Luận văn Khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật tìm kiếm điểm cực đại công suất phát (MPPT) (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật tìm kiếm điểm cực đại công suất phát (MPPT) (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CHÂU MINH ĐẠO KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁTS K C 0 0 3 9 5 9 (MPPT) NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 8 1 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHÂU MINH ĐAỌ KHẢO SÁT HỆ THỐNG MÁY PHÁT NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC TRONG LƯỚI ĐIỆN VỚI KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT). NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ: 605250 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 1
3. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ HDKH: PGS.TS NGUYỄN HỮ U PHÚ C (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT, Ngày 20 tháng 10 năm 2012 2
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: CHÂU MINH ĐAỌ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13/02/1982 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Tân Lơị Thaṇ h, Giồng Trôm, Bến Tre. Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 59, D4, Kp 6, Trƣờ ng Thọ, Thủ Đức, TP. HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại: 0982293571 Fax: E-mail: dao.chauminh@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 11/ 2005 Nơi học: Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Điêṇ khí hóa & cung cấp điêṇ Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: thi tốt nghiêp̣ . Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Ngƣời hƣớng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Học viên lớp bồi dƣỡng sau Trƣơng đại học Bách khoa TP . Hồ 2006 - 2008 ̀ đaị học ngành thiết bị , mạng Chí Minh và nhà máy điện. 2008 - 2011 Cty TNHH Scancom Viêṭ Nam. Vâṇ hành và quản lý bảo trì. 2010 - hiêṇ Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Học viên cao học ngành thiết nay Tp. Hồ Chí Minh bị, mạng và nhà máy điêṇ . i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 9 năm 2012 Châu Minh Đaọ ii
6. LỜI CẢM TẠ Đề tài này đƣợc thực hiện theo chƣơng trình đào tạo thạc sĩ tại Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn quí thầy cô đã tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em nghiên cứu thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy PGS. TS. Nguyêñ Hƣ̃u Phúc đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hƣớng dẫn em hoàn thiện đề tài này. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô khoa điện – điện tử Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã khích lệ, đôn đốc và giám sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Rất cảm ơn trƣớc sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp cao học ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa 2010B, cám ơn vì sự đóng góp những ý kiến bổ ích qua những cuộc thảo luận của tập thể lớp. Xin gửi lời tri ân đến gia đình và những ngƣời thân vì đã luôn ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này. Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn. Học viên Châu Minh Đaọ iii
7. TÓM TẮT Trong luâṇ văn này các vùng làm việc khác nhau của máy phát không đồng bộ cấp nguồn hai phía (DFIG) của turbine gió (WT), trên quan điểm về tốc độ rôto, công suất phát, tỉ số tốc đô ̣ đầu cánh (tip speed ratio TSR) λ và góc nghiêng β của cánh quạt WT, đã đƣợc khảo sát và giới thiêụ . Sau đó, một thuật toán điều khiển mới đƣợc đề xuất nhằm lấy đƣợc công suất cực đại có từ năng lƣợng gió, dựa trên sự khác biệt giữa tốc đô ̣quay t ối ƣu và tốc độ quay thực tế của trục turbine. Thuật toán đƣợc thực hiện trong các chƣơng trình mô phỏng sử dụng phần mềm PSCAD. Các kết quả của phƣơng pháp đề xuất sau đó đƣợc so sánh với các số liệu thực tế của máy Nordex N80/2500 KW cho thấy tính đúng đắn và các ƣu điểm của phƣơng pháp đề xuất. ABSTRACT In this thesis In this paper, different operational regions of doubly fed induction generator (DFIG)- based wind turbine (WT), from the viewpoints of rotor speed, generated power, tip speed ratio λ and angle of blades β of the WT's rotor, are studied and classified. Then a new control algorithm for maximum wind power point tracking (MPPT) and extraction, based on the difference between optimum and current rotational speed of the shaft of WT, will be proposed. The algorithm is implemented in control schemes and carried out in terms of various operational conditions of wind speed in PSCAD software environment. The results obtained are then compared with the actual data of Nordex N80/2500 KW for validation of the proposed method. This comparison is done based on the speed of operation and quality of generated power and the results show the advantages of the proposed method. iv
8. MỤC LỤC TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xii Chƣơng 1: TỔ NG QUAN 1.1 GIỚ I THIÊỤ TỔ NG QUAN 1 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 3 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3 1.5 PHƢƠNG PHÁ P NGHIÊN CƢ́ U 4 1.6 KẾ HOAC̣ H THƢ̣C HIÊṆ 4 1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI 4 1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN 4 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾ T VỀ NĂNG LƢƠṆ G GIÓ . 2.1 NĂNG LƢƠṆ G GIÓ 5 2.1.1 Hiêụ chỉnh theo nhiêṭ đô ̣cho mâṭ đô ̣không khí 6 2.1.2 Hiêụ chỉnh theo độ cao so với mực nƣớc biển cho mâṭ đô ̣không khí 7 2.2 ẢNH HƢỞ NG CỦ A ĐÔ ̣ CAO THÁ P 10 2.3 HIÊỤ SUẤ T VÀ CÔNG SUẤ T CỦ A CÁ NH QUAṬ 12 2.3.1 Hiêụ suất lớn nhất của cánh quaṭ 12 2.3.2 Đƣờng cong công suất turbine gió lý tƣởng 17 2.4 KIỂ M SOÁT TỐ C ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 19 2.4.1 Sƣ ̣ ảnh hƣởng của tốc độ cánh quạt thay đổi 19 2.4.2 Các giải pháp kiểm soát tốc đô ̣ 21 v
9. 2.4.2.1 Thay đổi số cƣc̣ máy phát 21 2.4.2.2 Hôp̣ số nhiều cấp 21 2.4.2.3 Máy phát cảm ứng hệ số trƣợt thay đổi 21 2.4.2.4 Các hệ thống kết nối lƣới gián tiếp 21 2.5 CÔNG SUẤ T TRUNG BÌNH TRONG GIÓ 21 2.5.1 Biểu đồ tần số gió không liên tuc̣ 22 2.5.2 Hàm số mật độ xác suất vâṇ tốc gió 23 2.5.3 Thống kê Weibull và Rayleigh 24 2.5.4 Công suất trung bình trong gió với thống kê Rayleigh 26 2.6 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾ N ĐỔ I NĂNG LƢƠṆ G GIÓ 27 2.6.1 Hê ̣thống biến đổi năng lƣơṇ g gió