Luận văn thạc sĩ về điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện, tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hằng
• 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 điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới
• 1.2. Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay
• 1.3. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo
• 1.4. Kết quả nghiên cứu ngoài nước và trong nước
• 1.4.1. Những nghiên cứu ngoài nước
• 1.4.2. Kết quả nghiên cứu trong nước
• 1.5. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TẠO TURBINE GIÓ
• 2.1. Các loại turbine gió
• 2.2. Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió
• 2.3. Cánh quạt và trục cánh quạt
• 2.4. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine
• 2.5. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt
• 2.6. Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió
• 2.6.1. Mô hình điều khiển của turbine gió nguồn kép DFIG
• 2.6.2. Nguyên lý làm việc cơ bản của turbine gió
• 2.7. Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió
• 2.7.1. Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định
• 2.7.2. Phương pháp điều khiển turbine gió thay đổi tốc độ
• 2.7.3. Turbine gió máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)
• 2.7.4. Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió
• 2.8. Điều khiển mờ
• 2.8.1. Cấu trúc điều khiển logic mờ
• 2.8.2. Phân loại bộ điều khiển mờ
• 2.8.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
• 3.1. Mô hình khối turbine gió
• 3.2. Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector trong không gian
• 3.3. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh α-β và hệ trục tọa độ quay d-q
• 3.4. Quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q
• 3.5. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β
• 3.6. Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q
• 3.7. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG
• 3.7.1. Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển
• 3.7.2. Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng
• 3.8. Mô hình bộ chuyển đổi
• 3.9. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lưới (GSC)
• 3.10. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC)
• 3.11. Các đại lượng cơ bản
• 3.12. Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ
• 3.12.1. Giới thiệu bộ PID kinh điển
• 3.12.2. Trình tự thiết kế bộ điều khiển PID mờ
• 3.12.3. So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID mờ khối
• 3.12.4. Mô hình và kết quả mô phỏng dùng bộ PID mờ điều khiển
• 3.13. Mô hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG
• 3.14. Sơ đồ mô hình mô phỏng trong Matlab/simulink
• 3.15. Mô hình hệ thống khối Wind turbine và Generator&Converters
• 3.16. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH TỔNG THỂ CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG
• 5.1. Sơ đồ tổ máy phát và bộ chuyển đổi công suất
• 5.2. Mô hình mô phỏng khối điều khiển Wind DFIG - Grid và
• 5.3. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía lưới
• 5.4. Mô hình mô phỏng khối điều khiển bộ converter phía rotor
• 5.5. Mô hình mô phỏng khối máy phát không đồng bộ
• 5.6. Mô hình mô phỏng khối Rotor của máy phát
• 5.7. Khối biến đổi dòng điện và công suất phía lưới
• 5.8. Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG
• 5.9. Trình tự mô phỏng
• 5.10. Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió
• 5.11. Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió nhiều
• 5.12. Mô phỏng đáp ứng turbine gió khi xảy ra sự cố
• 5.13. Mô phỏng lưới B25 (25kV) bị chạm đất một pha
• 5.14. Mô phỏng lưới B120 (25kV) khi bị sụt áp
• 5.15. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
• 5.15.1. Các kết quả đã đạt được trong đề tài
• 5.15.2. Hướng phát triển của đề tài
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép

Nghiên cứu điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống phong điện đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo. Hệ thống này cho phép tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc điều khiển chính xác máy phát DFIG không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn đảm bảo tính ổn định cho lưới điện. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các phương pháp điều khiển hiện tại và tiềm năng ứng dụng trong tương lai.

1.1. Ứng dụng của máy phát không đồng bộ trong hệ thống phong điện

Máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phong điện nhờ vào khả năng điều chỉnh công suất linh hoạt. Hệ thống này cho phép tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng gió, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành.

1.2. Lợi ích của việc nghiên cứu điều khiển máy phát DFIG

Nghiên cứu điều khiển máy phát DFIG mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng độc lập. Điều này giúp cải thiện độ ổn định của lưới điện và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường.

II. Thách thức trong điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép

Mặc dù máy phát DFIG mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc điều khiển chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như biến động tốc độ gió, sự không ổn định của lưới điện và yêu cầu về hiệu suất cao đều đặt ra những thách thức lớn cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu. Việc tìm ra giải pháp hiệu quả để giải quyết những vấn đề này là rất cần thiết.

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

Tốc độ gió không ổn định có thể gây ra sự thay đổi lớn trong công suất phát điện của máy phát DFIG. Điều này đòi hỏi các phương pháp điều khiển phải có khả năng thích ứng nhanh chóng với các biến động này để duy trì hiệu suất tối ưu.

2.2. Tác động của lưới điện đến hoạt động của máy phát

Sự không ổn định của lưới điện có thể ảnh hưởng đến hoạt động của máy phát DFIG. Việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng một cách độc lập là cần thiết để đảm bảo rằng máy phát hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện.

III. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép hiệu quả

Để giải quyết các thách thức trong việc điều khiển máy phát DFIG, nhiều phương pháp điều khiển đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm điều khiển mờ, điều khiển PID và các giải thuật điều khiển thông minh khác. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Điều khiển mờ trong hệ thống DFIG

Điều khiển mờ là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để điều khiển máy phát DFIG. Phương pháp này cho phép điều chỉnh công suất một cách linh hoạt và chính xác, giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.2. Ứng dụng của điều khiển PID trong DFIG

Điều khiển PID cũng được sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển máy phát DFIG. Phương pháp này giúp duy trì ổn định cho hệ thống và đảm bảo rằng công suất phát điện luôn đạt yêu cầu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về điều khiển máy phát DFIG đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Những kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể được áp dụng thực tiễn trong các dự án năng lượng gió.

4.1. Mô phỏng và phân tích kết quả

Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng điều khiển mờ và PID có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của máy phát DFIG. Kết quả cho thấy rằng điện áp VDC-link luôn giữ ổn định và công suất phát điện đạt yêu cầu.

4.2. Ứng dụng trong các dự án năng lượng gió

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các dự án năng lượng gió thực tế, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện đã mở ra nhiều hướng đi 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 đảm bảo tính ổn định cho lưới điện. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp sáng tạo và hiệu quả hơn.

5.1. Tương lai của công nghệ điều khiển DFIG

Công nghệ điều khiển máy phát DFIG sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các phương pháp điều khiển thông minh hơn. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực năng lượng gió

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các giải pháp điều khiển mới, cải thiện khả năng thích ứng của hệ thống với các biến động của môi trường và lưới điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu không ngừng gia tăng trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống ngày càng suy kiệt và gây ra những hệ lụy nghiêm trọng về biến đổi khí hậu. Trong giai đoạn 1990–2000, tốc độ tăng trưởng của năng lượng gió toàn cầu đã đạt mức 32% mỗi năm, vượt xa mức 20,1% của năng lượng mặt trời, 1,6% của khí thiên nhiên và 1% của than đá. Đến năm 2010, tổng công suất điện gió lắp đặt trên toàn thế giới đã chạm mốc 194,5 GW, tăng trưởng 22,5% so với mức 159 GW của năm 2009. Tại Việt Nam, nhiều dự án trọng điểm như nhà máy điện gió Bình Thuận công suất 120 MW hòa lưới năm 2009 và dự án điện gió Bạc Liêu 99 MW hoàn thành năm 2012 đã mở ra giai đoạn phát triển mới cho ngành năng lượng tái tạo.

Tuy nhiên, việc tích hợp nguồn điện gió công suất lớn vào lưới điện quốc gia đối mặt với thách thức kỹ thuật rất lớn do tính bất định của tốc độ gió và các hiện tượng sụt áp, ngắn mạch trên đường dây truyền tải. Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp nâng cao tính ổn định và chất lượng điện năng của hệ thống phong điện sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG - Doubly-Fed Induction Generator). Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học chính xác và thiết kế bộ điều khiển PID mờ (Fuzzy PID) nhằm điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, đồng thời duy trì ổn định điện áp một chiều trung gian. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thông qua mô phỏng tổ hợp máy phát điện gió công suất 9 MW kết nối vào hệ thống lưới điện phân phối 25 kV và 120 kV trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn, giúp giảm thiểu hơn 40% độ vọt lố điện áp và rút ngắn thời gian phục hồi hệ thống xuống dưới 0,25 giây khi xảy ra sự cố lưới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được phát triển trên nền tảng lý thuyết máy điện không đồng bộ rotor dây quấn và kỹ thuật điều khiển vector không gian hiện đại. Luận văn ứng dụng phép biến đổi Park và Clarke để chuyển đổi hệ thống đại lượng ba pha xoay chiều (abc) sang hệ trục tọa độ tĩnh hai pha ($\alpha-\beta$) và hệ trục tọa độ quay đồng bộ (d-q). Dưới hệ quy chiếu d-q định hướng theo vector từ thông stator, các phương trình vi phân mô tả mối quan hệ điện từ phức tạp của máy phát DFIG được tuyến tính hóa, cho phép tách rời hoàn toàn việc điều khiển dòng điện stator thành hai thành phần độc lập.

Cấu trúc hệ thống bao gồm ba khối chức năng cốt lõi: turbine gió biến đổi góc nghiêng cánh quạt (pitch angle $\beta$), máy phát DFIG và bộ biến đổi công suất back-to-back AC/DC/AC. Điểm ưu việt của cấu hình DFIG là bộ biến đổi công suất chỉ cần định mức khoảng 25% đến 30% tổng công suất định mức của máy phát, cho phép dải điều chỉnh tốc độ rotor biến thiên linh hoạt trong khoảng $\pm 30%$ quanh tốc độ đồng bộ. Hộp số cơ khí đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi tốc độ quay từ 30–60 vòng/phút trên trục sơ cấp lên 1200–1500 vòng/phút trên trục thứ cấp nối với rotor máy phát.

Bên cạnh đó, lý thuyết điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic) được tích hợp vào cấu trúc điều khiển kinh điển để hình thành bộ điều khiển PID mờ thích nghi. Bộ điều khiển mờ bao gồm ba khâu xử lý liên hoàn: khối mờ hóa (Fuzzification) chuyển đổi sai lệch giá trị thực và đạo hàm sai lệch thành các biến ngôn ngữ, hệ luật hợp thành (Fuzzy Inference Engine) đúc kết từ tri thức chuyên gia với 49 luật điều khiển, và khối giải mờ (Defuzzification) sử dụng phương pháp trọng tâm để liên tục tối ưu hóa ba tham số khuếch đại tỉ lệ, tích phân và vi phân.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là mô hình hóa toán học phi tuyến kết hợp mô phỏng số học thời gian thực trên môi trường Matlab/Simulink phiên bản 2010a. Nguồn dữ liệu nghiên cứu sử dụng tập thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của tổ hợp turbine gió 9 MW gồm 6 tổ máy 1,5 MW, làm việc với lưới truyền tải 25 kV thông qua máy biến áp tăng áp và kết nối về thanh cái hệ thống 120 kV.

Lý do lựa chọn phương pháp điều khiển PID mờ xuất phát từ đặc tính phi tuyến cao của khí động học cánh quạt và sự thay đổi liên tục của các thông số mạch máy phát trong quá trình vận hành. Bộ điều khiển PID truyền thống với bộ tham số cố định không thể thích ứng tối ưu khi xảy ra sự cố đột biến. Quy trình thực nghiệm mô phỏng được thiết lập chi tiết trong mốc thời gian từ 0 đến 20 giây, khảo sát đa dạng kịch bản gồm: thay đổi vận tốc gió ngẫu nhiên từ 8 m/s đến 14 m/s, sự cố ngắn mạch chạm đất một pha tại thanh cái 25 kV và sự cố sụt giảm 30% điện áp tại thanh cái 120 kV.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích dữ liệu thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện cốt lõi về hiệu năng của hệ thống DFIG ứng dụng giải thuật PID mờ:

Thứ nhất, giải thuật điều khiển mờ đã thực hiện thành công việc tách kênh độc lập tuyệt đối giữa công suất tác dụng ($P_s$) và công suất phản kháng ($Q_s$). Khi vận tốc gió dao động mạnh theo bước nhảy từ 8 m/s lên 14 m/s, công suất tác dụng bám chính xác theo đường cong tối ưu khí động học với sai số xác lập nhỏ hơn 1,2%, đồng thời công suất phản kháng được duy trì ổn định ở mức 0 Mvar để đảm bảo hệ số công suất của toàn trạm phát tiệm cận giá trị 1.

Thứ hai, điện áp một chiều trung gian ($V_{dc}$) của bộ biến đổi back-to-back được giữ ổn định vững chắc ở giá trị đặt 1150 V. So với bộ điều khiển PI kinh điển, bộ điều khiển PID mờ giúp giảm độ sụt giảm điện áp tức thời từ 12,5% xuống chỉ còn dưới 4,8% khi vận tốc gió đổi hướng, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dao động ký sinh trên tụ điện DC-link.

Thứ ba, hệ thống thể hiện năng lực thích ứng vượt trội trong các tình huống sự cố lưới nghiêm trọng. Khi thanh cái 25 kV xảy ra sự cố chạm đất một pha kéo dài trong 0,1 giây, bộ điều khiển PID mờ nhanh chóng tái lập cân bằng dòng điện rotor, giới hạn dòng quá tải trên van bán dẫn dưới 1,3 lần dòng định mức và đưa hệ số méo hài tổng điện áp về dưới ngưỡng 3% chỉ sau 0,18 giây kể từ khi xóa sự cố.

Thứ tư, thời gian đáp ứng quá độ của hệ thống được rút ngắn rõ rệt. Khi lưới điện 120 kV bị sụt áp đột ngột 30%, thời gian hồi phục điện áp đầu cực máy phát đạt mức 0,22 giây, nhanh hơn 38% so với phương pháp điều khiển truyền thống (vốn mất tới 0,35 giây).

Thảo luận kết quả

Khả năng kiểm soát vượt trội của cấu trúc đề xuất bắt nguồn từ cơ chế tự động chỉnh định tham số trực tuyến của hệ mờ. Trong khi bộ PI kinh điển bị hạn chế bởi miền làm việc quanh điểm tĩnh, bộ PID mờ tự động tăng hệ số tỉ lệ khi sai lệch lớn để tăng tốc độ đáp ứng, đồng thời tăng hệ số tích phân khi hệ thống tiến gần trạng thái xác lập nhằm triệt tiêu sai số tĩnh.

Các dữ liệu mô phỏng trong luận văn được trực quan hóa sinh động thông qua các đồ thị dạng sóng thời gian thực ghi nhận biến thiên dòng điện trục d ($i_{dr}$), dòng điện trục q ($i_{qr}$), moment điện từ ($T_e$) và bảng thống kê so sánh các chỉ số chất lượng động học. Biểu đồ vector dòng điện cho thấy thành phần trục d bám sát giá trị tham chiếu để bù công suất phản kháng cho lưới, trong khi thành phần trục q điều tiết chính xác công suất phát, chứng minh tính đúng đắn của mô hình toán học đã xây dựng. Kết quả này hoàn toàn tương thích và phát triển vượt bậc so với các nghiên cứu điều khiển DFIG kinh điển trên thế giới, mở ra giải pháp tin cậy để nâng cao tiêu chuẩn kỹ thuật hòa lưới cho các trang trại phong điện quy mô lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và chính sách được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành các trạm điện gió:

1. Nâng cấp thuật toán điều khiển trên hệ thống phần cứng thực tế: Các đơn vị vận hành nhà máy điện gió và doanh nghiệp tích hợp công nghệ cần tiến hành chuyển giao, nạp thuật toán PID mờ lên các bộ vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP) hoặc vi mạch mảng lập trình được (FPGA), hướng tới mục tiêu giảm 5% đến 8% tổn hao chuyển mạch và ổn định hệ thống trong lộ trình 12–18 tháng tới.
2. Quy chuẩn hóa yêu cầu kỹ thuật duy trì kết nối khi có sự cố (FRT): Cục Điều tiết Điện lực và Tập đoàn Điện lực Việt Nam cần ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc các nhà máy điện gió quy mô từ 30 MW trở lên phải trang bị hệ thống điều khiển có khả năng phát bù công suất phản kháng tức thời tối thiểu 0,95 p.u khi điện áp lưới sụt giảm trong khoảng thời gian từ 0,15 đến 0,6 giây.
3. Mở rộng thử nghiệm trên mô hình thời gian thực bán tự nhiên (Hardware-in-the-Loop): Các viện nghiên cứu chuyên ngành và các trường đại học khối kỹ thuật cần phối hợp thiết lập phòng thí nghiệm mô phỏng thời gian thực RTDS trong vòng 2 năm tới, nhằm kiểm chứng độ trễ truyền thông dưới 5 ms của bộ điều khiển mờ trước khi áp dụng vào lưới điện thực địa.
4. Tích hợp hệ thống đo lường và cảnh báo gió sớm: Các chủ đầu tư nhà máy điện gió nên trang bị thêm hệ thống radar Lidar đo vận tốc gió trước cánh quạt từ 50 m đến 200 m, cung cấp dữ liệu đầu vào cho kênh điều khiển góc pitch chủ động, giúp giảm 15% ứng suất cơ học lên trục quay turbine.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Kỹ sư vận hành và điều độ nhà máy điện gió: Tài liệu cung cấp hướng dẫn chuyên sâu về phương pháp phối hợp điều khiển giữa bộ biến đổi phía rotor (RSC) và bộ biến đổi phía lưới (GSC), hỗ trợ chẩn đoán và xử lý nhanh các sự cố mất cân bằng điện áp trên đường dây 25 kV.
2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình toán học hóa máy điện xoay chiều trên hệ trục d-q, kỹ thuật tổng hợp 49 luật mờ và phương pháp xây dựng mô hình khối hoàn chỉnh trong Matlab/Simulink.
3. Các kỹ sư thiết kế thiết bị điện tử công suất: Cung cấp giải pháp định cỡ mạch lọc RL, tính toán dung lượng tụ điện DC-link và thuật toán điều chế độ rộng xung PWM tối ưu cho các bộ nghịch lưu công suất từ 1,5 MW đến 9 MW.
4. Chuyên gia tư vấn và quy hoạch năng lượng tái tạo: Nắm bắt các luận cứ khoa học định lượng để đánh giá mức độ tương thích lưới, từ đó xây dựng phương án đấu nối tối ưu cho các dự án điện gió hòa lưới truyền tải 110 kV và 220 kV.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao máy phát DFIG lại được ứng dụng phổ biến hơn máy phát không đồng bộ lồng sóc cố định tốc độ? Máy phát DFIG cho phép điều chỉnh tốc độ linh hoạt trong dải $\pm 30%$, giúp tối ưu hóa công suất khí động học ở mọi dải gió từ 3 m/s đến 25 m/s. Đặc biệt, bộ biến đổi AC/DC/AC chỉ cần xử lý khoảng 30% công suất định mức, giúp tiết kiệm từ 40% đến 60% chi phí thiết bị bán dẫn so với hệ thống chuyển đổi toàn phần.

Bộ điều khiển PID mờ giải quyết nhược điểm gì của bộ điều khiển PI truyền thống? Bộ điều khiển PI truyền thống có tham số cố định nên đáp ứng kém khi hệ thống biến thiên phi tuyến hoặc chịu xung nhiễu lớn. Bộ điều khiển PID mờ tự động cập nhật các hệ số khuếch đại theo thời gian thực, giúp giảm hơn 40% độ vọt lố điện áp DC-link và triệt tiêu dao động cơ học trên trục turbine khi vận tốc gió thay đổi đột ngột.

Làm thế nào để điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng trên máy phát DFIG? Bằng phương pháp định hướng từ thông stator trên hệ tọa độ quay đồng bộ d-q, thành phần dòng rotor trục d trực tiếp điều chỉnh dòng công suất phản kháng $Q_s$, trong khi thành phần dòng trục q điều khiển công suất tác dụng $P_s$. Hai kênh này được phân tách hoàn toàn, loại bỏ hiện tượng can nhiễu chéo khi vận hành.

Hệ thống phong điện xử lý như thế nào khi xảy ra sự cố chạm đất một pha tại thanh cái 25 kV? Khi ngắn mạch xảy ra, bộ điều khiển PID mờ lập tức tái cấu trúc điện áp cấp cho rotor, hạn chế dòng quá tải tức thời và bơm dòng phản kháng hỗ trợ lưới. Mô phỏng thực tế cho thấy hệ thống nhanh chóng ổn định trở lại chế độ định mức sau 0,18 giây mà không cần ngắt máy phát khỏi lưới.

Mô hình nghiên cứu 9 MW này có thể áp dụng cho các trang trại điện gió ngoài khơi không? Mô hình toán học và giải thuật PID mờ hoàn toàn có thể nhân rộng cho các tổ hợp điện gió ngoài khơi công suất từ 100 MW đến 500 MW. Thuật toán đảm bảo tính tương thích cao với các hệ thống truyền tải điện xoay chiều cao áp (HVAC) và một chiều cao áp (HVDC) hiện đại.

Kết luận

• Xây dựng thành công hệ phương trình toán học toàn diện mô tả máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trên hệ tọa độ quay đồng bộ d-q.
• Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều khiển thích nghi PID mờ với 49 quy tắc hợp thành, tách kênh điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng với sai số dưới 1,2%.
• Nâng cao tính ổn định của điện áp một chiều trung gian $V_{dc}$ ở mức 1150 V, giảm hơn 40% độ vọt lố so với phương pháp điều khiển kinh điển.
• Cải thiện vượt bậc khả năng duy trì vận hành an toàn xuyên sự cố (FRT), phục hồi điện áp hệ thống chỉ trong 0,18 đến 0,22 giây khi xảy ra sụt áp hoặc ngắn mạch.
• Cung cấp mô hình mô phỏng tổ máy 9 MW chuẩn xác trên Matlab/Simulink, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng thực tế trên lưới điện công nghiệp.

Công trình nghiên cứu đã khẳng định tính khả thi và hiệu quả vượt trội của giải pháp ứng dụng trí tuệ tính toán vào điều khiển hệ thống năng lượng tái tạo. Định hướng nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 12–24 tháng tới là mở rộng kiểm thử thuật toán trên dàn thí nghiệm thời gian thực RTDS và tích hợp các công nghệ lưu trữ năng lượng pin tích năng (BESS). Hãy tham khảo chi tiết toàn văn luận văn để tiếp cận trọn vẹn mô hình toán học và thuật toán điều khiển tiên tiến cho các dự án điện gió hiện đại.

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 không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện’’làm đề tài nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển truyền thống đến việc thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các phương pháp điều khiển thông minh hiện nay như fuzzy logic.

HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương xv 1. Tổng quan năng lượng gió Chƣơng 1: TỔNG QUAN NĂNG LƢỢNG GIÓ 1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới.

Giới thiệu chung tình hình năng lƣợng hiện nay. Mặc dù trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới có những biến động rất to lớn về mọi mặt, từ việc suy thoái tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lụt, động đất thường xuyên nhưng nhìn chung bức tranh kinh tế và tài chính toàn cầu trong thập kỷ qua vẫn tăng trưởng. Do đó mà nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi. Tỷ suất tăng trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 1990-2000 là: năng lượng gió: 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%; năng lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%.

Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống. Trong đó điện gió có tốc độ tăng trưởng cao nhất. Cũng theo báo cáo của Ủy ban Năng lượng Gió thế giới, tổng công suất điện gió được lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với tổng công suất lắp đặt là 159 GW). Năm nước đứng đầu trong phát triển điện gió gồm: Trung Quốc với tổng công suất lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đức là 27,2GW, Tây Ban Nha là 20,7GW và Ấn Độ là 13GW.Tình hình phát triển năng lƣợng tái tạo bằng sức gió ở một số nƣớc.

- Đức: là nước dẫn đầu về phát triển điện gió. Đến cuối năm 2003, tổng công suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14,600MW, chiếm hơn 1/3 công suất lắp đặt điện gió của toàn thế giới, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu. Lượng khí thải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sự đóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăng thêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững. Năm 2004, tổng lượng điện gió HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS.

Nguyễn Thanh Phương 1 1. Tổng quan năng lượng gió chiếm 5,3% tổng lượng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 sẽ chiếm đến 8%. Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm 2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50%. Mặt khác, một quyết sách quan trọng nữa là tuyên bố trong vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử hiện đang chiếm 30% lượng cung ứng điện sẽ lần lượt bị đóng cửa.

- Đan Mạch: Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km2, dân số khoản 5 triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thu nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro. Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trở thành một động lực lớn của nền kinh tế, đó là một ví dụ thành công về thương mại hóa trong lĩnh vực này. Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư 100 triệu USD vào công việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió. Chính phủ Đan Mạch bù lỗ cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành của nó, áp dụng chế độ ưu đãi về thuế cho những người sử dụng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch thì đánh thuế ô nhiễm không khí.

Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kế hoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm. Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến năm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện. Năm 2000 và 2003 mỗi năm xây dựng 1 trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biển Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suất lắp đặt 40MW gồm 20 máy, mỗi máy 2MW. Năm 2008, Đan Mạch đã lắp đặt thêm 5 trang trại điện gió, tổng công suất lắp đặt là 750MW.

Theo tin đã đưa chính phủ Đan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng công suất 4,000MW. - Mỹ: sau một thời kỳ ảm đạm về điện gió của thập kỷ 90 thế kỷ XX, đến nay nước Mỹ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió. Hiện 27 Bang đã có các công trình điện gió lớn. Đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặt điện gió đã đạt 6,370MW.

Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối với điện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hoàn toàn, đồng thời sau khi đưa vào hoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1kWh được giảm thuế 1,5cent USD. Tại miền Tây nước Mỹ đã lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương 2 1. Tổng quan năng lượng gió tổng công suất là 300MW, là trang trại điện gió lớn nhất thế giới hiện nay.

Tại bờ biển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lượt dựng lên, công suất điện của một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện 11/9 sẽ khởi công xây dựng tháp Tự Do, trên bãi đất bị tàn phá của tòa tháp đôi Trung tâm thương mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phát điện gió, nhằm cung cấp 20% lượng điện tiêu thụ của tòa nhà đó. - Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trưởng Tây Ban Nha đã thông qua kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tương đối cụ thể về phát triển năng lượng gió. Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phát điện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện toàn quốc. Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnh hưởng đối với môi trường, tính toán giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện pháp khuyến khích, dự báo về thị trường… của việc phát triển năng lượng gió, có tính khả thi rất cao.

- 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. Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn 60%. - Nhật Bản: Năm 2002 Nhật Bản đã lắp đặt 486MW điện gió, năm 2003 đã có 730MW, năm 2004 đã có 936MW.

Đến năm 2010 tổng công suất lắp đặt điện gió sẽ đạt 3000MW. Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điện lực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió, HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương 3 1. Tổng quan năng lượng gió mặt khác phải mua điện gió của các Công ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy định.

Nhật Bản phấn đấu tự sản xuất hoàn toàn thiết bị điện gió, đồng thời hướng đến xuất khẩu. Máy phát điện gió của các Công ty Nhật Bản có nhiều tính năng ưu việt, tốc độ gió 1m/s đã có thể bắt đầu phát điện, công suất điện phát ra thường cao hơn 15 - 20% so với các thiết bị của các nước khác. Nhật Bản đặt mục tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có công suất lắp đặt là 11,800MW. - Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu tiên của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên lưới.