Ứng dụng logic mờ điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO<br /> TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ<br /> NGUỒN KÉP<br /> Lê Kim Anh*<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn<br /> năng lượng gió nói riêng để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm<br /> sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Để<br /> điều khiển tuabin gió vận hành được tối ưu với vận tốc gió nhất định, thì hệ thống phải tự điều chỉnh<br /> theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Công nghệ sử dụng các bộ điều khiển kinh điển còn gặp<br /> nhiều hạn chế trong hệ thống điều khiển tự điều chỉnh. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng<br /> điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed<br /> Induction Generator – DFIG) theo giải thuật logic mờ nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ<br /> thống bất chấp tải nối với hệ thống.<br /> Từ khóa: Năng lượng gió; tuabin gió; tuabin gió nối lưới; máy phát điện không đồng<br /> bộ nguồn kép; logic mờ.<br /> <br /> CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR WIND TURBINE<br /> FOR GRID CONNECTING USING FUZZY LOGIC<br /> ABSTRACT<br /> The research of using and exploiting effectively renewable energy sources in general<br /> and solar energy sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change<br /> and dependance on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing<br /> environmental pollution. For the purpose of operating efficiently of wind turbine at a certain wind<br /> velocity, the system must function and be self-adjusted to the change of wind speed and direction.<br /> Controlling technology based on classical controllers still have many drawbacks in self-adjusted<br /> controlling. The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind<br /> turbine using Doubly Fed Induction Generator (DFIG), applied fuzzy logic algorithm to maintain<br /> maximum capacity of the systems with disregard of connected power loads.<br /> Key words:<br /> <br /> Wind energy; Wind Turbine;<br /> <br /> grid connected wind turbine;<br /> <br /> Induction Generator; Fuzzy logic.<br /> *<br /> <br /> GV. Khoa điện – điện tử, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa. Tỉnh Phú Yên.<br /> Email:tdhlekimanh@gmail.com<br /> <br /> 84<br /> <br /> Doubly Fed<br /> <br /> Ứng dụng logic . . .<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của<br /> thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con<br /> người ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái<br /> tạo nói chung và nguồn năng lượng gió nói<br /> riêng là nguồn năng lượng sạch, không gây ô<br /> nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ<br /> lượng năng lượng gió ở nước ta rất lớn. Theo<br /> số liệu của ngân hàng thế giới, tiềm năng gió<br /> của Việt Nam (ở độ cao 65m) rất khả quan, ước<br /> đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà<br /> máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công<br /> <br /> suất dự báo của ngành điện đến năm 2020.<br /> Theo [1], đây sẽ là nguồn năng lượng tiềm<br /> năng đáng kể có thể khai thác và bổ sung cho<br /> nguồn điện lưới quốc gia, thay thế dần các<br /> nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn<br /> kiệt, cải thiện được môi trường sống đang là<br /> mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Việc<br /> ứng dụng logic mờ điều kiển nối lưới cho<br /> tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng<br /> bộ nguồn kép (DFIG) nhằm hướng đến phát<br /> triển lưới điện thông minh và điều khiển linh<br /> hoạt các nguồn năng lượng tái tạo.<br /> <br /> Bảng 1. Tiềm năng gió của Đông Nam Á ở độ cao 65m[1]<br /> <br /> 2. Hệ thống điều khiển nối lưới tuabin<br /> gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ<br /> nguồn kép (DFIG)<br /> Theo [2], hệ thống điều khiển nối lưới<br /> tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng<br /> bộ nguồn kép (DFIG) bao gồm các thành phần<br /> cơ bản, như hình 1. Hệ thống tuabin gió, với<br /> <br /> phía stator được nối trực tiếp lưới điện, phía<br /> rotor được nối qua hai bộ biến đổi. Bộ biến<br /> đổi phía rotor (AC/DC) cho điện áp ra một<br /> chiều (DC), bộ biến đổi phía lưới (DC/AC)<br /> đưa ra điện áp xoay chiều (AC) nối lưới, hai<br /> bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch<br /> một chiều trung gian.<br /> <br /> 85<br /> <br /> Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy<br /> phát điện DFIG [2]<br /> 2.1. Nguồn gió<br /> Theo [3], năng lượng gió là nguồn năng<br /> lượng do chuyển động của không khí với một<br /> vận tốc trong một thời gian nhất định. Theo<br /> định luật Betz (nhà vật lý người Đức – Albert<br /> <br /> Betz 1885 – 1968) về động lực học khí quyển<br /> thì năng lượng gió này không thể chuyển tất<br /> cả sang một loại năng lượng khác. Cơ năng E<br /> của một khối lượng không khí m chuyển động<br /> với vận tốc v là:<br /> <br /> Công suất P thu được phụ thuộc vào khối<br /> lượng không khí chuyển động, vận tốc gió,<br /> <br /> mật độ không khí ρ, tiết diện A của vòng quay<br /> cánh quạt.<br /> <br /> 2.2. Mô hình tuabin gió<br /> Theo [4], công suất của tuabin gió được tính theo biểu thức:<br /> Pm = C p (l , b )<br /> 86<br /> <br /> rA<br /> 2<br /> <br /> v 3 (3)<br /> <br /> Ứng dụng logic . . .<br /> <br /> thức (3) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan<br /> trọng nhất của công suất; công suất đầu ra<br /> tăng theo lũy thừa 3 vận tốc. Hệ số biến đổi<br /> năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (3) theo [5],<br /> được tính như sau:<br /> <br /> Trong đó: Pm: Công suất đầu ra của tuabin<br /> (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ<br /> số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β); A:<br /> Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2); ρ: Mật<br /> độ của không khí, ρ = 1.255 (kg/m3). Từ biểu<br /> <br /> Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Cp và λ, như hình 3.<br /> <br /> Rω<br /> trong đó ω tốc độ quay<br /> v<br /> của tuabin, R bán kính của tuabin, v vận tốc của gió. Mômen của tuabin gió được tính như sau:<br /> <br /> Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là: l =<br /> <br /> Mặt khác, tuabin gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào<br /> tốc độ của gió. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Pm và vận tốc gió (v), như hình 4.<br /> <br /> Hình 4. Đường cong mối quan hệ giữa Pm và v[5]<br /> 87<br /> <br /> Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> Từ các biểu thức (3), (4), (5), (6) đã phân tích ở trên, mô hình tuabin gió được xây dựng trên<br /> Matlab/Simulink với thông số đầu vào tốc độ gió, tốc độ của máy phát điện và thông số đầu ra<br /> mômen, như hình 5.<br /> <br /> Hình 5. Mô hình tuabin gió<br /> <br /> 2.3. Mô hình máy phát điện DFIG<br /> Mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) có hai loại hệ trục tọa độ được sử<br /> dụng: Hệ tọa độ αβ gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa theo điện áp<br /> stator, được lựa chọn để phát triển mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển cho<br /> máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, như hình 6.<br /> Trong đó:<br /> <br /> ωs: là tốc độ góc của stator, ωr: là tốc độ góc mạch điện rotor (ωr= ωs- ωm), ωm: là tốc độ góc<br /> cơ của rotor.<br /> Theo [6], phương trình điện áp trên stator và rotor trong hệ tọa độ dq được tính như sau:<br /> Mặt khác, từ thông của stator và rotor ở biểu thức (7) và (8) được tính như sau:<br /> <br /> ψ s = is Ls + ir Lm (9)<br /> ψ r = ir Lr + is Lm (10)<br /> với Lm: là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và Ls, Lr: là các điện cảm của stator và<br /> rotor. Từ các biểu thức (7), (8), (9) và (10) đã phân tích ở trên, ta viết lại như sau:<br /> <br /> 88<br /> <br />