Luận Văn Thạc Sĩ: Mô Hình Hóa và Điều Khiển Máy Phát Điện Gió Không Đồng Bộ

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Luận văn thạc sỹ mô hình hóa và điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép cho một hệ thống phát, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Tô Thành Lập
• Người hướng dẫn: PGS TS. Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Điều Khiển Máy Phát Điện Gió Không Đồng Bộ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô Hình Hóa và Điều Khiển Máy Phát Điện Gió Không Đồng Bộ

Mô hình hóa và điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo. Với sự gia tăng nhu cầu về điện năng, việc phát triển các công nghệ mới để khai thác năng lượng gió trở nên cấp thiết. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) đã chứng minh được hiệu quả trong việc tối ưu hóa sản xuất điện từ gió. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các khía cạnh kỹ thuật và ứng dụng của mô hình hóa và điều khiển trong hệ thống phát điện gió.

1.1. Ứng dụng của Máy Phát Điện Gió trong Năng Lượng Tái Tạo

Máy phát điện gió không đồng bộ đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo. Chúng có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện gió khác nhau, giúp tối ưu hóa sản lượng điện. Việc ứng dụng DFIG trong các dự án điện gió không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn nâng cao hiệu suất năng lượng.

1.2. Lợi ích của Mô Hình Hóa trong Điều Khiển Hệ Thống Điện Gió

Mô hình hóa giúp phân tích và dự đoán hành vi của hệ thống phát điện gió. Bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng như Matlab/Simulink, các kỹ sư có thể tối ưu hóa thiết kế và điều khiển máy phát điện gió, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

II. Thách Thức trong Điều Khiển Máy Phát Điện Gió Không Đồng Bộ

Mặc dù máy phát điện gió không đồng bộ mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức trong quá trình điều khiển. Các vấn đề như sự cố điện lưới, biến động tốc độ gió và hiệu suất điều khiển là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.

2.1. Các Vấn Đề Kỹ Thuật trong Điều Khiển DFIG

Điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép gặp phải nhiều vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là trong các tình huống sự cố. Sự sụt giảm điện áp đột ngột có thể gây ra dao động từ thông mạnh, dẫn đến dòng điện lớn và có thể làm hỏng thiết bị.

2.2. Tác Động của Tốc Độ Gió đến Hiệu Suất Hoạt Động

Tốc độ gió là yếu tố quyết định đến hiệu suất của máy phát điện gió. Khi tốc độ gió thay đổi, việc điều chỉnh công suất và duy trì ổn định điện áp là rất quan trọng. Các phương pháp điều khiển cần được tối ưu hóa để đáp ứng nhanh chóng với các biến động này.

III. Phương Pháp Điều Khiển Hiệu Quả cho Máy Phát Điện Gió

Để tối ưu hóa hiệu suất của máy phát điện gió không đồng bộ, nhiều phương pháp điều khiển đã được phát triển. Các phương pháp này không chỉ giúp duy trì công suất tối ưu mà còn cải thiện độ ổn định của hệ thống. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại như MPPT (Maximum Power Point Tracking) là rất cần thiết.

3.1. Điều Khiển Điểm Công Suất Cực Đại MPPT

MPPT là một trong những phương pháp điều khiển quan trọng nhất trong hệ thống phát điện gió. Nó giúp tối ưu hóa công suất đầu ra bằng cách theo dõi và điều chỉnh điểm công suất tối đa dựa trên điều kiện gió hiện tại.

3.2. Các Phương Pháp Điều Khiển Cổ Điển và Hiện Đại

Các phương pháp điều khiển cổ điển như PID (Proportional-Integral-Derivative) đã được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, các phương pháp hiện đại như điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) và điều khiển thích nghi (Adaptive Control) đang ngày càng được ưa chuộng nhờ khả năng tự điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các ứng dụng thực tiễn từ các dự án điện gió đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp điều khiển mới. Việc áp dụng các công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất sản xuất điện.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu từ Các Dự Án Điện Gió

Nhiều dự án điện gió đã áp dụng mô hình hóa và điều khiển DFIG, cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và độ tin cậy. Các số liệu từ các dự án này cho thấy khả năng sản xuất điện ổn định ngay cả trong điều kiện gió không thuận lợi.

4.2. Tác Động Kinh Tế của Hệ Thống Điện Gió

Việc phát triển hệ thống điện gió không chỉ mang lại lợi ích về mặt môi trường mà còn có tác động tích cực đến kinh tế. Giảm chi phí sản xuất điện và tạo ra việc làm trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo là những lợi ích rõ rệt.

V. Kết Luận và Tương Lai của Mô Hình Hóa Máy Phát Điện Gió

Mô hình hóa và điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của hệ thống điện gió hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả sẽ là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng năng lượng gió.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Điện Gió

Công nghệ điện gió đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến về hiệu suất và độ tin cậy. Các nghiên cứu mới về vật liệu và thiết kế tuabin gió sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của ngành này.

5.2. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu và Đổi Mới

Nghiên cứu và đổi mới là rất quan trọng để duy trì sự phát triển bền vững của ngành điện gió. Việc đầu tư vào nghiên cứu sẽ giúp phát triển các giải pháp mới, từ đó nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay vì sử dụng các máy đồng bộ kinh điển kết hợp với bộ biến đổi điện tử công suất thấy rằng DFIG có những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được. Chính vì thiết bị điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Như đã trình bày ở trên, đây chính là ưu điểm vượt trội của DFIG so với các thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới. Tuy nhiên, cấu trúc ấy lại khiến cho DFIG khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống sự cố xảy ra trên lưới.

Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp trên thanh cái sẽ bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh. Từ thông này sẽ gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn có thể gây ra dòng rất lớn. Luận văn này xây dựng mô hình hóa và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống điện gió bằng Matlab/Simulink. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiều về gió và hệ thống phát điện gió.

Tìm hiều về hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG và xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ thống. Nghiên cứu thuật toán điều khiển và mô phỏng máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống điện gió. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung các phương pháp điều khiển cho máy phát điện sức gió DFIG. Ý nghĩa khoa học của đề tài là đề xuất mô hình mới ứng dụng máy điện không bộ nguồn kép làm chức năng máy phát, nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng máy điện không bộ nguồn kép trong máy phát điện.

Đề tài đã giải quyết thành công cả về mặt lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng. 3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng, góp phần tiết kiệm chi phí vận hành các trạm phát điện. ĐỐI TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U Nghiên cứu các đặc tính của gió. Tìm hiểu các dạng mô hình của máy phát điện gió.

Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG trong hệ thống điện gió. Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG). Xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống điện gió bằng cách mô phỏng trong Matlab/Simulink. Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng.

KẾT QUẢ D KIẾN  Tổng quan về tình hình nghiên cứu, sử dụng nguồn năng lượng gió trên thế giới và tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam. Trong đó tìm hiểu tốc độ gió, cấp gió, chế độ gió, tiềm năng và quy hoạch phát triển năng lượng điện gió Việt Nam. Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh kết quả nghiên cứu trong nước. Chính sách định hướng chiến lượt phát triển bền vững năng lượng Việt Nam là phát triển nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo hệ thống máy phát điện sức gió dùng máy điện không đồng bộ nguồn kép đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng rãi, và đây cũng chính là nội dung mà luận văn nghiên cứu.

 Tình hình phát triển chung của thế giới về lĩnh vực biến đổi năng lượng gió và tiềm năng của Việt Nam.  Đối với hệ thống biến đổi năng lượng gió làm việc ở tốc độ thay đổi, việc sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator – DFIG) là phù hợp nhất trong thời điểm hiện tại. Ưu điểm nổi bật khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 - 30% của tổng công 4 suất phát, nghĩa là giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ đồng thời giảm được chi phí đầu tư.  Luận văn trình bày khái quát về vai trò, cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống máy phát điện sức gió đồng thời trình bày khái quát một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng.

Luận văn đưa ra một số loại tua bin gió và sơ đồ khối hệ thống điện gió. Trong đó luận văn cũng nhấn mạnh hệ thống máy phát điện sức gió dùng máy phát không đồng bộ nguồn kép đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng rãi, và giới thiệu bộ điều khiển DFIG. Đây cũng chính là nội dung mà luận văn nghiên cứu.  Tìm hiểu ứng dụng và nguyên lý hoạt động của DFIG trong cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió vận tốc thay đổi.

 Luận văn trình bày về cấu tạo, nguyên lý làm việc, sơ đồ mạch điện thay thế và các phương trình điện, từ của máy phát điện DFIG. Đồng thời mô tả toán học hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện DFIG trong hệ toạ độ không gian véc tơ. Ý tưởng của việc sử dụng véctơ không gian SVPWM là để mô tả máy điện DFIG chỉ bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha. Luận văn đưa ra sơ đồ khối hệ thống máy phát.

Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG. Việc mô tả toán học hệ thống là tiền đề cho việc xây dựng các bộ điều khiển hoà lưới. Khối máy điện DFIG điều khiển:  Bộ biến đổi điện áp phía lưới  Bộ biến đổi điện áp phía máy phát  Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WECS (Wind Energy - Conversion System).  Tìm phương pháp điều khiển tối ưu công suất tác dụng nhận từ gió.

 Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép  Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG  Xây dựng bộ điều khiển phía lưới  Xây dựng bộ điều khiển phía máy phát 5  Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như: Nghiên cứu điều khiển hệ thống DFIG thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không không thiết kế thi công mô hình thực tế. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay việc phát triển và triển khai dự án năng lượng gió để đáp ứng sử dụng điện trên thế giới trong đó có Việt Nam là nhu cầu cấp thiết.  Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet).  Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu.

 Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink.  Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng. 6 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 1.1 Tổng quan về năng lượng gió Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá thì nhu cầu năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước. Vấn đề đặt ra là phát triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi trường và cảnh quang thiên nhiên.

Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ, khí đốt… ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính. Để giảm những vấn đề trên ta phải tìm nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch để thay thế hiệu quả, giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình kinh tế an ninh chính trị quốc gia. Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề về năng lượng để phát triển. Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử dụng năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái sinh trong đó có năng lượng gió.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được ưu tiên được đầu tư và phát triển ở Việt Nam. Nhiều dự án công trình đã được khởi công và xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có công suất khoản 800KW, công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định đang được xây dựng… Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tìm năng rất lớn. Nhà máy điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890. Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới [1].

Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng cho môi trường nhỏ. Tổng năng lượng của các máy phát sức gió được lắp đặt trên thế giới được gia tăng một cách ngoạn mục. Sự tham gia của các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung 7 cấp một lượng công suất đáng kể bên cạnh các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy điện. Tuabin gió được sử dụng trong hộ gia đình được phân bố rộng rãi trên thế giới.

Sự tương tác giữa hệ thống điện gió trong gia đình và trong lưới điện sẽ là một khía cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống điện gió trong tương lai. Đó là điều cần thiết để đảm bảo rằng lưới điện có khả năng làm việc trong giới hạn của tần số và điện áp phù hợp cho các dự án kết hợp việc sản xuất năng lượng điện từ gió và việc tiêu thụ điện của người tiêu dùng, đồng thời để đảm bảo duy trì lưới điện hoạt động ổn định. Vì vậy khi điện gió hòa vào lưới điện phải không làm chất lượng điện xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của lưới điện, do đó cần có máy phát điện phù hợp.