i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi và không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác để làm sản phẩm của riêng mình Các số liệu, kết quả nêu trong luận[.]
Trang 1i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi và không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác để làm sản phẩm của riêng mình
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu của các tác giả, cơ quan, tổ chức
đã được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn này
Trà vinh, ngày tháng năm 2019
Học Viên
Lư Văn Lay Mol
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã giảng dạy trong chương trình Cao học lớp Kỹ Thuật Điện – Trường Đại Học Trà Vinh những người đã truyền đạt cho tôi kiến thức mới, làm cơ sở cho tôi thực hiện tốt luận văn này
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Minh Hòa đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài luận văn
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo sau Đại Học đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học và bảo vệ luận văn
Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cũng như thực hiện luận văn này
Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên luận văn còn nhiều thiếu sót, do vậy rất mong được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp quý báu của mọi người để các vấn đề nghiên cứu được hoàn thiện hơn
Trà vinh, ngày tháng năm 2019
Học Viên
Lư Văn Lay Mol
Trang 3iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt vi
Danh mục bảng biểu viii
Danh mục hình vẽ, đồ thị, sơ đồ ix
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 2
3 Đối tượng nghiên cứu 3
4 Phạm vi giới hạn đề tài 3
5 Phương pháp nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1: CƠ SƠ LÝ THUYẾT 4
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4
1.2 KHÁI NIỆM, SỰ HÌNH THÀNH NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ PHÂN BỐ GIÓ TẠI VIỆT NAM 5
1.2.1 Khái niệm 5
1.2.2 Sự hình thành năng lượng gió 5
1.2.3 Tiềm năng và tình hình năng lượng gió tại Việt Nam 6
1.3 CÁC KIỂU TURBINE GIÓ 9
1.3.1 Cấu tạo chung 9
1.3.2 Turbine gió trục đứng và trục ngang 10
1.4 CÔNG SUẤT PHÁT ĐIỆN CỦA TURBINE GIÓ 11
1.4.1 Một số khái niệm 11
1.4.2 Công suất điện nhận được từ năng lượng gió 13
1.4.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 14
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA 20
2.1 MÔ HÌNH TURBINE GIÓ 20
2.1.1 Mô hình turbine gió 20
2.1.2 Các thông số điều khiển của mô hình turbine gió 20
2.1.3 Hệ số công suất của turbine 21
Trang 4MỤC LỤC
2.2 MÔ HÌNH HỘP SỐ 24
2.2.1 Hệ thống truyền lực (hộp số) 24
2.2.2 Phương trình chuyển động của hộp số trên Simulink và chế độ ổn định của WECS 26
2.3 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ LỒNG SÓC 26
2.3.1 Mô hình máy phát điện không đồng bộ lồng sóc 26
2.3.2 Thiết lập mô hình không gian trạng thái 27
2.3.3 Điều khiển máy phát điện không đông bộ lòng sóc bằng phương pháp điều khiển vector 29
2.4 MÔ PHỎNG TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ LỒNG SÓC TRÊN PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK 33
2.4.1 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống điều khiển turbine gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ lồng sóc 33
2.4.2 Các thông số của hệ thống 33
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 35
3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT TRUYỀN THỐNG 35
3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT TÌM ĐIỂM CỰC TRỊ 36
3.2.1 Giới thiệu phương pháp tìm điểm cực trị 36
3.2.2 Nhiễu loạn của gió được sử dụng cho MPPT 38
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 45
4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN MPPT TRUYỀN THỐNG 45
4.1.1 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ điều khiển 45
4.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển MPPT 45
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN MPPT TÌM ĐIỂM CỰC TRỊ 49
4.2.1 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ điều khiển 49
4.2.2 Kết quả mô phỏng điều khiển MPPT 49
4.3 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MPPT TRUYỀN THỐNG VÀ TÌM ĐIỂM CỰC TRỊ 54
4.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 59
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 61
Trang 5v
MỤC LỤC
5.1 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 61
5.2 HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 61
5.3 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 62
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC
Trang 6DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
AS: (Aerodynamic subsystem) Hệ thống con khí động học
DFIG : (Doubly Fed Induction Generator) Máy phát điện cảm ứng kép
DFT: (Discrete Fourier Transform) Biến đổi Fourier rời rạc
DT: (Drive train) Hệ thống truyền lực
EIA : (Energy Information Administration) Cơ quan thông tin Hoa Kỳ
EMS: (Electromagnetic subsystem) Hệ thống quản lý năng lượng
ESC: (Extremum Seeking Control) Điều khiển tìm điểm cực trị
EVN : (Viet Nam Electricity) Tập đoàn điện lực Việt Nam
FFT: (Fast Fourier Transform) Biến đổi Fourier nhanh
HSS: (High-speed shaft) Trục tốc độ cao
IEA: (International Energy Association) Hiệp hội năng lượng quốc tế
LSS: (Low-speed shaft) Trục tốc độ thấp
MPPT : (Maximum Power Point Tracking) Thuật toán bám điểm công suất cực đại OP: ( Operating point) Điểm vận hành
PID : (Proportional Integral Derivative) Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân
SCIG: (Squirrel Cage Induction Generators) Máy phát điện cảm ứng lồng sóc SWECS : (Standalone Wind Energy Conversion Systems) Hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió độc lập
A : Diện tích vùng cánh quạt của turbine quét qua
a : Hệ số đa thức
Cp: Hệ số công suất của turbine
Cp-pu : Hệ số thực hiện trong đơn vị pu với giá trị lớn nhất cp
CӶ(λ) : Hệ số mô men xoắn
D : Đường kính cánh gió
i : Tỉ số hộp số
Jl : Mô men quán tính trục tốc độ thấp
Jg: Quán tính của trục máy phát
Jh : Mô men quán tính trục tốc độ cao
Jwt: Quán tính của rotor turbine gió
Nb: Số cánh quạt của turbine gió
Pcơ : Công suất cơ của luồng không khí chuyển động
Trang 7vii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Pcơ-pu : Công suất trong đơn vị pu của công suất danh định ở giá trị đặc biệt của A
và ρ
Pđiện : Công suất điện
Pwt : Công suất của turbine
Pg : Công suất của máy phát
R : Bán kính vùng cánh quạt quét qua
RS : Điện trở stator
ᴦG: Mô-men của máy phát
ᴦwt: Mô-men của turbine gió
V: Tốc độ gió
vd : Tốc độ gió mặt
Vpu : Tốc độ gió trong đơn vị pu của tốc độ gió cơ bản
x(t) : Biến ngõ vào
y(t) : Biến ngõ ra
γ : Tỉ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt vd và tốc độ gió đi vào cánh quạt v
ρ : Mật độ không khí
λ : (Tip – Speed – Ratio)Tỉ số tốc độ rìa
λopt: Tỉ số tốc độ rìa tối ưu
Ωl : Tốc độ quay của turbine
Ωh : Tốc độ quay máy phát
θ: Theta
ω Tốc độ góc của rotor so với stator
ωs Tốc độ góc của từ thông rotor so với stator
ωr Tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor
Φ : Từ thông
β : Góc pitch
η : Hiệu suất động cơ
Trang 8DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tiềm năng gió của Việt Nam 7 Bảng 2.1: Thông số của hệ thống và máy phát điện không đồng bộ lồng sóc 6KW 34 Bảng 3.1: Phương pháp điều khiển MPPT truyền thống 35
Bảng 4.1: Thống kê kết quả mô phỏng của các bộ điều khiển 60
Trang 9ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ
Hình 1.1: Turbine gió 4
Hình 1.2: Sự chênh lệch áp suất giữa hai vùng không khí tạo thành gió 6
Hình 1.3: Sự hình thành gió 6
Hình 1.4: Turbine gió tại Tỉnh Bình Thuận 8
Hình 1.5: Tiềm năng gió của Việt Nam 9
Hình 1.6: Sơ đồ khối của turbine gió 10
Hình 1.7: Cấu tạo cơ bản turbine: a) trục đứng và b) trục ngang 11
Hình 1.8: Hướng gió mặt và gió lưng 12
Hình 1.9: Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết 15
