Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:120

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là 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 nguồn kép; Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- NGUYỄN VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- NGUYỄN VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
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 PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20... NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN CHUNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ 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 nguồn kép; - Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép; - Mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió và giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: 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 Nguyễn Văn Chung
LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cám ơn Thầy TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em thực hiện Luận văn này. Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho em hoàn thành Luận văn này. Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện Luận văn này. Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi em đang công tác đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành Luận văn này. Nguyễn Văn Chung
i Tóm tắt Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió" mà bao gồm các nội dung như sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Tổng quan - Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió - Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép - Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
ii Abstract The thesis presents issues relating to "Power control of wind energy power systems using doubly-fed induction generators (DFIG)". It consists of the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Literature review - Chapter 3: Wind energy power systems - Chapter 4: Power control of wind energy power systems using doubly- fed induction generators - Chapter 5: Simulation results - Chapter 6: Conclusions and future developments
iii MỤC LỤC Tóm tắt............................................................................................................ i Mục lục ......................................................................................................... iii Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iv Chương 1 - Giới thiệu.................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 3 1.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 4 1.4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 5 1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................... 5 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................... 5 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 6 1.6. Bố cục của luận văn ............................................................................... 7 1.7. Kết luận .................................................................................................. 7 Chương 2 - Tổng quan................................................................................... 8 2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 8 2.2. Nền tảng lịch sử của tuabin gió .............................................................. 9 2.2.1. Lịch sử của cối xoay gió ...................................................................... 9 2.2.2. Tuabin gió .......................................................................................... 10 2.3. Thực trạng năng lượng gió trên thế giới .............................................. 11 2.3.1. Châu Âu ............................................................................................. 12 2.3.2. Bắc Mỹ .............................................................................................. 12 2.3.3. Nam và Trung Mỹ ............................................................................. 12 2.3.4. Châu Á Thái Bình Dương ................................................................. 12 2.3.5. Trung Đông và Châu Phi ................................................................... 13 2.4. Thực trạng năng lượng gió tại Việt Nam ............................................. 13 2.5. Kết luận ................................................................................................ 14
iv Chương 3 - Hệ thống điện năng lượng gió .................................................. 16 3.1. Hệ thống điện ....................................................................................... 16 3.2. Đặc tính của năng lượng gió................................................................. 19 3.2.1. Gió ..................................................................................................... 19 3.2.2. Mô tả vật lý ........................................................................................ 19 3.2.3. Đường cong công suất ....................................................................... 20 3.2.4. Hiện tượng trễ và hiệu quả ngắt mạch............................................... 20 3.3. Hệ thống điện năng lượng gió .............................................................. 21 3.3.1. Giới thiệu ........................................................................................... 21 3.3.2. Phân loại tuabin gió ........................................................................... 29 3.4. Máy phát điện trong hệ thống điện năng lượng gió ............................. 29 3.4.1. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ........... 31 3.4.2. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ........................................................................................................ 32 3.4.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ............................................................................................................... 43 3.4.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong ....................................................................................... 49 Chương 4 - Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ................................ 54 4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 54 4.2. Vector không gian và các phép biến đổi .............................................. 55 4.3. Biểu diễn công suất theo vector không gian......................................... 56 4.4. Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và β .......................................... 58 4.5. Mô hình toán máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...................... 60 4.5.1. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh β ....................... 62 4.5.2. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq ................. 63 4.6. Điều khiển bộ chuyển đổi công suất .................................................... 65 4.6.1. Giới thiệu ........................................................................................... 65 4.6.2. Điều khiển converter phía lưới (Grid Side Control - GSC) .............. 65
v 4.6.3. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC ............... 67 4.6.4. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC với bộ SEQ.............................................................................................................. 69 Chương 5 - Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ................................ 71 5.1. Giới thiệu ............................................................................................. 71 5.1.1. Mô phỏng máy phát điện DFIG ........................................................ 72 5.1.2. Mô phỏng tuabin gió ......................................................................... 74 5.1.3. Mô phỏng các bộ điều khiển ............................................................. 76 5.2. Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12m/s...................................... 77 5.3. Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong trường hợp tốc độ gió thay đổi ........................................................... 86 5.4. Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn .................................................... 94 Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ................................... 89 6.1. Kết luận ................................................................................................ 89 6.2. Hương phát triển tương lai ................................................................... 89 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 90
vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điện gió nối lưới Hình 3.2. Các thành phần cơ bản của tuabin gió Hình 3.3. Bên trong một tuabin phát điện gió Hình 3.4. Bộ điều khiển góc pitch Hình 3.5. Hộp số tuabin gió Hình 3.6. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp Hình 3.7. Thống kê các phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ Hình 3.8. Mặt cắt các máy điện Hình 3.9. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện Hình 3.10. Máy phát điện không đồng bộ Hình 3.11. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ Hình 3.12. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc Hình 3.13. Vỏ máy Hình 3.14. Cấu tạo lõi thép stator Hình 3.15. Dây quấn stator Hình 3.16. Sơ đồ khai triển dây quấn stator Hình 3.17. Lõi thép rotor Hình 3.18. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn Hình 3.19. Thanh dẫn của rotor lồng sóc Hình 3.20. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ Hình 3.21. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ Hình 3.22. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép Hình 3.23. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép Hình 3.24. Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong
vii Hình 4.1. Nguyên lý vector không gian Hình 4.2. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và αβ Hình 4.3. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq Hình 4.4. Mối liên hệ giữa trục tọa độ αβ và dq Hình 4.5. Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y Hình 4.6. Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor Hình 4.7. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục αβ Hình 4.8. Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq Hình 4.9. Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới Hình 4.10. Mô hình điều khiển DFIG Hình 4.11. Vector định hướng từ thông DFIG với thành phần thứ tự thuận và nghịch Hình 5.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện DFIG Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG Hình 5.3. Sơ đồ mô phỏng tuabin gió Hình 5.4. Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển Hình 5.5. Sơ đồ mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng DFIG với tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.6. Tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.7. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.8. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.9. Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.10. Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
viii Hình 5.11. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.12. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.13. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.14. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.15. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s Hình 5.16. Góc cánh tuabin gió Hình 5.17. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió Hình 5.18. Tốc độ gió thay đổi Hình 5.19. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.20. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.21. Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.22. Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.23. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.24. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.25. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.26. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.27. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.28. Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
ix Hình 5.29. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.30. Tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.31. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.32. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.33. Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.34. Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.35. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.36. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.37. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.38. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.39. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.40. Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.41. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn
1 Chương 1 Giới thiệu Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi Quốc gia, là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân và cũng chính là yếu tố đầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác, có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đời sống người dân ngày càng được cải thiện, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao. Trước tình trạng nguồn năng lượng truyền thống không tái tạo như dầu mỏ, than, khí đốt,… đều đang đứng trước những cảnh báo cạn kiệt buộc nhân loại phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay, nước ta đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng. Qua nhiều hội thảo, hội nghị về năng lượng, qua trao đổi với nhiều nhà khoa học, cho thấy còn vài thập niên nữa, năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt sẽ bị cạn kiệt, loài người sẽ lâm vào tình trạng khủng hoảng năng lượng trầm trọng. Việt Nam không thể tránh khỏi nguy cơ do thiếu hụt năng lượng sắp đến gần. Thực tế, lũ lụt vừa qua bộc lộ nhiều bất cập về thủy điện. Năng lượng thủy điện ta đã khai thác tối đa. Nhiều trạm thủy điện lớn, nhỏ chiếm 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. Các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang dần cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung lại không ổn định. Trong khi năng
2 lượng hạt nhân còn quá mới đối với nước ta. Bất lợi là chúng ta phải dùng ngoại tệ nhập khẩu toàn bộ 100% về thiết bị, kỹ thuật, nhiên liệu uranium, thuê chuyên gia, ở trong nước chưa chế tạo được nhiên liệu hạt nhân, mua nhiên liệu rất đắt, không chủ động được, lại thêm dễ gây sự cố, ô nhiễm môi trường sinh thái, mất an toàn từ khâu khai thác, chế biến đến cất dấu chất thải hạt nhân. Từ các vấn đề nêu trên, trong tương lai chúng ta sẽ không thể bảo đảm an ninh năng lượng và có nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng nếu cứ duy trì sản xuất điện như hiện nay, cũng như không thể đạt được mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đến năm 2020. Có thể nhận thấy rằng, khi năng lượng điện không đáp ứng được nhu cầu thì công, nông, ngư nghiệp, chế biến và khai thác sẽ bị tụt hậu, đời sống vật chất và tinh thần sút kém mà sẽ dẫn đến các bất ổn cho đời sống và xã hội. Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, những 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 những loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường,… Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió được coi là một nguồn năng lượng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai. Hệ thống điện sử dụng năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn,…với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng gió với hơn 3.200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ được khuyến khích áp dụng trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất [1]. Góp phần trong vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu điều khiển công suất khi sử dụng hệ thống điện năng lượng gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió”.
3 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Thế kỷ 20 đã trải qua với nhiều tiến bộ vượt bậc của loài người. Trong đó, con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàng những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng những nhu cầu không ngừng của con người. Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, con người 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 thế kỷ 21, con người phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu chẳng hạn như năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,… Trong đó, vấn đề năng lượng vẫn là vấn đề được xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ này. Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những hiểm họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột. Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển kinh tế và sinh hoạt ngày càng lớn làm cho kinh tế chậm phát triển dẫn đến những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế, bất ổn chính trị xảy ra nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh. Biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng nhiều, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát. Các số liệu trong “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 36.000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng – gấp đôi con số hiện tại. Như vậy, 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
4 lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [2]-[3]. 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 như Trung Quốc và Ấn Độ, hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [3]. Về mặt chính trị, tình hình không ổn định của các nước đang sở hữu hơn 70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên, đều tập trung ở những khu vực nhiều bất ổn nhất thế giới như Trung Đông, Nga và Trung Á dẫn đến giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt tăng cao. Từ những vấn đề trên, để đảm bảo nguồn cung năng lượng cho nhân loại và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,…và những nguồn năng lượng khác. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới các năng lượng tái sinh đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu, sử dụng ngày càng nhiều [1]. Như vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà cần phải được quan tâm đúng mức trên toàn cầu. Trong số những nguồn năng lượng đó năng lượng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luôn được đánh giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển tối ưu bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió. Đây chính là vấn đề cần thiết được đặt ra và cũng là vấn đề chính sẽ được quan tâm và giải quyết trong luận văn này. 1.3. Mục tiêu của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển công suất của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
5 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 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 công suất của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép; - Mô phỏng giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. 1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Hiện nay, thế giới đang hướng tới việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho việc sử dụng năng lượng truyền thống đang cạn kiệt. Lý do chủ yếu sử dụng năng lượng tái tạo là để bảo vệ hành tinh xanh, nơi mà con người và tất cả các sinh vật khác đang tồn tại. Hơn thế nữa, năng lượng tái tạo không những thân thiện với môi trường mà còn không phải chịu những chi phí về nhiên liệu đầu vào, ít phải bảo trì và đặc biệt là vô tận. Một trong những nguồn năng lượng tái tạo chính là năng lượng gió. Nguồn năng lượng này tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự vận chuyển của trái đất và do mặt đất lồi lõm. Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió. Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quay các turbine và sẽ tạo ra điện năng. 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Morten Lindholm, “Modelling and Impact on power system dynamic”, Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, năm 2003 đã nguyên cứu mô hình điều khiển từ thông máy phát điện gió và đưa ra mô hình trong phòng thí nghiệm với công suất máy 40 kW [10]. Anca D. Hansen, Florin Iov, Poul Sørensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch, Frede Blaabjerg group, “Dynamic wind turbine models in