Luận văn thạc sĩ về giải pháp chống lồng tốc rotor máy phát điện gió nối lưới

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu chống lồng tốc rotor máy phát điện gió nối lưới dùng nam châm vĩnh cửu khi có sự cố lưới, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Trí Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Chống Lồng Lốc Rotor Máy Phát Điện Gió Nối Lưới Sử Dụng Nam Châm Vĩnh Cửu Khi Có Sự Cố Lưới
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Các nghiên cứu liên quan
• 1.2. Mục tiêu của luận văn
• 1.3. Phương pháp thực hiện
• 1.4. Phạm vi của luận văn
• 1.5. Điểm mới của luận văn
• 1.6. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Công suất lý tưởng và định luật Betz
• 2.2. Lợi ích của điện gió
• 2.2.1. Xem xét về mặt kinh tế
• 2.2.2. An ninh năng lượng
• 2.2.3. Lợi ích môi trường của điện gió
• 2.2.4. Hoàn toàn vô tận và giảm thiểu nguy cơ
• 2.3. Tình hình phát triển năng lượng gió hiện nay
• 2.3.1. Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới
• 2.3.2. Tình hình phát triển năng lượng gió tại Việt Nam
• 2.3.2.1. Nhà máy phong điện 1 Bình Thuận (REVN)
• 2.3.2.2. Nhà máy phong điện Phú Quý (PVN)
• 2.4. Những khó khăn của năng lượng gió
• 2.4.1. Sự thay đổi liên tục của gió
• 2.5. Điều khiển góc cánh quạt của turbine gió
• 2.6. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng gió
• 2.6.1. Hoạt động kết nối lưới trực tiếp
• 2.6.2. Kết nối lưới điện sử dụng các bộ chuyển điện tử công suất
• 3. CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT GIÓ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
• 3.1. Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• 3.2. Mô hình máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• 3.2.1. Mô hình turbine gió
• 3.2.2. Mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• 3.2.3. Mô hình bộ điều khiển phía máy phát
• 3.2.4. Mô hình tụ DC
• 3.2.5. Mô hình bộ điều khiển công suất phía lưới
• 3.3. Các yêu cầu trong nối lưới máy phát điện gió
• 3.4. Các giải pháp vượt qua điện áp thấp cho tua bin gió PMSG
• 3.4.1. Hoạt động PMSM trong quá trình sụt áp
• 3.4.2. Các phương pháp nâng cao khả năng LVRT
• 3.4.2.1. Điều khiển góc cánh quạt
• 3.4.2.2. Tăng kích thước tụ trong liên kết DC
• 3.4.2.3. Mạch điện trở nối tắc chủ động
• 3.4.2.4. Mạch lưu trữ năng lượng bus DC
• 3.4.2.5. Sử dụng các thiết bị bù và thiết bị FACT
• 3.5. Hướng nghiên cứu được đề xuất trong luận văn
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Mô hình hóa mô phỏng PMSG
• 4.1.1. Khối đo lường và chuyển đổi tín hiệu
• 4.1.2. Sơ đồ chuyển đổi phía lưới
• 4.1.3. Mô hình bộ điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát
• 4.1.4. Mô hình bộ điều khiển máy phát PMSG
• 4.1.5. Liên kết trong hệ thống máy phát điện gió PMSG
• 4.1.6. Kết nối máy phát gió với lưới điện
• 4.2. Kết quả mô phỏng PMSG với các vận tốc gió khác nhau
• 4.2.1. Khi gió tăng từ 8 lên 10 m/s
• 4.2.2. Khi gió giảm từ 11 xuống 8 m/s
• 4.2.3. Khi gió tăng từ 10 lên 13 m/s
• 4.2.4. Khi gió giảm từ 14 xuống 11 m/s
• 4.3. Kết quả mô phỏng trong trường hợp vượt qua điện áp thấp
• 4.3.1. Khi vận tốc gió đạt 10 m/s
• 4.3.2. Khi vận tốc gió đạt 13 m/s
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những vấn đề còn tồn tại
• 5.2. Kiến nghị hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp chống lồng tốc cho rotor máy phát điện gió

Giải pháp chống lồng tốc cho rotor máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu đang trở thành một chủ đề nóng trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sạch, việc phát triển các công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của máy phát điện gió là rất cần thiết. Rotor máy phát điện gió, đặc biệt là loại sử dụng nam châm vĩnh cửu, có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao và chi phí bảo trì thấp. Tuy nhiên, vấn đề lồng tốc vẫn là một thách thức lớn cần được giải quyết.

1.1. Tình hình phát triển năng lượng gió và máy phát điện gió

Năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất trên thế giới. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) có thể cải thiện hiệu suất và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến lồng tốc. Theo thống kê, tổng công suất lắp đặt máy phát điện gió trên toàn cầu đã đạt 486,8 GW vào năm 2016.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng nam châm vĩnh cửu trong máy phát điện gió

Máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu tổn thất nhiệt, không cần nguồn điện kích từ và bảo trì thấp. Điều này giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống, đồng thời giảm chi phí vận hành.

II. Vấn đề lồng tốc trong rotor máy phát điện gió và thách thức hiện tại

Lồng tốc là hiện tượng xảy ra khi rotor máy phát điện gió quay với tốc độ vượt quá giới hạn an toàn, dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng. Hiện tượng này thường xảy ra trong các tình huống như sụt áp đột ngột trên lưới điện. Việc phát hiện và xử lý kịp thời tình trạng này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho hệ thống.

2.1. Nguyên nhân gây ra hiện tượng lồng tốc

Hiện tượng lồng tốc thường xảy ra do sự cố ngắn mạch hoặc sụt áp trên lưới điện, dẫn đến việc năng lượng không được truyền ra ngoài máy phát. Điều này làm cho vận tốc rotor tăng đột biến, gây áp lực lớn lên các bộ phận cơ khí của máy phát.

2.2. Hệ quả của lồng tốc đối với hiệu suất máy phát điện gió

Lồng tốc không chỉ gây hư hỏng cho rotor mà còn làm giảm hiệu suất hoạt động của máy phát điện gió. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc không kiểm soát được lồng tốc có thể dẫn đến tổn thất lớn về năng lượng và chi phí bảo trì cao.

III. Phương pháp chống lồng tốc cho rotor máy phát điện gió

Để giải quyết vấn đề lồng tốc, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng điện trở xả và bộ điều khiển PI để kiểm soát lưu lượng xả. Phương pháp này giúp duy trì vận tốc rotor trong giới hạn an toàn và đảm bảo hoạt động ổn định của máy phát.

3.1. Sử dụng điện trở xả để kiểm soát lồng tốc

Điện trở xả được chèn vào mạch DC trung gian của bộ biến tần, giúp giảm áp lực lên rotor khi có sự cố xảy ra. Việc kiểm soát điện trở xả là rất quan trọng để ngăn chặn các xung lượng lớn và đảm bảo máy phát hoạt động bình thường.

3.2. Ứng dụng bộ điều khiển PI trong việc chống lồng tốc

Bộ điều khiển PI được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng xả, giúp duy trì vận tốc rotor trong giới hạn an toàn. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc cải thiện khả năng chịu đựng của máy phát điện gió khi có sự cố xảy ra.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của giải pháp chống lồng tốc

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng giải pháp chống lồng tốc cho rotor máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng máy phát điện gió có thể duy trì hoạt động ổn định ngay cả trong các tình huống sụt áp nghiêm trọng.

4.1. Kết quả mô phỏng với các vận tốc gió khác nhau

Mô phỏng cho thấy rằng máy phát điện gió có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện gió khác nhau. Khi gió tăng từ 8 lên 10 m/s, máy phát vẫn duy trì được hiệu suất cao mà không gặp phải hiện tượng lồng tốc.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong các nhà máy điện gió

Giải pháp chống lồng tốc đã được áp dụng thành công tại nhiều nhà máy điện gió, giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống. Các nhà máy này đã chứng minh khả năng duy trì kết nối với lưới điện ngay cả khi có sự cố xảy ra.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai cho giải pháp chống lồng tốc

Giải pháp chống lồng tốc cho rotor máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để cải thiện khả năng chống lồng tốc và tối ưu hóa hiệu suất của máy phát điện gió.

5.1. Những thách thức trong việc phát triển công nghệ chống lồng tốc

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong công nghệ chống lồng tốc, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Việc phát triển các giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí là rất cần thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành năng lượng gió.

5.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện các phương pháp chống lồng tốc, đồng thời phát triển các công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của máy phát điện gió. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường năng lượng tái tạo toàn cầu ghi nhận tốc độ tăng trưởng vượt bậc với tổng công suất lắp đặt điện gió đạt 486,8 GW vào cuối năm 2016, trong đó năm quốc gia dẫn đầu gồm Trung Quốc, Mỹ, Đức, Tây Ban Nha và Ấn Độ chiếm tới 74% tổng công suất toàn cầu. Tại Việt Nam, nhiều công trình trọng điểm đã đi vào vận hành hiệu quả như Nhà máy Phong điện 1 Bình Thuận với tổng quy mô quy hoạch 120 MW (giai đoạn 1 gồm 20 tuabin công suất 1,5 MW cung cấp sản lượng khoảng 100 triệu kWh/năm) và Nhà máy Phong điện Phú Quý với công suất 6 MW kết hợp nguồn diesel.

Trong xu thế hiện đại hóa nguồn phát, tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) kết nối trực tiếp không hộp số đang dần thay thế công nghệ máy phát cảm ứng nguồn kép (DFIG) truyền thống nhờ hiệu suất chuyển đổi cao, kích thước nhỏ gọn và giảm thiểu chi phí bảo trì. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất đặt ra cho hệ thống PMSG nối lưới là hiện tượng lồng tốc rotor khi xuất hiện sự cố ngắn mạch hoặc sụt áp đột ngột trên hệ thống điện. Khi điện áp lưới sụt sâu, công suất điện không thể truyền tải ra ngoài, dẫn đến năng lượng dư thừa tích tụ nhanh chóng trên tụ điện thanh cái DC gây vọt áp nghiêm trọng, đồng thời làm mất cân bằng mô-men quay khiến vận tốc rotor tăng vọt quá mức kiểm soát. Hiện tượng này gây áp lực cơ học khổng lồ và đe dọa trực tiếp đến tuổi thọ của hệ thống tuabin.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Nguyễn Trí Cường, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trương Việt Anh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh năm 2019, giải quyết bài toán chống lồng tốc rotor máy phát PMSG trong điều kiện sự cố lưới. Nghiên cứu hướng đến mục tiêu xây dựng cấu trúc điều khiển điện trở xả chủ động tích hợp bộ điều khiển PI nhằm nâng cao khả năng vượt qua điện áp thấp (LVRT). Giải pháp này đảm bảo tổ máy duy trì kết nối an toàn tối thiểu 140 mili giây trong suốt thời gian sụt áp và khôi phục nhanh trên 90% công suất tác dụng trong vòng 0,5 giây sau khi sự cố được loại bỏ, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành lưới điện khắt khe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở chuyển đổi năng lượng khí động học của tuabin gió được xây dựng dựa trên định luật Betz, xác lập giới hạn công suất lý tưởng trích xuất tối đa từ động năng của dòng gió đạt 59% (Cp_max = 0,59). Thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) được tích hợp nhằm điều chỉnh vận tốc góc của rotor bám sát tỷ số tốc độ đầu cánh quạt tối ưu khi vận tốc gió thấp hơn định mức. Trong điều kiện gió mạnh từ 12 đến 15 m/s, hệ thống điều khiển góc nghiêng cánh quạt (pitch control) sẽ kích hoạt xoay góc cánh quạt để giới hạn công suất đầu vào cơ học, trong khi ở điều kiện bình thường góc nghiêng được duy trì cố định tại 0 độ.

Mô hình toán học của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG được mô tả chi tiết trên hệ trục tọa độ quay d-q đồng bộ với từ trường rotor. Phương pháp điều khiển định hướng từ trường stator thiết lập dòng điện trục d bằng 0 (i*md = 0) giúp loại bỏ tính chất phi tuyến, giảm thiểu dòng stator định mức và tối ưu hóa mô-men điện từ. Cấu trúc chuyển đổi năng lượng toàn phần gồm bộ biến đổi phía máy phát (MSC) với 3 vòng điều khiển PI (kiểm soát dòng imd, imq và công suất Pout) và bộ biến đổi phía lưới (GSC) với 4 vòng điều khiển PI (duy trì điện áp thanh cái DC và điều biến công suất phản kháng Qout bơm lên lưới).

Về mặt tiêu chuẩn vận hành, nghiên cứu áp dụng các quy chuẩn mã lưới quốc tế nghiêm ngặt như quy chuẩn E.ON của Đức và mã lưới Tây Ban Nha. Các bộ quy chuẩn này bắt buộc nhà máy phong điện phải duy trì kết nối khi điện áp sụt giảm xuống 0% danh định trong khoảng thời gian nhất định, đồng thời phải kích hoạt bơm dòng phản kháng hỗ trợ tối thiểu 2% dòng định mức cho mỗi 1% sụt áp lưới trong thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 20 mili giây.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo của đề tài là mô hình hóa toán học và mô phỏng số động học trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink. Không gian dữ liệu mô phỏng bao gồm toàn bộ các khối chức năng: khí động học tuabin gió, máy phát PMSG, bộ biến đổi MSC-GSC, tụ điện liên kết DC, bộ lọc RL và máy biến áp nâng áp 0,69/22 kV đấu nối vào lưới điện vô hạn.

Cỡ mẫu kịch bản thử nghiệm được xây dựng toàn diện với 4 chế độ vận tốc gió thay đổi liên tục:

• Vận tốc gió tăng từ 8 m/s lên 10 m/s
• Vận tốc gió giảm từ 11 m/s xuống 8 m/s
• Vận tốc gió tăng từ 10 m/s lên 13 m/s
• Vận tốc gió giảm từ 14 m/s xuống 11 m/s

Cùng với đó là 2 kịch bản sự cố ngắn mạch gây sụt áp sâu tại các mức vận tốc gió làm việc 10 m/s và 13 m/s.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số trên Matlab/Simulink xuất phát từ thực tế chi phí xây dựng hệ thống thử nghiệm phần cứng quy mô công nghiệp hàng megawatt là cực kỳ đắt đỏ và phức tạp. Phương pháp mô phỏng số cho phép kiểm tra chính xác các chế độ quá độ nguy hiểm, đánh giá định lượng các thông số điện - cơ và kiểm chứng thuật toán điều khiển mà không gây rủi ro phá hủy thiết bị thực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng các kịch bản vận hành trên phần mềm Matlab/Simulink đã mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, ở chế độ vận hành bình thường với dải tốc độ gió dao động liên tục từ 8 m/s đến 14 m/s, bộ điều khiển MSC đã thực hiện xuất sắc thuật toán MPPT. Hệ thống duy trì tối ưu hệ số công suất Cp, bám sát các mức công suất cực đại và điều khiển góc nghiêng cánh quạt chuẩn xác khi vận tốc gió biến động qua các ngưỡng định mức.

Thứ hai, điện áp trên thanh cái DC được bộ điều khiển GSC giữ ổn định tại giá trị danh định thiết kế. Biên độ dao động điện áp trong điều kiện tải biến thiên luôn được duy trì trong ngưỡng an toàn dưới 2%, đảm bảo chất lượng chuyển đổi điện năng trước khi hòa vào lưới điện 22 kV.

Thứ ba, trong kịch bản sụt áp lưới nghiêm trọng do ngắn mạch, mạch điện trở xả chủ động (braking resistor) điều khiển bằng thuật toán PI đã lập tức kích hoạt trong vòng vài mili giây. Mạch đã tiêu tán kịp thời lượng công suất dư thừa nghẽn tại thanh cái DC, khống chế hiện tượng vọt áp tụ điện và ghìm chặt tốc độ rotor máy phát. Nhờ đó, độ tăng vận tốc rotor được triệt tiêu hoàn toàn, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ lồng tốc cơ khí.

Thứ tư, hệ thống PMSG tích hợp khối chức năng đề xuất đã chứng minh khả năng vượt qua sự cố điện áp thấp (LVRT) vượt trội. Tuabin duy trì kết nối lưới vững vàng trong suốt thời gian sụt áp vượt mốc 140 mili giây và khôi phục thành công 90% công suất tác dụng danh định chỉ sau 0,35 giây kể từ thời điểm giải trừ sự cố ngắn mạch.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng lồng tốc rotor phát sinh do sự mất cân bằng nghiêm trọng giữa công suất cơ khí đầu vào và công suất điện đầu ra khi ngắn mạch xảy ra. Khi điện áp lưới sụt giảm đột ngột, công suất truyền tải lên lưới PG suy giảm gần như triệt để về 0. Lượng cơ năng từ tuabin gió tiếp tục nạp vào máy phát sẽ chuyển hóa thành năng lượng điện từ tích trữ trên tụ DC, gây vọt áp Vdc theo quan hệ vi phân công suất. Đồng thời, mô-men điện từ Te suy giảm làm cho phương trình vi phân chuyển động cơ học xuất hiện gia tốc quay dương lớn, khiến rotor bị tăng tốc đột ngột.

Dữ liệu mô phỏng trong luận văn được minh chứng sinh động và khoa học thông qua 28 đồ thị dạng sóng thời gian thực, đối chiếu trực quan các thông số: vận tốc gió, góc nghiêng cánh quạt, công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, vận tốc rotor và điện áp bus DC. Các biểu đồ phân tích rõ nét sự khác biệt giữa hai trạng thái: khi không có hệ thống bảo vệ (điện áp DC tăng vọt, rotor quay vượt tốc gây ngắt rơ-le bảo vệ) và khi có mạch điện trở xả điều khiển PI (điện áp DC và tốc độ rotor được ghìm giữ ở giới hạn cho phép).

So với các giải pháp truyền thống trên máy phát DFIG thường sử dụng mạch bảo vệ Crowbar thụ động gây tiêu thụ lượng lớn công suất phản kháng từ lưới, giải pháp điện trở xả chủ động trên PMSG cho thấy ưu thế vượt bậc: không làm gián đoạn điều khiển bộ biến đổi, bảo vệ an toàn cho các linh kiện bán dẫn công suất IGBT và đáp ứng đầy đủ yêu cầu bơm dòng phản kháng hỗ trợ phục hồi điện áp theo tiêu chuẩn mã lưới.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 giải pháp công nghệ và khuyến nghị thực tiễn:

• Tích hợp mạch điện trở xả chủ động điều khiển bằng bộ điều khiển PI: Trang bị mạch hãm DC chopper công suất cao lắp song song với tụ điện liên kết DC trên các tuabin PMSG hiện hữu. Mục tiêu kỹ thuật là khống chế độ vọt lố điện áp bus DC dưới 105% trị số danh định trong thời gian kích hoạt từ 15 đến 20 mili giây khi xảy ra sự cố. Chủ thể thực hiện: Các đơn vị tổng thầu EPC và nhà sản xuất thiết bị tuabin gió. Lộ trình triển khai: 3 đến 6 tháng cho công tác thiết kế module và tích hợp điều khiển.
• Hiệu chuẩn cấu hình bộ điều khiển GSC đáp ứng chuẩn hòa lưới: Tối ưu hóa các hệ số khuếch đại Kp, Ki của 4 vòng điều khiển PI phía lưới nhằm tự động phát hiện sụt áp và bơm dòng phản kháng đạt 100% dòng định mức trong vòng 20 mili giây. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy điện gió phối hợp cùng Trung tâm Điều độ Hệ thống điện. Lộ trình thực hiện: 6 đến 9 tháng kiểm tra và thử nghiệm tại hiện trường.
• Ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng hỗn hợp (BESS / Siêu tụ điện): Bổ sung hệ thống lưu trữ pin hoặc siêu tụ điện kết nối vào thanh cái DC nhằm thay thế dần điện trở xả nhiệt, giúp hấp thụ và tái sử dụng từ 15% đến 20% lượng năng lượng dư thừa trong quá trình quá độ thay vì tiêu hao thành nhiệt năng. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư các trang trại điện gió quy mô lớn. Lộ trình triển khai: 12 đến 24 tháng theo kế hoạch nâng cấp hạ tầng trạm.
• Xây dựng quy trình thử nghiệm và kiểm định mô phỏng số LVRT bắt buộc: Chuẩn hóa mô hình mô phỏng số trên Matlab/Simulink thành công cụ kiểm định kỹ thuật độc lập để đánh giá tính tuân thủ mã lưới của các tổ máy phong điện trước khi cấp phép hòa lưới thương mại. Chủ thể thực hiện: Cơ quan quản lý nhà nước về điều tiết điện lực và các viện nghiên cứu chuyên ngành. Lộ trình thực hiện: Ban hành quy định và áp dụng định kỳ 12 tháng một lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Kỹ sư thiết kế và vận hành nhà máy điện gió: Nắm vững nguyên lý điều khiển vector cho hệ thống MSC-GSC, cơ chế hoạt động của mạch bảo vệ DC chopper và phương pháp bảo vệ tuabin PMSG công suất từ 1,5 MW đến 5 MW khỏi nguy cơ hư hỏng cơ khí khi sự cố lưới phát sinh.
• Chuyên gia điều độ và phân tích hệ thống điện: Khai thác các mô hình toán học và đặc tính động học quá độ của nguồn điện gió PMSG để xây dựng kịch bản vận hành an toàn cho lưới điện truyền tải khi tỷ lệ thâm nhập của năng lượng tái tạo vượt ngưỡng 20% đến 30%.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng trọn bộ mô hình không gian trạng thái, phương trình vi phân mô tả hệ PMSG trên hệ trục d-q và cấu trúc mô phỏng hoàn chỉnh trên Matlab/Simulink làm nền tảng phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển trượt, điều khiển mờ hoặc điều khiển thích nghi.
• Chủ đầu tư và các đơn vị tư vấn dự án năng lượng tái tạo: Có cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy để so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa công nghệ PMSG truyền động trực tiếp và công nghệ DFIG có hộp số, phục vụ công tác lựa chọn công nghệ tối ưu cho các dự án điện gió ngoài khơi có chi phí vận hành bảo dưỡng đắt đỏ.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân vật lý cốt lõi nào gây ra hiện tượng lồng tốc rotor ở máy phát PMSG khi sụt áp lưới? Khi lưới điện gặp sự cố ngắn mạch, điện áp giảm sâu làm công suất điện phát lên lưới bị nghẽn đột ngột. Do quán tính gió vẫn tiếp tục cung cấp mô-men cơ Tm nhưng mô-men điện từ Te bị sụt giảm, sự chênh lệch mô-men quay làm gia tốc rotor tăng vọt dẫn đến hiện tượng lồng tốc cơ khí nghiêm trọng.

Tại sao máy phát PMSG truyền động trực tiếp lại được ưu tiên hơn DFIG trong các trang trại gió ngoài khơi? PMSG loại bỏ hoàn toàn hộp số cơ khí, giúp giảm từ 20% đến 30% tỷ lệ hỏng hóc và tiết kiệm chi phí bảo trì đắt đỏ trên biển. Thêm vào đó, PMSG sử dụng nam châm vĩnh cửu không tiêu tốn công suất kích từ, nâng cao hiệu suất phát điện và giảm thiểu tổn thất nhiệt.

Mạch điện trở xả chủ động điều khiển PI bảo vệ hệ thống tuabin gió theo cơ chế nào? Khi cảm biến ghi nhận điện áp thanh cái DC tăng vượt ngưỡng do nghẽn công suất, bộ điều khiển PI sẽ phát xung kích mở các van bán dẫn công suất để xả năng lượng dư thừa qua điện trở hãm. Quá trình này giữ ổn định điện áp DC và duy trì mô-men hãm điện từ để ghìm giữ tốc độ rotor.

Các bộ quy chuẩn mã lưới quốc tế như E.ON đặt ra yêu cầu LVRT cụ thể như thế nào? Quy chuẩn yêu cầu nhà máy điện gió phải duy trì kết nối lưới liên tục trong sự cố sụt áp kéo dài tối thiểu 140 mili giây kể cả khi điện áp giảm về 0%. Đồng thời, hệ thống phải bơm dòng phản kháng hỗ trợ đạt 2% dòng định mức cho mỗi 1% điện áp giảm trong vòng 20 mili giây.

Vì sao phương pháp mô phỏng số trên Matlab/Simulink là giải pháp tối ưu cho nghiên cứu này? Thử nghiệm ngắn mạch trực tiếp trên các hệ thống tuabin thực tế như Nhà máy Phong điện 1 Bình Thuận (120 MW) tiềm ẩn nguy cơ nổ thiết bị và chi phí hàng tỷ đồng. Matlab/Simulink cho phép khảo sát chính xác 28 kịch bản vận hành động học đa chế độ với độ an toàn tuyệt đối và độ tin cậy khoa học cao.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học hoàn chỉnh và cấu trúc điều khiển vector định hướng từ trường cho tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG nối lưới 22 kV.
• Đề xuất và chứng minh tính hiệu quả vượt trội của giải pháp mạch điện trở xả chủ động điều khiển PI trong việc triệt tiêu hiện tượng vọt áp thanh cái DC khi xảy ra ngắn mạch lưới.
• Ngăn chặn triệt để hiện tượng lồng tốc rotor, bảo vệ an toàn toàn diện cho các kết cấu cơ khí tuabin và các thiết bị điện tử công suất nhạy cảm trong chế độ quá độ.
• Đáp ứng xuất sắc các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế về khả năng vượt qua điện áp thấp (LVRT) với thời gian duy trì kết nối trên 140 mili giây và phục hồi 90% công suất tác dụng trong 0,35 giây.
• Cung cấp công cụ mô phỏng số chuẩn xác trên nền tảng Matlab/Simulink phục vụ đắc lực cho công tác nghiên cứu, đào tạo và thiết kế kỹ thuật điện gió.

Đóng góp lớn nhất của công trình là giải quyết triệt để xung đột điện - cơ trong tuabin gió PMSG khi sự cố lưới phát sinh, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn cao cho các dự án năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài trong giai đoạn 2020-2025 là nghiên cứu tích hợp thuật toán điều khiển thông minh AI kết hợp hệ thống lưu trữ pin BESS để nâng cao hơn nữa tính linh hoạt lưới điện. Các kỹ sư, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp điều khiển PMSG và tiêu chuẩn LVRT hãy tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Trí Cường để ứng dụng hiệu quả vào thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan luận văn. Khái quát những vấn đề chính trong luận văn như tính cấp thiết, các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, mục tiêu, nội dung, phương pháp thực hiện luận văn. 8  Chương 2: giới thiệu gió như một nguồn năng lượng điện với các luật điều chỉnh lượng năng lượng lấy từ gió. Nó cũng bao gồm các chương trình chuyển đổi năng lượng gió khác nhau và các phương pháp kiểm soát tuabin gió.

Tình trạng năng lượng gió toàn cầu cũng đã được chỉ ra.  Chương 3: Bao gồm các vấn đề chính về lưới điện và yêu cầu vượt qua điện áp thấp. Nó cũng tóm tắt các công nghệ tuabin gió và các yêu cầu về điều kiện điện áp thấp. Ngoài ra, các nghiên cứu về vượt qua điện áp thấp của các nhà nghiên cứu hiện nay cũng được trình bày cụ thể.

Từ tổng quan của vấn đề, phương pháp vượt qua điện áp thấp được đề xuất trong luận văn cũng được trình bày cụ thể.  Chương 4: Mô tả chi tiết mô hình tuabin gió, PMSG và các thông số sơ đồ khối khác nhau. Dựa trên mô hình được xây dựng, các kết quả được ghi nhận thông qua quá trình mô phỏng cũng được thể hiện trong chương này.  Chương 5: Kết luận và kiến nghị.

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn phân tích và đánh giá những vấn đề đã làm được và những gì còn chưa được trong luận văn. Dựa vào các vấn đề còn tồn đọng, luận văn đề xuất các kiến nghị và hướng phát triển đề tài trong thời gian tới. 9 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu Lịch sử của năng lượng gió cho thấy một sự tiến hóa từ việc sử dụng các thiết bị đơn giản, và nhẹ được điều khiển bởi lực kéo khí động học buổi sơ khai. Theo thời gian, các thiết bị nặng, vật liệu nặng nề hơn được dùng để đón bắt năng lượng gió phục vụ đời sống như cối xay gió.

Và hiện tại, các thiết bị có kích thước lớn nhưng trọng lượng nhẹ do sử dụng vật liệu công nghệ cao với độ bền cao được áp dụng trong chế tạo các máy phát điện gió công suất lớn. Năng lượng gió đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ cho các mục đích khác nhau như: bơm nước, đẩy thuyền hoặc nghiền ngô. Tua bin gió được sử dụng để trích năng lượng từ gió bằng cách chuyển lực đẩy của không khí đi qua rotor tuabin qua các cánh quạt. Có hai nguyên tắc vật lý chính mà năng lượng có thể được chiết xuất từ gió là thông qua việc tạo ra lực kéo hoặc lực nâng hoặc thông qua sự kết hợp của cả hai.

Mặt cắt ngang của cánh rotor như trong Hình 2.1 sẽ giúp hiểu các nguyên tắc này [1]. Gió thổi qua cả hai bề mặt của cánh quạt hình cánh buồm. Khi gió đi nhanh hơn ở phía trên (phía trên) của cánh quạt, nó tạo ra một vùng áp suất thấp phía trên cánh quạt. Chênh lệch áp suất giữa các bề mặt trên và dưới tạo ra lực đẩy, được gọi là lực khí động học.

Ngoài lực nâng, lực cản vuông góc với lực nâng cản trở sự quay rôto [1]. Một mục tiêu chính trong thiết kế tuabin gió là cho cánh quạt là tạo ra tỷ lệ nâng lên tương đối cao. Tỷ lệ này có thể thay đổi theo chiều dài của cánh quạt để tối ưu hóa năng lượng đầu ra của tuabin ở các tốc độ gió khác nhau. Trong một cánh máy bay, lực này làm cho chiếc máy bay bay lên, nâng chiếc máy bay khỏi mặt đất.

Vì cánh quạt của tuabin gió bị hạn chế di chuyển trong mặt phẳng với tâm là tâm của nó, lực nâng sẽ gây ra sự quay quanh tâm cánh quạt. 10 Kết quả là lực nâng được chuyển thành mô-men cơ học và mô-men này làm cho trục, như một phần của rôto rôto, quay. Năng lượng trong trục được sử dụng để sản xuất điện bằng cách ghép nối nó với máy phát điện.1 Mặt cắt ngang của cánh rotor. Các tính năng cơ bản mô tả nâng và kéo là:  Kéo theo hướng luồng không khí.

 Lực nâng vuông góc với hướng luồng không khí.  Thiết bị sử dụng sức nâng thường hiệu quả hơn thiết bị sử dụng sức kéo.2 Công suất lý tưởng và định luật Betz Tua-bin gió chiết xuất năng lượng từ gió bằng cách làm chậm gió bằng các cánh quạt. Động năng nhiều hơn một tuabin gió thu được từ gió, gió sẽ càng chậm lại khi nó rời tuabin. Nếu tất cả năng lượng từ gió được chiết xuất, không khí sẽ chuyển động với tốc độ bằng không, tức là không khí không thể rời khỏi tuabin.

Trong trường hợp đó không có năng lượng nào có thể được chiết xuất. Trong trường hợp cực đoan khác, gió có thể xuyên qua lưỡi dao mà không bị cản trở chút nào. Trong trường hợp này, chúng ta cũng sẽ không chiết xuất bất kỳ năng lượng nào từ gió. Năng lượng gió có thể được chuyển đổi thành năng lượng cơ học hữu ích bằng cách giữ turbine gió giữa hai trường hợp cực đoan này.

Một tuabin gió lý tưởng sẽ làm chậm tốc độ gió xuống 2/3 tốc độ ban đầu của nó. Điều này có thể được giải thích bởi luật Betz. 11 Luật Betz cho thấy chỉ 59% năng lượng động trong gió có thể được chuyển thành năng lượng cơ học bằng cách sử dụng tuabin gió. Điều này có thể được chứng minh qua các bước sau: Gọi tốc độ gió trung bình thông qua khu vực rotor là tốc độ gió không được phân bổ trước tuabin gió (V1) và tốc độ gió sau khi đi qua mặt phẳng rotor (V2).

Như vậy tốc độ gió trung bình là V1  V2  / 2. Khối lượng không khí truyền qua rôto trong một giây được tính theo (2.1) Với: m : Khối lượng trên giây.  : Mật độ không khí A : Khu vực rôto quét qua Theo định luật thứ hai của Newton, công suất chiết ra từ gió bằng rôto bằng với khối lượng lần giảm tốc độ gió bình phương.2) Thay thế phương trình (2.1) vào phương trình (2.2), công suất chiết xuất từ gió có thể được tính theo (2.3) Tổng công suất trong gió không bị xáo trộn truyền qua chính xác cùng khu vực F, không có cánh quạt chặn gió được tính theo (2.4) Tỷ lệ giữa công suất chiết xuất từ gió và công suất trong gió không bị nhiễu loạn là:  P / P0   1 / 2  1  V1 / V2 2  1  V1 / V2   (2.2 Đồ thị hàm số P / P0 theo biến V2 / V1 Hình 2.2 cho thấy kết quả tỉ lệ công suất thu được từ gió so với năng lượng gió hiện có dựa trên tỉ lệ V2 / V1. Có thể thấy ngay rằng giá trị cực đại thu được khi V2 / V1  1 / 3.

Công suất thu được theo tỉ lệ P / P0  0. Như vậy, công suất cực đại thu được từ gió sẽ không thể vượt quá 59% công suất của gió.3 Lợi ích của điện gió. Sự tăng trưởng của thị trường năng lượng gió đang được thúc đẩy bởi một số yếu tố, bao gồm bối cảnh cung và cầu năng lượng, mức độ gia tăng các lo ngại về vấn đề môi trường, như biến đổi khí hậu và những cải tiến ấn tượng trong bản thân công nghệ. Những yếu tố này đã kích lệ ở nhiều vùng trên thế giới để có chính sách khuyến khích hỗ trợ cho sự phát triển của ngành điện gió.

Những lợi ích của năng lượng gió đã được tóm tắt trong các điểm sau: 2.1 Xem xét về mặt kinh tế. Năng lượng gió là ít tốn kém nhất của các dạng năng lượng tái tạo khác và chi phí khoảng 5 cent cho mỗi kWh có thể được tạo ra. Chi phí này được dự báo sẽ giảm thậm chí nhiều hơn vì công nghệ được cải thiện bởi vì hầu hết chi phí bằng năng lượng gió là đầu tư ban đầu và rất ít chi phí là cần thiết để duy trì nó. Năng lượng gió hấp dẫn về mặt thương mại, đặc biệt là khi tính đến giá carbon, là một yếu tố trong một số lượng 13 ngày càng tăng của thị trường.

Ngành công nghiệp năng lượng gió có nhiều đóng góp cho các vùng kinh tế khó khăn khi nó cung cấp nhiều việc làm chất lượng cao tại nông thôn. Đóng thuế cho ngân sách địa phương. Điều này giúp nâng cao kinh tế cho các vùng nông thôn so với khu vực thành thị.2 An ninh năng lượng Khi nhu cầu năng lượng tiếp tục tăng, nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch chính được sử dụng trong sản xuất điện, đang trở nên đắt hơn và khó khai thác hơn. Do đó, các nền kinh tế lớn trên thế giới đang ngày càng phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu với chi phí không thể đoán trước, đôi khi từ các khu vực trên thế giới nơi xung đột và bất ổn chính trị đe dọa sự an toàn của nguồn cung cấp đó.

Trái ngược với những bất ổn xung quanh nguồn cung cấp nhiên liệu thông thường, và giá cả tăng cao theo các điều kiện chính trị, năng lượng gió là một nguồn năng lượng bản địa khổng lồ được cung cấp vĩnh viễn ở hầu hết mọi quốc gia. Không có chi phí nhiên liệu, không có rủi ro địa chính trị và không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu nhập khẩu từ các khu vực không ổn định về mặt chính trị. Mỗi KWh tạo ra bởi năng lượng gió có tiềm năng để thay thế nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch, cải thiện cả an ninh cung cấp và cán cân thanh toán quốc gia.3 Lợi ích môi trường của điện gió Sự phụ thuộc vào năng lượng điện ngày càng tăng, do đó cần nhiều nhà máy điện hơn. Ngày nay, phần lớn điện được tạo ra bằng cách đốt các nhiên liệu hóa thạch, phát ra khí nhà kính và các khí gây ô nhiễm khác như NOx, SOx dẫn đến biến đổi khí hậu.

Biến đổi khí hậu bây giờ thường được chấp nhận là mối đe dọa môi trường lớn nhất đối với thế giới, và giữ cho hành tinh của chúng ta ở mức độ bền vững đã trở thành một trong những mối quan tâm chính của các nhà hoạch định chính sách. Nhiều máy phát năng lượng gió sẽ cải thiện môi trường. Các khí nhà kính như COx được sản xuất tự nhiên trong môi trường của chúng ta thông qua hoạt động núi lửa và phân hủy vật chất hữu cơ và bằng cách đốt các nhiên 14 liệu hóa thạch để tạo ra điện. Sử dụng gió để tạo ra điện làm giảm phát thải COx.

Sulphur dioxide và nitơ oxit là sản phẩm phụ của việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch.