Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình, góp phần phát triển năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Nguyễn Văn Tân
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Xuân Minh
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THỰC TRẠNG SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TẠI TỈNH NINH BÌNH
• 1.1. Sự phát triển của phụ tải, định hướng phát triển quy hoạch điện tỉnh Ninh Bình
• 1.2. Thực trạng nguồn năng lượng tái tạo đang sử dụng tại khu vực tỉnh Ninh Bình
• 1.2.1. Năng lượng mặt trời
• 1.2.2. Thủy điện
• 1.3. Tìm hiểu về năng lượng gió
• 1.3.1. Sự phát triển Điện gió tại Việt Nam
• 1.3.2. Tiềm năng phát triển điện gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình
• 2. CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ ỨNG DỤNG VÀO VÙNG VEN BIỂN TỈNH NINH BÌNH
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
• 4. CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ THEO PHƯƠNG PHÁP PASSIVITY - BASED

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng năng lượng gió tại Ninh Bình

Ninh Bình, với vị trí địa lý thuận lợi và tiềm năng gió lớn, đang trở thành điểm đến lý tưởng cho việc phát triển năng lượng gió. Nghiên cứu này nhằm khám phá khả năng ứng dụng năng lượng tái tạo tại khu vực ven biển, góp phần vào sự phát triển bền vững của tỉnh.

1.1. Tình hình hiện tại về năng lượng gió tại Ninh Bình

Ninh Bình có tiềm năng lớn về năng lượng gió, với tốc độ gió trung bình hàng năm đạt mức cao. Tuy nhiên, việc khai thác vẫn còn hạn chế do thiếu cơ sở hạ tầng và chính sách hỗ trợ.

1.2. Lợi ích của việc phát triển năng lượng gió

Phát triển năng lượng gió không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn điện sạch, bền vững cho tỉnh Ninh Bình.

II. Vấn đề và thách thức trong việc ứng dụng năng lượng gió

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc ứng dụng năng lượng gió tại Ninh Bình cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư cao, thiếu hụt công nghệ và chính sách hỗ trợ là những rào cản lớn.

2.1. Chi phí đầu tư và công nghệ

Chi phí đầu tư cho các dự án năng lượng gió thường cao, trong khi công nghệ hiện tại chưa đủ phát triển để tối ưu hóa hiệu suất.

2.2. Chính sách và hỗ trợ từ chính phủ

Chính sách hỗ trợ cho năng lượng tái tạo tại Việt Nam còn nhiều hạn chế, cần có sự cải cách để khuyến khích đầu tư vào lĩnh vực này.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp chính cho năng lượng gió

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích và mô phỏng để đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại Ninh Bình. Các giải pháp được đề xuất nhằm tối ưu hóa việc khai thác nguồn năng lượng này.

3.1. Phân tích tiềm năng gió tại khu vực ven biển

Sử dụng dữ liệu khí tượng để phân tích tiềm năng gió, từ đó xác định vị trí lắp đặt các tua-bin gió hiệu quả nhất.

3.2. Mô phỏng hệ thống phát điện gió

Mô phỏng hệ thống phát điện gió bằng phần mềm Matlab/Simulink để đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu năng lượng gió

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng năng lượng gió tại Ninh Bình có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường. Các mô hình phát điện gió đã được thử nghiệm và cho kết quả khả quan.

4.1. Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống phát điện gió có thể cung cấp một phần đáng kể điện năng cho lưới điện tỉnh Ninh Bình.

4.2. Ứng dụng thực tiễn tại Ninh Bình

Các dự án năng lượng gió đã được triển khai tại một số khu vực ven biển, góp phần vào việc phát triển bền vững của tỉnh.

V. Kết luận và tương lai của năng lượng gió tại Ninh Bình

Nghiên cứu khẳng định tiềm năng lớn của năng lượng gió tại Ninh Bình. Cần có các chính sách hỗ trợ và đầu tư để phát triển bền vững nguồn năng lượng này trong tương lai.

5.1. Tương lai của năng lượng gió tại Ninh Bình

Với sự phát triển của công nghệ và chính sách hỗ trợ, năng lượng gió có thể trở thành nguồn năng lượng chính tại Ninh Bình trong tương lai.

5.2. Khuyến nghị cho các nhà đầu tư

Các nhà đầu tư cần xem xét tiềm năng và lợi ích của năng lượng gió để đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tốc độ tăng trưởng nhu cầu điện năng tại tỉnh Ninh Bình trong giai đoạn 2016-2019 luôn duy trì ở mức cao từ 6% đến 12%/năm, đặt ra thách thức lớn đối với hạ tầng lưới điện khu vực. Nguồn cung cấp điện trên địa bàn tỉnh thời gian qua chủ yếu phụ thuộc vào một nhà máy nhiệt điện truyền thống có tổng công suất 100 MW cùng nguồn điện truyền tải từ xa của các nhà máy thủy điện Hòa Bình và Sơn La thông qua trạm biến áp 500kV Nho Quan công suất 1500 MVA. Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch không chỉ đối mặt với nguy cơ cạn kiệt tài nguyên mà còn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong khi đó, dải ven biển Ninh Bình sở hữu nguồn tài nguyên gió tự nhiên dồi dào nhưng chưa được khai thác tương xứng.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Nguyễn Văn Tân, do PGS. Trần Xuân Minh hướng dẫn tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên (năm 2020), giải quyết bài toán cấp thiết về việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo tại địa phương. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá tiềm năng gió ven biển Ninh Bình dựa trên chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2010-2015, lựa chọn cấu hình máy phát điện không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) và thiết kế thuật toán điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity-Based Control - PBC). Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm 67% chi phí đầu tư bộ biến đổi công suất và đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, liên tục trong dải tốc độ gió từ 2,0 m/s đến 17,0 m/s.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa các nền tảng lý thuyết kỹ thuật điện và lý thuyết điều khiển tự động hiện đại:

• Lý thuyết khí động học tuabin gió: Xác định mối quan hệ giữa công suất cơ học trích xuất từ gió với vận tốc gió, góc xoay cánh pitch và tốc độ góc quay của rotor, tuân theo giới hạn Betz với hệ số công suất cực đại đạt giá trị 0,593 (tức 59,3%).
• Lý thuyết máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG): Mô hình hóa động học máy điện trên hệ tọa độ tựa từ thông và điện áp lưới dq, cho phép tách biệt kênh điều khiển công suất tác dụng P qua thành phần dòng rotor trục d và công suất phản kháng Q qua thành phần dòng rotor trục q.
• Lý thuyết điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (PBC): Dựa trên phương trình vi phân Euler-Lagrange và hàm tích lũy năng lượng, phương pháp này tận dụng đặc tính thụ động tự nhiên của hệ thống để thiết kế các luật điều khiển kháng nhiễu mà không cần tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.
• Nguyên lý điều chế vector không gian (SVPWM) và cơ chế bảo vệ sự cố lưới: Cung cấp giải pháp điều khiển đóng cắt nghịch lưu hai chiều kết hợp bộ chuyển mạch stator switch và điện trở crowbar nhằm dập tắt dòng quá độ rotor khi xảy ra ngắn mạch.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài sử dụng chuỗi số liệu đo đạc khí tượng tại vùng ven biển tỉnh Ninh Bình với cỡ mẫu gồm 60 tháng quan sát liên tục trong giai đoạn 2010-2015. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật thu thập dữ liệu theo chu kỳ phân tầng 12 tháng tại các trạm khí tượng ven biển, phản ánh đầy đủ đặc trưng vận tốc gió trung bình, gió thịnh hành và gió giật cực đại qua bốn mùa. Dữ liệu hiện trạng lưới điện được trích xuất từ quy hoạch phát triển điện lực tỉnh theo Quyết định số 1235/QĐ-BCT với hệ thống trạm 110/220/500kV có tổng dung lượng máy biến áp vượt 2812,5 MVA.

Phương pháp phân tích trọng tâm là mô hình hóa toán học phi tuyến kết hợp mô phỏng số trên môi trường phần mềm Matlab/Simulink. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì mô hình DFIG mang bản chất phi tuyến bậc cao; các phương pháp điều khiển tuyến tính PI truyền thống thường bỏ qua sự biến thiên nhanh của tần số góc rotor và sụt áp lưới, dẫn đến sai số lớn khi có sự cố. Chu kỳ trích mẫu trong mô hình gián đoạn được thiết lập dưới 400 micro-giây nhằm đảm bảo độ chính xác khi xấp xỉ phần tử tuyến tính. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline chặt chẽ trong 6 tháng, chia đều cho các giai đoạn từ khảo sát tiềm năng, lập mô hình toán, thiết kế giải thuật đến mô phỏng kiểm chứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả định lượng và kỹ thuật quan trọng:

