Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển thông minh máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi nối lưới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Điều khiển thông minh máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi nối lưới" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan cấu trúc hệ thống năng lượng gió; Phương pháp điều khiển dòng điện stator trục d trong hệ thống điện gió; Các thuật toán thông minh cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống năng lượng gió dùng PMSG; Thiết kế bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại dùng RBFN cho PMSG trong hệ thống năng lượng điện gió.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển thông minh máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi nối lưới

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI NỐI LƯỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI NỐI LƯỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : 1. TS. PHẠM CÔNG DUY 2. TS. LƯU HOÀNG MINH Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan và xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung của luận án tiến sĩ “Điều khiển thông minh máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi nối lưới” là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các tài liệu tham khảo trong qúa trình thực hiện luận án đều được trích dẫn rõ ràng theo quy định. Kết quả và kết luận trong luận án tiến sĩ là hoàn toàn trung thực. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024 Nghiên cứu sinh NCS. Nguyễn Ngọc Anh Tuấn
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới toàn thể quý cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo sau đại học, cũng như các Thầy Cô đã tham gia giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu khoa học, cùng tập thể các phòng, ban tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn học nghiên cứu sinh đã góp ý và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện. Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể người hướng dẫn đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong học tập và nghiên cứu khoa học. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã động viên, chia sẽ khó khăn để tôi có thể tập trung hoàn thành luận án. Mặc dù đã có cố gắng và nỗ lực trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án, nhưng luận án vẫn còn nhiều thiếu sót do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian. Nghiên cứu sinh rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy Cô giáo, các bạn và các đồng nghiệp để luận án hoàn thiện hơn và tiếp tục nghiên cứu trong tương lai. Trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024 Nghiên cứu sinh NCS. Nguyễn Ngọc Anh Tuấn
iii TÓM TẮT Trong luận án này, đầu tiên, tác giả đề xuất phương pháp điều khiển từ thông stator không đổi, cho bộ biến đổi phía máy của hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nhằm đạt được công suất tối ưu và đồng thời giảm giá thành. Thứ hai, tác giả tiếp cận các thuật toán tối ưu Heuristic, để giải quyết vấn đề tối ưu điểm công suất cực đại. Tiếp theo, tác giả đề xuất thuật toán tiến hóa vi phân để giải quyết vấn đề tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống trên. Cuối cùng, tác giả đề xuất mạng nơ-ron hàm xuyên tâm huấn luyện ngoại tuyến, dựa trên cơ sở dữ liệu của thuật toán tiến hoá vi phân tìm điểm công suất cực đại, đồng thời kết hợp với phương pháp điều khiển dòng điện stator hằng số, nhằm đạt được công suất tối ưu, đáp ứng điều khiển tốt và giảm giá thành hệ thống điều khiển. Từ khóa: - Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm (RBFNN), dòng điện stato trục d (ZDC), hệ số công suất thống nhất (UPF), liên kết từ thông stator không đổi (CSFL).
iv ABSTRACT Firstly, the constant stator flux control method, for machine-side converter in permanent magnet synchronous generator wind energy system, under randomly variable wind speed cases, is proposed in this thesis, in order to achieve optimal performance and reducing the costs. Secondly, the Heuristic algorithms is approached, that is a technique designed for solving the maximum power point problems. The author proposes the differential evolution algorithm, in solving the problems of finding the maximum power point tracking for the wind energy system. Finally, the author proposes a radial functional neural network, that trained offline and based on the data of the differential evolutionary algorithm to find the maximum power point and combined with the control technique of constant stator current, applied to wind turbine systems using permanent magnet synchronous generators, in order to achieve optimal power, good response and reduce costs. Keywords: - Permanent magnet synchronous generator (PMSG), maximum power point tracking (MPPT), radial basis function neural network (RBFNN), zero d-axis stator current (ZDC), unity power factor (UPF), constant stator flux-linkage (CSFL).
v MỤC LỤC trang LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii TÓM TẮT…………………………………………………………………….…..iii ABSTRACT………………………………………………………………………iv MỤC LỤC…………………………………………………………………………v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ...................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. xiii MỞ ĐẦU………………………………………………..……….………………...1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1 2. Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án .......................................................... 5 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................................................... 6 4. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 6 5. Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........ 7 6. Bố cục của luận án ........................................................................................... 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ..................................... 9 1.1. Tổng quan về năng lượng gió .......................................................................... 9 1.1.1. Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới ......................... 9 1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng gió ở Việt Nam ........................ 12 1.1.2.1.Tiềm năng năng lượng điện gió .............................................. 12 1.1.2.2.Điểm mạnh và điểm yếu về phát triển điện gió ...................... 13 1.2. Cấu tạo hệ thống tuabin gió ........................................................................... 15 1.2.1. Tháp đỡ .................................................................................... 155 1.2.2. Cánh quạt ................................................................................... 16 1.2.3. Bộ điều khiển ............................................................................. 17 1.2.4. Hộp số ........................................................................................ 17 1.2.5. Máy phát điện ............................................................................ 18 1.2.6. Thiết bị đo gió ............................................................................ 18 1.3. Các loại máy phát điện trong hệ thống tuabin gió ......................................... 19 1.4. Mô hình toán học tuabin gió .......................................................................... 26 1.5. Mô hình toán học máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .................... 28 1.6. Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 30
vi CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN STATOR TRỤC d TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ............................................................... ...31 2.1. Các phương pháp điều khiển dòng stator trục d ............................................ 32 2.2. Điều khiển dòng stator trục d bằng không ..................................................... 33 2.3. Điều khiển hệ số công suất bằng 1 .............................................................. 355 2.4. Điều khiển từ thông stator bằng hằng số ..................................................... 366 2.5. Phân tích và so sánh ba phương pháp điều khiển dòng ............................... 388 2.6. Kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 44 2.7. Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 49 CHƯƠNG 3 CÁC THUẬT TOÁN THÔNG MINH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ………… ................................................................................................... 50 3.1. Các thuật toán thông minh cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại . 50 3.2. Thuật toán di truyền ....................................................................................... 51 3.3. Thuật toán tối ưu bầy đàn .............................................................................. 53 3.4. Thuật toán tối ưu hóa cân bằng ..................................................................... 55 3.5. Thuật toán tiến hóa vi phân ........................................................................... 58 3.6. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 62 3.7. Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 69 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT DÙNG RBFNN KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN DÒNG TRỤC d ......................................................................... 70 4.1. Tổng quan thuật toán bám điểm công suất cực đại ....................................... 70 4.2. Thuật toán bám điểm công suất cực đại thông thường .................................. 70 4.3. Đề xuất mạng thần kinh hàm cơ sở xuyên tâm dựa trên phương pháp MPPT70 4.3.1. Cấu trúc của RBFNN ................................................................. 72 4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển RBFNN .................................................. 72 4.4. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 75 4.5. Kết luận và hướng phát triển ........................................................................ 81 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 82 1. Kết luận .......................................................................................................... 82 2. Hướng phát triển đề tài .................................................................................. 82 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH……………………………………………………………………………..83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 84 PHỤ LỤC…. .... ………………………………………………………………….92
vii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Association of Southeast Asian Hiệp hội các quốc gia Đông 1. ASEAN Nations Nam Á 2. BTB Back-To-Back Bộ biến đổi liên tục 3. COP Conference Of the Parties Hội nghị các bên Liên kết từ thông stator không 4. CSFL Constant Stator Flux-Linkage đổi 5. DE Differential Evolution Thuật toán tiến hóa vi phân Máy phát điện cảm ứng nguồn 6. DFIG Doubly-Fed Induction Generator kép 7. EO Equilibrium Optimizer Tối ưu hóa cân bằng 8. EVN VietNam Electricity Tập đoàn điện lực Việt Nam 9. FIT Feed In Tariff Biểu giá điện hỗ trợ 10. GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền 11. GSC Grid‐Side Converter Bộ chuyển đổi phía lưới 12. GWEC Global Wind Energy Council Hội năng lượng gió toàn cầu 13. IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế Insulated Gate Bipolar Transistor có cực điều khiển 14. IGBT Transistor cách ly International Renewable Energy Cơ quan năng lượng tái tạo quốc 15. IRENA Agency tế
viii TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt International Union for Liên minh bảo tồn thiên nhiên 16. IUCN Conservation of Nature quốc tế Two-Level Voltage-Source Bộ chuyển đổi nguồn điện áp hai 17. 2L-VSC Converter cấp 18. MPPT Maximum Power Point Tracking Theo dõi điểm công suất cực đại 19. MPP Maximum Power Point Điểm công suất cực đại Organisation for Economic Co- Tổ chức hợp tác và phát triển 20. OECD operation and Development kinh tế Organization of the Petroleum Tổ chức các nước xuất khẩu dầu 21. OPEC Exporting Countries mỏ Permanent Magnet Synchronous Máy phát điện đồng bộ nam 22. PMSG Generator châm vĩnh cửu Permanent Magnet Synchronous Động cơ đồng bộ nam châm 23. PMSM Motor vĩnh cửu 24. PPA Power Purchase Agreement Hợp đồng mua bán điện 25. P&O Perturb and Observe Hỗn loạn và quan sát 26. PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu hóa bầy đàn Mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên 27. RBFN Radial Basis Function Network tâm Squirrel-Cage Induction 28. SCIG Máy phát điện cảm ứng lồng sóc Generator 29. TSR Tip Speed Ratio Tỷ lệ tốc độ đầu
ix TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt 30. UPF Unity Power Factor Hệ số công suất đồng nhất Wind Energy Conversion Hệ thống chuyển đổi năng lượng 31. WECS System gió Wound Rotor Induction Máy phát điện cảm ứng rotor 32. WRIG Generator dây quấn Wound Rotor Synchronous Máy phát điện đồng bộ rotor dây 33. WRSG Generator quấn Dòng điện stator trục d bằng 34. ZDC Zero d-axis Stator Current không
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1 Năng lượng điện gió .............................................................................. 2 Hình 1.1 Toàn cảnh năng lượng toàn cầu ......................................................... 10 Hình 1.2 Công suất năng lượng điện gió toàn cầu từ năm 2001-2021 .............. 11 Hình 1.3 Cấu tạo của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Error! Bookmark not defined. Hình 1.4 Cấu trúc của tuabin gió ...................... Error! Bookmark not defined.7 Hình 1.5 Cấu hình WECS tốc độ cố định dùng SCIG .................................... 221 Hình 1.6 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRIG ...................... 221 Hình 1.7 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng DFIG ......................... 22 Hình 1.8 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRSG/SCIG/ PMSG . 22 Hình 1.9 Cấu hình WECS tốc độ thay đổi sử dụng WRSG ............................... 22 Hình 1.10 Sự phụ thuộc của Cp vào α và β ...................................................... 27 Hình 2.1 Sơ đồ khối của các phương thức vận hành dòng stator trục d đề xuất 33 Hình 2.2 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển ZDC . 34 Hình 2.3 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển UPF Error! Bookmark not defined. Hình 2.4 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển CSFL……….. ................................................................................................ 377 Hình 2.5 Đồ thị vectơ không gian ba trường hợp điều khiển dòng stator trục d…………………………………………………………………………………..38 8 Hình 2.6 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian: (a) tốc độ gió; (b) dòng điện stator trục d trong ba phương pháp điều khiển; (c) dòng stator trục q trong ba phương pháp điều khiển; (d) từ thông stator trong ba phương pháp điều khiển………. .................................................................................................... 41 Hình 2.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của công suất tác dụng và công suất phản kháng trong ba phương pháp điều khiển ..................... 41 Hình 2.8 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của công suất biểu kiến trong ba phương pháp điều khiển .............................................................. 42 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của hệ số công suất trong ba phương thức vận hành ........................................................................ 42
xi Hình 2.10 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian với dòng điện stator trong ba phương pháp điều khiển ............................................................ 42 Hình 2.11 Cấu hình HIL đề xuất ...................................................................... 46 Hình 2.12 Thiết lập thực nghiệm HIL trên OPAL-RT OP5707XG…………….46 Hình 2.13 Cấu hình kết nối phần cứng OP5707XG với dao động ký DSOX 2014A…………………………………………………………………………….46 Hình 2.14 Dòng điện id trong 3 phương pháp điều khiển………………………47 Hình 2.15 Dòng điện iq trong 3 phương pháp điều khiển………………………48 Hình 2.16 Công suất tác dụng và công suất phản kháng của 3 phương pháp điều khiển……………………………………………………………………………...48 Hình 3.1 Các vùng hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng gió ................ 51 Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật của thuật toán di truyền ......................................... 53 Hình 3.3 Lưu đồ giải thuật của thuật toán bầy đàn ........................................... 54 Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán tối ưu hóa cân bằng ......................... 58 Hình 3.5 Quá trình đột biến .............................................................................. 60 Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật của thuật toán tối ưu hóa cân bằng ......................... 61 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng tốc độ gió ............................................ 67 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng hệ số công suất tua-bin: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE........................................................... 64 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin và tốc độ quay rotor: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE. ................. 65 Hình 3.10 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE. ................................................. 65 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp EO và PSO…….. .................................................................................................... 66 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp EO và GA……… ................................................................................................... 66 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp DE và PSO…….. .................................................................................................... 66 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp DE và GA……… ................................................................................................... 67 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng tính ổn định của thuật toán GA, PSO và EO thông qua độ lệch chuẩn ............................................................................................. 68
xii Hình 3.16 Kết quả mô phỏng tính ổn định của thuật toán GA, PSO và DE thông qua độ lệch chuẩn ............................................................................................. 68 Hình 4.1 Đề xuất huấn luyện RBFN dựa trên đường cong công suất tối đa của thuật toán DE…….. .......................................................................................... 71 Hình 4.2 Thiết kế và triển khai bộ điều khiển RBFN: (a) sơ đồ khối của phương pháp MPPT sử dụng RBFN; (b) Khối RBFN trong MATLAB; (c) cấu trúc của RBFN trong MATLAB ..................................................................................... 75 Hình 4.3 Hệ thống chuyển đổi tuabin gió với thiết kế MPPT sử dụng RBFN đề xuất và sơ đồ khối điều khiển dòng stator trục d .............................................. 76 Hình 4.4 Sơ đồ huấn luyện mạng nơ-ron .......................................................... 76 Hình 4.5 Hệ thống tuabine gió: (a) Tốc độ gió; (b) dòng điện stator trục d; (c) dòng điện stator trục q; (d) Từ thông stator ...................................................... 78 Hình 4.6 Công suất tác dụng và công suất phản kháng .................................... 79 Hình 4.7 Công suất biểu kiến .......................................................................... 80 Hình 4.8 Hệ số công suất ................................................................................ 80 Hình 4.9 Dòng điện hiệu dụng stator .............................................................. 80 Hình 4.10 Dòng điện ngõ ra lưới ...................................................................... 81 Hình 4.11 Điện áp ngõ ra lưới .......................................................................... 81
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Bảng quy hoạch năng lượng điện gió dự kiến tại Việt Nam tới năm 2030………… .................................................................................................... 4 Bảng 1.1 Dự án năng lượng điện gió ở Việt Nam ............................................ 13 Bảng 1.2 Tóm tắt về 5 loại tuabin gió ............................................................. 24 Bảng 1.3 Các cấp độ gió tại vị trí cách mặt đất 10m và 30m .......................... 28 Bảng 2.1 Tổng hợp mối liên hệ giữa dòng điện stator trục d và q trong ba phương thức vận hành………………………………………………………………………37 Bảng 2.2 Các thông số của tuabin sử dụng trong mô phỏng . ........................... 38 Bảng 2.3 Các thông số của PMSG sử dụng trong mô phỏng . .......................... 39 Bảng 2.4 So sánh các thông số của 3 phương pháp điều khiển ......................... 43 Bảng 3.1 Các thông số của GA dùng trong mô phỏng ...................................... 52 Bảng 3.2 Các thông số của PSO dùng trong mô phỏng .................................... 55 Bảng 3.3 Các thông số của EO sử dụng trong mô phỏng .................................. 57 Bảng 3.4 Các tham số của thuật toán tiến hóa vi phân ..................................... 62 Bảng 3.5 Tính ổn định của thuật toán GA, PSO và EO thông qua độ lệch chuẩn………. ...................................................................................... ………..67 Bảng 3.6 Tính ổn định của thuật toán GA, PSO và DE thông qua độ lệch chuẩn……..… .................................................................................................. 69 Bảng 3.7 Dữ liệu các thông số trong các trường hợp DE, EO, PSO và GA ...... 69 Bảng 4.1 Các dữ liệu huấn luyện của nơ-ron .................................................... 72
xiv MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, thuỷ điện và điện gió được xem là nguồn năng lượng sạch, ít gây ô nhiễm môi trường. Nhưng, trong khi thuỷ điện mang lại những nguy hiểm cho cộng đồng dân cư, thì điện gió thân thiện với con người [1]. Năng lượng điện gió mặc dù bắt đầu được thế giới để ý từ 25 năm trước, nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây, nó mới khẳng định được vị thế của mình trên thị trường năng lượng toàn cầu khi sản lượng điện gió tăng trưởng đột biến với tốc độ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có [2]. Sự phát triển thần kỳ của năng lượng điện gió là do một số thay đổi đáng kể trong những năm gần đây [3]. Một lý do quan trọng khác dẫn đến sự phát triển đột biến của điện gió trong mười năm qua là nguy cơ khủng hoảng năng lượng ở các nước phát triển và mối quan tâm ngày càng tăng của họ đối với việc bảo vệ môi trường, điều này đã củng cố nỗ lực tìm kiếm các dạng năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường, trong đó năng lượng điện gió rõ ràng là một ứng cử viên sáng giá. Nhu cầu năng lượng điện được dự đoán sẽ tăng nhanh vì sự tăng trưởng rất nhanh của dân số toàn cầu và sự phát triển của ngành công nghiệp trên quy mô rộng lớn. Sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu năng lượng này đòi hỏi các đáp ứng để tăng sản lượng điện. Sản lượng điện trên toàn thế giới là 600 exajoules vào năm 2013. Nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tăng 24% vào năm 2050. Một lượng lớn điện được tạo ra là từ nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là từ than đá. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường và khí thải nhà kính. Đây được coi là lý do cho vấn đề nóng lên toàn cầu và tác hại của khí thải nhiên liệu hóa thạch hiện nay [1-3]. Việc sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây. Trong số tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm từ cả hai lĩnh vực công nghiệp và học thuật [2,3], vì khả năng cạnh tranh so với các nguồn năng lượng thông thường về mặt tiến bộ công nghệ, tiết kiệm chi phí, các hoạt động động viên, khuyến khích và chương trình hỗ trợ của Đảng và lãnh đạo nhà nước Việt Nam theo nghị quyết 55-NQ/TW của Trung ương Đảng.
15 Hình 1 Năng lượng điện gió (theo Năng Lượng Việt Nam) Trong những thập kỷ qua, năng lượng gió như minh họa ở Hình 1, đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất vì lợi ích lâu dài, phát triển nhanh, không gây ô nhiễm [3,4]. Đối với điện gió trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, tốc độ gió có thể thay đổi theo thời gian và không được duy trì ổn định. Trong các khu vực có tốc độ gió không đủ mạnh hoặc quá mạnh, sản lượng điện từ nguồn điện gió sẽ bị ảnh hưởng. Việc dự báo chính xác về tốc độ gió trong tương lai cũng là một thách thức, do yếu tố thời tiết và các biến đổi tự nhiên khó kiểm soát, gây ra sự không đảm bảo về sản lượng điện từ điện gió và ảnh hưởng đến việc tích hợp vào lưới điện. Đối với điện gió, tỷ lệ lấy được năng lượng từ gió phụ thuộc vào tốc độ gió trong khu vực. Nếu không có gió hoặc tốc độ gió quá yếu, sản lượng điện từ điện gió sẽ giảm đáng kể. Những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng cung cấp điện liên tục từ các nguồn năng lượng điện gió. Đặc biệt, các nguồn năng lượng gió không thể cung cấp năng lượng một cách liên tục như các nguồn năng lượng từ hóa thạch. Điều này tạo ra khó khăn trong việc đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định và liên tục cho hệ thống điện. Để cải thiện hiệu suất và tính ổn định của các nguồn năng lượng gió. Việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển cho phép các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp năng lượng gió nghiên cứu, thử nghiệm và phát triển công nghệ mới để cải thiện hiệu suất của các nguồn năng lượng gió. Các nỗ lực nghiên cứu có thể tập trung vào việc tăng cường quá trình biến đổi năng lượng, tối ưu hóa thiết kế hệ thống,
16 điều khiển thông minh các hệ thống gió và sử dụng linh hoạt các nguồn năng lượng gió chúng ta có thể tăng tính ổn định và tin cậy của các nguồn năng lượng gió, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống, giúp giảm chi phí sản xuất và vận hành các dự án năng lượng gió. Bằng cách tìm hiểu và sử dụng các công nghệ tiên tiến, giảm chi phí vật liệu và tối ưu quy trình sản xuất, các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp có thể làm giảm chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành, làm cho năng lượng gió trở nên cạnh tranh hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống [18,19]. Để giảm thiểu tác động của những thách thức này, một trong những phương pháp hiệu quả nhất để đạt được công suất cực đại của hệ thống năng lượng gió là cải thiện khả năng theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) sử dụng thuật toán điều khiển thông minh khi tốc độ gió thay đổi [25-27]. Trong nhiều năm qua, Việt Nam đã triển khai nhiều biện pháp để nâng cao nhiều nguồn năng lượng điện sạch để phát triển nền kinh tế, trong đó năng lượng tái tạo giữ vai trò quan trọng nhằm loại bỏ dần nguồn năng lượng hóa thạch và thủy điện để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Để đạt mục tiêu này, năng lượng gió là một giải pháp tạo ra bước ngoặt trong quá trình xây dựng nền kinh tế xanh. Cũng tại hội nghị các bên lần thứ 26 (COP 26), Việt Nam đã cam kết với một chương trình nhằm xây dựng nền kinh tế các-bon thấp bằng cách tạm dừng xây dựng các nhà máy nhiệt điện than và chuyển sang sử dụng năng lượng sạch. Tiềm năng điện gió của Việt Nam khá phong phú, các nhà đầu tư trong và ngoài nước rất quan tâm về lĩnh vực này. Tuy nhiên, nếu giải quyết được vấn đề giá thành sản phẩm và cơ chế mua bán điện để khai thác triệt để nguồn tiềm năng này cũng như các cơ chế chính sách hỗ trợ thì các nhà đầu tư sẽ yên tâm hơn khi bỏ vốn đầu tư vào lĩnh vực năng lượng gió. Nếu phát huy hết tiềm năng này, tổng công suất xây dựng điện gió có thể gấp 20 lần tổng công suất điện hiện tại của Việt Nam. Điện gió cũng là lĩnh vực ưu tiên phát triển trong quy hoạch năng lượng điện VII với mục tiêu “Ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng này lên mức 4,5% vào năm 2020 và 6% vào năm 2030”. Đặc biệt, tổng công suất điện gió sẽ được nâng từ mức không đáng kể hiện nay là 1.000 MW vào năm 2020, lên khoảng 6.200 MW vào năm 2030.
17 Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng gió. Theo báo cáo của Viện Năng lượng thì tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tập trung nhiều nhất tại vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo [1]. Đánh giá của Ngân hàng thế giới (WB) cũng cho thấy khoảng 8% lãnh thổ của Việt Nam có tiền năng về năng lượng gió, cao hơn hẳn so với các nước trong khu vực [2]. Với các chính sách và sự ưu tiên hàng đầu về hỗ trợ đầu tư năng lượng sạch của chính phủ Việt Nam để đảm bảo tiến tới các mục tiêu đã cam kết tại COP 26 nên lãnh vực này đang được rất nhiều các nhà đầu tư quan tâm. Theo báo cáo của tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN), tính đến tháng 7 năm 2021, 144 dự án điện gió đã ký hợp đồng mua bán điện (PPA) với tổng công suất khoảng 8.144,88 MW. Trong đó có 13 dự án đã vận hành thương mại với công suất gần 611,33 MW. Trước ngày 1 tháng 11 năm 2021 thì Quyết định 39 về giá mua điện theo cơ chế ưu đãi biểu giá điện hỗ trợ (FIT) còn hiệu lực, sẽ có thêm 106 dự án đi vào hoạt động với tổng công suất gần 217.123 MW và được trình bày theo như Bảng 1. Bảng 1 Tiềm năng điện gió trên bờ theo các tỉnh và vùng (theo phụ lục quy hoạch điện VIII) stt Tên Vùng/ Tỉnh Tiềm năng kỹ thuật (MW) I Khu vực Bắc bộ 1 Sơn La 1.072 2 Cao Bằng 517 3 Bắc Cạn 395 4 Thái Nguyên 96 5 Quảng Ninh 2.397 6 Lạng Sơn 6.509 7 Bắc Giang 721 8 Hà Nam 107 9 Ninh Bình 452 10 Hải Dương 117 II Khu vực Bắc Trung bộ 1 Thanh Hóa 975 2 Nghệ An 869 3 Hà Tĩnh 2.948 4 Quảng Bình 5.925 III Khu vực Trung Trung bộ 1 Quảng Trị 8.808 2 Thừa Thiên Huế 1.050 3 Quảng Nam 686
18 4 Quảng Ngãi 691 IV Khu vực Tây Nguyên 1 Kon Tum 6.058 2 Gia Lai 33.085 3 Đắk Lắk 26.921 4 Đắk Nông 8.322 V Khu vực Nam Trung bộ 1 Bình Định 4.766 2 Phú Yên 5.199 3 Khánh Hòa 1.382 4 Lâm Đồng 6.186 5 Ninh Thuận 3.446 6 Bình Thuận 13.785 VI Khu vực Nam bộ 1 Đồng Nai 1.314 2 Bà Rịa-Vũng Tàu 3.450 3 Long An 205 4 Đồng Tháp 268 5 An Giang 5.304 6 Kiên Giang 12.088 7 Hậu Giang 4.704 8 Tiền Giang 337 9 Cần Thơ 2.750 10 Bến Tre 1.877 11 Vĩnh Long 1.079 12 Trà Vinh 5.996 13 Sóc Trăng 10.849 14 Bạc Liêu 9.296 15 Cà Mau 14.121 Toàn quốc 217.123 Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng điện gió là nhiệm vụ hết sức cần thiết và cấp bách hiện nay. Sau nhiều năm nghiên cứu, hệ thống năng lượng điện gió ngày càng được hoàn thiện. Có thể thấy một số xu hướng chính trong việc nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng điện gió, nâng cao công suất, xây dựng hệ thống công suất lớn, giảm giá thành, … Trong tương lai, năng lượng điện gió sẽ trở thành nguồn năng lượng chính bổ sung cho nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. 2. Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án Mục tiêu tổng quát của luận án là đề xuất bộ điều khiển thông minh cho hệ thống tuabin gió dùng PMSG để đạt được công suất cực đại và giá thành thấp. Từ đó, xây dựng các mục tiêu cụ thể như sau: