Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu điện áp rotor trong máy phát điện gió DFIG

Nghiên cứu bộ chỉnh lưu điện áp rotor trong máy phát điện gió, tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao khả năng điều khiển năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Vũ Đình Cường
• Người hướng dẫn: Ts. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Bộ Chỉnh Lưu Điện Áp Rotor Trong Máy Phát Điện Gió DFIG
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH KÍ HIỆU
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 1.1. Tình hình cung- cầu điện năng ở việt nam
• 1.2. Tiềm năng của năng lượng gió ở Việt Nam
• 1.3. Lợi ích của việc lắp đặt tuabin gió
• 1.4. Mặt hạn chế khi sử dụng năng lượng gió
• 1.5. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Kết quả nghiên cứu trong nước và ngoài nước về máy phát điện gió
• 1.8.1. Kết quả nghiên cứu trong nước
• 1.8.2. Kết quả nghiên cứu nước ngoài
• 1.9. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG)
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ PID MỜ ĐIỀU KHIỂN RSC TRONG MÁY PHÁT DFIG
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG DÙNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG)
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu rotor trong máy phát điện gió DFIG

Nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu rotor trong máy phát điện gió DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) là một lĩnh vực quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo. Máy phát điện gió DFIG đã trở thành một trong những công nghệ phổ biến nhất trong việc chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng. Việc tối ưu hóa điều khiển bộ chỉnh lưu rotor không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của máy phát mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững nguồn năng lượng gió. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp điều khiển hiện đại, đặc biệt là việc áp dụng logic mờ và bộ điều khiển PID mờ để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

1.1. Tìm hiểu về máy phát điện gió DFIG và cấu trúc của nó

Máy phát điện gió DFIG là một loại máy phát không đồng bộ, cho phép điều chỉnh công suất đầu ra một cách linh hoạt. Cấu trúc của DFIG bao gồm một rotor và một stator, trong đó rotor được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi. Điều này cho phép máy phát hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện gió khác nhau, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng gió.

1.2. Lợi ích của việc nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu rotor

Việc nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu rotor trong máy phát điện gió DFIG mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, nó giúp cải thiện hiệu suất của máy phát, giảm thiểu tổn thất năng lượng. Thứ hai, việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như PID mờ có thể nâng cao độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Cuối cùng, nghiên cứu này còn góp phần vào việc phát triển các giải pháp năng lượng tái tạo bền vững.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển bộ chỉnh lưu rotor DFIG

Mặc dù máy phát điện gió DFIG có nhiều ưu điểm, nhưng việc điều khiển bộ chỉnh lưu rotor vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự biến đổi không ổn định của tốc độ gió, điều này ảnh hưởng đến công suất đầu ra của máy phát. Ngoài ra, việc điều khiển chính xác bộ chỉnh lưu cũng đòi hỏi các thuật toán phức tạp để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong mọi điều kiện hoạt động.

2.1. Ảnh hưởng của tốc độ gió đến hiệu suất máy phát

Tốc độ gió là yếu tố quyết định đến hiệu suất của máy phát điện gió DFIG. Khi tốc độ gió thay đổi, công suất đầu ra của máy phát cũng sẽ thay đổi theo. Việc điều khiển bộ chỉnh lưu rotor cần phải linh hoạt để thích ứng với những biến đổi này, nhằm duy trì hiệu suất tối ưu.

2.2. Thách thức trong việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại

Mặc dù các phương pháp điều khiển hiện đại như PID mờ và logic mờ đã được chứng minh là hiệu quả, nhưng việc áp dụng chúng trong thực tế vẫn gặp nhiều khó khăn. Các thuật toán này cần phải được tối ưu hóa để phù hợp với các điều kiện cụ thể của hệ thống, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy.

III. Phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu rotor trong máy phát điện gió DFIG

Để giải quyết các vấn đề trong điều khiển bộ chỉnh lưu rotor, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Trong đó, việc sử dụng bộ điều khiển PID mờ là một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong điều khiển mà còn tăng cường khả năng thích ứng với các biến đổi của hệ thống.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho máy phát DFIG

Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế để thay thế bộ PI truyền thống, nhằm cải thiện khả năng điều khiển trong các điều kiện không chắc chắn. Thiết kế này bao gồm việc xác định các tham số mờ và xây dựng các quy tắc điều khiển phù hợp với đặc tính của máy phát DFIG.

3.2. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển bộ chỉnh lưu

Logic mờ cho phép xử lý các thông tin không chính xác và không chắc chắn, điều này rất hữu ích trong việc điều khiển bộ chỉnh lưu rotor. Việc áp dụng logic mờ giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống, đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng bộ điều khiển PID mờ trong điều khiển bộ chỉnh lưu rotor đã mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất và độ ổn định của máy phát điện gió DFIG. Các mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab cho thấy rằng hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện gió khác nhau, đồng thời duy trì công suất đầu ra ổn định.

4.1. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID mờ

Các mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển PID mờ có khả năng điều chỉnh công suất đầu ra một cách linh hoạt, giúp máy phát hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện gió thay đổi. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của máy phát.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong các dự án năng lượng gió

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể được áp dụng trong thực tiễn. Nhiều dự án năng lượng gió đã bắt đầu áp dụng các phương pháp điều khiển mới này, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống phát điện gió.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu rotor trong máy phát điện gió DFIG đã mở ra nhiều hướng phát triển mới cho ngành năng lượng tái tạo. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững nguồn năng lượng gió. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng sạch.

5.1. Hướng phát triển công nghệ điều khiển trong năng lượng gió

Công nghệ điều khiển trong năng lượng gió đang phát triển nhanh chóng. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

5.2. Tương lai của máy phát điện gió DFIG trong ngành năng lượng

Máy phát điện gió DFIG sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo. Với sự phát triển của công nghệ và các phương pháp điều khiển mới, máy phát điện gió DFIG hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho ngành năng lượng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện năng tại Việt Nam trong hai thập kỷ qua luôn duy trì ở mức cao từ 12% đến 13% mỗi năm, gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP trung bình khoảng 7,1% mỗi năm. Theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, nhu cầu điện sản xuất của toàn nền kinh tế đạt khoảng 200.000 GWh vào năm 2020 và chạm mốc 327.000 GWh vào năm 2030. Trong khi đó, việc khai thác tối đa các nguồn điện truyền thống chỉ đáp ứng được khoảng 165.000 GWh, tạo ra nguy cơ thiếu hụt điện năng nghiêm trọng từ 20% đến 30% mỗi năm. Đứng trước thách thức an ninh năng lượng, phát triển năng lượng tái tạo là hướng đi tất yếu. Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam sở hữu tiềm năng điện gió lớn nhất Đông Nam Á với tổng trữ lượng ước tính đạt 513.600 MW, gấp hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La; trong đó 8,6% diện tích lãnh thổ đạt tiềm năng gió tốt đến rất tốt, vượt trội hơn so với Lào (2,9%) và Thái Lan (0,2%).

Tuy nhiên, nguồn năng lượng gió có tính bất định cao, khiến điện áp và tần số máy phát dao động mạnh khi hòa lưới. Việc ứng dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG - Doubly-Fed Induction Generator) là giải pháp hàng đầu hiện nay do bộ biến đổi công suất chỉ cần định mức từ 20% đến 30% công suất danh định của máy. Mặc dù vậy, bộ điều khiển tỉ lệ tích phân (PI) truyền thống tại bộ biến đổi phía rotor (RSC) thường bộc lộ hạn chế lớn về chất lượng quá độ khi tốc độ gió thay đổi đột ngột. Luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu điện áp rotor trong máy phát điện gió DFIG" do học viên Vũ Đình Cường thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Trương Đình Nhơn, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi này. Đề tài hướng tới mục tiêu thiết kế bộ điều khiển PID mờ (Fuzzy PID) tự chỉnh định để thay thế bộ PI kinh điển, nâng cao độ ổn định cho tổ máy DFIG công suất 100 MW kết nối vào hệ thống điện lưới chuẩn IEEE 9 bus, giảm thiểu độ vọt lố điện áp trung gian DC-link xuống dưới 2% và rút ngắn thời gian xác lập dưới 0,5 giây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hai hệ thống lý thuyết điều khiển học và máy điện chuyên sâu:

Lý thuyết điều khiển vector định hướng từ thông stator (Field-Oriented Control) trên hệ tọa độ quay đồng bộ d-q kết hợp phép biến đổi Clarke - Park: Hệ thống chuyển đổi các đại lượng dòng điện và điện áp xoay chiều ba pha sang hệ tọa độ tĩnh alpha-beta với hệ số tỷ lệ k = 2/3 để giữ nguyên biên độ, sau đó chuyển tiếp sang hệ tọa độ quay d-q với vận tốc góc đồng bộ. Việc định hướng vector từ thông stator theo trục d và triệt tiêu thành phần từ thông trục q giúp giải trừ liên động hoàn toàn, cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) thông qua hai thành phần dòng điện rotor.

Lý thuyết logic mờ (Fuzzy Logic) kết hợp phương pháp tự chỉnh định thông số PID theo nguyên lý của Zhao, Tomizuka và Isaka: Cấu trúc điều khiển mờ sử dụng 3 tập mờ ngõ vào gồm Negative Large (NL), Small (S), Positive Large (PL), kết hợp hàm liên thuộc hình thang (Trampf). Bộ suy diễn mờ áp dụng luật hợp thành Max-Min và kỹ thuật giải mờ trọng tâm để liên tục tối ưu hóa trực tuyến các hệ số Kp, Ki, Kd dựa trên độ lệch sai số e(t) và đạo hàm sai số de(t)/dt.

Hệ thống tích hợp 4 khái niệm vận hành chủ chốt của máy phát DFIG: chế độ vận hành dưới đồng bộ (máy lấy năng lượng từ lưới qua rotor), chế độ vận hành trên đồng bộ (máy phát trả năng lượng về lưới qua rotor), cơ chế làm việc của bộ biến đổi nguồn áp back-to-back PWM (gồm khối RSC và khối GSC), và nguyên lý cân bằng năng lượng trên tụ DC-link dung lượng 10.000 uF. Dải vận tốc gió vận hành của turbine được xác định từ tốc độ khởi động 12 km/h đến tốc độ cắt an toàn 104 km/h, kết hợp hộp số tăng tốc từ 30 - 60 vòng/phút lên 1200 - 1500 vòng/phút.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số miền thời gian (time-domain simulation) trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink và SimPowerSystems. Cỡ mẫu nghiên cứu được chuẩn hóa trên mô hình lưới điện đa máy 3 máy phát, 9 thanh cái tiêu chuẩn IEEE (IEEE 9 bus), kết nối với trang trại điện gió DFIG có quy mô tổng công suất 100 MW phát lên cấp điện áp truyền tải 110 kV.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên cấu hình mô phỏng chuẩn quốc tế đại diện cho lưới điện thực tế có tính tương thích cao, bao gồm đầy đủ các đường dây truyền tải, máy biến áp và các trung tâm phụ tải tập trung. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số là vì hệ thống điện tử công suất đóng cắt ở tần số cao từ 2 kHz đến 5 kHz kết hợp với đặc tính cơ học phi tuyến của cánh quạt turbine gió không thể khảo sát chính xác bằng các phương pháp giải tích tuyến tính truyền thống. Tiến trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ trong timeline 12 tháng, chia thành 4 giai đoạn rõ ràng: 3 tháng đầu tổng hợp cơ sở lý thuyết và khảo sát tiềm năng năng lượng gió; 3 tháng tiếp theo thiết lập hệ phương trình toán học mô tả DFIG trên hệ tọa độ d-q; 3 tháng tiếp theo xây dựng cấu trúc bộ điều khiển PID mờ; và 3 tháng cuối cùng hoàn thiện mô phỏng, chạy các kịch bản kiểm chứng và đánh giá độ ổn định động học của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích định lượng đã mang lại 4 phát hiện khoa học nổi bật:

Thứ nhất, bộ điều khiển PID mờ cải thiện vượt bậc chất lượng đáp ứng động học của bộ biến đổi phía rotor (RSC). So với bộ điều khiển PI kinh điển, thời gian quá độ của dòng điện rotor trục d và trục q giảm từ 0,85 giây xuống còn 0,49 giây, tương đương mức cải thiện tốc độ đáp ứng lên tới 42%.

Thứ hai, khả năng duy trì ổn định điện áp trung gian DC-link đạt hiệu quả vượt trội. Dưới kịch bản tốc độ gió thay đổi đột ngột từ 8 m/s lên 14 m/s, điện áp tụ DC-link với bộ điều khiển mờ chỉ dao động trong biên độ rất nhỏ dưới 1,5% quanh giá trị định mức 1200 V. Ngược lại, bộ điều khiển PI truyền thống ghi nhận mức vọt lố lên đến 8,4%, gây ra độ biến động điện áp tức thời vượt quá 100 V.

Thứ ba, việc điều khiển độc lập công suất P và Q đạt độ chính xác cao. Sai số xác lập của công suất tác dụng stator giảm từ 3,8% khi dùng PI xuống dưới 0,6% khi dùng PID mờ. Đồng thời, công suất phản kháng bám sát mức đặt 0 MVAR với sai số không đáng kể, duy trì hệ số công suất của toàn hệ thống đạt mức xấp xỉ 0,99.

Thứ tư, tính ổn định quá độ của toàn bộ mạng lưới truyền tải IEEE 9 bus được đảm bảo vững chắc. Công suất tác dụng và phản kháng của cả 3 tổ máy phát đồng bộ trong mạng lưới duy trì đường đặc tính làm việc ổn định, độ méo dạng sóng hài tổng dòng điện (THD) hòa lưới luôn duy trì dưới ngưỡng 3,0%, đáp ứng tốt các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành lưới điện quốc gia.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự vượt trội của giải pháp đề xuất là do bộ điều khiển PID mờ có khả năng phi tuyến hóa quá trình hiệu chỉnh thông số. Khi xuất hiện sai lệch lớn giữa công suất thực tế và công suất đặt, bộ quy tắc mờ lập tức tăng hệ số Kp để rút ngắn thời gian đáp ứng, sau đó tự động tăng hệ số Ki và Kd khi sai lệch tiến gần về 0 để triệt tiêu hiện tượng vọt lố và dao động dư. Điều này khắc phục triệt để hiện tượng bão hòa tích phân (integrator windup) vốn là nhược điểm cố hữu của bộ PI thông thường.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu cùng lĩnh vực, kết quả này phát triển sâu hơn nghiên cứu của Đặng Danh Hoành (2011) về điều khiển phi tuyến tựa thụ động và bổ trợ cho công trình của Trương Đình Nhơn và cộng sự (2014) về việc sử dụng thiết bị bù tĩnh SVC 9 MW. Thay vì phải đầu tư thêm thiết bị bù ngang đắt tiền trên đường dây, việc tối ưu hóa thuật toán PID mờ trực tiếp tại bộ RSC giúp nâng cao độ ổn định điện áp ngay tại đầu cực máy phát với chi phí triển khai phần mềm tối thiểu.

Trong thực tế nghiên cứu, toàn bộ các diễn biến động học này được thể hiện trực quan qua các đồ thị miền thời gian từ 0 đến 10 giây, biểu diễn rõ nét quá trình chuyển đổi trạng thái của dòng điện rotor, điện áp DC-link và phân bố công suất P-Q. Các bảng so sánh định lượng chi tiết giữa hai thuật toán ở các dải tốc độ gió 7 m/s, 11 m/s và 15 m/s đã chứng minh tính bền vững vượt trội của giải thuật mờ trước mọi biến động ngẫu nhiên của nguồn năng lượng sơ cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Để ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tiễn phát triển năng lượng gió tại Việt Nam, các đề xuất cụ thể được phân bổ theo lộ trình như sau:

Nâng cấp và tích hợp thuật toán PID mờ vào các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) điều khiển biến tần của các trang trại điện gió DFIG hiện hữu, hướng tới mục tiêu giảm 35% số lần ngắt kết nối sự cố do sụt áp quá độ, triển khai trong thời gian 6 đến 12 tháng do các kỹ sư trưởng và đơn vị vận hành nhà máy điện gió thực hiện.

Ban hành quy chuẩn kỹ thuật cập nhật về yêu cầu vượt qua sự cố điện áp thấp (Low Voltage Ride Through - LVRT) cho các nguồn điện phân tán, kiểm soát độ biến thiên công suất hòa lưới trong phạm vi cộng trừ 2% mỗi phút, thực hiện trong giai đoạn 2026 - 2028 dưới sự chỉ đạo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam và Cục Điều tiết Điện lực.

Triển khai đồng bộ hệ thống giám sát SCADA thời gian thực kết hợp bản đồ tài nguyên gió số hóa độ phân giải cao tại 8,6% diện tích vùng có tiềm năng gió tốt của Việt Nam, nhằm dự báo chính xác vận tốc gió trước 15 đến 30 phút với độ tin cậy trên 90%, do Viện Năng lượng phối hợp với Tổng cục Khí tượng Thủy văn thực hiện từ năm 2026 đến 2030.

Đầu tư xây dựng các phòng thí nghiệm thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL) quy mô thử nghiệm từ 1,5 MW đến 5 MW, hoàn thành trong lộ trình 18 tháng do các trường đại học khối kỹ thuật và viện nghiên cứu chuyên ngành chủ trì, nhằm kiểm chuẩn các thuật toán mờ trước khi chuyển giao thương mại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa: Luận văn cung cấp hệ thống phương trình vi phân giải tích hoàn chỉnh của máy điện DFIG trên hệ tọa độ quay d-q và quy trình thiết kế bộ suy diễn mờ chi tiết. Đây là tài liệu giảng dạy và nghiên cứu giá trị để phát triển các đề tài mở rộng mô phỏng trên các hệ thống điện gió quy mô lớn trên 500 MW.

Nhóm kỹ sư R&D tại các công ty sản xuất thiết bị điện tử công suất và biến tần: Luận văn cung cấp giải pháp lập trình điều khiển vector hai bậc cho bộ biến đổi phía rotor và phía lưới, giúp tối ưu hóa 20% đến 30% dung lượng van bán dẫn IGBT và nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng cho các dòng máy phát từ 1,5 MW đến 3 MW.

Nhóm kỹ sư vận hành tại các trung tâm điều độ hệ thống điện và trang trại gió: Nắm vững nguyên lý trao đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng của tuabin DFIG khi biến động thời tiết, phục vụ công tác xây dựng biểu đồ điều độ tối ưu và duy trì ổn định lưới điện khi tỷ lệ thâm nhập của điện gió vượt quá 25% công suất nguồn.

Nhóm chuyên gia tư vấn đầu tư và phát triển dự án năng lượng tái tạo: Có căn cứ khoa học để phân tích, so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa công nghệ DFIG và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong việc lập báo cáo khả thi (FS) cho các dự án điện gió từ 50 MW đến 200 MW trong vòng đời vận hành 20 năm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao máy phát DFIG lại chiếm ưu thế áp đảo trong các dự án điện gió thương mại công suất lớn? Máy phát DFIG kết nối stator trực tiếp với lưới trong khi rotor chỉ cần bộ biến đổi back-to-back có công suất định mức bằng 20% đến 30% công suất tổng. Cấu trúc này giúp cắt giảm từ 25% đến 40% chi phí đầu tư thiết bị điện tử công suất, giảm tổn hao và hạn chế sóng hài so với hệ thống chuyển đổi toàn phần 100%.

Bộ điều khiển PID mờ giải quyết dứt điểm nhược điểm nào của bộ điều khiển PI truyền thống trong khối RSC? Bộ điều khiển PI tuyến tính với thông số cố định không thể thích nghi tốt trước sự biến đổi phi tuyến của vận tốc gió từ 12 km/h đến 104 km/h. Bộ PID mờ tự động hiệu chỉnh Kp, Ki, Kd theo thời gian thực, giúp giảm 42% thời gian xác lập dòng điện rotor và triệt tiêu độ vọt lố điện áp DC-link từ 8,4% xuống dưới 1,5%.

Nguyên tắc định hướng từ thông stator mang lại lợi ích gì trong việc điều khiển công suất DFIG? Bằng cách gắn trục d của hệ tọa độ quay vào vector từ thông stator và đưa thành phần từ thông trục q về 0, hệ thống đạt được sự giải trừ liên động hoàn toàn. Nhờ đó, dòng điện rotor trục d điều khiển độc lập công suất phản kháng Q, còn dòng điện trục q điều khiển trực tiếp công suất tác dụng P với độ chính xác trên 99,4%.

Máy phát DFIG trao đổi năng lượng với lưới điện như thế nào ở hai chế độ vận hành dưới và trên đồng bộ? Ở chế độ dưới đồng bộ khi tốc độ rotor nhỏ hơn tốc độ từ trường quay, máy phát lấy một phần công suất khoảng 5% đến 15% từ lưới qua mạch rotor để duy trì kích từ. Ở chế độ trên đồng bộ khi tốc độ rotor lớn hơn tốc độ đồng bộ, cả stator và rotor đều đồng thời phát công suất lên lưới điện, tối ưu hóa năng lượng thu nhận.

Mô hình lưới điện IEEE 9 bus đóng vai trò gì trong việc chứng minh tính đúng đắn của đề tài? Lưới chuẩn IEEE 9 bus gồm 3 máy phát và 9 thanh cái truyền tải 110 kV đóng vai trò môi trường chuẩn hóa để đánh giá tương tác đa máy. Việc hòa lưới trang trại gió DFIG 100 MW vào mô hình này chứng minh thuật toán PID mờ giữ vững độ ổn định điện áp và tần số toàn hệ thống dưới các dao động tải thực tế.

Kết luận

Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích chi tiết của hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn đôi DFIG trên hệ tọa độ đồng bộ d-q.

Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều khiển PID mờ tự chỉnh định tham số cho bộ chỉnh lưu phía rotor (RSC), thay thế tối ưu cho bộ điều khiển PI kinh điển.

Rút ngắn 42% thời gian đáp ứng quá độ của dòng điện rotor và duy trì độ dao động điện áp tụ DC-link trong giới hạn an toàn dưới 1,5% khi vận tốc gió biến động mạnh.

Hiện thực hóa việc điều khiển độc lập, chính xác công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q trên mô hình trang trại gió 100 MW tích hợp lưới chuẩn IEEE 9 bus.

Đóng góp giải pháp điều khiển tiên tiến, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn nhằm nâng cao chất lượng điện năng cho các nhà máy điện gió tại Việt Nam.

Công trình của học viên Vũ Đình Cường là tài liệu tham khảo khoa học giá trị, giải quyết thấu đáo bài toán ổn định động học cho hệ thống năng lượng tái tạo. Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là triển khai thực nghiệm thuật toán trên bo mạch phần cứng DSP TMS320F28335 và mở rộng điều khiển thích nghi cho cả bộ biến đổi phía lưới (GSC) dưới các kịch bản sự cố ngắn mạch lưới điện. Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác trọn vẹn mô hình toán học và kết quả mô phỏng của luận văn để ứng dụng vào các dự án phát triển điện gió quy mô lớn hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan năng lượng gió. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG). Chương 4: Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG).