• Tiềm năng gió ven biển Ninh Bình có tính quy luật ổn định: Vận tốc gió trung bình các tháng dao động từ 2,0 m/s (tháng 1) đến 4,0 m/s (tháng 7); vận tốc gió thịnh hành phổ biến từ 2,5 m/s đến 5,6 m/s. Đáng chú ý, tốc độ gió cực đại đạt từ 10 m/s đến 17 m/s vào các tháng 6, 7 và 9, hoàn toàn phù hợp để vận hành tuabin phát điện thương mại quy mô vừa và nhỏ.
• Cấu hình DFIG mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội: Bộ biến đổi công suất lắp đặt phía rotor chỉ cần định mức bằng khoảng 1/3 (tương đương 33,3%) công suất định mức của máy phát điện. Điều này giúp giảm 66,7% dung lượng van bán dẫn so với các hệ thống máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng biến tần toàn phần.
• Dải điều chỉnh tốc độ rotor rộng: Hệ thống DFIG cho phép máy điện làm việc linh hoạt trong dải biến thiên tốc độ cộng trừ 30% quanh tốc độ đồng bộ, giúp tối ưu hóa hệ số công suất của tuabin khi tốc độ gió dao động liên tục.
• Hiệu năng vượt trội của bộ điều khiển PBC: Khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha ở xa làm sụt giảm điện áp lưới, bộ điều khiển PBC thích nghi nhanh chóng thông qua hệ số suy giảm phản ứng theo tần số góc rotor, giúp dòng điện rotor ổn định nhanh hơn và triệt tiêu dao động mô men so với phương pháp điều khiển tuyến tính thông thường.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu nghiên cứu chứng minh tính bổ trợ hoàn hảo giữa nguồn điện gió và nhu cầu phụ tải của Ninh Bình. Vào mùa hè, nhu cầu tiêu thụ điện cho sinh hoạt và du lịch tăng cao tới 12%/năm, trong khi bức xạ mặt trời khu vực phía Bắc chỉ đạt trung bình 1.100 giờ nắng/năm (thấp hơn nhiều so với mức trên 2.000 giờ nắng tại miền Nam). Đúng vào thời điểm này, vận tốc gió ven biển Ninh Bình lại đạt mức cao nhất trong năm (lên tới 15 m/s - 17 m/s), tạo điều kiện phát huy tối đa công suất tuabin gió.

Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa rất hiệu quả thông qua biểu đồ phân bố vận tốc gió 12 tháng trong năm kết hợp cùng bảng so sánh tham số động học dòng rotor và mô men điện từ. Khi so sánh với các nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển PI tuyến tính, giải pháp PBC khắc phục triệt để nhược điểm xem từ thông stator là hằng số. Nhờ vậy, hệ thống không chỉ thực hiện phân ly hoàn hảo công suất tác dụng và phản kháng ở trạng thái xác lập, mà còn duy trì khả năng bám lưới và bơm công suất phản kháng để hỗ trợ phục hồi điện áp khi hệ thống điện gặp sự cố.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa việc ứng dụng hệ thống điện gió tại Ninh Bình, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt:

• Tích hợp vùng phát triển điện gió vào Quy hoạch tỉnh Ninh Bình và Quy hoạch điện VIII: Ủy ban nhân dân tỉnh Ninh Bình cùng Sở Công Thương cần triển khai khảo sát địa hình chi tiết tại vùng bãi bồi ven biển huyện Kim Sơn trong giai đoạn 2021-2025, hướng tới mục tiêu phát triển trang trại điện gió với công suất lắp đặt mục tiêu từ 50 MW đến 100 MW vào năm 2030.
• Triển khai thuật toán điều khiển phi tuyến PBC trên các trạm biến tần thực tế: Các doanh nghiệp sản xuất và tích hợp hệ thống năng lượng tái tạo cần ứng dụng luật điều khiển tựa theo thụ động cho bộ nghịch lưu phía máy phát và phía lưới, đảm bảo thời gian xử lý vi điều khiển dưới 400 micro-giây để duy trì độ ổn định khi tần số lưới biến động trong phạm vi cộng trừ 30% tốc độ đồng bộ.
• Hiện đại hóa lưới điện truyền tải và phân phối khu vực ven biển: Công ty Điện lực Ninh Bình và Tổng công ty Điện lực miền Bắc cần tập trung nguồn lực xây mới 8 trạm và nâng công suất 6 trạm biến áp 110kV theo Quyết định số 1235/QĐ-BCT trong lộ trình 2021-2025, nâng tổng công suất định mức lưới 110kV vượt mốc 812,5 MVA hiện hữu để đảm bảo khả năng giải tỏa công suất nguồn điện gió.
• Xây dựng cơ chế ưu đãi đầu tư và huy động vốn xã hội hóa: Bộ Công Thương cùng các cơ quan quản lý cần ban hành khung giá mua điện gió linh hoạt và các chính sách miễn giảm thuế đất cho các dự án điện gió ven bờ quy mô từ 20 MW đến 50 MW trước năm 2028, giảm thiểu áp lực phát thải từ nhà máy nhiệt điện 100 MW hiện tại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu học tập chuyên sâu về mô hình toán học máy điện DFIG, kỹ thuật định hướng trường theo điện áp lưới dq và phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến Euler-Lagrange.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành nhà máy điện gió: Khai thác cấu trúc mô phỏng trên Matlab/Simulink để tối ưu hóa việc phân ly công suất tác dụng - phản kháng và tính toán thông số mạch bảo vệ stator switch/crowbar cho các tổ máy tuabin từ 1,5 MW đến 2,5 MW.
• Cán bộ quản lý quy hoạch năng lượng và cơ quan quản lý nhà nước: Tham khảo số liệu khí tượng gió 2010-2015 cùng bức tranh phụ tải điện lực Ninh Bình giai đoạn 2016-2035 để xây dựng chính sách thu hút đầu tư năng lượng sạch tại địa phương.
• Các nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án năng lượng tái tạo: Ứng dụng bài toán so sánh kinh tế - kỹ thuật của hệ thống DFIG nhằm giảm 67% chi phí bộ biến đổi để lập báo cáo tiền khả thi cho các dự án phong điện ven biển miền Bắc.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) lại là lựa chọn tối ưu cho hệ thống điện gió ven biển? Máy phát DFIG có ưu thế vượt trội về mặt kinh tế khi bộ biến đổi nối rotor chỉ cần chịu tải khoảng 1/3 (tương đương 33%) tổng công suất máy phát, giúp hạ giá thành linh kiện bán dẫn tới 67% so với hệ thống biến tần toàn phần. Đồng thời, DFIG cho phép mở rộng dải tốc độ làm việc linh hoạt trong khoảng cộng trừ 30% tốc độ đồng bộ.

Tiềm năng gió tại ven biển Ninh Bình có đáp ứng được yêu cầu phát điện công nghiệp không? Dữ liệu quan trắc 5 năm cho thấy vận tốc gió trung bình hàng tháng đạt từ 2,0 m/s đến 4,0 m/s và cực đại đạt từ 10 m/s đến 17 m/s (tương đương gió cấp 5 đến cấp 7). Sức gió này rất ổn định qua các mùa và đạt đỉnh vào mùa hè, hoàn toàn đáp ứng tốt điều kiện kỹ thuật để xây dựng các trạm phát điện gió công suất vừa và nhỏ.

Ưu điểm nổi bật của thuật toán điều khiển Passivity-Based (PBC) so với điều khiển tuyến tính PI là gì? Thuật toán PBC dựa trên mô hình hàm năng lượng phi tuyến Euler-Lagrange, không giả định từ thông stator và tần số góc rotor là hằng số. Nhờ hệ số suy giảm thích nghi theo biến thiên tốc độ, PBC duy trì chất lượng bám dòng điện rất cao và chống chịu tốt khi lưới điện xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha.

Làm thế nào để hệ thống DFIG kiểm soát độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng? Bằng kỹ thuật định hướng vector theo điện áp lưới trên hệ tọa độ dq, dòng điện rotor được phân tách thành hai thành phần trực giao: Dòng ird chịu trách nhiệm điều khiển mô men điện từ và công suất tác dụng P, trong khi dòng irq kiểm soát điện áp và công suất phản kháng Q với chu kỳ trích mẫu vi xử lý dưới 400 micro-giây.

Bộ biến đổi công suất phía rotor được bảo vệ như thế nào khi lưới điện gặp sự cố ngắn mạch nghiêm trọng? Hệ thống sử dụng bộ chuyển mạch stator switch hoặc điện trở bảo vệ crowbar. Khi dòng quá độ vượt quá ngưỡng định mức của van bán dẫn, mạch bảo vệ sẽ tự động rẽ dòng ngắn mạch hoặc ngắt stator tạm thời, sau đó thực hiện tái hòa đồng bộ máy phát vào lưới khi biên độ dòng điện trở lại mức an toàn.

Kết luận

• Đánh giá toàn diện tiềm năng năng lượng gió dải ven biển Ninh Bình qua chuỗi dữ liệu 5 năm với tốc độ gió cực đại đạt 17 m/s vào mùa hè.
• Lựa chọn tối ưu cấu hình máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) giúp tiết giảm tới 67% dung lượng bộ biến tần phía rotor.
• Xây dựng thành công mô hình toán học không gian trạng thái phi tuyến của DFIG trên hệ tọa độ tựa hướng điện áp lưới dq.
• Thiết kế hoàn chỉnh thuật toán điều khiển Passivity-Based (PBC) giúp phân ly độc lập hai kênh công suất P-Q và kháng nhiễu khi lưới sụt áp.
• Đề xuất giải pháp tích hợp nguồn điện gió vào quy hoạch năng lượng tỉnh Ninh Bình giai đoạn 2021-2030 với công suất đặt mục tiêu 50 MW - 100 MW.

Đóng góp chính của luận văn là đã hoàn thiện cơ sở khoa học và giải thuật điều khiển phi tuyến hiện đại cho hệ thống phát điện sức gió DFIG thích ứng với điều kiện khí hậu ven biển Ninh Bình. Trong vòng 12 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo là triển khai thực nghiệm giải thuật PBC trên bộ xử lý tín hiệu số DSP chuyên dụng và tuabin thực tế. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm hãy tiếp cận toàn văn công trình cùng mô hình mô phỏng Simulink để ứng dụng trực tiếp vào các dự án năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 Sự phát triển năng lượng sạch (năng lượng tái tạo) nói chung và năng lượng gió nói riêng được đánh giá là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội, năng lượng gió giúp phân tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng. Từ việc tìm hiểu về tiềm năng gió trên địa bàn ven biển tỉnh Ninh Bình cho thấy sức gió cả bốn mùa không chênh lệch nhau nhiều, vì vậy nếu sử năng lượng gió để phát điện thì nguồn năng lượng này khá ổn định và sẽ góp phần cải tạo môi trường. Vì vậy đề tài sẽ nghiên cứu một phần trong cấu trúc tổng thể của hệ thống phát điện sức gió để góp phần vào việc phát triển loại hình năng lượng này trên địa bàn tỉnh Ninh Bình. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 19 Luận văn thạc sỹ CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ ỨNG DỤNG VÀO VÙNG VEN BIỂN TỈNH NINH BÌNH 2.

Khái quát về hệ thống năng lượng gió và lựa chọn đối tượng điều khiển Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các turbine gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình 2. Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng trăm MW. Do đặc thù thời tiết ở Việt nam làm cho lưới điện dễ mất ổn định, dễ xẩy ra sự cố nên đề tài quan tâm nhiều đến xây dựng thuật toán điều khiển đảm bảo công suất phát ra của hệ thống được lớn nhất, bám lưới khi xảy ra sự cố.1: Hình ảnh một hệ thống điện gió trên biển (Wind farm) Hiện nay các nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MF) điện sức gió với 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có những ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mô Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 20 Luận văn thạc sỹ men xoắn lớn nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí thấp và có tốc độ gió nhỏ dẫn đến thường có công suất vừa và nhỏ.

Với turbine kiểu trục ngang sẽ khắc phục được nhược điểm trên của turbine trục đứng nhưng nhược điểm là chi phí xây dựng lắp đặt cao. Chính vì vậy tùy vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp. Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sức gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy phát điện sức gió hiện nay như hình 2. Hệ thống phát điện sức gió Máy phát một chiều Máy phát xoay chiều Máy phát xoay chiều 1 pha Máy phát xoay chiều 3 pha Máy phát đồng bộ kích Máy phát không thích vĩnh cửu (hình 1.3) đồng bộ Máy phát không Máy phát không đồng đồng bộ 3 pha bộ 3 pha nguồn kép rotor lồng sóc (hình 2.2: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tế Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lòng sóc như hình 3.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 21 Luận văn thạc sỹ Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép như hình 2. Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MDBNK) đang được quan tâm nghiên cứu vì một số những đặc điểm sau: Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 22 Luận văn thạc sỹ - Từ hình 2.4 cho thấy thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện như vậy sẽ hạ được giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác [13]. - Có ý nghĩa về mặt khoa học vì nó khó điều khiển. - Ngoài ra MDBNK có thể hoạt động với dải tốc độ trong phạm vi khá rộng cỡ  30% tốc độ đồng bộ, cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió vốn hay thay đổi trong phạm vi rộng.

Tuy nhiên cần lưu ý khi hệ thống làm việc không được để xảy ra MDBNK chạy ở tốc độ đồng bộ bằng cách điều khiển cánh turbine làm lệch tốc độ đồng bộ (vì nếu làm việc ở chế độ đồng bộ các đại lượng dòng, áp trong rotor lúc đó trở thành đại lượng 1 chiều sẽ gây nguy hiểm phá hỏng thiết bị). Nguyên lý hoạt động của MDBNK được mô tả trên sơ đồ hình 1. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 23 Luận văn thạc sỹ Với ý nghĩa về mặt khoa học và kinh tế, kỹ thuật như trên, hiện nay đã có nhiều nghiên cứu đưa ra các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MDBNK với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến, được thể hiện như hình 2.6 cho thấy, có rất nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu để điều khiển máy phát điện sức gió dùng máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

Qua tìm hiểu về các hệ thống phát điện sức gió sử dụng các loại máy phát khác nhau, có thể thấy máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép có một số ưu thế, đặc biệt là công suất thiết bị biến đổi là nhỏ nhất (chỉ cỡ 1/3 công suất của máy phát). Với lý do đó, tác giả quyết định lựa chọn hệ thống hệ thống phát điện sức gió dùng MDBNK để thiết kế điều khiển. Nguyên lý điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MDBNK Hiện nay nguyên lý điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MDBNK, có hai loại: Hệ thống sử dụng Crowbar (hình 2.7) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 2.8): Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 24 Luận văn thạc sỹ Hình 2.7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng Crowbar Hình 2.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 25 Luận văn thạc sỹ Các hệ thống này được điều khiển dựa trên các điều khiển thành phần: - Điều khiển turbine. - Điều khiển vector.

- Điều khiển crowbar hoặc stator switch. Điều khiển turbine - Công suất của turbine gió Công suất của turbine gió được tính theo công thức [7], [12], [17], [18]: 1 Ptb  tb Rcg2 vgm 3 Ctb (2.1) 2 Trong đó: tb là mật độ không khí (kg/m3); Rcg là bán kính của cánh gió (m); vgm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s); Ctb là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hình học của turbine gió và được xác định theo biểu thức: Ctb  f (  p ,tb ) (2.2) Với p là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của cánh gió và được gọi là góc pitch, tb là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc quay của turbine tb và tốc độ gió vgm: tb( t ) Rcg tb  (2.3) vgm( t ) Cần lưu ý, theo tài liệu số [12] thì giá trị cực đại của Ctb là 0,593 và còn được gọi là giới hạn Betz.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc vào cấu trúc của turbine gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của turbine. Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước thì công suất của một turbine gió còn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa. - Phương pháp điều khiển Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì công suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trang 26 Luận văn thạc sỹ turbine là cực đại, khi đó cần phải đảm bảo giá trị của hệ số Ctb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió lớn nhất cho phép.

Ứng với tốc độ gió mà ở đó công suất của máy phát đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine. Ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của turbine thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho turbine không quay. Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục rotor của MDBNK thông qua một hộp số) phải được thể hiện ở công thức (2.9 biểu diễn mối quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau.9: Quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau Trên hình 1.9 với đường đặc tính công suất tối ưu của turbine được thể hiện bằng nét đậm và được diễn giải như sau [12]: - Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của turbine gió được điều chỉnh sao cho Ctb đạt được giá trị tối ưu để công suất biến đổi từ năng lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất. Vùng làm việc như vậy gọi là vùng công suất tối ưu.