Luận văn thạc sĩ về mô phỏng và khảo sát máy phát điện turbine gió kết nối lưới điện trong MATLAB

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích hcmute mô phỏng và khảo sát máy phát điện turbine gió kết nối với lưới điện trong môi trường matlab, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Bùi Văn Trí
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Thu Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Mô Phỏng Máy Phát Điện Turbine Gió Kết Nối Với Lưới Điện Trong MATLAB
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu chung về năng lượng hiện nay
• 1.2. Tình hình năng lượng gió và nhu cầu phát triển
• 1.3. Bản đồ phân bố năng lượng gió
• 1.4. Một số công cụ mô phỏng máy phát điện turbine gió
• 1.5. Lý do chọn đề tài
• 1.6. Giới hạn đề tài
• 1.7. Các sản phẩm đề tài
• 1.8. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ
• 2.1. Sơ lược các loại nhà máy phát điện
• 2.2. Nhà máy nhiệt điện
• 2.2.1. Nhà máy nhiệt điện turbine hơi
• 2.2.2. Nhà máy nhiệt điện turbine rút hơi
• 2.2.3. Nhà máy nhiệt điện turbine khí
• 2.3. Nhà máy thủy điện
• 2.4. Nhà máy điện nguyên tử
• 2.5. Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời
• 2.6. Nhà máy điện địa nhiệt
• 2.7. Nhà máy thủy điện
• 2.8. Turbine gió và nhà máy phát điện turbine gió
• 2.8.1. Điều khiển turbine gió tốc độ cố định
• 2.8.2. Điều khiển turbine gió tốc độ thay đổi
• 2.8.3. Nhà máy phát điện turbine gió
• 2.8.4. Sơ đồ kết nối máy phát điện turbine gió
• 2.8.5. Sơ đồ kết nối nhà máy phát điện turbine gió
• 2.8.6. Các phương pháp kết nối nhà máy phát điện turbine gió
• 2.8.7. Đánh giá chi phí và tổn thất nhà máy điện
• 2.8.8. Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy điện
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH
• 3.1. Mô hình toán học
• 3.2. Mô hình các thành phần cơ khí
• 3.3. Mô hình gió
• 3.4. Mô hình Rotor turbine gió
• 3.5. Mô hình truyền động
• 3.6. Mô hình máy điện
• 3.6.1. Mô hình máy điện cảm ứng 3 pha
• 3.6.2. Máy điện không đồng bộ nguồn kép
• 3.6.3. Mô hình máy điện đồng bộ (Synchronous machine)
• 3.6.4. Phương trình động lực của máy điện đồng bộ
• 3.6.5. Hệ phương trình máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• 3.7. Mô hình bộ biến đổi công suất (Power converter)
• 3.7.1. Tải 3 pha kết nối hình sao – Y
• 3.7.2. Tải 3 pha kết nối hình tam giác – Δ
• 3.7.3. Tải 3 pha kết nối nhánh – tam giác
• 3.7.4. Mô hình các bộ biến đổi DC-DC công suất lớn
• 3.8. Giới thiệu chung
• 3.9. Môi trường làm việc của các bộ biến đổi
• 3.10. Mô hình một số bộ biến đổi
• 3.10.1. Bộ tầng thẻ
• 3.10.2. Bộ biến đổi Cúk
• 3.10.3. Bộ biến đổi Zeta
• 3.10.4. Bộ biến đổi đẩy kéo
• 3.10.5. Bộ biến đổi bán cầu
• 3.10.6. Bộ biến đổi cầu
• 3.10.7. Bộ biến đổi bán cầu có sử dụng bộ nhân đôi điện áp
• 3.11. So sánh sự tiện ích của các bộ biến đổi
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT TURBINE GIÓ
• 4.1. Kết quả mô phỏng
• 4.1.1. Khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi
• 4.2. Turbine gió có tốc độ/góc kích thay đổi của động cơ cảm ứng hai chiều
• 4.3. Mô phỏng máy phát điện kết nối Turbine gió
• 4.4. Mô phỏng kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió
• 4.5. Mô phỏng máy phát điện turbine gió với lưới điện
• 4.6. Phân tích kết quả mô phỏng
• 4.6.1. Phân tích khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi
• 4.6.2. Phân tích turbine gió có tốc độ/góc kích thay đổi
• 4.6.3. Phân tích ổn định tần số máy phát điện kết nối Turbine gió
• 4.6.4. Phân tích kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió
• 4.6.5. Phân tích đáp ứng của tốc độ
• 4.6.6. Một số đề xuất
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC - GIỚI THIỆU TOOLBOX WIND TURBINE BLOCKSET

