Nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió DFIG dùng kỹ thuật trượt

1 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Ngày nay, kinh tế giới ngày phát triển, kéo theo mở rộng vùng công nghiệp sản xuất, dẫn đến nhu cầu lượng ngày cao, chất lượng cung cấp điện phải ổn định Trong đó, dù ngành điện có bước tiến vượt bậc,không ngừng thay đổi phương thức vận hành cho việc sản xuất, cung cấp điện ngày hiệu Tuy nhiên ngành điện vấp phải khó khăn nguồn nhiên liệu để phát điện - lượng hóa thạch ngày cạn kiệt; khí thải CO2 từ cơng nghiệp, từ hệ thống nhiệt điện nguyên nhân tạo hiệu ứng nhà kính gây tượng nóng lên tồn cầu.Chính nhu cầu cấp thiết phải có mơ hình lưới điện tối ưu tính tin cậy cung cấp điện kích thích nhu cầu sử dụng nguồn lượng tái tạo thân thiện với mơi trường.Trong lượng gió nguồn lượng đáng xem xét Theo tính tốn nhà nghiên cứu, luợng từ mặt trời dến trái đất vào khoảng 173.000 tỉ KW, luợng gió vào khoảng 3.500 tỉ KW Chỉ có đến 1-2% luợng đuợc chuyển thành gió (gấp 50 đến 100 lần tồn lượng chuyển hố từ mặt trời toàn cối toàn trái đất) Trong đó, tiềm dể khai thác sản sinh điện theo phương pháp truyền thống thủy điện, nhiệt điện dã dần cạn kiệt Riêng Việt Nam phần nguồn luợng điện lớn khai thác từ thủy điện, nhiên theo báo cáo từ Hội thảo Khoa Học gần cho thấy, tiềm khơng cịn vịng vài mươi năm Bên cạnh đó, năm gần tốn mơi truờng tồn cầu đuợc đưa vào tất ngành công nghiệp, phải tìm cách dể hạn chế đến mức thấp yếu tố có ảnh huởng xấu tới mơi truờng nhu cacbon oxít, oxít nitơ, oxít lưu huỳnh,…Ðứng truớc tình lượng gió nguồn lượng đáng xem xét Khi tính đầy đủ chi phí ngồi – chi phí phát sinh bên cạnh chi phí sản xuất truyền thống, lợi ích việc sử dụng lượng gió trở nên rõ rệt So với nguồn lượng gây nhiễm (ví dụ nhà máy nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), sử dụng lượng gió, người dân khơng phải chịu thiệt hại thất thu hoa màu hay tái định cư, họ khơng phải chịu thêm chi phí y tế chăm sóc sức khỏe dnhiễm Ngồi với đặc trưng phân tán nằm sát khu dân cư, lượng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải 1.1.1 Tình hình lượng gió giới nhu cầu phát triển: Nhận thức giá trị nguồn lượng từ cuối thập niên 80 kỷ XX số nước bắt đầu nghiên cứu chế tạo turbine gió phát điện Đầu thập kỷ 90 lượng gió bắt đầu phát triển mạnh, thị trường giới lắp đặt turbine gió phát triển nhanh chóng Năm 2010 cơng suất lắp đặt turbine gió tồn giới đạt 21 GW Với tốc độ tăng trưởng tới năm 2020 lượng từ sức gió đáp ứng 12% nhu cầu lượng điện toàn giới đến năm 20302040 tổng cơng suất lượng gió đạt đến số triệu MW cung cấp 20% nhu cầu lượng điện toàn giới.Cùng với phát triển khoa học công nghệ ngày trạm phát điện lượng gió đa dạng từ công suất nhỏ (vài trăm W) phục vụ nạp ắc quy đến công suất lớn (hàng MW) Hiện công suất trạm phát điện lượng gió đạt đến số 5MW, bước tiến vượt bậc khoa học công nghệ Các trạm phát điện lượng gió khơng xây dựng đất liền mà xây dựng biển, điều cho thấy lượng gió nước quan tâm nghiên cứu ứng dụng Trong phát triển mạnh mẽ công nghiệp chế tạo turbine gió phát điện phải kể đến đóng góp quan trọng công ty chế tạo, sản xuất turbine gió hàng đầu giới Negmicon A/S, Vestas A/S(Đan Mạch), Nordex, Enercon (CHLB Đức), Gamesa (Tây Ban Nha), Zond systems Inc (Hoa Kỳ) Châu Mỹ:  Mỹ: năm 2002 lắp đặt 4685 MW  Canada: phần lớn sử dụng thủy điện, với nhu cầu sử dụng điện ngày gia tăng mà nguồn thủy điện lại có hạn nên việc sử dụng lượng gió giải pháp khả thi để bổ sung cho thiếu hụt  Các nước Mỹ Latinh: nước có tiềm to lớn lượng gió, nhiều Brazil Argentina Nhưng trở ngại thiếu sở hạ tầng lưới điện cao áp để phát triển nguồn lượng dồi Châu Âu:  Đan Mạch: năm 1999 Đan Mạch quốc gia có ngành cơng nghiệp lượng gió phát triển giới Trong năm qua Chính Phủ tài trợ khai thác nguồn lượng xanh lượng gió chiếm 11% lượng điện tiêu thụ nước  Đức: quốc gia có số lượng máy phát điện gió dẫn đầu giới Hiện phủ Đức áp dụng giá mua lượng cho nguồn lượng tái tạo Đạo luật nhằm tăng thành phần nguồn lượng tái tạo tổng thể nguồn lượng Đức  Tây Ban Nha : Tây Ban Nha có nang luợng sức gió khả quan, nam qua tốc dộ phát triển nang luợng sức gió dây cao hứa hẹn tang tuong lai Với tiềm lớn tài nguyên gió diện tích rộng đất nuớc, ngành cơng nghiệp khai thác luợng sức gióở Tây Ban Nha dã dang có dóng góp tích cực ổn dịnh cho ngành diện quốc gia Cho dến năm 2002 dã lắp đặt 4.830MW Có thể dự báo Tây Ban Nha lên vị trí dẫn dầu ngành cơng nghiệp nang luợng gió vịng vài năm Châu Á:  Ấn Độ nước đứng đầu giới phát triển lượng gió Năm 2004 Ấn Độ đứng thứ giới sau CHLB Đức Tây Ban Nha Nếu lấy năm 2000 làm mốc có 1220 MW đến tháng 03/2005 công suất lắp đặt đạt mức 3595 MW, cơng suất điện gió tăng lên gấp lần 1.1.2 Tình hình lượng gió giới nhà máy phát điện gió Việt Nam: Nuớc ta nằm khu vực cận nhiệt đới gió mùa, với bờ biển dài nên rấtthuận lợi cho việc phát triển lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình vùng biển Ðơng Việt Nam vùng biển lân cận, cho thấy gió biển Ðông mạnh thay đổi theo mùa Trong chương trình đánh giá lượng Châu Á, Ngân hàng Châu Á có khảo sát chi tiết luợng gió khu vực Ðơng Nam Á,trong Việt Nam có tiềm gió lớn ước đạt 513.360MW xấp xỉ 200 lầncông suất nhà máy thủy điện Sơn La Ở nuớc ta có số nơi đuợc đề xuất xây dựng nhà máyđiện gió Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Trị, vùng cao nguyên TâyNguyên, tỉnh ven biển đồng sông Cửu Long, đặc biệt tỉnh Bình Thuậnvà Ninh Thuận Theonghiên cứu Ngân hàng Thế Giới, có vùng tiềm năngnhất dể phát triển lượng gió Sơn Hải (Ninh Thuận) vùng đồi cát 60-100mphía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Gió vùng khơng có tốc độ gió trung bình lớn từ 7-9m/s, gió có xu ổn định có bão Ðây diều kiệnrất thuận lợi dể phát triển lượng gió Trong tháng có gió mùa, tỷ lệ giónam đơng nam lên đến 98% với tốc độ gió trung bình lên dến 6-7m/s ứng với tốcđộ gió xây dựng trạm điện có cơng suất từ 3-3,5MW Thực tế thìnguời dân khu vực chế tạo số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng Bảng 1.2 Tiềm luợng gió Ðơng Nam Á (Ngân hàng Thế giới) 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Nuớc ta nuớc giàu tài nguyên luợng Trong vịng 20 năm tới, khơng tìm kiếm duợc nguồn tài nguyên mới, đặc biệt có trữ lượng lớn Việt Nam đứng truớc nguy cạn kiệt nguồn tài ngun lượng Chính vậy, giải pháp để đảm bảo an ninh lượng quốc gia Chính phủ đặc biệt quan tâm Hiện nay, có số giải pháp tính đến như: nhập điện, nhiên liệu (than, khí đốt…), phát triển nguồn luợng sẵn có như: gió, thuỷđiện, nhiệt điện điện nguyên tử… Việc phát triển phổ biến lượng gió nuớc ta yêu cầu cần thiết nhằm giải nhu cầu cung cấp điện cho đồng bào vùng xa, vùng sâu, hẻo lánh.Do đó, việc phát triển nguồn luợng tái tạo, có luợng gió để phục vụ nhu cầu chỗ cần thiết 1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ÐỀ TÀI 1.3.1 Ðối tượng nghiên cứu Tìm hiểu ngun lý hoạt động, mơ hình hóa xây dựng giải thuật điều khiển máy phát khơng đồng cấp nguồn từ hai phía DIFG (Doubly Fed Induction Generator) 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung vào vấn đề sau đây:  Mơ hình hóa máy phát khơng đồng cấp nguồn từ hai phía DFIG  Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng,công suất phản kháng trao đổi stator DFIG luới điện phương pháp điều khiển trượt  Ðánh giá tính ổn định tính bền vững hệ thống điều khiển có thay đổi tham số mơ hình  So sánh kết đạt với phương pháp thiết kế khác 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu tổng quan lượng gió, cấu hình hệ thống chuyển đổi lượng gió áp dụng giới Tìm hiểu nguyên lý làm việc hệ thống DFIG Trình bày mơ hình toán học DFIG hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh aßvà hệ trục tọa độ tham chiếu đồng dq Trình bày tóm tắt sở tốn học phương pháp điều khiển truợt (Sliding mode control) Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng cơng suất phản kháng phía stator DFIG phương pháp truợt.Trình bày sơ đồ kết mơ phỏng, nhận xét kết kết luận Phần mềm Matlab/Simulink sử dụng luận văn để mô hình hóa DFIG, xây dựng giải thuật điều khiển mô kết CHƯƠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NĂNG LUỢNG GIÓ 2.1.1 Năng lượng gió Xuất phát điểm từ cơng thức quen thuộc để tính lượng tích trữ gió: Pw = rv (2.1) Trong đó: ρ– mật độ khơng khí [ kg/ m3 ], điều kiện chuẩn ρ có giá trị 1.293 kg/m3 Ar – diện tích quét cánh quạt tuabin [m2 ] v – vận tốc gió [m/s ] Năng lượng gió tính cách nhân biểu thức (2.1) với khoảng thời gian Tp (thuờng năm) Năng lượng trung bình = ½ ρ Ar ∫ dt (2.2) 2.1.2 Sự phân bố vận tốc gió Từ (2.1) (2.2),ta thấy mối quan hệ cơng suất vận tốc gió theo lũy thừa bậc ba, vận tốc gió liệu then chốt để đánh giá lượng gió tiềm thu vùng Tuy nhiên, vận tốc gió ln thay đổi theo điều kiện thời tiết điều kiện địa hình Vận tốc gió trung bình phải xác định để ước tính lượng kỳ vọng nhận từ vùng cụ thể, vận tốc gió thường thay đổi theo mùa có khuynh huớng lặp lại với chu kỳ năm sau Vì vậy, vận tốc gió trung bình xác định cho khoảng thời gian năm.Sự thay đổi vận tốc gió thường mô tả hàm mật độ xác suất Một hàm mật độ xác suất duợc sử dụng phổ biến để mơ tả vận tốc gió hàm Weibull Phân bố Weibull duợc biểu diễn hàm số: f(v) = (2.3) 10 2.1.3 Sự chuyển đổi lượng gió hiệu suất rotor Năng luợng thực tế (hay cơng suất cơ) lấy từ gió PR cánh quạt tuabin khác động (năng lượng kinetic) tích trữ gió phía trước cánh quạt có vận tốc v động gió đằng sau cánh quạt có vận tốc vd PR = ρ Ar v3 Cp [W] (2.8) Trong đó, Cp gọi hiệu suất cánh quạt tuabin (hay gọi ngắn gọn hiệu suất rotor), tính: Cp= (1+ γ)(1+ γ2) (2.9) tỷ số tốc độ gió phía sau cánh quạt tốc độ gió di vào cánh quạt γ (2.10) Ðể tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (2.9) theo =0.593, ứng với giá trị tính Cp,max Giá trị lý thuyết Cp,max tuabin lấy nhiều 59.3% lượng từ gió, cịn biết đến giới hạn Betz (Albert Betz’s Law) Ðường cong hiệu suất rotor cho hình 2.2 Một thuận lợi công thức lý thuyết (2.9) giới hạn cơng suất nhận từ gió Tuy nhiên, công thức chưa nêu mối quan hệ hiệu suất rotor với cấu trúc hình học loại tuabin gió cụ thể, mối quan hệ hiệu suất rotor với tốc độ quay máy phát 13 chế tạo thuờng cho giá trị Cp loại tuabin hàm λ góc ß Một cơng thức xấp xỉ thuờng sử dụng đường cong hiệu suất rotor cho cơng thức (2.12) có dạng đồ thị hình 2.5 Cp (λ, β) = 0.22 ( Giá trị λi duợc cho quan hệ: – 0.4 β – 5) = (2.12) - Hình 2.5 Ðuờng cong hiệu suất rotor Cp= (λ,ß) 2.1.4 Ðuờng cong cơng suất tuabin gió Một thơng số kỹ thuật quan trọng loại tuabin gió đường cong công suất, thể mối quan hệ tốc độ gió cơng suất đầu ra, thuờng gọi đường cong cơng suất lý tuởng có dạng hình 2.6 Trong đó, cần phân biệt thơng số:  Vận tốc gió Cut-in ( VC ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát tạo công suất (net power)  Vận tốc gió định mức ( VR ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu tăng theo tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt dến giá trị VR , công suất đầu công suất định mức theo thiết 14 kế.Khi lớn VR cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin luợt bớt công suất nhằm tránh tải cho máy phát  Vận tốc gió Cut-out ( VF ): Khi tốc dộ gió tiếp tục tăng đạt đến nguỡng VF hệ thống tuabin cần phải ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát cấu trúc khí khác, truờng hợp công suất phát không Hình 2.6 Ðuờng cong cơng suất lý tuởng tubin gió Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào tuabin - điều khiển cơ(aerodynamic power control) Trong đó, điều khiển pitch phương pháp phổ biến để điều khiển công suất tạo tuabin cách thay đổi góc quay cánh quạt quanh trục Hầu hết tuabin gió tốc độ thay đổi trang bị điều khiển pitch Khi tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh cơng suất lớn cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa lượng nhận Trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần điều chỉnh cách tương tự để giới hạn công suất công suất định mức Ðối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, điều khiển liên tục kiểm tra công suất đầu tuabin Khi công suất đầu lớn, điều 61 Khi S1(t) S2(t) 0, ta cần phải xác định luật điều khiển S1(t) S2(t )tiến Để đưa quĩ đạo trạng thái hệ thống tiến mặt trượt khoảng thời gian hữu hạn, S1(t) → , S2(t) → , trì bền vững mặt trượt theo đặc tính mong muốn Luật điều khiển ur(t) phải thiết kế điều kiện sau thỏa mãn: Nếu S(t) >0 ̇ (t)