Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Điều Khiển P và Q Cho Hệ Thống Điện Năng Lượng Sóng Biển Wave Dragon

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu điều khiển p và q của hệ thống điện năng lượng sóng biển wave dragon, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Sang
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Xuân Lâm
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon
• 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 tập trung vào việc điều khiển P và Q trong hệ thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon. Năng lượng sóng biển được xem là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng, đặc biệt với ưu điểm an toàn và ít ảnh hưởng đến môi trường. Việt Nam, với vị trí địa lý thuận lợi, có tiềm năng lớn trong việc khai thác nguồn năng lượng này. Luận văn nhấn mạnh sự cần thiết của việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng mạnh, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ và khí đốt đang dần cạn kiệt. Việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng sóng biển, trở thành giải pháp quan trọng. Luận văn đề cập đến việc điều khiển công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) trong hệ thống Wave Dragon, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện.

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là hệ thống Wave Dragon, một công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc phân tích và mô phỏng các kỹ thuật điều khiển P và Q sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong hệ thống này. Luận văn cũng đề cập đến các yêu cầu kỹ thuật khi kết nối hệ thống với lưới điện quốc gia.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết về hệ thống điện năng lượng sóng biển, bao gồm phân loại sóng biển, năng lượng sóng, và các hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành điện năng. Luận văn tập trung vào hai hệ thống chính: Aschimedes Wave Swing (AWS) và Wave Dragon. Các mô hình toán học và nguyên lý hoạt động của các hệ thống này được phân tích chi tiết, đặc biệt là vai trò của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong quá trình chuyển đổi năng lượng.

2.1 Phân loại sóng biển

Sóng biển được phân loại dựa trên nguyên nhân, hiện tượng, độ cao, và vùng lan truyền. Các loại sóng khác nhau có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống chuyển đổi năng lượng. Luận văn cung cấp các thông tin chi tiết về năng lượng sóng và thông lượng năng lượng sóng, giúp hiểu rõ hơn về tiềm năng khai thác nguồn năng lượng này.

2.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển

Hệ thống Wave Dragon được mô tả chi tiết, bao gồm nguyên lý hoạt động và các thành phần cơ bản. Luận văn cũng trình bày mô hình toán học của hệ thống, đặc biệt là mô hình mô tả máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống cũng được phân tích và đánh giá.

III. Điều khiển P và Q

Chương này tập trung vào các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) trong hệ thống Wave Dragon. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới được trình bày, bao gồm điều khiển nghịch lưu theo định hướng vector điện áp. Luận văn cũng đề cập đến các giải thuật xác định điểm công suất cực đại (MPPT) cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

3.1 Điều khiển công suất tác dụng

Các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng được phân tích, bao gồm việc sử dụng các hệ trục tọa độ và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu. Luận văn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều chỉnh công suất tác dụng để đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện.

3.2 Điều khiển công suất phản kháng

Các phương pháp điều khiển công suất phản kháng được trình bày, bao gồm việc sử dụng các giải thuật như WSM (Wave Speed Measurement) và PSF (Power Signal Feedback). Luận văn cũng đề cập đến việc điều khiển công suất phản kháng để duy trì chất lượng điện năng và ổn định điện áp trong hệ thống.

IV. Mô phỏng và kết quả

Chương này trình bày các kết quả mô phỏng việc điều khiển P và Q trong hệ thống Wave Dragon. Các kịch bản mô phỏng được thực hiện với các điều kiện khác nhau, bao gồm thay đổi tốc độ rotor và công suất tham chiếu. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các kỹ thuật điều khiển trong việc duy trì sự ổn định và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

4.1 Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng được trình bày chi tiết, bao gồm các biểu đồ và phân tích về công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp, và dòng điện trong hệ thống. Luận văn đánh giá khả năng điều khiển của hệ thống trong các điều kiện khác nhau, từ đó rút ra các kết luận quan trọng.

4.2 Đánh giá hiệu quả

Luận văn đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật điều khiển trong việc tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống Wave Dragon có tiềm năng lớn trong việc khai thác năng lượng sóng biển và cung cấp điện năng ổn định.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn kết luận rằng việc điều khiển P và Q trong hệ thống Wave Dragon là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện. Các kết quả nghiên cứu và mô phỏng cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này trong việc khai thác năng lượng sóng biển. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến các kỹ thuật điều khiển và mở rộng quy mô ứng dụng của hệ thống.

5.1 Kết luận

Luận văn khẳng định tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển, đặc biệt là hệ thống Wave Dragon. Các kết quả nghiên cứu và mô phỏng cho thấy hiệu quả của các kỹ thuật điều khiển P và Q trong việc tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

5.2 Hướng phát triển

Luận văn đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến các kỹ thuật điều khiển, mở rộng quy mô ứng dụng của hệ thống, và nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Wave Dragon.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu chung 1. Giới thiệu Năng lượng của sóng biển đã được ghi nhận từ thời đại cổ xưa của loài người. Các thử nghiệm chuyển đổi năng lượng sóng biển đã được tiến hành từ lâu, chuyển đổi sóng biển được bắt đầu với việc sử dụng sóng để phát tín hiệu cho các phao hàng hải; năng lượng sóng được sử dụng để nén khí trong một ống dọc giữa các phao tạo ra còi báo hiệu. Việt Nam có vị trí địa lý và khí hậu thuận lợi, cùng với nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng gồm: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt.

Các nguồn năng lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều vùng sinh thái. Với nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng nhanh ở Việt Nam việc sớm khai thác các nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không những góp phần giảm gánh nặng về cung cầu năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Nhu cầu về điện năng trên thế giới đang gia tăng một cách mạnh mẽ cùng với sự phát triển của các nền kinh tế và sự tăng dân số trên phạm vi toàn cầu. Nhưng sự bùng nổ về nhu cầu điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu và khí – vốn hiện tại cung cấp một nửa năng lượng cho toàn thế giới – lâm vào tình thế rất khó khăn [1].

Các số liệu cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người. Khi ấy, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo…). Và 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.

2 Chính vì sự cạn kiệt và khan hiếm nhiên liệu cho nên việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế đang trở thành mục tiêu và giải pháp chung của nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Với những ưu điểm như giá thành thấp, ít gây ảnh hưởng tiêu cực cho môi trường, các nguồn năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió hay đặc biệt là năng lượng sóng biển được xem là một nguồn năng lượng thay thế hữu ích, đang được nhiều nước chú trọng phát triển cho ngành sản xuất năng lượng điện Ở nước ta, vấn đề cung cấp năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất chưa được đảm bảo liên tục, nhất là vào mùa hè. Tình trạng cắt điện luân phiên ảnh hưởng không nhỏ đến sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp và sinh hoạt của người sử dụng điện. Từ đó, có thể nhận thấy rằng, nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện nay.

Thêm vào đó, các nguồn năng lượng điện truyền thống cũng đang có các tác tiêu cực đến hệ sinh thái. - Thủy điện * Tác động đến thế giới động vật Hồ chứa nước của các công trình thủy điện chiếm một diện tích rất đáng kể đất ngập nước, đã làm mất đi hệ quần thể thực vật, vốn là thức ăn nuôi sống động vật. Hậu quả là nhiều loại động vật cũng bị tiêu diệt hoặc phải di cư đến nơi khác sinh sống. Vì vậy, khi thiết kế xây dựng hồ chứa nước bắt buộc phải có các tính toán về thiệt hại đối với thế giới động vật, tính toán thiệt hại về kinh tế.

Và phải tính đến các biện pháp hoàn bù đất, cải tạo, tăng độ phì nhiêu của đất, cải thiện điều kiện cho thực vật phát triển và áp dụng các biện pháp công nghệ sinh học khác để cải tạo đất. * Tác động đến hệ sinh thái dưới nước Tác động của các hồ chứa nước và hoạt động của nhà máy thủy điện sẽ làm thay đổi hệ sinh thái dưới nước ở khu vực có công trình thủy điện. Hệ sinh thái sông sẽ phải nhường vị trí cho hệ sinh thái hồ tại khu vực hồ chứa nước. 3 Trong các dự án hiện nay về hồ chứa nước, người ta đều tiến hành dự báo chất lượng nước, trong đó phải tính đến các đặc điểm thoát nước tự nhiên, ảnh hưởng của các nguồn gây ô nhiễm môi trường, các quá trình lưu chuyển nước trong vùng.

Kết quả dự báo chất lượng được trình bày dưới dạng các chỉ tiêu thủy hóa và thuỷ sinh học. Việc đánh giá chất lượng nước được thực hiện bằng cách so sánh kết quả dự báo với nồng độ giới hạn cho phép các thành phần khác nhau, quy định trong các tài liệu tiêu chuẩn – quy phạm. * Tác động của công trình thủy điện đến ngư trường Xây dựng công trình thủy điện sẽ hạn chế các luồng di cư, bán di cư của các loài cá, làm thay đổi điều kiện sinh sản, có nguy cơ làm kiệt quệ nguồn thức ăn của cá tại các công trình lấy nước tại nhà máy thủy điện. Kết quả là nguồn thủy sản bị giảm, đặc biệt là các loại cá quý hiếm, trong một số trường hợp còn bị tuyệt chủng.

Để ngăn ngừa các hậu quả tiêu cực này, trong các dự án thủy điện hiện nay, người ta cho áp dụng các biện pháp đặc biệt, trong đó có biện pháp xây dựng công trình bảo vệ cá, cho cá qua lại và tạo lập cơ sở thức ăn cho cá. * Tác động của khí hậu Các hồ chứa nước lớn sẽ tác động đến vi khí hậu các vùng lân cận, có thể giảm nhiệt độ cực trị của khí quyển. Nhiệt độ cao nhất về mùa hè có thể giảm xuống 2-3oC, mùa đông tăng lên 1-20C, độ ẩm không khí cũng có thể thay đổi. * Tác động của xã hội Tác động của công trình thủy điện đến tình hình xã hội ở khu vực xây dựng công trình, trước hết là phải di dời dân ra khỏi khu vực công trình và vùng sẽ bị ngập nước.

Tác động tiêu cực thứ hai là sự thay đổi điều kiện khí hậu, sinh thái sẽ gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và hoạt động trong đời sống của nhân dân. Ngoài ra, có thể có những thay đổi điều kiện tác động của công trình thủy điện đến môi trường thiên nhiên. 4 Quá trình di dời, tái định cư cho người dân từng sống ở khu vực công trình thuỷ điện là vấn đề phức tạp nhất. Để di dời dân, cần phải xây dựng các điểm tái định cư thuận tiện cho sinh hoạt, phải xây dựng các công trình kỹ thuật, tạo thành tổ hợp các công trình văn hoá – xã hội.

Ngoài ra, các dự án công trình thủy điện phải được xem xét phù hợp với quy định của luật pháp hiện hành về đền bù giá trị công trình. Trong các dự án công trình thủy điện hiện đại, người ta xem xét toàn bộ các biện pháp có liên quan với nhau và được trình bày trong một phần đặc biệt gọi là “Chương trình xã hội xây dựng”. Mục tiêu của chương trình này là nhằm giảm nhẹ căng thẳng về xã hội, giảm tác động tiêu cực của công trình đến đời sống xã hội, cải thiện điều kiện sống cho người dân địa phương. Yêu cầu là phải tuân thủ quy định của Luật Bảo vệ môi trường sẽ làm tăng chi phí chuẩn bị khu vực xây dựng hồ chứa nước.

Khoản chi phí này thông thường chiếm từ 20% đến 50% tổng chi phí cụm công trình thủy điện, trong một số công trình đặc biệt, khoản chi phí này có thể chiếm tới 70% tổng chi phí. Liên quan đến yêu cầu về bảo vệ môi trường trong khai thác công trình thủy điện, gần đây xuất hiện khái niệm “An toàn sinh thái”. An toàn sinh thái là trạng thái bảo vệ lợi ích sinh thái quan trọng đối với đời sống con người, trước hết là tạo ra trạng thái sạch, đảm bảo thuận lợi cho sức khoẻ con người và môi trường thiên nhiên. Nếu xem xét theo các tiêu chí này, thì nhà máy thủy điện và hồ chứa nước không thải ra chất độc hại, gây ô nhiễm không khí, mộ số chất thải do nhà máy thủy điện xả ra nằm trong phạm vi cho phép của quy định hiện hành.

Đây chính là những điều kiện để nhà máy thủy điện vẫn tiếp tục phát triển trên phạm vi toàn thế giới. - Điện hạt nhân Việc nghiên cứu phát triển điện hạt nhân cần phải cân nhắc kỹ lưỡng. Về khía cạnh kinh tế, so với kinh phí đầu tư của một nhà máy thủy điện như Sơn La với công suất 2400 MW, chi phí khoảng 2,5 tỉ đô la thì giá thành một kWh điện của nhà máy điện hạt nhân này đã là không kinh tế. Điều này là chưa nói 5 đến yếu tố tác hại đối với môi trường sinh sống của con người, lời giải cho bài toán xử lý chất thải và nếu có biến cố, tai nạn xảy ra thì hậu quả không thể lường hết được.

Dư luận vẫn chưa quên sự cố tan chảy do mất chất tải nhiệt đã từng xảy ra ở các lò năng lượng điện hạt nhân, mà điển hình nhất là ở hai nhà máy Three Mile Island, Mỹ và Chernobyl, Liên Xô cũ. Vụ nổ lò hạt nhân tại Chernobyl năm 1986 làm hàng chục người chết, hàng trăm ngàn người bị nhiễm phóng xạ, nhiều triệu cây số vuông tại Ukraine, Belarus, Nga, Ba Lan, Phần Lan, Thụy Điển và Na Uy bị nhiễm xạ. Gần đây nhất, sự cố hạt nhân tại Fukushima, Nhật Bản đang tập trung sự quan tâm của toàn thế giới bởi nó xảy ra tại một nước có trình độ hạt nhân tiên tiến. Sự cố này đã khiến cho thế giới có cái nhìn thận trọng hơn với năng lượng hạt nhân, nhất là tại các quốc gia đang có ý định xây dựng nhà máy điện hạt nhân.

Có thể nói sự cố hạt nhân tại Fukushima đã đưa chính sách hạt nhân toàn cầu đi vào giai đoạn “ngủ đông” vì bất cứ sự cố hạt nhân nào giờ đây cũng sẽ ảnh hưởng đến toàn thế giới. Dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân đang và đã triển khai thực hiện. Nhưng hiện tượng động đất ở vùng Biển Đông và khu vực các tỉnh phía nam Việt Nam, với cường độ ghi nhận đến 5,5 - 6,0 độ Richter vẫn có thể xảy ra. Các nước trên thế giới chỉ phát triển điện hạt nhân khi họ không thể tìm được nguồn năng lượng nào khác [3].

Trong khi đó, nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào tại Việt Nam. Nước ta có bờ biển rất dài, lớn hơn 3200 km. Quanh năm sóng biển vỗ bờ.