NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ I- Tên đề tài: Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn n
Giới thiệu chung
Đặ t v ấ n đề
Điện năng đóng vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu trong việc thúc đẩy sự phát triển kinh tế, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định chính trị, sự lan tỏa của văn hóa và chất lượng đời sống xã hội của mỗi quốc gia Nguồn điện ổn định, giá điện hợp lý và sử dụng hiệu quả năng lượng là nền tảng cho tăng trưởng sản xuất, thu hút đầu tư và nâng cao mức sống cho người dân, từ đó thúc đẩy tiến bộ xã hội và phát huy tiềm năng của nền kinh tế Do đó, đảm bảo an ninh năng lượng và đầu tư vào hạ tầng điện là ưu tiên phát triển bền vững cho mọi quốc gia.
Nhờ sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đời sống của người dân ngày càng được cải thiện và nâng cao chất lượng Sự tiến bộ này kéo theo nhu cầu sử dụng năng lượng điện tăng lên đáng kể, thúc đẩy các giải pháp về sản xuất, truyền tải và tối ưu hóa nguồn điện Vì thế, đầu tư và phát triển ngành điện lực trở nên thiết yếu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao và đồng thời hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.
Nguồn nhiên liệu đầu vào cho các nhà máy nhiệt điện truyền thống như dầu mỏ, than đá và khí đốt đang cạn kiệt, giá thành tăng và nguồn cung không ổn định Điều này đẩy người dân và các nhà khoa học phải tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là năng lượng tái tạo có tính bền vững Việt Nam cũng không tránh được nguy cơ thiếu hụt năng lượng và cần đẩy mạnh phát triển nguồn năng lượng thay thế để tăng cường an ninh năng lượng.
Hiện nay năng lượng thủy điện đã được khai thác tối đa với các nhà máy thủy điện công suất lớn và nhỏ ở nhiều vùng, chiếm diện tích lòng hồ lên tới hàng chục vạn ha Việc xây dựng các hồ chứa gây phá hủy rừng và cây cối, làm ô nhiễm môi trường sinh thái và ảnh hưởng đến hệ sinh thái ven hồ Đáng chú ý là thủy điện không ngăn được lũ lụt mà còn xả nước cùng với lũ, gây ra nhiều thảm họa cho tính mạng và tài sản của người dân Nhà cửa, ruộng vườn và hoa màu bị hủy hoại, đất sản xuất bị thu hẹp và diện tích đất bị mất đi Tổn thất kinh tế ước tính lên hàng ngàn tỷ đồng mỗi năm.
Với các vấn đề nêu trên, tương lai an ninh năng lượng sẽ khó có thể được đảm bảo đầy đủ, khiến việc duy trì nguồn cung và sự ổn định của hệ thống năng lượng trở nên thách thức Các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia cũng khó trở thành hiện thực do các yếu tố về nguồn lực, công nghệ và biến động thị trường toàn cầu.
Những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển và năng lượng thủy triều đang ngày càng được quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và thúc đẩy một hệ thống nguồn điện bền vững Các nguồn này không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn đóng góp vào việc làm sạch môi trường và bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên Nhờ tiến bộ công nghệ, năng lượng tái tạo đang thay đổi cách con người sản xuất và tiêu thụ năng lượng, nâng cao chất lượng sống và giảm phát thải CO2.
Trong các nguồn năng lượng được nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong các lĩnh vực nghiên cứu, khai thác và sử dụng, nhằm đánh giá tiềm năng, tối ưu hiệu quả và đóng góp vào hệ thống năng lượng sạch bền vững.
Hệ thống điện năng lượng gió mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường và yêu cầu bảo dưỡng thấp, làm cho nó trở thành nguồn điện sạch và bền vững Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió nhờ hơn 3.200 km bờ biển, tạo điều kiện thuận lợi cho khai thác và phát triển các dự án gió ở quy mô lớn Vì vậy, việc khai thác và sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam được khuyến khích mạnh mẽ trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống nhằm tăng cường an ninh năng lượng và thúc đẩy tăng trưởng xanh Trong đó, sản xuất điện từ năng lượng gió là một hình mẫu tiêu biểu cho chuyển đổi nguồn năng lượng, giúp giảm phát thải khí nhà kính và đóng góp vào sự phát triển kinh tế bền vững.
Việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và an toàn của các hệ thống điện gió là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của nguồn năng lượng sạch này Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió”, nhằm tối ưu hóa góc nghiêng cánh tuabin để tăng công suất phát, giảm tổn thất và bảo đảm vận hành an toàn trong mọi điều kiện gió.
Tính cấp thiết của đề tài
Phát triển khoa học kỹ thuật gắn liền với các phát minh và sáng chế giúp nâng cao năng suất lao động và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Song song với tiến bộ này là những mặt trái của phát triển kinh tế không bền vững, như môi trường bị hủy hoại và tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt, cùng nhiều vấn đề khác Trong bối cảnh ấy, vấn đề năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, được đánh giá là cấp thiết và có vai trò quan trọng nhất thời điểm hiện tại.
Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn Điện lực Việt Nam đến năm 2025 cho thấy tới năm 2050 thế giới sẽ có 9 tỷ người, tăng 50% so với hiện nay Với tốc độ tăng dân số này, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36.000 chiếc máy bay và gần 2 tỷ xe ô tô đang được sử dụng, tức gấp đôi con số hiện tại.
Theo nhận định của IEA (International Energy Agency), trong vòng 20 năm tới nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ dự báo tăng khoảng 35%, trong khi tổng nhu cầu năng lượng toàn cầu có thể tăng tới 65% khi tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo IEA cho rằng dầu mỏ sẽ tiếp tục là nguồn cung cấp năng lượng chính của thế kỷ này, chiếm khoảng một phần ba tổng nhu cầu năng lượng Tuy nhiên, ước tính của các nhà địa chất cho thấy trữ lượng dầu mỏ còn đủ để khai thác trong khoảng 60 năm tới, còn nguồn khí tự nhiên đủ cho 70–90 năm; với nhu cầu tăng mạnh ở các nước đang phát triển, giá dầu và khí có thể sẽ tăng lên Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại, cần tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng thay thế cho nguồn hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, địa nhiệt, thủy triều và sóng biển đang được nghiên cứu và khai thác tích cực; nhờ tiến bộ khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới, các nguồn năng lượng tái tạo này sẽ được mở rộng đầu tư và khai thác ngày càng nhiều.
Ở mức độ toàn cầu, việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ của riêng một quốc gia nào mà đã trở thành vấn đề cấp thiết và ưu tiên chung Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và được đánh giá cao hàng đầu cho sản xuất điện Vấn đề hiện nay là làm thế nào để khai thác nguồn năng lượng gió một cách hiệu quả và tối đa hóa nguồn lực này cho hệ thống điện, đồng thời đảm bảo tính bền vững và an toàn Nhiệm vụ giải quyết vấn đề này sẽ được trình bày và phân tích bởi các nhà khoa học trong luận văn này.
M ụ c tiêu c ủ a đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu:
+ Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió; + Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió.
N ộ i dung nghiên c ứ u
- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ trong hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió;
- Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió.
T ổ ng quan v ề l ĩ nh v ự c nghiên c ứ u
Năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác từ thế kỷ thứ 11, và cho đến ngày nay đã có nhiều cải tiến nhờ sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật cũng như nhu cầu thực tế của con người Những tiến bộ này tập trung vào nghiên cứu và khai thác nguồn gió để sản xuất điện năng, nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và tính bền vững của hệ thống năng lượng gió.
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
V Ramakrishnan và S K Srivatsa với công trình nghiên cứu, “Pitch control of wind turbine generator by using new mechanism”, đã biểu diễn mô hình của các phần tử khác nhau trong hệ thống điện năng lượng gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin, thiết kế của bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin và phân tích các đáp ứng của hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin khi tốc độ gió thay đổi [3]
Trong hệ thống điện gió, việc điều khiển góc nghiêng của cánh tuabin được giám sát chặt chẽ để tối đa hóa công suất phát và duy trì sự ổn định của nguồn năng lượng Hàm số góc nghiêng cánh tuabin được sử dụng để điều khiển công suất cơ học và là kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất cho các tuabin gió tốc độ thay đổi, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành và đáp ứng nhanh với biến động gió.
Ở các tốc độ gió thấp hơn mức định mức để máy phát đạt công suất định mức, góc nghiêng của cánh tuabin ở mức lớn nhất để tối ưu hóa phát điện trong điều kiện gió yếu Tuy nhiên, để hỗ trợ tuabin tăng tốc nhanh hơn, góc nghiêng cánh tuabin có thể được giảm nhẹ.
Để duy trì máy phát làm việc ở công suất định mức, góc nghiêng cánh tuabin được điều chỉnh tương ứng với tốc độ gió định mức bằng cách giảm góc nghiêng nhằm giữ công suất mong muốn Nghiên cứu đã phát triển các mô hình động sử dụng phần mềm Simulink/Matlab và xác nhận kết quả bằng thực nghiệm dưới các điều kiện tốc độ gió khác nhau Bên cạnh đó, cơ cấu điều khiển bằng động cơ bước được đề xuất như một giải pháp thay thế cho cơ cấu điều khiển thủy lực, nhằm tăng tính linh hoạt và hiệu quả cho hệ thống điều khiển tuabin gió.
Hình 1.1 Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh
Hình 1.2 Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau
Máy phát điện không đồng bộ
Bộ biến đổi công suất Lưới điện
Hình 1.3 Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu [3]
Trong công trình "Pitch angle control for variable speed wind turbines", Mouna Ben Smida và Anis Sakly khẳng định lại vai trò của kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió để điều chỉnh công suất khi tốc độ gió vượt quá ngưỡng cho phép Kỹ thuật này được xem là một phương pháp luận điều khiển công suất phổ biến và hiệu quả nhất cho turbine gió biến tốc Thông thường, hệ thống này dùng bộ điều khiển PI; nghiên cứu này mở rộng ứng dụng sang máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) và triển khai các chiến lược điều khiển dưới sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng Matlab/Simulink.
Z Civelek, E Cam, M Luy và H Mamur, với công trình nghiên cứu,
Proportional-Integral-Derivative (PID) parameter optimization for wind turbine blade pitch controllers is addressed with a novel Intelligent Genetic Algorithm (IGA) The IGA reconfigures mutation rates and crossover point strategies to enhance the search for optimal PID gains Comparative results against other genetic algorithm variants show that tuning blade pitch angles using the proposed IGA-based PID controller yields better performance than controllers based on alternative GA versions.
S Khajuria và J Kaur, với công trình nghiên cứu, “Implementation of pitch control of wind turbine”, đã cho thấy rằng làm thế nào để tuabin gió tốc độ thay đổi có thể được sử dụng để phát ra công suất với điện áp không đổi thông qua kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió với bộ điều khiển PI [6] Các tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thực hiện mô phỏng Các kết quả đạt được cho thấy rằng bộ điều khiển đã điều khiển chính xác góc cánh tuabin gió sao cho công suất của tuabin gió đạt được giá trị tối ưu Máy phát điện gió được sử dụng trong nghiên cứu này là máy phát điện gió không đồng bộ
J Zhang, M Cheng, Z Chen và X Fu, với công trình nghiên cứu,
Bài báo "Pitch angle control for variable speed wind turbines" giới thiệu một bộ điều khiển góc cánh tuabin gió dựa trên kỹ thuật điều khiển logic mờ Nghiên cứu cho thấy hệ thống điện gió có thể vận hành mà không cần mô hình hóa chi tiết và tốc độ gió trung bình được dùng để bù đắp độ nhạy phi tuyến Chiến lược điều khiển dựa trên logic mờ cho thấy tính khả thi khi hệ thống có các thành phần phi tuyến như nhiễu loạn tốc độ gió hoặc mục tiêu điều khiển đối với các tải lớn Thiết kế bộ điều khiển logic mờ và các so sánh được thực hiện với các chiến lược điều khiển góc cánh tuabin gió thông thường khác cho thấy bộ điều khiển này có thể đạt hiệu quả điều khiển tốt hơn các chiến lược điều khiển thông thường.
M H Refan, M Kamarzarrin và A Ameshghi, với công trình nghiên cứu, “Control of wind turbine’s pitch angle based on DFIG by using MRAC and PIP controller” đã giới thiệu kỹ thuật điều khiển tham chiếu mô hình trên cơ sở thích nghi [8] Các kết quả được so sánh với kỹ thuật điều khiển PIP (Proportional Integral Plus) mà cho thấy rằng hiệu quả của kỹ thuật điều khiển PIP thấp hơn kỹ thuật điều khiển thích nghi Bên cạnh đó, sai số bám của kỹ thuật điều khiển thích tham chiếu mô hình cũng được cải thiện một cách đáng kể
Rukslin, M Haddin và A Suprajitno với nghiên cứu "Pitch angle controller design on the wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG) based on firefly algorithms (FA)" giới thiệu thuật toán Firefly (FA) được dùng như kỹ thuật điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID, nhằm điều chỉnh tốc độ tuabin gió và góc cánh tuabin dựa trên máy phát PMSG FA được dùng để tối ưu hóa điều khiển tốc độ của tuabin gió có máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu; khi gió ở mức thấp dưới giá trị trung bình, điều khiển tốc độ được thực hiện để duy trì tốc độ tối ưu, từ đó công suất đầu ra đạt cực đại và hiệu suất tuabin được nâng lên Việc điều chỉnh góc cánh tuabin là cần thiết trong các điều kiện gió nằm trong giới hạn cho phép, và những biến đổi nhỏ của góc cánh có thể ảnh hưởng đáng kể đến đầu ra công suất Điều này cho thấy việc điều khiển góc cánh là một cách để thích nghi với moment động học của tuabin khi tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép Kết quả nghiên cứu cho thấy dưới sự hỗ trợ của FA, công suất đầu ra tối ưu và ổn định hơn so với bộ điều khiển PID và kỹ thuật Ziegler–Nichols.
A Hwas và A Katebi, với công trình nghiên cứu, “Wind turbine control using PI pitch angle controller”, đã giới thiệu 2 kỹ thuật để tính toán các hệ số của bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI cho một tuabin gió 5 MW [10] Phương pháp thứ nhất là phân tích và phương pháp thứ hai là được dựa trên các mô phỏng Đầu tiên, các đặc tính hệ số công suất cho các góc cánh tuabin khác nhau được tính toán Sau đó, các đường cong công suất ngõ ra theo tốc độ rotor từ các tốc độ cận dưới đến các tốc độ cận trên được mô phỏng Các kết quả từ các phân tích thứ nhất và thứ hai được sử dụng để tìm ra các hệ số điều khiển tương ứng với các tốc độ gió khác nhau Cuối cùng, các kết quả được so sánh bằng việc sử dụng một mô hình tuabin gió để xác định đặc tính bám của tuabin gió
Hình 1.4 Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI
Hình 1.5 Sơ đồ khối tính toán các hệ số K p và Ki
1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Luận văn Thạc sĩ "Cực đại công suất trong hệ thống điện gió" của Trần Ngọc Hữu Trung trình bày việc nghiên cứu giải thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong mô hình hệ thống điện gió dùng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu Nghiên cứu cho thấy P&O là một giải thuật tương đối đơn giản, dễ áp dụng và được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện gió hiện đại, đồng thời cho phép tối ưu hóa hiệu suất vận hành của hệ thống điện gió [11].
Luận văn thạc sĩ của Lê Thành Hưng tại Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy nhằm thực hiện điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống điện gió Đồng thời, tác giả đề xuất điều khiển góc đón gió bằng cách điều chỉnh góc cánh quạt để hệ thống có thể thu được nhiều năng lượng nhất từ gió Trong phạm vi nghiên cứu, máy phát điện gió được sử dụng là loại không đồng bộ nguồn kép (DFIG), một lựa chọn phổ biến cho hệ thống điện gió hiện đại.
Trương Minh Kiệt, trong Luận văn Thạc sĩ tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, giới thiệu một thuật toán MPPT nhằm tối ưu công suất cho máy phát điện gió DFIG, kết hợp bám điểm công suất cực đại với hệ thống điều khiển thông minh dựa trên mạng nơ-ron để tối ưu hóa sản lượng phát Phương pháp này sử dụng mạng nơ-ron nhằm điều khiển và điều chỉnh vận hành, giúp thích nghi với biến động gió và tải, từ đó nâng cao hiệu suất và hiệu quả của máy phát điện gió DFIG Đoạn nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa MPPT và điều khiển thông minh có tiềm năng cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống gió, đóng vai trò như một giải pháp tối ưu hóa công suất cho DFIG trong lĩnh vực năng lượng tái tạo [13].
B ố c ụ c c ủ a lu ậ n v ă n
Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương:
- Chương 2: Hệ thống điện gió
- Chương 3: Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
Hệ thống điện gió
Năng lượng gió
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tự nhiên đang được quan tâm hàng đầu để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai Hiện tại, năng lượng gió đã mang lại nhiều hứa hẹn và tiềm năng lớn cho hệ thống cung cấp điện, nhưng để đẩy mạnh khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai, các nhà khoa học cần nghiên cứu sâu hơn nhằm hoàn thiện các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng gió Nguyên lý của năng lượng gió là gió làm quay các tuabin và từ đó sinh ra điện năng Các yếu tố hình thành nên nguồn năng lượng gió bao gồm sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, sự chuyển vận của Trái Đất và sự lồi lõm của mặt đất.
* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió
Có thể thấy nguồn năng lượng gió mang nhiều ưu điểm nổi bật và là động lực chính thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành năng lượng trên toàn cầu trong những thập niên gần đây Những lợi ích của nguồn năng lượng này cho sản xuất điện bao gồm tính tái tạo vô hạn, phát thải môi trường ở mức rất thấp hoặc bằng không, chi phí vận hành sau khi lắp đặt tương đối thấp, khả năng triển khai nhanh và linh hoạt trên nhiều khu vực, cùng cơ hội tăng trưởng kinh tế và tạo việc làm cho cộng đồng địa phương.
+ Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gió phát triển sẽ tạo thêm nhiều việc làm
+ Là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận
Theo ước tính của Bộ Năng lượng Mỹ, điện gió được dự báo sẽ có chi phí thấp hơn các nguồn điện khác như than, dầu và biomass trong tương lai Hiện tại, giá điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh tùy thuộc vào tiềm năng gió và điều kiện địa phương tại từng khu vực.
+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng lượng điện khác
* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió
- Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió là phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên
- Mặc dù công nghệ năng lượng gió đang phát triển và giá thành của một tuabin gió đã giảm dần từ hơn 10 năm qua nhưng mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư so với các nguồn năng lượng truyền thống khác
- Cũng có thể dễ dàng nhận ra rằng, không có bất kỳ một nguồn năng lượng nào không gây ra các ảnh hưởng đến môi trường Đối với nguồn năng lượng gió, các ảnh hưởng cần phải quan tâm là các tuabin gió gây ra các tiếng ồn làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí và có thể xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã
2.1.1 Năng lượng gió trên thế giới
Năng lượng gió phát triển nhanh vào những năm 1990, nhưng sự phân bố nguồn năng lượng gió trên toàn cầu vẫn không đồng đều Đến cuối năm 2012, khoảng 76% công suất gió tập trung ở Châu Âu, 18% ở Nam Mỹ và 8% ở khu vực Châu Á - Thái Bình Dương, cho thấy sự chênh lệch đáng kể giữa các vùng Trong bối cảnh này, Châu Âu nổi lên là thị trường chủ đạo với tốc độ mở rộng nhanh, đầu tư công nghệ gió và áp dụng rộng rãi các giải pháp điện gió, góp phần thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch.
Từ cuối năm 2012, khoảng 76% tuabin gió trên thế giới là ở Châu Âu Những nước có công suất lắp đặt lớn nhất là Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha
Đức áp dụng EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) quy định mức giá mua điện từ hệ thống năng lượng gió năm 2012 là 8,8 eurocent/kWh cho ba năm đầu và 5,9 eurocent/kWh cho các năm sau; Chính phủ Đức thường xuyên điều chỉnh mức giá mua điện gió và tích cực khuyến khích phát triển điện gió ngoài khơi Phần tiếp theo sẽ đề cập đến Bắc Mỹ.
Sau khi năng lượng điện gió phát triển bùng nổ ở California vào giữa những năm 1980, nó đã phát triển chậm lại ở Bắc Mỹ
Vào năm 1998, nhiều dự án phát triển năng lượng gió được triển khai trở lại, đạt tổng công suất hơn 800 MW từ các turbine gió Thành công của năng lượng gió ở Hoa Kỳ đã thúc đẩy Canada lắp đặt những nông trại gió đầu tiên Đồng thời, khu vực Nam Mỹ và Trung Mỹ cũng bắt đầu quan tâm và phát triển các dự án năng lượng gió nhằm khai thác tiềm năng gió dồi dào tại khu vực này.
