Luận văn thạc sĩ về điều khiển máy phát điện gió sử dụng DFIG

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió dùng dfig, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Đặng Ngọc Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghệ TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống máy phát điện gió dùng DFIG
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• Abstract
• MỤC LỤC
• Danh sách ký hiệu sử dụng trong luận văn
• Danh sách các hình
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về năng lượng gió hiện nay
• 1.2. Tình hình phát triển năng lượng gió ở một số nước
• 1.3. Nhu cầu sử dụng năng lượng của Việt Nam
• 1.4. Sự cần thiết phải phát triển điện gió ở Việt Nam
• 1.5. Những kết quả nghiên cứu trong nước
• 1.6. Những kết quả nghiên cứu ngoài nước
• 1.7. Mục tiêu của đề tài
• 1.8. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.8.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.8.2. Giới hạn đề tài
• 1.9. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cấu tạo turbine gió
• 2.2. Các loại turbine gió
• 2.3. Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió
• 2.4. Các dạng cột tháp turbine gió
• 2.5. Cánh quạt và trục cánh quạt
• 2.6. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine
• 2.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt
• 2.8. Các thông số liên quan đến máy phát điện dùng trong turbine gió
• 2.9. Các thông số cơ bản máy điện không đồng bộ
• 2.10. Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
• 2.11. Các công thức cơ bản của máy phát điện gió không đồng bộ
• 2.12. Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió
• 2.13. Mô hình của turbine gió nguồn kép DFIG
• 2.14. Nguyên lý làm việc của turbine gió
• 2.15. Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió
• 2.16. Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định
• 2.17. Phương pháp điều khiển turbine gió thay đổi tốc độ
• 2.18. Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG)
• 3.1. Mô hình khối turbine gió
• 3.2. Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong không gian
• 3.3. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β
• 3.4. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q
• 3.5. Điều khiển công suất DFIG
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH NỘI VÀ BỘ LỌC IMC
• 4.1. Thiết kế hệ thống điều khiển máy phát điện gió dùng mô hình nội
• 4.2. Hệ thống điều khiển tuabin gió dùng DFIG
• 4.3. Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội
• 4.4. Bảng thông số của máy phát
• 4.5. Thiết kế bộ lọc IMC
• 4.6. Khảo sát tính bền vững của hệ thống
• 4.7. Khảo sát ảnh hưởng của bộ lọc IMC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Kết quả mô phỏng mô hình nội
• 5.2. Khảo sát tính bền vững của hệ thống
• 5.2.1. Tính bền vững của hệ thống khi điện trở stato Rs và điện trở rotor Rr thay đổi
• 5.2.2. Tính bền vững của hệ thống khi điện cảm thay đổi
• 5.2.3. Tính bền vững của hệ thống khi mômen thay đổi
• 5.2.4. Ảnh hưởng của bộ lọc IMC
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Nội dung cơ bản đã thực hiện
• 6.2. Hướng phát triển đề tài trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió DFIG

Nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió DFIG (Double Fed Induction Generator) đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo. Với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sạch, việc tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống này là cần thiết. DFIG cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, từ đó nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các phương pháp điều khiển hiện tại và tiềm năng của chúng trong việc cải thiện hiệu suất máy phát điện gió.

1.1. Tình hình phát triển năng lượng gió và DFIG

Năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất trên thế giới. Theo báo cáo của Hội đồng Năng lượng gió toàn cầu, công suất điện gió toàn cầu đã tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm qua. DFIG là công nghệ chủ yếu được sử dụng trong các tuabin gió hiện đại, cho phép điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn so với các công nghệ truyền thống.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng DFIG trong điều khiển máy phát điện gió

Việc sử dụng DFIG trong điều khiển máy phát điện gió mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng điều chỉnh công suất linh hoạt, giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện độ ổn định của lưới điện. DFIG cũng cho phép khai thác tối đa năng lượng gió, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

II. Những thách thức trong điều khiển máy phát điện gió DFIG

Mặc dù DFIG mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc điều khiển hệ thống này. Các vấn đề như biến động của tốc độ gió, sự không ổn định của lưới điện và yêu cầu về công nghệ điều khiển tiên tiến là những yếu tố cần được xem xét. Việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả là cần thiết để giải quyết những thách thức này.

2.1. Biến động tốc độ gió và ảnh hưởng đến hiệu suất

Tốc độ gió là yếu tố quyết định đến hiệu suất của máy phát điện gió. Biến động tốc độ gió có thể gây ra sự thay đổi đột ngột trong công suất phát ra, dẫn đến sự không ổn định trong lưới điện. Do đó, việc phát triển các phương pháp điều khiển có khả năng thích ứng với biến động này là rất quan trọng.

2.2. Yêu cầu về công nghệ điều khiển tiên tiến

Để tối ưu hóa hiệu suất của DFIG, cần có các công nghệ điều khiển tiên tiến như điều khiển mô hình nội (IMC) và điều khiển mờ (fuzzy logic). Những công nghệ này giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các biến động và tối ưu hóa công suất phát ra.

III. Phương pháp điều khiển máy phát điện gió DFIG hiệu quả

Để đạt được hiệu suất tối ưu trong điều khiển máy phát điện gió DFIG, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện. Việc áp dụng các mô hình điều khiển hiện đại là một trong những giải pháp hiệu quả nhất.

3.1. Mô hình điều khiển nội IMC trong DFIG

Mô hình điều khiển nội (IMC) là một trong những phương pháp tiên tiến được sử dụng để điều khiển DFIG. Phương pháp này cho phép điều khiển độc lập hai thành phần của vector dòng stator, từ đó tối ưu hóa công suất phát ra và cải thiện độ ổn định của hệ thống.

3.2. Điều khiển mờ Fuzzy Logic trong DFIG

Điều khiển mờ là một phương pháp điều khiển thông minh, giúp xử lý các biến động không chắc chắn trong hệ thống. Phương pháp này có thể cải thiện khả năng phản ứng của DFIG trước các thay đổi trong điều kiện hoạt động, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về DFIG

Nghiên cứu về điều khiển máy phát điện gió DFIG đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện. Các mô hình mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể mang lại kết quả tích cực trong việc cải thiện hiệu suất của máy phát điện gió.

4.1. Kết quả mô phỏng hiệu suất DFIG

Các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab cho thấy rằng việc áp dụng mô hình điều khiển nội có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của DFIG. Kết quả cho thấy công suất phát ra ổn định hơn và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong các dự án điện gió

Nhiều dự án điện gió đã áp dụng công nghệ DFIG và các phương pháp điều khiển hiện đại, cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Những ứng dụng này không chỉ giúp tăng cường an ninh năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu DFIG

Nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió DFIG đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển năng lượng tái tạo. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điều khiển, tương lai của DFIG hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho ngành năng lượng. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả sẽ là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện gió.

5.1. Tương lai của công nghệ DFIG

Công nghệ DFIG sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các công nghệ điều khiển tiên tiến. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện gió.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển thông minh hơn, nhằm cải thiện khả năng phản ứng của DFIG trước các biến động trong điều kiện hoạt động. Điều này sẽ góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện gió.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường. Trong các loại hình năng lượng tái tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau: - Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu xem xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì điện gió có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch.

- Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy phong điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác. - Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn. - Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện. Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn còn là một ngành mới mẻ.

Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu. Các văn bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức.về ngành cũng còn ở mức rất hạn chế. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết. Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG’’làm đề tài nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển.

Việc thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các phương pháp điều khiển thông minh hiện nay như dùng mô hình nội, fuzzy logic GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương xiii HVTH: Đặng Ngọc Toàn Tổng quan Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về năng lƣợng gió hiện nay Năng lượng là một trong các điều kiện thiết yếu trong đời sống con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của mọi hoạt động kinh tế, xã hội. Do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu, khí đang dần ngày càng cạn kiệt. Mặt khác, khi dùng chúng để phát điện sẽ phát thải khí nhiều v à o khí quyển gây ra hiệu ứng nhà kính, gây biến đổi khí hậu toàn cầu.

