Khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật tìm kiếm điểm cực đại công suất phát (MPPT)

Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 CHÂU MINH ĐAO ̣ KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT MPPT... Em cũng xin gửi l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHÂU MINH ĐẠO

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S 0 9

KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN

VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI

CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT)

S KC 0 0 3 8 1 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

CHÂU MINH ĐAO ̣

KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT)

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ: 605250

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ HDKH: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT,

Ngày 20 tháng 10 năm 2012

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Quê quán: Tân Lợi Tha ̣nh, Giồng Trôm, Bến Tre Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 59, D4, Kp 6, Trườ ng Thọ, Thủ Đức, TP HCM

0982293571

dao.chauminh@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Nơi học: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Điê ̣n khí hóa & cung cấp điê ̣n

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: thi tốt nghiê ̣p

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:

Người hướng dẫn:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

2006 - 2008 Trường đại học Bách khoa TP Hồ

Chí Minh

Học viên lớp bồi dưỡng sau

đa ̣i học ngành thiết bị , mạng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 9 năm 2012

Châu Minh Đa ̣o

LỜI CẢM TẠ

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Xin cảm ơn quí thầy cô đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em nghiên cứu thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn trực tiếp của thầy PGS TS Nguyễn Hữu Phúc đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn em hoàn thiện đề tài này Em cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô khoa điện – điện

tử Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã khích lệ, đôn đốc và giám sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Rất cảm ơn trước sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp cao học ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa 2010B, cám ơn vì sự đóng góp những ý kiến bổ ích qua những cuộc thảo luận của tập thể lớp

Xin gửi lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã luôn ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn

Học viên

Châu Minh Đa ̣o

TÓM TẮT

Trong luâ ̣n văn này các vùng làm việc khác nhau của máy phát không đồng

bộ cấp nguồn hai phía (DFIG) của turbine gió (WT), trên quan điểm về tốc độ rôto, công suất phát, tỉ số tốc độ đầu cánh (tip speed ratio TSR) λ và góc nghiêng β của cánh quạt WT, đã được khảo sát và giớ i thiê ̣u Sau đó, một thuật toán điều khiển mới được đề xuất nhằm lấy được công suất cực đại có từ năng lượng gió, dựa trên

sự khác biệt giữa tốc độ quay t ối ưu và tốc độ quay thực tế của trục turbine Thuật toán được thực hiện trong các chương trình mô phỏng sử dụng phần mềm PSCAD Các kết quả của phương pháp đề xuất sau đó được so sánh với các số liệu thực tế của máy Nordex N80/2500 KW cho thấy tính đúng đắn và các ưu điểm của phương pháp đề xuất

ABSTRACT

In this thesis In this paper, different operational regions of doubly fed induction generator (DFIG)- based wind turbine (WT), from the viewpoints of rotor speed, generated power, tip speed ratio λ and angle of blades β of the WT's rotor, are studied and classified Then a new control algorithm for maximum wind power point tracking (MPPT) and extraction, based on the difference between optimum and current rotational speed of the shaft of WT, will be proposed The algorithm is implemented in control schemes and carried out in terms of various operational conditions of wind speed in PSCAD software environment The results obtained are then compared with the actual data of Nordex N80/2500 KW for validation of the proposed method This comparison is done based on the speed of operation and quality of generated power and the results show the advantages of the proposed method

MỤC LỤC

TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 4

1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI 4

1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN 4

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 NĂNG LƯỢNG GIÓ 5

2.1.1 Hiê ̣u chỉnh theo nhiê ̣t đô ̣ cho mâ ̣t đô ̣ không khí 6

2.1.2 Hiê ̣u chỉnh theo độ cao so với mực nước biển cho mâ ̣t đô ̣ không khí 7

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CAO THÁP 10

2.3 HIỆU SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁNH QUA ̣T 12

2.3.1 Hiê ̣u suất lớn nhất của cánh qua ̣t 12

2.3.2 Đường cong công suất turbine gió lý tưởng 17

2.4 KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 19

2.4.1 Sự ảnh hưởng của tốc độ cánh quạt thay đổi 19

2.4.2 Các giải pháp kiểm soát tốc đô ̣ 21

2.4.2.1 Thay đổi số cực máy phát 21

2.4.2.2 Hộp số nhiều cấp 21

2.4.2.3 Máy phát cảm ứng hệ số trượt thay đổi 21

2.4.2.4 Các hệ thống kết nối lướ i gián tiếp 21

2.5 CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH TRONG GIÓ 21

2.5.1 Biểu đồ tần số gió không liên tu ̣c 22

2.5.2 Hàm số mật độ xác suất vâ ̣n tốc gió 23

2.5.3 Thống kê Weibull và Rayleigh 24

2.5.4 Công suất trung bình trong gió với thống kê Rayleigh 26

2.6 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 27

2.6.1 Hê ̣ thống biến đổi năng lượng gió tốc đô ̣ cố đinh 27

2.6.2 Hê ̣ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi 28

2.6.2.1 Hệ thống biến đổi toàn bô ̣ công suất (FRC-fully rated converter) 28

2.6.2.2 Hệ thống biến đổi năng lươ ̣ng gió tốc đô ̣ thay đổi sử du ̣ng DFIG 28

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG 3.1 GIỚI THIỆU 30

3.2 ƯU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG DFIG 30

3.3 VECTOR KHÔNG GIAN 31

3.3.1 Vector không gian 31

3.3.2 Biểu diễn công suất theo vector không gian 32

3.4 CÁC PHÉP CHUYỂN ĐỔI HỆ QUI CHIẾU 33

3.4.1 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu abc sang hê ̣ qui chiếu αβ 34

3.4.2 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu cố định αβ sang hê ̣ qui chiếu quay dq 35

3.4.3 Phép chuyển đổi Park 36

3.5 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG 38

3.5.1 Mô hình toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ tĩnh αβ 38

3.5.2 Mô hình toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ dq 42

Chương 4: KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT) 4.1 GIỚI THIỆU 45

4.2 CÔNG SUẤT KHÍ ĐỘNG HỌC 46

4.3 CÁC VÙNG LÀM VIỆC 48

4.3.1 Vùng I 48

4.3.2 Vùng II 49

4.3.3 Vùng III 50

4.3.4 Vùng IV 50

4.4 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MPPT 51

4.4.1 Vùng I 52

4.4.2 Vùng II 52

4.4.3 Vùng III 52

4.4.4 Vùng IV 53

Chương 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRONG PSCAD VÀ KẾT QUẢ 5.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 54

5.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TURBINE GIÓ 54

5.2.1 Khối WIND PARK 54

5.2.1.1 Mô tả chức năng 54

5.2.1.2 Các tín hiệu ngõ vào 55

5.2.1.3 Các tín hiệu ra 55

5.2.2 KHỐI MÁY PHÁT 57

5.2.2.1 Mô tả 57

5.2.2.2 Các thông số ngõ vào 58

5.2.2.3 Các thông số ngõ ra 58

5.2.3 KHỐI VSC 59

5.2.3.1 Rotor side converter (bộ chuyển đổi phía rotor) 59

5.2.3.2 Gride side converter (bộ chuyển đổi phía lưới) 62

5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 65

5.3.1 Giới thiê ̣u tổng quan WT Nordex N80/2500Kw 65

5.3.2 Vâ ̣n tốc gió tăng thêm 2m/s 66

5.3.3 Vâ ̣n tốc gió giảm đi 2m/s 67

5.3.4 Kết quả tổng hợp cho vâ ̣n tốc gió từ cut in đến cut out và so sánh với Nordex N80/2500Kw 67

5.3.5 Nhâ ̣n xét kết quả mô phỏng 72

Chương 6: KẾT LUẬN 6.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT TRONG LUẬN VĂN 73

6.2 ĐỀ XUẤT NHỮNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CÁC TỪ VIẾT TẮT

TSR Tip Speed Ratio

Chỉ số trên

Chỉ số dưới

KÝ HIỆU

vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr điện áp pha stator và rotor

ias, ibs, ics, iar , ibr , icr dòng điện stator và rotor

ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr từ thông stator và rotor

vαs, vβs, vαr, vβr điện áp stator và rotor theo trục α,β

iαs, iβs, iαr, iβr dòng stator và rotor theo trục α,β

ψαs, ψβs, ψαr, ψβr từ thông stator và rotor theo trục α,β

vds, vqs, vdr, vqr điện áp stator và rotor theo trục d,q

ids, iqs, idr, iqr dòng stator và rotor theo trục d,q

ψds,ψqs,ψdr ,ψqr từ thông stator và rotor theo trục d,q

𝜔g là tốc độ làm việc của máy phát

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo nhiê ̣t đô ̣ 7

Bảng 2.2: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo áp suất (đô ̣ cao so với mực nước biển) 9

Bảng 2.3: Hê ̣ số ma sát theo đi ̣a hình 10

Bảng 2.4: Đặc tính gồ ghề dùng cho biểu thức (2.16) 11

Bảng 5.1: Thông số WT Nordex N80(2,5MW) 66

Bảng 5.3: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW 69

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Công suất gió trên 1 m2 mặt cắt ngang tại 15◦C và 1 atm 6

Hình 2.2: Mối quan hệ giữa áp suất không khí và độ cao so với mặt biển 8

Hình 2.3: (a) tỷ số vận tốc gió theo độ cao và (b) tỷ số công suất so với độ cao 11

Hình 2.11: Đặc tính hiệu suất Cp theo tốc độ quay của cánh qua ̣t 20

Hình 2.18: Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất

Hình 2.19: Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị với DFIG 29

Hình 3.2: Các đại lượng của hệ trục abc biểu diễn trong hệ trục αβ 35

Hình 3.8: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ 41

Hình 3.10: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq

Hình 5.9: Xác định dòng điều khiển bên rotor 61

Hình 5.22: So So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW 70

Luâ ̣n văn cao học Khóa 2010-2012B

Chương 1

TỔNG QUAN

1

Gió là một nguồn năng lượng miễn phí, sạch và vô tận Nó đã đáp ứng tốt cho loài người ở nhiều nước bằng việc cung cấp lực đẩy tàu thủy và truyền động các turbine gió để xay ngũ cốc và bơm nước Sự quan tâm đến năng lượng gió đã tụt hậu, khi sản phẩm dầu mỏ rẻ và phong phú sau chiến tranh thế giới lần thứ II Chi phí vốn cao và sự không chắc chắn của hướng gió đưa năng lượng gió vào tình thế bất lợi về kinh tế Sau đó vào năm 1973, nước Arab đặt lệnh cấm vận dầu mỏ Những ngày của dầu mỏ rẻ và phong phú đã đi đến kết thúc Con người bắt đầu nhận thức rằng nguồn cung cấp dầu của thế giới sẽ không kéo dài mãi mãi và nguồn cung cấp còn lại cần được bảo tồn cho nền công nghiệp hóa học dầu mỏ Ví dụ việc

sử dụng dầu làm nhiên liệu lò hơi sẽ phải được loại bỏ Các nguồn năng lượng khác ngoài dầu và khí tự nhiên phải được phát triển

Hai nguồn năng lượng ngoài dầu mỏ mà đã được giả định để cung cấp cho nhu cầu năng lượng trong thời gian dài của United States là than đá và năng lượng hạt nhân Nhiều người nghỉ có đủ than cho vài thế kỷ với mức tiêu thụ như hiện nay (2006) và tương tự như vậy cho năng lượng hạt nhân sau khi lò phản ứng tái sinh được khai thác hoàn toàn Đây là các nguồn thông tin đã được chứng minh, trong ý nghĩa đó công nghệ được phát triển cao và lượng lớn than đá và hạt nhân cấp nguồn cho nhà máy phát điện thì đang hoạt động và cung cấp khối năng lượng đáng kể đến khách hàng Thật không may, cả hai than đá và hạt nhân phát sinh các vấn đề thuộc

về môi trường đáng sợ Than đòi hỏi hoạt động khai thác qui mô lớn, đất để lại thì khó hoặc không thể khôi phục lại sự hữu ích trong nhiều trường hợp Sự đốt cháy than có thể làm đảo lộn cân bằng nhiệt của hành tinh Việc sinh ra khí carbon dioxide và sulfur dioxide có thể ảnh hưởng đến khí quyển và khả năng của hành

Luâ ̣n văn cao học Khóa 2010-2012B

tinh làm ra lương thực cho con người Than đá cũng là một nguyên liệu hóa học dầu

mỏ và nhiều người cho là đốt nó như nguyên liệu lò hơn thật dại dột Năng lượng hạt nhân có một vài lợi thế hơn than đá trong đó không có carbon dioxide hoă ̣c sulfur dioxide được sinh ra, các hoạt động khai mỏ thì có qui mô nhỏ hơn và nó không có tác dụng chủ yếu khác ngoài việc cung cấp nhiệt Khó khăn chính là vấn

đề xử lý chất thải, trong đó vì những lo ngại của nhiều người, có lẽ sẽ không bao giờ có giải pháp thật sự thỏa mãn

Vì những vấn đề này, năng lượng gió và dạng khác như năng lượng mặt trời đang được khuyến khích mạnh mẽ Năng lượng gió có thể trở thành nguồn năng lượng chính mặt dù chi phí hơi cao so với năng lượng than đá và hạt nhân vì về cơ bản các vấn đề phi kinh tế và chính trị của năng lượng than đá và hạt nhân Điều này không nói rằng chi phí cho năng lượng gió sẽ luôn luôn cao hơn năng lượng than đá và hạt nhân Vì sự tiến bộ đáng kể đang thực hiện trong việc làm năng lượng gió ít tốn kém Nhưng thậm chí không có lợi thế về chi phí rõ ràng, năng lượng gió cũng có thể trở thành dạng năng lượng quan trọng thật sự trong bức tranh năng lượng thế giới

Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy phát, có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Có nhiều lý do cho việc

sử dụng hệ thống biến đổi năng lượng gió có tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng nhất là phạm vi thay đổi tốc độ theo phạm vi thay đổi của vâ ̣n tốc gió rộng cho phép điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió, giảm ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột và khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng

Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát điện cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG (Doubly Fed Induction Generator), stator được kết nối trực tiếp với lưới điện còn rotor nối thông qua một bộ biến đổi công suất, máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên phía rotor Ưu điểm nổi bậc khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 -