NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN
THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
RESEARCH ENERGY CONVERSION SYSTEM FROM WAVE
ENERGY TO ELICTRICAL ENERGY
Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, Huỳnh Châu Duy*
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM
* Trường ĐH Bách khoa TP. HCM
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
TÓM TẮT
Bài báo này giới thiệu các nghiên cứu của các bộ biến đổi năng lượng sóng biển như bộ biến
đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS) và bộ biến đổi năng lượng sóng biển
Wave Dragon (WD). Bên cạnh đó, các nghiên cứu, phân tích và mô phỏng kỹ thuật điều khiển công
suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng được giới thiệu trong bài báo. Các kết quả mô phỏng bằng phần
mềm Simulink/Matlab cho thấy tính hiệu quả của các bộ điều khiển mà đã được áp dụng cho máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển.
ABSTRACT
This paper presents a study of wave energy converters such as Aschimedes Wave Swing
(AWS) and Wave Dragon (WD). Additionally, the issue of active and reactive power control of wave
energy converters using synchronous permanent magnet generator (PMSG) are also researched,
analyzed and simulated in the paper. The simulation results by Simulink/Matlab show the
effectiveness of the controllers that has been applied to wave energy conversion systems using PMSG.
Từ khóa: wave energy converters; Aschimedes Wave Swing; Wave Dragon; synchronous
permanent magnet generator; active and reactive power control
1. GIỚI THIỆU
Với vị trí địa lý, khí hậu thuận lợi thì đất nước
Việt Nam được xem là một trong những nước
có 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 và địa nhiệt . . . Các nguồn năng
lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều
vùng sinh thái. Trước 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. Trong khi đó,
nước ta nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào.
Nước ta là nước có bờ biển rất dài, dài đến 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, 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 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. So với các nguồn năng lượng tái tạo
khác, thì năng lượng sóng biển có mức đầu tư ít
hơn, 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 cao.
Hoặc nói một cách đơn giản: trong số các
nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sóng biển
chưa được tận dụng nhiều, mặc dù người ta đều
biết hiệu suất chuyển hóa thành điện của nguồn
năng lượng này là cao nhất. Năng lượng điện từ
sóng biển đã được thử nghiệm nhiều năm qua
nhưng vẫn chưa đạt được thành công. Đến nay,
khi khoa học công nghệ phát triển và thế giới
đang phải đối mặt với những hậu quả nghiêm
trọng do vấn đề biến đổi khí hậu gây ra thì các
nhà khoa học tin tưởng rằng có thể chuyển hóa
năng lượng của sóng thành năng lượng điện
nhờ các bộ chuyển đổi năng lượng. Với các
phân tích và đánh giá mà đã được trình bày, bài
báo này trình bày các nghiên cứu bao gồm:
- Nghiên cứu và phân tích cho 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 (WD).
- Nghiên cứu và phân tích kỹ thuật điều khiển
công suất tác dụng và công suất phản kháng
cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và
công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng
lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng
bộ nam châm vĩnh cửu bằng phần mềm
Simulink/Matlab.
2. BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
BIỂN CHÌM ASCHIMEDES WAVE
SWING
Sóng biển và độ dao động của từng cơn sóng
biển là không ổn định. Sóng biển lúc cao, lúc
thấp, lúc mạnh, lúc yếu. Chu kỳ và khoảng
cách giữa 2 làn sóng biển cũng khó xác định.
Mực nước biển lên cao, xuống thấp theo thủy
triều. Khi có bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng
biển thường liên tục mạnh trong nhiều ngày.
Nhưng việc tạo ra điện năng từ các bộ biến đổi
năng lượng sóng biển là đòi hỏi phải ổn định,
liên tục và lâu dài. Chính vì vậy, việc phân tích
bộ biến đổi năng lượng sóng biển cần phải
được thực hiện với các thông số kỹ thuật để từ
đó có thể lựa chọn các giải pháp phục vụ cho
việc điều khiển các bộ biến đổi năng lượng
sóng biển hoạt động tốt đáp ứng được các điều
kiện sóng biển tạo ra. Chương này sẽ thực hiện
phân tích một trong các bộ biến đổi năng lượng
sóng biển. Đó là bộ biến đổi năng lượng sóng
biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS).
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS
là một hệ thống bao gồm: Một khối hình trụ
rỗng được lấp đầy khí, gắn cố định dưới đáy
biển và một phao di chuyển theo chiều dọc. Khi
sóng ở trên AWS, khối lượng AWS giảm do áp
lực nước cao và khi vùng lõm sóng ở trên
AWS, khối lượng AWS gia tăng vì áp lực khí
bên trong. AWS là hệ thống chuyển đổi năng
lượng sóng duy nhất được nhấn chìm hoàn
toàn. Đây là điểm quan trọng, vì điều này làm
cho hệ thống ít bị tấn công trong những cơn
bão. Hệ thống AWS sử dụng máy phát điện
nam châm vĩnh cửu tuyến tính để biến đổi năng
lượng sóng biển thành năng lượng điện.
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của hệ
thống AWS
* Mô hình toán học cho sự chuyển động của
hệ thống AWS
- Trong điều kiện sóng dao động bình
thường
v
dt
dx (1)
xkvv
dt
dv
mF swgtotsong
(2)
Trong đó:
x: là khoảng cách di chuyển của phao và bộ
phận chuyển đổi
v: là tốc độ di chuyển của phao và bộ phận
chuyển đổi
mtot: là tổng khối lượng của phao
βg: là hệ số sụt giảm của AWS
w: là hệ số thủy lực của AWS
ks: là hệ số đàn hồi của AWS
Fsong: là tổng lực tác động lên nắp có được từ
sóng biển
- Trong điều kiện sóng dao động bất thường
)sin()sin( 2211
tFtFFsóng (3)
Thế (3) và (2), khi ấy:
)sin()sin( 2211
tFtF
xk
dt
dv
mswgtot (4)
* Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến
tính trong hệ thống AWS
- Cấu tạo
Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính
có cấu tạo bao gồm: phần chuyển đổi với các
nam châm được lắp vào các cực chuyển đổi. Bộ
phận chuyển đổi di chuyển tuyến tính.
Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính
với stator là phần tĩnh chứa các cuộn dây dẫn,
cuộn dây phần ứng. Giữa bộ phận chuyển đổi
và stator là khoảng trống không khí. Điện thế
được cảm ứng trong các cuộn dây vì từ trường
thay đổi do bộ chuyển đổi chuyển động.
- Nguyên lý hoạt động của máy phát nam
châm vĩnh cửu tuyến tính
Khi nam châm vĩnh cửu trên bộ chuyển đổi di
chuyển tương đối với stator thì một lực điện
động EMF được cảm ứng trong cuộn dây phần
ứng. Lực điện động EMF sẽ được tạo ra, nếu
cuộn dây phần ứng được nối với tải thì sẽ điều
khiển dòng điện trong cuộn dây phần ứng.
Dòng điện này lần lượt tạo ra từ thông tương
tác với từ thông của nam châm vĩnh cửu và tạo
ra một lực trong phần chuyển đổi. Cơ năng
được điều chỉnh bởi bộ phận chuyển đổi, có thể
được chuyển đổi thành điện năng.
Vì chuyển động của phao là tuyến tính, nên
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
tuyến tính được chọn lựa để chuyển đổi năng
lượng sóng biển thành năng lượng điện.
Sự chọn lựa này là vì máy phát đồng bộ nam
châm vĩnh cửu tuyến tính là máy phát có chi
phí và tổn thất là thấp nhất. Bên cạnh đó, tỷ
trọng và hiệu suất cao được xem là phù hợp với
AWS.
Hình 2. Cấu tạo máy phát tuyến tính
3. BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG
BIỂN WAVE DRAGON
Wave Dragon là một bộ chuyển đổi năng lượng
sóng biển thành năng lượng điện nổi và được
neo. Nó thuộc loại đập tràn mà có thể được sử
dụng đơn lẻ hoặc được kết hợp để hình thành
một nhà máy điện với công suất tương đương
với các nhà máy điện truyền thống dựa trên các
nguồn nhiên liệu hóa thạch. Hệ thống đầu tiên
được kết nối với lưới điện hiện đang được triển
khai ở Nissum Bredning, Đan Mạch. Một quá
trình thử nghiệm dài đã được thực hiện để xác
định hiệu suất của hệ thống dưới các điều kiện
biển khác nhau. Khái niệm WD kết hợp các
công nghệ của các thiết bị khai thác năng lượng
sóng biển xa bờ hiện có, đang phát triển và
công nghệ tuabin thủy điện theo một cách mới.
WD là một công nghệ chuyển đổi năng lượng
sóng biển duy nhất đang được phát triển theo
quy mô tự do. Do kích thước tương đối lớn vì
vậy việc bảo trì và ngay cả các công tác sửa
chữa lớn cũng có thể được thực hiện trên biển
dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn so
với các bộ biến đổi khác.
Hình 3. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng
biển WD
Về cơ bản, WD bao gồm hai bộ phận mà có thể
được xem như là hai cánh tay được sử dụng để
tập trung sóng biển hướng đến một đoạn
đường. Sau đoạn đường là một hồ chứa lớn, nơi
mà nước được tập hợp và lưu trữ tạm thời.
Nước này sẽ rời khỏi hồ chứa thông qua các
tuabin thủy điện.
Tóm lại, các thành phần chính của một hệ
thống WD sẽ bao gồm:
- Đoạn đường với bê-tông cốt thép và/hoặc
thép xây dựng;
- Hai cánh tay tập hợp sóng bằng thép và/hoặc
bê-tông cốt thép;
- Hệ thống neo;
- Tuabin cánh quạt với máy phát điện nam
châm vĩnh cửu.
Hình 4. Các bộ phận cơ bản của hệ thống biến
đổi năng lượng sóng biển WD
Các kích thước vật lý của một WD sẽ được tối
ưu hóa tương ứng với các dạng sóng tại vị trí
khai thác khác nhau bao gồm chiều rộng của
đoạn đường tập hợp sóng, chiều dài của các
cánh tay, trọng lượng, số lượng và kích thước
của các tuabin.
Về cơ bản, có thể nhận thấy rằng bộ phận chính
của WD là một hồ chứa nổi lớn. Để giảm xoay,
lắc và để đảm bảo sản xuất kinh tế của việc sản
xuất điện từ sóng biển, WD cần phải lớn và
nặng. Hệ thống WD được thử nghiệm tại
Bredning Nissum là một tấm thép xây dựng
truyền thống, giống như một xà lan với thép
tấm dày khoảng 8 mm. Tổng trọng lượng thép
của xà lan, cộng với đoạn đường nối là 150 tấn.
Để đạt được tổng trọng lượng mong muốn là
237 tấn, 87 tấn nước dằn xà lan được thêm vào.
Trong điều kiện sóng biển 36 kW/m, hệ thống
xà lan này sẽ có kích thước là 140 95 m mà
được hình thành bởi thép và bê-tông cốt thép.
Phần trên của WD là hồ chứa nước. Tại
Bredning Nissum, thể tích hồ chứa thử nghiệm
nguyên mẫu là 55 m3, trong khi đó, với điều
kiện sóng 36 kW/m thể tích hồ chứa sẽ tương
ứng vào khoảng 8000 m3.
Một trong những đặc điểm chính của WD là nó
sẽ liên tục được điều chỉnh để thay đổi và thích
nghi với chiều cao của sóng bằng cách thay đổi
chiều cao phao nổi. Điều này đạt được bằng
cách thay đổi áp suất không khí trong các
buồng không khí. Một hệ thống phao nổi và xà
lan được cố định để đảm bảo hệ thống WD ổn
định và đặc biệt là để giảm các dao động lớn do
sóng biển gây ra.
Để tối đa hóa hiệu quả nước tràn, một sự kết
hợp giữa hai cánh tay và hệ thống đường dẫn
được nghiên cứu và thiết kế. Trong đó, có thể
nhận thấy rằng, hai cánh tay tập hợp sóng sẽ
ảnh hưởng lớn đến các chi phí xây dựng của
một bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển thuộc
dạng đập tràn. Mỗi cánh tay thử nghiệm của hệ
thống WD tại Bredning Nissum có chiều dài 27
m, chiều cao 3,5 m và nặng 25 tấn. Trong
trường hợp WD được xây dựng cho điều kiện
sóng 36 kW/m thì mỗi cánh tay sẽ có chiều dài
là 145 m và chiều cao là 19 m. Các cánh tay
này sẽ được giữ cố bởi hệ thống neo và dây.
4. 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 WAVE DRAGON
Khi đưa hệ thống biến đổi năng lượng sóng
biển Wave Dragon (WD) với máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu vào vận hành độc
lập hoặc khi kết nối với hệ thống 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 phản kháng theo
yêu cầu là một trong những bài toán quan trọng
mà sẽ được đề cập trong chương này.
- Điều khiển công suất tác dụng
Điều khiển công suất tác dụng liên quan đến
tần số của hệ thống điện. Đối với hệ thống điện
Hướng sóng
Máy phát điện Hồ chứa
Tuabin Kaplan
(Đáy biển)
Phao nổi
H
ệ thống x
à lan
tập hợp sóng
Hệ thống neo
Việt Nam tần số vận hành của hệ thống là
(50±0,2)Hz. Khi hệ thống chuyển đổi năng
lượng sóng biển vận hành độc lập, nhu cầu điều
chỉnh công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải
là quan trọng. Trong một trường hợp khác, khi
hệ thống được kết nối với hệ thống điện quốc
gia thì yêu cầu điều chỉnh công suất tác dụng
của hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển
để điều chỉnh được tần số cũng không kém
phần quan trọng. Ngoài ra, tốc độ thay đổi của
tần số cũng là một yêu cầu đối với các nhà máy
điện nói chung khi kết nối đến hệ thống điện.
- Điều khiển công suất phản kháng
Điều khiển công suất phản kháng liên quan đến
vấn đề điều khiển điện áp. Do đó, nó có vai trò
quan trọng trong điều kiện vận hành bình
thường cũng như sự cố.
- Các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng
và công suất phản kháng
Thông thường, các bộ biến đổi điện tử công
suất sử dụng các kỹ thuật điều khiển vector để
điều khiển. Bằng việc sử dụng các kỹ thuật này,
cho phép điều khiển công suất tác dụng và công
suất phản kháng đi qua bộ bộ biến đổi theo
những chiều hướng khác nhau. Lý thuyết của
kỹ thuật điều khiển này là chọn một hệ trục tọa
độ tham chiếu và hệ trục này quay với một tốc
độ góc xác định. Do đó, khi một đối tượng cần
điều khiển trong hệ tọa độ tĩnh biến đổi theo
thời gian (thành phần AC), khi chuyển sang hệ
tọa độ tham chiếu mới, nó trở thành một đại
lượng không phụ thuộc vào thời gian (thành
phần DC). Điều này làm cho việc điều khiển
các đối tượng mới này trở nên dễ dàng hơn.
Thông thường, các hệ trục tọa độ tham chiếu
dựa vào từ thông hoặc điện áp của lưới hoặc
stator; hoặc từ trường của rotor máy phát. Việc
lựa chọn các hệ trục tọa độ tham chiếu và góc
quay hợp lý sẽ giúp chúng ta dễ dàng quan sát
và điều khiển các đối tượng trong hệ trục tọa độ
tham chiếu.
- Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu
phía lưới
Cấu trúc điều khiển nghịch lưu PWM về cơ bản
có cùng chung một mục đích nhưng lại được
dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng
được phân loại dựa trên hai nguyên tắc:
- Điều khiển dựa trên điện áp,
- Điều khiển dựa trên từ thông ảo.
Trong đó, điều khiển nghịch lưu PWM theo
định hướng vector điện áp lưới gồm hai
phương pháp là:
+ Điều khiển định hướng vector điện áp
(Voltage Oriented Control, VOC),
+ Điều khiển công suất trực tiếp (Direct
Power Control, DPC).
Cả hai phương đều chọn hệ trục tọa độ tham
chiếu là SVRF (Stator Voltage Oriented
Reference Frame).
Trong khi đó, phương pháp điều khiển dựa trên
từ thông ảo là phương pháp cần phải ước lượng
từ thông ảo của lưới điện. Điều khiển theo
vector từ thông ảo bao hai phương pháp là:
+ Điều khiển định hướng vector từ thông
điện áp (Voltage Flux Oriented Control,
VFOC),
+ Điều khiển công suất trực tiếp theo định
hướng vector từ thông điện áp (Voltage
Flux Direct Power Control, DPC).
Trong phạm vi của bài báo này, phương pháp
VOC sẽ được lựa chọn cho việc 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 WD.
- Điều khiển nghịch lưu theo định hướng
vector điện áp.
Đặc điểm của phương pháp điều khiển này là
dựa vào dòng điện để xử lý tín hiệu trên hai hệ
trục tọa độ mà bao gồm hệ trục tọa độ cố định
α-β và hệ trục tọa độ quay d-q. Các giá trị dòng
điện đo được trong hệ trục tọa độ tĩnh ba pha
được biến đổi sang hệ trục tọa độ cố định α-β,
sau đó được biến đổi sang hệ tọa độ d-q. Cấu
trúc điều khiển PWM theo VOC là như sau:
Hình 5. Sơ đồ điều khiển nghịch lưu PWM theo
VOC
Khi chọn trục d trùng với trục điện áp của lưới
và hệ trục d-q quay cùng với tần số của lưới là
ω. Do đó: Ld UU và 0
q
U, điều này cũng
có nghĩa là trên sơ đồ điều khiển thành phần,
Uq bị triệt tiêu.