Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất trên thế giới với tốc độ tăng trưởng công suất lắp đặt trung bình khoảng 28% mỗi năm trong thập kỷ gần đây. Tính đến năm 2012, tổng công suất lắp đặt turbine gió toàn cầu đạt khoảng 282 GW, trong đó Trung Quốc dẫn đầu với 75 GW (chiếm 26,8%), tiếp theo là Mỹ với 60 GW (21,2%) và Đức với 31 GW (11,1%). Việt Nam, với đường bờ biển dài hơn 3.000 km và điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, được đánh giá có tiềm năng gió lớn, với hơn 39% diện tích có vận tốc gió trung bình trên 6 m/s ở độ cao 65 m, tương đương tiềm năng kỹ thuật khoảng 1.785 MW.

Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiệu quả, đặc biệt là các hệ thống turbine gió nối lưới sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG), là rất cần thiết. Luận văn tập trung xây dựng mô hình và giải thuật điều khiển cho turbine gió nối lưới DFIG nhằm tối ưu hóa công suất tác dụng và công suất phản kháng, nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió và chất lượng điện năng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học DFIG, bộ biến đổi công suất kép, giải thuật điều khiển trực tiếp công suất (DPC) kết hợp bộ điều khiển logic mờ (FLC) và so sánh với bộ điều khiển PI truyền thống, được mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink trong khoảng thời gian nghiên cứu từ đầu năm đến giữa năm 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình toán học DFIG trong hệ tọa độ dq và rotor: Mô hình này mô tả động học và điện học của máy phát không đồng bộ nguồn kép, bao gồm các phương trình vi phân thể hiện điện áp, dòng điện, từ thông và moment điện từ trong hệ tọa độ quay đồng bộ và quay rotor.

  • Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC): Đây là phương pháp điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trực tiếp thông qua điều khiển điện áp rotor, giúp đáp ứng nhanh và ổn định mà không cần cấu trúc phức tạp như phương pháp định hướng trường (FOC).

  • Bộ điều khiển logic mờ (FLC): Được sử dụng để thay thế bộ điều khiển PI trong DPC nhằm giảm độ gợn sóng công suất đầu ra và cải thiện tính ổn định khi có sự thay đổi thông số hệ thống.

  • Mô hình bộ biến đổi công suất PWM kép nối với nguồn DC chung: Giúp điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, đồng thời duy trì điện áp nguồn DC ổn định.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất, tỷ số tip-speed, điều khiển vector, và các chế độ vận hành của DFIG (dưới đồng bộ, trên đồng bộ, đồng bộ).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được xây dựng dựa trên các mô hình toán học DFIG và bộ biến đổi công suất, sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink.

  • Phương pháp phân tích: So sánh hiệu quả điều khiển giữa bộ điều khiển PI truyền thống và bộ điều khiển logic mờ FLC trong phương pháp DPC thông qua các chỉ số như độ gợn sóng công suất, đáp ứng động và ổn định hệ thống.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng được thực hiện trên các trường hợp vận tốc rotor cố định và thay đổi, với các tham số hệ thống được lấy theo tiêu chuẩn thực tế. Thời gian nghiên cứu từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2013.

  • Lý do lựa chọn phương pháp: DPC được chọn vì cấu trúc đơn giản và khả năng đáp ứng nhanh, FLC được áp dụng để khắc phục nhược điểm gợn sóng công suất của DPC với bộ điều khiển PI.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển công suất tác dụng và phản kháng: Phương pháp DPC kết hợp FLC cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng của DFIG, giúp duy trì hệ số công suất ổn định và nâng cao chất lượng điện năng. Mô phỏng cho thấy độ gợn sóng công suất giảm khoảng 15-20% so với bộ điều khiển PI.

  2. Đáp ứng động nhanh và ổn định: Hệ thống điều khiển DPC-FLC có thời gian đáp ứng nhanh hơn khoảng 10-15% so với DPC-PI khi vận tốc rotor thay đổi, đồng thời duy trì ổn định trong các điều kiện biến đổi thông số.

  3. Điện áp nguồn DC chung được duy trì ổn định: Bộ điều khiển phía lưới sử dụng phương pháp điều khiển vector giúp giữ điện áp nguồn DC ổn định bất chấp sự thay đổi công suất rotor, đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả của hệ thống.

  4. Tiết kiệm chi phí và giảm tổn hao: Do bộ biến đổi công suất phía rotor chỉ biến đổi khoảng 20-30% công suất định mức máy phát, hệ thống giảm được tổn hao điện tử công suất và chi phí đầu tư so với các hệ thống biến đổi toàn phần.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp DPC-FLC vượt trội hơn so với DPC-PI trong việc giảm độ gợn sóng công suất và cải thiện đáp ứng động. Nguyên nhân chính là khả năng điều chỉnh linh hoạt của bộ điều khiển logic mờ trong môi trường phi tuyến và biến đổi thông số hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng FOC, DPC-FLC đơn giản hơn về cấu trúc và ít phụ thuộc vào mô hình chính xác của DFIG, giúp giảm thời gian thiết kế và hiệu chỉnh.

Biểu đồ so sánh công suất đầu ra giữa hai bộ điều khiển thể hiện rõ sự ổn định và mượt mà hơn của DPC-FLC, đồng thời bảng số liệu mô phỏng cho thấy độ lệch công suất phản kháng giảm đáng kể, góp phần nâng cao chất lượng điện năng đầu ra. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng thực tế, đặc biệt với các trạm điện gió có công suất lớn và yêu cầu cao về độ tin cậy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC) trong hệ thống DFIG: Các nhà đầu tư và kỹ sư vận hành nên ưu tiên sử dụng FLC thay thế cho bộ điều khiển PI truyền thống để giảm độ gợn sóng công suất và nâng cao hiệu quả vận hành. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng và tối ưu tham số điều khiển: Cần xây dựng các công cụ mô phỏng chuyên sâu để tối ưu hóa tham số FLC và DPC phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại từng địa phương. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học trong vòng 1-2 năm.

  3. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển DFIG và ứng dụng FLC nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống turbine gió. Thời gian thực hiện 3-6 tháng.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về điều khiển thích nghi và mạng nơ-ron nhân tạo: Để tiếp tục cải thiện hiệu suất và độ ổn định, các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi và mạng nơ-ron nhân tạo. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu trong 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình DFIG và các giải thuật điều khiển hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện gió: Tham khảo để áp dụng các giải pháp điều khiển tối ưu, nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng và chất lượng điện năng trong các trạm điện gió.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và đầu tư năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của các dự án điện gió sử dụng DFIG.

  4. Các đơn vị đào tạo và phát triển công nghệ: Là tài liệu tham khảo để xây dựng chương trình đào tạo và phát triển công nghệ điều khiển điện tử công suất trong ngành năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) là gì?
    DPC là phương pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trực tiếp thông qua điều khiển điện áp rotor của DFIG, giúp đáp ứng nhanh và ổn định mà không cần cấu trúc phức tạp như FOC. Ví dụ, DPC cho phép điều khiển công suất độc lập mà không cần vòng điều khiển dòng điện.

  2. Tại sao sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC) thay cho bộ điều khiển PI?
    FLC có khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và biến đổi thông số tốt hơn, giảm độ gợn sóng công suất và cải thiện ổn định hệ thống so với PI. Trong mô phỏng, FLC giảm gợn sóng công suất khoảng 15-20% so với PI.

  3. DFIG hoạt động ở những chế độ nào?
    DFIG có thể hoạt động ở chế độ dưới đồng bộ (tốc độ rotor thấp hơn đồng bộ), trên đồng bộ (tốc độ rotor cao hơn đồng bộ) và đồng bộ (tốc độ rotor bằng đồng bộ), tùy thuộc vào vận tốc gió và điều kiện vận hành.

  4. Lợi ích của bộ biến đổi công suất kép nối với nguồn DC chung là gì?
    Cấu trúc này cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, giảm tổn hao điện tử công suất do bộ biến đổi phía rotor chỉ xử lý khoảng 20-30% công suất định mức, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ thống?
    Phần mềm MATLAB/Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình DFIG, bộ biến đổi công suất và giải thuật điều khiển, giúp đánh giá hiệu quả và so sánh các phương pháp điều khiển.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và giải thuật điều khiển trực tiếp công suất (DPC) cho turbine gió nối lưới DFIG, kết hợp bộ điều khiển logic mờ (FLC) để cải thiện hiệu suất điều khiển.
  • Phương pháp DPC-FLC cho thấy khả năng giảm độ gợn sóng công suất, đáp ứng nhanh và ổn định hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống.
  • Mô hình bộ biến đổi công suất kép nối nguồn DC chung giúp duy trì điện áp DC ổn định và tiết kiệm chi phí thiết bị điện tử công suất.
  • Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng thực tế và phát triển các hệ thống điện gió hiệu quả tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu các phương pháp điều khiển tiên tiến và phát triển công nghệ điều khiển thích nghi nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo áp dụng và phát triển các giải pháp điều khiển DPC-FLC cho hệ thống turbine gió nối lưới DFIG, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các phương pháp điều khiển mới.