I. Tổng Quan Về Hệ Thống Phát Điện Sử Dụng Mạng Điện Đồ
Điện năng đóng vai trò quan trọng trong xã hội hiện đại. Các nguồn điện năng truyền thống như dầu khí, than đá đang dần cạn kiệt. Điện hạt nhân tiềm ẩn nhiều nguy cơ. Vì vậy, các nguồn năng lượng sạch như gió, mặt trời, thủy triều được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Năng lượng gió là một giải pháp đầy hứa hẹn, đặc biệt ở những quốc gia có địa hình phức tạp và tiềm năng gió lớn như Việt Nam. Các hệ thống phát điện chạy sức gió cần được quan tâm và phát triển. Luận văn này tập trung nghiên cứu và áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu để lấy công suất cực đại từ gió cho bộ phát điện. Máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB - KTV) ngày càng được ứng dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện, đặc biệt là trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió, theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Thắm (2010).
1.1. Tiềm Năng và Ứng Dụng Của Năng Lượng Gió
Năng lượng gió là một dạng năng lượng mặt trời, được sinh ra do sự đốt nóng khí quyển của mặt trời, sự xoay quanh mặt trời của Trái Đất và sự không đồng đều trên bề mặt Trái Đất. Tua bin gió chuyển đổi động lực của gió thành năng lượng cơ hoặc điện. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho nhiều mục đích như bơm nước, nghiền lương thực, hoặc chuyển đổi thành năng lượng điện. Việc sử dụng năng lượng gió góp phần bảo vệ môi trường và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Theo Báo cáo Năng lượng Tái tạo Toàn cầu, việc đầu tư vào năng lượng gió tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm gần đây.
1.2. Phân Loại Các Hệ Thống Phong Điện Hiện Nay
Các tua bin gió hiện nay được chia thành hai loại chính: loại trục đứng và loại trục ngang. Loại trục ngang phổ biến hơn, với 2 hoặc 3 cánh quạt. Tua bin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió, với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi. Tua bin gió trục ngang gồm các phần chính như anemometer (đo tốc độ gió), bộ điều khiển, bánh răng, máy phát, trục tốc độ cao và thấp, vỏ bảo vệ, cánh quạt, trụ đỡ, và yaw drive (định hướng tua bin theo hướng gió). Cấu tạo và chức năng của từng bộ phận ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
II. Phân Tích Vấn Đề Yếu Tố Ảnh Hưởng Hiệu Suất Hệ Thống
Hiệu suất của hệ thống phát điện sử dụng mạng điện đồ chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố. Tốc độ gió biến đổi liên tục, gây khó khăn cho việc duy trì công suất ổn định. Tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ năng lượng gió sang năng lượng điện cần được giảm thiểu. Vấn đề điều khiển và ổn định hệ thống khi kết nối với lưới điện cũng cần được giải quyết. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và sự ăn mòn cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất của hệ thống. Việc tối ưu hóa hiệu suất đòi hỏi sự kết hợp của nhiều giải pháp kỹ thuật và công nghệ. Theo IEA, việc tích hợp các giải pháp lưu trữ năng lượng có thể giúp ổn định lưới điện và tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng gió.
2.1. Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Gió Biến Động
Tốc độ gió không ổn định là một thách thức lớn đối với hệ thống phát điện gió. Sự thay đổi tốc độ gió ảnh hưởng đến công suất phát điện, gây ra dao động điện áp và tần số trên lưới điện. Các thuật toán điều khiển phức tạp cần được áp dụng để bù đắp cho sự biến động này và duy trì công suất ổn định. Việc dự báo tốc độ gió chính xác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và quản lý hệ thống.
2.2. Giảm Thiểu Tổn Thất Năng Lượng Chuyển Đổi
Tổn thất năng lượng xảy ra trong quá trình chuyển đổi từ năng lượng cơ của tua bin gió sang năng lượng điện của máy phát. Các tổn thất này có thể do ma sát, nhiệt, và các yếu tố khác. Việc sử dụng các vật liệu và thiết kế tiên tiến có thể giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống. Việc bảo trì định kỳ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất của hệ thống.
III. Phương Pháp Tối Ưu Điều Khiển Mờ và Thuật Toán MPPT
Để giải quyết các vấn đề trên, luận văn đề xuất sử dụng bộ điều khiển mờ và thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) để tối ưu hóa công suất và hiệu suất cho hệ thống phát điện gió sử dụng MĐĐB-KTV. Bộ điều khiển mờ giúp xử lý các yếu tố không chắc chắn và phi tuyến tính trong hệ thống. Thuật toán MPPT giúp tìm điểm làm việc tối ưu để trích xuất công suất cực đại từ gió. Sự kết hợp của hai phương pháp này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Nguyễn Thị Thắm (2010) cũng đề xuất một phương pháp mới trong việc tách kênh hai thành phần dòng ird, irq sử dụng những tiến bộ mới nhất trong lý thuyết điều khiển phi tuyến.
3.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ Cho Hệ Thống
Bộ điều khiển mờ được thiết kế để điều chỉnh tốc độ quay của tua bin gió và điện áp của máy phát. Đầu vào của bộ điều khiển mờ bao gồm tốc độ gió, tốc độ quay của tua bin, và điện áp của máy phát. Đầu ra của bộ điều khiển mờ là tín hiệu điều khiển cho các van điện tử trong bộ biến đổi điện. Các luật mờ được xây dựng dựa trên kinh nghiệm và kiến thức chuyên gia để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đạt hiệu suất cao.
3.2. Ứng Dụng Thuật Toán MPPT Để Trích Xuất Công Suất
Thuật toán MPPT được sử dụng để tìm điểm làm việc tối ưu của hệ thống, nơi mà công suất phát điện đạt giá trị cực đại. Thuật toán MPPT liên tục điều chỉnh tốc độ quay của tua bin gió để tìm điểm làm việc tối ưu. Các thuật toán MPPT phổ biến bao gồm Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (IncCond), và Fuzzy Logic MPPT. Mỗi thuật toán có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn thuật toán phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống.
IV. Ứng Dụng Thực Tế Kiểm Chứng Bằng Mô Phỏng PLECS
Để kiểm chứng tính hiệu quả của phương pháp đề xuất, hệ thống được mô phỏng bằng công cụ PLECS (Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation) và MATLAB/Simulink. PLECS được sử dụng để mô phỏng các thành phần điện tử công suất trong hệ thống, trong khi MATLAB/Simulink được sử dụng để mô phỏng các thành phần cơ khí và điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của hệ thống so với các phương pháp truyền thống. Nguyễn Thị Thắm (2010) cũng sử dụng công cụ mô phỏng MATLAB & Simulink để kiểm chứng hệ thống điều khiển.
4.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Trên Simlink và PLECS
Mô hình mô phỏng được xây dựng trên Simulink và PLECS bao gồm các khối chức năng như khối tua bin gió, khối máy phát điện đồng bộ, khối bộ biến đổi điện, và khối lưới điện. Các thông số của mô hình được lấy từ các thiết bị thực tế để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng. Mô hình được kiểm tra và xác nhận để đảm bảo rằng nó phản ánh đúng hành vi của hệ thống thực tế.
4.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả
Kết quả mô phỏng được phân tích để đánh giá hiệu quả của phương pháp đề xuất. Các chỉ số đánh giá bao gồm công suất phát điện, hiệu suất hệ thống, độ ổn định điện áp và tần số, và tổng méo hài (THD). Kết quả cho thấy phương pháp đề xuất giúp tăng công suất phát điện, cải thiện hiệu suất hệ thống, và giảm độ méo hài. Các kết quả này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp đề xuất.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tối Ưu Hệ Thống Điện Gió
Luận văn đã trình bày một phương pháp tối ưu hóa hệ thống phát điện sử dụng mạng điện đồ dựa trên bộ điều khiển mờ và thuật toán MPPT. Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống, đồng thời giảm thiểu các tổn thất năng lượng. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất có tiềm năng ứng dụng thực tế cao. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng nghiên cứu và phát triển tiềm năng.Theo IRENA, nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới, như tua bin gió ngoài khơi và hệ thống lưu trữ năng lượng, sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy năng lượng tái tạo.
5.1. Đánh Giá Ưu Điểm và Hạn Chế Của Phương Pháp
Phương pháp đề xuất có ưu điểm là dễ dàng triển khai, hiệu quả cao, và có thể áp dụng cho nhiều loại hệ thống phát điện gió khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế, như đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về điều khiển mờ và thuật toán MPPT, và cần có các công cụ mô phỏng mạnh mẽ để kiểm chứng. Việc cân nhắc các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo tính hiệu quả và khả thi của phương pháp.
5.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Tối Ưu Điện Gió Tương Lai
Các hướng nghiên cứu và phát triển tiềm năng bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế của tua bin gió, phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, và tích hợp các hệ thống lưu trữ năng lượng vào hệ thống phát điện gió. Nghiên cứu các vật liệu mới, hiệu quả cao và giảm giá thành cũng là một hướng đi quan trọng. Sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, kỹ sư, và nhà sản xuất là cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của ngành năng lượng gió.
