Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

- Điều khiển góc cánh quạt để điều chỉnh công suất cho phù hợp - Điều khiển độc lập công suất thực và công suất phản kháng của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép với giá trị lệnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG 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) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Thành Hưng MSHV: 12180106

Ngày, tháng, năm sinh: 19/11/1989 Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số :

I TÊN ĐỀ TÀI:

Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng mô hình máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép với công suất 2.3

MW Mô phỏng công trình bằng phần mềm Matlab/Simulink

- Điều khiển góc cánh quạt để điều chỉnh công suất cho phù hợp

- Điều khiển độc lập công suất thực và công suất phản kháng của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép với giá trị lệnh cho trước bằng cách sử dụng bộ điều khiển PI-Fuzzy Sau đó so sánh với bộ PI truyền thống để thấy ưu điểm của PI-Fuzzy

- Điều khiển công suất phản kháng bộ nghịch lưu nối lưới

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014

Luận văn thạc sĩ này không thể hoàn thành nếu thiếu đi sự giúp đỡ của nhiều người Tôi xin chân thành cám ơn những người đã bỏ công sức giúp tôi hoàn thành đề tài của mình

Trước hết, tôi xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc tới thầy PGS TS Nguyễn Hữu Phúc

và thầy TS Phạm Đình Trực – những người thầy đã dìu dắt, chỉ dẫn, động viên và cho tôi rất nhiều lời khuyên hữu ích trong suốt con đường hoàn thành luận văn

Tôi xin cám ơn tất cả những thầy cô đã đứng lớp giảng dạy tôi trong thời gian cao học vừa qua và các thầy trợ giảng đã giúp tôi hiểu rõ hơn các vấn đề tôi chưa nắm

rõ trên lớp

Tôi xin cám ơn một số anh chị khóa trước đã giúp đỡ về tài liệu, kiến thức để tôi

có thể bổ sung tốt cho luận văn

Không thể thiếu, tôi xin cám ơn gia đình và người thân, những người luôn hỗ trợ cho tôi, giúp tôi có thể chú tâm hoàn thành tốt luận văn

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cám ơn!

Học viên Lê Thành Hưng – 12/2014

Bộ điều khiển PI-Fuzzy được áp dụng để điều khiển độc lập công suất thực và công suất phản kháng với độ tin cậy và chính xác cao Hơn nữa, cánh quạt được điều khiển góc đón gió để có thể lấy năng lượng tối ưu cho máy phát Đề tài nghiên cứu với tốc độ gió biến thiên phù hợp với thực tế tuy nhiên gió không quá lớn

Tất cả mô hình được mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink

First, the thesis for an overview of wind energy in the world in general and Vietnam in particular

Secondly, the thesis presents wind energy knowledge and method of wind energy conversion system This topic researches on Doubly-Fed Induction Generator 2.3 MW (DFIG) The mathematical models of wind turbine and DFIG, the reference frame conversion and the stator-flux oriented control theory are described in details

PI-Fuzzy controller is applied to control active power and reactive power independently with reliability and high accuracy Moreover, the air-foils are driven in the angle to get optimum power to feed to generator Project uses varying wind speed consistent with the reality but the wind is not too high and rough

All models are simulated in Matlab/Simulink

Tôi xin cam đoan:

Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Nguyễn Hữu Phúc và TS Phạm Đình Trực

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Mục Lục

Chương 1: Giới Thiệu Năng Lượng Gió 1

1.1 Lịch sử năng lượng gió 1

1.1.1 Lịch sử cối xay gió 1

1.1.2 Những thuận lợi và thách thức của năng lượng gió 2

1.2 Sự phát triển của các thế hệ năng lượng gió trên thế giới 3

1.2.1 Nhìn chung về năng lượng gió trên toàn thế giới 3

1.2.2 Sự phân chia năng lượng điện gió theo các khu vực trên thế giới 5

1.2.3 Tua-bin gió ngoài khơi 6

1.2.4 Sự phân phối ở các lục địa 6

1.3 Năng lượng gió ở Việt Nam 6

1.3.1 Tiềm năng 8

1.3.2 Sự phân bố gió ở Việt Nam 9

Chương 2: Khái Niệm Về Năng Lượng Gió Và Mô Hình Toán Học Tua-bin Gió 11

2.1 Cơ bản về năng lượng gió 11

2.1.1 Năng lượng từ gió 11

2.1.2 Các phương pháp thống kê 12

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng gió 13

2.1.4 Chuyển đổi năng lượng gió và hiệu quả cánh quạt 15

2.2 Các thành phần của tua-bin gió 17

2.3 Mô hình toán học của tua-bin gió 19

2.4 Cấu trúc mô hình của tuabin gió trong Matlab/Simulink 21

Chương 3: Mô Hình Toán Học Máy Phát Điện Không Đồng Bộ Nguồn Kép - Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) 22