Xảy ra thiên tai trên toàn thể giới ngày càng trầm trọng [1]. Do vậy các nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi. Tổng công suất phong năng toàn cầu trong năm 2012 tăng 19%. Như vậy, các công nghệ năng lượng gió cho thấy tốc độ tăng trưởng chưa từng có và có thể trở thành nguồn cung cấp điện năng chủ yếu.

Theo một nghiên cứu của Hội đồng Năng lượng gió toàn cầu (Global Wind Energy Council, viết tắt GWEC) sự tăng trưởng nhanh chóng của năng lượng gió được thấy hầu như ở khắp nơi trên thế giới. Thống kê cho thấy thị trường đang tiếp tục mở rộng vào năm 2012, tổng công suất của tất cả các tuabin gió đã tăng 19% lên 282.1 Sự tăng trưởng của thị trường năng lượng gió toàn cầu. Nguyễn Thanh Phương 1 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Tổng quan Một trong những nước đi đầu về phát triển năng lượng gió là Canada, vừa đưa vào vận hành một tuabin gió công suất 936 MW. Năm 2012 nước này xếp thứ 9 trên thế giới với tổng công suất điện gió là 6500 MW.

Trung Quốc và Mỹ năm 2012 là 13 000MW công suất điện gió mới được hoà vào mạng lưới và Ấn Độ là 2300MW. Mexico tăng gấp đôi các tuabin gió từ 569MW năm 2011 lên 1370MW vào cuối năm 2012. Điện gió ở châu Âu vẫn như một truyền thống, CHLB Đức và Anh đang dẫn đầu. Các nước như Thụy Điển, Romania, Italia và Ba Lan, điện gió phát triển với tốc độ cao.

Trên toàn Châu Âu vào năm 2012, các tuabin gió mới xây dựng đạt tổng công suất trên 15. Năng lượng điện gió của Châu Âu hiện đạt gần 98. Braxin là nước đứng đầu châu Mỹ La tinh về điện gió. Năm ngoái, Brazil đưa vào vận hành tuabin gió mới công suất 1077MW.

Tổng công suất của tất cả các trang trại gió đã tăng lên đến 2. Như vậy, thị trường năng lượng điện gió đang tích cực phát triển. Ở một số nước, năng lượng điện gió đang cạnh tranh với năng lượng điện nguyên tử. Ví dụ ở Đức, tuabin gió trong năm 2012 đã sản xuất ra 31.332MW, Tây Ban Nha - 22.

Số lượng các tuabin gió liên tục tăng, và tỷ lệ năng lượng điện gió trong các tổng sản lượng điện ngày càng nhiều. Hiện nay, 24 nước đã có tổng công suất năng lượng điện gió vượt quá 1000 MW. Nhiều quốc gia tiếp tục mở rộng năng lực của các tuabin gió với tốc độ rất nhanh. Như ở Ba Lan vào năm 2011, đưa vào hoạt động thêm 1616MW và năm 2012 thêm 880 MW nâng tổng công suât năng lượng điện gió lên 2497MW.1 Tình hình phát triển năng lƣợng gió ở một số nƣớc.

- Đức: Từ lâu CHLB Đức đã nổi tiếng là nước công nghiệp hàng đầu thế giới chủ trương phát triển mạnh năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng gió. Vì vậy, từ năm 1991, nước Đức đã có mức giá ưu đãi đối với năng lượng gió. Chỉ trong vòng 10 năm (2001 – 2010) tổng công suất lắp đặt tăng từ 8.214 MW (năm 2010), chiếm 25% công suất điện gió thế giới và đứng thứ hai sau nước Mỹ. Trên tổng công suất 100 GW điện gió đất liền mà Châu Âu có được GVHD: TS.

Nguyễn Thanh Phương 2 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Tổng quan vào cuối năm 2012, cung cấp 6,3% điện tiêu thụ của khối thì Đức dẫn đầu có đến 29 GW. Trong chiến lược mới về phát triển năng lượng, điện gió được xem là cứu cánh số một cho nền công nghiệp điện nước Đức trong tương lai khi không có điện hạt nhân. Khả năng công nghệ và năng lực sản xuất điện gió của Đức thuộc loại hàng đầu thế giới, có thể cung cấp thiết bị cho nhiều nước, trong đó có Việt nam. Riêng năm 2008 doanh thu từ xuất khẩu thiết bị điện gió của Đức đã đạt 12 tỷ Euro.

Theo Hiệp hội Năng lượng gió Đức (BWE), nước này có thể lưu trữ 45.000 MW trên bờ và 10.000 MW điện gió ngoài khơi vào năm 2020, tạo ra khoảng 150 TWh/năm, cung cấp khoảng 25% sản lượng điện tiêu thụ của Đức. - Trung Quốc: Là một trong những quốc gia có nhu cầu sử dụng điện lớn nhất thế giới, Trung Quốc sớm nhận ra nguy cơ bị cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hóa thạch và tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Vì vậy, Trung Quốc đã tiến hành thử nghiệm sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Năm 1986, nhà máy điện gió đầu tiên được xây dựng tại Vinh Thành, tỉnh Sơn Đông.

Và sau đó với những chính sách linh hoạt và mềm dẻo đó, thị trường điện gió ở Trung Quốc được hình thành và ngày càng phát triển. Đến cuối năm 2004, Trung Quốc đã có 43 khu điện gió với tổng công suất là 850 MW. Năm 2005 Trung Quốc có 59 nhà máy điện gió, lắp đặt 1.854 tua bin với tổng công suất 1.266 MW, đứng thứ 10 trên thế giới. Đến cuối năm 2008, công suất điện gió của Trung Quốc đã là 12.200 MW, tương đương 2/3 công suất của đại công trình thủy điện Tam Hiệp trên sông Dương Tử (18.

Đến năm 2010, công suất điện gió của Trung Quốc là 25.100 MW, xếp thứ tư thế giới, sau Mỹ, Đức và Tây Ban Nha. - Ấn Độ: Cùng với Trung Quốc, Ấn Độ là một trong hai nước đang phát triển nằm trong top 10 nước dẫn đầu thế giới về công suất điện gió. Năm 2000, Ấn Độ mới chỉ có 1.220 MW điện gió, thì sau 5 năm, công suất điện gió của Ấn Độ đã tăng lên 3 lần, đạt mức 3. Chỉ tính riêng trong năm 2004, Ấn Độ đã lắp đặt được tuabin điện gió mới với tổng công suất 1.112 MW, đưa Ấn Độ vươn lên hàng thứ năm trên thế giới về công suất, sau CHLB Đức, Tây Ban Nha, Anh và Mỹ.

Nguyễn Thanh Phương 3 HVTH: Đặng Ngọc Toàn Tổng quan - Pháp: Ngày 23/4/2004 nước Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc việc khai thác than. Đó là hình ảnh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng của việc phát triển nguồn năng lượng của thế giới. Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sức gió lên vị trí chiến lược. Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện gió.

Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000MW - 3000MW thiết bị điện gió, đến năm 2010 sẽ có 3000MW đến 5000MW điện gió đưa vào vận hành. Theo tính toán sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6 triệu tấn khí thải CO2. hiện nay tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn 60%. Trên tổng công suất 100 GW điện gió đất liền mà Châu Âu có được vào cuối năm 2012, cung cấp 6,3% điện tiêu thụ của khối.

- Đan Mạch: Tỷ lệ điện gió hiện nay là 26% và theo Nhà nước Đan Mạch thì tỷ lệ này sẽ là 50% vào năm 2020. Ngoài điện gió công nghiệp, trong thập niên vừa qua công nghiệp tua-bin điện gió loại nhỏ dưới 100kW phát triển nhanh nhờ kỹ thuật đã tương đối hoàn chỉnh, sản lượng điện thu được có tính kinh tế cao nên được lắp đặt tại nhiều nơi trên thế giới. Theo báo cáo cuối năm 2012 của Hiệp hội điện gió thế giới WWEA (World Wind Energy Association) thì năm 2009 số tua-bin điện gió loại nhỏ được lắp đặt trên thế giới là 521.102 nhưng hiện nay số tua-bin này đã lên đến 700.