Hình 1.10: Công suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ turbine 16
Hình 1.11: Góc pitch của cánh quạt gió 17
Hình 1.12: Đường cong hiệu suất rotor Cp (λ,β) 17
Hình 1.13: Sự thay đổi tốc độ gió trong khoảng thời gian ngắn 18
Hình 1.14: Mô tả thuộc tính của lốc 19
Hình 1.15: Đặc tính công suất của turbine gió 19
Hình 2.1: Mô hình turbine gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ lồng sóc 20
Hình 2.2: Hệ số công suất và tỉ số tốc độ rìa 22
Hình 2.3: Năng suất đầu ra và các đặc tính của tốc độ gió 23
Hình 2.4: Hệ thống truyền lực cố định 24
Hình 2.5: a) Phương trình chuyển động được thực hiện tại trục tốc độ cao – triển khai
Simulink; b) Chế độ ổn định của WECS 26
Hình 2.6: Mô hình máy phát: xác định đầu vào, đầu ra và trạng thái của máy phát điện không đồng bộ lồng sóc (SCIG) 27
Hình 2.7: Cấu trúc của hệ thống điện từ, hệ thống quản lý năng lượng EMS – SCIG 30 Hình 2.8: Trường rotor được định hướng trong mô hình SCIG b) d-q tách rời bởi tình trạng phản hồi cộng với phương pháp bù trước 31
Hình 2.9: SCIG điều khiển vector gián tiếp 32
Hình 2.10: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống điều khiển turbine gió sử dụng máy
phát điện không đồng bộ lồng sóc 33
Hình 3.1: Các trường hợp điều khiển MPPT trên đường cong công suất của WECS 36 Hình 3.2: Giải thích nguyên tắc chung của ESC 37
Trang 10DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ
Hình 3.3: Giải thích phương pháp tìm điểm cực trị WECS 38
Hình 3.4: MPPT - Điều khiển WECS sử dụng SCIG 39
Hình 3.5: Mô hình WECS được sử dụng cho MPPT 40
Hình 3.6: Phản hồi trong vị trí điểm hoạt động 42
Hình 3.7: Cấu trúc điều khiển MPPT: Xử lý thông tin phản hồi và tạo tốc độ quay tham chiếu của máy phát 43
Hình 3.8: Phản hồi trong quá trình vận hành vị trí điểm: a) Hồi tiếp vị trí điểm hoạt động; b) xấp xỉ dùng hàm sign 44
Hình 4.1: Mô phỏng tốc độ gió ngẫu nhiên 45
Hình 4.2: Tốc quay của máy phát sử dụng bộ điều khiển MPPT truyền thống 46
Hình 4.3: Mô men xoắn của turbine sử dụng bộ điều khiển MPPT truyền thống 46
Hình 4.4: Mô men xoắn của máy phát sử dụng bộ điều khiển MPPT truyền thống 47
Hình 4.5: Tỉ số tốc độ rìa sử dụng bộ điều khiển MPPT truyền thống 47
Hình 4.6: Hệ số công suất sử dụng bộ điều khiển MPPT truyền thống 48
Hình 4.7: Công suất của turbine sử dụng bộ điều khiển MPPT truyền thống 48
Hình 4.8: Công suất của máy phát sử dụng bộ điều khiển MPPT truyền thống 49
Hình 4.9: Tốc quay của máy phát sử dụng bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 50
Hình 4.10: Mô men xoắn của turbine sử dụng bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 50
Hình 4.11: Mô men xoắn của máy phát điện sử dụng bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 51
Hình 4.12: Tỉ số tốc độ rìa sử dụng bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 51
Hình 4.13: Hệ số công suất sử dụng bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 52
Hình 4.14: Công suất của turbine sử dụng bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 52
Hình 4.15: Công suất của máy phát sử dụng bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 53
Hình 4.16: Gốc theta của bộ điều khiển MPPT tìm điểm cực trị 53
Hình 4.17: So sánh tốc độ quay của máy phát giữa MPPT truyền thống và tốc độ tham chiếu 54
Hình 4.18: So sánh tốc độ quay của máy phát giữa MPPT tìm điểm cực trị và tốc độ tham chiếu 55
Trang 11xi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ
Hình 4.19: So sánh mô men xoắn của turbine giữa MPPT truyền thống và MPPT tìm
điểm cực trị 55
Hình 4.20: So sánh mô men xoắn của máy phát giữa MPPT truyền thống và MPPT
tìm điểm cực trị 56
Hình 4.21: So sánh tỉ số tốc độ rìa giữa bộ điều khiển MPPT truyền thống và MPPT
tìm điểm cực trị 57
Hình 4.22: So sánh hệ số công suất giữa bộ điều khiển MPPT truyền thống và MPPT
tìm điểm cực trị 57
Hình 4.23: So sánh công suất của turbine giữa MPPT truyền thống và MPPT tìm điểm
cực trị 58
Hình 4.24: So sánh phỏng công suất của máy phát giữa MPPT truyền thống và MPPT
