Thuật toán truy xuất điểm công suất cực đại sử dụng phần mềm Eureqa cho Turbine gió dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu

I.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: -Tìm hiểu về hệ thống năng lượng gió: Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổi công suất. -Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió: PMSG, DFIG, SCIG. -Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió PMSG. -Đe xuất giải thuật mới cho giải thuật MPPT. -Mô phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên MATLAB.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Phúc Khải

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Hoàng Minh Trí

Cán bộ chấm nhận xét 2 : Tiến sĩ Đinh Hoàng Bách

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày .14 tháng 07 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Văn Nhờ

2 TS Hoàng Minh Trí

3 TS Đinh Hoàng Bách

4 PGS TS Hồ Phạm Huy Ánh

5 TS Huỳnh Quốc Việt

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận vãn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VÀN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HỒ QUỐC THẮNG MSHV: 7140432Ngày, tháng, năm sinh: 04/10/1984 Nơi sinh: Bình ĐịnhChuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số : .60520202

I TÊN ĐỀ TÀI:

THUẬT TOÁN TRUY XUẤT ĐIỀM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI SỬ DỤNGPHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐỒNG

BỘ TỪ TRƯỜNG VĨNH CỬU

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hệ thống năng lượng gió: Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổicông suất

- Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió: PMSG, DFIG, SCIG

- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió PMSG

- Đe xuất giải thuật mới cho giải thuật MPPT

- Mô phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên MATLAB

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẴN: Tiến Sĩ Nguyễn Phúc Khải

Tp HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

và cho đến khi tôi thục hiện đề tài này.

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2018

Học viên

TÓM TẮT LUẬN VÀN THẠC SĨ

ii

Trong xu hướng phát triển năng lượng gió, nhiều vấn đề liên quan để cảithiện hiệu suất tuabin đã được nghiên cứu Từ những cải tiến trong việc thiết kếcánh, số lượng cánh đến khí động học trong thiết kế nhằm làm thiết kế mạnh mẽ

và hiệu quả hơn Ngoài ra, để giải quyết những bất thường liên quan đến gió,nhiều hệ thống điều khiển đã được thiết kế để hệ thống thích nghi, đạt đượccông suất tối đa khi tốc độ gió thay đổi

Để cải thiện hiệu suất thu năng lượng của tuabin gió, nhiều giải thuật dòtìm điểm công suất cực đại (MPPT) đã được phát triển Trong đề tài này, tác giảtrình bày giải thuật MPPT mới dựa trên tính toán giá trị tối ưu chu kỳ nhiệm vụ(duty cycle) tác động đến bộ chuyển đổi Một mô hình toán học của hệ thốngchuyển đổi năng lượng gió (WECS) liên quan đến chu kỳ nhiệm vụ và tốc độgió sẽ được xây dựng Công suất ngõ ra của hệ thống cùng giá trị chu kỳ nhiệm

vụ tương ứng sẽ được mô phỏng và quan sát khi tốc độ gió thay đổi

Trên cơ sở các vấn đề đặt ra, luận văn có nội dung cụ thể như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống năng lượng gió

Chương 2: lìm hiểu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Chương 3: lìm hiểu về giải thuật điều khiển MPPT và đề xuất giải thuậtmới

Chương 4: Ttrình bày kết quả mô phỏng và phân tích

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

to ensure the extraction of maxium power point during wind speed variations

To keep the output power at its maxium value irresective of any suddenchange in wind speed, many MPPT algorithms are implemented This thesispresent a novel algorithm based on optimization of converter duty cycle values

A mathematical model which relates the optimal duty cycle according to windspeed will be build Output power and corresponding optimal duty cycle will besimulating and observe

The contents are as follows:

Chapter 1: Overview of Wind energy system

Chapter 2: Researching of Wind energy conversation system

Chapter 3: Researching of MPPT algorithms and propose a novelalgorithm

Chapter 4: Present Result of simulation and Analysing

Chapter 5: Conclusion

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Thuật toán truy xuất điểm công suất cực đại cho hệ thống turbine gió sử dụng máy phát đồng bộ từ trường vĩnh cửu” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, dưới sự hướng dẫncủa Tiến Sĩ Nguyễn Phúc Khải, các số liệu và kết quả thực nghiệm hoàn toàntrung thực Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào củangười khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng

Học viên cao học

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VÀN THẠC sĩ ii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH MINH HỌA vii

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT X CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu: 1

1.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu: 3

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYÊN ĐỔI NÀNG LƯỢNG GIÓ 4

2.1 Turbine gió: 5

2.2 Máy phát: 11

2.3 Bộ biến đổi công suất sử dụng cho PMSG: 19

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIÊN MPPT CHO HỆ THỐNG TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG 25

3.1 Kỹ thuật điều khiển tốc độ đầu cánh (TSR): 26

3.2 Thuật toán dựa trên mối quan hệ tối ưu (ORB): 26

3.3 Giải thuật HCS: 29

3.4 Phương pháp MPPT kết hợp (Hybrid MPPT): 31

3.5 Phương pháp điều khiển thông minh khác: 34

3.6 Kỹ thuật MPPT mới sử dụng phần mềm Eureqa: 35

CHƯƠNG 4: MỒ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK 52

4.1 Xâ y dựng mô hình toán học sử dụng phần mềm Eureqa: 52

4.2 Sơ đồ mô phỏng: 52

4.3 Ket quả mô phỏng và so sánh: 57

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN ĐỀ TÀI 66

5.1 Kết luận: 665.2 Hướng phát triển đề tài: 66TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Sự phát triển hệ thống tuabin gió 1

Hình 2.1 Mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới 4

Hình 2.2 Tuabin gió trục ngang hoạt động theo hướng gió hoặc ngược hướng gió và tuabin gió trục đứng hoạt động ở mọi hướng gió 5

Hình 2.3 Khối khí m qua diện tích A với tốc độ vw 7

Hình 2.4 Đồ thị minh họa P-Vwind 8

Hình 2.5 Vận tốc gió trước và sau khi qua turbine 9

Hình 2.6 Hệ số công suất như hàm của tỷ số đầu cánh 11

Hình 2.7 Mô hình máy phát SCIG kết nối lưới 13

Hình 2.8 Cấu hình WRIG sử dụng máy phát OSIG 15

Hình 2.9 Cấu hình máy phát WRIG sử dụng DFIG 16

Hình 2.10 Mô hình sử dụng máy phát điện đồng bộ có hoặc không có hộp số 17

Hình 2.11 Nguyên lý kết nối PMSG với tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng bộ chuyển đổi full-scale 18

Hình 2.12 Các mô hình PMSG sử dụng với bộ chuyển đổi chỉnh lưu diode .20 Hình 2.13 Hệ thống tuabin gió dùng bộ nghịch lưu sử dụng Thysistor cùng bộ tụ bù công suất phản kháng 21

Hình 2.14 Hệ thống tuabin gió dùng bộ nghịch lưu sử dụng kỹ thuật chuyển mạch cứng .22

Hình 2.15 Hệ thống tuabin gió sử dụng bộ chuyển đổi PWM back-to-back 23

Hình 3.1 Phân loại các giải thuật MPPT 25

Hình 3.2 Nguyên lý điều khiển TSR (Tip Speed Ratio) 26

Hình 3.3 Phương pháp momen xoắn tối ưu 27

Hình 3.4 Phương pháp tiếp cận dựa trên phản hồi công suất (PSF) 28

Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật p&o 30

Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật p&o cải tiến 31

Hình 3.7 Giải thuật MPPT sử dựng phương pháp p&o kết hợp phương pháp ORB 33

Hình 3.8 Lưu đồ giải thuật MPPT sử dụng phần mềm Eureqa 37

Hình 3.9 Biến đổi máy phát điện cực lồi hệ trục abc sang dq 39

Hình 3.10 Mạch tương đương PMSG trên hệ trục dq 41

Hình 3.11 Đặc tính công suất, tốc độ đối với các tốc độ gió khác nhau 41

Hình 3.12 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha 42

Hình 3.13 Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC 43

Hình 3.14 Kết quả p5= f(D) từ phần mềm Eureqa 48

Hình 3.15 Kết quả p6= f(D) từ phần mềm Eureqa 49

Hình 3.16 Kết quả p7= f(D) từ phần mềm Eureqa 50

Hình 3.17 Kết quả p8= f(D) từ phần mềm Eureqa 50

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống cho từng tốc độ gió theo duty cycle .52

Hình 4.2 Sơ đồ các khối mô phỏng giải hệ thống turbine gió PMSG 53

Hình 4.3 Khối thay đổi tốc độ gió 53

Hình 4.4 Turbine gió 54

Hình 4.5 Máy phát PMSG 55

Hình 4.6 Khối công suất 55

Hình 4.7 Cấu hình bộ Boost 56

Hình 4.8 Khối điều khiển MPPT 56

Hình 4.9 Đồ thị thay đổi tốc độ gió khảo sát 57

Hình 4.10 Đường cong Pm-(O 58

Hình 4.11 So sánh đặc tính công suất giữa giải thuật mới, p&o truyền thống và p&o cải tiến 59

Hình 4.12 Đường công suất tại tốc độ gió 8m/s 60

Hình 4.13 Đường công suất tại tốc độ gió 5m/s 60

Hình 4.14 Đáp ứng moment của hệ thống 61

Hình 4.15 Đặc tính điện áp phát ra và tốc độ rotor 62

Hình 4.16 Đồ thị Duty cycle 63

Hình 4.17 Đồ thị tốc độ gió bất kì thay đổi theo thời gian 64

Hình 4.18 Đặc tính công suất trong trường hợp gió thay đổi bất kì 65

Hình 4.19 Đặc tính đáp ứng moment khi gió thay đổi bất kì 65

DANH MỤC BẢNG SÔ LIỆU

Bảng 3.1 Bảng so sánh các giải thuật MPPT 35Bảng 3.2 Bảng tổng hợp công suất đầu ra theo tốc độ gió và duty cycle 44Bảng 3.3 Bảng giá trị duty cycle tối ưu và công suất tối đa theo tốc độ gió 51

