Tối Ưu Hệ Thống Phát Điện Sử Dụng Mạng Điện Đồ

• Tác giả: T̟hị T̟hắm
• Người hướng dẫn: TS. A0 Xuân Tử
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật
• Đề tài: Tối Ưu Hệ Thống Phát Điện Sử Dụng Mạng Điện Đồ
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
• 1.1. Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của luận văn
• 1.2. Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTTV
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB-KTTV
• 2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện
• 2.2. Xây dựng mô hình động không gian dòng trạng thái
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG MĐĐB-KTTV
• 3.1. Bộ điều khiển mờ MPPPTL
• 3.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ
• 4. CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN
• 4.1. Giới thiệu mô hình mô phỏng PLES
• 4.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

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.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh xã hội hiện đại, nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng cao nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và đảm bảo phát triển bền vững. Năng lượng gió được xem là một trong những nguồn năng lượng sạch, có tiềm năng lớn tại Việt Nam với nhiều vùng có điều kiện gió thuận lợi. Theo ước tính, công suất tua bin gió trên thế giới đã đạt mức hàng chục nghìn MW, trong đó các hệ thống phát điện sử dụng máy điện đồng bộ với tua bin kiểu trục ngang chiếm tỷ trọng đáng kể. Tuy nhiên, việc điều khiển tối ưu hệ thống phát điện gió vẫn còn nhiều thách thức do tính biến đổi của nguồn gió và yêu cầu về hiệu suất vận hành.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sử dụng máy điện đồng bộ với tua bin kiểu trục ngang, nhằm nâng cao hiệu suất phát điện và ổn định hệ thống. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mô hình điều khiển mờ, điều khiển trạng thái và mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB & Simulink trong khoảng thời gian nghiên cứu năm 2010 tại Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ điều khiển hệ thống phát điện gió, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại các vùng sâu, vùng xa chưa có điện lưới quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Control): Áp dụng để xử lý các tín hiệu không chính xác, biến đổi liên tục trong hệ thống phát điện gió, giúp tối ưu hóa hiệu suất máy phát.
• Mô hình điều khiển trạng thái (State-Space Control): Sử dụng để mô phỏng và điều khiển hệ thống máy điện đồng bộ, đảm bảo ổn định và đáp ứng nhanh với biến đổi tải và nguồn gió.
• Khái niệm tua bin gió kiểu trục ngang: Là loại tua bin phổ biến với 2-3 cánh quạt, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng qua máy phát đồng bộ.
• Máy điện đồng bộ (Synchronous Generator): Thiết bị phát điện chính trong hệ thống, có đặc tính điều khiển phức tạp do yêu cầu duy trì điện áp và tần số ổn định.
• Mô hình mô phỏng PLECS và Simulink: Công cụ hỗ trợ xây dựng mô hình hệ thống và kiểm thử các thuật toán điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, số liệu thực tế về công suất tua bin gió, đặc tính máy điện đồng bộ và điều kiện gió tại Việt Nam.
• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện đồng bộ, áp dụng thuật toán điều khiển mờ và điều khiển trạng thái để tối ưu hóa hiệu suất.
• Cỡ mẫu: Mô hình được xây dựng và kiểm thử trên hệ thống giả lập với các thông số kỹ thuật của tua bin gió công suất từ 50 kW đến vài MW.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các trường hợp vận hành với điều kiện gió thay đổi và tải biến động để đánh giá hiệu quả điều khiển.
• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 1 đến tháng 8 năm 2010, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, phát triển thuật toán và mô phỏng kiểm chứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Hệ thống điều khiển mờ MPPT (Maximum Power Point Tracking) giúp lấy công suất tối đa từ nguồn gió, nâng cao hiệu suất phát điện lên khoảng 15-20% so với điều khiển truyền thống.
• Mô hình điều khiển trạng thái sử dụng bộ điều khiển mờ phía máy phát (PLMF) và phía lưới (PLPL) giúp duy trì điện áp ổn định với sai số dưới 3%, đảm bảo chất lượng điện năng.
• Việc sử dụng máy điện đồng bộ với tua bin kiểu trục ngang kết hợp điều khiển mờ và mô phỏng trên Simulink cho phép hệ thống vận hành ổn định trong dải công suất từ 50 kW đến vài MW.
• So sánh với hệ thống điều khiển tua bin gió cố định tốc độ, hệ thống điều khiển tua bin biến đổi tốc độ với bộ biến đổi điện tử giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự cải thiện hiệu suất là do thuật toán điều khiển mờ có khả năng xử lý tốt các tín hiệu không chính xác và biến đổi liên tục của nguồn gió, từ đó điều chỉnh tốc độ tua bin và điện áp máy phát phù hợp. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể duy trì điện áp và tần số ổn định ngay cả khi điều kiện gió thay đổi đột ngột, điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành năng lượng tái tạo. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ công suất đầu ra theo thời gian và bảng so sánh hiệu suất giữa các phương pháp điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

• Triển khai áp dụng thuật toán điều khiển mờ MPPT trong các hệ thống phát điện gió hiện có để nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng.
• Phát triển hệ thống điều khiển trạng thái tích hợp cho máy điện đồng bộ nhằm đảm bảo ổn định điện áp và tần số trong mọi điều kiện vận hành.
• Đầu tư nghiên cứu và ứng dụng mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng như MATLAB & Simulink để tối ưu thiết kế và vận hành hệ thống phát điện gió.
• Khuyến khích đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo trì hệ thống.
• Thời gian thực hiện: 1-2 năm cho giai đoạn thử nghiệm và triển khai thực tế tại các vùng có tiềm năng gió lớn.
• Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp năng lượng tái tạo và cơ quan quản lý nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, tự động hóa: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về điều khiển hệ thống phát điện gió và mô hình hóa máy điện đồng bộ.
• Doanh nghiệp phát triển năng lượng tái tạo: Áp dụng các giải pháp điều khiển tối ưu để nâng cao hiệu quả đầu tư và vận hành.
• Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng: Tham khảo để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng gió và các tiêu chuẩn kỹ thuật.
• Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện gió: Hiểu rõ cơ chế điều khiển và các phương pháp tối ưu để nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần điều khiển tối ưu hệ thống phát điện gió?
   Điều khiển tối ưu giúp khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió biến đổi, duy trì ổn định điện áp và tần số, giảm tổn thất và tăng tuổi thọ thiết bị.

2. Máy điện đồng bộ có ưu điểm gì trong hệ thống phát điện gió?
   Máy điện đồng bộ có khả năng duy trì điện áp ổn định, thích hợp cho các hệ thống có yêu cầu chất lượng điện năng cao và dễ dàng điều khiển bằng các thuật toán hiện đại.

3. Phương pháp điều khiển mờ có điểm mạnh gì?
   Điều khiển mờ xử lý tốt các tín hiệu không chính xác, thích ứng nhanh với biến đổi môi trường, giúp tối ưu công suất và hiệu suất hệ thống.

4. Mô phỏng trên Simulink giúp gì cho nghiên cứu?
   Simulink cho phép xây dựng mô hình chi tiết, kiểm thử các thuật toán điều khiển trong môi trường ảo, giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế.

5. Hệ thống điều khiển tua bin biến đổi tốc độ có lợi ích gì?
   Giúp tận dụng tối đa năng lượng gió, giảm tổn thất cơ khí và điện tử, nâng cao hiệu suất phát điện so với tua bin cố định tốc độ.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình điều khiển tối ưu cho hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện đồng bộ với tua bin kiểu trục ngang.
• Thuật toán điều khiển mờ MPPT và điều khiển trạng thái giúp nâng cao hiệu suất và ổn định điện áp hệ thống.
• Mô phỏng trên MATLAB & Simulink chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp đề xuất.
• Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng gió tại Việt Nam.
• Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và hoàn thiện công nghệ điều khiển trong giai đoạn tiếp theo.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp điều khiển tối ưu để nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió và góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo.