Nghiên Cứu Ứng Dụng Biến Tần 4q Cho Hệ Nguồn Năng Lượng Mới Và Tái Tạo.doc

Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Trương Nhật Tiên
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
THÁI NGUYÊN 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
PHÒNG ĐÀO TẠO NGƯỜI HƯỚNG DẪN
TS. Ngô Đức Minh
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN
THÁI NGUYÊN – 2014

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Trương Nhật Tiên, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá
2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS.
Ngô Đức Minh. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là
“Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo”.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã
được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng
bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngàytháng 10 năm 2014
Học viên

ii
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình
hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp
năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển
mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các
dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, điện mặt
trời, V.V... Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác
nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia,
mạng điện thông minh...Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được
quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các dạng nguồn
này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định. Tính kinh tế của hệ thống
còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay, đứng trước
sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong
phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi
hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng
quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các
tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống
(mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng). Đặc biệt, trong
bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch,
các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ
biến đổi và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ
nguồn.
Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một
phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đồng thời
nâng hiệu quả khai thác trong điều kiện làm việc thực tế có nhiều thay đổi.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, lựa chọn một loại bộ biến
đổi điển tử công suất điển hình kiểu biến tần 4 Q để áp dụng cho hệ nguồn

iii
điện sử dụng năng lượng tái tạo máy phát điện sức gió và pin Mặt trời. Xây
dựng mô hình hệ nguồn điện sưc gió và pin Mặt trời.
Nội dung nghiên cứu được bố cục thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về biến tần 4Q
Chương 2: Nghiên sử dụng năng lượng tái tạo:
- Năng lượng gió
- Năng lượng Mặt trời
Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng hệ thống
Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện luận văn, mặc dù gặp rất nhiều
khó khăn về vấn đề chuyên môn. Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy
giáo TS. Ngô Đức Minh đã giúp tôi hoàn hoàn thành luận văn với kết quả
mong muốn đạt được. Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể tránh khỏi
những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét
của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức
Minh cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
– Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn
thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014
Học viên

MỤC LỤC
Chương 1...................................................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ......................................................1
1.1. Giới thiệu chung...................................................................................................................1
1.2. Biến tần 4 góc phần tư .....................................................................................................6
1.2.1. Chỉnh lưu PWM............................................................................................................6
1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM:...............................................6
1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM:.........................................8
1.2.2. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM..............................11
1.3. Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM............12
1.4. Mô tả toán học và điều khiển chỉnh lưu PWM ...........................................14
1.4.1. Mô tả dòng điện và điện áp nguồn..................................................................14
1.4.2. Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM..........................................................15
1.4.3. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên abc . 16
1.4.4. Mô toán học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β.............................17
1.4.5. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q.........18
1.4.6. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC.............................................21
1.4.7. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC............................................24
1.3. Kết luận chương 1............................................................................................................27
Chương 2................................................................................................................................................28
NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO...................................................................28
2.1. Tổng quan về năng lượng và tái tạo....................................................................28
2.2. Máy phát điện sức gió....................................................................................................29
2.2.1. Lịch sử phát triển của năng lượng gió...........................................................29
2.2.2. Các loại turbine gió..................................................................................................32
2.2.3. Tính toán công suất của gió.................................................................................35
2.2.4. Máy phát điện turbine gió.....................................................................................39
2.2.4.1. Các máy phát đồng bộ...................................................................................39
2.2.4.2. Máy phát không đồng bộ cảm ứng........................................................40

2.2.5. Công suất trung bình của gió..............................................................................47
2.2.5.1. Biểu đồ gió gián đoạn ...................................................................................48
2.2.6. Các dự đoán đơn giản của năng lượng gió.................................................52
2.2.6.1. Năng lượng hàng năng sử dụng hiệu suất turbine gió trung
bình.............................................................................................................................................53
2.2.6.2. Các cánh đồng gió...........................................................................................54
2.2.7. Một số cấu trúc điển hình hệ thống Wind Turbine................................58
2.3. Pin lượng Mặt trời...........................................................................................................61
2.3.1. Năng lương Mặt trời................................................................................................61
2.3.2. Mô hình nguồn điện pin Mặt trời.....................................................................63
2.3.2.1. Bộ biến đổi DC/DC........................................................................................64
2.3.3. Vấn đề tích trữ năng lượng..................................................................................72
2.3.4. Hoạt động của pin Mặt trời..................................................................................75
2.3.5. Tìm điểm làm việc cực đại theo thuật toán P&O ...................................80
2.4. Kết luận chương 2............................................................................................................86
Chương 3..........................................................................................................................................87
MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG..........................................................87
3.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống......................................................................................87
3.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ thống máy phát điện dị bộ nguồn kép
[6Q].......................................................................................................................................................89
3.2.1. Giới thiệu chung.........................................................................................................89
3.2.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ DFIG.....................................................................91
3.3. Kết luận chương 3............................................................................................................98
KẾT LUẬN CHUNG....................................................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 100

HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1. 1. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng........................................1
Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng........................................2
Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư...........................................6
Hình 1. 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM.............................................................................7
Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều. ............................................8
Hình 1. 6. Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM 9
Hình 1. 7. Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM.....................................11
Hình 1. 8. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM..........................................13
Hình 1. 9. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM..............................14
Hình 1. 10. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên..................17
Hình 1. 11. Mô hình bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β........................18
Hình 1. 12. Mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q.............................19
Hình 1.13. Đồ thị véctơ mô tả dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai
chiều phụ thuộc vào hướng iL..........................................................................................20
Hình 1. 14. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC........................................21
Hình 1. 15. Biểu diễn các sector cho phương pháp điều khiển DPC...................22
Hình 1. 16. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào.......................23
Hình 1. 17. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo....24
Hình 1. 18. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC.......................................24
Hình 1. 19. Sơ đồ véc tơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ
chỉnh lưu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q....................................25
Hình 2. 1. Biểu đồ phát triển điện gió đã lắp đặt tăng 25% mỗi năm 31
Hình 2. 2. Tổng dung lượng đã lắp đặt ở các quốc gia năm 2002.........................31
Hình 2. 3. Tổng dung lượng gió đã lắp đặt ở Mỹ năm 1999 và 2002 .................32
Hình 2. 4. Một số Turbine gió điển hình ..............................................................................33
Hình 2. 5. Công suất gió trên mỗi m2
diện tích mặt cắt ở 150
và 1 atm............37

Hình 2. 6. Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus..................................................................38
Hình 2. 7. Máy phát đồng bộ 3 pha .........................................................................................40
Hình 2. 8. Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm........................................41
Hình 2. 9. Mô hình máy phát điện cảm ứng.......................................................................42
Hình 2. 10. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau
được bao quanh nó một điện trường quay................................................................43
Hình 2. 11. Mô tả nguyên lý máy phát..................................................................................44
Hình 2. 12. Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng....................45
Hình 2. 13. Máy phát cảm kháng từ kích từ. Các tục ngoài cộng hưởng với
điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng...............................................47
Hình 2. 14. Một ví dụ về dữ liệu hiện trường và lịch sử dữ liệu gió theo giờ 50
Hình 2. 15. Tác động của khoảng cách tháp và kích thước ô của turbine gió 55
Hình 2. 16. Khoảng cách tối ưu của các tháp ....................................................................56
Hình 2. 17. Cấu trúc cơ bản của hệ thống turbine gió..................................................58
Hình 2. 18. Hệ thống dùng máy phát cảm ứng (IG) không có điện tử công
suất...................................................................................................................................................59
Hình 2. 19. Hệ thống DFIG cùng với modul điện tử công suất..............................60
Hình 2. 20. Cấu hình đồng bộ điện tử công suất..............................................................61
Hình 2. 21. Sự phát triển của năng lượng điện Mặt trời..............................................62
Hình 2. 22. Mô hình khai thác năng lượng từ nguồn PV............................................63
Hình 2. 23. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck.................................................................65
Hình 2. 24. Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck..................................66
Hình 2. 25. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost.............................................................................68
Hình 2. 26. Dạng sóng dòng điện của mạch Boost.........................................................69
Hình 2. 27. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost ...........................................................69
Hình 2. 28. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha...................................................................................71
Hình 2. 29. Mô hình một nửa biến tần 4Q dùng cho nguồn PV.............................72

Hình 2. 30. Tổ hợp nguồn pin Mặt trời .................................................................................75
Hình 2. 31. Hình vẽ và sơ đồ mạch điện thay thế một PV cell................................76
Hình 2. 32. Đặc tính V-I của một PV cell............................................................................76
Hình 2. 33. Ghép nối tiếp PV cell.............................................................................................77
Hình 2. 34. Ghép song song PV cell.......................................................................................77
Hình 2. 35. Một Array pin Mặt trời.........................................................................................77
Hình 2. 36. Mô hình mạch điện nguồn PV Array ...........................................................78
Hình 2. 37. Đặc tính V-I và P-V với điểm MPP..............................................................78
Hình 2. 38. Đặc tính V-I thay đổi theo mức chiếu xạ...................................................79
Hình 2. 39. Đặc tính thực tế của PV Array .........................................................................79
Hình 2. 40. Đường đặc tính I-V khi thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ ...80
Hình 2. 41. Đặc tính P-V khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi...................80
Hình 2. 42. Phương pháp tìm điểm làm việc cực đại P&O.......................................83
Hình 2. 43. Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O .........................................................84
Hình 3. 1. Sơ đồ máy phát điện xoay chiều 3 pha 87
Hình 3. 2. Mô hình DFIG với Biến tần 4 Q........................................................................87
Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống nguồn điện pin Mặt trời và máy điện sức gió một
chiều................................................................................................................................................88
Hình 3. 4 Cấu trúc hệ thống nguồn pin Mặt trời..............................................................88
Hình 3. 5. Phạm vi hoạt động của DFIG và dòng chảy năng lượng ở chế độ
MP....................................................................................................................................................90
Hình 3. 6. Cấu trúc mô phỏng hệ DFIG-4Q.......................................................................92
Hình 3. 7. Tốc độ rotor....................................................................................................................93
Hình 3. 8. Công suất phát ra từ DFIG....................................................................................94
Hình 3. 9. Điện áp trên Stator (điện áp lưới)......................................................................95
Hình 3. 10. Dòng điện Stator phát vào lưới........................................................................95

