Chương 1: Mở dau. Chương 2: Tìm hiểu về năng lượng gió Chương 3: Điều khiển RSI (rotor side inverter) dùng vectơ không gian cho DFIG. Chương 4: Mô phỏng điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép băng Matlab/Simulink Chương 5: Kết luận và định hướng của dé tài Chương 6: Tài liệu tham khảo Luận văn này dùng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng mô hình điều khiển DFIG bằng phương pháp SVO và FOC. Chương 2 Tìm hiểu vé năng lượng gió CH ONG 2: TÌM HIỂU VE NANGL NG GIÓ 2.1 Lịch sử sử dung năng lượng gió dé phát điện: Lịch sử sử dụng năng lượng gió để phát điện đã có từ đầu thế kỷ 19, nhưng vào thời đó giá nhiên liệu thấp làm cho năng lượng gió không được thu hút [1].
Nghiên cứu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đó được người ta quan tâm hơn vao năm 1973 bởi sự khủng hoảng dau hỏa. Vào thời điểm đó, do các vẫn đề về kỹ thuật va chi phí cao cho sản xuất, việc làm các turbine lớn bi gây trở ngại [1. Vì vậy, các nghiên cứu về turbine gió chuyển sang nghiên cứu làm turbine giá rẻ là các loại turbine nhỏ gồm máy phát điện không đồng bộ, hộp số và phương pháp điều khiển đơn giản. Với loại hệ thống này, trục turbine quay với tốc độ cô định.
Máy phát không đồng bộ là sự lựa chọn thích hợp hơn cho hệ thống nay. Tổn hao thấp và kích thước nhỏ làm cho loại này có giá cả hợp lý [3]. Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió bao gồm cánh quạt, máy phát điện, converter, hệ thống điều khiển như trong hình 2. Gearbox : Macnine Converter” GIAAGS | (DOE dÍAW(GWSI bececcssncssascensnonstananecareoavavarecomaxe enn teas) Secondary.
Primary Conversion Conversion Electrical Grid Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống phát điện gió lên lưới [4] Đến khi có kết quả thành công của hệ thống chuyên đổi năng lượng gió mới, máy phát điện gió được phát triển với quy mô lớn hơn. Trong suốt 2 thập kỷ cuối thế kỷ 19, sản xuất turbine gió phát triển cả về kích thước và công suất phát. Điều này có nghĩa là đường kính rotor, công suất phát và trọng lượng tháp đỡ tăng. Trong những năm dau 1980, turbine gió với với đường kính khoảng 10 đến 15m, và công Chương 2 Tìm hiểu vé năng lượng gió suất phát từ 10 đến 65kW đã được lắp đặt.
Đến giữa những năm 1980, bắt đầu xuất hiện những turbine có đường kính khoảng 15 đến 25m và công suất phát lên tới 200kW. Ngày nay, năng lượng gió được lắp đặt với công suất từ 200kW đến 2MW với bán kính rotor khoảng từ 47 đến 80m. Căn cứ theo hiệp hội năng lượng gió Mỹ (AmericanWind Energy Association), loại turbine gió lớn được sản xuất gấp 120 lần về công suất so với thiết kế turbine thời kỳ dau, với chi phí bảo trì và vận hành cao hơn không nhiều, nhờ vậy mà cắt giảm được chi phi bảo trì và vận hành trên mỗi kWh. Turbine lớn không quay nhanh và ít gây 6n hơn so với turbine nhỏ [5].
Đến năm 1993, một vài nhà sản xuất đã thay thế máy phát điện không đồng bộ truyền thống trong thiết kế turbine gió của họ băng máy phát điện đồng bộ, trong khi các nhà sản xuất khác nữa sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (doubly- fed asynchronous generators). Cùng với những tiễn bộ trên về hệ thông turbine gid, các converter và phương pháp điều khiến mới cũng được phát triển và thử nghiệm. Sự phát triển này bao gồm sử dụng các thiết bị điện tử công suất hiện đại vào trong thiết kế hệ thống máy phát làm xuất hiện loại tốc độ có thể thay đổi được. Bởi vì sự phát triển nhanh chóng của điện tử công suất, làm khả năng điều khiến công suất cao hơn và giá thành thấp hơn, ứng dụng của điện tử công suất trong turbine gió được mong đợi tiễn xa hơn nữa [6].
Ngoài ra, một vài phương pháp điều khiển được phát triển cho turbine lớn với góc cánh quạt thay đôi được để điều khiến tốc độ của trục turbine. Nhiều nỗ lực nghiên cứu so sánh các cấu trúc khác nhau của hệ thong năng lượng gió về các mặt như cơ, điện và kinh tế. Trong cùng điều kiện chuyển đổi năng lượng, tat cả các nghiên cứu đi dén cùng một kết quả là turbine tốc độ thay đổi sẽ sản xuất nhiều năng lượng hơn so với turbine có tốc độ không đổi (tăng năng lượng đầu ra tới 20% so với hệ thống turbine cũ) [7,8]. Việc điều khiển góc nghiêng làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng gió và độ 6n định đối với những cơn gió mạnh.
Đối với kiểu turbine gió có tốc độ thay đối, các sơ đồ khác đã được đề xuất. Nhu một vài sơ đỗ dựa vào tốc độ gió dé tối ưu vận hành turbine gió [9]. Các kiểu điều khiến khác tìm ra công suất cực đại cho vận hành bằng phương pháp tính toán Chương 2 Tìm hiểu vé năng lượng gió phức tạp [10-12]. Đề đạt được công suất cực đại, các phương pháp điều khiển khác như field-oriented control và V/f bằng hang số được sử dụng [13-16].2 Phân loại turbine gió: Turbine gió thường được phân làm hai loại, dựa vào định hướng của trục quay với hướng gió như trong hình 2.2: +Turbine kiểu trục thăng đứng.
+Turbine kiểu trục ngang. Drive Train Blade Gearbox 3 Generator Nacellec ®———— Guy Wire xX \ 4 Hub * Rotor Blade 7 Rotor Tower Generator LÌ arbe = 1 y, (a) (b) Hình 2.1 Turbine kiểu trục thang đứng (Vertical-axis wind turbine, VAWT): Côi xay gió dau tiên được xây dựng dựa vào cau trúc kiêu turbine trục thăng đứng. Kiéu nay chi dùng cho lap đặt công suât nhỏ và có những ưu điềm sau: Chương 2 Tìm hiểu vé năng lượng gió +Dễ dàng bảo trì. +Nhận gió từ bất cứ hướng nào.
+ Thiết kế cánh quạt đơn giản và chỉ phí sản xuất thấp. Nhược điểm của kiểu này là: +Không tự khởi động được, cần máy phát chạy kiểu motor lúc khởi động. +Hiệu suất thấp. +Khó điều khiến tốc độ cánh quạt cao.
+Dao động cao khi moment gió mạnh.2 Turbine kiểu trục ngang (Horizontal-axis wind turbines, HAWT): Day là kiểu thiết kế phố biến nhất. Turbine gió trục ngang được gan trên tháp như trong hình 2.2(b) Ưu điểm: +Hiệu suất cao. +Có khả năng thay đổi góc cánh quạt. +Ty số cost-to-power thấp.
Nhược điểm: +Máy phat va hộp số phải duoc gan trên tháp. +Yêu cầu thiết kế phức tạp hơn. Turbine kiểu trục ngang có thể được phân loại thành turbine upwind và turbine downwind như trong hình 2. Chương 2 Tìm hiểu vé năng lượng gió Wind Yau Wind > mechanism > > / > > > —> > (a) (b) Hinh 2.3 (a) Turbine kiéu upwind (b)Turbine kiéu downwind [1] Turbine kiêu upwind cân thiệt bi co xoay dé giữ cho rotor luôn đôi mặt với hướng gió.
Ngược lại turbine kiểu downwind được xây dựng không có thiết bị xoay.3 Các kiều máy phát điện gió phố biến: Có nhiều kiểu máy phát được sử dụng cho turbine gió. Các turbine gió loại nhỏ được trang bị máy phát DC lên tới vài kW. Hệ thống turbine gió hiện đại sử dung máy phát ba pha. Các kiểu thông thường của may phát AC được sử dụng trong máy phát turbine gió gồm: +Máy phat không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG).
+Máy phát không đồng bộ rotor dây quan (WRIG). +Máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG). +Máy phát đồng bộ (với kích từ bên ngoài). +Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
Chương 2 Tìm hiểu vé năng lượng gió Máy phát không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thương mại. Vận hành không đồng bộ của máy phát không đồng bộ được xem là ưu điểm đối với hệ thong turbine gió, bởi vì nó linh hoạt đối với tốc độ gió thay đồi. Có hai kiểu chính của máy phát không đồng bộ: rotor lồng sóc (SC- squirrel cage) va rotor dây quan (WR- wound rotor). Một loại khác của máy phát không đồng bộ là DFIG (double fed induction generator), DFIG có thé dựa trên máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay rotor dây quấn.
Máy phát không đồng bộ rotor lỗng sóc được sử dụng phố biến bởi giá thành thấp, cau trúc đơn giản. Rotor dây quan thích hợp cho mục đích điều khiến tốc độ. Bang cách thay đồi điện trở rotor, đầu ra của máy phát có thé được điều khién va vì vậy điều khiến tốc độ của máy phát là có thể. Mặc dù máy phát không đồng bộ rotor dây quấn có những ưu điểm như trên nhưng nó mắc hơn so với rotor lồng sóc.
DFIG (double fed induction generator) là một loại máy không đồng bộ cả rotor và stator đều được kết nối với lưới. Rotor được kết nối với lưới thông qua bộ converter. Công suất của converter thường băng khoảng 1/3 công suất của máy phát [18]. Một kiểu khác của máy phát được dé xuất cho turine gió trong một vai bai báo nghiên cứu là máy phát điện đồng bộ.
Kiểu máy phát này có khả năng kết nối trực tiếp với turbine gió không can hộp số. Điều này có lợi cho tuổi thọ và bảo trì. Máy phát đồng bộ có thể sử dụng kiểu kích từ hay rotor nam châm vĩnh cửu (PM- permanent magnet). May phát điện đồng bộ kiểu kích từ hay nam châm vĩnh cửu khác với máy phát không đồng bộ ở chỗ từ thông từ hóa được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu hay nguồn de cho rotor.
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho phép vận hành với hệ số công suất cao và hiệu suất cao. Trong các loại thì máy phát không đồng bộ là kiểu phổ biến nhất trong hệ thống turbine gió hiện đại [6].1 Hộp số: Chương 2 Tìm hiểu vé năng lượng gió Kết nối cơ giữa máy phát điện va turbine rotor có thé trực tiếp hay thông qua hộp số. Hộp số giúp chuyền đôi tốc độ turbine cho phù hợp với máy phát. Sử dụng hộp số hay không là phụ thuộc vào loại máy phát điện.
Tuy nhiên việc sử dụng hộp số làm giảm hiệu suất và trong một vài trường hợp làm giảm độ tin cậy của hệ thống [4].2 Phương pháp điều khiến: Các phương pháp điều khiến được chia làm hai loại chính: +Các phương pháp điều khiến với tốc độ hang sé. +Các phương pháp điều khiến với tốc độ thay đối được. Đối với turbine có tốc độ hang số thì không có điều khiến tốc độ trục turbine. Điều khiến khi tốc độ bang hằng số là phương pháp điều khiển dễ dang và chi phí thấp, nhưng tốc độ thay đổi thì có những ưu điểm sau: +Bám theo công suất cực đại giúp khai thác năng lượng gió lớn nhất có thé được.
+Ứng suất cơ học thấp. +Sự thay đổi ít của công suất. +Giảm tiếng ôn tại tốc độ gió thấp. Sau đây, các ưu diém sẽ được giải thích ngăn gọn.