LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 9 năm 2012 Châu Minh Đa ̣o ii LỜI CẢM TẠ Đề tài này đƣợc thực hiện theo chƣơng trình đào tạo thạc sĩ tại Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn quí thầy cô đã tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em nghiên cứu thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy PGS. Nguyễn Hƣ̃u Phúc đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hƣớng dẫn em hoàn thiện đề tài này. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô khoa điện – điện tử Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã khích lệ, đôn đốc và giám sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Rất cảm ơn trƣớc sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp cao học ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa 2010B, cám ơn vì sự đóng góp những ý kiến bổ ích qua những cuộc thảo luận của tập thể lớp.
Xin gửi lời tri ân đến gia đình và những ngƣời thân vì đã luôn ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này. Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn. Học viên Châu Minh Đa ̣o iii TÓM TẮT Trong luâ ̣n văn này các vùng làm việc khác nhau của máy phát không đồng bộ cấ p nguồ n hai phía (DFIG) của turbine gió (WT), trên quan điểm về tốc độ rôto, công suất phát, tỉ số tố c đô ̣ đầu cánh (tip speed ratio TSR) λ và góc nghiêng β của cánh quạt WT, đã đƣợc khảo sát và giới thiê ̣u. Sau đó, một thuật toán điều khiển mới đƣợc đề xuất nhằm lấy đƣợc công suất cực đại có từ năng lƣợng gió, dựa trên sự khác biệt giữa tố c đô ̣ quay t ối ƣu và tốc độ quay thực tế của trục turbine.
Thuật toán đƣợc thực hiện trong các chƣơng trình mô phỏng sử dụng phần mềm PSCAD. Các kết quả của phƣơng pháp đề xuất sau đó đƣợc so sánh với các số liệu thực tế của máy Nordex N80/2500 KW cho thấy tính đúng đắn và các ƣu điểm của phƣơng pháp đề xuất. ABSTRACT In this thesis In this paper, different operational regions of doubly fed induction generator (DFIG)- based wind turbine (WT), from the viewpoints of rotor speed, generated power, tip speed ratio λ and angle of blades β of the WT's rotor, are studied and classified. Then a new control algorithm for maximum wind power point tracking (MPPT) and extraction, based on the difference between optimum and current rotational speed of the shaft of WT, will be proposed.
The algorithm is implemented in control schemes and carried out in terms of various operational conditions of wind speed in PSCAD software environment. The results obtained are then compared with the actual data of Nordex N80/2500 KW for validation of the proposed method. This comparison is done based on the speed of operation and quality of generated power and the results show the advantages of the proposed method. iv MỤC LỤC TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân.
i Lời cam đoan .ii Cảm tạ. iv Mục lục. v Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 ̣ TỔNG QUAN .2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU .5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U .6 KẾ HOẠCH THƢ̣C HIÊ ̣N .7 GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI .8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN. 4 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ .1 NĂNG LƢỢNG GIÓ .1 Hiê ̣u chin̉ h theo nhiê ̣t đô ̣ cho mâ ̣t đô ̣ không khí .2 Hiê ̣u chỉnh theo độ cao so với mực nƣớc biể n cho mâ ̣t đô ̣ không khí .2 ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ CAO THÁP .3 ̣ SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁNH QUA ̣T .1 Hiê ̣u suấ t lớn nhấ t của cánh qua ̣t .2 Đƣờng cong công suất turbine gió lý tƣởng .4 KIỂM SOÁ T TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI .1 Sƣ̣ ảnh hƣởng của tốc độ cánh quạt thay đổi .2 Các giải pháp kiể m soát tố c đô ̣ .1 Thay đổ i số cƣ̣c máy phát .2 Hô ̣p số nhiề u cấ p .3 Máy phát cảm ứng hệ số trƣợt thay đổi .4 Các hệ thống kế t nố i lƣới gián tiế p .5 CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH TRONG GIÓ .1 Biể u đồ tầ n số gió không liên tu ̣c .2 Hàm số mật độ xác suất vâ ̣n tố c gió .3 Thố ng kê Weibull và Rayleigh .4 Công suấ t trung bình trong gió với thống kê Rayleigh .6 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ .1 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ cố đinh .2 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣợng gió tốc độ thay đổi .1 Hê ̣ thố ng biế n đổ i toàn bô ̣ công suấ t (FRC-fully rated converter) .2 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ thay đổ i sƣ̉ du ̣ng DFIG.
