Nghiên Cứu Điều Khiển Tối Ưu Công Suất Gió Thu Được

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất gió thu được, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Đào Quốc Triệu
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Châu Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hcm
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Tối Ưu Công Suất Gió Thu Được
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hệ Thống Điện Tuabin Gió Hiện Nay

Điện năng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao. Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt, giá thành tăng cao, thúc đẩy tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Việt Nam cũng không tránh khỏi nguy cơ này. Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, đang được quan tâm. Hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển. Nghiên cứu khai thác hiệu quả và an toàn của các hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đề tài "Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất gió thu được" ra đời từ nhu cầu thực tế này. Luận văn của Đào Quốc Triệu tập trung vào cơ sở lý thuyết, điều khiển tối ưu, và mô phỏng điều khiển tuabin gió không đồng bộ.

1.1. Vai Trò của Năng Lượng Gió trong Nguồn Năng Lượng Tái Tạo

Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió nổi lên như một giải pháp tiềm năng và bền vững. Khác với thủy điện có những tác động tiêu cực đến môi trường, năng lượng gió mang lại sự thân thiện và giảm thiểu ô nhiễm. Việc đầu tư vào nguồn năng lượng gió không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn tạo ra cơ hội phát triển kinh tế mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Đây là một hướng đi quan trọng để đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường cho tương lai.

1.2. Tiềm Năng Khai Thác Năng Lượng Gió Tại Việt Nam

Việt Nam, với đường bờ biển dài và địa hình đa dạng, sở hữu tiềm năng lớn trong việc khai thác năng lượng gió. Các khu vực ven biển và cao nguyên có tốc độ gió lý tưởng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các trang trại điện gió. Việc phát triển điện gió không chỉ giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng mà còn góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững của quốc gia, giảm thiểu phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường.

II. Các Thách Thức Trong Tối Ưu Hóa Công Suất Tuabin Gió

Mặc dù tiềm năng lớn, khai thác công suất gió hiệu quả vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Tính không ổn định của tốc độ gió là một vấn đề lớn. Công suất gió thay đổi theo thời gian, gây khó khăn cho việc duy trì ổn định hệ thống điện. Các hệ thống điều khiển cần phải đủ thông minh để thích ứng với những biến động này. Ngoài ra, chi phí đầu tư ban đầu cho các dự án điện gió có thể cao. Cần có các giải pháp để giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh của năng lượng điện gió. Theo luận văn, mục tiêu nghiên cứu là tìm ra các kỹ thuật tối ưu hóa để vượt qua các thách thức này.

2.1. Ảnh Hưởng của Tốc Độ Gió Biến Động Đến Hiệu Suất Tuabin

Sự biến động của tốc độ gió gây ra những ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tuabin gió. Khi tốc độ gió thay đổi đột ngột, tuabin phải liên tục điều chỉnh để duy trì hoạt động ổn định, gây ra sự hao mòn và giảm tuổi thọ của các bộ phận cơ khí. Đồng thời, việc tối ưu hóa công suất trong điều kiện tốc độ gió không ổn định đòi hỏi các thuật toán điều khiển phức tạp và khả năng dự báo tốc độ gió chính xác.

2.2. Bài Toán Ổn Định Lưới Điện Khi Tích Hợp Năng Lượng Gió

Việc tích hợp năng lượng gió vào lưới điện đặt ra nhiều thách thức về ổn định hệ thống. Do tính chất không liên tục của nguồn năng lượng gió, việc duy trì cân bằng giữa cung và cầu trở nên khó khăn. Các giải pháp như sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng, phát triển các thuật toán điều khiển thông minh và tăng cường khả năng kết nối giữa các khu vực là cần thiết để đảm bảo ổn định hệ thống và chất lượng điện năng.

III. Phương Pháp Điều Khiển Góc Pitch Tối Ưu Công Suất Gió

Một trong những phương pháp chính để tối ưu hóa công suất gió là điều khiển góc pitch. Góc pitch là góc giữa cánh tuabin và hướng gió. Bằng cách điều chỉnh góc pitch, chúng ta có thể kiểm soát lượng năng lượng gió mà tuabin hấp thụ. Khi tốc độ gió quá cao, góc pitch có thể được điều chỉnh để giảm công suất và bảo vệ tuabin khỏi hư hỏng. Khi tốc độ gió thấp, góc pitch có thể được điều chỉnh để tăng hiệu suất tuabin gió. Việc điều khiển này đòi hỏi các thuật toán phức tạp và cảm biến chính xác. Theo luận văn của Đào Quốc Triệu, việc sử dụng bộ điều khiển PI là một giải pháp hiệu quả để điều khiển góc pitch.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Điều Khiển Góc Pitch trong Tuabin Gió

Điều khiển góc pitch là một kỹ thuật quan trọng để kiểm soát công suất tuabin gió và bảo vệ hệ thống khỏi các điều kiện gió khắc nghiệt. Bằng cách thay đổi góc giữa cánh tuabin và hướng gió, ta có thể điều chỉnh lượng năng lượng gió mà tuabin hấp thụ. Khi tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép, góc pitch sẽ được điều chỉnh để giảm công suất, ngăn ngừa quá tải và hư hỏng cho các bộ phận của tuabin.

3.2. Ứng Dụng Bộ Điều Khiển PI Cho Điều Khiển Góc Nghiêng Cánh Tuabin

Bộ điều khiển PI (Proportional-Integral) là một giải pháp phổ biến và hiệu quả để điều khiển góc pitch của tuabin gió. Bộ điều khiển PI sử dụng tín hiệu sai lệch giữa công suất mong muốn và công suất thực tế để tạo ra tín hiệu điều khiển, từ đó điều chỉnh góc pitch sao cho công suất đầu ra đạt giá trị tối ưu. Việc điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển PI đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đạt được hiệu suất cao.

IV. Mô Hình Hóa Mô Phỏng Tối Ưu Hệ Thống Điện Tuabin Gió

Để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển, cần có mô hình hóa và mô phỏng hệ thống. Mô hình hóa giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách tuabin gió hoạt động và tương tác với hệ thống điện. Mô phỏng cho phép chúng ta thử nghiệm các phương pháp điều khiển khác nhau trong môi trường ảo. Theo luận văn, mô phỏng được thực hiện với nhiều kịch bản tốc độ gió khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc điều khiển góc pitch có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tuabin gió.

4.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Cho Máy Phát Điện Gió Không Đồng Bộ

Việc xây dựng mô hình toán học chính xác cho máy phát điện gió không đồng bộ là bước quan trọng để phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Mô hình này cần phản ánh đầy đủ các đặc tính của máy phát điện, bao gồm các thông số điện từ, cơ học và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động. Một mô hình chính xác sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách máy phát điện tương tác với lưới điện và các bộ phận khác của hệ thống.

4.2. Các Kịch Bản Mô Phỏng Với Tốc Độ Gió Thay Đổi

Để đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển trong điều kiện thực tế, cần thực hiện mô phỏng với các kịch bản tốc độ gió thay đổi khác nhau. Các kịch bản này có thể bao gồm tốc độ gió ổn định, thay đổi chậm, thay đổi nhanh và các trường hợp gió giật. Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy khả năng thích ứng của hệ thống điều khiển với các biến động của nguồn năng lượng gió và đánh giá mức độ tối ưu hóa công suất đạt được trong mỗi trường hợp.

4.3. Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng và Phân Tích Hiệu Suất Hệ Thống

Sau khi thực hiện mô phỏng với các kịch bản khác nhau, cần tiến hành đánh giá kết quả và phân tích hiệu suất hệ thống. Các chỉ số quan trọng cần được xem xét bao gồm công suất đầu ra, hiệu suất chuyển đổi năng lượng, độ ổn định của hệ thống và khả năng đáp ứng với các biến động của tốc độ gió. Phân tích này sẽ giúp xác định điểm mạnh và điểm yếu của các thuật toán điều khiển và đưa ra các cải tiến để nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Tối Ưu Công Suất

Luận văn này đã trình bày các phương pháp tối ưu hóa công suất gió trong hệ thống điện tuabin gió. Nghiên cứu tập trung vào điều khiển góc pitch sử dụng bộ điều khiển PI. Kết quả cho thấy rằng việc điều khiển này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tuabin gió. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng nghiên cứu phát triển. Cần có các thuật toán điều khiển thông minh hơn, có thể thích ứng với các điều kiện gió phức tạp. Ngoài ra, cần nghiên cứu các giải pháp lưu trữ năng lượng, có thể giúp ổn định hệ thống điện.

5.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được

Luận văn đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa công suất gió trong hệ thống điện tuabin gió. Cụ thể, việc ứng dụng bộ điều khiển PI để điều khiển góc pitch đã cho thấy khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất tuabin gió trong các điều kiện tốc độ gió khác nhau. Kết quả mô phỏng đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này và mở ra hướng đi tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Phát Triển Bền Vững

Để tiếp tục phát triển lĩnh vực năng lượng gió một cách bền vững, cần tập trung vào các hướng nghiên cứu sau: Phát triển các thuật toán điều khiển thông minh, có khả năng dự báo và thích ứng với các biến động của tốc độ gió; Nghiên cứu các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả, giúp ổn định lưới điện và nâng cao độ tin cậy của nguồn năng lượng gió; Nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu mới, có độ bền cao và khả năng chịu được các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, giúp giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của tuabin gió.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - Giới thiệu chung + Chương 2 - Cơ sở lý thuyết của hệ thống điện tuabin gió + Chương 3 - Điều khiển tối ưu công suất gió thu được của hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ + Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất gió thu được của hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ + Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 1. Kết luận Nhu cầu năng lượng điện đang tăng lên từng ngày theo sự phát triển của kinh tế - xã hội. Nhu cầu này cần phải được đáp ứng bởi việc cung cấp năng lượng điện từ các nguồn điện. Theo cơ cấu nguồn điện hiện tại, có hơn 70% là các nguồn năng lượng thủy điện và nhiệt điện.

Trong khi đó, các nguồn năng trên đang dần cạn kiệt, cũng như đang có những tác động xấu đến môi trường. 4 Việc nghiên cứu, xây dựng và phát triển các nguồn năng lượng thay thế như năng lượng tái tạo là một xu hướng tất yếu của ngành công nghiệp năng lượng điện. Trong số các nguồn năng lượng điện tái tạo, năng lượng điện gió được đánh giá với nhiều tiềm năng và triển vọng hơn. Vì vậy, bài toán khai thác và khai thác hiệu quả luôn luôn được các quốc gia và các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.

Kết quả đạt được của những nghiên cứu trên sẽ là những thành tựu rất quan trọng trong công cuộc phát triển ngành công nghiệp năng lượng điện nói chung và ngành công nghiệp năng lượng tái tạo nói riêng. 5 Chương 2 Cơ sở lý thuyết của hệ thống điện tuabin gió 2. Giới thiệu Năng lượng gió được xem như một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, khả thi và kinh tế là dạng năng lượng tiềm năng để giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng mà chúng ta đang phải đối mặt. Chuyển đổi năng lượng gió là một quá trình phức tạp.

Các cánh của tuabin gió nhận năng lượng từ sự chuyển động của dòng khí quyển, sau đó chuyển thành năng lượng quay của rotor máy phát điện thông qua cơ cấu cơ khí bao gồm ổ trục, khớp trục, hộp số để chuyển thành năng lượng điện. Năng lượng điện từ máy phát được đưa qua các hệ thống chuyển đổi công suất bao gồm các bộ nghịch lưu, chỉnh lưu, bảo vệ quá dòng, quá áp,. cần thiết cho thiết bị sử dụng hoặc các phương tiện lưu trữ hay hòa lưới. Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản bao gồm: một tuabin gió, một máy phát điện, các bộ phận kết nối và điều khiển hệ thống, Hình 2.

Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện và nối lưới Máy phát điện được sử dụng cho tuabin gió bao gồm máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Đối với tuabin nhỏ có công suất trung bình, máy phát nam châm vĩnh cửu và máy phát cảm ứng rotor lồng sóc thường được sử dụng vì có độ tin cậy cao và chi phí thấp. Chi phí của hệ 6 thống năng lượng gió đã tiếp tục giảm thông qua việc tăng mức độ sản xuất, sử dụng các tuabin lớn và sự phát triển của công nghệ, đặt biệt là các kỹ thuật điều khiển tuabin. Bộ phận kết nối và điều khiển được dùng để đạt được việc điều chỉnh công suất, khởi động mềm và chức năng điều khiển bám điểm công suất cực đại, bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp đến đầu ra.

Hầu hết các tuabin đều sử dụng các bộ biến đổi công suất, có thể là các bộ nghịch lưu PWM nguồn áp hoặc nguồn dòng đều có thể áp dụng cho tuabin gió cung cấp một điện áp đầu ra cố định và tần số cố định với chất lượng điện năng cao. Đối với các tuabin gió công suất cao, hiệu suất điều khiển công suất có thể đạt được với 2 bộ chuyển đổi PMW, trong đó cung cấp 2 chiều chuyển đổi công suất giữa tuabin và lưới điện. Chương này sẽ tìm hiểu về các thành phần cơ bản của tuabin gió và các kỹ thuật điều khiển tuabin gió. Tuabin gió Tuabin gió là thiết bị đầu tiên trong hệ thống và quan trọng nhất trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, có nhiệm vụ thu động năng của gió.

Trong lịch sử, tuabin gió thường được sử dụng như một thiết bị cơ khí để tạo năng lượng quay cung cấp năng lượng cho các thiết bị khác hoạt động, Hình 2. Tuabin gió sử dụng trong hệ thống bơm tích trữ nước ở thế kỷ IXX 7 Ngày nay, tuabin gió thường được sử dụng với một máy phát điện để chuyển cơ năng thành điện năng. Có 2 kiểu tuabin gió là kiểu trục đứng và trục ngang. Ngày nay, hầu hết các tuabin gió được sử dụng cấu hình kiểu trục ngang với hai hoặc ba cánh, hoạt động theo hướng gió hoặc ngược chiều gió, Hình 2.

Các dạng tuabin gió 8 2. Tuabin trục ngang Tuabin dạng trục ngang bao gồm các thành phần chính là một tháp cao, một vỏ máy trong đó bao gồm máy phát và hộp số. Tuabin loại này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, có khả năng tự khởi động (self-starting) và tiếp cận được với tốc độ gió lớn hơn nhờ sự trợ giúp độ cao của tháp. Tuy nhiên, vì cần một tháp cao và có khả năng chịu lực để chứa các thành phần bao gồm cánh quạt, máy phát, hộp số.

nên sẽ phát sinh nhiều chi phí lắp đặt và gia công trong đó bao gồm cả một dây cáp dài để truyền tải điện năng xuống mặt đất. Tuabin trục đứng Tuabin quay quanh một trục vuông góc với mặt đất. Các tuabin được gắn kết theo chiều dọc, máy phát và hợp số nằm ở vị trí dưới chân của tuabin. Vì vậy, so với tuabin kiểu trục ngang thì tuabin kiểu trục đứng tốn ít chi phí lắp đặt và bảo trì dễ dàng hơn vì máy phát và hộp số được đặt dưới đất.

Một ưu điểm khác nữa là tuabin dạng trục đứng hoạt động độc lập với hướng của gió [24]. Cánh tuabin và các thành phần kèm theo của tuabin dạng trục đứng rẽ hơn và bền hơn khi hoạt động so với dạng trục ngang. Tuy nhiên, tuabin dạng trục đứng có khuyết điểm lớn nhất là hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp bằng khoản một nữa dạng tuabin trục ngang và bị hạn chế điều chỉnh tốc độ khi có gió mạnh, không tự khởi động được và có biến động moment lớn khi có sự thay đổi nhanh của tốc độ gió [24]. Vì vậy, tuabin gió dạng trục ngang được sử dụng phổ biến hơn khi xem xét về hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Các thành phần cơ bản của một tuabin gió được mô tả như Hình 2. Các thành phần cơ bản của tuabin gió trục ngang Tuabin gió có thể được sử dụng cho các ứng dụng độc lập, hoặc kết nối với lưới điện hoặc thậm chí kết hợp với các hệ thống pin mặt trời, máy phát điện nhiên liệu hóa thạch để tạo thành hệ thống thông minh. Các hệ thống tuabin gió độc lập thường được sử dụng với mục đích bơm nước hoặc truyền thông. Ở các vùng rộng lớn và phù hợp, các tuabin gió thường được xây dựng gần nhau để tạo thành một trang trại gió có công suất lớn.

Chuyển đổi năng lượng gió Để nghiên cứu hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, đầu tiên ta phải xác định năng lượng có sẳn tích trữ trong gió. Thực tế, năng lượng gió có thể được coi là động năng của một số lượng lớn hạt không khí với tổng khối lượng m (kg), di chuyển với một tốc độ gió vw (m/s), Hình 2. 10 Giả sử rằng tất cả các hạt không khí di chuyển với cùng tốc độ và hướng đến chạm vào cánh của trubine. Khối khí m qua diện tích A với tốc độ vw Năng lượng tích trữ có sẳn trong gió dưới dạng động năng E được biểu diễn như sau: 1 E  .1) Khối lượng của khối không khí chuyển động trong khoảng thời gian t được biểu diễn như sau: m  .2) Trong đó: ρ: Mật độ không khí (kg/m3); A: Diện tích mà khối không khí quét qua tuabin gió (m2); R: Bán kính của cánh tuabin (m).

Khi ấy, động năng của khối khí được biểu diễn như sau: 1 E  .3) Công suất của gió truyền tới tuabin: E 1 Pwind    R 2vw3 t 2 (2.4) Trong đó: Pwind: Công suất tích trữ trong gió. 11 Từ biểu thức (2.4) có thể nhận thấy rằng công suất gió tỉ lệ thuận với lập phương của vận tốc gió, có nghĩa là chỉ cần một sự gia tăng nhỏ của tốc độ gió cũng dẫn đến sự gia tăng lớn ở công suất gió. Đặc tuyến biểu diễn quan hệ giữa Pwind – vwind như Hình 2. Đặc tuyến Pwind - vwind Mặc khác, có thể tăng công suất gió lên bằng cách tăng kích thước cánh quạt rotor của tuabin gió.

Đây chính là lý do càng ngày có càng nhiều tuabin lớn với công suất đến 10 MW được nghiên cứu và thực hiện. Tuy nhiên, biểu thức (2.4) cho thấy rằng công suất lớn nhất chỉ đạt được khi khối khí chảy qua toàn bộ diện tích của tuabin với bán kính R. Thực tế, chỉ có một phần công suất này được thu bởi tuabin gió. Năm 1919 nhà khoa học người Đức Albert Betz mô tả chuyển động của các khối khí khi qua tuabin, theo ý tưởng của Betz thì sau khi tác động vào các cánh quạt, vận tốc gió sẽ giảm, Hình 2.7, có nghĩa là khi qua tuabin, vẫn còn động năng trong các hạt của khối khí.

Vận tốc gió trước và sau khi qua tuabin Mối liên hệ giữa năng lượng thu được bởi tuabin gió và năng lượng của gió được biểu diễn bởi hệ số Cp gọi là hệ số công suất [25]: PTurbine Cp  Pwind (2.5) Hay hệ số Cp có thể được biểu diễn như sau: C p  c1.8) Trong đó: β: Góc nghiêng cánh của tuabin được minh họa như Hình 2.8; λ: Tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR) của tuabin; ωm: Tốc độ góc của rotor máy phát và các giá trị c1-c6 là hệ số phụ thuộc vào kiểu tuabin. 13 a) Góc cánh tuabin b) Lực nâng và lực kéo trên cánh tuabin c) Cánh tuabin với các góc cánh khác nhau Hình 2. Góc cánh tuabin gió Hình 2.8 đã chỉ ra hướng gió tác động tới tuabin như thế nào thông qua góc cánh tuabin ảnh hưởng đến lực nâng và lực kéo tuabin. Góc cánh β được định nghĩa là góc giữa hướng của cánh với hướng của gió đến cánh tuabin.

Khi β = 0, cánh sẽ bị ảnh hưởng hoàn toàn bởi vận tốc gió và tuabin sẽ bắt được công suất tối đa trong gió.