Kỹ thuật năng lượng gió: khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lượng trong gió; turbine gió; hệ máy phát gió làm việc với lưới điện

Nội dung text: Kỹ thuật năng lượng gió: khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lượng trong gió; turbine gió; hệ máy phát gió làm việc với lưới điện

1. Hướng năng lượng mới và tái tạo KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ; TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN 1 2 Lê Văn Khánh , Nguyễn Hữu Phú c Email: 1 khanh8159@yahoo.com, 2 nhphuc@hcmut.edu.vn Tóm tắt: Trong bài báo này trình bày các vấn đề liên quan đến việc mô hình điều khiển hệ turbine gió nối lưới dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để turbine vận hành tối ưu với vận tốc gió nhất định thì hệ thống rotor phải có chức năng tự điều chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoàn toàn đáp ứng được điều này, vì từ thông luôn tồn tại sẵn nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt rotor. Máy phát điện hoạt động với tốc độ vòng quay thấp nhưng nguồn điện năng sản xuất cao. Đây là những ưu điểm chính khi tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Ngoài ra để điều khiển nối lưới, ta dùng bộ chỉnh lưu AC-DC-AC, nghịch lưu phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòa đồng bộ cho máy phát điện cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết, nghịch lưu phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian. Xây dựng tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức mô phỏng trên phần mềm Pscad và đánh giá kết quả mô phỏng. Từ khóa: wind turbine, Full Rated Converter FRC, FSIG, rotational speed. Abstract: In this paper, The main content of this thesis presents the issues related to modeling controling of grid connected wind turbines using permanent magnetic synchronous generator. Because wind speeds changes over time, the rotor system must function and be self-adjusted to the change of wind speed and direction so that the turbine operates efficiently with certain wind velocity. Permanent magnetic synchronous generator completely satisfy this, since magnets always exist thanks to the system of permanent magnet glued on the surface of the rotor. Generators operate with low spin speeds but very high source of productive electricity, these are the main advantages when wind turbines using permanent magnetic synchronous generator. In addition, we use rectifiers AC-DC-AC to control connected grid. The inverter in the generator used to adjust the synchronous generator as well as separate the generator from the grid when necessary, the inverter in the grid used to keep stable the intermediate DC circuit voltage. Building complex wind turbine generators using permanent magnet synchronous with the power switch completely to the simulation and evaluation software Pscad simulation results. Keywords: wind turbine,Ful Rated Converter FRC, FSIG, rotational speed. I. GIỚI THIỆU 1
2. Hướng năng lượng mới và tái tạo Cả thế giới đang hướng đến một nguồn năng lượng xanh và sạch thì năng lượng gió, năng lượng mặt trời, là một năng lượng thiên nhiên mà loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Ngày nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy phát có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi. Trong đó, hệ thống biến đổi năng lượng gió có tốc độ thay đổi cho phép điều khiển định mức công suất nhận được từ gió, giảm ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột. Đối với hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu thì thiết bị điện tử công suất cho phép biến đổi 20 - 30% của tổng công suất phát, nghĩa là giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất. Với các ưu điểm trên, máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu được xem là giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi. Hệ thống máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi công suất định mức cho ta khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu cực stator máy phát thông qua bộ biến đổi công suất được đặt phía rotor. Do bản chất phi tuyến, điều khiển đối tượng điều khiển máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi công suất định mức phức tạp hơn nhiều so với điều khiển động cơ không đồng bộ thông thường (standard induction motor). Điều khiển máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi công suất định mức được xem như một trong những phương pháp đơn giản nhất cho việc điều khiển các hệ thống phi tuyến. Đối với WT dùng FRC theo cấu hình back-to-back với bộ biến đổi công suất nằm giữa lưới điêṇ và m ạch điện rotor như trình bày trong Hình 1 sử dụng kỹ thuật điều khiển góc phụ tải, công suất tác dụng và phản kháng do WT phát ra có thể được điều khiển độc lập. Khi stator của máy phát FRC được đấu nối trực tiếp vào lưới điện, từ thông stator được xem là hằng số trong toàn bộ các vùng hoạt động. Vì thế momen vẫn có thể được duy trì tại giá trị định mức của nó ngay cả khi FRC đang làm việc trên tốc độ đồng bộ. Hình 1: Cấu hình điển hình của WT FRC. Những hạn chế của các phương pháp này là tính phức tạp của chúng và khó khăn trong các áp dụng thực tế. Thêm nữa, các phương pháp điều khiển trên chưa được sử dụng đầy đủ trong tất cả các vùng làm việc. Gần đây [1] đã đề nghị một giải thuật điều khiển mới, áp dụng cho 3 vùng làm việc I, II, III, nhưng trong khu vực dưới của vùng I 2
3. Hướng năng lượng mới và tái tạo chưa tận dụng được nguồn gió có tốc độ tương đối khá, mà trong khu vực này vẫn có thể tận dụng phát năng lượng. II. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT 1. Năng lượng gió Năng lượng tích trữ trong gió được tính theo công thức: 1 3 PW Ar v W  2 ( 1) 2. Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor Năng lượng thực tế lấy được từ gió bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt và động năng của gió đằng sau cánh quạt. 1 P A v3C W  (2) R 2 r p Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hiệu suất rotor) được tính 1 C 1  1  2 ( 3) p 2 γ là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt vd và tốc độ gió đi vào cánh quạt v v  d ( 4) v Để tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (4) theo γ và tính được 1 Cp,max = 0.593 , ứng với giá trị  3 3. Turbine gió Ta có công suất của tuabin được tính theo biểu thức: 3 Pm = Cp(λ,β)ρA/2.v (5) Pm: Công suất đầu ra của tuabin (W) A: Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2) Từ công thức (5) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất, vận tốc gió tăng 1 lần thì công suất đầu ra cũng tăng theo lũy thừa 3 4. Hệ thống máy phát gió làm việc với lưới điện biến đổi tốc đô trên turbin gió với máy đồng bộ (Fully Rated Converter- Synchronous Generator: FRC-GS) Kích từ bằng nam châm vĩnh cửu cho phép tránh dòng điện kích thích hoặc sự tiêu thụ công suất phản kháng đặc trưng cần thiết bởi máy phát đồng bộ rotor dây quấn và máy điện cảm ứng và nó cũng loại bỏ được vành trượt. Trong hình 2 trình bày Cấu trúc với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu và hệ thống biến đổi công suất bao gồm hai bộ biến đổi nguồn điện áp đối xứng. Bộ biến đổi PWM-VSC có thể điều khiển dùng kỹ thuật gốc phụ tải hoặc điều khiển dòng điện được phát triển trong hệ quy chiếu định hướng điện áp chuẩn dq. 3
4. Hướng năng lượng mới và tái tạo Hình 2 Máy FĐ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ biến đổi nguồn điện áp đối xứng Để điều khiển máy phát điện (MFĐ) nối lưới, ta dùng 2 bộ nghịch lưu (nghịch lưu phía MFĐ và nghịch lưu phía lưới). Nghịch lưu phía MFĐ dùng điều chỉnh hòa đồng bộ cho MFĐ cũng như trách MFĐ ra khỏi lưới khi cần thiết. Nghịch lưu phía lưới là nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian. 5. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu Phương trình dòng và áp trên hệ tọa độ dq: (6) (7) Trong đó: Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực; Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực. p từ thông cực (vĩnh cửu). Tsd, Tsq hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực III. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 1. Kỷ thuật điều khiển gốc tải Phương pháp điều khiển góc phụ tải ứng dụng trong sự cân bằng dòng công suất ổn định để xác định đường truyền của công suất phản kháng và công suất tiêu thụ giữa máy phát và DC-Link. Trong hình 3: Eg: là biên độ của điện áp trong máy phát Xg: điện kháng đồng bộ Vt: biên độ điện áp tại đầu của của bộ biến đổi αg: là sự sai lệch góc giữa Eg và Vt. Dòng công suất phản kháng và công suất tiêu thụ trong trạng thái ổn định được tính như sau: 푡 푡 푃 = 푠푖푛훼 ; 푃 = 푠푖푛훼 (8) 4
5. Hướng năng lượng mới và tái tạo Hình 3 Điều khiển góc tải của một turbine gió máy phát điện đồng bộ Góc phụ tải nói chung thì nhỏ sinαg ≈ αg và cosαg ≈ 1. Do đó, phương trìng (8) có thể đơn giản: 2 푡 − 푡 푃 = 훼 ; 푄 = (10) 2. Đặc tính công suất Turbine theo vận tốc gió Theo hình 4 thì đặc tính P của phương pháp điều khiển góc phụ tải được chứng minh dùng trạng thái ổn định tĩnh, giảm bậc và không giảm bậc của mô hình của máy phát đồng bộ để nghiên cứu ảnh hưởng mà quá độ rotor và stato của máy phát với các đặc tính điều khiển Hình 4 Đặc tính Turbine gió dùng cho lấy ra công suất tối đa Hệ thống thử này dùng để mô phỏng trong hình 5, ở đó Turbine gió được đấu nối tới thanh góp vô hạn với các tham số đã cho trước. Cấu trúc cơ của Turbine được trình bày bởi mô hình khối đơn và vận hành lý tưởng của bộ biến đổi điện áp nguồn được giả định như vậy Hình 5 Điều khiển góc tải của bộ chuyển đổi phía máy phát điện 5
6. Hướng năng lượng mới và tái tạo 3. Kỷ thuật điều khiển vectơ Kỹ thuật điều khiển vectơ được thực hiện dựa trên mô hình động của máy phát động bộ được biểu diễn trong hệ qui chiếu dq. Ta có phương trình môment xoắn và từ thông máy phát điện: Te  ds.ids  qs.iqs (11) 휓 푠 = 퐿 푠 푖 푠 + 퐿 푖 (12) Đặt vectơ điều khiển 푖 푠 푒 = 0 và 푖푞푠 푒 được suy ra từ phương trìn (22). Từ phương trình (22) và (12) với 푖 푠 = 0 ta có thể đạt được là: = 휓 푖 (21) 푒 푠 푞푠 휓 = 퐿 푖 (22) 푠 Xác định 휓 = 퐿 푖 và thay cho 휓 từ phương trình (3.21) vào phương 푠 trình (21) ta được: 푒 = 휓 푖 (23) 푞푠 Từ phương trình (23) cho monmen chuẩn 푠 : 퐿 푖푞푠 푒 = (24) 휓 Dòng điện chuẩn 푖푞푠 푒 và 푖 푠 푒 được xác định bởi bộ điều khiển, biên độ điện áp thích hợp có thể được tính toán từ phương trình sau: 푣 푠 = − 푠푖 푠 + 푞푠 푖푞푠 (25) 푣 = − 푖 − 푖 + (26) 푞푠 푠 푞푠 푠 푠 Hình 6 Điều khiển vector của bộ chuyển đổi phía máy phát điện Điều khiển moment được thực hiện trên trục q và từ hóa của máy phát được điều khiển trên trục d. Giá trị chuẩn của dòng điện stator trên trục d, 푖푞푠 푒 được tính từ 6
7. Hướng năng lượng mới và tái tạo phương trình (24) và so sánh với giá trị thực 푖푞푠 sai số giữa hai tín hiệu này được xử lý bởi bộ điều khiển PI ngỏ ra của nó là điện áp trên trục q, 푣푞푠 được yêu cầu để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát. Để tính toán giá trị điện áp yêu cầu trên trục d, giá trị chuẩn của dòng điện stator trên trục d, được so sánh với dòng điện thực trên trục d và sai số giữa hai tín hiệu này được xử lý bởi bộ điều khiển PI. Dòng điện chuẩn có thể được giả sữ bằng 0 cho máy phát đồng bộ nam châm vịnh cữu. IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PSCAD Tất cả những kết quả mô phỏng ở đây được thực hiện bằng chương trình mô phỏng PSCAD 4.2. Các thông số của WT được đưa ra trong phần phụ lục. Kết quả mô phỏng được trình bày từ Hình 7 đến Hình 11 Hình 7 Tốc độ gió (m/s). Theo kết quả mô phỏng, tốc độ gió được thay đổi từ tốc độ cut-in là 4m/s đến tốc độ cut-out là 25m/s, mỗi lần thay đổi tăng thêm 1m/s như Hình 8. Tốc độ rotor máy phát ổn định trong thời khoảng 10s với sai số khoảng 0,003 pu như hình 8&9. Bảng 1: Kết quả mô phỏng P, Q từ Pscad (v = 4-13 m/s) 7
8. Hướng năng lượng mới và tái tạo Bảng 2: Kết quả mô phỏng P, Q từ Pscad (v = 13-25 m/s) Kết quả mô phỏng P, Q từ Pscad với vận tốc v = 4-25 m/s : - Công suất tác dụng P(MW): 8
9. Hướng năng lượng mới và tái tạo Hình 8 Công suất tác dụng P(MW) - Công suất phản kháng Q(Mvar) : Hình 9: Công suất phản kháng Q(Mvar) V. KẾT LUẬN. Phạm vi hoạt động của WT sử dụng máy phát FRC-SG là rộng, với khoảng tốc độ gió từ 4m/s đến 25m/s. Quan hệ công suất phát của máy phát gió theo tốc độ gió trong thuật toán đề xuất là bằng phẳng Khi vận tốc gió v = 4m/s, thì tuabin gió dùng MFĐ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bắt đầu khởi động và vận hành tối ưu khi vận tốc gió đạt giá trị 13m/s, lúc đó góc cánh β = 0. Qua kết quả mô phỏng tại thời điểm t = 10s thì tần số, điện áp, góc pha hoàn toàn đáp ứng với các điều kiện hòa MFĐ nối lưới. TÀI LIỆU THAM KHẢO. [1] WIND ENERGY GENERATION MODELLING AND CONTROL Olimpo Anaya-Lara, University of Strathclyde, Glasgow, UK Nick Jenkins, Cardiff University, UK Janaka Ekanayake, Cardiff University, UK Phill Cartwright, Rolls-Royce plc, UK Mike Hughes, Consultant and Imperial College London, UK 9
10. Hướng năng lượng mới và tái tạo [2] Gilbert M. Masters, “Renewable and Efficient Electric Power Systems”. John Wiley & Sons, Inc- 2005. [3] Shabani, A. Deihimi, “A New Method of Maximum Power Point Tracking for FSIG Based Wind Turbine”, Power system conference 2010. [4 T. Ackermann, “Wind Power in Power Systems”, New York, UK: John Wiley &Sons, 2005. [5] Hee-Sang Ko, Gi-Gab Yoon, and Won-Pyo Hong, “Active Use of DFIG-Based Variable-Speed Wind-Turbine for Voltage Regulation at a Remote Location”, IEEE Trans, Power systems, VOL. 22, NO. 4,pp. 1916-1925, NOVEMBER 2007. [6] Olimpo Anaya-Lara, Nick Jenkins, Janaka Ekanayake, Phill Cartwright, Mike Hughes, “Wind energy generation Modelling and Control”, John Wiley & Sons Ltd, 2009. [7] Siegfried Heier, “Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems”, John Wiley & Sons Ltd, 1998, ISBN 0-471-97143-X. [8] Magdi Ragheb and Adam M. Ragheb, “Wind Turbines Theory - The Betz Equation and Optimal Rotor Tip Speed Ratio”. [9] B. Beltran, M.E.H. Benbouzid and T. Ahmed-Ali, “High-Order Sliding Mode Control of a DFIG-Based Wind Turbine for Power Maximization and Grid Fault Tolerance”, Electric Machines and Drive Conference, 2009. [10] Brice Beltran, Tarek Ahmed-Ali, and Mohamed El Hachemi Benbouzid, “Sliding Mode Power Control of Variable-Speed Wind Energy Conversion Systems”, IEEE transactions on energy conversion, vol. 23, No. 2, June 2008. [11] Changhong Shao, Xiangjun Chen and Zhonghua Liang, “Application Research of Maximum Wind-energy Tracing Controller Based Adaptive Control Strategy in WECS”, IPEMC 2006. [12] Dr. Ani Gole, “Vector Controlled Doubly Fed Induction Generator for Wind Applications”, Dept. of Electrical and Computer Eng., University of Manitoba. 10
11. 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.