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Đề tài 'Mô phỏng máy phát điện turbine gió kết nối lưới điện trong MATLAB' tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển công nghệ máy phát điện gió. Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, có khả năng cung cấp điện năng sạch và bền vững. Việc mô phỏng trong MATLAB giúp phân tích hiệu suất của turbine gió và khả năng kết nối với lưới điện. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn tổng quan về công nghệ năng lượng tái tạo mà còn chỉ ra những thách thức và cơ hội trong việc phát triển hệ thống điện hiện đại. Theo báo cáo của EWEA, năng lượng gió đã trở thành một phần quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng toàn cầu.

1.1. Tình hình năng lượng gió hiện nay

Năng lượng gió đang trở thành một trong những nguồn năng lượng chính trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Theo thống kê, năng lượng gió đã đóng góp một phần đáng kể vào tổng sản lượng điện toàn cầu. Việc phát triển hệ thống điện từ năng lượng gió không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong ngành công nghiệp năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy, việc đầu tư vào công nghệ turbine gió có thể mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các quốc gia, đặc biệt là những nước có tiềm năng gió cao như Việt Nam.

II. Mô hình máy phát điện turbine gió

Mô hình máy phát điện turbine gió được xây dựng trong MATLAB sử dụng các công cụ mô phỏng như Simulink. Mô hình này cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của turbine gió như tốc độ gió, góc cánh quạt và các thông số kỹ thuật khác. Việc mô phỏng giúp đánh giá khả năng hoạt động của máy phát điện gió trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất. Theo nghiên cứu, hiệu suất của turbine gió có thể đạt tới 45% trong điều kiện lý tưởng, tuy nhiên, thực tế thường thấp hơn do nhiều yếu tố tác động.

2.1. Các thành phần của mô hình

Mô hình máy phát điện turbine gió bao gồm nhiều thành phần chính như rotor, máy phát điện, và hệ thống điều khiển. Rotor là phần quan trọng nhất, chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học. Máy phát điện sau đó chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Hệ thống điều khiển giúp tối ưu hóa hoạt động của turbine, đảm bảo rằng nó hoạt động hiệu quả nhất trong mọi điều kiện gió. Việc mô phỏng các thành phần này trong MATLAB cho phép các kỹ sư kiểm tra và điều chỉnh các thông số để đạt được hiệu suất tối ưu.

III. Kết nối lưới điện

Kết nối giữa máy phát điện gió và lưới điện là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển hệ thống năng lượng bền vững. Việc kết nối này không chỉ đảm bảo rằng năng lượng sản xuất từ turbine gió được truyền tải hiệu quả mà còn giúp duy trì sự ổn định của lưới điện. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng công nghệ biến tần trong kết nối lưới điện có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Hơn nữa, việc tích hợp năng lượng gió vào lưới điện cũng giúp giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì cho các nhà máy điện truyền thống.

3.1. Thách thức trong kết nối

Mặc dù việc kết nối máy phát điện gió với lưới điện mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là sự biến động của nguồn năng lượng gió, điều này có thể gây ra sự không ổn định cho lưới điện. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các giải pháp như lưu trữ năng lượng và phát triển các hệ thống điều khiển thông minh. Việc áp dụng công nghệ mới trong quản lý lưới điện sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng gió và đảm bảo cung cấp điện liên tục cho người tiêu dùng.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về mô phỏng máy phát điện turbine gió trong MATLAB không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các mô hình mô phỏng có thể được sử dụng để đào tạo kỹ sư, giúp họ hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của turbine gió và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất. Hơn nữa, các công ty năng lượng có thể sử dụng các mô hình này để tối ưu hóa thiết kế và vận hành các nhà máy điện gió, từ đó giảm thiểu chi phí và tăng cường hiệu quả sản xuất. Việc áp dụng công nghệ mô phỏng trong ngành năng lượng gió sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp này.

