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

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

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 HCMngày … 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

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quảnêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào 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 đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH vàViện 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 tôihoàn thành luận văn này.

Cám ơn các bạn học viên cùng lớp đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi tronghọc 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

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

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

Việc điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lướiđiện được thực hiện bằng cách sử dụng giải thuật điều khiển mờ để điều khiển độclập hai thành phần của vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotorthông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC Kết quả cho thấy khi sử dụng các bộ PID mờvào 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 đểnghiên cứu dựa trên mô hình hiện có của Matlab/Simulink

In recent years, wind energy has become one of the most important energysource and promising for the use of renewable energy sources The development ofscience and technology for renewable energy industries including wind turbinesdual source (DFIG) change the speed to be used more than the fixed speed windturbines The main content of this thesis is the study of the control system's powergenerating grid through the converter Due to the stator of the generator isconnected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor isconnected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives activeand reactive power to the generator stator of DFIG is required of independentcontrol 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 thegrid 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 converterAC/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 theexisting 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 3.8: 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

Trang xii

i Dò

as

bs cs

Từ

ar

br cr

TừTừTừTừTừ

V

DC

Điệ

C

DC

Điệ

ô

Trang xiii

H ( Hằ

Trang xiv

Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồnnăng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượngtái tạo Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sửdụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyềnthống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường Trong các loại hình năng lượngtái 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 xemxét 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 phongđiện 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 vàcác 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 vẫncòn là một ngành mới mẻ Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu Các vănbản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức về ngành cũng còn ởmức rất hạn chế Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũngnhư 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 điềukhiển truyền thống đến việc thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng cácphương pháp điều khiển thông minh hiện nay như fuzzy logic

Trang xv

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 tolớn 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 cầutrong thập kỷ qua vẫn tăng trưởng Do đó mà nhu cầu sử dụng năng lượng ngàycàng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, cácnguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi Tỷ suất tăngtrưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 1990-2000 là: nănglượng 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 nănglượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống Trong đó điện gió cótốc độ tăng trưởng cao nhất

Cũng theo báo cáo của Ủy ban Năng lượng Gió thế giới, tổng công suất điệngió được lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (vớitổng công suất lắp đặt là 159 GW) Năm nước đứng đầu trong phát triển điện giógồm: Trung Quốc với tổng công suất lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đức là27,2GW, 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 suấtlắp đặt điện gió của toàn thế giới, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu Lượng khíthải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sựđóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăngthêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững Năm 2004, tổng lượng điện gió

- Đan Mạch: Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km2, dân sốkhoản 5 triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thunhập đã đạt đến 3 tỷ Euro Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trởthành một động lực lớn của nền kinh tế, đó là một ví dụ thành công về thương mạihóa trong lĩnh vực này Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư 100 triệu USDvào công việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió Chính phủ Đan Mạch bù lỗcho 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 thạchthì đánh thuế ô nhiễm không khí Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kếhoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm Năm 2003 lại đặt kế hoạch đếnnăm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện Năm 2000 và 2003 mỗinăm xây dựng 1 trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biểnMiddle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suấtlắp 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 phủĐan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biểnBantich 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 27Bang đã có các công trình điện gió lớn Đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặtđiện gió đã đạt 6,370MW Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối vớiđiện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hoàn toàn, đồng thời sau khi đưa vàohoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1kWh được giảm thuế1,5cent USD Tại miền Tây nước Mỹ đã lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có

tổng công suất là 300MW, là trang trại điện gió lớn nhất thế giới hiện nay Tại bờbiển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lượtdựng lên, công suất điện của một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện11/9 sẽ khởi công xây dựng tháp Tự Do, trên bãi đất bị tàn phá của tòa tháp đôiTrung tâm thương mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phátđiện 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 tươngđối cụ thể về phát triển năng lượng gió Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phátđiện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện toànquốc Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnhhưởng đối với môi trường, tính toán giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện phápkhuyến khích, dự báo về thị trường… của việc phát triển năng lượng gió, có tínhkhả thi rất cao

- P h á p : 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 việcphát triển nguồn năng lượng của thế giới Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầutrong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sứcgió lên vị trí chiến lược Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điệngió 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 tínhtoán sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6triệu tấn khí thải CO2 Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn60%

- Nh ậ t Bả n : 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 sẽđạt 3000MW Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điệnlực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió,

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 là11,800MW

- T r u n g Q u ố c : 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 lênlưới Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đưavào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính phủ Bỉ tặng Sau đó dựa vào nguồnvốn chính phủ cũng như một số viện trợ của nước ngoài đã có một số cơ sở phátđiện 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 là10000MW, 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 đạt1600MW [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

- 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 làphát triển nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo Những công trình liên quanđến 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 tạoViệt Nam

- Nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam tại Bình Thuận có công suất120MW 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 lượngmặt trời tại CHLB Đức năm 2006

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

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

1 T ổ n g q u a n n ă n g l ư ợ n g g i ó

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

Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về lãnh vực năng lượng tái tạo nhưngnhìn chung hiện nay nước ta chỉ mới bắt đầu kêu gọi, khuyến khích phát triển nănglượng 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 khiểnmáy 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 kếtnối 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 phầnmềm Matlab/Simulink

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

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

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 Chúngđược lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau, tùy thuộc tốc độ gió thổi vào và cần điềukhiển hướng gió để đạt hiệu suất cao nhất

Aerogenerator X Vertical Axis.

Hình 2.1 Các dạng turbine gió

2 C ơ s ở lý t h u y ế t

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 răngnày rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và turbine gió

- Generator: Máy phát điện.

- 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 đểmột 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 đượcnăng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.[26]

2.1.3 Các dạng tháp.

Tháp dạng trụ:

2 C ơ s ở lý t h u y ế t

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 đượcnối với trục chính Thông thường một máy phát điện có 3 cánh quạt được điềuchỉnh góc quay (Pitch) bởi 3 động cơ.[26]

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 đểthay 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 giôngbảo

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

2.1.8 Vỏ turbine.

Hình 2.10 Hộp số chuyển đổi tốc độ

Hình 2.11 Vỏ turbine