BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM 104440 HUTECH University VÕ NHÁT TRƯỜNG
ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG VIỆC ƯN ĐỊNH CƠNG
SUÁT HỆ THĨNG ĐIỆN GIĨ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202
Trang 2CONG TRINH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG ĐÌNH we
Hoc vi: Tién Si Ve
ol |, Mbn
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Cống nghệ TP HCM ngày 21 tháng 03 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghỉ rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng châm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 PGS TS Truong Viét Anh Chu tich
2 PGS TS Ngé Van Dưỡng Phan bién 1
3 PGS TS Lé Minh Phuong Phan bién 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 cĩ)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
dã
Oy
Trang 3TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHỊNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập — Tự do - Hạnh phúc
TP HCM, ngày 24 tháng 03 năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VO NHAT TRUONG Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 14/07/1983 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: II81031063
I- Tên đề tài:
ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG VIỆC ĨN ĐỊNH CƠNG SUÁT
HE THONG DIEN GIO
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống điều khiển gĩc pitch trong hệ thống máy
phát điện giĩ và ứng dụng mạng nơron vào hệ thống điều khiển gĩc pitch III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/08/2014
IV- Ngày hồn thành nhiệm vụ:21/03/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
Trang 4LOI CAM DOAN
Tơi xin cam đoan Luận văn này là cơng trình do tơi tổng hợp và nghiên
cứu.Trong luận văn cĩ sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo
Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)
"
Trang 5ii
LOI CAM ON
Sau khoảng thời gian học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài “ỨNG DỤNG
MẠNG NƠRON TRONG VIỆC ƠN ĐỊNH CƠNG SUÁT HỆ THĨNG ĐIỆN
GIĨ”
Trước tiên, tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến với thầy Tiến Sĩ Trương Đình
Nhơn, hiện đang cơng tác tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, người đã trực tiếp hướng dẫn, giảng dạy và chỉ bảo cho tơi rất nhiều kiến thức về hệ thống năng lượng điện giĩ Thầy đã dành nhiều thời gian của mình để quan tâm, nhắc nhở, động viên tơi hồn thành dé tài này.Xin chân thành cám ơn thầy Tiến Sĩ Trương Đình Nhơn
Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cơ trong suốt quá trình học, giảng dạy và làm việc, cũng như các quý thầy cơ Phịng Quản Lý Đào Tạo Sau Đại Học tại trường Đại Học Cơng Nghệ TP.Hồ Chí Minh đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi để tơi cĩ thể hồn thành luận văn này
Tơi cũng xin cám ơn gia đình, các tác giả và bạn bè đã hỗ trợ, cỗ vũ, luơn bên tơi những lúc khĩ khăn để tơi cĩ thể hồn thành tốt luận văn
Một lần nữa, tơi xin chân thành cám ơn!
Trang 61H
TOM TAT
Hiện nay việc khai thác các nguơn năng lượng xanh đang được nghiên cứu triển khai rộng rãi trên kháp thế giới.Một trong số nguồn năng lượng đĩ là giĩ Việc
tạo ra điện năng từ giĩ là nhu cầu cấp thiết hiện nay, trong đĩ vận hành điều khiển hệ
thống năng lượng điện - giĩ cũng đang được quan tâm
Cĩ nhiều phương pháp đề vận hành điều khiển hệ thống điện giĩ như: Điều khiến phía Rơto
Điều khiển phía lưới Điều khiển DC link
Điều khiển gĩc pitch cánh quạt tuabin giĩ
Đề tài này được nghiên cứu theo phương pháp điều khiển gĩc pitch cánh quạt tuabin giĩ để ổn định cơng suất hệ thống điện - giĩ Hệ thống tuabin điện — gid sử
dung trong dé tai nay là hệ thống tuabin điện — giĩ máy phát nguồn đơi (DFIG) Từ
Trang 7iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, TỪ NƯỚC NGỒI STT Ký Hiệu Ghi Chú 1 DC Thành phần một chiều 2 AC Thành phần xoay chiều
3 Roto Thanh phan quay
4 Stato Thanh phan tinh
5, DFIG Máy phát nguồn đơi
6 Roto side converter (RSC) B6 chuyén déi phia réto
7, Grid side converter (GSC) Bộ chuyển đơi phía lưới
Trang 817, P Cơng suất tác dụng 18 Q Cơng suất phản kháng 19 Pa Céng suat co 20 T Mémen 21 L Dién cam 22 C Dién dung 23 @ Vận tốc gĩc 24 ự Từ thơng 25 E Động năng 26 Pitch Gĩc cánh quạt
27 |PI Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân
28 Artificial Neural Nơron nhân tạo
29 Artificial Neural Networks Mang noron nhan tao 30 Back Propagation Learaning Rule Luật học lan truyền ngược 31 Single Layer Feedforward Network Mạng một lớp truyền thắng 32 Structure Learning Học cấu trúc
33 Supervised Learning Học cĩ giảm sát | 34 Unsupervised Learning Học khơng giám sát
Trang 9vì DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỊ THỊ STT | Ký hiệu Ghi chú tên hình vẽ 1 Hình 3.1 | Vận tốc giĩ 2 Hình 3.2 | Vật lý học về giĩ 3 Hình 3.3 | Tuabin gio
4 Hình 3.4 | Cấu tạo tuabin gio
5 Hinh 3.5 | Đặc tính cơng suất tuabin giĩ
6 Hình 3.6 | Quan hệ giữa cơng suất tuabin và vận tốc giĩ 7 Hình 37 | Cấu tạo tua bin điện giĩ
8 Hình 4.1 | Sơ đồ hệ máy phat DFIG
Trang 10vii
16 Hinh 4.9 | Cơ cấu truyền động của tua bin gid
17 Hình 5.1 | Hệ thống tuabin điện giĩ kết nối với lưới 18 Hình 5.2 | Mơ hình DEIG
19 Hình 5.3 | Sơ đồ khối tuabin giĩ 20 Hình 5.4 | Mơ hình tuabin giĩ
21 Hình 5.5 | Đường cong hệ số cơng suất Cy tương với các giá trị (A,0)
22 Hình 5.6 | Sơ đồ khối bộ phận truyền động
23 Hình 5.7 | Mơ hình mơ phỏng bộ phận truyền động 24 Hình 5.8 | Sơ đồ điều khiển gĩc pitch
25 Hình 5.9 | Mơ hình mơ phỏng điều khiển gĩc pitch
26, Hình 5.10 Đồ thị quan hệ giữa cơng suất tuabin vàvận tốc giĩ - Điểm T_speed
27 Hinh 5.11 | Cơng suất P khi tốc độc giĩ 12 m/⁄s 28 Hình 5.12 | Cơng suất P khi tốc độc giĩ 15 m/⁄s
29 Hinh 5.13 | So sánh Cơng suất P khi tốc độ giĩ là 12 và 15 m/s
30 Hình 5.!4 | Tốc độ œ, khi tốc độ gid 12 m/s 31 Hình 5.15 | Tốc độ œ, khi tốc độ gid 15 m/s
32 Hình 5.16 | So sánh tốc độ œ, khi tốc độ giĩ là 12 và 15 m⁄s
Trang 11Vili
33 Hình 5.17 | Sự thay đổi của gĩc pitch khi tốc độ gid 12 m/s 34 Hình 5.18 | Sự thay đổi của gĩc pitch khi tốc độ giĩ 15 m/s
35 Hinh 5.19 | So sánh thay đổi gĩc pitch khi tốc độ giĩ là 12 và 15 m/s 3ĩ Hinh 6.1 | Mạng nơron nhân tạo đạng tổng quát
37 Hình 62 |Mơ hình mạng noron biểu diễn ở đạng khác 38 Hình 63 | Hàm hardlim 39 Hình 6.4 | Hàm hardlims 40 Hình 65 | Hàm Satlin AI Hình 6.6 | Hàm purelin 42 Hình 6.7 | Ham logsig 43 Hinh 6.8 | ham tansig 44, Hinh 6.9 | Học cĩ giám sát 45 Hình 6.10 | Học khơng giám sát
46 Hinh 6.11 | Mạng noron đơn lớp với S nơron
47 Hình 6.12 | Mạng nơron đơn lớp với S nơron dưới dạng ma trận 48 | Hình 6.13 | Mang noron đa lớp
49, Hình 6.14 | Mạng nơron hồi quy
50 Hình 6.15 | Mơ hình phi tuyến thứ 1
Trang 12ix
51 Hình 6.16 | Mơ hình phi tuyến thứ 2 52 Hình 6.17 | Mơ hình phi tuyến thứ 3 53 Hình 6.18 | Mơ hình phi tuyến thứ 4
%4 Hình 6.19 | Mơ hình nhận dạng truyền thăng
55 Hình 6.20 | Mơ hình nhận dạng ngược trực tiếp
56 Hinh 6.21 | Cấu trúc mang noron đại diện
57 Hình 6.22 | Sơ đồ khối NARMA - L2 38 Hình 6.23 | Sơ đồ khối bộ điều khiển
$9, Hình 6.24 | Cấu trúc mơ hình NARMA - L2
60 Hinh 7.1 | Sơ đồ điều khiển gĩc pitch
61 Hinh 7.2 | Sơ đồ nhận dạng đối tượng điều khiển 62 Hình 7.3 | Thơng số nhận dạng
63 Hình 7.4 | Dữ liệu huấn huyện mạng
64 Hình 7.5 | Dữ liệu huấn luyện cho bộ điều khiển 65, Hình 7.6 | Cơng suất P khi sử dụng mạng nơron 66 Hình 7.7 | So sánh P giữa PI và mạng nơron khi t=2s
67 Hình 7.8 | Điện áp Vpc DC link khi sử dụng mạng nơron
68 Hình 7.9 So sánh điện áp Vpc_DC link giữa sử dụng bộ PI và mạng
Trang 13noron 69 Hinh 7.10 | Tốc độ œ khi sử dung mang noron 70 Hình 7.11 | Tốc độ œ giữa sử dụng bộ PI và mạng nơron 71 Hinh 7.12 | Su thay đổi gĩc pitch khi str dung mang noron
72 Hình 7.13 | Sự thay đổi gĩc pitch gitta str dung b6 PI va mang noron
Trang 14MUC LUC
MU UC ooo 1
(@:10/9)168019/9)89:01107087 5
II Canh ca a4 Ơ 5
1.2 Tính cấp thiết của đề tài - 222 222212 2E rrer 5
1.3 Mục tiêu của để tài s 22cc 22222222222 22112111 E111 1 re 6
1.4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu -.- .- 6
CHUONG Il: TONG QUAN VE LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 7 PM) 0) 0), 1 7 2.2 Tình hình ngồi nước - nh, HH Hà Ho HH1 2Á 8
2.3 KOt LUA nh ố ẽ ẽ <.(‹<“(4djAđÄäŒgẬäR.BHBH))H 9
CHƯƠNG III: NĂNG LƯỢNG GIĨ 50 25t tre 10
kh) :Jooc ga N 10
3.1.1 Sự hình thành giĩ -25- 222cc 1 c1 ri 10 3.1.2 Vat lý học về năng lượng giĨ - 5c 2 this 11 ki oi nc 8 n ẽ ẽ 12
Trang 153.2.3 Cơng SUAt Tuabin Gid na ƠỎ 14
3.3 H@ thong tuabin Gi8n gies ccsccssseseccesssssccessnecsersnneceeesnneccersnueecesnnesee 15 3.3.1 Cau tao Tuabin dign gid oo.cccccccssssessssssccssssescsssecsssssessssesessnesessnneeesnvesensneessise 15 3.3.2 Nguyen li hoat 01177 16
k?c sa 17
CHƯƠNG IV: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THĨNG ĐIỆN GIĨ 18 4.1 Giới thiệu máy phát nguồn đơi (DEIG), -5csecsecrecrerree 18 CAN 0 in 0960 18 4.1.2 Bộ chuyển đổi phía Rơto (RSC) 0-2 S+cctecsricrrierrrrrrrirrree 19 4.1.3 Bộ chuyên đổi phía lưới (GSC) - 5225222 rrreereerrrrrrrirrrree 19 4.1.4 Năng lượng trong DẸG - - 22 2s HH HH HH H10 v 19 4.2 Mơ hình tương đương của DEIG - Ă S S2 ehree 21 4.2.1 Sơ đồ mạch tương đương cơ bản của DFIG trong chế độ xác lập 21 4.2.2 Các phương trình trong sơ đồ mạch tương đương c - 22 4.2.3 Mơ hình déng cua DFIG trong hé truc toa độ tham chiéu đ,q 25 4.3 Các phương trình truyền động tuabin 52-555 sccertrerrerrrrrrvee 27
ti cap an 29
CHƯƠNG V: MO PHONG HE THONG DIEU KHIEN GOC PITCH 30 5.1 Mơ hình hệ thống tuabin điện gid DFIG .cc.ccececcceecseeeeeeseeeseesteceeneee 30
Trang 165.1.2 M6 hin DFIG .ccsscccssssessssssssssssessessecessssescessseccessecessnecesssecessuceessnsesesaneeeseess 31 LÝ (000i: 8 e 31
LỄ 0o 8n ẽ ẽ 31
5.2.2 Mơ hình tua bin g1Ĩ . - + + < 2.21231112242411 1121110141211 ke 32
5.3 Mơ hình bộ phận truyền động 22: 2x22 rrtrrrrrrrrrrirtrrrrrree 34 5.3.1 Sơ đồ khối bộ phận truyền động - - v2++tcEvrtrtrtrrrrrrrrrrrrree 34 5.3.2 Mơ hình mơ phỏng bộ phận truyền động - 22 5scccccerrevrree 34 5.4 Mơ hình mơ phỏng điều khiến gĩc pitch - o5-ccccccerrrree 35
L1 0i 7 J8 35
5.4.2 Mơ hình mơ phỏng điều khiển gĩc pitch giĩ . -ccs-cccccree 36 5.5 Kết quả mơ phỏng sự thay đổi gĩc pitch khi tốc độ giĩ thay đồi 36 13‹cã 8n ẽ 4I CHƯƠNG VI: MẠNG NƠRON, 0 2222212 42 6.1 GiGi thi@u MmaMg NOTON «000.0 42 6.1.1 Mang noron nhân †ạO - 5 23H HH H010 H111 g1 ri 42
6.1.2 Các chế độ học trong mạng nơron nhân tạO 2-2 52+22sezzvserxez 48
6.1.3 Mạng nơron truyền thăng :+©2+++2t2ExxEEtErkrtrrrerretrrirrkerrkrrrre 49 6.1.4 Mang noron hi Tn ` 52 6.2 Mơ tả tốn học đối tượng ở đạng rời rạc 2-5 csccsrrrrrrreerree 52
6.3 Mơ hình sử dụng mang nơr0n - - + 2à tà 0121 1e rrười 56
Trang 176.3.2 M6 hinh nhan dang nguge trite tip .cscsccssssssssescessseccsssecesseeessseseesneeeeneees 56
6.4 Bộ điều khiển tuyến tính hố phản hồi NARMA -— L2 - 56
6.4.1 Nhận đạng mơ hình NARMA — L2 ccccsccscssssscssssssesssesccesecersnteesnneteennereesanes 57 6.4.2 Bộ điều khién NARMA — L2 uu cccssssssstsssssecesssesseeessescesnseeceteesurecsuneessnecesvecsst 59
6.5 Kết Luận . 2- S22 22222221112213E2711 7112271122712 E2T1E21101211.12111 1 em 62
CHƯƠNG VII: ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG VIỆC ON ĐỊNH
CƠNG SUÁT HỆ THĨNG ĐIỆN GIĨ 50o tre 63 7.1 Sơ đồ điều khiến gĩc pitch 2 2252-22 E2 errrrree 63 7.2 Nhận dạng mạng nơron NARMA — L2 - Sen 64
rc? cổ c7 hố 68
4⁄0.) A0400 i08 72
Trang 18CHUONG I: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề
Điện năng cĩ thé duoc tạo từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như từ nước, ánh sáng, khí đốt, giĩ, sĩng biển Gần đây dé tim cách thay thế các nguồn năng lượng đang dần ca n kiệt và để bảo vệ mơi trường các nhà khoa học đang cĩ xu hướng nghiên cứu tạo ra điện năng từ những nguồn năng lượng sạch tự nhiên như là: ánh sáng, sĩng biển, giĩ Các dạng năng lượng này dễ dang tim thấy trong đời sống, xung quanh chúng ta Nĩ cĩ thể giúp thay thế hiệu quả các nguồn nãng lượng cũ
Một trong những nguồn năng lượng tự nhiên đĩ là nguồn năng lượng từ giĩ
Ta cĩ thể gặp được giĩ ở rất nhiều no i từ thành thị đến nơng thơn, từ biển cả hoặc
ngay cả trên núi chúng ta cũng thấy sự hiện diện của giĩ Do đĩ tại sao ta khơng
tận dụng nguồn năng lượng này để tạo ra điện năng ? Và vân đề đặt ra là khi chúng ta chuyền năng lượng giĩ sang năng lượng điện phải da t được hiệu quả như
thế nào? Khi chúng ta hịa vào lưới điện thì hệ thống điện - giĩ mang lại những
ảnh hưởng gì ? Từ đĩ ta sẽ nghiên cứu áp dụng khoa học kỹ thuật vào việc điều
khiến hệ thơng điện giĩ để hạn chế , ơn định, tối ưu hĩa hệ thống điện - giĩ khi
hịa vào lưới điện
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay trên thế giới việc phát triển và triển khai các dự án năng lượng giĩ dé tim cach thay thé các nguồn năng lượng cũ và đáp ứng nhu cầu sử dụng điện hiện nay cũng như trong tương lai là van dé cấp thiết Vì vậy việc ứng dụng vận hành hiệu quả hệ thống điện - giĩ vào lưới điện cũng rất được quan tâm đến
Việc chuyên đổi năng lượng giĩ sang năng lượng điện là quá trình chuyển
hĩa cơ năng sang điện năng thơng qua máy phát điện từ năng lượng giĩ Năng
Trang 19Việc đảm bảo cơng suất máy phát luơn đạt được giá trị tối ưu là một trong những
van để cần được đưa ra tìm hiểu nghiên cứu trong việc khai thác hệ thơng điện —
giĩ
Để đạt được cơng suất phát điện tối ưu, đẻ tài: “Ứng Dụng Mạng Nơron Trong Việc Ơn Định Cơng Suất Hệ Thống Điện Giĩ” được nghiên cứu cho việc khai thác sử dụng hiệu quả hệ thống điện — giĩ
1.3 Mục tiêu của đề tài
Xây dựng mơ phỏng máy phát điện — giĩ Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron trong thuật tốn điều khiển gĩc pitch cánh quạt để ơn định cơng suất phát
1.4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tài liệu, bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài: điều khiển máy phát điện — giĩ
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến, trao đổi kinh nghiệm với giáo viên hướng dẫn và những người trong lĩnh vực nghiên cứu
Trang 20CHUONG II: TONG QUAN VE LINH VUC NGHIEN CUU
2.1 Tinh hình trong nước [1]:
Năm trong khu vực cận nhiệt đới giĩ mùa với bờ biển dài, Việt Nam cĩ một thuận lợi cơ ban dé phát triển năng lượng giĩ So sánh tốc độ giĩ trung bình trong
vùng Biển Đơng Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy giĩ tại Biển Đơng khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa
Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới (NHTG) đã cĩ một khảo sát chỉ tiết về năng lượng giĩ khu vực Đơng Nam Á,
trong đĩ cĩ Việt Nam Như vậy NHTG đã làm hộ Việt Nam một việc quan trọng,
trong khi Việt Nam cịn chưa cĩ nghiên cứu nào đáng kể Theo tính tốn của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam cĩ tiềm năng giĩ lớn nhất và hơn hắn các quốc gia lận cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong khi
Việt Nam cĩ tới 8,6% diện tích lãnh thơ được đánh giá cĩ tiềm năng từ “tốt““ đến
“rất tốt“ để xây dựng các trạm điện giĩ 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% Tơng tiềm năng điện giĩ của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần cơng suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tơng cơng suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Tất nhiên, để chuyền từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng cĩ thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhưng điều đĩ khơng ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lượng giĩ ở Việt Nam
Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện giĩ cỡ nhỏ phục vụ cho phát
Trang 212.2 Tình hình ngồi nước :
Các nước cĩ trình độ kỹ thuật tiên tiến đã đang và phát triển năng lượng điện
giĩ như một nguồn năng lượng sinh ra điện chính thức, cĩ khả năng thay thé cho các nguồn năng lượng cũ Sau đây là một số thơng tin điển hình [2]:
Đan Mạch: Tổng diện tích tồn quốc chỉ cĩ 4.300km” (khơng kể đảo Greenland và quần đảo Faro) Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu, nhưng trong vương quốc đồng thoại của 5 triệu dân này cĩ đến 65.000 người tham gia làm nghè điện giĩ; tong thu nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro Nghề chế tạo máy phát điện giĩ của Đan Mạch đã trở thành một động lực lớn lao của nền kinh tế, đĩ là một ví dụ thành cơng về thương mại hĩa trong lĩnh vực này Thu nhập về xuất khẩu của các sản phẩm điện giĩ và năng lượng mặt trời của Đan Mạch hàng năm đã đạt đến 5-6 tỷ USD, sản phẩm máy phát điện giĩ của Đan Mạch chiếm 60 — 70% thị trường thế giới
Nhật Bản: phấn đấu tự sản xuất hồn tồn thiết bị điện giĩ, đồng thời hướng đến xuất khẩu Máy phát điện giĩ của các Cơng ty Nhật Bản cĩ nhiều tính năng ưu
việt, tốc độ giĩ lm/s đã cĩ thể bắt đầu phát điện, cơng 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 giĩ sẽ cĩ cơng suất lắp đặt là 11.800MW
Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đơng trang trại điện giĩ đầu tiên của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên lưới Đến tháng 10 năm đĩ tại trang trại điện giĩ Bình Đàm - Phúc Kiến cũng
đưa vào hoạt động 4 tổ máy, 200KW/máy do chính phủ Bi tặng Sau đĩ dựa vào
Trang 222.3 Két Luan:
Ở chương này cho ta thấy được nguồn năng lượng dién — gid dang cé nhitng bước phát triển đáng kể Nhu cầu sử dụng năng lượng điện — giĩ cũng tăng lên
Trang 2310
CHUONG III: NANG LUQNG GIO
3.1 Năng lượng giĩ:
3.1.1 Sự hình thành giĩ:
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất khơng đồng đều làm cho
bầu khí quyển, nước và khơng khí cĩ trạng thái nĩng khơng đều nhau Một nửa bề
mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất khơng nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đĩ là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở
các cực, đo đĩ cĩ sự khác nhau về nhiệt độ dẫn đến cĩ sự khác nhau về áp suất
làm cho khơng khí giữa xích đạo và hai cực cũng như khơng khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di chuyển tạo thành giĩ Mặt khác Trái Đất xoay trịn cũng gĩp phần vào việc làm xốy khơng khí, vì trục quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phăng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời nên cũng tạo thành các dịng khơng khí theo mùa
AMSE-E Suriace vvvvd Speed 2004°1' montty, average - Global ng tượng vrs Hình 3.1: Vận tốc giĩ
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh
trục của Trái Đất nên khơng khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp khơng chuyển
Trang 2411
cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu khơng khí di chuyên vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại
Ngồi các yếu tơ cĩ tính tồn cầu trên giĩ cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất cĩ nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nĩng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế cĩ giĩ thơi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại
3.1.2 Vật lý học về năng lượng giĩ:
Năng lượng giĩ là động năng của khơng khí chuyển động với vận tốc Ð trong bầu khí quyên
Hình 3.2: Vật lý học về giĩ
Khối lượng khơng khí m đi qua một mặt phẳng hình trịn vuơng gĩc với chiều giĩ trong thời gian t là:
m=pV (3.1)
với: - platy trong của khơng khí
- V là thể tích khối lương khơng khí đi qua mặt cắt ngang hình
Trang 2512 V = Avt=ar’vt (3.2) Từ đĩ m = par2vt (3.3) Vi thế động năng E (kin) va cơng suất P của giĩ là: 1 Exin = smv? = spr”t.vŸ (3.4) p= Exin _ —prZ.vỶ (3.5)
Điều đáng chú ý là cơng suất giĩ tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc giĩ và vì
thế vận tốc giĩ là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng giĩ
Cơng suất giĩ cĩ thể được sử dụng thơng qua một tuabin giĩ đề phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của ludng gid vì vận tốc của giĩ ở phía sau một tuabin khơng thê giảm xuống bằng khơng Trên lý thuyết chỉ cĩ thê lấy tối đa là 59,3% năng lượng tổn tại trong luỗng giĩ Trị giá của tỷ lệ giữa cơng suất lấy ra được từ giĩ và cơng suất tồn tại trong giĩ được gọi là hệ số Be, do Albert Betz tìm
ra vào năm 1926 3.2 Tuabin Giĩ:
Trang 2613
Hinh 3.3: Tuabin gid
3.2.1 Cầu tạo Tuabin Giĩ :
1 Blades : Cánh Quạt
2 Roto : Bộ Phận Quay Cua Cảnh
Quạt
3 Roto Shaft : Trac Quay Cua Tuabin
Trang 2714
3.2.2 Nguyên lí hoạt động cua tuabin gio :
Giĩ thơi qua cánh quạt làm trục tuabin quay chuyên đổi động năng của giĩ thành cơ năng Vì giĩ lúc mạnh lúc yếu, lúc cĩ lúc khơng cho nên bộ phận bánh răng (pitch) cĩ tác dụng điều khiến xoay cánh quạt dé 6n định tốc độ quay của tuabin khơng quá cao và cũng khơng quá thấp Ngồi ra khi hướng giĩ thay đơi
thì bộ phận Yaw Drive sẽ điều khiến tuabin xoay theo hướng giĩ
Trang 2815 Quan hệ siữa Cơng suất Tuabin va van téc gio: 1.4 12 Ề 3 na HH | 06 § 04 ư 0.2 0 —— Đường cong cơng suất 0.2 04 T T T T T Os 08 1 420° +44 Tốc độ Tuabm ( pu)
Hình 3.6: Quan hệ giữa cơng suất Tuabin và vận tốc giĩ 3.3 Hệ thống tuabin điện giĩ:
Trang 2916
1 Cánh quạt: giĩ thổi qua cánh quạt làm cách quạt quay chuyển đổi động năng của giĩ thành cơ năng
2 3
Rotor: các thành phần quay của cánh quạt và trục Bước răng (pitch): tạo gĩc nghiên cho cánh quạt cĩ tác dụng ốn định hướng hứng giĩ 4 Ce ND 10 11 12 13 14 15 Phanh: ding dé dừng roto chính Trục quay tốc độ thấp Hộp số Máy phát Bộ điều khiển Bộ đo tốc độ giĩ Bộ liên lạc để xử lý hướng giĩ định hướng cho tuabin Vỏ bọc Trục quay tốc độ cao
Bộ phận giữ cho tuabin luơn hướng về hướng giĩ Động cơ quay tuabin theo hướng giĩ
Tháp trụ đỡ 3.3.2 Nguyên lí hoạt động:
Giĩ thơi làm quay trục chính của tuabin giĩ, trục này được nối với trục
máy phát điện thơng qua các thiết bị bánh răng hộp số, máy phát quay tạo ra điện
Trang 3017
3.4 Két Luan:
— Chương III giới thiệu cho ta biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống tuabin điện — gid Năng lượng giĩ tác động vào các cánh quạt tuabin giĩ làm quay tuabin Tua bin giĩ kết nếi với máy phát nguồn đơi DFIG để biến đổi cơng suất cơ từ năng lượng giĩ thành năng lượng điện
— _ Đặc tính quan hệ giữa cơng suất tuabin giĩ và vận tốc giĩ Ứng với mỗi vận
Trang 3118
CHƯƠNG IV: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THĨNG ĐIỆN GIĨ 4.1 Giới thiệu mây phát nguồn đơi (DFIG) |3]:
Do tính linh hoạt trong phạm vi thay đổi tốc độ và sức mạnh về giá thành
thấp DFIG là lựa chọn hấp dẫn và phổ biến cho những hệ thống turbin giĩ quy mơ lớn hiện nay interconnection Transformer Turbi oe | Slip Rings DFIG FHHHR OC chopper — | Capacitor Gearbox | | +
ong Converter Converter
Hinh 4.1: So dé hé may phat DFIG
Rotơ máy phát được điều khiên bởi bộ chuyển đổi 3 pha thơng qua các vành
trượt Bộ chuyển đổi được mắc theo kiểu “back - to - back” và chỉ xử lý khoảng 30% cơng suất định mức Stato được kết nĩi trực tiếp với lưới điện
4.1.1 Mơmen trong DEIG
Trong máy phát DFIG cuộn dây stato được kết nối trực tiếp với lưới , cuộn rơto kết nối với bộ biến đổi Năng lượng từ lưới cấp cho cuộn stato sé tao ra tir trường trên stato, năng lượng từ trường trên cuộn dây rơto được tạo ra thơng qua
Trang 3219
rơto, độ lớn của mơmen quay phụ thuộc vào độ lớn và gĩc lệch pha của hai từ
trường này
Khi stato nối với lưới, từ trường stato sẽ quay đồng bộ với tần số lưới, từ
thơng stato được xem như khơng đổi trong suốt quá trình hoạt động ở chế độ ổn
định Từ thơng rơto phụ thuộc vào dịng điện trên cuộn dây rơto cái được điều khiển thơng qua bộ biến đổi Do đĩ mơmen quay trong máy phát DFIG cĩ thể được kiểm sốt bằng cách điều khiển dịng trong cuộn dây rơto và gĩc lệch pha với từ thơng stato
4.1.2 Bộ chuyển đỗi phía Rơto (RSC)
Bộ chuyền đổi phía rơto được dùng để điều khiển mơmen quay của DF]IG
thơng qua việc điều khiển dịng cuộn dây rơto Bộ chuyển đổi RSC thực hiện điều
này bằng cách đặt một điện áp vào cuộn dây rơto để được dịng tương ứng chạy trong cuộn dây rơto RSC hoạt động với nhiều tần số khác nhau tương ứng với sự thay đổi tốc độ của rơto dựa trên sự thay đổi của tốc độ giĩ
Bộ chuyển đổi phía rơto được dùng với nhiều chức năng khác nhau như: kiểm sốt mơmen quay, điều khiên tốc độ DFIG hoặc điều khiển cơng suất tác
dụng để điều chỉnh cơng suất đầu ra của DFIG Năng lượng phát ra của DFIG
được điều khiển dựa theo đường đặc tính tốc độ của tuabin giĩ Về cơ bản, bất kỳ
tốc độ giĩ nào cũng tạo ra được một lượng năng lượng tương ứng, để cĩ được
năng lượng này hiệu quả nhất ta phải xác định được hệ số tốc độ tối ưu 4.1.3 Bộ chuyến đỗi phía lưới (GSC)
Bộ chuyền đổi phía lưới cĩ tác dụng điêu khiên điện áp một chiêu liên kết giữa hai bộ chuyển đổi (Vọc link)
4.1.4 Năng lượng trong DEIG
Trang 3320
rơto cấp đến lưới Trong cả hai trường hợp, cơng suất chỉ đi chuyển theo một hướng nhất định thơng qua bộ chuyển đổi, điều khiển bộ chuyển đổi bằng cách thay đổi tần số (kết hợp với việc thay đổi tốc độ quay) ta sẽ khai thác được cơng suất tối ưu Khi hai bộ chuyển đổi được loại bỏ bằng liên kết DC thì lúc này máy phát chỉ kết nối với lưới nên cĩ điện áp và tần số đồng bộ với lưới điện
Việc máy phát DFIG nhận hay phát cơng suất tác dụng là khi nĩ hoạt động ở chế độ dưới đồng bộ hoặc trên đồng bộ
Tại chế độ đồng bộ œ„ rơto sẽ địi hỏi một mức năng lượng để cĩ thể quay với vận tốc gần bằng với œ, lúc này từ trường quay của rơto cĩ tốc độc gần bằng với từ trường quay stato, máy phát DFIG hoạt động như một máy điện đồng bộ với dịng điện một chiều cấp vào cuộn rơto, cơng suất tác dụng sẽ khơng được cấp vào rơto do đĩ tất cả cơng suất tác dụng của DF]G từ stato cấp lên lưới
Khi tốc độ giĩ tăng lên, tốc độ quay cánh quạt sẽ thay đổi để tối ưu hố
hiệu quả hệ thơng khí động học, dẫn đến tốc độ rơto quay lớn hơn tốc độ đồng bộ,
Trang 3421
Khi tốc độ giĩ giảm, DFIG sẽ hoạt động ở chế độ dưới động bộ Lúc này
cuộn dây rơto sẽ nhận năng lượng từ lưới, chủ yếu là mượn năng lượng để kích từ DFIG Peo Stato Prtato Prato Rơto ^ — Bộ chuyên đối Cơng suất
Hình 4.3: Quan hệ giữa Pạ¡¿a và P.„ khi tốc độ rơto nhỏ hơn tốc độ đồng bộ
4.2 Mơ hình tương đương của DEIG [3]:
Trang 3522 Ta cĩ các phương trình biến đổi từ (4.1) như sau: @0y = @¿ — S@,; = (1 — S)0; (4.2) = == (4.3)
V,: vécto dién ap stator (dién ap ludi)
V,: véctơ điện áp rơto I,: vécto dong dién stator
],: véctơ dịng dién réto lạm: dịng điện từ hố R,: điện trở stator R,: điện trở rơto Ra: điện trở từ hố L.: điện cảm stator L.: điện cảm rơto Lụ: điện cảm từ hố œ;: tần số gĩc lưới œ;: tần số gĩc réto
4.2.2 Các phương trình trong sơ đồ mạch tương đương: — _ Phương trình cân bằng điện áp:
Vị = R;l¿ +j@;L¿l; + j@o; Lm (ly + I, + Jam) (4.4) V, Ry
>= ~I, + jo,L,], + j@¿ Lạ (ý + lý + lRm) (4.5)
Trang 3623 — _ Từ thơng khe hở khơng khí, staro và rơto được xác định như sau : Pm = Ly (ls + Ie + Frm) (4.7) W, = Ll, + Ly, +1 + Iam) = Lgl, + Pn (4.8) YW, = LL, + ly (ls +1, + Iam) = Lele + Ÿm (4.9)
— Cơng suất tồn phần cla stato va rơto được xác định :
S, = 3W1‡ = 3R,|I,| +j3@sL¿|I;|Ÿ + j3@;mlŠ (4.10)
Š, = 3V,Iÿ = 3R/|I„|2 + j3@ssL;|Iy|? + j3@;sWm lƒ (4.11) — Các phương trình trên cĩ thé được viết lại như sau: I#mlÊ Em Š; = 3R,|I|? + j3@,L¿[I,|? + j3ø@; —— + 3Rm|lạm|° — j3@¿Ÿm; — (412) Š„ = 3R,[I,|? + j3@;sL,|I„|? + j3@¿stf„] (4.13)
— _ Cuối cùng cơng suất tác dụng của stato và rơto được xác định:
P, = Re|S;] = 3R¿I;|? + 3Rm [lam |? + 3ø@;Im[W„l7] ~ 3@;Im[W„l] — (4.14)
P, = Re[Šr| = 3R¿|I,|? — 3@;sIm[„I7] —3@œ;sIm[W„l] (4.15) — _ Cơng suất cơ sinh ra của DF]G là :
P., = 30,Im[¥,,!*] — 30,sIm[¥,, 1%] = 3ø„Im[W„ 17] (4.16) — Từ cơng thức (4.2), (4.14), (4.15) và (4.16) ta được:
P, =——P,, Pp = — Pm P = —sP, (4.17)
Trang 3724 — _ Từ lưới qua bộ chuyển đổi cơng suất rồi đến rơto khi DFIG hoạt động dưới tốc độ đồng bộ ( P;<0 ) 1 Pa Gas) i™ ——> —> ÀC Converter <— a-s”"
Hình 4.5: Hướng năng lượng trong hệ máy phát DFIG khi P, <0
Trang 3825
— — Cả hai trường hợp P, đều dương ( P,> 0 ), cuộn đây stato luơn phát cơng suất về lưới
4.2.3 Mơ hình động của DFIG trong hệ trục toạ độ tham chiếu d,q — _ Mạch điện tương đương của DFIG theo trục d,q : 1 e 1? ra oR, ®*Èfz L, L, @-o)¥, 4% + R, + Vig Lạ ví, Hình 4.7: Mạch điện tương tương theo hệ trục toạ độ d e 1F ly R, %4 L, OL, OY, 4” + + e e Vas Vor
Hình 4.8: Mach điện tương đương theo hệ trục toạ độ q
Trang 3926 Phương trình điện áp rơto: e _ e e dP Vậy = Rrlắy — (@; — @r)Wfậy +” (4.20) e — e e d'¥or
Vor = Rrlgr — (wo, — 0,) Par + ¬ (4.21)
Trang 4027
4.3 Các phương trình truyền động tuabin [4]: — _ Cơ cấu truyền động của tuabin giĩ: