Xây dựng mô hình giả lập turbine gió sử dụng PMSG

LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 5
XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIÓ SỬ DỤNG PMSG
BUILDING THE EMULATOR MODEL OF WIND 
TURBINE USING PMSG 
Ngô Quang Vĩ1, Chai Yi2, Tao Songbin2, Nguyễn Tiến Phúc3
Email: vinq@hpu.edu.vn 
1Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam 
2Trường Đại học Trùng Khánh, Trung Quốc 
3Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 02/1/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 21/3/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018
Tóm tắt
Trong bài báo, một mô hình giả lập của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong hệ thống 
turbine gió được thiết kế và xây dựng theo các yêu cầu khác nhau từ sự phát triển. Hệ thống giả lập 
bao gồm phần nghịch lưu phía máy (NLPM), nghịch lưu phía lưới (NLPL), động cơ không đồng bộ 
5,5 kW và biến tần. Giao diện trên máy tính được viết trên nền LabVIEW để cung cấp cho người sử 
dụng một giao diện thân thiện và có thể điều khiển thời gian thực cho các thực nghiệm. Hệ thống có thể 
mô phỏng đặc tính của turbine gió trong thực tế. Hệ thống được thử nghiệm với tần số điện áp cố định, 
tốc độ thay đổi. Kết quả phân tích lý thuyết và các kết quả thực nghiệm của mô hình cho thấy hệ thống 
hoàn toàn khả thi và hiệu quả.
Từ khóa: Năng lượng gió; PMSG - máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu; bộ điều khiển PI; bộ chuyển 
đổi PWM back-to-back; máy phát điện điều khiển gió; turbine gió biến tốc.
Abstract
In this paper, a wind turbine emulator is designed and implemented considering different requirements 
from the development. The wind turbine emulator includes Machine-side and Network-side converter, 
Induction motor 5,5 kW, and Inverter. The PC interface is also developed by the LabVIEW language 
to provide friendly to the user an interface and a real-time control of the experiments. The wind turbine 
emulator can accurately reproduce the characteristics of the actual wind turbine. The wind turbine 
emulator is tested with variable speed, constant voltage frequency. The theoretical analyses and the 
experimental results show that the scheme is available and effective. 
Keywords: Wind power; PMSG - Permanent Magnet Synchronous Generator; PI controller; back-to-
back PWM converter; control wind generator; variable - speed wind turbine.
Ký hiệu 
Ký 
hiệu
Đơn vị Ý nghĩa
Pm
kW Công suất đầu ra của turbine gió 
(W)
Hệ số biến đổi năng lượng là tỷ số 
giữa tốc độ đầu cánh và góc cánh 
A m3 Tiết diện vòng quay của cánh quạt 
P kg/m3 Mật độ không khí 
ω rad/s Tốc độ quay turbine
v m/s Vận tốc của gió
R m Bán kính của turbine
Chữ viết tắt 
PMSG
Permanent Magnet Synchronous 
Generator (máy phát đồng bộ nam châm 
vĩnh cửu)
PWM Pulse Width Modulation (điều chế bề rộng xung)
DSP Digital Signal Processor (vi xử lý tín hiệu)
MBA Máy biến áp 
ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ
NLPM Nghịch lưu phía máy
NLPL Nghịch lưu phía lưới
ĐKMP Điều khiển máy phát
ĐK_DC Điều khiển nguồn một chiều DC
6NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả 
nguồn năng lượng gió luôn là một đề tài có tính 
cấp thiết trong cuộc sống, bởi vì nhu cầu sử dụng 
điện ngày càng cao, mà nguồn nhiên liệu hóa 
thạch đang cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. 
Từ những cấp bách trên cho thấy sự cần thiết của 
việc nghiên cứu ứng dụng để đưa nguồn điện gió 
vào cuộc sống. Hệ thống năng lượng gió hiện tại 
ở Việt Nam có công suất đưa vào lưới không cao 
so với tiềm năng gió ở Việt Nam [2]. Theo quy 
hoạch phát triển điện lực quốc gia đến năm 2020, 
công suất điện gió Việt Nam đạt 800 MW, đến năm 
2030 đạt 6.000 MW [10]. Đây là mục tiêu để chúng 
ta vươn tới, nhưng hiện tại thì nguồn năng lượng 
gió chỉ đạt 160 MW [1], vậy chúng ta phải cố gắng 
rất nhiều để đạt được con số 800 MW. Hệ thống 
turbine gió vừa và nhỏ ở Việt Nam ít được đưa 
vào khai thác, đây là một sự lãng phí rất lớn. Do 
vậy, nghiên cứu và thực nghiệm hệ thống turbine 
gió loại này là rất cần thiết. Kết quả thực nghiệm 
sẽ là nền tảng quan trọng cho việc phát triển vững 
chắc hệ thống phát điện sức gió của Việt Nam.
Đi đôi với việc khai thác tiềm năng gió thì việc đào 
tạo đội ngũ kỹ thuật viên có chất lượng cao trong 
lĩnh vực năng lượng gió cũng là đòi hỏi cấp thiết. 
Để tạo điều kiện thí nghiệm tốt cho viên sinh và 
học viên cần một hệ thống thực nghiệm turbine 
gió. Hệ thống này đáp ứng đầy đủ tính chất và 
yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thực. Với những 
turbine gió thì luôn có kích thước lớn, giá thành 
cao, chi phí vận hành và lắp đặt tốn kém và đòi 
hỏi một diện tích lớn để lắp đặt. Do vậy, cần đưa 
ra một giải pháp cho các vấn đề trên, đó là xây 
dựng hệ thống giả lập turbine gió. Với hệ thống 
này thì phương pháp thực nghiệm, đánh giá hệ 
thống được đơn giản hóa với mô hình giả lập. Đây 
là hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất và đã xây 
dựng thành công. Với hệ thống giả lập turbine gió 
này, sẽ tạo điều kiện rất tốt cho sinh viên, học viên 
thực nghiệm. Mô hình được trình bầy ở hình 1.
Hình 1. Mô hình thực nghiệm hệ thống turbine gió giả lập
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢ LẬP TURBINE GIÓ
Cấu trúc cơ bản của turbine gió giả lập được đề xuất 
cho ở hình 1, nó bao gồm hai phần chính sau:
Phần mềm:
- Mô phỏng trên Matlab.
- Giao diện quan sát và điều khiển trên LabVIEW.
Phần cứng:
- Biến tần (thông số ở bảng 5).
- Động cơ không đồng bộ (thông số ở bảng 2).
- Hộp số (thông số ở bảng 4).
- Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG - 
thông số ở bảng 3).
- IGBT bao gồm nghịch lưu phía máy (NLPM), 
nghịch lưu phía lưới (NLPL).
- Khối điều khiển máy phát (ĐKMP), điều khiển 
nguồn một chiều (ĐK DC).
- Bộ lọc (LC).
- Máy biến áp (MBA - 220/380 V). 
2.1. Xây dựng mối quan hệ giữa tần số và tốc 
độ máy phát PMSG
Với giá trị tần số được thiết lập trên máy tính, 
thông qua giao diện LabVIEW sẽ đặt tần số cho 
biến tần thông qua chuẩn RS485, để điều khiển 
ĐCKĐB (hình 1). 
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 7
Tốc độ của động cơ không đồng bộ theo được 
tính theo công thức [4]:
 (1)
Thông qua hộp số (gearbox), tốc độ của turbine 
gió sẽ như sau [6]:
 (2)
: tốc độ của turbine gió
: tốc độ của máy phát PMSG
G: tỉ lệ gear box
Từ công thức (1) và (2) ta rút ra:
 (3)
Với tần số khác nhau sẽ cho ra tốc độ khác nhau. 
Ở đây ta lưu ý: vì tốc độ của gió là giả lập, do vậy 
theo như công thức (2) thì tỷ số này khác với thực 
tế của hệ thống turbine gió. Còn trong thực tế, tốc 
độ của turbine gió sẽ nhỏ hơn tốc độ máy phát, 
nhưng ở mô hình giả lập thì điều này là ngược 
lại. Nghĩa là tốc độ của ĐCKĐB cao hơn so với 
PMSG theo bảng 2, 3. Do đó, trong quá trình thiết 
kế nhóm tác giả đã đề xuất thêm gearbox nhằm 
mục đích giảm tốc độ của ĐCKĐB sao cho phù 
hợp với tốc độ định mức của PMSG theo bảng 
4. Do đó, có sự khác biệt cơ bản giữa hệ thống 
turbine gió và hệ thống turbine gió giả lập, do tốc 
độ ở thực tế luôn nhỏ hơn. Ví dụ cứ 1000 vòng 
quay của ĐCKĐB ta có 378 vòng máy phát PMSG.
Hình 2. Đường đặc tính quan hệ giữa tần số 
và tốc độ 
PMSG phát ra điện, là nguồn đầu vào cho NLPM. 
Nguồn đầu ra của NLPM là điện áp DC, chính là 
đầu vào cho NLPL. Sau đó thông qua bộ lọc (LC) 
và MBA, điện sẽ được đưa lên lưới. Chức năng 
hai bộ điều khiển ĐKMP, ĐK_DC được điều khiển 
theo thuật toán PI, các tham số sẽ được cài đặt 
trên mô hình giả lập turbine gió theo hình 18.
Giao tiếp RS485 được thiết lập để giao tiếp giữa 
máy tính, biến tần và counter theo hình 10. Thông 
qua giao tiếp này, tốc độ được cài đặt trên giao 
diện LabVIEW, cũng như tốc độ hiển thị sẽ được 
counter gửi về máy tính, giúp người thực nghiệm 
quan sát được tốc độ máy phát (PMSG) khi hoạt 
động theo hình 14.
2.2. Mô hình nguồn gió và turbine gió
Cơ năng E của một khối lượng không khí m 
chuyển động với vận tốc v theo [6, 7]:
 (4)
Công suất P thu được lệ thuộc vào khối lượng 
không khí chuyển động, vận tốc gió, mật độ không 
khí và tiết diện A của vòng quay cánh quạt.
 (5)
Công thức (5) cho thấy vận tốc gió tăng 1 lần thì 
công suất tăng theo lũy thừa 3.
Công suất của turbine được tính theo công thức sau: 
 (6)
Hệ số biến đổi năng lượng của công thức (6) theo 
[5] có công thức như sau:
 (7)
Hình 3. Đường cong mối quan hệ giữa Cp 
và của turbine gió
Với (8)
Tỷ số giữa tốc độ đầu cánh turbine và tốc độ gió là: 
 = (9) 
Với công suất đầu ra của turbine:
 (10)
Mômen của turbine gió được tính theo [6] như sau:
 (11)
Mặt khác, turbine gió có thể vận hành theo các 
quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ 
gió. Theo hình 4 là biểu diễn mối quan hệ giữa Pm 
và tốc độ gió.
8NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018
Hình 4. Đường cong biểu diễn mối quan hệ 
giữa Pm và tốc độ gió
Hình 5. Mô hình nguồn gió và turbine gió 
mô phỏng trên Matlab
Mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh 
cửu (PMSG)
Phương trình dòng và áp trên hệ tọa độ dq theo [3, 9]: 
(12)
 (13)
trong đó: 
Lsd : điện cảm stator đo ở vị trí đỉnh cực;
Lsq: điện cảm stator đo ở vị trí ngang cực; 
p: từ thông cực (vĩnh cửu);
Tsd, Tsq: hằng số thời gian stator tại vị trí đỉnh cực.
Phương trình mômen: 
 (14) 
Để điều khiển máy phát điện nối lưới, ta dùng hai 
bộ NLPM và NLPL. NLPL dùng để hòa đồng bộ 
cho máy phát điện cũng như tách máy phát ra khỏi 
lưới khi cần thiết. NLPL nhằm ổn định mạch một 
chiều trung gian.
Hình 6. Mô hình mô phỏng PMSG trên Matlab
Hình 7. Mô hình giả lập turbine gió sử dụng PMSG
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 9
2.3. Thiết kế các bộ điều khiển PI
Hình 8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho NLPM và NLPL
Các bộ điều của hệ thống được sử dụng là bộ điều 
khiển PI, vì bộ điều khiển này có các ưu điểm như: 
dễ chế tạo, giá thành rẻ. Bộ điều khiển PI được sử 
dụng ở cả hai phía NLPM và NLPL và được xây 
dựng trên họ vi xử lý TMS320F28335 theo hình 9.