Mặc dù có nguồn tài nguyên gió rất lớn ở nhiều vùng của Nam và Trung
Ở Mỹ, sự phát triển của năng lượng gió diễn ra rất chậm do các chính sách liên quan đến năng lượng gió còn nhiều hạn chế Nhiều dự án phát triển năng lượng gió ở Nam Mỹ đã nhận được sự ủng hộ từ các chương trình hỗ trợ quốc tế, nhưng kết quả đạt được vẫn ở mức khiêm tốn Trong khi đó, khu vực Châu Á Thái Bình Dương đang nỗ lực đẩy mạnh đầu tư và cải cách chính sách để tận dụng tiềm năng gió và thúc đẩy tăng trưởng năng lượng gió.
Trong năm 1993, Ấn Độ ghi nhận sự phát triển ấn tượng trong việc lắp đặt tuabin gió, đánh dấu bước tiến quan trọng của ngành năng lượng gió nước này Chính phủ bắt đầu triển khai các cơ chế khuyến khích và cơ hội đầu tư nhằm thúc đẩy nguồn năng lượng gió phát triển bền vững hơn, mở đường cho sự tăng trưởng của thị trường tuabin gió tại Ấn Độ.
Trung Quốc phát triển năng lượng gió cũng được tiến hành nhờ vào chương trình hỗ trợ của quốc tế
Nhật Bản dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng gió với các dự án thử nghiệm tuabin gió công nghệ cao, cho thấy sự phát triển vượt trội của ngành này Vào cuối năm 1990, dự án đầu tiên về năng lượng gió được triển khai và đi vào hoạt động tại hai đảo Hokkaido và Okinawa, đánh dấu một bước tiến quan trọng cho sự phát triển bền vững của nguồn năng lượng tái tạo của nước này.
Cuối năm 1990, dự án năng lượng gió đầu tiên đã trở thành hiện thực tại New Zealand và Australia e Trung Đông và Châu Phi
Sự phát triển năng lượng gió diễn ra rất chậm ở Châu Phi Hầu hết, các dự án đều phụ thuộc vào sự hỗ trợ của quốc tế
2.1.2 Năng lượng gió tại Việt Nam
Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió rất lớn, ước tính khoảng 9% diện tích đất nước có thể khai thác nguồn gió Với khí hậu nhiệt đới gió mùa và đường bờ biển dài hơn 3.000 km, nước ta có lợi thế vượt trội để phát triển công suất gió Ngân hàng Thế giới đã tiến hành khảo sát chi tiết về năng lượng gió ở khu vực Đông Nam Á (SEA) trong khuôn khổ chương trình năng lượng bền vững và thay thế, và kết quả cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất khu vực so với Campuchia, Lào và Thái Lan Đáng chú ý, vùng duyên hải miền Nam và Nam Trung Bộ có vận tốc gió rất cao và mật độ dân cư thưa thớt, hứa hẹn phát triển các tuabin gió công suất lớn Cụ thể, khoảng 8,6% tổng diện tích được đánh giá có tiềm năng từ mức cao đến rất cao cho các dự án gió với vận tốc gió trên 7 m/s.
Theo bản đồ phân bố vận tốc gió khu vực Đông Nam Á do True Wind Solutions LLC (Mỹ) công bố, khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên và dãy Trường Sơn ở Bắc Trung Bộ ghi nhận vận tốc gió từ 7–9 m/s tại nhiều vị trí, cho thấy tiềm năng phát điện gió lớn và có thể nối lưới điện quốc gia Hầu hết các vùng ven biển còn lại trên lãnh thổ và vùng núi cũng có vận tốc gió ở mức đáng kể, cho thấy tiềm năng khai thác gió để phát điện.
Ở tốc độ gió 5–6 m/s, có thể khai thác gió kết hợp với máy phát điện Diesel để cấp điện liên tục và tối ưu hóa hiệu suất nguồn điện Tuy nhiên, để khuyến khích đầu tư cho năng lượng gió, cần có các chính sách về năng lượng tái tạo, cải thiện mạng lưới điện và các cơ chế tài chính thuận lợi nhằm thu hút vốn cho các dự án nhà máy điện gió và tăng tỉ lệ điện gió tham gia vào hệ thống điện quốc gia.
Việt Nam có tổng tiềm năng về năng lượng gió ước tính lên tới 513.360 MW, cao gấp khoảng sáu lần công suất dự kiến của ngành điện Việt Nam vào năm 2020 Trong bối cảnh này, các dự án tiêu biểu như Nhà máy điện gió Tuy Phong cho thấy tiềm năng và xu hướng phát triển nguồn điện sạch từ gió ở nước ta.
Đặc tính của năng lượng gió
Theo các điều kiện nhiệt độ khác nhau, các khối khí di chuyển và tạo thành các hiện tượng gió có tính chất toàn cầu nhưng thể hiện đặc trưng vùng và khu vực Tuabin gió khai thác năng lượng gió ở gần mặt đất, nơi điều kiện gió bị ảnh hưởng bởi sự truyền năng lượng từ các luồng gió cao xuống tầng thấp hơn Tại những khu vực mặt đất gồ ghề, luồng gió gần mặt đất có thể bị biến động bất thường Cao điểm của sự biến động này thường xuất phát từ bão.
Công suất gió được biểu diễn như sau:
A: là diện tích quét của cánh tuabin gió (m 2 ) ρ: là tỷ trọng không khí (kg/m 3 )
Giá trị năng lượng từ gió tăng theo cube của tốc độ gió; tức là mỗi khi tốc độ gió tăng 10%, năng lượng gió tăng khoảng 30% Đường cong công suất của tuabin gió phụ thuộc vào tốc độ gió tại ngưỡng bắt đầu hoạt động và công suất định mức, và tuabin thường đạt công suất định mức khi tốc độ gió dao động khoảng 12–16 m/s Khi tốc độ gió vượt quá ngưỡng giới hạn, công suất tối đa bị giới hạn và phần năng lượng từ gió có thể bị lãng phí Đường cong công suất còn chịu ảnh hưởng của áp suất không khí Với đường cong tốc độ gió cố định, tuabin có thể bị tác động bởi tần số của hệ thống Đối với nông trại gió, đường cong công suất không phải của một tuabin đơn lẻ mà phải xem xét thêm các yếu tố như hiệu ứng màn chắn và hiệu ứng dòng đuôi giữa các tuabin.
Trong một dãy tuabin gió, khi các tuabin ở hàng đầu đón gió trực tiếp và đạt vận tốc 15 m/s, các tuabin ở hàng sau bị ảnh hưởng do hiện tượng wake và chỉ đạt vận tốc gió khoảng 10 m/s Do đó, các tuabin ở hàng đầu sẽ hoạt động ở công suất định mức, trong khi hiệu suất toàn bộ hệ thống bị hạn chế bởi sự sụt giảm tốc độ gió ở các hàng phía sau.
Trong khi đó, các tuabin ở hàng sau cùng sẽ hoạt động với công suất nhỏ hơn định mức
Khi tốc độ gió vượt quá tốc độ đóng mạch cho phép, tuabin gió sẽ tắt và ngừng sản xuất điện, điều này có thể xảy ra trong lúc bão Ngược lại, khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ đóng mạch tối thiểu, tuabin sẽ không khởi động lại ngay lập tức Để được khởi động lại, tuabin gió thường cần tốc độ gió khoảng 3-4 m/s.
Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió
Gi ớ i thi ệ u
Trong các hệ thống tuabin gió có tốc độ thay đổi đã trình bày ở Chương 2, các loại máy phát điện gió có thể được sử dụng bao gồm máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện không đồng bộ và máy phát điện không đồng bộ nguồn kép Ba tham số quan trọng có thể cần được điều khiển là công suất phát tối đa tương ứng với các tốc độ gió khác nhau, công suất tác dụng và công suất phản kháng đưa lên lưới, cùng với điện áp của hệ thống Việc lựa chọn loại máy phát và điều chỉnh các tham số này giúp tối ưu hiệu suất hệ thống, đảm bảo cung cấp điện cho lưới ổn định và phù hợp với yêu cầu về điện áp và công suất.
DC link của bộ chuyển đổi back to back
Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió máy phát điện không đồng bộ nối lưới.
Máy phát đ i ệ n gió
Một máy phát điện là thành phần quan trọng trong hệ thống biến đổi năng lượng gió, đảm nhiệm vai trò biến đổi cơ năng thành điện năng từ tuabin gió Các tuabin gió được kết nối với nhiều loại máy phát điện khác nhau Với tuabin gió nhỏ, người ta dùng máy phát điện DC có công suất từ vài watt đến vài kilowatt Đối với các hệ thống lớn hơn, máy phát điện thường là loại AC một pha hoặc ba pha, có thể là máy phát điện không đồng bộ hoặc máy phát điện đồng bộ, tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển và chất lượng điện cần thiết.
Một số tuabin gió được trang bị máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện không đồng bộ Những máy phát này có thiết kế khá đơn giản và được thể hiện rõ trong Hình 3.1, gồm hai loại cấu hình: a) máy phát điện không đồng bộ và b) máy phát điện đồng bộ.
Hình 3.1 Mặt cắt các máy điện
Trong hệ thống điện tuabin gió, có hai chế độ vận hành chính là tốc độ cố định và tốc độ thay đổi Với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát điện nối trực tiếp với lưới điện, nên tốc độ làm việc cố định theo tần số lưới khiến hầu như không có khả năng điều khiển và không hấp thu được công suất khi gió dao động, do đó sự dao động của gió gây ra dao động công suất và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Ngược lại, tuabin gió tốc độ thay đổi được điều khiển bởi các thiết bị điện tử công suất, cho phép hấp thu sự dao động công suất bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và hạn chế dao động do hệ thống chuyển đổi năng lượng gió gây ra, từ đó cải thiện chất lượng điện năng so với tuabin tốc độ cố định Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có thể là [17].
- Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Tuabin gió t ố c độ c ố đị nh v ớ i máy phát đ i ệ n không đồ ng b ộ
Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, nên điện áp và tần số của máy phát được quyết định bởi lưới điện Do đó, các tham số điện áp và tần số phát ra phụ thuộc hoàn toàn vào đặc tính của lưới, trong khi tốc độ quay của tua bin được duy trì ở mức phù hợp với tần số lưới và máy phát không có kiểm soát tần số độc lập.
Thông thường, hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định hoạt động ở hai tốc độ cố định bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức và số cặp cực khác nhau, nhằm tăng công suất thu được từ gió và giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1–2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tăng tổn hao và hiệu suất thấp hơn.
Mặc dù, hệ thống này có cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao nhưng nó cũng bao gồm các nhược điểm chính như sau:
- Không thể điều khiển công suất tối ưu
- Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột
- Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực
Hình 3.2 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện Tuabin gió
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
3.4 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Trong hệ thống tuabin gió có tốc độ thay đổi, một bộ biến đổi công suất được đặt giữa stator máy phát điện và lưới điện, cho phép tối ưu hóa công suất khai thác từ gió Máy phát điện trong cấu hình này có thể là máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát điện đồng bộ Nhờ cấu hình này, hệ thống có thể điều khiển tối ưu công suất nhận từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn và đòi hỏi đầu tư cho bộ biến đổi công suất.
Hình 3.3 Máy phát điện không đồng bộ có công suất 1,5 kW
Máy phát điện không đồng bộ là một loại máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Nhờ cấu tạo đơn giản, vận hành bền bỉ, hiệu suất cao và giá thành thấp, loại máy này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng Hiện nay, các ưu điểm trên là lý do chính khiến máy phát điện không đồng bộ được ưa chuộng và phổ biến trên thị trường.
- Có thể kết nối hay ngắt kết nối với lưới điện một cách dễ dàng
Máy phát điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm đáng kể Thông số cosφ của loại máy này thường không cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ lại kém, dẫn tới hiệu quả và khả năng kiểm soát hệ thống bị hạn chế Vì vậy, các ứng dụng của máy phát điện không đồng bộ vẫn gặp hạn chế trong các nhà máy hoặc hệ thống đòi hỏi hiệu suất cao và vận hành ổn định.
Hình 3.4 Kết cấu máy phát điện không đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc có cấu tạo gồm hai bộ phận chính là stator và rotor, cách nhau bởi khe hở không khí để từ trường được hình thành và truyền động Ngoài ra, máy còn có vỏ máy, trục máy và nắp máy để bảo vệ và hỗ trợ vận hành Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor và ổ bi, phía cuối trục có lắp quạt gió nhằm làm mát máy dọc trục trong quá trình làm việc.
Tuabin gió t ố c độ thay đổ i v ớ i máy phát không đồ ng b ộ rotor l ồ ng
Phần stator bao gồm hai bộ phận chính là: lõi thép và dây quấn Ngoài ra, còn có vỏ máy và nắp máy a Vỏ máy
Vỏ máy được sử dụng để cố định lõi sắt và dây quấn, chứ không phải là mạch dẫn từ Vỏ máy thường làm bằng gang; đối với các máy có công suất lớn (>1000 kW), vỏ máy được làm bằng thép tấm và hàn lại nhằm tăng độ bền và khả năng chịu tải.
Để dẫn từ, lõi thép stator có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dập rảnh ở bên trong và ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục, rồi được ép vào trong vỏ máy Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên lõi được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm để giảm tổn hao Khi đường kính ngoài vượt quá 990 mm, phải dùng các tấm hình rẻ quạt ép lại thành khối tròn Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy, các lá thép kỹ thuật điện đều phủ sơn cách điện.
Hình 3.7 Cấu tạo lõi thép stator c Dây quấn stator
Dây quấn stato được làm bằng các dây đồng có lớp cách điện, được đặt vào các rãnh của lõi thép nhằm sinh từ trường khi dòng điện xoay chiều đi qua Hình 3.8 trình bày sơ đồ khai triển dây quấn ba pha đặt trong 12 rảnh của máy phát điện không đồng bộ, cho thấy cách phân bổ các dây quấn theo từng pha để đảm bảo từ thông và cân bằng hệ thống Dây quấn pha được thiết kế và sắp xếp để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn thất của máy phát.
Trong máy điện 3 pha, pha A được đặt ở các rảnh 1, 4, 7 và 10; pha B ở rảnh 3, 6, 9 và 12; pha C ở rảnh 5, 8, 11 và 2 Dòng điện xoay chiều 3 pha chạy qua các cuộn stator tạo ra từ trường quay, từ đó sinh ra lực quay rotor và bảo đảm sự cân bằng pha để tối ưu hóa hiệu suất vận hành của máy.
Hình 3.9 Sơ đồ khai triển dây quấn stator
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy a Lõi thép
Lõi thép rotor được làm từ các lá thép kỹ thuật điện lấy từ phần lõi sắt bên trong của lõi stator, ghép lại với nhau và giữa chúng có các lỗ dập để lắp trục Vì tổn hao sắt trong lõi rotor rất nhỏ nên không cần dùng thép kỹ thuật điện cho rotor, nhưng để tận dụng ưu điểm của loại thép này sau khi dập lá thép stator người ta ép ghép thành lõi rotor Lõi thép rotor được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên giá đỡ rotor Phía ngoài các lá thép có các rãnh dập để đặt dây quấn.
Hình 3.10 Lõi thép rotor b Dây quấn rotor
* Lo ạ i rotor ki ể u dây qu ấ n:
Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator, với dây quấn 3 pha của rotor thường được mắc nối hình sao Ba đầu dây quấn rotor được kết nối vào vành trượt; vành trượt bằng đồng được cố định ở một đầu trục và có thể nối với mạch điện bên ngoài thông qua chổi than Khi máy vận hành bình thường, dây quấn rotor được nối ngắn mạch để hình thành dòng rotor và duy trì từ trường rotor trong quá trình làm việc.
Hình 3.11 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn
* Loại rotor kiểu lồng sóc:
Kiểu dây quấn của rotor hoàn toàn khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh rotor, các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt thẳng ra khỏi lõi thép và được nối ngắn ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm, tạo thành một cái lồng được gọi là lồng sóc Dây quấn kiểu lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện đặc tính mở máy, rãnh rotor có thể dùng ở dạng rãnh sâu hoặc dạng rãnh kép.
Hình 3.12 Thanh dẫn của rotor lồng sóc c Trục máy
Trục máy điện mang rotor quay trong lòng stato và được chế tạo từ thép cacbon C5 đến C45 tùy kích thước Trên trục rotor có lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió để đảm bảo truyền động và làm mát Các thành phần này tạo thành hệ thống trục rotor-stato, trong đó lõi thép tăng cường từ thông, dây quấn sinh từ trường, vành trượt dẫn điện, còn quạt gió giúp làm mát và kéo dài tuổi thọ của máy.
Mô hình toán c ủ a máy phát đ i ệ n không đồ ng b ộ
Tốc độ của từ trường quay máy phát điện không đồng bộ: p
Trong đó: f: Tần số từ trường quay (Hz), p: Số cặp cực từ
Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor và cảm ứng trong rotor sức điện động, e: dt e = − d φ
Sự tương tác dòng điện rotor và từ thông tạo ra một moment với độ lớn của moment được xác định như sau:
K: Hệ số tỷ lệ máy phát φ: Độ lớn từ thông (Wb)
I2: Độ lớn dòng điện phần ứng ϕ2: Góc lệch pha giữa áp và dòng của rotor
N r : Tốc độ quay của rotor
N s : Tốc độ từ trường quay Điện trở stator quy đổi về rotor: s
Công suất ba pha được quy đổi: s
Trong đó: ω: Tốc độ góc của rotor
Khi đó: moment của rotor được viết lại như sau: s
= π (3.9) Đặc tuyến tốc độ moment quay:
Hình 3.13 Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ
Khi s < 0, thì tốc độ của rotor máy phát điện lớn hơn tốc độ từ trường quay
Chế độ động cơ Chế độ máy phát
Sơ đồ tương đương thay thế của máy phát điện không đồng bộ của hệ tọa độ d-q trong khung tham chiếu đồng bộ được biểu diễn trong hình 3.14,
[21] a) Sơ đồ mạch tương đương trục d b) Sơ đồ mạch tương đương trục q Hình 3.14 Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ
Phương trình điện áp của máy phát điện không đồng bộ trong hệ tọa độ dq được biểu diễn như sau [21]: ds ds ds s s qs v i R d dt ω ψ ψ
= − − + (3.10) qs qs qs s s ds v i R d dt ω ψ ψ
R s ω e λ qs L ls L lr ( ω e - ω r ) λ qr i dr
L m i dm i dfe R fe R r v qs i qs
R s ω e λ ds L ls L lr ( ω e - ω r ) λ dr i qr
0 dfe fe s qs d dm i R dt ω ψ ψ
0 qfe fe s ds d qm i R dt ω ψ ψ
Trong hệ thống mô hình, v_ds và v_qs là điện áp stator trên hai trục d và q; id_fe và iq_fe là dòng điện trên hai trục d và q qua điện trở R_fe; idm và iqm là dòng điện từ hóa trên hai trục d và q; ψ_ds và ψ_qs là từ thông stator trên hai trục d và q; ψ_dm và ψ_qm là từ thông từ hóa trên hai trục d và q.
Các thành phần dòng điện stator trục d và q: dr dfe dm ds i i i i = + − (3.16) qr qfe qm qs i i i i = + − (3.17)
Phương trình môment máy phát không đồng bộ:
Bỏ qua các tổn thất cơ và các tổn thất khác, tổn thất của máy phát điện không đồng bộ bao gồm:
+ Tổn thất đồng stator: i ds 2 R s +i qs 2 R s (3.20) + Tổn thất đồng rotor: i dr 2 R r +i qr 2 R r (3.21) + Tổn thất sắt stator: K h ω e λ 2 r +K e ω e 2 λ 2 r (3.22) + Tổn thất sắt rotor: K h ω sl λ 2 r +K e ω sl 2 λ 2 r (3.23) Trong đó:
Rfe là điện trở tổn thất sắt trong mô hình máy, xác định mức tiêu hao do từ trường đi qua lõi sắt IDs và IQs là hai thành phần dòng điện stator trên trục d và trục q, cho phép phân tích vectơ dòng điện và mô hình hóa phản ứng của stator một cách tách biệt ωs là tần số góc stator, ωr là tần số góc rotor, và ωsl là tần số góc trượt để mô tả sự khác biệt giữa quay của rotor và từ trường stator ψ là từ thông rotor, đóng vai trò chủ đạo trong việc tạo lực điện từ và mô-men xoắn Việc đồng bộ các tham số này cho phép dự báo đáp ứng động lực của máy dưới tải, hỗ trợ điều khiển vectơ và tối ưu hóa hiệu suất vận hành.
K h và K e : Các hệ số tổn thất từ trể và dòng điện xoáy,
Tuy nhiên, tổn thất sắt rotor thông thường được bỏ qua do tần số trượt rất nhỏ trong điều kiện làm việc bình thường.
Mô hình tuabin gió
Công suất của tuabin gió là một hàm số phụ thuộc ba tham số chính: tốc độ gió, tốc độ quay của rotor và góc nghiêng của cánh tuabin Tốc độ gió càng cao thì lượng năng lượng có thể khai thác được càng lớn, trong khi tốc độ quay của rotor xác định mức độ chuyển đổi năng lượng thành công suất điện Góc nghiêng của cánh (góc pitch) ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất khai thác gió và độ ổn định của hệ thống Việc tối ưu đồng thời ba tham số này là yếu tố then chốt trong thiết kế, vận hành và tối ưu hiệu suất của tuabin gió.
Moment khí động học của tuabin gió được biểu diễn như sau:
Trong đó: v r R λ=ω : Tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió
Cp: Hệ số biến đổi công suất gió, β: Góc nghiêng cánh tuabin gió
Hệ số biến đổi công suất gió được biểu diễn như sau [22]:
Tại một điểm làm việc nào đấy (ω0, Ω0, β0), moment có thể được khai triển theo chuỗi Taylor của ω, Ω và β như sau:
T r r r r r (3.27) Đáp ứng động của rotor được truyền động tại một tốc độ tại một tốc độ hoặc bởi moment khí động học, T r mà được biểu diễn như sau: r r shaft r r r T T K
J r : Hệ số quán tính rotor,
Kr: Hệ số ma sát rotor.
Điều khiển góc nghiên cánh tuabin gió sử dụng bộ điều khiển PI
Hệ thống điện gió mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường và chi phí bảo trì thấp, giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất điện Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3.200 km bờ biển, tạo nền tảng vững chắc cho khai thác nguồn điện từ gió ở quy mô lớn Vì vậy, việc khai thác và sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam được khuyến khích và đẩy mạnh trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống Khai thác năng lượng gió để sản xuất điện là một hình mẫu tiêu biểu cho ứng dụng năng lượng tái tạo, đóng góp vào sự tăng trưởng xanh và an ninh năng lượng của đất nước.
Việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và an toàn các hệ thống điện gió là nền tảng để tăng sản lượng, giảm rủi ro vận hành và kéo dài tuổi thọ tuabin Đây cũng là động lực chính để chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió” Nghiên cứu nhằm xác định phương án điều khiển góc nghiêng tối ưu nhằm thu nhận năng lượng gió ở mức cao nhất và đảm bảo an toàn, ổn định vận hành Đề tài sẽ tập trung vào mô hình hóa hiệu suất, đề xuất thuật toán điều khiển và phân tích tác động của góc nghiêng lên sản lượng điện, hiệu quả hệ thống và tuổi thọ của tuabin, từ đó đóng góp vào nâng cao hiệu quả hệ thống điện gió trong thực tế.
Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan mà bao gồm các nội dung như sau:
- Chương 2: Hệ thống điện gió
- Chương 3: Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió
Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện
Gi ớ i thi ệ u
Dựa trên các cơ sở lý thuyết được nghiên cứu và xây dựng ở Chương 2 và Chương 3, việc điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió cho hệ thống điện của tuabin gió máy phát điện gió không đồng bộ nối lưới được mô phỏng và trình bày rõ trong Hình 4.1.
Hình 4.1.a biểu diễn một sơ đồ kết nối của một nhà máy điện gió với lưới điện thông qua:
+ Đường dây 25kV, có chiều dài 25km với mô hình hình π
Trạm biến áp tăng áp Δ/Y nối đất 25kV/120kV có công suất 47 MVA; phía Δ, một máy biến áp Y/Δ được sử dụng để tạo trung tính giả và được nối đất thông qua điện trở nối đất Rnđ = 3,3 Ω.
+ Nguồn lưới điện 120kV, 2500MVA, có điện kháng nguồn x 0 /x 1 = 3 a) b) Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ (Induction Generator, IG)
Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng của một cụm tổ máy phát điện gió
Mô phỏng máy phát điện không đồng bộ
Việc mô phỏng máy phát điện không đồng bộ được dựa trên các phương trình sau đây:
Phương trình chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ dq:
Phương trình chuyển đổi hệ trục tọa độ dq sang hệ trục tọa độ abc: cos sin a d d q d v =v θ −v θ (4.3) cos( 2 / 3) sin( 2 / 3) b d d q d v =v θ − π −v θ − π (4.4) cos( 2 / 3) sin( 2 / 3) c d d q d v =v θ + π −v θ + π (4.5)
Phương trình cường độ dòng điện stator và rotor trong hệ trục tọa độ dq:
( ) ( ) r ds s ds s qs m dr r dr r qr ds s r m
( ) ( ) qs r qs s qs s ds m qr r qr r dr s r m di L v R i L v R i dt L L L ωψ ωψ
( ) ( ) s dr r dr r qr m ds s ds s qs dr s r m
( ) ( ) qr s qr r qr r dr m qs s qs s ds s r m di L v R i L v R i dt L L L ωψ ωψ
Phương trình từ thông stator và rotor: ds L i s ds L i m dr ψ = + (4.10) qs L i s qs L i m qr ψ = + (4.11) dr L i r dr L i m ds ψ = + (4.12) qr L i r qr L i m qs ψ = + (4.13)
Phương trình moment điện từ:
Phương trình vận tốc rotor:
Hình 4.3 Mô hình máy phát điện gió không đồng bộ
Trong mô phỏng này, nhà máy điện gió có tổng công suất lắp đặt 9 MW, Hình 4.1.b Trong đó:
+ Nhà máy bao gồm: 3 cụm tổ máy phát điện gió
+ Mỗi cụm tổ máy phát điện gió bao gồm: 2 tuabin phát điện gió
+ Mỗi tuabin gió có: công suất là 1,5 MW
Khi đó, rõ ràng rằng tổng công suất lắp đặt sẽ là: Pđặt = 3 × 2 × 1,5 = 9 (MW)
+ Điện áp đầu cực máy phát điện gió là: U = 575 (V)
Mỗi cụm tổ máy phát điện gió được kết nối lần lượt với các thanh cái B575_1, B575_2 và B575_3 như Hình 4.1.b Tại từng thanh cái này, các tụ điện 400kVAr được sử dụng để duy trì ổn định điện áp trước khi kết nối lưới điện
Từ cấp điện áp máy phát 575V, ba máy biến áp tăng áp 2 cuộn dây, 575V/25kV, nối Y/Y, có công suất 4MVA được sử dụng
Hình 4.4 Thông số cụm tổ máy phát điện gió
Thông số cụm tổ máy phát điện gió được thiết lập như sau, Hình 4.4: + Công suất của cụm tổ máy phát điện gió 1, P 1 = 2 × 1,5 (MW) = 3 (MW) + Hệ số công suất của cụm tổ máy phát điện gió 1, cosϕ1 = 0,9
+ Điện áp đầu cực của cụm tổ máy phát điện gió 1, U 1 = 575 (V)
+ Tần số của cụm tổ máy phát điện gió 1, f 1 = 50 (Hz)
Thông số kỹ thuật của cụm tổ máy phát điện gió 1 gồm: Điện trở stator Rs1 = 0,004843 (đvtđ); Điện cảm stator của cụm tổ máy phát điện gió 1, L ls = 0,1248 (đvtđ); Điện trở rotor của cụm tổ máy phát điện gió 1, R r1 = 0,004377 (đvtđ); Điện cảm stator của cụm tổ máy phát điện gió 1, L ls = 0,1791 (đđtđ); Điện cảm tương hỗ của cụm tổ máy phát điện gió 1, L lm = 6,77 (đvtđ); Hệ số quán tính, H = 5,04.
Các thông số này tương tự được thiết lập cho các cụm tổ máy phát điện gió 2 và 3 còn lại.
Mô ph ỏ ng tuabin gió
Tuabin gió được mô phỏng trên cơ sở các phương trình toán học sau đây:
Phương trình vận tốc tuabin gió:
1 turb turb s turb d T K B dtω = J − δθ+ δω (4.22) d ( ) dt δθ =δω (4.23)
Phương trình vận tốc máy phát:
Trong đó: g turb n gear δθ θ= − θ (4.25) g turb n gear δω ω= − ω (4.26) a) b) Hình 4.5 Mô hình tuabin gió
+ Góc nghiêng cánh tuabin gió để hiển thị các đặc tính công suất tuabin gió, β
+ Công suất ngõ ra cơ định mức của tuabin gió, P tuabin = 2 × 1,5 = 3 (MW) + Tốc độ gió cơ bản, v gió = 9 (m/s)
+ Công suất ngõ ra cơ cực đại tại tốc độ gió cơ bản, P max tuabin = 1 (đvtđ)
+ Tốc độ rotor của máy phát điện tuabin gió, ωr = 1 (đvtđ)
+ Góc nghiêng cánh tuabin gió cực đại, βmax = 45 0
+ Khả năng thay đổi lớn nhất của góc nghiêng cánh tuabin gió, ∆βmax = 2 0 /s
Tương tự, các thông số này cũng được thiết lập cho các cụm tuabin gió
2 và 3 còn lại Trong đó, đặc tính tốc độ và công suất tuabin gió được biểu diễn như Hình 4.6
Hình 4.6 cho thấy rằng tuabin đạt giá trị công suất cực đại tương ứng với tốc độ gió, v = 9 (m/s) và góc nghiêng cánh tuabin gió, β = 0 0
Cong suat cuc dai tai toc do gio dinh muc (9 m/s) va goc canh tuabin = 0 deg
Hình 4.6 Đặc tính tốc độ và công suất tuabin
Hình 4.7 Thông số cụm tuabin gió
Mô ph ỏ ng b ộ đ i ề u khi ể n t ố i ư u góc nghiêng cánh tuabin gió
Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió là yếu tố then chốt để điều chỉnh công suất ngõ ra và tối ưu hóa hiệu quả của máy phát điện gió trong hệ thống điện gió mô phỏng Bằng cách điều chỉnh góc nghiêng, tuabin gió sẽ tối ưu hóa công suất thu được từ gió, nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ cánh quạt sang điện năng và đảm bảo vận hành ổn định của máy phát điện gió Mục tiêu là đạt công suất tối ưu từ hệ thống điện gió mô phỏng, đồng thời cân bằng hiệu suất khai thác năng lượng với an toàn và bền vững cho toàn bộ quá trình vận hành.
Trong các hệ thống điện tuabin gió thực tế, các bộ điều khiển PI được đề xuất do tính đơn giản và hiệu quả của chúng; chúng mang lại đáp ứng điều khiển ổn định và chi phí triển khai hợp lý Bộ điều khiển PI giúp loại bỏ sai lệch, duy trì vận hành liên tục dù điều kiện làm việc thay đổi, và được ưa chuộng nhờ độ tin cậy cao cùng dễ bảo trì Vì các đặc tính này, PI controller đã trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng trong điện tuabin gió, tối ưu hóa hiệu suất và giảm dao động của hệ thống.
Các bộ điều khiển PI này có các hệ số KP và KI lần lượt là:
Các hệ số này được xác định dựa trên kinh nghiệm điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió và vận hành hệ thống điện gió
Có thể nhận thấy rằng vùng làm việc của tuabin gió có thể được chia thành 4 vùng riêng biệt như sau:
Trong vùng 1, khi tốc độ gió v nhỏ hơn tốc độ gió cut-in (v_cut-in), tuabin gió có thể không phát được công suất; trong trường hợp này, góc nghiêng của cánh tuabin được bố trí tương ứng với một góc 90 độ.
Trong vùng 2, khi tốc độ gió v vượt quá v_cin nhưng vẫn nhỏ hơn tốc độ gió định mức v_rated, mục tiêu chính là tối đa hóa năng lượng khai thác từ gió Góc nghiêng của cánh tuabin được điều chỉnh về một giá trị tối ưu để khai thác tối đa nguồn năng lượng gió khi rotor thay đổi tốc độ một cách tự do Việc điều khiển góc nghiêng cánh và moment theo các điều kiện định mức nhằm đảm bảo năng lượng khai thác ở mức cao nhất có thể Trong trường hợp này, moment điện được thiết lập sao cho tỷ số tốc độ đầu cánh λ được duy trì ở giá trị tối ưu của nó, λ_opt Do đó, công suất đầu ra tối đa được đạt khi λ bằng λ_opt.
Khi ấy, hệ thống phải vận hành tại:
Góc nghiêng cánh tuabin gió được điều chỉnh đến giá trị tối ưu, βopt
Trong vùng 3, khu vực đầy tải của hệ thống tuabin gió, mục tiêu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin là điều chỉnh tốc độ rotor về tốc độ định mức để đạt công suất định mức thông qua việc điều khiển góc nghiêng cánh tuabin Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được dựa trên mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ rotor và góc nghiêng cánh Để khắc phục các hiện tượng phi tuyến do hiệu ứng khí động học của tuabin gió gây ra, các hệ số của bộ điều khiển được xác định dựa trên cả hai tham số chính là tốc độ rotor và góc nghiêng cánh tuabin.
Trong vùng 4, khi tốc độ gió vượt quá ngưỡng cut-out, để bảo vệ tuabin gió, góc nghiêng của cánh tuabin cần được điều chỉnh về vị trí 90 độ.
Và tất nhiên, trong trường hợp này, tuabin gió không thể phát công suất
Hình 4.8 Vùng làm việc của các tuabin gió
Việc điều chỉnh góc nghiêng của các cánh tuabin gió, được thể hiện trong Hình 4.8, mang lại giải pháp hiệu quả cho việc điều chỉnh và giới hạn hiệu suất tuabin ở các tốc độ gió lớn Để đặt các cánh ở vị trí góc phù hợp, các thiết bị điều chỉnh góc nghiêng có thể sử dụng hệ thống thủy lực hoặc hệ thống điện Trong vùng làm việc bình thường, việc điều chỉnh góc nghiêng với tốc độ quay xấp xỉ 5–10% được kỳ vọng Thông thường, định mức điều chỉnh là khoảng 8% để tránh quá tải khi thực hiện các thủ tục điều chỉnh.
Tuabin gió có thể được mô phỏng dựa trên tốc độ rotor và góc nghiêng cánh như thể hiện trên Hình 4.9, nhằm phân tích ảnh hưởng của góc nghiêng lên hiệu suất và động lực của hệ thống Trong mô hình này, bộ điều khiển PI được áp dụng trong hệ thống điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió để tối ưu hóa đáp ứng góc nghiêng trước các biến đổi của gió Hình 4.9 mô tả rõ hai thành phần chính: a) bộ điều khiển PI trong hệ thống điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió, và b) bộ điều khiển PI cho tuabin gió với góc nghiêng cánh được điều khiển bởi mô phỏng.