PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích khách thể và đối tượng nghiên cưu 1 3. Giải quyết nghiên cứu 2 4.
Nhiệm vụ nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2 5. Phương pháp nghiên cứu 3 PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CHƢƠNG 2.1 Các vấn đề liên quan đến năng lƣợng trong gió 9 2.1 Năng lượng gió 9 2.2 Sự phân bố vận tốc gió 9 2.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 11 2.4 Đường cong công suất tuabin gió 14 2.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát 16 2.1 Giới thiê ̣u Turbin gió 16 2.2 Khí động học Turbin gió trục ngang 19 2.3 Số Betz giới hạn 21 2.4 Lý thuyết phân tố cánh 22 2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) 23 2.3 Hệ thống máy phát gió làm việc với lƣới điện biến đổi hoàn toàn tốc đô trên turbin gió với máy đồng bộ (FRC-GS) 25 2.1 Máy phát đồng bộ trên tuabin gió FRC-SG 26 2.2 Điều khiển trực tiếp máy phát Tuabin gió 26 2.3 Máy phát động bộ kích điện đối bằng nam châm vĩnh cữu 27 2.4 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu 27 2.4 Vận hành công suất turbin gió 29 2.1 Vận hành công suất cực đại 29 CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC 33 3.1 Vectơ không gian và phép biến đổi 33 3.1 Véctơ không gian 33 3.2 Biểu diển công suất theo véctơ không gian 35 3.3 Phép biến biến đổi giữa đại lượng ba pha abc và αβ 36 3.4 Phép biến biến đổi giữa đại lượng αβ và dq 37 3.2 Mô hình toán học hệ thống máy phát gió làm việc với lƣới điện biến đổi hoàn toàn tốc độ trên turbine gió với máy phát đồng bộ (FRC-GS) 39 3.1 Điều khiển Tuabin gió và hoạt động đánh giá các đặc tính động 39 3.2 Máy phát cảm ứng trên Tuabin gió 51 1 3.3 Đại lƣợng cơ bản 58 Chƣơng 4.
MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỔ HỢP TURBIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU VỚI BỘ CHUYỂN ĐỔI HOÀN TOÀN CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC (FRC-SG) 60 4.1 Giới thiệu về phần mềm PSCAD 60 4.3 Thành phần turbine gió 64 4.1 Khái quát về thành phần turbine gió trong PSCAD 64 4.2 Đường cong Cp với mô hình chuẩn PSCAD 65 4.3 Các thông số tính toán 66 4.4 Thành phần điều chỉnh turbine gió 68 4.1 Khái quát về thành phần điều chỉnh turbine gió trong PSCAD 68 4.2 Các thông số bộ điều chỉnh gió 69 4.5 Máy phát điện đồng bộ 70 4.1 Khái quát về các thành phần máy phát điện đồng bộ trong PSCAD 70 4.2 Các thông số của máy phát điện đồng bộ 72 4.6 Nguồn và chuyển đổi tần số 73 4.1 Bô ̣ chỉnh lưu 73 4.2 Bảo vệ quá điện áp 75 4.4 Bộ nghịch lưu 6 khóa Thyristor 78 4.5 Kết nối lưới. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 86 5.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRÊN PSCAD 86 5.1 Phía phần phát 86 5.2 Phần chuyển đổi 88 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PSCAD 90 5.1 Kết quả mô phỏng trên một turbine 90 5.2 Kết quả mô phỏng trên 10 turbine 100 CHƢƠNG 6.1 Các vấn đề đã giải quyết trong luận văn 112 6.2 Đề xuất những nghiên cứu tiếp theo 112 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT FRC-SG Fully Rated Converter- Synchronous Generator FSIG Fixed-speed Induction Generator PG-RE Real Power Generator-Rectifier QG-RE Reactive Power Generator-Rectifier PG-IN Real Power Generator-Invecter QG-IN Reactive Power Generator-Invecter PG-TOTAL Real Power Generator Total QG-TOTAL Reactive Power Generator Total FTP Flux, Torque, Power FOC Field Oriented Control GSC Grid Side Converter IG Induction Generator IE Increment Encoder LA Line Voltage Angle LPV Linear Parameter Varying RSC Rotor Side Converter PLL Phase Locked Loop PI Proportional Integral p.u Per Unit PWM Pulse Width Modulation RMS Root Mean Square SG Synchronuos Generator SMC Sliding Mode Control SC Stator Current VSC Voltage Source Converter WECS Wind Energy Convertion System Chỉ số trên s, e hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq ref, ∗ giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt mea giá trị đo lường T chuyển vị của ma trận, véctơ ^ giá trị ước lượng Chỉ số dƣới n,b giá trị danh định, trị cơ bản max, min maximum, minimum KÝ HIỆU vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr điện áp pha stator và rotor ias, ibs, ics, iar , ibr , icr dòng điện stator và rotor 3 ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr từ thông stator và rotor vαs, vβs, vαr, vβr điện áp stator và rotor theo trục α,β iαs, iβs, iαr, iβr dòng stator và rotor theo trục α,β ψαs, ψβs, ψαr, ψβr từ thông stator và rotor theo trục α,β vds, vqs, vdr, vqr điện áp stator và rotor theo trục d,q ids, iqs, idr, iqr dòng stator và rotor theo trục d,q ψds,ψqs,ψdr ,ψqr từ thông stator và rotor theo trục d,q us,Udc điện áp lưới và điện áp dc-link Rs,Rr điện trở dây quấn stator và rotor Lls,Llr điện cảm tản stator và rotor Ls,Lr điện cảm stator và rotor Lm điện cảm từ hóa ωs,ωr tốc độ đồng bộ và rotor [elec.rad/s ] ωrm vận tốc góc cơ học của rotor [mach.rad/s ] ωsl ,s vận tốc trượt và độ trượt kT tỷ số vòng dây stator và rotor θs,θr góc vị trí stator và rotor [elec.rad ] Te,Tm mômen điện từ và mômen cơ Ps,Qs công suất tác dụng, phản kháng phía stator τs, τr thời hằng stator và rotor σ, f hệ số tản tổng và hệ số ma sát [N.s/rad ] p số cặp cực từ J,H mômen quán tính và hệ số quán tính rotor v,vd, v vận tốc gió trước, sau cánh quạt và trung bình Rb,Ar bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin p, Cρ mật độ không khí và hiệu suất rotor λ, β Tip - speed - ratio và góc pitch 4 Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc Chƣơng1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tình hình cung - cầu điện năng ở Việt Nam Tốc độ tăng trƣởng trung bình của sản lƣợng điện ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trƣởng GDP của nền kinh tế. Chiến lƣợc công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng trƣởng cao để thực hiện „dân giàu, nƣớc mạnh“ và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thập niên tới.
Để hoàn thành đƣợc những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triển năng lực cung ứng của mình. Việc ƣớc lƣợng nhu cầu về điện không hề đơn giản, bởi vì nhu cầu về điện là nhu cầu dẫn xuất. Chẳng hạn nhƣ nhu cầu về điện sinh hoạt tăng cao trong mùa hè là do các hộ gia đình có nhu cầu điều hòa không khí, đá và nƣớc mát. Tƣơng tự nhƣ vậy, các công ty sản xuất cần điện là do điện có thể đƣợc kết hợp với các yếu tố đầu vào khác (nhƣ lao động, nguyên vật liệu v.) để sản xuất ra các sản phẩm cuối cùng.
Nói cách khác, chúng ta không thể ƣớc lƣợng nhu cầu về điện một cách trực tiếp mà phải thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc ƣớc lƣợng nhu cầu của các sản phẩm cuối cùng. Nhu cầu này, đến lƣợt nó, lại phụ thuộc vào nhiều biến số kinh tế và xã hội khác Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trƣởng GDP trung bình tiếp tục đƣợc duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lƣợng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tƣơng ứng là 165. Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị HVTH: Lê Văn Khánh 1-1 Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS.
Nguyễn Hữu Phúc thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm. Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực trở thành hiện thực thì hoặc là chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nƣớc, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào đình trệ, còn đời sống của ngƣời dân sẽ bị ảnh hƣởng nghiêm trọng. Không phải đợi đến năm 2010 hay 2020, ngay trong thời điểm hiện tại chúng ta cũng đã đƣợc “nếm mùi” thiếu điện. Trong những năm gần đây, ngƣời dân ở hai trung tâm chính trị và kinh tế của đất nƣớc chịu cảnh cắt điện luôn phiên gây nhiều khó khăn cho sinh hoạt và ảnh hƣởng tiêu cực đến đời sống kinh tế.2 Những lợi ích về môi trường và xã hội của điện gió Năng lƣợng gió đƣợc đánh giá là thân thiện nhất với môi trƣờng và ít gây ảnh hƣởng xấu về mặt xã hội.
Để xây dựng một nhà máy thủy điện lớn cần phải nghiên cứu kỹ lƣỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nƣớc. Ngoài ra, việc di dân cũng nhƣ việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai những ngƣời dân xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài toán khó đối với các nhà hoạch định chính sách. Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các đập nƣớc tại Việt Nam cũng không còn nhiều. Song hành với các nhà máy điện hạt nhân là nguy cơ gây ảnh hƣởng lâu dài đến cuộc sống của ngƣời dân xung quanh nhà máy.
Các bài học về rò rỉ hạt nhân cộng thêm chi phí đầu tƣ cho công nghệ, kỹ thuật quá lớn khiến càng ngày càng có nhiều sự ngần ngại khi sử dụng loại năng lƣợng này. Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thì luôn là những thủ phạm gây ô nhiễm nặng nề, ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng và sức khỏe ngƣời dân. Hơn thế nguồn nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao. Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lƣợng gió càng trở nên rõ rệt.
So với các nguồn năng lƣợng gây ô nhiễm (ví dụ nhƣ ở nhà máy nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi HVTH: Lê Văn Khánh 1-2 Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc sử dụng năng lƣợng gió, ngƣời dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa màu hay tái định cƣ và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏe do ô nhiễm. Ngoài ra với đặc trƣng phân tán và nằm sát khu dân cƣ, năng lƣợng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải.