Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép, ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Quang Xuân
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Trực
• Trường học: Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống nhà máy điện và thiết bị mạng. Với sự gia tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu và sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, đang trở thành một giải pháp quan trọng. Công nghệ điện gió không chỉ giúp giảm thiểu khí thải mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cao. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được xem là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, đặc biệt trong việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách độc lập.

1.1. Tầm quan trọng của năng lượng gió

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn nhất, đặc biệt ở các quốc gia có điều kiện địa lý thuận lợi như Việt Nam. Với hơn 3000 km bờ biển và 90% lãnh thổ là đồi núi, Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió đáng kể. Hệ thống điện gió không chỉ giúp cung cấp điện cho các vùng xa xôi mà còn góp phần vào việc phát triển hệ thống điện quốc gia. Máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) là một trong những công nghệ tiên tiến nhất, cho phép điều khiển linh hoạt công suất tác dụng và công suất phản kháng, đồng thời giảm thiểu tổn hao năng lượng.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn thạc sĩ này là nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống điện gió. Cụ thể, luận văn tập trung vào việc mô hình hóa và xây dựng các giải thuật điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện gió. Các giải pháp điều khiển được đề xuất bao gồm điều khiển định hướng điện áp lưới (VOC) và điều khiển định hướng từ thông (FOC), nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống điều khiển.

II. Mô hình hóa và giải thuật điều khiển

Luận văn thạc sĩ này đề xuất một mô hình toán học chi tiết cho máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trên hệ trục tọa độ dq. Mô hình này cho phép phân tích và điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện gió. Bên cạnh đó, luận văn cũng xây dựng một mô hình hoàn chỉnh cho bộ chuyển đổi công suất back-to-back, bao gồm Grid Side Converter (GSC) và Rotor Side Converter (RSC), sử dụng các khóa công suất IGBT/Diode.

2.1. Mô hình toán học DFIG

Mô hình toán học của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) được xây dựng trên hệ trục tọa độ dq, cho phép phân tích và điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Mô hình này cũng giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện gió bằng cách điều khiển điện áp lưới và từ thông stator. Hệ thống điều khiển được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong các điều kiện vận hành khác nhau.

2.2. Giải thuật điều khiển

Luận văn đề xuất hai giải thuật điều khiển chính: điều khiển định hướng điện áp lưới (VOC) và điều khiển định hướng từ thông (FOC). VOC được sử dụng để điều khiển Grid Side Converter (GSC), trong khi FOC được áp dụng để điều khiển Rotor Side Converter (RSC). Các giải thuật này được cải tiến bằng phương pháp Hysteresis Current Control, giúp tăng cường hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điều khiển.

III. Kết quả và ứng dụng thực tế

Luận văn thạc sĩ này đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG). Các giải pháp điều khiển được đề xuất đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng, cho thấy khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách hiệu quả. Hệ thống điều khiển cũng thể hiện tính ổn định cao trong các điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm cả sự thay đổi tốc độ gió.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển được đề xuất có thể điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) một cách hiệu quả trong cả hai chế độ vận hành: dưới và trên tốc độ đồng bộ. Hệ thống điều khiển cũng thể hiện khả năng thích ứng cao với sự thay đổi tốc độ gió, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống điện gió.

3.2. Ứng dụng thực tế

Các giải pháp điều khiển được đề xuất trong luận văn thạc sĩ này có tiềm năng ứng dụng cao trong các nhà máy điện gió hiện đại. Hệ thống điều khiển không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện gió mà còn góp phần vào việc nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống điện quốc gia. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển công nghệ điện gió tại Việt Nam và trên thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương 4: Lý thuyết và phương pháp điều khiển. Chương 5: Sơ đồ và kết quả mô phỏng. Chương 6: Kết luận và định hướng đề tài. Chương 7 : Tài liệu tham khảo Luận văn này dùng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng mô hình điều khiển DFIG bằng phương pháp SVO và FOC.

8 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MÁY PHÁT CẢM ỨNG CẤP NGUỒN HAI PHÍA DFIG 2.1 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 Sự chuyển đổi của năng lượng gió 2.1 Sự phân phối của vận tốc gió Thông thường vận tốc của gió là một hàm mật độ xác suất Weibull được mô tả như sau: k −1 k ⎛ω ⎞ − (ω ) k f (ω ) = ⎜ ⎟ e c (2.1) c⎝ c ⎠ Ở đó k là thông số hình dạng, c là tham số theo tỉ lệ và ω là vận tốc gió. Do đó, vận tốc gió trung bình ω được tính theo công thức : ∞ c 1 ω = ∫ ω f (ω )d ω = Γ( ) (2.2) 0 k k ∞ Trong đó Γ là hàm gamma Euler: Γ( z ) = ∫ t z −1e − t dt (2.3) 0 Nếu hệ số k=2 thì hàm phân phối Weibull sẽ trở thành hàm phân phối Rayleigh. Lúc đó ta thu được mối quan hệ giữa hệ số tỉ lệ và vận tốc trung bình khi k=2 và Γ(1/2)=√π : 2 c= ω (2.4) π Hàm mật độ xác suất của gió được biễu diễn như hình 2.1 với vận tốc gió trung bình lần lượt là 5. 9 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG Hình 2.1 : Hàm mật độ xác suất của tương ứng với vận tốc gió trung bình [1] 2.2 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor Năng lượng thực tế lấy được từ gió PR bởi cánh quạt tuabin gió chính là bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió ở phía sau cánh quạt có vận tốc vd .5) 2 Với Cp là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hiệu suất rotor),được tính: 1 C p = (1 + γ )(1 − γ 2 ) (2.6) 2 γ là tỉ số của tốc độ gió phía sau và trước cánh quạt tuabin v γ= d (2.7) v 10 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG Để tìm hiệu suất rotor cực đại,ta lấy đạo hàm 2.6 ta được: dC p 1 = (−3γ 2 − 2γ + 1) = 0 (2.593 Suy ra : 3 Giá trị Cp,max chỉ ra rằng một tuabin gió không thể có hiệu suất lớn hơn 59,3% , đây còn gọi là giới hạn Betz (Albezt Betz).

Hiệu suất của các tuabin gió hiện nay là vào khoảng 22% đến 47% tùy thuộc vào trình độ thiết kế và chế tạo tuabin gió. Đường cong hiệu suất tuabin gió như hình 2.2 : Đường cong hiệu suất rotor trên lý thuyết [1] Ta rút ra được nhận xét sau: nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua cánh quạt mà không tác động nhiều lên cánh quạt do đó năng lượng mà rotor nhận được thấp, ngược lại nếu tốc độ gió lớn thì rotor quay quá nhanh vì vậy ảnh hưởng đến độ bền và kết cấu cơ của tuabin. Do vậy, với một vận tốc gió cho trước thì hiệu suất của rotor còn phụ thuộc vào tốc độ của tuabin như hình 2.3 sau: 11 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG Hình 2.3 : công suất đầu ra của tuabin phụ thuộc vào tốc độ gió và tốc độ tuabin [2] Hiệu suất rotor còn được biểu diễn theo tỉ số λ (tip-speed-ratio), được định nghĩa là tỉ số giữa vận tốc tiếp tuyến với đỉnh cánh quạt và vận tốc vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.9) v Với ωT là tốc độ quay của tuabin [rad/s] và Rb là bán kính của cánh quạt gió [m] Ngoài ra hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt gió β [rad], quay quanh trục của chính nó, bởi vì vậy các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đều trang bị thiết bị điều khiển góc pitch như hình 2. Hàm Cp nói chung là một hàm phi tuyến khá phức tạp, do đó nhà sản xuất tuabin thường cho giá trị Cp của mỗi loại tuabin là một hàm của hệ số λ và β.

12 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG Hình 2.4: Góc pitch của cánh quạt gió [2] Một công thức xấp xỉ thường được sử dụng để biểu diễn hiệu suất rotor như sau: −22.035 ở đó λi được định nghĩa : = − 3 (2.08β β + 1 Đường cong hiệu suất rotor như hình 2.5: 13 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG Hình 2.5 : Hiệu suất của rotor theo tỉ số λ và góc pitch β [1] 2.2 Đường cong công suất tuabin gió Một trong những thông số quan trọng nhất của tuabin gió là đường cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra, thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng có dạng như hình 2. Trong đó có các thông số sau: - Vận tốc gió Cut-in(Vc):là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng được ma sát và tạo ra công suất. - Vận tốc gió định mức (VR): Khi vận tốc gió tăng thì công suất đầu ra cũng tăng theo và tỉ lệ thuận với lũy thừa ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt đến giá trị VR thì công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế.

Khi vận tốc gió lớn hơn giá trị VR thì cần phải điều chỉnh hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát. 14 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG - Vận tốc gió Cut-out (VF): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến giá trị VF thì hệ thống cần phải ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, lúc này hệ thống phát ra công suất bằng không.6 : Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió [2] Khi vận tốc gió lớn thì cần hạn chế công suất đưa vào tuabin bằng phương pháp điều khiển góc pitch, đó là phương pháp điều khiển phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc quay của cánh quạt quanh trục của nó. Hầu hết các tuabin gió tốc độ thay đổi đều được trang bị bộ điều khiển pitch. Khi tốc độ gió dưới tốc độ định mức, tuabin cần sản xuất ra công suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh góc pitch của cánh quạt để cực đại hóa năng lượng nhận được từ gió.

Ngược lại, khi tốc độ gió trên tốc độ định mức thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất nhận được bằng công suất định mức. Đối với các hệ thống tuabin gió có trang bị bộ điều khiển góc pitch thì bộ điều khiển sẽ liên tục kiểm tra công suất đầu ra của tuabin nhằm điều khiển góc pitch để tuabin gió luôn nhận được công suất cực đại. 15 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG 2.3 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát Như đã trình bày ở trên, hiệu suất rotor đạt được giá trị cực đại ở mỗi giá trị λ cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin gió. Vì lí do kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần được sản lượng hằng năm tối đa, do vậy trong vận hành cần phải thay đổi tốc độ rotor theo từng tốc độ gió để cho λ luôn bằng giá trị yêu cầu để tạo ra hiệu suất cực đại.2 HỆ THỐNG TURBINE GIÓ Tuabin gió có thể hoạt động với tốc độ cố định (thực tế là tốc độ thay đổi trong khoảng 1%) hoặc tốc độ thay đổi.

Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát được nối trực tiếp với lưới điện do đó tốc độ được cố định với tần số của lưới nên hầu như không thể điều khiển được và không thể tích trữ sự luân chuyển của năng lượng khi có sự thay đổi tốc độ gió lớn. Tuy nhiên, đối với hệ thống tốc độ cố định thì khi có sự hỗn loạn của tốc độ gió dẫn đến sự biến thiên của công suất nên ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với tua bin gió tốc độ thay đổi, máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất nhằm thay đổi tốc độ rotor. Sự dao động của công suất do tốc độ gió biến đổi có thể được tăng lên hay giảm xuống bằng cách thay đổi tốc độ rotor.

Do đó, sự biến đổi của công suất do hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và mạch lái có thể được giảm xuống. Vì vậy, do chất lượng công suất tốt hơn mà tuabin gió tốc độ thay đổi được sử dụng rộng rãi hơn tuabin gió tốc độ cố định. Tốc độ quay của tuabin gió là khá thấp nên cần phải điều chỉnh theo tần số điện. Điều này có thể được giải quyết theo 2 cách: sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực của máy phát.

Số cặp cực thiết lập tần số cơ của máy phát theo tần số điện, còn hộp số thì điều chỉnh tốc độ rotor của tuabin theo tốc độ cơ của máy phát. Trong phần này hệ thống tuabin gió sẽ được giới thiệu như sau: - Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát cảm ứng. - Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát cảm ứng lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ. 16 Luận văn cao học Chương 2: Tìm hiểu về NL gió và MP cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG - Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát đồng bộ nhiều cực hoặc máy phát đồng bộ nhiều cực nam châm vĩnh cửu.

- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG.1 Turbin gió tốc độ cố định Đối với tuabin gió tốc độ cố định máy phát cảm ứng thì được nối trực tiếp vào lưới điện như hình 2. Tốc độ rotor của tuabin gió tốc độ cố định được xác định dựa vào hộp số và số cặp cực của máy phát.