Ổn định ngõ ra máy phát không đồng bộ rotor lồng sốc trong hệ thống điện gió độc lập

Nhược điểm chính của nó là điều chỉnh điện áp và tần số kém khi tải và tốc độ thay đổi.Vì vậy mà ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu về việc làm thế nào để ổn định được điện áp tải

………… …………

TRƯƠNG VĂN QUÍ

ỔN ĐỊNH NGÕ RA MÁY PHÁT

KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SỐC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ĐỘC LẬP

Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, năm 201 8

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN NGỌC TÚ

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 PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG – Chủ tịch hội đồng

2 PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ – Phản biện 1

3 PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH – Phản biện 2

4 PGS.TS LÊ CHÍ KIÊN – Ủy Viên

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: TRƯƠNG VĂN QUÍ MSHV:7140426

Ngày, tháng, năm sinh: 09/08/1985 Nơi sinh: Cần Thơ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số : 60520202

I TÊN ĐỀ TÀI: ỔN ĐỊNH NGÕ RA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SỐC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ĐỘC LẬP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Ổn định ngõ ra của máy phát không đồng bộ rotor lồng sốc trong hệ thống điện gió độc lập dựa vào các phương pháp điều khiển

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Nguyễn Ngọc Tú

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy ở Khoa Điện - Điện Tử_Trường đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Ngọc Tú, thầy đã luôn tận tình hướng dẫn chỉ bảo cho em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp Nếu không có sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy em sẽ rất khó để hoàn thành được đề tài luận văn Trong quá trình làm đề tài không thể tránh khỏi những sai sótrất mong các thầy, cô

bỏ qua Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy, cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và kiến thức trong lĩnh vực này

TP HCM, ngày 09 tháng 12 năm 2017

Học viên

TRƯƠNG VĂN QUÍ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hệ thống năng lượng gió ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới, đặt biệt là ở các vùng xa xôi hẻo lánh, tiềm năng năng lượng gió cao, cần phải xây dựng một hệ thống năng lượng gió độc lập để cung cấp nhu cầu về năng lượng cho những vùng tách biệt này Việc nghiên cứu máy phát điện cảm ứng ba pha tự kích thích (SEIG) đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống nguồn năng lượng tái tạo như gió và năng lượng thủy điện Nhược điểm chính của nó là điều chỉnh điện áp và tần số kém khi tải và tốc độ thay đổi.Vì vậy mà ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu về việc làm thế nào để ổn định được điện áp tải và tần số của máy phát trong các hệ thống năng lượng gió độc lập này

Trong quá trình thực hiện đề tài “Ổn định ngõ ra của máy phát không đồng

bộ rotor lồng sóc trong hệ thống điện gió SEIG”, bản thân cũng chọn cho mình một phương pháp ổn định là sử dụng STATCOM Mô hình hệ thống SEIG gồm: Turbine gió, Máy phát không đồng bộ và bộ tụ điện tự kích đấu tam giác, Tải tuyến tính hoặc phi tuyến và bộ điều khiển STATCOM

Giá trị bộ tụ điện tự kích được cài đặt trước nhằm kích chạy máy phát ở chế

độ không tải.Hệ thống nguồn PV sẽ được kết nối tới liên kết DC của VSI nhằm mục đích duy trì điện áp DC không đổi

Và còn rất nhiều phương pháp khác chưa được kể đến, mỗi phương pháp sẽ

có những điểm khác biệt nhau,những hạn chế riêng biêt Tuy nhiên, tất cả các phương pháp nói chung đều hướng tới một tiêu chung là nhằm “ổn định điện áp và tần số của mô hình SEIG” khi tải thay đổi, vận tốc gió thay đổi

ABSTRACT

Wind power systems are increasingly being used around the world, especially in remote areas with high wind potential, requiring the construction of an independent wind power system The need for energy in these isolated areas The study of self-excited three-phase induction generators (SEIGs) plays an important role in renewable energy systems such as wind and hydroelectricity Its main disadvantage is adjustable voltage and poor frequency when load and variable speed So more and more research works on how to stabilize the load voltage and frequency of the machine play in these independent wind power systems

During the implementation of the topic "Stabilization of generator output asynchronous rotor generator in SEIG wind power system", we also chose a stable method of using STATCOM SEIG system models include: Wind turbine, Asynchronous generator and triangular self-acting capacitor, Linear or non-linear load and STATCOM controllers

The self-energizing capacitor value is pre-set to enable the generator to run

in idle mode The PV power source will be connected to the DC link of the VSI in order to maintain the DC voltage constant

And many other methods have not been mentioned, each method will have different points, specific limitations However, all methods generally aim at a common goal: to "stabilize the voltage and frequency of the SEIG model" when the

load changes, the wind speed changes

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, những kết quả, số liệu

của luận văn này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác Tôi hoàn

toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về lời cam đoan này

Contents

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI CAM ĐOAN 6

MỤC LỤC HÌNH 9

I GIỚI THIỆU 13

II NHỮNG VẤN ĐỀ 14

III MÔ HÌNH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 14

IV MỤC TIÊU CẦN ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN 14

V ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN 14

VI Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN 14

VII CƠ SỞ LÝ THUYẾT và BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN 15

Chương 1- GIỚI THIỆU CHUNG TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ 16

1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới 16

1.2 Tình hình năng lượng gió tại Việt Nam 18

Chương 2 -TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH NGÕ RA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TỰ KÍCH (SEIG) 21

2.1 Tổng quan về các phương pháp ổn định ngõ ra máy phát không đồng bộ 3 pha tự kích 21

2.2 Tổng quan về tình hình ứng dụng máy phát không đồng bộ 3 pha tự kích trong hệ thống SEIG 25

Chương3 -HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TỰ KÍCH (SEIG) 30

3.1 Hệ thống điện gió 30

3.2 Máy phát điện không đồng bộ ba phatự kích 32

3.3 Quy đổi hệ quy chiếu 36

Chương 4 - ỔN ĐỊNH NGÕ RA MÔ HÌNH SEIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP STATCOM 38

4.1 Mô hình hệ thống 38

4.2 Mô hình hoá máy phát điện cảm ứng tự phát: 38

Moment máy phát tạo ra: 39

4.3 Bộ tụ bù 39

4.4Điều khiển hệ thống SEIG 41

Chương 5 – MÔ PHỎNG MÔ HÌNH BẰNG MATLAP SIMULINK 43

5.1 Đề xuất mô hình mô phỏng SEIG 43

5.2 Các thành phần của mô hình mô phỏng SEIG 43

Chương 6 -THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 53

6.1 Tốc độ máy phát không thay đổi – tải không thay đổi 54

6.2Tốc độ máy phát không thay đổi– tải thay đổi 60

6.3 Tốc độ máy phát thay đổi– tải không thay đổi 69

6.4 Tốc độ máy phát thay đổi– tảithay đổi 71

Chương 7 -KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74

IX TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 77

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.2.1 - Mô tả thứ tự các nước phát triển điện gió với số liệu ở thời điểm năm

2012 26

Hình 2.2.2 - Mô tả thứ tự 15 nước phát triển điện gió nhất với số liệụ ở thời điểm năm 2012 27

Hình 2.2.3 - Thứ tự các “cường quốc” điện gió kèm theo Tổng công suất điện gió tuyệt đối theo MW (cột cuối) và tương đối trên triệu dân, MW/triệu dân 28

Hình 3.1.1- Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió 30

Hình 3.1.1- Cp của các loại cánh quạt khác nhau của tuabin gió 30

Hình 3.1.2- Cấu tạo hộp số 31

Hình 3.2.1 - Sơ đồ máy phát khi nối tải và tụ điện (a), đồ thị vector (b) 33

Hình 3.2.2 - Sơ đồ tương đương của máy phát dị bộ 34

Hình 3.2.3 - Đồ thị vector máy phát dị 34

Hình 3.2.4 - Quá trình tự kích của máy phát dị bộ 35

Hình 4.1.1 - Mô hình hệ thống năng lượng gió với PV Based STATCOM 38

Hình 4.3.1 – Đường đặc tính của máy phát không đồng bộ 40

Hình 4.4.1 - Mô hình hệ thống điều khiển SEIG 41

Hình 5.1.1 – Mô hình mô phỏng SEIG 43

Hình 5.2.1 - Mô hình máy phát không đồng bộ 43

Hình 5.2.2 – Thông số máy phát không đồng bộ 44

Hình 5.2.3 - Mô hình Turbine gió 44

Hình 5.2.4 - Mô hình tải 45

Hình 5.2.5 - Bộ tụ bù 45

Hình 5.2.6 - Bộ lọc thông 3 pha 46

Hình 5.2.7 - Bộ lọc thông thấp 46

Hình 5.2.8 - Khối đo dòng và áp 3 pha 47

Hình 5.2.9 - Khối đo dòng và áp 3 pha 47

Hình 5.2.10 - Bộ đo tần số Discrete 3-phasePLL 48

Hình 5.2.11 - Bộ đo tần số Discrete 3-phasePLL 48

Hình 5.2.12 - Bộ biến đổi 3-phase PLL 49

Hình 5.2.13 - Bộ biến đổi 3-phase PLL 49

Hình 5.2.14 - Bộ chuyển đổi abc =>dq 50

Hình 5.2.15 - Bộ chuyển đổi dq =>abc 50

Hình 5.2.16 - Bộ tỷ lệ-tích phân (PI) 51

Hình 5.2.17 - Bộ điều khiển dòng Current control 51

Hình 5.2.18- Khối Bidirectional Converter 52

Hình 5.2.19 - Bộ lưu trữ DC-Link 52

Hình 6.1.1 –Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải không đổi 54

Hình 6.1.2– Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải không đổi 54

Hình 6.1.3– Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải không đổi 54

Hình 6.1.4– Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải không đổi 55

Hình 6.1.5– Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải không đổi 55

Hình 6.1.6 – Điện áp DC_Link với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải không đổi 55

Hình 6.1.7 – Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải không đổi 56

Hình 6.1.8 – Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải không đổi 56

Hình 6.1.9 – Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải không đổi 57

Hình 6.1.10 – Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải không đổi 57

Hình 6.1.11 – Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải không đổi 57 Hình 6.1.12– Điện áp DC_Link với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải không đổi

58 Hình 6.1.13 – Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải không đổi 58 Hình 6.1.14 – Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải không đổi 59 Hình 6.1.15 – Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải không đổi 59 Hình 6.1.16 – Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải không đổi 59 Hình 6.1.17 – Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải không đổi

60 Hình 6.1.18– Điện áp DC_Link với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải không đổi

60 Hình 6.2.1 – Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải thay đổi 61 Hình 6.2.2 – Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải thay đổi

61 Hình 6.2.3 – Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải thay đổi 61 Hình 6.2.4 – Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải thay đổi

62 Hình 6.2.5 – Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải thay đổi

62 Hình 6.2.6– Điện áp DC_Link với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải thay đổi

62 Hình 6.2.7– Biên độ áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1200 rpm – tải thay đổi 63 Hình 6.2.8 – Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải thay đổi 63 Hình 6.2.9 – Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải thay đổi

63 Hình 6.2.10 – Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải thay đổi 64 Hình 6.2.11 – Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải thay đổi 64 Hình 6.2.12 – Tần số 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải thay đổi 64 Hình 6.2.13 – Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải thay đổi

65 Hình 6.2.14– Biên độ áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1400 rpm – tải thay đổi

65 Hình 6.2.15 – Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải thay đổi 65 Hình 6.2.16 – Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải thay đổi

66 Hình 6.2.17 – Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải thay đổi 66 Hình 6.2.18 – Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải thay đổi 66 Hình 6.2.19– Tần số 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải thay đổi 67 Hình 6.2.20– Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải thay đổi

67 Hình 6.2.21– Biên độ áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát 1600 rpm – tải thay đổi 67 Hình 6.3.1 – Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát thay đổi – tải không đổi 68 Hình 6.3.2 – Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát thay đổi – tải không đổi

68 Hình 6.3.3 – Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát thay đổi – tải không đổi 68 Hình 6.3.4 – Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát thay đổi – tải không đổi

69 Hình 6.3.5 – Tần số 3 pha nguồn với tốc độ máy phátthay đổi – tải không đổi

69 Hình 6.3.6 – Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát thay đổi – tải không đổi

69 Hình 6.3.7– Biên độ áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phátthay đổi – tải không đổi 70 Hình 6.4.1 – Điện Áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phát thay đổi – tải thay đổi

70 Hình 6.4.2 – Điện Áp 3 pha tải với tốc độ máy phát thay đổi – tải thay đổi

70 Hình 6.4.3 – Dòng điện 3 pha nguồn với tốc độ máy phát thay đổi – tải thay đổi 71 Hình 6.4.4 – Dòng điện 3 pha tải với tốc độ máy phát thay đổi – tải thay đổi

71 Hình 6.4.5 – Tần số 3 pha nguồn với tốc độ máy phátthay đổi – tải thay đổi

71 Hình 6.4.6 – Tần số 3 pha tải với tốc độ máy phát thay đổi – tải thay đổi

72 Hình 6.4.7– Biên độ áp 3 pha nguồn với tốc độ máy phátthay đổi – tải thay đổi 72

I GIỚI THIỆU

Thế kỷ 21 với chiến lược phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là thời

kỳ phát triển“kinh tế xanh”, “năng lượng xanh” đã bắt đầu chứng kiến những công nghệ mới để sản xuất điện, nhiên liệu "sạch hơn", trong đó có sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo vô tận trong tự nhiên hay luôn phát sinh cùng đời sống con người Đó là những công nghệ sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo có sẵn trong tự nhiên như: mặt trời, gió, sinh khối, sóng biển, thủy triều, địa nhiệt và nhiệt biển Và gió cũng là một nguồn năng lượng tái tạo vô tận.Tuy nhiên, việc sử dụng được năng lượng gió cũng đòi hỏi vốn đầu tư khá cao và lệ thuộc vào tự nhiên Hiện nhiều quốc gia như Đức, Trung Quốc, Hà Lan, Tây Ban Nha đang đi đầu trong lĩnh vực này Những nghiên cứu ứng dụng tổng hợp và công nghệ điện gió nối lưới điện chínhcũng như dự trữ năng lượng giódưới một dạng khác đang được tiến hành nhiều nơi, kể cả Việt Nam.Phổ biến và có hiệu quả nhất hiện nay trên thế giới là sử dụng năng lượng gió để phát điện

Hệ thống năng lượng gió ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới, đặt biệt là ở các vùng xa xôi hẻo lánh, tiềm năng năng lượng gió cao, cần phải xây dựng một hệ thống năng lượng gió độc lập để cung cấp nhu cầu về năng lượng cho những vùng tách biệt này Việc nghiên cứu máy phát điện cảm ứng ba pha tự kích thích (SEIG) đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống nguồn năng lượng tái tạo như gió và năng lượng thủy lực Nhược điểm chính của nó là điều chỉnh điện

áp và tần số kém khi tải trọng và tốc độ thay đổi khác nhau

Chính vì những lý do đó mà em đã chọn đề tài: “ỔN ĐỊNH NGÕ RA MÁY

PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SỐC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

ĐỘC LẬP” làm đề tài Luận văn Thạc sỹ của mình để được tiếp tục tìm hiểu, nghiên

cứu và ứng dụng trong thực tế

Mặc dù được sự hướng dẫn hết lòng của Thầy: TS NGUYỄN NGỌC TÚ nhưng do Đề tài còn mới và kiến thức bản thân còn hạn chế nên trong quá trình thực

hiện luận văn, em không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhằm lẫn Rất mong Quý Thầy Cô thông cảm và chỉ dạy thêm

Em xin chân thành Cảm ơn

III MÔ HÌNH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

- Mô hình nghiên cứu: Mô hình máy phát điện không đồng bộ ba pha tự kích rotor lồng sóc (SEIG) trong hệ thống điện gió độc lập

- Phạm vi nghiên cứu: Các phương pháp điều khiển để ổn định ngõ ra của máy phát điện không đồng bộ ba pha tự kích (SEIG) trong hệ thống điện gió độc lâp khi tải thay đổi, vận tốc gió thay đổi

IV MỤC TIÊU CẦN ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN

- Tìm hiểu và đề xuất phương pháp điều khiển (đã được công bố trên các bài

báo khoa học) để“Ổn định ngõ ra của máy phát điện không đồng bộ ba pha tự kích

(SEIG) trong hệ thống điện gió độc lâp khi tải thay đổi, vận tốc gió thay đổi”

- Thực hiện mô phỏng bằng Matlap/Simulink, nhận xét kết quả mô phỏng và

đề xuất hướng phát triển

V ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN

-Đây là đề tài chưa được tìm hiểu và thực hiện trong các Đề tài Luận văn Thạc sỹ từ trước đến nay, việc tìm hiểu Đề tài này là một điểm mới của Luận văn

VI Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

-Ý nghĩa khoa học: Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện Đề tài Luận văn

“Ổn định ngõ ra của máy phát điện không đồng bộ ba pha tự kích (SEIG) trong hệ thống điện gió độc lập khi tải thay đổi, vận tốc gió thay đổi” sẽ đóng góp một phần

nhỏ trong việc tổng quan được các phương pháp ổn định ngõ ra của máy phát điện không đồng bộ ba pha tự kích (SEIG), kiểm chứng, xác thực lại các kết quả đã được

công bố , làm tư liệu để tham khảo cho các công trình có liên quan sau này

-Ý nghĩa thực tiễn: Việc tìm hiểu, thực hiện,thưc nghiệm mô phỏng để tìm

ra các phương pháp tối ưu cho việc ổn định ngõ ra của máy phát điện không đồng

bộ ba pha tự kích (SEIG) là rất cần thiết để áp dụng trong các hệ thống điện gió độc lập trong thực tế hiện nay, góp phần cho việc phát triển hệ thống điện gió độc lập sau này

VII CƠ SỞ LÝ THUYẾT và BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Chương 1:GIỚI THIỆU CHUNG TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ

Chương 2:TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH NGÕ RA

MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TỰ KÍCH (SEIG)

Chương3:HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA TỰ KÍCH (SEIG)

Chương 4: ỔN ĐỊNH NGÕ RA MÔ HÌNH SEIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP

STATCOM

Chương 5:MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN

Chương 6:THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ

Chương 7:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 1- GIỚI THIỆU CHUNG TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới

Vấn đề năng lượng sạch đang được quan tâm nhiều và là một sự lựa chọn cho ngành năng lượng thay thế trong tương lai Nguồn năng lượng sạch đang được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều Tất cả những loại năng lượng sạch này sẽ góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường Các

hệ thống năng lượng này được xem như là một sự lựa chọn thay thế cho các hệ thống cung cấp từ lưới điện quốc gia ở những vùng nông thôn biệt lập, nơi mà việc phát triển lưới điện không khả thi về mặt kinh tế, trong đó năng lượng gió được xem

là nguồn năng lượng dễ khai thác với công nghệ đơn giản và chi phí đầu tư và vận hành tương đối thấp

Nguồn năng lượng từ gió là nguồn năng lượng không phát thải ra cacbon, hay còn gọi là những nông trang sử dụng gió để làm quay những cánh quạt khổng

lồ, khởi động và làm xoay tuabin tạo ra điện năng Các cánh quạt có đường kính từ

230 đến 250 feet (khoảng 70m - 90m) và được lắp trên tháp cao từ 197 đến 295 feet (khoảng 60m - 90m) Một số cánh đồng có sức chứa đến hàng trăm tháp năng lượng gió Cánh đồng gió tại Altamont Pass, thuộc California có đến hơn 5000 tháp loại này.Ngày nay, nhiều nhà môi trường học và các viên chức chính phủ hoan nghênh việc sử dụng năng lượng gió bởi vì chúng không làm phát sinh ra những chất gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, cũng có nhiều ý kiến tranh cãi về vấn đề ảnh hưởng của ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ gió, nhưng dù vậy thế giới cũng không thể chối bỏ về sự phát triển và thành tựu đạt được của nó Sau đây là 10 quốc gia đứng đầu về lĩnh vực sản xuất điện năng từ gió đã được công nhận: Mỹ, Trung Quốc, Đức, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Ý, Pháp, Anh Quốc, Thổ Nhĩ Kỳ, Đan Mạch

+ Mỹ: 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.Bang Texas là nơi có công suất điện năng gió lớn nhất của Mỹ Khu điền trang sản xuất điện năng gió Roscoe là nơi

tiêu thụ điện năng lớn nhất thế giới với tổng sản lượng tiêu thụ là 9.900 megawatts trong năm 2009 – bằng điện năng tiêu thụ của 2,4 triệu hộ gia đình và tương đương với khoảng 3 nhà máy điện nguyên tử tiêu thụ

+ Trung Quốc: Công suất sản xuất điện năng từ gió của Trung Quốc đạt hơn 25.100 megawatts và lĩnh vực sản xuất điện năng từ gió trở thành một trong những mũi nhọn kinh tế chính của quốc gia Với lợi thế bờ biển dài và diện tích đất dồi dào, tạo nên cho quốc gia này triển vọng lớn về nguồn tài nguyên năng lượng từ gió.Ủy ban Năng lượng Gió Toàn cầu cho rằng với quy mô và mức độ phát triển năng lượng gió của Trung quốc sẽ không thể có quốc gia nào sánh kịp Có hơn 80 nông trang sản xuất năng lượng từ gió hoạt động tại Trung Quốc

+ Đức: Đức có công suất sản xuất năng lượng từ gió vào khoảng 26.000 megawatts Điện năng từ gió chiếm khoảng 7% của công suất điện năng của quốc gia này Cách đây 4 năm, tuốc-bin gió cao nhất thế giới Fuhrländer Wind Turbine Laasow” đã được xây dựng ở Brandenburg Tháng 4/2010, Đức đã mở ra một công viên gió ngoài khơi đầu tiên – Alpha Ventus ở Biển Bắc Mặc dầu là một trong những nước đứng đầu thế giới về lĩnh vực này, chiến lược của Đức về sản xuất năng lượng từ gió cũng gây nhiều tranh cãi vì quá tốn kém và cũng nhiều rủi ro vì mô hình hướng gió của Đức không cố định và thường xuyên

+ Tây Ban Nha: Với công suất là 19.740 megawatts, Tây Ban Nha là nước đứng thư tư trong số các quốc gia đứng đầu thế giới về lĩnh vực này Điện năng từ gió vượt xa điện năng từ than đá Nguồn điện năng từ gió trong năm 2009 đã đáp ứng được khoảng 14% nhu cầu điện năng của quốc gia Để duy trì mục đích là sẽ sản xuất điện năng từ gió để phục vụ 15% nhu cầu tiêu thụ điện của quốc gia, Tây Ban Nha cần có kế hoạch mang tính chiến lược bền vững

+ Ấn Độ: Sự phát triển năng lượng gió của Ấn độ có từ những năm 90 Là một lục địa khá mới mẻ trong ngành công nghiệp này nhưng Ấn độ đã phát triển và trở thành ngành công nghiệp sản xuất điện từ gió đứng thứ năm trên thế giới Năm

2009, Ấn độ có công suất sản xuất điện từ gió là 10.925 megawatts Năng lượng điện từ gió chiếm khoảng 1,6% điện của quốc gia này Hiệp hội Năng lượng Gió Ấn

độ ước tính công suất điện năng từ gió có thể đạt tới 65.000 megawatts

Mặc dù điện gió bắt đầu được thế giới để ý đến từ 25 năm trước, nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định được vị trí trên thị trường năng lượng thế giới khi sản lượng điện gió tăng trưởng một cách ngoạn mục với tốc độ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có Sự phát triển thần kỳ này của điện gió có được là nhờ vào một số thay đổi quan trọng trong thời gian qua Trong các nước chủ trương phát triển năng lượng gió, Đức vẫn là nước dẫn đầu với công suất vào cuối năm 2004 lên tới 16.649 MW, chiếm hơn 30% tổng công suất điện gió của thế giới Ngay sau Đức là Tây Ban Nha và Mỹ lần lượt chiếm 19% và 16% tổng công suất điện gió thế giới

1.2 Tình hình năng lượng gió tại Việt Nam

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Gần đây, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng phát triển dạng “điện xanh” này Trong đó, năng lượng gió được xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem là nước có giàu tiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á Mục đích của nghiên cứu này là đưa ra cái nhìn về tình hình phát triển điện gió hiện nay và các khả năng cung ứng tài chính của các tổ chức trong và ngoài nước cho phát triển điện gió ở Việt Nam

Trong xu thế chung của thế giới, Việt Nam cũng không phải là ngoại lệ khi

mà tốc độ tiêu dùng năng lượng trong những năm gần đây gia tăng đáng kể Mức độ

sử dụng năng lượng gia tăng cũng phản ánh tốc độ phát triển của nền kinh tế Mặc

dù có những bước phát triển chậm hơn trong những năm gần đây nhưng Việt Nam vẫn là nước có tốc độ tăng trưởng kinh tế cao trên thế giới Trong 5 năm trở lại đây, tốc độ tăng trưởng của Việt Nam luôn ở mức trên 5% và năm 2015 ước đạt 6,5% Tốc độ tăng trưởng kinh tế cao làm gia tăng nhu cầu về điện trong khi nguồn cung chưa đáp ứng kịp thời dẫn đến thiếu hụt điện năng phục vụ sản xuất và đời sống Đây là nỗi lo thường trực của ngành điện lực Việt Nam cũng như của Chính phủ Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, năm 2020 Việt Nam sẽ cần khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Tuy nhiên, hiện nay khả

năng cung cấp điện của chúng ta chỉ đạt mức 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Như vậy, tỉ lệ thiếu hụt điện của Việt Nam là khoảng 20-30% mỗi năm Để bù đắp khoản thiếu hụt năng lượng, không có cách nào khác là phải sử dụng điện tiết kiệm, hợp lý và đa dạng hóa các nguồn năng lượng Bên cạnh việc khai thác các nguồn năng lượng truyền thống thì cần đặc biệt chú trọng nguồn năng lượng sạch và nguồn năng lượng tái tạo Điện gió được xem là một trong những nguồn cung bổ sung đáng kể khi Việt Nam có nhiều thuận lợi trong việc khai thác nguồn năng lượng này

Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới (NHTG) đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam Như vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “tốt“ đến

“rất tốt“ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái Lan cũng chỉ là 0,2% Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng

to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam.Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam

có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh con

số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió

Cho đến nay, có khoảng 48 dự án điện gió đã đăng ký trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ, với tổng công suất đăng ký gần 5.000 MW, quy mô công suất của các dự án từ 6 MW đến 250 MW Tuy nhiên, hiện nay do suất đầu tư của dự án điện gió vẫn còn khá cao, trong khi

giá mua điện gió là khá thấp 1.614 đồng/ kWh (tương đương khoảng 7,8 UScents/ kWh) theo Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg12, cao hơn 310 đồng/ kWh so với mức giá điện bình quân hiện nay là 1.304 đồng/ kWh, được xem là chưa hấp dẫn các nhà đầu tư điện gió trong và ngoài nước Do vậy, cho đến nay mới chỉ duy nhất một dự

án điện gió ở Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận là hoàn thiện giai đoạn 1 (dự kiến nâng tổng công suất lên 120 MW trong giai đoạn 2 từ 2011 đến 2015), với công suất lắp đặt 30 MW (20 tuabin gió x 1,5 MW mỗi tua bin) Chủ đầu

tư dự án là Công ty Cổ phần Năng lượng Tái tạo Việt Nam (Vietnam Renewable Energy Joint Stock Company - REVN)13 Tổng mức đầu tư của dự án lên đến 1.500

tỷ đồng (tương đương khoảng 75 triệu USD), các thiết bị tuabin gió sử dụng của Công ty Fuhrlaender Đức Dự án chính thức được nối lênlưới điện quốc gia vào tháng 3 năm 2011 Theo nguồn tin nội bộ, sản lượng điện gió năm 2011 đạt khoảng 79.000 MWh

Trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, dự án điện gió lai tạo với máy phát điện diesel (diesel generator) (off-grid connection), của Tổng Công ty Điện lực Dầu khí, thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam), có tổng công suất là 9 MW (gồm 3 tuabin gió x 2 MW mỗi tuabin + 6 máy phát diesel x 0,5 MW mỗi máy phát)

đã lắp đặt xong và đang trong giai đoạn nối lưới Các tuabin gió sử dụng của hãng Vestas, Đan Mạch Giá bán điện đang đề xuất thông qua hợp đồng mua bán điện với giá 13 US cents/kWh GIá mua điện này được đánh giá là hấp dẫn do đặc thù dự án

ở ngoài đảo Tương tự, một dự án điện gió ở Côn Đảo, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu do Công ty EAB CHLB Đức làm chủ đầu tư, giá bán điện thoả thuận là 25 UScents/ kWh Dự án đang chuẩn bị tiến hành xây dựng Tại tỉnh Bạc Liêu, vùng đồng bằng Sông Cửu Long một dự án điện gió khác thuộc công ty TNHH Thương mại và Dịch

vụ Công Lý cũng đang trong giai đoạn lắp đặt các tuabin gió (1 tuabin gió đã được lắp đặt) với công suất 16 MW trong giai đoạn đầu (10 tuabin gió x 1.6 MW mỗi tuabin của hãng GE Mỹ)

Như vậy, tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam không nhỏ Phân bố mật

độ năng lượng được đánh giá vào khoảng 800-1400 kwh/m2.năm tại các hải đảo, 500- 1000 kwh/m2.năm tại vùng duyên hải miền Trung, Tây Nguyên và duyên hải Nam bộ, các khu vực khác dưới 500kWh/m2.năm

Chương 2 -TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH NGÕ

RA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TỰ KÍCH (SEIG)

2.1 Tổng quan về các phương pháp ổn định ngõ ra máy phát không đồng

bộ 3 pha tự kích

Hệ thống năng lượng gió ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới, đặt biệt là ở các vùng xa xôi hẻo lánh, tiềm năng năng lượng gió cao, cần phải xây dựng một hệ thống năng lượng gió độc lập để cung cấp nhu cầu về năng lượng cho những vùng tách biệt này Việc nghiên cứu máy phát điện cảm ứng ba pha tự kích thích (SEIG) đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống nguồn năng lượng tái tạo như gió và năng lượng thủy điện Nhược điểm chính của nó là điều chỉnh điện áp và tần số kém khi tải và tốc độ thay đổi.Vì vậy mà ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu về việc làm thế nào để ổn định được điện áp tải và tần số của máy phát trong các hệ thống năng lượng gió độc lập này

Và những công trình nghiên cứu đó sẽ được thể hiện một cách tổng quan qua những bài báo khoa học sau đây:

Năm 2008, Karim H Youssef, Manal A Wahba, Hasan A Yousef and Omar A Sebakhygiới thiệu một phương pháp mới và đơn giản cho việc điều khiển điện áp và tần số của máy phát điện cảm ứng ba pha tốc độ không được kiểm soát ở chế độ cô lập Phương pháp này sử dụng một bộ chuyển đổi PWM điện áp không đổi, tần số không đổi (CVCF) mà không cần điều chỉnh điện áp tụ DC Điện áp tụ điện được thay đổi theo điều kiện tải và điện áp phía AC được điều chỉnh bằng cách điều khiển các chỉ số điều chế Điều này giúp loại bỏ các công tắc phụ phía điện áp DC,làm giảm chi phí và cũng làm giảm các dòng điện tần số cao chạy qua các tụ điện DC và làm tăng tuổi thọ của các tụ điện DC Các kỹ thuật đề nghị được thử nghiệm dưới sự thay đổi tải và tốc độ động sơ cấp Kết quả của các kỹ thuật được đề nghị này cũng giống như kết quả của các kỹ thuật cũ nhưng khác ở chổlà không có

sử dụng các công tắc phụ ở phía điện áp DC

Các tác giả cũng đã đề xuất thêm một kỹ thuật mới và đơn giản cho việc kiểm soát điện áp và tần số của máy phát điện cảm ứng tự kích là kỹ thuật biến đổi điện áp liên kết DC Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện bằng cách kiểm soát các chỉ số điều chế chứ không phải là điện áp DC.Kỹ thuật này đã được chứng minh

là tuyệt vời cho việc kiểm soát điện áp và tần số dưới sự thay đổi đột ngột của tải và tốc độ: có thể bù công suất phản kháng cho các tải cảm ứng, giúp loại bỏ sự cần thiết của công tắc phụ ở phía điện áp DC, loại bỏ các thành phần dòng điện chuyển mạch cao qua các tụ điện DCvà làm tăng tuổi thọ của nó Kết quả mô phỏng đã được đưa ra để xác nhận các kỹ thuật đề xuất cũng như thiết kế chi tiết các điện trở

DC

Vào năm 2010, Yossef, K H., Wahba, M H., Yousef, H A., and Sebakhyđã giới thiệu phương phápsử dụng một bộ chuyển đổi điều chế độ rộng xung (PWM)

có điện áp không đổi, tần số liên tục mà không cần điều chỉnh điện áp tụ DC Điện

áp tụ điện được thay đổi theo điều kiện tải và điện áp phía AC được điều chỉnh bằng cách điều khiển các chỉ số điều chế hoặc điện áp định mức tham chiếu trên trục d cho phépđiều biến vector không gian Điều này giúp loại bỏ các công tắc phụ phía điện áp DC,làm giảm chi phí và cũng làm giảm các dòng điện tần số cao chạy qua các tụ điện DC và làm tăng tuổi thọ của các tụ điện DC Kết quả mô phỏng được đưa ra cho việc so sánh giữa truyền thống và các kỹ thuật đề xuất khi áp dụng cho một máy phát điện 6 kW Các kỹ thuật đề nghị được thử nghiệm dưới sự thay đổi tải

và tốc độ động sơ cấp Kết quả của các kỹ thuật được đề nghị này cũng giống như kết quả của các kỹ thuật cũ nhưng khác ở chỗ là không có sử dụng các công tắc phụ

ở phía điện áp DC.Các kỹ thuật đềxuất được triển khai thử nghiệm trên máy phát điện 1 HP, các kết quả đã cho thấy hiệu quả của các kỹ thuật được đề xuất trong việc kiểm soát điện áp và tần số của mô hình SEIG độc lập

Tiếp nối sau đó là vào năm 2011, Gaurav Kumar Kasal and Bhim Singh đã trình bày một phương pháp điều khiển điện áp và tần số (VFCs) cho máy phát điện không đồng bộ (IAGs) cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió độc lập Trong

bộ truyền động tuabin gió(IAG), cường độ và tần số của điện áp phát ra rất khác nhau do các tải tiêu dùng của khách hàng thay đổi khác nhau và tốc độ gió cũng biến động lớn Do đó, phương pháp mới của bộ điều khiển VF dựa trên một bộ chuyển đổi điện áp nguồn cùng với một hệ thống lưu trữ năng lượng cũng được đề xuất để duy trì điện áp và tần số không thay đổi khi các tải tiêu dùng của khách hàng thay đổi khác nhau và tốc độ gió cũng biến động lớn.Hệ thống sử dụng một máy phát điện không đồng bộ, sử dụng các giá trị của cuộn cảm AC, tụ DC liên

kết,điện áp DC liên kết, và thông số lưu trữ năng lượngđã được tính toán, trên cơ sở xem xéthiệu suất, yếu tố an toàn Sau khi lựa chọn các thông số thiết kế,thực hiện

mô phỏng chi tiết để so sánh sự khác nhau của phương pháp điều khiển điện áp và tần số (VFCs) cho máy phát điện không đồng bộ (IAGs) cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió độc lập Đối với hệ thống ba dây(WECS), kỹ thuật điều khiển ba dây VSC với BESS dựa trên VFC được khuyến khíchvìhiệu suất tốt và chi phí vừa phải Trong trường hợphệ thống bốn dây (WECS), kỹ thuật điều khiển “bốn dây VSC với BESS dựa trên VFC” được khuyến khíchvìmức độ chấp nhận của hiệu suất, kích thước nhỏ, và giảm chi phí

Năm 2012, S.A Deraz, F.E Abdel Kader (2012) đã trình bày một chiến lược kiểm soát mới cho mô hình máy phát điện cảm ứng tự kích độc lập (SEIG) bởi sự biến đổi tốc độ của tuabin gió Hệ thống đề xuất bao gồm máy điện cảm ứng rotor lồng sốc kết nối với một tuabin gió thông qua một bộ truyền động tăng tốc Một biến tần nguồn điện áp điều khiển dòng (CCeVSI) với một bộ điều khiển tải điện tử (ELC) được nối song song với tải tiêu dùng chính đến các điểm nối AC của máy cảm ứng Các chiến lược kiểm soát được đề xuất dựa trên các nguyên tắc điều khiển logic mờ để nâng cao hiệu suất của hệ thống được đề nghị Ba bộ điều khiển logic

mờ PI và một bộ điều khiển dòng từ trễ (HCC) được sử dụng để trích xuất năng lượng tối đa có sẵn từ các tuabin gió cũng như để điều chỉnh điện áp thiết bị đầu cuối của máy phát điện đồng thời chống lại sự thay đổi của tốc độ gió và biến đổi của tải chính Tuy nhiên, để trích xuất năng lượng tối đa có sẵn từ các tuabin trên một phạm vi rộng của tốc độ gió, năng lượng bị bắt bị hạn chế do hạn chế về điện

Do đó, chiến lược điều khiển đề xuất ba phương thức hoạt động kiểm soát Các đặc tính trạng thái ổn định của hệ thống đề xuất thu được và kiểm tra để thiết kế các thông số điều khiển cần thiết Hệ thống đề xuất được mô hình hóa và mô phỏng bằng chương trình Matlab/Simulink để kiểm tra các đặc tính năng động của hệ thống với chiến lược kiểm soát đề xuất kết quả mô phỏng động chứng minh tính hiệu qua của các chiến lược kiểm soát được đề xuất

Năm 2014, K Premalatha, S Vasantharathna and T Dhivyaah đã đưa ra phương pháp điều khiển trực tiếp moment và từ thông (DTC) của một máy phát điện cảm ứng tự kích (SEIG) cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS)

Điều khiển DTC trong WECS là phù hợp hơn cho các ứng dụng điện năng thấp, vì

có một vài lợi thế như kiểm soát moment xoắn tốt trong điều kiện vận hành ổn định, không đòi hỏi phải có một mô hình máy phát điện chính xác, không cần phải biến đổi dòng điện và điện áp và điều khiển Các SEIG được kích thích bởi một bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) với một tụ điện và pin khởi động với dòng điện trực tiếp (DC) Công suất phản kháng cần thiết cho SEIG được cung cấp bởi các tụ điện Các điện áp đầu cuối của SEIG thay đổi theo điều kiện tốc độ gió và tải trọng thay đổi Chiến lược điều khiển DTC đề nghị được sử dụng để điều khiển điện áp đầu cuối của SEIG và điện áp DC không đổi khi tải và tốc độ gió biến đổi Các tín hiệu cổng cho VSC lấy từ một bảng chuyển mạch của biến tần Các moment và thông lượng stator của máy phát điện cảm ứng được điều khiển thông qua các lựa chọn vector không gian điện áp Hệ thống đề xuất cho hiệu suất cao và trạng thái ổn định tốt Tính hiệu quả của chiến lược kiểm soát đề xuất được xác minh qua các mô phỏng Kết quả thí nghiệm được trình bày để xác nhận các kết quả mô phỏng

Tiếp đến, năm 2015,S Dhanapal và R Anita đề xuất phương pháp sử dụng giao tiếp quang điện thế (PV) để bù đồng bộ công suất (STATCOM) cho việc điều khiển điện áp và tần số của hệ thống tua-bin gió trong hệ thống máy phát điện cảm ứng ba pha tự kích (SEIG) Giao tiếp PV STATCOM chủ yếu được sử dụng để kiểm soát điện áp tải và tần số của hệ thống SEIG Ngoài ra, giao tiếp PV STATCOM đóng vai trò bù như phản ứng điệncông suất phản kháng, khử sóng hài

và cân bằng tải dưới ảnh hưởng của tải phi tuyến cân bằng / không cân bằng Hệ thống lưu trữ năng lượng được tích hợp để PV STATCOM duy trì hoạt động khi tốc

độ gió biến đổi Phương pháp điều khiển đề xuất sử dụng các bộ điều khiển logic

mờ (FLC) để điều khiển vòng lặp dòng điện và điện áp xoay chiều AC Các kỹ thuật điều khiển sử dụng năng lượng mặt trời với một đơn vị lưu trữ năng lượng để đáp ứng nhu cầu điện năng hoạt động của hệ thống phát điện gió Bên cạnh đó, điện năng sinh ra trong hệ thống năng lượng mặt trời sẽ cung cấp điện năng cho tải trong thời gian chưa có gió Các kết quả thu được từ kết quả mô phỏng được phân tích để đảm bảo hiệu quả hoạt động của bộ điều khiển được đề xuất

Và cũng trong năm 2015, Krishna Roy, Arunava Chatterjee, Debashis Chatterjee, and Ashoke K Ganguliđề xuất một kỹ thuật điều khiển công suất hỗn

hợp cho máy phát điện cảm ứng thông qua một ngân hàng tụ điện cố định kết nối vào thiết bị đầu cuối stator và một chiến lược chuyển mạch nguồn biến tần Hệ thống đường truyền dẫn DC của biến tần được kết nối với một bảng điều khiển quang điện và ắc quy lưu trữ năng lượng hệ thống này sẽ cung cấp điện áp ngõ ra

ổn định với sự thay đổi của tải và sự thay đổi tốc độ gió trên diện rộng Các tụ điện

sẽ cung cấp dòng điện tự kích cho máy phát điện cảm ứng, trong khi đó biến tần sẽ cung cấp thêm dòng công suất cần thiết để điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát khi tốc độ gió thay đổi và tải biến đổi Các mô phỏng cho kết quả phù hợp với các khái niệm được đề xuất

Và còn rất nhiều phương pháp khác chưa được kể đến, mỗi phương pháp sẽ

có những điểm khác biệt nhau,những hạn chế riêng biêt Tuy nhiên, tất cả các phương pháp nói chung đều hướng tới một tiêu chung là nhằm “ổn định điện áp và tần số của mô hình SEIG” khi tải thay đổi, vận tốc gió thay đổi

2.2 Tổng quan về tình hình ứng dụng máy phát không đồng bộ 3 pha tự kích trong hệ thống SEIG

Nhu cầu điện năng ở mỗi nước và toàn thế giới không ngừng tăng Nhưng nguồn nhiên liệu than và khí đốt cho nhiệt điện không còn dồi dào và gây khó khăn lớn cho việc khắc phục ô nhiễm môi trường nặng nề Thủy điện lớn thì đã đến lúc cạn kiệt Chỉ điện hạt nhân đang dóng vai trò lớn, nhưng cũng bắt đầu các dấu hiệu chững lại

Và nguồn năng lượng tái tạo nổi lên như một trong những nguồn cứu cánh Bên cạnh điện mặt trời, điện gió đang là nguồn đáp ứng không thể thiếu cho nhiều nước trên thế giới hiện nay và tương lai, trong đó có Việt Nam

Các số liệu thu thập bởi Hội đồng năng lượng gió toàn cầu (GWEC) và một vài tổ chức tư nhân khác để xây dựng nên danh sách các quốc gia “mạnh” trên thế giới có công suất điện gió tính theo mật độ dân số

Kết quả mà chúng tôi sưu tầm chỉ được công bố đầy đủ đến năm 2012 Đó là

2 đồ thị về Top các cường quốc điện gió sắp xếp thứ bậc theo tổng công suất điện gió quốc gia theo đầu người (tính theo 1 triệu dân)

Trong Đồ thị bên dưới, tên các nước liệt kê ở cột bên trái theo thứ bậc từ cao xuống thấp Chiều dài các cột nằm ngang tương ứng với tổng công suất điện gió (đơn vị Mêga-oat) tính trên triệu dân Đồ thị mô tả 47 quốc gia có tổng cống suất

điện gió tính trên đầu người (tính theo triệu dân) lớn nhất trên thế giới Ở đây, có 5 nước ở cuối cũng được xem là quốc gia có điện gió, tuy chưa có đủ số liệu, trong đó

có Việt Nam; bên cạnh Iran, Venezyela, Ethiopia và Pakistan

Hình 2.2.1 - Mô tả thứ tự các nước phát triển điện gió với số liệu ở thời

điểm năm 2012

Các số liệu thống kê sắp xếp thứ tự cũng được mô tả qua hình thức khác cho

15 nước phát triển điện gió hàng đầu ở thời điểm ở năm 2012 trên Đồ thị số 2 Độ lớn về công suất điện gió theo đầu dân số tương ứng với độ lớn diện tích (kèm theo giá trị tương đối tính theo %) của mãng màu tương ứng với tên nước ghi trên cột dọc ở phía bên phải

Hình 2.2.2 - Mô tả thứ tự 15 nước phát triển điện gió nhất với số liệụ ở thời điểm

năm 2012

Ngoài ra, trên bảng số liệu kèm theo sau đây còn thống kê giá trị về Tổng công suất điện gió tuyệt đối và tương đối trên triệu dân của 33 quốc gia điện gió hàng đầu trên thế giới

Hình 2.2.3 - Thứ tự các “cường quốc” điện gió kèm theo Tổng công suất điện gió tuyệt đối theo MW (cột cuối) và tương đối trên triệu dân, MW/triệu dân

Từ bảng số liệu trên, rõ ràng Đan Mạch năm 2012 đã vươn lên đầu bảng các quốc gia điện gió tính trung bình trên đầu người dân Tiếp theo là các nước Tây Ban

Nha, Bồ Đào Nha, Thuỵ Điển, Đức và Ireland cùng nằm trong TOP 5 “cường quốc” điện gió Thứ tự sắp xếp trên có tính tương đối và dễ dàng thay đổi nhanh chóng vì

ở các nước trên cũng như các nước lớn khác đang mọc lên những nhà máy điện gió mới ngày càng lớn hơn Chẳng hạn, Canada, Áo và Hy Lạp đang nằm ngoài top 10 nhưng mỗi nước đang có các chính sách năng lượng gió mạnh cho những năm tới

và biết đâu vài năm sắp tới có quốc gia vươn lên top 5, thậm chí thứ bậc cao nữa

Chương3 -HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TỰ KÍCH (SEIG)

3.1 Hệ thống điện gió

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió

Hình 3.1.1- Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió

Đây là một quá trình từ khi nhận được gió vào và sinh ra điện Một hệ thống điện gió bao gồm các bộ phận chính như sau:

+ Cánh quạt

+ Bộ truyền động

+ Máy phát

+ Phương pháp điều khiển

+ Bộ biến đổi điện áp

3.1.1 Cánh quạt

Có thể nhận thấy vận tốc gió thay đổi sau khi đi qua cánh quạt Điều này sẽ làm ảnh hưởng đến công suất mà máy phát điện gió tạo ra khi xây dựng nhiều tuabin ở gần nhau, nên cần phải có tính toán kỹ lưỡng khoảng cách giữa các tuabin trước khi thi công

Hình 3.1.1- C p của các loại cánh quạt khác nhau của tuabin gió

Dễ dàng nhận thấy là dòng chảy không khí là hoàn toàn liên tục trước và sau khi đi qua cánh quạt Điều đó có nghĩa là không phải là toàn bộ động năng của gió đều được chuyển thành năng lượng làm quay cánh quạt Thông thường năng lượng điện sản xuất được chỉ bằng 30% năng lượng gió đi qua cánh quạt Turbine

Một mặt, ngoài việc giữ cho tốc độ rotor ổn định tại tốc độ không đổi thì việc

sử dụng hộp số cũng mang đến những điểm mạnh như việc giảm thiểu kích cỡ của turbine gió xuống đáng kể Ngoài ra, sử dụng hộp số cho phép giảm thiểu chiều dài cánh quạt từ đó dẫn đến khối lượng và kinh phí đầu tư của toàn máy phát giảm đi một cách đáng kể Tuy nhiên, hộp số cũng có những điểm yếu của nó Quá trình truyền động này sử dụng các bánh răng cơ khí và cơ chế không đem lại hiệu suất truyền tải cao, một lượng lớn tổn hao do ma sát sẽ xuất hiện trên các bánh răng khi đang làm việc và khi chuyển số (chuyển bánh răng để phù hợp với tốc độ gió khác

Hình 3.1.2- Cấu tạo hộp số

nhau) Thứ hai, mặc dù tiếng động phát ra từ hộp số có thể là ở tần số thấp như đã nói ở trên nhưng rất khó để ngăn chặn tiếng ồn này truyền và tạo ra tiếng vang qua trụ đỡ Cuối cùng, việc sử dụng hộp số bắt buộc phải có bảo dưỡng định kỳ

b Truyền động trực tiếp

Tuabin gió không sử dụng bánh răng (hay thường gọi là truyền động trực tiếp) loại bỏ hoàn toàn hộp số ra khỏi cấu trúc của nó Thay vào đó, trục của rotor máy phát được nối trực tiếp vào trục quay của cánh quạt, nghĩa là rotor sẽ quay cùng tốc độ với cánh quạt Vì bỏ hộp số nên kiểu này tồn tại cả những ưu điểm và khuyết điểm mà loại kia có

Truyền động trực tiếp thường được sử dụng trong các máy phát công suất nhỏ, nó có thể là máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), máy phát dây quấn đồng bộ (WRSG) hay cũng có thể là máy phát dây quấn cảm ứng (WRIG)

3.1.3Máy phát

Tùy theo cấu trúc và nguyên lý hoạt động mà máy phát được phân ra thành các kiểu khác nhau Tuy nhiên có 2 nhóm chính là máy phát đồng bộ và máy phát không đồng bộ Trong phần này, chỉ giới thiệu mô hình máy phát điện không đồng

bộ ba pha tự kích (SEIG)

3.2 Máy phát điện không đồng bộ ba pha tự kích

Phương trình toán của Máy phát điện không đồng bộ tự kích(SEIG) trong hệ tọa độ quay d-q:

Trong đó: + v sd,v sq,v rd,v rq: Điện áp stator và rotor

+ i sd,i sq,i rd,i rq: Dòng điện stator và rotor + sd,sq,rd,rq: Từ thông stator và rotor + R s,R r,L s,L r: Điện trở và điện cảm của stator và rotor + r,T e,T m: Tốc độ rotor, moment điện từ,moment máy + p, J: Số đôi cực, hằng số quán tính

+ L m: Điện cảm tương hổ giữa stator và rotor Máy phát điện không đồng bộ sử dụng công suất phản kháng của mạng để tạo ra từ thông do đó khi công tác song song với mạng xoay chiều nó sẽ nhận từ mạng lượng công suất này Ngoài ra, máy phát điện không đồng bộ cũng có thể hoạt động ở chế độ độc lập với khả năng tự kích nhờ hệ thống tụ điện bù lắp đặt kèm theo cùng với máy phát

Sơ đồ cho thấy máy phát điện không đồng bộ (AG), làm việc song song với lưới, nó nhận dòng tải phản kháng IL= IM.Và phát ra dòng tác dụng Ia ,cung cấp cho tải thuần trở R

Khi đưa các tụ điện vào hoạt động, nó đóng vai trò là tải dung kháng thì nhận

từ mạng dòng I C Bộ tụ điện đã được tính toán để giá trị I C bằng dòng phản kháng I L

Từ đồ thị véc tơ ta có dòng điện kháng tiêu thụ của mạng hiện tại là :

Hình 3.2.1- Sơ đồ máy phát khi nối tải và tụ điện (a), đồ thị vector (b)

IC + IL = 0

Để máy phát không đồng bộ cấp cho mạng công suất tác dụng thì giá trị công suất của bộ tụ điện cần bằng với lượng cảm kháng mà máy phát nhận vào.Nếu không thoả mãn điều đó, tải sẽ phải là tải hỗn hợp.Trong trường hợp tải là RC thì lượng tụ cần thiết sẽ nhỏ hơn, và ở một số điều kiện thì việc có những tụ này là không cần thiết

Theo sơ đồ tương đương và đồ thị véc tơ máy phát không đồng bộ được mô

tả, ta có thể xác định được các thông số và các giá trị tương ứng, đặc tính làm việc

Hình 3.2.2 - Sơ đồ tương đương của máy phát dị bộ

Hình 3.2.3 - Đồ thị vector máy phát dị bộ

của máy phát.Công suất phản kháng tiêu tán trên x 1 , x 2 , x M cũng có thể xác định được

Thấy rằng trên đặc tính làm việc ở chế độ không tải ổn định của máy phát không đồng bộ tự kích bằng tụ điện, quá trình tự kích của máy được lai bởi động cơ

sơ cấp và trong cuộn stator có từ dư nên xuất hiện sức điện động E du, sức điện động này đặt lên bộ tụ với dòng I C chảy qua stator của máy phát làm tăng cường từ thông

của máy phát, và sức điện động được tăng lên E 1 đồng thời dòng qua tụ cũng tăng lênI C quá trình cứ tiếp diễn như vậy Đường đặc tínhU x I C. Cmô tả sự quan hệ giữa điện áp và dòng dung kháng Quá trình tự kích trên hình mô tả điều kiện tự kích đường bậc thang tuyến tính Đường cong đặc tính không tải (x1x M).IC

Mô tả quá trình tự kích của máy phát thể hiện trên hình 7 với điểm kết thúc là

A Thấy rằng quá trình tự kích của máy phát không đồng bộ tương tự như đối với máy phát điện một chiều

Trong đó là giả định rằng dòng stato ban đầu với quá trình tự kích thích xảy

ra là kết quả của dòng chảy của từ dư là dòng ban đầu cũng nạp cho tụ điện tích

Hình 3.2.4 - Quá trình tự kích của máy phát dị bộ

điện.Công suất của bộ tụ điện máy phát không đồng bộ tự kích là khá lớn (lên đến 70-100% công suất định mức của máy phát điện) làm cho việc lắp đặt tốn kém Về vấn đề này làm hạn chế phạm vi sử dụng các máy phát điện dị bộ

3.3 Quy đổi hệ quy chiếu

Ma trận chuyển đổi từ tọa độ 3 pha sang 2 pha

[

]

[

Quy đổi sang 2 pha

Phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu

Chương 4 - ỔN ĐỊNH NGÕ RA MÔ HÌNH SEIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP STATCOM

4.1 Mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống SEIG gồm: Turbine gió, Máy phát không đồng bộ và bộ tụ điện tự kích đấu tam giác, Tải tuyến tính hoặc phi tuyến và bộ điều khiển PV Based STATCOM

Giá trị bộ tụ điện tự kích được cài đặt trước nhằm kích chạy máy phát ở chế

độ không tải.Hệ thống nguồn PV sẽ được kết nối tới liên kết DC của VSI nhằm mục đích duy trì điện áp DC không đổi

4.2 Mô hình hoá máy phát điện cảm ứng tự phát:

Điện áp 3 pha của máy phát:

[V] = [R][I] + [L]p[I] + wr[G][I]

Các phái sinh hiện tại có thể được xây dựng như:

p[I] = [L]-1{[V] - [R][I] - wr[G][I]}

Ma trận của điện áp, dòng điện và điện trở được thể hiện như đã đề cập trong các biểu thức

Hình 4.1.1 - Mô hình hệ thống năng lượng gió với PV Based STATCOM