Điều khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng gió

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

1. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ OPTIMAL CONTROL WIND ENERGY POWER SYSTEMS Huỳnh Châu Duy1, Bùi Thanh Tuyền2 1 Trường đại học Công nghệ TP.HCM 2 Học viên cao học Trường H SPKT H Ch Minh TÓM TẮT ề tài nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió, cũng như nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đ ng bộ ngu n kép, và xây dựng cơ sở để nghiên cứu giải thuật điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đ ng bộ ngu n kép. Từ khóa: Tối ưu năng lượng gió, năng lượng gió, hệ thống năng lượng gió, tối ưu hệ thống điện. ABSTRACT This thesis focuses on issues related to wind energy power systems as well as study the problem formulation of model wind generator asynchronous dual sources, and construction of facilities for study algorithm optimal control power output of wind energy power systems using generator asynchronous dual sources. Keywords: Optimal wind energy, wind energy, wind energy power systems, optimal power systems Ký hiệu ψas,ψbs,ψcs: Từ thông ba pha a,b,c của stator vas,vbs ,vcs : iện áp 3 pha a,b,c của stator ψαs,ψβs: Hai thành phần từ thông stator trong var,vbr ,vcr : iện áp 3 pha a,b,c của rotor hệ tọa độ αβ vαs,vβs: Hai thành phần điện áp stator trong ψds,ψqs: Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ αβ hệ tọa độ dq vds ,vqs: Hai thành phần điện áp stator trong ψαr,ψβr: Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq hệ tọa độ αβ vαr,vβr: Hai thành phần điện áp rotor trong ψ ψ hệ tọa độ αβ dr, qr: Hai thành phần từ thông rotor trong vdr,vqr: Hai thành phần điện áp rotor trong hệ hệ tọa độ dq tọa độ dq Ps,Qs,Ss: Công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến phía stator ias,ibs,ics: Dòng điện 3 pha a,b,c của stator T ,T Momen cơ và momen điện iαs,iβs: Hai thành phần dòng điện m e: stator trong hệ tọa độ αβ β: Góc picth λ: Tip–Speed–Ratio ids,iqs: Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ dq σ: Hệ số từ thông tản ω ω iar,ibr,icr: Dòng điện 3 pha a,b,c của rotor s, r: Tốc độ đ ng bộ và tốc độ rotor iαr,iβr: Hai thành phần dòng điện rotor p: Số cặp cực trong hệ tọađộ α β ρ: Mật độ không khí idr,iqr: Hai thành phần dòng điện θr,θe: Hiệu suất rotor Góc vị trí stator và rotor trong hệ tọa độ dq rotor 1
2. J,s: Momen quán tính, hệ số trượt ref,*: Viết ở trên, bên phải:giá trị đặt s,e: Viết ở trên, bên phải: đại lượng thuộc hệ tọa độ αβ, dq d,q: Viết ở dưới, bênphải: thành phần trục d,q α,β: Viết ở dưới, bên phải:thành phần trục α,β s,r: Viết ở dưới, bên phải:đại lượng stator, rotor 1 Gi i hiệu Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, những ngu n năng lượng Hình 1. Hệ thống điện năng lượng gió tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, Hệ thống điện năng lượng gió bao g m: năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, 1. Cánh quạt (Blades) năng lượng thủy triều, thì năng lượng gió 2. Rotor được coi là một ngu n năng lượng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trường đang 3. Bước răng (Pitch) thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa 4. Bộ hãm (Brake) học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành ngu n 5. Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft) năng lượng tươi sáng trong tương lai. Hệ thống điện sử dụng năng lượng gió có nhiều 6. Hộp số (Gear box) ưu điểm như không cần nguyên liệu, không 7. Máy phát điện (Generator) gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, 8. Bộ điều khiển (Controller) không gây tiếng n, với ưu điểm là một 9. Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer) nước có tiềm năng về năng lượng gió với hơn 3.200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng 10. Bộ xác định hướng gió (Wind vane) lượng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ được 11. Vỏ (Nacelle) khuyến khích áp dụng trong các lĩnh vực đời 12. Trục tốc độ cao (High – speed shaft) sống và sản xuất [1]. Việc áp dụng phương pháp điều khiển tối 13. Yaw drive ưu hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy 14. Yaw motor phát điện không đ ng bộ ngu n kép giải 15. Tháp đỡ (Tower) quyết được vấn đề về trường hợp tốc độ gió không thay đổi và tốc độ gió thay đổi. Kết 3 Điều khiển công suất của DFIG quả cho thấy công suất tác dụng và công suất Chọn hệ quy chiếu dq quay đ ng bộ với từ phản kháng theo các giá trị tham chiếu là rất khả quan. thông và trục d định hướng theo từ thông 2. Hệ thống điện năng lượng gió stator. Phương trình công suất stator trong định hướng từ thông stator: 3 3 3 Lm Ps udsids uqsiqs uqsiqs Vs iqr (1) 2 2 2 Ls 2
3. 3 3 3 L V hiệu suất tuabin, C và được xác định như Q u i u i u i V m s i p s 2 qs qs ds qs 2 qs ds 2 s L  L dr s s m sau: (2) Phương trình moment điện từ: 1 2 3 Ptuabin R vw C p ,  (4) 3 3 3 Vs Lm 2 Te p  ds i ds  qs i qs p  ds i qs p i qr 2 2 2  L ss (3) Trong đó: Nhận thấy rằng, moment điện từ và công 3 : Mật độ không khí (kg/m ); suất tác dụng phụ thuộc vào dòng điện i , qr 3 = 1,225 kg/m trong điều kiện nhiệt độ trong khi đó công suất phản kháng phụ thuộc 0 vào dòng i . Vì vậy, i và i là các đại lượng 150 C và áp suất 101,325 kPa; dr dr qr R: Bán kính cánh quạt tuabin (m); điều khiển công suất và moment. v : Tốc độ gió (m/s); w 4 Điều khiển tối ưu công suất phát của C (, β): Hiệu suất tuabin. DFIG p Hiệu suất tuabin, C (, β) là hàm theo tỷ Các giải thuật điều khiển tối ưu công suất p phát của DFIG có thể bao g m: số tốc độ,  và góc pitch β được biểu diễn - Giải thuật P&O (Perturbation and như sau: 16,5 Observation); 1 98 i C p 0,4 5 e (5) - Giải thuật WSM (Wind Speed 2 i Measurement); Trong đó: - Giải thuật PSF (Power Signal Feedback); 1 1 0,035 (6) 3 Bài báo tập trung nghiên cứu giải thuật PSF i  0,089  1 cho điều khiển tối ưu công suất phát của Hiệu suất tuabin, C liên hệ đến tỷ số tốc p DFIG. độ,  và ở nhiều góc pitch, β khác nhau Giải thuật PSF được xây dựng dựa trên nhưng hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất, C bảng dữ liệu đầu ra của công suất cực đại ứng p với từng tốc độ gió ở bảng "Lookup table". = 0,47 khi góc pitch, β = 0 và tỷ số tốc độ,  Có thể nhận thấy rằng, phương pháp này = 6,76 có thể thực hiện ở nhiều cấp tốc độ gió khác Tỷ số tốc độ,  được xác định như sau:  R nhau và được lựa chọn cho việc xác định điều  tuabin (7) v khiển bám điểm công suất cực đại của hệ w thống điện gió sử dụng DFIG. Trong đó:  : Vận tốc góc của tuabin (rad/s). Công suất tuabin sinh ra từ năng lượng gió tuabin t ch lũy trong cánh quạt tuabin, phụ thuộc vào 3
4. Hình 2. Sơ đồ khối giải thuật PSF điều khiển tối ưu công suất phát của DFIG Hình 3. Sơ đồ khối mô phỏng điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và điều khiển tối ưu công suất phát của DFIG tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s t quả mô phỏng 13 12.8 Bẳng việc sử dụng phần mềm 12.6 Simulink/Matlab, sơ đ i khối mô phỏng các 12.4 12.2 bài toán điều khiển công suất tác dụng, công 12 11.8 suất phản kháng và điều khiển tối ưu công Tocdo vgio,(m/s) 11.6 suất phát của DFIG được biểu diễn như sau: 11.4 11.2 5.1 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng 11 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Thoi gian, t (s) và công suất phản kháng trong trường hợp Hình 4. Tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s 4
5. * Giá trị công suất tác dụng tham chiếu của DFIG như sau: 0 < t < 10s: P = 15.000 W; sref 10 < t < 15s: P = 10.000 W; sref 15 < t < 20s: P = 15.000 W sref 4 x 10 1.6 1.5 1.4 1.3 Hình 7. Đánh giá khả năng điều khiển bám 1.2 công suất tác dụng của DFIG tương ứng với 1.1 trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Congsuat tac dung tham chieu, Psref(W) 1 0.9 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Thoi gian, t (s) Hình 5. Công suất tác dụng tham chi u của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s * Giá trị công suất phản kháng tham chiếu của DFIG như sau: 0 < t < 8s: Q = 15.000 VAr sref 8 < t < 12s: Q = 0 VAr Hình 8. Đánh giá khả năng điều khiển bám sref 12 < t < 16s: Q = 15.000 VAr công suất phản kháng của DFIG tương ứng sref với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 16 < t < 20s: Q = 0 VAr sref m/s 16000 14000 12000 10000 5.2 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng 8000 và công suất phản kháng trong trường hợp 6000 tốc độ gió thay đổi 4000 Congsuat phan khang tham chieu, Qsref(VAr) 2000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Thoi gian, t (s) Hình 6. Công suất phản kháng tham chi u của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s 5
6. 16 15 Bảng 1. Bảng lookup table ứng với hiệu suất 14 tuabin đạt giá trị lớn nhất TT Tốc độ Tốc độ tuabin, Công suất 13 gió,  (rad/s) tuabin, tuabin Tocdov (m/s) gio , v (m/s) P (W) 12 w tuabin 1 4,5 0,759 131793 11 2 5,5 0,928 240626 10 3 6,5 1,097 397186 0 10 20 30 40 50 60 Thoi gian, t (s) 4 7,5 1,266 610151 Hình 9. Tốc độ gió thay đổi 5 8,5 1,485 888199 6 9,5 1,603 1240008 7 10,5 1,772 1500000 8 11,5 1,941 1500000 9 12,5 2,109 1500000 Thiết lập bảng lookup table ứng với hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất, C = 0,47; khi pmax góc pitch, β = 0 và tỷ số tốc độ,  = 6,76 x 105 16 14 12 10 8 Hình 10. Đánh giá khả năng điều khiển 6 bám công suất tác dụng của DFIG tương suat (W) tuabin, Cong Ptuabin 4 2 0 ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 5 6 7 8 9 10 11 12 Toc do gio, vw (m/s) Hình 12. Đường cong công suất cực đại của tuabin theo tốc độ gió của DFIG x 105 16 14 12 10 8 6 4 Cong suat tuabin, Ptuabin (W) suat (W) tuabin, Cong Ptuabin 2 0 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Toc do tuabin, wtuabin (rad/s) Hình 11. Đánh giá khả năng điều khiển bám Hình 13. Đường cong công suất cực đại của công suất phản kháng của DFIG tương ứng tuabin theo tốc độ tuabin của DFIG với trường hợp tốc độ gió thay đổi 6
7. 16 Hình 16. Đánh giá khả năng điều khiển 15 bám công suất Qs tối ưu của DFIG 14 6 lu n 13 Tocdov (m/s) gio , 12 Bài báo đã tìm hiểu và ứng dụng nguyên lý 11 hoạt động của DFIG trong cấu hình hệ thống 10 0 10 20 30 40 50 60 Thoi gian, t (s) biến đổi năng lượng gió tốc độ không đổi, tốc Hình 14. Tốc độ gió độ thay đổi. Bài báo đã mô hình hóa DFIG và xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Bài báo đã nghiên cứu và xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu công suất phát của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi. Hình 1 . Đánh giá khả năng điều khiển Các kết quả mô phỏng tương ứng với các bám công suất Ps tối ưu của DFIG trường hợp tốc độ gió không đổi và tốc độ gió thay đổi cho thấy rằng khả năng điều khiển bám của công suất tác dụng và công suất phản kháng theo các giá trị tham chiếu là rất tốt. ặc biệt, là khả năng điều khiển bám công suất cực đại được đề xuất trong Bài báo. 7
8. 7 T i liệu ha h [1] Trang thông tin điện tử - ‘Dự án năng lượng tái tạo’- www. Renewableenergy. org.vn [2] Chiến lược phát triển công nghệ iện Lực của Tập đoàn iện Lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025. [3] Trang thông tin điện tử của Hiệp hội năng lượng quốc tế - IEA - www.iea. org [4] Morten Lindholm, ‘Modelling and impact on power system dynamic’, Technical University of Denmark, 2003. [5] Anca D. Hansen, Florin Iov, Poul Sørensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch, Frede Blaabjerg, ‘ynamic wind turbine models in power system simulation tool’, DIgSILENT, Technical University of Denmark, 2007. [6] Andreas Petersson, ‘Analysis, modeling and control of doubly-fed induction generators for wind turbines’, Chalmers University of Technology, 2005. [7] Fernando D. Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz, ‘Wind turbine control systems principles, modelling and gain scheduling design’, 2007. [8] Lương Công Quyền, ‘ iều khiển trượt máy phát điện gió cấp ngu n từ hai ph a’, Luận văn Thạc sĩ, Trường ại học Bách Khoa TP. HCM, 2008. [9] ỗ Vĩnh Mạnh, ‘Nghiên cứu và mô phỏng phương pháp điều khiển bộ biến đổi PWM rectified và PWM inverter trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và DFIG’, Luận văn Thạc sĩ, Trường ại học Bách Khoa TP. HCM, 2008. [10] Nguyễn Chí Hiếu, ‘Khảo sát mô hình máy phát điện gió trong lưới điện phân phối’, Luận văn Thạc sĩ, Trường ại học Bách Khoa TP. HCM, 2008. [11] Tạ Văn a, ‘ ánh giá tài nguyên và khả năng khai thác năng lượng gió Việt Nam’, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Hà Nội, 2006. [12] Trang thông tin điện tử của Tập đoàn iện lực Việt Nam - www.evn.com.vn. [13] ặng ình Thống, ‘Cơ sở năng lượng mới và tái tạo’, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2006. [14] T. Burton, D. Sharpe, N. Jenkin and E. Bossanyi, ‘Wind energy handbook’, Wiley, 2001. [15] A. G. Abo-Khalil, ‘Model-based optimal efficiency control of induction generators for wind power systems’, IEEE Conference 2011, pp. 191-197, 2011. [16] J. G. Slootweg, H. Polinder, and W. L. Kling, ‘Dynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator’, IEEE Conference 2001, pp. 644-649, 2001. [17] T. Nakamura, S. Morimoto, M. Sanada, and Y. Takeda, ‘Optimum control of IPMSG for 8
9. wind generation system’, IEEE Conference 2002, pp. 1435-1440, 2002. [18] S. Heier, ‘Grid integration of wind energy conversation systems’, John Wiley & Son Ltd., 1998. [19] Slavomir Seman, ‘Transient performance analysis of wind power induction generators’, 2006. [20] Shabani, A. Deihimi, ‘A new method of maximum power point tracking for DFIG based wind turbine’, Bu Ali Sina University, Iran, 2010. [21] K. Raiambal and C. Chellamuthu, ‘Modelling and simulation of grid connected wind electric generating system’, IEEE TENCON, India, 2002. [22] S. S. Mali, B. E. Kushare, ‘MPPT algorithms: extracting maximum power from wind turbines’, International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, Vol. 1, Iss. 5, 2013. [23] J. S. Thongam and M. Ouhrouche, ‘MPPT control methods in wind energy conversion system’, Fundamental and Advanced Topics in Wind Power. [24] E. Koutroulis and K. Kalaitzakis, ‘Design of a maximum power tracking system for wind energy conversion applications’, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 2, April 2006. [25] Abdullah M. A, Yatim A. H. M, Tan C. W., Saidur R., ‘A review of maximum power point tracking algorithms for wind energy systems’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012. Xác nh n của Gi ng viên hư ng dẫn Học viên thực hiện (Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên) TS. Huỳnh Châu Duy Bùi Thanh Tuyền 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.