Hình 9. Tủ điều khiển hệ thống turbine gió giả lập
2.4. Giao tiếp qua cổng truyền thông RS485
RS485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối 
xứng giữa hai dây dẫn A và B, nhờ vậy giảm 
được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn 
một cách đáng kể. RS485 cho phép khoảng cách 
tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn 
mạng là 1.200 m, không phụ thuộc số trạm tham 
gia [8]. Hệ thống này sử dụng mạng truyền thông 
RS485 để giao tiếp với hệ thống được thiết lập để 
máy tính làm master, các thiết bị khác bao gồm 
biến tần, counter là các slaver. Mỗi slaver sẽ được 
cài đặt các IP khác nhau để master tiện quản lý 
các slaver này. Địa chỉ IP để cài đặt cho hệ thống 
là: counter có địa chỉ 01, biến tần có địa chỉ 02.
Hình 10. Cổng giao tiếp truyền thông RS485
10
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018
2.6. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink
Hình 11. Mô hình mô phỏng hệ thống turbine gió Matlab
Mô hình mô phỏng hệ thống turbine gió trên 
Matlab được thể hiện ở hình 11. Ta đặt tốc độ gió 
ban đầu cho hệ thống là 11,5 m/s, điện áp đầu 
ra của PMSG (thông số PMSG bảng 1) sẽ được 
cấp cho NLPM. Bộ NLPM sẽ chuyển đổi điện áp 
xoay chiều AC thành DC. Nguồn DC thông qua 
bộ NLPL tạo ra điện áp AC sẽ phát công suất ra 
lưới điện.
Hình 12. Mô phỏng tốc độ gió
Hình 13. Công suất đầu ra của turbine gió
3. XÂY DỰNG GIAO DIỆN HỆ THỐNG TURBINE 
GIÓ GIẢ LẬP TRÊN LABVIEW
Tác giả xây dựng giao diện hệ thống giả lập 
turbine gió để quan sát đối tượng. Qua giao diện 
này ta có thể quan sát được tốc độ PMSG, công 
suất máy phát, mômen và tốc độ gió. Ở giao diện 
cũng đưa ra đồ thị phản ánh quan hệ giữa tốc độ 
và tần số theo như hình 2. Phương thức giao tiếp 
truyền thông được thông qua chuẩn RS485 theo 
như hình 10. Tác giả có sử dụng mạch chuẩn đổi 
USB - RS485 (UT-890J) để tạo ra chuẩn giao tiếp 
truyền thông RS485, nhằm mục đích kết nối giữa 
máy tính với biến tần và counter. 
Hình 14. Giao diện hệ thống turbine gió 
(thực nghiệm)
Các tham số lamda và Cp cũng được đưa ra tính 
toán trên giao diện dựa theo công thức (7, 8, 9). 
Hệ thống sẽ được điều khiển thông qua việc thiết 
lập tần số cho biến tần theo hình 14. Giá trị của 
tần số của biến tần cũng được hiển thị trên giao 
diện nhằm tạo điều kiện quan sát tốt nhất khi điều 
khiển hệ thống từ xa. Ngoài chức năng điều khiển, 
giao diện còn có thêm giao diện quan sát lỗi ở 
NLPM, NLPL và HELP, nhằm mục đích giám sát 
và tương tác với người sử dụng hệ thống giả lập 
turbine gió.Với giá trị khai báo trên hình 14, ta có 
tốc độ gió 11 m/s, tốc độ máy phát là 316 vg/ph và 
công suất đầu ra của turbine gió là 2532 W. Qua 
kết quả thực nghiệm trên LabVIEW, ta thấy giá trị 
đạt được gần với giá trị mô phỏng theo mục 6 đã 
trình bày.
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Hình 15. Dòng điện đầu ra của hệ thống khi mô 
phỏng trên Matlab
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 11
Hình 15 hiển thị dòng điện khi mô phỏng trên 
Matlab. Khi ta đặt tốc độ gió là 11,5 m/s thì hệ 
thống dao động trong khoảng thời gian là 0,6 s, ổn 
định ở thời điểm 0,8 s. 
Hình 16. Điện áp đầu ra của hệ thống khi mô phỏng trên Matlab
Hình 16 hiển thị điện áp mô phỏng trên Matlab cho 
ba pha. Ở đầu ra NLPL, khi đưa vào lưới điện, 
điện áp này còn cần phải xử lý qua bộ lọc LC và 
cũng đảm bảo điện áp trùng pha, trùng biên độ và 
trùng tần số với lưới điện. 
