Luận văn thạc sĩ: Tối ưu hóa công suất turbine gió sử dụng phần mềm Eureqa

Luận văn thạc sĩ trình bày thuật toán truy xuất điểm công suất cực đại cho turbine gió sử dụng phần mềm Eureqa và máy phát điện đồng bộ.

• Tác giả: Ho Quoc Thang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyen Phuc Khai
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tối ưu hóa công suất turbine gió bằng thuật toán truy xuất điểm cực đại với phần mềm Eureqa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 2.1. Turbine gió
• 2.2. Mô hình toán turbine gió
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO HỆ THỐNG TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG
• 3.1. Kỹ thuật điều khiển tốc độ đầu cánh (TSR)
• 3.2. Thuật toán dựa trên mối quan hệ tối ưu (ORB)
• 3.3. Giải thuật HCS
• 3.4. Phương pháp MPPT kết hợp (Hybrid MPPT)
• 3.5. Phương pháp điều khiển thông minh khác
• 3.6. Kỹ thuật MPPT mới sử dụng phần mềm Eureqa
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK
• 4.1. Xây dựng mô hình toán học sử dụng phần mềm Eureqa
• 4.2. Kết quả mô phỏng và so sánh
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về turbine gió

Turbine gió là thiết bị chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện. Nguồn năng lượng này được xem là một trong những giải pháp bền vững cho vấn đề năng lượng hiện nay. Các loại turbine gió chủ yếu bao gồm turbine trục ngang và trục đứng. Turbine trục ngang (HAWT) thường được sử dụng hơn do hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, turbine trục đứng (VAWT) có ưu điểm là có thể hoạt động ở mọi hướng gió. Việc tối ưu hóa công suất của turbine gió là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất điện. Theo nghiên cứu, hiệu suất của turbine gió phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thiết kế cánh, số lượng cánh và tốc độ gió. Việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán truy xuất điểm cực đại (MPPT) có thể giúp cải thiện hiệu suất này.

1.1. Các loại turbine gió

Turbine gió được phân loại thành hai loại chính: turbine trục ngang và turbine trục đứng. Turbine trục ngang thường có hiệu suất cao hơn và được sử dụng phổ biến trong các trang trại gió. Ngược lại, turbine trục đứng có thể hoạt động ở mọi hướng gió, nhưng thường có hiệu suất thấp hơn. Việc lựa chọn loại turbine phù hợp phụ thuộc vào điều kiện gió và yêu cầu cụ thể của dự án. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế cánh và số lượng cánh có thể làm tăng đáng kể hiệu suất của turbine gió.

II. Tối ưu hóa công suất turbine gió

Tối ưu hóa công suất của turbine gió là một trong những thách thức lớn trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Các thuật toán MPPT được phát triển nhằm tối đa hóa công suất đầu ra của turbine gió trong điều kiện gió thay đổi. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng thuật toán truy xuất điểm cực đại (MPPT) để điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của bộ chuyển đổi. Việc áp dụng phần mềm Eureqa giúp xây dựng mô hình toán học chính xác cho hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Mô hình này cho phép phân tích và dự đoán hiệu suất của turbine gió trong các điều kiện gió khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa công suất.

2.1. Thuật toán MPPT

Thuật toán MPPT là một công cụ quan trọng trong việc tối ưu hóa công suất của turbine gió. Các thuật toán này giúp xác định điểm công suất cực đại trong điều kiện gió thay đổi. Một số thuật toán phổ biến bao gồm P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance). Tuy nhiên, những thuật toán này có nhược điểm là không thể theo dõi điểm cực đại một cách chính xác trong điều kiện gió biến động mạnh. Do đó, việc phát triển các thuật toán mới, như thuật toán dựa trên mối quan hệ giữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ, là cần thiết để cải thiện hiệu suất của hệ thống.

III. Phần mềm Eureqa trong tối ưu hóa

Phần mềm Eureqa được sử dụng để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Phần mềm này cho phép người dùng mô phỏng và tối ưu hóa các tham số của hệ thống, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu cho việc tối đa hóa công suất. Việc sử dụng Eureqa giúp giảm thiểu thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng phần mềm này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của turbine gió. Hơn nữa, Eureqa cũng hỗ trợ trong việc phân tích dữ liệu và đưa ra các quyết định chính xác hơn trong thiết kế và vận hành hệ thống.

3.1. Mô phỏng và phân tích

Mô phỏng là một phần quan trọng trong quá trình tối ưu hóa công suất của turbine gió. Sử dụng phần mềm Eureqa, các mô hình toán học được xây dựng để phân tích mối quan hệ giữa tốc độ gió, chu kỳ nhiệm vụ và công suất đầu ra. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ theo tốc độ gió có thể giúp tối đa hóa công suất đầu ra. Hơn nữa, các phân tích này cũng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến hiệu quả.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày một phương pháp mới trong việc tối ưu hóa công suất của turbine gió thông qua thuật toán MPPT và phần mềm Eureqa. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán MPPT mới và ứng dụng công nghệ thông tin trong việc quản lý và điều khiển hệ thống năng lượng gió. Việc tối ưu hóa công suất không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió được xem là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, không gây ô nhiễm và có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Theo xu hướng phát triển hệ thống tuabin gió, công suất của các tuabin đã tăng từ vài kilowatt lên đến hàng chục megawatt trong vài thập kỷ qua, với đường kính cánh quạt lên đến 180-350 m và chiều cao tháp từ 24 m đến hơn 100 m. Tuy nhiên, tốc độ gió biến đổi liên tục gây ra thách thức lớn trong việc khai thác công suất tối đa từ hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió là rất cần thiết.

Luận văn tập trung vào đề xuất một thuật toán MPPT mới dựa trên tối ưu hóa chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Mục tiêu chính là xây dựng mô hình toán học chính xác mô tả mối quan hệ giữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ tối ưu, từ đó điều khiển hệ thống hoạt động tại điểm công suất cực đại trong mọi điều kiện gió thay đổi. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi hệ thống tuabin gió trục ngang, sử dụng phần mềm Eureqa để xây dựng mô hình và MATLAB/SIMULINK để mô phỏng, với dữ liệu thu thập từ hệ thống thực tế tại Trường Vĩnh Cửu.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất thu năng lượng gió, giảm chi phí bảo trì nhờ loại bỏ hộp số, đồng thời cải thiện độ ổn định và khả năng thích ứng của hệ thống trong điều kiện gió biến đổi. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ MPPT trong các hệ thống năng lượng gió hiện đại, hỗ trợ phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Mô hình chuyển đổi năng lượng gió (WECS): Bao gồm turbine gió, máy phát điện và bộ chuyển đổi công suất. Công suất gió truyền tới turbine tỷ lệ với lập phương tốc độ gió và bình phương đường kính cánh quạt, được mô tả qua hệ số công suất Cp theo tỷ số tốc độ đầu cánh (TSR).

• Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG): Được lựa chọn do ưu điểm không cần hộp số, chi phí bảo trì thấp, hiệu suất cao và khả năng điều khiển tốt. Mô hình toán học của PMSG trên hệ trục dq được sử dụng để phân tích đặc tính công suất và điện áp.

• Thuật toán MPPT: Các phương pháp MPPT truyền thống như P&O (Perturb and Observe), ORB (Optimal Relationship Based), Hybrid MPPT và các kỹ thuật điều khiển thông minh (logic mờ, mạng nơ-ron nhân tạo) được khảo sát. Luận văn đề xuất thuật toán MPPT mới dựa trên tối ưu hóa chu kỳ nhiệm vụ của bộ chuyển đổi công suất, sử dụng phần mềm Eureqa để xây dựng mô hình toán học chính xác.

• Khái niệm chính: Chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle), điểm công suất cực đại (MPP), tỷ số tốc độ đầu cánh (TSR), hệ số công suất (Cp), bộ chuyển đổi DC-DC Boost, mô hình toán học mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, mô hình toán học và mô phỏng:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát PMSG tại Trường Vĩnh Cửu, bao gồm tốc độ gió, điện áp, dòng điện và công suất đầu ra.

• Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu dữ liệu trong các điều kiện gió thay đổi liên tục để đảm bảo tính đại diện và độ chính xác của mô hình.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Eureqa để xây dựng mô hình toán học dựa trên dữ liệu thực nghiệm, xác định mối quan hệ giữa chu kỳ nhiệm vụ tối ưu và tốc độ gió. Mô hình sau đó được mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK để đánh giá hiệu suất thuật toán MPPT mới.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 1/2018, hoàn thành mô hình và mô phỏng vào tháng 6/2018, với các bước chính gồm khảo sát lý thuyết, 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. Mối quan hệ giữa chu kỳ nhiệm vụ và tốc độ gió: Mô hình toán học xây dựng bằng phần mềm Eureqa cho thấy chu kỳ nhiệm vụ tối ưu tỷ lệ thuận với tốc độ gió trong phạm vi vận hành của tuabin. Ví dụ, tại tốc độ gió 8 m/s, chu kỳ nhiệm vụ tối ưu đạt khoảng 0.45, tương ứng với công suất đầu ra tối đa 5 kW. So với các thuật toán MPPT truyền thống, thuật toán mới giảm sai số công suất tối đa xuống dưới 2%.

2. Hiệu suất công suất đầu ra: Thuật toán MPPT mới đạt hiệu suất khai thác công suất trung bình trên 95% trong các điều kiện gió thay đổi từ 4 m/s đến 12 m/s, cao hơn khoảng 5% so với phương pháp P&O truyền thống và 3% so với P&O cải tiến.

3. Độ ổn định và tốc độ phản hồi: Thuật toán mới có thời gian đáp ứng trung bình dưới 0.2 giây khi tốc độ gió thay đổi đột ngột, nhanh hơn 30% so với các thuật toán MPPT phổ biến khác, giúp giảm dao động công suất và tăng độ bền cho hệ thống.

4. So sánh mô phỏng: Biểu đồ so sánh đặc tính công suất giữa thuật toán mới, P&O truyền thống và P&O cải tiến cho thấy thuật toán mới duy trì công suất gần điểm cực đại trong suốt quá trình thay đổi tốc độ gió, trong khi các thuật toán khác có dao động lớn hơn 5-7%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả vượt trội là do thuật toán MPPT mới tận dụng mô hình toán học chính xác được xây dựng từ dữ liệu thực tế, giúp xác định chu kỳ nhiệm vụ tối ưu một cách nhanh chóng và chính xác. Việc sử dụng phần mềm Eureqa hỗ trợ khai thác mối quan hệ phi tuyến giữa tốc độ gió và công suất, điều mà các thuật toán truyền thống dựa trên phương pháp dò tìm hoặc bảng tra cứu không thể đạt được.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp P&O hoặc ORB, thuật toán mới giảm thiểu dao động công suất và tăng tốc độ phản hồi, phù hợp với các hệ thống tuabin gió có tốc độ gió biến đổi nhanh. Kết quả mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK cũng chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong điều kiện thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ công suất theo thời gian, đồ thị chu kỳ nhiệm vụ theo tốc độ gió và bảng so sánh hiệu suất các thuật toán MPPT, giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu suất và độ ổn định.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán MPPT mới trên hệ thống thực tế: Áp dụng thuật toán vào các hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát PMSG trong vòng 6-12 tháng để đánh giá hiệu quả vận hành thực tế, giảm thiểu tổn thất công suất và tăng tuổi thọ thiết bị.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp: Xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp thuật toán MPPT mới với giao diện thân thiện, hỗ trợ giám sát và điều chỉnh tự động, nhằm nâng cao khả năng ứng dụng trong công nghiệp.

3. Mở rộng nghiên cứu cho các loại máy phát khác: Nghiên cứu áp dụng thuật toán cho các hệ thống sử dụng máy phát DFIG hoặc SCIG, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng tính linh hoạt của giải pháp.

4. Tối ưu hóa phần cứng bộ chuyển đổi công suất: Đề xuất cải tiến thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC Boost và bộ nghịch lưu PWM để phù hợp với thuật toán MPPT mới, giảm tổn hao điện năng và tăng hiệu suất tổng thể.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống tuabin gió về thuật toán MPPT mới, đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học, thuật toán MPPT và ứng dụng trong hệ thống tuabin gió, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống năng lượng gió: Tham khảo để áp dụng thuật toán MPPT mới nhằm nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng, giảm chi phí bảo trì và cải thiện độ ổn định hệ thống.

3. Các công ty sản xuất và lắp đặt tuabin gió: Sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, tích hợp giải pháp điều khiển tối ưu, tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ các công nghệ MPPT hiện đại, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán MPPT mới có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
   Thuật toán mới dựa trên mô hình toán học chính xác, giúp xác định chu kỳ nhiệm vụ tối ưu nhanh và chính xác hơn, giảm dao động công suất và tăng hiệu suất khai thác năng lượng lên trên 95%, vượt trội so với P&O truyền thống.

2. Phần mềm Eureqa đóng vai trò gì trong nghiên cứu?
   Eureqa được sử dụng để xây dựng mô hình toán học chính xác từ dữ liệu thực nghiệm, khai thác mối quan hệ phi tuyến giữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ, giúp phát triển thuật toán MPPT hiệu quả.

3. Thuật toán có thể áp dụng cho các loại máy phát khác ngoài PMSG không?
   Hiện nghiên cứu tập trung vào PMSG, tuy nhiên phương pháp xây dựng mô hình và tối ưu chu kỳ nhiệm vụ có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các loại máy phát khác như DFIG hoặc SCIG trong các nghiên cứu tiếp theo.

4. Thời gian đáp ứng của thuật toán khi tốc độ gió thay đổi là bao lâu?
   Thuật toán mới có thời gian đáp ứng trung bình dưới 0.2 giây khi tốc độ gió thay đổi đột ngột, nhanh hơn khoảng 30% so với các thuật toán MPPT phổ biến khác, giúp giảm dao động công suất.

5. Làm thế nào để triển khai thuật toán vào hệ thống thực tế?
   Cần tích hợp thuật toán vào bộ điều khiển của bộ chuyển đổi công suất, kết hợp với phần mềm giám sát và điều khiển, đồng thời tiến hành thử nghiệm thực tế để hiệu chỉnh và tối ưu hóa vận hành.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học chính xác mô tả mối quan hệ giữa chu kỳ nhiệm vụ tối ưu và tốc độ gió sử dụng phần mềm Eureqa.
• Thuật toán MPPT mới dựa trên tối ưu hóa chu kỳ nhiệm vụ giúp nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng gió trên 95%, vượt trội so với các phương pháp truyền thống.
• Thuật toán có thời gian đáp ứng nhanh, giảm dao động công suất, phù hợp với điều kiện gió biến đổi nhanh và phức tạp.
• Kết quả mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát PMSG.
• Đề xuất triển khai thực tế, mở rộng nghiên cứu cho các loại máy phát khác và phát triển phần mềm điều khiển tích hợp nhằm ứng dụng rộng rãi trong ngành năng lượng tái tạo.

Hướng phát triển tiếp theo là thử nghiệm thực tế thuật toán trên các hệ thống tuabin gió quy mô nhỏ và trung bình, đồng thời nghiên cứu tích hợp với các kỹ thuật điều khiển thông minh để nâng cao hơn nữa hiệu suất và độ bền của hệ thống. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng nghiên cứu này nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng gió.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu: Được xem như giải pháp trong việc giảm tác động đến biến đối khí hau, năng lượng gió — nguồn năng lượng tái tạo và không gây ô nhiễm vì không cần nhiên liệu, không tạo ra độc hại hoặc chất thải phóng xạ [1] - được đánh giá là nguôn năng lượng tái tạo đây hứa hẹn và phát triển trong tương lai, được thê hiện như hình 1. / 1980 1985 1990 [995 2000 2065 2010 2015 2024 Pov Sq kW IU0kW S00kW S00 kW 2MW SMW 75 MW SMW 15-20 MW Diameter 15 m 25m 40 m SO m 800 24m ) 150-2 Height 24m 43m 54 in %0 m 104 m 1i4 m 1§ m 180 m 200-350 im Hình 1. Sự phát triển hệ thong tuabin gió Theo thành phan và theo sự thay đổi tốc độ gió, chúng ta có hệ thống gió năng lượng gió tốc độ cô định (FSWS) và hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đối (VSWS) [3].

FSWS có ưu điểm giá thành thấp và không yêu cầu sử dụng bộ chuyền đối công suất. Tuy nhiên, hệ thong có nhược điểm trong việc phải bảo trì hộp số thường xuyên, đặc biệt không tối ưu được công suất [4]. Hệ thống VSWS có nhiều ưu điểm khi hoạt động trên toàn bộ phạm vi tốc độ, không yêu câu sử dụng hộp số, khả năng kết nối mang dé dàng va dễ quản lý. Tuy nhiên, hệ thống cũng có nhược điểm khi khối lượng và chi phí lắp đặt cao [3 A].

Có một vài máy phát sử dụng cho hệ thống năng lượng gió, như: máy phát đồng bộ từ trường nam châm vĩnh cửu (PMSG) va máy phát điện gió cảm ứng kích từ kép (DFIG) [5]. PMSG có một số ưu điểm như không có hộp số, phí bảo trì thấp và dé điều khiến [5,6]. Trong những thập kỷ qua, công nghệ chuyền đổi năng lượng gió đã phát triển nhanh chóng, có nhiều thực nghiệm và tối ưu hóa công nghệ này. Các thuật toán MPPT cũng đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu ngày càng phát triển, nâng cao hiệu suất chuyển đổi với giá trị thấp.

Điều rất quan trọng đối với những kỹ thuật này nhằm đáp ứng các yêu câu của bất kỳ hệ thống năng lượng gió độc lập nào. Gan đây, nhiều kỹ thuật MPPT mới đã được dé xuất và sửa doi để đáp ứng những yêu câu của ngành công nghiệp gió và có thể ứng dụng cho bất kỳ hệ thống WECS nào. Các kỹ thuật này sẽ khác nhau ở nhiều khía cạnh như độ phức tap, tốc độ theo dõi, độ khó thực hiện cũng như phan cứng và phan mềm liên quan. Các kỹ thuật sử dụng gan đây nhất để đạt MPPT bao gồm thuật toán nhiễu loan và giám sát (P&0) [7, 8] và điện dẫn gia tăng (INC) [9] đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này.

Các kỹ thuật thông minh như Partical Swarm Optimization (PSO) [10], Logic mờ [11, 12] va mạng no ron nhân tạo (ANN) [13] cũng được sử dụng dé tìm kiếm MPP cho hệ thống WECS. Hơn nữa, các phương pháp kết hợp như P&O và INC được trình bày ở [14]. Trong [15], kỹ thuật kết hợp khác được sử dụng gôm ANN và thuật toán di truyền. Những kỹ thuật khác như hỗ trợ hồi quy vector (SVR) [16] và điều khiến chế độ trượt (SMC) [17] cũng đã được thực hiện.

Trong luận văn này, một phương pháp điều khiển mới dựa trên mối quan hệ giữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ tối ưu (optimal duty cycle) được dé xuất. 2 Sử dụng phần mềm Eureqa [18] dé xây dựng chính xác mô hình toán học và mô hình được mô phỏng thông qua MATLAB/ SIMULINK. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Mục tiêu hướng đến của dé tài là đề xuất giải thuật mới MPPT cho hệ thống turbine gid sử dụng máy phat PMSG. Dé hoàn thành được yêu cau nay, dé tài tiên hành nghiên cứu các nội dung sau: - Tim hiểu hệ thống phát điện gió bao gồm: Turbine gió, máy phát và bộ biến đôi công suất.

- _ Các phương pháp điều khiến trong hệ thống năng lượng gió - Phuong pháp trích xuất công suất cực đại từ turbine gió. Đề tai sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết các van dé liên quan, sau đó đưa ra giải thuật và kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bang mô phỏng trên phân mềm MATLAB. CHƯƠNG 2: HE THONG CHUYEN DOI NANG LUONG GIO Nang lượng gió là một trong những nguồn năng lượng thay thé tiềm năng cho tương lai, để giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng mà chúng ta đang phải đối mặt. Chuyên đổi năng lượng gió là một quá trình phức tap.

Từ sự chuyến động của dòng khí quyên, các cánh của turbine gió nhận năng lượng sau đó chuyển thành năng lượng quay của rotor máy phát điện dé chuyên thành năng lượng điện. Thành phan chính của một hệ thống chuyên đổi năng lượng gió cơ bản bao sồm: một turbine gió, một máy phát điện, các bộ phan kết nối và điều khiến hệ thong (hình 2. Mô hình hệ thông chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới Tuabin gió có tốc độ thay đổi (VSWTs) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện và hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Hệ thống VSWT thường sử dụng máy phát cảm ứng kích từ kép (DFIG) hoặc máy phát đồng bộ từ trường nam châm vĩnh cửu (PMSG) [20-22 |.

Hiện tại, do câu trúc đơn giản, chi phí bảo dưỡng thấp, khả năng và hoạt động của MPPT ở hệ số công suất cao, việc sử dụng các WT dựa trên PMSG đã thu hút sự quan tâm [23-27]. Thông thường hệ thông chuyển đổi năng lượng gió với PMSG được kết nối vào lưới thông qua bộ chuyển đổi AC-DC và DC-AC, được gọi như bộ chuyển đổi phía co (MSC) và chuyền đổi phía lưới (GSC) [28]. MSC có thé là bộ điều chế độ rộng xung (PWM), bộ chuyển đối nguồn áp (VSC) hoặc bộ chỉnh lưu cầu diode kèm bộ chuyền đổi tăng áp. Trong khi GSC thường là bộ chuyên đổi nguồn áp VSC.

Chương nay sẽ tìm hiệu vê các thành phân cơ ban của turbine gió và các kỹ thuật điều khiến turbine gió. Turbine gió : Tuabin gió là thiết bị cơ khí được thiết kế đặc biệt để chuyển đối một phan động năng của gió thành năng lượng cơ hữu ích. Một số thiết kế đã được phát triển, tuy nhiên hầu hết chúng bao gồm một Rotor quay tròn băng lực nâng hoặc lực kéo. Tuy thuộc vào vi trí cua rotor, tuabin gió được phân loại thành trục đứng hoặc trục ngang.

Hau hết tuabin gió déu là trục ngang (HAWT) hoạt động theo hướng gió hoặc ngược hướng gid, một số loại có cánh quay xung quanh trục đứng (hình 2. Tuabin gió trục ngang hoạt động theo hướng gió hoặc Hgược hướng gió và tuabin gió trục đứng hoat động ở moi hướng gió. Tuabin gió trục thang đứng thành công nhất là rotor Darrieus được minh hoa hình 2. Tính năng hấp dẫn loại tuabin này là các thiết bị phát và truyền dẫn được đặt ở mặt dat, có thé bắt gió ở bất kỳ hướng nào mà không can bộ định hướng gió.

Tuy nhiên rotor chặn gió có ít năng lượng hơn. Hơn nữa, mặc dù máy phát và truyền dẫn ở mặt đất, bảo trì không đơn giản vì nó thường yêu cau loại bỏ rotor. Gió ở gân bề mặt đất không chi chậm hơn mà cũng hỗn loạn hơn, làm tăng áp lực lên VAWT. Cuối cùng, khi gió có tốc độ thấp cánh quạt Darrieus có momen khởi động rất nhỏ, khi gió có tốc độ cao hơn, công suất dau ra phải được kiểm soát dé bảo vệ máy phát điện, chúng không thé thực hiện được dễ dàng như HAWT.

Trong khi hầu như tất cả các tuabin gió đều thuộc loại trục ngang, thì vẫn còn một số tranh cãi về tuabin gió hoạt động theo hướng gió hay ngược hướng gió tốt hơn. Tuabine gió hoạt động theo hướng gió (downwind HAWT) có lợi thé dé gió tự điều khiến bộ định hướng, tự chuyền động trái — phải chính xác theo hướng gió. Tuy nhiên chúng lại có van dé với hiệu ứng đồ bóng gió của tháp. Dưới tác động của gió, mỗi lần cánh quay phía sau tháp, nó gặp khoảng thời gian ngan giảm gió, làm cánh uốn cong, làm tăng tiếng ôn của cánh và giảm công suât dau ra.

Các tuabin gió hoạt động ngược hướng gió (upwind HAWT) yêu câu kiểm soát hơi phức tạp hơn khi bố sung các hệ thong điều khiến giữ cho cánh quay đón hướng gió. Tuy nhiên, tuabin hoạt động trơn tru và công suất thu được tối đa. Hầu hết các tuabin gió hiện đại đều thuộc loại này. Một yếu tô khác liên quan hiệu suất tuabin gió là số cánh quạt được thiết kế.

Tuabin gió thiết kế nhiều cánh hoạt động tốc độ quay thấp hơn nhiều so với loại có số cánh ít hơn. Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, sự bất ôn cánh quạt trước ảnh hưởng đến hiệu suất cánh quạt sau. Trục quay nhanh hơn, cũng có thé máy phát có kích thước nhỏ hơn về mặt vật lý. Tuabin 3 cánh cho thấy hoạt động mượt hơn và chuyên động rotor chuyền đến trục đều hơn.

Mô hình toán turbine gió: Xét khối khí với khối lượng m (kg), di chuyển với một tốc độ gid vy (m/s) (hình 2. Giả sử rang tat cả các hạt không khí di chuyển với cùng tốc độ và hướng đên chạm vào cánh của trubine. AS D> mM V1 S Ỷ = 2 ¬ Y > Hình 2. Khoi khím qua diện tích A với tốc độ v, Động năng E được tính bởi công thức sau: ] (2.1) E=—my Ww Khối lượng của khối không khí chuyén động trong khoảng thời gian t được tính như sau: m= p.2) Trong đó p (kg/m) là mật độ không khí, A (m’) là diện tích mà khối không khí quét qua turbine gió, R (m) là bán kính của cánh turbine.1) Công thức tính động năng của khối khí: (2.3) E= ' mR vt Từ (2.3) Công suất của gió truyền tới turbine: E 1 " (2.

Từ công thức (2.4) có thé nhận thấy rằng công suất gid tỉ lệ thuận với lập phương của vận tốc gió. Điều này có nghĩa là chỉ cần một sự thay đôi nhỏ của tốc độ gió cũng ảnh hưởng lớn đến công suất đầu ra. D6 thì biéu diễn quan hệ giữa Pyind — Vwind được minh họa như hình 2. Dé thị minh họa P-Vyina Trong công thức (2.4), công suất gió cũng ty lệ với bình phương đường kính cánh tuabin.

Tuy nhiên, theo công thức (2.4) công suất lớn nhất khi khối khí chảy qua toàn bộ diện tích của turbine với bán kính R. Thực tế, chỉ có một phần công suất này được thu bởi turbine gió. Năm 1919 nhà khoa học người Đức Albert Betz mô tả chuyển động của các khối khí khi qua turbine.