BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan và thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ *** BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt Đơn vị thực tập: Cơng ty THHH Thiết kế xây dựng thương mại dịch vụ An Thịnh Phát Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: PGS TS Nguyễn Quốc Chí Phạm Đồn Minh Duy 1710044 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2020 BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt LỜI CẢM ƠN Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh giới thiệu tạo điều kiện để tác giả thực tập tốt nghiệp tuần doanh nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ mơn Cơ Điện Tử thuộc khoa Cơ Khí mà đặc biệt PGS TS Nguyễn Quốc Chí chấp thuận nguyện vọng tác tạo hội cho tác giả có tập vơ bổ ích Về phía doanh nghiệp, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Công ty THHH Thiết kế xây dựng thương mại dịch vụ An Thịnh Phát, đặc biệt anh Đỗ Anh Tấm, PGĐ công ty, cho tác giả hội thực tập quý công ty hỗ trợ bảo tận tình cho tác giả cơng việc hàng ngày suốt tập Tác giả vô hào hứng với môi trường làm việc công ty dự án mà công ty thực Tác giả hy vọng tương lai gần trở lại làm việc dự án công ty Thông qua tập, tác giả học hỏi nhiều kiến thức kinh nghiệm thực tiễn mà qua giúp ích nhiều cho tác giả chặng đường tương lai phía trước Tác giả có nỗ lực định suốt tập để đạt mục tiêu mà công ty thân tác giả đề kiến thức kỹ cần thiết công việc, thể xuyên suốt báo cáo Tuy vậy, tác giả tin báo cáo có sai sót nhiều mặt qua đó, tác giả mong muốn nhận góp ý người để hồn thiện cơng việc Trân trọng Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 09 năm 2020 Sinh viên thực BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt Phạm Đồn Minh Duy BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt MỤC LỤC I TỔNG QUAN Tổng quan gió điện gió Việt Nam Phạm vi đề tài: Bài toán thiết kế: II THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO TURBINE GIÓ: 11 Máy phát cho turbine cỡ nhỏ: 11 Bộ chỉnh lưu, biến tần điều khiển bản: 15 Lựa chọn dây dẫn: 21 Hệ thống bảo vệ mạch: 22 KẾT LUẬN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Địa điểm đặt trạm thủy văn mà EVN lấy số liệu cho nghiên cứu Hình Bản đồ gió Việt Nam Hình Sơ đồ hịa lưới điện turbine điện gió sử dụng máy phát điện PMG 13 Hình Đường cong liên hệ tốc độ momen xoắn máy điện cảm ứng .14 Hình Sơ đồ máy phát điện cảm ứng (IG) với hệ tụ điện để kích từ 15 Hình Sơ đồ chỉnh lưu diode pha 16 Hình Giá trị điển hình dịng áp đầu máy phát điện thông thường dùng cho turbine gió cỡ nhỏ 17 Hình Sơ đồ chuyển đổi tăng cường IGBT đơn giản 17 Hình Sơ đồ biến tần cầu pha đơn giản 18 Hình 10 Dạng sóng vng qua hiệu chỉnh điện áp tải cho biến tần pha khơng có lọc 19 Hình 11 Bộ lọc LC thông thấp sử dụng để làm giảm tần số chuyển đổi thành phần điện áp đầu biến tần cầu dẫn đến điện áp qua tải có dạng sóng gần hình sin .20 Hình 12 Độ rộng xung điều chế PWM (đường liền nét) đường sóng sin tương ứng (đường đứt nét) 21 Hình 13 Hệ thống turbine gió cỡ nhỏ với ngắt mạch công tắc bảo vệ đơn giản 23 BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt DANH SÁCH BẢNG Bảng Tiềm gió Việt Nam độ cao 65 m so với mặt đất Bảng Vận tốc gió trung bình nghiên cứu Tập đồn Điện lực Việt Nam EVN so với nghiên cứu Ngân hàng Thế giới WB Bảng Hiện trạng khai thác lượng gió Việt Nam Bảng Bảng giá bán lẻ điện Tập đoàn Điện lực Việt Nam EVN 10 Bảng Công suất thiết bị điện hộ gia đình 10 Bảng Một số thơng số máy phát điện 13 Bảng Các vấn đề xảy cách xử lý hệ thống bảo vệ 24 BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt I TỔNG QUAN: Tổng quan gió điện gió Việt Nam: Bên cạnh nguồn lượng từ mặt trời lượng gió kỳ vọng giúp Việt Nam bắt kịp tốc độ tăng trưởng nhanh chóng nhu cầu điện ngắn hạn dài hạn Với lợi tự nhiên địa hình, việc xây dựng trạm điện sức gió giải pháp giúp nâng cao sản lượng điện Việt Nam năm tới Nguồn điện gió sử dụng luồng khơng khí (hay luồng gió) đập vào cánh turbine làm quay máy phát điện Nguồn điện gió nguồn điện xoay chiều thủy điện, nhiệt điện Thông thường, lượng gió luồng gió với vận tốc m/s sử dụng cho mục đích thủy lợi, cịn m/s sử dụng để tạo điện Nghiên cứu tổ chức Ngân hàng Thế giới (World Bank) rằng, Việt Nam nước có tiềm gió lớn nước khu vực, với 39% tổng diện tích Việt Nam ước tính có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn 6m/s, độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512 GW Đặc biệt, 8% diện tích Việt Nam xếp hạng có tiềm gió tốt (tốc độ gió độ cao 65m - m/giây), tạo 110 GW Bảng Tiềm gió Việt Nam độ cao 65 m so với mặt đất Nguồn: TrueWind Solutions, 2000 Bản đồ tài ngun gió Đơng Nam Á Bên cạnh nghiên cứu Ngân hàng Thế giới, Tập đoàn Điện lực Việt Nam EVN thực đánh giá tài nguyên gió cho sản xuất điện So với nghiên cứu Ngân BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt hàng giới, nghiên cứu EVN đánh giá cao lấy số liệu trực tiếp từ trạm thủy văn Việt Nam, nghiên cứu World Bank dựa chương trình mơ Nghiên cứu tập đoàn điện lực EVN xem nghiên cứu thức tài ngun lượng gió Việt Nam Theo đó, liệu gió đo đạc cho BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt số điểm lựa chọn, sau ngoại suy lên thành liệu gió mang tính đại diện khu vực cách lược bỏ tác động độ nhám bề mặt, che khuất vật thể tịa nhà ảnh hưởng địa hình Dữ liệu gió mang tính khu vực sau sử dụng để tính tốn liệu gió điểm khác cách áp dụng quy trình tương tự theo chiều ngược lại Trên sở liệu đó, đề án cịn xem xét đến yếu tố ảnh hưởng (khoảng cách đấu nối với hệ thống điện, địa hình, khả vận chuyển thiết bị, chấp nhận cộng đồng vấn đề liên quan đến sử dụng đất môi trường…) Bảng Vận tốc gió trung bình nghiên cứu Tập đồn Điện lực Việt Nam EVN so với nghiên cứu Ngân hàng Thế giới WB BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài Tìm hiểu tổng quan thiết kế điện cho turbine gió cỡ nhỏ dùng cho mục đích sinh hoạt Hình Địa điểm đặt trạm thủy văn mà EVN lấy số liệu cho nghiên cứu Ở Việt Nam nguồn lượng gió khai thác (vận tốc gió đạt khoảng m/s) tập trung nhiều vùng ven biển, đặc biệt vùng dun hải miền Trung Ngồi cịn số vùng Tây Nguyên cho tiềm lớn khai thác lượng gió có vận tốc gió gần tương đương với vận tốc gió vùng ven biển Theo đồ gió Việt Nam hình bên vùng có màu xanh dương nhạt đặc biệt màu xanh có tiềm lớn để phát triển điện gió Vùng xanh có vận tốc gió đạt tới m/s, tập trung chủ yếu tỉnh Bình Thuận Ninh Thuận Đây vùng có vai trò trọng điểm dự án phát triển điện gió Việt Nam Dịng Áp D ịn g (A ), Áp (V Tốc độ máy phát điện (rpm) Hình Giá trị điển hình dịng áp đầu máy phát điện thông thường dùng cho turbine gió cỡ nhỏ Đối với máy phát điện cỡ nhỏ, cần có chuyển đổi tăng áp dùng pin sạc Theo hình 7, giá trị điện áp đầu máy phát điện không đạt đến ngưỡng 48 V để đảm bảo yêu cầu hầu hết hệ thống pin sạc Hiện nay, tính điện tử cơng suất đại khả sử dụng PWM để làm đặc tính máy phát tải trở nên phù hợp với Khả PWM thể thông qua chuyển đổi bao gồm bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) có khả chuyển đổi nhanh hao phí lượng Hình Sơ đồ chuyển đổi tăng cường IGBT đơn giản Trong hình 8, điện áp đầu vào đến từ chỉnh lưu, điện áp đầu điện áp bus DC hình S bóng bán dẫn IGBT có để điều khiển chuyển mạch để tạo PWM V Vin liên hệ theo phương trình: out V out V in  1− a Trong a chu kỳ hoạt động, có khoảng thời gian mà cơng tắc S đóng Vout thơng qua chuyển đổi Vout tăng cường Tuy nhiên, lớn giá trị lớn Vin so với Vin hệ số a phải tăng lên nhiều lần diode D chuyển lượng lớn lượng sang tụ C thời gian ngắn Điều làm giảm hiệu chuyển đổi tăng cường Do đó, hệ số tăng cường 1− a có giá trị tối đa Mặt khác, Vout có giá trị gần với Vin phải giảm hệ số a lại, lúc diode D chuyển lượng lớn lượng sang cuộn cảm L thời gian ngắn làm giảm hiệu chuyển đổi tăng cường Một chuyển đổi buck – boost với khả điều chỉnh tăng giảm điện áp DC bus sử dụng thay cho chuyển đổi tăng cường để khắc phục tình trạng Hình Sơ đồ biến tần cầu pha đơn giản Do điện đầu phải điện AC nên cần phải có biến tần để chuyển đổi điện áp DC thành điện áp dạng sóng với tần số cố định Hình cho thấy loại biến tần “cầu” pha đơn giản, V bat điện áp DC từ hệ thống pin V out từ chuyển đổi tăng cường Gọi “cầu” đầu biến tần nối với chân biến tần (thiết bị chân thiết bị tạo thành chân cịn lại) Do khơng sử dụng lọc nên dạng sóng điện áp tải Vload khơng phải sóng hình sin, hình 10 Tuy vậy, ứng dụng yêu cầu công suất thấp sử dụng mơ hình có giá thành rẻ Thực ra, hầu hết thiết bị điện (như động cơ) hoạt động tốt điện áp có dạng sóng vng qua hiệu chỉnh, trừ số trường hợp Vb at Đi ện áp / Góc pha / Hình 10 Dạng sóng vng qua hiệu 2chỉnh  điện áp tải cho biến tần pha khơng có lọc Để đạt dạng sóng điện áp tải xấp xỉ hình sin lọc thêm vào sử dụng thuật toán kiểm tra PWM phức tạp để điều khiển thời gian hoạt động thiết bị chuyển mạch IGBT hình Khơng có quy định tiêu chuẩn cách đánh số thiết bị chuyển mạch hình Cách đánh số hình cho biết thời gian chuyển đổi thiết bị để tạo dạng sóng vng điện áp tải Trong hình 10, xung dương thu trình hoạt động cặp thiết bị 2, điện áp thu cặp thiết bị 3, điện áp âm thu cặp thiết bị Quá trình lặp lại để tạo xung vng Đối với sóng vng hiệu chỉnh hình 10 điện áp tải là: V load =V bat 2 p  Trong đó, θp chọn để đạt giá trị nhỏ nhất, ví dụ tốc độ méo tổng cộng sóng hài, THD, sóng vng hiệu chỉnh θp có giá trị 67° THD phép đo độ lệch dạng sóng điện áp thực tế so với dạng sóng sin túy Biến tần cầu tồn phần khơng sử dụng lọc phổ biến hệ thống biến tần công suất thấp Tuy nhiên, việc sử dụng PWM vào thiết bị chuyển mạch thêm vào lọc làm cho dạng sóng đầu biến tần có dạng gần hình sin Có hai phương pháp chung để tiếp cận Đối với biến tần nối vào lưới điện, cuộn cảm nhỏ đưa vào cực dương đầu biến tần điện áp lưới điện (tức mắc cuộn cảm nối tiếp với lưới điện Bộ điều khiển thường thiết kế cho điện áp đầu lọc cuộn cảm với giá trị dòng điện xác định cung cấp cho lưới điện (giá trị dòng điện xác định lượng khả dụng từ turbine gió điều khiển hệ thống trường hợp có biến tần chạy pin) THD dạng sóng có giá trị thường 5% hơn, tùy thuộc vào tiêu chuẩn phù hợp để kết nối với lưới điện Hình 11 Bộ lọc LC thơng thấp sử dụng để làm giảm tần số chuyển đổi thành phần điện áp đầu biến tần cầu dẫn đến điện áp qua tải có dạng sóng gần hình sin Để đảm bảo hoạt động biến tần, lọc LC hình 11 thêm vào đầu biến tần tải Mục tiêu để tạo điện áp có dạng gần giống với hình sin tải, với THD có giá trị vào khoảng 5% theo tiêu chuẩn nước Đức Hoa Kỳ Bất kể biến tần có sử dụng PWM kết nối với lưới điện hay khơng dạng sóng điện áp phía đầu biến tần cầu (trước lọc) sóng vng cắt nhỏ hình 12 Chiều rộng xung cho thấy dạng sóng lọc có dạng xấp xỉ với sóng sin Trong thực tế, biến tần PWM pha có tần số chuyển mạch gấp từ 10 đến 150 lần tần số nguồn, với giá trị tối ưu chọn sau có cân nhắc hao phí thấp chuyển đổi linh kiện LC tốn Đi ện / Vb at Góc pha / 2 Hình 12 Độ rộng xung điều chế PWM (đường liền nét) đường sóng sin tương ứng (đường đứt nét) Một giải pháp thay cho việc thiết kế chế tạo biến tần mua biến tần công ty, đặc biệt cơng ty cung cấp biến tần cho turbine gió cỡ nhỏ Lựa chọn dây dẫn: Kích thước dây dẫn hệ thống xác định lượng nhiệt hao phí qua dây phải đảm bảo mức điện áp rơi dây 5% để trì hệ thống hoạt động cách hiệu Những vấn đề điện áp rơi dễ xảy turbine làm việc điện áp thấp, turbine gió cỡ nhỏ điện áp thấp xảy sạc pin Hầu hết loại cáp điện có mức điện áp định mức định, thơng thường hấu hết loại cáp điện đáp ứng nhu cầu điện áp hầu hết turbine gió Tuy nhiên, cường độ dịng điện định mức phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng cần phải tính tốn để chọn dây dẫn phù hợp Ngồi điện trở dây cáp cịn có độ tự cảm, nguyên nhân làm giảm tốc độ dịng điện gây tượng q áp Có thể làm giảm điện cảm dây dẫn cách đặt dây cáp gần nhau, qua làm giảm vùng diện tích có khả tự cảm dây dẫn Hệ thống bảo vệ mạch: Các điều khiển đại với vi xử lý có khả bảo vệ hệ thống cách sâu rộng giám sát để kéo dài tuổi thọ hệ thống Khi thi công thử nghiệm turbine gió, việc bảo vệ hệ thống cách tồn diện thường khơng áp dụng làm ảnh hưởng đến khả hoạt động turbine gây khó khăn cho q trình thử nghiệm Để bảo vệ hệ thống khỏi lỗi nghiêm trọng đoản mạch, hệ thống cần phải có khả như: Ngắt kết nối máy phát điện với phần lại hệ thống Ngắt kết nối tất tải có hệ thống Ngắt kết nối turbine gió với pin, qua ngắt kết nối pin với tải Ngắt kết nối biến tần với turbine gió pin, qua ngắt kết nối biến tần với tải Trong tất trường hợp trên, điểm ngắt kết nối u cầu bảo vệ q dịng Thơng thường, điều thực ngắt mạch thích hợp, sử dụng để bảo vệ làm công tắc cách ly mạch cần thiết Bộ ngắt mạch có mức điện áp định mức khác điện AC DC, thông thường điện áp định mức dòng AC cao Tải Máy phát điện pha Bộ chỉnh lưu Pin Công tắc ngắn mạch Biến tần Hình 13 Hệ thống turbine gió cỡ nhỏ với ngắt mạch công tắc bảo vệ đơn giản Các biện pháp bảo vệ thường nhằm mục đích ngăn chặn tượng q dịng Dịng điện q cao làm nóng chảy dây dẫn, gây cháy phá hủy linh kiện điện tử Ngồi ra, dịng điện sạc cho pin q lớn làm cho pin bị nổ Bảng tổng kết lại số vấn đề xảy cách mà hệ thống bảo vệ xử lý vấn đề để bảo đảm an toàn cho linh kiện, cho mạch cho lưới điện hộ tiêu dùng Turbine gió Quá tốc độ (giảm tốc Máy phát điện Quá dòng (giảm dòng ngắt kết nối) dừng lại) Gió cực lớn (dừng Quá áp (giảm áp ngắt kết nối) Pin (nếu có) Sạc Biến tần tải Ngắn mạch mức (ngắt kết (ngừng nối) sạc) Quá áp (ngừng sạc) Quá áp (ngắt kết nối) lại) Rung động cực lớn (giảm tốc độ dừng lại) Tiếng ồn mức (giảm tốc độ turbine) Q nóng (giảm dịng ngắt kết nối) Điện áp Điện áp thấp thấp (tải ngắt (ngắt kết kết nối) nối) Có khói xuất Quá nóng (ngắt (giảm dịng kết nối) qua tải Q nóng (ngắt kết nối) giảm sạc) Có khói xuất (ngắt kết nối) Có khói xuất (ngắt kết nối tắt nguồn) Bảng Các vấn đề xảy cách xử lý hệ thống bảo vệ KẾT LUẬN Sau trải qua tập hè này, tác giả nắm vững bước nguyên lý để thiết kế hệ thống điện cho turbine gió cỡ nhỏ Tác giả bước đầu làm quen bắt tay vào công việc thiết kế cho dự án thực tiễn Bên cạnh đó, tập cung cấp cho tác giả nhìn thống qua tình hình tiềm năng lượng gió Việt Nam, đồng thời cho thấy triển vọng lớn để phát triển ngành cơng nghiệp cịn tương đối Thông qua báo cáo này, tác giả có hội tìm hiểu ơn lại kiến thức hệ thống điện, linh kiện điện tử công dụng chúng cách xử lý, giải vấn đề liên quan đến thiết kế điện mạch điện Về mặt hạn chế, tác giả nhận thấy tập thân số điểm chưa tốt Đầu tiên, tác giả không đưa kết thiết kế cụ thể thiếu thông số đầu vào liên quan đến mảng khác Tác giả đưa phương án thiết kế khả thi phân tích ưu nhược điểm phương án sử dụng Mặt khác, tác giả nhận thấy trình làm việc cịn trì trệ, làm ảnh hưởng đến kết cuối Đây học quý báu để từ tác giả rút kinh nghiệm cải thiện thân tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J F Manwell, J G McGowan, A L Rogers (2009), “Wind Energy Explained – Theory, Design and Application”, A John Wiley and Sons, Ltd, Publication [2] David Wood (2011), “Small Wind Turbines – Analysis, Design and Application”, Springer London Dordrecht Heidelberg New York [3] Information on wind energy in Viet Nam, Báo cáo dự án lượng gió GIZ/MoIT [4] ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA [5] Đơn vị thực tập: Công ty THHH Thiết kế xây dựng thương mại dịch vụ [6] LỜI CẢM ƠN [7] MỤC LỤC [8] DANH SÁCH BẢNG [9] TỔNG QUAN: [10] Tổng quan gió điện gió Việt Nam: [11] Phạm vi đề tài: [12] Bài toán thiết kế: [13] THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO TURBINE GIÓ: [14] Máy phát cho turbine cỡ nhỏ: [15] Bộ chỉnh lưu, biến tần điều khiển bản: [16] Lựa chọn dây dẫn: [17] Hệ thống bảo vệ mạch: [18] KẾT LUẬN [19] TÀI LIỆU THAM KHẢO [20] [21]