- Bộ chuyển đổi AC-DC-AC, bộ điều khiển, máy phát điện tuabin gió PMSG, mô phỏng. - Ngày nay, máy phát điện tuabin gió đã được phát triển và sử dụng ở nhiều nước trên thế giới. - Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu về loại máy phát điện này, đặc biệt là máy phát điện tuabin gió không hộp số sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMSG). - Trước tiên, bài báo sẽ trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát điện tuabin gió PMSG. - Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM với các trường hợp vận hành khác nhau sẽ minh họa hoạt động của máy phát điện tuabin gió PMSG cũng như hiệu quả của bộ điều khiển vừa thiết kế.. - Mô phỏng máy phát điện tuabin gió PMSG sử dụng phần mềm PSIM. - Khởi đầu là máy phát điện DC công suất 12 kW và 144 cánh gỗ vào năm 1888. - Đến giữa thế kỷ 20, máy phát điện tuabin gió được phát triển đạt đến mức công suất 1 MW, sử dụng hộp số tăng tốc và máy phát không đồng bộ rôto lồng sóc do cấu tạo đơn giản và giá. - thành thấp. - Tuy nhiên, máy phát rôto lồng sóc có khoảng tốc độ quay rất hẹp nên tốc độ tuabin gần như không đổi, gây ảnh hưởng tới hiệu suất nhận công suất gió và khi tốc độ gió thay đổi sẽ gây ra các áp lực cơ khí lên các bộ phận và dao động trênlưới điện (Babu and Divya, 2017. - Để khắc phục các điểm yếu nêu trên của máy phát rôto lồng sóc, máy phát không đồng bộ rôto dây quấn nối với biến trở được. - Tuy nhiên, loại máy phát này vẫn còn có các hạn chế như phải dùng bộ khởi động mềm và tụ điện bù công suất phản kháng. - Cuối thập niên 1990, các nhà sản xuất bắt đầu dùng máy phát điện gió tốc độ thay đổi, máy phát điện không đồng bộ 2 nguồn cấp (DFIG) được sử dụng do nhiều ưu điểm phù hợp với việc phát điện gió như khả năng thay đổi tốc độ. - Máy phát DFIG trở thành máy phát điện thông dụng nhất trong các tuabin gió hiện nay. - Trong những năm gần đây, máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu (PMSG) là một xu hướng mới trong công nghiệp điện gió do có nhiều ưu điểm vượt trội như có thể. - Tương tự với các loại máy phát điện gió khác, việc thiết kế bộ điều khiển là không thể thiếu trong hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG không sử dụng hộp số. - Bên cạnh đó, bộ tìm điểm công suất cực đại cũng được kết hợp với bộ điều khiển để điều chỉnh công suất và giữ tốc độ quay tuabin ở giá trị. - Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về điều khiển và mô phỏng hoạt động của máy phát điện gió PMSG. - Do đó, bài báo này sẽ thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của máy phát điện tuabin gió PMSG 2 MW nhằm giúp cho các nhà nghiên cứu và vận hành có thêm những kiến thức về nguyên lý cơ bản cũng như quá. - trình điều khiển của máy phát điện tuabin gió PMSG.. - Sơ đồ khối của hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG được thể hiện trong Hình 1. - trong hệ thống máy phát điện gió không hộp số, trục chính sẽ được nối trực tiếp với máy phát điện PMSG. - Máy phát điện PMSG thông thường được chia thành hai dạng chính là đặt nam châm trong lòng rôto và đặt nam châm lên bề mặt rôto. - Công suất phát ra từ máy phát qua bộ chuyển đổi AC-DC-AC để truyền tải công suất lên lưới. - Hình 1: Sơ đồ khối máy phát điện tuabin gió PMSG 2.2 Nguyên lý hoạt động. - P M là công suất cơ;. - v w là tốc độ gió.. - Trục tuabin sẽ được nối trực tiếp với trục máy phát điện PMSG không thông qua hộp số để truyền động năng từ tuabin làm quay máy phát điện PMSG và. - Sự chênh lệch giữa momen cơ của tuabin và momen điện từ của máy phát sẽ quyết định việc tăng tốc, giảm tốc hay giữ tốc độ quay của tuabin (Wang et al., 2014). - chuyển đổi AC-DC-AC có chức năng chuyển điện áp với biên độ và tần số không ổn định từ máy phát sang điện áp DC ổn định, từ đó nghịch lưu thành các giá trị với biên độ và tần số phù hợp để truyền công suất lên lưới điện. - Bộ chuyển đổi AC-DC-AC bao gồm hai phần: bộ chuyển đổi phía máy phát sẽ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát, bộ chuyển đổi phía lưới có nhiệm vụ điều khiển điện áp liên kết DC và công suất phát lên lưới (Raducu, 2008).. - Ngược lại, khi tốc độ gió cao hơn định mức, góc cánh phải thay đổi để giảm lượng công suất tuabin nhận vào để đảm bảo an toàn cho các cơ cấu cơ khí, bảo vệ máy phát và giữ tốc độ quay ở định mức (Popa and Groza, 2010). - Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống máy phát điện gió PMSG được thể hiện như Hình 2. - chuyển đổi phía máy phát và các khối điều khiển cho bộ chuyển đổi phía lưới.. - Hình 2: Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống máy phát điện gió PMSG 3.1 Bộ điều khiển tìm điểm công suất cực. - thu nhận được tối đa công suất từ gió, hệ số C p được tối ưu bằng góc lệch cánh và hệ số tốc độ đầu cánh. - Phương trình thử nghiệm của C p như sau:. - Hệ số tốc độ đầu cánh được tính theo phương trình:. - λ ' là hệ số và được tính theo phương trình:. - Biểu thức của C p thay đổi phụ thuộc vào từng loại cánh khác nhau. - định mức, góc lệch cánh và hệ số đầu cánh thay đổi. - để giảm hệ số C p nhằm đảm bảo an toàn cho tuabin và máy phát.. - 3.2 Bộ điều khiển phía máy phát. - 3.2.1 Bộ điều khiển dòng điện phía máy phát Mạch tương đương của máy phát điện PMSG trong khung tham chiếu quay đồng bộ d-q được thể. - hiện như trong Hình 3 (Wu et al., 2011):. - Hình 3: Sơ đồ tương đương của máy phát điện PMSG Thành phần điện áp v ds và v qs được tính:. - Điện trở stato của máy phát, R s , rất nhỏ nên có thể bỏ qua trong tính toán. - Từ đó, bộ điều khiển dòng điện máy phát sẽ được thiết kế như sau:. - v d và v q * ,sg là các giá trị điện áp tham khảo cho bộ chỉnh lưu;. - i d và i * q ,sg là giá trị dòng điện tham khảo cho bộ chỉnh lưu;. - r là tốc độ góc điện áp xoay chiều máy phát;. - Dựa vào phương trình 7 và phương trình 8, ta được sơ đồ bộ điều khiển dòng điện phía máy phát như Hình 4.. - Hình 4: Sơ đồ bộ điều khiển dòng điện phía máy phát 3.2.2 Bộ điều khiển công suất phía máy phát. - Công suất tác dụng P sg và công suất phản kháng Q sg của máy phát tính theo khung tham chiếu d-q (Wu et al., 2011):. - Do thành phần điện áp trục d, v d,sg = 0, sắp xếp lại phương trình trên ta được bộ điều khiển công suất máy phát như sau:. - Với P * sg và Q * sg là công suất tác dụng và công suất phản kháng tham khảo phía máy phát.. - Từ phương trình 11 và phương trình 12, ta được sơ đồ điều khiển công suất phía máy phát như Hình 5.. - Hình 5: Sơ đồ điều khiển P, Q phía máy phát 3.3 Bộ điều khiển phía lưới. - R và L là giá trị điện trở và cuộn cảm nối lưới.. - Chuyển phương trình (13) sang khung tham chiếu d-q:. - v d và v * q ,ceg là điện áp tham chiếu đầu ra của bộ chỉnh lưu theo khung tham chiếu d-q;. - i d và i q * ,eg là giá trị dòng điện tham khảo theo khung tham chiếu d-q phía lưới;. - v d , và v q , eg là giá trị điện áp lưới theo khung tham chiếu d-q;. - i d , và i q , eg là giá trị dòng điện tính toán theo khung tham chiếu d-q;. - Dựa vào phương trình 16 và phương trình 17, ta được sơ đồ bộ điều khiển dòng điện phía lưới như trong Hình 6.. - Hình 6: Bộ điều khiển dòng điện phía nghịch lưu. - Từ phương trình trên, ta được bộ điều khiển điện áp liên kết DC như trong Hình 7.. - Q = v d eg i q eg − v q eg i d eg (21) Do điện áp v d,eg = 0, sắp xếp lại phương trình trên ta được bộ điều khiển công suất phản kháng:. - Hình 8: Bộ điều khiển công suất phía nghịch lưu 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. - Để đánh giá hoạt động của hệ thống trong các điều kiện gió khác nhau và kiểm tra hiệu quả của các bộ điều khiển vừa thiết kế, hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG được mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng PSIM trong trường hợp tốc độ gió thay đổi từ dưới định mức đến trên định mức tương ứng với tình huống hoạt động trong thực tế. - Tốc độ gió định mức của tuabin gió là 12 m/s, giới hạn trên của tốc độ gió là 25 m/s và công suất định mức là 2 MW.. - Máy phát sử dụng cho hệ thống là máy phát điện nam châm vĩnh cửu với công suất 2 MW truyền động trực tiếp, thông số kỹ thuật của máy phát và. - Bảng 1: Thông số máy phát và tuabin gió (Wu et al., 2011). - gió theo trình tư m/s và thời gian chuyển đổi giữa các tốc độ là 2 s (Hình 9) để. - Kết quả mô phỏng hoạt động của tuabin gió và máy phát điện PMSG được thể hiện như trong Hình 10 đến Hình 15.. - Hình 9: Tốc độ gió mô phỏng. - Hình 10: Hệ số công suất Cp. - Hình 11: Tỷ số tốc độ đầu cánh. - Hình 12: Góc lệch cánh. - Hình 13: Điện áp máy phát trong khung tham chiếu d-q0917200116. - Hình 14: Dòng điện tham khảo và dòng điện máy phát trong khung tham chiếu d-q. - Hình 15: Công suất P, Q tham khảo và công suất máy phát Theo Hình 10, khi tốc độ gió dưới 12 m/s, hệ số. - Khi tốc độ. - Tương tự như vậy, do tốc độ quay tuabin không đổi nên hệ số tốc độ đầu cánh giảm khi tốc độ gió tăng (Hình 11). - Hình 12 cho thấy, khi tốc độ gió thấp, góc lệch cánh bằng 0 o để nhận tối đa năng lượng từ gió.. - Điện áp máy phát tăng khi. - Dòng điện máy phát được thể hiện trong Hình 14, cả 2 giá trị dòng điện đều ổn định và bám theo dòng điện tham khảo. - hiện như trong Hình 16 đến Hình 18. - Hình 16 cho. - (Hình 17). - Theo Hình 18, công suất P phát lên lưới ổn định ở 250 kW khi tốc độ gió 6 m/s, công suất tăng lên cực đại ở 2 MW tương ứng với công suất P phía máy phát do toàn bộ công suất máy phát đều được truyền lên lưới, công suất Q luôn bằng 0.. - Hình 16: Dòng điện tham khảo và dòng điện phía lưới trong khung tham chiếu d-q. - Hình 17: Điện áp liên kết DC. - Hình 18: Công suất P, Q phát lên lưới 5 KẾT LUẬN. - nguyên lý hoạt động của hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG. - Bên cạnh đó, bài báo cũng đã thiết kế được các bộ điều khiển dòng điện, bộ điều khiển công suất và bộ điều khiển điện áp liên. - Nhằm kiểm tra hoạt động của hệ thống máy phát điện tuabin gió PMSG, kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM được thực hiện trong trường hợp tốc độ gió thay đổi tương ứng với điều kiện vận hành trong thực tế. - Kết quả mô phỏng đã cho thấy rằng hệ thống điều khiển của máy phát điện tuabin gió PMSG hoạt động tốt và ổn định trong điều kiện tốc độ gió thay đổi. - ứng của dòng điện, điện áp liên kết DC và công suất luôn bám theo giá trị tham chiếu của chúng. - Điều này chứng minh được hiệu quả của hệ thống điều khiển máy phát điện tuabin gió PMSG được thiết kế.