Chương 5: Mô hình và kết quả mô phỏng ứng dụng bộ điều khiển PID mờ điều khển bộ RSC trong máy phát DFIG. Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển của luận văn. TÀI LIỆU THAM KHẢO. 5   CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió. Hiện nay có rất nhiều loại máy phát điện gió. Tuy nhiên tùy thược vào công suất lắp đặt cũng như tính năng từng loại máy phát mà ta nên lựa chọn loại máy phát phù hợp. Trong đó, hầu hết các máy phát điện công suất lớn là loại trục ngang.1 thể hiện cấu tạo một máy phát turbine gió loại này gồm những bộ phận sau: Hình 2.

Cấu tạo turbine gió trục ngang. – Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay. – Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.

– Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện. Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ. – Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.

– Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió. – Generator: Máy phát điện 6   – Controller: Bộ điều khiển.

Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng. – Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ.

Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc. – High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao. – Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió. – Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.

– Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn. Mô hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG.

Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG [4]. 7   Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió. Trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển của máy phát nguồn kép DFIG bao gồm các kênh sau: + Kênh điều khiển turbine. Kênh điều khiển turbine gió với đáp ứng động chậm, điều khiển tốc độ và điều khiển công suất ngõ vào bao gồm cả bộ phận chỉnh góc pitch và giá trị tham chiếu cho công suất tác dụng máy phát DFIG.

Vì thế nó cung cấp tín hiệu điều khiển ßref trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất !"#   𝑃! cho kênh điều khiển máy phát DFIG. Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 2.2 cần thông tin các tín hiệu đo lường: Công suất tác dụng 𝑃!!"#   và công suất phản kháng 𝑄!!"#   ( tại điểm M đầu cực stator !"#   hoặc trên lưới điện), điện áp 𝑉!" trên DC-link dòng điện qua bộ lọc 𝑖!!"#   ,tốc độ máy phát 𝜔!!"#   và dòng điện rotor 𝑖!!"#  . + Kênh điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG. Kênh điều khiển máy phát điện DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi công suất phía rotor và điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới.

Điều khiển phía rotor: Mục tiêu chính của điều khiển phía rotor là điều khiển độc lập độc lập công suất phản kháng và công suất tác dụng. Công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể điều khiển thông qua dòng điện stator. Bộ biến đổi phía rotor hoạt động trong hệ trục toạ độ tham chiếu d-q. Sử dụng bộ tích phân tỉ lệ PI để điều chỉnh sai lệch công suất tiến về 0.

Đầu ra của bộ điều chỉnh này là dòng !"#   điện 𝐼!" được đưa vào bộ chuyển đổi rotor. Kênh điều khiển phía lưới: Mục tiêu của điều khiển phía lưới là giữ điện áp mối nối DC ở một giá trị bất chấp độ lớn và hướng của công suất rotor và để đảm bảo bộ chuyển đổi hoạt động với hệ số công suất nhất định (thường=1). Điều này có nghĩa là bộ chuyển đổi phía lưới chỉ trao đổi công suất tác dụng phía lưới. Và trên cơ sở lý thuyết trao đổi công suất phản kháng của máy phát DFIG với lưới chỉ thông qua stator.

Điện áp mối nối DC và công suất tác dụng được điều khiển gián tiếp bằng cách điều khiển dòng điện bộ chuyển đổi phía lưới. Kênh điều khiển máy phát có 3 tín hiệu vào điều khiển như sau: 8   !"#   Giá trị điều khiển công suất tác dụng 𝑃! ,thông tin này được cung cấp bởi kênh điều khiển turbine gió. !"#   Giá trị điều khiển công suất phản kháng 𝑄! ,giá trị này có thể được gán bởi người vận hành. Chẳng hạn trong trường hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát công suất phản kháng để hỗ trợ điện áp lưới.

!"#   Giá trị điều khiển điện áp DC-link 𝑉!" được quyết định bởi kích cỡ của bộ chuyển đổi công suất, tỉ số của điện áp staror-rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi công suất. Kênh điều khiển turbine tạo ra 2 tín hiệu điều khiển. !"#   Giá trị điều khiển công suất tác dụng 𝑃! là tín hiệu đặt cho kênh điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy phát 𝜔!!"#   và công suất đo lường 𝑃!!"#   tại điểm M. Giá trị điều khiển ßref được đưa trực tiếp đến cánh quạt turbine, bộ phận chấp hành góc pitch sẽ thực thi như một bộ phận điều khiển công suất.

Giá trị này tạo ra !"#   dựa trên thông tin công suất đo lường 𝑃!!"#   và công suất định mức 𝑃! thường là giá trị danh định của turbine. Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới !"#   hạn 𝑃! , kênh turbine sẽ giữ góc pitch ở trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều khiển !"#   𝑃! cho kênh điều khiển máy phát DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều khiển tốc độ quay của máy phát để giữ công suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển turbine. Trong trường hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển turbine sẽ ra lệnh cho kênh điều khiển chấp hành góc pitch hiệu chỉnh góc pitch ß để lược bớt công suất và kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển bằng !"#   giá trị định mức 𝑃! , kênh điều khiển máy phát DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi định trước. Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió.

Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định. Đối với loại tốc độ cố định, máy phát (máy không đồng bộ) được nối trực tiếp đến lưới, hình 2. Tốc độ rotor quyết định bởi tỉ số hộp số và số đôi cực của máy phát. Hệ thống này thường có hai tốc độ cố định và được thực hiện bằng cách 9   dùng 2 máy phát định mức khác nhau hoặc một máy phát với hai bộ dây quấn định mức khác nhau.

Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ IG. Tốc độ rotor của hệ thống này gần như cố định bởi tần số lưới và không thể điều khiển. Do đó, khi có thay đổi vận tốc gió kết quả công suất phát sẽ thay đổi làm ảnh hưởng chất lượng của lưới. Ưu điểm: • Cấu tạo đơn giản.

• Chi phí thấp. Nhược điểm: • Không điều khiển bù công suất phản kháng. • Công suất phát ra phụ thuộc vào năng lượng gió nhận được. • Khi năng lượng gió lớn thay đổi đột ngột như giông, bão sẽ ảnh hưởng đến hệ thống cơ của turbine gió, lưới điện mất ổn định.Phương pháp điều khiển turbine gió thay đổi tốc độ.

Loại này thiết kế để đạt hiệu quả cực đại về phương diện khí động học, chúng đáp ứng được sự thay đổi của tốc độ gió. Hệ thống hình 2.4, gồm tuabin gió với thiết bị điều khiển điện tử công suất kết nối stator máy phát, nó có thể điều khiển tốc độ rotor và điều khiển công suất phát. Do đó, ảnh hưởng chất lượng công suất gây ra bởi tuabin gió có thể được cải thiện. Máy phát tuabin gió tốc độ thay đổi có thể là máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy điện đồng bộ.

Hộp số được thiết kế để tốc độ rotor lớn nhất tương ứng tốc độ máy phát. Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG). DFIG thực chất là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn (kết hợp với các bộ biến đối Converter và Inverter thành một hệ thống).

Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sử dụng DFIG thì stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor nối với bộ biến đối công suất thông qua vành trượt. Một tụ điện DC link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng. Vành trượt được đặt ở phía đầu của rotor, có nhiệm vụ đưa dòng điện một chiều ra ngoài. Trong thực tế, điện áp định mức của rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator, nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện sẽ có ba cuộn dây.

Mô hình động cơ không đồng bộ DFIG. +Nguyên lý hoạt động của máy phát DFIG: Khi ta tác dụng một lực vào turbine quay, thông qua hộp số và trục truyền động làm roto quay. Khi đã đạt đến tốc độ trên đồng bộ n! > n!