ĐẶT VẤN ĐỀ I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Năng lượng là nhu cầu không thể thiếu đối với nhân loại, năng lượng được sử d ng trong tất cả các lĩnh vực để ph c v cuộc sống của con người từ sinh hoạt, vui chơi giải trí, công nghiệp, nông nghiệp, y học,… Trải qua những thời đại khác nhau nguồn năng lượng chính được khai thác và sử d ng cũng khác nhau; từ xa xưa khi chưa có nền công nghiệp, nhu cầu cuộc sống chỉ đơn giản là các bữa ăn trong ngày thì nguồn năng lượng chính được sử d ng chỉ là thân cây cối, củi khô,. Thời gian dần trôi, kiến thức khoa học phát triển, nhu cầu của nhân loại tăng lên thì các nguồn năng lượng chính được khai thác cũng thay đổi như: than đá, dầu khí (gọi chung là năng lượng hóa thạch), năng lượng hạt nhân,…, ra đời và được sử d ng ph c v cho cuộc sống. Năng lượng cần thiết đến mức con người luôn sử d ng cùng lúc tất cả các nguồn năng lượng có thể khai thác và sử d ng được.
Tuy nhiên, có những nguồn năng lượng bên cạnh mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại thì còn mang lại nhiều rủi ro nguy hiểm, ví d , năng lượng hạt nhân chẳng hạn, cho đến nay nhân loại chưa có gì đảm bảo 100% an toàn khi sử d ng nguồn năng lượng này. Trong thời đại cận đại và hiện đại, nguồn năng lượng hóa thạch đóng vai trò chủ yếu với lý do dễ khai thác và sẵn có trong lớp vỏ quả đất. Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và khi sử d ng làm ảnh hưởng đến môi trường, gây nên hiệu ứng nhà kính. Ngành năng lượng xanh (hay còn được gọi là năng lượng tái tạo) như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đã được hình thành trong nhiều thập niên qua; viễn cảnh sẽ được phát triển và khai thác mạnh mẽ để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch.
Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển điện gió. Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất nên việc lắp ráp rẻ hơn cũng như việc điều khiển các máy phát điện gió được dễ dàng. Thực tế cho thấy, tình hình khai thác năng lượng gió chưa xứng tầm với tiềm năng gió Việt Nam hiện có, và việc khai thác tốt tiềm năng này để ph c v cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết. 2 Với các lý do trên, Học viên muốn nghiên cứu “Tìm Điểm Công Suất Cực Đại Cho Máy Phát Điện Gió – Máy Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Bằng Phương Pháp P&O” cho luận văn Thạc sĩ của mình.
MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI Sử d ng phần mềm Simulink Matlab và thuật toán điều khiển P&O (quan sát và nhiễu loạn) để tìm điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống máy phát điện gió - máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Đ I TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U Đối tượng: Tìm điểm phát công suất cực đại cho hệ thống máy phát gió bằng thuật toán P&O; hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sơ đồ khối như trong hình 1. Tất cả các khối sẽ được phân tích và thành lập hệ phương trình động, mô hình mô phỏng cho hệ phương trình động sẽ được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab. Các thông số trong bộ điều khiển sẽ được chọn lựa bằng lập luận, bằng thống kê hoặc bằng phương pháp thử và sai để có được đặc tính ngõ ra như mong muốn khi các thông số ngõ vào được thay đổi một cách ngẫu nhiên trong phạm vi cho phép.
Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát PMSG và thuật toán P&O Phương pháp nghiên cứu: - Xây dựng mô hình toán học dựa vào phương trình động (phương trình vi phân) của từng khối (hình 1) trong hệ thống: Phương trình khí động học của gió Khối Turbine: Mô tả mối quan hệ giữa công suất gió, cánh quạt (bao hàm cả kích thước và hình dạng) và mật độ không khí,. 3 Khối PMSG: Là mô hình toán học của máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Khối biến đổi điện áp AC/DC; DC/DC và DC/AC: Mô hình toán học của từng bộ điện tử công suất được trình bày và mô phỏng lại dựa vào phần mềm Simulink Matlab. Giải thuật quan sát và nhiễu loạn (P&O) được trình bày và mô phỏng trong khối Giải thuật P&O.
- Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của từng khối: Các khối sau khi được mô phỏng sẽ được kiểm tra tính đúng đắn dựa vào dạng đáp ứng quá độ (so sánh với cơ sở lý thuyết hoặc tài liệu tham khảo); giá trị vào ra khi hệ thống ở trạng thái xác lập (đáp ứng trong thời gian dài). - Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của cả hệ thống: Sau khi từng khối được kiểm tra tính đúng đắn, chúng sẽ được kết nối vào thành một hệ thống. Để kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống luận văn đề xuất phương pháp như sau: Tiêu chí đánh giá là giá trị công suất truyền từ máy phát đến tải. Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính gió không đổi: Thay đổi tải, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty cycle là hằng số) P&O.
Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải không đổi: Thay đổi đặc tính gió, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty cycle là hằng số) P&O. Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải và đặc tính gió thay đổi ngẫu nhiên (không đồng thời): So sánh kết quả với khi có sử d ng thuật toán với lý thuyết công suất cực đại lý thuyết (thông qua tính toán) của máy phát với từng trường hợp năng lượng gió ngõ vào. - Toàn bộ quá trình trình bày trên được thực hiện và kiểm tra nhờ vào phần mềm mô phỏng Simulink Matlab. KẾT QUẢ D KIẾN - Mô hình động hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.
- Sử d ng thuật toán P&O để tìm điểm phát công suất cực đại. - Đánh giá đáp ứng của hệ thống khi thông số ngõ vào thay đổi. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TI N CỦA ĐỀ TÀI Với sự khát khao học hỏi, và khát khao cùng với giới khoa học trong nước nghiên cứu nắm bắt được công nghệ hiện đại, học viên chọn đề tài “Tìm Điểm Công Suất Cực Đại Cho Máy Phát Điện Gió – Máy Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Bằng Phương Pháp P&O” với tính mới không cao, nhưng học viên hy vọng luận văn sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích cho những khóa học sau. Riêng bản thân học viên cũng sẽ học hỏi được nhiều điều bổ ích cho bản thân.
5 PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá thì nhu cầu năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước. Vấn đề đặt ra là phát triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi trường và cảnh quang thiên nhiên. Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ, khí đốt… ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính. Để giảm thiểu những vấn đề trên ta cần phải tìm nguồn năng lượng thay thế đó là năng lượng tái tạo, năng lượng sạch; từ đó có thể giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình kinh tế, an ninh chính trị quốc gia.
Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề về năng lượng để phát triển. Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử d ng năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng gió. Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được ưu tiên đầu tư và phát triển ở Việt Nam. Nhiều dự án công trình đã được khởi công và xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có công suất khoảng 800KW, công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định đang được xây dựng… Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng rất lớn.
Nhà máy điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890. Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện gió sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới [32]. Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng tới môi trường so với các nguồn năng lượng khác là không đáng kể. Tổng năng lượng của các máy phát sức gió được lắp đặt trên thế giới được gia tăng một cách ngoạn m c.
Sự tham gia của các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung cấp một lượng công suất đáng kể bên cạnh các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy điện. 6 Tuabin gió được sử d ng trong hộ gia đình được phân bố rộng rãi trên thế giới. Sự tương tác giữa hệ thống điện gió trong gia đình và trong lưới điện sẽ là một khía cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống điện gió trong tương lai. Đó là điều cần thiết để đảm bảo rằng lưới điện có khả năng làm việc trong giới hạn của tần số và điện áp phù hợp cho các dự án kết hợp việc sản xuất năng lượng điện từ gió và việc tiêu th điện của người tiêu dùng, đồng thời để đảm bảo duy trì lưới điện hoạt động ổn định.
Vì vậy khi điện gió hòa vào lưới điện phải không làm chất lượng điện xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của lưới điện, do đó cần có máy phát điện phù hợp. Trong tất cả các máy phát điện có thể sử d ng được trong hệ thống điện gió thì máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là máy phát có nhiều ưu điểm, có thể sử d ng trong trường hợp này vì tính ổn định và an toàn của nó trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để kích từ. Để hệ thống làm việc tại điểm có công suất cực đại ở các tốc độ gió khác nhau, ta phải phát triển một hệ thống có khả năng sản sinh tối đa sản lượng điện của tuabin gió ở mọi điều kiện hoạt động.