Nghiên Cứu Điều Khiển Máy Phát Điện Gió Dùng DFIG Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

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

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Máy Phát Điện Gió DFIG Hiện Nay

Năng lượng gió đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, giải quyết bài toán thiếu hụt điện và ô nhiễm môi trường. Các quốc gia trên thế giới đang đẩy mạnh phát triển hệ thống điện gió để giảm sự phụ thuộc vào năng lượng truyền thống. Theo Hội đồng Năng lượng gió toàn cầu (GWEC), tổng công suất phong năng toàn cầu năm 2012 tăng 19%, cho thấy tiềm năng to lớn của ngành này. Nhiều nước như Đức, Trung Quốc, Mỹ, và Ấn Độ đã và đang đầu tư mạnh vào công nghệ điện gió. Việt Nam, dù tiềm năng lớn, vẫn còn nhiều thách thức trong việc phát triển điện gió.

1.1. Tình Hình Phát Triển Điện Gió Trên Thế Giới

Thị trường năng lượng điện gió đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu. Canada, Đức, Trung Quốc và Mỹ là những nước dẫn đầu về công suất lắp đặt. Châu Âu tiếp tục duy trì truyền thống phát triển điện gió, với Đức và Anh là những quốc gia tiên phong. Brazil dẫn đầu khu vực Mỹ Latinh về điện gió. Số lượng tuabin gió liên tục tăng, và tỷ lệ năng lượng điện gió trong tổng sản lượng điện ngày càng lớn.

1.2. Tiềm Năng Phát Triển Điện Gió Tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió, đặc biệt ở các vùng ven biển và đất trống. Tuy nhiên, ngành điện gió ở Việt Nam vẫn còn mới mẻ, với nhiều thách thức về chính sách, công nghệ và vốn đầu tư. Việc phát triển năng lượng tái tạo, bao gồm điện gió, là hết sức cần thiết để đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu về điều khiển máy phát điện gió là một bước quan trọng trong quá trình này.

II. Thách Thức Giải Pháp Điều Khiển Máy Phát Điện Gió DFIG

Việc điều khiển máy phát điện gió DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. DFIG là loại máy phát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện gió hiện đại. Mục tiêu là điều khiển hiệu quả công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát, đảm bảo ổn định hệ thống điện và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Các phương pháp điều khiển vector, điều khiển công suất, và điều khiển tối ưu đang được nghiên cứu và ứng dụng để giải quyết các thách thức này.

2.1. Các Vấn Đề Kỹ Thuật Trong Điều Khiển DFIG

Một trong những thách thức chính là duy trì ổn định hệ thống điện khi có sự thay đổi về tốc độ gió và điện áp lưới. Việc điều khiển DFIG phải đảm bảo công suất phát ra ổn định và đáp ứng nhanh chóng với các biến động. Các vấn đề khác bao gồm giảm thiểu sóng hài, cải thiện chất lượng điện năng, và bảo vệ máy phát điện khỏi các sự cố.

2.2. Ứng Dụng Các Thuật Toán Điều Khiển Hiện Đại

Để giải quyết các thách thức trên, các thuật toán điều khiển hiện đại như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển PID, và mạng nơ-ron đang được áp dụng. Các phương pháp này cho phép điều khiển DFIG một cách linh hoạt và hiệu quả, thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau. Mô phỏng hệ thống điện bằng phần mềm như Matlab/Simulink là công cụ quan trọng để kiểm tra và tối ưu hóa các thuật toán điều khiển.

2.3. Tối Ưu Hóa Hiệu Suất Năng Lượng Điện Gió

Việc điều khiển DFIG không chỉ đảm bảo ổn định hệ thống điện mà còn phải tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Các phương pháp điều khiển tối ưu được sử dụng để khai thác tối đa công suất gió và giảm thiểu tổn thất. Điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa mô hình hóa DFIG chính xác và các thuật toán điều khiển thông minh.

III. Phương Pháp Điều Khiển Mô Hình Nội Cho Máy Phát DFIG

Luận văn này tập trung vào nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG bằng phương pháp mô hình nội. Phương pháp này sử dụng mô hình toán học của DFIG để thiết kế bộ điều khiển. Mục tiêu là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện. Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab để đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học DFIG Trong Matlab

Việc xây dựng mô hình toán học chính xác của DFIG là bước quan trọng để thiết kế bộ điều khiển. Mô hình này bao gồm các phương trình mô tả động cơ điện, bộ biến đổi điện áp, và hệ thống điều khiển. Phần mềm mô phỏng như Matlab/Simulink được sử dụng để xây dựng và kiểm tra mô hình.

3.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mô Hình Nội IMC

Bộ điều khiển mô hình nội (IMC) được thiết kế dựa trên mô hình toán học của DFIG. IMC sử dụng mô hình thuận và mô hình ngược để điều khiển dòng điện stator và rotor. Bộ lọc IMC được sử dụng để cải thiện tính ổn định và khả năng chống nhiễu của hệ thống điều khiển.

3.3. Điều Khiển Độc Lập Công Suất Tác Dụng Phản Kháng

Mục tiêu chính của điều khiển DFIG là điều khiển độc lập công suất tác dụng (Ps) và công suất phản kháng (Qs). Điều này cho phép hệ thống điện gió cung cấp công suất ổn định và đáp ứng yêu cầu của lưới điện. Điều khiển vector được sử dụng để đạt được mục tiêu này.

IV. Kết Quả Mô Phỏng Đánh Giá Tính Bền Vững Hệ Thống DFIG

Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy phương pháp điều khiển mô hình nội hoạt động hiệu quả. Hệ thống điều khiển đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi về tốc độ gió và điện áp lưới. Tính bền vững của hệ thống được đánh giá bằng cách thay đổi các thông số của máy phát điện và lưới điện. Ảnh hưởng của bộ lọc IMC đến tính ổn định của hệ thống cũng được nghiên cứu.

4.1. Đánh Giá Đáp Ứng Của Hệ Thống Điều Khiển

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển có khả năng theo dõi chính xác các giá trị đặt của dòng điện stator và rotor. Công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều khiển một cách độc lập và ổn định. Thời gian đáp ứng của hệ thống là chấp nhận được.

4.2. Khảo Sát Tính Bền Vững Khi Thay Đổi Thông Số

Tính bền vững của hệ thống được khảo sát bằng cách thay đổi các thông số như điện trở stator (Rs), điện trở rotor (Rr), điện cảm, và mô men. Kết quả cho thấy hệ thống vẫn ổn định trong một phạm vi thay đổi nhất định. Bộ lọc IMC giúp cải thiện tính ổn định của hệ thống.

4.3. Ảnh Hưởng Của Bộ Lọc IMC Đến Ổn Định Hệ Thống

Bộ lọc IMC đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính ổn định của hệ thống điều khiển. Bộ lọc này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và sai số mô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng bộ lọc IMC giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn trong các điều kiện vận hành khác nhau.

V. Ứng Dụng Thực Tế Hướng Phát Triển Nghiên Cứu DFIG

Nghiên cứu về điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để thiết kế và vận hành các trang trại điện gió một cách hiệu quả. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, tích hợp hệ thống điện gió vào lưới điện thông minh, và phát triển các mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng.

5.1. Triển Vọng Ứng Dụng Tại Các Trang Trại Điện Gió

Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất và tính ổn định của các trang trại điện gió. Việc điều khiển DFIG một cách hiệu quả giúp tối ưu hóa công suất phát ra và giảm thiểu tác động tiêu cực đến lưới điện.

5.2. Tích Hợp DFIG Vào Lưới Điện Thông Minh

Trong tương lai, hệ thống điện gió sẽ được tích hợp vào lưới điện thông minh. Điều này đòi hỏi các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, có khả năng đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi về cung và cầu. Điều khiển DFIG đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo ổn định và tin cậy của lưới điện thông minh.

5.3. Phát Triển Mô Hình Thực Nghiệm Kiểm Chứng

Để kiểm chứng kết quả mô phỏng, cần phát triển các mô hình thực nghiệm. Mô hình này cho phép đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển trong điều kiện thực tế. Kết quả thực nghiệm sẽ giúp cải thiện mô hình toán học và thuật toán điều khiển.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Máy Phát DFIG

Luận văn đã trình bày nghiên cứu về điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG bằng phương pháp mô hình nội. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động hiệu quả và có tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, tích hợp hệ thống điện gió vào lưới điện thông minh, và phát triển các mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng. Nghiên cứu này góp phần vào sự phát triển của năng lượng tái tạo và công nghệ điện gió ở Việt Nam.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Nghiên cứu đã xây dựng mô hình toán học của DFIG và thiết kế bộ điều khiển mô hình nội (IMC). Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển có khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Tính bền vững của hệ thống được đánh giá và bộ lọc IMC giúp cải thiện tính ổn định.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về DFIG

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển dự đoán, điều khiển thích nghi, và điều khiển tối ưu. Nghiên cứu cũng cần tập trung vào tích hợp hệ thống điện gió vào lưới điện thông minh và phát triển các mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng.