-_ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM HUTECH
University
NGUYEN MINH HAI
NGHIEN CUU DIEU KHIEN CONG SUAT TAC
DUNG VA CONG SUAT PHAN KHANG CUA HE THONG DIEN NANG LUONG SONG BIEN
Trang 3CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC | CÔNG NGHỆ TP HCM
GS TSKH HE Dae Loe
Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : LS im weg rhe, Cha Deg 2L
(Ghi rõ họ, tên, hoc ham, hoc vị ya chit ky)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM
ngày £.' tháng :.: năm :1.!“'
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội dong chấm bảo vệ Luận văn Thac si) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS Lé Minh Phuong Chủ tịch
2 PGS.TS Ngô Văn Dưởng Phản biện 1
3 PGS.TS Trương Việt Anh Phản biện 2
4 TS Võ Viết Cường Ủy viên
5 TS Huynh Quang Minh Uy vién, Thu ky
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
we
Trang 4PHONG QLKH - ĐTSĐH Độc lâp — Tu do — Hanh phic
NHIEM VU LUAN VAN THAC Si
Họ tên học viên: NGUYÊN MINH HAI Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 25/20/1978 Nơi sinh: LONG AN
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: 1341830007
I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUÁT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUÁT PHẢN KHÁNG CỦA HỆ THÓNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN KÉT NÓI VỚI LƯỚI ĐIỆN
H- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng sóng biển trên thế giới và tại Việt Nam
- Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng
điện
- Nghiên cứu và phân tích một vài bộ biến đổi năng lượng sóng biển như:
+ Bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS) + Bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
- Nghiên cứu và phân tích kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống
Trang 5châm vĩnh cửu bằng phần mềm Simulink/Matlab
IH- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/01/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: TS HƯỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUAN LY CHUYEN NGANH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
/⁄ - TT ^
- 4 ipvle C le 7
Trang 6Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Học viên thực hiện Luận văn
my
Trang 7ii
LOI CAM ON
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn GS.TSKH HỎ ĐẮC LỘC
và TS HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo
và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện Luận văn nảy
Xin cám ơn quí Thầy, Cô đã trang bị cho em những nền tản kiến thức quí
báo trong quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn
Xin cảm ơn tập thể lớp 13SMĐII1 đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện Luận văn
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp.HCM; Khoa Điện -
Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học; Cơ quan công tác đã tạo
cơ hội cho em thực hiện Luận văn này
Trang 8TOM TAT
Luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiến công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện năng lượng sóng biến kết nối với lưới điện ” mà bao gồm các nội dung sau:
- Chương ]: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành
năng lượng điện
- Chương 3: Năng lượng sóng biển
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất tác dụng và công suất phần
kháng của hệ thống điện năng lượn g sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu |
Trang 9iv
ABSTRACT
This thesis focuses on issues related to the work “Research on control of -
active and reactive powers of wave energy systems connected to grid” including the : following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Literature review of wave energy systems - Chapter 3: Wave energy
- Chapter 4: Research on control of active and reactive powers of a wave energy system, Wave Dragon using permanent magnetizing synchronous generators (PMSG)
- Chapter 5: Simulation results on control of active and reactive powers of a wave energy system, Wave Dragon using permanent magnetizing synchronous generators (PMSG)
Trang 100909 ),029.) 08 g4 i LOL CAMO ân d4 ii ¡90 1 iii F\: 1): an <= ).H)H ,ÔỎ iv \I0909/08Nng Ð v j.\0I:87.(e:6: ca ẽ.ẽ.:.-äg.A.H x DANH SACH HINH VE .cssssssesssessssssesecsssessecssscssuccessccensceuscaseesseecsecsensesaneesecentes xi 0n 0C và: 0 1 BC 0 8a 4d , 1 1.2 Tính cấp thiết của để tài s- 222c+222121 2211112111211 6 IcN›2 08 -3 ppd " 7 In con nh 7
1.5 Mục đích và nội dung nghiên cứu - + -s++s+x+xxe+zx+zxerrxerrxrzrerrkerree 7
1.6 Phương pháp nghiên cứU - L1 1232k 1H HH HH HH TH ng ng re § 1.6.1 Phương pháp nghiên cứu lý In)“ - Ỏ 8 1.6.2 Phương pháp mô phóng và phân tích kết quả mô phỏng §
1.7 Bố cục của luận văn St THẾ 1x13 1101311 7121711111 1111121211111 8
(no) 8
Chương 2 Tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng
¡I0 9
2.1 Tình hình khai thác năng lượng sóng biển trên thế giới [2] 9 2.2 Các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển đã được nghiên cứu trên thế giới
ssssusessusessusssasessuessusssucsssssesessecesecsusssusssssscsucssecsuecsusccssscsssscsuscsuceasecsnecsaseceueeeneeeaeeeee® 13
2.3 Hệ thơng biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis [6| 14
2.3.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis 14
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
Trang 11vì
2.4.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column (OWC)
được xây dựng trên dải đất ven bờ bằng bê tông và có cấu trúc rỗng Hệ thống biến đổi OWC bao gồm: . :2- 2222222215 22111021112211.7210 211.1 re 17
2.4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
Oscillating Water Columm s55 + Sex vn re 18 2.4.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water COTW 20 2.5 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda [7] 20 2.5.1 Cầu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda 20 2.5.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển ATI8COTA L2 HH TH TH HH cọ no nh HH Hiện 21 2.5.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda 21 2.6 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nỗi Aschimedes Wave Swing [8] 21
2.6.1 Câu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes
M3 8 21
2.6.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi
Aschimedes Wave ŠWInE - cà HH HH HH HH ngàn t 22
2.6.3 Ứng dụng của hệ thống biến đối năng lượng sóng biển nổi Aschimedes
M3 =0 22 2.7 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing [8]
2.7.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes
)Z ` Thu 0 — 22
2.7.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave SŠWIng - - css se HH HH HH ti 23
2.7.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes
Wave Swing 23 2.8 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon [10] - 24
Trang 122.8.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave
2.8.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon 25
2.9 Hệ thống biến đôi năng lượng sóng biển Wave Searaser [1 I] 25
2.9.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser 25
2.9.2 Nguyên lý họat động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave ` mm 25
2.9.3 Ung dung của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser 26 2.10 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster [12] 2.10.1 Cầu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster 26
2.10.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đỗi năng lượng sóng biển Wave 111001008 27
2.10.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster 27 2.11 Tiềm năng khai thác năng lượng sóng biến tại Việt Nam [4], [9] 27
2.11.1 Nghiên cứu năng lượng sóng biển tại Việt Nam -‹ - 28
2.11.2 Quy hoạch phát tri én cdc nguồn năng lượng điện tại Việt Nam [3] .32
2.11.3 Khai thác năng lượng sóng biển tại Việt Nam [4], [9] .- 34
"c1 ÔỎ 35 Chương 3 Năng lượng sóng biển . 2-52 22222 E2 EExretrtrrritrrrrrersrrree 36 các 0 88a 36
3.2 Phan loai j3.) 018 36
3.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng, -ccc+ 36 3.2.2 Phân loại sóng theo độ cao - che H021 37 3.2.3 Phân loại sóng theo ving sóng lan truyền và phát sinh 37
3.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao, độ đài và độ sâu 38
3.3 Năng lượng sóng và thông lượng năng lượng sóng [4] .-. 38
khi ii áo 1 38
3.4 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS [13] - - 40
3.4.1 Mô hình toán học cho sự chuyển động của hệ thống AWS 4]
Trang 13vill
3.4.2 Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính trong hệ thống AWS [14]
3.4.2.1 Cấu tẠO ccvn hen 42
3.4.2.3 Mô hình toán của máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính vận
hamh d6c Lap [13] 44
3.4.2.4 Mô hình toán của máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính kết
nối lưới điện trong khung tham chiếu a, b, c [15], s- s<+xserxs+xeee 45
3.4.2.5 Mô hình toán của máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính kết
nói lưới điện trong khung tham chiếu d -q [16] -<+©ccscz++ 49
3.4.3 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống AWS 53
3.4.3.1 Mật độ đao động của sóng biển ¿-©ckce+EEkerrkerrrreree 53 3.4.3.3 Duong kinh pha c.cccccsccccccsescsssesssseessssecsssccsssecsssccssnecessecessecesneessese 54 3.4.3.4 Độ cao của sóng 0 54 3.4.4 Đánh giá khả năng khai thác của hệ thống AWS -. e- 55 khont lo hố 55 3.5.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave IÐ.c¡ 000105 63
3.5.3 Mơ hình tốn học của hệ thống Wave Dragon . -s-©c5e- 66
3.5.4 Mơ hình tốn mơ tả máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
trong hệ thống Wave Dragon 67
Chương 4 Nghiên cứu điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm
Vĩnh CỬU -22- 22s 22k EE1E1102212711771.271.71111121121111211111721 11E1E.7.1 1 Le 70
ÔN n ‹‹41+ H.HHẬỆ 70
4.2 Điều khiển công suất tác dụng . - x1 70 4.3 Điều khiển công suất phản kháng - 5c vcvtsrrrrxerrererrrree 70
4.4 Các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng [22] 71
4.4.1 Các hệ trục tọa đỘ -:¿c2csxc2cvr122122111217111.111111 11 1 7Í 4.4.2 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới - 72
Trang 144.6 Diéu khién céng suat tac dung va cong suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đối năng lượng sóng biển thành năng lượng điện Wave Dragon
4.7 Các giải thuật xác định điểm công suất cực đại cho máy phát điện đồng bộ
nam cham vith ctl [22]-[23] cc 75
4.7.1 Giải thuật P&O (Perturbation & Observation) - ec- 75
4.7.2 Giải thuật WSM (Wave Speed Measuremei) cớ 76 4.7.3 Giải thuật PSF (Power Signal Feedback) cv sex 76
Chương 5 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ
thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát điện đồng bộ §rì 89002118910 78 5.1 Giới thiỆU 5s 1v th TH HH th TT HT 010k 0300 001511307010 Tk 78 5.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) . -s - 79 5.3 BO 00 81 5.4 BO nghich UU ooo 83 5.6 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 86 5.8 Kết quả mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
của PMSG -c 22S2222111 2112211221112 T1E01112111111.111.111 11.111 creg 88 5.8.1 Trường hợp 1 - Tốc độ rotor không đổi -2- 2z 88
5.8.2 Trường hợp 2 - Tốc độ rotor thay GG i ee eccccceccsecseessessesentesecsavessteesensess 94
5.8.3 Trường hợp 3 — Công suất tác dụng P;„r thay đổi - 100
5.8.4 Trường hop 4 — Công suất tác dụng, P,„; và tốc độ rotor, œ, thay đối 106 5.8.5 Trường hợp Š — Công suất tác dụng, Pu công suat phan khang, Quer va
tốc độ rotor, œ, thay đổIi ©-ccc+22 Lx1211241711217112121121111 0.111.111 112 Chương 6 Kết luận và hướng phát triển tương lai 52-5752se+ 118 8‹ä naa11ẲÀẳỪỶỲ ,Ỏ 118
6.2 Hướng phát triển tương lai - 22s 2z x22 2131111721271 2712211 119
Trang 15x
DANH SACH BANG
Bang 2.1 Két qua tinh dong nang long song (kW/m) tai một số trạm ven biển Việt ˆ
) .ơƠỎ ¬— Bảng 2.2 Công suất lắp đặt của các nguồn năng lượng điện tái tạo tại các miền
trong toàn quốc vào giai đoạn 2008 — 2015 -.2 22tecc2 te etrrrrrrerree 33 Bảng 3.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân và biện tượng 37
Bang 3.2 Phân loại sóng theo vùng sóng truyền và phát sinh s- zcse¿ 37
Trang 16DANH SACH HINH VE
Hình2 1;Bản đồ trung bình răm của độ cao sóng cho kim vực vùng bẩn lên hiệp Anh " il
Hình 2.2 Bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực vùng biển Liên hiệp
FT N “.-~- Ai: H HẰĂHẨÂHúH),H, ,,., 13
Hình 2.3 Phao của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis 15
Hình 2.4 Module của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis 15
Hình 2.5 Cấu tạo bên trong của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis I1 8(115801,11-8)015:00001011Ẻ8 16
Hình 2.6 Hệ thống Pelamis đã được lắp đặt và khai thác tại Bồ Đồ Nha 16
Hinh 2.7 Pelamis trén biển Stromeness, Scotland -. - s26 Scscceceeceecrx 17 Hình 2.8 Tổng thể hệ thống Pelamis 22-32221112 21.E re Hee 17 Hình 2.9 Tuabin và máy phát trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column (OỀWC) HH HH HH Hàn HH HH Hà HH thiên 18 Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của OWC khi sóng đánh vào bờ, 19
Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của OWC khi sóng rút xa bờ 19
Hình 2.12 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda - 20
Hình 2.13 Tuabin của của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda .20
Hình 2.14 Sóng phình chạy dọc trên hệ thống Anaconda : -c-c+- 21 Hình 2.15 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing22 Hinh 2.16 Hệ thông biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing Hình 2.17 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon 24
Hình 2.18 Các tuabin trên hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon 24 Hình 2.19 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser 25
Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave h0" 26
Hình 2.21 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster 26 Hình 2.22 Sơ đồ các điểm tính dòng năng lượng sóng và phân vùng tiềm năng năng lượng sóng biển dải ven biển Việt Nam - 22 2scScs22v2cxeErrerrrrrerrvrrrrerrry 31
Hình 3.1 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS . -cccc- 40
Trang 17xH
Hình 3.3 Cau tao máy phát tuyến 70m 7 42
Hình 3.4 Các thành phần của hệ thống AWS c2 43
Hình 3.5 Sơ đồ thay thế máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính 44
Hình 3.6 Trạng thái của AWS khi sóng biển nhô an 45 Hình 3.7 Trạng thái của AWS khi sóng biển hụp xuống -c-c - 48
ii: 18s án 0 e 49
Hình 3.9 Công suất tỉ lệ với độ cao sóng biển .- -555-5ccccrrrrrerrrrrer %4 Hình 3.10 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD - 5c ccsccccccee 56 Hình 3.11 Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD đang được xây dựng và
khai thác tại Nissum Bredning, Đan Mạch . ¿5-5 Ặ Series 56
Hình 3.12 Vùng biển Nissum Bredning, Đan Mạch -Ăc+ccScseceecee 57
Hình 3.13 Các bộ phận cơ bản của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD 58
Bảng 3.4 Thông số chính của một số hệ thống WD tương ứng với các điều kiện SOng 4.40 58 Hình 3.14 Hệ thống WD với các kích thước tương ứng trong điều kiện sóng biển
P§A /.NNu 59
Hình 3.15 Đoạn đường đốc thực tế của hệ thống WD ¬ 60
Hình 3.16 Hệ thống neo của hệ thống WD 25-2 2z22EExtEEExrrrrrrtrrrecre 61
Hình 3.17 Hệ thống neo của một tập hợp các hệ thống WD 61
Hình 3.18 Hệ thống tuabin của hệ thống WD 26 LS2 E222 62 Hình 3.19 Tuabin của hệ thống WD 5- 552 22+xEreEE.CEkErrrtrrrrrerrriee 62
Hình 3.20 Mô tả hoạt động của hệ thông WD với mặt cắt ngang 63
Hình 3.21 Mô tả hoạt động của hệ thống WD với mặt bằng .-.- 63 Hình 3.22 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WD 2ccccscrrrrrrrrree 64
Hình 3.23 Quá trình sản xuất năng lượng điện của hệ thông WD 64
Hình 3.24 Hệ trục tọa độ d-q cho máy phát PMSG -c 5cccerreere 67 Hình 4.1 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu phía lưới 73 Hình 4.2 Sơ đồ khối kết nối bộ nghịch lưu -¿-222++222xeeerrrrrerrrrttrrrre 73 Hình 4.3 Sơ đồ điều khiến nghịch lưu PWM theo VOC . - 74
Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển P và Q của hệ thống biến đổi WD 74
Trang 18Hình 4.6 Nguyên lý của giải thuật WSM 2222222222212 EEE ecee 76
Hình 4.7 Nguyên lý của giải thuật PSF NH1 T4 1H Tre re 76
Hình 5.1 Sơ đồ điều khiển P và Q của hệ thống biến đổi WD
Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng sóng biển kết nối lưới và điều
khiển công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q -c csccccccee 79
Hình 5.3 Khối máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu - 80
Hình 5.4 Hộp thoại khai báo thông số cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
2i) 0Ắ1Ẽ .Ô 81
Hình 5.5 Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu z+222++2222132 222222 t.Ex.erree 81
Hinh 5.6 Cau chinh lu diode N 82 Hình 5.7 Hộp thoại khai báo các thông số cho bộ chỉnh lưu . -c+- 83 Hình 5.8 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu - + 22-©2+2++eExteErrrrrrrrrrrrrrsrrreee 82 Hinh 5.9 So d6 m6 phong b6 nghich Wa oo esescscssssesssessseecssesessessssecsssessneenssess 84 Hình 5.10 Sơ đồ kết nối bộ nghịch lưu với lưới điện oo seeceecceccs esse eesseessessseeseseeeees 85 Hinh 5.11 Sơ đồ khối biến đổi điện áp từ hệ trục tọa độ abc -. - 86
thành hệ trục tọa độ 4Q .- - - 9H23 3 H1 0tr HH ng 01010 me 86
Hình 5.12 Sơ đồ khối mơ phỏng tính tốn cơng suất phát lên lưới 87
Hình 5.13 Sơ đồ khối điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của
PMSG của hệ thống WD 5 St 2t t2 2 22212112112121171121111111171111.11e.r 87
Hình 5.14 Sơ đồ tạo tín hiệu xung kích điều khiến bộ nghịch lưu 88
Hình 5.15 Sơ đồ bộ điều chế độ rộng xung PWM ¬ 88
Hình 5.16 Tốc độ rotor, œ, khơng đổi ¿-©2xt+22ExtEvxEteEExerrrrrrrrrrercee 89 Hình 5.17 Công suất tác dụng tham chiếu, P,„„;= 250000 (W) 89 Hình 5.18 Công suất tác dung ctta PMSG, P (W) vecccccsssssessssssssssesesessssesscsnsseessesens 90
Hình 5.19 Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG theo cơng
suất tham chiếu, Ps 2¿©-sc+2Zxtv2E22111122111121111017111217111.11112111121111 2111k 90
Hinh 5.20 Công suất phản kháng tham chiếu, Q„.;= 150000 (VAr) 91 Hình 5.21 Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAT) is 91
Hình 5.22 Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG theo
Trang 19XIV
Hình 5.24 Cường độ dòng điện của PMSG, ¡„„ khi hòa lưỚi - c-<e 93
Hình 5.25 Tần số của PMSG, f khi hòa lưới rsesriririrrrriie 94
Hình 5.26 Tốc độ rotor, œ, thay đổi s 22221 2E12212101121.1exee 95
Hình 5.27 Công suất tác dụng tham chiéu, Per = -550000 (W) c 95
Hình 5.28 Công suất tác dụng của PMSG, P (W) -.c.Scererrerrrrerrio 96 Hình 5.29 Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG theo công
suất tham chiếu, P,„; — 96 Hinh 5.30 Công suất phản kháng tham chiếu, Q„„r = 150000 (VAr) 97
Hình 5.31 Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) -ccccccccrreccee 97
Hình 5.32 Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG theo
công suất tham chiếu, 0 — 98
Hinh 5.33 Dién 4p của PMSG, v,;¿ khi hòa lưỚi - 57+ scxsxeeksrreerrsrreres 99
Hình 5.34 Cường độ dòng điện của PMSG, iau¿ khi hòa lưới . -«- 99
Hình 5.35 Tần số của PMSG, f khi hòa lưới - - 22c ©ccssccrescrrrerrrerrrer 100
Hình 5.36 Tốc độ rotor, œ, không “077 101
Hình 5.37 Công suất tác dụng tham chiếu, P„; thay đồi -. -ss 101
Hình 5.38 Công suất tác dụng của PMSG, P (W) crerrereo 102
Hình 5.39 Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG theo công
suất tham chiều, FP„s -2+25+2222<2229223221127112111127112127117117111.2211.1.1 11 re 102 Hình 5.40 Công suất phản kháng tham chiếu, Q,„;= 150000 (VAr) 103 Hình 5.41 Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) c-ccccsccecrecee 103
Hình 5.42 Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG theo
công suat tham Chi6U, 9N 104
Hinh 5.43 Dién ap cua PMSG, v4, khi hOa lưới ¿- + ssstsrssvsrreexereree 105
Hình 5.44 Cường độ dòng điện của PMSG, ¡,;¿ khi hòa lưới -‹ ¿ 105 Hình 5.45 Tần số của PMSG, f khi hòa lưới -ccsscxcerxs2rxevrrrsrrerrecree 106 Hình 5.46 Tốc độ rotor, œo, thay đơi : ©c-cc22x22E22221.171130 211 ecrrreg 107 Hình 5.47 Công suất tác đụng tham chiếu, P,„; ¿ -2-©22zeeccrxerrcrserrrrvee 107 Hình 5.48 Cơng suất tác dụng của PMSG, P (W) -.ccvcicesrrrrrreirrre 108 Hình 5.49 Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG theo công
Trang 20Hình 5.50 Công suất phản kháng tham chiếu, Q,„;= 150000 (VAr) 109
Hình 5.51 Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) Km H14 111111 1 kh ghe tư 109
Hình 5.52 Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG theo
công guat tham Chi€U, Qyeps.sccecseccssecseseccteccsessreceuvecsecessecsssessucssessssessssesssesssseessecssesses 110 Hình 5.53 Điện áp của PMSG, v „„ khi hòa lưỚi scssxsrrererrrerserree 111 Hình 5.54 Cường độ dòng điện của PMSG, 1„p„ khi hòa lưới -‹ 111
Hình 5.55 Tần số của PMSG, f khi hòa lưới - 2° se +ceeE+ezEerxerxerrerree 112 Hình 5.56 Tốc độ rotor, œ, thay đổi -ccsc222 222x212 1e strkee 113
Hình 5.57 Công suất tác dụng tham chiếu, P„r Hình 5.58 Công suất tác dụng của
l5 6 0 113
Hình 5.59 Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG theo công
thấu no 180 XS ốẽ 114
Hình 5.60 Công suất phản kháng tham chiếu, Q.x¿ -55-©75cScccsrev 114
Hình 5.61 Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAT) c5-cscccscverreree 115
Hình 5.62 Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG theo
công suất tham chiếu, Q,„r — 115
Hình 5.63 Điện áp của PMSG, v khi hòa lưỚi scscsrvsrverxerkrrtrerrrree 116
Hình 5.64 Cường độ dòng điện của PMSG, i,¿„ khi hòa lưới - 116
Trang 21CHUONG 1 GIOI THIEU
1.1 Giới thiệu ~ s3
Tiềm năng năng lượng của sóng biển đã được ghi nhận từ thời đại cổ xưa của
loài người Các thử nghiệm chuyển đổi năng lượng sóng biến đã được tiến hành từ
lâu, chuyển đổi sóng biển được bắt đầu với việc sử dụng sóng để phát tín hiệu cho
các phao hàng hải; năng lượng sóng được sử dụng để nén khí trong một ống dọc giữa các phao tạo ra còi báo hiệu
Với vị trí địa lý, khí hậu thuận lợi thì đất nước Việt Nam được xem là một trong những nước có nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng gồm: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biến, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt Các nguồn năng lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều vùng
sinh thái
Trước nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng nhanh ở Việt Nam việc sớm khai thác các nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không những góp phần giảm gánh nặng về cung cầu năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền thống đang
dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát triển
bền vững
Nhu cầu về điện năng trên thế giới đang gia tăng một cách mạnh mẽ cùng với sự phát triển của các nền kinh tế và sự tăng dân số trên phạm vi toàn cầu Nhưng sự bùng nỗ về nhu cầu điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu và khí — vốn hiện tại cung cấp một nửa năng lượng cho toàn thế giới — lâm
vào tình thé rat khó khăn [1]
Các số liệu cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người Với mức độ tăng dân số hiện nay, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36.000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng — gấp đôi con số hiện tại Như
vậy, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA - International Energy
Association), trong vòng 20 năm mới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35%
và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng
lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo ) [2]
Trang 22theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mó chỉ đủ cung cấp cho thế
giới trong 60 năm tới Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm tới Với sự
tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và đông dân cư như
Trung Quốc và Ấn Độ, hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [2]
Về mặt chính trị, tình hình cũng báo hiệu là sẽ không hề ổn định hơn bởi hơn
70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên đều tập trung ở những khu vực ít nhiều bất ổn nhất thế giới: Trung Đông, Nga và Trung Á
Về than đá, trong 6 năm qua (tính tới năm 2012), lượng tiêu thụ than trên thế
giới cũng đã tăn g lên 30% gắp đôi so với các nguồn nhiên liệu khác
Như vậy, có thể nhận định rằng trong tương lai 20 năm tới đây, giá của các nguồn nguyên nhiên liệu cấp cho nhu cầu năng lượng thế giới sẽ tăng mạnh, nhất là dầu mỏ rồi đến khí và than Cùng với sự cạn kiệt nguồn dầu mỏ, khí thiên nhiên trong tương lai rất gần, một kịch bản đã được vạch ra cho tương lai năng lượng của
thế giới là sự thiếu hụt trầm trọng điện năng cho nhu cầu sử dụng
Chính vì sự cạn kiệt và khan hiếm nhiên liệu cho nên việc tìm kiếm các
nguồn năng lượng thay thế đang trở thành mục tiêu và giải pháp chung của nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam Với những ưu điểm như giá thành thấp, không gây hại cho môi trường, các nguồn năng lượng xanh như năng lượng
mặt trời, năng lượng gió, đặc biệt là sản xuất điện từ năng lượng sóng biển được xem là một nguồn năng lượng thay thế hữu ích, đang được nhiều nước chú trọng
phát triển
Ở nước ta vấn đề cung cấp điện phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất
chưa được tốt, nhất là về mùa hè Tình trạng cắt điện luân phiên ảnh hưởng không
nhỏ đến sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp và sinh hoạt của nhân dân Từ vấn đề
đó có thể nói: |
Nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện
nay Vì đối với nhà máy thủy điện có nhữn g tác động nhất định đến môi trường
xung quanh Chẳng hạn [2]:
* Tác động đến thế giới động vật
Hồ chứa nước của các công trình thủy điện chiếm một diện tích rất đáng kế
Trang 23vật Hậu quả là nhiều loại động vật cũng bị tiêu diệt hoặc phải di cư đến nơi khác
sinh sống Vì vậy, khi thiết kế xây dựng hồ chứa nước bắt buộc phải có các tính toán về thiệt hại đối với thế giới động vật, tính toán thiệt hại về kinh tế Và phải tính
đến các biện pháp hoàn bù đất, cải tạo, tăng độ phì nhiêu của đắt, cải thiện điều kiện
cho thực vật phát triển và áp dụng các biện pháp công nghệ sinh học khác để cải tạo
đất
* Tác động đến hệ sinh thái dưới nước
Tác động của các hồ chứa nước và hoạt động của nhà máy thủy điện sẽ làm thay đổi hệ sinh thái dưới nước ở khu vực có công trình thủy điện Hệ sinh thái sông
sẽ phải nhường vị trí cho hệ sinh thái hỗ tại khu vực hồ chứa nước
Trong các dự án hiện nay về hồ chứa nước, người ta đều tiến hành dự báo
chất lượng nước, trong đó phải tính đến các đặc điểm thoát nước tự nhiên, ảnh
hưởng của các nguồn gây ô nhiễm môi trường, các quá trình lưu chuyển nước trong
vùng Kết quả dự báo chất lượng được trình bày dưới dạng các chỉ tiêu thủy hóa và
thuỷ sinh học Việc đánh giá chất lượng nước được thực hiện bằng cách so sánh kết quả dự báo với nồng độ giới hạn cho phép các thành phần khác nhau, quy định
trong các tài liệu tiêu chuẩn — quy phạm
* Tác động của công trình thủy điện đến ngư trường
Xây dựng công trình thủy điện sẽ hạn chế các luồng đi cư, bán di cư của các
loài cá, làm thay đổi điều kiện sinh sản, có nguy cơ làm kiệt quệ nguồn thức ăn của
cá tại các công trình lấy nước tại nhà máy thủy điện Kết quả là nguồn thủy sản bị
giảm, đặc biệt là các loại cá quý hiếm, tro ng một số trường hợp còn bị tuyệt chủng Để ngăn ngừa các hậu quả tiêu cực này, trong các dự án thủy điện hiện nay, người
ta cho áp dụng các biện pháp đặc biệt, trong đó có biện pháp xây dựng công trình
bảo vệ cá, cho cá qua lại và tạo lập cơ sở thức ăn ch o cá
* Tác động của khí hậu
Các hồ chứa nước lớn sẽ tác động đến vi khí hậu các vùng lân cận, có thể giảm nhiệt độ cực trị của khí quyển Nhiệt độ cao nhất về mùa hè có thể giảm xuống
2-3°C, mùa đông tăng lên 1-2°C, độ âm không khí cũng có thể thay đổi
* Tác động của xã hội
Trang 24công trình, trước hết là phải di dời dân ra khỏi khu vực công trình và vùng sẽ bị
ngập nước Tác động tiêu cực thứ hai là sự thay đổi điều kiện khí hậu, sinh thá ¡ sẽ
gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và hoạt động trong đời sống của nhân dân Ngoài ra,
có thể có những thay đổi điều kiện tác động của công trình thủy điện đến môi
trường thiên nhiên
Quá trình di dời, tái định cư cho người dân từng sống ở khu vực công trình
thuỷ điện là vấn để phức tạp nhất Để di đời dân, cần phải xây dựng các điểm tái
định cư thuận tiện cho sinh hoạt, phải xây dựng các công trình kỹ thuật, tạo thành tổ
hợp các công trình văn hố ~ xã hội Ngồi ra, các dự án công trình thủy điện phải
được xem xét phù hợp với quy định của luật pháp hiện hành về đẻn bù giá trị công
trinh
Trong các dự án công trình thủy điện hiện đại, người ta xem xét toàn bộ các
biện pháp có liên quan với nhau và được trình bày trong một phần đặc biệt gọi là “Chương trình xã hội xây dựng” Mục tiêu của chương trình này là nhằm giảm nhẹ
căng thẳng về xã hội, giảm tác động tiêu cực của công trình đến đời sống xã hội, cải thiện điều kiện sống cho người dân địa phương
Yêu cầu là phải tuân thủ quy định của Luật Bảo vệ môi trường sẽ làm tăng
chi phí chuẩn bị khu vực xây dựng hồ chứa nước Khoản chỉ phí này thông thường
chiếm từ 20% đến 50% tổng chỉ phí cụm công trình thủy điện, trong một số công
trình đặc biệt, khoản chỉ phí này có thê chiếm tới 70% tổng chỉ phí
Liên quan đến yêu cầu về bảo vệ môi trường trong khai thác công trình thủy
điện, gần đây xuất hiện khái niệm “An toàn sinh thái” An toàn sinh thái là trạng
thái bảo vệ lợi ích sinh thái quan trọng đối với đời sống con người, trước hết là tạo
ra trạng thái sạch, đảm bảo thuận lợi cho sức khoẻ con người và môi trường thiên
nhiên Nếu xem xét theo các tiêu chí này, thì nhà máy thủy điện và hồ chứa nước
không thải ra chất độc hại, gây ô nhiễm không khí, mộ số chất thải do nhà máy thủy
điện xả ra nằm trong phạm vi cho phép của quy định hiện hành Đây chính là những
điều kiện để nhà máy thủy điện vẫn tiếp tục phát triển trên phạm vi toàn thế giới Việc nghiên cứu phát triển điện hạt nhân cần phải cân nhắc kỹ lưỡng Về
khía cạnh kinh tế, so với kinh phí đầu tư cho một nhà máy thủy điện như Sơn La với
Trang 25máy điện hạt nhân này đã là không kinh tế Điều này là chưa nói đến yếu tố tác hại
đối với môi trường sinh sống của con người, lời giải cho bài toán xử lý chất thải và
nếu có biến có, tai nạn xảy ra thì hậu quả không thê lường hết được
Dư luận vẫn chưa quên sự cố tan chảy do mắt chất tải nhiệt đã từng xảy ra ở
các lò năng lượng, mà điển hình nhất là ở hai nhà máy Three Mile Island, Mỹ và
Chernobyl, Liên Xô cũ, nhất là vụ nỗ lò hạt nhân tại Chernobyl năm 1986 làm hàng
chục người chết, hàng trăm ngàn người bị nhiễm phóng xạ, nhiều triệu cây số vuông tại Ukraine, Belarus, Nga, Ba Lan, Phần Lan, Thụy Điền, Na Uy bị nhiễm
xa
Gan day nhat sy cé hat nhan Fukushima đang tập trung sự quan tâm của toàn thế giới bởi nó xảy ra tại một nước có trình độ hạt nhân tiên tiến Sự cố này đã
khiến cho thế giới có cái nhìn thận trọng hơn với năng lượng hạt nhân, nhất là tại
những nước đang có ý định xây dựng nhà máy điện hạt nhân Có thể nói sự cố hạt
nhân Fukushima đã đưa chính sách hạt nhân toàn cầu đi vào giai đoạn “ngủ đông”
vì bất cứ sự cố hạt nhân nào giờ đây cũng sẽ ảnh hưởng đến toàn thế giới
Dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân đang và đã triển khai thực hiện
Nhưng hiện tượng động đất ở vùng Biển Đông và khu vực các tỉnh phía nam Việt Nam, với cường độ ghi nhận đến 5,5 - 6,0 độ Richter vẫn có thể xảy ra Các nước trên thế giới chỉ phát triển điện hạt nhân khi họ không thể tìm được nguồn năng lượng nào khác [3]
Trong khi đó, nước ta nguồn năng lượng từ biến rất dồi đào Nước ta là nước có bờ biển rất dai, dài đến hơn 3200 km Quanh năm sóng biển vỗ bờ Khi có bão
hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng biển rất mạnh trong nhiều ngày liên tiếp Trong những ngày có gió mùa đông bắc, sóng biển ở các tỉnh ven biển miền Trung cũng lớn Trong những ngày có gió tây nam, sóng biển trên vịnh Thái Lan ở các tỉnh Kiên
Giang, Cà Mau cũng lớn
Nước ta cũng có nhiều hải đảo Quanh đảo là biển, vì vậy năng lượng của sóng biển ở ven bờ biển nước ta là rất lớn Do đó việc chuyển hóa năng lượng của sóng thành năng lượng điện vừa khai thác được tiềm năng, vừa góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện hiện nay và tương lai
Trang 26đầu tư ít hơn, tính an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn,
không cần một bộ máy điều hành lớn và phức tạp, mức độ ảnh hưởng đến cảnh
quan môi trường không cao
Hoặc nói một cách đơn giản: trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng
lượng sóng biển chưa được tận dụng nhiều, mặc dù người ta đều biết hiệu suất
chuyển hóa thành điện của nguồn năng lượng này là cao nhất Năng lượng điện từ sóng biển đã được thử nghiệm nhiều năm qua nhưng vẫn chưa đạt được thành công
Đến nay, khi khoa học công nghệ phát triển và thế giới đang phải đối mặt với
những hậu quả nghiêm trọng do vấn đề biến đổi khí hậu gây ra thì các nhà khoa học
tin tưởng rằng có thê chuyển hóa năng lượng của sóng thành năng lượng điện nhờ
các bộ chuyển đổi năng lượng
Năm 1799, Girardson, France người đầu tiên được cấp bằng phát minh về
việc khám phá năng lượng sóng Thập niên 1960, Masuda, Japan đã thiết kế chế tạo và bán thiết bị hoạt động về năng lượng sóng đầu tiên là một chiếc phao nhẹ trôi
trên biển tự nạp điện Sau năm 1973, khi cuộc khủng hoảng dầu hỏa đây tới việc
khám phá về tất cả những hình thức khả thi của năng lượng Trong đó, có nguồn năng lượng sóng biển
Mặt khác, khi đưa các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển vào vận hành
độc lập hoặc khi kết nối với lưới điện quốc gia thì những yêu cầu khắt khe đối với
lưới điện là cần thiết, nó là một phần quy định của vận hành hệ thống điện Những
quy định này đưa ra những yêu cầu cho hệ thống biến đổi làm việc dưới điều kiện
vận hành bình thường cũng như sự cố Tro ng trường hợp này, việc điều chỉnh để
phát công suất tác dụng và công suất phản kháng theo yêu cầu là một trong những bài toán quan trọng
Chính vì các lý do trên, đề tài “ Nghiên cứu điều khiến công suất tác dụng
và công suất phản kháng của hệ thống điện năng lượng sóng biển kết nối với lưới điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Việc mắt điện gây ảnh hưởng cho đời sống hàng ngày của người dân và
những hoạt động thương mại và sản xuất của các xí nghiệp
Trang 27năng lượng Việt Nam trong giai đoạn tới là: Khai thác và sử dụng hợp lý, có hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng trong nước, cung cấp đầy đủ năng lượng với chất
lượng ngày càng cao, giá cả hợp lý cho phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh
năng lượng quốc gia
Đa dạng hóa phương thức đầu tư và kinh doanh trong lĩnh vực năng lượng, từng bước hình thành và phát triển thị trường năng lượng cạnh tranh , đây mạnh phát triển nguồn năng lượng mới và tái tạo để đáp ứng nhu cầu, nhất là vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo Phát triển nhanh, hiệu quả và bền vững ngành năng lượng,
phát triển đi đôi với bảo vệ môi trường
Từ vấn đề đó, có thể nhận thấy rằng: Nghiên cứu giải quyết năng lượng là
vân đề cấp bách ở nước ta hiện nay [3]
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống sản xuất năng lượng điện sử dụng năng lượng sóng biển 1.4 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các hệ thống sản xuất năng lượng điện sử dụng năng lượng sóng biển và các giải thuật điều khiển công suất cho hệ thống này
1.5 Mục đích và nội dung nghiên cứu
Với các phân tích và đánh giá đã được trình bày, mục tiêu chính của luận văn
cần được thực hiện bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng sóng biển
trên thế giới và tại Việt Nam
- Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng
điện
- Nghiên cứu và phân tích một vài bộ biến đổi năng lượng sóng biển như:
+ Bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS)
+ Bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
- Nghiên cứu và phân tích kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng cho hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon sử đụng máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống
Trang 281.6 Phương pháp nghiên cứu
1.6.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến việc nghiên cứu và khai thác nguồn
năng lượng sóng biển tại Việt Nam và các nước trên thế giới
- Nghiên cứu và phân tích các hệ thống điện năng lượng sóng biển phổ biến
- Nghiên cứu các thuật toán điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng cho hệ thống điện năng lượng sóng biển
1.6.2 Phương pháp mô phỏng và phân tích kết quả mô phỏng
- Nghiên cứu mô phỏng một hệ thống điện năng lượng sóng biển
- Phân tích và đánh giá các kết quả điều khiển tối ưu công suất phát của hệ
thống điện năng lượng sóng biển 1.7 Bỗ cục của luận văn
- Chương I1: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan vẻ hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng
lượng điện
- Chương 3: Năng lượng sóng biển
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của
hệ thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống điện năng lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai 1.8 Kết luận
Khai thác năng lượng tái tạo ở nước ta mới chỉ phát triển ở một số lĩnh vực và nguồn trọng tâm với quy mô, số lượng nhỏ, chưa tương xứng với tiềm năng Tỷ lệ các nguồn điện tái tạo trong tổng nguồn điện còn thắp
Vì vậy, để việc khai thác mạnh mẽ hơn, có hiệu quả hơn các nguồn năng
Trang 29| CHUONG 2
-TONG QUAN VE HE THONG BIEN DOI NANG LUONG SONG BIEN THANH
NANG LUONG DIEN
2.1 Tinh hinh khai thac nang Iwong s6ng bién trên thé giới [2]
Từ những năm 70 của thế kỷ 20, các nước có vùng biển rộng và khoa học
tiên tiến như Na Uy, Thụy Điển, Mỹ, Pháp và Nhật Bản đã có các chương trình
nghiên cứu về năng lượng sóng Nhà máy năng lượng sóng đầu tiên được xây dựng
ở Na Uy năm 1984 và hoàn thành vào năm 1986
Châu Âu là khu vực đứng đầu trong việc áp dụng năng lượng song, hiện nay
đã có 4 dự án khai thác thương mại năng lượng sóng Giá thành điện năng từ gió
hiện nay đã giảm 80% trong vòng 20 năm vừa qua nhờ có các tiến bộ và thiết bị và
tối ưu hóa trong kết cấu Với giá cả ban đầu khoảng 1⁄2 giá ban đầu của năng lượng gió và 1/4 giá hiện thời của năng lượng pin mặt trời, năng lượng sóng có một tiềm năng rất lớn dé trở thành một nguồn năng lượng có giá rẻ nhất trong tương lai
Năm 2004, nghiên cứu khải thi của EPRI cho thấy tiềm năng của năng lượng sóng tại khu vực Bắc Mỹ lớn hơn rất nhiều so với năng lượng thủy triều Kết luận
của nghiên cứu này là giá thương mại hiện nay của điện năng từ sóng biển tại một
số khu vực triển vọng trong khoảng l1-13 cents/kWh nhưng giá này sẽ giảm mạnh
do sẽ có nhiều cải tiến trong công nghệ và kỹ thuật
Hiện nay, mới có một số ít MW điện năng khai thác được từ sóng biển Nhà
máy điện thương mại từ sóng biển đầu tiên với công suất 30 MW được xây dựng ở Bỏ Đào Nha Tại Mỹ, mới có phao năng lượng sóng đầu tiên với công suấ t 40 kW tại căn cứ biển ở Kancohe Hawaii Bản quyền ứng dụng nhà máy điện phục vụ dân
sinh cỡ thực tế đầu tiên được thực hiện tháng 11/2006 với công suất 1 MW tại vịnh
Makah, bang Washington, Mỹ
Nước Anh đã chỉ 2,3 triệu bảng Anh hỗ trợ Wavegen tiến hành các thử
nghiệm các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển tại vùng biển phía tay Isles nam
2002 Nguồn kinh phí này được sử dụng để thử nghiệm 3 thiết bị năng lượng sóng
Trang 30Anh có mục tiêu tập hợp các thiết bị khai thác năng lượng sóng cho khu vực tay Isles đã công bố là đạt được một số bước tiến gần với hiện thực, cho thấy hiện nay nước Anh đang dẫn đầu trong đầu tư khai thác năng lượng sóng
Theo Tân Hoa xã, các nhà khoa học Trung Quốc vừa xây dựng thử nghiệm
một nhà máy điện sóng biển có thể chịu được những cơn bão Y Yage phụ trách
nhóm các nhà khoa học thuộc Viện khoa học Trung Quốc tại Quảng Châu cho biết,
nhà máy điện mới đạt hiệu quả hơn, chi phi thấp hơn và chịu được n hững cơn bão
Nhà máy điện công suất 6 kW đã được thử nghiệm và hoạt động tốt sau hơn 20 cơn
bão Theo các nhà khoa học, việc thử nghiệm cho thấy thiết bị này có thể sử dụng
để thắp sáng đèn, máy tính, máy điều hòa và khử muối khỏi nước biển Y Yage va các cộng sự đã chế tạo thành công nhà máy điện sóng đặt tại thành phố Shanwei, miền nam Trung Quốc, thuộc tỉnh Quảng Đông
Tập bản đồ năng lượng tái tạo trên biển của Liên hiệp Anh là một nguồn thông tin để phục vụ cho việc quy hoạch khai thác các nguồn năng lượng biển nói chung và năng lượng sóng nói riêng Tập bản đồ sóng là một phương tiện để xác định các phân bố về năng lượng sóng theo các thời gian khác nhau trong năm và các khu vực vùng biển khác nhau tại khu vực biển ven bờ và ngoài khơi Liên hiệp Anh
Dự án xây dựng tập bán đồ này được Bộ Công thương Anh tài trợ
Nguồn số liệu chính cho cả trường gió synnop và trường sóng để xây dựng tập bản đồ năng lượng sóng được thu thập từ các mô hình dự báo nghiệp vụ của cơ quan khí tượng Các mô hình dự báo nghiệp vụ của Anh hiện nay đã bao phủ trên diện tích toàn cầu, khu vực Châu Âu và vùng biển Liên hiệp Anh với các lưới tương
ứng là 60; 35 và 12 km Mô hình tính sóng được sử dụng là mô hình tính song
tương thích với nguồn số liệu gió Các kết quả của mô hình tinh sóng được đưa ra 3
giờ một lần bao gồm các kết quả định lượng về độ cao sóng hữu hiệu, chu kỳ sóng
đi qua điểm trung bình và hướng sóng trung bình |
Mô hình tính sóng sử dụng là mô hình tính sóng thế hệ hai với các chu kỳ
sóng tính toán dao động trong dải 3 giây đến 25 giây và với bước sóng trong khoảng
từ 15 m đến 975 m Số liệu gió đưa vào là số liệu gió tại tang 10 m trên mặt biển
nhận được từ cơ quan Khí tượng Anh Số liệu gió này được đồng hóa từ các số liệu
Trang 3111
thống phao đo đạc trên mặt biến Tốc độ gió, thời gian gió thổi và hướng gió được xác định theo các khoảng chu kỳ và hướng để tạo ra năng lượng sóng trong mô hình tính sóng thông qua cơ chế truyền năng lượng của gió cho sóng trong sóng gió Các
thành phần phổ sóng được tham số hóa theo các đỉnh phổ và lưới phân bố đỉnh phổ
và đựa vào đó để lựa chọn các phổ JONSWAP tương ứng, mô phỏng sự phát triển của sóng gió
Để có được chế độ sóng, các nhà khoa học đã sử dụng số liệu trường gió và
sóng khôi phục trong thời gian từ 6/2000 đến 9/2003 Các số liệu trong khoảng thời
gian này được kiểm chứng với số liệu nhận được của mô hình tính sóng cho toàn Châu Âu Tập bản đồ năng lượng sóng của Liên hiệp Anh bao gồm các thông tin về trường sóng: - Độ cao sóng hữu hiệu, - Chu kỳ sóng trung bình,
- Hướng truyền năng lượng sóng
Hình 2.1 đưa ra bản đồ trung bình năm của độ cao sóng cho khu vực vùng biển Liên
hiệp Anh [4]
Hinh 2.1 Ban đồ trng bình năm của độ cao sớng cho khu vực vùng biển lên hiệp Anh
Trang 32xây dựng các nhà máy khai thác năng lượng sóng là khu vực bờ tây của Scotland, Tây nam xứ Wale và Cornmwall Trong tập bản đồ năng lượng sóng của Liên hiệp
Anh, năng lượng sóng được tính toán dựa trên biểu thức [4]: Py = 0.0623pgH,C, (2.1) Trong đó: P„ : là năng lượng sóng p : 1a mat độ nước (1025 kg/m?) g: là gia tốc trọng trường (m/s”) ,: là độ cao song hữu hiệu (m) C¿: là tốc độ nhóm sóng (m/⁄s)
Tiềm năng năng lượng sóng được tính toán và xây dựng bản đồ năng lượng sóng cho các vùng biển Liên hiệp Anh gồm :
- Atlat năng lượng sóng trung bình năm,
- Atlat năng lượng sóng theo mùa (bốn mùa) + Mùa đông (tháng 12, tháng 1 và tháng 2) + Mùa xuân (tháng 3, tháng 4 và tháng 5) + Mua hé (thang 6, thang 7 va thang 8) + Mua thu (thang 9, thang 10 va thang 11) - Atlat năng lượng sóng theo tháng
Hình 2.2 giới thiệu bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực
Trang 3313 Nàng lryng sóng Wie dah séng NANG LVONG SONG TRUNG BINH NAM nen a ¬
Ï]_ đà.ã eer ee Attar tht ning ming Inong biển UK
| ans Banach | Meer rene 1 Thám €1 độ bic vi ding 12 ty boitich Be 1,
e-em da ving his ch bald rich 5 Glen m4 WBEE-W ÝX | wwlll |20kbusgiAadjdákscdawikkàdgia =: ° 3 Miia pngtoe sh tạ toi 4 leg th phiên ots ‘nave tne Hình 2.2 Bản đồ năng lượng sóng trung bình năm cho khu vực vùng biển Liên hiệp Anh 2.2 Các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển đã được nghiên cứu trên thế giới
Sóng biển tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn Từ hơn 100 năm trước, con
người đã dùng sóng biển để phát điện Phương pháp tạo ra điện năng từ sóng biển là dùng máy phát điện đặt nỗi trên mặt biển, pít-tông nối liền với phao Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý lên xuống của sóng biển mà khi ấy pít-tông cũng sẽ chuyển động lên xuống, biến động lực của sóng biển thành áp suất không khí bị nén Không khí bị nén đưới áp suất cao làm cho tuabin của máy phát điện hoạt động Khi đó, năng lượng của sóng biển được chuyển thành năng lượng điện
Khoa học công nghệ không ngừng phát triển đã tạo tiền đề cho việc sản xuất
Trang 34phát triển đột phá trong việc nghiên cứu các hệ thống biến đổi năng lượng góp phần
giải quyết được nhu cầu về điện năng hiện nay và trong tương lai Một vài hệ thống
biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện đã được nghiên cứu và đưa
vào ứng dụng thực tế bao gồm [Š]-[6]:
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis;
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column;
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda;
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển nổi Aschimedes Wave Swing;
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng bién chim Aschimedes Wave Swing:
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon;
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Searaser;
+ Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Oyster 2.3 Hệ thống biến đỗi năng lượng sóng biển Pelamis [6]
2.3.1 Cầu tạo của hệ thống biến đỗi năng lượng sóng biến Pelamis
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis là một hệ thống bao gồm:
- Phao là một thiết bị hình trụ sử dụng vật liệu sắt có đường kính 3,5m và chiều dài
30m
- Các phao được kết nối với nhau thông qua một hệ thống phao bằng khớp nối, nơi
cho phép biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện Thiết bị phao này có đường kính 3,5m và chiều đài 5m
Toàn bộ hệ thống Pelamis này được lắp đặt ngoài khơi tại vị trí có mực nước
sâu Với một nữa nổi và một nữa chìm Hệ thống Pelamis được cố định thông qua
Trang 3515
Hình 2.3 Phao của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Khớp nối giữa Module năng lượng Cấu tạo bên trong
các phao Module năng lượng
Bình ắc quy
Miyphst ff Xilanh thủy lực
Trang 36Xi lanh thủy lực
Bình ắc quy Máy phái
Hình 2.5 Cấu tạo bên trong của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis thành năng lượng điện
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Pelamis
được mô tả như sau:
Sóng biển tạo ra dao động làm cho các phao chuyển động lên hoặc xuống theo từng cơn sóng Chính sự chuyển động này làm cho các xilanh thủy lực bên trong module biến đổi năng lượng chuyển động và tạo ra áp lực làm quay tuabin
máy phát điện và cuối cùng là tạo ra năng lượng điện
2.3.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biến Pelamis
Hệ thống này đã được lắp đặt và khai thác tại Bồ Đồ Nha đó là hệ thống
Pelamis đầu tiên trên thế giới là gồm 3 Pelamis có công suất 2,25MW
Trang 37
17
Hình 2.7 Pelamis trên biển Stromeness, Scotland
Năm 2007, Scotland đã lắp đặt 4 thiết bị Pelamis, có tổng công suất đạt 3MW
Hình 2.8 Tổng thẻ hệ thống Pelamis
2.4 Hệ thống biến đỗi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column [6]
2.4.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water
Column
Trang 38được xây dựng trên dải đất ven bờ bằng bê tông và có cấu trúc rỗng Hệ thống biến
đôi OWC bao gồm: + Tuabin, + Máy phát điện, + Khối bê tông rễng He Ũ
Hình 2.9 Tuabin và máy phát trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
Oscillating Water Column (OWC)
2.4.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
Oscillating Water Column
Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng bién Oscillating
Water Column được mô tả như sau: Để thu được năng lượng từ sóng, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước
Sóng đánh vào bờ biển, nâng cột nước bên trong trụ bê tông rỗng nằm ngang
Trang 3919
Độ chênh lệch cột nước trong vào ngòal
Khi sóng biên đánh vào bờ
Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của OWC khi sóng đánh vào bờ
Độ trên lệch cột nước trong và ngòai Khi nước rút xa bờ
Trang 402.4.3 Ứng dụng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng bién Oscillating Water Column
Hiện nay, hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Oscillating Water Column
đã được lắp đặt tại một số quốc gia nhu Scotland, Án Độ, Australia, Bồ Đào Nha
và Nhật Bản
2.5 Hệ thống biến đỗi năng lượng sóng biển Anaconda [7]
2.5.1 Cấu tạo của hệ thống biến đổi năng lượng sóng bién Anaconda
Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Anaconda là hệ thống có hình dạng
nhỏ và đài, hai đầu được bịt kín, không có khớp nối và bản lề Hệ thống này được
làm bằng cao su nên trọng lượng nhẹ hơn so với các bộ biến đổi năng lượng khác