Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải thuật MPPT cho hệ thống máy phát điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG SƠN THẠCH

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phúc Khải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-o0o -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HOÀNG SƠN THẠCH MSHV: 1570390 Ngày sinh: 13/09/1987 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60.52.02.02

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG MÁY

PHÁT ĐIỆN GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

+ Nhiệm vụ: học viên tìm hiểu về năng lượng gió, hệ thống điện gió Tìm hiểu các kỹ

thuật MPPT cho hệ thống điện gió Tìm hiểu về máy phát PMSG Chứng mình bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB Chứng minh các giải thuật bằng thực nghiệm + Nội dung: luận văn sẽ nghiên cứu 2 vấn đề điều khiển phía máy phát để đạt được công suất tối đa từ năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đồng thời ngăn chặn quá tốc độ turbine để bảo vệ máy phát trên cùng một bộ điều

khiển

Tp HCM, ngày 10 tháng 09 năm 2019

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Phúc Khải, người đã hết

lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn khoa Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi tôi thực hiện đề tài này

Điện-Tp Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 6 năm 2019

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Vì lý bảo vệ môi trường và cải tiến kỹ thuật, phần lớn nhu cầu năng lượng điện sẽ được đáp ứng bởi các nguồn phát nhỏ hơn có thể được phân tán trên một khu vực rộng Khái niệm này được gọi là nguồn phát phân tán (Distributed generation - DG) thay vì chỉ bao gồm các nguồn phát tập trung như truyền thống Các cụm đơn vị DG có thể được kết nối với mạng điện năng cục bộ, được gọi là microgrids, để phục vụ tải cục bộ và tải phân tán Chúng có thể hoạt động ở chế độ kết nối lưới và độc lập Microgrids với các đơn vị máy phát gần với tải, do đó khoảng cách truyvền được giảm, giúp giảm tổn thất truyền và ngăn ngừa quá tải Hơn nữa, vì một số microgrids có thể hoạt động ở chế độ độc lập, nên khả năng mất điện sẽ bị giảm Ngoài ra, vì microgrids bao gồm nhiều đơn vị DG, nên độ tin cậy cũng được nâng cao Các đơn vị DG, thường bao gồm cả các nguồn tái tạo và năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch), như tua-bin gió, pin quang điện, pin nhiên liệu, và các ứng dụng nhiệt và điện kết hợp Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng và hiện có mức sử dụng lớn nhất Hệ thống điện gió được giao tiếp với lưới điện thông qua các bộ chuyển đổi điện tử công suất Vì các microgrids có thể hoạt động ở cả hai chế độ hoạt động kết nối lưới và đảo, biến tần DCC/AC được sử dụng để điều khiển hòa lưới và chuyển đổi giữa 2 chế độ hòa lưới và cục bộ Bộ chuyển đổi AC/DC phía máy phát điều khiển máy phát để thu năng lượng gió tối đa từ gió Ở một tốc độ gió cụ thể, năng lượng gió thu được là một hàm của tốc độ cánh quạt Chỉ khi tua-bin quay với tốc độ tối ưu, mới có thể thu được năng lượng tối đa từ gió Do đó, kỹ thuật theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) rất quan trọng đối với các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, góp phần giảm chi phí đầu tư hệ thống và tăng sự thâm nhập của nguồn năng lượng này vào hệ thống điện Ngoài ra, ở điều khiển máy phát, việc phát hiện tốc độ gió tăng nhanh vượt định và có phương pháp làm giảm tốc độ gió để bảo vệ tua bin cũng là một vấn đề quan tâm của hệ thống điện gió

Trên những cơ sở đó, Luận văn sẽ nghiên cứu 2 vấn đề: điều khiển phía máy phát để đạt được công suất tối đa từ năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), đồng thời ngăn chặn quá tốc độ turbine để bảo vệ máy phát trên cùng một bộ điều khiển

ABSTRACT

For environmental protection and technical innovation, the majority of electricity demand will be met by smaller generation sources that can be dispersed over a wide area This concept is called Distributed generation (DG) instead of only focusing on traditional sources Groups of DG unit can be connected to a local power network, called microgrids, to supply local and distributed loads They can operate in grid connected or islanded mode Microgrids with DG units are close to the loader, so the transmission distance is reduced, result on decrease transmission losses and prevents overloading Moreover, because some microgrids can operate in islanded mode, the possibility of power cut-off is reduced Besides, since microgrids consist of many DG units, reliability is also improved DG units, often include both renewable and traditional (fossil energy) sources, such as wind turbines, photovoltaic cells, batteries, heat and power applications Wind energy conversion systems are an important source of renewable energy and currently is the most popular solution Wind power system is connected with the grid through power electronic converters Because microgrids can operate in both grid-connected and inverted operation modes, the DCC / AC inverter is used to control grid connection and switch between grid-connected and islanded mode The AC / DC converter controls the generator to get maximum energy from the wind At a specific speed, the wind energy obtained is a function of the rotor speed Only when the turbine rotates at the optimum speed can the maximum energy gain from the wind be obtained Therefore, the maximum power point tracking (MPPT) technique is very important for wind energy conversion systems, it reduces system investment costs and increases the contribution of wind energy into power system In addition, in the control of the generator, the detection of overspeed and there is a method to reduce the wind speed to protect turbines is also a concern of the wind power system

On that basis, the thesis will study two issues: control the generator side to achieve maximum power from wind energy using permanent magnet synchronous generator (PMSG), and prevent turbine from overspeed to protect the generator on the same controller

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu giải thuật MPPT trong hệ

thống điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu” là công trình

nghiên cứu của chính bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn của Tiến Sĩ NGUYỄN PHÚC KHẢI, các số liệu và kết quả thực nghiệm hoàn toàn trung thực Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng

Tp Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 6 năm 2019

Học viên

Hoàng Sơn Thạch

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 5

2.2.4 Máy phát điện gió: 13

2.3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CƠ: 21

2.3.1 Tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi: 21

2.3.2 Truyền động hộp số hoặc trực tiếp: 23

CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT PMSG VÀ GIẢI THUẬT MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 25

3.1 MÔ HÌNH TOÁN MÁY ĐIỆN PMSG 25

3.2 ĐIỀU KHIỂN MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG 29 3.3 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BOOST: 33

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

SỬ DỤNG PMSG 35

4.1 ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG [14]

35

4.1.1 Điều khiển tỉ số đầu cánh (TSR): 36

4.1.2 Tín hiệu công suất hồi tiếp (PSF): 37

4.1.3 Tìm kiếm leo đồi (HCS): 38

4.2 GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN ÁP DỤNG TRÊN CÁC VÙNG TỐC ĐỘ GIÓ KHÁC NHAU: 39

4.2.1 Điều khiển PSF cải tiến (M-PSF): 40

4.2.2 HCS cải tiến (M-HCS): 42

4.2.3 Giải thuật MPPT đề xuất: 46

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 49

5.1 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 49

5.1.1 Giải thuật MPPT HCS truyền thống: 53

5.1.2 Giải thuật C – MPPT đề xuất: 56

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Tua-bin gió 8MW Siemens Gamesa 2

Hình 1.2 Đồ thị công suất lý tưởng 3

Hình 2.1 Mô hình sản xuất điện gió 6

Hình 2.2 Các loại tua-bin gió 7

Hình 2.3 Tua-bin gió trục ngang 8

Hình 2.4 Tỉ số đầu cánh và hệ số Cp 10

Hình 2.5 Cánh đồng gió trên bờ và trên biển 12

Hình 2.6 Kết nối các tua-bin gió 13

Hình 2.7 Máy phát không đồng bộ 14

Hình 2.8 Máy phát đồng bộ 15

Hình 2.9 Máy phát cực từ ẩn và cực từ lồi 16

Hình 2.10 Máy phát PMSG 18

Hình 2.11 Inner and outer rotor 19

Hình 2.12 Radial Flux, Axial Flux and Transverse flux PMSG 20

Hình 2.13 Điều khiển hệ thống 22

Hình 2.14 Truyền động trực tiếp và hộp số 23

Hình 3.1 Mặt cắt trục máy phát PMSG 26

Hình 3.2 Mạch tương đương PMSG trên khung dq0 28

Hình 3.3 Đặt tuyến Công suất, tốc độ 30

Hình 3.4 Điều khiển HCS 32

Hình 3.5 Điều khiển TSR trong WECS 32

Hình 3.6 Điều khiển PSF trong WECS 33

Hình 3.7 Bộ biến đổi DC DC BOOST 33

Hình 4.1 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió PMSG 36

Hình 4.2 TSR ANN 36

Hình 4.3 PSF in PMSG 37

Hình 4.4 Search-remember-reuse HCS 38

Hình 4.5 Cấu hình PMSG và điều khiển MPPT 40

Hình 4.6 Thuật toán M-PFS Algorithm 42

Hình 4.7 P – ω curve 42

Hình 4.8 Dao động quanh điểm MPP của giải thuật HCS 44

Hình 4.9 Giải thuật M-HCS 46

Hình 4.10 Giải thuật C-MPPT 47

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng WECs trên MATLAB/SIMULINK 49

Hình 5.2 Khối Turbine gió và thông số 50

Hình 5.3 Đặc tính công suất tua-bin 50

Hình 5.13 Sơ đồ mô phỏng giải thuật C-MPPT 58

Hình 5.14 Đáp ứng công suất của giải thuật C-MPPT 59

Hình 5.15 Đáp ứng tốc độ máy phát của giải thuật C-MPPT 60

Hình 5.16 Đáp ứng điện áp Vlink của giải thuật C-MPPT 60

Hình 5.17 Đáp ứng điện áp Vdc của giải thuật C-MPPT 61

Hình 5.18 So sánh Vlink và Vopt của giải thuật C-MPPT 62

Hình 5.19 Tín hiệu điều khiển D của giải thuật C-MPPT 62

Hình 5.20 Bộ biến đổi Boost và các khối đo dòng-áp 65

Hình 5.21 Khối vi xử lý, khối mạch kích và khối nguồn 65

Hình 5.22 Mạch in PCB 66

Hình 5.23 Mạch thực nghiệm hoàn chỉnh 66

Hình 5.24 Thử nghiệm mạch boost với mô hình tua-bin gió 67

Hình 5.25 Thử nghiệm mạch boost với mô hình turbine gió 68

Hình 5.26 Xung kích từ vi xử lý (xanh) và xung kích VGS (vàng) 69

Hình 5.27 Dòng điện ngõ ra khi điện áp ngõ ra đạt 24V 69

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 So sánh máy phát rotor cực từ lồi và cực từ ẩn 17

Bảng 2 Giá trị các hằng số mô phỏng 57

Bảng 3 So sánh kết quả MPPT 63

Bảng 4 Thông số mạch Boost thực nghiệm 64

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

FOC: Field Oriented Control

HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine IG: Induction Generator

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor MPPT: Maximum Power Point Tracking PI: Proportional-Integral Controller

PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator PWM: Pulse Width Modulation

TSR: Tip Speed Ratio

VAWT: Vertical Axis Wind Turbine WECS: Wind Energy Conversion System

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, phần lớn mức tiêu thụ năng lượng của thế giới có nguồn gốc từ các nguồn tài nguyên hóa thạch đang cạn kiệt với tốc độ nhanh hơn mức chúng có thể được tái sinh Có lẽ quan trọng hơn, việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch có ảnh hưởng đối với bầu khí quyển và bề mặt Trái đất Chúng bao gồm thay đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu, liên quan đến việc giải phóng lượng CO2 (carbon dioxide) vào khí quyển Những lo ngại ngày càng tăng về khủng hoảng năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường này đã thúc đẩy đáng kể việc sử dụng năng lượng tái tạo thay thế nguồn năng lượng truyền thống, trong đó có sự thâm nhập mạnh mẽ của năng lượng gió Trong số các hệ thống phát điện gió khác nhau, máy phát điện tua bin gió tốc độ thay đổi (WTGs) đã thu hút được sự quan tâm lớn vì hiệu quả sản xuất năng lượng cao và gai mô-men xoắn thấp Trong các hệ thống như vậy, WTG có thể được vận hành ở chế độ theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) để thu năng lượng gió tối đa bằng cách điều chỉnh tốc độ trục máy phát Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSGs) đã được tìm thấy phù hợp với các hệ thống phát điện gió tốc độ thay đổi do các ưu điểm của chúng như mật độ năng lượng cao, hiệu suất cao và độ tin cậy cao Hơn nữa, một máy phát PMSG có số cực cao có thể được kết nối trực tiếp với tua-bin gió mà không cần sử dụng hộp số, giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì của hệ thống WTG Những lợi ích này đã làm cho các WTG dựa trên PMSG truyền động trực tiếp trở thành cấu hình phổ biến trong các hệ thống điện gió hàng MW (hình 1.1) Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về loại cấu trúc tua bin này và đề tài này cũng vậy

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Một mục tiêu cơ bản của hệ thống điều khiển WECS là tăng sản lượng năng lượng thu được hàng năm để tối đa hóa lợi nhuận Để đạt được điều này, WECS thường được điều khiển để tạo ra năng lượng theo đường cong công suất lý tưởng, như trong Hình 1.2 Có thể thấy rằng ba vùng vận hành thường được bao gồm, đó là vùng MPPT (Vùng I), nằm giữa Vmin tốc độ gió cắt và tốc độ gió cánh quạt định mức VΩN; vùng tốc độ không đổi (Vùng II) giữa VΩN và tốc độ gió định mức VN; và vùng năng lượng không đổi (Vùng III) nằm giữa VN và tốc độ gió cắt Vmax Các nghiên cứu điều khiển công suất ở các khu vực khác nhau có thể được tìm thấy ở [1-3] Trong khu vực MPPT, các phương pháp kiểm soát MPPT hiện tại có thể được phân thành ba loại: phương pháp tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu, phương pháp tìm kiếm leo đồi (HCS) và phương pháp phản hồi tín hiệu công suất (PSF) Phương pháp tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu được thực hiện bằng cách điều chỉnh trực tiếp tỉ lệ tốc độ đầu cánh, được tính theo thời gian thực bằng cách sử dụng tín hiệu tốc độ gió và tốc độ máy phát, để điều khiển đạt giá trị tối ưu cho trước Mặc dù phương pháp này đơn giản, nhưng nó không được áp dụng trong công nghiệp vì yêu cầu đo tốc độ gió [4] Phương pháp HCS hướng hệ thống đến điểm công suất tối đa (MPP) bằng cách làm nhiễu loạn tốc độ máy phát

Hình 1.1 Tua-bin gió 8MW Siemens Gamesa

Hướng của nhiễu loạn hiện tại được quyết định theo đáp ứng công suất của nhiễu loạn trước đó [5-6] Ưu điểm thiết yếu của HCS bao gồm chi phí thấp, không yêu cầu về thông số máy phát cũng như các đặc tính khí động học của tua-bin và thực hiện dễ dàng trên các nền vi xử lý số hoặc tương tự Tuy nhiên, ứng dụng của nó bị giới hạn ở WECS quy mô nhỏ do những hạn chế của chất lượng điện năng bị suy giảm do sự dao động công suất luôn tồn tại và tốc độ theo dõi thấp Đối với WECS quy mô vừa và lớn, phương pháp PSF thường được áp dụng vì nó có tốc độ theo dõi nhanh và độ dao động công suất thấp [7] Tuy nhiên, phương pháp PSF chỉ hiệu quả với điều kiện là đặc tính khí động học của tua-bin được biết đến Nếu không, PSF không thể được thực hiện Tuy nhiên, các đặc tính khí động học của tua-bin gió hầu như không được biết đến hoặc không được biết chính xác trong công nghiệp, đặc biệt là trong các thị trường tua-bin gió quy mô nhỏ Do đó, phương pháp PSF phần nào không thể được sử dụng để theo dõi chính xác MPP

Ở các vùng có tốc độ gió cao, Vùng II và III, tốc độ và công suất của máy phát sẽ vượt quá giới hạn nếu điều khiển MPPT vẫn được sử dụng Sẽ thuận tiện và đơn giản hơn nhiều để hạn chế tốc độ máy phát và công suất của tua-bin gió trong hệ thống turbine

Hình 1.2 Đồ thị công suất lý tưởng

có khả năng điều chỉnh được góc pitch (variable pitch angle) Đó là, bất cứ khi nào quá tải xảy ra, bộ điều khiển góc pitch sẽ được kích hoạt để hạn chế sự tăng nhanh của công suất Tuy nhiên, với hệ thống tua bin gió có góc pitch cố định thì điều này là không thể, làm cho việc hạn chế tốc độ và công suất khá khó khan khi gặp gió lớn Một số đề suất thêm tải điện trở vào đầu ra của máy phát để ngăn quá tốc độ, công suất quá mức gây ra bởi quá tốc độ có thể bị giảm do đóng tải điện trở Tuy nhiên, tải điện trở cần không gian lắp đặt lớn và nó khá tốn kém Từ những phân tích trên, nhận thấy cần phát triển một bộ điều khiển cho hệ thống điện gió sử dụng máy phát PMSG với góc pitch cố định vừa có khả năng tìm kiếm điểm MPP với độ gợn công suất thấp ở vùng tốc độ gió thấp, đồng thời có khả năng điều khiển hạn chế công suất khi có quá tải ở vùng gió cao, đó là mục tiêu của đề tài

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu bằng lý thuyết, đề xuất giải thuật, kiểm chứng giải thuật bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB và hướng đến xây dựng mô hình thực nghiệm

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Nguyên cứu lý thuyết: Hệ thống điện gió, máy phát PMSG, các phương pháp điều khiển MPPT cho hệ thống điện gió

- Mô phỏng: sử dụng phần mềm Matlab xây dụng giải thuật và kiểm chứng hiệu quả của giải thuật

- Thực nghiệm: xây dựng sơ đồ nguyên lý và mạch in, hoàn chỉnh mạch thực nghiệm và thử nghiệm

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

Lời kêu gọi cải tiến công nghệ năng lượng tái tạo đang gia tăng do sự nóng lên toàn cầu Nó ảnh hưởng đến con người ở một số khía cạnh như nền kinh tế, sức khỏe cộng đồng, môi trường, Sự nóng lên toàn cầu được gây ra từ khí nhà kính, xuất phát từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch như dầu hoặc than Sự ra đời của các nguồn năng lượng tái tạo là giải pháp đầy hứa hẹn cho các vấn đề Có một số nguồn năng lượng tái tạo cho hệ thống năng lượng điện Trong số đó, năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất Lợi thế của năng lượng gió cho hệ thống điện không chỉ là năng lượng tự do và sạch mà còn có công suất cao Năng lượng điện cao có thể được tạo ra từ sự kết hợp của nhiều tua-bin gió như một trang trại gió hoặc công viên gió Để kết nối năng lượng gió với lưới tiện ích, phải có một hệ thống điều khiển và kết nối lưới thích hợp để đảm bảo chất lượng điện năng cao và ổn định Khi mức độ thâm nhập của năng lượng gió ngày càng tăng, có những quy định cho sự kết nối liên quan đến chất lượng điện và độ tin cậy

Hệ thống điện tử công suất hỗ trợ kết nối giữa năng lượng gió tốc độ thay đổi và lưới điện giúp điều khiển công suất thực và phản kháng, và làm giảm ảnh hưởng của dao động trong gió như điện áp thấp Tuy nhiên, nó tạo ra các vấn đề khác do các thiết bị chuyển đổi của bộ chuyển đổi năng lượng Một vấn đề của kết nối lưới là sự biến dạng hài hòa của dòng điện và điện áp lưới Các biến dạng sóng hài làm suy giảm chất lượng điện năng Điều này dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng hơn trong hệ thống điện như bão hòa máy biến áp, hỏng các thiết bị bảo vệ, đó cũng là một trong những vấn đề cần phải tính đến khi muốn tăng sự thâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo này vào lưới điện

2.1 TỔNG QUAN

Từ xa xưa, người ta đã biết sử dụng năng lượng gió được tại các trang trại để xay ngũ cốc hoặc bơm nước dưới dạng cối xay gió Nguyên tắc là chuyển đổi động năng từ gió sang năng lượng cơ học Nguyên tắc này được áp dụng cho năng lượng gió trong hệ thống điện Một tua-bin gió thu được động năng từ không khí đang chảy và thay đổi nó thành năng lượng cơ học Một máy phát điện được lắp đặt trong tua-bin gió chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Như trong hình 2.1, động năng của gió làm

quay các cánh quạt của tua-bin gió Điều này dẫn đến việc quay vòng trục của máy phát điện, máy phát chuyển đổi năng lượng cơ học từ trục quay sang năng lượng điện Ghép trục tốc độ thấp của các cánh quạt với trục tốc độ cao của máy phát bằng hộp số Trong một số trường hợp, hộp số là không mong muốn vì chúng đắt tiền, cồng kềnh và nặng Một máy phát đa cực là một cách khác của một hệ thống không hộp số Cáp điện truyền năng lượng điện đến máy biến áp Máy biến áp tăng điện áp thấp của máy phát đến mức phân phối hoặc truyền tải của hệ thống điện được kết nối Điện áp từ máy phát thường ở mức vài trăm volt Điện áp đầu ra tối đa của các tua-bin gió là 690 Volts

2.2 HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ:

2.2.1 Tua-bin gió:

Để hiểu đầy đủ về năng lượng gió, điều quan trọng là phải tìm hiểu về tua-bin gió Tua bin gió có thể được phân loại theo trục quay: trục dọc và trục ngang Hình 2.2 cho thấy ba loại tua-bin gió thẳng đứng Tua bin gió thẳng đứng phù hợp cho các ứng dụng

Hình 2.1 Mô hình sản xuất điện gió

năng lượng thấp Hiệu suất năng lượng được giới hạn ở 25% [8] Ưu điểm của tua-bin gió thẳng đứng là máy phát và máy biến áp có thể được đặt trên mặt đất gần các cánh quạt Điều này dẫn đến chi phí lắp đặt và bảo trì thấp

a Tua-bin Darrieus b Tua-bin Savonius

c Tua-bin H – Rotor

Hình 2.2 Các loại tua-bin gió

Loại tua-bin gió phổ biến hơn, như trong hình 2.3, là tua-bin gió nằm ngang Tương tự như các tua-bin gió thẳng đứng, các tua-bin gió nằm ngang có thể được chế tạo với hai hoặc ba cánh quạt Ngoài các bộ phận được giới thiệu ở phần trên, tua-bin gió có hệ thống điều khiển kiểm soát tốc độ của cánh quạt Máy đo gió đo tốc độ gió và truyền dữ liệu đến bộ điều khiển Góc nghiêng của các cánh quạt được điều khiển bởi bộ điều khiển để đạt được công suất gió tối đa và để hạn chế công suất cơ học trong trường hợp gió mạnh Các cánh quạt được cắt để giảm góc tấn công từ gió khi đạt được công suất định mức Một motor điều khiển góc yaw để turbine quay theo hướng gió được xác định bằng cánh chỉ hướng gió

Đối với tua-bin gió cỡ nhỏ và vừa, ngoài điều khiển góc pitch, công suất tối đa từ gió có thể bị hạn chế bởi điều khiển thất tốc thụ động Trái ngược với điều khiển góc pitch, điều khiển thất tốc thụ động có góc pitch cố định Đối với các tua-bin gió cỡ lớn hơn 1MW, điều khiển thất tốc sử dụng là dạng chủ động, ngoài điều khiển góc pitch, công suất tối đa từ gió có thể bị hạn chế bởi điều khiển thất tốc thụ động

Hình 2.3 Tua-bin gió trục ngang

Tua bin gió có thể được phân biệt thành 2 loại, tua bin gió tốc độ cố định và tốc độ thay đổi Tua bin gió tốc độ cố định được kết nối trực tiếp với lưới điện và hoạt động với tốc độ đồng bộ của tần số góc của lưới bất kể tốc độ gió Các dao động trong gió tạo ra các ứng suất cơ học cho máy phát Hơn nữa, vì hệ thống tạo gió được kết nối trực tiếp với lưới điện, nên các dao động của gió sẽ ảnh hưởng đến phía lưới điện Các tua-bin gió tốc độ thay đổi hoạt động theo một cách ngược lại Tốc độ của máy phát được thay đổi theo tốc độ gió giải quyết vấn đề của ứng suất cơ học Kết quả là điện áp đầu ra của máy phát có biên độ và tần số thay đổi Do đó phải có một bộ biến đổi công suất kết nối lưới để chuyển đổi điện áp và tần số thay đổi của các tua-bin gió thành tần số đồng bộ của lưới cung cấp Kết nối gián tiếp máy phát thông qua bộ biến đổi giúp giảm các vấn đề gây ra từ các ứng suất cơ học lên lưới điện

2.2.2 Năng lượng gió:

Giống như các chất khác, không khí chuyển động gây ra từ sự biến đổi của áp suất và nhiệt độ, không khí chuyển động có động năng Mối quan hệ của động năng E, của khối không khí m (kg), với vận tốc vw được biểu thị bằng (2.1)

Công suất tức thời của gió thổi qua một khu vực diện tích Av có thể được biểu thị bằng (2.2):

Trong đó 𝜌 là mật độ khối không khí đang thổi

Trong hệ thống tua-bin gió có tốc độ thay đổi, các cánh quạt quay tự do theo tốc độ và hướng của gió Công suất khai thác từ gió phụ thuộc vào hệ số công suất rotor (Cp) thu được năng lượng gió Điều này dựa trên thực tế là tốc độ của gió sau khi thổi qua các cánh quạt không thể chỉ còn vận tốc bằng không dẫn đến hiệu suất nhỏ hơn 1 Điều này không liên quan gì đến hiệu suất của máy phát Tham khảo định luật Betz, công suất cơ học được bắt bởi tua-bin gió phụ thuộc vào hệ số công suất rô-to của tua-bin Cpnhư (2.3):

Hệ suất công suất rotor của tua-bin Cp là một hàm số tỉ lệ tốc độ đầu cánh λ và góc nghiêng của cánh β Phương trình 2.4 và 2.5 biểu thị mối quan hệ của Cp và λ β, với biểu đồ được minh họa trong hình 2.4

𝐶 (𝜆, 𝛽) = 0,5176 − 0,4𝛽 − 5 𝑒 + 0.0068𝜆 (2.4)

Hệ số công suất tối đa của rotor, bất kể cấu hình là 0,593 [9] Sau khi thổi qua các cánh quạt, gió xuôi dòng có tốc độ và năng lượng thấp hơn Do đó, các tua-bin gió trong một trang trại gió ảnh hưởng lẫn nhau Tua bin gió, thường được đặt cách 10 aba lần so với bán kính cánh quạt của chúng để tránh hiệu ứng wake [10] Nếu tỉ lệ tốc độ đầu cánh nhỏ hơn 3, hiệu ứng Wake sẽ làm giảm hệ số công suất rotor tối đa hơn nữa [9] Tỉ lệ tốc độ đầu cánh có thể được tính từ (2.6):

Trong đó ωb là tốc độ góc của rotor (rad/s) và R là bán kính của cánh quạt (m)

Hình 2.4 Tỉ số đầu cánh và hệ số Cp

2.2.3 Cánh đồng gió:

Một lợi thế chính của năng lượng gió là nhiều tua-bin gió có thể được tổng hợp để tạo ra công suất cao Một trang trại gió hoặc công viên gió bao gồm hàng chục hoặc lên đến vài trăm tua-bin gió và có thể lắp đặt trên bờ và ngoài khơi Trang trại gió ngoài khơi tạo ra năng lượng ổn định hơn trang trại gió trên bờ vì tốc độ gió cao hơn và ổn định hơn Hình 2.5 cho thấy một trang trại gió trên bờ và ngoài khơi Hơn nữa, năng lượng gió có thể là một hệ thống lưới kết hoặc độc lập Ở một vùng xa xôi, một nhóm các tua-bin gió nhỏ cung cấp năng lượng điện cho các hộ gia đình hoặc các tòa nhà kinh doanh tách biệt với lưới điện Mặc dù chi phí lắp đặt ban đầu cao, nhưng nó đáng để đầu tư cho các đơn vị năng lượng điện tự tạo trọn đời

Như được mô tả trong phần trước, các tua-bin gió tốc độ thay đổi giảm thiểu các vấn đề của ứng suất cơ học Do các đầu ra độ lớn và tần số thay đổi của các tua-bin gió tốc độ thay đổi, phải có thiết bị điện tử công suất kết lưới để tách rời các đầu ra của các tua-bin gió và lưới điện Hơn nữa, các cánh quạt của tua-bin gió quay theo tốc độ gió trong khu vực lân cận của chúng Vì tốc độ gió là khác nhau ở mỗi vị trí của một trang trại gió, mỗi tua-bin gió đều quay với tốc độ khác nhau, do đó, mỗi tua-bin gió cần có các bộ điện tử công suất khác nhau

Hình 2.6 minh họa một kết nối thành nhóm và kết nối riêng lẻ của một trang trại gió Kết nối thành nhóm loại bỏ khái niệm tốc độ thay đổi vì tất cả các tua-bin gió được kết nối với một bộ chuyển đổi AC/DC Do đó chúng phải hoạt động với cùng tốc độ Ngược lại, kết nối riêng lẻ có xem xét khái niệm tốc độ khác nhau giữa các tua-bin Hơn nữa, loại kết nối này cung cấp độ tin cậy cho hệ thống điện vì chỉ có một bộ chuyển trung tâm có vai trò quan trọng nhất, đó là bộ chuyển đổi phía lưới Khi một trong các bộ chuyển đổi phía máy phát không hoạt động, các tua-bin gió khác có thể cung cấp năng lượng Đối với kết nối thành nhóm, cả hai bộ chuyển đổi có vai trò quan trọng như nhau Một lỗi trong một trong hai bộ chuyển đổi dẫn đến ngừng cung cấp điện của trang trại gió

a Cánh đồng gió trên bờ

b Cánh đồng gió trên biển

Hình 2.5 Cánh đồng gió trên bờ và trên biển

2.2.4 Máy phát điện gió:

Một máy phát điện có chức năng chuyển đổi năng lượng cơ trên trục thành năng lượng điện trên các bộ dây quấn đầu ra Về cơ bản có hai loại máy phát điện: DC và AC Máy phát điện một chiều không được ưa chuộng cho tua-bin gió vì yêu cầu chi phí bảo trì cao do hệ thống chổi than và cổ góp và nó cũng yêu cầu bộ biến tần DC-AC Máy phát điện xoay chiều, chủ yếu có hai loại: Không đồng bộ (cảm ứng) và đồng bộ Trong phần này của đề tài mô tả ngắn gọn các máy phát điện được sử dụng trong tua-bin gió để thấy ưu điểm và nhược điểm của chúng

là tốc độ quay của từ trường trên stator Vì tốc độ của rotor không bao giờ bằng với tốc độ đồng bộ, do đó nó được gọi là không đồng bộ Ở đây, một nguồn điện riêng biệt cần cung cấp dòng điện bên ngoài tạo ra dòng từ hóa dẫn đến dòng điện vào rotor và sự tương tác của chúng tạo ra điện áp ở stator Dòng điện kích thích có cường độ và tần số được xác định bởi hệ thống điều khiển vòng kín Một hệ thống điều khiển vòng kín thay đổi dòng kích thích và tần số của nó để có thể cung cấp điện áp không đổi cho máy phát bất kể sự thay đổi của tốc độ và dòng tải Hình 2.11 cho thấy một mặt cắt ngang của một cảm ứng được tạo ra có rotor kiểu lồng sóc Thông thường, máy phát điện cảm ứng có ba loại - A) Máy phát điện cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), B) Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG), C) Máy phát điện lồng sóc (SCIG)

Máy phát đồng bộ:

Một máy đồng bộ ba pha bao gồm một xi lanh quay được gọi là rotor và vỏ cố định được gọi là stator, rotor ở bên trong và stator ở bên ngoài (hình 2.8a), một trục quay và ổ trục giúp rotor quay Một máy phát đồng bộ ba pha đòi hỏi ba cuộn dây stator giống hệt nhau, các cuộn dây này được đặt trong các khe stator Đây gọi là cuộn dây phần

Hình 2.7 Máy phát không đồng bộ

a Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ b Rotor dây quấn và kích từ

Hình 2.8 Máy phát đồng bộ

ứng Mỗi cuộn dây pha được cách nhau 120o so với pha liền kề của nó Dấu chấm cho biết dòng điện sẽ ra khỏi mặt phẳng trong khi dấu chéo cho biết dòng điện đi vào mặt phẳng Rotor chứa cuộn dây kích từ, tạo ra từ trường cần thiết để tạo ra điện áp ở stator Như có thể thấy trong hình 2.8b, các kết nối cuối của cuộn dây kích từ được kết nối với hai vòng vành trượt bằng 2 chổi than Dòng điện kích từ được tạo ra bởi một nguồn điện áp DC thông qua vòng trượt Việc bảo trì không tốn kém như máy phát điện DC Điện áp cảm ứng được tạo ra bởi mỗi cuộn dây pha có cùng tần số, cường độ và có độ dịch lệch pha 120o giữa các pha

Tốc độ quay n của rotor của máy đồng bộ được cho theo phương trình sau:

Trong đó, f là tần số của trường quay, tần số lưới cho kết nối lưới (tính bằng Hz); p là số cặp cực của máy Về cấu hình rotor, máy phát đồng bộ có hai loại: cực từ lồi (salient pole) và cực từ ẩn (non-salient pole) (hình 2.9) Rotor cực từ lồi được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng tốc độ thấp trong khi cực từ ẩn dành cho các ứng dụng tốc độ cao

Rotor cực từ lồi: Đây là những máy phát đồng bộ chủ yếu được sử dụng trong các trường hợp mà rotor được yêu cầu quay với tốc độ chậm để lấy công suất tối đa, thường được quấn dây với số lượng cực lớn để đảm bảo tần số đầu ra Stator có lõi sắt nhiều lớp có khe Theo hình 2.9, cuộn dây quấn các pha được đặt vào các khe rotor

Dòng điện DC bên ngoài được cung cấp thông qua các vòng trượt và chổi than Ứng dụng điển hình cho rotor cực từ lồi là các ứng dụng ở các nhà máy thủy điện

 Rotor cực từ ẩn: Chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ cao, cung cấp năng lượng hiệu quả ở tốc độ cao Nói chung, máy có ít cực hơn máy cực từ lồi Rotor lõi sắt rèn được lắp đặt trên trục và các thanh đồng cách điện được đặt trong các khe Ở điều kiện tốc độ thấp, không thể cung cấp năng lượng hiệu quả; do đó làm cho nó không thực tế cho các dự án máy phát gió muốn giảm đi hộp số

a mặt cắt rotor cực từ ẩn và cực từ lồi

b rotor cực từ ẩn và cực từ lồi thực tế

Hình 2.9 Máy phát cực từ ẩn và cực từ lồi

Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu (PMSG):

Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) thuộc loại máy phát đồng bộ, một bộ nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường thay vì nguồn kích từ bên ngoài Vì nam châm cung cấp từ trường, nên cấu trúc rotor ít cồng kềnh hơn và phù hợp nhất với tốc độ gió thấp PMSG có rất nhiều ưu điểm bao gồm loại bỏ tổn thất đồng rotor, cấu trúc đơn giản hơn vì không có vòng trượt, trọng lượng và kích thước thấp hơn dẫn đến mật độ năng lượng và hiệu suất cao hơn Hình 2.10a biểu thị diện tích mặt cắt ngang của PMSG, trong khi Hình 2.10b cho thấy mạch từ cơ bản trong PMSG Có một mạch từ thông hoàn chỉnh, nửa cực N và nửa cực S, từ thông đi từ bề mặt rotor qua khe hở không khí vào stator, qua khe hở không khí và sau đó quay trở lại rotor để tạo thành một mạch từ khép kín hoàn chỉnh

Bảng 1 So sánh máy phát rotor cực từ lồi và cực từ ẩn

1

Đường kính lớn, chiều dài trục ngắn, tổn thất năng lượng gió nhiều

Đường kính nhỏ hơn, chiều dài trục dài hơn, tổn thất năng lượng gió ít hơn

2

Vận hành tốc độ thấp (100-375 RPM), số lượng cực từ có thể lớn đến 60, giá thành rẻ hơn

Vận hành tốc độ cao (1500-3000 RPPM), số lượng cực từ ít thường 4-6, đắt hơn so với cực lồi

3

Chất lượng suất điện động đầu ra không tốt (vì bố trí các cực từ lồi không đều)

Chất lượng suất điện động đầu ra đảm bảo sine

Các máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể là dạng nam châm gắn trên bề mặt (exterior) hoặc ẩn bên trong (interior) của rotor (hình 2.11) Dựa trên cách truyền từ thông qua khe hở máy phát, máy phát PM được phân loại là hướng tâm (Radial), hướng trục (axial) hoặc ngang (transverse)

a mặt cắt máy phát PMSG

b Mạch từ thông liên kết rotor và stator trong PMSG

Hình 2.10 Máy phát PMSG

 Radial flux permanent magnet: Loại PMSG này có nam châm vĩnh cửu được đặt triệt để trên rotor, làm cho từ thông lan truyền theo hướng xuyên tâm, những loại này được ưa thích cho tua-bin gió truyền động trực tiếp Cách đơn giản nhất để thực hiện hệ thống này là dán các nam châm trên bề mặt của rotor

 Axial Flux Permanent magnet: loại này có từ thông lan truyền theo hướng dọc từ nam châm, phù hợp nhất cho các ứng dụng tốc độ gió thấp Axial Flux PMSG có thể có 3 loại là 3 pha, 5 pha và stator kép trong đó 3 pha là ít phức tạp nhất và hiệu quả về chi phí trong số ba loại

 Transverse Flux Permanent magnet: Máy phát nam châm vĩnh cửu có từ thông trục ngang, góc vuông góc với chuyển động của rotor (hình 2.12b) Trong hệ thống này, hướng của từ thông vuông góc với hướng của rotor quay

Hình 2.12 Inner and outer rotor

Máy phát PMSG dạng từ thông dọc trục cung cấp các giá trị mô-men xoắn và mật độ công suất cao phù hợp cho các ứng dụng tốc độ thấp Dạng hướng tâm đòi hỏi phải có hộp số tăng cấp hoặc hạ cấp để đạt tốc độ quay mong muốn Máy phát nam châm vĩnh

a Radial Flux and Axial Flux

b Transverse Flux

Hình 2.14 Radial Flux, Axial Flux and Transverse flux PMSG

cửu từ thông ngang trục không còn được sử dụng vì sự phức tạp và vấn đề bảo trì của nó Do đó, máy phát nam châm vĩnh cửu hướng trục sẽ phù hợp hơn cho hệ thống điện gió này

2.3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CƠ:

Hệ thống cơ khí trên hệ thống điện gió bao gồm tất cả các bộ phận quay của hệ thống gió từ trung tâm cánh quạt đến rotor của máy phát Trong công nghệ nhà máy điện thông thường, hai yêu cầu của điều khiển cần được đáp ứng: Cân bằng nguồn điện đầu vào máy phát với lượng điện cần thiết theo cho tải; Thứ hai là phù hợp với các mức tốc độ của nguồn động lực chính với tốc độ của máy phát Tuy nhiên, trong các hệ thống điện gió, điều khiển hệ thống cơ học không đáp ứng cả hai yêu cầu này Việc sản xuất điện phụ thuộc vào nguồn gió có sẵn mà không thể kiểm soát được Hơn nữa, tốc độ gió khác xa tốc độ định mức của các máy phát thông thường Các phương pháp điều khiển sở hữu những ưu điểm và nhược điểm cụ thể riêng, chẳng hạn như hiệu suất khí động học và năng động, khả năng kiểm soát, độ tin cậy, bảo trì, …

2.3.1 Tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi:

Trong các hệ thống gió tốc độ cố định (hình 2.13a), tốc độ cánh quạt được xác định bởi tần số lưới và biến thiên của nó được giới hạn trong khoảng ± 1% tốc độ định mức Thông thường, các hệ thống gió tốc độ cố định được thiết kế sao cho nó có tốc độ gió tối ưu bằng tốc độ gió trung bình của vị trí đặt turbine gió Không có bất kỳ công cụ nào để kiểm soát năng lượng và lợi thế là sự hoạt động đơn giản Nhược điểm là hiệu suất của hệ thống năng lượng gió thấp trong các điều kiện gió khác tốc độ gió trung bình và ảnh hưởng ứng sức cơ nghiêm trọng Vì không có phương pháp kiểm soát nào được thực hiện, bất kỳ biến động nào của lưới điện, tức là nhiễu trong lưới điện hoặc nhiễu trong gió, được truyền qua hệ thống mà không có bất bộ phận lọc nào Điều này làm giảm chất lượng điện năng được cung cấp cho lưới điện và cũng gây ra ứng suất cơ học trên rotor tua-bin gió Nếu hệ thống điện yếu thì sẽ rất nhạy cảm với việc chất lượng điện năng thấp được cung cấp bởi các hệ thống gió như vậy Hiệu suất của máy điện thay đổi theo các điều kiện tải điện khác nhau

Trong các hệ thống tốc độ gió thay đổi (hình 2.13b), bộ biến đổi điện tử công suất có thể chấp nhận tốc độ rotor và tần số lưới khác nhau Do đó, có thể thay đổi tốc độ rotor độc lập với tần số lưới Do đó, sự thay đổi trong công suất đầu vào sẽ dẫn đến sự thay đổi tốc độ cánh quạt Công suất đầu ra từ hệ thống gió sẽ thấp hơn một chút so với công suất đầu vào, điều này dẫn đến công suất truyền ổn định và trơn tru hơn cho lưới điện Chất lượng điện của các hệ thống năng lượng gió này tốt hơn nhiều so với các đối tác tốc độ cố định của chúng Hơn nữa, chúng có tiếng nhiễu thấp hơn trong điều kiện gió thấp Trong các hệ thống tốc độ thay đổi, tua-bin gió được vận hành trong phạm vi tốc độ rộng hơn, giữ tỉ lệ tốc độ đầu cánh ở mức tối ưu Ưu điểm là thu năng lượng cao hơn, tuy nhiên, nhược điểm là phương pháp điều khiển phức tạp hơn

a WEC tốc độ cố định

b WEC tốc độ thay đổi

Hình 2.16 Điều khiển hệ thống

2.3.2 Truyền động hộp số hoặc trực tiếp:

Hệ thống năng lượng gió có thể được phân biệt dựa trên việc chúng có bao gồm hộp số hay không (hình 2.14) Cánh quạt gió có khả năng quay với tốc độ hàng chục vòng/phút Tuy nhiên, các máy điện thông thường chạy ở tốc độ cao hơn nhiều, ví dụ: hàng trăm vòng quay mỗi phút (vòng/phút) Vai trò của hộp số là chuyển năng lượng cơ học từ tốc độ thấp sang tốc độ cao, một hộp số tăng lên được sử dụng Việc triển khai hộp số có những nhược điểm riêng, ví dụ: bảo trì, lắp đặt phức tạp, chi phí thiết bị, tiếng ồn Hộp số là một trong những lý do gây ra tiếng ồn trong hệ thống năng lượng gió Các tổn thất trong hộp số tương đương với tổn thất trong máy điện Hệ thống gió được thiết kế mới thường được điều chỉnh cho hoạt động không có bánh răng Giải pháp này đã trở nên đáng tin cậy, hiệu quả hơn và ít ồn hơn Nhược điểm chính là cần một máy phát được thiết kế đặc biệt có xu hướng to hơn

Hình 2.18 Truyền động trực tiếp và hộp số

Do khả năng sử dụng các bộ chuyển đổi điện tử công suất, hệ thống không có hộp số, hay nói cách khác, các hệ thống điều khiển trực tiếp có thể phù hợp với các ứng dụng tốc độ thay đổi Bộ chuyển đổi cung cấp khả năng vận hành máy phát điện ở tốc độ thấp Mặc dù các bộ chuyển đổi là nguồn gốc của tổn thất, khả năng điều khiển linh hoạt là một lợi thế rất lớn so với hệ thống sử dụng hộp số

CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT PMSG VÀ GIẢI THUẬT MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

3.1 MÔ HÌNH TOÁN MÁY ĐIỆN PMSG

Như đã trình bày ở các phần trước, đề tài sử dụng máy phát đồng bộ từ trường nam châm vĩnh cửu (PMSG) bởi vì các ưu điểm của loại máy phát này bao gồm: hiệu suất cao, tổn thất thấp, kích thước nhỏ hơn, ít bảo trì bảo dưỡng, độ tin cậy cao và khả năng vận hành không cần sử dụng hộp số Đặc điểm chính để phân biệt PMSG với các loại máy điện khác là từ thông rotor được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu thay vì tạo ra từ một nguồn điện bên ngoài khác như trong các máy DC và máy đồng bộ Vì vậy, không phát sinh tổn thất đồng rotor Một tính năng chính của kiểu máy phát này là có thể được thiết kế với số cực từ cao hơn để cho phép vận hành không cần hộp số Giúp hệ thống vận hành tin cậy hơn và giá thành giảm

Các thông số của máy phát ảnh hưởng rất lớn đến trạng thay ổn định và quá độ của hệ thống, vì vậy hiểu rõ mô hình máy phát và biết chính xác các thông sô sẽ giúp ích rất nhiều trong việc thiết kế mạch điều khiển, dự đoán hiệu suất, đáp ứng của moment, khả năng suy yếu từ trường, … để đạt được hiệu suất và hiệu quả mong muốn Trong một máy phát đồng bộ, các thông số được sử dụng để điều khiển là từ thông liên kết (λM), điện cảm trục d (Ld) và điện cảm trục q (Lq) Từ thông liên kết có thể được xác định dễ dàng dựa vào điện áp hở mạch của máy phát Hai thông số điện cảm thì xác định phức tạp hơn bởi vì các thông số này liên quan đến bão hòa và sự ghép tương hỗ lẫn nhau giữa các cuộn dây stator Có nhiều phương pháp để xác định các hệ số này, như phương pháp phân tích, phương pháp phần tử hữu hạn (finite element methods) và các phép đo bằng thực nghiệm Tuy nhiên, luận văn không phân tích chi tiết vào các phương pháp xác định mô hình của máy phát PMSG mà luận văn chỉ sử dụng mô hình bằng phương pháp dễ dàng tiếp cận nhất để sử dụng cho việc điều khiển MPPT

Trước khi phát triển mô hình toán học của PMSG, một số giả định quan trọng cần được thực hiện: (1) hiệu ứng “damping effect” trong nam châm và trong rotor là không đáng kể; (2) các hiệu ứng bão hòa từ bị bỏ qua; (3) tổn thất dòng điện xoáy và độ trễ bị bỏ qua; (4) suất điện động cảm ứng (EMF) gây ra trong cuộn dây stator có dạng hình

sin; (5) để đơn giản, tất cả các phương trình của PMSG được biểu thị bằng ký hiệu động cơ, nghĩa là dòng điện âm sẽ là trường hợp máy phát

Hình 3.1 cho thấy mặt cắt ngang của PMSG ba pha, hai cực Các trục abc cố định biểu thị hướng của MMF (fa, fb và fc), của cuộn dây pha a, b và c, được tạo ra bởi dòng điện xoay chiều ba pha thay đổi theo thời gian trong các cuộn dây pha stator này Từ thông gây ra bởi nam châm vĩnh cửu là theo hướng của trục d cố định tại rotor Ở đây, các trục dq đang quay với cùng tốc độ góc của PM và rotor, trong đó θr là góc giữa trục từ thông rotor d và trục cố định Mối quan hệ giữa các điện áp abc của PMSG với dòng điện pha và từ thông liên kết có thể được viết như sau (3.1):

Trong đó vas, vbs và vcs là các điện áp tức thời ba pha a, b và c trên dây quấn stator, và ias, ibs và ics là các dòng điện tức thời tương ứng, Rs là điện trở cuộn dây stator trên mỗi

Hình 3.1 Mặt cắt trục máy phát PMSG

pha Các từ thông liên kết tức thời được tạo có thể được biểu thị dưới dạng mở rộng như sau (3.2):

𝜆 cos (𝜃 )𝜆 cos (𝜃 − )𝜆 cos (𝜃 + )

(3.2)

trong đó Laa Lbb và Lcc độ tự cảm của ba pha a, b và c, và các Lab Lac Lcb Lcb Lca Lac và điện cảm tương ghép (hỗ cảm) các cuộn cảm lẫn nhau giữa các pha, trong khi λr là từ liên kết thông rotor gây ra bởi nam châm vĩnh cửu Các giá trị tự cảm và hỗ cảm là là hàm số theo θr, vì vậy, tất cả các điện cảm này là các tham số khác nhau theo thời gian Sự biến đổi của Park’s dq0 là một phép biến đổi toán học nhằm đơn giản hóa việc phân tích các mô hình máy đồng bộ, và được R H Park giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1929 [42] Trong các hệ thống ba pha như PMSG, đại lượng pha bao gồm điện áp stator, dòng điện stator và từ thông liên kết là các đại lượng thay đổi theo thời gian Bằng cách áp dụng phép biến đổi của Park, về bản chất là phép chiếu các đại lượng pha lên khung tham chiếu hai trục quay, các đại lượng AC được chuyển thành các đại lượng DC không phụ thuộc vào thời gian Phép biến đổi abc thành dq0 có thể được biểu thị dưới dạng ma trận như sau:

𝑢𝑢𝑢 =

⎡ cos(𝜃 ) cos(𝜃 − ) cos(𝜃 + )−sin(𝜃 ) −sin(𝜃 − ) −sin(𝜃 + )

⎦⎥⎥⎥⎤ 𝑢

⎡ cos(𝜃 ) −sin(𝜃 ) √cos(𝜃 − ) −sin(𝜃 − ) √cos(𝜃 + ) −sin(𝜃 + ) √ ⎦⎥

⎥⎥⎤ 𝑢

Trong các biểu thức (3.3) và (3.4), uabc và udq0 có thể đại diện cho điện áp của stator, dòng điện stator hoặc từ thông liên kết của các máy AC, tương ứng Xem xét rằng

trong các điều kiện cân bằng, u0 = 0, hàm điện áp của PMSG trong khung tham chiếu trục dq có thể được biểu thị như sau [11]:

𝑣 = 𝑅 𝑖 + 𝐿 − 𝜔 𝐿 𝑖 (3.5)

Trong đó, vdsvà vqs, là các điện áp stator tức thời trong khung tham chiếu trục dq và, ids và iqs, là dòng điện stator tức thời trong khung tham chiếu trục dq Ở đây, Ld và Lq, là các điện cảm trục d và trục q, và ωe là tốc độ góc điện của rotor, trong khi, λr là từ thông liên kết pha cực đại do các PMs gắn trên rotor Theo các biểu thức (3.5) và (3.6), các mạch tương đương của PMSG trong khung tham chiếu trục dq có thể được vẽ như trong Hình 3.2

Đối với bất kỳ PMSG nào, công suất đầu vào nguồn điện có thể được thể hiện trong tham chiếu abc như sau:

𝑃 = 𝑣 𝑖 + 𝑣 𝑖 + 𝑣 𝑖 (3.7) hoặc trong khung dq0:

𝑃 = (𝑣 𝑖 + 𝑣 𝑖 ) (3.8) Như một phần của công suất đầu vào, trong chế độ động cơ, công suất hoạt động là công suất được chuyển đổi thành cơ năng bằng máy, có thể được biểu thị như sau:

Hình 3.3 Mạch tương đương PMSG trên khung dq0