Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình Hóa và Điều Khiển MPPT Máy Phát Điện Gió PMSG Kết Nối Lưới

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện mô hình hóa và điều khiển mppt máy phát điện gió pmsg có kết nối lưới, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Quang Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Phạm Huy Ánh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Điều Khiển MPPT cho Máy Phát Điện Gió PMSG Kết Nối Lưới
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về năng lượng gió

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, đóng góp đáng kể vào sự phát triển bền vững. Theo số liệu thống kê, tiềm năng năng lượng gió trên thế giới và tại Việt Nam đang được khai thác ngày càng nhiều. Các nghiên cứu cho thấy, với điều kiện địa lý và khí hậu thuận lợi, Việt Nam có thể trở thành một trong những quốc gia có tiềm năng lớn trong lĩnh vực năng lượng gió. Mô hình hóa và điều khiển MPPT cho máy phát điện gió PMSG có kết nối lưới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất phát điện, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực này là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng.

1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới

Trên thế giới, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo chủ đạo. Nhiều quốc gia đã đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ này, dẫn đến việc tăng trưởng công suất lắp đặt năng lượng gió. Các công nghệ mới như công nghệ MPPT giúp tối ưu hóa việc khai thác năng lượng gió, từ đó nâng cao hiệu suất phát điện. Việc kết nối lưới điện với các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió cũng đã được thực hiện ở nhiều nơi, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng năng lượng gió trong hệ thống điện quốc gia.

1.2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió, đặc biệt là ở các khu vực ven biển. Với chiều dài bờ biển lên tới 3.200 km, Việt Nam có điều kiện lý tưởng để phát triển các dự án điện gió. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu được khai thác đúng cách, năng lượng gió có thể đáp ứng một phần lớn nhu cầu điện năng của quốc gia. Từ đó, việc phát triển hệ thống năng lượng tái tạo sẽ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào sự phát triển kinh tế bền vững.

II. Mô hình hóa máy phát điện gió PMSG

Máy phát điện gió PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) được xem là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực phát điện gió. Mô hình hóa máy phát điện gió PMSG giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và tối ưu hóa hiệu suất của nó. Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để mô phỏng các đặc tính điện và cơ của máy phát, từ đó đưa ra các giải pháp điều khiển hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ MPPT vào máy phát PMSG cho phép hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được công suất tối đa, phù hợp với từng điều kiện gió khác nhau.

2.1 Mô hình điện của máy phát điện gió PMSG

Mô hình điện của máy phát điện gió PMSG được xây dựng dựa trên các phương trình cơ bản của điện từ học và động lực học. Các thông số như điện áp, dòng điện, và công suất được xác định thông qua các phương trình toán học, giúp mô phỏng chính xác hoạt động của máy phát. Việc sử dụng mô hình động học cho phép phân tích sâu hơn về hiệu suất của máy phát trong các điều kiện vận hành khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến.

2.2 Cấu trúc điều khiển cho hệ thống turbine gió PMSG

Cấu trúc điều khiển cho hệ thống turbine gió PMSG đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất phát điện. Các phương pháp điều khiển như điều khiển MPPT và điều khiển định hướng từ (FOC) được áp dụng để đảm bảo máy phát hoạt động ở chế độ tối ưu nhất. Điều này không chỉ giúp tăng hiệu suất phát điện mà còn giảm thiểu thiệt hại cho hệ thống trong trường hợp có sự cố. Hệ thống điều khiển này cần được thiết kế sao cho có khả năng thích ứng với các biến đổi của điều kiện gió, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.

III. Kết nối lưới điện

Việc kết nối máy phát điện gió PMSG với lưới điện là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển năng lượng gió. Hệ thống cần được thiết kế để đảm bảo rằng công suất phát ra từ máy phát có thể được truyền tải một cách hiệu quả và an toàn vào lưới điện. Điều khiển năng lượng và tối ưu hóa năng lượng là những yếu tố then chốt trong việc thực hiện kết nối này. Các công nghệ như bộ biến đổi công suất và hệ thống điều khiển lưới cần được áp dụng để đảm bảo rằng máy phát điện gió hoạt động đồng bộ với lưới điện, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về chất lượng điện năng.

3.1 Các yêu cầu khi kết nối lưới điện cho máy phát điện gió

Khi kết nối máy phát điện gió vào lưới điện, cần tuân thủ một số yêu cầu kỹ thuật nhất định. Điều này bao gồm việc đảm bảo rằng công suất phát ra từ máy phát phù hợp với công suất tiêu thụ của lưới điện, đồng thời duy trì chất lượng điện năng ở mức cao. Các tiêu chuẩn về điện áp, tần số và độ ổn định cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc áp dụng các công nghệ mới trong điều khiển và giám sát hệ thống sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện gió.

3.2 Lợi ích của việc kết nối lưới điện với năng lượng gió

Kết nối lưới điện với năng lượng gió mang lại nhiều lợi ích, không chỉ cho nhà sản xuất mà còn cho toàn bộ hệ thống điện. Năng lượng gió giúp đa dạng hóa nguồn cung cấp điện, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Điều này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn nâng cao tính bền vững của hệ thống điện quốc gia. Hơn nữa, việc phát triển năng lượng gió còn tạo ra nhiều cơ hội việc làm và thúc đẩy sự phát triển kinh tế tại các khu vực có tiềm năng gió lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Thế kỷ 20 đã trải qua với bao tiến bộ vƣợt bậc của loài ngƣời. Một thế kỷ trong đó con ngƣời đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàn những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, giúp đáp ứng những nhu cầu không ngừng của con ngƣời. Nhƣng bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó thì con ngƣời cũng phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới. Môi trƣờng bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt, áp lực công việc ngày càng lớn với mỗi ngƣời và hàng loạt những mặt trái khác.

Trong thế kỷ 21 con ngƣời phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu, chẳng hạn nhƣ: năng lƣợng, môi trƣờng sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,…vv. Trong đó vấn đề năng lƣợng vẫn là vấn đề đƣợc xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ 21. Năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hƣởng để duy trì nguồn cung cấp năng lƣợng là những mối họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột. Năng lƣợng hóa thạch không đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càng phình to làm kinh tế trì trệ, dẫn đến những cuộc khủng hoảng, và suy thoái kinh tế.

Bất ổn chính trị rất có thể sẽ xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh đó việc sử dụng quá nhiều năng lƣợng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trƣờng nảy sinh. Trái đất có thể ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trƣờng bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lƣờng và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng mạnh hơn và khó lƣờng hơn, mùa màng thất thu ảnh hƣởng đến vấn đề lƣơng thực. Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát.

Từ những vấn đề trên, để duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là chúng ta phải tìm ra những nguồn năng lƣợng tái sinh thay thế cho nguồn năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Chúng ta – những con ngƣời thế kỷ 21 – phải thực hiện một loạt những hành động nhƣng quan trọng nhất vẫn là tìm ra một nguồn năng lƣợng có thể thay thế cho năng lƣợng hóa thạch, để đáp ứng cho nhu cầu của thế giới. Hàng loạt các năng lƣợng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này nhƣ: năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng sinh khối và những nguồn năng lƣợng khác. Bằng những tiến bộ khoa học kỹ thuật, và xu hƣớng tất yếu của thế HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 13 GVHD: TS.

Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp giới, các năng lƣợng tái sinh đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng ngày càng nhiều. Với việc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lƣợng (xét đến yếu tố bảo vệ môi trƣờng và tính kinh tế), những nguồn năng lƣợng sạch đã và đang đƣợc thế giới quan tâm nhiều hơn, và là một trong những lựa chọn cho ngành năng lƣợng thay thế trong tƣơng lai. Nguồn năng lƣợng sạch đang đƣợc quan tâm nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng thủy triều…Tất cả những loại năng lƣợng sạch này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trƣờng. Năng lƣợng gió là một trong những nguồn năng lƣợng tái sinh quan trọng nhất đang và sẽ đóng góp ngày càng lớn vào sản lƣợng năng lƣợng của thế giới.

Trong chiến lƣợc phát triển năng lƣợng của nhiều quốc gia có tiềm năng về phong điện, năng lƣợng gió đƣợc xem nhƣ là nguồn năng lƣợng sơ cấp dồi dào. Ƣu điểm của năng lƣợng gió là dễ khai thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tƣ và chi phí vận hành tƣơng đối thấp. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lƣợng này trong tƣơng lai, công nghệ phải ngày càng hoàn thiện, tăng cƣờng hơn nữa hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng gió thành năng lƣợng điện. Giới thiệu đề tài Với dân số 87 triệu ngƣời, nếu mức độ tăng trƣởng GDP của Việt Nam duy trì vào khỏang 7.1 %/mỗi năm, thì nhu cầu điện cần thiết sẽ là 200.000 GWh vào năm 2020 và 327.

Trong khi đó thì sản lƣợng điện truyền thống sử dụng ƣớc lƣợng vào khoảng 165.000GWh cho những năm này. Thế nên sẽ có sự thiếu hụt về mức độ điện tiêu dùng và những nguồn năng lƣơng khác – trong đó có điện gió- trở thành cần thiết để lấp vào lỗ hổng năng lƣợng trên.Tại Việt Nam, tình trạng thiếu hụt điện vẫn diễn ra nhiều năm qua. Các dự án xây dựng nguồn cấp không theo kịp nhu cầu tiêu thụ điện gia tăng quá nhanh, tại một quốc gia đang phát triển nhƣ Việt Nam. Trong khi nguồn điện năng chủ yếu của nƣớc ta là thủy điện và nhiệt điện (than, khí và dầu).

Việc tìm kiếm các nguồn năng lƣợng mới là một trong những thách thức cho chính Việt Nam. Hiện nay, giải pháp đƣợc các nƣớc phát triển sử dụng và phát triển là "Điện gió" - một nguồn năng lƣợng an toàn, hiệu quả và dồi dào. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 14 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp Do đó luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về máy phát điện gió nói chung, cấu tạo turbine gió và định hƣớng nhƣ sau: “ Mô hình hóa và điều khiển MPPT máy phát điện gió PMSG có kết nối lƣới”.

Mục tiêu nghiên cứu Định hƣớng của đề tài nghiên cứu điều khiển trên mô hình các máy phát điện gió PMSG và điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng trên cơ sở đó định lƣớng lấy công suất tối ƣu để hòa vào lƣới điện. Do đó đề tài sẽ tham khảo một số luận văn của các tác giả nƣớc ngoài mới cập nhật gần đây nhằm có những thông tin mới nhất. Đồng thời tham khảo các luận văn trong nƣớc, các tài liệu giáo khoa của các thầy cô trƣờng Đại học Bách Khoa TPHCM. Sau đó mô phỏng trên công cụ Matlab cho ra một định hƣớng điều khiển tốt cho các máy phát điện gió PMSG.

Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu về năng lƣợng gió và máy phát điện gió nói chung , các loại máy phát điện gió SCIG - PMSG - DFIG - Lý thuyết về máy phát điện gió PMSG và điều khiển máy phát điện gió PMSG. Phân tích bộ chuyển đổi AC/DC –DC/AC (back to back) trong máy PMSG. - Định hƣớng lấy công suất tối ƣu cho PMSG đƣợc kết nối lƣới. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 15 GVHD: TS.

Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 1.1 Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới 1.2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam 1.3 Tìm hiểu về các loại turbine gió 1.4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lƣợng gió 1.5 Cấu tạo của turbine gió 1.6 Hệ thống phát điện gió điển hình 1.7 So sánh giữa các loại máy phát điện gió 1.8 Một số yêu cầu khi kết nối lƣới điện cho máy phát điện gió 1.9 Hiện trạng và xu hƣớng phát triển kỹ thuật phát điện gió 1.10 Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió PMSG HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 16 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 1.1 Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới Nhận thức đƣợc tầm quan trọng của năng lƣợng tái sinh nói chung và năng lƣợng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đƣa vào sử dụng thực tiễn năng lƣợng gió, giúp giảm sự căng thẳng năng lƣợng ở các nƣớc.1 trình bày công suất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong khoảng thời gian từ 1996 đến 2008. Tổng lƣợng công suất sản xuất trên thế giới vào năm 2009 là 159.2GW, với 340TWh năng lƣợng, xác nhận mức tăng trƣởng 31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế tòan cầu đang gặp nhiều khó khăn. Theo thống kê trên thế giới, Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lƣợng gió nhiều nhất trên thế giới.

Chẳng hạn vào năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số điện sử dụng tại Đức; trong khi đó con số này lên đến 14% ở Ai len và 11% tại Tây Ban Nha. Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió nhất thế giới với công suất nhảy vọt từ 6GW vào năm 2004 lên đến 35GW vào 2009 và điện gió chiếm 2.4% tộng số điện tiêu dùng. Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triễn nhanh về nguồn năng lƣợng sạch này với 22.1 : Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2011 HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 17 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp Trong số 20 thị trƣờng lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13 nƣớc với Đức là nƣớc dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lƣợng gió với khoảng cách xa so với các nƣớc còn lại.

Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha, năng lƣợng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ sự nâng đỡ của chính phủ sở tại. Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này. Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã đƣợc sử dụng trên thị trƣờng nhiều hơn trong những năm vừa qua .2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam Theo các báo cáo của Đại học Harvard (Mỹ), tiềm năng điện gió trên thế giới là rất lớn có thể tạo ra công suất điện nhiều gấp 40 lần điện năng tiêu thụ hiện nay. Trong chƣơng trình đánh giá về năng lƣợng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới (The World Bank Asia Alternative Energy Program) đã có một khảo sát chi tiết về năng lƣợng gió khu vực Đông Nam Á, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận (Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ đƣợc đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn).2: Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80m.

HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 18 GVHD: TS.