Điều khiển hệ thống điện gió nối lưới sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

GIỚI THIỆU

Khái quát về hệ thống điện gió

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng gia tăng, buộc con người phải sản xuất nhiều năng lượng hơn để đáp ứng Theo số liệu năm 2013, nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên vẫn chiếm hơn 78% tổng năng lượng tiêu thụ, trong khi năng lượng tái tạo mặc dù phát triển mạnh mẽ hàng năm, nhưng chỉ chiếm 19%.

Hình 1.1 Tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới năm 2013 [1]

Nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường và phát thải CO2, dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu, thủng tầng ozone, băng tan ở hai cực và mực nước biển dâng cao, đe dọa nhiều vùng đất Hơn nữa, nguồn nhiên liệu hóa thạch trên trái đất có hạn và sẽ cạn kiệt trong tương lai gần Mặc dù năng lượng hạt nhân không gây ô nhiễm như nhiên liệu hóa thạch, nhưng nguy cơ rò rỉ phóng xạ vẫn là mối lo ngại lớn Ngược lại, năng lượng tái tạo không chỉ bảo vệ môi trường mà còn là nguồn năng lượng vô tận Tuy nhiên, chi phí sản xuất năng lượng tái tạo hiện vẫn cao và cần phát triển cơ sở kỹ thuật để thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch.

Theo khảo sát năm 2009, 13 nguồn nhiên liệu trên thế giới đã được đánh giá về tiềm năng của chúng Kích thước các vòng tròn trong biểu đồ thể hiện mức độ tiềm năng của từng nguồn năng lượng Năng lượng tái tạo được tính theo hằng năm, trong khi than đá, uranium, dầu mỏ và khí tự nhiên được đánh giá dựa trên toàn bộ trữ lượng hiện có.

Hình 1.2 Tiềm năng năng lượng thế giới [2]

Như có thể thấy trên Hình 1.2, tiềm năng từ năng lượng mặt trời là rất lớn với hơn

Năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn, với tổng cộng 23.000 TW mỗi năm, nhưng hiện tại con người chỉ khai thác một phần nhỏ trong nguồn năng lượng này Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió đứng thứ hai với tiềm năng từ 25-70 TW mỗi năm, sau năng lượng mặt trời Các nguồn năng lượng khác bao gồm vật liệu sinh học (2-6 TW mỗi năm), nước và địa nhiệt Năng lượng gió không chỉ có tiềm năng cao mà còn là một trong những nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất, với chi phí sản xuất ngày càng hợp lý, có khả năng cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống.

Năng lượng gió đã được sử dụng hàng trăm năm cho nhiều mục đích như xay xát, bơm nước và đi biển Việc phát điện từ gió bắt đầu từ cuối thế kỷ 19 với máy phát điện gió 12 kW DC Tuy nhiên, đến những năm 1980, công nghệ sản xuất điện gió đã phát triển mạnh mẽ, cải thiện hiệu suất và giảm chi phí Công suất của tuabin gió đã tăng từ vài kilowatt lên nhiều megawatt, và các tuabin lớn giờ đây không chỉ được lắp đặt trên đất liền mà còn được đưa ra biển để tận dụng tối đa năng lượng gió và giảm tác động đến môi trường.

1.1.1 Công suất lắp đặt và tỉ lệ tăng trưởng

Hình 1.3 Tổng công suất gió trên thế giới từ 1997-2014 [4]

Trong gần hai thập kỷ qua, tông công suất lắp đặt điện gió trên thế giới đã có sự phát triển liên tục và nhanh chóng, đạt 7600 MW vào năm gần đây Biểu đồ Hình 1.3 minh họa rõ nét xu hướng tăng trưởng mạnh mẽ của nguồn năng lượng tái tạo này.

Từ năm 1997 đến 2014, công suất điện gió đã tăng lên 369.000 MW và dự kiến sẽ tiếp tục gia tăng trong những năm tới Kể từ năm 2000, điện gió đã ghi nhận tỷ lệ tăng trưởng trung bình 25% mỗi năm, nhưng từ năm 2010, tỷ lệ này đã giảm xuống dưới 20%, với mức thấp nhất trong năm đó.

Hình 1.4 Mười nước có công suất điện gió hàng đầu thế giới [4]

Theo số liệu của GWEC (Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu) đến năm 2014, Trung Quốc dẫn đầu thế giới về công suất điện gió với hơn 114.000 MW, chiếm 31% tổng công suất điện gió toàn cầu.

Mỹ và Đức dẫn đầu thế giới về năng lượng điện gió với công suất lần lượt là 65.000 MW và 39.000 MW Tây Ban Nha, Ấn Độ và Anh cũng nổi bật trong lĩnh vực này, xếp ở vị trí thứ tư, thứ năm và thứ sáu Đáng chú ý, đến năm 2014, Việt Nam chỉ đạt 52 MW công suất điện gió.

1.1.2 Công suất của tuabin gió

Công suất tuabin gió biến đổi từ vài kilowatt cho các ứng dụng dân cư và thương mại đến hàng megawatt trong các cánh đồng gió lớn Các tuabin nhỏ và vừa, thường dưới 300 kW, được lắp đặt tại nhà, trang trại và doanh nghiệp để bù đắp lượng điện tiêu thụ từ lưới điện Những tuabin công suất nhỏ này có thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời và máy phát diesel, tạo thành hệ thống phát điện không nối lưới cho các khu vực xa xôi Kích thước của tuabin lớn đã tăng đáng kể qua các năm, từ tuabin 50 kW với đường kính rotor 15m vào những năm 1980 đến tuabin V164 công suất 8 MW với cánh quạt dài 80m vào năm 2015 Hiện nay, nhiều tuabin 10 MW cũng đang được thiết kế và xây dựng Sự gia tăng kích thước tuabin đồng nghĩa với việc tăng công suất đầu ra, vì năng lượng thu được tỉ lệ bình phương với bán kính rotor, đồng thời giảm chi phí phát điện, lắp đặt và bảo trì so với các tuabin nhỏ hơn có cùng mức công suất.

Hình 1.5 Công suất tuabin gió theo thời gian [5]

1.1.3 Ứng dụng nối lưới và không nối lưới

Tuabin gió có thể hoạt động như nguồn điện độc lập với công suất nhỏ, cung cấp điện cho các khu vực hẻo lánh như ngôi làng, trang trại và đảo nơi lưới điện không với tới hoặc chi phí cao Tuy nhiên, do tính không ổn định của điện gió, cần kết hợp với các nguồn điện khác như máy phát diesel, hệ thống điện mặt trời và hệ thống lưu điện để tạo thành một hệ thống phát điện đáng tin cậy hơn Do những hạn chế về ứng dụng, điện gió độc lập chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng công suất lắp đặt điện gió toàn cầu.

Phần lớn tuabin gió hiện nay kết nối trực tiếp với lưới điện, với công suất phát ra được đưa lên lưới ngay lập tức Các máy phát thường hoạt động ở mức điện áp vài trăm volt, điển hình là 690 V, và sử dụng máy biến áp để nâng điện áp lên hàng chục kilovolt, chẳng hạn như 35 kV cho trạm phụ tại cánh đồng gió Sau đó, điện áp này sẽ tiếp tục được tăng lên bằng máy biến áp tại trạm phụ trước khi được nối vào lưới điện.

Hình 1.6 Ví dụ một cánh đồng gió nối lưới

1.1.4 Ứng dụng trên đất liền và trên biển

Các cánh đồng gió công suất lớn thường được xây dựng trên đất liền do dễ thi công, chi phí bảo trì thấp và gần lưới điện Tuy nhiên, các cánh đồng gió trên biển cũng ngày càng phổ biến, chủ yếu vì thiếu nguồn gió phù hợp trên bờ, đặc biệt ở những khu vực đông dân cư Gió biển có tốc độ cao và ổn định hơn, giúp tuabin gió thu năng lượng hiệu quả hơn khi hoạt động trên biển nhờ vào tỉ lệ lập phương vận tốc gió Hơn nữa, việc phát triển năng lượng gió trên biển cũng giảm thiểu tác động môi trường như tiếng ồn và ảnh hưởng đến cảnh quan.

1.1.5 Chi phí của hệ thống chuyển đổi điện gió

Chi phí điện gió đã giảm đáng kể từ những năm 1980, khi giá điện gió đầu tiên là 0.3$/1kWh Đến giữa những năm 2000, giá này đã giảm xuống còn 0.07$ đến 0.12$ trên 1kWh Năng lượng gió hiện nay được coi là một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tính khả thi kinh tế nhất so với các nguồn năng lượng sạch khác như quang điện và nhiệt mặt trời Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chi phí sản xuất của từng nguồn năng lượng không phải là hằng số mà phụ thuộc vào công suất định mức, điều kiện hoạt động, vị trí và kỹ thuật sử dụng.

Hình 1.7 Khoảng giá của các loại năng lượng [7]

Bảng 1.1 trình bày chi phí các thành phần của một tuabin 2 MW điển hình, trong đó khoảng 75% tổng chi phí thuộc về tuabin, bao gồm cánh quạt, hộp số, máy phát, bộ điện tử công suất, đầu và tháp Các chi phí khác liên quan đến việc nối lưới, xây dựng nền móng, thuê đất, lắp đặt điện và xây dựng đường giao thông.

Bảng 1.1 Thành phần chi phí của tuabin 2 MW [8]

Thành phần Phần trăm tổng chi phí, %

Các chi phí tài chính 1.2

Xây dựng đường giao thông 0.9

Những thành tựu nghiên cứu trước đây

1.2.1 Điện tử công suất trong WECS Điện tử công suất được ứng dụng cho WECS từ những năm 1980, khi đó bộ khởi động mềm dùng thyristor được áp dụng cho hệ thống SCIG rotor nối trực tiếp với lưới [12] Bộ

Bộ khởi động mềm thyristor giúp giảm dòng khởi động, trong khi bộ điều khiển điện trở rotor xuất hiện vào những năm 1990 cho phép WRSG hoạt động với tốc độ thay đổi Mặc dù dải tốc độ chỉ giới hạn ở 10% so với tốc độ đồng bộ của máy phát, nhưng điều này vẫn nâng cao hiệu suất của tuabin gió Hiện nay, bộ chuyển đổi back-to-back được sử dụng phổ biến trong hệ thống WECS, bao gồm bộ chuyển đổi một phần công suất cho hệ thống DFIG và bộ chuyển đổi toàn bộ công suất cho hệ thống PMSG/SCIG/WRSG.

Hình 1.10 DFIG với bộ chuyển đổi một phần công suất [12]

Hình 1.11 Máy phát điện gió với bộ chuyển đổi toàn bộ công suất [12]

Bộ chuyển đổi back-to-back cho tuabin gió giúp tách biệt với lưới điện, điều chỉnh tốc độ hoạt động của máy phát và kiểm soát công suất thực cũng như phản kháng Thiết bị này cải thiện chất lượng điện năng và đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nhờ vào độ tin cậy cao Sự phát triển của công nghệ bán dẫn và điều khiển kỹ thuật số đã thúc đẩy sự tiến bộ của bộ chuyển đổi đa bậc.

24 triển và thương mại hóa trong những năm gần đây, giúp cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống phát điện gió.

Các bộ chuyển đổi công suất phổ biến nhất hiện nay có công suất từ 1.5-3.0 MW là bộ chuyển đổi điện áp back-to-back hai bậc (VSC) Hình 1.12 và 1.13 minh họa hai kiểu mẫu điển hình của VSC back-to-back hai bậc.

Hình 1.12 Bộ chuyển đổi back-to-back hai bậc với chỉnh lưu không điều khiển [12]

Hình 1.13 Bộ chuyển đổi back-to-back hai bậc với chỉnh lưu có điều khiển [12]

Bộ chuyển đổi back-to-back hai bậc được mô tả trong Hình 1.12 và Hình 1.13, với Hình 1.12 sử dụng bộ chỉnh lưu diode không điều khiển và mạch DC chopper, trong khi Hình 1.13 có bộ chỉnh lưu có điều khiển và bộ nghịch lưu điều khiển kết nối lưới Cả hai hình đều sử dụng IGBT làm khóa công suất, mặc dù IGBT không chịu được điện áp khóa cao như IGCT, nên chúng thường được ứng dụng ở điện áp thấp hoặc vừa trong VSC back-to-back hai bậc Để nâng cao cấp điện áp và công suất, cần có các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

25 suất trong VSC back-to-back hai bậc truyền thống, các khóa công suất được nối nối tiếp với nhau như trên Hình 1.14

Hình 1.14 VSC hai bậc với khóa công suất nối nối tiếp [15]

Mô hình kết nối khóa công suất cho phép chia điện áp và công suất trên từng IGBT, nâng cao điện áp và công suất cho bộ VSC hai bậc Việc sử dụng bộ nghịch lưu công suất cao hai bậc với IGBT mắc nối tiếp giúp bộ chỉnh lưu nhiều xung trở thành lựa chọn lý tưởng cho VSC back-to-back công suất cao Chỉnh lưu này giảm thiểu sóng hài ở dòng vào, mang lại lợi ích cho máy phát trong hệ thống tuabin gió Hình 1.15 minh họa cấu hình mạch chỉnh lưu 12, 18 và 24 xung.

Hình 1.15 Cấu hình mạch chỉnh lưu nhiều xung và dòng vào: (a) 12 xung, (b) 18 xung và

Mặc dù VSC sử dụng IGBT mắc nối tiếp để tăng điện áp và công suất, nhưng không cải thiện dv/dt hay chất lượng điện năng Vì lý do này, bộ chuyển đổi đa bậc đã được phát triển và thương mại hóa, trong đó hai loại phổ biến nhất là neutral-point clamped (NPC) và cascade H-bridge (CHB), cùng với flying capacitor và Active NPC, đã được nghiên cứu sâu Bài viết này sẽ tập trung vào hai loại NPC và CHB trong ứng dụng bộ chuyển đổi đa bậc.

A Bộ chuyển đổi NPC đa bậc

Bộ chuyển đổi NPC đa bậc, được giới thiệu từ những năm 1980, có thể có ba, năm, bảy bậc hoặc nhiều hơn, trong đó bộ ba bậc là phổ biến nhất trong công nghiệp Mỗi nhánh của bộ NPC ba bậc bao gồm bốn khóa công suất, được kết nối với các diode đến điểm giữa của bộ tụ Bộ chuyển đổi này cho phép áp dụng các phương pháp điều rộng xung truyền thống (PWM) và vì điện áp chuyển mạch trên các khóa công suất chỉ bằng một nửa điện áp DC, nó rất thích hợp cho điều khiển công suất cao với điện áp vừa từ 2.3 đến 4.16 kV.

Bộ chuyển đổi NPC sử dụng các khóa công suất chỉ dẫn một nửa điện áp DC, giúp giảm đáng kể dv/dt Với ba cấp điện áp, điện áp dây của bộ chuyển đổi này không chỉ giảm sóng hài mà còn nâng cao chất lượng điện năng Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của bộ chuyển đổi NPC là tổn thất công suất không đồng đều trên các khóa công suất, dẫn đến giảm độ tin cậy.

Hình 1.16 Bộ chuyển đổi NPC [19]

B Bộ chuyển đổi cascade H-Bridge

Khái niệm về bộ chuyển đổi cascade H-Bridge (CHB) được giới thiệu đầu tiên trong

[20] Sau đó trong những năm cuối 1990, bộ CHB được nghiên cứu và thí nghiệm trong

Bộ chuyển đổi năng lượng (CHB) bao gồm nhiều khối cầu H mắc nối tiếp, mỗi khối cầu H điển hình được thể hiện trong Hình 1.17 Việc kết nối các khối cầu này giúp tăng cường điện áp và công suất của bộ CHB Số lượng khối cầu cần thiết phụ thuộc vào điện áp hoạt động, yêu cầu về sóng hài và chi phí hệ thống Đặc biệt, một bộ CHB với k khối cầu có khả năng tạo ra 2k+1 cấp điện áp đầu ra, từ đó giảm sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng Tuy nhiên, nhược điểm của bộ CHB là yêu cầu nhiều nguồn DC cho các khối cầu H, dẫn đến chi phí cao hơn.

Hình 1.17 Một khối cầu CHB [19]

1.2.2 Điều khiển khí động lực của tuabin gió

Thiết kế khí động lực của cánh quạt tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa việc thu năng lượng từ gió Để đảm bảo an toàn, thiết kế cần giới hạn công suất và vận tốc quay của tuabin khi vận tốc gió vượt mức cho phép, nhằm giảm thiểu lực tác động lên các thành phần như cánh quạt, hộp số và trục Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tuabin lớn, do giới hạn an toàn hẹp hơn do yêu cầu về chi phí và kích thước.

1.2.2.1 Đặc tính công suất của tuabin gió

Đường cong công suất của tuabin gió thể hiện ba vận tốc gió quan trọng: vận tốc gió cắt vào, vận tốc gió định mức và vận tốc gió cắt ra Trong đó, PM là công suất cơ được phát bởi tuabin gió và vW là vận tốc gió, như được minh họa trong Hình 1.18.

Hình 1.18 Đặc tính công suất cơ tuabin gió theo tốc độ gió

Vận tốc gió cắt vào là mức gió tối thiểu để tuabin bắt đầu hoạt động và phát công suất, trong khi tốc độ gió định mức là điểm mà hệ thống đạt công suất danh định Tốc độ gió cắt ra là mức gió tối đa mà tuabin có thể hoạt động trước khi tự động ngừng hoạt động để tránh hư hỏng Khi gió vượt quá tốc độ cắt ra, tuabin sẽ dừng hoạt động để bảo vệ thiết bị.

Tuabin gió bắt đầu thu năng lượng khi đạt tốc độ gió cắt vào, với công suất thu được tỷ lệ với vận tốc gió cho đến khi đạt giá trị định mức Để cung cấp công suất lên lưới ở các tốc độ gió khác nhau, máy phát cần điều chỉnh hoạt động theo sự thay đổi của tốc độ gió Khi tốc độ gió vượt mức định, cần điều khiển công suất khí động lực của cánh quạt để duy trì công suất ở mức định Việc này được thực hiện qua ba kỹ thuật chính: điều khiển stall bị động, stall chủ động và pitch Đường cong lý thuyết cho thấy sự chuyển tiếp giữa đặc tính bậc ba và công suất cố định, nhưng các tuabin thực tế có chuyển tiếp mượt mà hơn.

1.2.2.2 Điều khiển công suất khí động lực: stall bị động, stall chủ động và pitch Điều khiển stall bị động Trong tuabin gió điều khiển stall bị động, cánh quạt được lắp cố định trên trục với góc cánh quạt tối ưu (định mức) Khi tốc độ gió thấp hơn hoặc bằng tốc độ định mức, cánh quạt với góc định mức thu được công suất lớn nhất có thể từ gió Khi tốc độ gió vượt giá trị định mức, gió mạnh gây ra sự hỗn loạn không khí trên bề mặt không đối diện gió của cánh quạt Kết quả là lực nâng bị giảm và cuối cùng biến mất khi tốc độ gió tăng, giảm tốc độ quay của tuabin Hiện tượng này gọi là stall Nguyên tắc hoạt động của điều khiển stall bị động được miêu tả trên Hình 1.19, 𝐹 𝑊,𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙 là lực nâng khi tốc độ gió cao hơn định mức, nhỏ hơn lực nâng định mức 𝐹 𝑊,𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 [23]

Hình 1.19 Stall bị động với tốc độ gió định mức và trên định mức

Ý nghĩa và cấu trúc của luận văn

Bài viết nghiên cứu và trình bày các giải thuật điều khiển hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) nhằm tối ưu hóa việc thu năng lượng cho hệ thống Các giải thuật này được áp dụng cho tuabin gió PMSG công suất 1.5 MW và đã được mô phỏng để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp điều khiển.

Chương đầu tiên cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống phát điện gió và sự tiến bộ của ngành công nghiệp điện gió Bên cạnh đó, bài viết cũng nêu bật những thành tựu quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến hệ thống tuabin gió và công nghệ điều khiển khí động lực của tuabin gió.

Chương 2 giới thiệu mô hình toán học của tuabin gió và PMSM Hai mô hình này là điều kiện tiên quyết để thiết kế các giải thuật điều khiển máy phát và phân tích các đặc tính xác lập của hệ thống chuyển đổi điện gió

Trong chương 3, bài viết phân tích các giải thuật điều khiển cho bộ chuyển đổi phía máy phát, đặc biệt là giải thuật tìm điểm công suất tối đa (MPPT) dựa trên điều khiển mô men tối ưu Ngoài ra, phương pháp định hướng từ thông (FOC) cũng được giới thiệu nhằm điều khiển vận tốc của máy phát.

Trong chương 4, phương pháp điều khiển định hướng điện áp (VOC) được phân tích nhằm điều chỉnh công suất thực và phản kháng của bơm vào lưới Việc áp dụng phương pháp VOC giúp cải thiện hệ số công suất lưới điện và nâng cao chất lượng điện năng bơm vào lưới.

Trong chương 5, các kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink được trình bày để kiểm chứng các giải thuật điều khiển

MÔ HÌNH HỆ THỐNG TUABIN GIÓ PMSG ROTOR NỐI TRỰC TIẾP

Mô hình của tuabin gió

Để xác định mức độ chuyển hóa năng lượng của tuabin gió, trước tiên cần tính toán năng lượng trong gió, được coi là động năng của các hạt không khí với tổng khối lượng m di chuyển với vận tốc V W Giả định rằng các hạt không khí di chuyển đồng nhất về vận tốc và hướng trước khi tác động lên cánh quạt, động năng trong gió có thể được tính theo một công thức cụ thể.

Động năng E của các hạt không khí chuyển động phụ thuộc vào tổng khối lượng m của chúng và tốc độ di chuyển V W (tốc độ gió) Tổng khối lượng m của các hạt không khí trong khoảng thời gian t được xác định dựa trên vận tốc V W mà chúng di chuyển.

Động năng của các hạt không khí trong tuabin gió được tính dựa trên mật độ không khí 𝜌, diện tích quét A của rotor và bán kính r của rotor Thay thế các công thức (2.2) và (2.1) vào tính toán, ta có thể xác định động năng một cách chính xác.

Từ (2.3), công suất gió tức thời được tính:

Công suất gió tỉ lệ với tốc độ gió mũ ba, nghĩa là sự gia tăng nhỏ trong tốc độ gió có thể dẫn đến sự tăng trưởng lớn về công suất Bên cạnh đó, công suất gió cũng có thể được cải thiện bằng cách tăng bán kính rotor của tuabin gió, vì công suất tỉ lệ bình phương với bán kính này Do đó, hiện nay, các tuabin gió đang được nghiên cứu và thiết kế với kích thước ngày càng lớn.

Công suất trong biểu thức (2.4) chỉ là công suất tối đa có thể đạt được khi gió với vận tốc V W đi qua diện tích quét của tuabin gió có bán kính r Tuy nhiên, chỉ một phần công suất này được tuabin gió thu nạp Năm 1919, nhà khoa học Albert Betz đã nghiên cứu sự chuyển động của không khí (gió) qua tuabin gió Ông chỉ ra rằng, sau khi tác động vào cánh quạt rotor, gió giảm tốc từ V W đến V W2, cho thấy vẫn còn động năng trong gió sau khi đi qua cánh quạt Mối quan hệ giữa công suất thu được và công suất tối đa của gió được thể hiện qua một biểu thức cụ thể.

Với P Turbine là công suất cơ thu được bởi tuabin gió, và Cp là hệ số công suất của tuabin gió được biểu diễn như sau [25]:

Công thức 𝑉 𝑊 (2.8) với 𝛽 là góc cánh quạt như trong Hình 2.1, λ là tỷ lệ tốc độ đầu trục cánh quạt, và ω 𝑚 là vận tốc góc của tuabin gió Các hệ số c 1 đến c 6 phụ thuộc vào loại tuabin gió được sử dụng.

(a) Lực nâng và lực kéo trên cánh quạt

(b) Các góc cánh quạt khác nhau

Hình 2.1 Sơ đồ góc cánh quạt của tuabin gió [26]

Góc cánh quạt là yếu tố quan trọng trong việc xác định cách gió tác động lên cánh quạt tuabin gió, với góc này là góc giữa trục cánh quạt và vector vận tốc gió Khi góc cánh quạt (𝛽) bằng 0, cánh quạt sẽ nhận được tác động mạnh nhất từ gió, giúp tuabin thu được công suất tối đa Để đạt hiệu suất thu năng lượng cao nhất, góc cánh quạt thường được đặt ở 0 khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió định mức Tuy nhiên, khi tốc độ gió vượt quá mức định mức, việc giữ góc cánh quạt ở 0 có thể dẫn đến việc hệ thống thu được công suất vượt quá công suất định mức, gây ra nguy cơ hư hỏng cho máy phát và các thiết bị công suất.

Hệ thống điều khiển góc cánh quạt theo các tốc độ gió khác nhau là rất cần thiết cho hiệu suất tối ưu của tuabin gió Công suất thu được từ tuabin gió có thể được điều chỉnh và cải thiện nhờ vào hệ thống này.

Mô hình máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) sử dụng nam châm vĩnh cửu để từ hóa, thay vì mạch kích từ DC, giúp giảm trọng lượng và tăng tỉ lệ công suất trên khối lượng, mang lại hiệu suất và độ tin cậy cao Với những ưu điểm này, PMSM trở thành lựa chọn lý tưởng cho tuabin gió Tuy nhiên, máy PM cũng gặp một số nhược điểm như bị khử từ ở nhiệt độ cao, khó sản xuất và chi phí vật liệu làm nam châm cao.

Máy điện PM được chia thành hai loại chính: máy PMDC và máy PMAC Máy PMDC tương tự như máy DC cổ góp, nhưng điểm khác biệt là cuộn kích từ được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu Trong khi đó, máy PMAC được phân loại dựa trên dạng EMF thành hai loại: hình thang và hình sin.

Máy hình thang, hay còn gọi là động cơ DC không chổi quét, tạo ra điện áp back-EMF hình thang trong mỗi cuộn dây pha stator khi quay Trong khi đó, máy PMAC hình sin, hay máy đồng bộ PM, yêu cầu dòng kích từ hình sin từ stator.