DANH MỤC TỪ VIẾT TẤT

X

PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator

DPGS Distributed Power Generator Systems

SCIG Squirrel-Cage Induction Genrators

DANH MỤC TỪ VIẾT TẤT

X

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

l.L Giới thiệu:

Được xem như giải pháp trong việc giảm tác động đến biến đổi khí hậu, nănglượng gió - nguồn năng lượng tái tạo và không gây ô nhiễm vì không cần nhiênliêu, không tạo ra độc hại hoặc chất thải phóng xạ [1] - được đánh giả là nguồnnăng lượng tái tạo đầy hứa hẹn và phát triển trong tương lai, được thể hiện nhưhình 1.1 [2]

Theo thành phần và theo sự thay đổi tốc độ gió, chúng ta có hệ thống gió nănglượng gió tốc độ cố định (FSWS) và hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi(VSWS) [3] FSWS có ưu điểm giá thành thấp và không yêu cầu sử dụng bộchuyển đổi công suất Tuy nhiên, hệ thống cỏ nhược điểm trong việc phải bảotrì hộp sổ thường xuyên, đặc biệt không tối uư được công suất [4] Hệ thốngVSWS có nhiều ưu điểm khi hoạt động trên toàn bộ phạm vi tốc độ, không yêu

Hình 1.1 Sự phát triển hệ thống tuabỉn gió

8 MU

>.I4Í m ISO in

cầu sử dụng hộp số, khả năng kết nối mạng dễ dàng và dễ quản lý Tuy nhiên,

hệ thống cũng có nhược điểm khi khối lượng và chỉ phí lắp đặt cao [3,4]

Có một vài máy phát sử dụng cho hệ thống năng lượng gió, như: máy phát đồng

bộ từ trường nam châm vĩnh cửu (PMSG) và máy phát điện gió cảm ứng kích từkép (DFIG) [5] PMSG có một số ưu điểm như không có hộp số, phí bảo trì thấp

và dễ điều khiển [5,6]

Trong những thập kỷ qua, công nghệ chuyển đổi năng lượng gió đã phát triểnnhanh chóng, có nhiều thực nghiệm và tối ưu hóa công nghệ này Các thuật toánMPPT cũng đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu ngày càng phát triển, nâng caohiệu suất chuyển đổi với giá trị thấp Điều rất quan trọng đối với những kỹ thuậtnày nhằm đáp ứng các yêu cầu của bất kỳ hệ thống năng lượng gió độc lập nào.Gần đây, nhiều kỹ thuật MPPT mới đã được đề xuất và sửa đổi để đáp ứngnhững yêu cầu của ngành công nghiệp gió và có thể ứng dụng cho bất kỳ hệthống WECS nào Các kỹ thuật này sẽ khác nhau ở nhiều khía cạnh như độphức tạp, tốc độ theo dõi, độ khó thực hiện cũng như phần cứng và phần mềmliên quan

Các kỹ thuật sử dụng gần đây nhất để đạt MPPT bao gồm thuật toán nhiễu loạn

và giám sát (P&O) [7, 8] và điện dẫn gia tăng (INC) [9] đã được sử dụng rộngrãi trong lĩnh vực này Các kỹ thuật thông minh như Partical SwarmOptimization (PSO) [10], Logic mờ [11, 12] và mạng nơ ron nhân tạo (ANN)[13] cũng được sử dụng để tìm kiếm MPP cho hệ thống WECS

Hơn nữa, các phương pháp kết hợp như p&o và INC được trình bày ở [14].Trong [15], kỹ thuật kết hợp khác được sử dụng gồm ANN và thuật toán ditruyền Những kỹ thuật khác như hỗ trợ hồi quy vector (SVR) [16] và điềukhiển chế độ trượt (SMC) [17] cũng đã được thực hiện

Trong luận vãn này, một phương pháp điều khiển mới dựa trên mối quan hệgiữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ tối ưu (optimal duty cycle) được đề xuất

Sử dụng phần mềm Eureqa [18] để xây dựng chính xác mô hình toán học và môhình được mô phỏng thông qua MATLAB/ SIMULINK

1.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu:

Mục tiêu hướng đến của đề tài là đề xuất giải thuật mới MPPT cho hệ thốngturbine gió sử dụng máy phát PMSG Để hoàn thành được yêu cầu này, đề tàitiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

- Tìm hiểu hệ thống phát điện gió bao gồm: Turbine gió, máy phát và bộbiến đổi công suất

- Các phương pháp điều khiển trong hệ thống năng lượng gió

- Phương pháp trích xuất công suất cực đại từ turbine gió

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết các vấn đề liên quan, sau đóđưa ra giải thuật và kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng mô phỏng trênphần mềm MATLAB

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYÊN ĐỔI NĂNG

LƯỢNG GIÓ

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng thay thế tiềm năng chotương lai, để giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng mà chúng ta đang phảiđối mặt Chuyển đổi năng lượng gió là một quá trình phức tạp Từ sự chuyểnđộng của dòng khí quyển, các cánh của turbine gió nhận năng lượng sau đóchuyển thành năng lượng quay của rotor máy phát điên để chuyển thành nănglượng điện Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơbản bao gồm: một turbine gió, một máy phát đỉện, các bộ phận kết nối và điều

khiển hệ thống (hình 2.1) [19]

Hình 2.1 Mô hình hệ thẳng chuyển đổi nâng lượng gió hòa lưới

Tuabin gió có tốc độ thay đổi (VSWTs) được sử dụng rộng rãi trong hệ thốngđiện và hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Hệ thống VSWT thường sử dụngmáy phát cảm ứng kích từ kép (DFIG) hoặc máy phát đồng bộ từ trường namchâm vĩnh cửu (PMSG) [20-22] Hiện tại, do cấu trúc đơn giản, chi phí bảodưỡng thấp, khả năng và hoạt động của MPPT ở hệ số công suất cao, việc sử

Generator

Grid-Side Harmonic Filter

Step-up

Trans io rm er

Grid or Disiribu liars System

dụng các WT dựa trên PMSG đã thu hút sự quan tâm [23-27] Thông thường hệthống chuyển đổi năng lượng gió với PMSG được kết nối vào lưới thông qua bộchuyển đổi AC-DC và DC-AC, được gọi như bộ chuyển đổi phía cơ (MSC) vàchuyển đổi phía lưới (GSC) [28] MSC có thể là bộ điều chế độ rộng xung(PWM), bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC) hoặc bộ chỉnh lưu

cầu diode kèm bộ chuyển đổi tăng áp Trong khi GSC thường

là bộ chuyển đồi nguồn áp vsc

Chương này sẽ tìm hiểu về các thành phần cơ bản của turbine gió và các kỹthuật điều khiển turbine gió

2.1 Turbine gió:

Tuabin gió là thiết bị cơ khí được thiết kế đặc biệt để chuyển đổi một phần độngnăng của gió thành năng lượng cơ hữu ích Một số thiết kế đã được phát triển,tuy nhiên hầu hết chúng bao gồm một Rotor quay tròn bằng lực nâng hoặc lựckéo Tùy thuộc vào vị trí của rotor, tuabin gió được phân loại thành trục đứnghoặc trục ngang

Hầu hết tuabin giỏ đều là trục ngang (HAWT) hoạt động theo hướng gió hoặcngược hướng gió, một số loại có cánh quay xung quanh trục đứng (hình 2.2)[29]

HìnA 2.2 Tuabin gió trục ngang hoạt động theo hưởng gió hoặc ngược hưởng gió

và tuabỉn gió trục đứng hoạt động ở mọi hưởng gió.

Tuabin gió trục thẳng đứng thành công nhất là rotor Darrieus được minh họahình 2.2c Tỉnh năng hấp dẫn loại tuabin này là các thiết bị phát và truyền dẫnđược đặt ở mặt đất, có thể bắt gió ở bất kỳ hướng nào mà không cần bộ địnhhướng gió Tuy nhiên rotor chặn gió có ít năng lượng hơn Hơn nữa, mặc dùmáy phát và truyền dẫn ở mặt đất, bảo trì không đơn giản vì nó thường yêu cầuloại bỏ rotor Gió ở gần bề mặt đất không chỉ chậm hơn mà cũng hỗn loạn hơn,

Upwind HAWT

làm tăng áp lực lên VAWT Cuối cùng, khi gió có tốc độ thấp cánh quạtDarrieus có momen khởi động rất nhỏ, khi gió có tốc độ cao hơn, công suất đầu

ra phải được kiểm soát để bảo vệ máy phát điện, chúng không thể thực hiệnđược dễ dàng như HAWT

Trong khi hầu như tất cả các tuabin gió đều thuộc loại trục ngang, thì vẫn cònmột số tranh cãi về tuabin gió hoạt động theo hướng gió hay ngược hướng giótốt hơn

Tuabine gió hoạt động theo hướng gió (downwind HAWT) có lợi thế để gió tựđiều khiển bộ định hướng, tự chuyển động trái - phải chính xác theo hướng gió.Tuy nhiên chúng lại có vấn đề với hiệu ứng đổ bóng gió của tháp Dưới tác độngcủa gió, mỗi lần cánh quay phía sau tháp, nó gặp khoảng thời gian ngắn giảmgió, làm cánh uốn cong, làm tăng tiếng ồn của cánh và giảm công suất đầu ra.Các tuabin gió hoạt động ngược hướng gió (upwind HAWT) yêu cầu kiểm soáthơi phức tạp hơn khi bổ sung các hệ thống điều khiển giữ cho cánh quay đónhướng gió Tuy nhiên, tuabin hoạt động trơn tru và công suất thu được tối đa.Hầu hết các tuabin gió hiện đại đều thuộc loại này

Một yếu tố khác liên quan hiệu suất tuabin gió là số cánh quạt được thiết kế.Tuabin gió thiết kế nhiều cánh hoạt động tốc độ quay thấp hơn nhiều so với loại

có số cánh ít hơn Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, sự bất ổn cánh quạt trướcảnh hưởng đến hiệu suất cánh quạt sau Trục quay nhanh hơn, cũng có thể máyphát có kích thước nhỏ hơn về mặt vật lý Tuabin 3 cánh cho thấy hoạt độngmượt hơn và chuyển động rotor chuyển đến trục đều hơn

Mô hình toán turbine gió:

Xét khối khí với khối lượng m (kg), di chuyển với một tốc độ gió vw (m/s) (hình2.3) Giả sử rằng tất cả các hạt không khí di chuyển với cùng tốc độ và hướngđến chạm vào cánh của trubine

A r\

V

Hình 2.3 Khối khím qua diện tích A vổi tốc độ v w

Động năng E được tính bởi công thức sau:

P^=Ị = \pxR2<

Từ công thức (2.4) có thể nhận thấy rằng công suất gió tỉ lệ

thuận với lập phương của vận tốc gió Điều này có nghĩa là chỉ cần một sự thayđổi nhỏ của tốc độ gió cũng ảnh hưởng lớn đến công suất đầu ra Đồ thì biểudiễn quan hệ giữa pwind - vwind được minh họa như hình 2.4 [29]

Hình 2.4 Đồ thị mình họa P-V W ìnd

(2.4)

WINDSPEED (mph)

WINDSPEEO (m/s)

Trong công thức (2.4), công suất gió cũng tỷ lệ với bình phương đường kínhcánh tuabin.

Tuy nhiên, theo công thức (2.4) công suất lớn nhất khi khối khí chảy qua toàn bộdiện tích của turbine với bán kính R Thực tế, chỉ có một phần công suất nàyđược thu bởi turbine gió Năm 1919 nhà khoa học người Đức Albert Betz mô tảchuyển động của các khối khí khỉ qua turbine Theo Betz thì sau khỉ tác động vàocác cánh quạt, vận tốc gió sẽ giảm (hình 2.5), có nghĩa là khi qua turbine, vẫncòn động năng trong các hạt của khối khí

Bình 2.5 Vận tốc giỏ trước và sau khi qua turbine

Mối liên hệ giữa năng lượng thu được bởi turbine gió và năng lượng của gióđược biểu diễn bởi hệ số Cp gọi là hệ số công suất:

Hệ số Cp được tính theo biểu thức (2.6) [6]:

Với: p là góc cánh của turbine được minh họa ở hình 2.5;

com là tốc độ góc của rotor máy phát

Mối quan hệ giữa hệ số công suất và tỷ số đầu cánh được thể hiện như hình2.5 [30]

p ,

wind

(2.8)

bp speed r-atio

Hình 2.6 Hệ sổ công suất như hàm của tỷ số đầu cánh

Hình 2.6 cho thấy đường cong hệ số công suất của một tuabin giố (Cp) khácnhau cho các giá trị TSR khác nhau Hệ sổ công suất của tuabin gió cho giá ưịTSR tối ưu là tối đa và bằng 0.48 góc cánh bằng 0

Máy phát điện không đồng bộ (máy phát điện cảm ứng):

- Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG)

- Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG)

Máy phát điện đồng bộ:

- Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (WRSG)

- Máy phát điện đồng bộ từ trường nam châm vĩnh cửu (PMSG)

2.2.1 Máy phát điện không đồng bộ (Máy phát điện cảm ứng):

Hầu hết máy phát điện sử dụng phổ biến cho các tuabin gió là các máy phát điệncảm ứng Nó có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như độ chắc chắn và hệ cơ đơn giản

Nó được sản xuất hàng loạt nên giá thành cũng thấp hơn các loại khác Tuynhiên, nhược điểm chính của nó là stator cần dòng từ hóa phản kháng Các máyphát điện này không có nam châm vĩnh cửu và không có kích từ độc lập nên nóđược nhận kích thích từ một nguồn khác và tiêu thụ công suất phản kháng Côngsuất phản kháng này có thể được cung cấp từ lưới hoặc hệ thống điện tử côngsuất khác Từ trường của máy phát sẽ được thiết lập khi máy phát kết nối lưới.Trong trường hợp dòng kích thích xoay chiều, từ trường quay được xác định qua

số cặp cực dây quấn và tần số dòng điện, tốc độ đồng bộ Vì vậy, nếu rotor quaytốc độ vượt quá tốc độ đồng bộ, một điện trường cảm ứng giữa rotor và statorgây ra dòng điện trong cuộn dây rotor Sự tương tác từ trường liên kết giữa rotor

và stator tạo momen tác động lên rotor Các rotor máy phát điện cảm ứng có thểđược thiết kế như rotor ngắn mạch (rotor lồng sóc) hoặc như rotor cảm ứng

2.2.1.1 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG):

Cho đến nay, máy phát SCIG được lựa chọn phổ biến vì hệ cơ đơn giản, hiệusuất cao và yêu cầu bảo trì thấp Mô hình máy phát SCIG kết nối lưới điện thểhiện như hình 2.7 [31]

Hình 2,7 Mô hình máy phát SCIG kết nối ỉướỉ

Ở máy phát này, tốc độ thay đổi chỉ vài % vì độ trượt máy phát điện gây ra bờitốc độ gió thay đổi Vì vậy, máy phát này thường sử dụng cho các tuabin gió cótốc độ cố định Máy phát điện và cánh quạt tuabin gió kết nối qua hộp số, vì tốc

độ rotor và máy phát khác nhau

Tuabin gió sử dụng máy phát SCIG thường được trang bị cơ cấu khởi động mềm

và hệ thống bù công suất phản kháng Với đặc tính momen xoắn dốc và côngsuất biến động khi giỏ thay đổi được truyền trực tiếp vào lưới điện, những quá độnày đặc biệt nghiêm trọng khi đấu nối lưới vì dòng điện có thể tăng 7-8 lần dòngđịnh mức Và đối với các mạng lưới yếu, việc dòng tăng cao này có thể gây rốiloạn điện áp nghiêm trọng Vì vậy, các SCIG kết nối lướỉ điên được thực hiệntừng bước để hạn chế dòng này

Đối với máy phát SCIG, có một mối quan hệ giữa công suất tác dụng, công suấtphản kháng, thiết bị đầu cuối điện áp và tốc độ rotor Khi gió lớn, tuabin gió tạo

ra nhiều công suất tác dụng khi máy phát tiêu thụ nhiều công suất phản kháng.Neu không có bất kỳ thành phần điện nào cung cấp, công suất phản kháng chomáy phát điện này phải lấy trực tiếp từ lưới điện Điều này làm tăng tổn thấttruyền tải và trong những trường hợp nhất định có thể làm cho lưới điện không

ổn định Bộ tụ điện hoặc các bộ chuyển đồi công suất có thể được sử dụng đểgiảm công suất phản kháng tiêu thụ Tuy nhiên, nhược điểm chính xảy ra quá độđiện trong quá trình đóng ngắt

Khi xảy ra sự cố, hệ tuabin sử dụng máy phát SCIG nếu không có hệ thống bùcông suất phản kháng nào, có thể dẫn đến tình trạng mất ổn định điện áp trênlưới.

2.2.1.2 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG):

Đối với máy phát WRIG, đặc tính điện của rotor có thể được điều khiển từ bênngoài, điện áp rotor có thể bị ảnh hường Dây quấn rotor được kết nối bên ngoàiqua vành trượt và chổi than hoặc các thiết bị điện tử công suất Khi sử dụng bộđiện tử công suất, công suất có thể lấy ra hoặc đưa vào mạch rotor và máy phát

có thể được từ hóa từ dòng ngắn mạch rotor hoặc stator Khuyết điểm của WRIG

là nó đắt tiền hơn và không mạnh mẽ như SCIG

Trong công nghiệp tuabin gió, thường dùng các cấu hình WRIG sau đây: máyphát điện cảm ứng OptiSlip (OSIG) như hình 2.8 và máy phát điện cảm ứng kích

từ kép (DFIG) như hình 2.9

Hình 2.8 Cấu hình WRIG sử đụng máy phát OS1G.

Cấu hình này điều chỉnh hạn chế tốc độ quay máy phát bằng việc thay đổi điện trởmạch rotor, đã được sử dụng bởi nhà sản xuất Đan Mạch Vestas kể từ giữa nhữngnăm 1990 Máy phát điện kết nối trực tiếp với lưới qua bộ khởi động mềm Bộ tụđiện dùng để bù công suất phản kháng

Tính năng độc đáo của loại này, điện trở rotor có thể thay đổi bởi công cụ chuyểnđểỉ quang học điều khiển gắn trên trục cánh quạt, do đó kiểm soát độ trượt Từ đỏ,công suất điện trong hệ thống được kiểm soát Phạm vi điều khiển tốc độ phụthuộc vào dải biến đổi tốc độ rotor Thông thường, phạm vi tốc độ 0-10% so vớitốc độ đồng bộ

Nếu so với cấu hình máy phát OSIG, hệ thống điện gió sử dụng máy phát DFIGkhông bị tiêu tổn nang lượng do tổn hao trên mạch điện trở phụ, mà nó thông qua

bộ biến dòng điện tử công suất để đưa dòng điện rotor lên lưới Mô hình kiểu nàyđược thể hiện như hình 2.9 [31]

Partial scale frequency converter

Vanable resistance

/

Capacitor bank

Hình 2.9 Cấu hình máy phát WR1G sử dụng DFIG

Thuật ngữ “doubly fed” đề cập đến một thực tế điện áp trên stator được nhận từlưới điện và điện áp rotor tạo ra bởi bộ chuyển đổi công suất

Trong thực tế, máy phát DFIG có phạm vi điều chỉnh tốc độ tương đối sai khác tốc

độ đồng bộ khoảng 30% Điều đặc biệt nữa là máy phát này vẫn có thể vận hành ởchế độ máy phát khi tốc độ quay của rotor thấp hơn tốc độ đồng bộ (vận hành ởchế độ dưới đồng bộ) Ở máy phát này, khi phát điện thì cuộn dây stator liên tụcphát công suất lên lưới trong quá trình vận hành, còn dòng công suất cuộn dâyrotor lại có chiều được quyết định bởi hệ số trượt của máy phát có dấu âm haydương

Ưu điểm chính của máy phát DFIG: là máy phát điện có tần số không đổi khi tốc

độ thay đổi; hệ số công suất có thể điều chỉnh được; đồng thời có thể điều chỉnhđược dòng điện rotor cũng như kỉểm soát được công suất phát khác công suất địnhmức khoảng 30%; giảm được chi phí cũng như mức độ khó khăn khỉ phải lựa chọn

bộ biến tần cố công suất lớn khỉ sử dụng máy phát có toàn bộ công suất đỉ qua bộbiến tần (máy phát DFIG chỉ có một phần công suất máy phát qua biến tần)

Trong thực tế do dòng kích từ của rotor máy phát DFIG sử dụng dòng điện xoaychiều có tần số, biên độ, góc pha có thể điều chỉnh được nên việc liên kết giữamáy phát với lưới điện rất dễ dàng và còn được gọi là “kết nối linh hoạt”

Bên cạnh đó, máy phát DFIG cũng tồn tại một số nhược điểm: thiết kế chế tạo

và điều khiển vận hành máy phức tạp, phạm vi thay đổi tốc độ vẫn hẹp Khi tốc

độ thấp, công suất phát cũng thấp và vẫn phải cần sử dụng bộ hộp số tăng tốc

2.2.2 Máy phát điện đồng bộ (Synchronous Generator):

Các máy phát điện đồng bộ đắt tiền và máy móc phức tạp hơn so với máy phátđiện cảm ứng có kích thước tương tự Tuy nhiên, nó có một lợi thế rõ ràng làkhông cần dòng kích từ

Hình 2.10 Mô hình sử dụng máy phát điện đồng bộ có hoặc không có hộp số

Từ trường trong các máy phát điện đồng bộ có thể được tạo ra bằng cách sửdụng nam châm hoặc cuộn dây

Hai loại cổ điển máy phát điện đồng bộ thường sử dụng trong công nghiệptuabin gió: Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) và Máy phát điệnđồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)

2.2.2.1 Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (WRSG):

Các cuôn dây stator WRSG kết nổi trực tiếp vào lưới điện và do đổ tốc độ quay

là cố định đúng tần số lưới cung cấp Khác với máy phát điện cảm ứng, máyphát điện đồng bộ không cần bất kỳ hệ thống bù công suất phản kháng nào Tốc

độ máy phát điện đồng bộ được xác định bởi tần số của từ trường quay và sốcặp cực rotor

2«2.2.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG):

Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu có cấu trúc stator tương tự như cácmáy phát đồng bộ khác, còn rotor của nó là nam châm vĩnh cửu

Do không có cuộn dây kích thích nên không có tổn hao, do đó nó có hiệu suấtcao Hệ thống sử dụng máy phát PMSG với phương thức truyền động trực tiếp

sẽ kết nổi trực tiếp với turbine gió như hình 2.11

HỉnA 2,11, Nguyên lý kết néỉ PMSG với tuabỉn gió tốc độ thay đổi sử dụng bộ

chuyển đổi full-scale.

Hệ thống này giảm được tiếng ồn do không có hộp số và hệ thống kích từ độclập

Trong máy phát điện PMSG trong hệ thống điện gió thường sử dụng có kết cấukiểu động cơ theo hướng bán kính (radial flux machine), động cơ ngang trụchoặc dọc trục

Những năm trước, việc sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu chỉ đượcđánh giá cao trong turbine gió nhỏ, vì việc sử dụng nam châm vĩnh cửu lớn vànặng Ngày nay, với sự phá triển của kỹ thuật chuyển đổi công suất và vật liệuđược sử dụng trong rotor máy phát điện, các máy phát PMSG cũng được sử dụng

ở công suất cao Hơn nữa, tốc độ thay đổi, truyền động trực tiếp tránh lắp đặt mộthộp số là cần thiết cho môi trường và qui mô turbine gió lớn

2.3 Bộ biến đổi công suất sử dụng cho PMSG:

Máy phát kích từ nam châm vĩnh cửu thường được ưu tiên trong các thiết kếtuabin nhỏ vì nó cho phép hiệu suất cao hơn và đường kính cánh tuabin nhỏ hơn

Trong khi nghiên cứu gần đây đã xem xét thiết kế quy mô lớn hơn, giá trị củakhối lượng lớn vật liệu nam châm vĩnh cửu đã hạn chế ứng dụng thực tế của loạimáy phát này Ưu điểm chính của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG) là chúng không yêu cầu bất kỳ dòng kích thích bên ngoài nào Điều này

có thể thực hiện bằng cách sử dụng chỉnh lưu cầu diode tại các đầu nối máy phátđiện Nhiều nghiên cứu về chỉnh lưu cầu diode đã được thực hiện [32-39,40-42];Điều này để lại nhiều tùy chọn cho phần nghịch lưu DC/AC và điều khiển nó khikết nối lưới Một số trong số đó được thể hiện trong hình 2.12

r ỉ

Compensator

Hình 2.12 Các mô hình PMSG sử dụng với bộ chuyển đẳỉ chỉnh ỉm diode

2.3.1 Bệ nghịch lira dùng Thysistor:

Sử dụng bộ nghịch lưu thyristor phía lưới cho phép điều khiển tốc độ tuabinthông qua điện áp DC-lìnk; do đỏ giúp hệ thống đạt công suất tối đa [32] Ưuđiểm của giải pháp này chi phí thiết bị thấp hơn và công suất cao hơn so với bộnghịch lưu sử dụng các bộ chuyển mạch cứng (hard-switching)

Một nhược điểm lớn đối với bộ nghịch lưu này là cần thêm bộ bù công suất phảnkháng và méo hài được tạo ra, như trong hình 2.13 Độ chuyển đổi nguồn điện

áp (VSC) được sử dụng cho bộ bù và tín hiệu lỗi giữa tham chiếu và dòng bùthực được sử dụng để điều khiển điều khiển độ rộng xung (PWM) [32]

Hình 2.13 Hệ thống tuabỉn gió dùng bộ nghịch lưu sử dụng Thysistor cùng bộ tụ bù

Có nhiều cách điều khiển khác nhau có thể áp dụng cho bộ chuyển đổi như tronghình 2.14 đã được thảo luận ở [33].

Supply-Sĩde Control:

Bình 2.14 Hệ thẳng tuabin gió dùng bộ nghịch lưu sử dụng kỹ thuật

chuyển mạch cứng.

Một điều khiển liên quan đến chỉ số điều chế của tín hiệu hình sin tham chiếu sửdụng cho bộ tạo PWM được đề xuất Điều này thực hiện bằng cách xác định điện

áp DC-link, tù đỏ xác định công suất tối đa theo điện áp này Đẻ cải thiện hơn nữa,

hệ thống điều khiển sử dụng một điều khiển tần số stator, vì sự thay đổi tần sổcũng dẫn đến điện áp DC-lỉnk thay đổi theo [33] Điều khiển này được so sánh với

kỹ thuật bám điểm công suất tối đa (MPPT), bao gồm một máy đo giỏ, nguyên lýđỉều khiển dự đoán giỏ và nguyên lý điện áp cổ định Máy đo gió đo tốc độ gió và

hỗ trợ trong việc cung cấp công suất gió tham chiếu cho bộ điều khiển MPPT.Công suất tham chiếu được so sánh với công suất DC thực tế được trích xuất trong

đổ kết quả được sử dụng để xác đỉnh điện áp DC hoạt động mới Vòng lặp đỉềukhiển dòng của bộ nghịch lưu nhận được điện áp DC tại điểm vận hành mới vàxuất ra tín hiệu tức thời cho PWM [33] Trong các phương pháp dự đoán gió, các

mô hình thống kê tự động thường được sử dụng Hệ thống xem xét năng lượng thuđược trong khung thời gian trước đó để dự đoán giá trị tốc độ gió cho bộ khungthời gian tiếp theo Dưới điều khiển điện áp cố đỉnh, điện áp của bộ nghịch lưuđược đặt ở tốc độ gió tối ưu

23.3 Bộ chuyển đổi PWM back-to-back:

Trong mô hình này (hình 2.15), bộ chỉnh lưu phía máy phát được điều khiển qua

bộ điều khiển PI sao cho dòng điện trục d giữ bằng 0 để momen xoắn thu được cựcđại vói dòng điện tối thiểu Một MPPT được sử dụng để xác định tốc độ rotor tối

ưu cho mỗi tốc độ gió để công suất rotor tối đa Ngược lại, bộ nghịch lưu phía lướiđiều khiển dòng hình sin qua bộ đỉều khiển hysteresis Điện áp DC-link cũng đượcđiều khiển bởi bộ điều khiển PI qua bộ nghịch lưu phía lưới [39]

Những năm gần đây, bộ chuyển đổi sử dụng 2 bộ B-4 và 2 tụ điện DC-link đượcphát triển, thể hiện như hình 2.15b [43] Kỹ thuật MPPT tính toán công suất đầu racủa máy phát bằng cách đo dòng điên và đỉện áp DC-lỉnk, sau đó thay đổi điểmhoạt động dựa trên việc tăng hoặc giảm dòng tham chiếu Điều khiển MPPT đượcthực hiện trên bộ chỉnh lưu phía máy phát Bộ nghịch lưu dòng dùng điều khiểnphía lưới qua bộ điều khiển PI và sai số điện áp DC Sai số dòng điện được dùng

để truyền tín hiệu đóng ngắt bộ nghịch lưu [43]

Con trailed Rectifier

ĩTinh 2.15 Hệ thông tuabỉn gió s ử dụng bệ chuyên đôi PWM back-to-back.