Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - LÊ MINH VƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN 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 - LÊ MINH VƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN 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: ……………………………………… (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: LÊ MINH VƯƠNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CƠNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIĨ II- Nhiệm vụ nội dung: - 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 tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện khơng đồng nguồn kép; - Mơ hệ thống điện tuabin gió giải thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống 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 tơi 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 Lê Minh Vương LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Huỳnh Châu Duy tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành đầy đủ tốt nhiệm vụ giao đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trang bị cho tơi nhiều kiến thức q báu q trình học tập làm tảng cho tơi hồn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ11 động viên giúp đỡ tơi q trình thực đề tài luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật; Viện Đào tạo sau Đại học Cơ quan nơi công tác tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học đề tài luận văn tốt nghiệp Lê Minh Vương i TÓM TẮT Gần đây, ngành lượng điện thường xuyên xuất tình trạng cân nhu cầu sử dụng điện khả cung cấp nguồn điện Nguyên nhân việc cân nhu cầu sử dụng lượng điện ngày tăng cao lĩnh vực khác công nghiệp, nông nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày, Trong đó, cạn kiệt đáng báo động nguồn nhiên liệu đầu vào dầu mỏ, than đá, khí đốt, phục vụ cho việc sản xuất lượng điện từ nhà máy nhiệt điện Với phân tích nêu trên, vấn đề an ninh lượng bị đe dọa mà dẫn đến mục tiêu cơng nghiệp hóa đại hóa số quốc gia trở nên khó thực Giải pháp tăng cường khai thác sử dụng hiệu nguồn lượng tái tạo lượng gió, lượng mặt trời, lượng địa nhiệt, lượng sóng biển, lượng thủy triều,… đáng tập trung nghiên cứu Trong số nguồn lượng nêu trên, lượng gió thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học nước Việc nghiên cứu khai thác tối ưu cơng suất hệ thống điện gió cần thiết Đây lý cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió” mà bao gồm nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Tổng quan hệ thống điện tuabin gió - Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió - Chương 4: Mơ điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió - Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai ii ABSTRACT More recently, the power sector has repeatedly shown an imbalance between the need for electricity and the ability to provide electricity The main cause of this imbalance is the increasing demand for electrical energy in various sectors such as industry, agriculture, daily life, and so on The alarming depletion of input fuels such as petroleum, coal, gas, etc., is used to generate electricity from thermal power plants With the above analysis, the issue of energy security is being threatened, leading to the industrialization and modernization goals of some countries becoming more difficult Measures to enhance the exploitation and efficient use of renewable energy sources such as wind energy, solar energy, geothermal energy, wave power, tidal energy are worthy of study Among the energy sources mentioned above, wind power is attracting the attention of many scientists The research on optimal exploitation of wind power system capacity is very necessary This is also the main reason for choosing the topic of this thesis, "Optimal power control of wind turbine power systems" which includes the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Overview of wind turbine power systems - Chapter 3: Optimal power control of wind turbine power systems - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future works iii MỤC LỤC Tóm tắt i Mục lục iii Danh sách hình vẽ v Danh sách bảng ix Chương - Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.6 Bố cục luận văn 1.7 Kết luận Chương - Tổng quan hệ thống điện gió 2.1 Giới thiệu 2.2 Năng lượng gió giới 2.3 Năng lượng gió Việt Nam 12 2.4 Cơng suất gió 18 2.5 Hệ thống điện gió 19 2.5.1 Tuabin gió 20 2.5.2 Máy phát điện hệ thống điện gió 28 Chương - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió 36 3.1 Giới thiệu 36 3.2 Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió 37 3.2.1 Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh 37 3.2.2 Kỹ thuật điều khiển moment tối ưu 39 iv 3.2.3 Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất 40 3.2.4 Kỹ thuật nhiễu loạn quan sát 41 3.3 Động không đồng nguồn kép (DFIG) toán điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện tuabin gió 43 3.3.1 Vector không gian phép biến đổi 44 3.3.2 Công suất theo vector không gian 46 3.3.3 Mối liên hệ hệ trục abc, dq  47 3.3.4 Mơ hình tốn học máy phát điện không đồng nguồn kép 49 3.4 Bộ chuyển đổi công suất hệ thống điện gió 54 3.4.1 Điều khiển converter phía lưới 55 3.4.2 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC 56 Chương - Mô điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện tuabin gió 59 4.1 Giới thiệu 59 4.2 Mô máy phát điện DFIG 59 4.3 Mơ tuabin gió 62 4.4 Mô điều khiển 63 4.5 Điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện tuabin gió 64 4.6 Kết mô 67 4.6.1 Tốc độ rotor không đổi 67 4.6.2 Tốc độ rotor thay đổi 78 Chương - Kết luận hướng phát triển tương lai 86 5.1 Kết luận 86 5.2 Hướng phát triển tương lai 86 Tài liệu tham khảo 88 75   1.34 x 10 Cong suat cuc dai, Pmpp(W) 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 Thoi gian, t(s) Hình 4.20 Cơng suất cực đại, PMPP với nr = 1200 (rpm) Cong suat may phat dien DFIG, P(W) x 10 -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.21 Công suất máy phát điện DFIG với nr = 1200 (rpm) 76   Cong suat may phat dien DFIG, P(W) x 10 Công suất cực đại, PMPP = 1,34.106 (W) Công suất máy phát điện DFIG -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.22 Công suất máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 1200 (rpm) e Tốc độ rotor, nr = 1500 (rpm) 1501 1500.8 Toc rotor, nr(rpm) 1500.6 1500.4 1500.2 1500 1499.8 1499.6 1499.4 1499.2 1499 Thoi gian, t(s) Hình 4.23 Tốc độ rotor, nr = 1500 (rpm) 77   1.67 x 10 Cong suat cuc dai, Pmpp(W) 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 Thoi gian, t(s) Hình 4.24 Cơng suất cực đại, PMPP với nr = 1500 (rpm) Cong suat may phat dien DFIG, P(W) x 10 6 -1 -2 -3 Thoi gian, t(s) Hình 4.25 Cơng suất máy phát điện DFIG với nr = 1500 (rpm) 78   Cong suat may phat dien DFIG, P(W) x 10 6 Công suất cực đại, PMPP = 1,67.106 (W) Công suất máy phát điện DFIG -1 -2 -3 Thoi gian, t(s) Hình 4.26 Cơng suất máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 1500 (rpm) Tương ứng với tốc độ rotor, nr = 1500 (rpm), Hình 4.23, công suất cực đại máy phát điện DFIG, PMPP = 1,67.106 (W), Hình 4.24 Hình 4.24 - 4.26 cho thấy công suất máy phát điện DFIG luôn trì tối ưu việc bám theo cơng suất cực đại với kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu cơng suất (PSF) Với tốc độ rotor không đổi, nr = 300; 600; 900; 1200 1500 (rpm), công suất máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại, PMPP dựa vào kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu cơng suất (PSF) Hình 4.10, Hình 4.14, Hình 4.18, Hình 4.22 Hình 4.26 4.6.2 Tốc độ rotor thay đổi 4.6.2.1 Trường hợp Giả sử tốc độ rotor thay đổi Hình 4.27 Trong đó: + t = - (s): Tốc độ rotor, nr = 1200 (rpm); + t = - (s): Tốc độ rotor, nr = 1350 (rpm); 79   + t = - (s): Tốc độ rotor, nr = 1650 (rpm) Khi ấy, cơng suất cực đại, PMPP biểu diễn Hình 4.28 1700 Toc rotor, nr(rpm) 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Thoi gian, t(s) Hình 4.27 Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp x 10 Cong suat cuc dai, Pmpp(W) -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.28 Cơng suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 80   Cong suat may phat dien DFIG, P(W) x 10 -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.29 Cơng suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp x 10 Cong suat cuc dai, Pmpp(W) Công suất cực đại, PMPP Công suất máy phát điện DFIG -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.30 Cơng suất máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 81   Trường hợp tốc độ rotor thay đổi Hình 4.27, với t = - (s): tốc độ rotor, nr = 1200 (rpm); t = - (s): tốc độ rotor, nr = 1350 (rpm); t = - (s): tốc độ rotor, nr = 1650 (rpm); công suất cực đại máy phát điện DFIG, PMPP, biểu diễn Hình 4.28 Bằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu cơng suất (PSF), cơng suất máy phát điện DFIG, Hình 4.29 bám công suất cực đại máy phát điện DFIG, PMPP, Hình 4.28 Hình 4.30 4.6.2.2 Trường hợp Giả sử tốc độ rotor thay đổi Hình 4.31 + t = - (s): Tốc độ rotor, nr = 900 - 1500 (rpm) Khi ấy, công suất cực đại, PMPP biểu diễn Hình 4.32 Bằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu cơng suất (PSF), cơng suất máy phát điện DFIG, Hình 4.33 ln bám PMPP, Hình 4.32 Hình 4.34 1600 Toc rotor, nr(rpm) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 Thoi gian, t(s) Hình 4.31 Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 82   x 10 Cong suat cuc dai, Pmpp(W) -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.32 Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp Cong suat may phat dien DFIG, P(W) x 10 -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.33 Cơng suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 83   x 10 Cong suat cuc dai, Pmpp(W) Công suất cực đại, PMPP Công suất máy phát điện DFIG -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.34 Cơng suất máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 4.6.2.3 Trường hợp Giả sử tốc độ rotor thay đổi Hình 4.35 1500 Toc rotor, nr(rpm) 1400 1300 1200 1100 1000 900 Thoi gian, t(s) Hình 4.35 Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 84   + t = - (s): Tốc độ rotor, nr = 900 - 1500 (rpm) Khi ấy, công suất cực đại, PMPP biểu diễn Hình 4.36 1.7 x 10 Cong suat cuc dai, Pmpp (W) 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 Thoi gian, t(s) Hình 4.36 Cơng suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp x 10 Cong suat may phat dien DFIG, P(W) -1 -2 -3 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.37 Cơng suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 85   Bằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu cơng suất (PSF), cơng suất máy phát điện DFIG, Hình 4.37 ln bám PMPP, Hình 4.36 Hình 4.38 Cong suat may phat dien DFIG, P(W) x 10 Công suất cực đại, PMPP Công suất máy phát điện DFIG -2 -4 Thoi gian, t(s) Hình 4.38 Cơng suất máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp Từ kết đạt Hình 4.30, Hình 4.34 Hình 4.38 nhận thấy cơng suất máy phát điện DFIG bám công suất cực đại việc sử dụng kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu cơng suất (PSF) Kỹ thuật cho thấy tính hiệu trường hợp tốc độ rotor không đổi thay đổi 86   Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Luận văn giải vấn đề sau: + Tìm hiểu phân tích tiềm nguồn lượng gió giới + Tìm hiểu phân tích tiềm nguồn lượng gió Việt Nam với nhà máy điện gió điển Nhà máy điện gió Tuy Phong, Nhà máy điện gió Phú Quý, Nhà máy điện gió Phú Lạc, Nhà máy điện gió Bạc Liêu, + Tìm hiểu phân tích hệ thống điện gió + Tìm hiểu phân tích nguyên lý hoạt động máy phát điện DFIG cấu hình hệ thống điện gió tốc độ khơng đổi tốc độ thay đổi + Tìm hiểu mơ hình tốn DFIG + Tìm hiểu nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió + Thực mơ hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện DFIG điều khiển tối ưu công suất hệ thống tương ứng với trường hợp tốc độ gió khơng đổi tốc độ gió thay đổi + Các kết mô đạt cho thấy kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió giới thiệu luận văn, kỹ thuật hồi tiếp tín hiệu cơng suất (PSF) đơn giản hiệu 5.2 Hướng phát triển tương lai Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật điều khiển khác để tối ưu cơng suất hệ thống điện gió nhằm nâng cao hiệu khai thác nguồn lượng gió nhiều tiềm Việt Nam 87   Nghiên cứu đề xuất mở rộng kỹ thuật điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện gió sử dụng loại máy phát điện gió khác dãy công suất khác Triển khai thực nghiệm liên quan đến kỹ thuật điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện gió 88 Tài liệu tham khảo [1] Nghị số 35/NQ-CP, ngày 18 tháng 03 năm 2013, Về số vấn đề cấp bách lĩnh vực bảo vệ môi trường [2] Quyết định số 428/QĐ-TTg, ngày 18 tháng 03 năm 2016, Phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 [3] Chiến lược phát triển công nghệ Điện Lực Tập đoàn Điện Lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025 [4] Trang thông tin điện tử Hiệp hội lượng quốc tế (IEA) www.iea.org [5] Pham Ngoc Hung Trinh Trong Chuong, “Nghiên cứu xác định điểm công suất cực đại hệ thống biến đổi lượng gió sử dụng kỹ thuật logic mờ”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Năng lượng, 2017 [6] Lê Duy Khánh Dương Hồi Nghĩa, “Mơ phương pháp điều khiển mơ hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM [7] Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại cơng suất hệ thống điện gió”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2015 [8] Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt cơng suất máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2014 [9] Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật tốn MPPT tối ưu cơng suất cho máy phát lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thơng minh", Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2013 [10] Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió dùng máy phát điện đồng từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2016 89 [11] D Kumar and K Chatterjee, “A review of conventional and advanced MPPT algorithms for wind energy systems”, Renewable and sustainable energy reviews, vol 55, pp 957-970, 2016 [12] K Vigneswaran and P S Kumar, "Maximum power point tracking (MPPT) method in wind power system", International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, vol 5, no 1, pp 680-687, 2016 [13] H G Jeong, R H Seung K B Lee, "An improved maximum power point tracking method for wind power systems", Energies, vol 5, pp 13391354, 2012 [14] K N Yu and C K Liao, “Applying novel fractional order incremental conductance algorithm to design and study the maximum power tracking of small wind power systems”, Journal of Applied Research and Technology, vol 13, pp 238-244, 2015 [15] Trang thơng tin điện tử Tập đồn Điện lực Việt Nam www.evn.com.vn [16] Đặng Đình Thống, Cơ sở lượng tái tạo, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [17] T Burton, D Sharpe, N Jenkin and E Bossanyi, Wind energy handbook, Wiley, 2001 [18] Shabani, A Deihimi, A new method of maximum power point tracking for DFIG based wind turbine, Bu Ali Sina University, Iran, 2010 [19] K Raiambal and C Chellamuthu, Modelling and simulation of grid connected wind electric generating system, IEEE TENCON, India, 2002 [20] S Heier, Grid integration of wind energy conversation systems, John Wiley & Son Ltd., 1998 [21] Huỳnh Châu Duy Hồ Đắc Lộc, Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2016 ... Chương 2: Tổng quan hệ thống điện tuabin gió - Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió - Chương 4: Mơ điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện tuabin gió - Chương 5: Kết... tốn học máy phát điện khơng đồng nguồn kép hệ thống điện gió; - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió; - Mơ điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện gió 1.5 Tổng quan... máy phát điện DFIG 3.2 Kỹ thuật điều khiển tối ưu cơng suất hệ thống điện tuabin gió [21] Các kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió bao gồm: + Kỹ thuật điều khiển tỉ số