3.1 Máy phát DFIG với vận tốc gió thay đổi 22

3.2 Chuyển đổi hệ quy chiếu 23

3.2.1 Hệ quy chiếu dqo 24

3.2.2 Chuyển đổi thì hệ ba pha abc sang hệ quy chiếu tĩnh 𝛼𝛽 24

3.2.3 Chuyển đổi hệ quy chiếu tĩnh 𝛼𝛽 sang hệ quy chiếu quay dq 25

3.3 Phương trình toán học của DFIG 26

3.3.1 Phương trình toán học của DFIG trong hệ vector 26

3.3.2 Công thức toán học của DFIG trong hệ quy chiếu quay 27

3.4 Mô hình DFIG trong Matlab/Simulink 29

3.5 Góc lệch cánh quạt (pitch) 33

Chương 4: Điều Khiển Định Hướng Từ Thông Stator Và Bộ Điều Khiển Nghịch Lưu Hai Chiều 35

4.1 Điều khiển định hướng từ thông stator 35

4.1.1 Tổng quát 35

4.1.2 Phương trình DFIG trong việc điều khiển định hướng từ thông stator 35

4.2 Bộ nghịch lưu hai chiều 38

4.2.1 Bộ nghịch lưu phía rotor (RSC) 38

4.2.2 Bộ nghịch lưu phía nối lưới (GSC) 41

4.3 Điều khiển bộ nghịch lưu lưng-đối-lưng AC-DC-AC 45

4.3.1 Bộ nghịch lưu nối lưới 46

4.3.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM 48

Chương 5: Lý Thuyết Bộ Điều Khiển PI-Fuzzy 49

5.1 Thuật toán điều khiển PI anti-windup 49

5.2 Thuật toán Fuzzy (Logic mờ) 50

5.2.1 Tổng quát về fuzzy 50

5.2.2 Quá trình suy luận mờ 51

5.3 Áp dụng fuzzy vào khối điều khiển PI 55

Chương 6: Kết Quả Mô Phỏng 60

6.1 Mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trong Matlab/Simulink 60

6.2 So sánh giữa bộ điều khiển PI truyền thống và PI-Fuzzy 61

6.2.1 Cấu trúc điều khiển PI truyền thống và điều khiển PI-Fuzzy 62

6.2.2 Mô phỏng với tốc độ gió biến thiên 63

6.2.3 Nhận xét kết quả mô phỏng 70

6.3 Điều khiển phát công suất phản kháng từ bộ nghịch lưu phía nối lưới 72

6.4 Điều khiển công suất gió đầu vào 73

6.5 Thử nghiệm trong điều kiện gió lớn 75

Chương 7: Kết Luận Và Định Hướng Nghiên Cứu 79

7.1 Kết luận 79

7.2 Định hướng nghiên cứu 80

Danh sách hình

Hình 1.1: Cối xay gió cổ ở Ba Tư 1

Hình 1.2: Một côi xay gió hiện đại ngày nay 2

Hình 1.3: Tổng công suất của nhà máy gió trên thế giới 4

Hình 1.4: Một mô hình trang trại ngoài khơi 5

Hình 1.5: Nhà máy năng lượng gió ở tỉnh Bình Thuận 8

Hình 2.1: Định nghĩa dòng chảy không khí 11

Hình 2.2: Hàm mật độ xác suất Weibull (p.d.f) cho gió với k = 1, 2, 3 13

Hình 2.3: Hàm mật độ Rayleigh với tham số c khác nhau 14

Hình 2.4: Các tuabin gió trích xuất năng lượng từ dòng chảy gió 15

Hình 2.5: Hệ số rotor đạt tối đa khi vận tốc gió thoát bằng một phần ba vận tốc gió tới 16

Hình 2.6: Tua-bin ít cánh đạt hiệu quả tối ưu tại tốc độ quay cao 17

Hình 2.7: Mô hình các phần cơ học của tua bin gió 17

Hình 2.8: In Bên trong một tua-bin gió điển hình 19

Hình 2.9: Mô hình tua-bin gió 21

Hình 2.10: Mô hình trục nối 21

Hình 3.1: Hệ thống máy phát điện gió DFIG với vận tốc gió biến thiên 22

Hình 3.2: Dòng chảy công suất khi tốc độ rotor nhỏ và lớn hơn tốc độ đồng bộ 23

Hình 3.3: Mối liên hệ giữa hệ quy chiếu 𝛼𝛽 và dq 25

Hình 3.4: Mạch tương đương DFIG về phía stator 27

Hình 3.5: Mạch tương đương của DFIG trong hệ quy chiếu quay 28

Hình 3.6: Mô hình DFIG 30

Hình 3.7: Bên trong khối “abc2dq” 30

Hình 3.8: Bên trong khối “Stator and Rotor voltage equations” 31

Hình 3.9: Bên trong khối “dq2abc” 32

Hình 3.10: Điều khiển góc cánh quạt – pitch 33

Hình 4.1: Mối quan hệ giữa hệ quy chiếu quay dq và hệ quy chiếu tĩnh 36

Hình 4.2: Mô hình khối của bộ nghịch lưu phía rotor 40

Hình 4.3: Bên trong khối “Rotor Converter Control” 41

Hình 4.4: Điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới 42

Hình 4.5: Điều khiển vector bộ nghịch lưu nối lưới 43

Hình 4.6: Bộ nghịch lưu lưng-đối-lưng 45

Hình 4.7: Bộ nghịch lưu ba pha 46

Hình 4.8: PWM 48

Hình 5.1: Điều khiển PI sử dụng anti-windup 50

Hình 5.2: Bước 1 51

Hình 5.3: Bước 2 52

Hình 5.4: Bước 3 53

Hình 5.5: Phương pháp nội suy tối thiểu 53

Hình 5.6: Phương pháp nhân nội suy 54

Hình 5.7: Bước 4 54

Hình 5.8: Bước 5 55

Hình 5.9: Bộ điều khiển PI-Fuzzy 56

Hình 5.10: Hàm thành viên của 2 khối đầu vào 57

Hình 5.11: Hàm thành viên của 2 khối đầu ra 57

Hình 6.1: Mô hình DFIG 2.3MW 60

Hình 6.2: Giá trị lệnh công suất thực 62

Hình 6.3: Giá trị lệnh công suất phản kháng 62

Hình 6.4: Cấu trúc với PI truyền thống 63

Hình 6.5: Cấu trúc với PI-Fuzzy 63

Hình 6.6: Vận tốc gió biến thiên 63

Hình 6.7: Công suất thực 64

Hình 6.8: Khi phóng to trong trạng thái ổn định 65

Hình 6.9: Công suất phản kháng 66

Hình 6.10: Khi phóng to trong trạng thái ổn định 67

Hình 6.11: Dòng pha stator 68

Hình 6.12: Dòng pha stator khi phóng to trong trạng thái ổn định 69

Hình 6.13: Tốc độ rotor 70

Hình 6.14: Công suất phản kháng từ bộ nghịch lưu nối lưới 72

Hình 6.15: Khi phóng to công suất phản kháng bộ NL nối lưới trong thời gian 1 giây 73

Hình 6.16: Vận tốc gió biến thiên 73

Hình 6.17: Hệ số Cp 74

Hình 6.18: Góc pitch beta 74

Danh sách bảng

Bảng 1.1: Công suất điện gió ngoài khơi ở một số nước dẫn đầu về năng lượng gió 6

Bảng 1.2: Sự phân phối tốc độ (m/s) gió ở Việt Nam trong một năm 10

Bảng 2.1: Hệ số ma sát với đặc điểm địa hình khác nhau 14

Bảng 5.1: Luật ma trận của Kp 58

Bảng 5.2: Luật ma trận của Ti 58

Bảng 6.1: Các thông số của khối “Generator DFIG 2.3MW” 61

Bảng 6.2: Các thông số của khối “Converter” 61 Bảng 6.3: Giá trị trung bình của Ps và Qs trong trạng thái ổn định khi gió biến thiên 71

Danh sách ký hiệu toán học

   : Từ thông stator, rotor và từ thông móc vòng

A: Diện tích mà gió đi qua

Chương 1

Giới Thiệu Năng Lượng Gió

1.1 Lịch sử năng lượng gió

1.1.1 Lịch sử cối xay gió

Từ những ngày đầu, con người đã khai thác năng lượng gió để căng buồm những con thuyền khám phá biển cả mênh mông, để nghiền hạt hay vận chuyển nước qua ruộng đồng Những cối xay gió đầu tiên được dựng lên ở Ba Tư vào khoảng thế kỉ thứ V, họ dùng để nghiền hạt, xay xát mía hoặc lúa mạch Sau đó, mô hình này lan rộng và trở nên phổ biến khắp Trung Đông và Trung Á, sau đó lan sang Trung Quốc,

Ấn Độ và phần còn lại của châu Âu

Hình 1.1: Cối xay gió cổ ở Ba Tư

Vào thế kỷ thứ 11, người dân ở khu vực Trung Đông đã sử dụng cối xay gió cho việc sản xuất lương thực hoặc dung để lái thuyền đi lại khắp Châu Âu Khi những người định cư lấy công nghệ này đến thế giới mới trong những năm cuối thế kỷ 19, họ bắt đầu sử dụng cối xay gió để bơm nước cho các trang trại và trại chăn nuôi, và sau

đó, để tạo ra điện cho gia đình và công nghiệp

Đầu thế kỷ XX, cối xay gió được sử dụng phổ biến để bơm nước và để tạo ra điện Công nghiệp hóa diễn ra đầu tiên ở châu Âu và sau đó ở Mỹ dẫn đến một sự suy

Chương 1: Giới thiệu năng lượng gió

giảm dần dần trong việc sử dụng cối xay gió Động cơ hơi nước thay thế nước cối xay gió Trong những năm 1930, các chương trình quản lý điện nông thôn tải điện với giá thành thấp đến hầu hết các vùng nông thôn ở Hoa Kỳ

Tuy nhiên, công nghiệp hóa cũng tạo nên sự phát triển của cối xay gió lớn hơn

để sinh ra điện Các cỗ máy này xuất hiện ở Đan Mạch vào đầu năm 1890 Trong những năm 1940, tua-bin gió lớn nhất bắt đầu hoạt động trên một đỉnh đồi Vermont được gọi là Grandpa’s Knob Với công suất 1,25 MW và tốc độ quay tới 30 mph (dặm trên giờ) cung cấp điện cho dân địa phương vài tháng trong Thế chiến II

Khi giá nhiên liệu giảm sau chiến tranh thế giới II, người ta không mấy quan tâm đến tua-bin gió Nhưng khi giá dầu tăng vọt trong những năm 1970, thế giới đã quay sang phương án làm máy phát điện tuabin gió

Ngày nay, năng lượng gió là nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trên thế giới và sẽ cung cấp năng lượng ngành công nghiệp, các doanh nghiệp và cá nhân với nguồn năng lượng sạch và có thể tái tạo cho nhiều năm tới [1]

Hình 1.2: Một côi xay gió hiện đại ngày nay

1.1.2 Những thuận lợi và thách thức của năng lượng gió

Năng lượng gió có nhiều lợi thế, điều này giải thích lý do tại sao đây là nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trên thế giới [2]

a/ Thuận lợi:

- Năng lượng gió được sản sinh từ gió, vì vậy nó là một nguồn tài nguyên sạch Nguồn năng lượng này không gây ô nhiễm không khí như các nhà máy điện dựa trên quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than hoặc khí thiên nhiên Tua bin gió không tạo ra khí thải trong khí quyển gây ra mưa axit

- Gió được gọi là một nguồn năng lượng tái tạo vì gió sẽ thổi miễn là có mặt trời chiếu sáng Nó thực sự là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được gây

ra bởi sự nóng lên của bầu khí quyển của mặt trời và chuyển động quay của trái đất

- Tua-bin gió có thể được xây dựng ở các trang trại chăn nuôi, do đó mang lại lợi ích kinh tế trong khu vực nông thôn Nông dân và chủ trang trại có thể tiếp tục làm việc đất vì tuabin gió chỉ sử dụng một phần nhỏ của vùng đất này

b/ Thách thức:

- Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát thông thường trên cơ sở chi phí Mặc dù chi phí của năng lượng gió đã giảm đáng kể trong 10 năm qua, công nghệ này đòi hỏi một sự đầu tư ban đầu cao hơn so với máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch

- Trang trại gió lớn thường ở các địa điểm xa thành phố vậy nên phải tốn thêm chí phí lớn xây dựng đường dây tải điện để đưa điện từ các trang trại gió đến thành phố

- Mặc dù các nhà máy điện gió ít ảnh hưởng đến môi trường so với các nhà máy điện thông thường khác nhưng có một số lo ngại về tiếng ồn tạo ra bởi cánh quạt Hầu hết các vấn đề này đã được giải quyết hoặc giảm đáng kể thông qua việc phát triển công nghệ hoặc chọn địa điểm đúng để đặt máy điện gió

Chương 1: Giới thiệu năng lượng gió

1.2 Sự phát triển của các thế hệ năng lượng gió trên thế giới

1.2.1 Nhìn chung về năng lượng gió trên toàn thế giới

Việc giá dầu mỏ tăng cao một cách kỷ lục trong năm 2005-2006 đã và đang gây

ra những ảnh hưởng rất lớn đối với nền kinh tế nhiều quốc gia khiến cho vấn đề tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng có thể tái tạo để thay thế cho dầu lửa, khí đốt

tự nhiên và các nguồn tài nguyên về nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt trên trái đất ngày càng trở nên bức thiết hơn

Trong số các nguồn năng lượng có thể tái tạo được, nhiều nước trên thế giới đang đẩy mạnh phát triển trong những năm gần đây, điện gió đang tỏ ra có rất nhiều hứa hẹn Thống kê cho thấy, sản luợng điện sản xuất từ sức gió trên thế giới trong gần

10 năm trở lại đây đã tăng trưởng rất nhanh với tốc độ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có

Hình 1.3 cho ta thấy như cầu năng lượng gió càng ngày càng tăng cao Trong năm 2010, công suất điện gió trên toàn thế giới đạt 198 GW, và trong 2012 đã tăng lên gần gấp rưỡi 283 GW

Hình 1.3: Tổng công suất của nhà máy gió trên thế giới

Trong năm 2010 có tất cả 83 quốc gia sử dụng năng lượng gió để phát điện 52 quốc gia đã nâng tổng công suất lắp đặt của họ Trung Quốc chiếm hơn một nửa thị trường gió thế giới năm 2010

Doanh thu của điện gió trên toàn thế giới đạt 55 tỷ USD trong năm 2010, sau khi đạt 70 tỷ USD trong năm 2009 Sự sụt giảm là do giá điện gió đã giảm

1.2.2 Sự phân chia năng lượng điện gió theo các khu vực trên thế giới

Tất cả tua-bin gió được lắp đặt trên toàn cầu vào cuối năm 2010 cung cấp năng lượng 430 Terawatt-giờ (TW-h), chiếm 2,5% nhu cầu điện toàn cầu

Ở một số nước và khu vực, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn điện lớn nhất, trong đó Đan Mạch là nước dẫn đầu Các quốc gia có tỷ lệ cao nhất là: Đan Mạch: 21% tổng năng lượng gió được tạo ra trên thế giới, Bồ Đào Nha: 18%, Tây Ban Nha: 16%, Đức: 9% Ở Trung Quốc, năng lượng gió đã đóng góp 1.2% để cung cấp điện tổng thể, trong khi tại Hoa Kỳ đã đạt khoảng 2%

1.2.3 Tua-bin gió ngoài khơi

Công suất điện gió ngoài khơi tiếp tục phát triển trong năm 2010 như trong các năm trước, các trang trại gió được lắp đặt trên biển có thể được tìm thấy trong 12 nước, 10 trong số họ ở châu Âu, còn lại là ở Trung Quốc và Nhật Bản

Tổng dung lượng gió ngoài khơi lên tới 3,117.6 MW, trong đó 1,161.7 MW đã được thêm vào trong năm 2010 thể hiện tốc độ tăng trưởng 59%

Hình 1.4: Một mô hình trang trại ngoài khơi

Gió ngoài khơi có thể cung cấp nguồn năng lượng dồi dào, tuy nhiên nguồn năng lượng này thường không ổn định Một cách tiếp cận mới từ các nhà nghiên cứu tại MIT Energy Initiative có thể điều chỉnh sự biến động của nguồn năng lượng này

Chương 1: Giới thiệu năng lượng gió

Chìa khóa để thực hiện ý tưởng này là các quả cầu bê tông khổng lồ dưới đáy biển để neo các tua bin gió và sử dụng như một phương tiện lưu trữ năng lượng gió ngoài khơi Khi tua bin gió sản xuất năng lượng lớn hơn nhu cầu thì nguồn năng lượng thừa

sẽ được sử dụng để bơm nước biển từ trong quả cầu bê tông có đường kính khoảng 30m ra bên ngoài Đến khi nhu cầu năng lượng tăng lên thì nước biển bên ngoài sẽ được cho phép chảy vào bên trong quả cầu và làm quay tuabin tạo ra năng lượng để sử dụng Hệ thống này sẽ được kết nối với lưới điện, vì vậy các quả cầu cũng có thể được

sử dụng để lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời… Điều này có thể làm giảm sự phụ thuộc vào các nhà máy điện vào các giờ cao điểm

Thị phần của năng lượng gió ngoài khơi trong tổng công suất điện gió trên toàn thế giới đã tăng từ 1,2% năm 2009 lên 1,6% trong năm 2010 Bảng 1.1 minh họa sự phát triển của công suất năng lượng gió ngoài khơi ở một số nước phát triển trên thế giới

Bảng 1.1: Công suất điện gió ngoài khơi ở một số nước dẫn đầu về năng lượng gió [3]

Position

Total offshore capacity

2010 [MW]

Added offshore capacity

2010 [MW]

Rate of growth

2010 [%]

Total offshore capacity

2009 [MW]

Total offshore capacity

2008 [MW]

1.2.4 Sự phân phối ở các lục địa

Sự tiến bộ nhất của ngành công nghiệp gió diễn ra ở châu Á, và sự tập trung của khu vực gió toàn cầu di chuyển xa hơn từ châu Âu cũng như từ Bắc Mỹ Châu Á chiếm 54,6% của các tua-bin gió được cài đặt mới (40,4% năm 2009, 31,5% năm 2008)

Mỹ là quốc gia đầu tiên sản xuất điện năng từ gió với công suất khoảng trên 35.000 megawatts và trở thành quốc gia đứng đầu về lĩnh vực này Điện năng từ gió sản xuất ra khoảng 2% điện năng sản xuất của Mỹ 10 năm trước đây, công suốt này chỉ đạt được 2.472 megawatts mà thôi

5 năm trước, châu Âu thống trị thị trường thế giới tua-bin gió với 70,7% công suất mới và vị trí thứ 3 trong năm 2009 Trong năm 2010, lục địa này đã trở lại với vị trí hai và chiếm 27% các tuabin cài đặt mới (2009: 27,3%; 2008: 32,8%), Bắc Mỹ có thị phần giảm từ 28,4% năm 2009 xuống 16,7% trong năm 2010

1.3 Năng lượng gió ở Việt Nam

1.3.1 Tiềm năng

Nằm ở bờ biển nhiệt đới gió mùa, Việt Nam có lợi thế cho phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình ở Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió ở Biển Đông Việt Nam là thực sự mạnh mẽ và thay đổi theo mùa

Trong chương trình đánh giá năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới có một cuộc khảo sát chi tiết về năng lượng gió ở Đông Nam Á, bao gồm Việt Nam Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn quốc gia, Việt Nam sở hữu tiềm năng gió lớn nhất và vượt trội so với các nước láng giềng như Thái Lan, Lào và Campuchia Ở Việt Nam, 8,6% lãnh thổ được đánh giá từ "tốt" đến "rất tốt" để xây dựng các trang trại gió lớn; bên cạnh đó, các khu vực ở Campuchia là 0,2%, Lào là 2,9%, và ở Thái Lan chỉ là 0,2% Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW

Nếu hội đủ điều kiện cho việc xây dựng các nhà máy điện gió nhỏ phát triển kinh tế ở vùng khó khăn, 41% khu vực nông thôn Việt Nam có thể được xem xét để phát triển các nhà máy điện gió nhỏ