tốc đô ̣cố đinh 27 2.6.2 Hê ̣thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ thay đổi 28 2.6.2.1 Hê ̣thống biến đổi toàn bô ̣công suất (FRC-fully rated converter) 28 2.6.2.2 Hê ̣thống biến đổi năng lƣơṇ g gió tốc đô ̣thay đổi sƣ̉ duṇ g DFIG 28 Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁ N HOC̣ DFIG 3.1 GIỚ I THIỆU 30 3.2 ƢU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG DFIG 30 3.3 VECTOR KHÔNG GIAN 31 3.3.1 Vector không gian 31 3.3.2 Biểu diêñ công suất theo vector không gian 32 3.4 CÁC PHÉP CHUYỂ N ĐỔ I HÊ ̣ QUI CHIẾ U 33 3.4.1 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu abc sang hê ̣qui chiếu αβ 34 3.4.2 Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu cố định αβ sang hê ̣qui chiếu quay dq 35 3.4.3 Phép chuyển đổi Park 36 3.5 MÔ HÌNH TOÁ N HOC̣ DFIG 38 3.5.1 Mô hình toán hoc̣ DFIG trong hê ̣truc̣ toạ đô ̣tiñ h αβ 38 3.5.2 Mô hình toán hoc̣ DFIG trong hê ̣truc̣ toạ đô ̣dq 42 Chƣơng 4: KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT) 4.1 GIỚ I THIÊỤ 45 4.2 CÔNG SUẤ T KHÍ ĐÔṆ G HOC̣ 46 4.3 CÁC VÙNG LÀM VIỆC 48 vi
10. 4.3.1 Vùng I 48 4.3.2 Vùng II 49 4.3.3 Vùng III 50 4.3.4 Vùng IV 50 4.4 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MPPT 51 4.4.1 Vùng I 52 4.4.2 Vùng II 52 4.4.3 Vùng III 52 4.4.4 Vùng IV 53 Chƣơng 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎ NG TRONG PSCAD VÀ KẾ T QUẢ 5.1 SƠ ĐỒ HÊ ̣ THỐ NG TURBINE GIÓ KẾ T NỐ I LƢỚ I ĐIÊṆ 54 5.2 XÂY DƢ̣NG MÔ HÌNH TURBINE GIÓ 54 5.2.1 Khối WIND PARK 54 5.2.1.1 Mô tả chƣ́ c năng 54 5.2.1.2 Các tín hiệu ngõ vào 55 5.2.1.3 Các tín hiệu ra 55 5.2.2 KHỐ I MÁY PHÁT 57 5.2.2.1 Mô tả 57 5.2.2.2 Các thông số ngõ vào 58 5.2.2.3 Các thông số ngõ ra 58 5.2.3 KHỐ I VSC 59 5.2.3.1 Rotor side converter (bô ̣chuyển đổi phía rotor) 59 5.2.3.2 Gride side converter (bô ̣chuyển đổi phía lƣớ i) 62 5.3 KẾ T QUẢ MÔ PHỎ NG 65 5.3.1 Giớ i thiêụ tổng quan WT Nordex N80/2500Kw 65 5.3.2 Vâṇ tốc gió tăng thêm 2m/s 66 5.3.3 Vâṇ tốc gió giảm đi 2m/s 67 5.3.4 Kết quả tổng hơp̣ cho vâṇ tốc gió tƣ̀ cut in đến cut out và so sánh vớ i Nordex N80/2500Kw. 67 5.3.5 Nhâṇ xét kết quả mô phỏng 72 Chƣơng 6: KẾ T LUÂṆ 6.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT TRONG LUÂṆ VĂN 73 vii
11. 6.2 ĐỀ XUẤT NHỮNG HƢỚ NG NGHIÊN CƢ́ U TIẾ P THEO 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 viii
12. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT DFIG Doubly Fed Induction Generator DFIM Doubly Fed Induction Machine FOC Field Oriented Control FRC Fully Rated Converter GSC Grid Side Converter IG Induction Generator MPPT Maximum Power Point Tracking PI Proportional Integral p.u Per Unit PWM Pulse Width Modulation RMS Root Mean Square RSC Rotor Side Converter SG Synchronuos Generator TSR Tip Speed Ratio VSC Voltage Source Converter WECS Wind Energy Convertion System Chỉ số trên s, e Hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq T Chuyển vị của ma trận, véctơ Chỉ số dƣới max, min maximum, minimum ref, Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt KÝ HIỆU vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr điện áp pha stator và rotor ix
13. ias, ibs, ics, iar , ibr , icr dòng điện stator và rotor ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr từ thông stator và rotor vαs, vβs, vαr, vβr điện áp stator và rotor theo trục α,β iαs, iβs, iαr, iβr dòng stator và rotor theo trục α,β ψαs, ψβs, ψαr, ψβr từ thông stator và rotor theo trục α,β vds, vqs, vdr, vqr điện áp stator và rotor theo trục d,q ids, iqs, idr, iqr dòng stator và rotor theo trục d,q ψds,ψqs,ψdr ,ψqr từ thông stator và rotor theo trục d,q Udc điện áp dc-link Rs, Rr điện trở dây quấn stator và rotor Lls, Llr điện cảm tản stator và rotor Ls, Lr điện cảm stator và rotor Lm điện cảm từ hóa 휔g rated tốc độ đồng bộ của máy phát 휔g là tốc độ làm việc của máy phát. ωr tốc độ cánh quạt kT tỷ số vòng dây stator và rotor Te,Tm mômen điện từ và mômen cơ p số cặp cực từ J,H mômen quán tính và hệ số quán tính rotor v, vd vận tốc gió trƣớc, sau cánh quạt vb vâṇ tốc qua măṭ phẳng cánh quaṭ R, A bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin ρ, Cρ mật độ không khí và hiệu suất rotor λ, β Tip speed ratio và góc pitch x
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Mâṭ đô ̣không khí theo nhiêṭ đô ̣ 7 Bảng 2.2: Mâṭ đô ̣không khí theo áp suất (đô ̣cao so với mƣc̣ nƣớc biển) 9 Bảng 2.3: Hê ̣số ma sát theo điạ hình. 10 Bảng 2.4: Đặc tính gồ ghề dùng cho biểu thức (2.16). 11 Bảng 5.1: Thông số WT Nordex N80(2,5MW). 66 Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng. 69 Bảng 5.3: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW. 69 xi
15. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Công suất gió trên 1 m2 mặt cắt ngang tại 15◦C và 1 atm. 6 Hình 2.2: Mối quan hệ giữa áp suất không khí và độ cao so với mặt biển. 8 Hình 2.3: (a) tỷ số vận tốc gió theo đô ̣cao và (b) tỷ số công suất so với độ cao. 11 Hình 2.4: Đặt tính gió đi qua cánh quạt 13 Hình 2.5: Đặc tính hiệu suất cánh quạt. 15 Hình 2.6: Đặc tính hiệu suất cánh quạt theo TSR. 16 Hình 2.7: Góc nghiên của cánh quaṭ . 17 Hình 2.8: Hiệu suất Cp (λ, β) 17 Hình 2.9: Công suất WT phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin 18 Hình 2.10: Đƣờng cong công suất lý tƣởng của tuabin gió. 19 Hình 2.11: Đặc tính hiệu suất Cp theo tốc đô ̣quay của cánh quaṭ . 20 Hình 2.12: Đặc tính công suất thu đƣợc theo tốc độ quay cánh quạt. 20 Hình 2.13: Biểu đồ vâṇ tốc gió tính theo giờ trên năm. 23 Hình 2.14: Hàm số mật độ xác suất vận tốc gió (pdf). 24 Hình 2.15: Hàm mật độ xác suất Weibull 25 Hình 2.16: Hàm mật độ xác suất với tham số tỷ lệ c thay đổi. 26 Hình 2.17: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ cố định. 27 Hình 2.18: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát 28 Hình 2.19: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió đƣợc trang bị với DFIG. 29 Hình 3.1: Nguyên lý của véctơ không gian. 31 Hình 3.2: Các đại lƣợng của hệ trục abc biểu diễn trong hệ trục αβ. 35 Hình 3.3: Mối liên hệ giữa hệ trục αβ hệ trục dq. 36 Hình 3.4: Mối liên hệ giữa hệ trục abc và hệ trục dq 37 Hình 3.5: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y. 38 Hình 3.6: Sơ đồ tƣơng đƣơng RL của stator và rotor. 39 Hình 3.7: Mô hình lý tƣởng của máy điện không đồng bộ ba pha. 40 Hình 3.8: Mạch điện tƣơng đƣơng mô hình động DFIG trong hệ trục αβ. 41 Hình 3.9: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq. 43 Hình 3.10: Mạch điện tƣơng đƣơng mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ. 43 Hình 4.1: Cấu hình điển hình của WT DFIG. 46 Hình 4.2: Hệ số công suất Cp(λ, β). 47 Hình 4.3: Các vùng điều khiển DFIG. 49 Hình 4.4: Đặc tính công suất WT. 51 Hình 5.1: Hệ thống turbine gió và máy phát DFIG. 54 Hình 5.2: Mô hình wind park. 55 Hình 5.3: Xác định momen cơ Tm. 56 Hình 5.4: Khối xác định tốc độ tham chiếu. 56 Hình 5.5: Khối điều khiển góc nghiêng β. 57 Hình 5.6: Mô hình máy điêṇ cảm ƣ́ ng rotor dây quấn. 57 Hình 5.7: Các biến ngõ ra của máy phát. 58 Hình 5.8: Xác định vị trí của vector từ thông. 60 xii
16. Hình 5.9: Xác định dòng điều khiển bên rotor. 61 Hình 5.10: Bô ̣taọ xung kích Hysteresis Buffer. 61 Hình 5.11: Sơ đồ các khóa IGBT. 62 Hình 5.12: Bộ điều khiển tách. 63 Hình 5.13: Xác định thành phần dq của dòng điện. 64 Hình 5.14: Xác định điện áp pha tham chiếu. 64 Hình 5.15: Bô ̣phát xung PWM sin. 65 Hình 5.16: Đáp ƣ́ ng tốc đô ̣khi vâṇ tốc gió tăng. 66 Hình 5.17: Đáp ƣ́ ng tốc đô ̣khi vâṇ tốc gió giảm. 67 Hình 5.18: Tốc độ gió (m/s). 68 Hình 5.19: Đáp ứng tốc độ của rotor máy phát. 68 Hình 5.20: Hệ số Cp. 68 Hình 5.21: Góc nghiêng của cánh quạt β. 68 Hình 5.22: So So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW. 70 Hình 5.23: Kết quả các vùng làm việc của DFIG. 71 xiii
17. Luâṇ văn cao học Khóa 2010-2012B Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1 1.1 GIỚ I THIÊỤ TỔ NG QUAN. Gió là một nguồn năng lƣợng miễn phí, sạch và vô tận. Nó đã đáp ứng tốt cho loài ngƣời ở nhiều nƣớc bằng việc cung cấp lực đẩy tàu thủy và truyền động các turbine gió để xay ngũ cốc và bơm nƣớc. Sự quan tâm đến năng lƣợng gió đã tụt hậu, khi sản phẩm dầu mỏ rẻ và phong phú sau chiến tranh thế giới lần thứ II. Chi phí vốn cao và sự không chắc chắn của hƣớng gió đƣa năng lƣợng gió vào tình thế bất lợi về kinh tế. Sau đó vào năm 1973, nƣớc Arab đặt lệnh cấm vận dầumỏ. Những ngày của dầu mỏ rẻ và phong phú đã đi đến kết thúc. Con ngƣời bắt đầu nhận thức rằng nguồn cung cấp dầu của thế giới sẽ không kéo dài mãi mãi và nguồn cung cấp còn lại cần đƣợc bảo tồn cho nền công nghiệp hóa học dầu mỏ. Ví dụ việc sử dụng dầu làm nhiên liệu lò hơi sẽ phải đƣợc loại bỏ. Các nguồn năng lƣợng khác ngoài dầu và khí tự nhiên phải đƣợc phát triển. Hai nguồn năng lƣợng ngoài dầu mỏ mà đã đƣợc giả định để cung cấp cho nhu cầu năng lƣợng trong thời gian dài của United States là than đá và năng lƣợng hạt nhân. Nhiều ngƣời nghỉ có đủ than cho vài thế kỷ với mức tiêu thụ nhƣ hiện nay (2006) và tƣơng tự nhƣ vậy cho năng lƣợng hạt nhân sau khi lò phản ứng tái sinh đƣợc khai thác hoàn toàn. Đây là các nguồn thông tin đã đƣợc chứng minh, trong ý nghĩa đó công nghệ đƣợc phát triển cao và lƣợng lớn than đá và hạt nhân cấp nguồn cho nhà máy phát điện thì đang hoạt động và cung cấp khối năng lƣợng đáng kể đến khách hàng. Thật không may, cả hai than đá và hạt nhân phát sinh các vấn đề thuộc về môi trƣờng đáng sợ. Than đòi hỏi hoạt động khai thác qui mô lớn, đất để lại thì khó hoặc không thể khôi phục lại sự hữu ích trong nhiều trƣờng hợp. Sự đốt cháy than có thể làm đảo lộn cân bằng nhiệt của hành tinh. Việc sinh ra khí carbon dioxide và sulfur dioxide có thể ảnh hƣởng đến khí quyển và khả năng của hành CBHD: PGS TS Nguyêñ Hƣ̃u Phúc 1 HVTH: Châu Minh Đaọ
18. Luâṇ văn cao học Khóa 2010-2012B tinh làm ra lƣơng thực cho con ngƣời. Than đá cũng là một nguyên liệu hóa học dầu mỏ và nhiều ngƣời cho là đốt nó nhƣ nguyên liệu lò hơn thật dại dột. Năng lƣợng hạt nhân có một vài lợi thế hơn than đá trong đó không có carbon dioxide hoăc̣ sulfur dioxide đƣợc sinh ra, các hoạt động khai mỏ thì có qui mô nhỏ hơn và nó không có tác dụng chủ yếu khác ngoài việc cung cấp nhiệt. Khó khăn chính là vấn đề xử lý chất thải, trong đó vì những lo ngại của nhiều ngƣời, có lẽ sẽ không bao giờ có giải pháp thật sự thỏa mãn. Vì những vấn đề này, năng lƣợng gió và dạng khác nhƣ năng lƣợng mặt trời đang đƣợc khuyến khích mạnh mẽ. Năng lƣợng gió có thể trở thành nguồn năng lƣợng chính mặt dù chi phí hơi cao so với năng lƣợng than đá và hạt nhân vì về cơ bản các vấn đề phi kinh tế và chính trị của năng lƣợng than đá và hạt nhân. Điều này không nói rằng chi phí cho năng lƣợng gió sẽ luôn luôn cao hơn năng lƣợng than đá và hạt nhân. Vì sự tiến bộ đáng kể đang thực hiện trong việc làm năng lƣợng gió ít tốn kém. Nhƣng thậm chí không có lợi thế về chi phí rõ ràng, năng lƣợng gió cũng có thể trở thành dạng năng lƣợng quan trọng thật sự trong bức tranh năng lƣợng thế giới. Sự biến đổi năng lƣợng gió đƣợc thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy phát, có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi. Có nhiều lý do cho việc sử dụng hệ thống biến đổi năng lƣợng gió có tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng nhất là phạm vi thay đổi tốc độ theo phaṃ vi thay đổi của vâṇ tốc gió rộng cho phép điều khiển tối ƣu công suất nhận đƣợc từ gió, giảm ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột và khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng. Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lƣợng gió trang bị máy phát điện cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG (Doubly Fed Induction Generator), stator đƣợc kết nối trực tiếp với lƣới điện còn rotor nối thông qua một bộ biến đổi công suất, máy phát đƣợc điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên phía rotor. Ƣu điểm nổi bậc khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 - CBHD: PGS TS Nguyêñ Hƣ̃u Phúc 2 HVTH: Châu Minh Đaọ
19. Luâṇ văn cao học Khóa 2010-2012B 30% của tổng công suất phát, nghĩa là giảm đƣợc tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát nhƣ hệ thống biến đổi năng lƣợng gió sử dụng máy phát đồng bộ (SG). Với các ƣu điểm trên, máy phát không đồng bộ DFIG xem là giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ thay đổi. 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Đề xuất kỹ thuật mới, đơn giản cho viêc̣ tìm kiếm điểm điểm cực đại công suất phát (MPPT) sƣ̉ duṇ g hê ̣thống máy phát năng lƣơṇ g gió DFIG làm viêc̣ trong lƣới điêṇ . - Kết quả đaṭ đƣơc̣ phải đƣơc̣ so sánh với sản phẩm thƣc̣ tế để chƣ́ ng minh tính đúng đắn của kỹ thuật đề xuất. 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, đề xuất thuật toán điều khiển và xây dựng mô hình mô phỏng hê ̣thống máy phát điện cảm ứng cấp nguồn hai phía DIFG đƣợc ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió (WECS). 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề nhƣ sau: - Đề xuất thuâṭ toán MPPT. - Mô hình hóa và mô phỏng hê ̣thống máy phát DFIG kết nối lƣới với nút vô hạn. - Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự hay đổi tham số mô hình. So sánh kết quả đạt đƣợc với số liệu thực tế của hảng Nordex chƣ́ ng minh sƣ ̣ đúng đắn của thuâṭ toán đề xuất. CBHD: PGS TS Nguyêñ Hƣ̃u Phúc 3 HVTH: Châu Minh Đaọ
20. Luâṇ văn cao học Khóa 2010-2012B 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra bằng mô phỏng, so sánh với số liêụ thƣc̣ tế. 1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN - Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan. - Tìm hiểu về tổng quan về năng lƣợng gió. - Tìm hiểu các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió đang áp dụng trên thế giới và so sánh ƣu nhƣợc điểm của các cấu hình này. - Xây dụng mối quan hệ giữa các thông số trong máy phát điện cảm ứng DFIG. - Đƣa ra giải thuật tìm kiếm điểm điểm cực đại công suất phát cho DFIG. - Mô phỏng trên PSCad và so sánh với số liêụ thƣc̣ tế của hảng Nordex . Nhâṇ xét kết quả. 1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Có thể ứng dụng vào thực tế trong ngành điện sử dụng năng lƣợng gió. - Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển nghiên cứu đề án sự xâm nhập của năng lƣợng gió vào hệ thống điện Việt Nam. 1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về năng lƣợng gió. Chƣơng 3: Mô hình toán học DFIG trong các hệ trục tọa độ αβ và dq. Chƣơng 4: Đề xuất thuâṭ toán tìm kiếm điểm cƣc̣ đaị công suất phất. Chƣơng 5: Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả. Chƣơng 6: Kết luâṇ và đề xuất những hƣớng nghiên cứu tiếp theo. CBHD: PGS TS Nguyêñ Hƣ̃u Phúc 4 HVTH: Châu Minh Đaọ
21. Luâṇ văn cao học Khóa 2010-2012B Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ. 2 2.1 NĂNG LƢỢNG GIÓ. Xét một khối không khí với khối lƣợng m đang di chuyển với vận tốc v. Năng lƣợng động năng KE đƣợc cho bởi biểu thức quen thuộc sau: 1 KE = mv2 (2.1) 2 Công suất là năng lƣợng theo thời gian, công suất qua diện tích A tƣơng ứng khối lƣợng không khí di chuyển với vận tốc v là: Năng lƣợng 1 Công suất qua diện tích A = = 푣2 (2.2) Th ời gian 2 Th ơ i gian Lƣu lƣợng theo khối lƣợng , qua diện tích A là tích của mật độ không khí ρ, vận tốc v, và diện tích phần mặt cắt ngang A: = 휌 푣 (2.3) Kết hợp (2.3) với (2.2) ta đƣợc mối quan hệ quan trọng: 1 푃 = 휌 푣3 (2.4) 푤 2 Trong hệ đơn vị S.I. Pw là công suất trong gió (watts); ρ là mật độ không khí (kg/m3) (tại 15◦C và 1 atm, ρ = 1,225 kg/m3); A là diện tích mặt cắt ngang mà 2 gió đi qua (m ); và v là vận tốc gió bình thƣờng đến diêṇ tích măṭ cắt A (m/s). Hình 2.1 cho thấy công suất gió trên 1 m2 mặt cắt ngang tại 15◦C và 1 atm. Hiển nhiên cần quan tâm là năng lƣợng trong một khoảng vận tốc gió. Với mối quan hệ phi tuyến giữa công suất và vận tốc gió, cần lƣu ý là không thể sử dụng CBHD: PGS TS Nguyêñ Hƣ̃u Phúc 5 HVTH: Châu Minh Đaọ