Điều khiển thông minh máy phát Điện Đồng bộ nam châm vĩnh cửu Ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc Độ thay Đổi nối lưới

NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI NỐI LƯỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành : Kỹ thuật điều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NCS NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN

ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TỐC ĐỘ

THAY ĐỔI NỐI LƯỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số : 9520216

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NCS NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN

ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TỐC ĐỘ

THAY ĐỔI NỐI LƯỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số : 9520216

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : 1 TS PHẠM CÔNG DUY

2 TS LƯU HOÀNG MINH

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan và xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung của

luận án tiến sĩ “Điều khiển thông minh máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi nối lưới” là công trình

nghiên cứu do tôi thực hiện Các tài liệu tham khảo trong qúa trình thực hiện luận án

đều được trích dẫn rõ ràng theo quy định Kết quả và kết luận trong luận án tiến sĩ là hoàn toàn trung thực

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới toàn thể quý cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo sau đại học, cũng như các Thầy Cô đã tham gia giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu khoa học, cùng tập thể các phòng, ban tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tôi hoàn thành luận án này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn học nghiên cứu sinh đã góp ý và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện

Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể người hướng dẫn đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong học tập và nghiên cứu khoa học

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã động viên, chia sẽ khó khăn để tôi có thể tập trung hoàn thành luận án

Mặc dù đã có cố gắng và nỗ lực trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận

án, nhưng luận án vẫn còn nhiều thiếu sót do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian Nghiên cứu sinh rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy Cô giáo, các bạn và các đồng nghiệp để luận án hoàn thiện hơn và tiếp tục nghiên cứu trong tương lai

Trân trọng cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024

Nghiên cứu sinh

NCS Nguyễn Ngọc Anh Tuấn

TÓM TẮT

Trong luận án này, đầu tiên, tác giả đề xuất phương pháp điều khiển từ thông stator không đổi, cho bộ biến đổi phía máy của hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nhằm đạt được công suất tối ưu và đồng thời giảm giá thành Thứ hai, tác giả tiếp cận các thuật toán tối ưu Heuristic, để giải quyết vấn đề tối ưu điểm công suất cực đại Tiếp theo, tác giả đề xuất thuật toán tiến hóa vi phân để giải quyết vấn đề tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống trên Cuối cùng, tác giả đề xuất mạng nơ-ron hàm xuyên tâm huấn luyện ngoại tuyến, dựa trên cơ sở dữ liệu của thuật toán tiến hoá vi phân tìm điểm công suất cực đại, đồng thời kết hợp với phương pháp điều khiển dòng điện stator hằng số, nhằm đạt được công suất tối ưu, đáp ứng điều khiển tốt và giảm giá thành hệ thống điều khiển

Từ khóa: - Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm (RBFNN), dòng điện stato trục d (ZDC), hệ số công suất thống nhất (UPF), liên kết từ thông stator không đổi (CSFL)

ABSTRACT

Firstly, the constant stator flux control method, for machine-side converter in permanent magnet synchronous generator wind energy system, under randomly variable wind speed cases, is proposed in this thesis, in order to achieve optimal performance and reducing the costs Secondly, the Heuristic algorithms is approached, that is a technique designed for solving the maximum power point problems The author proposes the differential evolution algorithm, in solving the problems of finding the maximum power point tracking for the wind energy system Finally, the author proposes a radial functional neural network, that trained offline and based on the data

of the differential evolutionary algorithm to find the maximum power point and combined with the control technique of constant stator current, applied to wind turbine systems using permanent magnet synchronous generators, in order to achieve optimal power, good response and reduce costs

Keywords: - Permanent magnet synchronous generator (PMSG), maximum power point tracking (MPPT), radial basis function neural network (RBFNN), zero d-axis stator current (ZDC), unity power factor (UPF), constant stator flux-linkage (CSFL)

MỤC LỤC

trang

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT……….… iii

ABSTRACT………iv

MỤC LỤC………v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ x

DANH MỤC CÁC BẢNG xiii

MỞ ĐẦU……… ……….……… 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án 5

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 6

4 Phạm vi nghiên cứu 6

5 Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7

6 Bố cục của luận án 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 9

1.1 Tổng quan về năng lượng gió 9

1.1.1 Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới 9

1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng gió ở Việt Nam 12

1.1.2.1.Tiềm năng năng lượng điện gió 12

1.1.2.2.Điểm mạnh và điểm yếu về phát triển điện gió 13

1.2 Cấu tạo hệ thống tuabin gió 15

1.2.1 Tháp đỡ 155

1.2.2 Cánh quạt 16

1.2.3 Bộ điều khiển 17

1.2.4 Hộp số 17

1.2.5 Máy phát điện 18

1.2.6 Thiết bị đo gió 18

1.3 Các loại máy phát điện trong hệ thống tuabin gió 19

1.4 Mô hình toán học tuabin gió 26

1.5 Mô hình toán học máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 28

1.6 Kết luận và hướng phát triển 30

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN STATOR TRỤC

d TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 31

2.1 Các phương pháp điều khiển dòng stator trục d 32

2.2 Điều khiển dòng stator trục d bằng không 33

2.3 Điều khiển hệ số công suất bằng 1 355

2.4 Điều khiển từ thông stator bằng hằng số 366

2.5 Phân tích và so sánh ba phương pháp điều khiển dòng 388

2.6 Kết quả thực nghiệm 44

2.7 Kết luận và hướng phát triển 49

CHƯƠNG 3 CÁC THUẬT TOÁN THÔNG MINH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ………… 50

3.1 Các thuật toán thông minh cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại 50 3.2 Thuật toán di truyền 51

3.3 Thuật toán tối ưu bầy đàn 53

3.4 Thuật toán tối ưu hóa cân bằng 55

3.5 Thuật toán tiến hóa vi phân 58

3.6 Kết quả mô phỏng 62

3.7 Kết luận và hướng phát triển 69

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT DÙNG RBFNN KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN DÒNG TRỤC d 70

4.1 Tổng quan thuật toán bám điểm công suất cực đại 70

4.2 Thuật toán bám điểm công suất cực đại thông thường 70

4.3 Đề xuất mạng thần kinh hàm cơ sở xuyên tâm dựa trên phương pháp MPPT70 4.3.1 Cấu trúc của RBFNN 72

4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển RBFNN 72

4.4 Kết quả mô phỏng 75

4.5 Kết luận và hướng phát triển 81

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

1 Kết luận 82

2 Hướng phát triển đề tài 82

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH……… 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC… ……….92

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

Nations

Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á

đổi

kép

TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

Co-operation and Development

Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế

tâm

TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1 Năng lượng điện gió 2 Hình 1.1 Toàn cảnh năng lượng toàn cầu 10 Hình 1.2 Công suất năng lượng điện gió toàn cầu từ năm 2001-2021 11

not defined

Hình 1.4 Cấu trúc của tuabin gió Error! Bookmark not defined.7

Hình 1.5 Cấu hình WECS tốc độ cố định dùng SCIG 221 Hình 1.6 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRIG 221 Hình 1.7 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng DFIG 22 Hình 1.8 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRSG/SCIG/ PMSG 22 Hình 1.9 Cấu hình WECS tốc độ thay đổi sử dụng WRSG 22 Hình 1.10 Sự phụ thuộc của Cp vào α và β 27 Hình 2.1 Sơ đồ khối của các phương thức vận hành dòng stator trục d đề xuất 33 Hình 2.2 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển ZDC 34 Hình 2.3 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển UPF

Error! Bookmark not defined

Hình 2.4 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển CSFL……… 377 Hình 2.5 Đồ thị vectơ không gian ba trường hợp điều khiển dòng stator trục d……… 38

8

Hình 2.6 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian: (a) tốc độ gió; (b) dòng điện stator trục d trong ba phương pháp điều khiển; (c) dòng stator trục q trong ba phương pháp điều khiển; (d) từ thông stator trong ba phương pháp điều khiển……… 41 Hình 2.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của công suất tác dụng và công suất phản kháng trong ba phương pháp điều khiển 41 Hình 2.8 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của công suất biểu kiến trong ba phương pháp điều khiển 42 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của hệ số công suất trong ba phương thức vận hành 42

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian với dòng điện

stator trong ba phương pháp điều khiển 42

Hình 2.11 Cấu hình HIL đề xuất 46

Hình 2.12 Thiết lập thực nghiệm HIL trên OPAL-RT OP5707XG……….46

Hình 2.13 Cấu hình kết nối phần cứng OP5707XG với dao động ký DSOX 2014A……….46

Hình 2.14 Dòng điện id trong 3 phương pháp điều khiển………47

Hình 2.15 Dòng điện iq trong 3 phương pháp điều khiển………48

Hình 2.16 Công suất tác dụng và công suất phản kháng của 3 phương pháp điều khiển……… 48

Hình 3.1 Các vùng hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng gió 51

Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật của thuật toán di truyền 53

Hình 3.3 Lưu đồ giải thuật của thuật toán bầy đàn 54

Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán tối ưu hóa cân bằng 58

Hình 3.5 Quá trình đột biến 60

Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật của thuật toán tối ưu hóa cân bằng 61

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng tốc độ gió 67

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng hệ số công suất tua-bin: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE 64

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin và tốc độ quay rotor: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE 65

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE 65

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp EO và PSO…… 66

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp EO và GA……… 66

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp DE và PSO…… 66

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp DE và GA……… 67

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng tính ổn định của thuật toán GA, PSO và EO thông qua độ lệch chuẩn 68

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng tính ổn định của thuật toán GA, PSO và DE thông

qua độ lệch chuẩn 68

Hình 4.1 Đề xuất huấn luyện RBFN dựa trên đường cong công suất tối đa của thuật toán DE…… 71

Hình 4.2 Thiết kế và triển khai bộ điều khiển RBFN: (a) sơ đồ khối của phương pháp MPPT sử dụng RBFN; (b) Khối RBFN trong MATLAB; (c) cấu trúc của RBFN trong MATLAB 75

Hình 4.3 Hệ thống chuyển đổi tuabin gió với thiết kế MPPT sử dụng RBFN đề xuất và sơ đồ khối điều khiển dòng stator trục d 76

Hình 4.4 Sơ đồ huấn luyện mạng nơ-ron 76

Hình 4.5 Hệ thống tuabine gió: (a) Tốc độ gió; (b) dòng điện stator trục d; (c) dòng điện stator trục q; (d) Từ thông stator 78

Hình 4.6 Công suất tác dụng và công suất phản kháng 79

Hình 4.7 Công suất biểu kiến 80

Hình 4.8 Hệ số công suất 80

Hình 4.9 Dòng điện hiệu dụng stator 80

Hình 4.10 Dòng điện ngõ ra lưới 81

Hình 4.11 Điện áp ngõ ra lưới 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Bảng quy hoạch năng lượng điện gió dự kiến tại Việt Nam tới năm

2030………… 4

Bảng 1.1 Dự án năng lượng điện gió ở Việt Nam 13

Bảng 1.2 Tóm tắt về 5 loại tuabin gió 24

Bảng 1.3 Các cấp độ gió tại vị trí cách mặt đất 10m và 30m 28

Bảng 2.1 Tổng hợp mối liên hệ giữa dòng điện stator trục d và q trong ba phương thức vận hành………37

Bảng 2.2 Các thông số của tuabin sử dụng trong mô phỏng 38

Bảng 2.3 Các thông số của PMSG sử dụng trong mô phỏng 39

Bảng 2.4 So sánh các thông số của 3 phương pháp điều khiển 43

Bảng 3.1 Các thông số của GA dùng trong mô phỏng 52

Bảng 3.2 Các thông số của PSO dùng trong mô phỏng 55

Bảng 3.3 Các thông số của EO sử dụng trong mô phỏng 57

Bảng 3.4 Các tham số của thuật toán tiến hóa vi phân 62

Bảng 3.5 Tính ổn định của thuật toán GA, PSO và EO thông qua độ lệch chuẩn……… ……… 67

Bảng 3.6 Tính ổn định của thuật toán GA, PSO và DE thông qua độ lệch chuẩn…… … 69

Bảng 3.7 Dữ liệu các thông số trong các trường hợp DE, EO, PSO và GA 69

Bảng 4.1 Các dữ liệu huấn luyện của nơ-ron 72

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, thuỷ điện và điện gió được xem là nguồn năng lượng sạch, ít gây ô nhiễm môi trường Nhưng, trong khi thuỷ điện mang lại những nguy hiểm cho cộng đồng dân cư, thì điện gió thân thiện với con người [1] Năng lượng điện gió mặc dù bắt đầu được thế giới để ý từ 25 năm trước, nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây, nó mới khẳng định được vị thế của mình trên thị trường năng lượng toàn cầu khi sản lượng điện gió tăng trưởng đột biến với tốc độ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có [2] Sự phát triển thần kỳ của năng lượng điện gió là do một số thay đổi đáng kể trong những năm gần đây [3] Một lý do quan trọng khác dẫn đến sự phát triển đột biến của điện gió trong mười năm qua là nguy cơ khủng hoảng năng lượng ở các nước phát triển và mối quan tâm ngày càng tăng của họ đối với việc bảo vệ môi trường, điều này đã củng cố nỗ lực tìm kiếm các dạng năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường, trong đó năng lượng điện gió rõ ràng là một ứng cử viên sáng giá

Nhu cầu năng lượng điện được dự đoán sẽ tăng nhanh vì sự tăng trưởng rất nhanh của dân số toàn cầu và sự phát triển của ngành công nghiệp trên quy mô rộng lớn Sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu năng lượng này đòi hỏi các đáp ứng để tăng sản lượng điện Sản lượng điện trên toàn thế giới là 600 exajoules vào năm 2013 Nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tăng 24% vào năm 2050 Một lượng lớn điện được tạo ra

là từ nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là từ than đá Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường và khí thải nhà kính Đây được coi là lý do cho vấn

đề nóng lên toàn cầu và tác hại của khí thải nhiên liệu hóa thạch hiện nay [1-3] Việc sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây Trong số tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm từ cả hai lĩnh vực công nghiệp và học thuật [2,3], vì khả năng cạnh tranh so với các nguồn năng lượng thông thường về mặt tiến bộ công nghệ, tiết kiệm chi phí, các hoạt động động viên, khuyến khích và chương trình hỗ trợ của

Đảng

Hình 1 Năng lượng điện gió (theo Năng Lượng Việt Nam) Trong những thập kỷ qua, năng lượng gió như minh họa ở Hình 1, đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất vì lợi ích lâu dài, phát triển nhanh, không gây ô nhiễm [3,4] Đối với điện gió trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, tốc độ gió có thể thay đổi theo thời gian và không được duy trì ổn định Trong các khu vực có tốc độ gió không đủ mạnh hoặc quá mạnh, sản lượng điện từ nguồn điện gió sẽ bị ảnh hưởng Việc dự báo chính xác về tốc độ gió trong tương lai cũng là một thách thức, do yếu tố thời tiết và các biến đổi tự nhiên khó kiểm soát, gây

ra sự không đảm bảo về sản lượng điện từ điện gió và ảnh hưởng đến việc tích hợp vào lưới điện Đối với điện gió, tỷ lệ lấy được năng lượng từ gió phụ thuộc vào tốc độ gió trong khu vực Nếu không có gió hoặc tốc độ gió quá yếu, sản lượng điện từ điện gió

sẽ giảm đáng kể Những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng cung cấp điện liên tục từ các nguồn năng lượng điện gió Đặc biệt, các nguồn năng lượng gió không thể cung cấp năng lượng một cách liên tục như các nguồn năng lượng từ hóa thạch Điều này tạo ra khó khăn trong việc đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định và liên tục cho hệ thống điện Để cải thiện hiệu suất và tính ổn định của các nguồn năng lượng gió Việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển cho phép các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp năng lượng gió nghiên cứu, thử nghiệm và phát triển công nghệ mới

để cải thiện hiệu suất của các nguồn năng lượng gió Các nỗ lực nghiên cứu có thể tập trung vào việc tăng cường quá trình biến đổi năng lượng, tối ưu hóa thiết kế hệ thống,

điều khiển thông minh các hệ thống gió và sử dụng linh hoạt các nguồn năng lượng gió chúng ta có thể tăng tính ổn định và tin cậy của các nguồn năng lượng gió, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống, giúp giảm chi phí sản xuất và vận hành các dự án năng lượng gió Bằng cách tìm hiểu và sử dụng các công nghệ tiên tiến, giảm chi phí vật liệu và tối ưu quy trình sản xuất, các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp có thể làm giảm chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành, làm cho năng lượng gió trở nên cạnh tranh hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống [18,19]

Để giảm thiểu tác động của những thách thức này, một trong những phương pháp hiệu quả nhất để đạt được công suất cực đại của hệ thống năng lượng gió là cải thiện khả năng theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) sử dụng thuật toán điều khiển thông minh khi tốc độ gió thay đổi [25-27]

Trong nhiều năm qua, Việt Nam đã triển khai nhiều biện pháp để nâng cao nhiều nguồn năng lượng điện sạch để phát triển nền kinh tế, trong đó năng lượng tái tạo giữ vai trò quan trọng nhằm loại bỏ dần nguồn năng lượng hóa thạch và thủy điện

để giảm thiểu ô nhiễm môi trường Để đạt mục tiêu này, năng lượng gió là một giải pháp tạo ra bước ngoặt trong quá trình xây dựng nền kinh tế xanh Cũng tại hội nghị các bên lần thứ 26 (COP 26), Việt Nam đã cam kết với một chương trình nhằm xây dựng nền kinh tế các-bon thấp bằng cách tạm dừng xây dựng các nhà máy nhiệt điện than và chuyển sang sử dụng năng lượng sạch Tiềm năng điện gió của Việt Nam khá phong phú, các nhà đầu tư trong và ngoài nước rất quan tâm về lĩnh vực này Tuy nhiên, nếu giải quyết được vấn đề giá thành sản phẩm và cơ chế mua bán điện để khai thác triệt để nguồn tiềm năng này cũng như các cơ chế chính sách hỗ trợ thì các nhà đầu tư sẽ yên tâm hơn khi bỏ vốn đầu tư vào lĩnh vực năng lượng gió Nếu phát huy hết tiềm năng này, tổng công suất xây dựng điện gió có thể gấp 20 lần tổng công suất điện hiện tại của Việt Nam Điện gió cũng là lĩnh vực ưu tiên phát triển trong quy hoạch năng lượng điện VII với mục tiêu “Ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng này lên mức 4,5% vào năm 2020 và 6% vào năm 2030” Đặc biệt, tổng công suất điện gió sẽ được nâng từ mức không đáng kể hiện nay là 1.000 MW vào năm 2020, lên khoảng 6.200

MW vào năm 2030

Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng gió Theo báo cáo của Viện Năng lượng thì tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tập trung nhiều nhất tại vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo [1] Đánh giá của Ngân hàng thế giới (WB) cũng cho thấy khoảng 8% lãnh thổ của Việt Nam có tiền năng về năng lượng gió, cao hơn hẳn so với các nước trong khu vực [2] Với các chính sách và sự ưu tiên hàng đầu về hỗ trợ đầu tư năng lượng sạch của chính phủ Việt Nam để đảm bảo tiến tới các mục tiêu đã cam kết tại COP 26 nên lãnh vực này đang được rất nhiều các nhà đầu tư quan tâm Theo báo cáo của tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN), tính đến tháng 7 năm 2021, 144 dự án điện gió đã ký hợp đồng mua bán điện (PPA) với tổng công suất khoảng 8.144,88 MW Trong đó có 13 dự án

đã vận hành thương mại với công suất gần 611,33 MW Trước ngày 1 tháng 11 năm

2021 thì Quyết định 39 về giá mua điện theo cơ chế ưu đãi biểu giá điện hỗ trợ (FIT) còn hiệu lực, sẽ có thêm 106 dự án đi vào hoạt động với tổng công suất gần 217.123

MW và được trình bày theo như Bảng 1

Bảng 1 Tiềm năng điện gió trên bờ theo các tỉnh và vùng (theo phụ lục quy hoạch điện VIII)

2 Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án

Mục tiêu tổng quát của luận án là đề xuất bộ điều khiển thông minh cho hệ thống tuabin gió dùng PMSG để đạt được công suất cực đại và giá thành thấp

Từ đó, xây dựng các mục tiêu cụ thể như sau:

• Đề xuất phương pháp điều khiển CSFL cho MSC của PMSG vì đáp ứng tốt và giá thành thấp;

• Đề xuất thuật toán DE hoặc EO là thuật toán tối ưu với hiệu suất cao tìm MPPT cho PMSG;

• Thiết kế bộ điều khiển RBFNN tìm MPPT dựa trên thuật toán DE và kết hợp các kỹ thuật điều khiển dòng stator trục d (ZDC, UPF và CSFL) điều khiển MSC của tua-bin gió PMSG

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu dựa vào [1] tác giả chọn tuabin gió dùng PMSG có công suất 2 MW đấu nối vào lưới điện cục bộ, với kết quả nghiên cứu cho tuabin gió dùng PMSG nói riêng, ta có thể áp dụng được cho tất cả các hệ thống tuabin gió nói chung

Để đạt được mục tiêu đã nêu, tác giả thực hiện các bước chính như sau:

• Tìm hiểu về tuabin gió,

• Nghiên cứu các thuật toán cho giải pháp các bài toán tối ưu hóa công suất trong tuabin gió, từ đó đưa ra các thuật toán mới để phát triển hệ thống theo hướng tối

ưu

• Thực hiện mô phỏng tuabin gió trên phần mềm Matlab,

• Kiểm nghiệm hệ thống năng lượng điện gió trong thời gian thực dùng RT-Lab kết hợp với phần cứng OP 5705 XG của Opal-RT

Phương pháp nghiên cứu là những cách thức, con đường, công cụ riêng biệt

Nó được ứng dụng để phục vụ quá trình nghiên cứu khoa học và gồm các phương pháp sau Phương pháp thu thập dữ liệu là tìm hiểu nghiên cứu vấn đề, nắm bắt những nội dung người đi trước đã làm, không mất thời gian lặp lại những công việc người đi trước đã thực hiện; Phương pháp phân tích đánh giá là việc phân chia cái chung thành các phần khác nhau từ đó xem xét cụ thể theo từng phần để hiểu từng chi tiết, từ đó đưa ra những đánh giá, nhận xét nhằm làm rõ vấn đề nghiên cứu, sau đó sẵn sàng thiết

kế lại, cải tiến hoặc thực hiện các thay đổi cần thiết để mang lại hiệu quả; Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng là thể hiện mối quan hệ có tính hệ thống giữa các nhân

tố Cụ thể, trong chương 1, các phương pháp thu thập dữ liệu, phương pháp phân tích đánh giá đã được sử dụng Chương 2, 3 và 4 tác giả đã vận dụng các phương pháp thu thập dữ liệu, phương pháp phân tích đánh giá và phương pháp mô hình hóa mô phỏng

5 Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nhiệm vụ nghiên cứu Với các mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu đã được nêu bên trên, xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

• Nghiên cứu và tìm hiểu các hệ thống máy phát điện gió trong thực tế Từ đó tìm hiểu và so sánh các ưu điểm và nhược điểm của từng loại

• Xây dựng mô hình toán mô tả hệ thống tuabin gió dùng PMSG và mô hình toán máy phát PMSG

• Nghiên cứu và đề xuất phương pháp điều khiển dòng điện stator trục d cho bộ

biến đổi phía máy trong PMSG dùng trong tuabin gió

• Nghiên cứu và đề xuất một thuật toán cùng giải pháp mới để thu được công suất gió

• Nghiên cứu và đề xuất thuật toán điều khiển thông minh cho phía máy hệ thống năng lượng gió dùng PMSG

• Nghiên cứu và đề xuất bộ điều khiển kết hợp giữa bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại dùng mạng nơ-ron dựa trên các thuật toán điều khiển thông minh và

kỹ thuật điều khiển dòng stator trục d cho phía máy phát ở hệ thống năng lượng gió dùng PMSG

Kết quả đạt được là đề xuất mô hình toán mô tả hệ thống tuabin gió dùng PMSG có bộ điều khiển kết hợp giữa bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại dùng mạng nơ-ron dựa trên các thuật toán điều khiển thông minh và kỹ thuật điều khiển dòng stator trục d cho phía máy phát, với các kết quả như sau:

• Đề xuất phương pháp điều khiển dòng điện stator trục d cho bộ biến đổi phía máy trong PMSG dùng trong tuabin gió nhằm nâng cao công suất tối đa để cung cấp cho phía lưới hệ thống năng lượng gió dùng PMSG

• Đề xuất một thuật toán cùng giải pháp mới để thu được công suất gió lớn nhất

• Đề xuất thuật toán điều khiển thông minh nhằm cải thiện chất lượng bộ điều khiển bám điểm công suất tối đa cho phía máy hệ thống năng lượng gió dùng PMSG

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đã nghiên cứu, xây dựng thành công mô hình toán mô tả hệ thống tuabin gió dùng PMSG có bộ điều khiển kết hợp giữa bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại dùng mạng nơ-ron dựa trên các thuật toán điều khiển thông minh và kỹ thuật điều khiển dòng stator trục d cho phía máy phát Luận án

đã đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu nhằm cải thiện chất lượng bộ điều khiển bám điểm công suất tối đa cho phía máy hệ thống năng lượng gió dùng PMSG Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố trên các tạp chí quốc tế Những kết quả nghiên cứu này sẽ là tài liệu hữu ích cho cộng đồng nghiên cứu trong cả lĩnh vực học thuật và công nghiệp nhằm mang lợi ích cho chính phủ trong việc hoạch định chính sách năng lượng trong tưởng lai

Chương 2 Phương pháp điều khiển dòng điện stator trục d trong hệ thống điện

gió Trong chương này tác giả giới thiệu về ba phương pháp điều khiển dòng stator trục d bao gồm ZDC, UPF và CSFL Từ đó phân tích và so sánh ba phương pháp điều khiển này

Chương 3 Các thuật toán thông minh cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống năng lượng gió dùng PMSG Trong chương này, tác giả trình bày các thuật toán tối ưu cho bộ điều khiển MPPT như GA, PSO, EO, DE Qua đó, so sánh và đánh giá các phương pháp này từ đó chọn ra phương pháp tối ưu nhất

Chương 4 Thiết kế bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại dùng RBFN cho PMSG trong hệ thống năng lượng điện gió Trong chương này tác giả trình bày các thuật toán MPPT thông thường, từ đó thiết kế bộ điều khiển nơ-ron cho hệ thống năng lượng điện gió có công suất khoảng 2MW nhằm mô phỏng về hệ thống năng gió

Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CẤU TRÚC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Tổng quan về năng lượng gió

1.1.1 Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới

Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), sau một thời gian tạm lắng vào cuối năm 2021, cơn sốt giá dầu trên thị trường thế giới lại đang “nóng” lên với mức giá đã vượt qua ngưỡng 120 USD/thùng trong tháng sáu năm 2022 Việc giá dầu mỏ tăng cao một cách kỷ lục trong thời gian qua đã và đang gây ra những ảnh hưởng rất lớn đối với nền kinh tế nhiều quốc gia khiến cho vấn đề tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế cho dầu lửa, khí đốt tự nhiên và các nguồn tài nguyên về nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt trên trái đất ngày càng trở nên bức thiết hơn

Theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA), nhu cầu của các quốc gia nằm ngoài Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) tăng hơn 90%, đóng góp vào mức tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu từ 52% đến 63% Trung Quốc và Ấn Độ chiếm 53% mức tăng vào năm 2030 Cùng với sự phát triển mạnh của Hiệp Hội các Quốc Gia Đông Nam Á (ASEAN), điều này cũng góp phần tái tập trung tâm của nền năng lượng toàn cầu về Châu Á Ngoài Châu Á, có thể thấy mức độ tăng trưởng nhanh nhất ở Trung Đông, đóng góp 10% vào sự gia tăng nhu cầu Năng lượng hóa thạch vẫn

là nguồn chủ đạo, chiếm 73.7% nhu cầu từ 2007-2030 bao gồm 36.4% dầu mỏ, than 26.2% và khí tự nhiên 9.1% Nhu cầu điện tăng 76% từ 2010-2030, đòi hỏi thế giới phải có 4800 GW công suất bổ sung Than đá vẫn duy trì vai trò đứng đầu ngành năng lượng với lượng sản xuất tăng dao động từ 2-44% năm 2030 Bên cạnh đó, giá nhiên liệu hóa thạch tăng và mối lo lắng về an ninh năng lượng cùng biến đổi khí hậu sẽ khiến sản xuất điện tái sinh chiếm 18% năm 2007 tăng lên 27.3% năm 2030 như Hình 1.1

Theo Liên minh Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế (IUCN), nếu tiếp tục duy trì các

xu hướng năng lượng hiện tại sẽ tác động tiêu cực lên biến đối khí hậu là điều không thể tránh khỏi Chúng đặt ra mối lo lớn về chất lượng không khí, gây ra những tác động sâu rộng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là ở các nước đang phát triển Vì lý do này, mà năng lượng tái tạo đã được lựa chọn nhằm thay thế năng

lượng hóa thạch Trong số các nguồn năng lượng tái tạo được nhiều nước trên thế giới đẩy mạnh phát triển trong những năm gần đây, điện gió đang tỏ ra có rất nhiều hứa hẹn

Điện không tái tạo

Điện tái tạo

Điện tái tạo

Điện gió

Điện mặt trời Năng lượng sinh học Năng lượng địa nhiệt

Thủy điện

Hình 1.1 Toàn cảnh năng lượng toàn cầu (theo IEA) Các số liệu thống kê cho thấy, sản lượng điện gió trên thế giới trong gần 10 năm trở lại đây đã tăng trưởng rất nhanh với tốc độ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có

Theo Hội năng lượng gió toàn cầu (GWEC), năm 2004, trên thế giới có khoảng 47.317 MW năng lượng điện được sản xuất từ gió Trong đó, Đức là quốc gia dẫn đầu danh sách những nước có sản lượng cao nhất với 16.629 MW, chiếm 35% sản lượng điện sản xuất từ gió của toàn thế giới và đứng trên các nước Tây Ban Nha, Mỹ và Đan Mạch Chính phủ Đức đã đặt mục tiêu đầu tư hơn 45 tỉ euro để phát triển ngành điện gió vào năm 2030, nhằm đáp ứng 15% nhu cầu tiêu thụ điện của cả nước, cụ thể là điện gió Không chỉ các nước phát triển mà cả một số nước đang phát triển ở châu Á như Ấn Độ và Trung Quốc cũng rất thành công trong lĩnh vực phát triển điện gió Tính đến cuối năm 2021, công suất điện gió của Ấn Độ đạt mức 40 GW, đứng thứ năm trên thế giới về công suất Trong 20 năm qua, thị trường điện gió ở Trung Quốc đã hình thành và liên tục phát triển Tính đến cuối năm 2004, Trung Quốc đã có 43 khu vực sản xuất điện gió với tổng công suất lắp đặt là 850 MW, và trở thành một trong mười quốc gia đứng đầu thế giới về sản lượng điện gió Năm 2022, Trung Quốc đưa thêm nhiều tuabin gió mới với công suất 16 MW vào vận hành Chính phủ Trung Quốc đã đặt mục tiêu đạt 87 GW công suất điện gió được lắp đặt trên cả nước vào năm 2023, gấp đôi công suất hiện tại

Trong thời gian qua cùng với sự tiến bộ và phát triển về mặt công nghệ, công suất, hiệu quả và độ tin cậy của các trạm điện gió đã không ngừng gia tăng, đồng thời giá thành điện gió được giảm xuống nhiều lần Theo đánh giá của các nhà chuyên môn

Tình hình nghiên cứu về điện gió trên thế giới có nhóm tác giả từ Tây Ban Nha nghiên cứu thực nghiệm điều khiển máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi với giải thuật điều khiển phía máy phát và phía lưới là bộ điều khiển PI và chỉ ra kết quả thực nghiệm tốt [6] Trong công việc nghiên cứu của nhóm tác giả từ [7, 8], đề xuất phương pháp trượt, dòng đặt được điều khiển bằng 0 cho dễ thực thi Tuy nhiên giải phát đề xuất này thì không tốt cho công

suất phát ra của máy phát Để khắc phục giới hạn từ công trình nghiên cứu của [7,8], nhóm tác giả của nước Úc đề xuất giải pháp điều khiển dòng đặt được điều khiển khác

0 mà cụ thể là dòng này là một đa thức bậc 3 gần đúng [9] Lý thuyết điều khiển thông minh được báo cáo trong [10] và lý thuyết điều khiển bền vững cũng được đề xuất trong [11] Máy phát gió phát điện cho lưới cần giảm dòng điện sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện Giải pháp này được đề xuất từ công trình [12] Các thông số của bộ điều khiển PR được tìm từ phương pháp thử sai Để khắc phục giới hạn của phương pháp thử sai, các phương pháp chỉnh định tự động các thông số của bộ

PR được nghiên cứu từ [13] Trong [14], một phương pháp chỉnh định mới cũng được

đề xuất

1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng gió ở Việt Nam

1.1.2.1 Tiềm năng lượng điện gió

Nhu cầu sử dụng điện của các nước và thế giới tiếp tục tăng, nhưng nguồn nhiên liệu than và khí đốt cho nhiệt điện không còn dồi dào và gây khó khăn lớn trong việc khắc phục ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [1] Thủy điện lớn thì chủ yếu dựa vào thời tiết và địa thế sông ngòi Chỉ có năng lượng hạt nhân là đóng một vai trò quan trọng, nhưng cũng bắt đầu có dấu hiệu chậm lại Năng lượng tái tạo đã trở thành một trong những nguồn năng lượng chính [2,3] Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió

là nguồn cung cấp không thể thiếu của nhiều quốc gia trên thế giới hiện tại và tương lai, trong đó có Việt Nam Theo như một số nghiên cứu và đánh giá đã chỉ ra tiềm năng về điện gió ở Việt Nam thì rất lớn, từ đó có thể phát triển các dự án quy mô lớn

về năng lượng điện gió

Hội năng lượng gió toàn cầu đánh giá Việt Nam với vị trí thuận lợi có bờ biển trải dài đứng thứ 11 trong số các quốc gia khai thác điện gió ven biển đứng đầu thế giới Theo kết quả của bản đồ tiềm năng điện gió của Ngân hàng thế giới (Worldbank, 2001), tiềm năng điện gió của Việt Nam ở độ cao 65m lớn nhất so với các nước trong khu vực, về lý thuyết tiềm năng điện gió lên tới 513.360 MW, gấp hơn 200 lần công suất của nhà máy thủy điện Sơn La và gấp 10 lần tổng công suất quy hoạch của ngành điện vào năm 2020 Những vùng có triển vọng phát triển dự án điện gió cao ở Việt Nam là vùng ven biển, các tỉnh miền Trung và miền Nam Ngày nay, đã có khoảng 74

dự án đã đăng ký làm các dự án về điện gió ở khắp Việt Nam và Bảng 1.1 giới thiệu

21 dự án tiêu biểu trong số đó, tổng công suất các dự án đăng ký khoảng 5000 MW, trong đó công suất của mỗi dự án từ 6MW đến 600 MW

Tình hình nghiên cứu về điện gió trong nước có Đặng Danh Hoằng “Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến” Trường ĐH Bách Khoa

Hà Nội, 2012 [1] Trong luận án tiến sĩ này, tác giả nghiên cứu phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động điều khiển máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép (DFIG) Tác giả kiểm chứng phương pháp trên bằng phần mềm Matlab/Simulink

và thực nghiệm

1.1.2.2 Điểm mạnh và điểm yếu về phát triển điện gió

Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch, không giống như các nhà máy nhiệt điện chỉ dựa vào việc đốt than đá hoặc khí gas gây ra ô nhiễm môi trường Ở nhiều quốc gia, chẳng hạn như Việt Nam, có nhiều vùng gió, đặc biệt là dọc theo bờ biển dài hơn 3.000 km Nó không chỉ có ở các vùng ven biển, mà còn có ở các vùng núi, vùng cao và vùng nông thôn

Tuy vậy, việc mở rộng sử dụng năng lượng gió cũng gặp nhiều thách thức to lớn Đầu tiên, nó phụ thuộc vào vị trí có gió mạnh Các địa điểm tốt cho các trang trại gió thường ở xa thành phố, nơi cần nhiều điện Do đó, địa điểm xây dựng ảnh hưởng rất lớn đến việc huy động vốn đầu tư ban đầu cao hay thấp Ngoài ra, năng lượng gió

là một nguồn năng lượng không liên tục, không thể lưu trữ với dung lượng công suất lớn và không phải tất cả năng lượng gió đều có thể được khai thác tại thời điểm có nhu cầu điện năng

Bảng 1.1 Dự án năng lượng điện gió ở Việt Nam (theo SaigonTrans)

Thứ

Công suất (MW)

Công ty năng lượng gió

Thứ

Công suất (MW)

Thành

Công ty năng lượng gió

Bình Thuận

Tập đoàn điện lực dầu khí PV Power - IMPSA

Bình Thuận

Công ty đầu tư năng lượng Sài Gòn - Bình Thuận

Bình Thuận

Bình Định

Công ty cổ phần phát triển năng lượng Thuận Phong

Ninh Thuận

Ninh Thuận

Công ty năng lượng tái tạo Asia

Quảng Bình

Thứ

Công suất (MW)

Công ty năng lượng

Công ty năng lượng

Trị

Công ty năng lượng Hoàng Sơn

Sóc Trăng

1.2 Cấu tạo hệ thống tuabin gió

Cấu tạo hệ thống điện gió bao gồm tuabin, máy phát điện và bộ điện tử công suất như minh họa ở Hình 1.3

1.2.1 Tháp đỡ

Tháp đỡ như minh họa trong Hình 1.4 được sử dụng để nâng tuabin và buồng chứa các hệ thống truyền động cơ khí, máy phát điện, các bộ phận điều hướng Chiều cao của tháp về mặt nguyên tắc cần phải lớn hơn đường kính của các cánh quạt rotor Ngày trước, chiều cao thông thường của tháp trong khoảng từ 20m đến 50m [1-3] Một trong những vấn đề khó khăn trong thiết kế chính là động lực học kết cấu Điều quan trọng là phải tránh tất cả các tần số cộng hưởng của tháp, rotor và buồng chứa, các rung động mới do thay đổi tốc độ gió Ngoài nghiên cứu về sự phát triển chiều cao của tháp, một trọng tâm khác là sử dụng các khía cạnh của việc lắp đặt hệ thống trên biển khơi

tỷ lệ giữa trọng lượng của tháp đỡ, chiều dài của cánh quạt và chiều cao của tháp cũng cần được xem xét Mặt khác, theo công suất thu được, chi phí lắp đặt phải được tính toán để đạt được mức tối ưu

Máy phát điện gió Turbine gió

Máy phát điện nam châm vĩnh cữu (PMSG)

Điện tử công suất

Điều khiển trì

hoãn

Điều khiển góc nghiên

Điều khiển trì hoãn thụ động

Máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện cảm ứng Năng lượng gió

Máy phát điện cảm

ứng nguồn kép

(DFIG)

Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG)

Máy phát điện rotor dây quấn (WRIG)

Tốc độ thay đổi Tốc độ cố định

Hình 1.3 Cấu tạo của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió [1,2]

Hình 1.4 Cấu trúc của tuabin gió [1,2]

1.2.3 Bộ điều khiển

Hệ thống điều khiển hướng gió sẽ liên tục điều chỉnh hướng của tuabin theo chiều gió như minh họa trong Hình 1.4 Điều này có thể đơn giản như cánh quạt đuôi hoặc phức tạp hơn trong các tháp hiện đại Hệ thống điều khiển hướng gió sẽ trượt theo lệnh với sự giám sát thích hợp của thuật toán điều khiển [2] Cánh quạt khi quay ở

độ cao lớn sẽ tạo ra moment lớn thường gây ra tiếng ồn Vì việc hệ thống sẽ gây ra tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép khi cánh quạt quay quá nhanh, do đó, cần phải theo dõi liên tục [4]

một bộ giảm tốc ở phía trước trục chính của rotor [2] Bộ giảm tốc có nhiệm vụ chuyển tốc độ thấp của cánh quạt lên tốc độ cao của máy phát điện và được minh họa như Hình 1.4 [3]

1.2.5 Máy phát điện

Máy phát điện là bộ phận quan trọng vì nó có nhiệm vụ biến đổi cơ năng của tuabin thành năng lượng điện Trong hệ thống phát điện, việc thiết kế và lựa chọn máy phát điện phải phù hợp với kiểu tuabin đã được lắp đặt [1] Các tuabin này nên được

ưu tiên thiết kế cho phương pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió của từng khu vực [2] Máy phát điện không chỉ được sử dụng để biến đổi điện năng mà còn có tác dụng điều chỉnh điện áp thông qua tốc độ của tuabin

Tuabin được kết nối trực tiếp với rotor của máy phát điện qua trục truyền động, tức là nó truyền động trực tiếp với máy phát Loại máy phát điện này quay với tốc độ chậm hơn các loại máy phát điện thông thường được minh họa như trong Hình 1.4 Vì vậy, nó được thiết kế với một số lượng lớn các điện cực để đạt được cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao [3] Điều khiển trực tiếp làm giảm tổn thất truyền dẫn, bảo trì và chi phí hộp số liên quan Một số nghiên cứu chỉ ra rằng hộp số là nguyên nhân gây ra hầu hết các hỏng hóc của tuabin gió Ngoài ra, truyền động trực tiếp làm giảm khớp nối xoắn trong trục truyền động do tần số rung động tự nhiên

1.2.6 Thiết bị đo gió

Với kỹ thuật và công nghệ của tuabin gió ngày càng phát triển và thay đổi đáng

kể Ngày nay, những kiểu tuabin gió lớn thông thường được lắp đặt và thiết kế để có thể điều khiển tốc độ của gió dựa vào sự kết hợp của điện tử công suất tự động và điều khiển cơ khí được minh họa như Hình 1.4 Các tuabin kiểu nhỏ thì người ta thường dễ dàng điều khiển bằng tay hơn và do đó, chi phí sẽ thấp hơn [1] Phương pháp điều khiển tốc độ bao gồm các phương pháp sau

• Không có điều khiển Trong trường hợp này, tuabin và máy phát điện được thiết kế để sẵn sàng chịu mọi cơn gió

• Kiểm soát độ nghiêng, độ lệch hướng Trục rotor được điều khiển để làm lệch hướng gió khi tốc độ gió vượt quá giới hạn thiết kế cho phép

• Điều khiển góc xoay cánh quạt Thay đổi góc xoay cánh quạt trên trục tuabin tương ứng với sự thay đổi của tốc độ gió

• Tránh gió Với phương pháp này, khi tốc độ gió vượt quá tốc độ cho phép, các cánh quạt sẽ di chuyển đến vị trí an toàn Bộ phận đo tốc độ gió luôn cập nhật tốc độ gió và hướng gió sau đó chuyển tín hiệu gió đo được về bộ phận điều khiển để điều chỉnh góc pitch nhằm phát ra công suất tối ưu nhất

1.3 Các loại máy phát điện trong hệ thống tuabin gió

Sự phát triển của công nghệ chuyển đổi năng lượng gió đã dẫn đến sự phát triển của các loại cấu hình tuabin gió khác nhau giúp sử dụng nhiều loại máy phát điện [4] Phân loại các máy phát điện [5] phổ biến nhất trong hệ thống hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) được trình bày trong Hình 1.3 Trong hệ thống WECS, một trong những thành phần đóng vai trò quan trọng nhất chính là các tuabin gió Nó biến đổi động năng của gió thành điện năng hoặc các dạng năng lượng khác Nhiều loại công nghệ tuabin gió đã được sử dụng trong những năm qua, dựa trên tốc độ hoạt động

cố định hoặc tốc độ thay đổi người ta phân loại nó thành năm loại như sau:

• Loại 1 là một WECS dựa trên SCIG tốc độ quay cố định không có giao diện bộ chuyển đổi nguồn (tuabin loại 1) được minh họa như trong Hình 1.5, trong đó máy phát điện được kết nối với lưới điện thông qua bộ khởi động mềm và máy biến áp [1] Đây là công nghệ lâu đời nhất và đầu tiên được phát triển cho các tuabin gió Trong WECS công suất cao, SCIG chứa 4 hoặc 6 cực cho hoạt động 50 hoặc 60 Hz tương ứng [2] Máy phát điện có tốc độ quay thay đổi trong khoảng 1% xung quanh tốc độ đồng bộ tương ứng ở các cấp tốc độ gió khác nhau, và do đó, cấu hình này được gọi là WECS có vận tốc quay cố định Thông thường cần có hộp giảm tốc phù hợp với sự chênh lệch tốc độ giữa máy phát điện và tuabin [3] Sau quy trình khởi động, bộ khởi động mềm được loại bỏ ra khỏi hệ thống thông qua một công tắc chuyển đổi và khi đó

hệ thống về cơ bản hoạt động mà không có nhu cầu nào về bộ chuyển đổi điện SCIG lấy công suất phản kháng từ lưới và để bù cho điều này thông thường được người ta sử dụng bằng các tụ điện ba pha

Hệ thống này có tính năng đơn giản, chi phí ban đầu thấp và độ tin cậy cao trong vận hành Những hạn chế chính là công suất biến đổi của hệ thống tuabin gió thấp, những thay đổi về tốc độ gió được phản ánh vào lưới điện và sự cố lưới điện gây

ra ứng suất nghiêm trọng đối với các bộ phận cơ khí của tuabin gió [4] Các tuabin gió

có vận tốc quay cố định được thiết kế bổ sung thêm phần cứng vào, chẳng hạn như STATCOM, để tuân thủ các mã lưới Dù hệ thống này có nhiều hạn chế nhưng nó đã

được ngành công nghiệp gió chấp nhận và các giải pháp thương mại có sẵn trong dải

MW [5] Cần lưu ý rằng tuabin tốc độ cố định đã phổ biến cho đến một thập kỷ trở lại đây và công nghệ này đang dần trở nên hiếm hoi do những nhược điểm cố hữu của nó Các tuabin tốc độ cố định đã được lắp đặt sẵn vẫn đang hoạt động để tạo ra điện

• Loại 2 hoạt động ở tốc độ bán thay đổi của tuabin gió làm công suất của hệ thống tuabin gió tăng và ứng suất cơ giảm do gió giật, giảm sự hao mòn của hộp số và

ổ trục, giảm yêu cầu bảo dưỡng và do đó tăng vòng đời [1] WECS bán tốc độ sử dụng WRIG và bộ chuyển đổi công suất định mức một phần (10%) được trình bày trong Hình 1.6 (tuabin loại 2) [2]

Sự thay đổi của biến trở rotor sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến đặc tính mômen/ tốc

độ quay của máy phát điện, cho phép tuabin hoạt động ở tốc độ thay đổi, và cấu hình này thường được gọi là điều khiển Optislip Biến trở của rotor luôn được chỉnh định bằng thiết bị thay đổi điện bao gồm bộ chỉnh lưu điốt và bộ cắt điện Phạm vi điều khiển vận tốc quay luôn được điều chỉnh trong khoảng 10% vận tốc quay danh định của nó [3] Trong lúc hệ thống loại 2 hoạt động với tốc quay thay đổi, nó có thể trích xuất từ gió được rất nhiều năng lượng, tuy vậy, còn có những tiêu hao năng lượng xảy

ra trong điện trở của rotor Cấu tạo này không những cũng yêu cầu hộp số mà còn yêu cầu thiết bị khởi động mềm và thiết bị bù cho công suất phản kháng

Giữa năm 1990 WRIG có sử dụng điện trở rotor thay đổi đã có mặt tại thị trường WECS với công suất danh định lên đến một vài megawatt Một vài minh chứng

về các giải pháp thương mại là Vestas V66-2.0 MW, và Suzlon Energy S88-2,1 MW Cấu hình này cũng trở nên ít quan trọng hơn trong số các nhà sản xuất tuabin gió do dải tốc độ hạn chế và công suất chuyển đổi năng lượng thấp

• Loại 3 một WECS bán tốc độ khác sử dụng DFIG được thể hiện trong Hình 1.7 (tuabin loại 3) Như tên của nó, điện từ máy phát điện được cấp vào lưới điện thông qua cả cuộn dây stator và rotor [2] Bộ biến đổi công suất danh định một phần được sử dụng trong mạch rotor để xử lý công suất trượt, công suất này xấp xỉ 30% công suất danh định của máy phát Tương tự như ở tuabin loại 1 và 2, cấu hình này cũng sử dụng hộp số, nhưng không sử dụng bộ khởi động mềm và thiết bị bù phản kháng của công suất [3]

Do thiết bị biến đổi điện đã được sử dụng, nó chấp nhận dòng điện hai chiều hoạt động trong mạch rotor và làm thay đổi vận tốc quay của máy phát điện Hệ thống WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng DFIG có khả năng cải thiện công suất chuyển đổi công suất tổng thể bằng cách thực hiện MPPT, dải tốc độ mở rộng, nâng cao công suất động lực và độ mạnh mẽ chống lại sự nhiễu loạn của hệ thống điện so với tuabin Loại

1 và 2 [4] Những tính năng này đã làm cho DFIG trong WECS trở thành một trong những công nghệ thống trị trong ngành công nghiệp gió ngày nay với thị phần khoảng 50%

Khả năng vượt qua sự cố (FRT) bị hạn chế do bộ chuyển đổi công suất từng phần Hộp số làm tăng tổng chi phí, trọng lượng tuabin và cũng như yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên Hơn nữa, bộ chuyển đổi điện năng được kết nối với các cuộn dây rotor thông qua các vòng trượt và chổi than Tuổi thọ trung bình của chổi chỉ từ 6–

12 tháng, do đó, việc bảo dưỡng thường xuyên là điều cần thiết đối với các tuabin này Những hạn chế lớn này đã cản trở việc các tuabin này được ứng dụng trong các trang trại điện gió ngoài khơi, nơi chi phí bảo trì khá tốn kém Một số tuabin DFIG công suất cao là Bard 5,0, 5 MW; và Acconica AW-100/3000, 3 MW

Hình 1.5 Cấu hình WECS tốc độ cố định dùng SCIG [1,2]

Hình 1.6 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRIG [1,2]

Tụ điện

SCIG Hộp số

Tụ điện

WRIG

Hộp số

Hình 1.7 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng DFIG [1,2]

Hình 1.8 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRSG/SCIG/ PMSG [1,2]

Hình 1.9 Cấu hình WECS tốc độ thay đổi sử dụng WRSG [1,2]

• Loại 4 công suất của WECS có thể được nâng cao đáng kể với việc dùng các

bộ biến đổi công suất toàn phần (100%) như trong Hình 1.8 (tuabin loại 4) PMSG, WRSG và SCIG đều đã tìm thấy các ứng dụng trong loại cấu trúc này với định mức công suất khoảng vài megawatt [2] Vì các bộ chuyển đổi công suất phải được đánh giá tương đương với công suất của máy phát điện, nên kích thước, chi phí và độ phức tạp của hệ thống tổng thể sẽ tăng lên [3] Hơn nữa, tổn thất trong bộ chuyển đổi điện cao hơn dẫn đến công suất thấp hơn Tuy nhiên, với bộ biến đổi điện năng toàn diện, máy phát khi đó đã được loại ra hoàn toàn khỏi lưới điện hoàn toàn và có thể vận hành

ở dãy vận tốc lớn nhất (0 đến 100%) Các bộ chuyển đổi công suất cũng cho phép hệ thống vận hành bù công suất phản kháng và nối vào lưới điện thông suốt Công suất

DFIG

Máy biến thế

Bộ biến tần Hộp số

Cánh tuabin

PCC

Lưới

~ Gió

mô-đạt được từ việc biến đổi năng lượng từ gió ở các tuabin này cao nhất so với các loại tuabin khác [4] Tuân thủ FRT tốt nhất cũng có thể đạt được mà không cần bất kỳ phần cứng bên ngoài nào Mặc dù chi phí của bộ chuyển đổi điện cao nhưng nó chỉ chiếm một phần nhỏ (khoảng 7% –12%) trong tổng chi phí tuabin gió Có thể loại bỏ nhu cầu

về hộp số bằng cách sử dụng số cực cao như loại PMSG/ WRSG [5] Cấu hình này chống lại các lỗi hệ thống điện mạnh mẽ hơn so với các tuabin Loại 1, 2 và 3 Các tuabin thương mại tiêu biểu bao gồm Enercon E126, 7,5 MW, Multibrid M5000, 5

MW và Vestas V-112, 3 MW

Khái niệm bộ truyền động phân tán được sử dụng trong các tuabin gió Loại 4 megawatt gần đây Mặc dù SCIG và WRSG có thể được sử dụng trong khái niệm này, PMSG là phù hợp nhất vì nó loại bỏ sự cần thiết của các vòng/chổi trượt và ở đó thiết

kế đơn giản [2] Hộp số truyền động nhiều máy phát điện ở tốc độ cao hơn Do hệ thống truyền động phân tán và nhiều máy phát điện, mật độ công suất cao hơn có thể đạt được [3] Một trong những ứng dụng thương mại là Clipper Liberty sử dụng hệ thống truyền động lượng tử, 4 máy phát điện và 4 bộ chuyển đổi Mô-men xoắn cao hơn được phân phối giữa bốn bộ truyền động [4] Đánh giá công suất của bộ chuyển đổi bằng một phần tư đánh giá hệ thống Cấu hình này cũng cung cấp khả năng hoạt động chống lỗi hiệu quả Khi một bộ chuyển đổi bị lỗi, ba bộ chuyển đổi còn lại vẫn

có thể cung cấp điện cho lưới điện Để giảm thiểu dòng điện tuần hoàn, máy biến áp nhiều cuộn dây được sử dụng ở phía lưới Nhược điểm chính của cấu hình này là bộ truyền động phức tạp [5]

• Loại 5 tuabin gió này dùng WRSG nối lưới trực tiếp với bộ biến tốc độ/ mômen được trình bày trong Hình 1.9 [1] Đây là một khái niệm khá cũ đối với tuabin gió, nơi mà việc vận hành tốc độ thay đổi được thực hiện bằng bộ biến đổi cơ học hơn

là bộ chuyển đổi điện [2] Bộ chuyển đổi mô-men xoắn/ tốc độ, còn được gọi là truyền

tỷ số biến đổi (VRT) chuyển đổi tốc độ thay đổi của tuabin gió thành tốc độ không đổi [3] Máy phát điện hoạt động với tốc độ cố định và nó được nối trực tiếp vào lưới điện thông qua bộ ngắt mạch đồng bộ

Chi phí tổng thể của hệ thống và không gian trở nên thấp hơn tuabin loại 4 vì không cần bộ chuyển đổi điện tử công suất [4] Máy phát điện có thể được kết nối trực tiếp với điểm thu điện áp trung bình mà không cần bất kỳ máy biến áp nâng cấp nào vì

không có hạn chế nào được áp đặt bởi bộ chuyển đổi điện tử công suất không giống như trong tuabin loại 4 [5] Mặc dù có những ưu điểm của cấu hình này, nhưng nó hiếm khi được sử dụng trong ngành năng lượng gió do kiến thức còn hạn chế và các vấn đề liên quan đến bộ chuyển đổi cơ khí Các giải pháp thương mại sử dụng công nghệ này là DeWind D8.2, 2,2 MW, 4,16/ 13,8 kV, AMSC-Windtec SuperGear (SG), 2,0 MW, 11 kV và Wikov W2000, 2,0 MW, 6,3/ 11 kV 10 nhà sản xuất tuabin gió hàng đầu tính đến năm 2012 vì cấu hình tuabin chính của họ chiếm khoảng 77% trong tổng số 45 GigaWatt công suất điện gió được lắp đặt vào năm 2012 Thông tin chi tiết

về cấu hình tuabin được lấy từ tài liệu giới thiệu sản phẩm của công ty tương ứng và chi tiết từ các tài liệu khảo sát được liệt kê trước Tuabin loại 3 DFIG giữ vị trí cao nhất thị phần và công nghệ này đã được sử dụng bởi 7 nhà sản xuất trong số 10 Khoảng 100 mẫu tuabin DFIG khác nhau có sẵn từ tất cả các nhà sản xuất tuabin gió Các tuabin loại 4 được sản xuất bởi 6 nhà sản xuất, trong khi 4 trong số đó cung cấp các giải pháp truyền động trực tiếp Điều này ngụ ý rằng các tuabin gió bán chạy nhất trên thị trường hiện tại sử dụng công nghệ loại 3 và 4 Các dự án tương lai được các nhà sản xuất tuabin gió công bố cho thấy rằng công nghệ kiểu 4 sẽ chiếm lĩnh thị trường năng lượng gió trong những năm tới

Tóm tắt của tất cả năm loại tuabin được đưa ra trong Bảng 1.2 Chúng được so sánh bằng cách sử dụng máy phát điện, bộ chuyển đổi công suất được sử dụng, công suất của bộ biến đổi điện năng, dải tốc độ có thể đạt được, yêu cầu đối với bộ khởi động mềm, hộp số và bù công suất phản kháng bên ngoài và khả năng MPPT, kiểm soát sức mạnh khí động học, tuân thủ yêu cầu vượt qua lỗi, tình trạng công nghệ và thâm nhập thị trường Nhìn chung, tuabin loại 3 và 4 là thuận lợi nhất cho ứng dụng cấp megawatt

Bảng 1.2 Tóm tắt về 5 loại tuabin gió [1-3]

Tốc độ

or

AC/DC + DC/AC

or

AC/DC + DC/AC or AC/AC

Không

Tốc độ

Không yêu cầu

Không yêu cầu

Không yêu cầu

Chỉnh góc đón gió

Chỉnh góc đón gió

Chỉnh góc đón gió

Chỉnh góc đón gió

Chỉnh góc đón gió

Có thể lưu trữ

Có thể lưu trữ

Có thể lưu trữ

Dùng phần cứng ngoài

Bộ chuyển đổi năng lượng

Bộ chuyển đổi năng lượng

Bộ chuyển đổi năng lượng

Không biết

Tình

trạng

công

nghệ

Ít/ không giới thiệu

Trên 50

% chia

sẻ

Ít giới thiệu

Chia sẻ cao thứ 2

Ít giới thiệu

MW

Suzlon S88-2.1

MW

Enercon E126, 7.5

MW

DeWind D82, 2.2

MW