MỞ ĐẦU 1. LY DO CHON DE TÀI Ngày nay, việc nghiên cứu va sử dung năng lượng tái tao đang là một xu thế trên thé giới, do có thé giảm được chi phí nhiên liệu, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, có khả năng sản xuất trên qui mô lớn và kết nối được với điện lưới. Trong các dạng nguồn năng lượng tái tao, thi năng lượng gió có nhiều tìm năng phát triển ở Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ, cũng như các phương pháp điều khiến công suất dé tối ưu hóa năng lượng nhận được từ gió, nâng cao chất lượng điện năng đầu ra để đáp ứng các điều kiện khắt khe của lưới điện truyền thống cũng như các phương pháp khởi động và bảo vệ turbine là những yêu cầu hết sức cần thiết dé làm tăng sự thâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo này vào cơ cầu năng lượng điện nước ta.
Trang trại gió truyền thống chỉ bao gồm máy phát cảm ứng rotor lồng sóc tốc độ không đổi (SCIG) phát điện lên lưới AC thông qua một máy biến áp cách ly. Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thấp, cũng như hộp số 3 cap nặng nè, dễ hư hõng khiến cho sơ đồ phát điện này kém hiệu quả hơn. Hơn nữa để cung cấp dòng kích từ, SCIG cần phải được cung cấp công suất phản kháng từ lưới điện, điều này ảnh hưởng đến chất lượng của lưới điện. Do đó sơ đỗ này dan được thay thế bang các sơ đồ khác (hình 1.
Những năm gan day, hệ thống turbine gió đã phát triển nhanh chống trên thé giới. So với kiểu turbine có tốc độ cô định thì kiểu turbine có tốc độ có thể thay đổi được mang nhiều thuận lợi như có thể vận hành ở điểm công suất cực đại ở các vùng gió không cố định, cải thiện được hiệu suất và năng suất máy phát. Vì thế kiểu turbine loại này được sự quan tâm càng nhiều trong công nghiệp năng lượng gió. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đối thì không tuyến tính và các thông số luôn thay đổi, đòi hỏi bộ điều khiến phải hoạt động hiệu quả và tin cậy để thu được công suất tối đa và đáp ứng các yêu cầu hòa lưới.
Đối | với một hệ thong điện gió cỡ trung bình và nhỏ thì máy phát SCIG với một turbine gió thay đôi được tốc độ là một sự lựa chọn hấp dan, bởi với chi phí sản xuất thấp, vận hành tin cậy so với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Ngoài ra, SCIG ít đòi hỏi bảo trì hơn so với các máy phát đồng bộ rotor dây quan (WRSG) và máy phát cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), nên đề tài đã chọn máy phát SCIG cho hệ thông điện gió hòa lưới. SCIG LCL Gearbox PMSG Mi if if 4 4 “i (Optional WRSG 4 ¿ 4 ¿ withSG) (LV) 2LVSR DCLink 2L-VSI Hình 1. Cau hình hệ thong chuyển doi năng lượng gió hòa lưới 1.
MỤC TIỂU CUA DE TÀI Hiệu suất của WECS có tâm quan trọng lớn để cung cấp năng lượng thu thu được tối đa từ gió. Khả năng thay đổi tốc độ của tuabin gió cho phép vận hành với hiệu suất khí động học tối đa và cũng cung cấp một nhiễu loạn mô-men xoăn tối thiểu trong mạch lái. Ngoài điều khiến tỷ lệ tốc độ đầu cần có máy đo gió để đo tốc độ gió, một số sơ đồ điều khiến theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) đã được báo cáo trong tài liệu kỹ thuật, chủ yếu dựa trên điều khiển mô-men xoắn tối ưu [1], điều khiến tìm kiếm [ 2], điều khiến logic mờ [3] và phương pháp điều khién mang thần kinh [4]. Ngoài ra, một thuật toán điều khiến theo đõi nhanh đã được trình bày 2 trong [5], sơ dé dựa trên logic mờ thích nghi đã được đề xuất trong [6] và [7] và bộ điều khiển MPPT với điều khiển bù thích ứng đã được dé xuất trong [8].
Cuối cùng, một thuật toán MPPT cho WECS với bộ tạo cảm ứng được cấp nguồn gấp đôi, tận dụng công suất quán tính của rôto đã được trình bày trong [9]. Ngoài kiểm soát MPPT, hiệu quả của toàn bộ WECS có thể được cải thiện bằng cách tăng hiệu suất của máy phát điện. Điều này có thé đạt được thông qua điều khiến từ thông liên kết (flux-linkage) máy phát bang cách điều chỉnh dòng điện stato trục d. Một phương pháp điều khiến logic mờ đã được trình bày trong [10] và các kỹ thuật điều khiến tìm kiếm đã được dé xuất trong [11] và [12].
Sơ đồ điều khiến WECS của bộ điều khiển “minimum ohmic loss controller” SCIG kết hợp với tìm kiếm hoặc bộ điều khiển MPPT logic mờ đã được trình bày trong [13]. Các phương pháp kiểm soát hiệu quả tối ưu dựa trên mô hình cho một SCIG đã được đề xuất trong [14]; tuy nhiên, trong [14] việc do tốc độ gió chính xác là bắt buộc. Một thiết kế điện dung được tối ưu hóa cho DC link của bộ chuyển đổi back-to-back dé phát điện tua bin gió đã được trình bay trong [15-19]. Từ những nghiên cứu trên, có thé kết luận rằng cần có một giải thuật điều khiến để đạt hiệu quả cao về năng lượng, chất lượng điện năng dau ra và về chi phí cho WECS với SCIG có đáp ứng động nhanh và có thé dé dàng thực hiện.
Đó cũng là mục tiêu hướng đền của đê tài. PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CUU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, dé xuất giải thuật và kiểm chứng bang mô phỏng. Nội dung nghiên cứu: - Nguyên cứu lý thuyết: Năng lượng gió, điều khiển MPPT trong hệ thống điện gió, hòa lưới và khởi động máy phát gió. - Mô phỏng: tìm hiéu phan mềm PLECS với khả năng mô phỏng nhanh các hệ thống điện tử công suất để kiểm chứng hiệu quả của giải thuật điều khiến.
CHUONG2: HE THONG CHUYỂN BOI NÀNG LUONG GIO 2. TONG QUAN Nhu cau sử dung năng lượng điện trên thé giới ngày càng tăng, trong khi các nguén năng lượng truyền thống dang cạn kiệt nhanh chóng với mức chi phí tăng va gây 6 nhiễm môi trường. Đề đáp ứng những thách thức này, sự chú ý đã tập trung vào các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, pin nhiên liệu, v. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng xanh tái tạo quan trọng, có mặt khắp nơi, thân thiện với môi trường và có sẵn miễn phí.
Hơn nữa, năng lượng gió được đặc trưng bởi độ tin cậy cao và hiệu suất cao. Nhờ tất cả các tính năng nảy, công suất phát điện gió đã tăng nhanh, với mức tăng trưởng trung bình hàng năm khoảng 30%, trên thế giới, trong thập ky qua. Nang lượng điện được tao ra từ gid bang cach sử dụng tuabin gió va may phát điện. Hệ thống có thể được sử dụng cho tải độc lập hoặc đưa vào mạng điện thông qua bộ chuyển đối công suất phù hợp.
Tuabin gió hoạt động ở tốc độ cô định hoặc thay đổi. Một máy phát điện với tuabin gió có tốc độ cố định thường sử dung một máy phát điện cảm ứng lông sóc (SCIG) để chuyển đổi năng lượng cơ học từ tuabin gió thành năng lượng điện (Hình 2. Máy phát được kết nối trực tiếp với mạng điện. Hệ thống hoạt động gan như ở tốc độ không đổi ngay cả khi tốc độ gió thay đối.
Cau trúc liên kết này là đơn giản, ít tốn kém và hiệu quả. Nhung, nó thu được mức năng lượng thấp, tốn hao cơ học và chất lượng năng lượng điện năng đầu ra không Lá ^ tot. May phát điện tua bin gió tốc độ thay đổi (hình 2.1b) có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao từ gió qua một phạm vi tốc độ gió rộng hơn, cùng với chất lượng điện năng tốt hơn. Ngoài ra sơ đồ này có khả năng diéu chỉnh hệ số công suất, băng cách tiêu thụ hoặc sản xuất công suất phản kháng, và đảm bảo ứng suất cơ học thấp 5 hơn.
Bộ chuyển đối điện tử công suất được kết hợp giữa máy điện và hệ thong dién như trong hinh. Hau hết các nhà sản xuất tuabin gió lớn đang phát triển các tuabin gió quy mô megawatt mới dựa trên hoạt động tốc độ thay đối với điều khiến pitch control. Soft Starter Gearbox Power Factor Variable Resistor NÂU Compensator a. Tốc độ cô định của SCIG WECS t?~C8)~ Ciearboe PMSG Full Capacity (Optional =, (100 %) 0 with SG) Power Converter b.
Tốc độ thay đổi của WECS với SCIG/SG Hình 2. Cau trúc WECS 2. HỆ THONG CHUYEN DOI NĂNG LƯỢNG GIO 2. Tổng quan Cấu hình co bản của một WECS được kết nối lưới được mô tả trong hình 2.
WECS bao gồm một số thành phan cơ khí chuyển đối động năng gió thành năng lượng điện một cách có kiểm soát, đáng tin cậy và hiệu quả. Các thành phan chính của WECS có thé được phân loại thành các hệ thống cơ, điện và điều khiến. Các thành phan cơ khí bao gồm tháp, xà ctr, cánh quạt, trung tâm cánh quạt, hộp số, 6 dia, 6 ngáp, cảm biến tốc độ gid, tàu lái và phanh cơ [20]. Các thành phan điện bao gôm máy phát điện, bộ chuyển đổi công suất có thể cùng với các bộ lọc phía máy phát và lưới điện, máy biến áp tăng áp và lưới ba pha hoặc tải tiêu thụ.
Các thành phân liên quan đến điều khiến được sử dụng với cả hệ thống chuyển đổi năng lượng cơ và điện. Các bộ phận dễ thấy nhất trong các tuabin gió lớn là tháp, vỏ bọc và cánh quạt, và các bộ phận còn lại được đặt bên trong tuabin gió. | Wind me) | m Ö MS3§ | Turbine || SCG — WRIGDEIG - 4 | Gearbox ; +>= =—— _- PMSG h cát A lì Transformer Step-up N | WRSG Three-Phase Grid or Wind Generator Generator-side Power Converter Grid-side Collection Point Harmonic Filter Harmonie Filter Hình 2. Cac thành phan chính của WECS Mechanical Components: Động năng của gió trước tiên được chuyên đôi thành năng lượng cơ học với sự trợ giúp của các cánh quạt tuabin.
Đôi với các tuabin gió 7 công suất lớn, thiết kế ba cánh là hiệu quả và phô biến nhất [21]. Hiệu suất chuyển đôi năng lượng động học sang cơ học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng của cánh quạt, góc của cánh quạt, tốc độ gió, mật độ không khí, v. Tốc độ và hướng gió được đo với sự trợ giúp của các cảm biến, và một 6 ngáp được sử dụng để di chuyển các cánh quạt cùng với vỏ bọc hướng về phía gió để lẫy năng lượng tối đa có thể. Khi tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, góc của các cánh quạt được thay đối sao cho công suất điện bị giới hạn ở giá tri định mức.