Chương 1: Giới thiệu năng lượng gió

Hình 1.5: Nhà máy năng lượng gió ở tỉnh Bình Thuận

1.3.2 Sự phân bố gió ở Việt Nam

a Phân bố theo mùa:

Mùa khô: công suất điện gió là vào mùa khô đến nay lớn hơn so với mùa mưa, bao gồm một số nơi như: khu vực phía Đông của đất nước như: Hải Phòng, Diễn Châu

- Nghệ An, Lạng Sơn Đông, từ Hà Tĩnh đến Cà Mau, đặc biệt là từ Tuy Hòa đến Phan Thiết

Mùa mưa: khu vực phía Nam-Tây của đất nước, bên bờ biển Tây và vùng đồng bằng của miền Nam, miền Nam Tây Nguyên, vv, tốc độ gió được tăng cường lên đến 5m / s trong khu vực miền Nam

b Phân bố theo độ cao:

Dưới 20m: Tốc độ gió trong điều kiện này là khá thấp, ngoại trừ Hà Tiên, Cà Mau (5m/s) trong mùa mưa

Trên 40m: Đông Lạng Sơn, Hoàng Liên Sơn, Tây Nguyên, v > 4m/s

Trên 60m: v = 7 -> 8 m/s ở Bắc Việt Nam, Ninh Thuận, Bình Thuận and Đồng Nai, Hoàng Liên Sơn và Tây Nguyên

Hải đảo và ven biển:

+ Khu vực phía Bắc - từ Cẩm Phả đến Ninh Bình có công suất 500 kWh/m2 + Ninh Thuận -> Bình Thuận, Đồng Nai: 500 kWh/m2

+ Hà Tiên -> Cà Mau: 700 kWh/m2

+ Trường Sa: 2.058 k kWh/m2, Bạch Long Vĩ: 3.064 kWh/m2

c Địa điểm tiềm năng:

Sơn Hải (Ninh Thuận), Hàm Tiến, Mũi Né (Bình Thuận), nơi không chỉ có gió mạnh mà thời tiết và khí hậu còn ổn định

Bạch Long Vĩ, Trường Sa cũng là nơi thích hợp

Khu vực cao khác như Tây Nguyên, Tây Nam Bộ

Vùng dọc bờ biển Việt Nam như biển miền Trung

Chương 1: Giới thiệu năng lượng gió

Bảng 1.2: Sự phân phối tốc độ (m/s) gió ở Việt Nam trong một năm [4]

TT Địa điểm

bình trong năm

Chương 2

Khái Niệm Về Năng Lượng Gió Và

Mô Hình Toán Học Tua-bin Gió

2.1 Cơ bản về năng lượng gió

2.1.1 Năng lượng từ gió

Hãy xem xét một khối lượng không khí ở vận tốc v qua khu vực A trên một đơn

vị thời gian và tốc độ dòng chảy m[6]:

Dong chay qua A

.thoi gian  m  A v (2.1)

Hình 2.1: Định nghĩa dòng chảy không khí

Động năng của một phần tử chuyển động:

2 1 2

và trong trường hợp của năng lượng gió, thế phương trình (2.1) vào (2.2):

3 1 2

w

Do đó, phương trình năng lượng là:

3 1

2

Phương trình (2.3) cho thấy năng lượng gió tỷ lệ thuận với:

- Lập phương của tốc độ gió

- Mật độ không khí

- Diện tích mặt cắt

Chương 2: Khái niệm về năng lượng gió và mô hình toán học tua-bin gió

2.1.2 Các phương pháp thống kê

Các phương pháp thống kê Weibull và Rayleigh được nghiên cứu để khám phá

sự phân bố của gió

trong đó: k là tham số hình dạng, c là tham số quy mô, v là tốc độ gió

Hình 2.2: Hàm mật độ xác suất Weibull (p.d.f) cho gió với k = 1, 2, 3

Từ đồ thị, k = 2 là phù hợp cho tuabin gió Nếu k = 1 thì không hợp lý vì đồ thị

đi xuống

b Phân bố Rayleigh:

Phân bố Weibull p.d.f với k = 2 được gọi là phân bố Rayleigh

Hàm mật độ xác suất Rayleigh cho gió được mô tả như sau:

Hình 2.3: Hàm mật độ Rayleigh với tham số c khác nhau

Từ Hình 2.3, thông số c càng cao, tốc độ gió trung bình càng lớn

Hàm Rayleigh p.d.f theo tốc độ gió trung bình v là:

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng gió

Có một số yếu tố địa hình và loại tua-bin ảnh hưởng đến năng lượng gió

a Độ cao:

Gọi 𝐻𝑜 is the độ cao gốc (tham khảo), H là độ cao thực tế Tương tự, v0 là vận

tốc gió tại độ cao gốc và v là vận tốc gió thực tế tại độ cao H

Các phương trình mô tả mối quan hệ giữa tốc độ gió và chiều cao là:

Trong đó  là hệ số ma sát dựa trên địa hình

Bảng 2.1 cung cấp một số giá trị đại diện của  tương ứng với từng loại địa hình

Chương 2: Khái niệm về năng lượng gió và mô hình toán học tua-bin gió

Bảng 2.1: Hệ số ma sát với đặc điểm địa hình khác nhau

Bảng 2.1 cho thấy rằng nếu các địa hình nơi tua-bin gió được xây dựng rộng rãi

và ít vật cản, hệ số  sẽ nhỏ Điều này dẫn đến sự thay đổi nhỏ của tốc độ gió hoặc làm giảm sự thay đổi đột ngột về năng lượng gió vì năng lượng gió là tỷ lệ thuận với lập phương tốc độ gió

Tóm lại, các tua-bin gió nên được xây dựng trong khu vực nông thôn và nhiều cây, nơi năng lượng gió dồi dào và ổn định hơn

b Nhiệt độ môi trường và độ cao:

Công thức chung cho mật độ không khí:

3 3

3

( ) ( / ).10 ( / ) ( / )

Các cánh quạt dài tạo ra khu vực mặt cắt lớn, dẫn đến công suất lớn Tuy nhiên,

nó không phải là hoàn toàn tốt khi chúng ta xây dựng các cánh quạt càng dài càng tốt, bởi vì việc xây dựng tua-bin gió phụ thuộc vào nhiều yếu tố, không chỉ là chiều dài của cánh quạt

2.1.4 Chuyển đổi năng lượng gió và hiệu quả cánh quạt

Tua-bin trích xuất năng lượng từ gió qua cánh quạt Gió tới với vận tốc v đi vào

tua-bin gió, vẽ một đường cong xung quanh cánh quạt (gọi là “dòng chảy”) và tạo ra

gió thoát với vận tốc v d phía sau tuabin

Hình 2.4: Các tuabin gió trích xuất năng lượng từ dòng chảy gió

Công suất tua-bin lấy từ gió:

3 1

Chương 2: Khái niệm về năng lượng gió và mô hình toán học tua-bin gió

3

d

v v

ba vận tốc gió tới Hệ số tối đa này còn được gọi là hệ số Betz

Hình 2.5: Hệ số rotor đạt tối đa khi vận tốc gió thoát bằng một phần ba vận tốc gió tới

Tuy nhiên trong thực tế, ta có thể chỉ đạt 80% của giới hạn đó trong điều kiện hoạt động tốt nhất Nói cách khác, 40% hoặc 50% năng lượng gió có thể thu được để chuyển đổi thành năng lượng quay trục rotor

Tỷ lệ tốc độ mũi cánh quạt được định nghĩa là tỉ số giữa tốc độ mũi cánh quạt

Hình 2.6: Tua-bin ít cánh đạt hiệu quả tối ưu tại tốc độ quay cao

Ta có thể thấy từ hình 2.6 rằng tua-bin hai và ba cánh quay nhanh hơn nhiều với giá trị TSR dao động từ 4 đến 6 và hiệu suất là 40% đến 50% Ngày nay, tua-bin gió

ba cánh hiện đại được sử dụng rộng rãi trên thế giới do nhiều ưu điểm

2.2 Các thành phần của tua-bin gió

Tuabin gió lớn bao gồm một số thành phần để ổn định công suất sản sinh trong nhiều điều kiện thời tiết Hình 2.8 liệt kê một số bộ phận quan trọng của một tua-bin gió điển hình [8]:

Chương 2: Khái niệm về năng lượng gió và mô hình toán học tua-bin gió

Bộ điều khiển khởi động máy ở tốc độ gió khoảng 8 đến 16 dặm một giờ (mph)

và tắt máy khi gió đạt 55 mph Tua-bin không hoạt động ở tốc độ gió trên 55 mph vì có thể bị hư hỏng do gió lớn

Hình 2.8: Bên trong một tua-bin gió điển hình

Hộp số:

Hộp số kết nối các trục tốc độ thấp với trục tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ khoảng 30-60 vòng một phút (rpm) đến 1000-1800 rpm, đây là tốc độ rotor của hầu hết các máy phát điện Hộp số là một bộ phận đắt tiền (và nặng) của tua-bin gió và người ta đang tìm hiểu phát minh máy phát điện hoạt động ở tốc độ quay thấp hơn và không cần hộp số

Điều khiển ổ trượt

2.3 Mô hình toán học của tua-bin gió

Hình 2.7: Mô hình các phần cơ học của tua bin gió

Chương 2: Khái niệm về năng lượng gió và mô hình toán học tua-bin gió

Hê số rotor C p là hàm của 2 giá trị  và β

R v



Trong đó turb(rad s/ )là vận tốc góc của cánh quạt

Mô-men xoắn của tua-bin:

Trong đó (rad s/ ) là vận tốc góc, J mô-men quán tính của rotor, T N m( ) men xoắn, k ms,c ms là độ cứng và độ hãm của trục tua-bin gió, chỉ số turb and r được

mô-gán lần lượt cho tua-bin và rotor của máy phát

turb turb

d dt

 

r

d dt

 

(2.30)

