nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió với lưới điện

Khảo sát đáp ứng của hai dạng turbine là turbine gió tốc độ cố định sử dụng máy phát không đồng bộ và turbine gió tốc độ thay đổi máy phát điện cảm ứng nguồn đôi DFIG kết nối lưới điện..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG * * *

TRỊNH THANH TRÚC

NGHIÊN CỨU KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒNG NAI – NĂM 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG * * *

TRỊNH THANH TRÚC

NGHIÊN CỨU KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHAN NHƯ QUÂN

ĐỒNG NAI – NĂM 2024

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại

Trường Đại Học Lạc Hồng Em xin gởi lời cảm ơn quí thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn tác giả những tư liệu đã được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn

Lời tri ân đến gia đình và những người thân đã luôn ủng hộ và động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe quý thầy cô và các bạn

Đồng Nai, tháng năm 2024 Tác giả luận văn

Trịnh Thanh Trúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng tất cả kết quả cũng như số liệu mô phỏng trong đề tài do chính bản thân tôi thực hiện Nội dung luận văn do chính bản thân tôi biên soạn, các tham khảo tài liệu đều có nguồn trích dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật nếu nội dung, số liệu và kết quả trong luận văn là ngụy tạo hoặc đạo văn

Đồng Nai, tháng năm 2024 Tác giả luận văn

Trịnh Thanh Trúc

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nguồn năng lượng điện nước ta chủ yếu do các nhà máy thủy điện, nhiệt điện cung cấp Với tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay nguồn năng lượng này đã không thể đáp ứng được nhu cấu phát triển, tình trạng thiếu điện đang ngày càng trầm trọng Năng lượng gió là nguồn năng lượng miễn phí, sạch và vô tận Trong khi các nguồn năng lượng khác đang cạn kiệt dần thì năng lượng gió là dạng được quan tân hơn cả bởi tính ưu việt của nó so với các dạng năng lượng khác Ở nước ta nguồn năng lượng gió rất phong phú vì vậy việc nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết để ứng dụng khai thác tiềm năng gió tại Việt Nam là việc làm cần thiết

Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến việc xây dựng mô hình các thành phần trong hệ thống năng lượng gió, cơ sở lý thuyết của việc chuyển đổi năng lượng gió, các vấn đề khi kết nối turbine gió với lưới điện Khảo sát đáp ứng của hai dạng turbine là turbine gió tốc độ cố định sử dụng máy phát không đồng bộ và turbine gió tốc độ thay đổi máy phát điện cảm ứng nguồn đôi (DFIG) kết nối lưới điện

Sơ lược về cầu trúc các dạng turbine gió, cơ sở vật lý của việc chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng và năng lượng cực đại mà turbine có thể thu được từ gió Xây dựng mô hình gió, mô hình rotor turbine gió, mô hình truyền động, mô hình máy phát điện không đồng bộ, mô hình máy điện cảm ứng nguồn đôi và mô hình các bộ chuyển đổi công suất

Những vấn đề chung khi kết nối turbine gió với lưới điện, bao gồm điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp và khảo sát những tác động của turbine gió lên lưới điện

Trình bày các phương thức hoạt động turbine gió tốc độ cố định và turbine gió tốc độ thay đổi Các cách thức kiểm soát công suất ngõ vào bao gồm điều khiển góc pitch, điều khiển lược bớt thụ động và điều khiển lược bớt chủ động, hệ thống điều chỉnh góc pitch và điều chỉnh hướng turrbine

Trình bày mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất ngõ ra của turbine gió, phương thức điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát điện cảm ứng nguồn đôi

Chiến lược vận hành công suất cực đại turbine gió tốc độ thay đổi máy phát điện cảm ứng nguồn đôi theo phương pháp điều khiển tối ưu tỷ số tốc độ đầu cực và phương pháp điều khiển bám đỉnh công suất

Mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió tốc độ cố định sử dụng máy điện không đồng bộ và turbine gió tốc thay đổi sử dụng máy phát điện DFIG kết nối lưới điện Khảo sát turbine gió đáp ứng với các vận tốc gió khác nhau và hành vi của các dạng turbine gió khi xảy ra sự cố với thời gian khác nhau Đáp ứng công suất của turbine gió máy phát tốc độ thay đổi được khảo sát và so sánh với turbine gió tốc độ cố định

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ, NGỮ, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC BẢNG xi

DANH MỤC HÌNH xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Khái quát về năng lượng gió 1

1.1.1 Hiện trạng phát triển năng lượng gió thế giới 1

1.1.2 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam 2

1.2 Tổng quan về nguồn điện gió 4

1.2.1 Máy phát điện gió làm việc với bộ biến đổi 4

1.2.2 Phân loại tuabin gió 5

1.2.3 Thị phần sử dụng tuabin gió 6

1.3 Tính cần thiết của đề tài 7

1.4 Phạm vi ngiên cứu của đề tài 7

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 7

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 7

1.5 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 7

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 7

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CỦA SỰ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 13

2.1 Năng lượng trong gió 13

2.2 Đường cong công suất của turbine gió 14

2.3 Cấu tạo của turbine gió các dạng turbine gió 14

2.3.1 Turbine gió trục đứng 15

2.3.2 Turbine gió trục ngang 15

2.4 Công suất thu được của turbine gió 17

2.5 Sự truyền động và hiệu suất của máy phát 18

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG NĂNG

LƯỢNG GIÓ 20

3.1 Mô hình gió 20

Mô hình rotor turbine gió 21

3.2 Mô hình truyền động 21

3.3 Mô hình máy điện 22

3.3.1 Mô hình máy phát điện không đồng bộ (Máy điện cảm ứng ) 22

3.3.2 Mô hình máy điện cảm ứng nguồn đôi(DFIG) 26

3.4 Mô hình bộ chuyển đổi công suất 31

3.4.1 Bộ điều khiển AC 31

3.4.2 Các bộ biến đổi nguồn điện áp(VSC) 35

3.5 Vòng khóa pha (Phase Locked Loop)(PLL) 39

CHƯƠNG 4: KẾT NỐI TURBINE GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN 40

4.1 Những vấn đề chung khi kết nối các turbine gió với lưới điện 40

4.1.1 Điều khiển công suất tác dụng 40

4.1.2 Khoảng tần số hoạt động 40

4.1.3 Điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng 41

4.2 Những tác động của turbine gió lên lưới điện 42

4.2.1 Hiện tượng dao động điện áp 42

4.2.2 Hiện tượng chập chờn 43

4.2.3 Hiện tượng sóng hài 43

4.2.4 Hiện tượng cô lập máy phát 43

4.3 Các cách thức hoạt động của turbine gió 43

4.3.1 Turbine gió tốc độ cố định 44

4.3.2 Turbine gió tốc độ thay đổi 44

4.4 Các cách thức kiểm soát công suất ngõ vào 47

4.4.1 Điều khiển góc pitch 47

4.4.2 Điều khiển lược bớt thụ động 47

4.4.3 Điều khiển lược bớt chủ động 47

4.5 Hệ thống điều khiển góc pitch và điều chỉnh hướng turbine 48

4.6 Tương quan giữa tốc độ và công suất ngõ ra của turbine gió 49

4.7 Kết nối turbine gió tốc độ cố định máy phát không đồng bộ với lưới điện 51

4.7.1 Thay đổi độ trượt 52

4.7.2 Thay đổi số đôi từ cực 52

4.7.3 Nhược điểm của turbine gió tốc độ cố định máy phát không đồng bộ 53

4.8 Kết nối turbine gió tốc độ thay đổi máy phát DFIG với lưới điện 54

4.8.1 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG 54

4.8.1.1 Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển 54

4.8.1.2 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía

4.8.3.1 Điều khiển tối ưu tỷ số tốc độ đầu cực λ 61

4.8.3.2 Điều khiển bám đỉnh công suất 62

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN 64

5.1 Mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió tốc độ cố định sử dụng máy điện không đồng bộ kết nối lưới điện 65

5.1.2 Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió 69

5.1.3 Mô phỏng đáp ứng của turbine gió khi xảy ra sự cố 73

5.2 Mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió tốc độ thay đổi sử dụng máy điện cảm ứng nguồn đôi ( DFIG) kết nối lưới điện 78

5.2.1 Mô phỏng turbine gió đáp ứng với sự thay đổi vận tốc gió 83

5.2.2 Mô phỏng đáp ứng của turbine gió khi xảy ra sự cố 86

5.3 So sánh đáp ứng của tổ turbine gió máy phát không đồng bộ và tổ turbine gió máy phát DFIG với sự thay đổi vận tốc gió 92

5.4 Phân tích kết quả mô phỏng 96

5.4.1 Hành vi của các turbine gió và tổ máy phát điện gió 96

5.4.2 Ảnh hưởng của turbine gió đến ổn định của hệ thống 96

5.4.3 Đáp ứng của hệ thống điều chỉnh góc pitch 97

5.4.4 Đáp ứng với sự xáo động của turbine gió tốc độ hằng số 98

5.4.5 Đáp ứng với sự xáo động của turbine gió máy phát DFIG 100

5.4.6 Phân tích đáp ứng của turbine gió tốc độ hằng số khi sự cố 101

5.4.7 Phân tích đáp ứng của turbine gió tốc độ thay đổi máy phát DFIG khi sự cố 102

5.4.8 Đáp ứng của tổ turbine gió máy phát không đồng bộ và tổ turbine gió máy phát DFIG với sự thay đổi vận tốc gió 103

CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG

TƯƠNG LAI 104

6.1 Một số kết quả đạt được của luận văn 104

6.2 Các kết luận khi mô phỏng turbine gió kết nối với lưới điện 105

6.3 Hướng phát triển trong tương lai 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ, NGỮ, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Các từ viết tắt

Chỉ số trên

ref Giá trị điều khiển

mea Giá trị đo lường

Chỉ số dưới

Ký hiệu

Jwtr Momen quán tính turbine gió (kg·m²)

Sr Công suất biểu kiến rotor (VA)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Xếp hạng 10 quốc gia có công suất lắp đặt điện gió lớn nhất 2 Bảng 1.2 Quy hoạch phát triển điện gió ở các địa phương 3 Bảng 1.3 Thống kê số lượng dự án và tổng công suất điện gió theo các vùng 4

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió trên toàn thế giới (MW) 1

Hình 1.2 Các thành phần của một tuabin gió phát điện 4

Hình 1.3 Thị phần các cấu hình tuabin gió trên toàn cầu năm 2022 (%) 6

Hình 2.1 Đồ thị mối tương quan giữa công suất và vận tốc gió 13

Hình 2.2 Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió công suất 2MW 14

Hình 2.3 Turbine gió trục đứng Darrieus Hình 2.4 Turbine gió trục ngang 15

Hình 2.5 Cấu tạo turbine gió 16

Hình 2.6 Đường cong hiệu suất turbine 17

Hình 2.7 Biểu đồ công suất hệ thống điện năng gió 18

Hình 2.8 Đường cong biểu thị mối quan hệ giữa hệ CP và vận tốc gió của turbine 19 Hình 3.1 Dạng sóng vận tốc gió theo thời gian 21

Hình 3.2 Đặc tuyến momen-tốc độ của máy điện cảm ứng 22

Hình 3.3 Sơ đồ máy điện cảm ứng rotor dây quấn 23

Hình 3.4 Nguyên lý của máy điện cảm ứng DFIG 26

Hình 3.5 Đặc tuyến momen- tốc độ của DFIG 26

Hình 3.6 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập 27

Hình 3.7 Phân bố công suất giữa các cuộn dây máy phát DFIG 29

Hình 3.8 Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu d-q 30

Hình 3.9 Sơ đồ máy phát điện cảm ứng kết nối lưới điện 31

Hình 3.10 Những cấu hình máy điện cảm ứng kết nối Soft-starters 31

Hình 3.11 Sơ đồ hai SCR và công tắc chuyển mạch tương đương 32

Hình 3.12 Bộ Soft-starters trong kết nối 3 pha hình sao 32

Hình 3.13 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi máy điện nối sao 33

Hình 3.14 Bộ Soft-starters trong kết nối 3 pha tam giác 33

Hình 3.15 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi máy điện kết nối hình tam giác 34

Hình 3.16 Bộ Soft-starters trong kết nối 3 pha tam giác-nhánh 34

Hình 3.17 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi máy điện kết nối tam giác-nhánh 35

Hình 3.18 Cấu trúc của bộ chuyển đổi nguồn điện áp back-to-back 35

Hình 3.19 Sơ đồ tương đương của mạch liên kết DC 36

Hình 3.20 Máy điện cảm ứng kết nối sao với VSC 36

Hình 3.21 Dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ chuyển đổi nguồn áp với máy phát kết nối sao 37

Hình 3.22 Máy điện cảm ứng kết nối tam giác với VSC 37

Hình 3.23 Dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ chuyển đổi nguồn áp với máy phát kết nối tam giác 38

Hình 3.24 Cấu trúc tổng quát của vòng khóa pha 39

Hình 4.1 Dạng công suất ngõ ra tương ứng với số lượng turbine gió 42

Hình 4.2 Sơ đồ turbine gió tốc độ cố định dùng máy phát cảm ứng 44

Hình 4.3 Sơ đồ turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát DFIG 45

Hình 4.4 Sơ đồ turbine gió tốc độ thay đổi dùng bộ chuyển đổi toàn phần máy phát đồng bộ 45

Hình 4.5 Sơ đồ turbine gió tốc độ thay đổi máy điện đồng bộ với bộ chuyển đổi toàn phần nối trực tiếp turbine gió không có hộp số 46

Hình 4.6 Hệ thống điều chỉnh góc pitch 48

Hình 4.7 Hệ thống điều chỉnh hướng của turbine gió 48

Hình 4.8 Quan hệ công suất ngõ ra với vận tốc gió và tốc độ turbine 49

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Cp với các hệ số λ và β của turbine gió góc pitch thay đổi 50

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa CP theo λ cho turbine gió góc pitch không đổi (β = 0) 51

Hình 4.11 Sơ đồ turbine gió tốc độ cố định dùng máy phát không đồng bộ 51

Hình 4.12 Đặc trưng momen-tốc độ của máy điện không đồng bộ với các giá trị điện trở rotor khác nhau 52

Hình 4.13 Turbine gió tốc độ cố định máy phát cảm ứng hai cấp tốc độ 52

Hình 4.14 Mối quan hệ giữ các đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và d-q 55

Hình 4.15 Giản đồ vector điện áp lưới và vector từ thông stator ở chế độ xác lập khi bỏ qua điện trở stator 56

Hình 4.16 Sơ đồ hệ thống điều khiển turbine gió 58

Hình 4.17 Tốc độ turbine tối ưu tương ứng với mỗi vận tốc gió 61

Hình 4.18 Sơ đồ điều khiển tối ưu λ máy phát DFIG 61

Hình 4.19 Nguyên lý của điều khiển bám đỉnh công suất 62

Hình 4.20 Sơ đồ điều khiển bám đỉnh công suất máy phát DFIG 63

Hình 5.1 Tổ máy phát điện 6 turbine gió 64

Hình 5.2 Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió công suất 12MW sử dụng máy phát điện không đồng bộ kết nối lưới điện 65

Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió công suất 12MW sử dụng máy phát điện không đồng bộ trong matlab/simulink 66

Hình 5.4 Sơ đồ mô phỏng turbine gió và máy phát điện không đồng bộ 66

Hình 5.5 Sơ đồ cấu trúc khối turbine gió máy phát điện không đồng bộ 67

Hình 5.6 Sơ đồ cấu trúc khối máy phát không đồng bộ 67

Hình 5.7 Các thông số của turbine gió và máy phát điện không đồng bộ 68

Hình 5.8 Đặc tuyến công suất theo tốc độ gió của turbine gió máy phát điện không đồng bộ 68

Hình 5.9 Sơ đồ hệ thống bảo vệ turbine gió máy phát điện không đồng bộ 69

Hình 5.10 Tốc độ gió và góc pitch của turbine gió máy phát điện không đồng bộ 69

Hình 5.11 Dạng sóng điện áp các pha, công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và dòng điện thứ tự thuận tại B22, tổ turbine gió máy phát điện không đồng bộ 70

Hình 5.12 Dạng sóng công suất tác dụng ,công suất phản kháng của tổ turbine, tốc độ máy phát của turbine gió máy phát điện không đồng bộ 71

Hình 5.13 Dạng sóng dòng điện rotor_iq và stator_id của máy phát điện không đồng bộ 72

Hình 5.14 Dạng momen điện từ của máy phát điện không đồng bộ 72

Hình 5.15 Dạng sóng công suất tác dụng ,công suất phản kháng, tốc độ máy phát của tổ turbine gió máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 100ms 73

Hình 5.16 Dạng sóng điện áp và công suất chạy trên tuyến tại Bus 22 kV của tổ turbine gió máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 100ms 74

Hình 5.17 Dạng sóng dòng điện rotor_iq và stator_id của máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 100ms 74

Hình 5.18 Momen điện từ của máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 100ms 75

Hình 5.19 Dạng sóng công suất tác dụng ,công suất phản kháng, tốc độ máy phát

của tổ turbine gió máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 50ms 76

Hình 5.20 Dạng sóng điện áp và công suất chạy trên tuyến tại Bus 22 kV của tổ turbine gió máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 50ms 76

Hình 5.21 Dạng sóng dòng điện rotor_iq và stator_id của máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 50ms 77

Hình 5.22 Dạng momen điện từ của máy phát điện không đồng bộ khi ngắn mạch 50ms 77

Hình 5.23 Sơ đồ tổ máy phát điện turbine gió công suất 12MW sử dụng máy phát điện DFIG kết nối lưới điện 78

Hình 5.24 Sơ đồ mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió công suất 12MW máy phát điện DFIG kết nối lưới điện trong matlab/simulink 79

Hình 5.25 Sơ đồ turbine gió máy phát điện DFIG 79

Hình 5.26 Sơ đồ máy phát điện DFIG và bộ chuyển đổi công suất 80

Hình 5.27 Sơ đồ cấu trúc máy phát điện DFIG 80

Hình 5.28 Các thông số của turbine gió và máy phát điện DFIG 81

Hình 5.29 Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển máy phát điện DFIG 81

Hình 5.30 Sơ đồ cấu trúc khối biến đổi dòng điện và công suất phía lưới máy phát điện DFIG 82

Hình 5.31 Đặc tuyến công suất theo tốc độ gió của turbine gió máy phát DFIG 82

Hình 5.32 Sơ đồ hệ thống bảo vệ tổ turbine gió máy phát DFIG 83

Hình 5.33 Tốc độ gió và góc pitch của turbine gió máy phát DFIG 83

Hình 5.34 Dạng sóng điện áp các pha, điện áp và dòng điện thứ tự thuận tại B22 tổ turbine gió máy phát điện DFIG 84

Hình 5.35 Dạng sóng công suất tác dụng ,công suất phản kháng và tốc độ máy phát của turbine gió máy phát điện DFIG 85

Hình 5.36 Dạng sóng dòng điện rotor_iq, stator_id và momen điện từ của máy phát điện DFIG 85

Hình 5.37 Dạng momen điện từ của máy phát điện DFIG 86

Hình 5.38 Dạng sóng công suất tác dụng ,công suất phản kháng, tốc độ máy phát của tổ turbine gió máy phát điện DFIG khi ngắn mạch 100ms 87

Hình 5.39 Dạng sóng điện áp và công suất chạy trên tuyến tại Bus 22 kV của tổ

turbine gió máy phát điện DFIG khi ngắn mạch 100ms 88

Hình 5.40 Dạng sóng dòng điện rotor_iq và stator_id của máy phát điện DFIG khi ngắn mạch 100ms 88

Hình 5.41 Dạng momen điện từ của máy phát DFIG khi ngắn mạch 100ms 89

Hình 5.42 Dạng sóng công suất tác dụng ,công suất phản kháng của tổ turbine gió và tốc độ máy phát của tổ turbine gió máy phát điện DFIG khi ngắn mạch 50ms 90

Hình 5.43 Dạng sóng điện áp và công suất chạy trên tuyến tại Bus 22 kV của tổ turbine gió máy phát điện DFIG khi ngắn mạch 50ms 91

Hình 5.44 Dạng sóng dòng điện rotor_iq và stator_id của máy phát điện DFIG khi ngắn mạch 50ms 91

Hình 5.45 Dạng momen điện từ của máy phát DFIG khi ngắn mạch 50ms 92

Hình 5.46 Tốc độ gió ngõ vào và sự thay đổi góc pitch của các dạng turbine gió 93

Hình 5.47 Công suất tác dụng của 2 tổ máy phát 93

Hình 5.48 Công suất phản kháng của 2 tổ máy phát 94

Hình 5.49 Đáp ứng tốc độ của 2 dạng máy phát 94

Hình P.1 Sơ đồ mô phỏng mô hình gió 112

Hình P.2 Sơ đồ mô phỏng rotor turbine gió 112

Hình P.4 Sơ đồ mô phỏng mô hình bộ soft-starter 113

Hình P.5 Sơ đồ mô phỏng mô hình bộ VSC 113

Hình P.6 Sơ đồ mô phỏng mô hình vòng khóa pha 113

Hình P.7 Sơ đồ mô phỏng mô hình hệ thống điều khiển tần số 114

Hình P.8 Sơ đồ mô phỏng mô hình khối điều khiển PID 114

Hình P.9 Khối chuyển tín hiệu từ hệ trục abc sang hệ trục dq 114

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về năng lượng gió

1.1.1 Hiện trạng phát triển năng lượng gió thế giới

Năng lượng gió toàn cầu đang có tốc độ phát triển nhanh hơn các dạng năng lượng khác Tổng công suất lắp đặt của điện gió toàn thế giới vào cuối năm 2020 đã đạt khoảng 746 GW [16] Đến năm 2022, tổng năng lượng gió toàn cầu đạt khoảng 956 GW

Hình 1.1 Biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió trên toàn thế giới (MW)

Hiện nay, tổng công suất của tất cả các máy phát điện gió trên toàn thế giới đã đạt khoảng 956 GW, đủ để tạo ra 7% nhu cầu điện năng của thế giới Trong số này, quốc gia có tổng công suất lắp đặt điện gió lớn nhất là Trung Quốc với các tuabin lắp đặt mới trong năm 2022 khoảng 54 GW, tương ứng với 56% thị phần

Hiện Trung Quốc là quốc gia đạt tổng quy mô công suất khoảng 366 GW[17], khoảng 38% công suất điện gió toàn cầu Tiếp sau là Hoa Kỳ khoảng 141 GW, đến nay đã đạt tổng công suất 122 GW Kế đến là Đức với tổng công suất đạt 66 GW, Ấn Độ: 42 GW, Một số quốc gia khác cũng đạt ngưỡng trên (10 GW) được trình bày cụ thể trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Xếp hạng 10 quốc gia có công suất lắp đặt điện gió lớn nhất [2]

1.1.2 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo nhận được sự quan tâm của Chính phủ Việt Nam từ rất sớm Đến nay số lượng dự án điện gió được phát triển tăng rất nhanh, đặc biệt là khi Chính phủ ban hành cơ chế khuyến khích phát triển điện gió (Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg ngày 29/6/2011 và Quyết định số 39/2018/QĐ-TTg ngày 10/9/2018) Đến thời điểm tháng 12/2022, mới chỉ có 13 dự án điện gió với tổng công suất đặt khoảng 419,55 MW được đưa vào vận hành trên toàn quốc Tuy nhiên khá nhiều dự án đã khởi công xây dựng với tổng công suất nguồn điện gió đã ký hợp đồng mua bán điện với Tập đoàn Điện lực Việt Nam hơn 700MW

Để thúc đẩy phát triển điện gió theo mục tiêu của Chính phủ đề ra, Bộ Công Thương đã ban hành Văn bản số 4308/BCT-TCNL ngày 17/5/2013 đề nghị 24 tỉnh/thành phố dự báo có tiềm năng tốt cho phát triển điện gió tổ chức lập quy hoạch phát triển điện gió cấp tỉnh Hiện nay đã có 11/24 tỉnh thực hiện Quy hoạch phát triển điện gió và đã được Bộ Công Thương phê duyệt Theo đó, tổng công suất điện gió

quy hoạch tại các tỉnh này khoảng 2.511 MW cho giai đoạn đến năm 2022 và khoảng 15.380,9 MW cho giai đoạn đến năm 2030 Bảng 1.2 [8]

Bảng 1.2 Quy hoạch phát triển điện gió ở các địa phương

Bên cạnh các dự án đã được phê duyệt theo quy hoạch phát triển điện gió cấp tỉnh, trong thời gian vừa qua có rất nhiều dự án điện gió được Ủy ban nhân dân (UBND) các tỉnh trình bổ sung quy hoạch riêng lẻ Đến tháng 3 năm 2022, có khoảng 28 dự án với tổng công suất khoảng 2.214 MW đã được các cấp có thẩm quyền phê duyệt bổ sung vào quy hoạch phát triển điện lực các cấp cho giai đoạn đến năm 2025 Các dự án này tập trung tại 11 tỉnh chủ yếu thuộc khu vực miền Trung, Tây Nguyên và đồng bằng Sông Cửu Long Tính đến 12/2022, ngoài các dự án đã được bổ sung quy hoạch nêu trên, Bộ Công Thương nhận được các đề xuất của UBND các tỉnh với tổng số 248 dự án có tổng công suất khoảng 45.000 MW, cụ thể chia theo khu vực/vùng địa lý như bảng 1.3 [8]

Bảng 1.3 Thống kê số lượng dự án và tổng công suất điện gió theo các vùng

1.2 Tổng quan về nguồn điện gió

1.2.1 Máy phát điện gió làm việc với bộ biến đổi

Tuabin gió phát điện là sự hợp thành từ ba thành phần chủ yếu: phần khí động lực, phần cơ khí, phần điện hình 1.2 [28], [29]

Hình 1.2 Các thành phần của một tuabin gió phát điện

Trong hình 1.2, máy phát điện gắn trực tiếp với tuabin gió sẽ cho tần số và điện áp biến động thường xuyên theo tốc độ gió Bộ biến đổi sẽ cung cấp cho đầu ra một nguồn điện có tần số và điện áp ổn định ở trị số định mức Khi gió tác động vào cánh quạt, tuabin sẽ biến động năng thành cơ năng, cơ năng sẽ biến đổi thành điện năng do tuabin được nối với máy phát điện Điện áp được tạo ra tại các đầu ra của máy phát điện tỷ lệ thuận với tốc độ và từ thông của máy phát Tốc độ máy phát khi đó sẽ bị chi phối bởi năng lượng gió Dòng kích từ được điều khiển bởi bộ điều khiển tuabin Sau đó, điện áp đầu ra của máy phát điện được cấp cho bộ chỉnh lưu, chỉnh lưu thành dòng điện một chiều (DC) Các đại lượng dòng điện, điện áp phía đầu ra DC được nghịch lưu để chuyển đổi nó thành đầu ra xoay chiều ổn định, cuối cùng

được đưa vào mạng truyền tải điện hoặc lưới truyền tải với sự trợ giúp của máy biến áp tăng áp Đối với tuabin gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát có thể được điều khiển bởi các thiết bị điện tử công suất Theo đó, sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor, bởi nếu không có sự điều khiển đó, sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Có 2 cách thức chủ yếu để ổn định tốc độ quay của tuabin gió khi tốc độ gió thay đổi, đó là:

Thứ nhất: thay đổi bề mặt hứng gió của cánh quạt Bản chất của phương pháp này là đặt cho trục tuabin gió quay với một giới hạn tốc độ cho phép, khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ gió quy định, trục tuabin gió sẽ quay nhanh hơn, bộ cảm biến sẽ nhận tín hiệu, chuyển đến bộ phận điều khiển, bộ phận điều khiển sẽ so sánh với tốc độ quay đã quy định Cơ cấu chấp hành sẽ xoay cánh quạt để thay đổi bề mặt hứng gió Bằng cách này, tốc độ của tuabin sẽ thay đổi kịp thời, để ổn định tần số ra của máy phát Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều khiển, chỉ cần sử dụng một động cơ điều khiển cánh quạt khi tốc độ gió thay đổi Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là các cơ cấu điều khiển sẽ làm việc liên tục, dẫn đến tổn hao năng lượng lớn, thiết bị nhanh hỏng

Thứ hai: khi tốc độ gió thay đổi thì tốc độ tuabin thay đổi, nhờ bộ phận hộp số mà tốc độ máy phát có thể tăng giảm sao cho gần với tốc độ đồng bộ Nếu chế tạo một bộ hộp số mà đáp ứng hầu hết thay đổi của tốc độ gió thì sẽ rất phức tạp, chi phí sản xuất và chi phí vận hành-bảo dưỡng lớn Ngược lại nếu hộp số đơn giản thì tốc độ tuabin sẽ thay đổi dạng nhảy bậc; vì vậy để ổn định tốc độ quay của tuabin gió, các nhà sản xuất thường kết hợp cả hai phương pháp

1.2.2 Phân loại tuabin gió

Tuabin gió có thể được phân loại dựa trên cơ sở các thành phần của hệ thống truyền động tham gia vào quá trình biển đổi công suất Tuabin gió được chia thành 4

- Loại tuabin gió tốc độ biến đổi, sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (loại C)

- Loại tuabin gió tốc độ biến đổi, sử dụng bộ chuyển đổi toàn phần (loại D)

1.2.3 Thị phần sử dụng tuabin gió

Từ cuối thập niên 2000, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG chiếm lĩnh thị trường với thị phần trên 85% Hiện nay, mặc dù các loại máy phát điện khác đã có tham gia thị trường, nhưng các tuabin gió sử dụng máy phát điện DFIG vẫn chiếm gần 60% tổng công suất lắp đặt (hình 1.7) Các công ty dẫn đầu thị trường đối với máy phát điện DFIG hiện nay là hãng GE (General Electric) của Mỹ với gần 20,7% thị phần, tiếp theo là hãng Vestas của Đan Mạch với 19% và Gamesa của Tây Ban Nha với 19% Hiện nay, các tuabin sử dụng loại máy phát điện SCIG chiếm khoảng 12% tổng công suất lắp đặt Phân khúc này do hãng Siemens của Đức dẫn đầu với thị phần công suất lắp đặt khoảng 42% tổng số hệ thống lắp đặt [30]

Máy phát điện gió sử dụng cấu hình WRIG chiếm khoảng 7% về công suất lắp đặt, dẫn đầu là Vestas chiếm 50% tổng công suất Các tuabin PMSG chiếm 12% tổng công suất Dẫn đầu thị trường về loại PMSG tốc độ thấp truyền động trực tiếp là công ty Goldwind của Trung Quốc chiếm 62,5% thị phần, trong khi đó Công ty Vestas dẫn đầu với cấu hình PMSG tốc độ trung bình/cao với 50% thị phần Loại tuabin gió sử dụng máy điện đồng bộ cảm ứng từ (Electrically Excited Synchronous Generator – EESG) chiếm 9% tổng công suất lắp đặt, được dẫn đầu bởi hãng Enercon của Đức với hầu hết các thiết bị phụ trợ được sản xuất bởi Công ty

Hình 1.3 Thị phần các cấu hình tuabin gió trên toàn cầu năm 2022 (%)

1.3 Tính cần thiết của đề tài

Qua phân tích tiềm năng và tình hình khai thác năng lượng gió ở nước ta, nhận thấy rằng tình hình khai thác năng lượng gió chưa xứng tầm với tiềm năng hiện có, và việc khai thác tốt tiềm năng này để phục vụ cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết

Tuy nhiên nguồn năng lượng gió này phụ thuộc rất nhiều vào thiên nhiên, và sự hiểu biết của chúng ta về năng lượng gió còn chưa đầy đủ, vì vậy cần có những nghiên cứu để có thể khai thác có hiệu quả nguồn năng lượng này cũng như những tác động của chúng khi kết nối với lưới điện hiện hành

Đây là công việc cần thiết do vậy tôi chọn đề tài: Nghiên cứu kết nối hệ thống

điện gió với lưới điện

1.4 Phạm vi ngiên cứu của đề tài 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Mô hình hóa các thành phần trong hệ thống năng lượng gió, phân tích các phương thức hoạt động, điều khiển của các loại turbine gió, khảo sát hành vi của turbine gió tốc độ cố định máy phát không đồng bộ và turbine gió tốc thay đổi máy phát cảm ứng nguồn đôi DFIG (Doubly Fed Induction Generator) khi kết nối lưới điện, so sánh đáp ứng của hai loại turbine gió trên với sự thay đổi vận tốc gió

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào những nội dung chính sau :

➢ Phân tích cơ sở của sự chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng, điện năng ➢ Mô hình hóa của các thành phần trong hệ thống năng lượng gió

➢ Các phương pháp kết nối turbine gió với lưới điện, chiến lược vận hành turbine gió máy phát DFIG

➢ Mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió kết nối với lưới điện, so sánh đáp ứng của turbine gió tốc độ cố định máy phát không đồng bộ và turbine gió tốc thay đổi máy phát cảm ứng nguồn đôi DFIG với sự thay đổi vận tốc gió

1.5 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đã có nhiều nghiên cứu về nguồn điện gió, cũng như ảnh hưởng của nguồn điện gió đến lưới điện đã được công bố Có thể kể đến một số nghiên cứu điển hình

sau: Phương pháp điều khiển máy phát loại DFIG trên cơ sở các thuật toán điều chỉnh đảm bảo phân ly giữa mô men và hệ số công suất [9], [10] Các thuật toán điều khiển phi tuyến, khử sai lệch tĩnh dựa trên kỹ thuật Backstepping [11], [12], [16], [17]; phương pháp tựa thụ động Euler-Lagrange và luật Hamiltonian [13]; điều khiển bám lưới [14] Bên cạnh đó, cũng có các nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo chất lượng điện năng cho DFIG và lưới điện: điều chỉnh ổn định điện áp tại nút kết nối [15] Một số nghiên cứu điều khiển máy điện DFIG kết nối lưới điện sử dụng kỹ thuật điều chế véctơ không gian, khi đó quá trình điều chỉnh dòng điện rotor của DFIG được tính toán và điều khiển trong hệ trục tọa độ tựa theo điện áp lưới [19], [20]; các nghiên cứu đã tập trung cải thiện chất lượng điều khiển máy phát DFIG bằng phương pháp điều khiển phi tuyến Theo [19] tác giả đã nghiên cứu biện pháp khắc phục sự cố trên lưới điện đối xứng và lưới điện không đối xứng khi có kết nối với máy phát điện DFIG Khi xảy ra sự cố lưới thì bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển ngừng làm việc, các dây quấn rotor được nối tắt qua hệ thống điện trở tiêu tán để duy trì quá trình vận hành đồng bộ của máy phát với lưới phân phối Bộ điều khiển phía lưới được thiết kế theo phương pháp kinh điển với các bộ điều khiển PI, còn bộ điều khiển phía máy phát được thiết kế theo phương pháp Passivity – Based Kết quả mô phỏng cho thấy việc áp dụng biện pháp khắc phục sự cố lưới đã cho thấy rất rõ khả năng bảo vệ bộ biến đổi phía rotor khi lưới xảy ra sự cố

Nghiên cứu [20] đã ứng dụng phương pháp mờ trượt điều khiển công suất trong bộ biến đổi máy phát điện DFIG, nhằm đảm bảo thông số đầu ra cung cấp cho tải và bộ điều khiển đáp ứng nhanh hơn khi tốc độ gió thay đổi Kết quả nghiên cứu này đã so sánh giữa phương pháp PI truyền thống với phương pháp đề xuất cho thấy: đã giải quyết được vấn đề về ổn định khi hòa lưới điện, chất lượng điện năng đầu ra ít bị ảnh hưởng bới nhiễu, đảm bảo sai lệch tiến về không, chất lượng điều khiển tốt hơn phương pháp PI truyền thống Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa đạt được kết quả mong muốn do thời gian quá độ còn lớn, khoảng 0,25s

Trong [21], tác giả đã áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển tựa thụ động (Passivity Base Control - PBC) cho DFIG Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: khi xảy ra sự cố, nếu điện áp phía lưới điện bị suy giảm từ 10% đến 50% thì điện áp máy phát và tần số góc mạch rotor sẽ mất ổn định Tuy nhiên, khi có sự tham gia của bộ

điều chỉnh PBC, hệ thống bị dao động nhưng sau đó vẫn làm việc ổn định, các giá trị dòng điện bám tốt giá trị đặt và sau khi hết sự cố hệ thống trở về trạng thái làm việc ổn định Giải pháp của nghiên cứu này đã cải thiện được chất lượng của hệ thống điều khiển so với phương pháp điều khiển tuyến tính (mất điều khiển) Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là: chỉ giải quyết ở các chế độ làm việc bình thường với tải đối xứng và chế độ ngắn mạch 3 pha đối xứng, chưa đề cập tới trường hợp tải không đối xứng

Theo nghiên cứu [22], các tác giả đã thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện DFIG dựa trên bộ điều khiển PI, trên cơ sở thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi độ rộng xung PWM phía rotor và phía lưới Ở đây phương pháp điều khiển véctơ từ thông được áp dụng cho cả hai bộ biến đổi phía máy phát và phía lưới điện để điều khiển độc lập tốc độ, dòng điện, điện áp, công suất tác dụng và phản kháng, đồng thời giữ cho điện áp một chiều DC-link không đổi Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy: dòng điện stator cung cấp lên lưới điện có dạng hình sin chuẩn, có biên độ và tần số ít bị biến đổi Điện áp một chiều trên tụ C rất bằng phẳng, gần như không có sóng hài bậc cao và có biên độ bằng giá trị đặt Tuy nhiên, thời gian quá độ còn lớn, việc lựa chọn tham số tối ưu của bộ điều khiển tính toán còn mất nhiều thời gian

Nghiên cứu [23] đã đưa ra một luật điều khiển mới của bộ biến đổi phía rotor của máy phát điện DFIG Luật điều khiển trong nghiên cứu này dựa vào tín hiệu phản hồi để xác định giá trị cần đặt lên cuộn dây rotor của máy phát DFIG sao cho hàm năng lượng của hệ thống tuabin gió đạt giá trị cực tiểu Ưu điểm của luật điều khiển đề xuất cho thấy đơn giản về mặt cấu trúc, thông số bộ điều khiển được xác định dễ dàng Kết quả mô phỏng chỉ ra hệ thống làm việc ổn định, sai số tín hiệu điều khiển và tín hiệu tham chiếu rất nhỏ, xấp xỉ 5% nhỏ hơn nhiều so với bộ điều khiển PI trong cùng tốc độ gió

Trong [24] các tác giả đã so sánh các phương pháp điều khiển dòng điện như bộ điều khiển tích phân-tỉ lệ kép (dua PI) theo trục d và q của thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch, kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp (FL) và điều khiển cộng hưởng tỉ lệ tích phân (PIR) Kết quả mô phỏng hệ thống năng lượng gió dùng DFIG cho thấy phương pháp dùng điều khiển dòng PIR thể hiện đáp ứng vận hành tốt thông qua việc

giảm dao động dòng điện, công suất đến giá trị thấp nhất của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) khi có giảm áp

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hầu hết các nghiên cứu về tuabin gió kết nối với lưới điện đã thu hút được sự quan tâm đáng kể của các nhà khoa học trên thế giới Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các khía cạnh điều khiển cho hệ thống máy phát điện gió bao gồm: điều khiển góc nghiêng, điều khiển MPPT và điều khiển bộ biến đổi của DFIG Các kỹ thuật điều khiển truyền thống và điều khiển thông minh cho hệ thống máy phát điện gió được nhiều tác giả quan tâm trong thời gian gần đây

Các nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh của tuabin để giữ máy phát làm việc với công suất phát định mức thông qua việc giảm góc nghiêng cánh tuabin [38], [39], [40] Một số cách tiếp cận điều khiển góc nghiêng cánh thông qua logic mờ [41] và thuật toán thông minh [42],[43] để đạt được hiệu quả điều khiển tốt hơn các phương pháp điều khiển thông thường Thuật toán GA trong [42] được sử dụng cho việc điều khiển bộ MPPT của tuabin gió để có được giá trị tối ưu và hệ số công suất cực đại Khi tốc độ gió thay đổi, bộ điều khiển được thiết kế có thể bám công suất cực đại trong các điều kiện khác nhau khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió định mức Từ kết quả mô phỏng Matlab/ Simulink, nghiên cứu này đã cho biết: việc sử dụng bộ điều khiển thông minh áp dụng cho máy phát điện gió DFIG sẽ giúp DFIG có hiệu suất làm việc tốt hơn thông thường

Thuật toán PSO trong [43] tối ưu tham số bộ điều khiển PI để điều khiển gián tiếp công suất tác dụng và phản kháng, đảm bảo sự bám theo điểm công suất cực đại MPPT của tuabin gió Kết quả cho thấy: bộ điều khiển PI khi được tối ưu bằng thuật toán PSO mang lại kết quả tốt hơn khi so sánh với phương pháp truyền thống xét về chỉ số hiệu suất Dòng điện stator với bộ điều khiển PI sử dụng thuật toán PSO bám tốt hơn, hiện tượng quá dòng trong mạch stator được giảm xuống khi khởi động Về chỉ tiêu THD, dòng điện stator khi sử dụng bộ điều khiển PI truyền thống có THD cao hơn (17,67%) so với dòng điện stator trong trường hợp PI sử dụng thuật toán PSO (15,70%) Trong nghiên cứu [41], các tác giả này cũng sử dụng thuật toán PSO để tìm kiếm tham số tối ưu của bộ điều khiển và phối hợp nhiều bộ điểu khiển của các máy phát điện DFIG Kết quả nghiên cứu cho thấy: quá trình tìm kiếm khi sử dụng

PSO dễ ràng triển khai và tìm kiếm nhanh hơn các phương pháp truyền thống [34], [35], [36], [37] hiệu suất của tuabin được nâng cao, khả năng vượt qua sự cố được cải thiện Các thông số tối ưu đã được minh chứng trên hệ thống một và nhiều máy phát Tham số trong bộ điều khiển PI được xác định thông qua PSO đã góp phần nâng cao chất lượng điều khiển trong thời gian quá độ [30]

Có nhiều nghiên cứu khác đề xuất thuật toán để tối ưu tham số bộ điều khiển phía rotor nhằm cải thiện suy giảm dao động của hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện DFIG như: Giải thuật di truyền - GA [44], Thuật toán bày đàn – PSO [39], [40], [41], [42], [43], Thuật toán tối ưu trọng trường - GSA [36], Thuật toán sói xám-GWO [38], Mạng nơ-ron nhân tạo - ANN [35], [36], [37] cũng đã đạt được một số kết quả nhất định

Theo nghiên cứu [38], các tác giả đã sử dụng trí tuệ nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) áp dụng cho bộ điều khiển của máy phát điện DFIG nối lưới điện và so sánh với bộ điều khiển PI truyền thống Việc phân tích ổn định tín hiệu nhỏ với bộ điều khiển sử dụng ANN đã huấn luyện có thể lựa chọn được các thông số tối ưu theo dải tốc độ gió biến thiên Các tham số được huấn luyện bởi thuật toán ANN và đưa ra các giá trị của bộ điều khiển (phía lưới và phía máy phát) trong các kịch bản: khi hệ thống gặp sự cố và khi hệ thống hoạt động bình thường Ưu điểm của thuật toán ANN áp dụng trong nghiên cứu này là: có thể xử lý song song nên tốc độ xử lý nhanh, có thể huấn luyện để xấp xỉ một hàm phi tuyến bất kỳ, đặc biệt là khi đã biết một tập dự liệu vào/ra; đảm bảo điện áp ổn định khi làm việc với lưới điện, ít bị nhiễu, đảm bảo sai lệch tiến về không và chất lượng tốt hơn bộ điều khiển PI truyền thống Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của phương pháp này là khó giải thích rõ ràng hoạt động của mạng, việc điều chỉnh trong mạng ANN rất khó khăn

Trong nghiên cứu [32], đã đưa ra thuật toán bắt chước tập tính săn mồi của loài sói xám GWO (Grey Wolf Optimizer) để tối ưu hóa tham số của bộ điều khiển PI trong bộ biến đổi phía máy phát và phía lưới điện của máy phát điện gió, nhằm cải thiện hoạt động quá độ của DFIG khi tốc độ gió thay đổi Kết quả cho thấy thuật toán tối ưu sói xám được chứng minh hiệu quả hơn trong việc tìm kiếm kết quả tối ưu toàn cục so với phương pháp truyền thống; khi tốc độ gió thay đổi thì công suất phản kháng của máy phát gần như không đổi

Nghiên cứu [37], áp dụng thuật toán tối ưu trọng trường GSA (Gravitational Search Algorithm) để thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện DFIG Bộ điều khiển PI với các tham số tối ưu sẽ được ứng dụng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện Các tham số của bộ điều khiển được xác định theo hàm mục tiêu (ITAE) Kết quả so sánh với thuật toán GA và PSO cho thấy, thời gian đạt trị số tối ưu khi sử dụng thuật toán GSA (settling time) của các biến đầu ra giảm xuống nhanh khoảng 0,38s, công suất phản kháng mất 0,47s, trong khi tối ưu bằng thuật toán GA và PSO mất 0,72s Nghiên cứu này đã kết luận: với bộ điều khiển tối ưu bằng thuật toán GSA có thể làm giảm dao động một cách hiệu quả khi có nhiễu, chất lượng điều khiển tốt hơn so với việc sử dụng điều khiển tối ưu áp dụng thuật toán GA hay PSO

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CỦA SỰ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 Năng lượng trong gió

Xem xét một khối không khí có khối lượng m chuyển động với vận tốc v Động năng của nó E được cho bởi

Từ công thức (2.3) có thể rút ra một kết luận rất quan trọng là công suất gió sẽ tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió

Đồ thị Hình 2.1 cho thấy mối tương quan giữa vận tốc và năng lượng của gió [6]

Hình 2.1 Đồ thị mối tương quan giữa công suất và vận tốc gió

2.2 Đường cong công suất của turbine gió

Một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự thực hiện một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió là công suất đáp ứng của nó với những vận tốc gió khác nhau Điều này thông thường được cho bởi đường cong công suất của turbine Đường cong công suất phản ánh khả năng khí động học của máy phát, khả năng chuyển đổi công suất và những ảnh hưởng phát sinh trong hệ thống năng lượng

Hình 2.2 Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió công suất 2MW

Turbine gió không làm việc, không có công suất ngõ ra

Công suất ngõ ra tăng với tỉ lệ lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Hệ thống lược bớt công suất công, công suất ngõ ra là hằng số Hệ thống ngừng lại, không có công suất ngõ ra

2.3 Cấu tạo của turbine gió các dạng turbine gió

Những turbine gió là những thiết bị cơ khí đặc biệt được thiết kế để chuyển đổi một phần động năng của gió thành cơ năng hữu ích

Có nhiều dạng thiết kế của turbine trong thời gian qua Hầu hết chúng đều có một rotor quay tròn bởi lực đẩy do kết quả của sự tương tác với gió Tùy thuộc vào vị trí của rotor, turbine gió có thể phân thành hai dạng : Turbine gió trục đứng và turbine gió trục ngang

Vận tốc gió (m/s)

2.3.1 Turbine gió trục đứng

Trong nhiều nghiên cứu để tìm kiếm các dạng turbine gió đơn giản và rẻ tiền, một dạng turbine gió trục đứng đạt được sự phát triển đáng kể là turnine gió Darrieus Nó đã được sáng chế ở Mỹ bởi G J M Darrieus vào năm 1931 [6,21]

Đặc điểm lôi cuốn của turbine gió loại này là máy phát và các thiết bị truyền động được đặt tại mặt đất Hơn nữa nó có thể đón gió từ bất kỳ hướng nào mà không cần bộ điều chỉnh hướng Thêm nữa là công nghệ chế tạo tương đối đơn giản

Tuy nhiên nó có nhược điểm là sự suy giảm năng lượng thu được khi rotor bị chặn bởi những cơn gió ít năng lượng hơn Một sự bất lợi của turbine gió Darrieus là thông thường nó không thể tự khởi động Nghĩa là nếu turbine đã dừng lại khi tốc độ gió thấp nó thông thường sẽ không tự khởi động lại được khi tốc độ gió tăng Ngoài ra các turbine gió loại này cần một hệ thống dây chằng trên vùng đất rộng

Do những lý do trên nên turbine gió trục đứng chưa được phát triển trong thời gian qua

Hình 2.3 Turbine gió trục đứng Darrieus Hình 2.4 Turbine gió trục ngang

Nguồn: EWEA

2.3.2 Turbine gió trục ngang

Ngày nay hầu hết các turbine gió thương mại kết nối với lưới đều là turbine gió trục ngang, có hai hoặc ba cánh quạt Turbine gió, hộp số, máy phát được đặt trên đỉnh của tháp Nó cũng có một hệ thống điều chỉnh hướng để các cánh luôn hướng về hướng gió

Trong luận án này sẽ khảo sát về turbine gió trục ngang

Các bộ phận chính trong turbine gió (Trục ngang)

Hình 2.5 Cấu tạo turbine gió

Các bộ phận chính của turbine gió bao gồm

Ngoài ra còn có các bộ phận khác như : Cảm biến và điều khiển hướng, bộ phận điều chỉnh góc pitch, điều chỉnh công suất, hệ thống bảo vệ …

2.4 Công suất thu được của turbine gió

lượng trích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc ν và năng lượng của gió ở phía sau cánh quạt có vận tốc νd

Để tìm hiệu suất của cánh quạt turbine cực đại ta lấy đạo hàm (2.5) theo γ, tính được: Cp max = 16/27 ứng với giá trị

Việc rút ra những vấn đề trên đây được dựa theo các công trình được công bố từ năm 1922 đến năm 1925 của Albert Betz, chính vì vậy kết quả này còn được gọi là

Theo định luật Betz thì năng lượng động học chuyển hóa thành năng lượng cơ học trong turbine không lớn hơn 16/27 Thông thường một turbine gió chuyển hóa được khoảng 40% năng lượng trong gió thành cơ năng được xem là khá tốt bởi vì những điều kiện trong thực tế như sự thay đổi tốc độ gió, hướng gió, sự ma sát của cánh quạt…

2.5 Sự truyền động và hiệu suất của máy phát

Biều đồ công suất từ năng lượng gió thành năng lượng điện được cho như

Hình 2.7

Hình 2.7 Biểu đồ công suất hệ thống điện năng gió

Với Pω : Năng lượng ngõ vào của gió Cp : Hiệu suất của cánh quạt turbine Pwtr : Công suất mà turbine gió thu được ωwtr : Vận tốc của turbine gió

ηg : Hiệu suất máy phát

Vậy công suất điện ngõ ra của máy phát : Pe = Cp ηm ηg Pω [W] (2.9)

và vận tốc gió của turbine gió công suất 1.5 MW, giá trị CP lớn nhất trong trường hợp này khoảng 42% ứng với tốc độ gió khoảng 9 (m/s) [3]

Hình 2.8 : Đường cong biểu thị mối quan hệ giữa hệ CP và vận tốc gió của turbine

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

3.1 Mô hình gió

Mô hình gió mô tả sự biến đổi trong tốc độ gió, là nguyên nhân gây ra những dao động công suất đối với turbine gió [16] Thành phần chính của mô hình thường là các máy phát nhiễu trắng phân phối Vì vậy để thu được những chuỗi thời gian gió trong công cụ mô phỏng phải dùng mô phỏng nền thực hiện một số nghiên cứu Mô hình gió được xây dựng bằng nhiều công cụ với những giải thuật khác nhau

Tốc độ gió có thể mô tả như là tổng của tốc độ gió chính (tốc độ gió trung bình)

Những nhiễu loạn ω’(t) được đặc trưng bởi tần số nhiễu loạn f và mật độ phổ công suất S(f) Công suất trong một dãy tần số hẹp ∆f của hàm mật độ phổ công suất S(f) được đại điện bởi các thành phần sin và cos với pha ngẫu nhiên tại tần số

фj : Biến phân phối ngẫu nhiên thay đổi từ 0 đến 2π S(fj) : Độ lớn mật độ phổ công suất S(f) tại tần số fj

Đặc tính tự nhiên của nhiễu loạn còn được đặc trưng bởi cường độ nhiễu loạn Iω = σ/ω0 Với σ : Độ lệch chuẩn (3.3) Dạng sóng mô hình gió với chuỗi thời gian 3600 giây, thời gian lấy mẫu 0.05 giây, vận tốc trung bình 10m/s, cường độ nhiễu 12% thể hiện bằng hai dạng như Hình 3.1 [11]

Hình 3.1 Dạng sóng vận tốc gió theo thời gian

Mô hình rotor turbine gió

Mô hình động học rotor turbine gió thường được xây dựng dựa vào hệ số công suất CP trong bảng tra cứu

Moment động học có thể xác định theo hệ số CP theo công thức

độ không đổi, và là hàm phụ thộc của λ và góc pitch β đối với turbine gió có góc pitch cũng như tốc độ turbine thay đổi

Trong đó :

Tm : Moment cơ máy phát Twtr : Moment quay turbine gió Jwtr : Momen quán tính turbine gió ωm :Vận tốc cơ máy phát [mach.rad/s]

Kgear : Tỉ số truyền

J : Momen quán tính máy phát

3.3 Mô hình máy điện

3.3.1 Mô hình máy phát điện không đồng bộ (Máy điện cảm ứng )

Hầu hết các turbine gió hiện nay sử dụng máy điện cảm ứng, do chúng có cấu tạo đơn giản, thuận tiện trong việc thay đổi các điều kiện vận hành Máy điện cảm ứng có giá thành rẻ và không yêu cầu nhiều về bảo trì Đặc trưng của máy phát điện này như khả năng quá tốc độ khiến chúng thích hợp trong việc ứng dụng cho turbine gió

Do tốc độ của rotor máy phát không đồng bộ với tốc độ của từ trường quay nên nó còn được gọi là máy điện không đồng bộ Máy điện cảm ứng có thể hoạt động ở cả hai chế độ máy phát và động cơ

Đường đặc tuyến momen-tốc độ của máy điện cảm ứng được cho như Hình 3.2

Hình 3.2 Đặc tuyến momen-tốc độ của máy điện cảm