Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.17 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
LÊ THÀNH HẢI
ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
LÊ THÀNH HẢI
ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Châu Duy
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 19 tháng 11 năm 2017
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)
TT
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
1
PGS.TS.Nguyễn Thanh Phương
2
PGS.TS.Dương Hoài Nghĩa
Phản biện 1
3
TS.Nguyễn Minh Tâm
Phản biện 2
4
PGS.TS. Quyền Huy Ánh
Ủy viên
5
PGS.TS. Lê Minh Phương
Ủy viên, Thư ký
Chủ tịch
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
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20...
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ THÀNH HẢI
Giới tính: NAM
Ngày, tháng, năm sinh: 25/04/1981
Nơi sinh:
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
MSHV: 1541830021
I- Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
NỐI LƯỚI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió;
- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ;
- Nghiên cứu và đề xuất điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của hệ thống điện
năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ;
- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió và điều khiển góc nghiêng cánh tuabin
gió của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả
đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
Lê Thành Hải
ii
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt
nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý
báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 15SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ tôi trong
quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa
Cơ - Điện - Điện tử và Viện Đào tạo sau Đại học đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có
thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Lê Thành Hải
iii
TÓM TẮT
Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Điều khiển góc nghiêng
cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới" mà bao gồm các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Hệ thống điện gió
- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện
không đồng bộ
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện
không đồng bộ
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
iv
ABSTRACT
The thesis presents issues relating to "Pitch angle control of wind turbines in the
grid-connected wind power systems". It consists of the following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Wind energy power systems
- Chapter 3: Pitch angle control of induction generator wind turbines
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works
v
MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix
Chương 1 .....................................................................................................................1
GIỚI THIỆU ...............................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................2
1.3. Mục tiêu của đề tài ...........................................................................................3
1.4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................3
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ...................................................................3
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................3
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ..............................................................8
1.6. Bố cục của luận văn..........................................................................................9
1.7. Kết luận ............................................................................................................9
Chương 2 ........................................................................................................10
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ............................................................................................10
2.1. Năng lượng gió ...............................................................................................10
2.1.1. Năng lượng gió trên thế giới ....................................................................11
2.1.2. Năng lượng gió tại Việt Nam ..................................................................12
2.2. Đặc tính của năng lượng gió...........................................................................18
2.3. Hệ thống điện gió ...........................................................................................19
2.3.1. Tuabin gió ................................................................................................20
2.3.1.1. Cánh quạt (Blades) ............................................................................21
2.3.1.2. Rotor ..................................................................................................22
2.3.1.3. Bước răng (Pitch) ..............................................................................23
2.3.1.4. Bộ hãm (Brake) .................................................................................23
vi
2.3.1.5. Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft) .........................................23
2.3.1.6. Hộp số (Gear box) .............................................................................23
2.3.1.7. Máy phát điện (Generator) ................................................................24
2.3.1.8. Bộ điều khiển (Controller) ................................................................25
2.3.1.9. Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer) .............................................25
2.3.1.10. Bộ xác định hướng gió (Wind vane) ...............................................25
2.3.1.11. Vỏ (Nacelle) ....................................................................................25
2.3.1.12. Trục tốc độ cao (High – speed shaft) ..............................................25
2.3.1.13. Yaw drive ........................................................................................26
2.3.1.14. Yaw motor.......................................................................................26
2.3.1.15. Tháp đỡ (Tower) .............................................................................26
2.3.1.16. Bộ phận điều khiển tốc độ ..............................................................27
2.3.2. Máy phát điện trong hệ thống điện gió ....................................................27
2.3.2.1. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ..........28
2.3.2.2. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor
lồng sóc ..........................................................................................................29
2.3.2.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép ..................................................................................................................30
2.3.2.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu ..........................................................................................................33
Chương 3 ...................................................................................................................35
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN GIÓ CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ...........................................................................35
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................35
3.2. Máy phát điện gió ...........................................................................................35
3.3. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ........................37
3.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc38
3.4.1. Phần stator................................................................................................40
3.4.2. Phần rotor .................................................................................................42
3.5. Mô hình toán của máy phát điện không đồng bộ ...........................................44
3.6. Mô hình tuabin gió .........................................................................................49
vii
3.7. Điều khiển góc cánh tuabin gió ......................................................................50
3.8. Điều khiển góc nghiêng cánh gió tuabin sử dụng bộ điều khiển PI ...............55
Chương 4 ...................................................................................................................61
MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN GIÓ CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ...........................................................................61
4.1. Giới thiệu ........................................................................................................61
4.2. Mô phỏng máy phát điện không đồng bộ .......................................................63
4.3. Mô phỏng tuabin gió ......................................................................................66
4.4. Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin gió ........................69
4.5. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................71
4.5.1. Trường hợp 1 - Tốc độ gió không đổi .....................................................72
4.5.2. Trường hợp 2 - Tốc độ gió thay đổi ........................................................75
4.5.3. Trường hợp 3 - Tốc độ gió thay đổi ........................................................78
4.5.4. Trường hợp 4 - Tốc độ gió thay đổi ........................................................81
Chương 5 ...................................................................................................................86
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .........................................86
5.1. Kết luận ..........................................................................................................86
5.2. Hướng phát triển tương lai .............................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Lựa chọn phương pháp điều chỉnh ...........................................................58
Bảng 3.2. Tác động của việc tăng một thông số độc lập...........................................59
Bảng 3.3. Phương pháp Ziegler-Nichols ...................................................................59
Bảng 4.1. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 1 - Tốc độ không đổi .......73
Bảng 4.2. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 2 - Tốc độ thay đổi ..........76
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 3 - Tốc độ thay đổi ..........81
Bảng 4.4. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 4 - Tốc độ thay đổi ..........83
Bảng 4.5. Tổng kết các kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp 1, 2, 3 và 4
của tốc độ không đổi và thay đổi ..............................................................................85
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và
tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh .......................................................................4
Hình 1.2. Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác
nhau .............................................................................................................................5
Hình 1.3. Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu
[3] ................................................................................................................................5
Hình 1.4. Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI .........................................................7
Hình 1.5. Sơ đồ khối tính toán các hệ số Kp và Ki ......................................................8
Hình 2.1. Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận .............................................................14
Hình 2.2. Điện gió Phú Quý, Bình Thuận .................................................................15
Hình 2.3. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận..................................................................16
Hình 2.4. Điện gió Bạc Liêu .....................................................................................17
Hình 2.5. Các thành phần cơ bản của tuabin gió ......................................................20
Hình 2.6. Tuabin gió trục đứng .................................................................................21
Hình 2.7. Tuabin gió trục ngang ...............................................................................21
Hình 2.8. Bên trong một tuabin phát điện gió ...........................................................22
Hình 2.9. Bộ điều khiển góc pitch.............................................................................23
Hình 2.10. Hộp số tuabin gió ....................................................................................24
Hình 2.11. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp ...........................................24
Hình 2.12. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ..................................................................29
Hình 2.13. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép ..................................................................................................................31
Hình 2.14. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép .............32
Hình 3.1. Mặt cắt các máy điện.................................................................................36
Hình 3.2. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ..................................................................37
Hình 3.3. Máy phát điện không đồng bộ có công suất 1,5 kW .................................38
Hình 3.4. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ ......................................................39
x
Hình 3.5. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc ..............................40
Hình 3.6. Vỏ máy ......................................................................................................41
Hình 3.7. Cấu tạo lõi thép stator ...............................................................................41
Hình 3.8. Dây quấn stator .........................................................................................42
Hình 3.9. Sơ đồ khai triển dây quấn stator ................................................................42
Hình 3.10. Lõi thép rotor...........................................................................................43
Hình 3.11. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn ...................43
Hình 3.12. Thanh dẫn của rotor lồng sóc ..................................................................44
Hình 3.13. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ ..................46
Hình 3.14. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ
...................................................................................................................................47
Hình 3.15. Vùng làm việc của các tuabin gió ...........................................................52
Hình 3.16. Cấu trúc của một mô hình tuabin gió với tốc độ tuabin có thể thay đổi
được ...........................................................................................................................53
Hình 3.17. Chiến lược điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió ...............................54
Hình 3.18. Đặc tuyến góc nghiêng cánh tuabin gió ..................................................55
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ
(Induction Generator, IG)..........................................................................................62
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng của một cụm tổ máy phát điện gió.................................62
Hình 4.3. Mô hình máy phát điện gió không đồng bộ ..............................................64
Hình 4.4. Thông số cụm tổ máy phát điện gió ..........................................................65
Hình 4.5. Mô hình tuabin gió ....................................................................................67
Hình 4.6. Đặc tính tốc độ và công suất tuabin ..........................................................68
Hình 4.7. Thông số cụm tuabin gió ...........................................................................68
Hình 4.8. Vùng làm việc của các tuabin gió .............................................................70
Hình 4.9. Mô phỏng tuabin gió với bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin PI .......71
Hình 4.10. Tốc độ gió - Trường hợp 1 ......................................................................72
Hình 4.11. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 1 .....................74
Hình 4.12. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 1 ............74
Hình 4.13. Tốc độ gió - Trường hợp 2 ......................................................................75
Hình 4.14. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 2 .....................77
xi
Hình 4.15. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 2 ............77
Hình 4.16. Tốc độ gió - Trường hợp 3 ......................................................................78
Hình 4.17. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 3 .....................78
Hình 4.18. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 3 ............80
Hình 4.19. Tốc độ gió - Trường hợp 4 ......................................................................81
Hình 4.20. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 4 .....................84
Hình 4.21. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 4 ............84
1
Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng không thể thiếu trong việc thúc đẩy sự
phát triển về kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của mỗi Quốc gia.
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đời sống người dân
cũng ngày càng được cải thiện. Khi ấy, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng
cao.
Bên cạnh đó, tình trạng các nguồn nhiên liệu đầu vào truyền thống, không tái tạo
của các nhà máy nhiệt điện truyền thống như dầu mỏ, than đá, khí đốt,… đều được cảnh
báo cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung không ổn định mà đã thúc đẩy con người và
đặc biệt là các nhà khoa học phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. Việt Nam
cũng không thể tránh khỏi nguy cơ thiếu hụt năng lượng này.
Trong khi đó, năng lượng thủy điện đã được khai thác tối đa với nhà máy thủy điện
công suất lớn, nhỏ khác nhau chiếm diện tích lòng hồ rộng lớn hàng chục vạn ha, phá hủy
rừng, cây cối, gây ô nhiễm môi trường sinh thái, đặc biệt không ngăn được lũ lụt, mà còn
xả nước cùng với lũ lụt gây bao nhiêu thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn,
hoa màu, cây cối,... tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm.
Với các vấn đề nêu trên, trong tương lai các vấn đề về an ninh năng lượng sẽ không
thể được đảm bảo. Các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia khó
trở thành hiện thực.
Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, các nguồn năng
lượng tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng mặt
trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… tất cả các loại
năng lượng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện môi
trường, thiên nhiên…
Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm
của rất nhiều nhà khoa học trong nghiên cứu, khai thác và sử dụng.
Có thể nhận thấy rằng, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không
cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít bảo dưỡng, … Đặc biệt hơn nữa, Việt
Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển. Do đó,
việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ được khuyến khích khai thác sử
2
dụng trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống. Trong đó, việc khai thác và sử dụng năng
lượng gió để sản xuất năng lượng điện là một điển hình.
Góp phần cho vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và an toàn của
các hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều
khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới”.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với những phát minh, sáng
chế giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhu cầu không ngừng của con người. Song
song với sự phát triển và tiến bộ này, con người cũng luôn phải đối mặt với những mặt trái
của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới như môi trường bị hủy hoại, tài
nguyên thiên nhiên cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác. Trong đó, vấn đề năng lượng,
đặc biệt là năng lượng điện được đánh giá là quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong
giai đoạn này.
“Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt Nam đến
năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50%
với 9 tỷ người. Hiện nay, với mức độ tăng dân số, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng
36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại.
Thêm vào đó, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International
Energy Association) trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35%
và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng
hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [1]-[2]. IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn
cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho
thế giới. Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung
cấp cho thế giới trong 60 năm tới. Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm tới.
Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và đông dân cư thì
hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [2].
Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác là phải tìm
ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn
kiệt. Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng
gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các
nhà khoa học tích cực nghiên cứu khai thác. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và
xu hướng tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và
khai thác ngày càng nhiều.
3
Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn
năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà nó
đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo trên, năng lượng
gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể
khai thác được hiệu quả và tối đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện.
Câu trả lời là nhiệm vụ của các nhà khoa học mà sẽ được đưa ra phân tích và giải quyết
trong luận văn này.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu:
+ Hệ thống điện gió;
+ Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới.
+ Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới.
1.4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện gió không
đồng bộ trong hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió
nối lưới;
- Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió
nối lưới.
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác từ những năm của thế kỷ thứ 11
và cho đến ngày nay đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu
cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu và khai thác năng lượng gió
cho sản xuất năng lượng điện.
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
V. Ramakrishnan và S. K. Srivatsa với công trình nghiên cứu, “Pitch control of
wind turbine generator by using new mechanism”, đã biểu diễn mô hình của các phần tử
4
khác nhau trong hệ thống điện năng lượng gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin, thiết
kế của bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin và phân tích các đáp ứng của hệ thống điện
gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin khi tốc độ gió thay đổi [3].
Hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giám sát sao cho
công suất phát là lớn và ổn định. Hàm số góc nghiêng cánh tuabin được sử dụng để điều
khiển công suất cơ và là kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất được sử dụng cho việc điều
khiển các tuabin gió tốc độ thay đổi.
Tương ứng với các tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió để phát công suất định mức của
máy phát, góc nghiêng cánh tuabin gió là lớn nhất. Tuy nhiên, góc nghiêng cánh tuabin có
thể nhỏ hơn để hỗ trợ tuabin gió tăng tốc nhanh hơn.
Tương ứng với tốc độ gió định mức, góc nghiêng cánh tuabin được điều khiển để
giữ máy phát làm việc tương ứng với công suất phát định mức thông quan việc giảm góc
nghiêng cánh tuabin. Công trình nghiên cứu đã phát triển các mô hình động sử dụng phần
mềm Simulink/Matlab. Các kết quả nghiên cứu cũng được xác nhận thông qua các thực
nghiệm dưới các điều kiện tốc độ gió khác nhau. Bên cạnh đó, cơ cấu điều khiển động cơ
bước cũng được đề xuất sử dụng thay thế cho cơ cấu điều khiển thủy lực.
Tuabin
Máy phát điện
Bộ biến đổi công
không đồng bộ
Bộ điều khiển
suất
Lưới điện
Hình 1.1. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và tuabin có
điều khiển góc nghiêng cánh
5
Hình 1.2. Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau
Hình 1.3. Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu [3]
Mouna Ben Smida và Anis Sakly với công trình nghiên cứu, “Pitch angle control
for variable speed wind turbines”, đã khẳng định lại một lần nữa kỹ thuật điều khiển góc
cánh tuabin gió phục vụ cho việc điều khiển công suất trong trường hợp tốc độ gió vượt
quá tốc độ gió cho phép [4]. Kỹ thuật này có thể được xem là một phương pháp luận điều
khiển công suất phổ biến và hiệu quả nhất. Thông thường, kỹ thuật điều khiển góc cánh
tuabin gió sử dụng bộ điều khiển PI. Nghiên cứu này áp dụng kỹ thuật điều khiển góc cánh
tuabin gió cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet
6
Synchronous Generator, PMSG). Các chiến lực điều khiển được thực hiện dưới sự hỗ trợ
của công cụ mô phỏng Matlab/Simulink.
Z. Civelek, E. Cam, M. Luy và H. Mamur, với công trình nghiên cứu,
“Proportional - integral - derivative parameter optimisation of blade pitch controller in
wind turbines by a new intelligent genetic algorithm”, đã giới thiệu thuật toán IGA
(Intelligent genetic algorithm) cho việc tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PID mà
được sử dụng trong các bộ điều khiển góc cánh tuabin gió [5]. Thuật toán IGA này thực
hiện sắp xếp lại tốc độ đột biến và số điểm lai. Các kết quả được so sánh với các phiên bản
thuật toán di truyền khác và cho thấy rằng đáp ứng điều chỉnh góc cánh tuabin gió bằng
việc sử dụng bộ điều khiển với thuật toán di truyền đề xuất là tốt hơn bộ điều khiển với các
thuật toán di truyền phiên bản khác.
S. Khajuria và J. Kaur, với công trình nghiên cứu, “Implementation of pitch control
of wind turbine”, đã cho thấy rằng làm thế nào để tuabin gió tốc độ thay đổi có thể được sử
dụng để phát ra công suất với điện áp không đổi thông qua kỹ thuật điều khiển góc cánh
tuabin gió với bộ điều khiển PI [6]. Các tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để
thực hiện mô phỏng. Các kết quả đạt được cho thấy rằng bộ điều khiển đã điều khiển chính
xác góc cánh tuabin gió sao cho công suất của tuabin gió đạt được giá trị tối ưu. Máy phát
điện gió được sử dụng trong nghiên cứu này là máy phát điện gió không đồng bộ.
J. Zhang, M. Cheng, Z. Chen và X. Fu, với công trình nghiên cứu, “Pitch angle
control for variable speed wind turbines”, đã giới thiệu bộ điều khiển góc cánh tuabin gió
sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ [7]. Trong nghiên cứu này, hệ thống điện gió không
cần được mô hình và tốc độ gió trung bình được sử dụng để bù độ nhậy phi tuyến. Chiến
lược điều khiển logic mờ là khả thi khi hệ thống bao gồm các thành phần phi tuyến như sự
nhiễu loạn của tốc độ gió hoặc các mục tiêu điều khiển cho các tải lớn. Thiết kế của bộ
điều khiển logic mờ và các so sánh được thực hiện so với các chiến lược điều khiển góc
cánh tuabin gió thông thường khác cho thấy rằng bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều
khiển logic mờ có thể đạt được hiệu quả điều khiển tốt hơn các chiến lược điều khiển
thông thường.
M. H. Refan, M. Kamarzarrin và A. Ameshghi, với công trình nghiên cứu, “Control
of wind turbine’s pitch angle based on DFIG by using MRAC and PIP controller” đã giới
thiệu kỹ thuật điều khiển tham chiếu mô hình trên cơ sở thích nghi [8]. Các kết quả được
so sánh với kỹ thuật điều khiển PIP (Proportional Integral Plus) mà cho thấy rằng hiệu quả
của kỹ thuật điều khiển PIP thấp hơn kỹ thuật điều khiển thích nghi. Bên cạnh đó, sai số
7
bám của kỹ thuật điều khiển thích tham chiếu mô hình cũng được cải thiện một cách đáng
kể.
Rukslin, M. Haddin và A. Suprajitno, với công trình nghiên cứu, “Pitch angle
controller design on the wind turbine with permanent magnet synchronous generator
(PMSG) based on firefly algorithms (FA)” đã giới thiệu thuật toán Firefly (FA) mà được
sử dụng như là một kỹ thuật điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID [9]. Trong đó,
bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển tốc độ tuabin gió, cùng với bộ điều khiển
góc cánh tuabin gió. Thuật toán FA được sử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ điều khiển
của tuabin gió máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (PMSG). Khi tốc độ gió thấp
dưới giá trị trung bình thì việc điều khiển tốc độ phải được thực hiện để duy trì mức tốc độ
tối ưu. Khi đó, công suất ngõ ra sẽ cực đại và vì thế, hiệu suất tuabin sẽ được nâng lên.
Việc điều chỉnh góc cánh tuabin được yêu cầu trong các điều kiện của tốc độ gió trên giá
trị cho phép. Sự thay đổi nhỏ của góc cánh tuabin có thể ảnh hưởng ngõ ra công suất. Có
thể nhận thấy rằng việc điều khiển góc cánh tuabin gió là một trong những cách để thích
nghi moment khí động học của tuabin gió khi tốc độ gió trên tốc độ cho phép. Các kết quả
từ nghiên cứu này cho thấy rằng dưới sự hỗ trợ của thuật toán FA, công suất ngõ ra là tối
ưu và ổn định khi được so sánh với bộ điều khiển PID và kỹ thuật Ziegler - Nichols.
A. Hwas và A. Katebi, với công trình nghiên cứu, “Wind turbine control using PI
pitch angle controller”, đã giới thiệu 2 kỹ thuật để tính toán các hệ số của bộ điều khiển
góc cánh tuabin gió PI cho một tuabin gió 5 MW [10]. Phương pháp thứ nhất là phân tích
và phương pháp thứ hai là được dựa trên các mô phỏng. Đầu tiên, các đặc tính hệ số công
suất cho các góc cánh tuabin khác nhau được tính toán. Sau đó, các đường cong công suất
ngõ ra theo tốc độ rotor từ các tốc độ cận dưới đến các tốc độ cận trên được mô phỏng. Các
kết quả từ các phân tích thứ nhất và thứ hai được sử dụng để tìm ra các hệ số điều khiển
tương ứng với các tốc độ gió khác nhau. Cuối cùng, các kết quả được so sánh bằng việc sử
dụng một mô hình tuabin gió để xác định đặc tính bám của tuabin gió.
Hình 1.4. Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI
8
Hình 1.5. Sơ đồ khối tính toán các hệ số Kp và Ki
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”, Luận văn
Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu giải thuật nhiễu loạn và quan
sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của mô hình hệ thống điện
gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nghiên cứu đánh giá rằng đây là
giải thuật tương đối đơn giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá phổ biến [11].
Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy phát điện
gió không đồng bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã
nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy thực hiện điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản
kháng. Trong nghiên cứu này, tác giả cũng thực hiện điều khiển góc đón gió thông qua việc
điều khiển góc cánh quạt sao cho hệ thống điện gió có thể thu được nhiều năng lượng nhất.
Máy phát điện gió được sử dụng trong hệ thống điện gió nghiên cứu là máy phát điện gió
không đồng bộ nguồn kép [12].
Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật toán MPPT tối ưu công suất cho máy phát năng
lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thông minh", Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách
Khoa Tp. HCM đã giới thiệu một giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại mà được
kết hợp với công cụ điều khiển thông minh mạng nơ-rôn để tối ưu công suất phát của máy phát
điện gió DFIG [13].
Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió dùng máy
phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp.
HCM, đã tìm hiểu giải thuật điều khiển sao cho công suất phát của máy phát điện gió đồng
bộ nam châm vĩnh cửu là cực đại trên cơ sở điều chỉnh tốc độ rotor và giải thuật P&O cải
tiến. Giải thuật cải tiến sử dụng thông số độ dốc của điện áp DC-link để phát hiện sự thay
đổi nhanh chóng của tốc độ gió và điều khiển bộ biến đổi công suất theo chế độ bước nhẩy
thay đổi [14].
9
1.6. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương:
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Hệ thống điện gió
- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện
không đồng bộ
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện
không đồng bộ
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
1.7. Kết luận
Rõ ràng rằng nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới nói chung và Việt Nam
nói riêng là rất lớn. Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam - EVN, để đáp ứng
nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục tiêu
đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm tới nhu
cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [15]. Do đó, việc đầu tư phát triển nguồn
điện, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cần thiết và hiệu quả đối với một
quốc gia có nhiều điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam. Vì vậy, việc nghiên cứu các
giải thuật để nâng cao hiệu quả khai thác của một hệ thống điện gió là hết sức cần thiết và
cấp bách.
10
Chương 2
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
2.1. Năng lượng gió
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà đang được đặc biệt
quan tâm liên quan đến nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới. Hiện tại, năng
lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh việc khai
thác nguồn năng lượng này trong tương lai, các nhà khoa học cần nghiên cứu nhiều
hơn để hoàn chỉnh các công nghệ khai thác và sử dụng. Năng lượng gió được dựa
trên nguyên lý là gió sẽ tạo ra sức quay các tuabin và sau đó, sẽ tạo ra năng lượng
điện. Các yếu tố hình thành nên nguồn năng lượng gió bao gồm: sự hâm nóng bầu
khí quyển quanh mặt trời, sự chuyển vận của trái đất và sự lồi lõm của mặt đất.
* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió
Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng gió mang nhiều điểm thuận lợi mà
là lý do chính dẫn đến sự phát triển mạnh của nó trên thế giới trong những thập niên
gần đây. Các thuận lợi khi sử dụng nguồn năng lượng này cho việc sản xuất năng
lượng điện bao gồm:
+ Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gió phát
triển sẽ tạo thêm nhiều việc làm.
+ Là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận.
+ Giá thành thấp: theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ trong tương lai giá
của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điện của các
nguồn khác như than, dầu hay biomass,... Hiện tại, giá của nguồn năng lượng điện
gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió của từng địa phương.
+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng
lượng điện khác.
* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió
- Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió là phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên.
