Hiện nay, tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là những nguồn năng lượng như khí đốt, dầu mỏ, than đá,… đang được khai thác ngày càng nhiều để phục vụ cho công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa toàn cầu. Việc khai thác quá mức và không hợp lý những nguồn tài nguyên trên mà không có phương án phục hồi hợp lý sẽ dẫn đến cạn kiệt một cách dần dần. Do đó, những nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, sức nước, sinh khối,… xuất hiện như là giải pháp bền vững cho vấn đề cạn kiệt tài nguyên. Các nguồn năng lượng này không chỉ giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng mà còn giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường gây ô nhiễm, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Từ xưa, con người đã biết lợi dụng sức gió để di chuyển khinh khí cầu, thả diều trên không và neo thuyền buồm, lướt sóng ở biển. Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng, năng lượng gió có thể được chuyển đổi thành dạng năng lượng hữu ích, điển hình là việc tạo ra điện từ Turbine gió. Điều đó đặt ra một xu hướng tất yếu trong lĩnh vực năng lượng là việc tối ưu hóa chi phí sản xuất để tăng lợi nhuận cũng như đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển các công nghệ mới nhằm khai thác năng lượng từ Turbine gió một cách hiệu quả và hợp lý nhất.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Khoa Tự động hóa ********************************* BÁO CÁO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Đề tài: Thiết kế điều khiển góc Pitch cho Tuabin gió vùng tốc độ gió định mức Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm Mã lớp : 141948 Hà Nội, Tháng 08/ 2023 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt nguồn lượng khí đốt, dầu mỏ, than đá,… khai thác ngày nhiều để phục vụ cho cơng cơng nghiệp hóa - đại hóa tồn cầu Việc khai thác q mức khơng hợp lý nguồn tài ngun mà khơng có phương án phục hồi hợp lý dẫn đến cạn kiệt cách Do đó, nguồn lượng tái tạo gió, mặt trời, sức nước, sinh khối,… xuất giải pháp bền vững cho vấn đề cạn kiệt tài nguyên Các nguồn lượng không giải vấn đề thiếu hụt lượng mà cịn giảm lượng khí thải độc hại mơi trường gây ô nhiễm, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người Từ xưa, người biết lợi dụng sức gió để di chuyển khinh khí cầu, thả diều khơng neo thuyền buồm, lướt sóng biển Ngày nay, với phát triển nhanh chóng cơng nghệ lượng, lượng gió chuyển đổi thành dạng lượng hữu ích, điển hình việc tạo điện từ Turbine gió Điều đặt xu hướng tất yếu lĩnh vực lượng việc tối ưu hóa chi phí sản xuất để tăng lợi nhuận đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển công nghệ nhằm khai thác lượng từ Turbine gió cách hiệu hợp lý Báo cáo nhóm gồm chương: Chương 1: Tổng quan nguồn lượng tái tạo gió turbine gió Chương 2: Mơ hình hóa turbine gió Chương 3: Thiết kế điều khiển Chương 4: Mô matlab kết Trong trình thực Project, chúng em củng cố tiếp thu kiến thức cấu trúc đặc tính thành phần hệ thống lượng tái tạo, tiêu chất lượng hệ thống khả mơ hình hóa nguồn lượng tái tạo, nguyên lý thiết kế vòng điều khiển Hơn nữa, chúng em học tập rèn luyện phương pháp làm việc, nghiên cứu cách chủ động, linh hoạt hơn, đặc biệt kỹ làm việc theo nhóm Kết nhóm làm đáp ứng yêu cầu đặt cô Chúng em chân thành cảm ơn tận tình hướng dẫn nhóm để hồn thiện báo cáo Nhóm sinh viên MỤC LỤC CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GIÓ .5 1.1 Tình hình phát triển Hệ thống Turbine gió .5 1.1.1 Tình hình khai thác lượng từ Turbine gió tồn cầu 1.1.2 Tình hình phát triển Hệ thống Turbine gió Việt Nam .5 1.2 Cấu trúc chung Hệ thống Turbine gió 1.2.1 Phân loại Turbine gió .7 1.2.2 Cấu tạo Turbin gió 1.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống Turbine gió .9 1.4 Các toán điều khiển 10 1.4.1 Phân cấp điều khiển hệ thống .10 1.4.2 Phân tích cụ thể tốn điều khiển 12 1.5 Các yêu cầu toán điều khiển góc pitch tốc độ gió định mức 21 CHƯƠNG 2:MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TUABIN GIĨ 22 2.1 Mơ hình tuabin gió 22 CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN GÓC PITCH TUABIN GIÓ .25 3.1 Cấu trúc điều khiển .25 3.2 Thiết kế điều khiển tốc độ 25 3.3 Thiết kế điều khiển góc Pitch 26 CHƯƠNG 4:MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 27 4.1 Sơ đồ mô MATLAB 27 4.2 Mơ hình Tuabin gió 27 4.3 Bộ điều khiển tốc độ .28 4.4 Bộ điều khiển góc Pitch 28 4.5 Mô kiểm chứng 29 4.5.1 Kịch mô với tốc độ gió khác 29 4.5.2 Kết mô tốc độ đáp ứng điều khiển góc tốc độ 29 4.5.3 Kết mơ điều khiển góc Pitch 30 4.5.4 Kết mô đáp ứng công suất phát turbine gió .31 KẾT LUẬN .32 TÀI LIỆU THAM KHẢO .33 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Tỷ trọng lượng gió tồn cầu qua năm Hình 1.2 Cấu trúc chung Hệ thống lượng gió với sơ đồ điều khiển Hình 1.3 Turbin gió trục ngang trục đứng .7 Hình 1.4 Cấu tạo Turbine gió .9 Hình 1.5 Hệ thống Turbine gió Hình 1.6 Phân tầng phân cấp điều khiển hệ thống 10 Hình 1.7 Tầng phân cấp điều khiển .11 Hình 1.8 Các chế độ làm việc Wind Turbine .13 Hình 1.9 Cấu tạo hệ thống Yaw 15 Hình 1.10 Góc Pitch chế độ làm việc 17 Hình 1.11 Trung tâm hệ thống điều khiển góc Pitch 18 Hình 1.12 Cấu trúc điều khiển UDC với công suất tác dụng cơng suất phản kháng 20 Hình 1.13 Windfarm control system 21 Hình 2.1 Cấu tạo turbine gió 22 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển góc Pitch Turbine gió 25 Hình 3.2 Vịng điều khiển tốc độ .25 Hình 3.3 Vịng điều khiển góc PItch 26 Hình 4.1 Sơ đồ mô Matlab Simulink 27 Hình 4.2 Mơ hình Tuabin gió .27 Hình 4.3 Bộ điều khiển tốc độ 28 Hình 4.4 Bộ điều khiển góc Pitch .28 Hình 4.5 Các mức tốc độ gió khác định mức 29 Hình 4.6 Đáp ứng điều khiển tốc độ 29 Hình 4.7 Đáp ứng điều khiển 30 Hình 4.8 Đáp ứng điều khiển góc Pitch 30 Hình 4.9 Đáp ứng cơng suất phát tuabin gió 31 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO GIĨ 1.1 Tình hình phát triển Hệ thống Turbine gió 1.1.1 Tình hình khai thác lượng từ Turbine gió tồn cầu Nói đến việc đầu tư khai thác nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời có xu hướng dẫn đầu nhiều năm Tuy nhiên, theo tốc độ sản xuất tồn cầu nay, lượng gió bám sát lượng mặt trời tốc độ tăng trưởng Các công nghệ thúc đẩy đa dạng lĩnh vực lượng gió với tốc độ nhanh chóng Nếu cần tìm câu trả lời cho câu hỏi an ninh lượng dựa nguồn tài nguyên thiên nhiên, câu trả lời lượng điện gió Trên thực tế, lượng tạo từ trang trại Turbine gió tăng lên nhiều hai năm qua Theo Hội đồng Năng lượng gió tồn cầu (GWEC), cơng suất gió đạt 51.477 megawatt (MG) vào năm 2014, tăng 44% so với năm trước Hình 1.1 Tỷ trọng lượng gió tồn cầu qua năm [1] Theo Hiệp hội Năng lượng gió giới (WWEA), Trung Quốc có tỷ trọng sản xuất lượng gió lớn nhất, với khoảng 114.763 MG cơng suất gió lắp đặt Điều quan trọng, phương pháp sản xuất điện thơng thường khó đáp ứng nhu cầu lượng tương lai đất nước với dân số 1,386 tỷ người Ở Hoa Kỳ, chương trình lượng điện gió khởi xướng cách gần 10 năm để hợp tác với chuyên gia ngành, người muốn tăng hiệu suất độ tin cậy công nghệ gió đồng thời với việc giảm chi phí thi cơng, lắp đặt bảo trì Chương trình cần thiết để phát triển công nghệ mới, giúp cải thiện hiệu suất Turbin quy mơ lớn 1.1.2 Tình hình phát triển Hệ thống Turbine gió Việt Nam Trước thách thức tình trạng thiếu điện để ứng phó hiệu với biến đổi khí hậu năm kế hoạch phát triển “điện xanh” từ nguồn lượng tái tạo giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh lượng bảo vệ môi trường Gần đây, Chính phủ Việt Nam xác định rõ mục tiêu định hướng phát triển dạng “điện xanh” Trong đó, lượng gió xem lĩnh vực trọng tâm Việt Nam xem nước giàu tiềm khu vực Đông Nam Á Mục đích nghiên cứu đưa nhìn tình hình phát triển điện gió khả cung ứng tài tổ chức nước cho phát triển điện gió Việt Nam Việt Nam có tiềm gió để phát triển dự án điện gió với quy mơ lớn Bản đồ tiềm gió Ngân hàng Thế giới (Worldbank, 2001) xây dựng cho bốn nước khu vực Đông Nam Á (gồm: Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, Thái Lan) dựa phương pháp mô mơ hình số trị khí Theo kết từ đồ lượng gió này, tiềm năng lượng gió độ cao 65 m Việt Nam lớn so với nước khác khu vực, với lý thuyết lên đến 513.360 MW Những khu vực hứa hẹn có tiềm lớn toàn lãnh thổ khu vực ven biển cao nguyên miền nam Trung Bộ Nam Bộ Những ưu đãi đầu tư xây dựng nhà máy giá bán điện cho Điện lực Việt Nam thu hút quan tâm nhà đầu tư ngồi nước Hiện nay, có hàng chục nhà máy điện gió hoạt động phạm vi tồn quốc gia Nhược điểm điện gió điện tạo có gió, cơng suất phát thay đổi theo mức gió Vùng thuận lợi cho đặt nhà máy thường cách xa vùng tiêu thụ Điều làm cho lưới điện phải bố trí dẫn truyền điện, có kế hoạch điều hịa nguồn phát thích hợp để đảm bảo lượng cho phụ tải tiêu thụ 1.2 Cấu trúc chung Hệ thống Turbine gió Hệ thống Turbine gió hệ thống sử dụng lượng học từ gió để biến đổi thành điện cung cấp cho phụ tải điện cấp điện lên lưới, gồm khối thành phần bản: khối động học, khối khối điện Hình 1.2 Cấu trúc chung Hệ thống lượng gió với sơ đồ điều khiển [2] Các thành phần sau xét đến nói đến cấu trúc chung Turbine gió: Turbine gió Tụ lọc chiều Bộ chỉnh lưu ba pha phía nguồn Máy biến áp cách ly Bộ nghịch lưu phía lưới, tải Lưới điện tải địa phương 1.2.1 Phân loại Turbine gió Turbine gió thơng thường phân làm loại Turbine gió trục ngang Turbine gió trục đứng dựa theo hình dạng cấu tạo bên ngồi Turbine gió trục ngang Turbine gió trục ngang Hình 1.3 Turbin gió trục ngang trục đứng [3] Turbine gió kiểu trục đứng có cánh quay quanh trục thẳng đứng Ưu điểm loại nhận gió từ hướng nên không cần hệ thống điều hướng hộp số hay thiết bị máy phát đặt trụ Tuy nhiên, Turbine gió trục đứng sử dụng có nhược điểm sau: Hiệu suất khí động giảm có nhiều bề mặt cánh úp vào phía trụ Khi quay cánh gió mở bên có tác dụng hứng gió làm Turbin quay, bên cịn lại cản gió làm giảm tốc độ quay Vì sức nặng giá trục truyền tải cao nên giá đỡ thường mức chuẩn nên khơng cho phép có hộp số với Turbine trục đứng lớn Tua bin gió kiểu trục ngang có cánh quạt quay quanh trục nằm ngang chúng phù hợp với việc khai thác nhiều lượng gió Nó có loại cánh quạt Ngày loại cánh quạt sử dụng rộng rãi 1.2.2 Cấu tạo Turbin gió Động Turbine điện gió xem máy phát điện sử dụng sức gió, bao gồm: Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió, có trách nhiệm truyền liệu tốc độ gió tới phận điểu khiển Blades: Đây cánh quạt, gió thổi tạo lực vào cánh quạt Làm quay trục động Turbine sau dẫn tới chuyển động liên hồn hệ thống Turbine điện gió Controller: Bộ điều khiển Brake: Bộ hãm (hay gọi phanh), dùng để dừng hoạt động motor trường hợp khẩn cấp Rotor: Bộ phận bao gồm cánh quạt trục Gear box: Bộ phận hộp số Trong phần này, phần bánh hệ thống nối với trục tốc độ cao trục tốc độ thấp Bánh thiếu chúng đắt tiền Generator: Bộ phận máy phát để phát nguồn điện High – speed shaft: Là trục chuyển động tốc độ cao máy phát Low – speed shaft: Ngược với High – speed shaft trục chuyển động tốc độ thấp Nacelle: Đây phần vỏ động Bao gồm lớp vỏ bọc vỏ Rotor Được dùng để làm lớp bảo vệ, che chở cho thành phần chi tiết cấu tạo bên động Pitch: Đây phận giữ cho Rotor tạo điện chúng quay gió Trong Motor điện chiều chi tiết quan trọng Thiết bị dùng cánh quạt với nam châm để đón lấy gió