Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích nghi (anfis) (wind energy conversion system optimization based on anfis)

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CHÍ CƠNG

TỐI ƯU HĨA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIĨ
DÙNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI (ANFIS)
(WIND ENERGY CONVERSION SYSTEM OPTIMIZATION BASED ON ANFIS)

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CHÍ CƠNG

ĐỀ TÀI

TỐI ƯU HĨA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
GIĨ DÙNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
(WIND ENERGY CONVERSION SYSTEM OPTIMIZATION BASED ON ANFIS)

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ - TS. Hồ Phạm Huy Ánh
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ........................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ........................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ ngày tháng
năm 2014
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)
1. Chủ tịch hội đồng

:

2. Thư ký hội đồng

:

3. Ủy viên Phản biện 1 :
4. Ủy viên Phản biện 2 :
5. Ủy viên hội đồng

:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý
chuyên ngành sau khi nhận luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

NGUYỄN CHÍ CƠNG
Ngày, tháng, năm sinh: 17/06/1988
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Phái: Nam
Nơi sinh: Cần Thơ
MSHV: 11820127

I. TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ
DÙNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI (ANFIS)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1. Nhiệm vụ: Nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều
khiển nơron mờ thích nghi (ANFIS).
2.

Nội dung:
- Nghiên cứu 2 loại điều khiển thích nghi tối ưu dựa trên điều khiển mờ áp dụng

cho máy phát năng lượng gió :
+ Phương pháp dị tìm độ dốc thơng minh dùng thuật toán điều khiển MPPT.
+ Cải thiện hiệu suất thông qua điều khiển tối ưu hệ thống biến đổi năng lượng
gió sử dụng thuật tốn điều khiển MPPT thích nghi đáp ứng sự khơng ổn định
của vận tốc gió.
+ Xây dựng các thuật tốn điều khiển dùng ANFIS cho hệ thống biến đổi năng
lượng gió.
+ Đánh giá sơ bộ tính kinh tế của đề tài.
+ Cơng cụ nghiên cứu dựa trên phần mềm Matlab/Simulink.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/06/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2013

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
HUY ÁNH

PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ - TS. HỒ PHẠM

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông qua.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-2-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên, chữ ký)

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ
- TS. HỒ PHẠM HUY ÁNH

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-3-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ và
TS. Hồ Phạm Huy Ánh, người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vơ cùng
q giá và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô người đã giảng dạy và truyền đạt những
tri thức khoa học giúp em trưởng thành trong suốt q trình theo học cao học.
Con vơ cùng biết ơn Cha Mẹ đã nuôi con khôn lớn, luôn là chỗ dựa vững chắc
về vật chất lẫn tinh thần, tạo mọi điều kiện để con được học tập, trưởng thành cho đến
ngày hôm nay.
Xin chân thành cảm ơn các Anh Chị, bạn bè cùng lớp Thiết bị, mạng và nhà
máy điện khoá 03 (tại trường Đại Học Cần Thơ) đã giúp đỡ em trong quá trình học
tập cũng như trong cuộc sống.
Kính chúc mạnh khỏe.
Cần Thơ, tháng

năm 2014

Người thực hiện

Nguyễn Chí Cơng

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-4-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Giới thiệu
Vấn đề giải quyết bài toán năng lượng cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới
là bài tốn nan giải nhất trên phạm vi tồn cầu hiện nay. Đây cũng là một trong những
nguyên nhân tiềm ẩn phát sinh ra nhiều cuộc xung đột cấp quốc gia trên thế giới.
Nguồn năng lượng hiện tại trên thế giới sử dụng, chủ yếu là các nguồn năng lượng
hóa thạch (chiếm khoảng 80%) như: than, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên
nhiên…Tuy nhiên việc lạm dụng nguồn năng lượng này sẽ dẫn đến nhiều vấn đề:
- Trữ lượng dầu là hữu hạn và nếu lượng tiêu thụ dầu của thế giới trong
thời gian tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ phải phụ thuộc vào dầu giá cao. Khi giá
cả thị trường tăng lên việc ứng dụng kỹ thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy được dầu
từ những địa tầng sâu hơn cũng được đẩy mạnh và như vậy trữ lượng dầu có khả năng
khai thác cũng sẽ tăng lên. Nhưng nếu khai thác đến một nửa trữ lượng của mỗi mỏ
thì dù trữ lượng cịn đó cũng sẽ dẫn đến suy giảm năng suất và có thể chuyển sang sụt
giảm sản lượng.
- Do vậy, sản lượng dầu chất lượng tốt trên toàn thế giới sẽ chuyển sang
khuynh hướng giảm trong một thời kỳ sớm hơn so với số năm có thể khai thác, làm
giảm khả năng duy trì sản lượng theo nhu cầu.
1. Khí thiên nhiên :

Số năm có thể khai thác của khí tự nhiên dự đốn thì khoảng 60 năm. Tài
ngun khí tự nhiên, so với tài nguyên dầu có ưu điểm là có thể đảm bảo được thời
gian khai thác lớn hơn. Thực tế thì gần 70% trữ lượng khí tự nhiên được đảm bảo phụ
thuộc vào khu vực Trung Đông và Liên Xô cũ, là vùng rất nhạy cảm với những tác
động và ảnh hưởng của tình hình quốc tế.
2. Than đá :

Các cơng trình nghiên cứu năng lượng dự đốn số năm cịn có thể khai thác
than là khoảng 230 năm. Nhưng vì lượng khí CO2 thải ra trong quá trình sinh năng
lượng lại lớn hơn so với các nhiên liệu hóa thạch khác nên khi sử dụng nguồn nhiên
liệu này cần tính đến việc phịng chống các hiện tượng về ô nhiễm môi trường cũng
như sự ấm lên của trái đất.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-5-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

3. Tác hại của việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch:
- Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra

điơxít cacbon (CO2), ơxít sunphua (SOx), ơxít nitơ (NOx). Khi nồng độ của CO2 trong
khơng khí tăng lên thì nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên. Các nghiên cứu khoa học đưa ra
kết luận rằng nếu nhân loại cứ tiếp tục đốt các nhiên liệu hóa thạch như thế này và khí

CO2 vẫn tiếp tục tăng lên thì sau 100 năm, nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng lên
hai độ làm ảnh hưởng rất lớn đối với khí hậu trái đất.
- Ngồi ra, ôxít sunphua (SOx), ôxít nitơ (NOx) là nguyên nhân tạo ra hiện
tượng mưa axít gây ra những tác hại to lớn đối với động thực vật trên trái đất.

Hình 1: Mức độ thải CO2 của các nhiên liệu
4. Năng lượng và sự gia tăng dân số :

Năng lượng đang sử dụng trên thế giới hiện nay nếu quy ra dầu thì gần
8,5 tỷ tấn, trong đó 40% là dầu, than khoảng 26% và khí thiên nhiên khoảng 24%.
Lượng tiêu thụ năng lượng khác nhau tuỳ theo mỗi quốc gia. Ở các nước đang phát
triển, mức tiêu thụ năng lượng bình quân trên đầu người thấp hơn 1/10 so với ở các
nước phát triển. Vì thế sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh tế của các nước đang
phát triển làm người ta dự báo rằng trong thời gian tới nhu cầu năng lượng của thế
giới tăng lên sẽ tập trung chủ yếu ở các quốc gia đang phát triển.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-6-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

- Tổng dân số thế giới năm 1996 vào khoảng 5,8 tỷ người, nhưng được

dự báo đến năm 2025 là 8 tỷ và sẽ đạt tới 9,8 tỷ vào năm 2050, trong đó dân số của
các nước đang phát triển sẽ chiếm khoảng 80%. Giả sử, mức tiêu thụ năng lượng của

các nước đang phát triển sẽ tăng gấp 2 lần so với hiện nay thì chúng ta sẽ phải đối mặt
với một thời kỳ rất khó khăn trong việc đáp ứng cung và cầu của năng lượng hóa
thạch mà chủ yếu là dầu mỏ dễ sử dụng và rồi nguồn tài nguyên hữu hạn này đến một
ngày nào đó sẽ rơi vào tình trạng cạn kiệt.
5. Tìm kiếm năng lượng thay thế?

Dạng năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là năng lượng mặt
trời, năng lượng từ sức gió, năng lượng sóng biển, năng lượng hạt nhân…. các dạng
năng lượng này cần phải phát triển, khai thác để sử dụng.
Có một giải pháp có thể nhanh chóng nâng cao sản lượng điện, đáp ứng
nhu cầu điện năng trong một thời gian khơng lâu: xây dựng các trạm điện bằng sức
gió. Các máy phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu,
Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Sau thảm họa Chernobyl (Ukraine
1986), cuộc đấu tranh đòi hủy bỏ các nhà máy điện nguyên tử tại Đức diễn ra ngày
càng mãnh liệt nên điện bằng sức gió phát triển rất mạnh, sản lượng đã vượt xa sản
lượng thủy điện và trở thành nguồn năng lượng đáng kể trên cường quốc công nghiệp
này, tuy nhiên :
Ø Sau tai nạn sóng thần 3/2011 vừa qua tại Nhật Bản, làm cho các nhà
máy điện hạt nhân bị rị rỉ. Tình hình khẩn cấp khi vận hành các lò phản ứng hạt nhân
của Nhật Bản đang gây ra một làn sóng phản ứng trong Liên minh châu Âu, các bộ
trưởng môi trường yêu cầu thúc đẩy các cuộc kiểm tra toàn diện về hoạt động của nhà
máy hạt nhân và các thành viên của Ủy ban Châu Âu kêu gọi từ bỏ năng lượng hạt
nhân.
Ø Sự kiện tranh luận về việc quốc gia Lào dự định xây nhà máy thủy điện
Xayaburi trên sông Mêkông tháng 4/2011, làm ảnh hưởng đến vùng hạ lưu là một hồi
chuông cảnh báo về sự lạm dụng quá mức về thủy điện sẽ làm suy thoái hệ sinh thái
mỏng manh của sông Mêkông và đe dọa cuộc sống của hàng triệu người dân sống dựa
vào dịng sơng này. Cũng như các đập thủy điện ở tỉnh Quảng Nam đã phá nát hệ sinh
thái và rừng đầu nguồn của tỉnh này là một ví dụ.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-7-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

Ø Vào ngày 30/05/2011, bắt nguồn từ cuộc khủng hoảng hạt nhân tại Nhật
Bản, sau cuộc thương lượng kéo dài trong chính phủ liên hiệp Đức, văn phòng Thủ
tướng Đức Angela Merkel ra thơng báo : “Chính phủ Đức hơm nay trở thành cường
quốc kinh tế đầu tiên đồng ý chấm dứt sử dụng điện hạt nhân, với lộ trình đóng cửa
các nhà máy từ nay tới năm 2022” và khẳng định "Đây là một quyết định nhất quán,
dứt khoát và rõ ràng”.
Vì thế, nghiên cứu ứng dụng năng luợng khác là vấn đề được quan tâm nhiều
hiện nay. Cùng với các dạng năng lượng mới khác như năng lượng mặt trời, năng
lượng sóng biển… Năng lượng gió là một loại năng lượng dễ dàng ứng dụng với chi
phí đầu tư thấp nhất so với các dạng năng lượng nêu trên, đó là lý do cần đẩy mạnh
nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió nhiều hơn nữa [7].

Hình 2: Dung lượng năng lượng gió tích lũy tồn cầu

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-8-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

Hình 3: Biểu đồ hoa gió tại một số điểm của Việt Nam và các nước Đông Nam Á
Bảng: Dung lượng năng lượng gió và máy phát điện tích lũy tồn cầu
Năm
Tham chiếu (GW)

2007
93,87

2008
120,30

2009
158,51

2010
185,26

2015
295,78

2020
415,43

2030

572,73

Trung bình

(GW)

93,86

120,30

158,51

198,72

460,36

832,25

1777,55

Nâng cao

(GW)

93,86

120,30

158,51

201,66

533,23

1071,43

2341,98

Vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió
là rất cần thiết để máy phát năng lượng gió vận hành tối ưu nhất nhằm thu được lượng
công suất lớn nhất.
Điểm nhấn luận văn
+ Phương pháp dị tìm độ dốc thơng minh dùng thuật tốn điều khiển MPPT.
+ Cải thiện hiệu suất thông qua điều khiển tối ưu hệ thống biến đổi năng lượng
gió sử dụng thuật tốn điều khiển MPPT thích nghi đáp ứng sự khơng ổn định
của vận tốc gió.
+ Xây dựng các thuật tốn điều khiển dùng ANFIS cho hệ thống biến đổi năng
lượng gió.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

-9-

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

Ý nghĩa đề tài

Nghiên cứu 2 loại điều khiển thích nghi tối ưu dựa trên điều khiển mờ áp
dụng cho máy phát năng lượng gió.
Nghiên cứu xây dựng các thuật tốn điều khiển dùng ANFIS cho hệ thống
biến đổi năng lượng gió.
Tạo tài liệu tham khảo về tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng
điều khiển mờ thích nghi, tạo điều kiện để phát triển thí nghiệm và thực nghiệm mơ
hình này.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 10 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nghiên cứu nào khác.

Cần Thơ, ngày tháng

năm 2014

Nguyễn Chí Cơng

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 11 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………………4
TĨM TẮT LUẬN VĂN……………………………………………………………....5
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………….11
MỤC LỤC……………………………………………………………………………12
PHỤ LỤC HÌNH……………………………………………………………………..15
PHỤ LỤC BẢNG…………………………………………………………….............19
KÝ HIỆU VIẾT TẮT…………………………………………………………….......20

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG………………………………………..23
1.1. Ôn lại hệ thống biến đổi năng lượng gió……………………………………...23
1.2. Đặt vấn đề……………………………………………………………………..24
1.3. Điều khiển tối ưu hệ thống biến đổi năng lượng gió trong vùng tải cục bộ…..26
1.4. Đề cương luận văn…………………………………………………………….29

CHƯƠNG II: THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MPPT ĐỂ TÌM RA ĐỘ DỐC
DÙNG FIS…………………………………………………………………….31
2.1. Giới thiệu……………………………………………………………………...31
2.2. Hệ thống biến đổi năng lượng gió…………………………………………….32

2.2.1. Đặc tính tuabin gió…………………………………………………………33
2.2.2. Mơ hình máy phát………………………………………………………….34
2.3. Điều khiển đề nghị……………………………………………………………36
2.3.1. Đặc tính cơng suất tuabin dùng thuật toán điều khiển MPPT……………..36
2.3.2. Thuật toán điều khiển MPPT để tìm ra độ dốc dùng FIS…………………..38
2.4. Kết quả mơ phỏng…………………………………………………………….42
2.5. Kết luận chương 2…………………………………………………………….45

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 12 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

CHƯƠNG III: THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MPPT DỰA TRÊN SỰ
KHƠNG ỔN ĐỊNH CỦA GIĨ………………………………………………46
3.1. Giới thiệu……………………………………………………………………...46
3.2. Mơ hình giả định……………………………………………………………...47
3.3. Điều khiển đề nghị……………………………………………………………48
3.3.1. Xử lý thơng tin phản hồi……………………………………………...........48
3.3.2. Thuật tốn điều khiển………………………………………………………50
3.4. Kết quả mô phỏng…………………………………………………………….52
3.5. Kết luận chương 3…………………………………………………………….55

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DÙNG

ANFIS CHO HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ …………….57
4.1. Giới thiệu………………………………………………………………..........57
4.2. Cấu trúc ANFIS……………………………………………………………….58
4.3. Điều khiển dùng ANFIS bộ nghịch lưu giao diện năng lượng tái tạo ………..61
4.3.1. Cấu hình hệ thống và điều khiển của bộ nghịch lưu lưới…………………..63
4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển nơron mờ thích nghi cho bộ nghịch lưu lưới………65
4.3.3. Huấn luyện trực tiếp của kỹ thuật ANFIS………………………………….69
4.3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận cho bộ nghịch lưu lưới…………………...72
4.4. Điều khiển tốc độ và cảm biến vị trí của hệ thống biến đổi năng lượng gió với
đặc tính chất lượng điện năng………………………………………………………..97
4.4.1. Mơ tả hệ thống và điều khiển………………………………………………99
4.4.2. Ước lượng và điều khiển tốc độ, vị trí PMSG …………………………...100
4.4.3. Điều khiển bộ nghịch lưu lưới…………………………………………….110
4.4.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận…………………………………………...112
4.5. So sánh nghiên cứu dùng ANFIS và quan sát kiểu trượt cho ước lượng tốc độ và
vị trí rơto…………………………………………………………………………….119
4.5.1. Mơ hình dùng quan sát kiểu trượt cho ước lượng tốc độ và vị trí rơto…....120
4.5.2. Kết quả mơ phỏng và thảo luận……………………………………………121
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 13 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

CHƯƠNG V: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM

MATLAB/SIMULINK……………………………………………………...128
5.1. Mơ hình hóa và mơ phỏng trên SCIG………………………………………………100
5.2. Mơ hình hóa và mô phỏng trên PMSG……………………………………………...138

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………..149
6.1. Kết luận……………………………………………………………………....149
6.2. Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo……………………………………151
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………...152
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG……………………………………………………….168

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 14 -

HVTH: Nguyễn Chí Công


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1 Dung lượng năng lượng gió tích lũy tồn cầu……………………………...23
Hình 1.2 Đường cong cơng suất tuabin gió…………………………………………..25
Hình 1.3 Đường hiệu suất cơng suất cực đại Pt - Wl ……………………………………26
Hình 1.4 Biễu diễn đường cong hệ số cơng suất……………………………………..27
Hình 2.1 Hệ thống biến đổi năng lượng gió………………………………………….32
Hình 2.2 Điện từ và điện cơ của SCIG……………………………………………….34
Hình 2.3 Quyết định trường hợp cho điều khiển MPPT trên đường cong cơng suất ổn
định…………………………………………………………………….......................37

Hình 2.4 Mô phỏng của hệ thống biến đổi năng lượng gió…………………………..39
Hình 2.5 Khối điều khiển MPPT dùng FIS…………………………………………..40
Hình 2.6 Điều khiển MPPT dùng FIS………………………………………………..40
Hình 2.7 Dãy tốc độ gió được sử dụng để đánh giá điều khiển MPPT………………41
Hình 2.8 Sự tiến triển của hiệu suất cơng suất……………………………………….43
Hình 2.9 Sự tiến triển của tốc độ rơto máy phát………………………………..........44
Hình 2.10 Cơng suất tuabin gió và dãy đặc tính tốc độ rơto…………………………45
Hình 3.1 Nguyên lý ESC tổng thể……………………………………………………47
Hình 3.2 Máy phát cảm ứng lồng sóc (SCIG) dùng thuật tốn điều khiển MPPT ….48
Hình 3.3 Xử lý thông tin phản hồi và tốc độ quay máy phát tham chiếu…………….51
Hình 3.4 Xử lý thơng tin l ………………………………………………………………..53
Hình 3.5 Xử lý thơng tin q ………………………………………………………………..53
Hình 3.6 Sự tiến triển của hệ số công suất trong trường hợp MPPT với sự khơng ổn
định của gió…………………………………………………………………………..54
Hình 3.7 Đặc tính của điều khiển MPPT với sự khơng ổn định của gió……………..55
Hình 4.1 Hệ thống suy luận mờ Sugeno………………………………………..........58
Hình 4.2 Cấu trúc ANFIS…………………………………………………………….59
Hình 4.3: RES cung cấp chỉ cơng suất tác dụng………………………………..........61
Hình 4.4: RES cung cấp cơng suất tác dụng và phụ tải không cân bằng phi tuyến….62
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 15 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

Hình 4.5: Điều khiển đề nghị của giao diện bộ nghịch lưu RES…………………….65
Hình 4.6: Tối ưu kỹ thuật ANFIS dùng MATLAB/anfiseditor……………………...66
Hình 4.7: Sơ đồ kỹ thuật điều khiển dùng ANFIS…………………………………...68
Hình 4.8: Hàm liên thuộc mờ (fuzzy)………………………………………………..68
Hình 4.9: Kết quả mơ phỏng điều khiển bộ nghịch lưu lưới dùng ANFIS………......74
Hình 4.10: Kết quả mơ phỏng cho phân tích dịng cơng suất…………………..........96
Hình 4.11: Kết quả mơ phỏng: Lưới, tải, dịng bộ nghịch lưu của pha a và điện áp lưới
pha a trung tính w.r.t…………………………………………………………………97
Hình 4.12: Sơ đồ khối của hệ thống đề nghị………………………………………..100
Hình 4.13 Sơ đồ điều khiển máy phát…………………………………………........101
Hình 4.14 Mơ hình khơng gian trạng thái của PMSG………………………………102
Hình 4.15 Mơ hình thích nghi của PMSG dùng ANFIS………………………........104
Hình 4.16 Cấu trúc ANFIS cho ước lượng tốc độ và vị trí……………………........105
Hình 4.17 Sơ đồ điều khiển của bộ nghịch lưu lưới………………………………...111
Hình 4.18 Kết quả mơ phỏng điều khiển máy phát dùng ANFIS…………………..115
Hình 4.19 Kết quả mơ phỏng của bộ nghịch lưu lưới……………………………....118
Hình 4.20 Kết quả mơ phỏng: Lưới, tải, dịng bộ nghịch lưu của pha a và trung tính
w.r.t điện áp lưới pha a……………………………………………………………...119
Hình 4.21 Ước lượng tốc độ và vị trí rơto dùng quan sát kiểu trượt ……………….121
Hình 4.22 Kết quả mơ phỏng ước lượng tốc độ và vị trí rơto so sánh giữa dùng
ANFIS và quan sát kiểu trượt với thông số PMSG định mức………………………123
Hình 4.23 Kết quả mơ phỏng ước lượng tốc độ và vị trí rơto so sánh giữa dùng
ANFIS và quan sát kiểu trượt với 10% biến đổi điện trở và điện cảm PMSG……..125
Hình 4.24 Kết quả mơ phỏng ước lượng tốc độ và vị trí rơto so sánh giữa dùng
ANFIS và quan sát kiểu trượt với 25% biến đổi điện trở và điện cảm PMSG……..127
Hình 5.1 Mơ hình khối điều khiển FIS MPPT……………………………………...128
Hình 5.2 Mơ hình điều khiển MPPT dùng FIS……………………………………..128
Hình 5.3 Hàm liên thuộc……………………………………………………………129
Hình 5.4 Luật điều khiển……………………………………………………………129
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 16 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

Hình 5.5 Quan sát ảnh hưởng các luật điều khiển…………………………………..130
Hình 5.6 Quan sát dạng bề mặt hàm liên thuộc…………………………………….130
Hình 5.7 Mơ hình hóa SCIG………………………………………………………..131
Hình 5.8 Mơ hình hóa phần cơ SCIG……………………………………………….131
Hình 5.9 Mơ hình hóa máy phát…………………………………………………….132
Hình 5.10 Mơ hình hóa stato back to back………………………………………….132
Hình 5.11 Mơ hình hóa liên kết DC của bộ nghịch lưu…………………………….133
Hình 5.12 Mơ hình hóa tần số lưới của bộ nghịch lưu……………………………...133
Hình 5.13 Mơ hình hóa bộ lọc lưới…………………………………………………133
Hình 5.14 Mơ hình hóa của điện áp lưới máy phát…………………………………134
Hình 5.15 Mơ hình hóa của bộ truyền động .............................................................. 134
Hình 5.16 Mơ hình hóa điều khiển tốc độ hệ thống biến đổi năng lượng gió ........... 135
Hình 5.17 Mơ hình hóa rơto SCIG ............................................................................ 135
Hình 5.18 Mơ hình hóa tốc độ gió ............................................................................. 136
Hình 5.19 Mơ hình máy phát tốc độ gió .................................................................... 136
Hình 5.20 Mơ hình hóa của thuật tốn MPPT .......................................................... 137
Hình 5.21 Mơ hình mơ phỏng SCIG ......................................................................... 137
Hình 5.22 Mơ hình mờ (fuzzy) với 1 ngõ vào, 1 ngõ ra............................................ 138
Hình 5.23 Hàm liên thuộc ngõ vào ............................................................................ 138
Hình 5.24 Hàm liên thuộc ngõ ra .............................................................................. 139

Hình 5.25 Bảng các luật điều khiển........................................................................... 139
Hình 5.26 Quan sát ảnh hưởng các luật điều khiển ................................................... 140
Hình 5.27 Quan sát dạng bề mặt hàm liên thuộc ....................................................... 140
Hình 5.28 Cấu trúc ANFIS ........................................................................................ 141
Hình 5.29 Mơ hình mờ (fuzzy) với 2 ngõ vào, 2 ngõ ra............................................ 141
Hình 5.30 Hàm liên thuộc ngõ vào ............................................................................ 142
Hình 5.31 Hàm liên thuộc ngõ ra .............................................................................. 142
Hình 5.32 Bảng các luật điều khiển........................................................................... 143
Hình 5.33 Quan sát ảnh hưởng các luật điều khiển ................................................... 143
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 17 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

Hình 5.34 Quan sát dạng bề mặt hàm liên thuộc ....................................................... 144
Hình 5.35 Cấu trúc ANFIS ........................................................................................ 145
Hình 5.36 Mơ hình mơ phỏng RES ........................................................................... 145
Hình 5.37 Mơ hình mơ phỏng dùng ANFIS .............................................................. 146
Hình 5.38 Mơ hình mơ phỏng dùng ANFIS .............................................................. 147
Hình 5.39 Mơ hình mơ phỏng dùng SMO ................................................................. 148

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 18 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

PHỤ LỤC BẢNG
Bảng: Dung lượng năng lượng gió và máy phát điện tích lũy tồn cầu…………9
Bảng 2.1: Vận tốc góc tham chiếu của tuabin biểu thị bởi giá trị của ¶Pt Wl …..37

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 19 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

KÝ HIỆU VIẾT TẮT
3P3W - Three-phase three-wire – 3 pha 3 dây
3P4W - Three-phase four-wire – 3 pha 4 dây
AC - Alternating current – Dòng xoay chiều
ANFIS - Adaptive network-based Fuzzy-inference system – Mạng lưới thích nghi dựa
trên cơ sở hệ suy luận mờ
ANN - Artifical neural network – Mạng nơron nhân tạo

APF - Active power filter – Bộ lọc công suất tác dụng
ASD - Adjustable speed drive- Điều chỉnh tốc độ truyền động
BBC - Back to back converter – Bộ nghịch lưu phân cách nhau
DC - Direct current – Dòng một chiều
DFT - Discrete Fourier Transform – Phép biến đổi Fourier gián đoạn
ESC - Extreme seeking control – Điều khiển tìm kiếm vô cùng
FFT - Fast Fourier Transform – Phép biến đổi Fourier nhanh
FIS - Fuzzy inference systems – Hệ thống suy luận mờ
FACTS - Flexible AC transmission systems – Hệ thống truyền tải xoay chiều
HSS - High speed shaft – Trục tốc độ cao
HP - Horse power – Mã lực
HPF - High pass filter – Bộ lọc cao
IGBT - Insulated gate bipolar transistor
LSS - Low speed shaft – Trục tốc độ thấp
LWSFC Linear wind speed feedback controller – Bộ điều khiển hồi tiếp tốc độ gió
tuyến tính
LPF - Low pass filter – Bộ lọc thấp
LVRT - Low voltage ride-through
MPE - Maximum power efficiency – Hiệu suất công suất cực đại
MPPT - Maximum power point tracking – Bám sát điểm công suất cực đại
NFC - Neuro-fuzzy controller – Bộ điều khiển nơron mờ
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 20 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích

nghi

PCC - Point of common coupling – Điểm ghép cặp chung
p.f. - Power factor – Hệ số công suất
PFC - Power factor correction – Hiệu chỉnh hệ số công suất
PI - Proportional-Integral – Tỷ lệ - tích phân
PLL - Phase-locked loop – Liên kết khóa pha
PMSG - Permanent magnet synchronous generator – Máy phát đồng bộ nam châm
vĩnh cửu
PMSM - Permanent magnet synchronous motor – Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu
PWM - Pulse width modulation – Điều chế độ rộng xung
rms - Root mean square – Giá trị hiệu dụng
RPM - Revoluation per minute – Số vòng quay trên phút
SCIG - Squirrel-cage induction generator – Máy phát cảm ứng lồng sóc
SEIG - Self-excited induction generator – Máy phát cảm ứng tự kích thích
SSC - Static series compensator – Bộ bù tĩnh nối tiếp
STATCOM - Static var compensator – Bộ bù tĩnh var
THD - Total harmonics distortion – Méo dạng sóng hài tổng
UPF - Unity power factor – Hệ số công suất đơn vị
VSI - Voltage source inverter - Bộ nghịch lưu nguồn điện áp
w.r.t. - with respect to
WRIG - Wound rotor induction generator – Máy phát cảm ứng rôto dây quấn
WECS - Wind energy conversion systems – Hệ thống biến đổi năng lượng gió
A - Area swept by the turbine rotor blades – Vùng quét bởi cánh rôto tuabin
J - Inertia – Lực qn tính
P - Active power – Cơng suất tác dụng
R - Turbine radius – Bán kính tuabin
p - Number of generator pole – Số cực máy phát

CG - Torque coefficient – Hệ số mômen
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 21 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

iSd , iSq - Stator current (d,q) – dòng stato (d,q)
iRd , iRq - Rotor current (d,q) – dịng rơto (d,q)

Lm - Mutual inductance – Cảm ứng tương hỗ
LS , LR - Stator and rotor inductances – Cảm ứng stato và rôto
Pt - Rotor mechanical power – Công suất cơ rôto
RS , RR - Stator and rotor resistances – Điện trở stato và rôto
VSd ,VSq - Stator voltage (d,q) – Điện áp stato (d,q)
VRd ,VRq - Rotor voltage (d,q) – Điện áp rôto (d,q)

Vw - Wind speed at the turbine rotor blades – Vận tốc gió ở cánh rơto tuabin

h - Efficiency of the gear – Hiệu suất của hộp số
Gt - Turbine torque – Mômen tuabin
G G - Electromagnetic torque – Mômen điện từ

l - Tip speed ratio – Tỷ lệ tốc độ đỉnh
Wl - Rotor rotational speed – Tốc độ quay rôto

wS - Stator field frequency – Tần số stato
F Rd , F Rq - Rotor flux (d,q) – Từ thông rôto (d,q)

r - Air density – Mật độ không khí
q - Phase shift between the C p and the l - Độ lệch pha giữa C p và l

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 22 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng


Luận văn cao học: Tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió dùng điều khiển mờ thích
nghi

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.

Ơn lại hệ thống biến đổi năng lượng gió

Hệ thống biến đổi năng lượng gió (WECS) đã thiết lập một xu thế chủ đạo của kỹ
thuật năng lượng, đó chính là một nghiên cứu lớn nhất. Kỹ thuật năng lượng gió đã
được phát triển từ 25 năm trước. Hai thập niên qua kỹ thuật này đã phát triển là kết
quả của sự phát triển các kiểu tuabin gió và nhiều trạm năng lượng gió được lắp đặt,
trong đó nổi bật là khả năng mơđun hóa và tốc độ cài đặt nhanh. Một tuabin gió đơn

giản có thể sản xuất nhiều hơn 200 lần năng lượng với mức chi phí tương đương so
với hai thập niên trước [1]. Hệ thống biến đổi năng lượng gió cơng suất thấp đã khơng
cịn quan trọng, ngày nay máy phát gió trên các hịn đảo, hệ thống microgrid hỗn hợp,
phân phối sản xuất năng lượng đã có tầm quan trọng rất lớn. Với thời đại hiện nay, hệ
thống biến đổi năng lượng gió vẫn đang là xu thế phát triển tiềm năng rất quan trọng.
Hình 1.1 và bảng 1.1 chỉ ra dung lượng năng lượng gió tích lũy tồn cầu. Dữ liệu
này dựa vào báo cáo của dự án năng lượng thế giới năm 2009, là kết quả báo cáo từ
cơ quan năng lượng quốc tế (IEA). Dự án này phát triển tất cả nguồn năng lượng tái
tạo bao gồm năng lượng gió đến năm 2030. Tất cả chính sách được đánh giá này
nhằm để hổ trợ cho nguồn năng lượng tái tạo nằm trong kế hoạch phát triển của tồn
thế giới.

Hình 1.1: Dung lượng năng lượng gió tích lũy tồn cầu
GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
- TS. Hồ Phạm Huy Ánh

- 23 -

HVTH: Nguyễn Chí Cơng