Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng phát triển toàn cầu nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính. Trong đó, năng lượng gió được đánh giá là nguồn năng lượng xanh có tiềm năng phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam với tốc độ tăng trưởng công suất trung bình hàng năm khoảng 30% trên thế giới trong thập kỷ qua. Tuy nhiên, việc khai thác hiệu quả năng lượng gió đòi hỏi các hệ thống chuyển đổi năng lượng phải hoạt động tối ưu, đặc biệt là trong việc sử dụng máy phát điện phù hợp và các giải thuật điều khiển công suất tối đa (MPPT).

Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) hòa lưới, một lựa chọn kinh tế và tin cậy cho các hệ thống điện gió cỡ nhỏ và trung bình. Mục tiêu chính là thiết kế và mô phỏng hệ thống SCIG hòa lưới với các giải thuật điều khiển MPPT và điều khiển tốc độ máy phát nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng và đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra phù hợp với các yêu cầu khắt khe của lưới điện truyền thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện gió sử dụng SCIG tại Việt Nam, với mô phỏng trên nền tảng PLECS trong khoảng thời gian từ đầu năm đến giữa năm 2019. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió, giảm chi phí vận hành và tăng khả năng hòa lưới điện quốc gia.

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:

  • Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS): Bao gồm các thành phần cơ khí (tuabin gió, cánh quạt, hộp số), thành phần điện (máy phát điện, bộ biến đổi công suất, bộ lọc sóng hài) và hệ thống điều khiển (điều khiển MPPT, điều khiển hòa lưới, điều khiển khởi động).

  • Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG): Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ quay dq, phương trình vi phân mô tả dòng điện, từ thông, moment và tốc độ động cơ. SCIG được lựa chọn do chi phí thấp, cấu trúc bền vững và chi phí bảo trì thấp hơn so với các loại máy phát khác như PMSG, WRIG hay DFIG.

  • Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC): Bao gồm hai phương pháp điều khiển trực tiếp (DFOC) và gián tiếp (IFOC), cho phép điều khiển độc lập dòng điện tạo từ thông và dòng điện tạo moment, giúp điều khiển tốc độ và moment của SCIG chính xác và hiệu quả.

  • Giải thuật điều khiển MPPT: Các phương pháp như điều khiển mô-men xoắn tối ưu, điều khiển tìm kiếm, logic mờ, điều khiển thần kinh và các thuật toán thích nghi được nghiên cứu nhằm tối đa hóa công suất thu được từ gió trong điều kiện biến đổi tốc độ gió.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu về đặc tính máy phát SCIG, thông số tuabin gió, dữ liệu vận hành lưới điện và các thông số môi trường được thu thập từ các báo cáo ngành và tài liệu kỹ thuật.

  • Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên phần mềm PLECS, một công cụ mô phỏng nhanh các hệ thống điện tử công suất. Mô hình hệ thống điện gió SCIG hòa lưới được xây dựng chi tiết với các khối mô phỏng máy phát, bộ biến đổi công suất, bộ điều khiển MPPT và điều khiển hòa lưới.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng được thực hiện với nhiều kịch bản vận tốc gió khác nhau (từ 5 m/s đến 6 m/s) để đánh giá hiệu suất hệ thống. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2019.

  • Lý do lựa chọn phương pháp: PLECS được chọn do khả năng mô phỏng nhanh, chính xác các hệ thống điện tử công suất phức tạp, hỗ trợ kiểm chứng hiệu quả các giải thuật điều khiển trong môi trường gần thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió của hệ thống SCIG hòa lưới: Mô phỏng cho thấy hiệu suất chuyển đổi đạt khoảng 85-90% ở các tốc độ gió từ 5 m/s đến 6 m/s, cao hơn đáng kể so với hệ thống SCIG tốc độ cố định truyền thống. Việc điều khiển tốc độ máy phát theo phương pháp FOC giúp tối ưu hóa công suất thu được.

  2. Hiệu quả của giải thuật MPPT: Giải thuật MPPT dựa trên điều khiển mô-men xoắn tối ưu và logic mờ đã được mô phỏng thành công, giúp hệ thống vận hành gần điểm công suất cực đại với sai số dưới 5%. So với phương pháp điều khiển truyền thống, công suất đầu ra tăng trung bình 10-12%.

  3. Chất lượng điện năng đầu ra: Các kết quả mô phỏng cho thấy sóng hài tổng (THD) của dòng điện lưới được giữ dưới 5%, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của lưới điện truyền thống. Bộ lọc sóng hài phía máy phát và phía lưới đóng vai trò quan trọng trong việc giảm méo sóng hài.

  4. Khả năng khởi động và vận hành ổn định: Hệ thống điều khiển khởi động mềm cho SCIG với bộ biến đổi công suất DC link giúp giảm dòng khởi động đột ngột, bảo vệ máy phát và tăng tuổi thọ thiết bị. Mô phỏng các kịch bản thay đổi tốc độ gió cho thấy hệ thống có khả năng thích ứng nhanh, duy trì ổn định điện áp và tần số hòa lưới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu suất cao là do việc áp dụng phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC) cho phép điều khiển độc lập dòng điện tạo từ thông và moment, giúp máy phát SCIG vận hành hiệu quả trong dải tốc độ gió biến đổi. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) hoặc máy phát cảm ứng rotor dây quấn (WRIG), SCIG với FOC và MPPT mang lại giải pháp kinh tế hơn với chi phí bảo trì thấp.

Chất lượng điện năng đầu ra được cải thiện nhờ thiết kế bộ lọc sóng hài phù hợp và điều khiển bộ biến đổi công suất chính xác, điều này rất quan trọng để đáp ứng các tiêu chuẩn lưới điện quốc gia và quốc tế. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ công suất đầu vào và đầu ra, sóng hài dòng điện lưới, cũng như đồ thị đáp ứng moment và tốc độ máy phát theo thời gian.

Tuy nhiên, việc mô phỏng còn phụ thuộc vào các giả định về điều kiện vận hành và mô hình máy phát, do đó cần có các thử nghiệm thực tế để xác nhận kết quả. Ngoài ra, việc mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống công suất lớn hơn và tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác cũng là hướng phát triển tiềm năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật điều khiển FOC kết hợp MPPT trong hệ thống SCIG hòa lưới: Áp dụng giải thuật này nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng và chất lượng điện năng, với mục tiêu tăng công suất thu được ít nhất 10% trong vòng 12 tháng, do các đơn vị phát triển hệ thống điện gió thực hiện.

  2. Tối ưu thiết kế bộ lọc sóng hài phía máy phát và lưới điện: Giảm thiểu méo sóng hài xuống dưới 5% để đáp ứng tiêu chuẩn lưới điện, đảm bảo vận hành ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị, thực hiện trong 6 tháng bởi các nhà thiết kế hệ thống điện.

  3. Phát triển hệ thống khởi động mềm cho SCIG: Giảm dòng khởi động đột ngột, bảo vệ máy phát và thiết bị điện tử công suất, nâng cao độ bền hệ thống, triển khai trong 9 tháng bởi các kỹ sư vận hành và bảo trì.

  4. Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm thực tế: Thực hiện các thử nghiệm thực tế tại các trang trại gió quy mô nhỏ và trung bình để đánh giá hiệu quả mô hình và giải thuật điều khiển, đồng thời khảo sát khả năng tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác, tiến hành trong 18 tháng với sự phối hợp của viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình máy phát SCIG, phương pháp điều khiển FOC và giải thuật MPPT, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  2. Các kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện gió: Tham khảo để áp dụng các giải pháp điều khiển tối ưu, nâng cao hiệu suất và chất lượng điện năng trong các dự án điện gió thực tế.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Hiểu rõ tiềm năng và thách thức của hệ thống điện gió sử dụng SCIG, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị điện tử công suất: Nắm bắt các yêu cầu kỹ thuật và giải thuật điều khiển hiện đại để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn máy phát SCIG cho hệ thống điện gió thay vì PMSG hay DFIG?
    SCIG có chi phí sản xuất thấp, cấu trúc bền vững và chi phí bảo trì thấp hơn so với PMSG và DFIG, phù hợp với các hệ thống điện gió cỡ nhỏ và trung bình, đồng thời dễ dàng hòa lưới.

  2. Giải thuật MPPT giúp gì cho hệ thống điện gió?
    MPPT tối ưu hóa công suất thu được từ gió bằng cách điều khiển tốc độ máy phát và mô-men xoắn, giúp hệ thống vận hành gần điểm công suất cực đại, tăng hiệu suất và giảm tổn thất.

  3. Phương pháp điều khiển FOC có ưu điểm gì?
    FOC cho phép điều khiển độc lập dòng điện tạo từ thông và moment, giúp điều khiển tốc độ và moment chính xác, nâng cao hiệu suất và độ ổn định của máy phát không đồng bộ.

  4. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra?
    Sử dụng bộ lọc sóng hài phía máy phát và phía lưới, kết hợp với điều khiển bộ biến đổi công suất chính xác để giảm méo sóng hài và duy trì điện áp, tần số ổn định theo tiêu chuẩn lưới điện.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các hệ thống công suất lớn không?
    Mô hình và giải thuật có thể mở rộng cho các hệ thống công suất lớn hơn, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số và thử nghiệm thực tế để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thiết kế và mô phỏng thành công hệ thống điện gió sử dụng máy phát SCIG hòa lưới với giải thuật điều khiển FOC và MPPT trên nền tảng PLECS.
  • Hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt khoảng 85-90%, công suất đầu ra tăng trung bình 10-12% so với phương pháp truyền thống.
  • Chất lượng điện năng đầu ra đáp ứng tiêu chuẩn lưới điện với THD dưới 5%, đảm bảo vận hành ổn định và bền bỉ.
  • Hệ thống khởi động mềm giúp giảm dòng khởi động, bảo vệ thiết bị và tăng tuổi thọ máy phát.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu thử nghiệm thực tế và phát triển các giải pháp tích hợp năng lượng tái tạo đa nguồn trong tương lai.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế, tối ưu hóa giải thuật điều khiển và mở rộng ứng dụng cho các hệ thống công suất lớn hơn.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nên áp dụng và phát triển các giải pháp điều khiển SCIG hòa lưới để nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió tại Việt Nam.