2.4 Cấu trúc mô hình của tuabin gió trong Matlab/Simulink

Dựa trên các phương trình toán học của tuabin gió như được chỉ ra trong phần 2.2, mô hình của tua-bin gió có thể được xây dựng trong Matllab/Simulink Toàn bộ

mô hình được thể hiện trong hình 2.9 dưới đây

Hình 2.9: Mô hình tua-bin gió

Hơn nữa, việc xây dựng các kết nối trục giữa cánh quạt và các khớp trung tâm cũng là một yếu tố quan trọng trong tua-bin gió

Hình 2.10: Mô hình trục nối

Các tua-bin gió và trục kết nối giúp các mô phỏng gần giống với sự hoạt động của DFIG Giai đoạn khởi động của hệ thống là lâu do quán tính lớn của tua-bin gió và trục quay Do đó, mô-men xoắn và dòng điện của DFIG cao hơn so với giá trị hiệu dụng nhiều lần để “thắng” (vượt qua) mô-men quán tính lúc khởi động

Chương 3: Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép - Doubly-Fed Induction

3.1 Máy phát DFIG với vận tốc gió thay đổi

Hình 3.1 minh họa hệ thống DFIG với vận tốc gió thay đổi Ngày nay, DFIG được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy gió để tạo ra điện, làm giảm chi phí của các thiết bị điện điện tử vì bộ biến tần được kết nối trực tiếp đến rotor của máy phát điện;

do đó, nó chiếm một phần nhỏ (20-30%) của toàn bộ công suất Một bộ biến tần khác được kết nối với lưới điện và nó cung cấp điện áp ổn định DC-link

Hình 3.1: Hệ thống máy phát điện gió DFIG với vận tốc gió biến thiên

Trong phần trước có nói rằng DFIG là máy phát điện phổ biến nhất được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng gió vì đây là máy phát điện có thể sản sinh công suất

từ cả hai stator và rotor Các dòng chảy công suất của DFIG được mô tả trong Hình 3.2

Hình 3.2: Dòng chảy công suất khi tốc độ rotor nhỏ và lớn hơn tốc độ đồng bộ

Ta có thể thấy dòng chảy công suất của hệ thống bao gồm công suất cơ, rotor

và stator Có hai chế độ hoạt động của DFIG: chế độ động cơ và chế độ máy phát Lúc đầu, tốc độ gió không thể lái các rotor một cách hiệu quả để vượt qua tốc độ đồng bộ;

do đó, chúng ta cần một số trợ từ lưới điện Trong trường hợp này, DFIG tiêu thụ điện lưới thông qua các rotor để làm việc như một động cơ và đẩy tốc độ rotor trên tốc độ đồng bộ Vào thời điểm đó, chế độ động cơ dừng lại và sau đó DFIG làm việc như một máy phát điện bình thường Tóm lại, tùy thuộc vào chế độ hoạt động mà tốc độ rotor hoặc là dưới hoặc trên tốc độ đồng bộ, công suất rotor được tiêu thụ hoặc sản xuất bởi máy phát điện

Gán P r, P s, P m, P gridvà s lần lượt là công suất rotor, công suất stator, công suất

cơ, công suất bộ nghịch lưu nối lưới và độ trượt của rotor:

3.2 Chuyển đổi hệ quy chiếu

Ta thấy rất khó để tìm ra giải pháp tối ưu hoặc cách để giải quyết vấn với các phương trình phức tạp trong khung tham chiếu cổ điển Vì vậy, trong kỹ thuật điện, ta

áp dụng hệ quy chiếu direct–quadrature–zero (hay còn gọi là dqo) để đơn giản hóa

Chương 3: Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép - Doubly-Fed Induction

Generator (DFIG)

việc phân tích các mạch ba pha Nó thường được sử dụng để đơn giản hóa việc phân tích máy đồng bộ ba pha hoặc để đơn giản hóa các tính toán cho sự kiểm soát của biến tần ba pha

3.2.1 Hệ quy chiếu dqo

Trong trường hợp cân bằng mạch ba pha, hệ chuyển đổi dqo làm giảm số lượng

3 biến xoay chiều AC xuống còn 2 biến DC Sau đó với những phép tính, ta sẽ chuyển đổi ngược lại thành 3 yếu tố AC như ban đầu

Hệ chuyển đổi dqo áp dụng cho dòng ba pha được biểu diễn dưới dạng ma trận

3.2.2 Chuyển đổi thì hệ ba pha abc sang hệ quy chiếu tĩnh 𝜶𝜷

Ba thành phần u u a, b and u c trong hệ ba pha được chuyển đổi thành vector hai pha như sau:

3.2.3 Chuyển đổi hệ quy chiếu tĩnh 𝜶𝜷 sang hệ quy chiếu quay dq

Ta xem xét hệ dq (direct-quadrature), trong đó trục q vuông góc với trục d và

sớm pha hơn 𝜋 2⁄ Vì vậy, một vector trong hệ quy chiếu tĩnh 𝛼𝛽 được chuyển đổi cho

đồng bộ với hệ quy chiếu quay dq với góc lệch    t trong đó  là vận tốc góc, t

là thời gian và 𝜑 góc ban đầu:

j q

Hình 3.3: Mối liên hệ giữa hệ quy chiếu 𝛼𝛽 và dq

Chuyển đổi nghịch đảo:

r

j