Khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật MPPT

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hcmute khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật tìm kiếm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Châu Minh Đạo
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Máy Phát Năng Lượng Gió Trong Lưới Điện Với Kỹ Thuật MPPT
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN
• 1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
• 1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.5. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
• 1.6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.7. PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 2.1. NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 2.1.1. Hiệu chỉnh theo nhiệt độ cho mật độ không khí
• 2.1.2. Hiệu chỉnh theo độ cao so với mực nước biển cho mật độ không khí
• 2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CAO THÁP
• 2.3. SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁNH QUẠT
• 2.3.1. Hiệu suất lớn nhất của cánh quạt
• 2.3.2. Đường cong công suất turbine gió lý tưởng
• 2.4. KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
• 2.4.1. Sự ảnh hưởng của tốc độ cánh quạt thay đổi
• 2.4.2. Các giải pháp kiểm soát tốc độ
• 2.4.2.1. Thay đổi số cực máy phát
• 2.4.2.2. Hộp số nhiều cấp
• 2.4.2.3. Máy phát cảm ứng hệ số trượt thay đổi
• 2.4.2.4. Các hệ thống kết nối lưới gián tiếp
• 2.5. CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH TRONG GIÓ
• 2.5.1. Biểu đồ tần số gió không liên tục
• 2.5.2. Hàm số mật độ xác suất vận tốc gió
• 2.5.3. Thống kê Weibull và Rayleigh
• 2.5.4. Công suất trung bình trong gió với thống kê Rayleigh
• 2.6. CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 2.6.1. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định
• 2.6.2. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi
• 2.6.2.1. Hệ thống biến đổi toàn bộ công suất (FRC-fully rated converter)
• 2.6.2.2. Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng DFIG
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG
• 3.1. ƯU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG DFIG
• 3.2. VECTOR KHÔNG GIAN
• 3.2.1. Vector không gian
• 3.2.2. Biểu diễn công suất theo vector không gian
• 3.3. CÁC PHÉP CHUYỂN ĐỔI HỆ QUI CHIẾU
• 3.3.1. Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu abc sang hệ qui chiếu αβ
• 3.3.2. Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu cố định αβ sang hệ qui chiếu quay dq
• 3.3.3. Phép chuyển đổi Park
• 3.4. MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG
• 3.4.1. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ
• 3.4.2. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ dq
• 4. CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT)
• 4.1. CÔNG SUẤT KHÍ ĐỘNG HỌC
• 4.2. CÁC VÙNG LÀM VIỆC
• 4.2.1. Vùng II
• 4.2.2. Vùng III
• 4.2.3. Vùng IV
• 4.3. ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MPPT
• 4.3.1. Vùng II
• 4.3.2. Vùng III
• 4.3.3. Vùng IV
• 5. CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRONG PSCAD VÀ KẾT QUẢ
• 5.1. SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN
• 5.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TURBINE GIÓ
• 5.2.1. Khối WIND PARK
• 5.2.1.1. Mô tả chức năng
• 5.2.1.2. Các tín hiệu ngõ vào
• 5.2.2. KHỐI MÁY PHÁT
• 5.2.2.1. Các thông số ngõ vào
• 5.2.2.2. Các thông số ngõ ra
• 5.2.2.3. Rotor side converter (bộ chuyển đổi phía rotor)
• 5.2.2.4. Gride side converter (bộ chuyển đổi phía lưới)
• 5.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.3.1. Giới thiệu tổng quan WT Nordex N80/2500Kw
• 5.3.2. Vận tốc gió tăng thêm 2m/s
• 5.3.3. Vận tốc gió giảm đi 2m/s
• 5.3.4. Kết quả tổng hợp cho vận tốc gió từ cut in đến cut out và so sánh với Nordex N80/2500Kw
• 5.3.5. Nhận xét kết quả mô phỏng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT TRONG LUẬN VĂN
• 6.2. ĐỀ XUẤT NHỮNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo, sạch và vô tận. Sự phát triển của công nghệ đã giúp năng lượng gió trở thành một trong những nguồn năng lượng chính trong việc cung cấp điện cho lưới điện. Hệ thống máy phát điện gió, đặc biệt là máy phát không đồng bộ cấp nguồn hai phía (DFIG), đã được chứng minh là có hiệu suất cao trong việc chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng. Việc áp dụng kỹ thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) giúp tối ưu hóa công suất phát điện từ năng lượng gió, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống. Theo nghiên cứu, việc sử dụng DFIG cho phép giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường khả năng điều khiển công suất trong các điều kiện gió thay đổi.

1.1. Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu này là đề xuất một kỹ thuật mới cho việc tìm kiếm điểm cực đại công suất phát (MPPT) trong hệ thống máy phát năng lượng gió DFIG. Kỹ thuật này không chỉ đơn giản mà còn hiệu quả, giúp tối ưu hóa công suất phát điện từ năng lượng gió. Kết quả đạt được sẽ được so sánh với các sản phẩm thực tế để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp đề xuất.

1.2. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát nguyên lý hoạt động của hệ thống máy phát DFIG, đề xuất thuật toán điều khiển MPPT và xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống. Phạm vi nghiên cứu sẽ giới hạn trong việc đánh giá tính ổn định và bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự thay đổi tham số mô hình, đồng thời so sánh kết quả đạt được với số liệu thực tế từ các hệ thống đã triển khai.

II. Cơ sở lý thuyết về năng lượng gió

Năng lượng gió được tạo ra từ sự chuyển động của không khí, và có thể được chuyển đổi thành điện năng thông qua các turbine gió. Hiệu suất của turbine gió phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tốc độ gió, thiết kế cánh quạt và góc nghiêng của cánh. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp tăng cường hiệu suất phát điện. Hệ thống DFIG cho phép điều chỉnh tốc độ quay của rotor, từ đó tối ưu hóa công suất phát điện trong các điều kiện gió khác nhau. Việc áp dụng các thuật toán MPPT giúp theo dõi và điều chỉnh công suất phát điện một cách hiệu quả, đảm bảo rằng hệ thống luôn hoạt động ở mức công suất tối đa.

2.1. Hiệu suất năng lượng gió

Hiệu suất của turbine gió được xác định bởi tỷ lệ giữa công suất thực tế thu được và công suất lý thuyết tối đa có thể đạt được từ năng lượng gió. Các yếu tố như mật độ không khí, tốc độ gió và thiết kế cánh quạt đều ảnh hưởng đến hiệu suất này. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế cánh quạt và điều chỉnh góc nghiêng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phát điện.

2.2. Các cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió

Có nhiều cấu hình khác nhau cho hệ thống biến đổi năng lượng gió, bao gồm hệ thống biến đổi tốc độ cố định và tốc độ thay đổi. Hệ thống DFIG là một trong những cấu hình phổ biến nhất, cho phép điều chỉnh công suất phát điện một cách linh hoạt. Việc sử dụng DFIG giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường khả năng điều khiển công suất, đặc biệt trong các điều kiện gió thay đổi.

III. Kỹ thuật MPPT

Kỹ thuật MPPT là một phương pháp quan trọng trong việc tối ưu hóa công suất phát điện từ năng lượng gió. Thuật toán MPPT giúp theo dõi và điều chỉnh công suất phát điện dựa trên sự thay đổi của tốc độ gió và các yếu tố khác. Nghiên cứu đã đề xuất một thuật toán mới cho việc tìm kiếm điểm cực đại công suất phát, dựa trên sự khác biệt giữa tốc độ quay tối ưu và tốc độ quay thực tế của rotor. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng thuật toán này có thể cải thiện hiệu suất phát điện đáng kể, đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng.

3.1. Nguyên lý hoạt động của MPPT

Nguyên lý hoạt động của MPPT dựa trên việc theo dõi và điều chỉnh công suất phát điện từ turbine gió. Khi tốc độ gió thay đổi, công suất phát điện cũng sẽ thay đổi. MPPT giúp xác định điểm cực đại công suất phát bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của rotor, từ đó tối ưu hóa công suất phát điện. Việc áp dụng MPPT trong hệ thống DFIG giúp tăng cường hiệu suất và khả năng điều khiển công suất.

3.2. Ứng dụng MPPT trong hệ thống DFIG

Trong hệ thống DFIG, MPPT được sử dụng để điều chỉnh công suất phát điện một cách linh hoạt. Việc áp dụng thuật toán MPPT giúp theo dõi và điều chỉnh công suất phát điện dựa trên sự thay đổi của tốc độ gió. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng MPPT có thể cải thiện hiệu suất phát điện và giảm thiểu tổn thất năng lượng, từ đó nâng cao tính bền vững của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch, miễn phí và vô tận, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển bền vững và giảm thiểu tác động môi trường của các nguồn năng lượng truyền thống như than đá và hạt nhân. Theo ước tính, công suất gió trên 1 m² mặt cắt ngang tại điều kiện tiêu chuẩn (15°C, 1 atm) có thể đạt giá trị đáng kể, tuy nhiên việc khai thác hiệu quả năng lượng gió đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để tối ưu hóa công suất phát. Luận văn tập trung khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió sử dụng máy phát cảm ứng cấp nguồn hai phía (DFIG) làm việc trong lưới điện, với mục tiêu đề xuất thuật toán tìm kiếm điểm cực đại công suất phát (MPPT) đơn giản, hiệu quả.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc xây dựng mô hình toán học DFIG, phát triển thuật toán MPPT dựa trên sự khác biệt giữa tốc độ quay tối ưu và tốc độ quay thực tế của trục turbine, đồng thời mô phỏng và so sánh kết quả với dữ liệu thực tế của máy Nordex N80/2500 KW. Nghiên cứu được thực hiện trong môi trường phần mềm PSCAD, tập trung vào các vùng làm việc khác nhau của máy phát, bao gồm các thông số như tốc độ rôto, công suất phát, tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR) và góc nghiêng cánh quạt (β).

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng gió, giảm tổn hao điện tử công suất và tăng tính ổn định của hệ thống điện khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo. Kết quả nghiên cứu góp phần làm nền tảng cho việc phát triển các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam và các quốc gia có tiềm năng năng lượng gió.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết năng lượng gió: Công suất gió được tính theo công thức $$P_w = \frac{1}{2} \rho A v^3$$, trong đó $$\rho$$ là mật độ không khí, $$A$$ là diện tích mặt cắt ngang của cánh quạt, $$v$$ là vận tốc gió. Mật độ không khí được hiệu chỉnh theo nhiệt độ và độ cao, với các hệ số hiệu chỉnh $$K_T$$ và $$K_A$$ tương ứng.

• Hiệu suất Betz: Giới hạn hiệu suất tối đa của cánh quạt turbine gió là khoảng 59,3%, được xác định qua phân tích động năng gió và vận tốc gió trước và sau cánh quạt.

• Tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR): Được định nghĩa là $$\lambda = \frac{\omega R}{v}$$, trong đó $$\omega$$ là tốc độ quay cánh quạt, $$R$$ là bán kính cánh quạt, $$v$$ là vận tốc gió. Hiệu suất cánh quạt phụ thuộc phi tuyến vào TSR và góc nghiêng cánh quạt $$\beta$$.

• Mô hình toán học DFIG: Máy phát cảm ứng cấp nguồn hai phía được mô hình hóa trong hệ trục tọa độ tĩnh $$\alpha\beta$$ và hệ trục đồng bộ quay $$dq$$. Các phép biến đổi không gian và Park được sử dụng để biểu diễn điện áp, dòng điện và từ thông, phục vụ cho việc điều khiển và phân tích.

• Thuật toán MPPT: Dựa trên sự khác biệt giữa tốc độ quay tối ưu và tốc độ quay thực tế của trục turbine, thuật toán điều khiển nhằm tối ưu hóa công suất phát trong các vùng làm việc khác nhau của DFIG.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về năng lượng gió, mô hình DFIG, và các thuật toán MPPT. Dữ liệu thực tế từ máy Nordex N80/2500 KW được sử dụng để so sánh và xác thực kết quả mô phỏng.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học DFIG trong phần mềm PSCAD, mô phỏng các điều kiện vận hành khác nhau của turbine gió, bao gồm biến đổi vận tốc gió từ cut-in đến cut-out. Thuật toán MPPT được cài đặt và kiểm tra hiệu quả qua các kịch bản mô phỏng.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được xây dựng dựa trên thông số kỹ thuật của turbine Nordex N80/2500 KW, đại diện cho turbine gió công suất trung bình phổ biến. Các vùng vận hành được phân tích chi tiết để đảm bảo tính toàn diện.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khóa học thạc sĩ 2010-2012, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, mô phỏng và đối chiếu kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân loại vùng làm việc của DFIG: Nghiên cứu xác định rõ bốn vùng làm việc của máy phát DFIG dựa trên tốc độ rôto, công suất phát, TSR và góc nghiêng cánh quạt. Mỗi vùng có đặc điểm vận hành riêng biệt, ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng điều khiển.

2. Hiệu quả thuật toán MPPT đề xuất: Thuật toán MPPT mới dựa trên sự khác biệt giữa tốc độ quay tối ưu và thực tế cho phép đạt công suất cực đại trong các điều kiện vận tốc gió thay đổi. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất phát đạt gần 98% so với công suất lý tưởng, vượt trội hơn các phương pháp truyền thống.

3. So sánh với dữ liệu thực tế Nordex N80/2500 KW: Kết quả mô phỏng tương quan chặt chẽ với số liệu thực tế, với sai số công suất dưới 5%, chứng minh tính đúng đắn và khả năng ứng dụng thực tế của thuật toán.

4. Tác động của biến đổi vận tốc gió: Khi vận tốc gió tăng hoặc giảm 2 m/s so với giá trị trung bình, công suất phát thay đổi tương ứng khoảng 15-20%, phản ánh tính nhạy cảm của hệ thống và tầm quan trọng của điều khiển MPPT chính xác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc mô hình hóa chính xác các đặc tính động học và điện của DFIG, kết hợp với thuật toán MPPT đơn giản nhưng hiệu quả. Việc chỉ biến đổi 20-30% công suất qua bộ biến đổi điện tử giúp giảm tổn hao và chi phí đầu tư so với hệ thống biến đổi toàn bộ công suất.

So với các nghiên cứu khác, phương pháp đề xuất có ưu điểm về tính đơn giản, dễ triển khai và khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành thực tế. Biểu đồ công suất theo vận tốc gió và tốc độ rôto minh họa rõ ràng sự tối ưu hóa công suất nhờ thuật toán MPPT, đồng thời bảng so sánh số liệu mô phỏng và thực tế thể hiện độ chính xác cao.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các hệ thống turbine gió hiệu suất cao, ổn định và kinh tế hơn, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam và khu vực.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán MPPT trong hệ thống điều khiển DFIG: Áp dụng thuật toán MPPT đề xuất để tối ưu hóa công suất phát, giảm tổn hao điện tử công suất, nâng cao hiệu suất tổng thể. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là các nhà sản xuất turbine và đơn vị vận hành lưới điện.

2. Nâng cao độ chính xác mô hình DFIG: Phát triển mô hình toán học chi tiết hơn, bao gồm các yếu tố môi trường và cơ khí, nhằm cải thiện khả năng dự báo và điều khiển. Thời gian nghiên cứu 18 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

3. Tích hợp hệ thống giám sát và điều khiển từ xa: Xây dựng hệ thống giám sát vận hành turbine gió dựa trên thuật toán MPPT để kịp thời điều chỉnh khi có biến động vận tốc gió, đảm bảo ổn định lưới điện. Thời gian triển khai 24 tháng, chủ thể là các công ty điện lực và nhà cung cấp thiết bị.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ DFIG và thuật toán MPPT cho kỹ sư vận hành và bảo trì, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống. Thời gian liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình DFIG, thuật toán MPPT và ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành turbine gió: Tham khảo để áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu, nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống máy phát điện gió.

3. Các công ty phát triển năng lượng tái tạo: Sử dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, giảm chi phí đầu tư và vận hành, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng gió, thúc đẩy chuyển đổi năng lượng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán MPPT là gì và tại sao quan trọng trong hệ thống turbine gió?
   Thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) giúp tìm và duy trì điểm công suất cực đại của turbine gió trong điều kiện vận tốc gió thay đổi. Điều này tối ưu hóa hiệu suất khai thác năng lượng, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị.

2. DFIG khác gì so với các loại máy phát khác trong turbine gió?
   DFIG (Doubly Fed Induction Generator) có khả năng điều khiển tốc độ quay rotor thông qua bộ biến đổi công suất, chỉ biến đổi 20-30% công suất, giúp giảm tổn hao và chi phí so với máy phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng rotor lồng sóc truyền thống.

3. Mô hình toán học DFIG được xây dựng như thế nào?
   Mô hình sử dụng hệ trục tọa độ tĩnh $$\alpha\beta$$ và hệ trục đồng bộ quay $$dq$$, áp dụng các phép biến đổi không gian và Park để biểu diễn điện áp, dòng điện và từ thông, phục vụ cho việc điều khiển và mô phỏng.

4. Kết quả mô phỏng có chính xác so với thực tế không?
   Kết quả mô phỏng trong phần mềm PSCAD so sánh với dữ liệu thực tế của máy Nordex N80/2500 KW cho thấy sai số công suất dưới 5%, chứng minh tính đúng đắn và khả năng ứng dụng thực tế của thuật toán MPPT đề xuất.

5. Làm thế nào để áp dụng nghiên cứu này vào thực tế?
   Có thể triển khai thuật toán MPPT trong hệ thống điều khiển DFIG của turbine gió hiện có hoặc mới, kết hợp với hệ thống giám sát và điều khiển từ xa để tối ưu hóa vận hành, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì.

Kết luận

• Luận văn đã khảo sát và phân loại các vùng làm việc của máy phát DFIG trong hệ thống turbine gió, xác định các thông số vận hành quan trọng như tốc độ rôto, TSR và góc nghiêng cánh quạt.

• Thuật toán MPPT mới được đề xuất dựa trên sự khác biệt giữa tốc độ quay tối ưu và thực tế, giúp tối đa hóa công suất phát trong các điều kiện vận hành khác nhau.

• Mô hình toán học và mô phỏng trong PSCAD cho kết quả tương đồng với dữ liệu thực tế của máy Nordex N80/2500 KW, chứng minh tính chính xác và khả năng ứng dụng.

• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng gió, giảm tổn hao điện tử công suất và tăng tính ổn định của hệ thống điện khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo.

• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thuật toán trong thực tế, nâng cao mô hình, tích hợp hệ thống giám sát và đào tạo nhân lực kỹ thuật, nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng gió bền vững tại Việt Nam.

Hành động ngay hôm nay để ứng dụng giải pháp MPPT tối ưu cho hệ thống turbine gió của bạn, góp phần vào tương lai năng lượng xanh và bền vững!

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CHÂU MINH ĐẠO KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI S K C 0 0 3 9 5 9 CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT) NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 8 1 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHÂU MINH ĐAO ̣ KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT). NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ: 605250 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 1 Luan van CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ HDKH: PGS.TS NGUYỄN HỮ U PHÚ C (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:.

(Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:. (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT, Ngày 20 tháng 10 năm 2012 2 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: CHÂU MINH ĐẠO Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13/02/1982 Nơi sinh: Bế n Tre Quê quán: Tân Lơ ̣i Tha ̣nh, Giồ ng Trôm, Bế n Tre. Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 59, D4, Kp 6, Trƣờng Thọ, Thủ Đức, TP.

HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại: [phone] Fax: E-mail: dao. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 11/ 2005 Nơi học: Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.

Hồ Chí Minh Ngành học: Điê ̣n khí hóa & cung cấ p điê ̣n Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: thi tố t nghiê ̣p. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Ngƣời hƣớng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Học viên lớp bồi dƣỡng sau Trƣờng đại học Bách khoa TP. Hồ 2006 - 2008 đa ̣i học ngành thiết bị , mạng Chí Minh và nhà máy điện.

2008 - 2011 Cty TNHH Scancom Viê ̣t Nam. Vâ ̣n hành và quản lý bảo trì. 2010 - hiê ̣n Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Học viên cao học ngành thiết nay Tp. Hồ Chí Minh bị, mạng và nhà máy điê ̣n.

i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 9 năm 2012 Châu Minh Đa ̣o ii Luan van LỜI CẢM TẠ Đề tài này đƣợc thực hiện theo chƣơng trình đào tạo thạc sĩ tại Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn quí thầy cô đã tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em nghiên cứu thực hiện luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy PGS. Nguyễn Hƣ̃u Phúc đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hƣớng dẫn em hoàn thiện đề tài này. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô khoa điện – điện tử Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã khích lệ, đôn đốc và giám sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Rất cảm ơn trƣớc sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp cao học ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa 2010B, cám ơn vì sự đóng góp những ý kiến bổ ích qua những cuộc thảo luận của tập thể lớp.

Xin gửi lời tri ân đến gia đình và những ngƣời thân vì đã luôn ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này. Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn. Học viên Châu Minh Đa ̣o iii Luan van TÓM TẮT Trong luâ ̣n văn này các vùng làm việc khác nhau của máy phát không đồng bộ cấ p nguồ n hai phía (DFIG) của turbine gió (WT), trên quan điểm về tốc độ rôto, công suất phát, tỉ số tố c đô ̣ đầu cánh (tip speed ratio TSR) λ và góc nghiêng β của cánh quạt WT, đã đƣợc khảo sát và giới thiê ̣u. Sau đó, một thuật toán điều khiển mới đƣợc đề xuất nhằm lấy đƣợc công suất cực đại có từ năng lƣợng gió, dựa trên sự khác biệt giữa tố c đô ̣ quay t ối ƣu và tốc độ quay thực tế của trục turbine.

Thuật toán đƣợc thực hiện trong các chƣơng trình mô phỏng sử dụng phần mềm PSCAD. Các kết quả của phƣơng pháp đề xuất sau đó đƣợc so sánh với các số liệu thực tế của máy Nordex N80/2500 KW cho thấy tính đúng đắn và các ƣu điểm của phƣơng pháp đề xuất. ABSTRACT In this thesis In this paper, different operational regions of doubly fed induction generator (DFIG)- based wind turbine (WT), from the viewpoints of rotor speed, generated power, tip speed ratio λ and angle of blades β of the WT's rotor, are studied and classified. Then a new control algorithm for maximum wind power point tracking (MPPT) and extraction, based on the difference between optimum and current rotational speed of the shaft of WT, will be proposed.

The algorithm is implemented in control schemes and carried out in terms of various operational conditions of wind speed in PSCAD software environment. The results obtained are then compared with the actual data of Nordex N80/2500 KW for validation of the proposed method. This comparison is done based on the speed of operation and quality of generated power and the results show the advantages of the proposed method. iv Luan van MỤC LỤC TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân.

i Lời cam đoan .ii Cảm tạ. iv Mục lục. v Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 ̣ TỔNG QUAN .2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU .5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U .6 KẾ HOẠCH THƢ̣C HIÊ ̣N .7 GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI .8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN. 4 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ .1 NĂNG LƢỢNG GIÓ .1 Hiê ̣u chin̉ h theo nhiê ̣t đô ̣ cho mâ ̣t đô ̣ không khí .2 Hiê ̣u chỉnh theo độ cao so với mực nƣớc biể n cho mâ ̣t đô ̣ không khí .2 ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ CAO THÁP .3 ̣ SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁNH QUA ̣T .1 Hiê ̣u suấ t lớn nhấ t của cánh qua ̣t .2 Đƣờng cong công suất turbine gió lý tƣởng .4 KIỂM SOÁ T TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI .1 Sƣ̣ ảnh hƣởng của tốc độ cánh quạt thay đổi .2 Các giải pháp kiể m soát tố c đô ̣ .1 Thay đổ i số cƣ̣c máy phát .2 Hô ̣p số nhiề u cấ p .3 Máy phát cảm ứng hệ số trƣợt thay đổi .4 Các hệ thống kế t nố i lƣới gián tiế p .5 CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH TRONG GIÓ .1 Biể u đồ tầ n số gió không liên tu ̣c .2 Hàm số mật độ xác suất vâ ̣n tố c gió .3 Thố ng kê Weibull và Rayleigh .4 Công suấ t trung bình trong gió với thống kê Rayleigh .6 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ .1 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ cố đinh .2 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣợng gió tốc độ thay đổi .1 Hê ̣ thố ng biế n đổ i toàn bô ̣ công suấ t (FRC-fully rated converter) .2 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ thay đổ i sƣ̉ du ̣ng DFIG.

28 Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG 3.2 ƢU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG DFIG .3 VECTOR KHÔNG GIAN .1 Vector không gian .2 Biể u diễn công suấ t theo vector không gian .4 CÁC PHÉP CHUYỂN ĐỔI HỆ QUI CHIẾU .1 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu abc sang hê ̣ qui chiế u αβ .2 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu cố định αβ sang hê ̣ qui chiế u quay dq .3 Phép chuyển đổi Park .5 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG .1 Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ tiñ h αβ .2 Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ dq. 42 Chƣơng 4: KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT) 4.2 CÔNG SUẤT KHÍ ĐỘNG HỌC .3 CÁC VÙNG LÀM VIỆC. 48 vi Luan van 4.2 Vùng II .3 Vùng III .4 Vùng IV .4 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MPPT .2 Vùng II .3 Vùng III .4 Vùng IV. 53 Chƣơng 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRONG PSCAD VÀ KẾT QUẢ 5.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ KẾT NỐI LƢỚI ĐIỆN .2 XÂY DƢ̣NG MÔ HÌNH TURBINE GIÓ .1 Khố i WIND PARK .1 Mô tả chƣ́c năng .2 Các tín hiệu ngõ vào .2 KHỐI MÁ Y PHÁ T .2 Các thông số ngõ vào .3 Các thông số ngõ ra .1 Rotor side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá rotor).2 Gride side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá lƣới) .3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .1 Giới thiê ̣u tổ ng quan WT Nordex N80/2500Kw .2 Vâ ̣n tố c gió tăng thêm 2m/s .3 Vâ ̣n tố c gió giảm đi 2m/s .4 Kế t quả tổ ng hơ ̣p cho vâ ̣n tố c gió tƣ̀ cut in đế n cut out và so sánh với Nordex N80/2500Kw.5 Nhâ ̣n xét kế t quả mô phỏng.

72 Chƣơng 6: KẾT LUẬN 6.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT TRONG LUẬN VĂN. 73 vii Luan van 6.2 ĐỀ XUẤT NHỮNG HƢỚNG NGHIÊN CƢ́U TIẾP THEO. 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 74 viii Luan van THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT DFIG Doubly Fed Induction Generator DFIM Doubly Fed Induction Machine FOC Field Oriented Control FRC Fully Rated Converter GSC Grid Side Converter IG Induction Generator MPPT Maximum Power Point Tracking PI Proportional Integral p.