Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ thống phong điện

Sự phát triển của khoa học và công nghệ phục vụ trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo trong đó có các turbine gió nguồn kép DFIG thay đổi tốc độ được sử dụng nhiều hơn so với các tu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm …

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phan Thế Vinh Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1984 Nơi sinh: TP Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1641830028

I- Tên đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ

thống phong điện

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống phong điện

- Tìm hiểu tổng quan ve máy phát điện nguồn kép

- Tìm hiểu về logic mờ, ứng dụng trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong

hệ thống phong điện

- Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab

- Viết luận văn

III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài)

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15 tháng 8 năm 2018

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS Nguyễn Thanh Phương PGS TS Nguyễn Thanh Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi 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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH và Viện đào tạo Sau đại học đã nhiệt tình giảng dạy và hỗ trợ để tôi hoàn thánh khóa học Đặc biệt PGS TS Nguyễn Thanh Phương đã truyền cảm hứng vá hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn này

Cám ơn các bạn học viên cùng lớp đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong học tập để vượt qua khó khăn trong học tập và nghiên cứu tại trường

Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật chất

và tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập

Phan Thế Vinh

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục Lục iii

Tóm tắt luận văn viii

Danh sách các hình ix

Danh sách các ký hiệu sử dụng trong luận văn xi

Phần mở đầu xv

Chương 1.Tổng quan năng lượng gió 1

1.1 Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới 1

1.1.1.Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay 1

1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng tái tạo 1

1.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước 4

1.2.1 Những nghiên cứu ngoài nước 4

1.2.2 Kết quả nghiên cứu trong nước 5

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 6

1.4 Phạm vi nghiên cứu 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

Chương 2 Cơ sở lý thuyết 7

2.1 Cấu tạo turbine gió 7

2.1.1 Các loại turbine gió 7

2.1.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió 8

2.1.3 Các dạng tháp 9

2.1.4 Cánh quạt và trục cánh quạt 10

2.1.5 Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine 11

2.1.6 Hệ thống hãm 12

2.1.7 Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt 12

2.1.8 Vỏ turbine 13

2.2 Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió 14

2.2.1 Mô hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG 14

2.2.2 Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió 14

2.3 Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió… 16

2.3.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định 16

2.3.2 Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ 17

2.3.3 Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 19

2.3.4 Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió 20

2.4 Điều khiển mờ 20

2.4.1 Cấu trúc điều khiển logic mờ 20

2.4.2 Phân loại bộ điều khiển mờ 21

2.4.3 Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ 22

Chương 3 Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép 25

3.1 Mô hình khối turbine gió 25

3.2 Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong không gian 27

3.3 Quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục tọa độ quay d-q 29

3.4 Quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q 30

3.5 Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β 30

3.6 Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q 33

3.7 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG 36 3.7.1 Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển 36

3.7.2 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng 37

3.8 Mô hình bộ chuyển đổi 40

3.9 Các đại lượng cơ bản 41

Chương 4 Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ 43

4.1 Giới thiệu bộ PID kinh điển 43

4.2 Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID mờ 44

4.3 So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID mờ khối 50

Chương 5 Mô hình và kết quả mô phỏng dùng bộ PID mờ điều khiển 52

5.1 Mô hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG 52

5.1.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng trong Matlab/simulink 54

5.1.2 Mô hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters 55

5.1.3 Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới 55

5.1.4 Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi công suất 57

5.1.5 Mô hình mô phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và 58

5.1.6 Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới 58

5.1.7 Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor 59

5.1.8 Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ 59

5.1.9 Mô hình mô phỏng khối Rotor của máy phát 60

5.1.10 Khối biến đổi dòng điện và công suất phía lưới 60

5.1.11 Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 61

5.2 Trình tự mô phỏng 61

5.2.1 Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió 61

5.2.2 Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều 67

5.2.3 Mô phỏng đáp ứng turbine gió khi xảy ra sự cố……… 72

5.2.3.1 Mô phỏng lưới B25 (25kV) bị chạm đất một pha….……… 72

5.2.3.2 Mô phỏng lưới B120 (25kV) khi bị sụt áp……… 73

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 76

6.1 Kết luận 76

6.1.1 Các kết quả đã đạt được trong đề tài 76

6.1.2 Hạn chế 76

6.2 Hướng phát triển của đề tài 76

Tài liệu tham khảo 78

Tóm tắt luận văn

Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Sự phát triển của khoa học và công nghệ phục vụ trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo trong đó có các turbine gió nguồn kép (DFIG) thay đổi tốc độ được sử dụng nhiều hơn so với các turbine tốc độ gió cố định Nội dung chính của luận văn này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống phát điện của tổ máy phát hòa lưới thông qua bộ chuyển đổi Do stator của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp lưới trong khi rotor được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC, nên mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng phía stator của máy phát DFIG được qui về điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator trên hệ tọa độ tham chiếu d-q ở chế độ xác lập

Việc điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lưới điện được thực hiện bằng cách sử dụng giải thuật điều khiển mờ để điều khiển độc lập hai thành phần của vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotor thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC Kết quả cho thấy khi sử dụng các bộ PID mờ vào điều khiển thì đáp ứng hệ thống bám rất tốt theo sự thay đổi của tín hiệu đặt, điện áp VDC-link luôn giữ ổn định và luôn là hằng số Mô hình được mô phỏng để nghiên cứu dựa trên mô hình hiện có của Matlab/Simulink

Abstract

In recent years, wind energy has become one of the most important energy source and promising for the use of renewable energy sources The development of science and technology for renewable energy industries including wind turbines dual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed wind turbines The main content of this thesis is the study of the control system's power generating grid through the converter Due to the stator of the generator is connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system

in the setting mode

The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the grid is made using fuzzy control algorithm to control two independent components

of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter AC/DC/AC The results showed that when using fuzzy PI and fuzzy PID control, the system response very good grip on the change of the signal, VDC - link voltage

to keep stable and always constant Model was been based simulation to study the existing model of Matlab/Simulink

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH Trang

Hình 2.1: Các dạng turbine gió 7

Hình 2.2: Cấu tạo turbine gió trục ngang 8

Hình 2.3: Cấu tạo tháp trụ 9

Hình 2.4: Tháp mắc cáo 10

Hình 2.5: Cánh quạt 10

Hình 2.6: Trục cánh quạt 11

Hình 2.7: Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt 11

Hình 2.8: Động cơ điều chỉnh hướng turbine 12

Hình 2.9: Hệ thống hãm turbine 12

Hình 2.10: Hộp số chuyển đổi tốc độ 13

Hình 2.11: Vỏ turbine 13

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 14

Hình 2.13: Mô hình máy phát không đồng bộ 16

Hình 2.14: Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor 17

Hình 2.15: Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor 18

Hình 2.16: Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ 18

Hình 2.17: Mô hình turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG 19

Hình 2.18: Mô hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện 20

Hình 2.19: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ cơ bản 21

Hình 2.20: Các bộ điều khiển mờ 22

Hình 2.21: Cấu trúc tổng quát một hệ mờ 22

Hình 3.1: Đặc tính của Cp(λ,β) 26

Hình 3.2: Nguyên lý vector trong không gian 27

Hình 3.3: Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục 29

Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y 30

Hình 3.5: Mạch tương đương máy phát điện DFIG trong hệ tọa độ quay d-q 35

Hình 3.6: Mối quan hệ giữ các đại lượng trong hệ trục tọa độ α-β và d-q … 36

Hình 3.7: Giản đồ vector điện áp lưới và vector từ thông stator 38

Hình 3.8: Cấu trúc của bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back 40

Hình 3.9: Cấu trúc bộ converter AC/DC/AC 40

Hình 4.1: Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ kinh điển 43

Hình 4.2: Đặc tính động học của bộ điều khiển PID 43

Hình 4.3: Bộ chỉnh định mờ tham số PID 45

Hình 4.4: Tập mờ ngõ vào của bộ Kp mờ 45

Hình 4.5: Tập mờ ngõ vào của bộ KI mờ 46

Hình 4.6: Tập mờ ngõ vào của bộ KD mờ 46

Hình 4.7: Tập mờ ngõ ra của bộ Kp mờ 47

Hình 4.8: Tập mờ ngõ ra của bộ KI mờ 47

Hình 4.9: Tập mờ ngõ ra của bộ KD mờ 48

Hình 4.10: Quy luật thay đổi Kp 48

Hình 4.11: Quy luật thay đổi KI 49

Hình 4.12: Quy luật thay đổi KD 49

Hình 4.13: Sơ đồ điều khiển PI thông thường khối Vdq_ctrl_grid_conv 50

Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển PID mờ khối Vdq_ctrl_grid_conv 50

Hình 4.15: Điện áp, dòng điện, công suất và điện áp Vdc-link khi 51

Hình 4.16: Điện áp, dòng điện, công suất và điện áp Vdc-link khi 51

Hình 5.1: Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió công suất 9MW 54

Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió công suất 9MW 54

Hình 5.3: Mô hình khối Wind turbine và Generator&Converter 55

Hình 5.4: Mô hình mô phỏng khối Wind turbine 55

Hình 5.5: Đặc tính công suất theo tốc độ của turbine 56

Hình 5.6: Sơ đồ máy phát điện DFIG và bộ chuyển đổi công suất 57

Hình 5.7: Mô hình khối điều khiển Wind DFIG-Grid và Wind DFIG-Rotor 58

Hình 5.8: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới 59

Hình 5.9: Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor 59

Hình 5.10: Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ 60

Hình 5.11: Mô hình mô phỏng khối rotor máy phát không đồng bộ DFIG 60

Hình 5.12: Mô hình mô phỏng khối biến đổi dòng điện 61

Hình 5.13: Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 61

Hình 5.14: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine 62

Hình 5.15: Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng 63

Hình 5.16: Điện áp trung gian Vdc-link 64

Hình 5.17: Dạng sóng dòng điện id- rotor của máy phát điện DFIG 64

Hình 5.18: Dạng sóng dòng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG 64

Hình 5.19: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, 65

Hình 5.20: Điện áp trên các B120, B25, B575, công suất tác dụng 65

Hình 5.21: Tốc độ máy phát, vận tốc gió và góc pitch của turbine, 67

Hình 5.22: Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng 67

Hình 5.23: Dạng sóng dòng điện id- rotor của máy phát điện DFIG, 69

Hình 5.24: Dạng sóng dòng điện iq- rotor của máy phát điện DFIG 69

Hình 5.25: Dạng moment điện từ của máy phát điện DFIG, 69

Hình 5.26: Điện áp trên các bus B120, B25, B575, công suất tác dụng 70

Hình 5.27: Điện áp và dòng tải trên B2300, tốc độ 71

Hình 5.28: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.71 Hình 5.29: Điện áp, dòng điện, tốc độ và góc pitch trên B575 khi xảy ra sự cố.72 Hình 5.30: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ, công suất lưới tại B25 73

Hình 5.31: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ 74

Hình 5.32: Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ 75

DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

ref, * Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường Trong các loại hình năng lượng tái tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau:

- Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo Nếu xem xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì điện gió

có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch

- Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy phong điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác

- Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn

- Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng các

dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện

Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn còn là một ngành mới mẻ Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu Các văn bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức về ngành cũng còn ở mức rất hạn chế Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và

sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết

Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển máy phát điện nguồn kép trong hệ thống phong điện” làm đề tài

nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển truyền thống đến việc thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các phương pháp điều khiển thông minh hiện nay như fuzzy logic

1 Tổng quan năng lượng gió

Chương 1:

TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới

1.1.1 Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay

Mặc dù trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới có những biến động rất to lớn về mọi mặt, từ việc suy thoái tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lụt, động đất thường xuyên nhưng nhìn chung bức tranh kinh tế và tài chính toàn cầu trong thập kỷ qua vẫn tăng trưởng Do đó mà nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi Tỷ suất tăng trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 1990-2000 là: năng lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%; năng lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1% Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống Trong đó điện gió có tốc độ tăng trưởng cao nhất

Cũng theo báo cáo của Ủy ban Năng lượng Gió thế giới, tổng công suất điện gió được lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với tổng công suất lắp đặt là 159 GW) Năm nước đứng đầu trong phát triển điện gió gồm: Trung Quốc với tổng công suất lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đức là 27,2GW, Tây Ban Nha là 20,7GW và Ấn Độ là 13GW.[1]

1.1.2.Tình hình phát triển năng lượng tái tạo bằng sức gió ở một số nước

- Đức: là nước dẫn đầu về phát triển điện gió Đến cuối năm 2003, tổng công

suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14,600MW, chiếm hơn 1/3 công suất lắp đặt điện gió của toàn thế giới, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu Lượng khí thải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sự đóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăng thêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững Năm 2004, tổng lượng điện gió