Hình 3. 11. Điều khiển tần số dòng điện rotor thay đổi khi tốc độ rotor thay
đổi ........................................................................................................
96
Hình 3. 12. Dòng điện 3 pha giữa lưới và bộ biến đổi B1 ............................. 97
Hình 3. 13. Tách riêng một pha dòng điện giữa lưới và bộ biến đổi B1 ........ 97
Bảng 1. 1. Bảng chuyển mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều
khiển DPC. ........................................................................................... 22
Bảng 2. 1. Tốc độ gió trung bình 51
Bảng 2. 2. Bảng tổng kết đặc điểm của thuật toán P&O ............................... 85

1
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ
1.1. Giới thiệu chung
Kể từ khi lý thuyết điều khiển/điều chỉnh phát triển và khẳng định thế
mạnh được các thế mạnh của nó một cách vững chắc, thì các bộ biến đổi cũng
đồng thời cũng được phát triển cùng nhịp độ để đáp ứng nhu cầu thực tế. Hơn
nữa kỹ thuật vi điện tử/vi xử lý được phát triển như vũ bão, công nghệ chế tạo
các thiết bị điện tử công suất đạt được trị số ngày càng cao cả về dòng và áp
với giá thành ngày càng hạ. Việc ứng dụng các bộ biến đổi để điều chỉnh dòng
năng lượng theo hai chiều thuận nghịch không những chỉ được ứng dụng
trong truyền động điện mà còn phát triển mạnh mẽ làm phần tử ghép nối giữa
các nguồn điện với lưới, hình 1.1 và hình 1.2. Để làm được điều này bộ biến
đổi tích cực đã khẳng định có nhiều phẩm chất tiến bộ hơn hẳn những bộ biến
đổi truyền thống, thời kỳ đầu. Đối tượng ta đang nói tới, đó là bộ biến đổi
PWM. [1],[2]
PWMCON. 1 PWMCON. 2
U1 , f1
U 1 , f1
U 1 , f1
CL
NL
Udc Cd
MC
MC
NL
CL
U2 , f2
chÕ ®é ®éng c¬
chÕ ®é h·m t¸i sinh
Hình 1. 1. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng

2
Công suất của các Bộ biến đổi PWM có thể đạt từ vài trăm W đến hàng
MW được ứng dụng điều khiển cho các động cơ không đồng bộ 3 pha hay
động cơ đồng bộ 3 pha.
Trong truyền động điện, xuất hiện chế độ hãm tái sinh, năng lượng đổi
chiều qua bộ biến đổi trả về lưới, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong
một số hệ truyền động có chế độ đảo chiều thường xuyên như: thang máy nhà
cao tầng, dây chuyền đóng gói tự động, cầu trục... hay các truyền động trong
giao thông vận tải. ở chế độ hãm tái sinh, năng lượng thừa sẽ được phát trả về
lưới, nếu lớn thì điện áp có thể dâng rất cao. Để không gây hỏng thiết bị hay
báo lỗi quá trình thì bộ biến đổi phải luôn kịp thời chuyển năng lượng dư thừa
về lưới một cách hoàn hảo.
PWMCON. 1
PWMCON. 2
U1 , f1
Udc Cd
U2 , f2
U1 , f1
NL MC CL
U2 , f2
Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng
Nghiên cứu các quá trình đổi chiều dòng công suất qua bộ biến đổi để có
thể thu hồi năng lượng từ đối tượng điều khiển (động cơ) trả về nguồn ở chế
độ hãm, tương tự như vậy ta có thể đề xuất hướng nghiên cứu quá trình trao
đổi công suất giữa hai nguồn công suất cục bộ và xác định các chiến lược điều
khiển.
Trong hệ thống điện hiện nay, việc phát triển các nhà máy điện công suất

3
lớn có tính chất truyền thống đang làm cho các nguồn năng lượng sơ cấp ngày
một cạn kiệt và gây nhiều tác hại đến môi trường, môi sinh dưới nhiều hình
thức ảnh hưởng khác nhau. Để khắc phục điều này, nhiều tổ chức quốc tế
đang đang khuyến khích sản xuất năng lượng điện theo công nghệ sạch, quy
mô vừa và nhỏ, không gây tác động làm thay đổi các điều kiện tự nhiên như
các thủy điện nhỏ, phong điện, điện Mặt trời...vv. Như vậy vấn đề huy động
công suất từ các nguồn phát nhỏ, cục bộ cho lưới điện chung là bài toán được
đề cập tới của hướng nghiên cứu.
Điều ta vừa nói tới là bộ biến đổi có thể truyền đạt năng lượng xoay
chiều theo hai hướng được ứng dụng trong hai lĩnh vực khác nhau:
1. Trong lĩnh vực thứ nhất - truyền động điện, quá trình hoàn trả năng
lượng về lưới chỉ xảy ra khi hãm tái sinh, quá trình này là không liên tục, có
chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, có quá trình quá độ, năng lượng trung bình của một
lần hãm không lớn. Tuy nhiên dòng công suất trả về lưới cũng đòi hỏi chất
lượng càng cao càng tốt để nâng cao hiệu quả cho việc thu hồi năng lượng,
hình 1.1.
2. Trong lĩnh vực thứ hai - trao đổi công suất giữa các nguồn cục bộ hay
với lưới, quá trình xảy ra với thời gian kéo dài, liên tục, hình 1.2. Dòng năng
lượng qua bộ biến đổi có công suất có thể rất lớn và phải đạt được các chỉ tiêu
mong muốn đặt trước.
Hệ thống này thể hiện một số ưu điểm như sau:

Khả năng hãm tái sinh: Như ta đã biết, một động cơ có thể hoạt động


ở cả chế độ động cơ và máy phát. Khi máy điện chuyển sang chế độ hãm tái
sinh, tức là hoạt động như một máy phát, năng lượng thừa sẽ được phát trả về
làm dâng cao điện áp trên tụ điện một chiều. Trong một số trường hợp, năng
lượng này là nhỏ và có thể được tự tiêu tán trong mạch điện một chiều. Trong
quá trình hãm này, nếu không tiêu tán kịp thời, năng lượng này có thể gây quá
áp trong mạch một chiều khiến cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các

4
tụ điện một chiều. Nhất là với các ứng dụng yêu cầu đảo chiều, tăng tốc và
giảm tốc thường xuyên thì khả năng hãm là rất cần thiết, ví dụ như các thang
máy, các máy điện công suất lớn, các dây chuyền đóng gói,... Thông thường,
khi năng lượng hãm lớn (khoảng 10% năng lượng làm việc định mức của hệ
thống) thì cần phải tính đến các việc bổ sung các mạch hãm cho hệ thống.
Năng lượng hãm này có thể phát trả về lưới hoặc được tiêu tán bằng các
phương pháp khác nhau: điện trở hãm,...
Một trong các biện pháp hiệu quả nhất ứng dụng bộ biến đổi PWM phía
lưới để hệ thống có thể làm việc trong cả 4 góc phần tư và cho phép phát trả
năng lượng về lưới.

Đặc tính động học tốt hơn: Khả năng hoạt động ở cả 4 góc phần tư
cho phép hệ thống có được đặc tính động học rất tốt so với các hệ thống cũ
trước đây. Khả năng phát trả năng lượng hãm tái sinh về lưới đã cho phép hệ
thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh hơn so với các hệ thống cũ, cho
phép tốc độ thay đổi với gia tốc lớn hơn.



Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn: Trong hoạt động của
biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc tối thiểu phải bằng biên
độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho động cơ. Điều này đảm bảo cho
biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng mô men đủ nhanh. Ngoài ra nó
còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có thể.



Bằng việc điều khiển bộ biến đổi PWM phía lưới, ta có thể điều khiển
được điện áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên (Udc>Uo). Lúc
này bộ PWM phía lưới sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp
cho điện áp một chiều (đó là ưu điểm nổi trội của bộ chỉnh lưu tích cực). Khả
năng này khiến cho hệ thống sẽ ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như
các trường hợp sụt giảm của điện áp lưới. Nếu điều khiển tốt điện áp một
chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất

5
lượng điện áp ra bằng phẳng so với các hệ thống cũ (phương pháp chỉnh lưu
PWM).

Khả năng điều chỉnh hệ số công suất ở phía lưới: Bộ PWM phía lưới
cho phép ta điêu chỉnh được hệ số công suất phía lưới, như vậy nó có thể hoạt
động như một bộ bù công suất phản kháng. Thông thường, người ta mong
muốn đạt được hệ số công suất xấp xỉ bằng 1. Trong các hệ thống cũ dùng
mạch nắn 6 điốt và một bộ nghịch lưu PWM, người ta cũng có thể đạt được
hệ số công suất bằng 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị
hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng hai bộ
biến đổi PWM.



Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện phía lưới: Ta đã biết là không
thể có một bộ nghịch lưu nào cung cấp cho ta một dòng điện hoàn toàn hình
sin, vì vậy dòng điện lưới sẽ luôn bị méo dạng nhất định. Dòng điện lưới sẽ
chỉ gần giống hình sin và chứa rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số
của tần số chuyển mạch. Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu điốt còn tạo ra
các sóng hài lẻ bậc thấp. Các sóng hài lẻ bậc thấp này có thể gây ra các hiện
tượng như : làm phát nóng các biến áp, lỗi cho động cơ, hỏng tụ điện... Như
vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao hơn,
các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng hơn so với các sóng hài
bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ.


Nhờ có những ưu điểm nổi bật đã kể trên, biến tần 4Q đã được ứng dụng
rất phổ biến cho những hệ truyền động điện hiện đại. Đặc biệt những năm gần
đây biến tần 4Q là đang trở thành đề tài nghiên cứu ứng dụng cho phân phối
công suất giữa các nguồn điện cục bộ.

6
1.2. Biến tần 4 góc phần tư
Để thực hiện quá trình điều tiết năng lượng giữa lưới và phụ tải ta có thể
sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Ví dụ, khi sử dụng 2 bộ PWM tựa
lưng vào nhau thì việc điều chỉnh dòng công suất có thể được thực hiện bằng
cách thay đổi tần số hoặc thay đổi điện áp. Tuỳ thuộc vào quá trình điều chỉnh
cũng như vai trò cụ thể của các bộ PWM ở sự biến đổi năng lượng đó mà ta
có các phương pháp điều khiển khác nhau .
Quá trình năng lượng có thể được mô tả khi tải là động cơ như hình 1.3
Bộ PWM phía - M + M Bộ PWM phía
lưới LV ở chế độ lưới LV ở chế độ
nghịch lưu
Máy điện Máy điện chỉnh lưu
LV ở chế LV ở chế
độ máy độ động cơ
Bộ PWM phía
phát
Bộ PWM phía
+ n
động cơ LV ở chế + n động cơ LV ở chế
độ chỉnh lưu độ nghịch lưu
Góc II Góc I
Góc III Góc IV
Bộ PWM phía - M + M Bộ PWM phía
lưới LV ở chế độ lưới LV ở chế độ
chỉnh lưu
Máy điện Máy điện
nghịch lưu
LV ở chế LV ở chế
độ động cơ độ máy
Bộ PWM phía phát Bộ PWM phía
động cơ LV ở chế - n - n động cơ LV ở chế
độ nghịch lưu độ chỉnh lưu
Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư
1.2.1. Chỉnh lưu PWM
1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM:
Cấu trúc cơ bản chỉnh lưu PWM được mô tả trên hình 1.4

7
UA IA
UB IB
UC IC
C
Tải
Hình 1. 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM
Cấu trúc phổ biến này có các ưu điểm là sử dụng các module ba pha số
lượng van nhỏ nên có thể giảm giá thành, năng lượng có khả năng chảy hai
chiều.
Cấu trúc này có triển vọng nên đang được phát triển. Trong hệ thống
phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi AC/DC/AC, năng lượng xoay
chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM.
Nó cho hệ số công suất bằng cos =1 và dòng điện chứa ít thành phần sóng
hài bậc cao. Các bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại
cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động
cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều
sang một chiều, hoạt động đa truyền động, v.v....
Hơn nữa, biến đổi AC/DC/AC mang lại một số điểm sau:
- Động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn mà không cần giảm từ
trường (bởi sự duy trì điện áp đường truyền một chiều trên điện áp
đỉnh của nguồn cấp).
- Về lý thuyết, giảm được 1/3 điện áp so sánh với cấu hình quy ước do
điều khiển đồng thời chỉnh lưu và nghịch lưu.
- Phản ứng của bộ điều khiển điện áp có thể được cải tiến bởi tín hiệu
đưa đến từ tải dẫn đến giảm đến mức tối thiểu điện dung 1 chiều,

8
trong khi việc duy trì được điện áp một chiều dưới giới hạn cho phép
thay đổi tải.
UA
IA
UB
IB
UC
IC
C
M
Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều.
1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM:
Trên sơ đồ hình 1.4, bộ chỉnh lưu PWM được cấu tạo là một cầu chỉnh
lưu 3 pha chuyển mạch hoàn toàn dùng các thiết bị bán dẫn công suất như
IGBT hay GTO,... các diode mắc song song ngược với van chuyển mạch, tụ
một chiều C, đầu vào chỉnh lưu (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có
lắp thêm cuộn cảm L. Giá trị cuộn cảm L được tính chọn thích hợp kết hợp
với tụ C và phương thức điều chế PWM đóng ngắt các van để dâng cao thế
năng phần một chiều lớn hơn thế năng phần xoay chiều, nhờ đó có được điện
áp một chiều lớn hơn so với chỉnh lưu tự nhiên.
Để có chế độ làm việc bốn góc phần tư đảm bảo công suất trao đổi hai
chiều giữa lưới và tải, vì dấu của điện áp một chiều là cố định nên dòng điện
chỉnh lưu Id phải thay đổi được dấu. Ta gọi Id có dấu (+) khi nó có chiều
hướng về tải và ngược lại có dấu (-) khi chiều của nó hướng về lưới, khi đó
công suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về
lưới Pd = Ud.Id < 0.
Để thực hiện được nguyên lý làm việc như trên, bộ chỉnh lưu cần có điều
kiện:
- Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.

9
- Do khóa đóng cắt hai chiều IGBT và diode ngược kết hợp mạch vòng
dao động L-C tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0.
Nguyên lý làm việc chỉnh lưu PWM được giới thiệu dựa trên sơ đồ thay
thế một pha và đồ thị véc tơ như trên hình 1.6.a,b,c,d
L.iL R.iL
UL
L

iL
 US
iL jL.iL
UL US
R.iL
a) b)
R.iL
iL UL US
>0
jL.iL jL.iL
US
iL <0
R.iL UL
c) d)
Hình 1. 6. Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM
Hình 1.5.a: là sơ đồ thay thế, trong đó UL là điện áp một pha nguồn xoay
chiều, Us là điện áp tải (mạch một chiều) được quy đổi về nguồn xoay chiều
(điểm a).
Hình 1.6.b: là giản đồ véc tơ tổng quát
Hình 1.6c: khi điều khiển chỉnh lưu PWM để véc tơ dòng điện IL trùng
với véc tơ điện áp lưới UL thì cos = 1 và công suất Pd > 0;
Hình 1.6d: khi véc tơ dòng điện IL ngược với véctơ UL thì cos = -1 và
công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh).
Như vậy, sử dụng chỉnh lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép

10
thực hiện trao đổi công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có
thể điều chỉnh được giá trị hệ số công suất cos theo mong muốn cho từng
ứng dụng thực tế.
Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động:
 Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu PWM: Vdcmin>VCL tự nhiên
(thường ít nhất là 20%).

 Có cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới.

 Điều khiển chỉnh lưu theo luật điều khiển PWM
Quá trình làm việc của chỉnh lưu PWM yêu cầu một giá trị điện áp một
chiều nhỏ nhất. Thông thường, có thể xác định bằng điện áp dây lớn nhất:
Vdcmin>VLN(rms)* * = 2,45* VLN(rms) (1.1)
3 2
Ta có biểu thức điện áp
u > (1.2)
(E 2 (Li
Ld
)2
)
dc m
Biểu thức trên chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp nguồn và điện áp một
chiều đầu ra, dòng điện (tải) và cảm kháng.
Cuộn cảm phải được lựa chọn phù hợp, bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho
dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở
kháng đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện,
nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi
trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều
chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới
hạn bởi điện áp 1 chiều. Kết quả là, dòng điện lớn(công suất lớn) qua cảm
kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Vì vậy, sau khi
biến đổi phương trình (1.1) độ tự cảm lớn nhất xác định:
u 2
 E 2
L< dc m . (1.3)
.iLD

11
1.2.2. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM
Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưu
PWM có thể điều khiển được cả biên độ và pha để thu được dòng điện lưới
hình sin với hệ số công suất bằng 1.
Điện áp bộ biến đổi cầu có thể được đặc trưng bởi 8 trạng thái chuyển
mạch, hình 1.7. Trong đó: 6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0 được mô tả
bởi phương trình:
u
k1
(2 / 3)udc e jkπ / 3
Với k =0.....5 (1.4)

0
Hình 1. 7. Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM.

12
1.3. Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM [7]
Qua những nghiên cứu về bộ chỉnh lưu PWM, ta có thể thấy nó khắc
phục được các nhược điểm của những bộ chỉnh lưu cũ:
- Có thể trả năng lượng về lưới.
- Giảm sóng điều hoà bậc cao.
- Tăng hệ số công suất cos φ.
Hiện tại, có nhiều cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu PWM, chúng được
phân loại dựa trên hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển
dựa trên từ thông ảo.
- Điều khiển dựa trên điện áp là ước lượng điện áp lưới và sẽ được
điều khiển bằng dòng điện hay công suất. Điện áp lưới nếu điều
khiển bằng dòng điện thì gọi là phương pháp VOC (Voltage Oriented
Control), theo công suất là phương pháp DPC (Direct Power
Control). Trước hết cần ước lượng điện áp lưới bằng cách cộng điện
áp đặt đầu vào bộ chỉnh lưu với điện áp rơi trên cuộn cảm. Sau đó,
dựa trên điện áp lưới đã ước lượng được sẽ tiến hành điều khiển bằng
dòng điện (VOC) hay theo công suất (DPC).
+ Cấu trúc điều khiển VOC (Voltage Oriented Control) sử dụng
mạch vòng điều khiển dòng điện là cấu trúc đã được phát triển và
rất phổ biến. Cấu trúc này dựa trên việc chuyển đổi giữa hệ trục
toạ độ cố định α – β và hệ trục toạ độ quay động bộ d – q.
Phương pháp này đẳm bảo đáp ứng tức thời nhanh và hiệu suất
tĩnh cao thông qua các mạch vòng điều khiển dòng điện bên
trong.
+ Cấu trúc điều khiển DPC (Direct Power Control) dựa trên các
mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng tức thời. Trong cấu trúc DPC, không có mạch vòng điều

