Điều khiển p và q của hệ thống điện năng lượng sóng biển wave dragon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN NGỌC SANG
Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN P VÀ Q CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN NGỌC SANG
Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN P VÀ Q CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI XUÂN LÂM

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Bùi Xuân Lâm
(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 … tháng … năm …
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
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên

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


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày__tháng__năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Sang

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:

Điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng
điện.
- Nghiên cứu và phân tích một vài bộ biến đổi năng lượng sóng biển như:
+ Bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS).
+ Bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon.
- Nghiên cứu, phân tích và mô phỏng kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và
công suất phản kháng cho hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon sử
dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phần mềm Simulink/Matlab.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Bùi Xuân Lâm
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
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 đuợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Ngọc Sang

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn PGS. TS. Bùi Xuân Lâm đã tận tình đóng
góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn tôi thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nền tảng kiến thức quý báu
trong quá trình học tập mà đã giúp tôi đủ kiến thức để thực hiện Luận văn.
Xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12 đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện Luận văn.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa
học Kỹ thuật HUTECH; Viện Đào tạo sau Đại học và Cơ quan công tác đã tạo cơ
hội cho tôi thực hiện Luận văn này.

Nguyễn Ngọc Sang


Tóm tắt
Năng lượng của sóng biển đã được ghi nhận từ thời đại cổ xưa của loài
người. So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sóng biển có tính
an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn, không cần một bộ
máy điều hành lớn và phức tạp, mức độ ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường
không nhiều.
Một cách đơn giản hơn, trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng
lượng sóng biển chưa được tận dụng nhiều, mặc dù các nhà khoa học đã nhận
ra rằng hiệu suất chuyển hóa từ năng lượng sóng biển thành năng lượng điện
của nguồn năng lượng này là cao.
Mặt khác, khi đưa các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển vào vận
hành độc lập hoặc khi kết nối với lưới điện quốc gia thì những yêu cầu khắt khe
đối với lưới điện là cần thiết, nó là một phần quy định của vận hành hệ thống
điện. Những quy định này đưa ra những yêu cầu cho hệ thống biến đổi làm việc

dưới điều kiện vận hành bình thường cũng như sự cố. Trong trường hợp này,
việc điều chỉnh để phát công suất tác dụng và công suất phản kháng theo yêu
cầu là một trong những bài toán quan trọng.
Đề tài “Điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng biển
Wave Dragon” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này.
Đề tài luận văn bao gồm các nội dung sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
thành năng lượng điện
- Chương 3: Điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng biển
Wave Dragon
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng
sóng biển Wave Dragon
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


Abstract
The wave energy has been recorded from the ancient times of humanity.
Compared with other renewable energy sources, the wave energy is more
secure, resulting in greater social consensus, without the need for a large and
complex set of operating mechanisms that can affect the environment. The
environment is not much.
In a simpler way, among renewable energy sources, the wave energy has
not been utilized much, although scientists have realized that the efficiency of
converting wave energy into electrical energy is high.
On the other hand, when the wave energy system is operated in
standalone or connected to the national grid, the stringent requirements for the
grid are needed. It is a regulated part of the operation regulation of the power
system. These regulations set forth requirements for the conversion system to
work under normal operating conditions as well as malfunction. In this case,

the control for generating the active and reactive powers is one of the important
problems.
The thesis topic, of "P and Q control of a Wave Dragon wave energy
system" is selected and implemented in this thesis.
The thesis topic includes the following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Background to wave energy
- Chapter 3: P and Q control of a Wave Dragon wave energy system
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works


i

MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ......................................................................................... v
Danh sách bảng............................................................................................. xi
Chương 1 – Giới thiệu chung .................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 7
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 7
1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 7
1.5. Mục đích và nội dung nghiên cứu .......................................................... 7
1.6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 8
1.7. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện năng lượng sóng
biển ............................................................................................................... 8
1.8. Bố cục của luận văn ............................................................................. 13
1.9. Kết luận ............................................................................................... 13
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành

năng lượng điện ........................................................................................ 14
2.1. Giới thiệu ............................................................................................. 14
2.2. Phân loại sóng biển .............................................................................. 15
2.2.1. Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng .............................. 15
2.2.2. Phân loại sóng theo độ cao ............................................................... 15
2.2.3. Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền và phát sinh ................... 16
2.2.4. Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ dài và độ sâu .................. 16
2.3. Năng lượng sóng và thông lượng năng lượng sóng ............................ 17
2.3.1. Năng lượng sóng .............................................................................. 17
2.3.2. Thông lượng năng lượng sóng ......................................................... 17
2.4. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS ................................... 19


ii

2.4.1. Mô hình toán học cho sự chuyển động của hệ thống AWS ............. 20
2.4.1.1. Trong điều kiện sóng dao động bình thường ................................. 20
2.4.1.2. Trong điều kiện sóng dao động bất thường ................................... 21
2.4.2. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính trong hệ thống AWS 21
2.4.2.1. Cấu tạo ........................................................................................... 21
2.4.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính22
2.4.2.3. Mô hình toán của máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính vận
hành độc lập ................................................................................................ 23
2.4.2.4. Mô hình toán của máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính kết
nối lưới điện trong khung tham chiếu a, b, c .............................................. 25
2.4.2.5. Mô hình toán của máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính kết
nối lưới điện trong khung tham chiếu d-q .................................................. 29
2.4.3. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống AWS ........................ 33
2.4.4. Đánh giá khả năng khai thác của hệ thống AWS ............................. 35
2.5. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon ..................... 36

2.5.1. Giới thiệu .......................................................................................... 36
2.5.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
Wave Dragon .............................................................................................. 45
2.5.3. Mô hình toán học của hệ thống Wave Dragon ................................. 48
2.5.4. Mô hình toán mô tả máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
trong hệ thống Wave Dragon ..................................................................... 49
Chương 3 - Điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng biển
Wave Dragon ............................................................................................ 52
3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 52
3.2. Điều khiển công suất tác dụng ............................................................ 52
3.3. Điều khiển công suất phản kháng ........................................................ 52
3.4. Các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 53
3.4.1. Các hệ trục tọa độ ............................................................................. 53
3.4.2. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới ..................... 54
3.5. Điều khiển nghịch lưu theo định hướng vector điện áp ...................... 55


iii

3.6. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng
biển thành năng lượng điện Wave Dragon ................................................. 57
3.7. Các giải thuật xác định điểm công suất cực đại cho máy phát điện đồng
bộ nam châm vĩnh cửu ............................................................................... 58
3.7.1. Giải thuật P&O (Perturbation & Observation) ................................. 58
3.7.2. Giải thuật WSM (Wave Speed Measurement) ................................. 59
3.7.3. Giải thuật PSF (Power Signal Feedback) ......................................... 59
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng
biển Wave Dragon ...................................................................................... 61
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 61

4.2. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) ......................... 62
4.3. Bộ chỉnh lưu ........................................................................................ 64
4.4. Bộ nghịch lưu ...................................................................................... 65
4.5. Bộ chuyển đổi hệ trục tọa độ abc thành hệ trục tọa độ dq .................. 68
4.6. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng .................... 68
4.7. Bộ phát tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu .......................................... 69
4.8. Kết quả mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng của PMSG ........................................................................................ 70
4.8.1. Trường hợp 1 - Tốc độ rotor không đổi ........................................... 70
4.8.2. Trường hợp 2 - Tốc độ rotor thay đổi .............................................. 76
4.8.3. Trường hợp 3 – Công suất tác dụng Pref thay đổi ............................. 82
4.8.4. Trường hợp 4 – Công suất tác dụng, Pref và tốc độ rotor, r thay đổi
..................................................................................................................... 88
4.8.5. Trường hợp 5 – Công suất tác dụng, Pref; công suất phản kháng,Qref
và tốc độ rotor, r thay đổi ......................................................................... 94
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ........................... 101
5.1. Kết luận ............................................................................................. 101
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................ 102


iv

Tài liệu tham khảo .................................................................................. 103


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bản đồ năng lượng sóng biển Việt Nam ...................................... 9
Hình 1.2. Mô hình hệ thống máy phát trong nghiên cứu của các tác giả

Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch và Đặng Thế Ba .............................. 10
Hình 1.3. Mô hình thiết bị chuyển đổi trong nghiên cứu của các tác giả
Tống Đức Năng và Lê Hồng Chương ........................................................ 11
Hình 2.1. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS .......................... 19
Hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống AWS ................................... 20
Hình 2.3. Cấu tạo máy phát tuyến tính ....................................................... 21
Hình 2.4. Các thành phần của hệ thống AWS ............................................ 22
Hình 2.5. Sơ đồ thay thế máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính ... 23
Hình 2.6. Trạng thái của AWS khi sóng biển nhô cao ............................... 25
Hình 2.7. Trạng thái của AWS khi sóng biển hụp xuống .......................... 28
Hình 2.8. Hệ tọa độ a, b, c và d, q .............................................................. 29
Hình 2.9. Công suất tỉ lệ với độ cao sóng biển ........................................... 35
Hình 2.10. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD .......................... 37
Hình 2.11. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD đang được xây
dựng và khai thác tại Nissum Bredning, Đan Mạch ................................... 37
Hình 2.12. Vùng biển Nissum Bredning, Đan Mạch ................................. 38
Hình 2.13. Các bộ phận cơ bản của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
WD ............................................................................................................. 39
Hình 2.14. Hệ thống WD với các kích thước tương ứng trong điều kiện sóng
biển 24 kW/m ............................................................................................. 41
Hình 2.15. Đoạn đường dốc thực tế của hệ thống WD .............................. 42
Hình 2.16. Hệ thống neo của hệ thống WD ............................................... 43
Hình 2.17. Hệ thống neo của một tập hợp các hệ thống WD ..................... 43
Hình 2.18. Hệ thống tuabin của hệ thống WD ........................................... 44
Hình 2.19. Tuabin của hệ thống WD .......................................................... 44


viii

Hình 2.20. Mô tả hoạt động của hệ thống WD với mặt cắt ngang ............. 45

Hình 2.21. Mô tả hoạt động của hệ thống WD với mặt bằng .................... 45
Hình 2.22. Nguyên lý hoạt động của hệ thống WD ................................... 46
Hình 2.23. Quá trình sản xuất năng lượng điện của hệ thống WD ............ 46
Hình 2.24. Hệ trục tọa độ d-q cho máy phát PMSG .................................. 50
Hình 3.1. Các phương pháp điều khiển nghịch lưu phía lưới .................... 55
Hình 3.2. Sơ đồ khối kết nối bộ nghịch lưu ............................................... 56
Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển nghịch lưu PWM theo VOC ........................... 56
Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển P và Q của hệ thống biến đổi WD .................. 57
Hình 3.5. Nguyên lý của giải thuật P&O ................................................... 58
Hình 3.6. Nguyên lý của giải thuật WSM .................................................. 59
Hình 3.7. Nguyên lý của giải thuật PSF ..................................................... 59
Hình 4.1. Sơ đồ điều khiển P và Q của hệ thống biến đổi WD .................. 61
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng sóng biển kết nối lưới
và điều khiển công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q .................... 62
Hình 4.3. Khối máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ...................... 63
Hình 4.4. Hộp thoại khai báo thông số cho máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu ............................................................................................ 63
Hình 4.5. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu ............................................................. 64
Hình 4.6. Cầu chỉnh lưu diode .................................................................... 64
Hình 4.7. Hộp thoại khai báo các thông số cho bộ chỉnh lưu .................... 65
Hình 4.8. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu ........................................................... 65
Hình 4.9. Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu .................................................. 66
Hình 4.10. Sơ đồ kết nối bộ nghịch lưu với lưới điện ................................ 67
Hình 4.11. Sơ đồ khối biến đổi điện áp từ hệ trục tọa độ abc thành hệ trục
tọa độ dq ..................................................................................................... 68
Hình 4.12 Sơ đồ khối mô phỏng tính toán công suất phát lên lưới ............ 69
Hình 4.13. Sơ đồ khối điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng của PMSG của hệ thống WD ........................................................... 69

ix

Hình 4.14. Sơ đồ tạo tín hiệu xung kích điều khiển bộ nghịch lưu ............ 70
Hình 4.15. Sơ đồ bộ điều chế độ rộng xung PWM .................................... 70
Hình 4.16. Tốc độ rotor, r không đổi ....................................................... 71
Hình 4.17. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref = 250.000 (W) ................. 71
Hình 4.18. Công suất tác dụng của PMSG, P (W) ..................................... 72
Hình 4.19. Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 72
Hình 4.20. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref = 150.000 (VAr) ........ 73
Hình 4.21. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 73
Hình 4.22. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của
PMSG theo công suất tham chiếu, Qref ....................................................... 74
Hình 4.23. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 75
Hình 4.24. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 75
Hình 4.25. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ............................................. 76
Hình 4.26. Tốc độ rotor, r thay đổi .......................................................... 77
Hình 4.27. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref = -550.000 (W) ............... 77
Hình 4.28. Công suất tác dụng của PMSG, P (W) ..................................... 78
Hình 4.29. Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 78
Hình 4.30. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref = 150.000 (VAr) ........ 79
Hình 4.31. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 79
Hình 4.32. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Qref .................................................................. 80
Hình 4.33. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 81
Hình 4.34. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 81
Hình 4.35. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ............................................. 82
Hình 4.36. Tốc độ rotor, r không đổi ....................................................... 83
Hình 4.37. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref thay đổi ........................... 83

Hình 4.38. Công suất tác dụng của PMSG, P (W) ..................................... 84
Hình 4.39. Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 84


x

Hình 4.40. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref = 150.000 (VAr) ........ 85
Hình 4.41. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 85
Hình 4.42. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Qref .................................................................. 86
Hình 4.43. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 87
Hình 4.44. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 87
Hình 4.45. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ............................................. 88
Hình 4.46. Tốc độ rotor, r thay đổi .......................................................... 89
Hình 4.47. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref ......................................... 89
Hình 4.48. Công suất tác dụng của PMSG, P (W) ..................................... 90
Hình 4.49. Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 90
Hình 4.50. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref = 150.000 (VAr) ........ 91
Hình 4.51. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 91
Hình 4.52. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Qref .................................................................. 92
Hình 4.53. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 93
Hình 4.54. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 93
Hình 4.55. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ............................................. 94
Hình 4.56. Tốc độ rotor, r thay đổi .......................................................... 95
Hình 4.57. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref ......................................... 95
Hình 4.58. Công suất tác dụng của PMSG, P (W) ..................................... 96
Hình 4.59. Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG

theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 96
Hình 4.60. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref .................................... 97
Hình 4.61. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 97
Hình 4.62. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Qref ................................................................. 98
Hình 4.63. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 99
Hình 4.64. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 99
Hình 4.65. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ........................................... 100


xi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1. Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng ....................... 15
Bảng 2.2. Phân loại sóng theo vùng sóng truyền và phát sinh ................... 16
Bảng 2.3. Công suất phát theo độ cao sóng ................................................ 35
Bảng 2.4. Thông số chính của một số hệ thống WD tương ứng với các điều
kiện sóng khác nhau ................................................................................... 40


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Năng lượng của sóng biển đã được ghi nhận từ thời đại cổ xưa của loài
người. Các thử nghiệm chuyển đổi năng lượng sóng biển đã được tiến hành từ
lâu, chuyển đổi sóng biển được bắt đầu với việc sử dụng sóng để phát tín hiệu
cho các phao hàng hải; năng lượng sóng được sử dụng để nén khí trong một
ống dọc giữa các phao tạo ra còi báo hiệu.

Việt Nam có vị trí địa lý và khí hậu thuận lợi, cùng với nguồn tài
nguyên năng lượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng gồm: năng lượng gió, năng
lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt... Các
nguồn năng lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều vùng sinh thái.
Với nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng nhanh ở Việt Nam việc
sớm khai thác các nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không những góp phần
giảm gánh nặng về cung cầu năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền
thống đang dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường
và phát triển bền vững.
Nhu cầu về điện năng trên thế giới đang gia tăng một cách mạnh mẽ
cùng với sự phát triển của các nền kinh tế và sự tăng dân số trên phạm vi toàn
cầu. Nhưng sự bùng nổ về nhu cầu điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn
năng lượng từ dầu và khí – vốn hiện tại cung cấp một nửa năng lượng cho toàn
thế giới – lâm vào tình thế rất khó khăn [1].
Các số liệu cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ
người. Khi ấy, 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…). Và 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.


2

Chính vì sự cạn kiệt và khan hiếm nhiên liệu cho nên việc tìm kiếm các
nguồn năng lượng thay thế đang trở thành mục tiêu và giải pháp chung của
nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Với những ưu điểm như giá
thành thấp, ít gây ảnh hưởng tiêu cực cho môi trường, các nguồn năng lượng
xanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió hay đặc biệt là năng lượng sóng
biển được xem là một nguồn năng lượng thay thế hữu ích, đang được nhiều

nước chú trọng phát triển cho ngành sản xuất năng lượng điện
Ở nước ta, vấn đề cung cấp năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu sinh
hoạt và sản xuất chưa được đảm bảo liên tục, nhất là vào mùa hè. Tình trạng
cắt điện luân phiên ảnh hưởng không nhỏ đến sản xuất của các nhà máy, xí
nghiệp và sinh hoạt của người sử dụng điện.
Từ đó, có thể nhận thấy rằng, nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng
là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện nay.
Thêm vào đó, các nguồn năng lượng điện truyền thống cũng đang có các
tác tiêu cực đến hệ sinh thái.
- Thủy điện
* Tác động đến thế giới động vật
Hồ chứa nước của các công trình thủy điện chiếm một diện tích rất đáng
kể đất ngập nước, đã làm mất đi hệ quần thể thực vật, vốn là thức ăn nuôi sống
động vật. Hậu quả là nhiều loại động vật cũng bị tiêu diệt hoặc phải di cư đến
nơi khác sinh sống. Vì vậy, khi thiết kế xây dựng hồ chứa nước bắt buộc phải
có các tính toán về thiệt hại đối với thế giới động vật, tính toán thiệt hại về kinh
tế. Và phải tính đến các biện pháp hoàn bù đất, cải tạo, tăng độ phì nhiêu của
đất, cải thiện điều kiện cho thực vật phát triển và áp dụng các biện pháp công
nghệ sinh học khác để cải tạo đất.
* Tác động đến hệ sinh thái dưới nước
Tác động của các hồ chứa nước và hoạt động của nhà máy thủy điện sẽ
làm thay đổi hệ sinh thái dưới nước ở khu vực có công trình thủy điện. Hệ sinh
thái sông sẽ phải nhường vị trí cho hệ sinh thái hồ tại khu vực hồ chứa nước.


3

Trong các dự án hiện nay về hồ chứa nước, người ta đều tiến hành dự
báo chất lượng nước, trong đó phải tính đến các đặc điểm thoát nước tự nhiên,
ảnh hưởng của các nguồn gây ô nhiễm môi trường, các quá trình lưu chuyển

nước trong vùng. Kết quả dự báo chất lượng được trình bày dưới dạng các chỉ
tiêu thủy hóa và thuỷ sinh học. Việc đánh giá chất lượng nước được thực hiện
bằng cách so sánh kết quả dự báo với nồng độ giới hạn cho phép các thành
phần khác nhau, quy định trong các tài liệu tiêu chuẩn – quy phạm.
* Tác động của công trình thủy điện đến ngư trường
Xây dựng công trình thủy điện sẽ hạn chế các luồng di cư, bán di cư của
các loài cá, làm thay đổi điều kiện sinh sản, có nguy cơ làm kiệt quệ nguồn
thức ăn của cá tại các công trình lấy nước tại nhà máy thủy điện. Kết quả là
nguồn thủy sản bị giảm, đặc biệt là các loại cá quý hiếm, trong một số trường
hợp còn bị tuyệt chủng. Để ngăn ngừa các hậu quả tiêu cực này, trong các dự
án thủy điện hiện nay, người ta cho áp dụng các biện pháp đặc biệt, trong đó có
biện pháp xây dựng công trình bảo vệ cá, cho cá qua lại và tạo lập cơ sở thức
ăn cho cá.
* Tác động của khí hậu
Các hồ chứa nước lớn sẽ tác động đến vi khí hậu các vùng lân cận, có
thể giảm nhiệt độ cực trị của khí quyển. Nhiệt độ cao nhất về mùa hè có thể
giảm xuống 2-3oC, mùa đông tăng lên 1-20C, độ ẩm không khí cũng có thể thay
đổi.
* Tác động của xã hội
Tác động của công trình thủy điện đến tình hình xã hội ở khu vực xây
dựng công trình, trước hết là phải di dời dân ra khỏi khu vực công trình và
vùng sẽ bị ngập nước. Tác động tiêu cực thứ hai là sự thay đổi điều kiện khí
hậu, sinh thái sẽ gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và hoạt động trong đời sống của
nhân dân. Ngoài ra, có thể có những thay đổi điều kiện tác động của công trình
thủy điện đến môi trường thiên nhiên.


4

Quá trình di dời, tái định cư cho người dân từng sống ở khu vực công

trình thuỷ điện là vấn đề phức tạp nhất. Để di dời dân, cần phải xây dựng các
điểm tái định cư thuận tiện cho sinh hoạt, phải xây dựng các công trình kỹ
thuật, tạo thành tổ hợp các công trình văn hoá – xã hội. Ngoài ra, các dự án
công trình thủy điện phải được xem xét phù hợp với quy định của luật pháp
hiện hành về đền bù giá trị công trình.
Trong các dự án công trình thủy điện hiện đại, người ta xem xét toàn bộ
các biện pháp có liên quan với nhau và được trình bày trong một phần đặc biệt
gọi là “Chương trình xã hội xây dựng”. Mục tiêu của chương trình này là nhằm
giảm nhẹ căng thẳng về xã hội, giảm tác động tiêu cực của công trình đến đời
sống xã hội, cải thiện điều kiện sống cho người dân địa phương.
Yêu cầu là phải tuân thủ quy định của Luật Bảo vệ môi trường sẽ làm
tăng chi phí chuẩn bị khu vực xây dựng hồ chứa nước. Khoản chi phí này thông
thường chiếm từ 20% đến 50% tổng chi phí cụm công trình thủy điện, trong
một số công trình đặc biệt, khoản chi phí này có thể chiếm tới 70% tổng chi
phí.
Liên quan đến yêu cầu về bảo vệ môi trường trong khai thác công trình
thủy điện, gần đây xuất hiện khái niệm “An toàn sinh thái”. An toàn sinh thái là
trạng thái bảo vệ lợi ích sinh thái quan trọng đối với đời sống con người, trước
hết là tạo ra trạng thái sạch, đảm bảo thuận lợi cho sức khoẻ con người và môi
trường thiên nhiên. Nếu xem xét theo các tiêu chí này, thì nhà máy thủy điện và
hồ chứa nước không thải ra chất độc hại, gây ô nhiễm không khí, mộ số chất
thải do nhà máy thủy điện xả ra nằm trong phạm vi cho phép của quy định hiện
hành. Đây chính là những điều kiện để nhà máy thủy điện vẫn tiếp tục phát
triển trên phạm vi toàn thế giới.
- Điện hạt nhân
Việc nghiên cứu phát triển điện hạt nhân cần phải cân nhắc kỹ lưỡng. Về
khía cạnh kinh tế, so với kinh phí đầu tư của một nhà máy thủy điện như Sơn
La với công suất 2400 MW, chi phí khoảng 2,5 tỉ đô la thì giá thành một kWh
điện của nhà máy điện hạt nhân này đã là không kinh tế. Điều này là chưa nói

5

đến yếu tố tác hại đối với môi trường sinh sống của con người, lời giải cho bài
toán xử lý chất thải và nếu có biến cố, tai nạn xảy ra thì hậu quả không thể
lường hết được.
Dư luận vẫn chưa quên sự cố tan chảy do mất chất tải nhiệt đã từng xảy
ra ở các lò năng lượng điện hạt nhân, mà điển hình nhất là ở hai nhà máy Three
Mile Island, Mỹ và Chernobyl, Liên Xô cũ. Vụ nổ lò hạt nhân tại Chernobyl
năm 1986 làm hàng chục người chết, hàng trăm ngàn người bị nhiễm phóng
xạ, nhiều triệu cây số vuông tại Ukraine, Belarus, Nga, Ba Lan, Phần Lan,
Thụy Điển và Na Uy bị nhiễm xạ.
Gần đây nhất, sự cố hạt nhân tại Fukushima, Nhật Bản đang tập trung sự
quan tâm của toàn thế giới bởi nó xảy ra tại một nước có trình độ hạt nhân tiên
tiến. Sự cố này đã khiến cho thế giới có cái nhìn thận trọng hơn với năng lượng
hạt nhân, nhất là tại các quốc gia đang có ý định xây dựng nhà máy điện hạt
nhân. Có thể nói sự cố hạt nhân tại Fukushima đã đưa chính sách hạt nhân toàn
cầu đi vào giai đoạn “ngủ đông” vì bất cứ sự cố hạt nhân nào giờ đây cũng sẽ
ảnh hưởng đến toàn thế giới.
Dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân đang và đã triển khai thực hiện.
Nhưng hiện tượng động đất ở vùng Biển Đông và khu vực các tỉnh phía nam
Việt Nam, với cường độ ghi nhận đến 5,5 - 6,0 độ Richter vẫn có thể xảy ra.
Các nước trên thế giới chỉ phát triển điện hạt nhân khi họ không thể tìm được
nguồn năng lượng nào khác [3].
Trong khi đó, nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào tại Việt Nam. Nước
ta có bờ biển rất dài, lớn hơn 3200 km. Quanh năm sóng biển vỗ bờ. Khi có
bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng biển rất mạnh trong nhiều ngày liên tiếp.
Trong những ngày có gió mùa đông bắc, sóng biển ở các tỉnh ven biển miền
Trung cũng lớn. Trong những ngày có gió Tây Nam, sóng biển trên vịnh Thái
Lan ở các tỉnh Kiên Giang và Cà Mau cũng lớn.

Nước ta cũng có nhiều hải đảo. Quanh đảo là biển. Vì vậy, năng lượng
của sóng biển ở ven bờ biển nước ta là rất lớn. Do đó, việc chuyển hóa năng
lượng của sóng biển thành năng lượng điện vừa khai thác được tiềm năng, vừa
góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện hiện nay và tương lai.


6

So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sóng biển có tính
an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn, không cần một bộ
máy điều hành lớn và phức tạp, mức độ ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường
không nhiều.
Một cách đơn giản hơn, trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng
lượng sóng biển chưa được tận dụng nhiều, mặc dù các nhà khoa học đã nhận
ra rằng hiệu suất chuyển hóa từ năng lượng sóng biển thành năng lượng điện
của nguồn năng lượng này là cao. Năng lượng điện từ sóng biển đã được thử
nghiệm nhiều năm qua nhưng vẫn chưa đạt được nhiều thành công.
Đến nay, khi khoa học công nghệ phát triển và thế giới đang phải đối
mặt với những tác động nghiêm trọng của vấn đề biến đổi khí hậu thì các nhà
khoa học càng tin tưởng thêm rằng xu hướng chuyển hóa năng lượng của sóng
biển thành năng lượng điện là phù hợp, cũng như cần triển khai sâu và rộng
hơn.
Năm 1799, Girardson, Pháp người đầu tiên được cấp bằng phát minh về
việc khám phá năng lượng sóng biển.
Từ năm 1960, Masuda, Nhật đã thiết kế chế tạo và thương mại hóa thiết
bị hoạt động dựa trên năng lượng sóng biển mà là một chiếc phao nhẹ trôi trên
biển và tự nạp điện.
Sau năm 1973, cuộc khủng hoảng dầu hỏa đã đưa đến việc khám phá tất
cả các hình thức khai thác khả thi của năng lượng. Trong đó, có nguồn năng
lượng của sóng biển.

Mặt khác, khi đưa các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển vào vận
hành độc lập hoặc khi kết nối với lưới điện quốc gia thì những yêu cầu khắt khe
đối với lưới điện là cần thiết, nó là một phần quy định của vận hành hệ thống
điện. Những quy định này đưa ra những yêu cầu cho hệ thống biến đổi làm việc
dưới điều kiện vận hành bình thường cũng như sự cố. Trong trường hợp này,
việc điều chỉnh để phát công suất tác dụng và công suất phản kháng theo yêu
cầu là một trong những bài toán quan trọng.
Đề tài “Điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng biển
Wave Dragon” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này.


7

1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Mục tiêu tổng quát phát triển ngành năng lượng Việt Nam trong tương
lai là khai thác và sử dụng hợp lý, có hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng
trong nước, cung cấp đầy đủ năng lượng với chất lượng ngày càng cao, giá cả
hợp lý cho phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
Đa dạng hóa phương thức đầu tư và kinh doanh trong lĩnh vực năng
lượng, từng bước hình thành và phát triển thị trường năng lượng cạnh tranh,
đẩy mạnh phát triển nguồn năng lượng mới và tái tạo để đáp ứng nhu cầu, nhất
là vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo. Phát triển nhanh, hiệu quả và bền
vững ngành năng lượng, phát triển đi đôi với bảo vệ môi trường.
Từ đó, nhận thấy rằng việc nghiên cứu giải quyết các vấn đề liên quan
đến năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng là cấp bách ở nước ta
hiện nay [3]. Trong đó, năng lượng sóng biển được đánh giá là tiềm năng và
cần có nhiều nghiên cứu hơn cho việc khai thác và sử dụng hiệu quả.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện, Wave
Dragon sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

1.4. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng
lượng điện;
- Giải thuật điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống
biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện Wave Dragon sử dụng
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
1.5. Mục đích và nội dung nghiên cứu
Với các phân tích và đánh giá đã được trình bày, mục tiêu chính của
luận văn cần được thực hiện bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng
lượng sóng biển.


8

- Nghiên cứu tổng quan các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
thành năng lượng điện.
- Nghiên cứu và phân tích hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển,
Wave Dragon thành năng lượng điện.
- Nghiên cứu và phân tích kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và
công suất phản kháng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển, Wave
Dragon thành năng lượng điện sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu.
- Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của
hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện, Wave Dragon
sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến việc nghiên cứu và khai thác
nguồn năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu và phân tích các hệ thống điện năng lượng sóng biển điển

hình.
- Nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng sóng biển.
- Nghiên cứu mô phỏng một hệ thống điện năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu mô phỏng điều khiển công suất của một hệ thống điện
năng lượng sóng biển.
- Phân tích và đánh giá các kết quả mô phỏng điều khiển công suất của
một hệ thống điện năng lượng sóng biển.
1.7. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện năng lượng
sóng biển
Các tác giả Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch và Đặng Thế Ba đã
thực hiện khảo sát và tính toán một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng
lượng sóng biển [4]. Nghiên cứu thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển thành
năng lượng điện sử dụng nguyên lý phao nổi. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đi