Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:103

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới" tập trung nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió; nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió; nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện gió không đồng bộ trong hệ thống điện gió; nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới; mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- LÊ THÀNH HẢI ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- LÊ THÀNH HẢI ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Châu Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 19 tháng 11 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS.Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch 2 PGS.TS.Dương Hoài Nghĩa Phản biện 1 3 TS.Nguyễn Minh Tâm Phản biện 2 4 PGS.TS. Quyền Huy Ánh Ủy viên 5 PGS.TS. Lê Minh Phương Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20... NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ THÀNH HẢI Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 25/04/1981 Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: 1541830021 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió; - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió; - Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ; - Nghiên cứu và đề xuất điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ; - Mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió và điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
i LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Lê Thành Hải
ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 15SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện tử và Viện Đào tạo sau Đại học đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này. Lê Thành Hải
iii TÓM TẮT Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới" mà bao gồm các nội dung như sau: - Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Hệ thống điện gió - Chương 3: Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện không đồng bộ - Chương 4: Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện không đồng bộ - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
iv ABSTRACT The thesis presents issues relating to "Pitch angle control of wind turbines in the grid-connected wind power systems". It consists of the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Wind energy power systems - Chapter 3: Pitch angle control of induction generator wind turbines - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future works
v MỤC LỤC LỜI CAM ÐOAN ....................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii ABSTRACT .............................................................................................................. iv MỤC LỤC ...................................................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix Chương 1 .....................................................................................................................1 GIỚI THIỆU ...............................................................................................................1 1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................2 1.3. Mục tiêu của đề tài ...........................................................................................3 1.4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................3 1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ...................................................................3 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................3 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ..............................................................8 1.6. Bố cục của luận văn..........................................................................................9 1.7. Kết luận ............................................................................................................9 Chương 2 ........................................................................................................10 HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ............................................................................................10 2.1. Năng lượng gió ...............................................................................................10 2.1.1. Năng lượng gió trên thế giới ....................................................................11 2.1.2. Năng lượng gió tại Việt Nam ..................................................................12 2.2. Đặc tính của năng lượng gió...........................................................................18 2.3. Hệ thống điện gió ...........................................................................................19 2.3.1. Tuabin gió ................................................................................................20 2.3.1.1. Cánh quạt (Blades) ............................................................................21 2.3.1.2. Rotor ..................................................................................................22 2.3.1.3. Bước răng (Pitch) ..............................................................................23 2.3.1.4. Bộ hãm (Brake) .................................................................................23
vi 2.3.1.5. Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft) .........................................23 2.3.1.6. Hộp số (Gear box) .............................................................................23 2.3.1.7. Máy phát điện (Generator) ................................................................24 2.3.1.8. Bộ điều khiển (Controller) ................................................................25 2.3.1.9. Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer) .............................................25 2.3.1.10. Bộ xác định hướng gió (Wind vane) ...............................................25 2.3.1.11. Vỏ (Nacelle) ....................................................................................25 2.3.1.12. Trục tốc độ cao (High – speed shaft) ..............................................25 2.3.1.13. Yaw drive ........................................................................................26 2.3.1.14. Yaw motor.......................................................................................26 2.3.1.15. Tháp đỡ (Tower) .............................................................................26 2.3.1.16. Bộ phận điều khiển tốc độ ..............................................................27 2.3.2. Máy phát điện trong hệ thống điện gió ....................................................27 2.3.2.1. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ..........28 2.3.2.2. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ..........................................................................................................29 2.3.2.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ..................................................................................................................30 2.3.2.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ..........................................................................................................33 Chương 3 ...................................................................................................................35 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN GIÓ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ...........................................................................35 3.1. Giới thiệu ........................................................................................................35 3.2. Máy phát điện gió ...........................................................................................35 3.3. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ........................37 3.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc38 3.4.1. Phần stator................................................................................................40 3.4.2. Phần rotor .................................................................................................42 3.5. Mô hình toán của máy phát điện không đồng bộ ...........................................44 3.6. Mô hình tuabin gió .........................................................................................49
vii 3.7. Điều khiển góc cánh tuabin gió ......................................................................50 3.8. Điều khiển góc nghiêng cánh gió tuabin sử dụng bộ điều khiển PI ...............55 Chương 4 ...................................................................................................................61 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN GIÓ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ...........................................................................61 4.1. Giới thiệu ........................................................................................................61 4.2. Mô phỏng máy phát điện không đồng bộ .......................................................63 4.3. Mô phỏng tuabin gió ......................................................................................66 4.4. Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin gió ........................69 4.5. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................71 4.5.1. Trường hợp 1 - Tốc độ gió không đổi .....................................................72 4.5.2. Trường hợp 2 - Tốc độ gió thay đổi ........................................................75 4.5.3. Trường hợp 3 - Tốc độ gió thay đổi ........................................................78 4.5.4. Trường hợp 4 - Tốc độ gió thay đổi ........................................................81 Chương 5 ...................................................................................................................86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .........................................86 5.1. Kết luận ..........................................................................................................86 5.2. Hướng phát triển tương lai .............................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Lựa chọn phương pháp điều chỉnh ...........................................................58 Bảng 3.2. Tác động của việc tăng một thông số độc lập...........................................59 Bảng 3.3. Phương pháp Ziegler-Nichols ...................................................................59 Bảng 4.1. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 1 - Tốc độ không đổi .......73 Bảng 4.2. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 2 - Tốc độ thay đổi ..........76 Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 3 - Tốc độ thay đổi ..........81 Bảng 4.4. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 4 - Tốc độ thay đổi ..........83 Bảng 4.5. Tổng kết các kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp 1, 2, 3 và 4 của tốc độ không đổi và thay đổi ..............................................................................85
ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh .......................................................................4 Hình 1.2. Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau .............................................................................................................................5 Hình 1.3. Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu [3] ................................................................................................................................5 Hình 1.4. Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI .........................................................7 Hình 1.5. Sơ đồ khối tính toán các hệ số Kp và Ki ......................................................8 Hình 2.1. Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận .............................................................14 Hình 2.2. Điện gió Phú Quý, Bình Thuận .................................................................15 Hình 2.3. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận..................................................................16 Hình 2.4. Điện gió Bạc Liêu .....................................................................................17 Hình 2.5. Các thành phần cơ bản của tuabin gió ......................................................20 Hình 2.6. Tuabin gió trục đứng .................................................................................21 Hình 2.7. Tuabin gió trục ngang ...............................................................................21 Hình 2.8. Bên trong một tuabin phát điện gió ...........................................................22 Hình 2.9. Bộ điều khiển góc pitch.............................................................................23 Hình 2.10. Hộp số tuabin gió ....................................................................................24 Hình 2.11. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp ...........................................24 Hình 2.12. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ..................................................................29 Hình 2.13. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ..................................................................................................................31 Hình 2.14. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép .............32 Hình 3.1. Mặt cắt các máy điện.................................................................................36 Hình 3.2. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ..................................................................37 Hình 3.3. Máy phát điện không đồng bộ có công suất 1,5 kW .................................38 Hình 3.4. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ ......................................................39
x Hình 3.5. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc ..............................40 Hình 3.6. Vỏ máy ......................................................................................................41 Hình 3.7. Cấu tạo lõi thép stator ...............................................................................41 Hình 3.8. Dây quấn stator .........................................................................................42 Hình 3.9. Sơ đồ khai triển dây quấn stator ................................................................42 Hình 3.10. Lõi thép rotor...........................................................................................43 Hình 3.11. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn ...................43 Hình 3.12. Thanh dẫn của rotor lồng sóc ..................................................................44 Hình 3.13. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ ..................46 Hình 3.14. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ ...................................................................................................................................47 Hình 3.15. Vùng làm việc của các tuabin gió ...........................................................52 Hình 3.16. Cấu trúc của một mô hình tuabin gió với tốc độ tuabin có thể thay đổi được ...........................................................................................................................53 Hình 3.17. Chiến lược điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió ...............................54 Hình 3.18. Đặc tuyến góc nghiêng cánh tuabin gió ..................................................55 Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ (Induction Generator, IG)..........................................................................................62 Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng của một cụm tổ máy phát điện gió.................................62 Hình 4.3. Mô hình máy phát điện gió không đồng bộ ..............................................64 Hình 4.4. Thông số cụm tổ máy phát điện gió ..........................................................65 Hình 4.5. Mô hình tuabin gió ....................................................................................67 Hình 4.6. Đặc tính tốc độ và công suất tuabin ..........................................................68 Hình 4.7. Thông số cụm tuabin gió ...........................................................................68 Hình 4.8. Vùng làm việc của các tuabin gió .............................................................70 Hình 4.9. Mô phỏng tuabin gió với bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin PI .......71 Hình 4.10. Tốc độ gió - Trường hợp 1 ......................................................................72 Hình 4.11. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 1 .....................74 Hình 4.12. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 1 ............74 Hình 4.13. Tốc độ gió - Trường hợp 2 ......................................................................75 Hình 4.14. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 2 .....................77
xi Hình 4.15. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 2 ............77 Hình 4.16. Tốc độ gió - Trường hợp 3 ......................................................................78 Hình 4.17. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 3 .....................78 Hình 4.18. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 3 ............80 Hình 4.19. Tốc độ gió - Trường hợp 4 ......................................................................81 Hình 4.20. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 4 .....................84 Hình 4.21. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 4 ............84
1 Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng không thể thiếu trong việc thúc đẩy sự phát triển về kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của mỗi Quốc gia. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đời sống người dân cũng ngày càng được cải thiện. Khi ấy, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao. Bên cạnh đó, tình trạng các nguồn nhiên liệu đầu vào truyền thống, không tái tạo của các nhà máy nhiệt điện truyền thống như dầu mỏ, than đá, khí đốt,… đều được cảnh báo cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung không ổn định mà đã thúc đẩy con người và đặc biệt là các nhà khoa học phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. Việt Nam cũng không thể tránh khỏi nguy cơ thiếu hụt năng lượng này. Trong khi đó, năng lượng thủy điện đã được khai thác tối đa với nhà máy thủy điện công suất lớn, nhỏ khác nhau chiếm diện tích lòng hồ rộng lớn hàng chục vạn ha, phá hủy rừng, cây cối, gây ô nhiễm môi trường sinh thái, đặc biệt không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây bao nhiêu thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối,... tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm. Với các vấn đề nêu trên, trong tương lai các vấn đề về an ninh năng lượng sẽ không thể được đảm bảo. Các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia khó trở thành hiện thực. Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, các nguồn năng lượng tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… tất cả các loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện môi trường, thiên nhiên… Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong nghiên cứu, khai thác và sử dụng. Có thể nhận thấy rằng, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít bảo dưỡng, … Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ được khuyến khích khai thác sử
2 dụng trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống. Trong đó, việc khai thác và sử dụng năng lượng gió để sản xuất năng lượng điện là một điển hình. Góp phần cho vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và an toàn của các hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới”. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với những phát minh, sáng chế giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhu cầu không ngừng của con người. Song song với sự phát triển và tiến bộ này, con người cũng luôn phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới như môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác. Trong đó, vấn đề năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện được đánh giá là quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong giai đoạn này. “Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người. Hiện nay, với mức độ tăng dân số, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại. Thêm vào đó, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association) trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [1]-[2]. IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới. Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp cho thế giới trong 60 năm tới. Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm tới. Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và đông dân cư thì hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [2]. Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác là phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các nhà khoa học tích cực nghiên cứu khai thác. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và khai thác ngày càng nhiều.
3 Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà nó đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo trên, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể khai thác được hiệu quả và tối đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện. Câu trả lời là nhiệm vụ của các nhà khoa học mà sẽ được đưa ra phân tích và giải quyết trong luận văn này. 1.3. Mục tiêu của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu: + Hệ thống điện gió; + Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới. + Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới. 1.4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió; - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió; - Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện gió không đồng bộ trong hệ thống điện gió; - Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới; - Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới. 1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác từ những năm của thế kỷ thứ 11 và cho đến ngày nay đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu và khai thác năng lượng gió cho sản xuất năng lượng điện. 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới V. Ramakrishnan và S. K. Srivatsa với công trình nghiên cứu, “Pitch control of wind turbine generator by using new mechanism”, đã biểu diễn mô hình của các phần tử
4 khác nhau trong hệ thống điện năng lượng gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin, thiết kế của bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin và phân tích các đáp ứng của hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin khi tốc độ gió thay đổi [3]. Hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giám sát sao cho công suất phát là lớn và ổn định. Hàm số góc nghiêng cánh tuabin được sử dụng để điều khiển công suất cơ và là kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất được sử dụng cho việc điều khiển các tuabin gió tốc độ thay đổi. Tương ứng với các tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió để phát công suất định mức của máy phát, góc nghiêng cánh tuabin gió là lớn nhất. Tuy nhiên, góc nghiêng cánh tuabin có thể nhỏ hơn để hỗ trợ tuabin gió tăng tốc nhanh hơn. Tương ứng với tốc độ gió định mức, góc nghiêng cánh tuabin được điều khiển để giữ máy phát làm việc tương ứng với công suất phát định mức thông quan việc giảm góc nghiêng cánh tuabin. Công trình nghiên cứu đã phát triển các mô hình động sử dụng phần mềm Simulink/Matlab. Các kết quả nghiên cứu cũng được xác nhận thông qua các thực nghiệm dưới các điều kiện tốc độ gió khác nhau. Bên cạnh đó, cơ cấu điều khiển động cơ bước cũng được đề xuất sử dụng thay thế cho cơ cấu điều khiển thủy lực. Máy phát điện Bộ biến đổi công Tuabin Lưới điện không đồng bộ suất Bộ điều khiển Hình 1.1. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh
5 Hình 1.2. Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau Hình 1.3. Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu [3] Mouna Ben Smida và Anis Sakly với công trình nghiên cứu, “Pitch angle control for variable speed wind turbines”, đã khẳng định lại một lần nữa kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió phục vụ cho việc điều khiển công suất trong trường hợp tốc độ gió vượt quá tốc độ gió cho phép [4]. Kỹ thuật này có thể được xem là một phương pháp luận điều khiển công suất phổ biến và hiệu quả nhất. Thông thường, kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió sử dụng bộ điều khiển PI. Nghiên cứu này áp dụng kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet