Đặt vấn đề Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng không thể thiếu trong việc thúc đẩy sự phát triển về kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của mỗi Quốc gia. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đời sống người dân cũng ngày càng được cải thiện. Khi ấy, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao. Bên cạnh đó, tình trạng các nguồn nhiên liệu đầu vào truyền thống, không tái tạo của các nhà máy nhiệt điện truyền thống như dầu mỏ, than đá, khí đốt,… đều được cảnh báo cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung không ổn định mà đã thúc đẩy con người và đặc biệt là các nhà khoa học phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế.
Việt Nam cũng không thể tránh khỏi nguy cơ thiếu hụt năng lượng này. Trong khi đó, năng lượng thủy điện đã được khai thác tối đa với nhà máy thủy điện công suất lớn, nhỏ khác nhau chiếm diện tích 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. Với các vấn đề nêu trên, trong tương lai các vấn đề về an ninh năng lượng sẽ không thể được đảm bảo.
Các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia khó trở thành hiện thực. Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, các 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 các loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện môi trường, thiên nhiên… 2 Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong nghiên cứu, khai thác và sử dụng. Có thể nhận thấy rằng, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít bảo dưỡng, … Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ được khuyến khích khai thác sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống.
Trong đó, việc khai thác và sử dụng năng lượng gió để sản xuất năng lượng điện là một điển hình. Góp phần cho vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và an toàn của các hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió”. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với những phát minh, sáng chế giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhu cầu không ngừng của con người.
Song song với sự phát triển và tiến bộ này, con người cũng luôn 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 đó, vấn đề năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện được đánh giá là quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong giai đoạn này. “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 36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại.
Thêm vào đó, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association) trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu 3 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,…) [1]-[2]. 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 thì hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [2]. Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác là phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các nhà khoa học tích cực nghiên cứu khai thác. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và khai thác ngày càng nhiều.
Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà nó đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo trên, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể khai thác được hiệu quả và tối đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện. Câu trả lời là nhiệm vụ của các nhà khoa học mà sẽ được đưa ra phân tích và giải quyết trong luận văn này.
Mục tiêu của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu: + Hệ thống điện gió; + Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió; + Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió. 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 gió; - Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ trong hệ thống điện gió; - Nghiên cứu điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió; - Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác từ những năm của thế kỷ thứ 11 và cho đến ngày nay đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu và khai thác năng lượng gió cho sản xuất năng lượng điện. Tình hình nghiên cứu trên thế giới V.
Srivatsa với công trình nghiên cứu, “Pitch control of wind turbine generator by using new mechanism”, đã biểu diễn mô hình của các phần tử khác nhau trong hệ thống điện năng lượng gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin, thiết kế của bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin và phân tích các đáp ứng của hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin khi tốc độ gió thay đổi [3]. Hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giám sát sao cho công suất phát là lớn và ổn định. Hàm số góc nghiêng cánh tuabin được sử dụng để điều khiển công suất cơ và là kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất được sử dụng cho việc điều khiển các tuabin gió tốc độ thay đổi. Tương ứng với các tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió để phát công suất định mức của máy phát, góc nghiêng cánh tuabin gió là lớn nhất.
Tuy nhiên, góc nghiêng cánh tuabin có thể nhỏ hơn để hỗ trợ tuabin gió tăng tốc nhanh hơn. 5 Tương ứng với tốc độ gió định mức, góc nghiêng cánh tuabin được điều khiển để giữ máy phát làm việc tương ứng với công suất phát định mức thông quan việc giảm góc nghiêng cánh tuabin. Công trình nghiên cứu đã phát triển các mô hình động sử dụng phần mềm Simulink/Matlab. Các kết quả nghiên cứu cũng được xác nhận thông qua các thực nghiệm dưới các điều kiện tốc độ gió khác nhau.
Bên cạnh đó, cơ cấu điều khiển động cơ bước cũng được đề xuất sử dụng thay thế cho cơ cấu điều khiển thủy lực. Máy phát điện Bộ biến đổi Tuabin công suất Lưới điện không đồng bộ Bộ điều khiển Hình 1. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh Hình 1. Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau 6 Hình 1.
Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu [3] Mouna Ben Smida và Anis Sakly với công trình nghiên cứu, “Pitch angle control for variable speed wind turbines”, đã khẳng định lại một lần nữa kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió phục vụ cho việc điều khiển công suất trong trường hợp tốc độ gió vượt quá tốc độ gió cho phép [4]. Kỹ thuật này có thể được xem là một phương pháp luận điều khiển công suất phổ biến và hiệu quả nhất. Thông thường, kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió sử dụng bộ điều khiển PI. Nghiên cứu này áp dụng kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG).
Các chiến lực điều khiển được thực hiện dưới sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng Matlab/Simulink. Mamur, với công trình nghiên cứu, “Proportional - integral - derivative parameter optimisation of blade pitch controller in wind turbines by a new intelligent genetic algorithm”, đã giới thiệu thuật toán IGA (Intelligent genetic algorithm) cho việc tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PID mà được sử dụng trong các bộ điều khiển góc cánh tuabin gió [5]. Thuật toán IGA này thực hiện sắp xếp lại tốc độ đột biến và số điểm lai. Các kết quả được so sánh với các phiên bản thuật toán di truyền khác và cho thấy rằng đáp ứng điều chỉnh góc cánh tuabin gió bằng việc sử dụng bộ điều khiển với thuật toán di truyền đề xuất là tốt hơn bộ điều khiển với các thuật toán di truyền phiên bản khác.
