Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu nhằm thay thế nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Theo báo cáo của ngành năng lượng, công suất lắp đặt turbine gió hiện nay có thể đạt từ 200 kW đến 2 MW với bán kính rotor từ 47 đến 80 m, góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính và tăng cường an ninh năng lượng. Tuy nhiên, việc điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) vẫn còn nhiều thách thức do đặc tính vận hành phức tạp và yêu cầu về hiệu suất cao trong điều kiện tốc độ gió thay đổi liên tục.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió DFIG sử dụng bộ chuyển đổi back-to-back converters với các phương pháp điều khiển khác nhau nhằm tối ưu hóa công suất tác dụng và công suất phản kháng trên stator. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình điều khiển rotor side inverter (RSI) bằng các kỹ thuật như PWM, 3-level hysteresis kết hợp vector không gian, và 3-level hysteresis kết hợp vector không gian cùng bộ điều khiển PI. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, với dữ liệu thực tế từ turbine gió công suất 2.3 MW, bán kính cánh quạt 40 m, tốc độ gió biến đổi trong khoảng 13.5 đến 16 m/s.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió, giảm tổn hao điện năng và cải thiện độ ổn định của hệ thống điện gió, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG): Mô hình hóa DFIG trong khung tham chiếu điện áp stator (SVRF), cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng thông qua điều chỉnh dòng rotor.

  • Phương pháp điều khiển vector không gian (Space Vector Control): Sử dụng kỹ thuật điều khiển dòng rotor bằng bộ điều khiển hysteresis dựa trên vector không gian, giúp giảm dao động dòng và tần số đóng cắt của bộ chuyển đổi.

  • Mô hình động lực học turbine gió: Bao gồm mô hình công suất cơ học, moment cơ, hiệu ứng bóng tháp và mô hình cơ học trục rotor, giúp mô phỏng chính xác đặc tính vận hành của turbine gió trong điều kiện tốc độ gió thay đổi.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng và phản kháng stator, vector dòng rotor trong hệ tọa độ d-q, bộ chuyển đổi back-to-back converters, và các phương pháp điều khiển PWM, hysteresis 3-level kết hợp PI.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mô phỏng từ hệ thống turbine gió công suất 2.3 MW với các thông số kỹ thuật như bán kính cánh quạt 40 m, tỉ số hộp số 80, điện áp stator định mức 960 V, và tốc độ gió biến đổi trong khoảng 13.5 đến 16 m/s. Các giá trị công suất tác dụng và phản kháng lệnh được đặt lần lượt là 1.1 MW và 0.4 MVar.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng hệ thống DFIG sử dụng Matlab/Simulink với ba phương pháp điều khiển RSI: PWM, 3-level hysteresis kết hợp vector không gian, và 3-level hysteresis kết hợp vector không gian cùng bộ điều khiển PI.

  • So sánh kết quả mô phỏng về đáp ứng công suất tác dụng stator, dao động dòng rotor, và tần số đóng cắt của bộ chuyển đổi.

  • Phân tích hiệu quả điều khiển dựa trên các chỉ số kỹ thuật như độ ổn định, độ chính xác và khả năng vận hành trong điều kiện tốc độ gió thay đổi.

Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong năm 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển công suất tác dụng stator: Phương pháp điều khiển RSI bằng 3-level hysteresis kết hợp vector không gian và PI cho kết quả công suất tác dụng stator ổn định và chính xác nhất, vượt trội hơn so với phương pháp PWM và 3-level hysteresis đơn thuần. Cụ thể, công suất tác dụng đạt gần 1.1 MW với độ lệch nhỏ hơn 2% so với giá trị lệnh.

  2. Giảm dao động dòng rotor: Phương pháp 3-level hysteresis kết hợp vector không gian và PI giảm đáng kể dao động dòng rotor, giúp giảm tổn hao điện năng và tăng tuổi thọ thiết bị. Tần số đóng cắt của bộ chuyển đổi cũng giảm khoảng 15-20% so với phương pháp PWM.

  3. Khả năng vận hành trong điều kiện tốc độ gió thay đổi: Mô phỏng với tốc độ gió biến đổi từ 13.5 đến 16 m/s cho thấy phương pháp điều khiển kết hợp hysteresis và PI duy trì được hiệu suất cao, ổn định công suất và giảm nhiễu điện áp đầu ra.

  4. So sánh các phương pháp điều khiển: Phương pháp PWM tuy đơn giản nhưng có dao động dòng lớn và tần số đóng cắt cao, trong khi phương pháp 3-level hysteresis kết hợp vector không gian và PI cân bằng tốt giữa độ ổn định và hiệu suất, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự vượt trội trong phương pháp 3-level hysteresis kết hợp vector không gian và PI là do khả năng điều khiển dòng rotor chính xác trong hệ tọa độ d-q, giảm thiểu dao động và tăng độ ổn định hệ thống. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về điều khiển DFIG trong hệ thống năng lượng gió, đồng thời khẳng định tính ưu việt của kỹ thuật vector không gian trong điều khiển điện tử công suất.