Hình 17. Hòa nối lưới cho PMSG 
(thực nghiệm khi đo hai pha)
Hình 17 hiển thị điện áp đo trên hai pha của đầu 
ra NLPL, sau khi chỉnh định để đạt được biên độ, 
pha và tần số thỏa mãn các điều kiện trước khi 
hòa lưới điện.
Hình 18. Thông số cài đặt PI (thực nghiệm)
Hình 18 thể hiện giá trị các hệ số PI đã cài đặt cho 
hệ thống, bao gồm cài đặt hệ số Ki cho điện áp, 
dòng điện, hệ số Kp cho điện áp, dòng điện. Trên 
giao diện cũng thể hiện điện áp một chiều, điện áp 
các pha A,B,C
4. KẾT LUẬN
Công trình nghiên cứu đã thu được một số kết 
quả mô phỏng cũng như thực nghiệm về hệ thống 
turbine gió giả lập. Kết quả mô phỏng trong trường 
hợp tốc độ gió cố định là 11,5 m/s và bằng 8,1 thì 
tại thời điểm 0,8 s, tần số, điện áp, góc pha được 
xác lập, đáp ứng hoàn toàn các điều kiện hòa nối 
với lưới (hình 15 - 17). Các tác giả cũng đã thực 
nghiệm trên mô hình turbine gió giả lập, kết quả 
thực nghiệm (hình 7, 9, 14, 18) đã chứng minh 
tính đúng đắn và chính xác của hệ thống đề xuất.
Bảng 1. Thông số của turbine gió
Công suất định mức 2,5 kW
Tốc độ gió định mức 11 m/s
Bán kính turbine gió 1,35 m
Số cánh 3
Hệ số công suất
Bảng 2. Thông số ĐCKĐB
Công suất định mức 5,5 kW
Dòng điện định mức 11,7 A
Tốc độ định mức 1445 vg/ph
Mômen định mức 35 N·m
Số cực 2
Bảng 3. Thông số máy phát PMSG
Công suất định mức 2,5 kW
Điện áp pha định mức 110 V
Tốc độ định mức 335 vg/ph
Tần số định mức 35 Hz
Điện trở stator Rs 0,3667
Điện cảm stator Ls 3,29 mH
Số cặp cực 14
12
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018
Bảng 4. Thông số hộp số
Công suất đầu vào 5,5 kW
Tỷ số 3,78
Bảng 5. Thông số của biến tần MV300 A
Công suất định mức 7,5 kW
Điện áp định mức 380 V
Dòng điện định mức 17 A
Dải tần số hoạt động 1-400 Hz
Kiểu loại MV300 A - 7R5G - 4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Vũ Thành Tự Anh (2013). Năng lượng gió 
của Việt Nam tiềm năng và triển vọng. 
Nhietdien.vn
[2]. CPC IT - KHVT (2013). Tiềm năng điện gió 
của Việt Nam. Tạp chí Tia sáng.
[3]. Celso R. Schmidlin Jr, F. Kleber de A. Lima, 
C. Gustavo C. Branco, and Tobias R. 
Fernandes Neto (2016). Modelling and control 
of PMSG based WECS: Evaluating the Test 
Bench Result. IEEE International Conference 
on Industry Applications.
[4]. Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Trọng Thắng 
(2016). Nguyên lý hoạt động của máy điện. 
Nhà xuất bản Xây dựng.
[5]. Johanna Salazar, Fernando Tadeo, Kritchai 
Witheephanich, Martin Hayes and Cesar de 
Prada (2012). Control for a Variable Speed 
Wind Turbine Equipped with a Permanent 
Magnet Synchronous Generator (PMSG).
Springer Berlin Heidelberg. 
[6]. Springer (2014). Wind Power Electric 
Systems.
[7]. Springer (2006). Wind Turbine Control 
SystemsPower.
[8]. Hoàng Minh Sơn (2006). Mạng truyền thông 
công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và 
 Kỹ thuật.
[9]. Ms. Srinidhi Varadarajan, Dr. Sasi.K.Kottayil 
(2016). Active Power Control in Grid 
Connected Wind driven PMSG. Biennial 
International Conference on Power and 
Energy Systems.
[10].Ngọc Tuấn (2016). Việt Nam phấn đấu đạt 
6.000 MW điện gió vào năm 2030.