Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện Tuabin gió

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

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện Tuabin gió" tập trung nghiên cứu: Hệ thống điện gió; kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió; mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện Tuabin gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- LÊ MINH VƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- LÊ MINH VƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ 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 04 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: ………………………………………. (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 … tháng … năm … 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 Chủ tịch 2 Phản biện 1 3 Phản biện 2 4 Ủy viên 5 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 MINH VƯƠNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tổng quan của hệ thống điện năng lượng gió; - Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép; - Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép; - Mô phỏng hệ thống điện tuabin gió và giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống này. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
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 Minh Vương
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 16SMĐ11 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; Viện Khoa học Kỹ thuật; Viện Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này. Lê Minh Vương
i TÓM TẮT Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất cân bằng giữa nhu cầu sử dụng điện và khả năng cung cấp nguồn điện. Nguyên nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện. Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia trở nên khó thực hiện hơn. Giải pháp tăng cường khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… là đáng được tập trung nghiên cứu. Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. Việc nghiên cứu khai thác tối ưu công suất hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió” mà bao gồm các nội dung như sau: - Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Tổng quan hệ thống điện tuabin gió - Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió - Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
ii ABSTRACT More recently, the power sector has repeatedly shown an imbalance between the need for electricity and the ability to provide electricity. The main cause of this imbalance is the increasing demand for electrical energy in various sectors such as industry, agriculture, daily life, and so on. The alarming depletion of input fuels such as petroleum, coal, gas, etc., is used to generate electricity from thermal power plants. With the above analysis, the issue of energy security is being threatened, leading to the industrialization and modernization goals of some countries becoming more difficult. Measures to enhance the exploitation and efficient use of renewable energy sources such as wind energy, solar energy, geothermal energy, wave power, tidal energy... are worthy of study. Among the energy sources mentioned above, wind power is attracting the attention of many scientists. The research on optimal exploitation of wind power system capacity is very necessary. This is also the main reason for choosing the topic of this thesis, "Optimal power control of wind turbine power systems" which includes the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Overview of wind turbine power systems - Chapter 3: Optimal power control of wind turbine power systems - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future works
iii MỤC LỤC Tóm tắt............................................................................................................ i Mục lục ......................................................................................................... iii Danh sách hình vẽ ......................................................................................... v Danh sách bảng............................................................................................. ix Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1 1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2 1.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 3 1.4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 4 1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................... 4 1.6. Bố cục của luận văn ............................................................................... 7 1.7. Kết luận .................................................................................................. 7 Chương 2 - Tổng quan hệ thống điện gió .................................................. 8 2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 8 2.2. Năng lượng gió trên thế giới .................................................................. 9 2.3. Năng lượng gió tại Việt Nam ............................................................... 12 2.4. Công suất gió ........................................................................................ 18 2.5. Hệ thống điện gió ................................................................................. 19 2.5.1. Tuabin gió .......................................................................................... 20 2.5.2. Máy phát điện trong hệ thống điện gió.............................................. 28 Chương 3 - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió .................................................................................................... 36 3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 36 3.2. Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió ..... 37 3.2.1. Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh ......................................... 37 3.2.2. Kỹ thuật điều khiển moment tối ưu ................................................... 39
iv 3.2.3. Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất ................................. 40 3.2.4. Kỹ thuật nhiễu loạn và quan sát ........................................................ 41 3.3. Động cơ không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong bài toán điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió ............................................. 43 3.3.1. Vector không gian và các phép biến đổi ........................................... 44 3.3.2. Công suất theo vector không gian ..................................................... 46 3.3.3. Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và  ....................................... 47 3.3.4. Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ............ 49 3.4. Bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống điện gió ................................ 54 3.4.1. Điều khiển converter phía lưới .......................................................... 55 3.4.2. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC ............... 56 Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió .................................................................................................... 59 4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 59 4.2. Mô phỏng máy phát điện DFIG ........................................................... 59 4.3. Mô phỏng tuabin gió ............................................................................ 62 4.4. Mô phỏng các bộ điều khiển ................................................................ 63 4.5. Điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió .......................... 64 4.6. Kết quả mô phỏng ................................................................................ 67 4.6.1. Tốc độ rotor không đổi ...................................................................... 67 4.6.2. Tốc độ rotor thay đổi ......................................................................... 78 Chương 5 - 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 .................................................................................... 88
v DANH SÁCH HÌNH VẼ 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 ............................................. 23 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 ............................. 25 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 ...................................... 30 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 ... ..................................................................................................................... 33 Hình 3.1. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện (DFIG) ......................................................................................................... 37 Hình 3.2. Đặc tuyến TSR tối ưu theo tốc độ gió ......................................... 38 Hình 3.3. Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR) tối ưu .............. 38 Hình 3.4. Kỹ thuật điều khiển moment tối ưu ............................................. 39 Hình 3.5. Đặc tuyến Tm - ωm........................................................................ 40 Hình 3.6. Kỹ thuật điều khiển phản hồi tín hiệu công suất ......................... 40 Hình 3.7. Đặc tính công suất và moment của tuabin gió ............................ 41 Hình 3.8. Nguyên lý vector không gian ...................................................... 44 Hình 3.9. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và  ....................................... 47 Hình 3.10. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq ...................................... 48
vi Hình 3.11. Mối liên hệ giữa trục tọa độ  và dq ....................................... 49 Hình 3.12. Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y ........................................ 50 Hình 3.13. Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor ................................ 50 Hình 3.14. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục  .............................. 51 Hình 3.15. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục quay dq ...................... 53 Hình 3.16. Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới ................................ 55 Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện DFIG .................................................................................................... 59 Hình 4.2. Khối máy phát điện DFIG ........................................................... 61 Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng máy phát điện DFIG......................................... 61 Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển ............................................. 64 Hình 4.5. Sơ đồ kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió .... 65 Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, DFIG .................... 65 Hình 4.7. Tốc độ rotor, nr = 300 (rpm) ........................................................ 67 Hình 4.8. Công suất cực đại, PMPP với nr = 300 (rpm)................................. 68 Hình 4.9. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 300 (rpm) .................... 68 Hình 4.10. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 300 (rpm) ...................................................................... 69 Hình 4.11. Tốc độ rotor, nr = 600 (rpm) ...................................................... 70 Hình 4.12. Công suất cực đại, PMPP với nr = 600 (rpm) .............................. 70 Hình 4.13. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 600 (rpm) .................. 71 Hình 4.14. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 600 (rpm) ...................................................................... 71 Hình 4.15. Tốc độ rotor, nr = 900 (rpm) ...................................................... 72 Hình 4.16. Công suất cực đại, PMPP với nr = 900 (rpm) .............................. 72 Hình 4.17. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 900 (rpm) .................. 73 Hình 4.18. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 900 (rpm) ...................................................................... 73 Hình 4.19. Tốc độ rotor, nr = 1200 (rpm) .................................................... 74
vii Hình 4.20. Công suất cực đại, PMPP với nr = 1200 (rpm) ............................ 75 Hình 4.21. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 1200 (rpm) ................ 75 Hình 4.22. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 1200 (rpm) .................................................................... 76 Hình 4.23. Tốc độ rotor, nr = 1500 (rpm) .................................................... 76 Hình 4.24. Công suất cực đại, PMPP với nr = 1500 (rpm) ............................ 77 Hình 4.25. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 1500 (rpm) ................ 77 Hình 4.26. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 1500 (rpm) .................................................................... 78 Hình 4.27. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ....................................... 79 Hình 4.28. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ..................................................................................................................... 83 Hình 4.29. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ............................................................................................... 80 Hình 4.30. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ................................... 80 Hình 4.31. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ....................................... 81 Hình 4.32. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ............................................................................................................ 82 Hình 4.33. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ............................................................................................... 82 Hình 4.34. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ................................... 83 Hình 4.35. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ....................................... 83 Hình 4.36. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ............................................................................................................ 84 Hình 4.37. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ............................................................................................... 84 Hình 4.38. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ................................... 85
ix DANH SÁCH BẢNG Bảng 4.1. Bảng lookup table ứng với hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất ..... ..................................................................................................................... 67
1 Chương 1 Giới thiệu chung 1.1. Giới thiệu Năng lượng điện có vai trò vô cùng quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển về kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của một Quốc gia. Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất cân bằng giữa nhu cầu sử dụng điện và khả năng cung cấp nguồn điện. Nguyên nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện. Thêm vào đó, năng lượng điện được sản xuất từ các nhà máy thủy điện mà đã được khai thác tối đa với công suất lớn, nhỏ khác nhau; chiếm diện tích lòng hồ rộng lớn hàng chục vạn ha; phá hủy cây cối, rừng; gây ô nhiễm môi trường sinh thái; đặc biệt là không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây ra các thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối,... làm tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm. Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia trở nên khó thực hiện hơn. Với các khó khăn và thử thách được đặt ra, các nhà khoa học đã tích cực nghiên cứu và đề xuất các giải pháp. Một trong số đó, giải pháp tăng cường khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… là đáng được tập trung. Các dạng năng lượng này có thể góp phần rất lớn vào việc giảm bớt gánh nặng của các nguồn năng lượng điện truyền thống, thay đổi cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường, thiên nhiên,...
2 Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. So với các nguồn năng lượng điện truyền thống, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nguồn nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít phải 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 trong sản xuất năng lượng điện tại Việt Nam sẽ hoàn toàn khả thi và nên được khuyến khích khai thác sử dụng. Giải pháp này hoàn toàn phù hợp với chủ trương của Chính phủ theo Nghị quyết số 35/NQ- CP, ngày 18 tháng 03 năm 2013, về một số vấn đề cấp bách trong lĩnh vực bảo vệ môi trường [1]. Trong nghị quyết này, có nội dung tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, ưu tiên phát triển nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo hướng tới phát triển nền kinh tế xanh. Đồng thời, giải pháp cũng theo đúng tinh thần của Quy hoạch điện VII có điều chỉnh, công suất theo nguồn năng lượng tái tạo là 21% và điện năng theo nguồn năng lượng tái tạo là 11% đến năm 2030 [2]. Góp phần cho vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu khai thác tối ưu công suất hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió”. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự tiến bộ và phát triển của kinh tế - xã hội, con người luôn phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển đó là sự không bền vững của môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên bị cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác. Trong đó, vấn đề an ninh năng lượng điện được đánh giá là đặc biệt 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.
3 Thêm vào đó, trong vòng 20 năm tới, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association), 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,…) [3]-[4]. 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 [3]. 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. 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. 1.3. Mục tiêu của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu: + Hệ thống điện gió; + Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió; + Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió.
4 1.4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió; - Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống điện gió; - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió; - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió. 1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Bắt đầu từ thế kỷ thứ 11, năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác và cho đến 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. Pham Ngoc Hung và Trinh Trong Chuong đã nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện gió và đã công bố các kết quả thông qua bài báo, “Nghiên cứu xác định điểm công suất cực đại của hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng kỹ thuật logic mờ” trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Năng lượng, Trường Đại học Điện Lực. Các kết quả mô phỏng của bài báo cho thấy đề xuất đã cải thiện hiệu suất của máy phát điện gió khi tốc độ gió thay đổi. Đề xuất được áp dụng cho máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc [5]. Lê Duy Khánh và Dương Hoài Nghĩa, “Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”, đã giới thiệu phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) dựa trên nguyên tắc mô hình nội bộ, được hình thành 1982 và đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ngày nay. Mô hình nội được sử dụng để thiết kế các thông số của bộ điều khiển cho DFIG. Quá trình thiết kế chi tiết được mô tả và kết quả mô phỏng được đưa ra cho thấy tính phù hợp của phương pháp điều khiển [6]. Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu giải thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của mô hình hệ thống điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam
5 châm vĩnh cửu. Nghiên cứu đánh giá rằng đây là giải thuật tương đối đơn giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá phổ biến [7]. Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy thực hiện điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng. Trong nghiên cứu này, tác giả cũng thực hiện điều khiển góc đón gió thông qua việc điều khiển góc cánh quạt sao cho hệ thống điện gió có thể thu được nhiều năng lượng nhất. Máy phát điện gió được sử dụng trong hệ thống điện gió nghiên cứu là máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép [8]. Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật toán MPPT tối ưu công suất cho máy phát năng lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thông minh", Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã giới thiệu một giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại mà được kết hợp với công cụ điều khiển thông minh mạng nơ-rôn để tối ưu công suất phát của máy phát điện gió DFIG [9]. Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, đã tìm hiểu giải thuật điều khiển sao cho công suất phát của máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cực đại trên cơ sở điều chỉnh tốc độ rotor và giải thuật P&O cải tiến. Giải thuật cải tiến sử dụng thông số độ dốc của điện áp DC-link để phát hiện sự thay đổi nhanh chóng của tốc độ gió và điều khiển bộ biến đổi công suất theo chế độ bước nhẩy thay đổi [10]. D. Kumar và K. Chatterjee, “A review of conventional and advanced MPPT algorithms for wind energy systems”, đã tổng quan các giải thuật bám điểm công suất cực đại cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió. Các ưu điểm và khuyết điểm của mỗi giải thuật được trình bày trong nghiên cứu này. Các giải thuật bám điểm công suất cực đại được phân loại theo các đo lường công suất mà được dựa trên các bộ điều khiển công suất trực tiếp hoặc gián tiếp. Việc so sánh giữa các giải thuật thông qua các tiêu chí về tính phức tạp, yêu cầu tốc độ gió ngõ vào, các huấn luyện trước khi điều khiển, các đáp ứng về tốc
6 độ, cũng như khả năng đạt được công suất ngõ ra cực đại. Có thể nhận thấy rằng nghiên cứu này như là một tài liệu tham khảo chuẩn cho việc lựa chọn giải thuật bám điểm công suất cực đại của một hệ thống biến đổi năng lượng gió cụ thể [11]. K. Vigneswaran và P. S. Kumar, "Maximum power point tracking (MPPT) method in wind power system" đã giới thiệu một giải thuật điều khiển thích nghi, tìm kiếm leo đồi cải tiến (Hill Climb Search, HCS) để bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió trong các điều kiện gió thay đổi khác nhau và quá trình bám tăng tốc theo thời gian. Thuật toán được giới thiệu trong nghiên cứu này không yêu cầu các đặc tính cơ không tường minh của tuabin như là đặc tính hệ số công suất, đặc tính công suất hoặc đặc tính moment. Ngoài ra, thuật toán cũng sử dụng đặc điểm ghi nhớ để thích nghi cho bất kỳ loại tuabin gió khảo sát nào và phỏng đoán tốc độ rotor tối ưu tương ứng với tốc độ gió mà chưa xảy ra trước đó. Thuật toán được giới thiệu phù hợp cho các hệ thống điện gió nhỏ nối lưới hoặc nối ắc quy [12]. H. G. Jeong, R. H. Seung và K. B. Lee, "An improved maximum power point tracking method for wind power systems", đã giới thiệu một giải thuật bám điểm công suất cực đại cải tiến cho các hệ thống điện gió mà kết hợp điều khiển từ trễ với điều khiển tỷ số tốc độ đầu cánh thông qua đặc tuyến hệ số công suất. Nghiên cứu thực hiện điều khiển tuabin gió 3 kW mà được lắp đặt trong một nhà máy điện gió nhỏ. Một bộ điều khiển dòng điện của bộ biến đổi khuếch đại được thiết kế cho mục tiêu bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió. Một bộ điều khiển từ trễ được thêm vào bộ điều khiển tỷ số tốc độ đầu cánh với mục đích hiểu chỉnh sai số điểm công suất cực đại ở trạng thái xác lập [13]. K. N. Yu và C. K. Liao, “Applying novel fractional order incremental conductance algorithm to design and study the maximum power tracking of small wind power systems” đã giới thiệu giải thuật điện dẫn tăng thứ tự phân đoạn mới (Fractional order incremental conductance algorithm, FOINC) cho thiết kế bám điểm công suất cực đại của các hệ thống điện tuabin gió nhỏ. Giải thuật đề xuất có đáp ứng tức thời ở chế độ quá độ và ổn định ở chế độ xác lập.