Điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện năng lượng gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - NGUYỄN MINH QUÂN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ PHẢN KHÁNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - NGUYỄN MINH QUÂN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ PHẢN KHÁNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Huỳnh Châu Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Minh Quân Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên cứu tình hình khai thác sử dụng nguồn lượng gió; - Nghiên cứu tổng quan hệ thống điện lượng gió; - Nghiên cứu mơ hình tốn máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép; - Nghiên cứu đề xuất giải thuật điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép; - Mô hệ thống điện lượng gió; - Mơ giải thuật điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: PGS TS Huỳnh Châu Duy CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết đạt Luận văn trung thực chưa công bố Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn tài liệu tham khảo Luận văn trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Nguyễn Minh Quân LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cám ơn Thầy PGS TS Huỳnh Châu Duy tận tình giúp đỡ hướng dẫn em thực Luận văn Xin cám ơn quý Thầy, Cô trang bị cho em nhiều kiến thức quý báu trình học tập làm tảng cho em hoàn thành Luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12 động viên giúp đỡ em trình thực Luận văn Cuối cùng, xin cám ơn Quý Thầy Cô Trường Đại học Công nghệ TP HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH; Viện Đào tạo sau đại học Cơ quan nơi em công tác tạo điều kiện cho em hoàn thành Luận văn Nguyễn Minh Quân i Tóm tắt Trong số nguồn lượng tái tạo, lượng gió coi nguồn lượng vơ tận mà gây hại cho môi trường Nguồn lượng thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu trở thành nguồn lượng tươi sáng tương lai Hệ thống điện sử dụng lượng gió có nhiều ưu điểm khơng cần nhiên liệu đầu vào, gây nhiễm mơi trường, phải bảo dưỡng, gây tiếng ồn,…với ưu điểm nước có tiềm lượng gió với 3.200 km bờ biển Do đó, việc sử dụng lượng gió Việt Nam đã, khuyến khích áp dụng lĩnh vực đời sống sản xuất Góp phần vấn đề nêu việc nghiên cứu điều khiển cơng suất sử dụng hệ thống điện lượng gió cần thiết Đây lý cho việc chọn đề tài: “Điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió” Luận văn bao gồm nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Tổng quan tình hình khai thác nguồn lượng gió - Chương 3: Hệ thống điện lượng gió - Chương 4: Điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió - Chương 5: Mơ điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió - Chương 6: Kết luận hướng phát triển tương lai ii Abstract Among renewable energy sources, the wind energy is considered a clean and endless energy source that is less harmful to the environment This energy source is attracting the attention of many scientists, researchers and will become a source of bright energy in the future The wind power system has many advantages such as no input fuel, less environmental pollution, less maintenance, less noise, Vietnam is a potential country for exploring the wind energy source with over 3,200 km of coastline Therefore, the use of the wind energy in Vietnam has been and will be encouraged in the fields of life and production As a contribution to the above problem, the power control study of the wind power system is very necessary This is also the main reason for choosing the topic: "Power control of a wind energy power system" The thesis consists of the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Literature review of using wind energy sources - Chapter 3: Wind energy power systems - Chapter 4: Power control of wind energy power systems - Chapter 5: Simulation results - Chapter 6: Conclusions and future works iii MỤC LỤC Tóm tắt i Mục lục iii Danh sách hình vẽ iv Chương - Giới thiệu chung 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài .4 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu .5 1.5.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.6 Bố cục luận văn 1.7 Kết luận .7 Chương - Tổng quan tình hình khai thác nguồn lượng gió 2.1 Giới thiệu .8 2.2 Nền tảng lịch sử tuabin gió 2.2.1 Lịch sử cối xoay gió 2.2.2 Tuabin gió 10 2.3 Thực trạng lượng gió giới 11 2.3.1 Châu Âu 12 2.3.2 Bắc Mỹ 12 2.3.3 Nam Trung Mỹ 12 2.3.4 Châu Á Thái Bình Dương 12 2.3.5 Trung Đông Châu Phi 13 2.4 Thực trạng lượng gió Việt Nam 13 2.5 Kết luận 14 iv Chương - Hệ thống điện lượng gió 16 3.1 Hệ thống điện 16 3.2 Đặc tính lượng gió 19 3.2.1 Gió 19 3.2.2 Mô tả vật lý 19 3.2.3 Đường cong công suất 20 3.2.4 Hiện tượng trễ hiệu ngắt mạch 20 3.3 Hệ thống điện lượng gió 21 3.3.1 Giới thiệu 21 3.3.2 Phân loại tuabin gió 29 3.4 Máy phát điện hệ thống điện lượng gió 29 3.4.1 Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện khơng đồng 31 3.4.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng rotor lồng sóc 32 3.4.3 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng nguồn kép 43 3.4.4 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu bên 49 Chương - Điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió 54 4.1 Giới thiệu 54 4.2 Vector không gian phép biến đổi 55 4.3 Biểu diễn công suất theo vector không gian 56 4.4 Mối liên hệ hệ trục abc, dq αβ 58 4.5 Mơ hình tốn máy phát điện khơng đồng nguồn kép 60 4.5.1 Mô hình tốn học DFIG hệ trục tọa độ tĩnh αβ 62 4.5.2 Mơ hình tốn học DFIG hệ trục tọa độ đồng dq 63 4.6 Điều khiển chuyển đổi công suất 65 4.6.1 Giới thiệu 65 4.6.2 Điều khiển converter phía lưới (Grid Side Control - GSC) 65 91 60 Cuong dong dien stator, Iabcs(A) 40 20 -20 -40 -60 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 Thoi gian, t(s) 4.07 4.08 4.09 4.1 b) Hình 5.25 Cường độ dòng điện stator, Iabcs DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 400 300 Dien ap stator, Vabcs(V) 200 100 -100 -200 -300 -400 10 12 Thoi gian, t(s) a) 14 16 18 20 92 400 300 Dien ap stator, Vabcs(V) 200 100 -100 -200 -300 -400 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 Thoi gian, t(s) 4.07 4.08 4.09 4.1 b) Hình 5.26 Điện áp stator, Vabcs DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 600 500 400 Moment, Te(Nm) 300 200 100 -100 -200 -300 10 12 Thoi gian, t(s) 14 16 18 20 Hình 5.27 Moment DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 93 14 Goc canh tuabin gio, beta(do) 12 10 0 10 12 Thoi gian, t(s) 14 16 18 20 Hình 5.28 Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 0.45 Hieu suat chuyen doi cong suat gio, cp 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 12 Thoi gian, t(s) 14 16 18 20 Hình 5.29 Hiệu suất chuyển đổi cơng suất gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 94 Hình 5.21 5.24 cho thấy khả bám theo công suất tác dụng tham chiếu, Psref công suất phản kháng tham chiếu, Qsref DFIG tốt tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi hình 5.18 Tốc độ gió thay đổi khoảng 10,5 - 12 m/s Bên cạnh đó, cường độ dòng điện stator, điện áp stator moment máy phát điện gió DFIG ổn định, Hình 5.25 - 5.27 Hình 5.28 biểu diễn góc cánh tuabin gió Tương ứng với u cầu cơng suất tác dụng, góc cánh tuabin gió điều chỉnh đến giá trị thích hợp theo yêu cầu phát công suất tác dụng phản kháng máy phát điện gió DFIG Do tốc độ gió thay đổi nhanh nên việc điều chỉnh góc cánh tuabin gió phải bám theo thay đổi để hỗ trợ cho việc điều chỉnh cơng suất tác dụng phản kháng máy phát Hình 5.29 biểu diễn hiệu suất chuyển đổi cơng suất gió Giá trị hiệu suất chuyển đổi thay đổi nhanh trường hợp 5.4 Mô điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Để lần chứng minh lý thuyết điều khiển trình bày chương 4, mơ điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng thực với giả sử tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.30 95 16 15 Toc gio, vw(m/s) 14 13 12 11 10 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.30 Tốc độ gió thay đổi lớn Tốc độ gió giả sử thay đổi khoảng 10,5 - 16 m/s Các giá trị tham chiếu công suất tác dụng công suất phản kháng giả sử sau: Giá trị công suất tác dụng tham chiếu DFIG thể hình 5.31 Trong đó: Psref giả sử sau: < t < 15s: Psref = 15.000 W 15 < t < 30s: Psref = 10.000 W 30 < t < 45s: Psref = 15.000 W 45 < t < 60s: Psref = 10.000 W Giá trị công suất phản kháng tham chiếu DFIG thể hình 5.34 Trong đó: Qsref giả sử sau: < t < 20s: Qsref = 15.000 VAr 20 < t < 30s: Qsref = VAr 30 < t < 40s: Qsref = 15.000 VAr 40 < t < 60s: Qsref = VAr 96 x 10 1.6 Cong suat tac dung tham chieu, Psref(W) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.31 Cơng suất tác dụng tham chiếu DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 4 x 10 Cong suat tac dung, Ps(W) -2 -4 -6 -8 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.32 Cơng suất tác dụng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 97 4 x 10 Công suất tác dụng, Ps Cong suat tac dung, Ps(W) Công suất tác dụng tham chiếu, Psref -2 -4 -6 -8 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.33 Điều khiển bám cơng suất tác dụng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 16000 Cong suat phan khang tham chieu, Qsref(VAr) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.34 Cơng suất phản kháng tham chiếu DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 98 x 10 Cong suat phan khang, Qs(VAr) -2 -4 -6 -8 -10 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.35 Cơng suất phản kháng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn x 10 Công suất phản kháng, Qs Cong suat phan khang, Qs(VAr) Công suất phản kháng tham chiếu, Qsref -2 -4 -6 -8 -10 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.36 Điều khiển bám cơng suất phản kháng DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 99 500 Cuong dong dien stator, Iabcs (A) 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 a) 60 Cuong dong dien stator, Iabcs(A) 40 20 -20 -40 -60 10 10.01 10.02 10.03 10.04 10.05 10.06 Thoi gian, t(s) 10.07 10.08 10.09 10.1 b) Hình 5.37 Cường độ dòng điện stator, Iabcs DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 100 400 300 Dien ap stator, Vabcs(V) 200 100 -100 -200 -300 -400 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 a) 400 300 Dien ap stator, Vabcs(V) 200 100 -100 -200 -300 -400 10 10.01 10.02 10.03 10.04 10.05 10.06 Thoi gian, t(s) 10.07 10.08 10.09 10.1 b) Hình 5.38 Điện áp stator, Vabcs DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 101 600 500 400 Moment, Te (Nm) 300 200 100 -100 -200 -300 10 20 30 Thoi gian, t (s) 40 50 60 Hình 5.39 Moment DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi 25 Goc canh tuabin gio, beta(do) 20 15 10 0 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.40 Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn 102 0.45 Hieu suat chuyen doi cong suat gio, cp 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 20 30 Thoi gian, t(s) 40 50 60 Hình 5.41 Hiệu suất chuyển đổi cơng suất gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn Hình 5.33 5.36 cho thấy khả bám theo công suất tác dụng tham chiếu, Psref công suất phản kháng tham chiếu, Qsref DFIG tốt tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi hình 5.30 Tốc độ gió thay đổi khoảng 10,5 - 16 m/s Bên cạnh đó, cường độ dòng điện stator, điện áp stator moment máy phát điện gió DFIG ổn định, Hình 5.37 - 5.39 Hình 5.40 biểu diễn góc cánh tuabin gió Tương ứng với u cầu cơng suất tác dụng, góc cánh tuabin gió điều chỉnh đến giá trị thích hợp theo u cầu phát cơng suất tác dụng phản kháng máy phát điện gió DFIG Do tốc độ gió thay đổi nhanh nên việc điều chỉnh góc cánh tuabin gió phải bám theo thay đổi để hỗ trợ cho việc điều chỉnh công suất tác dụng phản kháng máy phát Hình 5.41 biểu diễn hiệu suất chuyển đổi cơng suất gió Giá trị hiệu suất chuyển đổi thay đổi nhanh trường hợp 89 Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 6.1 Kết luận Luận văn giải vấn đề sau: + Tìm hiểu tình hình phát triển chung giới lĩnh vực biến đổi lượng gió, thuận lợi tiềm Việt Nam lĩnh vực + Tìm hiểu ứng dụng nguyên lý hoạt động DFIG cấu hình hệ thống biến đổi lượng gió tốc độ khơng đổi, tốc độ thay đổi + Mơ hình hóa DFIG xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng công suất phản kháng Các kết mô tương ứng với trường hợp tốc độ gió khơng đổi tốc độ gió thay đổi cho thấy khả điều khiển bám công suất tác dụng công suất phản kháng theo giá trị tham chiếu tốt Đặc biệt, khả điều khiển bám công suất tác dụng công suất phản kháng tốc độ gió thay đổi Bên cạnh đó, giá trị cường độ dòng điện stator moment máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép DFIG ổn định 6.2 Hướng phát triển tương lai - Triển khai thực nghiệm liên quan đến điều khiển bám công suất tác dụng công suất phản kháng cho máy phát điện gió DFIG - Nghiên cứu đề xuất thêm giải thuật khác phục vụ cho việc điều khiển bám công suất tác dụng công suất phản kháng hiệu - Triển khai áp dụng đề xuất điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng cho loại máy phát điện gió khác với dãy cơng suất khác 90 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Trang thông tin điện tử - Dự án lượng tái tạo www.renewableenergy.org.vn [2] Chiến lược phát triển công nghệ Điện Lực Tập đoàn Điện Lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025 [3] Trang thông tin điện tử Hiệp hội lượng quốc tế - IEA www.iea.org [4] Lương Công Quyền, Điều khiển trượt máy phát điện gió cấp nguồn từ hai phía, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, 2008 [5] Đỗ Vĩnh Mạnh, Nghiên cứu mô phương pháp điều khiển biến đổi PWM rectified PWM inverter hệ thống chuyển đổi lượng gió DFIG, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, 2008 [6] Nguyễn Chí Hiếu, Khảo sát mơ hình máy phát điện gió lưới điện phân phối, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, 2008 [7] Tạ Văn Đa, Đánh giá tài nguyên khả khai thác lượng gió Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Hà Nội, 2006 [8] Trang thông tin điện tử Tập đoàn Điện lực Việt Nam www.evn.com.vn [9] Đặng Đình Thống, Cơ sở lượng tái tạo, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 Tiếng Anh [10] Morten Lindholm, Modelling and impact on power system dynamic, Technical University of Denmark, 2003 [11] Anca D Hansen, Florin Iov, Poul Sørensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch, Frede Blaabjerg, Dynamic wind turbine models in power system simulation tool, DIgSILENT, Technical University of Denmark, 2007 91 [12] Andreas Petersson, Analysis, modeling and control of doubly-fed induction generators for wind turbines, Chalmers University of Technology, 2005 [13] Fernando D Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J Mantz, Wind turbine control systems principles, modelling and gain scheduling design, 2007 [14] T Burton, D Sharpe, N Jenkin and E Bossanyi, Wind energy handbook, Wiley, 2001 [15] A G Abo-Khalil, Model-based optimal efficiency control of induction generators for wind power systems, IEEE Conference 2011, pp 191-197, 2011 [16] J G Slootweg, H Polinder, and W L Kling, Dynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator, IEEE Conference 2001, pp 644-649, 2001 [17] T Nakamura, S Morimoto, M Sanada, and Y Takeda, Optimum control of IPMSG for wind generation system, IEEE Conference 2002, pp 1435-1440, 2002 [18] S Heier, Grid integration of wind energy conversation systems, John Wiley & Son Ltd., 1998 [19] Slavomir Seman, Transient performance analysis of wind power induction generators, 2006 [20] K Raiambal and C Chellamuthu, Modelling and simulation of grid connected wind electric generating system, IEEE TENCON, India, 2002 ... 3: Hệ thống điện lượng gió - Chương 4: Điều khiển cơng suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió - Chương 5: Mơ điều khiển cơng suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió - Chương... điện lượng gió - Chương 4: Điều khiển cơng suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió - Chương 5: Mô điều khiển công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện lượng gió - Chương 6: Kết luận... 77 5.3 Mô điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng trường hợp tốc độ gió thay đổi 86 5.4 Mô điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng trường hợp tốc độ gió thay đổi