Điều khiển tối ưu hệ thống điện gió

Nội dung text: Điều khiển tối ưu hệ thống điện gió

1. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ HÀ VĂN HƯƠNG Trường Đại Học SPKT Thành Phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Đứng trước thách thức thiếu hụt điện, cùng với việc các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt (giá nguyên liệu ngày càng tăng cao) và vấn đề về ô nhiễm môi trường, Việt Nam cần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách một mặt mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống; mặt khác, thậm chí còn quan trọng hơn là phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo. Để phát triển nguồn năng lượng sạch, trong thời đại ngày nay có các loại năng lượng như: gió, mặt trời, thủy triều trong đó năng lượng gió được xem là năng lượng lý tưởng mà các quốc gia đã và đang phát triển phù hợp với xu hướng thời đại của nhân loại. Nội dung chính của luận văn này là nghiên cứu về việc điều khiển tối ưu hệ thống máy phát điện gió dùng DFIG . Bằng cách thiết lập mô hình điều khiển góc Picth, để thu được công suất mong muốn bám sát công suất đặt trước. Ưu điểm của phương pháp này là đáp ứng nhanh, không vọt lố và ổn định trong những điều kiện khác nhau khi tốc độ gió thay đổi. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Công suất turbine trên trục rotor sinh ra từ năng lượng gió chính là sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v (m/s) và động năng của gió phía sau cánh quạt. Do đó nó phụ thuộc vào hiệu suất của cánh quạt hay còn gọi là hiệu suất của rotor. 1 P (,) R2 v 3 C   (1.1) m2 p Trong đó: 3 o ρ là mật độ không khí (kg/m ) o R là bán kính cánh quạt (m) o v là vận tốc gió (m/s) Trang: 1
2. o Cp là hiệu suất cánh quạt turbine (hay còn gọi là hiệu suất của rotor) là một hàm theo tỉ số tốc độ λ và góc pitch β minh họa ở hình 3.1 và được xác định bằng công thức sau: C5 C2 i Cp (,)()  C1 C 3  C 4 e C 6  (1.2) i Với C1=0.5176; C2=116; C3=0.4; C4=5; C5=21; C6=0.0068 1 1 0,035 Và 3 (1.3) i  0,08   1 Hình 1.1: Đặc tính của Cp(λ,β) Moment turbine sinh ra trên trục rotor được xác định như sau:     Pm 12 3CCp(,)(,) 1 3 2 p Tm R v R v (1.4) r2  r 2  2. Hệ thống điều khiển tuabin gió dùng DFIG: Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi dùng DFIG gồm các mục tiêu: Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và lưới điện, điều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm đạt công suất thực cực đại nhận từ gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào nhằm tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ gió lớn. Các hệ thống phụ (khí động học, cơ học, điện, v.v) của tuabin có phạm vi thời hằng khác nhau và thời hằng điện thường nhỏ hơn nhiều so với thời hằng cơ hay nói cách khác quá trình điện động thường Trang: 2
3. diễn ra nhanh hơn rất nhiều so với quá trình động học cơ khí. Hình 4.1 trình bày sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi dùng máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG, trong đó có thể phân biệt hai kênh điều khiển như sau:  Điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng).  Điều khiển tuabin gió. Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển tổng thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dựa vào công thức điều khiển công suất đầu ra của máy phát DFIG : 1 2 3 Pm (,) R v C p   ( 2.1 ) 2 Muốn đạt được công suất lớn nhất với tốc độ gió đã cho thì tốc độ roto phải được điều khiển phù hợp với tốc độ gió để duy trì giá trị tối ưu của CP ( hình 3.1 ). Hơn nữa khi tốc độ gió quá chậm hoặc quá nhanh cần tránh chế độ ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các thiết bị khác tránh trường hợp quá tải sẽ dẫn tới gảy tua bin hay hư hại các bộ điều khiển công suất khác. Do vậy , ta thực hiện điều khiển tốc độ roto bằng phương pháp điều khiển góc Pitch để thu được công suất mong muốn. Trang: 3
4. Đa số các turbine gió tốc độ thay đổi điều được trang bị bộ điều khiển góc Pitch. Khi tốc độ nhỏ hơn định mức, turbine gió điều khiển góc Pitch để tạo ra công suất tối ưu. Khi tốc độ gió trên định mức , cần điều khiển khiển góc Pitch để bảo vệ turbine như hình bên dưới . Hình 2.2 : Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió Từ đó ta đưa ra giải thuật như hình bên : Hình 2.3 : Khối điều chỉnh góc Pitch Đặt trước một công suất tham chiếu Pref , ta so sánh với công suất cơ của máy phát DFIG thu được, sau đó đưa vào một bộ trừ ta được một lượng công suất ∆P. Vì tốc độ gió thay đổi theo thời gian nên lượng công suất thu được thay đổi, dẫn đến ∆P luôn thay đổi . Ta Trang: 4
5. dùng một khâu PI để thích nghi và dò tìm để đưa tín hiệu đến góc Pitch nhằm điều chỉnh cánh quạt để thu được công suất mong muốn. Bên cạnh đó tốc độ quay của roto cũng ảnh hưởng đến sự điều chỉnh góc Pitch nếu tốc độ gió đạt ổn định và tốc độ quay quá lớn. Từ ý tưởng này ta đưa ra hệ thống điện gió điều chỉnh công suất thu được theo một giá trị cho trước như hình bên. Hình 2.4. Mô hình điều khiển hệ thống điện gió Các thông số của turbine gió được thể hiện như hình ở bên dưới. Các thông số tìm được dựa vào kinh nghiệm mà tìm ra sau khi tiến hành các phép thử để so sánh công suất thu được. III. KẾT QUẢ: 3.1 Trường hợp 1 : Tốc độ gió thay đổi từ 8m/s đến 15m/s Khi mô phỏng với vận tốc gió 15 m/s trong suốt quá trình mô phỏng, kết quả mô phỏng thu được lần lượt được đưa ra ở hình dưới. Trang: 5
6. Hình 3.1 : Vận tốc gió ,công suất đặt , góc Pitch Hình 3.2 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG 3.2 Trường hợp 2 : Tốc độ gió thay đổi từ 8-9-15m/s Hình 3.3 : Vận tốc gió ,công suất đặt , góc Pitch Trang: 6
7. Hình 3.4 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG 3.3 Trường hợp 3 : Tốc độ gió thay đổi từ 12 -15 - 34m/s Hình 3.5 : Vận tốc gió ,công suất đặt , góc Pitch Trang: 7
8. Hình 3.6 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG IV. KẾT LUẬN Sau khi tìm hiểu về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam cho thấy tiềm năng để phát triển và khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt là có thể. Tuy nhiên hiện nay ta chỉ mới ở giai đoạn nghiên cứu ứng dụng một vài nơi. Do đó việc nghiên cứu điều khiển về các vấn đề liên quan đến máy phát điện gió là cần thiết trong tương lai Tài liệu tham khảo [ 1 ] LVTh.S Nguyễn Trọng Thắng, “Điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn từ ha phía”.ĐHSPKT-2010. [ 2 ]Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước “ Lý thuyết điều khiển mờ” NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2002. [ 3 ] LVTh.S Tống Thị Hiếu “ Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát [ 4 ] Phần mềm Matlab/simulink version 2010a. [ 5 ] Modeling of Wind Turbine Driving Permanent Magnet Generator with Maximum Power Point Tracking System - Ali M. Eltamaly. [ 6 ] A Novel Integrated AC/DC/AC Converter For Direct Drive Permanent Magnet Wind Power Generation System - J.Sheela Arokia Mary, S.Sivasakthi Student, M.E. Embedded System Technologies, Associate Professor, Department of EEE. [ 7 ] Wind Turbine Operation in Power Systems and Grid Connection Requirements - A. Sudrià1, M. Chindris2, A. Sumper1, G. Gross1 and F. Ferrer. Trang: 8
9. [ 8 ] Control DFIG wind generators - By s. müller, m. deicke, & rik w.de doncker. THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ Họ tên: Hà Văn Hương Đơn vị: Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai Điện thoại: 01265066351 Email: huongdhd3@gmail.com Trang: 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.