Thuật toán truy xuất điểm công suất cực đại sử dụng phần mềm eureqa cho turbine gió dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ QUỐC THẮNG

THUẬT TỐN TRUY XUẤT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC
ĐẠI SỬ DỤNG PHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE
GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
TỪ TRƢỜNG VĨNH CỬU

Chuyên ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số:

60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

HỒ QUỐC THẮNG

THUẬT TỐN TRUY XUẤT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC
ĐẠI SỬ DỤNG PHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE
GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
TỪ TRƢỜNG VĨNH CỬU
Chuyên ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số:

60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI

TP. HỒ CHÍ MINH – 2018
i


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Phúc Khải

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Hồng Minh Trí

Cán bộ chấm nhận xét 2 : Tiến sĩ Đinh Hoàng Bách

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày . . .14. . tháng . . 07. . năm . . 2018. . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ
2. TS. Hồng Minh Trí
3. TS. Đinh Hồng Bách
4. PGS. TS. Hồ Phạm Huy Ánh
5. TS. Huỳnh Quốc Việt
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ….HỒ QUỐC THẮNG .......................... MSHV:…7140432
Ngày, tháng, năm sinh: ……04/10/1984 .......................... Nơi sinh: Bình Định
Chuyên ngành: ….Kỹ Thuật Điện ............................ Mã số : …60520202 .......
I. TÊN ĐỀ TÀI:

THUẬT TOÁN TRUY XUẤT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI SỬ DỤNG
PHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐỒNG
BỘ TỪ TRƢỜNG VĨNH CỬU

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hệ thống năng lƣợng gió: Turbine gió, Máy phát, Bộ biến
đổi cơng suất.
- Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió: PMSG, DFIG,
SCIG.
- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió PMSG.
- Đề xuất giải thuật mới cho giải thuật MPPT.
- Mô phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên MATLAB.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: Tiến Sĩ Nguyễn Phúc Khải

Tp. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA

iii


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Phúc
Khải, ngƣời đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn
thành đề tài này. Xin gởi lời tri ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã
dành cho tôi. Cảm ơn Thầy.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cơ trong bộ
môn khoa Điện-Điện tử Trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt thầy

Huỳnh Quang Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng nhƣ
tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong suốt q trình học tập nghiên
cứu và cho đến khi tôi thực hiện đề tài này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2018

.

Học viên

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong xu hƣớng phát triển năng lƣợng gió, nhiều vấn đề liên quan để cải
thiện hiệu suất tuabin đã đƣợc nghiên cứu. Từ những cải tiến trong việc thiết
kế cánh, số lƣợng cánh đến khí động học trong thiết kế nhằm làm thiết kế
mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Ngoài ra, để giải quyết những bất thƣờng liên quan
đến gió, nhiều hệ thống điều khiển đã đƣợc thiết kế để hệ thống thích nghi,
đạt đƣợc cơng suất tối đa khi tốc độ gió thay đổi.
Để cải thiện hiệu suất thu năng lƣợng của tuabin gió, nhiều giải thuật dị
tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) đã đƣợc phát triển. Trong đề tài này, tác
giả trình bày giải thuật MPPT mới dựa trên tính tốn giá trị tối ƣu chu kỳ
nhiệm vụ (duty cycle) tác động đến bộ chuyển đổi. Một mơ hình tốn học của
hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió (WECS) liên quan đến chu kỳ nhiệm vụ
và tốc độ gió sẽ đƣợc xây dựng. Công suất ngõ ra của hệ thống cùng giá trị
chu kỳ nhiệm vụ tƣơng ứng sẽ đƣợc mô phỏng và quan sát khi tốc độ gió thay
đổi.
Trên cơ sở các vấn đề đặt ra, luận văn có nội dung cụ thể nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống năng lƣợng gió.
Chƣơng 2: Tìm hiểu về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió.

Chƣơng 3: Tìm hiểu về giải thuật điều khiển MPPT và đề xuất giải thuật
mới.
Chƣơng 4: Ttrình bày kết quả mơ phỏng và phân tích.
Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài.

ii


ABSTRACT
In the growthing trends of wind energy, many research activities concern
wind turbine efficiency improved. From improvement of blade design,
number of blades that is most suitable and aerodynamics of design to make
the design more strong and efficient. Besides, many control systems have
been developing to ensure the extraction of maxium power point during wind
speed variations.
To keep the output power at its maxium value irresective of any sudden
change in wind speed, many MPPT algorithms are implemented. This thesis
present a novel algorithm based on optimization of converter duty cycle
values. A mathematical model which relates the optimal duty cycle according
to wind speed will be build. Output power and corresponding optimal duty
cycle will be simulating and observe.
The contents are as follows:
Chapter 1: Overview of Wind energy system.
Chapter 2: Researching of Wind energy conversation system.
Chapter 3: Researching of MPPT algorithms and propose a novel
algorithm.
Chapter 4: Present Result of simulation and Analysing.
Chapter 5: Conclusion

iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Thuật tốn truy xuất
điểm cơng suất cực đại cho hệ thống turbine gió sử dụng máy phát đồng
bộ từ trƣờng vĩnh cửu” là cơng trình nghiên cứu của chính bản thân tơi, dƣới
sự hƣớng dẫn của Tiến Sĩ Nguyễn Phúc Khải, các số liệu và kết quả thực
nghiệm hồn tồn trung thực. Tơi cam đoan khơng sao chép bất kỳ cơng trình
khoa học nào của ngƣời khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.

Học viên cao học

iv


MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ iv
MỤC LỤC ......................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ....................................................................... ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ x
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU.................................................................................. 1
1.1. Giới thiệu: ............................................................................................. 1
1.2. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu: ................................................ 3
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ ............... 4
2.1. Turbine gió : ......................................................................................... 5
2.2. Máy phát: ............................................................................................ 11
2.3. Bộ biến đổi công suất sử dụng cho PMSG:........................................ 19

CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO HỆ THỐNG
TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG........................................... 25
3.1. Kỹ thuật điều khiển tốc độ đầu cánh (TSR): ...................................... 26
3.2. Thuật toán dựa trên mối quan hệ tối ƣu (ORB): ................................ 26
3.3. Giải thuật HCS: .................................................................................. 29
3.4. Phƣơng pháp MPPT kết hợp (Hybrid MPPT): ................................... 31
3.5. Phƣơng pháp điều khiển thông minh khác: ........................................ 34
3.6. Kỹ thuật MPPT mới sử dụng phần mềm Eureqa: .............................. 35
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN NỀN
MATLAB/SIMULINK ................................................................................... 52
4.1. Xây dựng mơ hình tốn học sử dụng phần mềm Eureqa: .................. 52
4.2. Sơ đồ mô phỏng:................................................................................. 52
4.3. Kết quả mô phỏng và so sánh:............................................................ 57
v


CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............... 66
5.1. Kết luận: ............................................................................................. 66
5.2. Hƣớng phát triển đề tài: ...................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 68

vi


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Sự phát triển hệ thống tuabin gió ............................................................... 1
Hình 2.1. Mơ hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió hịa lƣới ............................ 4
Hình 2.2. Tuabin gió trục ngang hoạt động theo hƣớng gió hoặc ngƣợc hƣớng gió
và tuabin gió trục đứng hoạt động ở mọi hƣớng gió. .................................................. 5
Hình 2.3. Khối khí m qua diện tích A với tốc độ vw ................................................. 7

Hình 2.4. Đồ thị minh họa P-Vwind............................................................................. 8
Hình 2.5. Vận tốc gió trƣớc và sau khi qua turbine ................................................... 9
Hình 2.6. Hệ số công suất nhƣ hàm của tỷ số đầu cánh .......................................... 11
Hình 2.7. Mơ hình máy phát SCIG kết nối lƣới ...................................................... 13
Hình 2.8. Cấu hình WRIG sử dụng máy phát OSIG. .............................................. 15
Hình 2.9. Cấu hình máy phát WRIG sử dụng DFIG ............................................... 16
Hình 2.10. Mơ hình sử dụng máy phát điện đồng bộ có hoặc khơng có hộp số ....... 17
Hình 2.11. Nguyên lý kết nối PMSG với tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng bộ
chuyển đổi full-scale. ................................................................................................ 18
Hình 2.12. Các mơ hình PMSG sử dụng với bộ chuyển đổi chỉnh lƣu diode ........... 20
Hình 2.13. Hệ thống tuabin gió dùng bộ nghịch lƣu sử dụng Thysistor cùng bộ tụ bù
cơng suất phản kháng. ............................................................................................... 21
Hình 2.14. Hệ thống tuabin gió dùng bộ nghịch lƣu sử dụng kỹ thuật chuyển mạch
cứng.
................................................................................................................. 22
Hình 2.15. Hệ thống tuabin gió sử dụng bộ chuyển đổi PWM back-to-back. .......... 23
Hình 3.1. Phân loại các giải thuật MPPT ................................................................ 25
Hình 3.2. Nguyên lý điều khiển TSR (Tip Speed Ratio). ........................................ 26
Hình 3.3. Phƣơng pháp momen xoắn tối ƣu. ........................................................... 27
Hình 3.4. Phƣơng pháp tiếp cận dựa trên phản hồi công suất (PSF) ....................... 28
Hình 3.5. Lƣu đồ giải thuật P&O ............................................................................ 30
Hình 3.6. Lƣu đồ giải thuật P&O cải tiến ................................................................ 31
Hình 3.7. Giải thuật MPPT sử dụng phƣơng pháp P&O kết hợp phƣơng pháp ORB
................................................................................................................. 33
Hình 3.8. Lƣu đồ giải thuật MPPT sử dụng phần mềm Eureqa .............................. 37
vii


Hình 3.9. Biến đổi máy phát điện cực lồi hệ trục abc sang dq. ............................... 39
Hình 3.10. Mạch tƣơng đƣơng PMSG trên hệ trục dq .............................................. 41

Hình 3.11. Đặc tính cơng suất, tốc độ đối với các tốc độ gió khác nhau .................. 41
Hình 3.12. Bộ chỉnh lƣu cầu 3 pha ............................................................................ 42
Hình 3.13. Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC ................................................................ 43
Hình 3.14. Kết quả P5 = f(D) từ phần mềm Eureqa................................................... 48
Hình 3.15. Kết quả P6 = f(D) từ phần mềm Eureqa................................................... 49
Hình 3.16. Kết quả P7 = f(D) từ phần mềm Eureqa................................................... 50
Hình 3.17. Kết quả P8 = f(D) từ phần mềm Eureqa................................................... 50
Hình 4.1. Mơ hình mơ phỏng hệ thống cho từng tốc độ gió theo duty cycle. ......... 52
Hình 4.2. Sơ đồ các khối mơ phỏng giải hệ thống turbine gió PMSG .................... 53
Hình 4.3. Khối thay đổi tốc độ gió .......................................................................... 53
Hình 4.4. Turbine gió............................................................................................... 54
Hình 4.5. Máy phát PMSG ...................................................................................... 55
Hình 4.6. Khối cơng suất ......................................................................................... 55
Hình 4.7. Cấu hình bộ Boost ................................................................................... 56
Hình 4.8. Khối điều khiển MPPT ............................................................................ 56
Hình 4.9. Đồ thị thay đổi tốc độ gió khảo sát. ......................................................... 57
Hình 4.10. Đƣờng cong Pm-ω .................................................................................... 58
Hình 4.11. So sánh đặc tính công suất giữa giải thuật mới, P&O truyền thống và
P&O cải tiến. ............................................................................................................. 59
Hình 4.12. Đƣờng cơng suất tại tốc độ gió 8m/s ....................................................... 60
Hình 4.13. Đƣờng cơng suất tại tốc độ gió 5m/s ....................................................... 60
Hình 4.14. Đáp ứng moment của hệ thống ................................................................ 61
Hình 4.15. Đặc tính điện áp phát ra và tốc độ rotor .................................................. 62
Hình 4.16. Đồ thị Duty cycle ..................................................................................... 63
Hình 4.17. Đồ thị tốc độ gió bất kì thay đổi theo thời gian. ...................................... 64
Hình 4.18. Đặc tính cơng suất trong trƣờng hợp gió thay đổi bất kì ......................... 65
Hình 4.19. Đặc tính đáp ứng moment khi gió thay đổi bất kì ................................... 65

viii

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1. Bảng so sánh các giải thuật MPPT ...................................................... 35
Bảng 3.2. Bảng tổng hợp công suất đầu ra theo tốc độ gió và duty cycle........ 44
Bảng 3.3. Bảng giá trị duty cycle tối ƣu và cơng suất tối đa theo tốc độ gió ......... 51

ix


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

DC

Direct Current

FOC

Field Oriented Control

HAWT

Horizontal Axis Wind Turbine

IG

Inductiono Generator

KWh

Kilo Watt Hour

MPPT

Maximum Power Point Tracking

PI

Proportional-Integral Controller

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Generator

PWM

Pulse Width Modulation

PV

Photo Voltaic

TSR

Tip Speed Ratio

WECS

Wind Energy Conversion System

DFIG

Doubly Fed Induction Generators

DPC

Direct Power Control

DPGS

Distributed Power Generator Systems

DSP

Digital Signal Processor

SCIG

Squirrel-Cage Induction Genrators

FSWS

Fixed Speed Wind System

VSWS

Variable Speed Wind System

x


CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Giới thiệu:

Đƣợc xem nhƣ giải pháp trong việc giảm tác động đến biến đổi khí hậu, năng
lƣợng gió – nguồn năng lƣợng tái tạo và khơng gây ô nhiễm vì không cần
nhiên liệu, không tạo ra độc hại hoặc chất thải phóng xạ [1] - đƣợc đánh giá là
nguồn năng lƣợng tái tạo đầy hứa hẹn và phát triển trong tƣơng lai, đƣợc thể
hiện nhƣ hình 1.1[2].

Hình 1.1.

Sự phát triển hệ thống tuabin gió

Theo thành phần và theo sự thay đổi tốc độ gió, chúng ta có hệ thống gió năng
lƣợng gió tốc độ cố định (FSWS) và hệ thống năng lƣợng gió tốc độ thay đổi
(VSWS) [3]. FSWS có ƣu điểm giá thành thấp và khơng yêu cầu sử dụng bộ
chuyển đổi công suất. Tuy nhiên, hệ thống có nhƣợc điểm trong việc phải bảo
trì hộp số thƣờng xuyên, đặc biệt không tối ƣu đƣợc công suất [4]. Hệ thống
VSWS có nhiều ƣu điểm khi hoạt động trên tồn bộ phạm vi tốc độ, khơng
u cầu sử dụng hộp số, khả năng kết nối mạng dễ dàng và dễ quản lý. Tuy
nhiên, hệ thống cũng có nhƣợc điểm khi khối lƣợng và chi phí lắp đặt cao
[3,4].
1

Có một vài máy phát sử dụng cho hệ thống năng lƣợng gió, nhƣ: máy phát
đồng bộ từ trƣờng nam châm vĩnh cửu (PMSG) và máy phát điện gió cảm ứng
kích từ kép (DFIG) [5]. PMSG có một số ƣu điểm nhƣ khơng có hộp số, phí
bảo trì thấp và dễ điều khiển [5,6].
Trong những thập kỷ qua, công nghệ chuyển đổi năng lƣợng gió đã phát triển
nhanh chóng, có nhiều thực nghiệm và tối ƣu hóa cơng nghệ này. Các thuật
toán MPPT cũng đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu ngày càng phát triển, nâng
cao hiệu suất chuyển đổi với giá trị thấp. Điều rất quan trọng đối với những
kỹ thuật này nhằm đáp ứng các yêu cầu của bất kỳ hệ thống năng lƣợng gió
độc lập nào.
Gần đây, nhiều kỹ thuật MPPT mới đã đƣợc đề xuất và sửa đổi để đáp ứng
những yêu cầu của ngành công nghiệp gió và có thể ứng dụng cho bất kỳ hệ
thống WECS nào. Các kỹ thuật này sẽ khác nhau ở nhiều khía cạnh nhƣ độ
phức tạp, tốc độ theo dõi, độ khó thực hiện cũng nhƣ phần cứng và phần mềm
liên quan.
Các kỹ thuật sử dụng gần đây nhất để đạt MPPT bao gồm thuật toán nhiễu
loạn và giám sát (P&0) [7, 8] và điện dẫn gia tăng (INC) [9] đã đƣợc sử dụng
rộng rãi trong lĩnh vực này. Các kỹ thuật thông minh nhƣ Partical Swarm
Optimization (PSO) [10], Logic mờ [11, 12] và mạng nơ ron nhân tạo (ANN)
[13] cũng đƣợc sử dụng để tìm kiếm MPP cho hệ thống WECS.
Hơn nữa, các phƣơng pháp kết hợp nhƣ P&O và INC đƣợc trình bày ở [14].
Trong [15], kỹ thuật kết hợp khác đƣợc sử dụng gồm ANN và thuật toán di
truyền. Những kỹ thuật khác nhƣ hỗ trợ hồi quy vector (SVR) [16] và điều
khiển chế độ trƣợt (SMC) [17] cũng đã đƣợc thực hiện.
Trong luận văn này, một phƣơng pháp điều khiển mới dựa trên mối quan hệ
giữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ tối ƣu (optimal duty cycle) đƣợc đề xuất.
2


Sử dụng phần mềm Eureqa [18] để xây dựng chính xác mơ hình tốn học và

mơ hình đƣợc mơ phỏng thông qua MATLAB/ SIMULINK.
1.2.

Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu:

Mục tiêu hƣớng đến của đề tài là đề xuất giải thuật mới MPPT cho hệ thống
turbine gió sử dụng máy phát PMSG. Để hoàn thành đƣợc yêu cầu này, đề tài
tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:
- Tìm hiểu hệ thống phát điện gió bao gồm: Turbine gió, máy phát và bộ
biến đổi công suất.
- Các phƣơng pháp điều khiển trong hệ thống năng lƣợng gió
- Phƣơng pháp trích xuất cơng suất cực đại từ turbine gió.
Đề tài sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết các vấn đề liên quan, sau đó
đƣa ra giải thuật và kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng mơ phỏng
trên phần mềm MATLAB.

3


CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG
LƢỢNG GIĨ
Năng lƣợng gió là một trong những nguồn năng lƣợng thay thế tiềm năng cho
tƣơng lai, để giải quyết cuộc khủng hoảng năng lƣợng mà chúng ta đang phải
đối mặt. Chuyển đổi năng lƣợng gió là một q trình phức tạp. Từ sự chuyển
động của dịng khí quyển, các cánh của turbine gió nhận năng lƣợng sau đó
chuyển thành năng lƣợng quay của rotor máy phát điện để chuyển thành năng
lƣợng điện. Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió
cơ bản bao gồm: một turbine gió, một máy phát điện, các bộ phận kết nối và
điều khiển hệ thống (hình 2.1) [19].

Hình 2.1.

Mơ hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hịa lưới

Tuabin gió có tốc độ thay đổi (VSWTs) đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống
điện và hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió. Hệ thống VSWT thƣờng sử
dụng máy phát cảm ứng kích từ kép (DFIG) hoặc máy phát đồng bộ từ trƣờng
nam châm vĩnh cửu (PMSG) [20-22]. Hiện tại, do cấu trúc đơn giản, chi phí
bảo dƣỡng thấp, khả năng và hoạt động của MPPT ở hệ số công suất cao, việc
sử dụng các WT dựa trên PMSG đã thu hút sự quan tâm [23-27]. Thơng
thƣờng hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió với PMSG đƣợc kết nối vào lƣới
thông qua bộ chuyển đổi AC-DC và DC-AC, đƣợc gọi nhƣ bộ chuyển đổi
phía cơ (MSC) và chuyển đổi phía lƣới (GSC) [28]. MSC có thể là bộ điều
chế độ rộng xung (PWM), bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC) hoặc bộ chỉnh lƣu
4


cầu diode kèm bộ chuyển đổi tăng áp. Trong khi GSC thƣờng là bộ chuyển
đồi nguồn áp VSC.
Chƣơng này sẽ tìm hiểu về các thành phần cơ bản của turbine gió và các kỹ
thuật điều khiển turbine gió.
2.1. Turbine gió :
Tuabin gió là thiết bị cơ khí đƣợc thiết kế đặc biệt để chuyển đổi một phần
động năng của gió thành năng lƣợng cơ hữu ích. Một số thiết kế đã đƣợc phát
triển, tuy nhiên hầu hết chúng bao gồm một Rotor quay tròn bằng lực nâng
hoặc lực kéo. Tùy thuộc vào vị trí của rotor, tuabin gió đƣợc phân loại thành
trục đứng hoặc trục ngang.
Hầu hết tuabin gió đều là trục ngang (HAWT) hoạt động theo hƣớng gió hoặc
ngƣợc hƣớng gió, một số loại có cánh quay xung quanh trục đứng (hình 2.2)
[29]

Hình 2.2.

Tuabin gió trục ngang hoạt động theo hướng gió hoặc ngược
hướng gió và tuabin gió trục đứng hoạt động ở mọi hướng gió.

Tuabin gió trục thẳng đứng thành cơng nhất là rotor Darrieus đƣợc minh họa
hình 2.2c. Tính năng hấp dẫn loại tuabin này là các thiết bị phát và truyền dẫn
đƣợc đặt ở mặt đất, có thể bắt gió ở bất kỳ hƣớng nào mà không cần bộ định
5


hƣớng gió. Tuy nhiên rotor chặn gió có ít năng lƣợng hơn. Hơn nữa, mặc dù
máy phát và truyền dẫn ở mặt đất, bảo trì khơng đơn giản vì nó thƣờng yêu
cầu loại bỏ rotor. Gió ở gần bề mặt đất không chỉ chậm hơn mà cũng hỗn loạn
hơn, làm tăng áp lực lên VAWT. Cuối cùng, khi gió có tốc độ thấp cánh quạt
Darrieus có momen khởi động rất nhỏ, khi gió có tốc độ cao hơn, cơng suất
đầu ra phải đƣợc kiểm soát để bảo vệ máy phát điện, chúng không thể thực
hiện đƣợc dễ dàng nhƣ HAWT.
Trong khi hầu nhƣ tất cả các tuabin gió đều thuộc loại trục ngang, thì vẫn cịn
một số tranh cãi về tuabin gió hoạt động theo hƣớng gió hay ngƣợc hƣớng gió
tốt hơn.
Tuabine gió hoạt động theo hƣớng gió (downwind HAWT) có lợi thế để gió
tự điều khiển bộ định hƣớng, tự chuyển động trái – phải chính xác theo hƣớng
gió. Tuy nhiên chúng lại có vấn đề với hiệu ứng đổ bóng gió của tháp. Dƣới
tác động của gió, mỗi lần cánh quay phía sau tháp, nó gặp khoảng thời gian
ngắn giảm gió, làm cánh uốn cong, làm tăng tiếng ồn của cánh và giảm cơng
suất đầu ra.
Các tuabin gió hoạt động ngƣợc hƣớng gió (upwind HAWT) u cầu kiểm
sốt hơi phức tạp hơn khi bổ sung các hệ thống điều khiển giữ cho cánh quay

đón hƣớng gió. Tuy nhiên, tuabin hoạt động trơn tru và công suất thu đƣợc tối
đa. Hầu hết các tuabin gió hiện đại đều thuộc loại này.
Một yếu tố khác liên quan hiệu suất tuabin gió là số cánh quạt đƣợc thiết kế.
Tuabin gió thiết kế nhiều cánh hoạt động tốc độ quay thấp hơn nhiều so với
loại có số cánh ít hơn. Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, sự bất ổn cánh
quạt trƣớc ảnh hƣởng đến hiệu suất cánh quạt sau. Trục quay nhanh hơn, cũng
có thể máy phát có kích thƣớc nhỏ hơn về mặt vật lý. Tuabin 3 cánh cho thấy
hoạt động mƣợt hơn và chuyển động rotor chuyển đến trục đều hơn.
6


Mơ hình tốn turbine gió:
Xét khối khí với khối lƣợng m (kg), di chuyển với một tốc độ gió vw (m/s)
(hình 2.3). Giả sử rằng tất cả các hạt khơng khí di chuyển với cùng tốc độ và
hƣớng đến chạm vào cánh của trubine.

Hình 2.3.

Khối khí m qua diện tích A với tốc độ vw

Động năng E đƣợc tính bởi cơng thức sau:

1
E  .m.vw2
2

(2.1)

Khối lƣợng của khối khơng khí chuyển động trong khoảng thời gian t đƣợc
tính nhƣ sau:

m  . A.vw .t  . .R 2 .vw .t

(2.2)

Trong đó ρ (kg/m3) là mật độ khơng khí, A (m2) là diện tích mà khối khơng
khí qt qua turbine gió, R (m) là bán kính của cánh turbine.
Thế (2.2) vào (2.1) Cơng thức tính động năng của khối khí:

1
E  . . .R 2 .vw3 .t
2

(2.3)

Từ (2.3) Công suất của gió truyền tới turbine:
7


Pwind

E 1
   R 2vw3
t 2

(2.4)

Từ công thức (2.4) có thể nhận thấy rằng cơng suất gió tỉ lệ thuận với lập
phƣơng của vận tốc gió. Điều này có nghĩa là chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của
tốc độ gió cũng ảnh hƣởng lớn đến cơng suất đầu ra. Đồ thì biểu diễn quan hệ

giữa Pwind – vwind đƣợc minh họa nhƣ hình 2.4 [29].

Hình 2.4.

Đồ thị minh họa P-Vwind

8


Trong cơng thức (2.4), cơng suất gió cũng tỷ lệ với bình phƣơng đƣờng kính
cánh tuabin.
Tuy nhiên, theo cơng thức (2.4) cơng suất lớn nhất khi khối khí chảy qua tồn
bộ diện tích của turbine với bán kính R. Thực tế, chỉ có một phần cơng suất
này đƣợc thu bởi turbine gió. Năm 1919 nhà khoa học ngƣời Đức Albert Betz
mơ tả chuyển động của các khối khí khi qua turbine. Theo Betz thì sau khi tác
động vào các cánh quạt, vận tốc gió sẽ giảm (hình 2.5), có nghĩa là khi qua
turbine, vẫn còn động năng trong các hạt của khối khí.

Hình 2.5.

Vận tốc gió trước và sau khi qua turbine

Mối liên hệ giữa năng lƣợng thu đƣợc bởi turbine gió và năng lƣợng của gió
đƣợc biểu diễn bởi hệ số Cp gọi là hệ số công suất:

9


Cp 

(2.5)

PTurbine
Pwind

Hệ số Cp đƣợc tính theo biểu thức (2.6) [6]:
(

)

(2.6)

Trong đó:

A

1
0.035

  0.08 1   3

Và Tỷ số tốc độ đầu cánh

(2.7)

đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ góc đầu cánh

với tốc độ gió



.R

(2.8)

vw

Với: β là góc cánh của turbine đƣợc minh họa ở hình 2.5;
ωm là tốc độ góc của rotor máy phát.
Mối quan hệ giữa hệ số công suất và tỷ số đầu cánh đƣợc thể hiện nhƣ hình
2.5 [30]

10


Hình 2.6.

Hệ số cơng suất như hàm của tỷ số đầu cánh

Hình 2.6 cho thấy đƣờng cong hệ số cơng suất của một tuabin gió (Cp) khác
nhau cho các giá trị TSR khác nhau. Hệ số công suất của tuabin gió cho giá trị
TSR tối ƣu là tối đa và bằng 0.48 góc cánh bằng 0.
2.2. Máy phát:
Về cơ bản, một tuabin gió có thể đƣợc trang bị bất kỳ loại máy phát điện ba
pha nào. Ngày nay, để đáp ứng u cầu dịng điện phải tƣơng thích khi kết nối
lƣới, có thể sử dụng kết nối qua bộ chuyển đổi tần số, ngay cả khi máy phát
cấp dòng điện xoay chiều (AC) tần số thay đổi hoặc dòng điện trực tiếp (DC).
Một số loại máy phát điện chung có thể đƣợc sử dụng trong tuabin gió [31]:

11