Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phương pháp DPC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.41 MB, 87 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
------------------------------------
NGUYỄN THẾ LUÂN
ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ
KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP DPC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
------------------------------------
NGUYỄN THẾ LUÂN
ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ
KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP DPC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VÕ VIẾT CƯỜNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. VÕ VIẾT CƯỜNG
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 12 tháng 3 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
Họ và tên
TT
Chức danh Hội đồng
1
PGS. TS. Trần Thu Hà
Chủ tịch
2
TS. Huỳnh Châu Duy
Phản biện 1
3
TS. Trương Đình Nhơn
Phản biện 2
4
TS. Trần Thanh Phương
Ủy viên
5
TS. Dương Thanh Long
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
PGS. TS. Trần Thu Hà
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày
tháng 01 năm 2016
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THẾ LUÂN
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 25/04/1984
Nơi sinh: Đức Trọng-Lâm Đồng
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
MSHV: 1341830023
I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
(DFIG) BẰNG PHƯƠNG PHÁP DPC
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Xây dựng hệ thống điều khiển DFIG dùng phương pháp điều khiển trực tiếp Công
suất (DPC);
- Mô phỏng hệ thống điều khiển P, Q độc lập DFIG dùng phương pháp DPC với mô
hình máy điện trong hệ qui chiếu quay trên phần mền Matlab/Simulink;
- Dựa vào kết quả FOC s n có để so sánh với DPC và r t ra kết luận.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18 / 8 /2014
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/12/2015
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VÕ VIẾT CƯỜNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự gi p đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
NGUYỄN THẾ LUÂN
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng
dẫn tận tình của TS.VÕ VIẾT CƯỜNG, tôi đã hoàn thành luận văn đ ng thời gian quy
định. Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS.
VÕ VIẾT CƯỜNG, thầy là người tận tâm hết lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình và
góp ý tận tình gi p cho bài luận văn của tôi được hoàn chỉnh.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn Qúy thầy cô giảng viên trường Đại Học Công
Nghệ TP. Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, gi p tôi học tập
và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường.
Ngoài ra, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, Phòng Quản Lý
Khoa Học - Đào Tạo Sau Đại Học trường Đại Học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh, đã
gi p đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học
tại trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ, gi p đỡ cho tôi trong
quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ thuật điện” đã
đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2016
Người thực hiện
NGUYỄN THẾ LUÂN
iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Năng lượng gió ngày càng được khai thác nhiều, trong đó việc điều khiển tubin
gió để hòa lưới đang đặt ra những vấn đề cần nghiên cứu. Mục tiêu của đề tài này
là:
- Xây dựng hệ thống điều khiển DFIG dùng phương pháp điều khiển trực tiếp
Công suất (DPC)
- Mô phỏng hệ thống điều khiển P, Q độc lập DFIG dùng phương pháp DPC
với mô hình máy điện trong hệ quy chiếu quay trên phần mềm Matlab/Simulnk
Họat động của mô hình được kiểm chứng thông qua việc thay đổi tốc độ gió.
Kết quả cho thấy:
- Cả hai phương pháp điều khiển FOC và DPC đều đáp ứng tốt trong điều khiển
độc lập công suất máy điện gió DFIG. Tuy nhiên phương pháp DPC vượt trội hơn về
khả năng đáp ứng các đại lượng điều khiển nhanh hơn, bám sát vào các giá trị điều
khiển theo yêu cầu.
- Khi tốc độ gió thay đổi nhanh, mạnh khả năng điều khiển DPC vẫn đáp ứng tốt.
iv
ABSTRACT
Wind energy is increasingly exploited, including wind turbine to the control
grid is posing problems to study. The objective of this project is:
- Improving control systems DFIG using Direct Power Control (DPC)
- The simulation is based on MATLAB/SIMULINK
Activities of the model is verified through the wind speed changes.
The results show:
- Both control methods FOC and DPC are responsive control in independent
power control of DFIG wind power. However DPC method excels in the ability to
meet the quantities faster control, stick to the command values on request.
- When the wind changes speed fast, strong ability to control DPC remains
responsive.
v
DANH MỤC KÝ HIỆU – TỪ VIẾT TẮT
vs , vr
Điện áp stator, rotor
is , ir
Dòng điện stator, rotor
s , r
s
Từ thông stator, rotor
Tần số góc stator
Ps , Qs
Tần số góc rotor
Công suất tác dụng, phản kháng stator
Lm
Cảm kháng Mutual inductance
L s , L r
Cảm kháng khe hở không khi stator, rotor
Ls , Lr
Cảm kháng stator, rotor
Rs , Rr
,
Điện trở Stator, rotor
r , r
d, q
s, r
dq+ /dq -
Hệ trục α-β
Hệ trụcαr-βrphía rotor
Hệ trục quayd-q
Stator, rotor
Trục tọa dq độ thứ tự Thuận / Nghịch
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65m) ..............7
Bảng 6.1: Bảng lựa chọn vector điện áp trong DTC [24] .........................................44
Bảng 6.2: Bảng lựa chọn vector điện áp trong DPC.[24] .........................................46
Bảng 6.3: Thông số máy phát gió DFIG 2.3MW......................................................50
Bảng 6.4: Thông số điều khiển đầu vào ....................................................................50
vii
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 ...............................................3
Hình 2.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện năm 1988.....................................................4
Hình 2.3 Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam. Tốc độ trung bình năm tại độ cao
65m. .............................................................................................................................6
Hình 2.4 : Gió mạnh vào tháng 12 đến tháng 2 năm sau là sự bổ sung hữu ích cho
các tháng thiếu nước của các thủy điện. Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast
Asia 2001 ....................................................................................................................8
Hình 2.5 Các tổ máy 1.5MW đầu tiên của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình
Thuận ...........................................................................................................................9
Hình 3.1 Chi tiết buồng chứa của hệ thống phát điện gió .........................................12
Hình 3.2 Thống kê các Phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ ....14
Hình 3.3 Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy đồng bộ ....................................15
Hình 3.4 Máy phát cảm ứng tự kích từ. ....................................................................15
Hình 3.5 Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện ..............16
Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc .......................16
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG .........................................................17
Hình 3.8 Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo ........................18
Hình 3.9. Sơ đồ các khối chức năng trong hệ thống năng lượng gió.[15] ................18
Hình 3.10 Điểm làm việc của hệ thống tuabin gió [19] ............................................20
Hình 3.11 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi. ................................21
Hình 3.12 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi trang bị máy phát đồng
bộ (không dùng hộp số truyền động) ........................................................................22
Hình 3.13 Cấu tr c của hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIG [14] .22
Hình 4.1 Nguyên lý vector không gian. ....................................................................25
Hình 4.2 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc, . ........................................................27
Hình 4.3 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq. [8] ................................................28
Hình 4.4: Mối liên hệ giữa trục tọa độ và dq.......................................................29
Hình 4.5 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y.........................................................30
viii
Hình 4.6: Sơ đồ tương đương RL của Stator và Rotor. ............................................30
Hình 4.7 Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục ...............31
Hình 4.8 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq ....32
Hình 5.1 Mô hình điều khiển DFIG ..........................................................................34
Hình 5.2 Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới [19] .........................................35
Hình 5.3. Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) máy điện DFIG ................................37
Hình 5.4 Sơ đồ điều khiển DFIG theo VOC .............................................................39
Hình 5.5: Sơ đồ khối điều khiển RSC [19]
..............................................................40
Hình 6.1 Điều khiển trực tiếp moment và từ thông của động cơ không đồng bộ [24]
...................................................................................................................................42
Hình 6.2 Vị trí của các sector khi từ thông stator quay quanh trục . ....................43
Hình 6.3 Các vector điện áp khi thay đổi từ thông và moment trong các sector [11;
24]..............................................................................................................................43
Hình 6.4a Sơ đồ tổng quát sử dụng DPC cho hệ thống DFIG.[24] ..........................45
Hình 6.4b: Vector điện áp và điều khiển từ thông sử dụng các vector điện áp ........45
Hình 6.5 Mô hình mô phỏng máy điện gió DFIG_DPC [24] ...................................47
Hình 6.6 Mô hình mô phỏng Converter ....................................................................48
Hình 6.7 Mô hình mô phỏng Rotor Side Converter ..................................................48
Hình 6.8 Khối lựa chọn sector [24] ...........................................................................49
Hình 6.9: Vận tốc rotor .............................................................................................51
Hình 6.10 Điện áp DC-link và điện áp DC-link lệnh 1500V....................................51
Hình 6.11 Dòng Điện rotor .......................................................................................52
Hình 6.12 Dòng Điện rotor khi P, Q thay đổi lệnh ...................................................52
Hình 6.13 Dòng Điện Stator......................................................................................53
Hình 6.14 Dòng Điện stator khi P, Q thay đổi lệnh ..................................................53
Hình 6.15 Công suất tác dụng stator thực và lệnh ....................................................54
Hình 6.16 Công suất tác dụng stator thực và lệnh khi giá trị lệnh thay đổi ..............54
Hình 6.17 Công suất phản kháng stator thực và lệnh ...............................................55
Hình 6.18 Công suất phản kháng stator thực và lệnh khi giá trị lệnh thay đổi ........55
Hình 6.19 Công suất phản kháng stator thực và lệnh ...............................................56
Hình 6.20 Mo-men khi giá trị lệnh thay đổi .............................................................56
ix
Hình 6.21 Dòng điện stator trong hệ qui chiếu abc ..................................................57
Hình 6.22 Dòng điện rotor trong hệ qui chiếu abc....................................................58
Hình 6.23 Vận tốc rotor ............................................................................................59
Hình 6.24 Moment ....................................................................................................59
Hình 6.25 Công suất tác dụng ...................................................................................60
Hình 6.26 Công suất phản kháng sator .....................................................................60
Hình 6.27 Tốc độ gió ................................................................................................62
Hình 6.28 Công suất tác dụng ...................................................................................63
Hình 6.29 Công suất tác dụng tại thời điểm 21-32 giây ...........................................63
Hình 6.30 Công suất phản kháng ..............................................................................64
Hình 6.31 Công suất phản kháng tại thời điểm 21-32 giây ......................................64
Hình 6.32 Tốc độ rotor ..............................................................................................65
Hình 6.33 Dòng điện stator .......................................................................................65
Hình 6.34 Dòng điện rotor ........................................................................................66
x
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
DANH MỤC KÝ HIỆU – TỪ VIẾT TẮT .................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. vi
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH ................................................................ vii
MỤC LỤC ...................................................................................................................x
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ..............................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2 Tính cấp thiết của nghiên cứu ...........................................................................1
1.3 Mục tiêu của đề tài ...........................................................................................1
1.4 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................2
1.5 Kết quả đạt được ...............................................................................................2
1.6 Tính mới của đề tài............................................................................................2
1.7 Nội dung của luận văn.......................................................................................2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ............................................3
2.1
Giới thiệu về năng lượng gió .........................................................................3
2.1.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió .............................................................3
2.1.2 Tài nguyên năng lượng gió ở Việt Nam ....................................................5
2.1.3 Dự án đầu tư sản xuất điện từ năng lượng gió ...........................................9
2.2
Đóng góp của tác giả .....................................................................................9
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ ..........................11
3.1. Giới thiệu........................................................................................................11
3.2 Cấu tạo của hệ thống phát điện gió .................................................................11
3.2.1 Tháp đỡ ....................................................................................................12
3.2.2 Cánh quạt tuabin ......................................................................................12
3.2.3 Bộ phận điều hướng .................................................................................13
3.2.4 Bộ phận điều khiển tốc độ........................................................................13
3.3 Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió ..........................................14
xi
3.3.1 Máy phát điện đồng bộ.............................................................................14
3.3.2 Máy phát điện cảm ứng ............................................................................15
3.3.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc ....................................................16
3.3.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn ...................................................17
3.3.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ...................................17
3.4 Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió .........................................18
3.4.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi .................................19
3.4.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi ....................................21
3.4.3 Hệ thống máy phát điện gió – DFIG ........................................................22
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG
ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP –DFIG ............................................................................24
4.1. Giới thiệu........................................................................................................24
4.2 Vector không gian và các phép biến đổi .........................................................24
4.3. Biểu diễn công suất theo vector không gian ..................................................26
4.4. Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và ..................................................27
4.5. Mô hình toán của máy phát điện gió DFIG ...................................................29
4.5.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh .............................31
4.5.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq........................32
CHƯƠNG 5: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DFIG ...........34
5.1. Giới thiệu........................................................................................................34
5.2. Điều khiển converter phía lưới (Grid Side Control – GSC) ..........................35
5.3 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp trực tiếp mômen (DTC) .36
5.4. Điều khiển RSC theo định hướng vector điện áp (VOC) ..............................39
5.5. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp FOC ..............................39
5.6. Nhận xét .........................................................................................................41
CHƯƠNG 6: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG SU T TÁC DỤNG VÀ CÔNG
SU T PHẢN KHÁNG CỦA DFIG DÙNG PHƯƠNG PHÁP DPC.......................42
6.1. Khái Quát .......................................................................................................42
6.2 Mô hình điều khiển DFIG bằng phương pháp DPC .......................................42
6.2.1. Mô hình điều khiển DFIG_DPC .............................................................42
6.2.2. Mô phỏng DFIG_DPC trên matlap/Simulink .........................................46
xii
6.3. Kết quả ...........................................................................................................49
6.4. Nhận Xét ........................................................................................................56
6.5. So Sánh kết quả mô phỏng điều khiển DFIG FOC và DFIG_DPC ...............57
6.6. So sánh điều khiển P, Q độc lập khi tốc độ gió thay đổi lớn ........................62
CHƯƠNG 7: TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......67
7.1. Kết luận ..........................................................................................................67
7.2 Hướng phát triển đề tài...................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................69
1
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới ngày càng tăng, trong
khi nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ,than đá) ngày càng cạn kiệt và nguồn
năng lượng thủy điện cũng có giới hạn, thì các nguồn năng lượng tái tạo như: năng
lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió,... đang được quan tâm và
nghiên cứu nhiều nơi trên thế giới. Bởi vì các nguồn năng lượng tái tạo không
những là nguồn năng lượng vô hạn mà còn giúp bảo vệ môi trường và phát triển
kinh tế. Trong đó, lĩnh vực biến đổi năng lượng gió đang thu h t rất nhiều sự quan
tâm như một nguồn năng lượng sạch vô hạn, không thải ra các loại khí gây hiệu ứng
nhà kính và thực sự có hiệu quả kinh tế cao. Do đó, năng lượng gió được xem như
một trong những dạng năng lượng thay thế trong tương lai không xa và nằm trong
chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió
trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát cảm
ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong
khi rotor được nối thông qua một bộ biến đổi công suất, máy phát được điều khiển
bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên phía rotor. Ưu điểm nổi bật của hệ thống này
là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi khoảng 20%-30% tổng công suất phát. Có
nghĩa là làm giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình
phải biến đổi toàn bộ công suất phát và tiết kiệm được chi phí cho các linh kiện
điện tử có công suất định mức nhỏ hơn. Do đó, DFIG được xem là giải pháp thích
hợp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi.
Ngày nay, DFIG được dùng rất phổ biến trong ngành công nghiệp biến đổi
năng lượng gió với công suất tuabin có thể đạt tới 5MW..
1.2 Tính cấp thiết của nghiên cứu
Trong các phương pháp điều khiển DFIG, phương pháp điều khiển trực tiếp
công suất (DPC) là phương pháp tiêu biểu trong việc điều khiển hệ thống phi
tuyến, nó cho phép ta điều khiển độc lập công suất tác dụng, công suất phản kháng.
Trong luận văn này sẽ trình bày phương pháp trên và so sánh với kết quả của
2
phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) đã có s n, để từ đó r t ra kết
luận.
1.3 Mục tiêu của đề tài
- Xây dựng hệ thống điều khiển DFIG dùng phương pháp điều khiển trực tiếp công
suất (DPC)
- Mô phỏng hệ thống điều khiển P, Q độc lập DFIG dùng phương pháp DPC với mô
hình máy điện trong hệ quy chiếu quay trên phần mềm Matlab/Simulink
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tư liệu lý thuyết trên nền tảng khoa học đã được chứng minh.
- Xây dựng mô phỏng điều khiển độc lập P, Q của DFIG dùng phương pháp DPC
với mô hình máy điện trong hệ qui chiếu quay trên phần mềm Matlab/ Simulink.
1.5 Kết quả đạt được
Mô hình điều khiển đề xuất được minh chứng đem lại nhiều ưu điểm khi điều
khiển DFIG.
1.6 Tính mới của đề tài
- Áp dụng phương pháp DPC vào điều khiển độc lập P,Q của DFIG;
- Dựa vào kết quả FOC để so sánh với DPC và r t ra kết luận.;
- So sánh điều khiển P, Q độc lập khi tốc độ gió thay đổi lớn.
1.7 Nội dung của luận văn
Nội dung luận văn gồm 7 chương như sau:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió
Chương 3: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
Chương 4: Mô hình toán học điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn képDFIG
Chương 5: Các phương pháp điều khiền độc lập công suất của DFIG
Chương 6: Điều khiển độc lập P,Q của DFIG dùng phương pháp DPC
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài
3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
2.1 Giới thiệu về năng lượng gió
2.1.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió
Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của
năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió gi p quay các cối xay bột, gi p các
thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm gi p đưa các con thuyền di
chuyển.
Theo những tài liệu cổ còn giữ lại, thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay
hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau Công
Nguyên tại Ba Tư (lrac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh
đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, chẳng hạn như mô hình cánh gió lắp
tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay
theo trục đứng.
Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu
(Tây Âu) với cấu tr c có các cánh đón gió quay theo phương ngang, ch ng phức tạp
hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được
lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió, do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng
lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ
những năm 500 - 900 tại Ba Tư.
Hình 2.1 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13
4
Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu
tiên, và đặt tại Cleveland, 0hio, có đặc điểm là:
* Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m;
* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục máy
phát;
* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/ph t;
* Công suất phát định mức là 12kW
Hình 2.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện năm 1988
Vào những năm 1980, tại thị trường California: Thị trường ứng dụng cho các
máy phát điện sức gió chỉ thật sự phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 thuộc
thế kỷ 20, khi mà cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra. Thời gian sau đó, California nổi
lên như một địa điểm thu h t các dự án lắp đặt các máy phát điện sức gió của rất
nhiều các nhà sản xuất Mỹ, Đan Mạch, Anh, Đức, Nhật Bản, Hà Lan... Trong 6
năm, 15.000 máy phát điện sức gió đã được lắp đặt
Từ năm 1990 đến nay: Sau năm 1990, các nước như: Đức, Anh, Hà Lan, Tây
Ban Nha, Thụy Điển nổi lên như là những thị trường đầy tiềm năng. Sự phát triển
của việc ứng dụng năng lượng gió ở đây không phải xuất phát từ cuộc khủng hoảng
dầu mỏ mà từ những yêu cầu phải bảo vệ môi trường tại các nước đó. Các chính
phủ x c tiến việc tài trợ cho các dự án nghiên cứu năng lượng mới gồm cả năng
lượng gió, cộng thêm sự phát triển của thị trường California trước đó đã tạo c hích
mới. Nhiều máy phát tiếp tục được áp đặt với dải công suất ngày càng lớn, lên đến
hàng chục MW. Năm 1990, công suất máy phát lắp đặt chỉ ở mức 200kW nhưng
5
đến năm 2003 đã lên đến 5MW. Kéo theo công suất của một vườn phát điện sức gió
tăng vọt, năm 2000 công suất chỉ vào khoảng vài chục MW nhưng đến năm 2003 đã
lên đến vài trăm MW.
2.1.2 Tài nguyên năng lượng gió ở Việt Nam
Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một
thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong
vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá
mạnh và thay đổi nhiều theo mùa
Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế
giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó
có Việt Nam (Bảng 2). Như vậy, Ngân hàng Thế giới đã giúp cho Việt Nam một
việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể. Theo tính
toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng
gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong
khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “ tốt “
đến “ rất tốt “ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia
là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái Lan cũng chỉ là 0,2% (Bảng 2).
6
Hình 2.3 Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam. Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m.
Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001 (Màu vàng, đỏ có tốc độ gió trên
7m/s)
7
Bảng 2.1: Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65m)
Quốc gia
Campuchia
Lào
Thái Lan
Việt Nam
Diện tích
% diện tích
Tiềm năng (MW)
Diện tích
% diện tích
Tiềm năng (MW)
Diện tích
% diện tích
Tiềm năng (MW)
Diện tích
% diện tích
Tiềm năng (MW)
Yếu
< 6m/s
Trung
Binh
6-7 m/s
Tốt
7-8 m/s
Rất tốt
8-9 m/s
Lý
tưởng
> 9m/s
175.468
96,4%
NA
184.511
80,2%
NA
477.157
92,6%
NA
197.342
60,6%
NA
6,155
3,4%
24.620
38.787
16,9%
155.148
37.337
7,2%
149348
100.361
30,8%
401.444
315
0,2%
1.260
6.070
2,6%
24.280
748
0,2%
2992
25.679
7,9%
102.716
30
0%
120
671
0,3%
2.684
13
0%
52
2.187
0,7%
8748
0
0%
0
35
0%
140
0
0%
0
113
0,00%
452
Tổng
26.000
182.252
152.392
513.360
Nguồn: vietnamgateway.org.vn
Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn
200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của
ngành điện vào năm 2020. Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm
năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế
là cả một câu chuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc ch ng ta xem xét một
cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam.
.
Khi xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát
triển kinh tế ở những khu vực khó khăn, thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông
thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Khi so sánh con số này với các nước láng
giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có
thể phát triển năng lượng gió (Hình 2.3). Đây quả thật là một ưu đãi dành cho Việt
Nam mà ch ng ta còn thờ ơ chưa nghĩ đến cách tận dụng.
8
Hình 2.4 : Gió mạnh vào tháng 12 đến tháng 2 năm sau là sự bổ sung hữu ích cho các
tháng thiếu nước của các thủy điện. Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia
2001
9
2.1.3 Dự án đầu tư sản xuất điện từ năng lượng gió
Tiềm năng điện gió ở Việt Nam (ước tính là 110GW) và đang tích cực đầu tư
vào lĩnh vực này. Thị trường phong điện Việt Nam vì thế mà trở nên nhộn nhịp
trong thời gian gần đây. Điển hình nhất là công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt
Nam REVN (do Viện năng lượng góp vốn và quản lý). Công ty được thành lập năm
2004, vốn điều lệ là 10 tỷ đồng, có lợi thế hơn hẳn các công ty trong nước khác là
sở hữu đội ngũ chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng, các mối quan hệ
trong nước, quốc tế sâu rộng. Công ty đã đầu tư nhà máy phong điện đầu tiên ở tỉnh
Bình Thuận với công suất 120MW.
Hình 2.5 Các tổ máy 1.5MW đầu tiên của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận
Nhà máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại-Du
lịch Công Lý (Cà Mau) làm chủ đầu tư, được xây dựng tại khu vực ven biển thuộc
ấp Biển Đông A, xã Vĩnh Trạch Đông, thị xã Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu. Dự án được
xây dựng trên diện tích 500 ha, công suất thiết kế 99 MW, điện năng sản xuất 310
triệu KWh/năm, vốn đầu tư 4.500 tỷ đồng. (Một số nhà phân tích cho rằng đầu tư
dự án điện gió, doanh nghiệp sẽ có lợi ích kép nhờ vào Du lịch và Địa ốc, do diện
tích triển khai rộng, vị trí địa lý thuận lợi và cảnh quan đẹp).
Công ty CP Năng lượng Thương Tín (51% cổ phần sở hữu bởi Công ty CP
Địa ốc Sài Gòn Thương Tín) thì đang đầu tư Nhà máy điện gió Phước Dân với công
suất 50MW – tại các xã Phước Hậu, Phước Thái, Phước Hữu và thị trấn Phước Dân
