Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại tỉnh thanh hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐẶNG MAI HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ TẠI TỈNH THANH HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2022 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐẶNG MAI HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ TẠI TỈNH THANH HÓA Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 852.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Danh Hoằng Thái Nguyên - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Đặng Mai Hải Học viên: Lớp cao học K22, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên Nơi cơng tác: Cơng ty Điện lực Thanh Hóa Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tỉnh Thanh Hóa” Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Tôi xin cam đoan vấn đề trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân tôi, hướng dẫn TS Đặng Danh Hoằng giúp đỡ cán Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên Mọi thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hịan tồn chịu trách nhiệm số liệu luận văn Thái Nguyên, ngày 12 tháng năm 2022 Học viên thực Đặng Mai Hải ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực luận văn nhận hướng dẫn, bảo tận tình TS Đặng Danh Hoằng, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tơi Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện tốt để tơi hịan thành đề tài nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu bạn lớp động viên giúp đỡ tơi q trình thực đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến quan xí nghiệp giúp tơi khảo sát tìm hiểu thực tế lấy số liệu phục vụ cho luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hòan thiện luận văn Thái Nguyên, ngày 12 tháng năm 2022 Học viên Đặng Mai Hải MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt vii Danh mục bảng biểu ix Danh mục hình vẽ, sơ đồ biểu đồ x Mở đầu Chương TỔNG QUAN THỰC TRẠNG SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ TẠI TỈNH THANH HÓA 1.1 Tổng quan nguồn lượng gió Việt Nam 1.1.1 Điện gió ngồi khơi 10 1.1.2 Điện gió đất liền 11 1.1.3 Khả thay nguồn điện truyền thống 12 1.2 Thực trạng nguồn lượng gió khu vực tỉnh Thanh 14 Hóa 1.3 Kết luận chương Chương XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 20 22 2.1 Khái quát hệ thống lượng gió lựa chọn đối tượng 22 điều khiển 2.2 Nguyên lý điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử 26 dụng máy điện không đồng nguồn kép 2.2.1 Điều khiển turbine 27 2.2.2 Điều khiển Crowbar Stator switch 29 2.2.3 Điều khiển phía lưới phía máy phát 30 2.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió 2.3.1 Mơ hình điều khiển nghịch lưu phía máy phát 30 32 2.3.1.1 Biểu diễn vectơ không gian đại lượng pha 32 2.3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát 34 2.3.2 Các biến điều khiển công suất tác dụng phản 39 kháng phía máy phát 2.4 Kết luận chương Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 3.1 Thiết kế điều khiển PID cho phía máy phát 3.1.1 Tổng quan điều khiển PID 44 45 45 47 3.1.1.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ 48 h(t) 3.1.1.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 50 3.1.1.3 Phương pháp thực nghiệm 54 3.1.1.4 Phương pháp chọn điện trở tích cực [10] 54 3.1.2 Tổng hợp điều khiển dòng PID 54 3.1.2.1 Cơ sở để áp dụng thiết kế điều khiển dòng 54 PID 3.1.2.2 Thiết kế điều khiển PID 57 3.1.3 Các điều chỉnh số cho mạch vịng điều khiển 59 ngồi 3.1.4 Tính tốn giá trị thực giá trị đặt 3.2 Thiết kế điều khiển mờ lai 60 61 3.2.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ [3] 61 3.2.2 Hệ Logic mờ 61 3.2.2.1 Khái niệm tập mờ 61 3.2.2.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 3.2.3 Bộ điều khiển mờ 62 70 3.2.3.1 Bộ điều khiển mờ động 70 3.2.3.2 Điều khiển mờ thích nghi 71 3.2.3.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều 72 khiển PID 3.2.4 Thiết kế điều khiển mờ lai 77 3.2.4.1 Phương pháp thiết kế 77 3.2.4.2 Mờ hóa 77 3.2.5 Luật giải mờ 78 3.3 Tổng hợp điều khiển phía lưới 78 3.4 Kết luận chương 79 Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ 80 THỐNG 4.1 Mô hệ thống 80 4.2 Đánh giá chất lượng mô Matlab/Simulink 80 4.2.1 Sơ đồ mô 80 4.2.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ lai 84 với điều khiển PID kinh điển 4.2.2.1 Khi máy phát làm việc tốc độ định mức 84 (950v/ph) 4.2.2.2 Khi máy phát làm việc tốc độ đồng 87 (1100v/ph) 4.2.2.3 Khi máy phát làm việc tốc độ đồng 88 (800v/ph) 4.3 Kết luận chương Kết luận kiến nghị 89 90 Tài liệu tham khảo 92 Dap ung dong rotor qua trinh thuc hien hoa dong bo ird* irq* ird irq -1 -2 ird* irq* ird irq -1 -2 -3 -3 -4 -4 -5 -5 -6 -6 -7 -8 -7 -8 Dap ung dong rotor qua trinh thuc hien hoa dong bo 0 0.05 t 15 ( 0 0 Hình 4.10a: Đáp ứng dòng điện rotor máy phát với điều khiển PID t 15 (s) Hình 4.10b: Đáp ứng dịng điện rotor máy phát với điều khiển mờ lai Hình 4.11a: Đáp ứng điện áp pha stator máy phát với điều khiển PID Hình 4.11b: Đáp ứng điện áp pha stator máy phát với điều khiển mờ lai Sai lech giua diwn ap stator may phat luoi 2 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 Sa i lech giua dien ap stator m a y phat va luoi 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 t(s) Hình 4.12a: Sai lệch điện áp pha stator máy phát lưới với điều khiển PID 0.36 -4 0.26 0.28 0.3 t (s) 0.32 0.34 0.36 Hình 4.12b: Sai lệch điện áp pha stator máy phát lưới với điều khiển mờ chỉnh định PID Đánh giá: Từ kết mô cho thấy điều khiển mờ lai có chất lượng điều khiển tốt so với điều khiển PID kinh điển đáp ứng dịng rotor tốt (hình 4.10ab), thời gian để điện áp pha lưới máy phát trùng ngắn (Hình 4.11ab) sai lệch nhỏ (Hình 4.12ab) - Kiểm tra chất lượng hệ thống điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió (sau hồ đồng bộ) Dap ung m o m e n t cua m a y phat dien suc gio Dap ung m om e nt cua m a y phat dien suc gio 1 m* m t h uc 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 -5 -6 0.2 0.4 1.8 -6 0.2 1.8 Hình 4.13a: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển PID Hình 4.13b: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển mờ lai Dap ung cong suat phan khang may phat dien suc gio 1600 m* mthuc 1600 Q* Qthuc 1400 1200 1000 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 4.14a: Đáp ứng công suất Q máy phát với điều khiển PID ird* irq* ird irq 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 0.8 1.2 t (s) 1.4 1.6 Hình 4.15a: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển PID 1.8 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Dap ung dong rotor may phat dien suc gio ird* irq* ird irq 0.6 0.2 -5 0.4 Hình 4.14b: Đáp ứng cơng suất Q máy phát với điều khiển mờ lai Dap ung dong dien rotor cua may phat dien suc gio Q* Qthuc 1400 1200 Dap ung cong suat phan khang may phat dien suc gio -5 0.4 0.6 0.8 1.2 t (s) 1.4 1.6 1.8 Hình 4.15b: Đáp ứng dòng rotor máy phát với điều khiển mờ lai 4.2.2.2 Khi máy phát làm việc tốc độ đồng (1100v/ph) Dap ung dong rotor may phat 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 -3 0.6 0.4 ird* irq* ird irq irq t (s) dịng rotor Hình 4.16a: Đáp ứng máy phát với điều khiển PID Dap ung dong dien rotor may phat dien suc gio ird* irq* ird 0.8 Dap ung mo men cua may phat -1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 -5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 -6 Hình 4.17a: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển PID Q Q* 1400 1600 1200 1000 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 0.2 1.8 0.4 0.6 Hình 4.18a: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển PID 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Dap ung cong suat phan khang cua may phat dien suc gio Q* Qthuc 1400 1200 1.8 Hình 4.17b: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển mờ lai Dap ung cong suat phan khang cua may phat 1600 1.6 m* mthuc -6 1.4 Dap ung moment cua may phat dien suc gio m* m (s) Hình t 24.16b: Đáp 2ứng dịng rotor máy phát với điều khiển mờ lai 0 Hình 4.18a: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển mờ lai 4.2.2.3 Khi máy phát làm việc tốc độ đồng (800v/ph) Dap ung dong rotor cua may phat Dap ung dong rotor cua may phat dien suc gio ird* irq* ird ird* irq* ird irq irq 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 -3 0.4 0.6 Hình 4.19a: Đáp t ứ(s)ng dòng rotor của máy phát với điều khiển PID mờ lai -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 -5 -6 -6 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 1.6 1.8 m* mthuc -7 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 4.20b: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển mờ lai Hình 4.20a: Đáp ứng momen máy phát với điều khiển PID Dap ung cong suat phan khang cua may phat dien suc gio 1800 1.4 -1 -7 1.2 t (s) Dap ung menment cua may phat dien suc gio m* m Hình 4.19b: Đáp ứng dịng rotor máy phát với điều khiển Dap ung momen cua may phat 0.8 Dap ung cong suat phan khang cua may phat 1800 Q* 1600 Qthuc Q Q* 1600 1400 1400 1200 1200 1000 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 Hình 4.21a: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển PID 1.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t (s) 1.2 1.4 1.6 Hình 4.21b: Đáp ứng Q máy phát với điều khiển mờ lai 1.8 Đánh giá: Từ kết mơ dịng điện, mơ men (cơng suất tác dụng P) công suất phản kháng Q chế độ làm việc đồng bộ, đồng định mức từ hình 4.10ab đến hình 4.21ab cho thấy chất lượng điều khiển điều khiển mờ lai cải thiện đáng kể, điều khẳng định tính đắn điều khiển mờ lai thiết kế 4.3 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Đưa sơ đồ mô hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK với điều khiển thiết kế chương - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió điều khiển mờ lai so với điều khiển PID kinh điển 90 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Luận văn tiến hành nghiên cứu tổng quan nguồn lượng tái tạo nói chung nguồn lượng gió nói riêng.Đã đánh giá thực trạng sử dụng nguồn lượng gió nước tỉnh Thanh hóa Khảo sát, thu thập liệu đánh giá tiềm khả triển khai hệ thống phát điện sức gió tỉnh Thanh Hóa đặc biệt phải kể đến tiềm phát triển nguồn lượng khu vực ven biển tỉnh này, góp phần tăng nguồn cơng suất cho lưới điện, giảm ảnh hưởng phát triển kinh tế đến môi trường Luận văn đề xuất ứng dụng máy điện không động nguồn kép làm máy phát điện hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MDBNK giới hạn chế độ làm việc bình thường tải đối xứng Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành với chương sau: Chương 1: Tổng quan thực trạng sử dụng nguồn lượng gió tỉnh hóa Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió Chương 3: Thiết kế điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió điều khiển mờ lai Chương 4: Mô đánh giá chất lượng hệ thống Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển mờ lai, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô MatlabSimulink-Plecs Qua đánh giá cho thấy tính đắn thuật toán áp dụng để điều khiển hệ thống Ngoài với phương pháp điều khiển mờ lai qua mô cho thấy chất lượng cải thiện so với điều khiển PID kinh điển Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu không nhiều, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Lê Chi, Nguyễn Quang Tuấn, Nguyễn Phùng Quang (2005), "Cấu trúc tách kênh trực tiếp điều khiển hệ thống máy phát điện không đồng nguồn kép", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr 28 - 35 [2] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Doãn Phước Phan Xuân Minh (2002), Lý thuyết điều khiển mờ in lần thứ có sửa chữa bổ sung , Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Doãn Phước (2005), "Khảo sát mối liên quan khái niệm tên thuộc lý thuyết điều khiển tuyến tính phi tuyến", Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động, (6), tr 56 - 60 [5] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [6] Nguyễn Phùng Quang (1998), "Máy điện dị nguồn kép dùng làm máy phát hệ thống phát điện sức gió: Các thuật tốn điều chỉnh bảo đảm phân ly mô men hệ số công suất", Tuyển tập VICA 3, tr 413-437 [7] Nguyễn Phùng Quang (1996) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha NXB Giáo dục, Hà Nội [8] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002), Truyền động điện thông minh, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội Tiếng Anh [9] Allmeling J H., Hammer W P, Plecs - Piece - wise linear Electrical circuit simulation for simulink [10] Andreas Petersson, “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines”, THESIS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Găoteborg, Sweden 2005 [11] Levent U.gödere, Marwan A Simaan, Charles W Brice, “Passivity – Based Control of Saturated Induction Motors”, IEEE, 1997 [12] Bianchi F F., De Battista H., and Mantz R J (2006), Wind Turbine Control Systems: Principles, modelling and Gain Scheduling Design Springer, July 2006 [13] Boukhezzar H and Siguerdidjane H (2009), "Nonlinear control with wind estimation of a dfig variable speed wind turbine for power capture optimization", Energy Conversion and Management, 50, pp 885-892 [14] Koutroulis E., and Kalaitzakis K (2006), "Design of maximum power tracking system for wind-energy-conversion application" IEEE transactions on Industrial Electronics, 43, pp 486-494 [15] Ostolaza J X., Tapia A G., and Saenz J R (2005), "Modeling and control of a wind turbine driven double fed induction generator", IEEE Transactions on energy conversion, , June 2005, 18, pp 194–204 [16] Patel M R (1999), Wind and Solar Power Systems CRC Press, 1999 [17] Nguyen Phung Quang, Dittrich A (2008), Vector Control of Three - Phase AC Machines - System Development in the Practice, Springer Heidelberg Berlin [18] F.lov, F Blaabbjerg, and A.-D Hansen, “Analysis of a variable-speed wind energy coversion scheme with doubly-fed induction generator”, International Journal of Electronics, 90: 779-794, 2003 [19] Emmanuel DELALEAU, Jean-Paul LOUIS, Romeo ORTEGA, “Modeling and control of induction motors”, Int J Appl Math Comput Sci., Vol.11, No.1, 105, 2001