Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất trên thế giới, với tổng công suất lắp đặt toàn cầu đạt khoảng 283 GW vào năm 2012 và dự báo có thể đạt tới 2000 GW vào năm 2030. Ở Việt Nam, tiềm năng năng lượng gió được đánh giá rất lớn, đặc biệt tại các khu vực ven biển và cao nguyên miền Nam Trung Bộ và Nam Bộ, với vận tốc gió trung bình từ 5 đến trên 9 m/s ở độ cao 80 m so với mặt đất. Chính phủ Việt Nam đã xác định năng lượng gió là lĩnh vực trọng tâm trong chiến lược phát triển năng lượng tái tạo giai đoạn 2010-2020 nhằm bổ sung nguồn điện xanh, bền vững.

Luận văn tập trung nghiên cứu và so sánh hai phương pháp điều khiển độc lập công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phương pháp định hướng từ thông stator (SFOC). Mục tiêu chính là xây dựng và mô phỏng thuật toán điều khiển P-Q với và không sử dụng cảm biến tốc độ encoder, đồng thời chứng minh tính tương đương của hai phương pháp này. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình máy phát gió công suất 2.3 MW trong môi trường Matlab/Simulink, với phạm vi thời gian từ tháng 7/2014 đến tháng 5/2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp điều khiển máy phát điện gió hiệu quả, giảm chi phí thiết bị cảm biến, đồng thời nâng cao độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống điện gió trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam và khu vực.

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 chuyển đổi hệ quy chiếu (Park Transformation): Giúp chuyển đổi các đại lượng điện áp, dòng điện từ hệ ba pha sang hệ hai pha và hệ quay dq, thuận tiện cho việc điều khiển vector trong máy điện không đồng bộ.

  • Mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG): Mô tả chi tiết các phương trình điện áp, dòng điện, từ thông và moment điện từ trong hệ quy chiếu quay dq, cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng.

  • Phương pháp điều khiển định hướng từ thông stator (SFOC): Phương pháp điều khiển vector dựa trên định hướng từ thông stator, tương tự như điều khiển máy điện một chiều kích từ độc lập, giúp tách riêng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng.

  • Khái niệm công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q): Là các đại lượng quan trọng trong vận hành và điều khiển máy phát điện gió, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng và hiệu suất hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink, với mô hình máy phát điện gió DFIG công suất 2.3 MW. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình mô phỏng chi tiết, được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế của máy phát và turbine gió.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học và mô hình điều khiển DFIG theo phương pháp SFOC có sử dụng encoder (cảm biến tốc độ) và không sử dụng encoder (sensorless).

  • Thực hiện mô phỏng các trường hợp vận hành với vận tốc gió cố định và thay đổi, thu thập dữ liệu công suất tác dụng và phản kháng.

  • So sánh kết quả điều khiển giữa hai phương pháp dựa trên các chỉ số như độ chính xác, ổn định và khả năng đáp ứng.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2014 đến tháng 5/2015, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển P-Q với encoder: Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp SFOC sử dụng encoder đạt độ chính xác cao trong việc điều khiển công suất tác dụng và phản kháng, với sai số dưới 2% trong điều kiện vận tốc gió thay đổi. Ví dụ, công suất tác dụng Ps được điều khiển ổn định quanh giá trị định mức 2.3 MW khi vận tốc gió thay đổi từ 7 m/s đến 12 m/s.

  2. Phương pháp không sử dụng encoder vẫn đạt kết quả tương đương: Thuật toán sensorless cho phép điều khiển độc lập P-Q mà không cần cảm biến tốc độ, giảm chi phí và độ phức tạp hệ thống. Sai số công suất tác dụng và phản kháng so với phương pháp có encoder chỉ khoảng 3%, thể hiện qua các biểu đồ mô phỏng.

  3. Ổn định hệ thống trong điều kiện vận tốc gió thay đổi: Cả hai phương pháp đều duy trì được sự ổn định của máy phát trong các kịch bản vận tốc gió thay đổi đột ngột, với thời gian đáp ứng dưới 0.1 giây, đảm bảo chất lượng điện năng.

  4. So sánh chi tiết công suất P và Q: Bảng so sánh cho thấy công suất tác dụng Ps và công suất phản kháng Qs ở trạng thái xác lập trong điều kiện vận tốc gió không đổi và thay đổi có sự chênh lệch rất nhỏ giữa hai phương pháp, dưới 5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự tương đương giữa hai phương pháp là do thuật toán sensorless tận dụng tốt mô hình toán học và các đại lượng điện áp, dòng điện để ước lượng tốc độ rotor thay thế cho cảm biến encoder. Điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực điều khiển máy phát điện gió, cho thấy khả năng giảm thiểu phần cứng mà vẫn đảm bảo hiệu suất.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ thời gian thực của công suất tác dụng và phản kháng, cũng như bảng so sánh sai số giữa hai phương pháp. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và tính khả thi của thuật toán sensorless trong thực tế.

Ý nghĩa của nghiên cứu là mở ra hướng phát triển các hệ thống điều khiển máy phát điện gió đơn giản, tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam và các nước đang phát triển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thử nghiệm thực tế thuật toán sensorless: Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp điện gió tiến hành thử nghiệm trên mô hình thực tế hoặc hệ thống thử nghiệm để đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp không sử dụng encoder trong điều kiện vận hành thực tế.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp: Đề xuất xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp thuật toán SFOC sensorless, tối ưu hóa cho các bộ biến tần và hệ thống điều khiển hiện có, nhằm giảm chi phí đầu tư và bảo trì.

  3. Nâng cao độ chính xác ước lượng tốc độ rotor: Khuyến nghị nghiên cứu thêm các thuật toán ước lượng tốc độ rotor nâng cao, kết hợp với các cảm biến khác như cảm biến dòng điện hoặc điện áp để cải thiện độ chính xác và ổn định điều khiển.

  4. Mở rộng nghiên cứu cho các công suất máy phát khác: Đề xuất áp dụng và điều chỉnh thuật toán cho các máy phát điện gió có công suất khác nhau, đặc biệt là các hệ thống công suất lớn hơn hoặc nhỏ hơn 2.3 MW, nhằm đa dạng hóa ứng dụng.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm tiếp theo, phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp điện gió.

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 và điều khiển máy phát điện gió DFIG, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành năng lượng tái tạo: Các kỹ sư vận hành và thiết kế hệ thống điện gió có thể áp dụng thuật toán điều khiển độc lập P-Q để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí bảo trì.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt thiết bị điện gió: Thông tin về phương pháp điều khiển sensorless giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm biến tần và bộ điều khiển phù hợp với xu hướng công nghệ mới, tăng tính cạnh tranh.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và khuyến khích áp dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến trong phát triển năng lượng gió, góp phần vào chiến lược phát triển năng lượng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điều khiển SFOC là gì và tại sao được sử dụng cho DFIG?
    SFOC là phương pháp điều khiển vector định hướng từ thông stator, giúp tách riêng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng. Phương pháp này phù hợp với DFIG vì cho phép điều khiển chính xác và độc lập hai loại công suất, nâng cao hiệu suất máy phát.

  2. Ưu điểm của phương pháp không sử dụng encoder so với có encoder?
    Phương pháp sensorless giảm chi phí đầu tư và bảo trì do không cần cảm biến tốc độ, đồng thời giảm độ phức tạp hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả điều khiển gần tương đương với phương pháp có encoder.

  3. Phương pháp nghiên cứu sử dụng mô hình nào để mô phỏng?
    Nghiên cứu sử dụng mô hình máy phát điện gió DFIG công suất 2.3 MW được xây dựng trong môi trường Matlab/Simulink, mô phỏng các điều kiện vận hành với và không có cảm biến encoder.

  4. Phạm vi áp dụng của thuật toán điều khiển này?
    Thuật toán phù hợp với các hệ thống máy phát điện gió sử dụng DFIG, đặc biệt trong các dự án có yêu cầu giảm chi phí thiết bị và tăng độ tin cậy, có thể mở rộng cho các công suất máy phát khác nhau.

  5. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả điều khiển P-Q trong nghiên cứu?
    Hiệu quả được đánh giá qua sai số giữa công suất tác dụng và phản kháng thực tế so với giá trị lệnh, thời gian đáp ứng khi vận tốc gió thay đổi, và sự ổn định của hệ thống trong các kịch bản mô phỏng.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình và thuật toán điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng của máy phát điện gió DFIG bằng phương pháp SFOC với và không sử dụng encoder.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy hai phương pháp đạt hiệu quả tương đương, với sai số công suất dưới 5% và thời gian đáp ứng nhanh, đảm bảo ổn định hệ thống.
  • Phương pháp sensorless mở ra hướng phát triển các hệ thống điều khiển máy phát điện gió tiết kiệm chi phí và đơn giản hơn, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai thử nghiệm thực tế và phát triển phần mềm điều khiển tích hợp trong vòng 1-2 năm tới để ứng dụng rộng rãi.
  • Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm thúc đẩy phát triển bền vững năng lượng gió.