Nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH LÊ VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH LÊ VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ Công nghệ TP. HCM, ngày … tháng 12 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: 1. …………………………………………………………… 2. …………………………………………………………… 3. …………………………………………………………… 4. …………………………………………………………… 5. …………………………………………………………… Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯ ỜNG ĐH CÔNG NGH Ệ TP. HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH C ỘNG H ÒA XÃ H ỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày … tháng… năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ VĂN CHUNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/ 09 1974 Nơi sinh:Thanh Hóa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830001 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan năng lượng gió Cơ sở lý thuyết . Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép Thiết kế bộ PID mờ điều khiển máy phát không đồng bộ Mô hình và kết quả mô phỏng dùng bộ PID mờ điều khiển III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Tháng 06 năm 2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12 năm 2013 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng 02 năm 2014 BẢN CAM ĐOAN Họ và tên học viên: Lê Văn Chung Ngày sinh: 02/ 09/ 1974 Nơi sinh: Thanh Hóa Trúng tuyển đầu vào năm: 2012 Là tác giả luận văn: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã ngành: 60520202 Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014 Điểm bảo vệ luận văn: 7,4 Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ. Các nội dung đã chỉnh sửa: Bổ sung vấn đề thu phát Q của máy phát không đồng bộ nguồn kép Cán bộ Hướng dẫn Người cam đoan (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Lê Văn Chung 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1. Hiện trạng về phát triển Điện gió trên thế giới 1.1.1. Giới thiệu chung tình hình năng lượng hiện nay Mặc dù trong những năm gần đây nền kinh tế thế giới có những biến động rất to lớn về mọi mặt, từ việc suy thoái tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lụt, động đất thường xuyên nhưng nhìn chung bức tranh kinh tế và tài chính toàn cầu trong thập kỷ qua vẫn tăng trưởng. Do đó mà nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các nguồn năng lượng tái tạo hiện đang được các nước quan tâm rộng rãi. Tỷ suất tăng trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện năm 1990-2000 là: năng lượng gió (NLG): 32%; năng lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%; năng lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1%. Như vậy tỷ suất tăng trưởng của năng lượng tái tạo cao hơn nhiều so với năng lượng truyền thống. Trong đó điện gió có tốc độ tăng trưởng cao nhất. Cũng theo báo cáo của Ủy ban NLG thế giới, tổng công suất điện gió được lắp đặt trong năm 2010 là 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với tổng công suất lắp đặt là 159 GW). Năm nước đứng đầu trong phát triển điện gió gồm: Trung Quốc với tổng công suất lắp đặt là 42,3GW, Mỹ là 40, 2GW, Đức là 27,2GW, Tây Ban Nha là 20,7GW và Ấn Độ là 13GW.[1, 2] 1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo bằng sức gió ở một số nước - Đức: Là nước dẫn đầu về phát triển điện gió. Đến cuối năm 2003, tổng công suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14,600MW, chiếm hơn 1/3 công suất lắp đặt điện gió của toàn thế giới, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu. Lượng khí thải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sự đóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăng thêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững. Năm 2004, tổng lượng điện gió chiếm 5,3% tổng lượng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 sẽ chiếm đến 8%. Nước Đức đã có quy hoạch dài hạn mới về phát triển điện gió, mục tiêu là đến năm 2025 sẽ đưa tỷ lệ trên lên ít nhất 25%, đến năm 2050 là 50%. Mặt khác, một quyết 4 sách quan trọng nữa là tuyên bố trong vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử hiện đang chiếm 30% lượng cung ứng điện sẽ lần lượt bị đóng cửa. - Đan Mạch: Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu với diện tích hơn 4,300km 2 , dân số khoản 5 triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thu nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro. Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trở thành một động lực lớn của nền kinh tế, đó là một ví dụ thành công về thương mại hóa trong lĩnh vực này. Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư 100 triệu USD vào công việc nghiên cứu và phát triển NLG. Chính phủ Đan Mạch bù lỗ cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành của nó, áp dụng chế độ ưu đãi về thuế cho những người sử dụng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch thì đánh thuế ô nhiễm không khí. Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kế hoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm. Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến năm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện. Năm 2000 và 2003 mỗi năm xây dựng 1 trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biển Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suất lắp đặt 40MW gồm 20 máy, mỗi máy 2MW. Năm 2008, Đan Mạch đã lắp đặt thêm 5 trang trại điện gió, tổng công suất lắp đặt là 750MW. Theo tin đã đưa chính phủ Đan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng công suất 4,000MW. - Mỹ: Sau một thời kỳ ảm đạm về điện gió của thập kỷ 90 thế kỷ XX, đến nay nước Mỹ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió. Hiện 27 Bang đã có các công trình điện gió lớn. Đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặt điện gió đã đạt 6,370MW. Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối với điện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hoàn toàn, đồng thời sau khi đưa vào hoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1kWh được giảm thuế 1,5cent USD. Tại miền Tây nước Mỹ đã lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có tổng công suất là 300MW, là trang trại điện gió lớn nhất thế giới hiện nay. Tại bờ biển bang California các máy phát điện gió có bán kính cánh quạt là 50m lần lượt dựng lên, công suất điện của một máy là 5,000 KW, Nhân kỷ niệm 3 năm sự kiện 5 11/9 sẽ khởi công xây dựng tháp Tự Do, trên bãi đất bị tàn phá của tòa tháp đôi Trung tâm thương mại quốc tế NewYork, trên đỉnh tháp sẽ lắp đặt một máy phát điện gió, nhằm cung cấp 20% lượng điện tiêu thụ của tòa nhà đó. - Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trưởng Tây Ban Nha đã thông qua kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tương đối cụ thể về phát triển năng lượng gió. Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phát điện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện toàn quốc. Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnh hưởng đối với môi trường, tính toán giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện pháp khuyến khích, dự báo về thị trường… của việc phát triển NLG, có tính khả thi rất cao. - Pháp: Ngày 23/4/2004 nước Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc việc khai thác than. Đó là hình ảnh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng của việc phát triển nguồn năng lượng của thế giới. Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sức gió lên vị trí chiến lược. Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện gió. Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000MW - 3000MW thiết bị điện gió, đến năm 2010 sẽ có 3000MW đến 5000MW điện gió đưa vào vận hành. Theo tính toán sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6 triệu tấn khí thải CO 2 . Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn 60%. - Nhật Bản: Năm 2002 Nhật Bản đã lắp đặt 486MW điện gió, năm 2003 đã có 730MW, năm 2004 đã có 936MW. Đến năm 2010 tổng công suất lắp đặt điện gió sẽ đạt 3000MW. Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điện lực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió, mặt khác phải mua điện gió của các Công ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy định. 6 Nhật Bản phấn đấu tự sản xuất hoàn toàn thiết bị điện gió, đồng thời hướng đến xuất khẩu. Máy phát điện gió của các Công ty Nhật Bản có nhiều tính năng ưu việt, tốc độ gió 1m/s đã có thể bắt đầu phát điện, công suất điện phát ra thường cao hơn 15 - 20% so với các thiết bị của các nước khác. Nhật Bản đặt mục tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có công suất lắp đặt là 11,800MW. - Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu tiên của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên lưới. Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đưa vào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính phủ Bỉ tặng. Sau đó dựa vào nguồn vốn chính phủ cũng như một số viện trợ của nước ngoài đã có một số cơ sở phát điện gió được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và làm mẫu. Theo quy hoạch phát triển trung dài hạn về điện gió toàn quốc, đến cuối năm 2005 tổng công suất lắp đặt phải là 1000MW, năm 2010 là 4000MW, năm 2015 là 10000MW, năm 2020 là 20000MW. Như vậy trong những năm từ 2011 đến năm 2020 bình quân mỗi năm công suất lắp đặt điện gió của Trung Quốc phải đạt 1600MW. [1, 2] 1.1.3. Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển NLG. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa. 7 Hình 1.1: Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam. Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m. (Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001 (Màu vàng, đỏ có tốc độ gió trên 7m/s)). Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam (Bảng 2). Như vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể. Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “ tốt “ đến “ rất tốt “ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%. [...]... phát điện gió, tìm hiểu một số loại máy phát và trình bày loại máy phát là: máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) Trình bày các phương pháp điều khiển các loại máy phát như: Máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 2.1.1 Khái niệm cơ bản của điện gió Khả năng hoạt động của một tua bin gió bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:  Lượng gió tự nhiên  Công suất của máy phát sức gió  Khả năng của đáp ứng... lượng tái tạo hệ thống máy phát điện sức gió dùng máy điện cảm ứng nguồn kép đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng rãi, và đây cũng chính là nội dung mà luận văn nghiên cứu 26 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu tạo tua bin gió  Khái niệm cơ bản, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tua bin gió  Các yếu tố ảnh hưởng đến tua bin gió Mô hình và Chi tiết cấu tạo các bộ phận của trạm phát điện... hoạt động của hệ thống định hướng Công suất, nguyên lý làm việc của các loại tua bin gió Nguyên lý hoạt động độc lập của nhà máy gió, nhà máy gió với động cơ DIESEL  Điểm hạn chế của nhà máy không có cơ cấu điều chỉnh cánh Những yêu cầu khi kết lưới và phương pháp kết lưới  Chuyển đổi năng lượng gió trong đó tìm hiểu về bộ điều khiển tần số và điện áp hay bộ chuyển đổi điện áp  Phần máy phát điện gió,... một nhạy cảm và phức tạp hơn, do vậy điều quan trọng là phải có tầm nhìn xa hơn 1.2.3 Kết quả nghiên cứu trong nước Chính sách định hướng chiến lượt phát triển bền vững năng lượng Việt Nam là phát triển nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo Những công trình liên quan đến nguồn năng lượng mới đã được nghiên cứu ứng dụng trong nước bao gồm: - Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và định hướng phát triển năng... gió trở thành một nguồn tiềm năng cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng cho môi trường Tổng năng lượng của các máy phát sức gió (Wind Energy Conversion Systems -WECS) được lắp đặt trên thế giới được gia tăng một cách nhanh chóng Sự tham gia của các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung cấp một lượng công suất đáng kể bên cạnh các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy điện 2.1.2... tốc độ thấp và trục tốc độ cao để gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút lên khoảng 1200 đến 1500 vòng/phút, đây là tốc độ quay mà hầu hết các máy phát cần để sản sinh ra điện năng Tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát để sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền và là một phần của động cơ và tua bin gió, các máy phát có tốc độ thấp hơn thì không cần bộ này  Máy phát (generator):...  Máy phát (generator): Thường dùng các máy phát tự cảm ứng để phát điện 30 năng xoay chiều  Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 16 dặm/ 1 giờ và tắt động cơ ở tốc độ khoảng 65 dặm/ 1 giờ  Bộ đo tốc độ gió (anemometer): Đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển  Chong chóng gió (Wine vane): Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tua... có thể hoạt động ở bất 33 kỳ hướng gió nào Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống Hình 2.6: Cấu tạo tua bin trục đứng và trục ngang 1.Chiều gió đến của HAWT 6 Máy phát 11 Tháp VAWT 2 Đường kính rotor 7 Vỏ 12 Độ cao kính xích đạo... quan về tình hình nghiên cứu, sử dụng nguồn năng lượng gió trên thế giới và tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam Trong chương này tác giả cũng đưa ra tốc độ gió, cấp gió, chế độ gió, tiềm năng và quy hoạch phát triển năng lượng điện gió Việt Nam Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh kết quả nghiên cứu trong nước Chính sách định hướng chiến lượt phát triển bền vững năng lượng Việt Nam là phát triển nguồn năng... đặc biệt nhờ một hệ thống phanh hãm thông qua các hệ thống điều khiển 2.1.3.1 Tua bin gió trục đứng và trục ngang Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho tua bin gió và được phân làm hai loại cơ bản chính: Tua bin gió trục ngang (HAWT) và tua bin gió trục đứng (VAWT) Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: Cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để thu năng lượng gió để tạo ra mômen quay trục . TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan năng lượng gió Cơ sở lý thuyết . Xây dựng mô hình. 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH LÊ VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP . BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH LÊ VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP