Điều khiển p và q của hệ thống điện năng lượng sóng biển wave dragon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN NGỌC SANG Đề tài: ĐIỀU KHIỂN P VÀ Q CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON 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 NGỌC SANG Đề tài: ĐIỀU KHIỂN P VÀ Q CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI XUÂN LÂM 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 Bùi Xuân Lâm (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 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Sang Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác sử dụng nguồn lượng sóng biển - Nghiên cứu tổng quan biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Nghiên cứu phân tích vài biến đổi lượng sóng biển như: + Bộ biến đổi lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS) + Bộ biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon - Nghiên cứu, phân tích mơ kỹ thuật điều khiển cơng suất tác dụng công suất phản kháng cho hệ thống biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu phần mềm Simulink/Matlab III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: PGS.TS Bùi Xuân Lâm 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 tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa đuợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đuợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đuợc rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Nguyễn Ngọc Sang LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cám ơn PGS TS Bùi Xn Lâm tận tình đóng góp ý kiến quý báu hướng dẫn thực Luận văn Xin cám ơn quý Thầy, Cô trang bị cho tảng kiến thức quý báu q trình học tập mà giúp tơi đủ kiến thức để thực Luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12 động viên, giúp đỡ trình thực Luận văn Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH; Viện Đào tạo sau Đại học Cơ quan công tác tạo hội cho tơi thực Luận văn Nguyễn Ngọc Sang Tóm tắt Năng lượng sóng biển ghi nhận từ thời đại cổ xưa loài người So với nguồn lượng tái tạo khác, lượng sóng biển có tính an tồn cao hơn, tạo đồng tình xã hội lớn hơn, khơng cần máy điều hành lớn phức tạp, mức độ ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường không nhiều Một cách đơn giản hơn, số nguồn lượng tái tạo, lượng sóng biển chưa tận dụng nhiều, nhà khoa học nhận hiệu suất chuyển hóa từ lượng sóng biển thành lượng điện nguồn lượng cao Mặt khác, đưa hệ thống biến đổi lượng sóng biển vào vận hành độc lập kết nối với lưới điện quốc gia yêu cầu khắt khe lưới điện cần thiết, phần quy định vận hành hệ thống điện Những quy định đưa yêu cầu cho hệ thống biến đổi làm việc điều kiện vận hành bình thường cố Trong trường hợp này, việc điều chỉnh để phát công suất tác dụng công suất phản kháng theo yêu cầu toán quan trọng Đề tài “Điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon” lựa chọn thực luận văn Đề tài luận văn bao gồm nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Chương 3: Điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon - Chương 4: Mô điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon - Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai Abstract The wave energy has been recorded from the ancient times of humanity Compared with other renewable energy sources, the wave energy is more secure, resulting in greater social consensus, without the need for a large and complex set of operating mechanisms that can affect the environment The environment is not much In a simpler way, among renewable energy sources, the wave energy has not been utilized much, although scientists have realized that the efficiency of converting wave energy into electrical energy is high On the other hand, when the wave energy system is operated in standalone or connected to the national grid, the stringent requirements for the grid are needed It is a regulated part of the operation regulation of the power system These regulations set forth requirements for the conversion system to work under normal operating conditions as well as malfunction In this case, the control for generating the active and reactive powers is one of the important problems The thesis topic, of "P and Q control of a Wave Dragon wave energy system" is selected and implemented in this thesis The thesis topic includes the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Background to wave energy - Chapter 3: P and Q control of a Wave Dragon wave energy system - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future works i MỤC LỤC Mục lục i Danh sách hình vẽ v Danh sách bảng xi Chương – Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Mục đích nội dung nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Tổng quan nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện lượng sóng biển 1.8 Bố cục luận văn 13 1.9 Kết luận 13 Chương - Cơ sở lý thuyết hệ thống biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện 14 2.1 Giới thiệu 14 2.2 Phân loại sóng biển 15 2.2.1 Phân loại sóng theo nguyên nhân tượng 15 2.2.2 Phân loại sóng theo độ cao 15 2.2.3 Phân loại sóng theo vùng sóng lan truyền phát sinh 16 2.2.4 Phân loại sóng theo tỷ số độ cao, độ dài độ sâu 16 2.3 Năng lượng sóng thơng lượng lượng sóng 17 2.3.1 Năng lượng sóng 17 2.3.2 Thơng lượng lượng sóng 17 2.4 Hệ thống biến đổi lượng sóng biển AWS 19 ii 2.4.1 Mơ hình tốn học cho chuyển động hệ thống AWS 20 2.4.1.1 Trong điều kiện sóng dao động bình thường 20 2.4.1.2 Trong điều kiện sóng dao động bất thường 21 2.4.2 Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính hệ thống AWS 21 2.4.2.1 Cấu tạo 21 2.4.2.2 Nguyên lý hoạt động máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính22 2.4.2.3 Mơ hình tốn máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính vận hành độc lập 23 2.4.2.4 Mơ hình tốn máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính kết nối lưới điện khung tham chiếu a, b, c 25 2.4.2.5 Mơ hình toán máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính kết nối lưới điện khung tham chiếu d-q 29 2.4.3 Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống AWS 33 2.4.4 Đánh giá khả khai thác hệ thống AWS 35 2.5 Hệ thống biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon 36 2.5.1 Giới thiệu 36 2.5.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon 45 2.5.3 Mô hình tốn học hệ thống Wave Dragon 48 2.5.4 Mơ hình tốn mơ tả máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) hệ thống Wave Dragon 49 Chương - Điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon 52 3.1 Giới thiệu 52 3.2 Điều khiển công suất tác dụng 52 3.3 Điều khiển công suất phản kháng 52 3.4 Các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng 53 3.4.1 Các hệ trục tọa độ 53 3.4.2 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu phía lưới 54 3.5 Điều khiển nghịch lưu theo định hướng vector điện áp 55 90 x 10 Cong suat tac dung cua PMSG, P (W) 0 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 4.5 4.5 Hình 4.48 Cơng suất tác dụng PMSG, P (W) x 10 Cong suat tac dung cua PMSG, P (W) Pref P 0 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 Hình 4.49 Đánh giá khả điều khiển công suất tác dụng PMSG theo cơng suất tham chiếu, Pref Từ Hình 4.49 nhận thấy rằng, khả điều khiển công suất tác dụng PMSG, P theo công suất tham chiếu tốt với sai số nhỏ 91 Cong suat phan khang tham chieu, Qref (VAr) 1.5 x 10 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 4.5 Hình 4.50 Cơng suất phản kháng tham chiếu, Qref = 150.000 (VAr) 4.5 x 10 Cong suat phan khang cua PMSG, Q (VAr) 3.5 2.5 1.5 0.5 0 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 4.5 Hình 4.51 Cơng suất phản kháng PMSG, Q (VAr) 92 4.5 x 10 Cong suat phan khang cua PMSG, Q (VAr) 3.5 2.5 Q Qref 1.5 0.5 0 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 4.5 Hình 4.52 Đánh giá khả điều khiển cơng suất phản kháng PMSG theo công suất tham chiếu, Qref Từ Hình 4.52 nhận thấy rằng, khả điều khiển công suất phản kháng PMSG, Q theo công suất tham chiếu tốt với sai số nhỏ * Nhận xét: Công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q PMSG luôn điều khiển bám tốt theo giá trị yêu cầu Pref Qref với sai số nhỏ 93 1500 1000 Dien ap, vabc (V) 500 -500 -1000 -1500 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 4.5 4.5 Hình 4.53 Điện áp PMSG, vabc hòa lưới 500 400 Cuong dong dien, iabc (A) 300 200 100 -100 -200 -300 -400 -500 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 Hình 4.54 Cường độ dòng điện PMSG, iabc hòa lưới 94 Tan so cua PMSG, f (Hz) 50.1 50.05 50 49.95 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t (s) 3.5 4.5 Hình 4.55 Tần số PMSG, f hòa lưới * Nhận xét: Từ Hình 4.53 - 4.55 cho thấy khả hòa PMSG vào lưới điện tốt, điện áp ổn định, cường độ dòng điện thay đổi theo thay đổi công suất tác dụng tham chiếu tần số PMSG đạt giá trị xác lập, f ~ 50 (Hz) thời điểm, t ~ 0,5 (s) 4.8.5 Trường hợp – Công suất tác dụng, Pref; công suất phản kháng, Qref tốc độ rotor, r thay đổi * Thông số đặt: - Công suất tác dụng, Pref thay đổi sau: t(s) 0,5 1,5 2,5 Pref(kW) 250 250 350 350 750 750 - Công suất phản kháng, Qref thay đổi sau: t(s) 0,5 1,5 2,5 Qref(kVAr) -150 -150 -100 -100 -250 -250 95 - Tốc độ rotor, r thay đổi sau: t(s) 0,5 1,5 2,5 r(rad/s) 2,8 2,8 3,5 3,5 4,2 4,2 * Kết mô phỏng: 4.2 Toc rotor, wr (rad/s) 3.8 3.6 3.4 3.2 2.8 2.6 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 2.5 Hình 4.56 Tốc độ rotor, r thay đổi 7.5 x 10 Cong suat tac dung tham chieu, Pref (W) 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) Hình 4.57 Cơng suất tác dụng tham chiếu, Pref 96 x 10 Cong suat tac dung cua PMSG, P (W) 0 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.58 Cơng suất tác dụng PMSG, P (W) x 10 Cong suat tac dung cua PMSG, P (W) Pref P 0 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.59 Đánh giá khả điều khiển công suất tác dụng PMSG theo công suất tham chiếu, Pref Từ Hình 4.59 nhận thấy rằng, khả điều khiển cơng suất tác dụng PMSG, P theo công suất tham chiếu tốt với sai số nhỏ 97 x 10 Cong suat phan khang tham chieu, Qref (VAr) -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 -2 -2.2 -2.4 -2.6 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.60 Cơng suất phản kháng tham chiếu, Qref Cong suat phan khang cua PMSG, Q (VAr) x 10 -1 -2 -3 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.61 Công suất phản kháng PMSG, Q (VAr) 98 Cong suat phan khang cua PMSG, Q (VAr) x 10 Qref Q -1 -2 -3 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.62 Đánh giá khả điều khiển công suất phản kháng PMSG theo công suất tham chiếu, Qref Từ Hình 4.62 nhận thấy rằng, khả điều khiển công suất phản kháng PMSG, Q theo công suất tham chiếu tốt với sai số nhỏ * Nhận xét: Công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q PMSG luôn điều khiển bám tốt theo giá trị yêu cầu Pref Qref với sai số nhỏ 99 1500 1000 Dien ap, vabc (V) 500 -500 -1000 -1500 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.63 Điện áp PMSG, vabc hòa lưới 500 400 Cuong dong dien, iabc (A) 300 200 100 -100 -200 -300 -400 -500 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.64 Cường độ dòng điện PMSG, iabc hòa lưới 100 Tan so cua PMSG, f (Hz) 50.1 50.05 50 49.95 0.5 1.5 Thoi gian, t (s) 2.5 Hình 4.65 Tần số PMSG, f hòa lưới * Nhận xét: Từ Hình 4.63 - 4.65 cho thấy khả hòa PMSG vào lưới điện tốt, điện áp ổn định, cường độ dòng điện thay đổi theo thay đổi công suất tác dụng tham chiếu tần số PMSG đạt giá trị xác lập, f ~ 50 (Hz) thời điểm, t ~ 0,5 (s) 101 Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Luận văn trình bao gồm chương với nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Chương 3: Điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon - Chương 4: Mô điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon - Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai Các kết đạt luận văn bao gồm: - Nghiên cứu tổng quan biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Nghiên cứu phân tích cho vài biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon - Nghiên cứu phân tích kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng cho hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu - Mô điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng cho hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu phần mềm Simulink/Matlab Đặc biệt, kết mô điều khiển công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q hệ thống điện lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu luôn bám tốt theo giá trị đặt Đồng thời, kết mô cho thấy khả hòa lưới PMSG tốt 102 5.2 Hướng phát triển tương lai - Luận văn tiếp tục nghiên cứu phân tích cho hệ thống biến đổi lượng sóng biển khác ngồi hệ thống biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon phân tích - Mơ cho mơ hình hệ thống biến đổi lượng sóng biển - Khảo sát thêm yếu tố ảnh hưởng đến hiệu biến đổi lượng sóng biển 103 Tài liệu tham khảo [1] Trang thông tin điện tử Trung tâm Tiết kiệm lượng, Sở Khoa học Công nghệ TP HCM, http://tiet kiem nang luong.com.vn [2] Trang thông tin điện tử Hiệp hội lượng quốc tế - IEA www.iea.org [3] Trang thông tin điện tử Tập đoàn Điện lực Việt Nam, http://www.evn.com.vn [4] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch Đặng Thế Ba, "Khảo sát tính tốn số đặc tính thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển", Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Số 41, 2013 [5] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch Đặng Thế Ba, “Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển dạng phao sử dụng máy phát điện chuyển động thẳng”, Hội nghị khoa học thường niên năm 2014, 364-367, 2014 [6] Tống Đức Năng Lê Hồng Chương, "Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi lượng sóng biển đặt ven bờ", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, Tập 11, Số 4, 198-202, 2017 [7] Đào Minh Quân, "Máy phát điện xoay chiều tuyến tính cơng tác độc lập điện sóng biển", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng Hải, Số 46, 2016 [8] Nguyễn Xuân Sơn, Nghiên cứu hệ thống phát điện công suất 100W sóng biển áp dụng nguyên lý thủy tĩnh, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2012 [9] Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điền người khác “Năng lượng sóng biển khu vực biển Đơng vùng biển Việt Nam”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2009 [10] H Polinder and M Scuotto, “Wave energy converters and their impact on power systems”, IEEE conference, 2005 [11] L Rodrigues, “Wave power conversion systems for electrical energy production”, Department of Electrical Engineering Faculty of Science and Technology, Nova University of Lisbon, 2006 104 [12] http://www.youtube.com/watch/Wave Anaconda [13] http://www.youtube.com/watch/Unleash the Future - Wave [14] http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Nang-luong-song-bien-Viet-Nam/20886280 [15] J P Kofoed, P Frigaad, E Friis-Madsen and H C Sorensen “Prototype testing of the wave energy converter wave dragon”, IEEE Conference, 2003 [16] http://www.youtube.com/watch/searaser [17] http://www.youtube.com/watch/Oyster wave power in operation [18] F Wu, X P Zhang, P Ju, and etc “Sterling modeling and control of AWS-based wave energy conversion system integrated into power grid”, IEEE Conference, 2009 [19] J Cruz, Ocean wave energy, Springer Pulisher, 2008 [20] Optimal control for AWS-based wave energy conversion system, IEEE Transactions on Power Systems, 2009 [21] Phạm Văn Bình, Máy điện tổng quát, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2003 [22] J Faiz and M E Salari, “Design and simulation of a 250 kW linear permanent magnet generator for wave energy to electric conversion in Caspian Sea”, IEEE Conference, 2007 [23] www.wavedragon.net [24] J Tedd, J P Kofoed, W Knapp, E Friis-Madsen, H C Sorensen, “Wave Dragon, prototype wave power production”, 16th World Renewable Energy Congress, Florence, Italy, 2006 [25] Z Zhou, W Knapp, J MacEnri, and etc, “Permanent magnet generator control and electrical system configuration for wave dragon MW wave energy take-off system”, IEEE Conference, 2008 [26] M Jasinski, “Vector control of AC/DC/AC converter – generator subset in wave-to-wire power train for wave dragon MW”, IEEE Conference, 2007 [27] M Jasinski, “Vector control of AC/DC/AC converter – generator subset in wave-to-wire power train for wave dragon MW”, IEEE Conference, 2007 [28] G M Master, Renewable and efficient electric power systems, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2004 ... thuyết hệ thống biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Chương 3: Điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon - Chương 4: Mô điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon. .. thuyết hệ thống biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Chương 3: Điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon - Chương 4: Mơ điều khiển P Q hệ thống điện lượng sóng biển Wave Dragon. .. mơ hệ thống điện lượng sóng biển - Nghiên cứu mơ điều khiển công suất hệ thống điện lượng sóng biển - Phân tích đánh giá kết mô điều khiển công suất hệ thống điện lượng sóng biển 1.7 Tổng quan