I. Tổng Quan Hệ Thống Phát Điện Đồng Trục Trên Tàu Thủy
Hệ thống phát điện đồng trục được giới thiệu lần đầu vào năm 1982. Công ty MAN B&W đã nghiên cứu các khả năng ứng dụng và phát triển các mô hình. Ngày nay, máy phát điện đồng trục được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên tàu thủy. Các chủ tàu và nhà máy đóng tàu đánh giá cao lợi ích của việc sử dụng thêm máy phát đồng trục. Mô hình trạm phát điện sử dụng máy chính để truyền động cho máy phát điện kết hợp với các tổ máy phát điện được đánh giá cao về kỹ thuật và kinh tế. Đặc biệt với các tàu hoạt động trên biển, việc lắp đặt máy phát điện đồng trục mang lại hiệu quả lớn. Sơ đồ hệ thống phát điện trên tàu thủy có sử dụng máy phát điện đồng trục được thể hiện đơn giản hóa ở hình 1.1. Máy chính ngoài nhiệm vụ kéo chân vịt, còn kéo máy phát đồng trục.
1.1. Ưu điểm của Hệ Thống Phát Điện Đồng Trục trên Tàu
Hệ thống phát điện đồng trục giúp tận dụng công suất dư thừa của máy chính lai chân vịt. Điều này dẫn đến giảm tiêu hao nhiên liệu, tiết kiệm thời gian hoạt động của các diesel lai máy phát điện, giảm suất tiêu hao vật tư, phụ tùng và nâng cao tuổi thọ của trạm phát điện tàu thủy. Theo nghiên cứu, chi phí sản xuất một đơn vị điện năng bằng máy phát đồng trục chỉ bằng 50% chi phí khi sử dụng cơ năng của hệ diesel-máy phát độc lập.
1.2. Thách thức khi sử dụng Máy Phát Điện Đồng Trục
Việc thêm máy phát đồng trục làm phức tạp thêm hệ thống điện năng trên tàu thủy và đặt ra các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết. Một trong những vấn đề phức tạp nhất là việc ổn định tần số và ổn định điện áp của máy phát khi tốc độ quay của máy chính thay đổi trong hành trình. Một giải pháp hiệu quả là sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép làm việc ở chế độ máy phát.
II. Tại Sao Máy Điện Dị Bộ Nguồn Kép DFIG Lại Hữu Ích
Máy điện dị bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống máy phát đồng trục có ưu điểm nổi bật. Stator được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được. Vì thiết bị điều khiển nằm ở rotor, công suất thiết bị điều khiển nhỏ hơn rất nhiều công suất máy phát. Dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới, điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, đặc biệt khi công suất máy phát lớn. Tuy nhiên, kỹ thuật điều khiển rotor của máy điện dị bộ nguồn kép rất khó khăn, cấu trúc hệ thống phức tạp và khó điều khiển. Luận án này tập trung vào giải quyết vấn đề này.
2.1. Ưu điểm của DFIG So với Các Loại Máy Phát Khác
Máy điện dị bộ nguồn kép (DFIG) mang lại nhiều lợi thế so với các loại máy phát khác, đặc biệt trong hệ thống phát điện đồng trục. Khả năng điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng độc lập giúp cải thiện ổn định hệ thống điện trên tàu. Theo luận án, việc điều khiển rotor thông qua thiết bị điện tử công suất cho phép tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu.
2.2. Nhược Điểm và Hướng Giải Quyết Vấn Đề Điều Khiển DFIG
Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép cũng đối mặt với không ít thách thức. Cấu trúc hệ thống phức tạp và yêu cầu kỹ thuật điều khiển cao đặt ra bài toán khó. Luận án này đề xuất một cấu trúc điều khiển mới và đơn giản hơn, tập trung vào kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor, nhằm nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống phát điện đồng trục.
III. Đề Xuất Cấu Trúc Phát Điện Đồng Trục Sử Dụng DFIG
Luận án đề xuất cấu trúc hệ thống phát điện đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép (DFIG) trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor. Cấu trúc này giúp đơn giản hóa hệ thống điều khiển và nâng cao khả năng bám lưới “mềm” bền vững. Đề xuất này dựa trên cơ sở khoa học vững chắc và mô hình toán học chi tiết, chứng minh và chỉ ra các ưu điểm của cấu trúc mới.
3.1. Kỹ Thuật Đồng Dạng Tín Hiệu Rotor để Điều Khiển DFIG
Kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor là chìa khóa cho cấu trúc điều khiển DFIG được đề xuất. Phương pháp này cho phép cách ly 2 kênh điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng độc lập nhau, giúp điều khiển hệ thống một cách dễ dàng và hiệu quả hơn. Mô hình toán học được xây dựng để chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này.
3.2. Mô Hình Toán Học của Hệ Thống Phát Điện Đồng Trục
Để phân tích và đánh giá hiệu quả của cấu trúc đề xuất, luận án xây dựng mô hình toán học chi tiết của hệ thống phát điện đồng trục sử dụng DFIG. Mô hình này bao gồm các phương trình mô tả DFIG1 và DFIG2, cũng như mô hình hệ thống khi DFIG2 chưa hòa và sau khi hòa với lưới điện. Kết quả mô phỏng dựa trên mô hình này sẽ chứng minh tính đúng đắn của cấu trúc đề xuất.
3.3. Ưu điểm Cấu Trúc Đề Xuất So với Các Cấu Trúc Khác
Cấu trúc phát điện đồng trục sử dụng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor mang lại nhiều ưu điểm so với các cấu trúc trước đây, bao gồm cấu trúc điều khiển đơn giản, chất lượng điều khiển cao, khả năng bám lưới “mềm” bền vững.
IV. Tối Ưu Hóa Tỷ Số Truyền Hộp Số Máy Phát Đồng Trục
Luận án nghiên cứu khảo sát mối liên hệ giữa các thành phần công suất để xác định tỉ lệ truyền của hộp số máy phát đồng trục. Tỷ lệ truyền được lựa chọn sao cho hiệu suất chuyển đổi từ cơ năng sang điện năng đạt mức cao nhất. Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống phát điện đồng trục.
4.1. Vai Trò Của Hộp Số Trong Hệ Thống Phát Điện Đồng Trục
Hộp số đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ quay của máy phát điện để phù hợp với tốc độ của máy chính. Việc lựa chọn tỷ số truyền phù hợp giúp máy phát điện hoạt động ở vùng hiệu suất cao nhất. Luận án phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số truyền và đề xuất phương pháp xác định giá trị tối ưu.
4.2. Phân Tích Dòng Năng Lượng và Thành Phần Công Suất
Để xác định tỷ số truyền tối ưu, luận án phân tích chi tiết dòng năng lượng và các thành phần công suất trong hệ thống phát điện đồng trục. Các thành phần công suất tác dụng, công suất phản kháng và tổn thất năng lượng được xem xét kỹ lưỡng để tìm ra điểm cân bằng tối ưu, mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất.
V. Mô Phỏng Kiểm Chứng Tính Đúng Đắn Của Hệ Thống DFIG
Mô hình hệ thống được xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab để kiểm chứng các kết quả thu được. Kết quả mô phỏng khẳng định các ưu điểm của cấu trúc mới. Cách thức chỉnh định và vận hành hệ thống cũng được đề xuất trong chương này. Đặc biệt, kết quả mô phỏng cũng được sử dụng để khẳng định các ưu điểm của cấu trúc mới được đề xuất.
5.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Hệ Thống Phát Điện Đồng Trục
Để kiểm chứng tính đúng đắn của cấu trúc đề xuất, luận án xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phát điện đồng trục sử dụng phần mềm Matlab/Simulink. Mô hình này bao gồm các khối chức năng mô phỏng DFIG, bộ biến đổi công suất, hệ thống điều khiển và lưới điện. Các thông số của mô hình được lựa chọn dựa trên các thông số thực tế của các thiết bị.
5.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả
Kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc điều khiển đề xuất đáp ứng tốt các yêu cầu về ổn định điện áp, ổn định tần số và khả năng điều khiển công suất. Hệ thống có khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện tốc độ máy chính thay đổi và có khả năng chống chịu các sự cố lưới điện. Kết quả mô phỏng chứng minh tính khả thi và hiệu quả của cấu trúc điều khiển đề xuất.
5.3. Cách Thức Chỉnh Định và Vận Hành Hệ Thống Thực Tế
Luận án cũng đề xuất cách thức chỉnh định và vận hành hệ thống phát điện đồng trục trong thực tế. Các bước chỉnh định các thông số của bộ điều khiển và các quy trình vận hành hệ thống được mô tả chi tiết. Việc tuân thủ các hướng dẫn này sẽ giúp đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.
VI. Hệ Thống Điều Khiển Máy Phát Dị Bộ Nguồn Kép Cho Tàu Thủy
Chương này tập trung vào thiết lập hệ thống điều khiển cho hệ thống phát điện đồng trục trên tàu thủy. Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tượng. Nghiên cứu cũng đi vào phân chia tải hệ thống phát điện đồng trục với lưới điện tàu thủy. Hệ thống điều khiển đảm bảo khả năng làm việc song song với lưới điện “mềm” tàu thủy.
6.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Chỉnh Định Mờ
Bộ điều khiển PID chỉnh định mờ được thiết kế để điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG. Bộ điều khiển này kết hợp ưu điểm của bộ điều khiển PID và logic mờ, giúp hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh và chính xác với các thay đổi của tải và tốc độ máy chính. Luật suy diễn mờ được xây dựng dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia.
6.2. Phân Chia Tải Giữa Máy Phát Đồng Trục và Lưới Điện Tàu Thủy
Việc phân chia tải giữa máy phát đồng trục và lưới điện tàu thủy cần được thực hiện một cách hợp lý để đảm bảo ổn định hệ thống điện. Luận án đề xuất phương pháp phân chia tải dựa trên công suất khả dụng của máy phát đồng trục và nhu cầu tải của hệ thống. Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành.