Tùy vào cấu trúc rotor mà máy đồng bộ PM được phân loại như sau:

Nam châm gắn trên bề mặt (SPMSM) là loại nam châm được lắp đặt trên rotor, với tính chất thẩm từ gần đồng nhất (𝜇 = 1) Trong trường hợp này, độ lồi không tồn tại do chiều rộng của nam châm là bằng nhau, dẫn đến tự cảm trên hệ tọa độ vuông góc bằng nhau (Lq=Ld).

Nam châm bên trong (IPMSM) là loại nam châm được lắp đặt trong rotor Cấu trúc này dẫn đến sự gia tăng độ lồi và khe hở không khí trục d so với trục q, từ đó làm cho tự cảm trục q và tự cảm trục d trở nên khác nhau.

Trường hợp SPMSM không có độ lồi nên dễ thiết kế, trở thành lựa chọn thích hợp cho tuabin gió

Hình 2.2 Phân loại máy điện nam châm vĩnh cửu [29]

2.2.2 Mô hình toán học của SPMSM

Phương trình điện áp stator ở dạng vector không gian:

𝑑𝑡λ 𝑎𝑏𝑐 𝑠 (2.10) Với R s là điện trở stator trên một pha, 𝐼 𝑎𝑏𝑐 𝑠 là dòng pha stator, 𝑉 𝑎𝑏𝑐 𝑠 là điện áp pha stator và λ 𝑎𝑏𝑐 𝑠 là từ thông liên kết

Để đơn giản hóa mô hình cho việc mô phỏng trên Matlab/Simulink, ta cần chuyển từ hệ trục abc sang hệ trục dq Trong hệ dq, trục q quay 90 độ so với trục d theo hướng quay như minh họa trong Hình 2.3.

Theo công thức biến đổi hệ trục, điện áp stator trên hệ trục dq được tính như sau:

Trong hệ trục dq, điện áp stator được biểu diễn bằng các đại lượng 𝑣 𝑑𝑠 và 𝑣 𝑞𝑠, trong khi dòng điện stator tương ứng là 𝑖 𝑑𝑠 và 𝑖 𝑞𝑠 Từ thông liên kết trên hệ trục dq được ký hiệu là λ 𝑑𝑠 và λ 𝑞𝑠 Điện trở stator được ký hiệu là R s, và tốc độ điện đơn vị được biểu thị bằng ω 𝑒, với đơn vị là rad/s.

Từ thông liên kết được tính như biểu thức (2.13) và (2.14): λ 𝑑𝑠 = 𝐿 𝑑 𝑖 𝑑𝑠 + λ 𝑚 (2.13) λ 𝑞𝑠 = 𝐿 𝑞 𝑖 𝑞𝑠 (2.14)

Với các thông số L d, L q và L s đại diện cho tự cảm trục dq, cùng với λ 𝑚 là từ thông liên kết của nam châm vĩnh cửu, ta có thể thay thế hai biểu thức tính từ thông vào để thu được phương trình điện áp stator trong hệ trục dq.

Hình 2.3 Điện áp stator khi chuyển hệ trục [19]

Phương trình mô men của PMSM được suy ra từ phương trình cân bằng công suất Công suất cung cấp cho máy trên hệ trục dq có thể được biểu diễn qua phương trình (2.17).

2(𝑣 𝑑𝑠 𝑖 𝑑𝑠 + 𝑣 𝑞𝑠 𝑖 𝑞𝑠 ) (2.17) Sau khi thay thế phương trình điện áp stator vào phương trình (2.17) và tách các thành phần công suất, phương trình công suất trở thành:

Tổn thất trong dây dẫn, sự biến đổi theo thời gian của năng lượng tích trữ trong từ trường, và năng lượng chuyển hóa từ điện thành cơ là ba yếu tố chính trong quá trình hoạt động của động cơ Mô men điện từ được hình thành từ mối liên hệ giữa công suất ra từ trục động cơ và công suất điện cơ, đảm bảo rằng chúng phải tương đương nhau.

2(𝜔 𝑒 λ 𝑑𝑠 𝑖 𝑞𝑠 − 𝜔 𝑒 λ 𝑞𝑠 𝑖 𝑑𝑠 ) (2.19) Liên hệ giữa tốc độ điện và tốc độ góc rotor phụ thuộc vào số cặp cực như biểu thức sau:

𝜔 𝑒 = 𝑝𝜔 𝑚 với p là số cặp cực (2.20) Biểu thức (2.19) nếu thay phương trình của từ thông (2.13) và (2.14) vào thì mô men có dạng sau:

Trong biểu thức mô men (2.21), có hai thành phần chính: mô men đồng bộ do từ thông của nam châm vĩnh cửu và mô men từ trở sinh ra do sự khác biệt giá trị tự cảm trục dq Trong luận văn này, nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor, dẫn đến tự cảm trên hai trục d và q bằng nhau Do đó, biểu thức mô men điện từ được rút gọn.

2𝑝λ 𝑚 𝑖 𝑞𝑠 (2.22) Phương trình cơ của máy là biểu thức liên hệ giữa mô men điện từ (Te), mô men cơ (Tm) và tốc độ điện của máy:

Với J là mô men quán tính và B là hệ số ma sát.

Chuyển đổi hệ trục

Lý thuyết các hệ trục giúp đơn giản hóa phân tích máy điện và hỗ trợ mô phỏng kỹ thuật số cho sơ đồ điều khiển trong hệ thống chuyển đổi điện gió Các hệ trục phổ biến bao gồm hệ trục tĩnh ba pha (abc), hệ trục tĩnh hai pha (𝛼𝛽) và hệ trục đồng bộ (dq).

2.3.1 Chuyển hệ trục abc/dq

Phép chuyển hệ trục dq được R.H.Park giới thiệu lần đầu vào năm 1929 Trong đó, ba biến điện ba pha xa, xb, xc đại diện cho điện áp, dòng điện hoặc từ thông liên kết Các biến này trong hệ trục tĩnh abc có thể được chuyển đổi sang hệ trục d (trực tiếp) và q (vuông góc), với hai trục này vuông góc nhau.

Hình 2.4 Chuyển hệ trục abc sang hệ trục dq

Hệ trục dq lệch so với hệ trục abc một góc 𝜃, với góc giữa trục a và trục d Hệ trục dq xoay trong không gian với vận tốc 𝜔, liên hệ với 𝜃 qua công thức 𝜔 = 𝑑𝜃/𝑑𝑡 Để chuyển đổi các biến từ hệ trục abc sang hệ trục dq, có thể sử dụng các hàm hình học đơn giản thông qua phép chiếu xa lên hệ trục dq, như được minh họa trong Hình 2.4, trong đó chỉ chiếu lên trục d và trục q tương tự.

Tổng các hình chiếu lên trục d là 𝑥 𝑑 = 𝑥 𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑥 𝑏 cos ( 2𝜋

3 − 𝜃) hoặc có thể được viết 𝑥 𝑑 = 𝑥 𝑎 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑥 𝑏 cos (𝜃 − 2𝜋

Chuyển các biến từ hệ trục abc sang hệ trục dq, hay còn gọi là phép chuyển abc/dq, có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận.

Những điểm lưu ý trong phép chuyển abc/dq ở trên:

Hệ số 2/3 có thể được thêm vào phương trình một cách tùy ý, với giá trị phổ biến là 2/3 hoặc √2/3 Việc sử dụng hệ số 2/3 mang lại ưu điểm là độ lớn điện áp hai pha sẽ bằng với điện áp ba pha sau khi được chuyển đổi.

Các biến dq hai pha sau khi chuyển đổi chứa đầy đủ thông tin từ các biến ba pha abc, với điều kiện hệ thống ba pha phải cân bằng Trong một hệ ba pha cân bằng, chỉ có hai biến độc lập, trong khi biến còn lại có thể được tính toán dựa trên hai biến này.

Phương trình 𝑥 𝑎 + 𝑥 𝑏 + 𝑥 𝑐 = 0 (2.25) cho phép thực hiện chuyển đổi ngược từ các biến dq trong hệ trục xoay về các biến abc trong hệ trục tĩnh Phép chuyển ngược dq/abc được thể hiện dưới dạng ma trận.

Trong điều khiển hệ thống điện gió, hệ trục đồng bộ thường được sử dụng Vận tốc quay 𝜔 của hệ trục được thiết lập bằng vận tốc đồng bộ 𝜔 𝑠 của máy phát điện đồng bộ hoặc cảm ứng, được tính toán theo công thức cụ thể.

𝜔 𝑠 = 2𝜋𝑓 𝑠 (2.27) Với 𝑓 𝑠 là tần số stator đơn vị Hertz Góc 𝜃 được tính từ:

𝜃(𝑡) = ∫ 𝜔 0 𝑡 𝑠 (𝑡)𝑑𝑡 + 𝜃 0 (2.28) Với 𝜃 0 là vị trí góc ban đầu

2.3.2 Chuyển đổi hệ trục abc/𝜶𝜷 (Chuyển đổi Clarke)

Vì hệ trục 𝛼𝛽 không quay trong không gian nên phép chuyển đổi có thể thu được bằng cách cho 𝜃 trong phương trình (2.24) bằng 0:

Trong hệ ba pha cân bằng, 𝑥 𝑎 + 𝑥 𝑏 + 𝑥 𝑐 = 0, mối liên hệ giữa 𝑥 𝛼 và 𝑥 𝑎 như sau:

2𝑥 𝑐 ) = 𝑥 𝑎 (2.30) Tương tự phép chuyển ngược 𝛼𝛽/abc như sau:

ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI PHÍA MÁY PHÁT

Điều khiển tìm điểm công suất lớn nhất (MPPT)

Việc điều khiển tuabin gió với tốc độ thay đổi khi vận tốc gió dưới định mức là rất quan trọng để tối ưu hóa công suất gió Mục tiêu chính là thu được công suất tối đa từ gió ở các tốc độ khác nhau bằng cách điều chỉnh tốc độ tuabin, nhằm duy trì tỉ số vận tốc đầu trục tối ưu 𝜆 𝑜𝑝𝑡.

Biểu đồ 3.1 minh họa đặc tính của tuabin gió tại các tốc độ gió khác nhau, trong đó PM và 𝜔 𝑀 đại diện cho công suất cơ và tốc độ cơ của tuabin Đường cong PM theo 𝜔 𝑀 được xác định với góc cánh quạt tối ưu (𝛽 = 0) Để dễ dàng phân tích, công suất cơ, tốc độ tuabin và tốc độ gió được trình bày trong hệ đơn vị Mỗi đường cong công suất tại một tốc độ gió cụ thể đều có một điểm công suất lớn nhất (MPP), nơi tỉ lệ tốc độ đầu trục tối ưu 𝜆 𝑜𝑝𝑡 đạt được Để tối ưu hóa công suất từ gió ở các tốc độ khác nhau, tuabin cần điều chỉnh hoạt động tại tất cả các điểm MPP, tạo thành một đường cong công suất đặc trưng.

𝑃 𝑀 =∝ 𝜔 𝑀 3 (3.1) Công suất cơ thu được còn có thể được biểu diễn theo mô men:

Với 𝑇 𝑀 là mô men cơ của tuabin Thay (3.2) vào (3.1) cho:

Mối liên hệ giữa công suất, tốc độ và mô men của tuabin gió là yếu tố quan trọng để xác định tốc độ và mô men tham khảo, từ đó điều khiển máy phát nhằm đạt được Maximum Power Point Tracking (MPPT) Có nhiều phương pháp điều khiển để tối ưu hóa MPPT, và dưới đây sẽ giới thiệu ngắn gọn ba phương pháp chính.

Theo đường cong công suất trong Hình 3.1, hoạt động của tuabin gió được phân chia thành ba chế độ chính: chế độ dừng, chế độ điều khiển máy phát và chế độ điều khiển pitch.

Hình 3.1 Đường đặc tính công suất tuabin gió và hoạt động MPPT [10]

1 Chế độ dừng: khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ cắt vào (cut-in speed), tuabin gió đứng yên không xoay vì công suất tạo bởi hệ thống không đủ hiệu quả để bù trừ cho công suất tiêu hao bên trong hệ thống Vì vậy tuabin gió được giữ ở trạng thái dừng bằng một thắng cơ học

2 Chế độ điều khiển máy phát: khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ cắt vào, tuabin gió bắt đầu làm việc và phát ra công suất điện Vì tốc độ gió trong chế độ này khá thấp,

Công suất thu được từ tuabin gió thường thấp hơn công suất định mức, vì vậy việc áp dụng điều khiển MPPT là cần thiết để tối ưu hóa công suất Điều này được thực hiện thông qua việc điều khiển máy phát, và chế độ điều khiển này sẽ kết thúc khi tốc độ gió vượt quá tốc độ định mức.

3 Chế độ điều khiển pitch: khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ định mức, công suất phát ra bởi hệ thống lớn hơn công suất định mức nếu tiếp tục áp dụng điều khiển MPPT Điều này làm tăng áp lực điện lên máy phát và các thiết bị công suất, và làm hư hỏng chúng Do đó góc cánh quạt của tuabin gió phải được điều khiển khi gió mạnh để giữ cho hệ thống ở công suất định mức Khi tốc độ gió quá cao, thông thường là 25m/s, tuabin gió được dừng hoạt động để tránh hư hỏng

3.1.1 MPPT với đặc tính công suất tuabin gió

Một trong những phương pháp MPPT cho tuabin gió là dựa trên đường cong công suất theo tốc độ gió do các nhà sản xuất cung cấp Đường cong này xác định công suất tối đa mà tuabin có thể phát ra ở các tốc độ gió khác nhau Hệ thống điều khiển đơn giản sử dụng cảm biến tốc độ gió để đo tốc độ trong thời gian thực Dựa trên đường đặc tính MPPT, công suất tham khảo 𝑃 𝑚 ∗ được tạo ra và so sánh với công suất đo được 𝑃 𝑚 từ máy phát Hệ thống điều khiển sau đó cung cấp tín hiệu cho bộ chuyển đổi, đảm bảo rằng công suất cơ 𝑃 𝑚 của máy phát đạt giá trị tham khảo, từ đó tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và đạt được MPPT.

3.1.2 MPPT với tỉ lệ tốc độ đầu trục tối ưu

Phương pháp này tối ưu hóa hoạt động của tuabin gió bằng cách duy trì tỷ lệ tốc độ đầu trục ở giá trị tối ưu 𝜆 𝑜𝑝𝑡 Tốc độ gió đo được 𝑣 𝑊 được sử dụng để tính toán tốc độ tham khảo của máy phát 𝜔 𝑚 ∗ thông qua công thức tỷ lệ tốc độ đầu trục Máy phát 𝜔 𝑚 được điều khiển bởi bộ chuyển đổi công suất, đảm bảo đạt được điều kiện MPPT thông qua giá trị tham khảo đã được thiết lập.

Hình 3.2 Điều khiển MPPT với đường đặc tính công suất tuabin gió

Hình 3.3 Điều khiển MPPT với tỉ lệ đầu trục tối ưu của tuabin gió

3.1.3 MPPT với điều khiển mô men tối ưu [32] Đây là phương pháp được chọn để điều khiển MPPT trong luận văn này

Phương pháp điều khiển MPPT theo mô men tối ưu được minh họa trong Hình 3.4 Trong chương 2, công thức tính công suất cơ do tuabin gió tạo ra được trình bày rõ ràng.

Từ biểu thức (2.8) ta có 𝑉 𝑊 = ω 𝑚 r λ Thế 𝑉 𝑊 vào biểu thức (2.9) ta được:

Và mô men của tuabin gió được tính như sau:

𝜆 3 𝜔 𝑚 2 (3.5) Khi tuabin gió được điều khiển MPPT thông qua điều khiển máy phát, các hệ số

𝐶 𝑝 (λ, 𝛽) và λ đạt giá trị tối ưu của chúng và là hằng số Do đó mô men tuabin gió tỉ lệ với bình phương vận tốc góc tuabin gió

Khi điều khiển MPPT ở giá trị 0, góc cánh quạt đạt tối ưu, giúp tuabin gió thu được công suất cao nhất Đối với hệ thống rotor nối trực tiếp không qua hộp số, mô men và vận tốc góc của tuabin gió tương đương với mô men cơ và vận tốc góc của máy phát.

𝑇 𝑚 = 𝐾 𝑜𝑝𝑡 𝜔 𝑟 2 (3.8) Với 𝑇 𝑚 là mô men cơ của máy phát và 𝜔 𝑟 là vận tốc góc rotor máy phát

Khi máy phát hoạt động ở chế độ xác lập, mô men cơ và mô men điện từ sẽ bằng nhau Dựa vào đó, chúng ta có thể tính toán mô men điện từ tham khảo 𝑇 𝑒 ∗ để áp dụng vào thuật toán điều khiển máy phát Biểu thức mô men điện từ của máy phát đồng bộ vĩnh cửu (PMSG) là cơ sở cho các phép tính này.

Dòng tham khảo 𝑖 𝑞𝑠 ∗ được tính bằng công thức 2𝑝λ 𝑚 𝑖 𝑞𝑠 (2.22) Dòng tham khảo này sẽ được so sánh với dòng 𝑖 𝑞𝑠 đo được từ PMSG và sau đó được đưa vào bộ điều khiển dòng điện PI Quá trình điều khiển hồi tiếp sẽ đảm bảo rằng 𝑖 𝑞𝑠 đạt được giá trị mong muốn.

𝑖 𝑞𝑠 ∗ và hoàn thành điều khiển MPPT

PMSG Bộ chuyển đổi Lưới

Hình 3.4 Điều khiển MPPT bằng phương pháp mô men tối ưu

Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC)

Phương pháp điều khiển vector (FOC) được phát triển bởi F Blaschke vào những năm 1970, cho phép điều khiển dòng điện stator dưới dạng vector FOC chuyển đổi hệ trục từ ba pha sang hai trục dq với thời gian không đổi, tạo ra cấu trúc điều khiển tương tự như máy điện DC Phương pháp này yêu cầu hai hằng số tham khảo: thành phần mô men trên trục q và thành phần từ thông trên trục d Nhờ vào việc sử dụng phép chuyển hệ trục, FOC hoạt động với các đại lượng điện tức thời, giúp cải thiện độ chính xác trong mọi trạng thái hoạt động và không bị ảnh hưởng bởi dải thông giới hạn của mô hình toán học Điều này giúp FOC giải quyết các vấn đề trong các sơ đồ cũ một cách hiệu quả.

 Dễ đạt được giá trị tham khảo hằng số (thành phần mô men và thành phần từ thông của dòng stator)

 Dễ áp dụng điều khiển mô men trực tiếp vì trong hệ trục dq biểu thức của mô men là:

AC/DC DC/AC Điều khiển

Bằng cách giữ biên độ từ thông rotor ổn định, chúng ta thiết lập được mối liên hệ tuyến tính giữa mô men và thành phần dòng mô men 𝑖 𝑞𝑠 Nhờ đó, việc điều khiển mô men trở nên khả thi thông qua việc điều chỉnh thành phần mô men của dòng điện stator.

Sơ đồ cơ bản của FOC điều khiển máy phát AC cho thấy rằng dòng điện ba pha máy phát AC được đo và chuyển đổi qua bộ Park từ hệ abc sang dq, tạo ra hai thành phần dòng điện stator 𝑖 𝑑𝑠 và 𝑖 𝑞𝑠 Các thành phần này được so sánh với giá trị tham khảo 𝑖 𝑑𝑠𝑟𝑒𝑓 và 𝑖 𝑞𝑠𝑟𝑒𝑓, cho phép cấu trúc điều khiển linh hoạt trong việc điều khiển cả máy phát đồng bộ và máy phát cảm ứng Trong trường hợp PMSG, từ thông rotor cố định nên 𝑖 𝑑𝑠𝑟𝑒𝑓 được đặt là 0, trong khi máy điện cảm ứng cần giá trị khác 0 để tạo từ thông rotor Đầu ra của các bộ điều khiển dòng là 𝑣 𝑑𝑠𝑟𝑒𝑓 và 𝑣 𝑞𝑠𝑟𝑒𝑓, được đưa vào bộ chuyển đổi ngược Park, tạo ra điện áp ba pha stator 𝑣 𝑎𝑏𝑐𝑠𝑟𝑒𝑓 cho bộ tạo xung PWM, điều khiển bộ chỉnh lưu Cả hai phép chuyển đổi Park đều yêu cầu vị trí từ thông rotor để hoạt động hiệu quả.

Vị trí từ thông rotor là yếu tố quan trọng trong điều khiển vector (FOC) vì sai số của nó có thể dẫn đến sự không trùng khớp giữa từ thông rotor và các thành phần dòng điện stator, 𝑖 𝑠𝑑 và 𝑖 𝑠𝑞, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác của mô men Đối với động cơ đồng bộ vĩnh cửu (PMSM), tốc độ rotor tương đương với tốc độ từ thông rotor, do đó, vị trí từ thông rotor có thể được đo trực tiếp bằng cảm biến hoặc thông qua việc tích phân vận tốc rotor.

Máy phát AC Chỉnh lưu Vdc iabc xung điều khiển ids iqs vabcsref vdsref vqsref iqs

Hình 3.5 Sơ đồ cơ bản của FOC cho máy phát AC

Điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát dùng FOC

Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát được thể hiện trong Hình 3.6, trong đó tốc độ rotor của máy phát được đo và tín hiệu này được gửi đến bộ điều khiển mô men tối ưu Bộ điều khiển này xuất ra tín hiệu mô men điện từ tham khảo 𝑇 𝑒 ∗ theo công thức (3.5), từ đó tính toán dòng tham khảo trục q là 𝑖 𝑞𝑠 ∗, trong khi dòng tham khảo trục d được duy trì ở mức 0 Các tín hiệu dòng điện hồi tiếp 𝑖 𝑑𝑠 và 𝑖 𝑞𝑠 được chuyển đổi từ tín hiệu đo dòng stator ba pha abc của PMSG cùng với tín hiệu đo 𝜃 𝑟 là góc rotor, cho phép thực hiện chuyển đổi Park Sai số giữa dòng tham khảo và dòng hồi tiếp trên hai trục dq được đưa vào hai bộ điều khiển dòng.

PI điều khiển tín hiệu ra bao gồm hai điện áp tham khảo 𝑣 𝑑𝑠 ∗ và 𝑣 𝑞𝑠 ∗ Trong quá trình điều chỉnh, đại lượng bù ω 𝑒 λ 𝑞𝑠 được trừ vào điện áp tham khảo trục d, trong khi ω 𝑒 λ 𝑑𝑠 được cộng vào điện áp tham khảo.

PI PI dq/abc PWM

Trục q được sử dụng để phân tách hai vòng lặp d và q, nhằm nâng cao hiệu suất động của hệ thống Sau khi bù, các tín hiệu điện áp trục dq được chuyển đổi trở lại thành điện áp trục abc Phương pháp điều rộng xung sin (SPWM) được áp dụng để tạo tín hiệu xung cho bộ chỉnh lưu, nhờ vào tính đơn giản và dễ áp dụng của nó, và sẽ được làm rõ hơn trong chương tiếp theo.

PMSG Bộ chuyển đổi Lưới

Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát

AC/DC DC/AC abc/dq

ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI PHÍA LƯỚI

Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới bằng VOC

Sơ đồ đơn giản của hệ thống phát điện gió PMSG rotor nối trực tiếp như trên Hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ đơn giản của hệ thống phát điện gió PMSG rotor nối trực tiếp

Trong hình, các dòng điện lưới i ag, i bg, i cg được chỉ ra với hướng như mũi tên Khi dòng điện dương, công suất từ lưới sẽ được bơm vào hệ thống tuabin gió, trong khi dòng điện âm sẽ bơm công suất từ tuabin gió vào lưới Trong điều kiện hoạt động bình thường, dòng lưới luôn ở trạng thái âm.

Mô hình kết nối lưới trong hệ trục dq [22]:

Trong phương trình (4.2), 𝑑𝑡 − 𝜔𝐿 𝑔 𝑖 𝑑𝑔 thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện lưới 𝑖 𝑑𝑔, 𝑖 𝑞𝑔 và điện áp lưới 𝑣 𝑑𝑔, 𝑣 𝑞𝑔 trên hệ trục dq Ngoài ra, điện áp bộ nghịch lưu 𝑣 𝑑𝑖, 𝑣 𝑞𝑖 cũng được xác định trên trục dq, trong khi đó, 𝑅 𝑔 và 𝐿 𝑔 đại diện cho điện trở và tự cảm lưới.

Biểu thức công suất thực và phản kháng bơm vào lưới như sau [2]:

Từ các biểu thức (4.3) và (4.4), có thể nhận thấy rằng các thành phần dòng điện và điện áp trên hai trục dq tương tác chéo nhau trong công thức tính công suất phản kháng, điều này gây khó khăn trong việc điều khiển công suất thực và công suất phản kháng, đồng thời làm giảm hiệu suất của bộ điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới Để giải quyết vấn đề này, phương pháp VOC đã được áp dụng như một thuật toán điều khiển cho bộ chuyển đổi phía lưới Phương pháp VOC hoạt động trên hệ trục đồng bộ lưới, trong đó trục d tương ứng với vector không gian điện áp lưới, dẫn đến thành phần trục q của vector này bằng 0 Giản đồ pha của phương pháp VOC được thể hiện trong Hình 4.2.

Hình 4.2 Giản đồ pha của VOC

Với VOC được áp dụng, biểu thức công suất thực và công suất phản kháng được viết lại như sau:

Công suất thực và công suất phản kháng có thể được điều khiển độc lập thông qua hai thành phần dòng điện trục d và q trong bộ chuyển đổi back-to-back Sơ đồ điều khiển cho bộ chuyển đổi phía lưới sử dụng bộ phase locked loop (PLL) để xác định góc pha điện áp lưới và tần số lưới, từ đó tính toán tín hiệu đầu vào cho hệ thống điều khiển Dòng tham khảo được đặt bằng 0 để đảm bảo hệ số công suất là 1, trong khi hai vòng lặp dòng điện bên trong điều khiển công suất thực và phản kháng Vòng lặp bên ngoài quản lý điện áp DC để tạo ra giá trị tham khảo cho dòng trục d, đảm bảo rằng toàn bộ công suất từ bộ chỉnh lưu được bơm vào lưới thông qua bộ nghịch lưu Các đại lượng trong biểu thức liên quan đến điện áp trục d và q giúp tách biệt và điều khiển hai thành phần này một cách hiệu quả.

𝑣 𝑞𝑔 𝑖 𝑞𝑔 Điều khiển tách biệt 𝑖 𝑞𝑔 ∗ Hình 4.3 Sơ đồ điều khiển cho bộ chuyển đổi phía lưới

DC/AC abc/dq PLL

Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM)

Hình 4.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin [10]

Phương pháp SPWM cho bộ chuyển đổi hai bậc được minh họa trong Hình 4.4, trong đó vma, vmb và vmc là sóng điều chế dạng sin ba pha, còn vcr là sóng mang tam giác Điện áp ra của bộ nghịch lưu được điều khiển bởi chỉ số điều chế biên độ, ảnh hưởng đến thành phần tần số cơ bản.

Chỉ số điều chế biên độ được điều chỉnh thông qua việc thay đổi giá trị đỉnh sóng điều chế 𝑉 𝑚, trong khi giá trị sóng mang 𝑉 𝑐𝑟 được giữ cố định Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống truyền thông.

Khi m_a = 1, giá trị pha đỉnh của thành phần tần số cơ bản đạt 0.5Vdc, dẫn đến giá trị áp dây đỉnh là √3Vdc/2 và giá trị điện áp dây hiệu dụng được tính toán là [34].

2𝑉 𝑑𝑐 = 0.6124𝑉 𝑑𝑐 khi 𝑚 𝑎 = 1 (4.8) Trị hiệu dụng của 𝑣 𝑎𝑏1 tỉ lệ tuyến tính với 𝑚 𝑎

Chỉ số điều chế tần số được định nghĩa là:

𝑓 𝑚 (4.9) Với 𝑓 𝑚 và 𝑓 𝑐𝑟 là tần số sóng điều chế và sóng mang theo thứ tự

Bộ nghịch lưu hai bậc hoạt động thông qua việc so sánh sóng điều chế với sóng mang, như mô tả trong Hình 4.5 Khi vma > vcr, khóa S1 của nhánh a được bật (ON) trong khi khóa S4 tắt (OFF), dẫn đến điện áp vaN giữa điểm a và N bằng với điện áp nguồn DC Vdc Ngược lại, khi vma < vcr, S4 bật và S1 tắt, làm cho vaN = 0 Với hai mức điện áp duy nhất là Vdc và 0, bộ nghịch lưu này được gọi là nghịch lưu hai bậc Để ngăn ngừa ngắn mạch giữa các linh kiện trong cùng một nhánh, cần thực hiện các biện pháp bảo vệ thích hợp.

Trong khoảng thời gian 60, khi linh kiện trên và dưới trong một nhánh chuyển trạng thái, cả hai linh kiện đều ở trạng thái OFF Điện áp dây bộ nghịch lưu vab được xác định bằng công thức vab = vaN - vbN Dạng sóng của thành phần tần số cơ bản vab1 được trình bày trong Hình 4.4, với biên độ và tần số của vab1 được điều khiển độc lập thông qua ma và mf.

Tần số đóng mở của các khóa của bộ nghịch lưu hai bậc được tính là fsw = fcr = fm*mf

Trong ví dụ ở Hình 4.4, có chín xung trong một chu kỳ tần số cơ bản Mỗi xung được tạo ra bằng cách thay đổi trạng thái S1 từ ON sang OFF một lần Với tần số cơ bản là 60 Hz, tần số khóa của S1 được tính là fsw = 9*60 = 540 Hz, tương đương với tần số sóng mang fcr.

Khi sóng mang được đồng bộ với sóng điều chế, gọi là PWM đồng bộ, trong khi PWM không đồng bộ có tần số sóng mang độc lập và cố định PWM không đồng bộ dễ dàng áp dụng cho mạch analog nhưng có thể tạo ra sóng hài không phải là bội số của tần số cơ bản Ngược lại, PWM đồng bộ thích hợp cho các ứng dụng với bộ xử lý kỹ thuật số.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK

Kết quả mô phỏng phía máy phát

Thông số kỹ thuật của tuabin gió và PMSG được trình bày trong Bảng 5.1 và 5.2 Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát được minh họa trong Hình 5.2 Đặc tính công suất theo tốc độ rotor của tuabin gió, khi góc cánh quạt tối ưu (𝛽 = 0), được thể hiện trong Hình 5.3 với các tốc độ gió khác nhau trong chế độ điều khiển máy phát Lưu ý rằng mô hình mô phỏng hệ thống PMSG và tuabin gió được kết nối trực tiếp mà không qua hộp số, do đó tốc độ quay rotor của PMSG và tuabin gió là bằng nhau Tuy nhiên, trong quá trình mô phỏng, nếu không tìm được tốc độ trùng nhau giữa PMSG và tuabin gió, một hệ số quy đổi K sẽ được áp dụng để liên kết tốc độ của chúng.

Hệ số 𝐾 𝑜𝑝𝑡 trong biểu thức (3.8) có thể được tính bằng cách lấy mô men định mức chia cho bình phương tốc độ định mức như sau:

7.854 2 = 3096 Bảng 5.1 Thông số tuabin gió

Công suất định mức 1.5 MW

Tốc độ gió định mức 12 m/s

Mật độ không khí 𝜌 1.225 kg/𝑚 3

Loại Cực từ không lồi

Công suất cơ định mức 1.5 MW

Công suất biểu kiến 1.5996 MW Điện áp dây định mức 714.7 V (rms) Điện áp pha định mức 412.6 V (rms)

Dòng stator định mức 1267.3 A (rms)

Hệ số công suất định mức 0.9377

Tốc độ rotor định mức 75 vòng/phút (7.854 rad/s)

Mô men cơ định mức 190990 N.m

Từ thông liên kết rotor định mức 1.0456 Wb (rms) Điện trở cuộn dây stator 6 𝑚Ω

Hình 5.1 Sơ đồ mạch điều khiển mô phỏng trên Matlab

Hình 5.2 Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát

Hệ thống tuabin gió được mô phỏng với tốc độ gió thay đổi từ 4m/s đến 12m/s, cho thấy khả năng điều khiển MPPT hiệu quả Hình 5.4 minh họa tốc độ gió vào hệ thống, bắt đầu từ 4m/s, tăng lên 6m/s trong 4 giây, duy trì ở 6m/s trong 2 giây, sau đó tăng lên 12m/s trong 2 giây và giữ mức này trong 2 giây tiếp theo Tốc độ gió cắt vào là 4m/s, trong khi tốc độ định mức đạt 12m/s Các hình 5.5 đến 5.10 thể hiện các thông số quan trọng như tốc độ rotor, dòng ba pha stator, mô men điện từ và công suất điện PMSG, phản ánh hiệu suất hoạt động của tuabin gió trong điều kiện gió thay đổi.

Hình 5.4 Tốc độ gió đưa vào hệ thống

Turbine Power Characteristics (Pitch Angle Beta = 0 deg)

Hình 5.5 Tốc độ rotor của PMSG

Hình 5.5 minh họa sự biến đổi tốc độ quay của rotor PMSG (đơn vị rad/s) theo thời gian, phản ánh sự thay đổi của tốc độ gió Khi tốc độ gió gia tăng, vận tốc rotor được điều chỉnh tăng lên nhằm duy trì hệ số Cp ở mức tối đa là 0.48 Mối quan hệ giữa vận tốc rotor và tốc độ gió được biểu diễn qua công thức 𝜔 𝑟 = 𝜆 𝑜𝑝𝑡 𝑉 𝑊, cho thấy sự tăng trưởng tuyến tính của vận tốc rotor với tốc độ gió.

Với λopt = 8.1 được duy trì trong quá trình điều khiển MPPT, bán kính rotor tuabin gió r là cố định Khi tốc độ gió đạt 12 m/s, rotor PMSG đạt tốc độ định mức 7,854 rad/s Nếu tốc độ gió giảm xuống 6 m/s, tốc độ rotor PMSG cũng giảm tương ứng xuống khoảng 3,9 rad/s Điều này chứng tỏ rằng thuật toán đã điều khiển tốc độ PMSG một cách chính xác để tối ưu hóa MPPT.

Hình 5.6 Dòng stator ba pha của PMSG

Hình 5.6 minh họa sự biến đổi của dòng điện ba pha abc của PMSG theo thời gian, cho thấy biên độ dòng điện ba pha tăng khi tốc độ gió tăng Khi tốc độ gió đạt mức định mức từ 8-10 giây, biên độ dòng điện ba pha đạt khoảng 1800A, tương đương với giá trị hiệu dụng 1267A, đây là thông số định mức của PMSG.

