Điều khiển tối ưu công suất phát hệ thống điện Tuabin gió nối lưới
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT HỆ THỐNG ĐIỆN
TUABIN GIÓ NỐI LƯỚI
OPTIMAL POWER CONTROL OF GRID-CONNECTED WIND TURBINE POWER
SYSTEMS
Trần Minh Tuấn
Công Ty CP GSXD Sꢀi Gꢁn Trưꢂng An
TÓM TẮT
Nội dung nghiên cứu của bài báo tìm hiểu về ngꢀnh năng lượng điện thưꢂng 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 ngꢀy cꢀng tăng cao trong
các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, đꢂi sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi
đó, sự cạn kiệt đáng báo động của các nguồn nhiên liệu đầu vꢀo 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 cưꢂng khai thác và sử dụng hiệu
quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trꢂi, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… lꢀ 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 vꢀ ngoꢀi nước. Việc nghiên cứu khai thác tối ưu công suất hệ thống điện gió là rất cần thiết.
Từ khóa: Điều khiển tối ưu công suất, hệ thống điện tuabin gió nối lưới
ABSTRACT
The research content of the article explores 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.
Keywords: Optimal power control, grid-connected wind turbine power systems
1. GIỚI THIỆU
lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng
lượng thủy triều,… lꢀ 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 trưꢂng,
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 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 trưꢂng, 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 bꢂ biển. Do đó, việc sử
dụng năng lượng gió trong sản xuất năng
lượng điện tại Việt Nam sẽ hoàn toàn khả thi
vꢀ 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, ngꢀy 18 tháng 03 năm 2013, về
một số vấn đề cấp bách trong lĩnh vực bảo vệ
môi trưꢂng [1]. Trong nghị quyết này, có nội
dung tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi
trưꢂng, ưu tiên phát triển nguồn năng lượng
sạch, năng lượng tái tạo hướng tới phát triển
nền kinh tế xanh. Đồng thꢂi, giải pháp cũng
theo đúng tinh thần của Quy hoạch điện VII có
điều chỉnh, công suất theo nguồn năng lượng
tái tạo lꢀ 21% vꢀ điện năng theo nguồn năng
lượng tái tạo lꢀ 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
Năng lượng điện có vai trò vô cùng quan trọng
trong việc thúc đẩy sự phát triển về kinh tế,
chính trị, văn hóa vꢀ xã hội của một Quốc gia.
Gần đây, ngꢀnh năng lượng điện thưꢂng 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
cꢀng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau
như công nghiệp, nông nghiệp, đꢂi sống sinh
hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt
đáng báo động của các nguồn nhiên liệu đầu
vꢀo như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ
cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà
máy nhiệt điện. Thêm vꢀo đó, năng lượng điện
được sản xuất từ các nhà máy thủy điện mꢀ 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 trưꢂng 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 vưꢂn, 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 vꢀ
thử thách được đặt ra, các nhà khoa học đã tích
cực nghiên cứu vꢀ đề xuất các giải pháp. Một
trong số đó, giải pháp tăng cưꢂng khai thác và
sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo
như năng lượng gió, năng lượng mặt trꢂi, năng
cần thiết. Đây cũng lꢀ lý do chính cho việc này, Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió
chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu công suất lớn nhất trong khu vực so với các nước láng
phát hệ thống điện tuabin gió nối lưới”.
giềng như Campuchia, Lꢀo vꢀ Thái Lan. Hơn
thế nữa, vùng duyên hải Miền Nam và Nam
Trung bộ của Việt Nam đặc biệt hứa hẹn về
tiềm năng khai thác năng lượng gió vì vận tốc
gió rất cao và mật độ dân cư thưa thớt. Trong
đó, 8,6% tổng diện tích được đánh giá là có
tiềm năng từ cao đến rất cao cho việc phát
triển các tuabin gió công suất lớn với vận tốc
gió lớn hơn 7 m/s. Theo bản đồ phân bố các
cấp tốc độ gió của khu vực Đông Nam Á, do tổ
chức True Wind Solutions LLC (Mỹ), khu vực
ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây
Nguyên, dãy Trưꢂng Sơn phía Bắc Trung bộ,
nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7 - 9 m/s, có thể
phát điện với công suất lớn nối lưới điện quốc
gia. Hầu hết, vùng ven biển còn lại trên lãnh
thổ, vùng núi,… tốc độ gió đạt từ 5 - 6 m/s, có
thể khai thác gió kết hợp với máy phát điện
Diesel. Tuy nhiên, để khuyến khích đầu tư về
năng lượng gió cần có các chính sách về năng
lượng tái tạo, mạng lưới điện,... nhằm thu hút
vốn cho các nhꢀ máy điện gió. Tổng tiềm năng
về năng lượng gió của Việt Nam được ước tính
là 513.360 MW cao gấp 6 lần công suất dự
kiến của ngꢀnh điện Việt Nam vꢀo năm 2020.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu
Năng lượng gió có nguồn gốc từ nguồn năng
lượng mặt trꢂi và là một trong các nguồn năng
lượng thiên nhiên mꢀ đang được đặc biệt quan
tâm liên quan đến nhu cầu năng lượng tương
lai của thế giới. Hiện tại, năng lượng gió đã
mang đến nhiều hứa hẹn, đặc biệt trong lĩnh
vực sản xuất năng lượng điện. Tuy nhiên, nếu
muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng
lượng nꢀy trong tương lai, các nhꢀ khoa học
cần nghiên cứu nhiều hơn để hoàn chỉnh các
công nghệ khai thác và sử dụng. Năng lượng
gió được dựa trên nguyên lý là gió sẽ tạo ra sức
quay các tuabin vꢀ sau đó, sẽ tạo ra năng lượng
điện. Các yếu tố hình thành nên nguồn năng
lượng gió bao gồm: sự hâm nóng bầu khí
quyển quanh mặt trꢂi, sự chuyển vận của trái
đất và sự lồi lõm của mặt đất. Các ưu vꢀ nhược
điểm của nguồn năng lượng gió có thể được
liệt kê vꢀ phân tích như sau:
2.2. Năng lượng gió trên thế giới [16], [21]
Năng lượng gió phát triển nhanh vào những
năm 1990. Tuy nhiên, năng lượng gió có sự
phân bố không đồng đều trên thế giới. Đến
cuối năm 2012, khoảng 76% công suất là ở
Châu Âu, 18% ở Nam Mỹ và 8% ở Châu Á
Thái Bình Dương.
2.3. Năng lượng gió tại Việt Nam [21]
Việt Nam được ước tính có tiềm năng rất lớn
về năng lượng gió với tổng diện tích vùng lãnh
thổ có tiềm năng khai thác xấp xỉ 9% tổng diện
tích quốc gia. Nằm trong vùng khí hậu nhiệt
đới gió mùa với đưꢂng bꢂ biển dꢀi hơn 3200
km. Vì vậy, Việt Nam có lợi thế rất lớn về phát
triển năng lượng gió. Ngân hàng thế giới đã
tiến hành một khảo sát chi tiết về năng lượng
gió ở vùng Đông Nam Á (SEA) bao gồm cả
Việt Nam trong chương trình năng lượng bền
vững và thay thế. Theo kết quả của nghiên cứu
Hình 2.2. Điện gió Phú Quý, Bình Thuận
Hình 2.1. Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận
Nhꢀ máy điện gió đảo Phú Quý là công trình
có 3 turbin gió, tổng công suất 6 MW với tổng
mức đầu tư trên 335 tỉ đồng. Đến nay, các hạng
mục công trình đã hoꢀn thꢀnh bao gồm cả trạm
biến áp 22 kV vꢀ đưꢂng dây 22 kV. Hệ thống
đo điện năng, hệ thống cáp quang cũng đã
được lắp đặt hoàn chỉnh. Các turbin gió vận
hành bảo đảm các thông số kỹ thuật. Theo
Công ty TNHH MTV Năng lượng tái tạo Điện
lực Dầu khí Việt Nam (PVPower RE), đây lꢀ
hệ thống hỗn hợp điện gió - diesel đầu tiên của
Việt Nam và trên thế giới cũng chưa có hệ
thống tương tự, chính vì vậy công tác thiết kế
hệ thống gặp nhiều khó khăn. Do đó, cần thêm
thꢂi gian vận hành thử nghiệm để điều chỉnh
độ chính xác tối đa. Điện từ năng lượng gió
của Nhꢀ máy điện gió Phú Quý sẽ hòa cùng
điện của Nhꢀ máy điện Diesel hiện tại ở đảo.
Khi vận hꢀnh, thì đảo Phú Quý sẽ được cung
cấp điện chính thức 24/24 giꢂ. Dự kiến điện
gió Phú Quý sẽ cung cấp sản lượng điện bình
quân là 25 triệu kWh/năm. Trước đây, nguồn
điện trên đảo Phú Quý chủ yếu được cung cấp
từ Nhꢀ máy điện Diesel của Công ty Điện lực
Bình Thuận, với tổng công suất 3.000 kW, chỉ
phát điện được 16 giꢂ/ngày (từ 7 giꢂ 30 đến 23
giꢂ 30), lượng điện hꢀng năm ước khoảng 8,2
triệu kWh/năm. Nhꢀ máy điện gió Phú Quý đi
vào hoạt động sẽ góp phần giải quyết tình hình
thiếu điện sinh hoạt và sản xuất cho 27.000
ngưꢂi dân trên đảo. Công trình điện gió Phú
Quý do PVPower RE khởi công xây dựng vào
cuối năm 2010.
Ngày 17/1/2016 vừa qua, tại thành phố Bạc
Liêu đã tổ chức Lễ khánh thꢀnh Nhꢀ máy điện
gió Bạc Liêu lớn nhất nước ta hiện nay. Nhà
máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây
dựng - Thương mại - Du lịch Công Lý làm chủ
đầu tư được triển khai xây dựng ven biển Bạc
Liêu với toàn bộ các tuabin được đặt dọc theo
đê biển Đông, kéo dꢀi từ phưꢂng Nhꢀ Mát đến
ranh giới tỉnh Sóc Trăng vꢀ chiếm tổng diện
tích khoảng 1.300 ha. Dự án xây dựng nhà
máy được chính thức khởi công vào ngày
9/9/2010. Sau 5 năm triển khai, dự án hoàn
thành, nhà máy có 62 tuabin gió, mỗi tuabin
gió có công suất gần 1,6 MW, tổng công suất
đạt được gần 99,2 MW vꢀ điện lượng sản xuất
hꢀng năm khoảng 320 triệu kWh/năm. Tổng
mức đầu tư của dự án là 5.217 tỷ đồng, bằng
nguồn vốn tự có của chủ đầu tư vꢀ nguồn vốn
vay tín dụng đầu tư của Nhꢀ Nước. Mỗi tuabin
gió có chiều cao 82,5 m; đưꢂng kính 4 m; làm
bằng thép đặc biệt không gỉ vꢀ được sản xuất
tại Mỹ. Tuabin có 3 cánh quạt với chiều dài
mỗi cánh 42 m, làm bằng nhựa đặc biệt, có hệ
thống điều khiển giúp cánh quạt tự gập lại khi
gặp thꢂi tiết xấu như bão lớn phù hợp với chế
độ gió cấp III tại khu vực ven biển Tỉnh Bạc
Liêu. Đây lꢀ loại tuabin gió do tập đoꢀn
General Electric của Hoa kỳ cung cấp với
công nghệ tiên tiến đang được ứng dụng rộng
trên thế giới. Với công suất đạt gần 100 MW
(chính xác 99,2 MW), Nhꢀ máy điện gió Bạc
Liêu lꢀ nhꢀ máy điện gió lớn nhất ở nước ta
hiện nay. Đặc thù của dự án xây dựng nhà máy
điện gió là ngay trong quá trình xây dựng, mỗi
tuabin gió được lắp dựng đều có thể đấu nối và
hꢁa điện vꢀo lưới điện quốc gia; tức phát huy
ngay được hiệu quả đầu tư. Tính từ trụ tuabin
gió đầu tiên được hꢁa vꢀo lưới điện quốc gia
tháng 5/2013 đến thꢂi điểm khánh thành dự án
vào tháng 1/2016, tổng sản lượng điện hòa vào
lưới quốc gia trong giai đoạn đầu tư xây dựng
là 130 triệu kWh điện, doanh thu từ bán điện là
150 tỷ đồng, đóng góp ngân sách được 15 tỷ
đồng. Nhꢀ máy điện gió Bạc Liêu chưa dừng
lại ở đây. Tiếp theo, sau khi khánh thành giai
đoạn 1, chủ đầu tư sẽ xúc tiến lập báo cáo tiền
khả thi triển khai giai đoạn tiếp theo với 71 trụ
tuabin gió mới (loại 2 MW/trụ) và tổng công
suất 142 MW, tổng mức đầu tư dự kiến 8.850
tỷ đồng, thꢂi gian thực hiện 36 tháng. Dự kiến
cuối năm 2018 sẽ hoàn thành xây dựng vꢀ đưa
toàn bộ các tuabin mới vào vận hành và hòa
vào hệ thống điện lưới Quốc gia.
Hình 2.4. Điện gió Bạc Liêu
2.4. Công suất gió [16], [21]
Tương ứng với các điều kiện nhiệt độ khác
nhau, các khối khí sẽ chuyển động. Sự di
chuyển của khối khí có thể là hiện tượng toàn
cầu mang tính chất vùng và khu vực. Tuabin
gió tận dụng năng lượng gió ở gần mặt đất.
Điều kiện gió ở khu vực này bị ảnh hưởng bởi
sự chuyển đổi năng lượng từ những luồng gió
cao đến tầng thấp hơn. Ở những nơi mặt đất gồ
gề, các luồng gió gần mặt đất sẽ bị thay đổi bất
thưꢂng. Cao điểm của sự thay đổi bất thưꢂng
chính là do bão.
Công suất gió được biểu diễn như sau:
1
P AV 3
(2.1)
W
2
Trong đó:
A: Diện tích quét của cánh tuabin gió (m2);
ρ: Tỷ trọng không khí (kg/m3);
V: Tốc độ gió (m/s).Giá trị năng lượng từ gió
thay đổi với lũy thừa 3 của tốc độ gió. Điều
nꢀy có nghĩa rằng, khi tăng 10% tốc độ gió sẽ
thu được 30% giá trị năng lượng gió.
Đưꢂng cong công suất của tuabin gió tuân
theo mối quan hệ giữa tốc độ gió lúc tuabin bắt
đầu hoạt động và công suất định mức. Tuabin
gió thưꢂng đạt công suất định mức khi tốc độ
gió khoảng từ 12 - 16 m/s. Khi tốc độ gió lớn
hơn tốc độ giới hạn, công suất cực đại sẽ bị
giới hạn hoặc phần năng lượng từ gió sẽ trở
nên thừa thải. Đưꢂng cong công suất còn phụ
thuộc vào áp suất không khí. Với đưꢂng cong
của tốc độ gió cố định, tuabin gió có thể bị ảnh
hưởng bởi tần số của hệ thống. Đưꢂng cong
công suất của nông trại gió không phải là
đưꢂng cong của một tuabin ở nông trại này mà
phải xem xét thêm các yếu tố khác như hiệu
ứng màn chắn hay hiệu ứng dꢁng đuôi của
tuabin.
Nếu những tuabin ở hꢀng đầu của dãy tuabin
đón gió trực tiếp vꢀ đạt được tốc độ là 15 m/s,
thì các tuabin ở hàng sau cùng chỉ đạt được tốc
độ lꢀ 10 m/s. Do đó, những tuabin ở hꢀng đầu
sẽ hoạt động với công suất định mức. Trong
khi đó, các tuabin ở hàng sau cùng sẽ hoạt
động với công suất nhỏ hơn định mức. Nếu tốc
độ gió vượt qua tốc độ đóng mạch cho phép thì
tuabin sẽ tắt và ngừng sản xuất điện. Điều này
có thể xảy ra trong lúc bão. Nếu tốc độ gió
dưới tốc độ đóng mạch tối thiểu thì tuabin sẽ
không khởi động lại ngay lập tức. Để được
khởi động lại, tuabin gió thưꢂng cần một tốc
độ gió khoảng 3 - 4 m/s.
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện
tuabin gió sử dụng máy phát điện DFIG
3.2. Mô phỏng máy phát điện DFIG
Máy phát điện DFIG được mô phỏng theo các
phương trình toán học sau đây:
Phương trình chuyển đổi hệ trục tọa độ abc
sang hệ trục tọa độ dq:
2.5. Hệ thống điện gió
2
(3.
vd v cos v cos 2 / 3 v cos 2 / 3
a
d
b
d
c
d
Một hệ thống điện năng lượng gió gồm nhiều
thành phần hoạt động song song với nhau như
sau:Tuabin gió;Máy phát điện; Bộ phận điều
hướng đón gió;Cơ cấu truyền động cơ khí; Bộ
phận điều khiển và các cảm biến tốc độ. Trong
hệ thống điện gió hiện đại, có thể thêm các
thành phần sau:Bộ phận điều khiển với sự hỗ
trợ của máy tính; Lưu trữ điện để đáp ứng cho
tải trong trưꢂng hợp làm việc độc lập; Đưꢂng
truyền kết nối với mạng lưới khu vực.
3
1)
2
(3.2)
vq va sind v sin 2 / 3 v sin 2 / 3
b
d
c
d
Phương trình chuyển đổi hệ trục tọa độ dq
sang hệ trục tọa độ abc:
va vd cosd vq sind
(3.3
vb vd cos(d 2 / 3) vq sin(d 2 / 3)
(3.4)
vc vd cos(d 2 / 3) vq sin(d 2 / 3)
(3.5)
Phương trình cưꢂng độ dꢁng điện stator và
rotor trong hệ trục tọa độ dq:
3.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Giới thiệu
Các kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất phát
của hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát
điện không đồng bộ nguồn kép, DFIG đã được
trình bꢀy trong chương trước. Các mô phỏng
máy phát điện không đồng bộ nguồn kép,
DFIG và các kỹ thuật điều khiển tối ưu công
suất của hệ thống điện tuabin gió được giới
thiệu, xây dựng trong chương nꢀy thông qua
phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab.
Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện tuabin gió sử
dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
(DFIG) được biểu diễn như Hình 4.1.
Lr (vds Rsids sqs ) Lm (vdr Rridr rqr )
dids
dt
2
LsLr Lm
(4.6)
diqs Lr (vqs Rsiqs sds ) Lm (vqr Rriqr rdr )
2
dt
LsLr Lm
(3.7)
Ls (vdr Rridr rqr ) Lm (vds Rsids sqs )
didr
dt
2
LsLr Lm
(3.8)
diqr Ls (vqr Rriqr rdr ) Lm (vqs Rsiqs sds )
2
dt
LsLr Lm
(3.9)
Phương trình từ thông stator và rotor:
(3.10)
ds Lsids Lmidr
(3.11)
qs Lsiqs Lmiqr
dr Lridr Lmids (4.12)
(3.13)
qr Lriqr Lmiqs
1
1
0.035
i
0.089 3 1
2
2
(3.14)
s
ds
qs
2
2
(3.20)
(3.15)
r
dr
qr
Phương trình moment điện từ:
Moment tuabin gió:
3
(3.16)
C ,
C ,
Te pLm (idriqs iqrids )
p
p
P
1
2
1
2
3
2
T
R2vw
R3vw
turb
2
turb
turb
turb
Phương trình vận tốc rotor:
(3.21)
dr
dt
P
(3.17)
(Te TL )
J
Phương trình vận tốc tuabin gió:
Sơ đồ mô phỏng máy phát điện DFIG
trong hệ trục tọa độ dq được biểu diễn như
Hình 4.2-4.3.
d
dt
d
1
Jturb
(3.22)
T K B
turb
turb
s
(3.23)
dt
Phương trình vận tốc máy phát:
d
1
1
g
K B T
e
s
dt
JG
n
gear
(4.24)
g
Trong đó:
(4.25)
turb
ngear
g
Hình 3.2. Khối máy phát điện DFIG
(4.26)
turb
ngear
3.4. Mô phỏng các bộ điều khiển
Phương trình công suất tác dụng và công suất
phản kháng phía stator:
3
(3.27)
(3.28)
P vdsids vqsiqs
s
2
3
Qs vqsids vdsiqs
2
Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng máy phát điện
DFIG
3.3. Mô phỏng tuabin gió
Tuabin gió được mô phỏng trên cơ sở các
phương trình toán học sau đây:
Phương trình công suất tác dụng và công suất
phản kháng phía rotor:
3
P
vdridr vqriqr (3.29)
r
2
3
Công suất tuabin gió:
Qr
vqridr vdriqr
(3.30)
1
R2vw3Cp (, )
2
P
turb
2
Sơ đồ chi tiết mô phỏng các bộ điều khiển phía
rotor (Rotor side controller) vꢀ phía lưới (Grid
side controller) được thể hiện như Hình 3.4.
(3.18)
16.5
Trong đó:
1 98
Cp (,)
0,4 5 e
2
i
(3.19)
a) Sơ đồ chi tiết mô phỏng bộ điều khiển phía
Hình 3.6. 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
rotor
Công suất tuabin sinh ra từ năng lượng gió tích
lũy trong cánh quạt tuabin, phụ thuộc vào hiệu
suất tuabin, Cp vꢀ được xác định như sau [13]:
1
(3.31)
P
tuabin R2 vw3 Cp
,
2
b) Sơ đồ chi tiết mô phỏng bộ điều khiển phía
lưới
Trong đó:
: Mật độ không khí (kg/m3);
= 1,225 kg/m3 trong điều kiện nhiệt độ
1500C và áp suất 101,325 kPa [14];
R: Bán kính cánh quạt tuabin (m);
vw: Tốc độ gió (m/s);
Cp(, β): Hiệu suất tuabin.
Hiệu suất tuabin, Cp(, β) lꢀ hꢀm theo tỷ số tốc
độ, vꢀ góc pitch β được biểu diễn như sau
c) Sơ đồ chi tiết mô tả bộ điều khiển
[15]:
Back-to-Back
16,5
i
1 98
Cp
0,4 5 e
(3.32)
Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển
2 i
Trong đó:
3.5. Điều khiển tối ưu công suất phát của hệ
thống điện tuabin gió
1
1
0,035
(3.33)
3
Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống
điện tuabin gió được xây dựng dựa trên kỹ
thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất
(PSF) được biểu diễn như Hình 4.5. Giá trị
công suất tối ưu được xác định bằng thực
nghiệm cho mỗi tuabin ứng với các tốc độ gió
khác nhau. Sau đó, các giá trị này sẽ được lưu
trữ thành một bảng tra (Look-up table).
i
0,089
1
Hiệu suất tuabin, Cp liên hệ đến tỷ số tốc độ,
và ở nhiều góc pitch, β khác nhau nhưng hiệu
suất tuabin đạt giá trị lớn nhất, Cp = 0,47 khi
góc pitch, β = 0 vꢀ tỷ số tốc độ, = 6,76 [16].
Tỷ số tốc độ, được xác định như sau [16]:
tuabin R
(3.34)Trong đó:
vw
tuabin: Vận tốc góc của tuabin (rad/s).
Từ (4.31)-(4.34), thiết lập bảng Lookup table
cho max và Pmax
tương ứng với hiệu
tuabin
tuabin
suất tuabin đạt giá trị lớn nhất, Cpmax = 0,47;
khi góc pitch, β = 0 vꢀ tỷ số tốc độ, = 6,76 tại
các tốc độ gió khác nhau [16]. Các thông số
của máy phát điện (DFIG) được sử dụng trong
mô phỏng bao gồm: Công suất định mức của
máy phát, P = 2.000.000 (W) = 2 (MW); Điện
áp định mức của máy phát, U = 690 (V);
Cưꢂng độ dꢁng điện định mức của máy phát, I
= 1900 (A); Tần số, f = 50 (Hz);
Hình 3.5. Sơ đồ kỹ thuật điều khiển tối ưu
công suất hệ thống điện gió
Điện cảm từ hóa, Lm = 2,48×10-3 (H); Điện
cảm stator, Ls = (0,12×10-3 + Lm) (H); Điện
cảm rotor, Lr = (0,05×10-3 + Lm) (H); Điện trở
stator, Rs = 1,76.10-3 (Ω); Điện trở rotor, Rr =
1,9.10-3 (Ω); Số cặp cực, p = 2.
3.6. Kết quả mô phỏng
tương ứng với tốc độ gió, vw = 2 (m/s)Tương
ứng với tốc độ gió, vw = 2 (m/s), công suất của
máy phát điện DFIG luôn luôn được duy trì tối
ưu bằng việc bám theo công suất cực đại với
kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất,
Hình 4.7 - 4.9.
x 105
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6
3.6.1.2. Tốc độ gió, vw = 4 (m/s)
Tương ứng với tốc độ gió, vw = 4 (m/s), công
suất của máy phát điện DFIG luôn luôn được
duy trì tối ưu bằng việc bám theo công suất
cực đại với kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu
công suất, Hình 4.10 - 4.12.
0
1
2
3
4
5
6
x 105
6.7
Thoi gian, t(s)
6.7
6.7
6.7
6.7
6.7
6.7
6.7
6.7
6.7
6.7
Hình 4.7. Công suất cực đại theo lý thuyết,
PMPP của máy phát điện DFIG với tốc độ gió,
vw = 2 (m/s)
x 106
5
4
3
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
2
Hình 4.10. Công suất cực đại theo lý thuyết,
PMPP của máy phát điện DFIG với tốc độ gió,
vw = 4 (m/s)
1
x 106
5
0
4
3
-1
-2
-3
-4
-5
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
1
1.5
2
2.5
3
Thoi gian, t(s)
0
1
2
3
4
5
6
Hình 4.8. Công suất của máy phát điện DFIG
với tốc độ gió, vw = 2 (m/s)
Thoi gian, t(s)
Hình 4.11. Công suất của máy phát điện DFIG
với tốc độ gió, vw = 4 (m/s)
Hình 4.12. Công suất của máy phát điện DFIG
bám theo công suất cực đại theo lý thuyết
tương ứng với tốc độ gió, vw = 4 (m/s)
x 106
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
Hình 4.9. Công suất của máy phát điện DFIG
bám theo công suất cực đại theo lý thuyết
x 106
x 106
1.34
1.34
1.34
1.34
1.34
1.34
1.34
1.34
1.34
1.34
1.34
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
Hình 4.16. Công suất cực đại theo lý thuyết,
PMPP của máy phát điện DFIG với tốc độ gió,
vw = 8 (m/s)
Hình 4.13. Công suất cực đại theo lý thuyết,
PMPP của máy phát điện DFIG với tốc độ gió,
vw = 6 (m/s)
x 106
6
x 106
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-1
-2
-3
-4
-1
-2
-3
-4
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
Thoi gian, t(s)
Hình 3.14. Công suất của máy phát điện DFIG
với tốc độ gió, vw = 6 (m/s)
Hình 3.17. Công suất của máy phát điện DFIG
với tốc độ gió, vw = 8 (m/s)
x 106
5
x 106
6
4
3
5
4
3
2
2
1
1
0
0
-1
-2
-3
-4
-1
-2
-3
-4
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
Thoi gian, t(s)
Hình 3.18. Công suất của máy phát điện DFIG
bám theo công suất cực đại theo lý thuyết
tương ứng với tốc độ gió, vw = 8 (m/s)
Tốc độ gió, vw = 10 (m/s)
Hình 3.15. Công suất của máy phát điện DFIG
bám theo công suất cực đại theo lý thuyết
tương ứng với tốc độ gió, vw = 6 (m/s)
Tương ứng với tốc độ gió, vw = 6 (m/s), công
suất của máy phát điện DFIG luôn luôn được
duy trì tối ưu bằng việc bám theo công suất
cực đại với kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu
công suất, Hình 4.13 - 4.15.
x 106
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
3.6.1.4. Tốc độ gió, vw = 8 (rpm)
Tương ứng với tốc độ gió, vw = 8 (m/s), công
suất của máy phát điện DFIG luôn luôn được
duy trì tối ưu bằng việc bám theo công suất
cực đại với kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu
công suất, Hình 4.16 - 4.18.
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
Hình 4.19. Công suất cực đại theo lý thuyết,
PMPP của máy phát điện DFIG với tốc độ gió,
x 106
vw = 10 (m/s)
6
5
x 106
7
6
4
3
5
2
4
1
3
0
2
-1
-2
-3
-4
1
0
-1
-2
-3
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
0
1
2
3
4
5
6
Trong trưꢂng hợp tốc độ gió thay đổi với t = 0
Thoi gian, t(s)
Hình 4.20. Công suất của máy phát điện DFIG - 2 (s): tốc độ gió, vw = 8 (m/s); t = 2 - 4 (s): tốc
với tốc độ gió, vw = 10 (m/s)
độ gió, vw = 9 (m/s); t = 4 - 6 (s): tốc độ gió, vw
= 11 (m/s); công suất cực đại của máy phát
điện DFIG, PMPP, được biểu diễn như Hình
4.22. Bằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển
hồi tiếp tín hiệu công suất, công suất của máy
phát điện DFIG, Hình 4.23 luôn bám được
công suất cực đại của máy phát điện DFIG,
PMPP, Hình 4.24. Các kết quả tối ưu hóa công
suất phát của hệ thống điện tuabin gió sử dụng
máy phát điện DFIG với kỹ thuật điều khiển
hồi tiếp tín hiệu công suất được so sánh với giá
trị công suất cực đại của lý thuyết tương ứng
với các tốc độ gió khác nhau để chứng minh
tính hội tụ của kỹ thuật đề xuất áp dụng. Bảng
4.2. So sánh kết quả tối ưu hóa công suất phát
của hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát
điện DFIG bằng kỹ thuật điều khiển hồi tiếp
tín hiệu công suất (PSF)
x 106
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
0
1
2
3
4
5
6
Thoi gian, t(s)
Hình 4.21. Công suất của máy phát điện DFIG
bám theo công suất cực đại theo lý thuyết
tương ứng với tốc độ gió, vw = 1 (m/s)
Tương ứng với tốc độ gió, vw = 10 (m/s), công
suất của máy phát điện DFIG luôn luôn được
duy trì tối ưu bằng việc bám theo công suất
cực đại với kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu
công suất, Với các tốc độ gió không đổi, vw =
2; 4; 6; 8 và 10 (m/s), công suất của máy phát
điện DFIG luôn luôn được duy trì tối ưu bằng
việc bám theo công suất cực đại với kỹ thuật
điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất, Hình 4.9,
Hình 4.12, Hình 4.15, Hình 4.18 và Hình 4.21.
3.6.2. Tốc độ gió thay đổi
Giả sử rằng tốc độ gió thay đổi, trong đó:
t = 0 - 2 (s): Tốc độ gió, vw = 8 (m/s);
t = 2 - 4 (s): Tốc độ gió, vw = 9 (m/s);
t = 4 - 6 (s): Tốc độ gió, vw = 11 (m/s).
Khi ấy, công suất cực đại, PMPP được biểu diễn
như Hình 4.22.
4.KẾT LUẬN
Bài báo đã giải quyết được các vấn đề như tìm
hiểu và phân tích tiềm năng của nguồn năng
lượng gió trên thế giới. Tìm hiểu và phân tích
tiềm năng của nguồn năng lượng gió tại Việt
Nam với các nhꢀ máy điện gió điển hình như
Nhꢀ máy điện gió Tuy Phong, Nhꢀ máy điện
gió Phú Quý, Nhꢀ máy điện gió Phú Lạc, Nhà
máy điện gió Bạc Liêu,...Tìm hiểu và phân
tích một hệ thống điện gió cơ bản. Tìm hiểu và
phân tích nguyên lý hoạt động của máy phát
điện DFIG trong cấu hình hệ thống điện gió
tốc độ không đổi và tốc độ thay đổi. Tìm hiểu
và xây dựng mô hình toán của máy phát điện
DFIG. Tìm hiểu và nghiên cứu các kỹ thuật
điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống
điện gió.Thực hiện mô hình và mô phỏng hệ
thống điện gió sử dụng máy phát điện DFIG và
điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống
nꢀy tương ứng với các trưꢂng hợp tốc độ gió điện gió được giới thiệu trong luận văn, kỹ
không đổi và tốc độ gió thay đổi. Các kết quả thuật hồi tiếp tín hiệu công suất (PSF) lꢀ đơn
mô phỏng đạt được cho thấy rằng kỹ thuật giản và hiệu quả.
điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nghị quyết số 35/NQ-CP, ngꢀy 18 tháng 03 năm 2013, Về một số vấn đề cấp bách trong lĩnh vực
bảo vệ môi trưꢂng.
[2] Quyết định số 428/QĐ-TTg, ngꢀy 18 tháng 03 năm 2016, Phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát
triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030.
[3] Chiến lược phát triển công nghệ Điện Lực của Tập đoꢀn Điện Lực Việt Nam đến năm 2015 định
hướng đến năm 2025.
[5] Pham Ngoc Hung vꢀ Trinh Trong Chuong, “Nghiên cứu xác định điểm công suất cực đại của hệ
thống biến đổi năng lượng gió sử dụng kỹ thuật logic mꢂ”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Năng
lượng, 2017.
[6] Lê Duy Khánh vꢀ Dương Hoꢀi Nghĩa, “Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều
khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Trưꢂng Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM.
[7] Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”, Luận văn Thạc sĩ, Trưꢂng
Đại học Bách Khoa Tp. HCM, 2015.
[8] Lê Thꢀnh Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy phát điện gió không đồng
bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trưꢂng Đại học Bách Khoa Tp. HCM, 2014.
[9] 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, Trưꢂng Đại học Bách Khoa Tp. HCM, 2013.
[10] Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió dùng máy phát điện
đồng bộ từ trưꢂng vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trưꢂng Đại học Bách Khoa Tp. HCM, 2016.
Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):
Họ tên: Trần Minh Tuấn
Đơn vị: Công Ty CP GSXD Sꢀi Gꢁn Trưꢂng An
Điện thoại: 0913 434 389
Email: [email protected]
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
13 trang
09/01/2024
23080
Free
Bạn đang xem tài liệu "Điều khiển tối ưu công suất phát hệ thống điện Tuabin gió nối lưới", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- dieu_khien_toi_uu_cong_suat_phat_he_thong_dien_tuabin_gio_no.pdf