1 Tổng quan năng lượng gió

chiếm 5,3% tổng lượng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 sẽ chiếm đến 8% Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm

2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50% Mặt khác, một quyết sách quan trọng nữa là tuyên bố trong vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử hiện đang chiếm 30% lượng cung ứng điện sẽ lần lượt bị đóng cửa

- Đan Mạch: Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km2, dân số khoản 5 triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thu nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trở thành một động lực lớn của nền kinh tế, đó là một ví dụ thành công về thương mại hóa trong lĩnh vực này Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư 100 triệu USD vào công việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió Chính phủ Đan Mạch bù lỗ cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành của nó, áp dụng chế độ ưu đãi

về thuế cho những người sử dụng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch thì đánh thuế ô nhiễm không khí Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kế hoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến năm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện Năm 2000 và 2003 mỗi năm xây dựng 1 trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biển Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suất lắp đặt 40MW gồm 20 máy, mỗi máy 2MW Năm 2008, Đan Mạch đã lắp đặt thêm

5 trang trại điện gió, tổng công suất lắp đặt là 750MW Theo tin đã đưa chính phủ Đan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng công suất 4,000MW

- Mỹ: sau một thời kỳ ảm đạm về điện gió của thập kỷ 90 thế kỷ XX, đến nay

nước Mỹ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió Hiện 27 Bang đã có các công trình điện gió lớn Đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặt điện gió đã đạt 6,370MW Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối với điện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hoàn toàn, đồng thời sau khi đưa vào hoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1kWh được giảm thuế 1,5cent USD Tại miền Tây nước Mỹ đã lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có

1 Tổng quan năng lượng gió

tổng công suất là 300MW, là trang trại điện gió lớn nhất thế giới hiện nay Tại bờ biển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lượt dựng lên, công suất điện của một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện 11/9 sẽ khởi công xây dựng tháp Tự Do, trên bãi đất bị tàn phá của tòa tháp đôi Trung tâm thương mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phát điện gió, nhằm cung cấp 20% lượng điện tiêu thụ của tòa nhà đó

- Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trưởng Tây Ban Nha

đã thông qua kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tương đối cụ thể về phát triển năng lượng gió Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phát điện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện toàn quốc Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnh hưởng đối với môi trường, tính toán giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện pháp khuyến khích, dự báo về thị trường… của việc phát triển năng lượng gió, có tính khả thi rất cao

- Pháp: Ngày 23/4/2004 nước Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc

việc khai thác than Đó là hình ảnh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng của việc phát triển nguồn năng lượng của thế giới Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sức gió lên vị trí chiến lược Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện gió Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000MW - 3000MW thiết bị điện gió, đến năm 2010 sẽ có 3000MW đến 5000MW điện gió đưa vào vận hành Theo tính toán sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6 triệu tấn khí thải CO2 Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn 60%

- Nhật Bản: Năm 2002 Nhật Bản đã lắp đặt 486MW điện gió, năm 2003 đã có

730MW, năm 2004 đã có 936MW Đến năm 2010 tổng công suất lắp đặt điện gió sẽ đạt 3000MW Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điện lực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió,

1 Tổng quan năng lượng gió

mặt khác phải mua điện gió của các Công ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy định

Nhật Bản phấn đấu tự sản xuất hoàn toàn thiết bị điện gió, đồng thời hướng đến xuất khẩu Máy phát điện gió của các Công ty Nhật Bản có nhiều tính năng ưu việt, tốc độ gió 1m/s đã có thể bắt đầu phát điện, công suất điện phát ra thường cao hơn

15 - 20% so với các thiết bị của các nước khác

Nhật Bản đặt mục tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có công suất lắp đặt là 11,800MW

- Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu

tiên của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên lưới Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đưa vào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính phủ Bỉ tặng Sau đó dựa vào nguồn vốn chính phủ cũng như một số viện trợ của nước ngoài đã có một số cơ sở phát điện gió được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và làm mẫu

Theo quy hoạch phát triển trung dài hạn về điện gió toàn quốc, đến cuối năm

2005 tổng công suất lắp đặt phải là 1000MW, năm 2010 là 4000MW, năm 2015 là 10000MW, năm 2020 là 20000MW Như vậy trong những năm từ 2011 đến năm

2020 bình quân mỗi năm công suất lắp đặt điện gió của Trung Quốc phải đạt 1600MW [1]

1.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước về máy phát điện gió 1.2.1 Những nghiên cứu ngoài nước

- Fernando D.Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J Mantz, “Wind Turbine Control Systems Principles, Modelling and Gain Scheduling Design” April 2006

- Pedro Rosas, “Dynamic influences of wind power on the power system”

PhD thesis; Technical University of Denmark, March 2003

- Petru, “Modeling of Wind Turbines For Power System Studies” Thesis for the

degree of doctor of philosophy, university of technology Goteborg, Sweden 2003

1 Tổng quan năng lượng gió

- Marcia Martins, “Voltage Stability Issues Related to implementation of large wind farm” Thesis for the degree of licentiate of engineering Chalmers university

of technology Goteborg, Sweden 2006

- Slavomir Seman, “Transient performance analysis of wind-power induction generators” Doctoral Dissertation,Helsinki University of Technology (Espoo, Finland) on the 10th of November, 2006

- Seman, S, Niiranen, J, Arkkio, A.2006.“ Ride - Through Analysis of Doubly Fed Induction Wind - Power Generator under Unsymmetrical Network Disturbance

” IEEE Transaction on Power Systems, Accepted for future publication, 7 p

- Seman, S Niiranen, J., Kanerva, S., Arkkio, A., Saitz, J 2005 “Performance Study of Doubly Fed Wind-Power Generator under Network Disturbances”

- Ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cứu khác…

1.2.2 Kết quả nghiên cứu trong nước

Chính sách định hướng chiến lượt phát triển bền vững năng lượng Việt Nam là phát triển nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo Những công trình liên quan đến nguồn năng lượng mới đã được nghiên cứu ứng dụng trong nước bao gồm:

- Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và định hướng phát triển năng lượng tái tạo Việt Nam

- Nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam tại Bình Thuận có công suất 120MW đã kết nối vào lưới điện quốc gia tháng 8/2009

- Nhà máy điện gió Bạc Liêu có công suất 99MW với 66 trụ turbine gió dự kiến

sẽ hoàn thành vào năm 2012

- Năng lượng mặt trời Việt Nam và ứng dụng Báo cáo tại Hội nghị năng lượng mặt trời tại CHLB Đức năm 2006

- Tổng quan về thành tựu khai thác, sử dụng năng lượng biển thế giới và định hướng phát triển tại Việt Nam Báo cáo khoa hoc tại Hội nghị năng lượng biển toàn quốc 10-2007

- Tiềm năng và khả năng khai thác năng lượng gió tại đảo Quan Lạn tỉnh Quảng Ninh Báo cáo khoa học tại Hội nghị năng lượng biển toàn quốc 10-2007

1 Tổng quan năng lượng gió

- Tiềm năng và khả năng cung cấp năng lượng mặt trời (điện và nhiệt) cho hai đảo Quan Lạn (Quảng Ninh) và Cồn Cỏ (Quảng Trị) Báo cáo khoa học tại Hội nghị năng lượng biển toàn quốc 10-2007

Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về lãnh vực năng lượng tái tạo nhưng nhìn chung hiện nay nước ta chỉ mới bắt đầu kêu gọi, khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tìm hiểu các dạng mô hình của máy phát điện gió kết nối với lưới điện

- Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

- Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng

- Xây dựng mô hình điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép kết nối với lưới điện, qua đó nhận xét, đánh giá các kết quả mô phỏng khi sử dụng hệ

mờ để điều khiển hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phần mềm Matlab/Simulink

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

- Sử dụng các phương pháp toán học hiện đại như giải thuật logic mờ để điều

khiển tối ưu cho hệ thống

- Sử dụng phương pháp mô hình hóa để kiểm tra và so sánh các thông số trong

hệ thống trước và sau khi điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) hiện có của phần mềm Matlab/Simulink

2 Cơ sở lý thuyết

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cấu tạo turbine gió

2.1.1 Các loại turbine gió

Có nhiều loại turbine gió khác nhau: loại trục ngang hoặc loại trục đứng Chúng được lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau, tùy thuộc tốc độ gió thổi vào và cần điều khiển hướng gió để đạt hiệu suất cao nhất

Aerogenerator X Vertical Axis

Hình 2.1 Các dạng turbine gió

2 Cơ sở lý thuyết

2.1.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió

Cấu tạo một máy phát turbine gió trục ngang gồm những bộ phận sau:

Hình 2.2 Cấu tạo turbine gió trục ngang

- Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các cánh

quạt chuyển động và quay, sẽ chuyển đổi động lực của gió thành năng lượng cơ

- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục

- Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor

quay với tốc độ gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện

- Brake: Bộ hãm (phanh): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng

điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ

- Low-speed shaft: Trục quay tốc độ thấp

- Gearbox: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ

cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc

độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và turbine gió

- Generator: Máy phát điện

2 Cơ sở lý thuyết

- Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 3.5 m/s đến

25 m/s Bởi vì các máy phát này có thể phát nóng

- Anemometer: Đo lường tốc độ và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển

- Nacelle: Vỏ Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ và

bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng khi làm việc bên trong

- Hight-speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao

- Yaw drive: Thiết bị dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính

khi có sự thay đổi hướng gió

- Yaw motor: Động cơ điều chỉnh hướng gió

- Tower: Trụ đỡ Nacelle Trụ tháp được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn

bằng thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.[26]

2.1.3 Các dạng tháp

Tháp dạng trụ:

Hình 2.3 Cấu tạo tháp trụ

2 Cơ sở lý thuyết

Tháp dạng mắc cáo:

Hình 2.4 Tháp mắc cáo

2.1.4 Cánh quạt và trục cánh quạt

Cánh quạt (Blades): được thiết kế để nhận lực nâng của gió bằng cách tạo ra các

áp lực khác nhau trên bề mặt cánh quạt Để đạt hiệu suất cực đại

Hình 2.5 Cánh quạt

Trục cánh quạt có tác dụng để kết nối các cánh quạt lại với nhau và chúng được nối với trục chính Thông thường một máy phát điện có 3 cánh quạt được điều chỉnh góc quay (Pitch) bởi 3 động cơ.[26]

2 Cơ sở lý thuyết

Hình 2.6 Trục cánh quạt

2.1.5 Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine

Hệ thống điều khiển góc nghiên của cánh quạt, được sử dụng 3 động cơ để thay đổi góc quay (Yaw driver) Mục đích để nhận được năng lượng gió là lớn nhất có thể

và không nhận năng lượng khi tốc độ gió vượt giới hạn cho phép như giông bảo

Hình 2.7 Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt

2.1.7 Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt

Hệ thống hộp số (Gearbox): Mục đích làm tăng vận tốc quay của gió từ 30 đến

60 vòng/phút lên 1200 đến 1500 v/p để có khả năng phát ra điện

2 Cơ sở lý thuyết

Hình 2.10 Hộp số chuyển đổi tốc độ

2.1.8 Vỏ turbine

Hình 2.11 Vỏ turbine

2 Cơ sở lý thuyết

2.2 Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió

2.2.1 Mô hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG

Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG

2.2.2 Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió

Hình 2.12 trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển của máy phát nguồn kép DFIG bao gồm các kênh sau:

Kênh điều khiển turbine

Kênh điều khiển turbine gió với đáp ứng động chậm hơn, điều khiển tốc độ và điều khiển công suất ngõ vào bao gồm cả bộ phận điều chỉnh góc pitch và giá trị tham chiếu cho công suất tác dụng máy phát DFIG Vì thế nó cung cấp tín hiệu điều khiển βref trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng P ref cho kênh điều khiển máy phát DFIG

ω và dòng điện rotor mea

r

i

Kênh điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG

Kênh điều khiển máy phát điện DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi công suất phía rotor và điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới

Điều khiển phía rotor: Mục tiêu chính của điều khiển phía rotor là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng Công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể điều khiển thông qua dòng điện stator Bộ biến đổi phía

rotor hoạt động trong hệ trục tọa độ tham chiếu d-q

Điều khiển phía lưới : Mục tiêu chính của điều khiển phía lưới là là giữ điện áp mối nối DC ở một giá trị bất chấp độ lớn và hướng của công suất rotor và để đảm bảo bộ chuyển đổi hoạt động với hệ số công suất nhất định (thường = 1) Điều này

có nghĩa là bộ chuyển đổi phía lưới chỉ trao đổi công suất tác dụng với lưới Và trên

lý thuyết sự trao đổi công suất phản kháng của máy phát DFIG với lưới chỉ thông qua stator Điện áp mối nối DC và công suất tác dụng được điều khiển gián tiếp bằng cách điều khiển dòng điện bộ chuyển đổi phía lưới.[6]

Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:

- Giá trị điều khiển công suất tác dụng ref

s

P , thông tin này được cung cấp bởi

kênh điều khiển turbine gió

- Giá trị điều khiển công suất phản kháng ref

s

Q , giá trị này có thể được gán bởi người vận hành Chẳng hạn, trong trường hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát công suất phản kháng để hỗ trợ điện áp lưới

- Giá trị điều khiển điện áp DC-link ref

dc

V được quyết định bởi kích cỡ của bộ chuyển đổi công suất, tỉ số điện áp stator-rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi công suất

Kênh điều khiển turbine tạo ra hai tín hiệu điều khiển

Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn

ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển turbine

Trong trường hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển turbine

sẽ ra lệnh cho kênh chấp hành góc pitch hiệu chỉnh góc pitch β để lược bớt công suất và kênh điều khiển máy phát DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển bằng giá trị định mức ref

n

P , kênh điều khiển máy phát DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy

phát về một phạm vi định trước.[6]

2.3 Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió

2.3.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định

Mô hình máy phát điện gió dùng máy điện không đồng bộ

Hình 2.13 Mô hình máy phát không đồng bộ

- Không điều khiển bù công suất phản kháng

- Công suất phát ra phụ thuộc vào năng lượng gió nhận được

- Khi năng lượng gió là lớn, thay đổi đột ngột như giông, bảo sẽ ảnh hưởng đến hệ thống cơ của turbine gió Lưới điện mất ổn định

2.3.2 Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ

Loại này thiết kế để đạt hiệu quả cực đại về phương diện khí động học Chúng đáp ứng được sự thay đổi của tốc độ gió

Hình 2.14 Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor

Dao động công suất ngõ ra sẽ giảm khi có sự thay đổi hệ số trượt Hệ số trượt trong máy phát thường duy trì nhỏ, do đó tốc độ thay đổi khoảng 1 đến 2% giữa lúc

có tải và không tải

2 Cơ sở lý thuyết

Hình 2.15 Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor

Mô hình máy phát điện gió đồng bộ với DC – link converter Hệ thống có thể vận hành máy phát điện ở một tần số độc lập với tần số nguồn điện Thay đổi tần số máy phát điện làm thay đổi tốc độ máy phát điện

Mô hình máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG Khi hệ thống đã hoà đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát hoạt động hai chế độ

- Khi turbine gió quay với tần số thấp hơn tần số của lưới điện Đây là chế độ làm việc dưới đồng bộ máy điện lấy năng lượng từ lưới qua stator

- Khi turbine gió quay ứng với tần số cao hơn tần số của lưới điện Đây là chế độ làm việc trên đồng bộ máy điện đưa năng lượng đến lưới qua rotor

Hình 2.16 Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ

2 Cơ sở lý thuyết

Ưu điểm:

- Tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng cơ điện

- Giảm tác động cơ lên turbine khi có thay đổi tốc độ gió

- Nâng cao chất lượng điện năng

và cải thiện được hiệu suất làm việc

2.3.3 Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG):

Hệ thống máy phát turbine gió DFIG có bộ biến đổi tần số được kết nối với mạch rotor của máy điện cảm ứng Khả năng thay đổi tốc độ của máy phát tỉ lệ với công suất của bộ chuyển đổi Chẳng hạn như bộ chuyển đổi có kích cỡ bằng 30% công suất của máy phát thì tầm thay đổi tốc độ là ± 30%

Hình 2.17 Sơ đồ turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG

Trong hệ thống chỉ một phần công suất đi qua bộ chuyển đổi tần số, như vậy giá thành của bộ chuyển đổi và hệ thống sẽ thấp hơn so với hệ thống chuyển đổi hoàn toàn khi toàn bộ công suất đi qua bộ chuyển đổi