Luận văn thạc sĩ điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện năng lượng gió

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện năng lượng gió, ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Nguyễn Minh Quân
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Châu Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Khiển Công Suất Tác Dụng Và Phản Kháng Của Hệ Thống Điện Năng Lượng Gió
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận văn Thạc sĩ này tập trung vào việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện năng lượng gió. Điện năng đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế và đời sống xã hội. Tuy nhiên, nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá đang dần cạn kiệt, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. Năng lượng gió được xem là một giải pháp tiềm năng do tính sạch và vô tận. Việt Nam, với hơn 3.200 km bờ biển, có tiềm năng lớn trong việc khai thác nguồn năng lượng này. Luận văn nhằm mục đích nghiên cứu và đề xuất các giải pháp điều khiển công suất hiệu quả trong hệ thống điện năng lượng gió, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Thế kỷ 21 đặt ra nhiều thách thức toàn cầu, trong đó vấn đề năng lượng là cấp thiết nhất. Năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, kéo theo giá thành tăng cao và nguồn cung không ổn định. Việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch cũng gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng như biến đổi khí hậu và ô nhiễm. Năng lượng gió, với ưu điểm sạch và tái tạo, trở thành giải pháp quan trọng. Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió, đặc biệt là khu vực ven biển. Nghiên cứu điều khiển công suất trong hệ thống điện năng lượng gió là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo ổn định hệ thống.

1.2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và đề xuất các giải pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện năng lượng gió. Luận văn tập trung vào việc phân tích các mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG), đề xuất các giải thuật điều khiển hiệu quả, và mô phỏng hệ thống để đánh giá hiệu suất. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện năng lượng gió, đảm bảo ổn định và tối ưu hóa công suất đầu ra.

II. Tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió

Hệ thống điện năng lượng gió bao gồm các thành phần chính như tuabin gió, máy phát điện, và hệ thống điều khiển. Tuabin gió chuyển đổi động năng của gió thành cơ năng, sau đó máy phát điện chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) là một trong những công nghệ phổ biến nhất trong hệ thống điện năng lượng gió do khả năng điều khiển linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng. Luận văn phân tích các đặc tính kỹ thuật của DFIG và các phương pháp điều khiển hiện đại để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

2.1. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG

Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) là công nghệ tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện năng lượng gió. DFIG cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Luận văn trình bày mô hình toán học của DFIG trong các hệ trục tọa độ khác nhau, bao gồm hệ trục tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq. Các mô hình này là cơ sở để thiết kế các giải thuật điều khiển hiệu quả.

2.2. Phương pháp điều khiển công suất

Luận văn đề xuất các phương pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện năng lượng gió sử dụng DFIG. Các phương pháp bao gồm điều khiển bộ chuyển đổi công suất phía lưới (GSC) và điều khiển bộ chuyển đổi phía rotor theo phương pháp SFOC. Các giải thuật này được thiết kế để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tối ưu hóa công suất đầu ra trong các điều kiện vận hành khác nhau.

III. Mô phỏng và kết quả

Luận văn tiến hành mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió sử dụng DFIG để đánh giá hiệu quả của các giải thuật điều khiển công suất tác dụng và phản kháng. Các kịch bản mô phỏng bao gồm tốc độ gió không đổi, tốc độ gió thay đổi, và tốc độ gió thay đổi lớn. Kết quả mô phỏng cho thấy các giải thuật đề xuất đạt được hiệu suất cao trong việc điều khiển công suất, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tối ưu hóa công suất đầu ra.

3.1. Mô phỏng với tốc độ gió không đổi

Trong kịch bản tốc độ gió không đổi, các giải thuật điều khiển công suất tác dụng và phản kháng đạt được hiệu suất cao. Hệ thống duy trì ổn định và đáp ứng nhanh chóng các thay đổi trong công suất tham chiếu. Kết quả mô phỏng cho thấy DFIG hoạt động hiệu quả trong việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.2. Mô phỏng với tốc độ gió thay đổi

Trong kịch bản tốc độ gió thay đổi, các giải thuật điều khiển công suất vẫn đạt được hiệu suất cao. Hệ thống đáp ứng nhanh chóng các thay đổi trong tốc độ gió, đảm bảo công suất đầu ra ổn định. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng thích ứng cao của DFIG trong các điều kiện vận hành khác nhau.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã nghiên cứu và đề xuất các giải pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện năng lượng gió sử dụng DFIG. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các giải thuật đề xuất trong việc tối ưu hóa công suất và đảm bảo ổn định hệ thống. Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng sang các công nghệ mới như máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) và tích hợp hệ thống điện năng lượng gió với các nguồn năng lượng tái tạo khác để tạo thành hệ thống năng lượng tổng hợp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, nước ta đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng. Qua nhiều hội thảo, hội nghị về năng lượng, qua trao đổi với nhiều nhà khoa học, cho thấy còn vài thập niên nữa, năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt sẽ bị cạn kiệt, loài người sẽ lâm vào tình trạng khủng hoảng năng lượng trầm trọng. Việt Nam không thể tránh khỏi nguy cơ do thiếu hụt năng lượng sắp đến gần. Thực tế, lũ lụt vừa qua bộc lộ nhiều bất cập về thủy điện.

Năng lượng thủy điện ta đã khai thác tối đa. Nhiều trạm thủy điện lớn, nhỏ chiếm lòng hồ rộng lớn hàng chục vạn ha, phá hủy rừng, cây cối, gây ô nhiễm môi trường sinh thái, đặc biệt không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây bao nhiêu thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối,. tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm. Các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang dần cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung lại không ổn định.

Trong khi năng 2 lượng hạt nhân còn quá mới đối với nước ta. Bất lợi là chúng ta phải dùng ngoại tệ nhập khẩu toàn bộ 100% về thiết bị, kỹ thuật, nhiên liệu uranium, thuê chuyên gia, ở trong nước chưa chế tạo được nhiên liệu hạt nhân, mua nhiên liệu rất đắt, không chủ động được, lại thêm dễ gây sự cố, ô nhiễm môi trường sinh thái, mất an toàn từ khâu khai thác, chế biến đến cất dấu chất thải hạt nhân. Từ các vấn đề nêu trên, trong tương lai chúng ta sẽ không thể bảo đảm an ninh năng lượng và có nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng nếu cứ duy trì sản xuất điện như hiện nay, cũng như không thể đạt được mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đến năm 2020. Có thể nhận thấy rằng, khi năng lượng điện không đáp ứng được nhu cầu thì công, nông, ngư nghiệp, chế biến và khai thác sẽ bị tụt hậu, đời sống vật chất và tinh thần sút kém mà sẽ dẫn đến các bất ổn cho đời sống và xã hội.

Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, những nguồn năng lượng tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… tất cả những loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường,… Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió được coi là một nguồn năng lượng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai. Hệ thống điện sử dụng năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn,…với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng gió với hơn 3.200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ được khuyến khích áp dụng trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất [1]. Góp phần trong vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu điều khiển công suất khi sử dụng hệ thống điện năng lượng gió là rất cần thiết.

Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện năng lượng gió”. Tính cấp thiết của đề tài Thế kỷ 20 đã trải qua với nhiều tiến bộ vượt bậc của loài người. Trong đó, con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàng những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng những nhu cầu không ngừng của con người. Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, con người phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới như môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác.

Trong thế kỷ 21, con người phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu chẳng hạn như năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,… Trong đó, vấn đề năng lượng vẫn là vấn đề được xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ này. Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những hiểm họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột. Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển kinh tế và sinh hoạt ngày càng lớn làm cho kinh tế chậm phát triển dẫn đến những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế, bất ổn chính trị xảy ra nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh.

Biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng nhiều, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát. Các số liệu trong “Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người. Hiện nay, với mức độ tăng dân số, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36.000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng – gấp đôi con số hiện tại.

Như vậy, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association) trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng 4 lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [2]-[3]. IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới. Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp cho thế giới trong 60 năm tới. Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm tới.

Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và đông dân cư như Trung Quốc và Ấn Độ, hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [3]. Về mặt chính trị, tình hình không ổn định của các nước đang sở hữu hơn 70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên, đều tập trung ở những khu vực nhiều bất ổn nhất thế giới như Trung Đông, Nga và Trung Á dẫn đến giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt tăng cao. Từ những vấn đề trên, để đảm bảo nguồn cung năng lượng cho nhân loại và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,…và những nguồn năng lượng khác.

Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới các năng lượng tái sinh đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu, sử dụng ngày càng nhiều [1]. Như vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà cần phải được quan tâm đúng mức trên toàn cầu. Trong số những nguồn năng lượng đó năng lượng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luôn được đánh giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển tối ưu bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió.

Đây chính là vấn đề cần thiết được đặt ra và cũng là vấn đề chính sẽ được quan tâm và giải quyết trong luận văn này. Mục tiêu của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió; - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió; - Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép; - Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép; - Mô phỏng giải thuật điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Hiện nay, thế giới đang hướng tới việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho việc sử dụng năng lượng truyền thống đang cạn kiệt.

Lý do chủ yếu sử dụng năng lượng tái tạo là để bảo vệ hành tinh xanh, nơi mà con người và tất cả các sinh vật khác đang tồn tại. Hơn thế nữa, năng lượng tái tạo không những thân thiện với môi trường mà còn không phải chịu những chi phí về nhiên liệu đầu vào, ít phải bảo trì và đặc biệt là vô tận. Một trong những nguồn năng lượng tái tạo chính là năng lượng gió. Nguồn năng lượng này tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự vận chuyển của trái đất và do mặt đất lồi lõm.

Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió. Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quay các turbine và sẽ tạo ra điện năng. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Morten Lindholm, “Modelling and Impact on power system dynamic”, Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, năm 2003 đã nguyên cứu mô hình điều 6 khiển từ thông máy phát điện gió và đưa ra mô hình trong phòng thí nghiệm với công suất máy 40 kW [10]. Hansen, Florin Iov, Poul Sørensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch, Frede Blaabjerg group, “Dynamic wind turbine models in power system simulation tool, DIgSILENT”, Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, năm 2007 đã nghiên cứu mô hình tuabin máy phát điện gió và điều khiển kết nối lưới trên cơ sở mô phỏng các chế độ vận hành của máy điện gió đồng bộ và không đồng bộ bằng chương trình phần mềm DIgSILENT [11].