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.

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.