Hình 5.7 minh họa thành phần dòng điện trục d của stator theo thời gian, cho thấy dòng trục d được duy trì ở giá trị 0 bất kể tốc độ gió Điều này chứng tỏ rằng thuật toán điều khiển hoạt động chính xác khi thiết lập giá trị 𝑖 𝑑𝑟𝑒𝑓 = 0.

Hình 5.7 Dòng trục d của PMSG

Hình 5.8 Dòng trục q của PMSG

Hình 5.8 thể hiện thành phần dòng trục q của dòng điện stator theo thời gian, cho thấy dòng trục q có giá trị âm do máy điện hoạt động ở chế độ máy phát Khi tốc độ gió tăng, dòng trục q cũng tăng theo, với độ nhấp nhô lớn hơn như dòng trục d Giá trị dòng trục d tương đương với biên độ dòng ba pha abc Đặc biệt, khi tốc độ gió đạt định mức trong khoảng thời gian 8-10 giây, dòng trục q đạt khoảng 1800A.

Hình 5.9 Mô men tham khảo, mô men cơ và mô men điện từ của PMSG

Biểu đồ Hình 5.9 thể hiện sự biến đổi theo thời gian của ba loại mô men: mô men tham khảo (màu xanh dương), mô men cơ (màu xanh lá cây) và mô men điện từ (màu đỏ) Trong đó, mô men điện từ đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghệ hiện đại.

Thời gian xác lập của các mô men trong hệ thống chậm hơn do tín hiệu đã qua bộ lọc thông thấp, đảm bảo độ chính xác cao Tất cả các mô men đều có giá trị âm khi máy điện hoạt động ở chế độ phát điện Khi tốc độ gió tăng, mô men cũng tăng theo, cho thấy thuật toán điều khiển chính xác khi mô men tham khảo bằng với mô men cơ và mô men điện từ Hình 5.10 minh họa công suất điện tức thời của PMSG theo thời gian, cho thấy tín hiệu đạt trạng thái xác lập chậm Khi tốc độ gió tăng, công suất phát của PMSG tăng theo hàm tốc độ gió mũ ba; cụ thể, khi tốc độ gió tăng từ 6m/s lên 12m/s, công suất phát tăng khoảng tám lần Tuy nhiên, khi tốc độ gió đạt định mức 12m/s trong khoảng 8-10 giây, công suất phát của PMSG giảm xuống dưới 1.5 MW do tổn thất công suất trên điện trở Rs.

Hình 5.10 Công suất điện phát bởi PMSG

Chúng ta có thể so sánh công suất và tốc độ máy phát từ kết quả mô phỏng với đặc tính công suất của tuabin gió Khi tốc độ gió đạt 6 m/s, công suất tối đa của tuabin gió theo Hình 5.3 là khoảng 200.000 W, trong khi tốc độ máy phát xấp xỉ 4 rad/s Hình 5.10 cho thấy công suất phát ra trong khoảng thời gian từ 4s đến 6s cũng đạt khoảng 200.000 W, tương đương với công suất tuabin gió được nêu trong Hình 5.3.

70 tốc độ rotor xấp xỉ 4 (rad/s), tương đương tốc độ rotor trên Hình 5.3 Như vậy cả tốc độ và công suất đã được điều khiển đúng và đạt MPPT

Chúng ta có thể xác định giá trị tham khảo cho các thông số như tốc độ máy phát, dòng trục q, mô men điện từ và công suất điện phát ra trong trạng thái ổn định nhằm kiểm tra tính chính xác của kết quả mô phỏng Để tính toán tốc độ rotor của PMSG từ biểu thức tỉ lệ tốc độ đầu trục (2.8), cần nhân với một hệ số chuyển đổi từ tốc độ tuabin gió sang tốc độ PMSG, do tuabin gió và PMSG không có cùng tốc độ định mức trong mô phỏng này Để đảm bảo khái niệm rotor nối trực tiếp, việc nhân hệ số là cần thiết để xem xét tuabin gió và PMSG có cùng tốc độ Tốc độ tuabin định mức là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.

Tốc độ định mức rotor PMSG là 7.854 (rad/s), vậy hệ số cần tìm là 𝐾 = 7.854

Tốc độ rotor PMSG ở tốc độ gió 6m/s là:

30.6567= 3.9269 (rad/s) Công suất cơ thu được từ tuabin gió theo biểu thức (2.9):

Mô men cơ trên trục rotor:

Mô men ở đây là âm, do PMSM hoạt động ở chế độ máy phát Khi hệ thống ở chế độ xác lập, mô men cơ sẽ bằng mô men điện từ Theo biểu thức (2.22), dòng trục q được tính theo công thức đã nêu.

(a) Tốc độ rotor mô phỏng so với giá trị tham khảo

(b) Mô men điện từ mô phỏng so với giá trị tham khảo

(c) Dòng điện trục q mô phỏng so với giá trị tham khảo

(d) Công suất điện phát ra so với công suất cơ đầu vào Hình 5.11 Thông số hệ thống ở trạng thái xác lập với tốc độ gió 6m/s

Hình 5.11 trình bày kết quả mô phỏng các thông số như tốc độ máy phát, dòng điện trục q stator, mô men điện từ và công suất điện phát ra so với giá trị tham khảo trong chế độ xác lập với tốc độ gió 6m/s Kết quả cho thấy các giá trị thực tế gần gũi với giá trị tham khảo, chứng minh rằng giải thuật điều khiển đã hoạt động hiệu quả.

Generated electric powerInput mechanical power

Kết quả mô phỏng phía lưới

Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới được trình bày trong hình 5.12, với các thông số và điều kiện mô phỏng tương tự như phía máy phát Kết quả mô phỏng điều khiển phía lưới được thể hiện qua các hình từ 5.13 đến 5.17 Điện áp thanh cái DC được tính theo công thức (4.8) với chỉ số điều chế ma = 0.8.

2𝑉 𝑑𝑐 khi ma = 1 (4.8) Ở đây 𝑣 𝑎𝑏1 (𝑟𝑚𝑠) chính là trị hiệu dụng điện áp dây lưới điện, tức là 690V Do

𝑣 𝑎𝑏1 (𝑟𝑚𝑠) tỉ lệ tuyến tính với ma nên ta tính được 𝑉 𝑑𝑐 khi ma = 0.8 như sau:

Chúng tôi chọn điện áp thanh cái DC là 1400V với chỉ số điều chế khoảng 0.8 Điện áp thanh cái DC được duy trì ở mức 1400V nhằm đảm bảo rằng công suất phát ra từ PMSG được bơm hoàn toàn vào lưới điện.

𝑉 𝑑𝑐 Với 𝐼 𝑐 là dòng qua tụ điện, 𝑃 𝑇 là công suất do PMSG phát ra và 𝑃 𝑔 là công suất bơm vào lưới

Hình 5.12 Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới

Hình 5.13 minh họa điện áp thanh cái DC theo thời gian, cho thấy rằng điện áp này luôn duy trì ở mức 1400V Điều này đảm bảo rằng công suất phát ra từ PMSG được truyền tải hoàn toàn vào lưới điện.

Hình 5.14 Dòng điện ba pha lưới

Hình 5.14 minh họa dòng điện ba pha abc của lưới theo thời gian, cho thấy rằng dòng điện lưới tỉ lệ thuận với tốc độ gió; khi tốc độ gió tăng, dòng điện lưới cũng gia tăng tương ứng.

76 điện áp lưới luôn cố định nên dòng điện lưới cũng tăng theo tỉ lệ như công suất, nghĩa là theo hàm tốc độ gió mũ ba

Dòng điện lưới trên hệ trục dq được minh họa trong Hình 5.15 và 5.16 Để duy trì hệ số công suất bằng 1, dòng trục q phải luôn bằng 0 ở mọi tốc độ gió, dẫn đến dòng trục d bằng với giá trị đỉnh của dòng điện ba pha lưới Lưu ý rằng dòng trục d lưới có giá trị âm, cho thấy công suất đang được truyền từ bộ nghịch lưu vào lưới.

Hình 5.16 Dòng điện trục q lưới

Hình 5.17 Công suất thực và phản kháng bơm vào lưới

Công suất thực và công suất phản kháng của bơm vào lưới được thể hiện trong Hình 5.17 Trong hình, công suất phản kháng duy trì ở mức 0 nhờ vào việc điều chỉnh hệ số công suất.

Công suất thực của hệ thống được điều khiển bởi dòng trục d và tỷ lệ với tốc độ gió, với công suất thực ở điều kiện định mức chỉ dưới 1.5 MW do tổn thất bên trong Những phân tích này cho thấy các mục tiêu trong việc điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới đã được hoàn thành.