MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay, phần lớn mức tiêu thụ năng lượng của thế giới có nguồn gốc từ các nguồn tài nguyên hóa thạch đang cạn kiệt với tốc độ nhanh hơn mức chúng có thể được tái sinh. Có lẽ quan trọng hơn, việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch có ảnh hưởng đối với bầu khí quyển và bề mặt Trái đất. Chúng bao gồm thay đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu, liên quan đến việc giải phóng lượng CO2 (carbon dioxide) vào khí quyển.
Những lo ngại ngày càng tăng về khủng hoảng năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường này đã thúc đẩy đáng kể việc sử dụng năng lượng tái tạo thay thế nguồn năng lượng truyền thống, trong đó có sự thâm nhập mạnh mẽ của năng lượng gió. Trong số các hệ thống phát điện gió khác nhau, máy phát điện tua bin gió tốc độ thay đổi (WTGs) đã thu hút được sự quan tâm lớn vì hiệu quả sản xuất năng lượng cao và gai mô-men xoắn thấp. Trong các hệ thống như vậy, WTG có thể được vận hành ở chế độ theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) để thu năng lượng gió tối đa bằng cách điều chỉnh tốc độ trục máy phát. Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSGs) đã được tìm thấy phù hợp với các hệ thống phát điện gió tốc độ thay đổi do các ưu điểm của chúng như mật độ năng lượng cao, hiệu suất cao và độ tin cậy cao.
Hơn nữa, một máy phát PMSG có số cực cao có thể được kết nối trực tiếp với tua-bin gió mà không cần sử dụng hộp số, giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì của hệ thống WTG. Những lợi ích này đã làm cho các WTG dựa trên PMSG truyền động trực tiếp trở thành cấu hình phổ biến trong các hệ thống điện gió hàng MW (hình 1. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về loại cấu trúc tua bin này và đề tài này cũng vậy. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 1 GVHD: NGUYỄN PHÚC KHẢI HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH Hình 1.
Tua-bin gió 8MW Siemens Gamesa 1. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Một mục tiêu cơ bản của hệ thống điều khiển WECS là tăng sản lượng năng lượng thu được hàng năm để tối đa hóa lợi nhuận. Để đạt được điều này, WECS thường được điều khiển để tạo ra năng lượng theo đường cong công suất lý tưởng, như trong Hình 1. Có thể thấy rằng ba vùng vận hành thường được bao gồm, đó là vùng MPPT (Vùng I), nằm giữa Vmin tốc độ gió cắt và tốc độ gió cánh quạt định mức VΩN; vùng tốc độ không đổi (Vùng II) giữa VΩN và tốc độ gió định mức VN; và vùng năng lượng không đổi (Vùng III) nằm giữa VN và tốc độ gió cắt Vmax.
Các nghiên cứu điều khiển công suất ở các khu vực khác nhau có thể được tìm thấy ở [1-3]. Trong khu vực MPPT, các phương pháp kiểm soát MPPT hiện tại có thể được phân thành ba loại: phương pháp tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu, phương pháp tìm kiếm leo đồi (HCS) và phương pháp phản hồi tín hiệu công suất (PSF). Phương pháp tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu được thực hiện bằng cách điều chỉnh trực tiếp tỉ lệ tốc độ đầu cánh, được tính theo thời gian thực bằng cách sử dụng tín hiệu tốc độ gió và tốc độ máy phát, để điều khiển đạt giá trị tối ưu cho trước. Mặc dù phương pháp này đơn giản, nhưng nó không được áp dụng trong công nghiệp vì yêu cầu đo tốc độ gió [4].
Phương pháp HCS hướng hệ thống đến điểm công suất tối đa (MPP) bằng cách làm nhiễu loạn tốc độ máy phát. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 2 GVHD: NGUYỄN PHÚC KHẢI HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH Hướng của nhiễu loạn hiện tại được quyết định theo đáp ứng công suất của nhiễu loạn trước đó [5-6]. Ưu điểm thiết yếu của HCS bao gồm chi phí thấp, không yêu cầu về thông số máy phát cũng như các đặc tính khí động học của tua-bin và thực hiện dễ dàng trên các nền vi xử lý số hoặc tương tự. Tuy nhiên, ứng dụng của nó bị giới hạn ở WECS quy mô nhỏ do những hạn chế của chất lượng điện năng bị suy giảm do sự dao động công suất luôn tồn tại và tốc độ theo dõi thấp.
Đối với WECS quy mô vừa và lớn, phương pháp PSF thường được áp dụng vì nó có tốc độ theo dõi nhanh và độ dao động công suất thấp [7]. Tuy nhiên, phương pháp PSF chỉ hiệu quả với điều kiện là đặc tính khí động học của tua-bin được biết đến. Nếu không, PSF không thể được thực hiện. Tuy nhiên, các đặc tính khí động học của tua-bin gió hầu như không được biết đến hoặc không được biết chính xác trong công nghiệp, đặc biệt là trong các thị trường tua- bin gió quy mô nhỏ.
Do đó, phương pháp PSF phần nào không thể được sử dụng để theo dõi chính xác MPP. Đồ thị công suất lý tưởng Ở các vùng có tốc độ gió cao, Vùng II và III, tốc độ và công suất của máy phát sẽ vượt quá giới hạn nếu điều khiển MPPT vẫn được sử dụng. Sẽ thuận tiện và đơn giản hơn nhiều để hạn chế tốc độ máy phát và công suất của tua-bin gió trong hệ thống turbine LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 3 GVHD: NGUYỄN PHÚC KHẢI HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH có khả năng điều chỉnh được góc pitch (variable pitch angle). Đó là, bất cứ khi nào quá tải xảy ra, bộ điều khiển góc pitch sẽ được kích hoạt để hạn chế sự tăng nhanh của công suất.
Tuy nhiên, với hệ thống tua bin gió có góc pitch cố định thì điều này là không thể, làm cho việc hạn chế tốc độ và công suất khá khó khan khi gặp gió lớn. Một số đề suất thêm tải điện trở vào đầu ra của máy phát để ngăn quá tốc độ, công suất quá mức gây ra bởi quá tốc độ có thể bị giảm do đóng tải điện trở. Tuy nhiên, tải điện trở cần không gian lắp đặt lớn và nó khá tốn kém. Từ những phân tích trên, nhận thấy cần phát triển một bộ điều khiển cho hệ thống điện gió sử dụng máy phát PMSG với góc pitch cố định vừa có khả năng tìm kiếm điểm MPP với độ gợn công suất thấp ở vùng tốc độ gió thấp, đồng thời có khả năng điều khiển hạn chế công suất khi có quá tải ở vùng gió cao, đó là mục tiêu của đề tài.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu bằng lý thuyết, đề xuất giải thuật, kiểm chứng giải thuật bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB và hướng đến xây dựng mô hình thực nghiệm. Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nguyên cứu lý thuyết: Hệ thống điện gió, máy phát PMSG, các phương pháp điều khiển MPPT cho hệ thống điện gió. - Mô phỏng: sử dụng phần mềm Matlab xây dụng giải thuật và kiểm chứng hiệu quả của giải thuật. - Thực nghiệm: xây dựng sơ đồ nguyên lý và mạch in, hoàn chỉnh mạch thực nghiệm và thử nghiệm.
LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 4 GVHD: NGUYỄN PHÚC KHẢI HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ Lời kêu gọi cải tiến công nghệ năng lượng tái tạo đang gia tăng do sự nóng lên toàn cầu. Nó ảnh hưởng đến con người ở một số khía cạnh như nền kinh tế, sức khỏe cộng đồng, môi trường,. Sự nóng lên toàn cầu được gây ra từ khí nhà kính, xuất phát từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch như dầu hoặc than. Sự ra đời của các nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp đầy hứa hẹn cho các vấn đề.
Có một số nguồn năng lượng tái tạo cho hệ thống năng lượng điện. Trong số đó, năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất. Lợi thế của năng lượng gió cho hệ thống điện không chỉ là năng lượng tự do và sạch mà còn có công suất cao. Năng lượng điện cao có thể được tạo ra từ sự kết hợp của nhiều tua-bin gió như một trang trại gió hoặc công viên gió.
Để kết nối năng lượng gió với lưới tiện ích, phải có một hệ thống điều khiển và kết nối lưới thích hợp để đảm bảo chất lượng điện năng cao và ổn định. Khi mức độ thâm nhập của năng lượng gió ngày càng tăng, có những quy định cho sự kết nối liên quan đến chất lượng điện và độ tin cậy. Hệ thống điện tử công suất hỗ trợ kết nối giữa năng lượng gió tốc độ thay đổi và lưới điện giúp điều khiển công suất thực và phản kháng, và làm giảm ảnh hưởng của dao động trong gió như điện áp thấp. Tuy nhiên, nó tạo ra các vấn đề khác do các thiết bị chuyển đổi của bộ chuyển đổi năng lượng.
Một vấn đề của kết nối lưới là sự biến dạng hài hòa của dòng điện và điện áp lưới. Các biến dạng sóng hài làm suy giảm chất lượng điện năng. Điều này dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng hơn trong hệ thống điện như bão hòa máy biến áp, hỏng các thiết bị bảo vệ,. đó cũng là một trong những vấn đề cần phải tính đến khi muốn tăng sự thâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo này vào lưới điện.
TỔNG QUAN Từ xa xưa, người ta đã biết sử dụng năng lượng gió được tại các trang trại để xay ngũ cốc hoặc bơm nước dưới dạng cối xay gió. Nguyên tắc là chuyển đổi động năng từ gió sang năng lượng cơ học. Nguyên tắc này được áp dụng cho năng lượng gió trong hệ thống điện. Một tua-bin gió thu được động năng từ không khí đang chảy và thay đổi nó thành năng lượng cơ học.
Một máy phát điện được lắp đặt trong tua-bin gió chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Như trong hình 2.1, động năng của gió làm LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 5 GVHD: NGUYỄN PHÚC KHẢI HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH quay các cánh quạt của tua-bin gió. Điều này dẫn đến việc quay vòng trục của máy phát điện, máy phát chuyển đổi năng lượng cơ học từ trục quay sang năng lượng điện. Ghép trục tốc độ thấp của các cánh quạt với trục tốc độ cao của máy phát bằng hộp số.
Trong một số trường hợp, hộp số là không mong muốn vì chúng đắt tiền, cồng kềnh và nặng. Một máy phát đa cực là một cách khác của một hệ thống không hộp số. Cáp điện truyền năng lượng điện đến máy biến áp. Máy biến áp tăng điện áp thấp của máy phát đến mức phân phối hoặc truyền tải của hệ thống điện được kết nối.
Điện áp từ máy phát thường ở mức vài trăm volt.
