Luận văn Thạc sĩ: Điều khiển turbine gió DFIG không đồng bộ nguồn kép

Phân tích phương pháp điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG. Tài liệu hướng dẫn cài đặt và vận hành bộ điều khiển cho hệ thống turbine gió hiện

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hải
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Trực
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. HCM

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển máy điện gió DFIG

Máy điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) là cấu hình máy phát phổ biến nhất trong các tuabin gió hiện đại. Cấu trúc gồm stator nối trực tiếp với lưới điện và rotor nối qua bộ biến đổi công suất. Bộ biến đổi chỉ xử lý khoảng 25-30% công suất định mức. Nhờ vậy chi phí thiết bị giảm rõ rệt. Hệ thống cho phép vận hành với tốc độ thay đổi trong dải rộng. Tuabin bắt được nhiều năng lượng gió hơn ở nhiều điều kiện vận tốc. Luận văn của Nguyễn Thanh Hải nghiên cứu mô hình DFIG công suất 2.3MW. Mục tiêu là điều khiển độc lập công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Phương pháp định hướng từ thông stator SFOC được áp dụng làm nền tảng. Điều khiển DFIG đòi hỏi mô hình toán chính xác của tuabin và máy phát. Các đại lượng dòng điện rotor được phân tích trong hệ trục tọa độ dq. Việc tách thành phần thứ tự thuận và nghịch giúp xử lý nguồn mất đối xứng. Đây là cơ sở để vận hành ổn định khi lưới điện gặp sự cố.

1.1. Cấu trúc máy phát DFIG nguồn kép

DFIG là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn. Stator nối thẳng với lưới ba pha. Rotor nối với lưới qua hai bộ biến đổi back-to-back. Một bộ phía rotor điều khiển dòng kích từ. Một bộ phía lưới giữ ổn định điện áp tuyến trung gian DC. Bộ biến đổi chỉ mang một phần nhỏ công suất tổng. Điều này làm giảm kích thước và giá thành linh kiện bán dẫn. Máy phát hoạt động cả ở chế độ dưới đồng bộ và trên đồng bộ. Dòng công suất rotor đảo chiều theo độ trượt. Cấu trúc này mang lại hiệu suất cao và khả năng điều khiển linh hoạt cho hệ thống tuabin gió.

1.2. Vai trò trong hệ thống năng lượng gió

Năng lượng gió là nguồn tái tạo phát triển nhanh nhất hiện nay. Nhu cầu giảm phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch thúc đẩy mạnh mẽ xu hướng này. DFIG chiếm thị phần lớn trong các trang trại gió quy mô công nghiệp. Máy phát giúp tuabin vận hành tối ưu theo từng vận tốc gió. Khả năng điều khiển độc lập P và Q hỗ trợ ổn định lưới điện. DFIG cung cấp công suất phản kháng khi lưới cần. Nhờ vậy chất lượng điện áp tại điểm kết nối được cải thiện. Đây là lý do DFIG trở thành lựa chọn ưu tiên cho điện gió quy mô lớn tại Việt Nam và thế giới.

II. Phân tích vấn đề điều khiển DFIG khi nguồn mất đối xứng

Lưới điện thực tế hiếm khi cân bằng hoàn hảo. Sự cố tải lệch pha hoặc ngắn mạch một pha gây mất đối xứng điện áp. Khi đó máy điện gió DFIG chịu nhiều tác động bất lợi. Dòng rotor xuất hiện thành phần thứ tự nghịch. Thành phần này dao động ở tần số gấp đôi tần số lưới. Moment điện từ bị dao động mạnh theo. Công suất tác dụng và phản kháng cũng nhấp nhô liên tục. Hệ quả là phát nóng cục bộ và rung động cơ khí tăng cao. Tuổi thọ bộ biến đổi và hộp số bị rút ngắn. Bộ điều khiển SFOC tiêu chuẩn được thiết kế cho nguồn đối xứng. Khi nguồn mất đối xứng, bộ điều khiển này không còn đáp ứng tốt. Sai số bám tín hiệu tăng lên đáng kể. Luận văn mô phỏng cụ thể trường hợp này trên máy DFIG 2.3MW. Kết quả cho thấy biên độ dao động vượt ngưỡng an toàn. Vấn đề đặt ra là phải tách và bù thành phần thứ tự nghịch. Đây chính là động lực phát triển bộ điều khiển nâng cao.

2.1. Ảnh hưởng của thành phần thứ tự nghịch

Điện áp mất đối xứng sinh ra thành phần thứ tự nghịch trong hệ thống. Thành phần này quay ngược chiều so với thứ tự thuận. Trong hệ tọa độ dq thuận, nó biểu hiện thành dao động tần số kép. Dòng rotor và dòng stator đều bị méo dạng. Moment điện từ dao động gây ứng suất cơ khí lên trục và bánh răng. Công suất ra lưới không còn phẳng mà nhấp nhô tuần hoàn. Nhiệt độ cuộn dây tăng do dòng đỉnh cao hơn. Nếu không xử lý kịp thời, thiết bị bảo vệ có thể ngắt máy phát. Việc phân tích chính xác thành phần này là bước nền tảng cho mọi giải pháp bù.

2.2. Hạn chế của phương pháp SFOC truyền thống

Phương pháp định hướng từ thông stator SFOC dựa trên giả thiết nguồn cân bằng. Bộ điều khiển PI làm việc với đại lượng một chiều ở chế độ xác lập. Khi nguồn mất đối xứng, tín hiệu xuất hiện thành phần xoay chiều tần số kép. Bộ PI không thể triệt tiêu hoàn toàn sai số xoay chiều này. Hậu quả là dòng rotor vẫn dao động ngoài mong muốn. Đáp ứng động của hệ thống suy giảm rõ rệt. Khả năng điều khiển độc lập P và Q bị phá vỡ. Mô phỏng cho thấy SFOC đơn thuần không đủ ổn định trong điều kiện sự cố lưới. Cần bổ sung khâu xử lý thành phần thứ tự để khắc phục.

III. Giải pháp điều khiển SFOC kết hợp bộ tách thứ tự

Giải pháp cốt lõi của luận văn là điều khiển SFOC kết hợp bộ tách thành phần thứ tự SEQ. Mô hình được gọi là DFIG_SFOC+SEQ. Ý tưởng là tách riêng thành phần thuận và nghịch của dòng rotor. Mỗi thành phần được điều khiển trong hệ tọa độ quay tương ứng. Bộ lọc notch loại bỏ dao động tần số kép khỏi tín hiệu đo. Nhờ vậy bộ điều khiển PI làm việc với đại lượng một chiều sạch. Dòng rotor thành phần thuận được điều chỉnh để bám công suất đặt. Dòng rotor thành phần nghịch được điều khiển để triệt tiêu dao động. Kết quả là moment điện từ phẳng hơn nhiều. Công suất tác dụng và phản kháng ổn định trở lại. Mô phỏng so sánh ba mô hình rõ ràng. DFIG_SFOC nền tảng dao động mạnh khi nguồn lệch. DFIG_SFOC+SEQ giảm dao động xuống mức rất thấp. Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất DPC cũng được khảo sát. Mỗi cách có ưu nhược điểm riêng về độ phức tạp và chất lượng đáp ứng. Lựa chọn phụ thuộc yêu cầu cụ thể của trang trại gió.

3.1. Nguyên lý bộ tách thứ tự và lọc notch

Bộ SEQ phân tách tín hiệu thành hai bộ thành phần thuận và nghịch. Mỗi bộ được biểu diễn trong hệ trục dq quay riêng. Thành phần thuận quay cùng chiều từ thông stator. Thành phần nghịch quay ngược chiều với tốc độ tương ứng. Bộ lọc notch được điều chỉnh đúng tần số dao động kép. Nó loại bỏ nhiễu xoay chiều trước khi đưa vào khâu PI. Dòng rotor trước và sau lọc notch được ký hiệu rõ trong mô hình. Nhờ tín hiệu sạch, bộ điều khiển đạt độ chính xác cao. Đây là kỹ thuật then chốt giúp DFIG vận hành ổn định khi lưới mất đối xứng.

3.2. So sánh SFOC SFOC SEQ và DPC

Ba phương pháp được mô phỏng trên cùng máy DFIG 2.3MW. SFOC tiêu chuẩn đơn giản nhưng dao động lớn khi nguồn lệch. SFOC+SEQ thêm bộ tách thứ tự, giảm mạnh dao động moment và công suất. Cấu trúc phức tạp hơn nhưng chất lượng đáp ứng vượt trội. Điều khiển trực tiếp công suất DPC bỏ qua vòng dòng trong. DPC cho đáp ứng nhanh nhưng độ nhấp nhô công suất cao hơn. Việc chọn phương pháp cân nhắc giữa độ ổn định, độ phức tạp tính toán và chi phí. Với lưới yếu, SFOC+SEQ tỏ ra phù hợp nhất nhờ khả năng bù thành phần nghịch.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của DFIG

Nghiên cứu khẳng định DFIG là lựa chọn hiệu quả cho điện gió quy mô lớn. Mô hình tuabin và máy phát được xây dựng đầy đủ và đáng tin cậy. Phương pháp SFOC điều khiển độc lập P và Q hoạt động tốt khi nguồn đối xứng. Khi nguồn mất đối xứng, bộ tách thứ tự SEQ chứng minh giá trị rõ rệt. Dao động moment và công suất giảm xuống mức an toàn. Tuổi thọ thiết bị nhờ đó được kéo dài. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở cho thiết kế thực tế. Các trang trại gió tại Việt Nam có thể tham khảo phương pháp này. DFIG giúp ổn định lưới điện và nâng cao chất lượng điện áp. Khả năng vận hành tốc độ thay đổi tối ưu hóa sản lượng điện. Hướng phát triển tiếp theo là kiểm chứng trên mô hình phần cứng. Việc tích hợp điều khiển thông minh cũng đáng được nghiên cứu. Tổng thể, đề tài đóng góp thiết thực cho lĩnh vực năng lượng tái tạo. Điều khiển máy điện gió DFIG vẫn là chủ đề có giá trị học thuật và công nghiệp cao.

4.1. Giá trị kết quả mô phỏng

Các mô phỏng được thực hiện trên máy DFIG 2.3MW theo nhiều kịch bản. Trường hợp nguồn đối xứng cho đáp ứng P và Q độc lập và mượt. Trường hợp nguồn mất đối xứng bộc lộ rõ điểm yếu của SFOC thuần. Khi bổ sung SEQ, các chỉ số dao động cải thiện đáng kể. So sánh số liệu giữa các mô hình mang tính định lượng và thuyết phục. Kết quả này là bằng chứng cho hiệu quả của giải pháp đề xuất. Nó cũng tạo nền tảng đáng tin cho các nghiên cứu mở rộng sau này về điều khiển DFIG.

4.2. Triển vọng ứng dụng tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng gió lớn dọc bờ biển và vùng cao nguyên. Nhiều dự án điện gió đang được đầu tư mạnh mẽ. DFIG phù hợp với điều kiện lưới điện còn nhiều biến động. Khả năng bù công suất phản kháng hỗ trợ ổn định lưới khu vực. Phương pháp SFOC+SEQ giúp tuabin trụ vững khi lưới gặp sự cố. Điều này quan trọng với các lưới yếu ở vùng sâu vùng xa. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ sư trong nước. Việc nội địa hóa thiết kế điều khiển sẽ giảm chi phí và tăng tự chủ công nghệ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo đang trở thành trụ cột chiến lược trong bức tranh an ninh năng lượng toàn cầu và tại Việt Nam. Theo khảo sát của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam sở hữu tổng tiềm năng năng lượng gió ước tính lên tới 513.360 MW, gấp hơn 200 lần công suất của nhà máy thủy điện Sơn La và gấp 10 lần nhu cầu dự báo toàn hệ thống điện. Đặc biệt, khoảng 8,6% diện tích lãnh thổ đất liền đạt mức tiềm năng rất tốt để xây dựng các trang trại phong điện quy mô lớn. Tuy nhiên, hệ thống điện quốc gia vốn phụ thuộc hơn 34% vào thủy điện, thường xuyên đối mặt nguy cơ thiếu hụt công suất nghiêm trọng vào mùa khô. Việc hòa lưới các nguồn điện gió lớn đóng vai trò then chốt nhưng cũng đặt ra thách thức phức tạp về tính ổn định của lưới điện.

Vấn đề cốt lõi phát sinh khi vận hành máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong điều kiện lưới điện xảy ra sự cố sụt áp hoặc mất đối xứng điện áp ba pha. Hiện tượng này gây ra dao động điện từ lớn, quá dòng mạch rotor và làm suy giảm chất lượng điện năng. Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học toàn diện và thiết kế giải thuật điều khiển định hướng từ thông stator (SFOC) tích hợp bộ bù thành phần thứ tự thuận nghịch (SEQ) cho máy phát DFIG công suất định mức 2.3 MW. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích quá độ khi điện áp một pha bị sụt giảm từ 10% đến 30% trên môi trường mô phỏng động học. Đóng góp của đề tài giúp tối ưu hóa dung lượng bộ biến đổi chỉ ở mức 20% đến 30% công suất danh định, đồng thời triệt tiêu hiệu quả các xung dao động công suất tác dụng và công suất phản kháng, nâng cao độ tin cậy cho các dự án điện gió thực tế tại Việt Nam như nhà máy điện gió Tuy Phong 120 MW và Bạc Liêu 99 MW.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vector không gian (Space Vector Theory) và phép biến đổi hệ tọa độ ba pha cố định sang hệ tọa độ quay đồng bộ d-q theo phương pháp biến đổi Park và Clarke. Khung lý thuyết này cho phép phân rã các đại lượng xoay chiều phi tuyến thành các thành phần một chiều độc lập, tạo tiền đề để điều khiển tách kênh giữa mô-men điện từ và từ thông.

Hai cấu trúc điều khiển chủ đạo được vận dụng gồm:

• Lý thuyết điều khiển định hướng từ thông stator (SFOC): Thiết lập mối liên hệ trực tiếp giữa dòng điện rotor trục d-q với công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q, sử dụng khâu điều khiển tỷ lệ tích phân kết hợp chống bão hòa tích phân (PI Anti-Windup) nhằm ổn định dòng điện điều khiển.
• Lý thuyết phân tích thành phần đối xứng kết hợp bộ lọc Notch: Tách điện áp và dòng điện không đối xứng thành hai thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch, xử lý triệt để tần số dao động bậc hai phát sinh trong hệ thống.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: máy phát điện dị bộ nguồn kép DFIG, bộ biến đổi phía rotor (RSC), bộ biến đổi phía lưới (GSC), hệ số công suất và khả năng vận hành vượt qua sự cố điện áp thấp (LVRT).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số động lực học thời gian thực trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink. Dữ liệu đầu vào sử dụng bộ thông số chuẩn của tuabin gió công nghiệp DFIG 2.3 MW, điện áp stator 690 V và tần số làm việc 50 Hz. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm chuỗi 15 kịch bản mô phỏng đa biến, đại diện cho các trạng thái vận hành từ bình thường đến sự cố nghiêm trọng, với bước lấy mẫu thời gian cực nhỏ đạt 50 micro-giây trong tổng chu kỳ chạy 50 giây.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên nguyên tắc lựa chọn mẫu có chủ đích, tập trung vào 3 mức sụt áp bất đối xứng điển hình của pha A tại thời điểm t = 35 giây: sụt áp 10%, 20% và 30% so với điện áp định mức. Lý do lựa chọn mô hình toán học giải tích kết hợp công cụ mô phỏng số vì đây là phương pháp tối ưu để quan sát chi tiết đáp ứng quá độ mili-giây của mạch điện tử công suất mà không gây nguy cơ phá hủy thiết bị phần cứng thực nghiệm công suất lớn. Toàn bộ quy trình nghiên cứu, xây dựng thuật toán và xử lý dữ liệu được tiến hành nghiêm ngặt trong khung thời gian 6 tháng, từ ngày 15/09/2011 đến ngày 15/03/2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và kiểm chứng các giải thuật điều khiển trên hệ thống tuabin DFIG 2.3 MW đã mang lại các phát hiện kỹ thuật nổi bật:

• Khả năng điều khiển độc lập công suất khi nguồn đối xứng: Giải thuật SFOC cho phép điều khiển bám sát chính xác công suất tác dụng P theo lệnh đặt từ 0 đến 2.3 MW và điều chỉnh linh hoạt công suất phản kháng Q về 0 MVAR để duy trì hệ số công suất bằng 1, sai số xác lập thực tế duy trì dưới mức 1,5%.
• Hiện tượng mất ổn định khi sụt áp pha A: Khi lưới điện sụt áp pha A ở mức 10%, 20% và 30% tại giây thứ 35, phương pháp SFOC truyền thống xuất hiện thành phần sóng hài bậc hai với tần số 100 Hz, làm dòng điện rotor tăng vọt vượt 125% giới hạn định mức và gây rung lắc mô-men điện từ lên tới 18% biên độ dao động.
• Hiệu quả vượt trội của bộ bù thứ tự thuận nghịch SEQ: Khi tích hợp bộ lọc Notch và khâu bù SEQ vào khối RSC, dao động công suất tác dụng và mô-men quay được dập tắt nhanh chóng, biên độ sóng hài 100 Hz giảm hơn 82% so với khi không có SEQ, giữ điện áp bus DC ổn định trong biên độ dao động an toàn dưới 2%.
• So sánh hiệu năng giữa SFOC và DPC: Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) mang lại tốc độ đáp ứng động nhanh hơn khoảng 35% trong giai đoạn quá độ, nhưng phương pháp SFOC kết hợp SEQ lại cho chất lượng dòng điện stator mịn hơn và giảm độ méo dạng sóng hài tổng (THD) tốt hơn 25% trong chế độ xác lập.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng dao động khi mất đối xứng điện áp lưới bắt nguồn từ sự tương tác giữa từ thông thứ tự thuận và dòng điện thứ tự nghịch, tạo nên các thành phần lực điện từ quay ngược chiều ở tần số góc kép 2ωs (tương đương 100 Hz trên lưới 50 Hz). Nếu không có cơ chế can thiệp, hiện tượng này sẽ gây ứng suất nhiệt phá hủy mạch biến đổi bán dẫn và làm mỏi cơ khí trục tuabin. Kết quả thử nghiệm hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu kinh điển quốc tế của các nhà khoa học trong ngành, chứng minh rằng việc triệt tiêu dòng thứ tự nghịch thông qua điều khiển dòng rotor là giải pháp tất yếu.

Các chuỗi dữ liệu động học được trực quan hóa tối ưu thông qua các đồ thị miền thời gian:

• Đồ thị điện áp stator ba pha thể hiện rõ độ lệch biên độ tức thời tại mốc 35 giây.
• Đồ thị so sánh đáp ứng dòng điện rotor Ir_abc giữa cấu hình FOC thông thường và FOC có SEQ, làm nổi bật khả năng san phẳng đỉnh sóng hài.
• Bảng ma trận so sánh các chỉ số dao động mô-men Te, độ vọt lố công suất Ps/Qs và điện áp DC-link giữa phương pháp FOC và DPC.

Phân tích định lượng này khẳng định việc tích hợp bộ SEQ là một bước tiến vượt bậc, giúp các hệ thống điện gió quy mô 2.3 MW đáp ứng trọn vẹn tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành lưới điện khắt khe.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng chuyên sâu, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật và lộ trình triển khai cụ thể cho ngành năng lượng:

• Nâng cấp cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC): Các đơn vị thiết kế và chế tạo tủ điều khiển cần tích hợp trực tiếp thuật toán SFOC bổ sung bộ lọc Notch số vào vi xử lý DSP. Mục tiêu giảm thiểu 85% biên độ dao động dòng điện sự cố, hoàn thành kiểm định thuật toán trong khung thời gian từ 6 đến 12 tháng tại các cơ sở nghiên cứu.
• Triển khai mạch bảo vệ chủ động chống quá áp DC-link: Doanh nghiệp vận hành nhà máy điện gió cần lắp đặt bổ sung hệ thống điện trở xả chủ động kết hợp thuật toán đóng cắt vector điện áp nhanh, nhằm giới hạn điện áp bus DC dưới ngưỡng nguy hiểm 110% định mức trong vòng 3 đến 6 tháng tới.
• Nâng cao năng lực giám sát và điều độ tại trung tâm điều hành: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) và các nhà máy phong điện cần trang bị thiết bị đo lường đồng bộ pha (PMU) tại điểm đấu nối 110 kV và 220 kV. Mục tiêu kiểm soát độ lệch điện áp không đối xứng dưới 2% và tối ưu hóa hệ số công suất cosφ đạt 0,95 theo lộ trình giai đoạn 2023 - 2025.
• Hoàn thiện khung tiêu chuẩn kỹ thuật nối lưới quốc gia: Cục Điều tiết Điện lực và Bộ Công Thương cần ban hành quy chuẩn bắt buộc về khả năng vượt qua sự cố sụt áp (LVRT) đối với các tuabin gió từ 2.0 MW trở lên, yêu cầu tuabin duy trì nối lưới khi sụt áp tới 30% trong thời gian tối thiểu 500 mili-giây, áp dụng đồng bộ trong 1 đến 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư vận hành và bảo dưỡng nhà máy phong điện: Cung cấp tài liệu tra cứu chuyên sâu về nguyên lý làm việc của cấu hình DFIG 2.3 MW, hỗ trợ phân tích sự cố mất đối xứng điện áp và tối ưu hóa hệ số công suất tại các dự án phong điện từ 50 MW đến 120 MW.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Điện tử công suất và Hệ thống điện: Cung cấp bộ phương trình trạng thái toán học hoàn chỉnh, sơ đồ khối giải thuật SFOC và bộ mô hình mô phỏng MATLAB/Simulink chuẩn hóa phục vụ công tác giảng dạy và phát triển đề tài nghiên cứu.
• Các chủ đầu tư và đơn vị tư vấn thiết kế điện gió: Nắm rõ các tiêu chí kỹ thuật về tỷ lệ công suất biến tần 20% đến 30%, từ đó đánh giá chính xác hiệu quả kinh tế và độ tin cậy công nghệ khi lựa chọn nhà cung cấp tuabin.
• Chuyên viên hoạch định chính sách tại các cơ quan quản lý năng lượng: Sử dụng các số liệu thực chứng về tiềm năng điện gió 513.360 MW và yêu cầu kỹ thuật lưới điện để xây dựng quy hoạch năng lượng tái tạo bền vững.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao máy phát DFIG lại chiếm tới khoảng 47% thị phần tuabin gió toàn cầu? Máy phát DFIG cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong dải rộng khoảng 30% xung quanh tốc độ đồng bộ, trong khi bộ biến đổi điện tử công suất chỉ cần xử lý 20% đến 30% tổng công suất phát. Cấu hình này giúp giảm đáng kể kích thước, tổn hao nhiệt và chi phí đầu tư so với hệ thống biến đổi toàn phần.

• Hiện tượng mất đối xứng điện áp lưới gây tác hại cụ thể nào lên tuabin gió DFIG? Mất đối xứng điện áp tạo ra từ thông thứ tự nghịch, gây nên sóng hài dao động tần số 100 Hz trên mô-men cơ khí và công suất ngõ ra. Hiện tượng này làm dòng điện rotor tăng quá mức từ 120% đến 130%, dẫn đến nguy cơ quá nhiệt linh kiện bán dẫn và rung giật cơ học.

• Bộ bù thành phần thứ tự thuận nghịch (SEQ) triệt tiêu dao động bằng cách nào? Bộ SEQ sử dụng kỹ thuật trích xuất vector thứ tự thuận và thứ tự nghịch thông qua bộ lọc Notch số, sau đó áp dụng khâu bù PI riêng biệt cho từng thành phần. Thuật toán này điều khiển dòng rotor triệt tiêu lực từ trường quay nghịch, dập tắt trên 80% biên độ dao động công suất.

• Điểm khác biệt mấu chốt giữa phương pháp điều khiển SFOC và DPC là gì? Phương pháp SFOC sử dụng khâu điều khiển tuyến tính PI kết hợp điều chế độ rộng xung PWM, mang lại dòng điện chất lượng cao và tần số đóng cắt cố định. Ngược lại, DPC lựa chọn trực tiếp vector điện áp qua bảng tra cứu, cho tốc độ đáp ứng động nhanh hơn 35% nhưng tần số đóng cắt thay đổi.

• Giải thuật trong nghiên cứu có thể ứng dụng cho tuabin quy mô lớn hơn 2.3 MW không? Hoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ thống tuabin công suất từ 4.2 MW đến 5.0 MW. Các tham số trong giải thuật đã được chuẩn hóa theo hệ đơn vị tương đối (p.u), do đó việc chuyển đổi quy mô công suất chỉ yêu cầu hiệu chỉnh thông số định mức của máy điện và bộ biến đổi.

Kết luận

• Luận văn đã mô hình hóa thành công hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát dị bộ nguồn kép DFIG công suất 2.3 MW trên phần mềm MATLAB/Simulink.
• Thiết kế và kiểm chứng hoàn chỉnh giải thuật điều khiển định hướng từ thông stator (SFOC) tích hợp bộ bù thành phần thứ tự thuận nghịch (SEQ), triệt tiêu hiệu quả sóng hài 100 Hz khi nguồn sụt áp 10% đến 30%.
• Phân tích so sánh định lượng sâu sắc giữa hai trường phái điều khiển tiên tiến SFOC và DPC, chỉ rõ ưu thế về chất lượng dòng điện và độ ổn định điện áp DC.
• Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc phục vụ việc tối ưu hóa tỷ lệ dung lượng bộ biến đổi 20% đến 30% cho các dự án phong điện tại Việt Nam.
• Lộ trình 1 đến 2 năm tới cần tập trung phát triển phần cứng điều khiển nhúng trên chip DSP-FPGA và tiến hành thử nghiệm trên hệ thống băng thử thực tế.

Quý bạn đọc, nghiên cứu sinh và các kỹ sư hệ thống điện quan tâm đến mô hình mô phỏng chi tiết hoặc cần trao đổi sâu hơn về giải thuật điều khiển DFIG xin vui lòng liên hệ và tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu tại thư viện học thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Về Năng Lượng Gió 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió ( Khái quát lịch sử phát triển năng lượng gió từ thời trung cổ đến ngày nay ) 1. Tình hình hiện tại và triển vọng tương lai (Khái quát tình hình phát triển khoa học kỹ thuật và triển vọng tương lai của Phong điện) 1. TÀI NGUYÊN NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM 1.1 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam ( Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam so với các nước trong khu vực, cụ thể so với Đông Nam Á) 1.2 Các dự án đang đầu tư vào Việt Nam (Giới thiệu các dự án phát triển Phong điện đang và đã đầu tư vào Việt Nam) 1.

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DFIG 1. Tổng quan về năng lượng gió 1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió Nỗ lực của con người trong việc khai thác năng lượng gió đã có từ thời cổ đại, khi họ sử dụng thuyền và tàu di chuyển bằng sức gió. Sau đó, năng lượng gió phục vụ con người làm hoạt động cối xay hạt và bơm nước. Trong suốt sự biến đổi từ những dụng cụ thô sơ và nặng nề đến những máy phức tạp và hiệu quả, kỹ thuật đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển.

Đã có những tranh luận về khái niệm nguồn gốc của việc sử dụng gió cho cơ năng. Một vài người tin rằng khái niệm này bắt nguồn từ người Babylon cổ đại. Vương triều Hammurabi của người Babylon có kế hoạch sử dụng năng lượng gió cho công trình hệ thống tưới tiêu đầy tham vọng trong suốt thế kỷ XVII trước Công Nguyên [2]. Một số khác lại cho rằng nơi khai sinh ra cối xay gió là Ấn Độ.

Trong thời đại Arthasastra, một tác phẩm cổ điển bằng tiếng Phạn viết bởi Kautiliya suốt thế kỷ thứ IV trước Công Nguyên, nguồn tham khảo được dựa trên việc nâng mặt nước bởi hệ thống được vận hành bởi gió [4]. Tuy nhiên, không có ghi chép nào chứng minh rằng những khái niệm trên biến đổi thành những thiết bị hiện nay. Bản thiết kế của người Ba Tư sử dụng cối xay gió để xây hạt được tìm thấy khoảng vào năm 200 trước Công Nguyên. Đó là những máy trục dọc có bản hứng gió được làm từ những bó lau sậy hay những tấm gỗ.

Những bản hứng gió này được gắn vào cần trung tâm sử dụng thanh chống ngang. Kích thước của những bản hứng gió được quyết định bởi các vật liệu sử dụng, thường thì là dài 5m và cao 9m.[19] Vào thế kỷ XIII, cối xay hạt được sử dụng hầu hết ở Âu Châu. Người Pháp thu nhập kỹ thuật này vào năm 1105 sau Công Nguyên và ở Anh vào năm 1191 trước Công Nguyên. Ngược lại với mẫu thiết kế trục dọc của người Ba Tư, cối xay của Châu Âu lại có trục ngang.[19] Người Hà Lan, với nhà thiết kế trứ danh Jan Adriaenszoon, là những người đi tiên phong trong việc thiết kế ra những loại cối xay này.

Chúng đã tạo nên sự phát triển trong lĩnh vực thiết kế và phát minh vài loại cối xay. Ngoài việc xay hạt, cối xay gió còn được dùng để tháo nước những vùng đầm lầy ở Hà Lan. Những cối xay gió này du nhập vào Mỹ vào khoảng giữa những năm 1700, nhờ vào thực dân Hà Lan. Loại này mô phỏng theo cối xay gió bơm nước, được cho rằng là một trong những ứng dụng thành công của năng lượng gió.

Tuabin gió nhiều cánh (được gọi theo người Mỹ) xuất hiện trong lịch sử năng lượng gió vào khoảng giữa những năm 1800. Roto tương đối nhỏ, có đường kính khoảng từ một đến vài mét, được sử dụng trong thiết kế này. Ứng dụng chủ yếu để bơm nước từ vài mét dưới mặt đất để phụcvụ cho nông nghiệp. Những máy bơm nước này, với những cánh quạt bằng kim loại và thiết kế máy tốt hơn đã hoạt động khá tốt.

Khoảng 6 triệu cái như vậy đã được sử Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm 1900. Tuabin gió hiện đại đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho máy phát điện được xây dựng bởi người Đan Mạch trong năm 1890. Nó cung cấp điện cho vùng nông thôn. Lần đầu tiên, hộp truyền động gia tốc được giới thiệu trong mẫu thiết kế.

Hệ thống này hoạt động trong 20 năm với công suất định mức là 12 kW.[19] Nhiều phương pháp hệ thống cũng được ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật của tuabin trong suốt giai đoạn này. Với kết cấu vững chắc thấp và cánh quạt thiết kế theo động lực học, những hệ thống này đã hoạt động một cách ấn tượng. Năm 1910, vài trăm loại máy kiểu này đã cung cấp điện năng cho những ngôi làng ở Đan Mạch. Vào khoảng năm 1925, máy phát điện bằng sức gió đã có mặt trên thị trường Mĩ Nhà máy năng lượng gió thực nghiệm sau đó được xây dựng ở các nước khác như Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức và Anh.

Một sự phát triển đáng chú ý trong hệ thống lớn này là tuabin 1250 kW thiết kế bởi Palmer C. Tuabin được đưa dụng ở riêng Mỹ, vào khoảng năm 1850 và 1930 vào sử dụng vào năm 1941 tại Grandpa’s Knob gần Rutland, Vermont [1]. Roto 53m của nó được thiết lập trên cột cao 34m. Máy này có thể đạt vận tốc ổn định bằng cách thay đổi góc pitch của cánh quạt và hoạt động 1100 tiếng đồng hồ trong suốt 5 năm tiếp theo, đến khi cánh quạt bị hỏng vào năm 1945.

Công trình này được nhận xét là đã thành công vì nó có thể chứng minh tính khả thi về kỹ thuật của máy phát điện sức gió công suất lớn. Một vài mẫu thiết kế của tuabin gió được thực nghiệm trong giai đoạn này.M, một kỹ sư người Pháp, đã dồn sức vào mẫu thiết kế tuabin Darrieus năm 1920, và được cấp bằng sáng chế ở Mỹ năm 1931 [3]. Nghiên cứu tập trung về nguyên lý hoạt động của tuabin gió xuất hiện trong những năm 1950. Ví dụ như roto nhẹ và có tốc độ cố định phát triển ở Đức vào năm 1968.

Chúng có cánh làm bằng sợi thủy tinh được gắn trên cột rỗng cố định bởi các dây cáp chằng. Loại lớn nhất có đường kính 15m và công suất là 100kW. Trong những năm sau đó, nguồn sơ cấp để sản xuất ra điện khai thác từ nhiên liệu hóa thạch trở nên rẻ và tin cậy hơn. Trong khi đó, nguồn năng lượng gió khai thác từ gió tốn 12 đến 30 cent/kWh trong năm 1940, thì với sản lượng tương tự thì khai thác từ những nguồn nhiên liệu khác chỉ tốn 3 đến 6 cent/kWh vào năm 1970 [7].

Chi phí cho điện năng khai thác từ nhiên liệu hóa thạch giảm xuống thấp hơn 3 cent/kWh năm 1970. Nhiên liệu hóa thạch có ở nhiều nơi với giá khá rẻ trong thời điểm đó. Một vài dự án năng lượng hạt nhân cũng được bắt tay vào thực hiện, và được tin tưởng rằng nó sẽ là nguồn năng lượng cuối cùng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai. Do đó mối quan tâm về năng lượng gió giảm từ từ, đặc biệt trong năm 1970.

Tuy nhiên khủng hoảng dầu năm 1973 đã buộc các nhà khoa học, kỹ sư và những nhà hoạch định chính sách phải suy nghĩ kỹ lại về việc dựa vào nhiên liệu hóa thạch. Họ nhận ra rằng sự xáo trộn về chính sách sẽ hạn chế và giá cả leo thang. Hơn nữa, người ta còn nhận thấy rằng nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch sớm hay muộn sẽ bị cạn kiệt. Năng lượng hạt nhân thì không được chấp nhận vì nhiều lý do về sự an toàn.

Những nhân tố trên đã làm sống lại mối quan tâm về năng lượng gió. Nghiên cứu về sự phân tích nguồn năng lượng, sự phát triển của thiết bị và các kỹ thuật giảm hao phí đã được tăng cường. Mỹ đã giao phó cho Cơ quan hàng không và không gian Hoa kỳ (NASA) việc phát triển tuabin gió cỡ lớn. Kết quả là một loạt tuabin trục ngang với tên gọi là MOD-0, MOD-1, MOD-2 và MOD-5 ra đời [19].

Những dự án trên đã ngưng vào giữa thập niên 1980 vì nhiều lý do khác nhau. Trong cùng thời điểm trên, những nhà khoa học ở phòng thí nghiệm Sandia đã tập trung nghiên cứu mẫu thiết kế và phát triển tuabin Darrieus. Họ sản xuất vài mẫu Darrieus với kích cỡ khác nhau trong thập niên 1980. Việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được trở nên mạnh mẽ trong những năm sau đó.

Một vài sáng kiến mới như tuabin xoáy, kiểu tăng cường máy khuếch tán, roto Musgrove… cũng đã được đề nghị trong giai đoạn đó. Nguyên mẫu của các loại tuabin này đã được chế tạo và thử nghiệm. Tuy nhiên, mẫu thiết kế với cánh quạt trục ngang đã nổi bật trên thị trường tiêu dùng.1: Tuabin gió MOD OA (Công ty điện Hawaiian, nguồn http://heco. Tình hình hiện tại và triển vọng tương lại Ngày nay gió là một nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trên toàn thế giới và đã giữ vững vị trí này trong suốt 5 năm trở lại đây.

Năng suất gió toàn cầu đã tăng trong suốt 5 năm vừa qua. Năng suất gió đạt được trong năm 2004 là 39434MW. Hơn 73% của hệ thống trên toàn cầu là ở Châu Âu. Đức là nước dẫn đầu ở Châu Âu, theo sau là Tây Ban Nha và Đan Mạch.

Năm nước dẫn đầu trong lĩnh vực khai thác năng lượng gió được sắp xếp trong bảng 1. Với niềm hi vọng ngày càng tăng vào năng lượng có thể phục hồi và giảm chi phí trong ngành điện khai thác từ gió, sự phát triển nguồn năng lượng gió vẫn sẽ tiếp tục trong vài năm sắp tới. Theo Hiệp Hội Năng Lượng Gió Châu Âu (EWEA), với cơ sở 230000MW đang được mong đợi, thì gió có thể cung cấp 12% cho nhu cầu năng lượng toàn cầu vào năm 2010. Điều đó cho thấy nó sẽ đem lại khoảng 25 tỉ Euro.

Năng suất khai thác có thể sẽ đạt đến 1.2 triệu MW vào năm 2020 Bảng 1.1 Những quốc gia dẫn đầu máy điện gió [19] Quốc gia Khả năng lắp đặt MW Đức 14609 Mỹ 6352 Tây Ban Nha 6202 Đan Mạch 3115 Ấn Độ 2120 Hình 1.2: Khả năng lắp đặt năng (MW) ở những vùng khác nhau [19] Cùng với sự phát triển của công nghiệp, ngành kỹ thuật năng lượng gió cũng đang thay đổi. Sự thay đổi rõ nhất là việc chuyển các cơ sở ra khơi. Các đề án ngoài khơi đầy tham vọng đang được tiến hành. Ví dụ như 20 đề án ngoài khơi đang trong kế hoạch được lắp đặt ở Anh năm 2006, với tổng năng suất là 1400MW.

Ở Đức, khoảng 30 đề án ngoài khơi năng suất 60000MW đang trong tiến trình hoàn thành. Ở Mỹ, các hoạt động ngoài khơi cũng đang được tăng cường.