Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường. Theo [1], trong các loại hình năng lượng tái tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau: − Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu xem xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì điện gió có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch.
− Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy phong điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác. − Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn. − Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện. Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn còn là một ngành mới mẻ.
Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu. Các văn bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức.về ngành cũng còn ở mức rất hạn chế. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết. Tuy nhiên, với các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng gió nói riêng, nguồn năng lượng đầu vào cung cấp cho các tu bin gió rất thất thường, phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện môi trường bên ngoài và cũng không thể dự trữ được.
Do đó, muốn nâng cao hiệu suất của máy phát điện gió thì vấn đề quan tâm nhất hiện nay là 1 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC phải thu được công suất tối đa do gió mang lại khi vận tốc của chúng dưới tốc độ định mức và thu được công suất định mức máy phát khi gió trên công suất định mức. Đã có nhiều phương pháp được đề xuất để điều khiển máy phát gió kiểu DFIG được đề xuất trong những năm gần đây và đạt nhiều kết quả như các công trình trong nước [4, 6], và các công trình nước ngoài [24-25]. Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng cao về việc phát triển năng lượng gió, cần phải có nhiều hơn các nghiên cứu về điều khiển công suất ngõ ra tại các vận tốc gió khác nhau. Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu công suất tác dụng bơm lên lưới.
Hiệu quả của phương pháp này được kiểm tra qua mô hình hóa mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.2 Mục tiêu của đề tài − Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG. − Thiết kế hệ thống điều khiển công suất máy phát điện gió dùng mô hình nội bằng phần mềm matlab và thiết kế bộ lọc imc. − Dùng Matlab Simulink để mô phỏng, phân tích kết quả hệ thống điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1.1 Nhiệm vụ của đề tài − Tìm hiểu các dạng mô hình của máy phát điện gió kết nối với lưới điện. − Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển máy phát điện gió DFIG.
− Xây dựng mô hình nội, bộ lọc imc điều khiển máy phát điện gió DFIG bằng Matlab/Simulink. − Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng và đưa ra hướng nghiên cứu trong tương lai.2 Giới hạn đề tài. − Nội dung nghiên cứu xoay quanh vấn đề điều khiển độc lập công suất P,Q để máy phát đạt hiệu suất tối đa và ổn định. − Xây dựng mô hình nội điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG bám các điểm vận hành của tuabin nhằm đạt công suất thực cực đại, qua đó nhận xét, 2 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC đánh giá các kết quả mô phỏng khi sử dụng mô hình nội để điều khiển hệ thống máy phát điện gió DFIG bằng phần mềm Matlab /Simulink.4 Phương pháp nghiên cứu: − Sử dụng phương pháp mô hình nội và nhận xét các kết quả cần nghiên cứu của hệ thống điều khiển máy phát điện gió DFIG.
− Thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink. − Đưa ra nhận xét dựa trên kết quả mô phỏng.5 Điểm mới của luận văn Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển máy phát điện tu bin gió trong các miền làm việc khác nhau với nhiệm vụ tiến nhanh đến điểm làm việc mới khi vận tốc gió thay đổi trong các miền làm việc khác nhau. Luận văn sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các sinh viên, các nhà nghiên cứu và những người quan tâm đến lĩnh vực phát triển năng lượng gió. Chi phí xây dựng một hệ thống thực nghiệm quá cao và vận hành rất phức tạp nên việc sử dụng phần mềm mô phỏng là hiệu quả và phù hợp nhất đối với các nhà giáo dục và nhà nghiên cứu khoa học.6 Nội dung của luận văn Nội dung luận văn được chia thành các chương như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về các vấn đề trong luận văn.
Chương 2: Tổng quan năng lượng gió. Chương 3: Phương trình toán. Chương 4: Mô hình hóa mô phỏng. Chương 5: Kết luận.
3 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 trình bày các cơ sở lý thuyết cơ bản về một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện phát lên lưới điện. Qua thông tin được cung cấp bởi chương 2, người đọc sẽ nắm được tổng quan về tình hình phát triển năng lượng gió hiện nay ở trong và ngoài nước, những thuận lợi cũng như khó khăn trong việc phát triển nguồn năng lượng vô tận này. Cấu tạo turbine gió.1 Các loại turbine gió. Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại: − Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng.
− Một loại theo trục ngang. Các loại tu bin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tu bin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi. Ngày nay, tu bin gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.
4 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Hình 2. 1 Các dạng turbine gió 2.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió. Cấu tạo một máy phát turbine gió trục ngang gồm những bộ phận sau: Hình 2. 2 Cấu tạo turbine gió trục ngang − Blades: Cánh quạt, Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay, sẽ chuyển động lực của gió thành năng lượng cơ.
− Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục. 5 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC − Pitch: Bước răng, Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay với tốc độ gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện. Sau đây, góc nghiên cánh quạt tu bin gió được gọi là góc beta do có kí hiệu là β. − Brake: Bộ hãm (phanh), Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
− Low-speed shaft: Trục quay tốc độ thấp. − Gearbox: Hộp số, Bánh răng được nối trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió. − Generrator: Máy phát ra điện.
− Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng. − Anemometer: Bộ đo lường và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. − Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and brake.
Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc. − Hight-speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao. − Yaw drive: Thiết bị dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
− Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định chỉnh được hướng gió. − Tower: Trụ đỡ Nacelle, Trụ tháp được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn [8]. 6 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC 2.3 Các dạng cột tháp turbine gió.
Cột tháp của tua bin gió dung để nâng đỡ nacelle và rotor. Những cột tháp của tua bin gió lớn có thể là dạng cột thép tròn, cột khung giàn thép hoặc cột tháp bê tông. Dạng cột tháp được giữ cố định bằng các dây nối đất thường chỉ được sử dụng đối với các tua bin gió cỡ nhỏ. Dạng cột thép hình ống (Tubular steel tower) Hình 2.
3 Cột thép hình ống Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cột thép hình ống được sản xuất trong khoảng từ 20 – 30 mét với các mặt bích tại mỗi đầu và được nối lại với nhau tại các điểm. Những cột tháp là hình nón (với đường kính của chúng tăng theo hướng chân đế) để tăng độ mạnh của chúng và cũng là để tiết kiệm nguyên liệu. Dạng cột tháp khung giàn (lattice tower) 7 LUẬN VĂN THẠC SỸ GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Hình 2. 4 Cột tháp khung giàn Cột tháp dạng khung giàn được sản xuất sử dụng những mặt nghiêng mối hàn thép.
