1.1 Đặt vấn đề Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và được xem là nguồn năng lượng tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng thông thường khác để sản xuất điện. Nguồn năng lượng từ gió hiện đang là đối tượng nghiên cứu và nó cũng sẽ giúp giảm thiểu tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu. Hệ thống điện gió hiện nay có rất nhiều loại. Một số loại hệ thống được kết nối với lưới điện và một số khác kết nối độc lập với hệ thống tải. Điều này được chia ra phụ thuộc vào mục đích sử dụng năng lượng gió. Năng lượng gió được chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (Wind Energy Conversion System WECS). WECS bao gồm Tua bin gió, bộ truyền động, máy phát điện và bộ chuyển đổi điện năng. Có một số loại máy phát điện được sử dụng trong quá trình chuyển đổi như Máy phát điện kích từ (Induction Generator IG), Máy phát điện kích từ song song (Double Fed Induction Generator DFIG) và Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generator PMSG). PMSG được sử dụng rộng rãi trong WECS vì tính hiệu quả và khả năng kiểm soát cao của nó. Ngày nay, các vật liệu nam châm vĩnh cửu với cường độ trường cưỡng bức cao, khả năng chịu nhiệt cao và tính chất kinh tế khiến nó trở thành sản phẩm được săn đón cho việc sản xuất năng lượng gió. Mô hình đề xuất của WECS dựa trên PMSG bao gồm một tuabin gió, hệ thống truyền lực, PMSG và khối điều khiển. 1.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra một hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện từ dựa trên PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) thông qua việc điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt để duy trì giá trị không đổi. Phương pháp này sẽ giúp điều khiển công suất đầu ra của PMSG một cách chính xác và ổn định hơn, đồng thời tăng cường hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Để mô phỏng và chứng minh tính khả thi của phương pháp thiết kế và điều khiển này, chúng tôi sử dụng phần mềm MatlabSimulink để xây dựng mô hình. Kết quả mô phỏng sẽ minh chứng cho tính ổn định của mô hình và hiệu quả của phương pháp đề xuất.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BÁO CÁO CUỐI KỲ: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG VÀ HỆ THỐNG TẠO GIÓ DỰA TRÊN PMSG GVHD: TS NGUYỄN THỊ MI SA SVTH: Khóa: 2020 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .2 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài .2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 Nguyên lí hoạt động hệ thống 2.2 Hình ảnh thơng số Tuabin gió matlab 2.3 Công suất đầu tuabin 2.4 Hệ thống truyền động .6 2.5 Khối PMSM (Permanent Magnet Synchronous Machine) .7 2.6 Bộ điều khiển góc CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 3.1 Sơ đồ mô .9 3.2 Dạng sóng điện áp, dịng điện, tốc độ góc, cơng suất PMSG 3.3 Dạng sóng dịng điện điện áp sau phóng to .10 3.4 Dạng sóng momen điện từ tốc độ góc PMSG 10 3.5 Dạng sóng điều khiển góc .11 3.6 Nhận xét .11 KẾT LUẬN 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Năng lượng gió nguồn lượng tái tạo xem nguồn lượng tiềm thay nguồn lượng thông thường khác để sản xuất điện Nguồn lượng từ gió đối tượng nghiên cứu giúp giảm thiểu tác động tượng nóng lên tồn cầu Hệ thống điện gió có nhiều loại Một số loại hệ thống kết nối với lưới điện số khác kết nối độc lập với hệ thống tải Điều chia phụ thuộc vào mục đích sử dụng lượng gió Năng lượng gió chuyển đổi thành lượng điện thơng qua Hệ thống chuyển đổi lượng gió (Wind Energy Conversion System - WECS) WECS bao gồm Tua bin gió, truyền động, máy phát điện chuyển đổi điện Có số loại máy phát điện sử dụng trình chuyển đổi Máy phát điện kích từ (Induction Generator IG), Máy phát điện kích từ song song (Double Fed Induction Generator - DFIG) Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) PMSG sử dụng rộng rãi WECS tính hiệu khả kiểm sốt cao Ngày nay, vật liệu nam châm vĩnh cửu với cường độ trường cưỡng cao, khả chịu nhiệt cao tính chất kinh tế khiến trở thành sản phẩm săn đón cho việc sản xuất lượng gió Mơ hình đề xuất WECS dựa PMSG bao gồm tuabin gió, hệ thống truyền lực, PMSG khối điều khiển 1.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu nghiên cứu tạo hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện từ dựa PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) thơng qua việc điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt để trì giá trị khơng đổi Phương pháp giúp điều khiển công suất đầu PMSG cách xác ổn định hơn, đồng thời tăng cường hiệu suất độ tin cậy hệ thống Để mô chứng minh tính khả thi phương pháp thiết kế điều khiển này, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mơ hình Kết mơ minh chứng cho tính ổn định mơ hình hiệu phương pháp đề xuất CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 Ngun lí hoạt động hệ thống 2.2 Hình ảnh thơng số Tuabin gió matlab Chú thích thơng số trên: Nominal mechanical output power (W): Công suất học định mức với đơn vị W Base power of the electrical generator (VA): Công suất máy phát điện với đơn vị VA Base wind speed (m/s): Tốc độ gió với đơn vị (m/s) Maximum power at base wind speed (pu of nominal mechanical power): Công suất tối đa tốc độ Base rotational speed (p.u of base generator speed): Tốc độ quay Pitch angle beta to display wind-turbine power characteristics (beta >= 0) (deg): gốc độ beta hiển thị công suất máy phát điện gió Đặc điểm cơng suất tuabin (với góc nghiêng beta = 0) Mơ hình dựa đặc tính lượng trạng thái ổn định tuabin Độ cứng hệ thống truyền động vô hạn hệ số ma sát quán tính tuabin phải kết hợp với hệ số ma sát máy phát điện nối với tuabin 2.3 Cơng suất đầu tuabin Trong Pm Công suất đầu tuabin (W) cp Hệ số hiệu suất tuabin ρ Mật độ khơng khí (kg/m3) A Diện tích phần cách quét tuabin (m 2) vwind Tốc độ gió (m/s) β Góc nghiêng cánh Với Các hệ số từ c1 đến c6 số : c1 = 0,5176, c2 = 116, c3 = 0,4, c4 = 5, c5 = 21 c6 = 0,0068 Trong có λ =(Wr x R)/v)/v Wr tốc độ góc rôto R)/v độ dài cánh quạt v tốc độ gió (m/s) 2.4 Hệ thống truyền động Trong đó: Ht số momen qn tính tuabin wt tốc độ góc tuabin gió Ts momen xoắn trục Kss độ cứng trục θsta góc xoắn trục wr tốc độ rôto máy phát Webs tốc độ sở điện Dt hệ số giảm xóc Từ cơng thức ta có mơ hình truyền động sau: 2.5 Khối PMSM ( Permanent Magnet Synchronous Machine ) Nam châm vĩnh cửu sử dụng rộng rãi máy điện đồng với ưu điểm thiết kế rotor đơn giản khơng có cuộn dây trường, vịng trượt hệ thống kích từ PMSG trở nên phổ biến kích thước nhỏ gọn, mật độ lượng cao, độ tin cậy cao mạnh mẽ Mơ hình PMSG cơng cụ simulink matlab: 2.6 Bộ điều khiển góc Bộ điều khiển góc cánh (Pitch controller) có chức thay đổi góc quay cánh tuabin tương ứng với tốc độ gió khác Khi tốc độ gió thấp tốc độ định mức góc quay cánh tuabin cho phép thu hết lượng từ dịng gió Khi tốc độ gió cao định mức góc cánh tuabin thay đổi nhằm hạn chế bớt lượng tuabin nạp vào nhằm bảo đảm an toàn máy móc thiết bị khí, bảo vệ máy phát điện trì tốc độ tuabin định mức Khi tốc độ gió tăng cao vượt xa phạm vi quay tuabin góc cánh thay đổi để ngừng tiếp nhận lượng từ trường gió Nhiệm vụ giữ cố định góc nghiêng cách quạt Beta Bộ điều khiển mô Matlab sau: CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 3.1 Sơ đồ mơ 3.2 Dạng sóng điện áp, dịng điện, tốc độ góc, cơng suất PMSG 3.3 Dạng sóng dịng điện điện áp sau phóng to 3.4 Dạng sóng momen điện từ tốc độ góc PMSG 10 3.5 Dạng sóng điều khiển góc 3.6 Nhận xét Từ mơ kết cho thấy cách áp dụng phương pháp kiểm sốt góc nghiêng cách quạt ln Hiệu hệ thống độ tin cậy đạt mức độ tốt Chất lượng điện đảm bảo tốt công suất PMSG phu thuộc vào tốc độ gió 11 KẾT LUẬN Qua tập giúp chúng em hiểu nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển góc nghiêng hệ thống tạo gió dựa PMSG khối chức Qua có nhìn tổng quan lượng gió nguồn lượng tự nhiên gần tuyệt đối vô tận từ thiên nhiên mang lại Tạo dựng hành trang bổ ích cho đường trở thành kĩ sư điện tương lai 12