Nghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng điều khiển ổn định điện áp máy phát điện sức gió công suất nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI      PHẠM THỊ LAN HƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG ðIỀU KHIỂN ỔN ðỊNH ðIỆN ÁP MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI      PHẠM THỊ LAN HƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG ðIỀU KHIỂN ỔN ðỊNH ðIỆN ÁP MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ðIỆN Mà SỐ : 60.52.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS. TRẦN MẠNH HÙNG HÀ NỘI - 2014 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan, Luận văn “Nghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện sức gió công suất nhỏ” ñã ñược thực hiện và hoàn thành trong quá trình khóa học tập, nghiên cứu và làm việc của tôi tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội và Viện Cơ ñiện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, ñồng thời dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Trần Mạnh Hùng - Trưởng Phòng Thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019 thuộc Viện Cơ ñiện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch. Tôi xin cam ñoan: Luận văn này ñã ñược thực hiện trong thời gian từ 2012 ñến 2014. Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán ñược tìm hiểu qua các tài liệu. Kết quả công bố trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chưa ñược công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn với ñề tài: “Nghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện sức gió công suất nhỏ”, ñến nay luận văn của tôi ñã hoàn thành với sự cố gắng học hỏi, nghiên cứu của bản thân và sự giúp ñỡ của các thầy, cô giáo cùng ñồng nghiệp tại Trường ðH Nông nghiệp Hà Nội. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS. TS Trần Mạnh Hùng về sự hướng dẫn tận tình, truyền ñạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm chuyên ngành quý báu giúp tôi hoàn thành Luận văn. ðồng thời tôi xin cảm ơn sự giúp ñỡ tạo ñiều kiện của Nhà trường, Khoa Cơ ñiện – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, các ý kiến ñóng góp bổ ích của các Thầy Cô giáo, ñồng nghiệp Bộ môn Tự ñộng hóa & Bộ môn Hệ thống ñiện trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện Luận văn cao học này. Tuy ñã rất cố gắng, Bản luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót và khiếm khuyết. Tôi rất mong nhận ñược các ý kiến ñóng góp của các thầy cô giáo, ñồng nghiệp ñể hoàn thiện và nâng cao hơn nữa chất lượng của Luận văn và hướng nghiên cứu sau này. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên Phạm Thị Lan Hương Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH, ðỒ THỊ ix PHẦN NÓI ðẦU 1 1. Tính cấp thiết của ñề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 2 4. Cấu trúc của luận văn 2 Chương 1 - TỔNG QUAN 3 1.1 Khái quát chung 3 1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñiện sức gió trên thế giới 5 1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñiện sức gió ở Việt Nam 8 1.3.1 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam 8 1.3.2 Hiện trạng nghiên cứu, ứng dụng ñiện sức gió ở Việt Nam 10 1.4 Công nghệ và hệ thống máy phát ñiện sức gió 11 1.5 Khái quát ổn ñịnh ñiện áp 21 1.6 Kết luận chương 1 22 Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 24 2.1 Phương pháp nghiên cứu 24 2.2 Phương tiện nghiên cứu 24 Chương 3 - CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 27 3.1 Khái quát chung 27 3.1.1 Công suất của hệ thống máy phát ñiện sức gió 28 3.1.2 ðiều khiển tuabin gió 28 3.1.3 Máy phát ñiện từ trở thay ñổi SRG và các phương pháp ñiều khiển 30 3.1.3.1 Cấu tạo máy phát ñiện từ trở thay ñổi SRG 30 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page iv 3.1.3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát SRG 31 3.1.3.3 Phương pháp ñiều khiển máy phát ñiện SRG 32 3.1.4 Bộ biến ñổi công suất 33 3.1.5 Bộ ñiều khiển 35 3.1.6 Bộ cảm biến dòng ñiện và bộ cảm biến vị trí 36 3.2 Thiết lập mô hình mô phỏng tốc ñộ gió 36 3.2.1 Luồng gió cơ bản ổn ñịnh 36 3.2.2 Luồng gió thay ñổi ñột ngột (gió giật) 37 3.2.3 Luồng gió thay ñổi từ từ 37 3.2.4 Luồng gió ñổi ngẫu nhiên 38 3.2.5 Mô hình toán học mô phỏng tốc ñộ gió 38 3.3 Thiết lập mô hình mô phỏng ñộng học tuabin gió 39 3.4 Thiết lập mô hình mô phỏng máy phát từ trở thay ñổi 41 3.4.1 Phân tích mô hình toán học tuyến tính của SRG 41 3.4.1.1 Quan hệ L - θ 42 3.4.1.2 Phương trình dòng ñiện i(θ) của máy phát SRG 43 3.4.1.3 Phương trình ñiện áp 1 pha 45 3.4.1.4 Phương trình mô men ñiện từ 46 3.4.2 Mô hình mô phỏng SRG 46 3.5 Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống phát ñiện gió mạch hở sử dụng máy phát SRG 51 3.6 Mô hình mô phỏng hệ thống phát ñiện gió mạch kín sử dụng máy phát từ trở thay ñổi 52 3.6.1 Bộ nghịch lưu hệ thống phát ñiện gió ñộc lập sử dụng máy phát từ trở thay ñổi 52 3.6.1.1 Mô hình toán học tĩnh bộ nghịch lưu ñiện áp 53 3.6.1.2 Mô hình toán học bộ nghịch lưu trong hệ tọa ñộ αβ tĩnh 57 3.6.1.3 Mô hình toán học bộ nghịch lưu trong hệ tọa ñộ dq quay 60 3.6.1.4 ðiều chế ñộ rộng xung các vector không gian 62 3.6.1.5 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu của hệ thống máy phát ñiện sức gió thay ñổi từ trở 65 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page v 3.6.2 Mô hình mô phỏng mạch kín hệ thống máy phát ñiện sức gió từ trở thay ñổi 65 3.7 ðiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 66 3.7.1 Bù dọc 66 3.7.2 Bù ngang 69 Chương 4 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 71 4.1 Kết quả mô phỏng tốc ñộ gió 71 4.2 Kết quả mô phỏng máy phát SRG 72 4.2.1 Trường hợp máy phát chạy không tải 72 4.2.2 Trường hợp phụ tải thay ñổi và tốc ñộ quay máy phát không ñổi 72 4.3 Kết quả mô phỏng ñiện áp phát của hệ thống phát ñiện gió mạch hở ở tốc ñộ gió khác nhau 73 4.4 Kết quả mô phỏng ñiện áp phát của hệ thống phát ñiện gió mạch kín 74 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 77 I. Kết luận 77 II. Hướng phát triển 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 82 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC A lternating C urrent ð i ệ n xoay chi ề u APC Automatic phase Control ðiều khiển pha tự ñộng BJT bipolar junction transistor Tranzito lưỡng cực nối CCC Chopped Current Control ðiều khiển dòng ñiện cắt CO 2 Carbon dioxide Khí CO 2 DC Direct Current ðiện một chiều DFIG Doubly Fed Induction Generator Máy phát ñiện không ñồng bộ kích từ kép DSP Digital signal processing Xử lý tín hiệu số EESG Electrically Excited Sychrous Generator Máy phát ñiện ñồng bộ tự kích EU European Union Châu Âu EVN VietNam Electricity Tập ñoàn ðiện lực Việt Nam EWEA European Wind Energy Association Tổ chức năng lượng gió Châu Âu FACTS Flexible Alternating Current Transmission System Hệ thống truyền tải ñiện xoay chiều linh hoạt GDP Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc nội GIZ Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit Dự án hợp tác Phát triển ðức GTO GATE TURN – OFF SWITCH Linh kiện có 4 lớp bán dẫn PNPN W Watt ñơn vị ño công suất P trong hệ ño lư ờ ng qu ố c t ế GW Gigawat Watt 1 × 10 9 W HVG High Voltage Generator Máy phát ñiện cao áp Hz Hertz ðơn vị ño tần số IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực ñiều khiển cách ly KHCN Khoa học công nghệ kWh KiloWatt hour 10 3 Wh MoIT Ministry of Industry and Trade Bộ Công thương MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field- Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường Oxit Kim lo ạ i - Bán d ẫ n MPPT Maximum Power Point Tracking ðiều khiển bám sát công suất cực ñại MW Mega Watt 1 × 10 6 W NO x Nitric oxide Khí NO, NO 2 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page vii OLTC On Lap Tap Changer Thiết bị thay ñổi tải PMSG Permanent Magnet Synchronuos Generator Máy phát ñiện ñồng bộ từ trường vĩnh cửu PWM Pulse Width modulation ðiều khiển ñộ rộng xung REVN Vietnam Renewable Energy Joint Stock Company Công ty Cổ phần Năng lượng Tái tạo Việt Nam rpm Revolutions per minute Vòng/phút SCIG Squirrel Cage Induction Generator Máy phát ñiện không ñồng bộ lồng sóc SO 2 Sulfur dioxide Lưu huỳnh ñiôxit SRG Switched Relutance Generator Máy phát ñi ệ n t ừ tr ở thay ñ ổ i SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation ðiều chế ñộ rộng xung vector không gian TFG Transverse Flux Generator Máy phát ñiện từ ngang THD Total Hamonics Distortion T ổ ng ñ ộ méo d ạ ng sóng hài TNHH Trách nhiệm hữu hạn TWh TeraWatt-hours 10 12 Wh USD United States dollar ðồng ñô la Mỹ WB World Bank Ngân hàng Th ế gi ớ i WRIG Wound Rotor Induction Generator Máy phát ñiện không ñồng bộ kiểu dây quấn Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 - Phân loại nguồn năng lượng theo tốc ñộ gió ở ñộ cao 65m 8 Bảng 1.2 - Số liệu tốc ñộ gió ở ñộ cao 65 m theo nguồn của EVN và WB 9 Bảng 1.3 - Tiềm năng năng lượng gió tại ñộ cao 80m 9 Bảng 1.4 - ðặc trưng công nghệ hệ thống máy phát ñiện sức gió 15 Bảng 3.1 - Thông số của máy phát SRG 3 pha 6/4 cực 750 W 46 Bảng 3.2 - Bảng trạng thái và giá trị ñiện áp pha chuyển ñổi 63 Bảng 4.1 - Thông số mô phỏng sự thay ñổi tốc ñộ gió 71 Bảng 4.2 – Tiêu chuẩn THD theo các cấp ñiện áp 76 [...]... ng phát ñi n gió s d ng máy phát EESG 15 Hình 1.8- Sơ ñ nguyên lý h th ng phát ñi n gió s d ng máy phát PMSG 15 Hình 1.9 - Sơ ñ nguyên lý h th ng phát ñi n gió s d ng máy phát SCIG 16 Hình 1.10 - Sơ ñ nguyên lý h th ng phát ñi n gió s d ng máy phát WRIG 16 Hình 1.11 - Sơ ñ nguyên lý h th ng phát ñi n gió s d ng máy phát DFIG 17 Hình 1.12 - Sơ ñ nguyên lý h th ng phát ñi n gió s d ng máy phát. .. nguyên và b o v môi trư ng Do v y Nghiên c u gi i pháp và công ngh ng d ng ñi u khi n n ñ nh ñi n áp máy phát ñi n s c gió công su t nh ” là vi c làm có ý nghĩa khoa h c và th c ti n, góp ph n thúc ñ y s nghi p công nghi p hóa hi n ñ i hóa ñ t nư c… 2 M c tiêu nghiên c u - N m ñư c công ngh , ti m năng năng lư ng, ñ xu t gi i pháp công ngh ng d ng ñi u khi n n ñ nh ñi n áp máy phát ñi n s c gió công. .. kháng và ho t ñ ng c a các thi t b ñi u khi n ñi n áp, và d tr t i Tuy nhiên, n ñ nh ñi n áp trong h th ng máy phát (c th ñ i v i lu n văn này) ch d ng l i ph n n ñ nh ñi n áp ñ u ra máy phát khi h th ng máy phát ñi n s c gió ñ ng ñ c l p m t mình và khi h th ng máy phát ñi n s c gió k t h p n i lư i ð n ñ nh ñư c ñi n áp ñ u ra máy phát khi h th ng ñ ng ñ c l p ta c n ñi u ch nh h th ng kích t máy phát, ... ti m năng gió tương ñ i l n v i công su t kho ng 2715 MW, d i công su t c a h th ng máy phát ñi n s c gió c vài kW ñ n vài MW T c ñ gió trung bình vào (4 – 8) m/s 3 Xác ñ nh ñư c m t s vùng có th s d ng h th ng máy phát ñi n s c gió có công su t nh , trung bình và l n Vi t Nam 4 Trong chương này ñã nêu ñ c ñi m công ngh c a h th ng máy phát ñi n s c gió khi s d ng máy phát ñi n khác nhau như (EESG,... n công su t; có l i trong vi c th c hi n ñi u khi n dòng ñi n và ñi n áp phát c a máy phát; 4) Kích t và phát ñi n c a máy phát SRG ñư c th c hi n ñ ng th i nên k t c u c a h th ng ñơn gi n hơn khi ch t o và tăng ñ tin c y cho h th ng khi v n hành; 5) H th ng phát ñi n gió dùng máy phát SRG có th lư c b ñư c h p s tăng t c, n i tr c ti p tuabin gió v i b ph n quay c a máy phát, tăng ñư c hi u su t phát. .. nhiên li u phát ñi n t i Vi t Nam năm 2010 3 Hình 1.2 – T ng công su t ñã l p ñ t máy phát ñi n s c gió trên th gi i 5 Hình 1.3 - Công su t l p ñ t máy phát ñi n s c gió c a 6 Hình 1.4 – Dung lư ng công su t máy phát ñi n s c gió ñã l p ñ t hàng năm 7 Hình 1.5 – Sơ ñ c u t o máy phát ñi n s c gió tr c ngang 13 Hình 1.6 – Sơ ñ c u trúc ñi n hình c a t h p máy phát ñi n s c gió tr c ngang... th p thì công su t phát th p và c n ph i s d ng b h p s tăng t c - Hi n nay trên th trư ng có r t nhi u công ty s n xu t ch t o h th ng phát ñi n gió s d ng máy phát DFIG như Vestas, Gamesa, Repower, Dewind Ví d như công ty Repower ñã ch t o và ñưa ra th trư ng t máy phát ñi n gió ñơn s d ng máy phát DFIG có công su t t i 5 MW; Page 17 công ty Dewind c a nư c ð c ñã ñưa ra t máy lo i D6 (công su t... ñi n áp c a máy phát phù h p v i ñi n áp lư i ñi n thì vi c k t n i v i lư i ñi n s không c n thông qua máy bi n áp) - H th ng máy phát ñi n s c gió s d ng máy phát HVG xoay chi u s phát công su t l n hơn 3 MW - Như c ñi m: chi phí cho toàn b h th ng cao, chưa ch c ch n v l i ích dài h n và yêu c u an toàn, k t c u ph c t p hơn so v i các máy ñi n khác Giá c a máy phát HVG, các thi t b ñi n t và các... phát ñi n s d ng trong ñi n s c gió ch y u là máy phát ñi n nam châm vĩnh c u và máy phát ñi n không ñ ng b G n ñây ñã có các ng d ng thành công trong máy phát ñi n s c gió truy n ñ ng tr c ti p [13] T c ñ quay c a rotor máy phát ñi n s c gió hi n nay dao ñ ng trong kho ng (1200 -1800) rpm, ñ i v i máy phát ñi n xoay chi u t n s ñi n áp (50 – 60) Hz T c ñ c ñ nh c a máy phát ñi n không ñ ng b linh ho... hình c a t h p máy phát ñi n s c gió tr c ngang ð c trưng công ngh h th ng ñi n s c gió khi s d ng các lo i máy phát khác nhau ñư c th hi n trong b ng 1.4 T b ng 1.4 nh n th y khi s d ng h th ng phát ñi n s c gió v i các lo i máy phát khác nhau có ưu ñi m và như c ñi m riêng Do ñó tùy trong t ng trư ng h p c n cân nh c trư c khi l a ch n máy phát s d ng trong h th ng máy phát ñi n s c gió H c vi n Nông . văn Nghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện sức gió công suất nhỏ ñã ñược thực hiện và hoàn thành trong quá trình khóa học tập, nghiên cứu và làm. tài: Nghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện sức gió công suất nhỏ , ñến nay luận văn của tôi ñã hoàn thành với sự cố gắng học hỏi, nghiên cứu của. DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI      PHẠM THỊ LAN HƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG ðIỀU KHIỂN ỔN ðỊNH ðIỆN ÁP MÁY PHÁT ðIỆN SỨC GIÓ CÔNG SUẤT