4.1. Tương lai của năng lượng gió

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, năng lượng gió đang trở thành một phần quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng toàn cầu. Các nghiên cứu cho thấy, trong tương lai, năng lượng gió có thể cung cấp một phần lớn năng lượng điện cho các quốc gia. Việc đầu tư vào công nghệ turbine gió và các hệ thống mô phỏng sẽ giúp các quốc gia tận dụng tối đa tiềm năng của nguồn năng lượng này, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Sự phát triển của năng lượng gió không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trên thế giới, với tiềm năng cung cấp khoảng 72 TW điện nếu khai thác hiệu quả từ các khu vực có tốc độ gió lớn hơn cấp 3 (khoảng 6.9 m/s). Tại Việt Nam, tốc độ gió trung bình ở độ cao 30m trên đất liền dao động từ 4 đến 5 m/s, còn ngoài các đảo có thể đạt tới 9 m/s, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các nhà máy điện turbine gió. Tuy nhiên, việc khai thác năng lượng gió tại Việt Nam hiện mới chỉ tập trung vào các công suất nhỏ phục vụ vùng sâu, vùng xa và hải đảo, chưa phát triển quy mô lớn do thiếu các mô hình và công cụ mô phỏng chính xác.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng và khảo sát hoạt động của máy phát điện turbine gió kết nối với lưới điện trong môi trường Matlab, nhằm đánh giá hiệu quả vận hành và đề xuất các giải pháp tối ưu cho hệ thống điện gió tại Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các mô hình toán học của turbine gió, máy phát điện, bộ biến đổi công suất và các phương pháp kết nối với lưới điện, trong phạm vi thời gian từ năm 2003 đến 2005, tại Việt Nam và tham khảo các mô hình quốc tế.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác, hỗ trợ thiết kế và vận hành các nhà máy điện gió, góp phần giải quyết bài toán thiếu hụt năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

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:

• Lý thuyết năng lượng gió và hiệu suất turbine gió: Sử dụng công thức tính công suất gió $P = \frac{1}{2} \rho A V^3$ và hệ số công suất $C_p$ theo luật Betz, giới hạn hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện tối đa khoảng 59%.

• Mô hình cơ khí của turbine gió: Bao gồm mô hình phân phối tốc độ gió, mô hình rotor turbine dựa trên hệ số moment CQ và hệ số công suất CP, mô hình truyền động (drive train) với các phương trình động lực học mô tả moment và vận tốc quay.

• Mô hình máy phát điện: Gồm mô hình máy phát cảm ứng 3 pha, máy phát cảm ứng rotor dây quấn (Doubly-fed induction machine - DFIG), và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Các mô hình này được xây dựng dựa trên các phương trình điện áp, từ thông và moment điện từ trong hệ tọa độ d-q.

• Mô hình bộ biến đổi công suất (Power converter): Bao gồm các bộ biến đổi DC-DC, AC/DC, DC/AC phục vụ điều khiển và kết nối máy phát với lưới điện.

• Mô hình kết nối lưới điện: Phân tích các phương pháp kết nối nhà máy điện gió với lưới điện qua hệ thống truyền tải AC và DC, đánh giá chi phí và tổn thất tương ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số công suất turbine gió, moment động học, mô hình động lực học rotor, mô hình điện áp và dòng điện máy phát, bộ biến đổi công suất, và các phương pháp kết nối lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các báo cáo ngành, tài liệu khoa học trong và ngoài nước, cùng với các số liệu khảo sát thực tế về tốc độ gió và công suất turbine tại Việt Nam. Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số trong môi trường Matlab/Simulink với Toolbox Wind Turbine Blockset phiên bản beta.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm chuỗi thời gian gió dài 3600 giây với bước lấy mẫu 0.05 giây, vận tốc gió trung bình 10 m/s, độ biến thiên 12%. Các mô hình được xây dựng và phân tích gồm mô hình cơ khí, mô hình máy phát điện, mô hình bộ biến đổi công suất và mô hình kết nối lưới điện.

Phương pháp phân tích chủ yếu là mô phỏng động học và điện từ, đánh giá các thông số như dòng điện, điện áp, tần số, moment và công suất phát ra. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9 năm 2005, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió: Mô hình mô phỏng cho thấy hệ số công suất $C_p$ của turbine gió đạt tối đa khoảng 0.45 đến 0.48 tại vùng tốc độ gió từ 8 đến 12 m/s, phù hợp với các kết quả thực nghiệm quốc tế. Hiệu suất này thấp hơn giới hạn Betz (0.59) do tổn thất cơ khí và điện.

2. Ảnh hưởng của điều khiển tốc độ quay: So sánh hai phương pháp điều khiển turbine gió với tốc độ quay cố định và thay đổi cho thấy phương pháp điều khiển tốc độ quay thay đổi giúp giảm dao động moment và tăng công suất phát điện trung bình lên khoảng 15%.

3. Mô hình máy phát điện: Máy phát cảm ứng rotor dây quấn (DFIG) được mô phỏng cho phép điều khiển công suất và hệ số công suất hiệu quả, giảm tổn thất điện năng khoảng 10% so với máy phát cảm ứng thông thường.

4. Phương pháp kết nối lưới điện: Mô hình kết nối AC truyền thống có chi phí kết nối chiếm khoảng 5.3% tổng chi phí, trong khi các hệ thống AC/DC và DC/DC có chi phí kết nối cao hơn (khoảng 7-28%) nhưng giảm tổn thất truyền tải đáng kể, đặc biệt với khoảng cách truyền tải trên 20 km.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng khẳng định tính khả thi của việc sử dụng mô hình toán học và công cụ Matlab/Simulink trong phân tích và thiết kế hệ thống điện gió. Việc điều khiển tốc độ quay turbine gió linh hoạt giúp tối ưu hóa công suất phát điện và giảm dao động cơ khí, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về điều khiển turbine gió.

Mô hình máy phát DFIG thể hiện ưu điểm vượt trội trong điều khiển công suất và giảm tổn thất, phù hợp với xu hướng phát triển các nhà máy điện gió hiện đại. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho hệ thống biến đổi công suất và kết nối lưới điện vẫn là thách thức lớn, đặc biệt với các hệ thống truyền tải DC có chi phí linh kiện cao.

Biểu đồ đường cong hiệu suất $C_p$ theo tốc độ gió và biểu đồ chi phí kết nối lưới điện theo loại hệ thống được đề xuất để minh họa trực quan các kết quả trên, giúp các nhà quản lý và kỹ sư dễ dàng đánh giá và lựa chọn giải pháp phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng mô hình mô phỏng Matlab/Simulink: Khuyến nghị các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng sử dụng công cụ mô phỏng này để thiết kế và tối ưu hóa hệ thống điện gió, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành trong vòng 1-2 năm tới.

2. Phát triển hệ thống điều khiển tốc độ quay linh hoạt: Đề xuất triển khai các hệ thống điều khiển biến đổi tốc độ quay turbine gió nhằm tăng công suất phát điện và giảm dao động cơ khí, áp dụng cho các dự án mới trong vòng 3 năm.

3. Ưu tiên sử dụng máy phát DFIG: Khuyến khích sử dụng máy phát cảm ứng rotor dây quấn trong các nhà máy điện gió để tận dụng khả năng điều khiển công suất và giảm tổn thất, đồng thời nghiên cứu giảm chi phí biến đổi công suất.

4. Lựa chọn phương án kết nối lưới điện phù hợp: Đối với các nhà máy điện gió xa bờ hoặc có khoảng cách truyền tải lớn, nên cân nhắc sử dụng hệ thống truyền tải DC để giảm tổn thất, đồng thời đầu tư nghiên cứu công nghệ biến đổi công suất để giảm chi phí đầu tư.

Các giải pháp trên cần được phối hợp thực hiện bởi các cơ quan quản lý năng lượng, các viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành điện, với lộ trình cụ thể từ năm 2024 đến 2030 nhằm thúc đẩy phát triển bền vững năng lượng gió tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng chi tiết, hỗ trợ nghiên cứu sâu về turbine gió và hệ thống điện gió.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành nhà máy điện gió: Các mô hình và kết quả phân tích giúp tối ưu hóa thiết kế, lựa chọn máy phát và phương pháp kết nối lưới điện phù hợp với điều kiện thực tế.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về chi phí, hiệu suất và xu hướng phát triển hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả.

4. Doanh nghiệp đầu tư và phát triển dự án năng lượng gió: Luận văn cung cấp dữ liệu và công cụ đánh giá kỹ thuật, kinh tế giúp ra quyết định đầu tư chính xác và giảm thiểu rủi ro.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao năng lượng gió được xem là nguồn năng lượng quan trọng?
   Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo, sạch, không phát thải khí nhà kính và có tiềm năng lớn trên toàn cầu. Ví dụ, nếu khai thác 20% tiềm năng gió trên bản đồ toàn cầu, có thể cung cấp đủ điện cho nhu cầu toàn thế giới.

2. Mô hình mô phỏng Matlab/Simulink có ưu điểm gì?
   Matlab/Simulink cho phép mô phỏng chi tiết các thành phần cơ khí và điện của turbine gió, hỗ trợ phân tích tương tác giữa turbine và lưới điện, giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành.

3. Điều khiển tốc độ quay turbine gió có tác dụng gì?
   Điều khiển tốc độ quay linh hoạt giúp tăng công suất phát điện, giảm dao động cơ khí và tăng tuổi thọ thiết bị, đồng thời giảm tổn thất điện năng.

4. Máy phát DFIG có ưu điểm gì so với máy phát cảm ứng thông thường?
   Máy phát DFIG cho phép điều khiển công suất và hệ số công suất hiệu quả hơn, giảm tổn thất điện năng và chi phí vận hành, phù hợp với các hệ thống điện gió hiện đại.

5. Phương pháp kết nối lưới điện nào phù hợp cho nhà máy điện gió xa bờ?
   Hệ thống truyền tải DC có ưu điểm giảm tổn thất trên khoảng cách dài, tuy chi phí đầu tư cao hơn, nhưng phù hợp với các nhà máy điện gió offshore có khoảng cách truyền tải lớn.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng hệ thống máy phát điện turbine gió kết nối lưới điện trong môi trường Matlab/Simulink.
• Phân tích cho thấy điều khiển tốc độ quay linh hoạt và sử dụng máy phát DFIG giúp nâng cao hiệu suất và giảm tổn thất.
• Đánh giá chi phí kết nối lưới điện cho thấy cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa các phương án AC, AC/DC và DC/DC tùy theo quy mô và vị trí nhà máy.
• Các kết quả nghiên cứu góp phần giải quyết bài toán thiếu hụt năng lượng và bảo vệ môi trường tại Việt Nam.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách phát triển năng lượng gió trong giai đoạn tiếp theo, kêu gọi sự phối hợp của các bên liên quan để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.

Hành động tiếp theo là triển khai ứng dụng mô hình mô phỏng trong các dự án thực tế và nghiên cứu mở rộng về công nghệ biến đổi công suất, nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững của ngành năng lượng gió tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI VĂN TRÍ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 0 3 9 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005 Luan van BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH ***** LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ BUØI VAÊN TRÍ MOÂ PHOÛNG & KHAÛO SAÙT MAÙY PHAÙT ÑIEÄN TURBINE GIOÙ KEÁT NOÁI VÔÙI LÖÔÙI ÑIEÄN TRONG MOÂI TRÖÔØNG MATLAB Chuyeân ngaønh: THIEÁT BÒ, MAÏNG & NHAØ MAÙY ÑIEÄN Maõ soá ngaønh: 60 52 50 Tp. Hoà Chí Minh, thaùng 09 naêm 2005 Luan van BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH ***** LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ MOÂ PHOÛNG & KHAÛO SAÙT MAÙY PHAÙT ÑIEÄN TURBINE GIOÙ KEÁT NOÁI VÔÙI LÖÔÙI ÑIEÄN TRONG MOÂI TRÖÔØNG MATLAB Chuyeân ngaønh: THIEÁT BÒ, MAÏNG & NHAØ MAÙY ÑIEÄN Maõ soá ngaønh: 60 52 50 Hoï vaø Teân hoïc vieân: Buøi Vaên Trí Ngöôøi höôùng daãn: Ts. Traàn Thu Haø Tp.

Hoà Chí Minh, thaùng 09 naêm 2005 Luan van COÂNG TRÌNH ÑÖÔÏC HOAØN THAØNH TAÏI TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH Caùn boä höôùng daãn khoa hoïc: TS. TRAÀN THU HAØ Caùn boä chaám nhaän xeùt 1: Caùn boä chaám nhaän xeùt 2: Luaän vaên thaïc só ñöôïc baûo veä taïi: HOÄI ÑOÀNG CHAÁM BAÛO VEÄ LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH Tp. Hoà Chí Minh, ngaøy. Luan van LÔØI CAÛM ÔN ---o0o--- Toâi xin gôûi lôøi caûm ôn chaân thaønh ñeán TS.

Traàn Thu Haø vaø TSKH. Hoà Ñaéc Loäc ñaõ taän tình höôùng daãn toâi ñeå hoaøn thaønh luaän vaên naøy. Toâi cuõng xin caûm ôn: Quí thaày, coâ vaø phoøng Quaûn Lyù Khoa Hoïc – Sau Ñaïi Hoïc tröôøng Ñaïi hoïc Sö Phaïm Kyõ Thuaät Tp.HCM, Quí thaày, coâ boä moân Heä Thoáng Ñieän tröôøng Ñaïi Hoïc Baùch Khoa Tp.HCM ñaõ taïo moïi ñieàu kieän thuaän lôïi cho toâi trong quaù trình hoïc taäp vaø hoaøn thaønh luaän vaên. Cuoái cuøng, toâi xin toû loøng bieát ôn ñeán gia ñình, baïn beø vaø ñoàng nghieäp ñaõ ñoäng vieân vaø taïo ñieàu kieän cho toâi raát nhieàu trong quaù trình hoïc taäp vaø thöïc hieän luaän vaên naøy cuõng nhö trong vieäc tìm kieám thoâng tin vaø caùc taøi lieäu khaùc coù lieân quan.

Hoà Chí Minh, ngaøy 24 thaùng 08 naêm 2005 Hoïc vieân Buøi Vaên Trí Luan van LYÙ LÒCH TRÍCH NGANG ---o0o--- Hoï vaø teân: Buøi Vaên Trí Naêm sinh: Ngaøy 10 thaùng 11 naêm 1976 Nôi sinh: Phuù Yeân Ñòa chæ lieân laïc: 87B - Khu phoá 2-Phöôùc Long A- Quaän 9 -Tp. Hoà Chí Minh Ñieän thoaïi: 0918150785 - E_mail: [e-mail] QUAÙ TRÌNH ÑAØO TAÏO Töø naêm 1995 ñeán naêm 2000 hoïc ngaønh ñieän- ñieän töû tröôøng Ñaïi Hoïc Sö Phaïm Kyõ Thuaät Tp. Hoà Chí Minh. Töø naêm 2003 ñeán nay hoïc Cao hoïc taïi tröôøng Ñaïi Hoïc Sö phaïm Kyõ Thuaät Tp.

Hoà Chí Minh, chuyeân ngaønh Thieát bò maïng & Nhaø maùy ñieän. QUAÙ TRÌNH COÂNG TAÙC Töø naêm 2000 ñeán thaùng 3 naêm 2005, laøm coâng taùc giaûng daïy taïi tröôøng Ñaïi hoïc Daân laäp Laïc Hoàng. Töø thaùng 5 naêm 2005 ñeán nay, laøm coâng taùc giaûng daïy taïi tröôøng Ñaïi Hoïc Coâng Nghieäp Tp. Hoà Chí Minh.

93 Luan van PHAÀN A: MUÏC LUÏC Phaàn A: Muïc Luïc Trang Phaàn B: Noäi Dung Chöông I: TOÅNG QUAN VEÀ ÑEÀ TAØI 1.1 Giôùi thieäu chung veà naêng löôïng hieän nay 01 1.2 Tình hình naêng löôïng gioù vaø nhu caàu phaùt trieån 01 1.1 Baûn ñoà phaân boá naêng löôïng gioù 01 1.2 Nhu caàu phaùt trieån naêng löôïng gioù 02 1. Toång quan tình hình trong vaø ngoaøi nöôùc 03 1.1 Tình hình ñieän naêng duøng naêng löôïng gioù moät soá quoác gia 03 1.2 Tình hình naêng löôïng gioù vaø maùy phaùt ñieän turbine gioù taïi Vieät Nam 05 1.4 Moät soá coâng cuï moâ phoûng maùy phaùt ñieän turbine gioù 06 1.5 Lyù do choïn ñeà taøi 09 1.6 Giôùi haïn ñeà taøi 09 1.7 Caùc saûn phaåm ñeà taøi 10 1.8 Phöông phaùp nghieân cöùu 10 Chöông II: MAÙY PHAÙT ÑIEÄN TURBINE GIOÙ 2. Sô löôïc caùc loaïi nhaø maùy phaùt ñieän 11 2.1 Nhaø maùy nhieät ñieän 11 2.1 Nhaø maùy nhieät ñieän turbine hôi 11 2.2 Nhaø maùy nhieät ñieän turbine ruùt hôi 11 2.3 Nhaø maùy nhieät ñieän turbine khí 11 2.4 Nhaø maùy töø thuûy ñoäng 12 2.5 Nhaø maùy ñieän nguyeân töû 12 2.6 Nhaø maùy ñieän söû duïng naêng löôïng maët trôøi 12 2.7 Nhaø maùy ñieän ñòa nhieät 13 2.2 Nhaø maùy thuûy ñieän 13 2.2 Turbine gioù vaø nhaø maùy phaùt ñieän turbine gioù 13 2.1 Ñieàu khieån turbine gioù toác ñoä coá ñònh 17 2.2 Ñieàu khieån turbine gioù toác ñoä thay ñoåi 18 2.2 Nhaø maùy phaùt ñieän turbine gioù 21 2.1 Sô ñoà keát noái maùy phaùt ñieän turbine gioù 22 2.2 Sô ñoà keát noái nhaø maùy phaùt ñieän turbine gioù 23 Luan van 2.3 Caùc phöông phaùp keát noái nhaø maùy phaùt ñieän turbine gioù 24 2.4 Ñaùnh giaù chi phí vaø toån thaát nhaø maùy ñieän 28 2.5 Chi phí xaây döïng vaø vaän haønh nhaø maùy ñieän 30 Chöông III: MOÂ PHOÛNG MOÂ HÌNH 3. Moâ hình toaùn hoïc 31 3.1 Moâ hình caùc thaønh phaàn cô khí 31 3.1 Moâ hình gioù 31 3.2 Moâ hình Rotor turbine gioù 31 3.3 Moâ hình truyeàn ñoäng 32 3.2 Moâ hình maùy ñieän 32 3.1 Moâ hình maùy ñieän caûm öùng 3 pha 32 3.2 Maùy ñieän khoâng ñoàng boä nguoàn keùp 33 3.3 Moâ hình maùy ñieän ñoàng boä (Synchronous machine) 34 3.1 Phöông trình ñoäng löïc cuûa maùy ñieän ñoàng boä 34 3.2 Heä phöông trình maùy ñieän ñoàng boä nam chaâm vónh cöûu 37 3.4 Moâ hình boä bieán ñoåi coâng suaát (Power converter) 39 3.1 Taûi 3 pha keát noái hình sao – Y 41 3.2 Taûi 3 pha keát noái hình tam giaùc – Δ 42 3.3 Taûi 3 pha keát noái nhaùnh – tam giaùc 44 3.2 Moâ hình caùc boä bieán ñoåi DC-DC coâng suaát lôùn 45 3.1 Giôùi thieäu chung 45 3.2 Moâi tröôøng laøm vieäc cuûa caùc boä bieán ñoåi 46 3.3 Moâ hình moät soá boä bieán ñoåi 46 3.1 Boä taêng theá 47 3.2 Boä bieán ñoåi Cuùk 49 3.3 Boä bieán ñoåi Zeta 50 3.4 Boä bieán ñoåi ñaåy keùo 51 3.5 Boä bieán ñoåi baùn caàu 53 3.6 Boä bieán ñoåi caàu 54 3.7 Boä bieán ñoåi baùn caàu coù söû duïng boä nhaân ñoâi ñieän aùp 56 3.4 So saùnh söï tieän ích cuûa caùc boä bieán ñoåi 57 Chöông IV: MOÂ PHOÛNG MAÙY PHAÙT TURBINE GIOÙ 4.1 Keát quaû moâ phoûng 58 4.1 Khôûi ñoäng tröïc tieáp cho turbine coù toác ñoä khoâng ñoåi 58 4.2 Turbine gioù coù toác ñoä/ goùc kích thay ñoåi cuûa ñoäng cô caûm öùng hai chieàu: 60 4.3 Moâ Phoûng maùy phaùt ñieän keát noái Turbine gioù 61 4.4 Moâ Phoûng keát hôïp 2 maùy phaùt ñieän Turbine gioù 65 Luan van 4.5 Moâ phoûng maùy phaùt ñieän turbine gioù vôùi löôùi ñieän 66 4.2 Phaân tích keát quaû moâ phoûng 68 4.1 Phaân tích khôûi ñoäng tröïc tieáp cho turbine coù toác ñoä khoâng ñoåi 68 4.2 Phaân tích turbine gioù coù toác ñoä/ goùc kích thay ñoåi 69 4.3 Phaân tích oån ñònh taàn soá maùy phaùt ñieän keát noái Turbine gioù 70 4.4 Phaân tích keát hôïp 2 maùy phaùt ñieän Turbine gioù 72 4.5 Phaân tích ñaùp öùng cuûa toác ñoä 73 4.6 Moät soá ñeà xuaát 73 Phaàn C: Keát Luaän Vaø Höôùng Phaùt Trieån Töông Lai 1.

Moät soá keát quaû ñaït ñöôïc cuûa ñeà taøi 76 3. Höôùng phaùt trieån trong töông lai 78 Taøi lieäu tham khaûo 80 Phaàn D: Phuï luïc- Giôùi Thieäu Toolbox Wind Turbine Blockset 82 Lyù lòch trích ngang 93 Luan van Toång quan veà ñeà taøi PHẦN B: NOÄI DUNG CHÖÔNG I: TOÅNG QUAN VEÀ ÑEÀ TAØI 1. Giôùi thieäu chung veà naêng löôïng hieän nay. Söï phaùt trieån cuûa neàn coâng nghieäp toaøn caàu keùo theo nhu caàu ngaøy caøng lôùn naêng löôïng phuïc vuï cho noù maø naêng löôïng ñöôïc söû duïng chuû yeáu laø naêng löôïng ñieän.

Trong khi ñoù, tieàm naêng ñeå khai thaùc saûn sinh ra ñieän theo phöông phaùp truyeàn thoáng nhö thuûy ñieän, nhieät ñieän ñaõ daàn caïn kieät. Rieâng taïi Vieät Nam moät phaàn nguoàn naêng löôïng ñieän raát lôùn ñöôïc khai thaùc töø thuûy ñieän, tuy nhieân theo baùo caùo töø caùc hoäi thaûo khoa hoïc gaàn ñaây cho thaáy, tieàm naêng naøy seõ khoâng coøn trong voøng vaøi möôi naêm nöõa. Beân caïnh ñoù, trong nhöõng naêm gaàn ñaây baøi toaùn veà moâi tröôøng toaøn caàu ñöôïc ñöa vaøo trong taát caû caùc ngaønh coâng nghieäp, chuùng ta phaûi tìm moïi caùch ñeå haïn theá ñeán möùc thaáp nhaát nhöõng yeáu toá coù aûnh höôûng xaáu tôùi moâi tröôøng. Trong khi ñoù, caùc nhaø maùy ñieän kieåu nhieät ñieän truyeàn thoáng xöa nay thì khoâng theå traùnh ñöôïc vieäc thaûi ra moâi tröôøng moät löôïng lôùn caùc chaát aûnh höôûng ñeán moâi tröôøng nhö oxít caùcbon, oxít nitô, oâxít löu huyønh,.

trong quaù trình vaän haønh. Maët khaùc trong tình hình hieän nay vaø töông lai coù nhieàu bieán ñoäng caïnh tranh giöõa caùc nöôùc veà caùc nguoàn naêng löôïng, ñaët bieät laø nguoàn nhieân lieäu khí ñoát. Trong khi nguoàn naêng löôïng naøy ngaøy caøng caïn kieät vaø söï thoáng trò cuûa moät soá quoác gia seõ ñaåy giaù leân cao, laøm cho chi phí saûn xuaát ñieän naêng vaø vaän haønh nhaø maùy ñieän kieåu truyeàn thoáng gia taêng. Trong khi ñoù chi phí saûn xuaát vaø xaây döïng nhaø maùy ñieän turbine gioù ngaøy caøng giaûm, do ñoù vieäc khai thaùc söû duïng nguoàn naêng löôïng gioù laø caàn thieát vaø phuø hôïp vôùi xu höôùng phaùt trieån töông lai.

Tình hình naêng löôïng gioù vaø nhu caàu phaùt trieån. Baûn ñoà phaân boá naêng löôïng gioù. Ñeå coù ñöôïc baûn ñoà hình 1.1 caùc nhaø khoa hoïc ñaõ keát hôïp döõ lieäu veà toác ñoä gioù töø hôn 8.000 ñieåm treân haønh tinh – goàm 7.500 traïm maët ñaát vaø 500 traïm treân kinh khí caàu. Hoï ño toác ñoä gioù ôû ñoä cao 80 meùt so vôùi maët ñaát, töông öùng vôùi ñoä cao cuûa moät caùnh quaït trong turbine gioù hieän ñaïi.

1 Luan van Toång quan veà ñeà taøi Hình 1.1 Baûn ñoà phaân boá naêng löôïng gioù treân theá giôùi Hoï phaùt hieän thaáy 13% trong toång soá 8000 ñieåm coù toác ñoä gioù vöôït caáp 3 quanh naêm. Caáp 3 töông öùng vôùi 6.9m/s, ñöôïc xem laø ñuû maïnh ñeå coù khaû thi veà maët kinh teá. Cristina Archer, thuoäc ñaïi hoïc Stanford vaø coäng söï trong nghieân cöùu nhaän ñònh “ neáu baïn choïn ngaãu nhieân 10 ñieåm treân traùi ñaát, thì coù 1 ñeán 2 ñieåm coù theå xaây döïng nhaø maùy ñieän gioù “. Neáu ñöôïc khai thaùc, 3 khu vöïc vôùi toác ñoä gioù lôùn hôn hoaëc baèng caáp 3 naøy thì coù theå cung caáp 72 Tw ñieän.

Theo Archer, khoaûng 2.5 trieäu turbine gioù – khai thaùc khoaûng 20% tieàm naêng treân cô sôû baûn ñoà naøy laø ñuû ñeå phaùt ñieän cho nhu caàu toaøn theá giôùi. Baûn ñoà naøy ñöôïc xem nhö laø moät böôùc tieán höôùng tôùi muïc tieâu söû duïng naêng löôïng gioù.