13
khiển dòng điện và không có khối điều chế PWM vì các trạng
thái chuyển mạch của bộ biến đổi được chọn bởi bảng chuyển
mạch dựa trên sự sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị điều
khiển của công suất tác dụng và công suất phản kháng. Do đó,
một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trúc DPC là phải ước
lượng nhanh và chính xác công suất tác dụng và công suất phản
kháng.
- Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phương pháp điều khiển mà ta
phải ước lượng từ thông ảo của lưới bằng việc áp dụng phương pháp
điều khiển từ thông stator của động cơ không đồng bộ cho lưới điện.
Sau đó, ta tiến hành điều khiển bằng mạch vòng dòng điện (VFOC)
hay điều khiển theo công suất (VF-DPC).
VFOC tương tự như VOC, còn VF-DPC cũng tương tự như DPC.
Chúng chỉ khác nhau ở chỗ điều khiển dựa trên điện áp hay dựa trên từ thông
ảo.
Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM có thể được mô tả như
giẩn đồ trên hình 1.8:
Hình 1. 8. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM.

14
1.4. Mô tả toán học và điều khiển chỉnh lưu PWM
Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lưu PWM thể hiện trên hình
1.9
Hình 1. 9. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM.
1.4.1. Mô tả dòng điện và điện áp nguồn
Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha:
ua Em cos(t) (1.5a)
u
b  Em cos(t 2 ) (1.5b)
3
u
c  Em cos(t 2 ) (1.5c)
3
ia I m cos(t ) (1.6a)
i
b  I m cos(t2 ) (1.6b)
3
ic  I m cos(t
2
) (1.6c)
3

15
Trong đó: Em(Im) và là biên độ điện áp(dòng điện) pha và tần số góc
tương ứng, với giả thiết:
ia+ib+ic=0 (1.7)
Hay có thể viết trong hệ α-β. Khi đó điện áp đầu vào trong hệ toạ độ α-β
được biểu diễn bởi:
u
L 
3
Em cos(t) (1.8a)
2
u
L 
3
Em sin(t) (1.8b)
2
Và điện áp đầu vào trong hệ toạ độ quay d-q được biểu diễn:
 
uLd 
3
 
2 2
 E
m
u
L  uL
(1.9)
2
 
 
 
u
Lq
  
 0  0

 
1.4.2. Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM
Từ các trạng thái van trên hình 1.7, điện áp dây đầu vào chỉnh lưu
PWM có thể mô tả như sau:
uSab (Sa Sb ).udc
uSbc (Sb Sc ).udc
uSca (Sc Sa ).udc
và điện áp pha được tính như sau:
u
Sa f
a
.u
dc
uSb fb .udc
uSc fc .udc
Trong đó:
fa
2Sa (Sb Sc )
3
(1.10a)
(1.10b)
(1.10c)
(1.11a)
(1.11b)
(1.11c)
(1.12a)

16
fb
2Sb (Sa Sc )
(1.12b)
3
fc
2Sc (Sa Sb )
(1.12c)
3
fa, fb, fc nhận các giá trị : 0; 1/3; 2/3
1.4.3. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên abc
Từ hình 1.6b, phương trình điện áp được viết như sau:
uL  uI uS
u  Ri d
i
L
L u
L L S
dt
ua ia ia uSa
    d  

u
b
 R
i
b L 
i
b

u
Sb
dt
      

u
c 
i
c 
i
c 
u
Sc
(1.13)
(1.14)
(1.15)
Ngoài ra dòng điện:
C
dudc
 Saia Sbib Sc ic idc (1.16)
dt
Cuối cùng, thu được sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ 3 pha
như hình sau:

17
Hình 1. 10. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên
1.4.4. Mô toán học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β
Phương trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh α-β tìm được bằng cách
áp dụng phương trình:


xa

xb
 1 1/ 2 1/ 2x α
2 

 
(1.17)
 0 3 / 2 3 / 2x β
3
1/ x 
2 1/ 2 1/ 2
  0
Vào các phương trình (1.15), (1.16)
uLα iLα d iLαuSα
(1.18)
 RL 


u
Lβ 
i
Lβ dt 
i
Lβ
u
Sβ
và
C
dudc
 (iLαSα iLβSβ ) idc (1.19)
dt
Trong đó: Sα 1 (2Sa Sb Sc );Sβ 1 (Sb Sc ) (1.20)
2
6

18
Từ đây có được mô hình cấu trúc chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tĩnh
α-β như trên hình 1.11
Hình 1. 11. Mô hình bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β
1.4.5. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q
Các phương trình trong hệ toạ độ d-q có được bằng cách biến đổi
phương trình:
k   cos γ sinγ 
k 
(1.21)
d 
 UL UL 
 α


k
q sinγUL cos γUL 
k
β
Ta được
u
Ld  RiLd  L
di
Ld
LiLq uSd (1.21a)
dt
u
Lq  RiLq  L
diLq
LiLd  uSq (1.21b)
dt
C
dudc
 (iLdSd iLqSq ) idc (1.22)
dt
Với:
Sd S cost S sint
Sq S cost S sint

19
Từ đố mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ d-q được mô tả như
trên hình 1.12
Hình 1. 12. Mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q.
Trong thực tế, có thể bỏ qua điện trở R, bởi vì điện áp rơi trên R nhỏ
hơn nhiều so với điện áp rơi trên cuộn dây. Các phương trình (1.17), (1.18),
(1.21) có thể viết đơn giản:
uL 
diL
L uS
dt
ua
d
iauSa
    

u
b L

i
b

u
Sb
dt
    

u
c 
i
c
u
Sc
uLα d iLαuSα 
  L  
 

u
Lβ
dt
i
Lβ
u
Sβ
u  L diLd Li  u
Ld Lq Sd
dt
u  L diLq Li  u
Lq Ld Sq
dt
(1.23)
(1.24)
(1.25)
(1.26)
(1.27)
Công suất tác dụng và công suất phản kháng từ nguồn xác định bởi:
p Reu.i* uαiα uβiβ uaia ubib ucic (1.28)

20
q Imu.i*
 uβiα uαiβ
1
(ubcia ucaib uabic )
3
Trong hệ toạ độ d-q:
p  (uLqiLq uLdiLd )
3
2 EmIm
q  (uLqiLd uLdiLq )
Nếu giả sử hệ số công suất bằng 1 ta có:
iLq 0,uLq 0,uLd
3
2Em ,iLd
3
2Im ,q 0
(1.29)
(1.30)
(1.31)
Hình 1.13. Đồ thị véctơ mô tả dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai
chiều phụ thuộc vào hướng iL

21
1.4.6. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC
Hình 1. 14. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC.
Công suất phản kháng qref (được đặt là 0 cho trường hợp hệ số công
suất bằng 1) và công suất tác dụng pref (lấy từ bộ điều khiển điện áp PI-DC)
được so sánh lần lượt với giá trị ước lượng p và q trong bộ điều khiển công
suất tác dụng và công suất phản kháng và công suất tác dụng trễ của bộ điều
khiển.
Tín hiệu số hoá đầu ra của bộ điều khiển được định nghĩa là:
dq=1 với q<qref - Hq
dq=0 với q>qref +Hq
và tương tự công suất tác dụng:
dp=1 với q<qref - Hp
dp=0 với q>qref +Hp
Trong đó Hp và Hq là những dải trễ

22
Các biến số hoá dp và dq với vị trí vector hiệu điện thếUl= arctg
(UL/UL) hoặc vị trí vector từ thôngl=arctg (L/ L) hình thành 1 từ
kỹ thuật số có thể tra được trong bảng tương ứng với vector hiệu điện thế
trong bảng chuyển mạch.
Vùng vị trí của vector hiệu điện thế và từ thông được chia thành 12
sector, hình 1.15 và các sector được biểu diễn dưới dạng số như sau:
(n 2)
π
6 γn (n1)
π
6 với n=1,2....12
Hình 1. 15. Biểu diễn các sector cho phương pháp điều khiển DPC
Sau khi đã xác định được vị trí từ thông ảo thuộc sector nào, ta sẽ lựa
chọn trạng thái đóng cắt tối ưu cho các van của mạch cầu chỉnh lưu nhờ vào
bảng chuyển mạch (Switshing Table):
Bảng 1. 1. Bảng chuyển mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển DPC.
dp dq Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector Sector
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1
0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001
1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000
0
0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101
1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100

23
Ước lượng từ thông ảo trên hệ trục toạ độ-:
Dựa vào điện áp một chiều đo được Udc và các trạng thái chuyển mạch
của bộ biến đổi Sa, Sb, Sc điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu có thể ước lượng
như sau:
u
Sα1
Udc (Sa
1
(Sb Sc )) (1.32a)
3 2
uSα
1 U (SS) (1.32b)
3 dcbc
Các thành phần của từ thông ảo L được tính toán trong hệ toạ độ cố
định (α - β):
ψLα(est)(usα L
di
dtLα
)dt
ψLβ(est)(usβ L
di
dtLβ
)dt
Ước lượng công suất tức thời dựa vào từ thông ảo:
p .( L iL L iL )
q.( L iL L iL )
(1.33 a)
(1.33b)
(1.34a)
(1.34b)
Hình 1. 16. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào

24
Ước lượng từ thông ảo
Công thức 1.33 a, b
Ước lượng công suất
tác dụng và công suất phản
kháng tức thời
Công thức 1.34 a, b
Hình 1. 17. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo
1.4.7. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC
Hình 1. 18. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC.
Đặc điểm của phương pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín
hiệu trong hai hệ trục toạ độ là hệ trục toạ độ tĩnh- và hệ trục toạ độ quay

25
d-q. Các giá trị đo được trong hệ trục toạ độ tự nhiên đầu tiên được biến đổi
sang hệ trục toạ độ tĩnh- sau đó được biến đổi sang hệ trục toạ độ quay d-q
như trên sơ đồ khối.
Công thức biến đổi từ hệ toạ độ- sang hệ toạ độ d-q là
k cosUL  sinULkd
(1.35)
 
 

k
 sinUL
cos
UL
k
q
Trong cả hai hệ trục toạ độ véc tơ điện ápUL được xác định như sau
sinUL  uL / uL2
uL2
(1.36)
cosUL  uL / uL2 uL2
Trong hệ toạ độ quay d-q dòng điện lưới iL được chia làm hai thành
phần là iLd (thành phần dọc trục) và iLq (thành phần ngang trục) trong đó iLd
xác định hướng dòng của công suất tác dụng và iLq xác định công suất phản
kháng. Nhờ đó mà công suất tác dụng cũng như phản kháng có thể điều khiển
một cách độc lập. Hệ số công suất bằng một khi véc tơ dòng điện lưới iL trùng
pha với véc tơ điện áp lưới uL. Đặt trục d của hệ trục toạ độ quay trùng với
véc tơ điện áp lưới thì có thể có được mô hình động lực học đơn giản.
trục q
trục
trục d
(quay)
trục
(cố định)
Hình 1. 19. Sơ đồ véc tơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ
chỉnh lưu từ hệ trục toạ độ- sang hệ trục toạ độ d-q

26
Công thức tính điện áp lưới trong hệ trục d-q như sau:
u
Ld  R.iLd  L
di
Ld
 uSd.L.i Lq (1.37)
dt
u
Lq  R.iLq  L
diLq
 uSq.L.i Ld (1.38)
dt
Theo hình 1.19 thì dòng điện ngang trục iLq được đặt bằng 0 để có
được hệ số công suất bằng 1 và dòng điện dọc trục iLd được đặt bởi bộ điều
khiển điện áp một chiều và điều khiển dòng công suất tác dụng giữa người
cấp và điện áp một chiều trung gian. Giả sử điện trở đầu vào coi như vô cùng
bé so với điện cảm đầu vào thì công thức có thể tối giản thành:
u
Ld  L
di
Ld
 uSd.L.i Lq (1.39)
dt
0 L
diLq
 uSq.L.i Ld (1.40)
dt
Nếu dòng điện ngang trục iLq đạt được giá trị 0 thì công thức sau đúng:
u
Ld  L
di
Ld
 uSd (1.41)
dt
0 uSq.L.i Ld (1.42)
Bộ điều khiển dòng điện có thể sử dụng bộ PI, tuy nhiên bộ điều khiển
PI không đáp ứng được đặc tính động đặc biệt là khi sử dụng công thức (1.39)
và (1.40) vì vậy để đáp ứng được đặc tính động học của dòng điện thì cần tách
riêng từng dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu ra để điều khiển.
u
Sd .L.i LquSdud (1.43)
u
Sq .L.i Lquq (1.44)
Trong đó là tín hiệu ra của bộ điều khiển dòng điện
ud  k p (id
*
 id ) ki(id
*
 id ).dt (1.45)
uq  k p (iq
*
 iq ) ki(iq
*
 iq ).dt (1.46)

27
Tín hiệu đầu ra bộ PI sau khi được biến đổi từ dq sang được sử
dụng làm tín hiệu đóng cắt cấp cho bộ điều chế véc tơ không gian
Bộ điều khiển Bộ điều khiển
điện áp PI dòng điện PI
Bộ điều khiển
dòng điện PI
1.3. Kết luận chương 1
Nội dung chương 1 đã giới thiệu tổng quan về biến tần bốn góc phần tư,
Từ mô hình mạch lực với phần tử chính là 2 bộ biến đổi PWM tựa lưng với
nhau thông qua khối một chiều trung gian có khả năng điều khiển dòng công
suất qua lại theo hai chiều AC/DC/AC thuận nghịch. Các mô tả toán học làm
cơ sở cho thiết kế hệ điều khiển theo các phương pháp khác nhau.
Từ đây, cho ta sự lựa chọn biến tần 4 Q áp dụng cho mô hình nguồn điện
sử dụng năng lượng tái tạo như Máy điện sức gió, hay pin Mặt trời...Với mỗi
dạng nguồn ta có một phương thức kết nối và điều khiển riêng.

28
Chương 2
NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
2.1. Tổng quan về năng lượng và tái tạo
Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ
những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên
tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng
từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong
các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình
này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa:
hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như
năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong
thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong
năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các
quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.
Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu
và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng
lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các
công nghệ sử dụng NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt
trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối
với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới.
Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới
trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm
dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành
tựu đáng kể. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt
khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải…
nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc

29
khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn.
Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại
hiệu quả to lớn. Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là
mô hình tất yếu của một tương lai gần.
Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế
giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự
nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa
vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió,
năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật
phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt,
khí Mêtan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học. Tuy nhiên, ở Việt
Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến
các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa
nhiệt và năng thủy triều sóng biển...Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn
chỉ đề cấp tới hai dạng năng lượng tái tạo, đó là năng lượng gió và năng lượng
Mặt trời được ứng dụng dưới dạng máy phát điện sức gió và pin Mặt trời.
2.2. Máy phát điện sức gió [6]
2.2.1. Lịch sử phát triển của năng lượng gió
Năng lượng gió được khai thác từ hàng nghìn năm nay trong nhiều lĩnh
vực như lái tàu thủy, nghiền hạt, bơm nước và chạy máy móc. Turbine gió
đầu tiên trên thế giới được sử dụng để phát ra điện năng là do Dane, Poul La
Cour sáng tạo nên vào năm 1891. Nó được quan tâm đặc biệt bởi vì La Cour
đã sử dụng điện năng phát ra bởi những turbine của mình để điện phân nước,
tạo ra Hidro cho khí ga chiếu sáng trong trường học ở địa phương. Có thể nói
rằng, phát minh của La Cour đã đi trước hàng trăm năm so với tầm nhìn ở thế

30
kỷ hai mươi về năng lượng mặt trời và năng lượng gió trong việc tạo ra Hidro
bằng cách điện phân để phát điện ở pin nhiên liệu.
Tại Mỹ, hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm
1890, sau đó vào những năm 1930 và 1940, hàng trăm nghìn turbine nhỏ đã
được sử dụng ở các vùng nông thôn nơi mà điện lưới chưa đến được. Vào
năm 1946, một hệ thống điện gió lớn nhất đã được xây dựng và đi vào vận
hành tại Grandpa’s Knob, Vermont được thiết kế để tạo ra 1250kW từ 1
turbine có đường kính 175feet, 2 cánh trụ, chịu được sức gió 115 dặm mỗi giờ
trước khi nó gặp trục trặc lớn vào năm 1945 chỉ với tốc độ gió 25mph (1 trong
các cánh 8 tấn bị vỡ và bay đi 750 feet.
Kết quả là niềm tin vào các hệ thống năng lượng gió giảm sút trong khi
điện lưới mở rộng và trở nên tin cậy hơn nhiều và giá thành điện năng cũng
thấp hơn. Những bất ngờ về dầu mỏ vào những năm 1970 với việc giá năng
lượng tăng cao đã dẫn đến các hệ thống năng lượng thay đổi, kích thích những
mối quan tâm về năng lượng tái tạo từ gió. Trong khoảng 1 thập kỷ sau đó, rất
nhiều các nhà sản xuất đã lắp đặt hàng nghìn các turbine gió mới (hầu hết là ở
California). Trong khi nhiều máy hoạt động kém hơn dự tính, các chính sách
thuế và các hỗ trợ khác để rút ngắn thời gian đã yêu cầu phải sử dụng các
công nghệ tốt nhất. Năng lượng gió bùng nổ ở California khá ngắn ngủi và khi
chính sách thuế kết thúc vào giữa những năm 1980, việc lắp đặt các máy móc
mới ở Mỹ đã dừng lại gần như hoàn toàn trong 1 thập kỷ. Sự suy giảm đột
ngột của thị trường đã phá hủy diện rộng nền công nghiệp này cho đến những
năm đầu 1990.
Phát triển công nghệ turbine gió được tiếp đặc biệt ở Đan mạch, Đức,
Tây ban nha và những quốc gia này đã sẵn sàng khi việc kinh doanh bùng nổ
vào giữa những năm 1990. Như trên hình 2.1, dung lượng đã lắp đặt toàn cầu
của turbine gió đã tăng hơn 25% mỗi năm.

31
Hình 2. 1. Biểu đồ phát triển điện gió đã lắp đặt tăng 25% mỗi năm Trên
hình 2.2 thể hiện dung lượng gió đã lắp đăt trên thế giới. Như năm
2003, dẫn đầu thế giới là Đức và sau đó là Tây Ban nha, Mỹ, Đan Mạch, Ấn
Độ. Ở Mỹ, California tiếp tục lắp đặt mới như hình 2.3, Texas tiếp cận nhanh
để lấp khoảng trống. Một số lượng lớn turbine đã được lắp đặt dọc theo sông
Gorge Columbia ở Pacific Northwest và các Bang Greet Plains đã tạo ra sự
phát triển tốt trên thực tế.
Hình 2. 2. Tổng dung lượng đã lắp đặt ở các quốc gia năm 2002

32
Hình 2. 3. Tổng dung lượng gió đã lắp đặt ở Mỹ năm 1999 và 2002
2.2.2. Các loại turbine gió
Hầu hết các turbine gió đầu tiên được sử dụng để nghiền bột và được
đặt tên là “máy chong chóng”. Nói chặt chẽ, gọi một máy bơm nước hoặc
phát điện chong chóng là nhầm lẫn. Thay vì, mọi người đang sử dụng chính
xác hơn, nhưng vụng về hơn như “Wind-driven generator”, “wind generator”,
“wind turbine”, “wind-turbine generator” (WTG), và “wind energy
conversion system” (WECS). Với mục đích của chúng ta, “wind turbine” là
đủ mặc dù còn phải sử dụng các thành phần khác nữa như tháp, bộ phát,… và
những thành phần này không phải là 1 phần của turbine.
Một cách để phân loại turbine gió là theo trục mà cánh turbine quay.
Hầu hết là theo trục ngang (HAWT) nhưng cũng có một số cánh quay quanh
trục đứng (VAWT). Hình 2.4 cho thấy một số ví dụ của hai loại này.

33
Hình 2. 4. Một số Turbine gió điển hình
(a),(b) hoặc máy điện xuôi gió
(c) Các turbine gió trục đứng
Chỉ máy điện trục đứng rotor Darrieus là có thành công về thương mại
và được đặt tên theo nhà phát minh người Pháp - kỹ sư G.M. Darrieus phát
triển các turbine những năm 1920. Hình dạng của các cánh tạo nên bởi việc
giữ một sợi dây cáp ở cả hai đầu và quay nó quanh 1 trục đứng. Sự phát triển
của các turbine này, bao gồm 500kW, đường kính máy 34m, được thực hiện
trong những năm 1980 bởi các phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Mỹ. Một
công ty Mỹ, FloWind, sản xuất và lắp đặt một số turbine gió này trước khi
thương mại hóa vào năm 1997.
Ưu điểm thứ nhất của máy điện trục dọc như rotor Darrieus là chúng
không cần bất kỳ loại điều khiển lắc ngang nào để giữ chúng đúng với hướng
gió. Ưu điểm thứ hai là phần nặng nhất của máy (chứa thân máy bao bọc phát
điện, hộp số và các phần tử cơ khí khác) có thể được trên nền đất để cso thể
dễ dàng sửa chữa. Khi phần tử nặng nhất không được đặt trên đỉnh tháp, bản
thân tháp không cần thiết phải có cấu trúc khỏe như HAWT. Tháp có thể nhẹ
hơn nữa khi các dây cáp néo được sử dụng (tốt cho các tháp đặt trên nền đất
nhưng không tốt cho việc lắp đặt ngoài biển). Các cánh của rotor Darrieus,

34
khi chúng quay tròn, hầu như luôn luôn ở trạng thái kéo hoàn toàn, điều này
có nghĩa là chúng có thể có trọng lượng nhẹ và rẻ hơn bởi vì chúng không
phải giữ sự linh động với các cánh trên trục ngang của máy.
Có một số nhược điểm của turbine trục đứng, đầu tiên là các cánh của
chúng khá gần mặt đất nên tốc độ gió thấp hơn. Công suất gió tăng lên theo
vận tốc khối vì vậy có thể xem xét nên để các cánh cao hơn tương ứng với tốc
độ gió cao hơn. Gió gần mặt đất không chỉ chậm hơn mà còn hỗn loạn hơn có
thể làm tăng nhiễu với các turbine VAWT. Cuối cùng, tốc độ gió chậm thì các
rotor Darrieus có ít lực xoắn; ở tốc độ gió cao hơn, khi công suất đầu ra phải
được điều khiển để bảo vệ máy phát, chúng không thể được chế tạo để vượt
quá mức gió dễ dàng như các cánh điều khiển ăn khớp trên HAWT.
Trong khi hầu hết các turbine gió là dạng trục ngang, vẫn có một số
tranh luận xem turbine gió đặt cao hay thấp là tốt hơn. Đặt thấp có ưu điểm là
tự gió sẽ điều khiển lắc ngang (hướng trái-phải) vì vậy nó tự định hướng theo
tự nhiên một cách chính xác theo hướng gió. Chúng có chút vấn đề về các
hiệu ứng màn che của tháp. Mỗi khi một cánh quay phía sau tháp, nó gặp phải
vấn đề suy giảm sức gió có thể làm cho cánh uốn cong. Sự uốn cong này
không chỉ có thể dẫn tới hỏng cánh vì liên quan đến sức bền vật liệu, và cũng
làm tăng độ ồn cánh và giảm công suất đầu ra.
Việc đặt turbine cao hơn, mặt khác yêu cầu hệ thống điều khiển lắc
ngang phức tạp để giữ các cánh đối diện với hướng gió. Turbine đặt cao hơn
hoạt động êm hơn và nhận được nhiều công suất hơn. Hầu hết các turbine gió
hiện đại đều là loại đặt cao.
Yếu tố thiết kế nền tảng được lựa chọn cho turbine gió có liên quan đến
số lượng các cánh quay. Có thể hầu hết họ turbine với đa số mọi người là
nhiều cánh như máy bơm nước chong chóng như vẫn thường nhìn thấy ở trên
các cánh đồng. Các máy này khá khác nhau từ thiết kế đế phát điện. Với máy

35
bơm nước, máy chong chóng phải cung cấp lực xoắn khởi đầu lớn để khắc
phục trọng lượng và lực ma sát của cần bơm để di chuyển lên hoặc xuống.
Chúng cũng phải hoạt động ở tốc độ gió thấp để đủ cung cấp cho máy bơm
nước liên tục trong năm. Thiết kế nhiều cánh sẽ làm cho diện tích tiếp xúc với
gió nhằm thu được cả lực xoắn lớn và tốc độ thấp.
Turbine gió với nhiều cánh hoạt động với tốc độ quay chậm hơn nhiều
so với loại ít cánh. Khi rpm của turbine tăng lên, luồng xoáy được tạo nên bởi
một cánh ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh mà nó cuốn theo. Khi số cánh ít
hơn, turbine có thể quay nhanh hơn trước khi nhiễu này trở nên quá nhiều. Và
trục quay nhanh hơn có nghĩa là máy phát có thể có kích thước nhỏ hơn.
Hầu hết các turbine gió châu Âu hiện đại có 3 cánh rotor trong khi các
turbine của Mỹ lại hướng tới chỉ có 2 cánh. Turbine 3 cánh vận hành êm ái
hơn bởi vì xung động của nhiễu tháp và sự biến thiên của tốc độ gió tăng dần
theo độ cao được truyền từ rotor tới trụ chuyển động. Chúng cũng yên tĩnh
hơn. Cánh thứ 3 cũng làm tăng chi phí và trọng lượng của turbine. Rotor 3
cánh cũng khó nâng lên cao để ghép với thân trong quá trình xây dựng hoặc
thay thế cánh.
2.2.3. Tính toán công suất của gió
Xét 1 khối gió với trọng lượng m chuyển động với tốc độ v. Năng
lượng động học K.E được cho bởi mối quan hệ sau:
K.E
1
2 mv2
(2.1)

36
Khi công suất là năng lượng tính trong mỗi đơn vị thời gian, công suất
được biểu diễn theo khối lượng không khí với vận tốc v qua diện tích A được
tính như sau:
Công suất chạy qua diện tích A =
năng lượng
thời gian
1 ( khối lượng )v2
2
.
thời gian
Khối lượng dòng lưu thông định mức là m , chạy qua diện tích A, là
hàm phụ thuộc mật độ không khí, tốc độ v và diện tích mặt cắt A:
Khối lượng qua A (2.2)
= mA
Thời gian
Kết hợp hai công thức trên ta có:
P =
1
A3
(2.3)
2
Trong hệ đơn vị S.I:
- P là công suất gió (watt),
-  là mật độ không khí (kg/m3
ở 150
C và 1 atm,=1,225 kg/m3
),
- A là diện tích mặt cắt mà gió chạy qua (m2
),
- v là tốc độ gió chuyển qua A (m/s) (1 m/s = 2,237 mph).
Đồ thị của P và bảng các giá trị được cho trên hình 2.5. Chú ý rằng
công suất được tính trên mỗi m2
mặt cắt, một số lượng mà được gọi là công
suất đặc biệt hay mật độ công suất.

37
Hình 2. 5. Công suất gió trên mỗi m2
diện tích mặt cắt ở 150
và 1 atm
Chú ý rằng công suất gió tăng theo mũ 3 của tốc độ gió. Điều này có
nghĩa là khi tốc độ gió tăng gấp đôi thì công suất tăng gấp 8 lần. Nhìn từ khía
cạnh khác thì năng lượng tính trong 1 giờ tại 20mph gió sẽ tương đương với
tính trong 8h tại 10mph và cũng tương đương với tính trong 64 giờ (hơn 2,5
ngày) ở 5mph gió. Chúng ta sẽ thấy rằng hầu hết các turbine không hoạt động
ở tốc độ gió thấp và (2.3) nhắc ta rằng tổn thất năng lượng có thể bỏ qua
được.
Phương trình (2.3) cũng chỉ ra rằng công suất gió tỉ lệ với diện tích quét
của rotor turbine. Với turbine trục ngang, diện tích A=(/4)D2
, vì vậy công
suất gió tỉ lệ với bình phương đường kính cánh. Đường kính tăng gấp đôi thì
công suất tăng gấp 4. Chi phí của turbine tăng theo tỉ lệ đường kính trong khi
công suất tỉ lệ với bình phương đường kính, vì vậy máy càng lớn càng có hiệu
hơn về chi phí.
Diện tích quyét của trục dọc rotor Darrieus phức tạp hơn một chút. Tính
xấp xỉ khoảng 2/3 diện tích của một hình chữ nhật với bề rộng bằng

38
chiều rộng rotor lớn nhất và chiều dài tính theo chiều dọc tới các cánh như
hình 2.6
Hình 2. 6. Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus
Mối quan hệ phi tuyến đã biết giữa công suất và gió, chúng ta không
thể chỉ sử dụng tốc độ gió trung bình trong phương trình (2.3) để dự đoán
tổng năng lượng gió hữu ích như ví dụ minh họa dưới đây.
Ví dụ 2.1. Không sử dụng tốc độ gió trung bình so sánh năng lượng tại
150
C, áp suất 1 atm chứa trong 1m2
trong các trường hợp sau:
a. 100 giờ tại tốc độ gió 6m/s (13,4mph)
b. 50 giờ tại 3m/s kết hợp 50 giờ tại 9m/s (trung bình tốc độ gió là 6m/s)
Giải:
a. Với tốc độ gió ổn định 6m/s, chúng ta có năng lượng xác định từ (6.4) như
sau:
Năng lượng (6 m/s) =
1
2A3
t
1
2 .1225 kg / m3
.1m2
.(6 m / s)3
.100 h13,230Wh
(2.4)
b. với 50 giờ tại 9m/s chứa:
1
.1225kg / m3
.1 m2
.3 m / s3
.50h 827Wh (2.5)
2
và 50 giờ tại 9m/s chứa

39
1
2 .1225kg / m3
.1 m2
.(9 m / s)3
.50 h 22,326 Wh (2.6)
Tổng là: 827 + 22,326 =23,152 Wh
Ví dụ 2.1 phản ánh sự không chính xác của việc sử dụng tốc độ gió
trung bình trong phương trình (2.3). Trong khi cả hai tốc độ gió này đều là tốc
độ gió trung bình giống nhau, kết hợp của 9m/s và 3m/s (trung bình 6m/s) tạo
nên nhiều năng lượng hơn tốc độ gió trung bình 6m/s khoảng 75%.
2.2.4. Máy phát điện turbine gió
Chức năng của các cánh là để chuyển động năng của gió thành công
suất quay trên trục để quay máy phát và tạo ra điện năng. Máy phát bao gồm 1
rotor quay quanh 1 stator. Điện năng được tạo ra khi dây dẫn có điện trường
đi qua, cắt ngang qua dây dẫn và phát điện dòng áp. Với công suất nhỏ, các
turbine nạp ắc quy sử dụng máy phát dc, các máy phát kết nối lưới sử dụng
máy phát ac.
2.2.4.1. Các máy phát đồng bộ
Các máy phát đồng bộ được quay ở tốc độ cho trước được xác định bởi
1 số cực và tần số theo yêu cầu. Điện trường của chúng được tạo ra trên rotor.
Trong khi các máy phát đồng bộ cỡ nhỏ có thể tạo nên điện trường cần thiết
với rotor nam châm vĩnh cửu, hầu hết các turbine gió sử dụng các máy phát
phát đồng bộ tạo nên điện trường bằng cách chạy trực tiếp dòng điện qua cuộn
dây quấn quanh lõi rotor.
Thực tế rằng rotor máy phát đồng bộ cần dòng điện 1 chiều cho từ
trường liên hệ giữa các phần. Đầu tiên, dc phải được cung cấp từ mạch chỉnh
lưu, được xem như phần kích từ, cần thiết để chuyển ac từ lưới điện thành dc
cho rotor. Thứ hai, dòng điện dc này cần để tạo nên sự quay rotor thông qua
chổi chan. Phải duy trì việc thay thế chổi than và vệ sinh cổ góp cho các máy

40
phát đồng bộ. Hình 2.7 cho thấy một hệ thống cơ bản cho 1 turbine gió với 1
máy phát đồng bộ, chú ý rằng máy phát và các cánh được kết nối với nhau
thông qua 1 hộp số để điều chỉnh tốc độ khi cần thiết. Dòng điện một chiều
cho cuộn dây rotor, các cổ góp và chổi than để truyền dòng điện từ rotor
vào bộ kích từ.
Hình 2. 7. Máy phát đồng bộ 3 pha
2.2.4.2. Máy phát không đồng bộ cảm ứng
Hầu hết các turbine gió trên thế giới sử dụng các máy phát cảm ứng
nhiều hơn các máy đồng bộ. Ngược với 1 máy phát đồng bộ (hoặc motor), các
máy phát cảm ứng không quay ở 1 tốc độ cố định, vì vậy chúng thường được
mô tả như các máy phát không đồng bộ. Trong khi các máy phát cảm ứng
không phổ biến trong hệ thống điện, motor cảm ứng đa số là motor tròn –
chiếm đến gần như 1/3 tất cả điện năng toàn thế giới. Thực tế, 1 máy điện cảm
ứng có thể hoạt động như 1 motor hoặc máy phát, phụ thuộc vào việc lắp đặt
để phát điện hay tiêu thụ điện. Khi là 1 rotor , rotor quay chậm hơn một chút
so với tốc độ đồng bộ được thiết lập bởi từ trường cuộn dây và cố gắng bắt
kịp với công suất trên trục quay. Khi là 1 máy phát, các cánh turbine quay
rotor nhanh hơn 1 chút so với tốc độ đồng bộ và năng lượng được gửi tới các
cuộn dây stator.

41
Ưu điểm chính của các máy phát không đồng bộ cảm ứng là các rotor
không yêu cầu kích từ, chổi than và cổ góp như máy phát đồng bộ. Chúng
thực hiện việc bằng bằng cách tạo nên điện trường cần thiết trên stator. Điều
này có nghĩa là chúng ít phức tạp hơn và rẻ hơn và yêu cầu bảo dưỡng ít hơn.
Các máy phát cảm ứng cũng tốt hơn với các thiết bị cơ khí trong quá trình vận
hành.
Điện trường quay : Để hiểu về cách 1 máy phát điện hoặc 1 motor làm
việc, chugns ta cần phải giới thiệu về mô hình điện trường quay. Bắt đầu bằng
cách tưởng tượng cuộn dây đặt trong stator của máy điện 3 pha như hình 2.13
Hình 2. 8. Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm
Trong đó, dòng điện dương chạy từ A đến A’ tạo nên từ thôngA được
biểu diễn bởi 1 mũi tên đậm hướng xuống dưới. Dòng điện âm (từ A’ đến A)
tạo nên từ thông được biểu diễn bởi mũi tên nét đứt hướng lên trên các cuộn
dây này bao gồm các cuộn dây bằng đồng quấn theo chiều dài của stator từ
trong ra ngoài. Chúng ta sẽ công nhận rằng dòng điện dương trong pha nào thì
sẽ chạy từ cực này đến cực khác (ví dụ iA chạy từ A đến A’). Khi dòng điện
trong 1 pha là dương, tạo nên điện trường được vẽ mũi tên đậm ; khi nó là âm,
biểu thị bởi 1 mũi tên nét đứt. Và nhớ quy ước mũi tên : “+” từ cuối ở cuối
cuộn dây có nghĩa là dòng điện chạy vào, trong khi 1 dấu chấm nghĩa là dòng
điện chạy ra.

42
Xét điện trường tạo nên bởi các dòng điện 3 pha chạy qua stator. Trong
hình 2.9a, đồng hộ dừng ởt=0, tại điểm iA đạt đến giá trị dương cực đại và
iB, iC đạt âm và bằng biên độ. Luồng điện trường cho mỗi pha của dòng điện
3 pha đã được chỉ ra, tổng của chúng là 1 mũi tên hướng xuống.
Hình 2. 9. Mô hình máy phát điện cảm ứng
Hình (a) Ởt = 0, iA đạt cực đại dương trong khi iB và iC đều âm và
bằng nhau. Vector tổng của từ thông hướng thẳng xuống dưới;
Hình (b) Ởt=/3, các vector từ thông quay 600
theo chiều thuận của
kim đồng hồ, sau đó, dừng đồng hồ ởt=/3 = 600
. bây giờ iA=iB và đều
dương trong khi iC đạt giá trị âm cực đại như hình 2.9b. Tổng của chúng quay
1 góc 600
. Chúng ta có thể tiếp tục thực hiện tăng giá trịt và xét tiếp kết quả
đến hết vòng tròn. Đây là 1 mô hình quan trọng cho máy phát điện cảm: với
các dòng điện 3 pha chạy qua stator, 1 điện trường quay được tạo nên bên
trong máy phát. Điện trường quay ở tốc độ đồng bộ NS được xác định bởi tần

43
số của dòng điện f và số cực p. Đó là NS=120f/p như trường hợp 1 máy phát
đồng bộ.
Rotor lồng sóc: Một máyphát điện cảm 3 pha phải được cung cấp từ với
dòng điện xoay chiều 3 pha chạy qua stator, tạo nên điện trường quay mô tả ở
trên. Rotor của nhiều máy phát điện cảm (và rotor) bao gồm một số thanh
bằng đồng hoặc nhôm được gắn cùng nhau ở các đầu mút, tạo nên 1 cái lồng
trông giống lồng nuôi động vật gặm nhấm. Chúng được gọi là rotor lồng sóc
nhưng bây giờ chúng chỉ được gọi là rotor lồng. Lồng được bao bọc trong 1
lõi kim loại bao gồm các lá thép cách nhau 0,5mm. Các lá thép là để điều
khiển tổn thất dòng điện xoáy 9xem mục 1.8.2). Hình 2.10 chỉ ra mối quan hệ
cơ bản giữa stator và rotor được xem như 1 cặp điện trường (trong stator)
quay quanh lồng (rotor).
Hình 2. 10. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau
được bao quanh nó một điện trường quay
Để hiểu về sự quay điện trường stator tác động đến lồng rotor, xem
hình 2.11a.

44
Hình 2. 11. Mô tả nguyên lý máy phát
Hình (a) điện trường stator di chuyển hướng sang phải trong khi cuộn
dẫn rotor lồng sóc là cố định.
Hình (b) Điều này tương đương với điện trường stator là cố định trong
khi cuộn dẫn di chuyển sang trái, cắt đường từ thông. Cuộn dẫn tạo nên 1 lực
là cho rotor bắt nhịp được với điện trường quay của stator điện trường quay
stator hướng sang phải, trong khi cuộn dẫn trong lồng rotor là cố định.
Nhìn từ khía cạnh khác, từ trường stator có thể được xem như cố định
và quan hệ với nó, cuộn dẫn xuất hiện sang trái, cắt qua day dẫn của luồng
điện trường như hình 2.11b. Định luật Faraday về điện trường cảm ứng cứ khi
dây dẫn cắt qua, 1 emf sẽ phát triển dọc theo dây dẫn và có dòng điện chạy
qua nó. Thực tế, rotor lồng có các thanh dẫn dày với điện trở rất nhỏ, vì vậy
dòng điện chạy qua rất dễ dạng. Dòng điện rotor đó được gọi là iR trên hình
2.11b sẽ tạo nên bản thân nó điện trường ôm bao quanh dây dẫn. Điện trường
của rotor sẽ tương tác với điện trường stator, tạo nên 1 lực lái lồng dây sang
phải. Nói cách khác, rotor quay theo cùng hướng mà stator quay.
Máy điện cảm ứng như 1 motor: Bởi vì dễ hiểu 1 motor cảm ứng hơn
1 máy phát cảm ứng, chúng ta sẽ bắt đầu với nó. Điện trường quay trong
stator của máy điện cảm ứng gây nên rotor để quay cùng hướng. Đó là, máy
điện là motor – một motor điện cảm. Chú ý rằng không có những mối liên hệ

45
về điện với rotor; không có cổ góp hoặc chổi than. Khi rotor tiếp cận tốc độ
đồng bộ của điện trường quay, liên hệ hướng giữa chúng trở nên nhỏ hơn và ít
lực hơn tác động vào rotor. Nếu rotor có thể chuyển đến tốc độ đồng bộ,
chúng sẽ không liên hệ với hướng, không có dòng điện cảm ứng trong cuộn
dây lồng sóc và không có lực phát triển để giữ rotor tiếp tục quay. Bởi vì luôn
có lực ma sát để khắc phục, máy điện cảm ứng vận hành như 1 motor quay ở
định mức chậm hơn tốc độ đồng bộ được xác định bởi stator. Sự sai lệch tốc
được gọi là độ trượt xác định theo biểu thức toán học sau:
s = NSNR 1 N R (2.7)
NS NS
với s là độ trượt rotor, NS là tốc độ không tải đồng bộ = 120f/p rpm,
trong đó f là tần số và p là số cực và NR là tốc độ rotor.
Khi tải đặt lên motor tăng, rotor giảm tốc độ xuống, tăng độ trượt cho
đến khi đủ lực xoắn đủ đáp ứng yêu cầu. Thực tế, với hầu hết motor cảm ứng,
độ trượt tăng gần như tuyến tính với lực xoắn trong dải sử dụng của độ trượt
cho phép. Có 1 điểm, tuy nhiên, khi tải kéo xuống, còn gọi “lực kéo xuống”
và tăng độ trượt để tương thích với tải và rotor dừng lại, hình 2.12.
Hình 2. 12. Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng
Nếu rotor được kéo quay theo hướng ngược lại so với điện trường
stator, máy điện cảm ứng hoạt động như 1 cái phanh.

46
Ví dụ 2.2. Độ trượt cho 1 motor cảm ứng:
Một motor cảm ứng 4 cực đạt công suất định mức khi độ trượt là 4%.
Tốc độ rotor tại công suất cực đại là bao nhiêu?
Tốc độ không tải đồng bộ của motor 60Hz, 4 cực là;
NS120 f 12060  1800 rpm N (2.8)
p 4
Từ (6.28) tại độ trượt 4%, tốc độ rotor sẽ là:
NR1 sNS `1 0.04. 18001728 rpm (2.9)
Máy điện cảm ứng hoạt động như 1 máy phát. Khi stator được cung
cấp dòng điện kích từ 3 pha và trục được kết nối tới 1 turbine gió và hộp số,
máy điện sẽ bắt đầu hoạt động bởi việc kéo theo tốc độ đồng bộ của nó. Khi
tốc độ gió đủ để kéo theo trục máy phát tới vượt quá tốc độ đồng bộ, máy điện
cảm ứng tự động trở thành máy phát phát điện năng vào cuộn dây stator. Nó
có thể có 1 máy phát cảm ứng cung cấp cho bản thân nó 1 dòng điện kích từ
bởi các tụ điện ngoài cho phép phát công suất mà không có lưới điện.
Mô hình cơ bản cho 1 máy phát tự kích từ là để tạo ra điều kiện cộng
hưởng giữa cuộn cảm ở trong của điện trường cuộn dây trong stator và các tụ
điện ngoài. Một tụ điện và 1 cuộn cảm mắc song tạo nên các dao động điện
từ; chúng có 1 tần số cộng hưởng tại vị trí mà chúng sẽ tự phát dao động nếu
cho trước độ dịch chuyển theo hướng đó. Độ dịch chuyển được cho bởi điện
trường tàn dư trong rotor. Tần số dao động, và tạo nên tần số kích thích, phụ
thuộc vào kích cỡ của các tụ ngoài, cung cấp 1 phương pháp để điều khiển tốc
độ turbine gió. Trong hình 2.13, 1 pha, tự kích thích, máy phát cảm ứng được
vẽ với tụ ngoài.

47
Hình 2. 13. Máy phát cảm kháng từ kích từ. Các tục ngoài cộng hưởng với
điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng
Làm thế nào mà 1 máy phát cảm ứng quay? Hệ số trượt được sử dụng
cho các ứng dụng motor cảm ứng, ngoại trừ độ trượt sẽ là 1 số âm bởi vì rotor
quay nhanh hơn so với tốc độ đồng bộ. Với các máy phát cảm ứng kết nối
lưới, độ trượt thường không vượt quá 1%. Điều này có nghĩa là với ví dụ máy
pháp 2 cực, 60Hz và tốc độ đồng bộ 3600 rpm sẽ có:
NR1sNS1 0.01. 3600 3636 rpm (2.10)
Một điều chú ý hơn với máy phát cảm ứng là chúng có thể chống shock
được gây ra bởi các thay đổi nhanh với tốc độ gió. Khi tốc độ gió đột nhiên
thay đổi, độ trượt tăng hoặc giảm theo giúp hấp thụ shock đến thiết bị cơ khí
của turbine gió.
2.2.5. Công suất trung bình của gió
Biểu diễn các phương trình cho công suất gió và được mô tả các thành
phần cần thiết của hệ thống turbine gió, đây là lúc đưa vào việc xác định bao
nhiêu năng lượng có thể thu được từ 1 turbine gió trong các chế độ gió khác
nhau.
Quan hệ lập phương giữa công suất gió và vận tốc gió cho ta thấy rằng
chúng ta không thể xác định công suất trung bình của gió bằng cách thế đơn
giản tốc độ gió trung bình vào (2.4). Ta đã thấy trong ví dụ 2.1. Chúng ta có

Nghiên Cứu Ứng Dụng Biến Tần 4q Cho Hệ Nguồn Năng Lượng Mới Và Tái Tạo.doc

Nghiên Cứu Ứng Dụng Biến Tần 4q Cho Hệ Nguồn Năng Lượng Mới Và Tái Tạo.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên Cứu Ứng Dụng Biến Tần 4q Cho Hệ Nguồn Năng Lượng Mới Và Tái Tạo.doc

Similar to Nghiên Cứu Ứng Dụng Biến Tần 4q Cho Hệ Nguồn Năng Lượng Mới Và Tái Tạo.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Nghiên Cứu Ứng Dụng Biến Tần 4q Cho Hệ Nguồn Năng Lượng Mới Và Tái Tạo.doc