ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP SỬ DỤNG BACK-TO-BACK CONVERTERS

• Tác giả: Bùi Hữu Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Trực
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Điều khiển Máy Phát Điện Gió Không Đồng Bộ Nguồn Kép Sử Dụng Back-To-Back Converters
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• THESIS SUMMARY
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu tổng quan
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Đề cương luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 2.1. Lịch sử sử dụng năng lượng gió để phát điện
• 2.2. Phân loại turbine gió
• 2.2.1. Turbine gió kiểu trục thẳng đứng
• 2.2.2. Turbine gió kiểu trục ngang
• 2.3. Các kiểu máy phát điện gió phổ biến
• 2.4. Hộp số
• 2.5. Phương pháp điều khiển
• 2.6. Converter
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DÒNG RSI DÙNG VECTƠ KHÔNG GIAN CHO DFIG
• 3.1. Mô hình hóa DFIG
• 3.2. Điều khiển RSI bằng PWM
• 3.3. Điều khiển RSI dùng vectơ không gian cho DFIG
• 3.4. Điều khiển RSI dùng 3-level hysteresis + PI cho DFIG
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP BẰNG MATLAB/SIMULINK
• 4.1. Mô phỏng DFIG
• 4.2. Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI bằng PWM
• 4.3. Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI dùng hysteresis 3 tầng
• 4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI bằng hysteresis 3 tầng + PI
• 4.5. So sánh kết quả 3 phương pháp điều khiển RSI và nhận xét
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI
• CHƯƠNG 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan về DFIG và Back to Back Converters Trong Điện Gió

Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, thúc đẩy sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo. Trong số đó, điện gió nổi lên như một giải pháp đầy tiềm năng. Hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG), kết hợp với Back-to-Back Converters, đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này. DFIG cho phép tuabin gió hoạt động ở tốc độ thay đổi, tối ưu hóa việc thu thập năng lượng gió. Back-to-Back Converter đảm bảo kết nối lưới điện ổn định, điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng. Các dự án về năng lượng gió đã được xây dựng ở hầu hết các quốc gia. SCIG (squirrel cage induction generator) và DFIG (doubly-fed induction generator) là hai kiểu máy phát thường dùng cho các dự án.

1.1. Ưu điểm của DFIG so với các hệ thống điện gió truyền thống

DFIG vượt trội so với các hệ thống điện gió truyền thống nhờ khả năng hoạt động ở tốc độ thay đổi, tối ưu hóa hiệu suất khai thác năng lượng gió. Điều khiển vector cho phép điều khiển chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng, đảm bảo kết nối lưới điện ổn định. Việc sử dụng Back-to-Back Converter giúp giảm thiểu ảnh hưởng của biến động điện áp lưới đến hoạt động của máy phát. So với SCIG, DFIG có khả năng làm việc với tốc độ gió thay đổi.

1.2. Vai trò của Back to Back Converters trong hệ thống DFIG

Back-to-Back Converter là thành phần không thể thiếu trong hệ thống DFIG, thực hiện chức năng chuyển đổi năng lượng hai chiều giữa rotor và lưới điện. Nó cho phép điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách linh hoạt, đồng thời đảm bảo kết nối lưới điện ổn định. Converter thường băng khoảng 1/3 công suất của máy phát. Ngoài ra nó cũng cho phép điều khiển điện áp lưới.

II. Thách Thức và Vấn Đề Trong Điều Khiển DFIG và Back to Back

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, việc điều khiển DFIG và Back-to-Back Converters cũng đặt ra không ít thách thức. Các vấn đề liên quan đến ổn định hệ thống điện, tích hợp năng lượng gió vào lưới điện, và điều khiển lưới điện hiệu quả đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến. Biến động của tốc độ gió tạo ra những yêu cầu khắt khe về khả năng đáp ứng của hệ thống điều khiển DFIG. Các vấn đề về điện áp DC link và điều khiển tần số cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Hơn nữa, chi phí đầu tư ban đầu có thể là một rào cản.

2.1. Ảnh hưởng của biến động tốc độ gió đến điều khiển DFIG

Tốc độ gió không ổn định gây khó khăn cho việc điều khiển DFIG một cách chính xác. Các thuật toán điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu cần được áp dụng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết. Luận văn nay mô phỏng hệ thong DFIG dùng MATLAB Simulink bằng các phương pháp điều khiến khác nhau.

2.2. Các vấn đề về ổn định lưới điện khi tích hợp DFIG

Việc tích hợp năng lượng gió từ các trang trại điện gió sử dụng DFIG có thể ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện. Các vấn đề như dao động công suất, biến động điện áp, và sự cố lưới điện cần được giải quyết bằng các giải pháp điều khiển lưới điện thông minh và hiệu quả. Do đó, điều khiển tần số có vai trò quan trọng.

2.3. Bài toán tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của DFIG

Nâng cao hiệu suất DFIG và độ tin cậy DFIG là mục tiêu quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống điện gió. Các phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men, điều khiển dòng điện rotor, và điều khiển dòng điện stator có thể được sử dụng để đạt được mục tiêu này. Cần đảm bảo cho Turbine gió hoạt động ổn định và an toàn.

III. Phương Pháp Điều Khiển Vector Tiên Tiến Cho Máy Phát DFIG

Điều khiển vector là một trong những phương pháp điều khiển tiên tiến nhất được sử dụng cho DFIG. Phương pháp này cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, đồng thời cải thiện ổn định hệ thống điện. Các thuật toán điều khiển PID, điều khiển Fuzzy Logic, và điều khiển Neural Network có thể được tích hợp vào hệ thống điều khiển vector để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy. Tiếp theo là mô phỏng máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép sử dung back-to-back converters bằng ba phương pháp: PWM, 3-level hysteresis kết hợp vectơ không gian, 3-level hysteresis kết hợp vecto không gian và PI. Từ kết quả mô phỏng, luận văn so sánh giữa ba phương pháp và nhận thấy phương pháp điều khiến RSI băng 3-level hysteresis kết hợp vectơ không gian va PI cho ra đáp ứng của công suất tác dung stator là tốt nhất.

3.1. Ứng dụng PWM trong điều khiển Back to Back Converter

Kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation) được sử dụng rộng rãi trong điều khiển Back-to-Back Converter để tạo ra các tín hiệu điều khiển cho các van IGBT. Điều này cho phép kiểm soát chính xác điện áp và dòng điện, đồng thời giảm thiểu sóng hài. Bộ nghịch lưu (Inverter) và Bộ chỉnh lưu (Rectifier) đều có thể được điều khiển bằng kỹ thuật PWM.

3.2. Điều khiển dòng điện rotor và stator bằng thuật toán PID

Các thuật toán điều khiển PID được sử dụng để điều khiển dòng điện rotor và điều khiển dòng điện stator một cách chính xác. Việc điều khiển dòng điện giúp kiểm soát công suất tác dụng và công suất phản kháng, đồng thời đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện tải thay đổi. Cần xây dựng Mô hình DFIG chính xác.

3.3. Sử dụng Fuzzy Logic và Neural Network để tối ưu điều khiển

Các phương pháp điều khiển Fuzzy Logic và điều khiển Neural Network có thể được sử dụng để điều khiển tối ưu hệ thống DFIG trong điều kiện vận hành phức tạp. Các thuật toán này có khả năng học hỏi và thích nghi với sự thay đổi của môi trường, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy. Cần nghiên cứu Thuật toán điều khiển DFIG hiệu quả.

IV. Ứng Dụng và Kết Quả Mô Phỏng Hệ Thống DFIG Với Back to Back

Việc mô phỏng DFIG và Back-to-Back Converters là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển khác nhau. Các phần mềm như MATLAB/Simulink, Power Systems Computer Aided Design (PSCAD), và OpenDSS được sử dụng rộng rãi để thực hiện các mô phỏng này. Kết quả mô phỏng cho thấy các phương pháp điều khiển tiên tiến có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện gió.

4.1. So sánh hiệu suất các phương pháp điều khiển DFIG trên MATLAB

Các mô phỏng trên MATLAB/Simulink cho phép so sánh hiệu suất của các phương pháp điều khiển DFIG khác nhau, chẳng hạn như điều khiển vector, điều khiển PID, và điều khiển Fuzzy Logic. Kết quả so sánh giúp lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể. Kiểm tra các thông số Điện kháng rotor, Điện kháng stator, Điện áp rotor, Điện áp stator.

4.2. Ứng dụng PSCAD trong phân tích hệ thống điện lớn chứa DFIG

PSCAD là công cụ mạnh mẽ để phân tích hệ thống điện lớn chứa các nhà máy điện gió sử dụng DFIG. Phần mềm này cho phép mô phỏng các sự cố lưới điện, đánh giá ổn định hệ thống điện, và thiết kế các giải pháp điều khiển lưới điện hiệu quả.

4.3. OpenDSS cho mô phỏng phân tích phân bố công suất và bảo vệ

OpenDSS được sử dụng để mô phỏng phân tích phân bố công suất và bảo vệ trong các hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió từ DFIG. Phần mềm này giúp đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống điện phân phối. Cần kiểm tra Tốc độ gió và Công suất gió.

V. Hệ Thống Giám Sát và Điều Khiển SCADA cho Máy Phát DFIG

Để vận hành hiệu quả và an toàn các nhà máy điện gió sử dụng DFIG, việc tích hợp hệ thống Hệ thống giám sát và điều khiển (SCADA) là vô cùng quan trọng. SCADA cho phép giám sát từ xa các thông số vận hành, thu thập dữ liệu, và điều khiển các thiết bị. Hệ thống này giúp phát hiện sớm các sự cố, tối ưu hóa hiệu suất, và giảm chi phí bảo trì.

5.1. Các chức năng chính của SCADA trong điện gió DFIG

SCADA trong điện gió DFIG thực hiện các chức năng chính như: giám sát tốc độ gió, công suất phát, điện áp, dòng điện, và nhiệt độ; điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng; cảnh báo và báo động khi có sự cố; thu thập và lưu trữ dữ liệu vận hành. Bên cạnh đó, hệ thống cho phép người vận hành điều khiển từ xa các thiết bị.

5.2. Lợi ích của việc sử dụng SCADA trong vận hành nhà máy điện gió

Sử dụng SCADA mang lại nhiều lợi ích cho việc vận hành nhà máy điện gió, bao gồm: tăng hiệu suất khai thác năng lượng gió, giảm chi phí bảo trì, cải thiện độ tin cậy, và nâng cao an toàn. Hệ thống giúp đưa ra các quyết định vận hành chính xác và kịp thời, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.

5.3. Tích hợp SCADA với các hệ thống quản lý năng lượng khác

SCADA có thể được tích hợp với các hệ thống quản lý năng lượng khác, chẳng hạn như hệ thống dự báo tốc độ gió, hệ thống quản lý hệ thống lưu trữ năng lượng, và hệ thống điều khiển lưới điện. Việc tích hợp này giúp tối ưu hóa việc quản lý và vận hành toàn bộ hệ thống điện.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Phát Triển Của DFIG Trong Tương Lai

DFIG với Back-to-Back Converters đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác năng lượng tái tạo từ điện gió. Các phương pháp điều khiển tiên tiến liên tục được nghiên cứu và phát triển để nâng cao hiệu suất, độ tin cậy, và ổn định của hệ thống. Trong tương lai, DFIG sẽ tiếp tục đóng góp vào việc xây dựng một hệ thống năng lượng sạch và bền vững.

6.1. Tóm tắt các ưu điểm và hạn chế của công nghệ DFIG

Ưu điểm của DFIG bao gồm: khả năng hoạt động ở tốc độ thay đổi, điều khiển linh hoạt công suất tác dụng và công suất phản kháng, và giảm chi phí đầu tư so với các hệ thống full converter. Hạn chế bao gồm: yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp, và ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện nếu không được điều khiển đúng cách.

6.2. Xu hướng phát triển của công nghệ điều khiển DFIG

Xu hướng phát triển của công nghệ điều khiển DFIG tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, độ tin cậy, và khả năng tích hợp năng lượng gió vào lưới điện. Các thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu, và điều khiển thông minh sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai. Cần nghiên cứu về các Hệ thống lưu trữ năng lượng để nâng cao hiệu quả.

6.3. Tiềm năng ứng dụng DFIG trong các dự án điện gió quy mô lớn

DFIG có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các dự án điện gió quy mô lớn, đặc biệt là các dự án ngoài khơi. Công nghệ này giúp khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió dồi dào, đồng thời góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường. Hướng đến phát triển bền vững và xanh.