tìm điểm cực trị 59
Trang 12PHẦN MỞ ĐẦU
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi [27]
Thế kỷ 20 đã trải qua với nhiều tiến bộ vượt bậc của loài người Trong đó, con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàng những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng những nhu cầu không ngừng của con người Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, con người phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới như môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác
Trong thế kỷ 21, con người phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu chẳng hạn như năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế, Trong đó, vấn đề năng lượng vẫn là vấn đề được xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ này
Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thồ, tạo ảnh hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những hiểm họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển kinh tế và sinh hoạt ngày càng lớn làm cho kinh tế chậm phát triển dẫn đến những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế, bất ổn chính trị xảy ra nhiều nơi trên thế giới
Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh Biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng nhiều, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến an ninh lương thực Tất
cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát
Các số liệu trong “Chiến Lược Phát Triển Công Nghệ Điện Lực Của Tập Đoàn Điện Lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025“ cho thấy vào năm
2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người Với mức độ tăng dân số hiện nay, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36.000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng - gấp đôi con số hiện tại Như vậy, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc
tế (IEA - International Energy Association) trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ
Trang 132
dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính
cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo, ) [25], [31]
IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp cho thế giới trong 60 năm tới Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm tới Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và đông dân cư như Trung Quốc và
Ấn Độ, hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [31]
Về mặt chính trị, tình hình không ổn định của các nước đang sở hữu hơn 70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên, đều tập trung ở những khu vực nhiều bất ổn nhất thế giới như Trung Đông, Nga và Trung Á dẫn đến giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt tăng cao
Từ những vấn đề trên, để đảm bảo nguồn cung năng lượng cho nhân loại và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, và những nguồn năng lượng khác Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật
và xu hướng tất yếu của thế giới các năng lượng tái sinh đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu, sử dụng ngày càng nhiều [32]
Như vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lược của riêng một quốc gia nào mà cần phải được quan tâm đúng mức trên toàn cầu Trong số những nguồn năng lượng đó năng lượng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luôn được đánh giá cao Vấn đề đặt ra là làm thế nào để khai thác tối ưu nhất nguồn năng lượng này Đây chính là vấn đề cần thiết được đặt ra và cũng là vấn đề chính sẽ được quan tâm và giải quyết trong luận văn này đó là: “Mô phỏng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại cho turbine gió”
2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Mục tiêu tổng quát: Thiết kế bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại cho
turbine gió
- Mục tiêu cụ thể: Một số mục tiêu cụ thể cần đạt được như sau:
+ Xây dựng mô hình toán của turbine gió
+ Xây dựng mô hình toán của hộp số