28 Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG 3.2 ƢU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG DFIG .3 VECTOR KHÔNG GIAN .1 Vector không gian .2 Biể u diễn công suấ t theo vector không gian .4 CÁC PHÉP CHUYỂN ĐỔI HỆ QUI CHIẾU .1 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu abc sang hê ̣ qui chiế u αβ .2 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu cố định αβ sang hê ̣ qui chiế u quay dq .3 Phép chuyển đổi Park .5 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG .1 Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ tiñ h αβ .2 Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ dq. 42 Chƣơng 4: KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT) 4.2 CÔNG SUẤT KHÍ ĐỘNG HỌC .3 CÁC VÙNG LÀM VIỆC .2 Vùng II .3 Vùng III .4 Vùng IV .4 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MPPT .2 Vùng II .3 Vùng III .4 Vùng IV. 53 Chƣơng 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRONG PSCAD VÀ KẾT QUẢ 5.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ KẾT NỐI LƢỚI ĐIỆN .2 XÂY DƢ̣NG MÔ HÌNH TURBINE GIÓ .1 Khố i WIND PARK .1 Mô tả chƣ́c năng .2 Các tín hiệu ngõ vào .2 KHỐI MÁ Y PHÁ T .2 Các thông số ngõ vào .3 Các thông số ngõ ra .1 Rotor side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá rotor).2 Gride side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá lƣới) .3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .1 Giới thiê ̣u tổ ng quan WT Nordex N80/2500Kw .2 Vâ ̣n tố c gió tăng thêm 2m/s .3 Vâ ̣n tố c gió giảm đi 2m/s .4 Kế t quả tổ ng hơ ̣p cho vâ ̣n tố c gió tƣ̀ cut in đế n cut out và so sánh với Nordex N80/2500Kw.5 Nhâ ̣n xét kế t quả mô phỏng. 72 Chƣơng 6: KẾT LUẬN 6.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT TRONG LUẬN VĂN .2 ĐỀ XUẤT NHỮNG HƢỚNG NGHIÊN CƢ́U TIẾP THEO.
73 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 74 viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT DFIG Doubly Fed Induction Generator DFIM Doubly Fed Induction Machine FOC Field Oriented Control FRC Fully Rated Converter GSC Grid Side Converter IG Induction Generator MPPT Maximum Power Point Tracking PI Proportional Integral p.u Per Unit PWM Pulse Width Modulation RMS Root Mean Square RSC Rotor Side Converter SG Synchronuos Generator TSR Tip Speed Ratio VSC Voltage Source Converter WECS Wind Energy Convertion System Chỉ số trên s, e Hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq T Chuyển vị của ma trận, véctơ Chỉ số dƣới max, min maximum, minimum ref, Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt KÝ HIỆU vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr điện áp pha stator và rotor ix ias, ibs, ics, iar , ibr , icr dòng điện stator và rotor ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr từ thông stator và rotor vαs, vβs, vαr, vβr điện áp stator và rotor theo trục α,β iαs, iβs, iαr, iβr dòng stator và rotor theo trục α,β ψαs, ψβs, ψαr, ψβr từ thông stator và rotor theo trục α,β vds, vqs, vdr, vqr điện áp stator và rotor theo trục d,q ids, iqs, idr, iqr dòng stator và rotor theo trục d,q ψds,ψqs,ψdr ,ψqr từ thông stator và rotor theo trục d,q Udc điện áp dc-link Rs, Rr điện trở dây quấn stator và rotor Lls, Llr điện cảm tản stator và rotor Ls, Lr điện cảm stator và rotor Lm điện cảm từ hóa 𝜔g rated tốc độ đồng bộ của máy phát 𝜔g là tốc độ làm việc của máy phát. ωr tốc độ cánh quạt kT tỷ số vòng dây stator và rotor Te,Tm mômen điện từ và mômen cơ p số cặp cực từ J,H mômen quán tính và hệ số quán tính rotor v, vd vận tốc gió trƣớc, sau cánh quạt vb vâ ̣n tố c qua mă ̣t phẳ ng cánh qua ̣t R, A bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin ρ, Cρ mật độ không khí và hiệu suất rotor λ, β Tip speed ratio và góc pitch x DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo nhiê ̣t đô ̣ 7 Bảng 2.2: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo áp suấ t (đô ̣ cao so với mƣ̣c nƣớc biể n ) 9 Bảng 2.3: Hê ̣ số ma sát theo điạ hin ̀ h.4: Đặc tính gồ ghề dùng cho biểu thức (2.1: Thông số WT Nordex N80(2,5MW).2: Kết quả mô phỏng.3: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW. 69 xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG 2 ◦ Hình 2.1: Công suất gió trên 1 m mặt cắt ngang tại 15 C và 1 atm.2: Mối quan hệ giữa áp suất không khí và độ cao so với mặt biển.3: (a) tỷ số vận tốc gió theo đô ̣ cao và (b) tỷ số công suất so với độ cao.4: Đặt tính gió đi qua cánh quạt 13 Hình 2.5: Đặc tính hiệu suất cánh quạt.6: Đặc tính hiệu suất cánh quạt theo TSR.7: Góc nghiên của cánh qua ̣t.8: Hiệu suất Cp (λ, β) 17 Hình 2.9: Công suất WT phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin 18 Hình 2.10: Đƣờng cong công suất lý tƣởng của tuabin gió.11: Đặc tính hiệu suất Cp theo tố c đô ̣ quay của cánh qua ̣t.12: Đặc tính công suất thu đƣợc theo tốc độ quay cánh quạt.13: Biể u đồ vâ ̣n tố c gió tính theo giờ trên năm.14: Hàm số mật độ xác suất vận tốc gió (pdf).15: Hàm mật độ xác suất Weibull 25 Hình 2.