Biểu đồ so sánh công suất tác dụng stator và dao động dòng rotor giữa các phương pháp điều khiển sẽ minh họa rõ nét sự khác biệt về hiệu quả vận hành. Bảng tổng hợp tần số đóng cắt và sai số công suất cũng giúp đánh giá chi tiết ưu nhược điểm từng phương pháp.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp giải pháp điều khiển hiệu quả cho hệ thống DFIG, góp phần nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng gió, giảm tổn hao và tăng độ bền thiết bị, từ đó thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng phương pháp điều khiển 3-level hysteresis kết hợp vector không gian và PI: Khuyến nghị các nhà thiết kế hệ thống turbine gió sử dụng phương pháp này để tối ưu hóa hiệu suất công suất tác dụng và giảm dao động dòng rotor, nâng cao độ ổn định hệ thống trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng và điều khiển tích hợp: Đề xuất xây dựng bộ công cụ mô phỏng tích hợp trên Matlab/Simulink hoặc các nền tảng tương tự để hỗ trợ thiết kế và thử nghiệm các thuật toán điều khiển mới, giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm.

  3. Nâng cao chất lượng thiết bị điện tử công suất: Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng các linh kiện IGBT/Diode có hiệu suất cao, độ bền tốt nhằm giảm tổn hao và tăng tuổi thọ converter, đặc biệt trong môi trường vận hành khắc nghiệt.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Đề xuất các chương trình đào tạo chuyên sâu về điều khiển vector không gian và kỹ thuật điện tử công suất cho kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện gió, nhằm đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả.

Các giải pháp trên cần được phối hợp thực hiện bởi các đơn vị nghiên cứu, nhà sản xuất thiết bị và cơ quan quản lý trong vòng 3 năm để đạt hiệu quả tối ưu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống điện gió: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa và điều khiển DFIG, giúp cải thiện thiết kế và vận hành turbine gió hiệu quả.

  2. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất và điều khiển tự động: Các phương pháp điều khiển RSI được trình bày chi tiết, phù hợp để phát triển các thuật toán mới hoặc ứng dụng trong các hệ thống tương tự.

  3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành thiết bị điện, mạng điện và nhà máy điện: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình và thực hành mô phỏng điều khiển máy phát điện gió.

  4. Các tổ chức và doanh nghiệp phát triển năng lượng tái tạo: Giúp hiểu rõ hơn về công nghệ điều khiển máy phát điện gió, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và vận hành phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điều khiển nào cho DFIG hiệu quả nhất?
    Phương pháp 3-level hysteresis kết hợp vector không gian và PI được chứng minh có hiệu quả cao nhất trong việc ổn định công suất tác dụng và giảm dao động dòng rotor, phù hợp cho các hệ thống turbine gió hiện đại.

  2. Tại sao cần sử dụng bộ chuyển đổi back-to-back converters?
    Back-to-back converters cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, giúp DFIG vận hành linh hoạt trong điều kiện tốc độ gió thay đổi, đồng thời cải thiện chất lượng điện năng đầu ra.

  3. Mô phỏng trên Matlab/Simulink có thể áp dụng cho hệ thống thực tế không?
    Mô phỏng cung cấp kết quả gần với thực tế và là công cụ hỗ trợ thiết kế, tuy nhiên cần thử nghiệm thực tế để điều chỉnh các tham số và đảm bảo tính ổn định trong vận hành thực tế.

  4. Làm thế nào để giảm dao động dòng rotor trong DFIG?
    Sử dụng kỹ thuật điều khiển vector không gian kết hợp hysteresis 3-level và bộ điều khiển PI giúp giảm dao động dòng rotor, từ đó giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị.

  5. Phạm vi vận hành tốc độ gió của DFIG là bao nhiêu?
    DFIG có thể vận hành hiệu quả trong phạm vi tốc độ gió rộng, thường từ khoảng 90% đến 110% tốc độ đồng bộ, nhờ khả năng điều khiển dòng rotor qua bộ chuyển đổi.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng và mô phỏng thành công các phương pháp điều khiển RSI cho máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) sử dụng back-to-back converters.
  • Phương pháp 3-level hysteresis kết hợp vector không gian và PI cho hiệu suất công suất tác dụng và độ ổn định dòng rotor tốt nhất trong ba phương pháp nghiên cứu.
  • Mô hình động lực học turbine gió và máy phát điện được phát triển chi tiết, giúp mô phỏng chính xác đặc tính vận hành trong điều kiện tốc độ gió thay đổi.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió và phát triển công nghệ điều khiển điện tử công suất.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện hệ thống điều khiển và nâng cao năng lực kỹ thuật trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai thử nghiệm thực tế và mở rộng nghiên cứu về điều khiển trong các điều kiện vận hành phức tạp hơn. Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các phương pháp điều khiển này trong các dự án năng lượng gió tương lai.