện Quá trình nạp khí và x khí đ ợc luân phiên giữa các bình, bình này đang

t c

Hiện nay có 2 kiểu turbine phổ biến,đó là loại tr c ngang và loại tr c đ ng

Tr c ngang là loại truyền thống nh hình trên, còn tr c đ ng là loại công nghệ mới, luôn quay ổn định với mọi chiều gió

Hìnhă2.1: Phân loại turbine gió 2.2 Cácălo iăc uăhìnhăturbineăgióăk tănốiăvƠoăl iăđi nă

Turbine gió khi kết nối vào l ới điện ph thuộc vào loại máy phát điện và bộ biến đổi điện tử công su t (PE) sử d ng cho máy phát đó Các c u hình turbine gió

có thể đ ợc chia thành ba dạng sau khi dựa vào ng d ng c a các bộ biến đổi PE trong WECS:

- Kết nối thông qua một phần c a các bộ PE

- Kết nối thông qua toàn bộ c a bộ biến đổi PE

- Không có b t kỳ bộ biến đổi PE nào khi kết nối trực tiếp vào l ới điện Một số c u hình đư đ ợc sử d ng trong hệ thống biến đổi năng l ợng gió nh sau:

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

19ă

2.2.1 Máyăphátăđi năkhôngăđ ngăb ăngu năképă(DFIG)ă

Hình thể hiện c u hình DFIG và bộ biến đổi điện tử công su t (PE) dùng kết nối rotor dây qu n tới l ới Với c u hình này có thể m rộng đ ợc phạm vi tốc độ hoạt động c a Turbine mà không làm nh h ng đến hiệu su t do một

l ợng công su t đ ợc c p ng ợc lên l ới qua bộ chuyển đổi thay vì tiêu tán nó trên điện tr c a rotor

Hìnhă2.2: Turbine gió với DFIG

Trong máy phát điện không đồng bộ nguồn kép với Pnom là công su t định

m c c a máy phát và s là hệ số tr ợt cực đại thì l ợng công su t định m c c a

bộ biến đổi công su t là (s.Pnom) Hệ số tr ợt s này có thể âm hoặc d ơng vì công su t rotor có thể âm hoặc d ơng do tính ch t hai chiều c a bộ biến đổi công su t Ví d , với giá trị công su t bộ converter bằng 10% l ợng công su t

c a máy phát, dưi điều khiển tốc độ là từ 90% đến 110% tốc độ đồng bộ Nghĩa là tại th i điểm tốc độ đạt 110% thì s = -0,1 và công su t từ rotor c p lên l ới Ng ợc lại nếu tốc độ đạt 90% thì s = +0,1 nên 10% công su t sẽ đ ợc

c p từ l ới đến rotor qua bộ converter Với đặc tính kiểm soát với một phạm

vi lớn hơn nh ng thiệt hại lại nhỏ hơn nên c u hình DFIG này đ ợc quan tâm nhiều hơn c u hình WRIG

(BDFIG)ă

Hìnhă2.3: Turbine gió với BDFIG

Trong c u hình WRIG và DFIG thì đều sử dung máy phát điện không đồng

bộ rotor dây qu n nên cần đến vành tr ợt và chổi quét để kết nối với rotor Vì

v y gây ra v n đề về cơ và tổn th t về điện Để gi i quyết v n đề này thì một

gi i pháp đ ợc đ a ra trong BDFIG mà không cần đến chổi quét Trong sơ đồ này cuộn dây stator sẽ đ ợc kết nối trực tiếp lên l ới, trong khi các cuộn dây

ph 03 pha đ ợc nối lên l ới thông qua bộ chuyển đổi PE Bằng cách điều khiển các cuộn dây ph này một cách thích hợp thì ta có thể điều khiển đ ợc máy phát điện không đồng bộ mọi tốc độ khác nhau Ngoài ra trong c u hình này một phần nhỏ c a công su t sẽ đ ợc c p đến bộ converter

2.2.3 Máyăphátăđi năđ ngăb ănamăchơmăvĩnhăc uă(PermamentăMagnetă SG)ă

Hìnhă2.4: Turbine gió với PMSG

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

21ă

Trong c u hình này hệ thống truyền động trực tiếp và bộ kích từ là nam châm vĩnh cửu Tr ớc đây do giá v t liệu nam châm đắt nên giá thành c u hình này khá cao, tuy nhiên với sự phát triển c a khoa học kỹ thu t nên v t liệu không còn là v n đề và kh năng về từ tính c a nam châm cũng đ ợc c i thiện đáng kể Một nh ợc điểm khác c a PMSG là không có kh năng điều khiển kích từ c a nó

Với c u hình SG, vì máy phát đ ợc kết nối với l ới điện thông qua bộ chuyển đổi PE, do đó việc truyền t i công su t đến l ới ph i thông qua các bộ

PE này nên sẽ có một l ợng công su t bị tổn th t Tuy nhiên, c u hình này sẽ giúp c i thiện hiệu su t Một đặc điểm chung c a các c u hình SG là điều khiển công su t tác d ng và ph n kháng giữa l ới và máy phát một cách dễ dàng và nhanh Ngoài ra máy phát đ ợc cách ly với l ới điện thông qua một t điện liên kết một chiều (dc-link)

2.3 CácăthƠnhăph năchínhăc aăh ăthôngăturbineăgióăậăDFIGă

Hệ thống turbine gió - DFIG cơ b n bao gồm: Máy phát DFIG, turbine gió với

hệ truyền động, bộ biến đổi phía rotor (RSC), bộ biến đổi phía stator (GSC), bộ điều khiển b ớc răng, máy biến áp và hệ thống b o vệ nh hình sau:

Hìnhă2.5: Các thành phần chính c a hệ thống turbine gió ậ DFIG

độ tiêu th hoặc phát công su t ph n kháng Đồng th i bộ biến đổi AC/DC/AC là

bộ biến đổi PWM cơ b n sử d ng công nghệ PWM sóng sin nên gi m đ ợc sóng hài cho hệ thống

Hơn nữa bộ điều khiển c a DFIG cho phép biến đổi tối đa năng l ợng từ gió khi tốc độ gió th p bằng cách tối u hóa tốc độ c a turbine trong khi tối thiểu hóa

ng su t cơ học trên turbine trong suốt đợt gió Việc tối u hóa tốc độ turbine khi có tốc độ gió làm sinh ra cơ năng trên tr c lớn và tỷ lệ với tốc độ gió

Stator đ ợc nối với l ới và rotor đ ợc nối với bộ biến đổi AC/DC/AC thông qua vành tr ợt và chổi than cho phép DFIG hoạt động nhiều tốc độ khác nhau để đáp ng đ ợc sự thay đổi c a tốc độ gió

Công su t điện từ có thể ch y theo hai h ớng là từ rotor tới nguồn hoặc từ nguồn vào rotor và do đó tốc độ c a máy phát có thể đ ợc điều khiển từ c hai phía rotor hoặc stator trên hoặc d ới tốc độ đồng bộ Kết qu , DFIG có thể đ ợc điều khiển nh một máy phát hoặc nh một động cơ Nếu d ới tốc động đồng bộ DFIG chế độ động cơ và trên tốc động đồng bộ DFIG chế độ máy phát, RSC hoạt động nh bộ chỉnh l u và GSC hoạt động nh bộ nghịch l u, và công su t điện từ

tr về stator Ng ợc lại, d ới tốc động đồng bộ DFIG chế độ máy phát và trên tốc động đồng bộ DFIG chế độ động cơ, RSC hoạt động nh bộ nghịch l u và GSC hoạt động nh bộ chỉnh l u, và công su t điện từ cung c p cho rotor Tại tốc độ đồng bộ thì DFIG hoạt động nh máy phát điện đồng bộ

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

23ă

M c cao nh t là tối u hóa hệ thống biến đổi năng l ợng gió, đó tốc độ c a turbine gió đ ợc thiết l p để có thể tối u năng l ợng gió M c điều khiển này là điều khiển hệ thống cơ M c điều khiển th p hơn là điều khiển hệ thống điện, điều khiển mômen và công su t ph n kháng Hệ thống điều khiển cơ hoạt động ch m hơn so với hệ thống điều khiển điện

2.4 Địnhănghĩaăv ămôăhìnhăvƠămôăph ngă

có thể x y ra trong hệ thống thực và kết qu là mô hình không giúp hiểu biết hơn về hệ thống thực nh mong muốn Nếu có quá nhiều chi tiết trong mô hình, nó có thể tr nên r t ph c tạp, không làm phát triển trình độ hiểu biết sâu sắc hơn mà con ng i tìm kiếm và th t sự c n tr quá trình nghiên c u Điều quan trọng cần l u Ủ là nếu một ng i xây dựng mô hình với dự định bắt

ch ớc nó, thì mỗi b ớc thay đổi chi tiết ph i t ơng đối nhỏ, và mỗi lần thay đổi ph i thực hiện mô phỏng lại [1]

b Môăph ngă

Mô phỏng là một ngành khoa học giúp cho con ng i hiểu biết thêm về sự

t ơng tác giữa các yếu tố c u thành một hệ thống, cũng nh toàn bộ hệ thống

đ ợc thông qua b t kỳ ngành khoa học nào khác

Mô phỏng là sự v n động c a một mô hình nh cách hoạt động theo th i gian và không gian bên trong hệ thống thực mà mô hình này đại diện Vì v y,

mô phỏng cho phép biết đ ợc sự tác động qua lại bên trong hệ thống nh sự tách biệt theo th i gian hoặc không gian

Một cách tổng quát, mô phỏng là sự lặp lại và phát triển c a mô hình Một

ng i xây dựng một mô hình, mô phỏng nó, nghiên c u quá trình mô phỏng, sửa đổi mô hình và tiếp t c mô phỏng cho đến khi thu đ ợc một m c độ hiểu biết đầy đ từ mô hình [1]

2.5 uănh căđi măvƠăm căđíchăxơyădựngămôăhìnhăđ ngă

a uăđi m:ă khi xem xét các ph ơng trình động trong hệ quy chiếu 3 pha cố

định

- Tính toán chính xác các đại l ợng theo th i gian

- Xem xét đầy đ các mối quan hệ giữa điện và cơ

- Xét các yếu tố t ơng hỗ giữa rotor và stator

- Thể hiện sự đối x ng c a 3 pha nên phân tích đ ợc lỗi máy khi máy m t tính đối x ng

b Nh căđi m: Khi xây dựng định nghĩa các ma tr n và vector

- Tính toán ph c tạp có tổng trên b y biến

- Các tham số ph ơng trình [Lsr] thay đổi theo th i gian d n đến các biến số thay đổi

- Ch a thể hiện chính xác hết vì khi máy hoạt động thực tế thì nhiệt độ sẽ tăng d n đến điện tr thay đổi làm các thông số trong máy thay đổi

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

25ă

c M căđíchăxơyădựngămôăhìnhăđ ngă

- Cần mô hình động để điều khiển t c th i và dự báo tính toán tr ớc đáp ng

c a máy trong các tr ng hợp

- Xây dựng mô hình động máy điện giúp ta mô phỏng mọi chế độ

- Khi gặp các máy bên trong nó ta không biết nh ng dùng mô hình động phân tích các hoạt động c a máy Từ các thiết bị đo đạt ta thu th p dữ liệu

để phân tích kết qu đúng hoặc sai

2.6 Môăhìnhăđ ngăc aămáyăđi năkhôngăđ ngăb ă

Máy điện không đồng bộ đ ợc gi định nh sau:

- Ba pha cân bằng

- Nối Y

- Khe h không khí đ ợc xem là đều

- Bỏ qua tổn hao sắt từ và bưo hòa từ

Hìnhă2.6: Sơ đồ c u trúc chung c a máy điện không đồng bộ

(θ: là vị trí góc t c th i c a Rotor) Các ph ơng trình động trong hệ quy chiếu ba pha cố định

cos +coscos +

cos +cos +cos

(2.10)

- Ma tr n điện c m stator

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

Lợi ích c a hệ quy chiếu quay d-q này giúp ta có đ ợc mô hình động c a máy

mà tham số không thay đổi theo th i gian, còn các yếu tố thay đổi theo th i gian trong ph ơng trình động c a máy thì đ ợc chuyển qua các hệ quy chiếu

abc  dqO

Hệ quy chiếu dqO gồm 3 tr c, tr c d, tr c q và tr c O vuông góc với nhau nh hình 2.7 Vì 3 pha đối x ng nên mặt abc và ABC cùng thuộc một mặt phẳng

2.7 Ph ngătrìnhăchuy năđ iăh ăquyăchi uă

2.7.1 Mốiăquanăh ăgi aăh ăthốngăbaăphaăvƠăh ăthốngăhaiăphaă

Ph ơng pháp chuyển đổi này giúp các ph ơng trình mô phỏng hệ thống đơn

gi n hơn và thu n tiện để xây dựng mô hình toán cho các bộ điều khiển

Dựa trên lỦ thuyết vectơ không gian, các đại l ợng điện từ ba pha c a động cơ

đ ợc biểu diễn thành những vectơ không gian quay quanh một hệ tr c toạ độ vuông góc đặt đồng tr c với hệ tọa độ ba pha Tr c thực kí hiệu là α đặt trùng với tr c chuẩn pha a, tr c o kí hiệu là β đặt vuông góc với tr c α Theo định nghĩa vectơ không gian ta biến đổi ba thành phần c a ba pha thành một đại l ợng vectơ duy

nh t quay trong hệ tạo độ α-β với tốc độ bằng với tốc độ đồng bộ c a từ tr ng quay c a động cơ Hệ tọa độ này còn đ ợc gọi là hệ tọa độ α-β

Hìnhă2.8: Nguyên lỦ vectơ không gian

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

2.7.2 Mốiăquanăh ăgi aăh ătr căt aăđ ătĩnhăvƠăh ătr căt aăđ ăquayă

Một vectơ trong hệ tr c toạ độ tĩnh αβ chuyển sang hệ tr c toạ độ quay đồng bộ định h ớng b i góc θd = ωd.t + φ , với ωd là v n tốc góc, t là th i gian và φ là góc ban đầu, ph ơng trình đ ợc đ a ra:

Chuyển sang mô t d ới dạng ma tr n:

(2.20)

Hìnhă2.9: Mối quan hệ giữa hai hệ tr c tạo độ αβ và dq

Tr ng hợp chuyển ng ợc lại từ dq sang αβ ta sử d ng công th c:

Chuyển sang mô t d ới dạng ma tr n:

= cossin − sincos (2.25)

2.7.3 Mốiăquanăh ăgi aăh ătr căt aăđ ătĩnhăabcăvƠăh ătr căt aăđ ăquayădqă

Công th c chuyển từ hệ tr c tọa độ abc sang hệ tr c tọa độ dq:

Công th c chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ abc:

2.8 Ph ngătrìnhătoánămáyăđi năkhôngăđ ngăb ăngu năképăDFIGă

Máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG b n ch t là máy phát điện không đồng bộ rotor dây qu n Ph ơng trình toán mô phỏng máy điện này và máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thông th ng giống nhau Ngoại trừ điện áp rotor thì khác không đối với máy điện rotor dây qu n và bằng không đổi với máy điện rotor lồng sóc vì mạch rotor ngắn mạch [8]

(2.26)

Ch ngă2:ăC ăS ăLụăTHUY Tă

Trong đó: : Góc điện c a rotor; , : từ thông stator và rotor t ơng ng

đ ợc mô t qua 2 ph ơng trình: