(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu điền khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI THANH TUYỀN NGHIÊN CỨU ÐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ÐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ I TH NH TU N NGHI N CỨU ĐI U KHI N TỐI ƢU H THỐNG ĐI N NĂNG LƢ NG GI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐI N - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 i Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ I TH NH TU N NGHI N CỨU ĐI U KHI N TỐI ƢU H THỐNG ĐI N NĂNG LƢ NG GI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐI N - 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: TS HU NH CH U U Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 ii Luan van L L CH KHO HỌC (Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học) I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Bùi Thanh Tuyền Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Hà Sơn Bình Quê quán: Thái Bình Dân tộc Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc học tập, nghiên cứu: Trƣởng phiên vận hành trạm biến áp 220 kV / Công ty Lƣới điện Cao Tp.HCM Chỗ riêng địa liên lạc: Quận 12, TP.HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0932131983 Fax: E-mail: buituyenks@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Tập trung Thời gian đào tạo từ 2003 đến 2005 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Trung Học Điện Tp.HCM Ngành học: Công nhân vận hành trạm biến áp Đại học: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 2007 đến 2011 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế thi cơng mơ hình máy i Luan van sản xuất nƣớc đá tự động Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Dƣơng Hữu Phƣớc Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 2014 đến 2016 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật điện Tên luận văn: Nghiên cứu điều khiển tối ƣu hệ thống điện lƣợng gió Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: TS Huỳnh Châu Duy Tiến sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Tại (trƣờng, viện, nƣớc): Tên luận án: Ngƣời hƣớng dẫn: Ngày & nơi bảo vệ: Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn/ B1 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: ii Luan van III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2011 Nơi công tác Công ty Lƣới điện Cao Tp.HCM Công việc đảm nhiệm Trƣởng phiên vận hành trạm biến áp 220kV IV CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ: XÁC NHẬN CỦA CƠ QUA/ĐỊA PHƢƠNG (Ký tên, đóng dấu) Ngày 02 tháng 11 năm 2016 Ngƣời khai ký tên BÙI THANH TUYỀN LỜI C M ÐO N Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đuợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đuợc cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn đuợc rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn ùi Thanh Tuyền iii Luan van LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cám ơn TS Huỳnh Châu Duy tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báu cho em hoàn thành Luận văn Xin chân thành cám ơn quý Thầy, Cô trang bị cho em tản kiến thức quý báu trình học tập, giúp em đủ kiến thức để thực Luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp, bạn bè gia đình động viên giúp đỡ em trình thực Luận văn ùi Thanh Tuyền iv Luan van Tóm tắt Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề liên quan đến, "Nghiên cứu điều khiển tối ƣu hệ thống điện lƣợng gió" mà bao gồm nội dung nhƣ sau: - Chƣơng 1: Giới thiệu - Chƣơng 2: Tổng quan lƣợng gió - Chƣơng 3: Hệ thống điện lƣợng gió - Chƣơng 4: Nghiên cứu điều khiển tối ƣu cơng suất phát hệ thống điện lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép - Chƣơng 5: Mô điều khiển tối ƣu công suất phát hệ thống điện lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép - Chƣơng 6: Kết luận hƣớng phát triển tƣơng lai v Luan van Abstract This thesis focuses on issues related to, "Maximum power point tracking control of wind energy power systems" which includes the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Literature review of wind energy - Chapter 3: Wind energy power systems - Chapter 4: Maximum power point tracking control of wind energy power systems - Chapter 5: Simulation results - Chapter 6: Conclusions and future works vi Luan van MỤC LỤC L LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ÐOAN iii LỜI CÁM ƠN iv Tóm tắt v Abstract vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC CHỮ VI T TẮT xii DANH SÁCH CÁC H NH xiv Chƣơng .1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.5.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc .6 1.6 Bố cục luận văn Chƣơng .8 NĂNG LƢỢNG GIÓ 2.1 Giới thiệu 2.2 Nền tảng lịch sử tuabin gió 10 vii Luan van Hình 5.12 cho ta thấy đƣợc đáp ứng điều khiển công suất phản kháng Qs sau khoảng thời gian 01s hoàn toàn đáp ứng bám sát theo công suất phản kháng đặt Qsref Vậy với tốc độ gió khơng đổi, kết hình 5.9 5.12 cho ta thấy kết điều khiển công suất phát (Ps Qs) tốt, điều khiển đáp ứng nhanh bám sát theo giá trị đặt trƣớc, với tốc độ gió 12 m/s 500 Cuong dong dien stator, Iabcs (A) 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 10 12 Thoi gian, t (s) 14 16 18 20 Hình 13 Cường độ dịng điện stator, Iabcs DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s 600 500 400 Moment, Te (Nm) 300 200 100 -100 -200 -300 10 12 Thoi gian, t (s) 14 16 18 20 Hình 14 Moment DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió khơng đổi, v = 12 m/s 82 Luan van Hình 5.13 5.4, Cƣờng độ dòng điện stator, Iabcs DFIG tƣơng ứng với trƣờng hợp tốc độ gió khơng đổi, v = 12 m/s Moment không bị ảnh hƣởng dao động q trình điều khiển cơng suất phát Ps Qs 5.3 Mô điều khiển công suất tác dụng công suất ph n kháng trường hợp tốc độ gi thay đổi 16 Toc gio , v (m/s) 15 14 13 12 11 10 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 15 Tốc độ gió thay đổi Cong suat tac dung tham chieu, Psref (W) 1.6 x 10 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 16 Công suất tác dụng tham chiếu DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 83 Luan van x 10 Cong suat tac dung, Ps (W) -2 -4 -6 -8 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 17 Công suất tác dụng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi x 10 Công suấ t tác dụ ng, Ps Cong suat tac dung, Ps (W) Công suấ t tác dụ ng tham chiế u, Psref -2 -4 -6 -8 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 18 Đánh giá khả điều khiển bám công suất tác dụng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 84 Luan van Ta có kết đáp ứng điều khiển sau khoảng thời gian < 3s, công suất phát Ps bám tốt theo công suất phát đặt trƣớc Psref Cong suat phan khang tham chieu, Qsref (VAr) 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 19 Cơng suất phản kháng tham chiếu DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi x 10 Cong suat phan khang, Qs (VAr) -2 -4 -6 -8 -10 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 20 Công suất phản kháng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 85 Luan van x 10 Cong suat phan khang, Qs (VAr) Công suấ t phả n kháng, Qs -2 -4 Công suấ t phả n kháng tham chiế u, Qsref -6 -8 -10 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 21 Đánh giá khả điều khiển bám công suất phản kháng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Kết đáp ứng điều khiển sau khoảng thời gian < 2s, công suất phát Qs bám tốt theo công suất phát đặt trƣớc Qsref Vậy với tốc độ gió thay đổi, kết hình 5.18 5.21 cho ta thấy kết điều khiển công suất phát (Ps Qs) tốt so với giá trị đặt trƣớc (Ps Qsref), điều khiển đáp ứng nhanh bám sát theo giá trị đặt trƣớc, với tốc độ gió thay đổi 500 Cuong dong dien stator, Iabcs (A) 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 22 Cường độ dòng điện stator, Iabcs DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 86 Luan van 600 500 400 Moment, Te (Nm) 300 200 100 -100 -200 -300 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 23 Moment DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.22 5.23 Cƣờng độ dòng điện stator, Iabcs DFIG tƣơng ứng với trƣờng hợp tốc độ gió thay đổi Moment khơng bị dao dộng q trình điều khiển 5.4 Mô điều khiển tối ưu công suất phát máy phát điện không đồng ộ nguồn kép DFIG Công suất tuabin sinh từ lƣợng gió tích lũy cánh quạt tuabin, phụ thuộc vào hiệu suất tuabin, Cp đƣợc xác định nhƣ sau [14]: Ptuabin       R  v w3  C p  ,   (5.31) Trong đó: : mật độ khơng khí (kg/m3)  = 1,225 kg/m3 điều kiện nhiệt độ 1500C áp suất 101,325 kPa [20] R: bán kính cánh quạt tuabin (m) vw: tốc độ gió (m/s) Cp(, β) hiệu suất tuabin Hiệu suất tuabin, Cp(, β) hàm theo tỷ số tốc độ,  góc pitch β đƣợc biểu diễn nhƣ sau [21]: 87 Luan van Cp    98   0,4   e  i  16,5 i (5.32) Trong đó:  0,035      i    0,089    1  (5.33) Hiệu suất tuabin, Cp liên hệ đến tỷ số tốc độ,  nhiều góc pitch, β khác nhƣng hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất, Cp = 0,47 góc pitch, β = tỷ số tốc độ,  = 6,76 [18] Tỷ số tốc độ,  đƣợc xác định nhƣ sau [18]:  tuabin  R vw (5.34) Trong đó: tuabin: vận tốc góc tuabin (rad/s) Từ (5.1)-(5.2), thiết lập bảng lookup table ứng với hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất, Cpmax = 0,47; góc pitch, β = tỷ số tốc độ,  = 6.76 [18] Các thông số máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) đƣợc sử dụng mô bao gồm: - Công suất định mức máy phát, P = 500 000 W = 1,5 MW - Điện cảm stator, Ls = (0,05 + 1,6) H - Điện cảm rotor, Lr = (0,05 + 1,6) H - Điện cảm từ hóa, Lm = 1,6 H - Điện trở stator, Rs = 0,004 Ω - Điện trở rotor, Rr = 0,004 Ω - Số cặp cực, p = - Moment quán tính, JG = 93,22 kg/m - Tỉ số hộp số, ngear = 80 - Bán kính cánh quạt gió, R = 40 m 88 Luan van Bảng Bảng lookup table ứng với hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn STT Tốc độ gió, Tốc độ tuabin, Cơng suất tuabin, vw(m/s) tuabin(rad/s) Ptuabin(W) 4,5 0,759 131793 5,5 0,928 240626 6,5 1,097 397186 7,5 1,266 610151 8,5 1,485 888199 9,5 1,603 1240008 10,5 1,772 1500000 11,5 1,941 1500000 12,5 2,109 1500000 16 x 10 Cong suat tuabin, Ptuabin (W) 14 12 10 6 Toc gio, vw (m/s) 10 11 12 Hình 24 Đường cong cơng suất cực đại tuabin theo tốc độ gió DFIG 89 Luan van 16 x 10 Cong suat tuabin, Ptuabin (W) 14 12 10 0.8 1.2 1.4 1.6 Toc tuabin, wtuabin (rad/s) 1.8 Hình 25 Đường cong công suất cực đại tuabin theo tốc độ tuabin DFIG Khi ấy, sơ đồ mô điều khiển tối ƣu công suất phát máy phát điện không đồng nguồn kép DFIG đƣợc thể nhƣ sau: Hình 26 Sơ đồ mơ điều khiển tối ưu công suất phát máy phát điện không đồng nguồn kép DFIG 90 Luan van Hình 27 Sơ đồ mơ biểu diễn giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại, PSF 11 10 Toc gio, v (m/s) 10 20 30 Thoi gian, t (m/s) 40 50 60 Hình 28Tốc độ gió Hình 29 Đánh giá khả điều khiển bám công suất tối ưu Ps DFIG 91 Luan van Hình 30 Đánh giá khả điều khiển bám công suất tối ưu Qs DFIG Kết mô đƣơc đánh giá điều khiển công suất phát Ps tối ƣu theo giá trị mong muốn đặt trƣớc theo bảng Lockup Table 92 Luan van Chƣơng K T LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRI N TƢƠNG LAI 6.1 Kết luận Có thể nhận thấy rằng, luận văn giải đƣợc vấn đề nhƣ sau: + Tìm hiểu tình hình phát triển chung giới lĩnh vực biến đổi lƣợng gió, thuận lợi tiềm Việt Nam lĩnh vực + Tìm hiểu ứng dụng nguyên lý hoạt động DFIG cấu hình hệ thống biến đổi lƣợng gió tốc độ khơng đổi, tốc độ thay đổi + Mơ hình hóa DFIG xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng + Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển tối ƣu công suất phát DFIG tƣơng ứng với trƣờng hợp tốc độ gió thay đổi Các kết mơ tƣơng ứng với trƣờng hợp tốc độ gió khơng đổi tốc độ gió thay đổi cho thấy khả điều khiển bám công suất tác dụng công suất phản kháng theo giá trị tham chiếu tốt Đặc biệt, khả điều khiển bám công suất cực đại đƣợc đề xuất luận văn 6.2 Hướng phát triển tương lai - Triển khai thực nghiệm liên quan đến điều khiển bám công suất cực đại cho DFIG - Nghiên cứu đề xuất thêm giải thuật khác phục vụ cho việc điều khiển bám công suất cực đại đƣợc hiệu - Triển khai áp dụng đề xuất cho nhiều loại máy phát điện gió với dãy công suất khác 93 Luan van TÀI LI U TH M KHẢO [1] Trang thông tin điện tử - „Dự án lƣợng tái tạo‟- www Renewableenergy org.vn [2] Chiến lƣợc phát triển công nghệ Điện Lực Tập đoàn Điện Lực Việt Nam đến năm 2015 định hƣớng đến năm 2025 [3] Trang thông tin điện tử Hiệp hội lƣợng quốc tế - IEA - www.iea org [4] Morten Lindholm, „Modelling and impact on power system dynamic‟, Technical University of Denmark, 2003 [5] Anca D Hansen, Florin Iov, Poul Sørensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch, Frede Blaabjerg, „ynamic wind turbine models in power system simulation tool‟, DIgSILENT, Technical University of Denmark, 2007 [6] Andreas Petersson, „Analysis, modeling and control of doubly-fed induction generators for wind turbines‟, Chalmers University of Technology, 2005 [7] Fernando D Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J Mantz, „Wind turbine control systems principles, modelling and gain scheduling design‟, 2007 [8] Lƣơng Công Quyền, „Điều khiển trƣợt máy phát điện gió cấp nguồn từ hai phía‟, Luận văn Thạc sĩ, Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM, 2008 [9] Đỗ Vĩnh Mạnh, „Nghiên cứu mô phƣơng pháp điều khiển biến đổi PWM rectified PWM inverter hệ thống chuyển đổi lƣợng gió DFIG‟, Luận văn Thạc sĩ, Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM, 2008 [10] Nguyễn Chí Hiếu, „Khảo sát mơ hình máy phát điện gió lƣới điện phân phối‟, Luận văn Thạc sĩ, Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM, 2008 [11] Tạ Văn Đa, „Đánh giá tài nguyên khả khai thác lƣợng gió Việt Nam‟, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Hà Nội, 2006 [12] Trang thơng tin điện tử Tập đồn Điện lực Việt Nam - www.evn.com.vn [13] Đặng Đình Thống, „Cơ sở lƣợng tái tạo‟, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 94 Luan van [14] T Burton, D Sharpe, N Jenkin and E Bossanyi, „Wind energy handbook‟, Wiley, 2001 [15] A G Abo-Khalil, „Model-based optimal efficiency control of induction generators for wind power systems‟, IEEE Conference 2011, pp 191-197, 2011 [16] J G Slootweg, H Polinder, and W L Kling, „Dynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator‟, IEEE Conference 2001, pp 644-649, 2001 [17] T Nakamura, S Morimoto, M Sanada, and Y Takeda, „Optimum control of IPMSG for wind generation system‟, IEEE Conference 2002, pp 1435-1440, 2002 [18] S Heier, „Grid integration of wind energy conversation systems‟, John Wiley & Son Ltd., 1998 [19] Slavomir Seman, „Transient performance analysis of wind power induction generators‟, 2006 [20] Shabani, A Deihimi, „A new method of maximum power point tracking for DFIG based wind turbine‟, Bu Ali Sina University, Iran, 2010 [21] K Raiambal and C Chellamuthu, „Modelling and simulation of grid connected wind electric generating system‟, IEEE TENCON, India, 2002 [22] S S Mali, B E Kushare, „MPPT algorithms: extracting maximum power from wind turbines‟, International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, Vol 1, Iss 5, 2013 [23] J S Thongam and M Ouhrouche, „MPPT control methods in wind energy conversion system‟, Fundamental and Advanced Topics in Wind Power [24] E Koutroulis and K Kalaitzakis, „Design of a maximum power tracking system for wind energy conversion applications‟, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 53, No 2, April 2006 [25] Abdullah M A, Yatim A H M, Tan C W., Saidur R., „A review of maximum power point tracking algorithms for wind energy systems‟, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012 95 Luan van S K L 0 Luan van