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.

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!