Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sức gió và mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho bộ biến đổi dc ac

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ MINH ĐỨC NGHIÊN CỨU HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VÀ MẶT TRỜI CÓ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 2016 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi Ngô Minh Đức, học viên lớp cao học K16 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, sau hai năm học tập nghiên cứu, giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp TS Đặng Danh Hoằng, tơi hồn thành chương trình học tập đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sức gió mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển đại cho biến đổi DC/AC” Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn Thầy giáo TS Đặng Danh Hoằng Nội dung luận văn tham khảo trích dẫn tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Thái Nguyên, ngày 15 tháng 03 năm 2016 Học viên Ngơ Minh Đức iii LỜI NĨI ĐẦU Từ cuối kỷ 20 đặc biệt 10 năm trở lại tình hình lượng thay đổi - có số lượng lớn nguồn cung cấp lượng dạng truyền thống thúc đẩy phát triển mạch mẽ riêng nước ta, mà phạm vi tồn cầu Đó dạng nguồn phát điện theo cơng nghệ Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, V.V Chúng khai thác loại hình mạng điện khác nhau: mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thơng minh Trước đây, loại hình mạng điện chưa quan tâm khai thác phát triển, lý đặc điểm dạng nguồn có tính chất mềm (siêu mềm), khơng ổn định, tính kinh tế hệ thống cịn thấp, chất lượng điện cung cấp chưa đảm bảo Ngày nay, nguồn lượng phát triển dạng hệ nguồn phân tán, cơng suất nhỏ có hội thực hóa nhờ tiến biến đổi bán dẫn công suất kỹ thuật điều khiển đại Hiện tại, mơ hình mạng điện phân tán có tham gia nguồn máy phát điện sức gió pin mặt trời nghiên cứu ứng dụng phổ biến Trong đó, phụ tải điện bao gồm phụ tải chiều phụ tải xoay chiều: - Nguồn cấp từ phía máy điện sức gió pin mặt trời có ý nghĩa tận dụng nguồn lượng chỗ góp phần giảm áp lực nguồn phát lưới, thực tái cấu trúc lưới điện phân phối mang lại lợi ích kinh tế kỹ thuật cho hệ thống điện quốc gia - Nguồn cấp từ phía điện lưới phát huy tác dụng nhằm đảm bảo cấp điện nguồn điện từ lượng tái tạo (máy điện sức gió pin mặt trời) khơng đáp ứng đủ hoàn toàn nhu cầu sử dụng điện hộ tiêu thụ Việt Nam nằm khu vực cận nhiệt đới gió mùa có thuận lợi để phát triển lượng gió lượng mặt trời Vì vậy, vấn đề tiếp cận nguồn điện lượng tái tạo (Solar Energy or Wind Energy Source) cho nghiên cứu ứng dụng hệ thống điện Việt Nam vấn đề cấp thiết giai đoạn Mục tiêu nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sử dụng lượng gió mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển đại cho biến đổi DAC” xây dựng mơ hình khai thác cách hiệu cho nguồn điện sử dụng lượng tái tạo cụ thể cho hai dạng điển hình phù hợp với điều iv kiện thực tế Việt Nam máy điện sức gió pin mặt trời Trong đó, đề xuất phương pháp điều khiển đại áp dụng cho điều khiển biến đổi DC/AC Nội dung luận văn trình bày thành chương: - Tổng quan lượng tái tạo - Mô hình hệ nguồn phát điện sử dụng lượng mặt trời - Mơ hình hệ nguồn phát điện sử dụng lượng gió - Hệ nguồn phát điện lai sử dụng pin mặt trời máy điện gió Trong đó, áp dụng hệ điều khiển đại cho biến đổi DAC máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) mơ hình hóa mơ hệ máy phát DFIG số chế độ vận hành thực tế Do kiến thức hạn chế, thân chưa thể nghiên cứu hết khối lượng kiến thức liên quan đến đề tài Nên nội dung luận văn tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Em kính mong nhận đóng góp ý kiến từ phía Thầy Cô người đọc quan tâm Nhân đây, em xin trân thành cám ơn Nhà trường, thầy cán Phịng Ban chức tạo điều kiện cho lớp học K16 nói chung thân em hồn thành khóa học Đặc biệt em xin trân thành cám ơn thầy giáo TS Đặng Danh Hoằng, người dành nhiều thời gian giúp đỡ em hoàn thành luận văn Thái Nguyên, ngày 10 tháng 03 năm 2016 Học viên Ngô Minh Đức v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI NÓI ĐẦU iii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG[8] 1.2 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.2.1 Năng lượng mặt trời 1.2.2 Thủy điện nhỏ 1.2.3 Năng lượng gió 1.2.4 Năng lượng địa nhiệt 10 1.2.5 Năng lượng sinh khối (BIOMASS) 11 1.3 MƠ HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 12 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 15 CHƯƠNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 16 2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI [1-4] 16 2.1.1 Quang phổ mặt trời 16 2.1.2 Vị trí mặt trời thời điểm ngày 18 2.2 PIN MẶT TRỜI [1-3] 20 2.2.1 Giới thiệu chung 20 2.2.2 Quang phổ mặt trời tác động đến PV cell 21 2.2.3 Tế bào quang điện (PV cell) 22 2.2.3.1 Sơ đồ mạch điện tương đương PV cell 23 2.2.3.2 Những ảnh hưởng khác tác động đến PV Cell 26 2.2.4 Phương thức tổ hợp nguồn PV từ cells đến modules đến arrays 29 2.2.4.1 Tổ hợp Cell thành Module 30 2.2.4.2 Tổ hợp modules thành Arrays 30 2.2.4.3 Thử nghiệm đường cong V-I pin mặt trời điều kiện tiêu chuẩn 32 2.2.4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ cường độ ánh sáng đến đặc tính V-I PV module 33 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35 CHƯƠNG NGUỒN PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 36 3.1 NĂNG LƯỢNG GIÓ [1-4], [8] 36 3.2 TURBINE GIÓ [1-4], [8] 37 3.3 CƠNG SUẤT GIĨ [1-4] 41 3.4 MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ (WG) [1-4] 42 vi 3.4.1 Các máy phát đồng 42 3.4.2 Máy phát cảm ứng không đồng 43 3.4.3 Máy phát không đồng cảm ứng từ hai phía - DFIG 44 3.5 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI [1-4] 46 3.5.1 Tầm quan trọng thay đổi tốc độ rotor 46 3.5.2 Các hệ thống kết nối lưới gián tiếp 48 3.6 CƠNG SUẤT GIĨ TRUNG BÌNH [1-4] 48 3.7 ƯỚC TÍNH GẦN ĐÚNG NĂNG LƯỢNG GIÓ [1-4] 49 KẾT LUẬN CHƯƠNG 49 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN LAI SỬ DỤNG PIN MẶT TRỜI VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 50 4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 50 4.2 HỆ NGUỒN PHÁT ĐIỆN LAI PIN MẶT TRỜI VÀ MÁY ĐIỆN GIĨ[5-8] 51 4.2.1 Mơ hình hóa hệ thống 51 4.2.2 Nguồn pin mặt trời biến đổi DC/DC (Converter) 53 4.2.2.1 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly 54 4.2.2.2 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly 59 4.2.2.3 Điều khiển biến đổi DC-DC 59 4.2.3 Máy phát điện sức gió biến đổi AC/DC/AC 61 4.3 MÔ HÌNH TỐN HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DFIG [6-7] 65 4.3.1 Phép biến đổi hệ tọa độ 65 4.3.2 Mơ hình máy điện khơng đồng nguồn kép (DFIG)[6-7] 67 4.3.3 Mơ hình điều khiển phía máy phát Converter [6-7] 69 4.3.4 Mơ hình điều khiển phía lưới Converter 1, [6-7] 75 4.4 MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG [8] 77 4.4.1 Cấu trúc mô 77 4.4.2 Mô hoạt động hệ nguồn lai 78 KẾT LUẬN CHƯƠNG 84 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 85 KẾT LUẬN 85 KIẾN NGHỊ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tiềm năng lượng Mặt trời Bảng 1.2 Số liệu xạ lượng Mặt trời vùng Việt Nam Bảng 1.3 Sự phát triển điện gió giai đoạn từ 1985 đến 2004 Bảng 1.4 Nhiệt độ địa nhiệt số địa điểm Việt Nam 11 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nhu cầu lượng giới Hình 1.2 Tiêu thụ loại lượng giới Hình 1.3 Tốc độ triển khai lượng gió giai đoạn 2000-2011 giới Hình 1.4 Mơ hình mạng điện độc lập nguồn pin mặt trời cấp điện cho hộ gia đình 13 Hình 1.5 Mơ hình mạng điện cục nguồn thủy điện nhỏ công suất từ 100 kW đến 2000 kW cấp điện cho thôn 14 Hình 1.6 Mơ hình mạng hỗn hợp có điều tiết (thơng minh) lượng nguồn lượng tái tạo lưới kết nối 14 Hình 2.1 Quang phổ phát từ vật đen nhiệt độ 288 K 17 Hình 2.2 Quang phổ xạ mặt trời tương ứng với vật đen 5800K 18 Hình 2.3 Mơ tả vị trí mặt trời theo góc độ cao góc phương vị 18 Hình 2.4 Mơ tả khái niệm kinh tuyến mặt trời, kinh tuyến địa phương góc 19 Hình 2.5 Quang phổ mặt trời AM 1.5 22 Hình 2.6 Tác động photon tạo cặp electron-lỗ gần đường giao nhau, điện trường vùng nghèo đẩy lỗ vào vùng p đẩy electron vào vùng n PV cell 23 Hình 2.7 Mơ tả mạch điện nguồn PV với tải quy ước chiều dòng điện 23 Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương đương đơn giản cho PV cell 23 Hình 2.9 Sơ đồ mơ tả hai thơng số quan trọng PV cell dòng ngắn mạch ISC điện áp hở mạch VOC 24 Hình 2.10 Biểu diễn mối quan hệ dòng – áp PV cell cho hai điều kiện "dark" (không chiếu sáng) “light” (được chiếu sáng) 25 Hình 2.11 Điện áp cơng suất PV cell phụ thuộc cường độ sáng w/m2 25 Hình 2.12 Mạch tương đương chuỗi PV cell nối tiếp có hiệu ứng che khuất giải pháp khắc phục 26 Hình 2.13 Mơ đặc tính Array có module nhận cường độ chiếu xạ không 27 Hình 2.14 Mơ hình PV cell tổng qt thực tế gồm đầy đủ RP RS 28 Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V-I cho PV cell tổng quát 29 có Rp = 1 RS = 0.05 29 Hình 2.16 Những tổ hợp pin mặt trời cell, module, array 30 Hình 2.17 Mô tả tổ hợp 36 cells mắc nối tiếp 30 Hình 2.18 Sơ đồ nối đặc tính V-I array gồm module nối tiếp 31 Hình 2.19 Sơ đồ nối đặc tính V-I array gồm module song song 31 Hình 2.20 Hai phương thức tổ hợp cho array với modules 32 ix Hình 2.21 Mơ tả thí nghiệm mạch điện nguồn PV tải 33 Hình 2.22 Mơ tả đặc tính V-I ; P-V điểm cơng suất tối đa (MPP) PV module 33 Hình 2.23 Mơ tả đặc tính PV module thay đổi cường độ ánh sángvà thay đổi nhiệt độ PV (đo tiếp giáp PV) 34 Hình 3.1 Tốc độ phát triển lượng gió giới 36 Hình 3.2 Các nước dẫn đầu lượng gió năm 2012 37 Hình 3.3 Mơ hình kết cấu số loại turbine trục ngang trục đứng 38 Hình 3.4 Một số kiểu dáng turbine trục đứng 38 Hình 3.5 Turbine trục ngang 40 Hình 3.6 Mơ hình turbine tổ hợp phễu đón gió 41 Hình 3.7 Một số loại máy phát dùng hệ phát điện turbine gió 42 Hình 3.8 Mơ hình máy phát đồng pha turbine sức gió 43 Hình 3.9 Mơ tả ngun lý cấu tạo phần stator rotor máy điện không đồng 44 Hình 3.10 Các chế độ vận hành DFIG [7] 45 Hình 3.11 Mơ tả dịng chảy lượng chế độ đồng đồng 45 Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ tốc độ gió hiệu suất cánh với cấp tốc độ rotor 47 Hình 3.13 Biểu đồ xác định thời điểm chuyển cấp tốc độ rotor để đạt hiệu xuất cánh cao 47 Hình 3.14 Mơ hình turbine – máy phát cảm ứng kết nối lưới gián tiếp 48 Hình 4.1 Mơ hình hệ thống cấu trúc điều khiển mạng điện nguồn lai PV-DFIG-B 50 Hình 4.2 Mơ hình hệ thống mạng điện nguồn lai PV-DFIG-B 51 Hình 4.3 Biểu đồ lượng hệ nguồn lai pin mặt trời máy phát điện sức gió 52 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý giảm áp Buck 54 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 55 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost 56 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý biến đổi Curk 56 Hình 4.8 Sơ đồ mạch Curk khố SW mở thơng dịng 57 Hình 4.10 Bộ chuyển đổi DC-DC có cách ly 59 Hình 4.11Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 60 Hình 4.13 Mơ hình máy phát điện kiểu DFIG 61 Hình 4.14 Hệ thống máy phát điện turbine gió gió 62 Hình 4.15 Các vùng làm việc turbine gió 63 Hình 4.16 Các phương pháp điều khiển DFIG 65 Hình 4.17 Biến đổi hệ trục tọa độ 66 Hình 4.18 Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 70 Hình 4.19 Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát 71 x Hình 4.20 Mạch điện phía lưới a) mơ hình phía lưới b) 75 Hình 4.21 Cấu trúc mơ hoạt động hệ thống 78 Hình 4.22 Mơ tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió 79 Hình 4.23 Mơ điện áp pha stator DFIG 79 Hình 4.24 Mơ dịng stator có giá trị biên độ thay đổi 80 Hình 4.25 Mơ dịng stator có tần số khơng đổi biên dạng ln sin (trích khoảng thời gian từ 4,0s đến 4,2s 80 Hình 4.26 Mơ dịng điện rotor phát lên lưới quaInverter 80 Hình 4.27a Mơ dịng điện trao đổi lưới Inverter 81 Hình 4.7b Mơ dịng áp pha Converter với lưới để thấy rõ đổi chiều dòng điện 3,3s 81 Hình 4.29 Mơ dịng Converter đcưa vào mạch kích từ rotor thời điểm tốc độ rotor thay đổi qua điểm đồng 82 Hình 4.30 Mơ dịng chiều Inverter ắc quy 82 Hình 4.31 Mơ điện áp chiều đo ắc quy 83 Hình 4.32 Mơ dung lượng đo ắc quy thay đổi theo chế độ tích phóng lượng trao đổi với mạch rotor DFIG 83 Hình 4.32a Khi Vdc=1 (pu), dịng điện qua Converter phát vào lưới khơng có đổi chiều 84 Hình 4.32b Khi tăng Vdc=1,1 (pu), dịng điện qua Converter phát vào lưới tăng lên 84 74 cu PBC rq di  = rq dt    r i   e sq'  b sd'  d u   D( ).(ird  ird ) rq rd (4.43) sq Với hệ số suy giảm D(  ) chọn cho hàm trữ lượng biến điều khiển giữ đặc điểm thụ động Từ điều chỉnh dòng tựa thụ động ta thấy đảm bảo tách kênh nhờ bù tương tác chéo hai thành phần  r ird  r irq Số hoá điều chỉnh ird Bộ điều chỉnh thực thực hệ thống xử lý tín hiệu số (DSP) Vì vậy, để áp dụng thực tiễn cần mô hệ thống dạng số Gián đoạn hoá điều chỉnh (4.36) dạng sai phân lùi biểu thức (4.36) ta được: 1 a  e    u PBC = 3ird (k )  4ird (k  1)  ird (k  2)  i  (k )  r i  (k )   sq' (k ) rd rq rd c 2T c c c b d  D( ) '    sd (k )  u (k )  ird (k )  ird (k ) c c sq c     (4.44)  thành phần dird thực xấp xỉ bậc hai: dt   dird    = 3ird (k )  4ird (k  1)  ird (k  2) dt 2T  (4.45) Số hoá điều chỉnh irq Tương tự thành phần ird ta thực sai phân lùi kết quả: 1  a  e u PBC = 3irq (k )  4irq (k  1)  irq (k  2)  i  (k )  r i  (k )   sd' (k ) rq c 2T c rd c rq c b d D (  ) '     sq (k )   u (k )  irq (k )  irq (k ) (4.46) c c sq c    thành phần  dirq dt  xấp xỉ bậc hai:  dird    = 3ird (k )  4ird (k  1)  ird (k  2) dt 2T  (4.47) 75 4.3.4 Mơ hình điều khiển phía lưới Converter 1, [6-7] Mạch điện rút gọn lưới biểu diễn hình 4.20a Bộ biến đổi phía lưới thường nối với lưới thông qua lọc gồm điện cảm Lc , tụ C f điện trở R f Điện trở cuộn kháng Lc biểu thị Rc Mạch điện tương đương lưới biểu diễn hình 4.18b Các phương trình sau tương ứng với mạch điện tương đương lưới hình 4.18b: u c = Rc i c  Lc di c  un dt (4.48) ic = in  i f (4.49) Trong đó, u c i c điện áp dòng điện biến đổi phía lưới, u n i n điện áp dòng lưới, i f dòng chảy qua nhánh song song R f C f lọc a) b) Hình 4.20 Mạch điện phía lưới a) mơ hình phía lưới b) Áp dụng phép biến đổi tọa độ cho phương trình (4.38) (4.39) ta phương trình sau với biến hệ trục tọa độ dq : 76 u c = Rc i c  Lc di c  jn Lc i c  u n dt (4.50) ic = in  i f (4.51) với n tốc độ góc từ trường phía lưới n = s Biến đổi phương trình với n = s ta có di n 1 =  i n  j s i n  u c  (u n  Rc i f  js Lc i f ) dt Tc Lc Lc với Tc = (4.52) Lc Rc Viết lại phương trình (4.49) cho thành phần d q dịng điện lưới ta có: dind 1 =  ind  s inq  ucd  (und  Rci fd  s Lc i fq ) dt Tc Lc Lc dinq dt = 1 inq  s ind  ucq  (unq  Rci fq  s Lci fd ) Tc Lc Lc (4.53) (4.54) Sau số phép biến đổi, phương trình (4.53) (4.54) trở thành dind 1 =  ind  s inq  ucd  Cnd und  Cnqunq  dt Tc Lc (4.55) 1 inq  s ind  ucq  Cnqund  Cnd unq  Tc Lc (4.56) dinq dt = với C nd C nq số định nghĩa sau: C nd = 2 2 2   s R f C f  s Rc R f C f  s Lc C f Lc  s2 R 2f C 2f  C nq = Lc   s3 Lc R f C 2f   s Rc C f    s2 R 2f C 2f           Mơ hình khơng gian trạng thái lưới biểu diễn sau: x n = A n x n  Bcuc  B nu n (4.57) y n = Cn x n (4.58) với x n = ind inq T , uc = ucd ucq T , u n = und unq T , y n = ind inq T , 77  T c An =    s   s   C  B n =  nd 1  Cnq  Tc   L Cnq  c  , Bc =  Cnd      0 0  , Cn =   1 0 1 Lc  Kết luận hệ nguồn lai PV-DFIG-B: Tới cho thấy nghiên cứu làm sáng tỏ mơ hình cấu trúc, chức nhiệm vụ hệ điều khiển áp dụng cho hệ nguồn Trong đó, khâu chiều xem BUS trung gian, điểm kết nối chung biến đổi chi phối hoạt động hệ cách đồng Converter DC/DC có chức khâu tăng áp cho phép công suất chạy theo hướng từ PV sang BUS chiều Trong đó, Inverter Inverter lại có khả truyền công suất theo hai hướng ngược DC/AC hoạc AC/DC thùy theo chế độ máy phát làm việc chế độ đồng hay đồng Để làm rõ thêm hoạt động hệ nguồn lai này, ta mơ hình hóa hệ thống mơ matlab simulink Tuy nhiên, giới hạn đề tài nên mô đề cập đến hoạt động Inverter Inverter 4.4 MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG [8] 4.4.1 Cấu trúc mô Cấu trúc mô hệ nguồn lai PV-DFIG-B xây dựng matlab simulink hình 4.21 [84] 78 [Vabc_B1] Vabc A A [Iabc_B1] Iabc [Iabc_stator] Iabc aB [Tm] Tm B b [wr] a A a B b [angle_rotor] B b m A C c C C c B1 C B_stator c DFIG [Iabc_grid_conv] Scope2 Iabc A A B B C C A Ure f a A B b + Iabc A C1 - B b C c c C onverter C onverter B_grid_conv A a B - C C choke + B [Iabc_rotor] Ure f C B_rotor_conv Out1 Out2 Out3 [Theta_Freq] Out4 [Beta] [Vdc] Multimeter [Tm] Wind (m/s)Out1 Subsystem2 R1 Subsystem1 C urrent Measurement L + + i C g C3 - T + IGBT v E - s + PV module S Diode Controlled Current Source 25doC m [Q_B1] Out2 Wind (m/s) T Out1 Subsystem C2 m VM1 I _ Uout 1000 w/m2 BATTERY V D I MPPT Hình 4.21 Cấu trúc mơ hoạt động hệ thống Trong đó, mơ hình nghiên cứu gồm phần tử sau: - Máy phát điện sức gió kiểu DFIG - Hai biến đổi Inverter Inverter nối kiểu Back to Back (AC/DC/AC) - Khối chiều trung gian BUS có kết nối với Battery - Khối tạo tín hiệu gió thay đổi - Tải máy phát thể phụ tải tập trung có kết nối lưới 4.4.2 Mơ hoạt động hệ nguồn lai Trong phạm vi nghiên cứu đề tài mô số hoạt động đặc trưng sau: - Mô tốc độ turbine thay đổi theo tốc độ gió thay đổi; Scope1 79 - Mơ nhằm làm rõ nguyên lý hoạt động hệ nguồn lai, tương tác nguồn trình trao đổi lượng hệ, tính điều khiển hai biến đổi Converter1, Converter2, V.V 1) Mô hoạt động hệ thống tốc độ gió thay đổi Giả thiết tốc độ gió thay đổi theo quy luật (*) sau: Thời gian (s) 35 Tốc độ gió (m/s) 4 10 10  Khi tốc độ gió thay đổi làm tốc độ rotor thay đổi theo, kết mơ hình 4.22 1.15 n rotor (pu) 1.1 1.05 0.95 0.9 10 15 20 25 30 35 time (s) Hình 4.22 Mơ tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió 2) Mơ hoạt động biến đổi phía lưới – Converter 1:  Điện áp phát đầu cực phía stator có dạng sin ổn định sau khoảng thời gian 0,15s kể từ khởi động Kết mô rõ hình 4.23 U luoi (pu) -1 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 time (s) 0.12 0.14 0.16 Hình 4.23 Mơ điện áp pha stator DFIG 0.18 0.2 80  Trong đó, dòng điện stator thay đổi biên độ ảnh hưởng tốc độ rotor, hình 4.25 Nhưng tần số khơng đổi biên dạng đảm bảo có dạng sin thời điểm hình 4.26 (trích kết khoảng 4,0s đến 4,2s) I stator (A) 0.5 -0.5 -1 10 15 20 25 30 35 Time (s) Hình 4.24 Mơ dịng stator có giá trị biên độ thay đổi I stator (A) 0.5 -0.5 4.02 4.04 4.06 4.08 4.1 Time (s) 4.12 4.14 4.16 4.18 4.2 Hình 4.25 Mơ dịng stator có tần số khơng đổi biên dạng ln sin (trích khoảng thời gian từ 4,0s đến 4,2s  Theo nguyên lý hoạt động DFIG, dòng điện phát từ rotor qua Inverter lên lưới có tần số khơng đổi tần số lưới, thay đổi biên độ hướng công suất tùy theo tốc độ rotor (phụ thuộc tốc độ gió mức tải) Kết mô hình 4.26, 4.27 Hình 4.26 Mơ dịng điện rotor phát lên lưới quaInverter 81 Hình 4.27a Mơ dòng điện trao đổi lưới Inverter Hình 4.7b Mơ dịng áp pha Converter với lưới để thấy rõ đổi chiều dịng điện 3,3s Trên hình 4.27 cho thấy: Khi qua thời điểm 3,3s hướng cơng suất đổi chiều, dịng điện pha abc chậm lại góc 900 Trước đó, tốc độ đồng cơng suất phát từ phía chiều qua Inverter lên lưới sau ngược lại 3) Mơ hoạt động biến đổi phía rotor - Converter 2:  Theo nguyên lý hoạt động DFIG, dòng điện trao đổi Inverter mạch rotor có tần số thay đổi ln phù hợp với tốc độ rotor theo quy luật đảm bảo cho ổn định tần số mạch stator Thực chất, dịng kích từ cho DFIG Kết mơ hình 4.28 82 Hình 4.28 Mơ dịng Converter đcưa vào mạch kích từ rotor thời điểm tốc độ rotor thay đổi qua điểm đồng Quan sát hình 4.29 thấy: Tại thời điểm 2,5s, tốc độ rotor thay đổi từ đồng xuống đồng bộ, dịng kích từ giảm tần số suy biến thành chiều (tại tốc độ đồng bộ) đổi chiều tăng dần tần số Tương tự vậy, thời điểm 11,5s tần số dịng kích từ lại thay đổi ngược lại tốc độ rotor thay đổi từ đồng lên đồng 4) Mô chế độ trao đổi lượng mạch rotor với ắc quy (khối chiều)  Trên hình 4.30 mơ dịng chiều trao đổi giưa Inverter với ắc quy: - Trong khoảng thời gian đầu (0s - 2,5s) tốc độ rotor giảm, lượng thu từ DFIG qua biến đổi Inverter giảm thể qua dịng điện tích trữ vào ắc quy giảm - Trong vùng tốc độ rotor động (2,5s – 12s), dịng ắc quy có giá trị âm nghĩa dòng qua Inverter đổi chiều, lượng kích từ lúc huy động từ ắc quy Dong dien ac quy (A) 500 -500 10 15 20 25 30 Time (s) Hình 4.29 Mơ dịng chiều Inverter ắc quy 35 83  Tương tự trên, điện áp ác quy có thay đổi theo hình 4.30 dung lượng ắc quy thay đổi theo chế độ tích, phóng hình 4.31 Dien ap khoi Vdc (V) 1600 1500 1400 1300 1200 1100 10 15 20 25 30 35 30 35 Time (s) Hình 4.30 Mơ điện áp chiều đo ắc quy Dung luong ac quy (%) 81 80.5 80 79.5 10 15 20 25 Time (s) Hình 4.31 Mơ dung lượng đo ắc quy thay đổi theo chế độ tích phóng lượng trao đổi với mạch rotor DFIG 4) Mô ảnh hưởng điện áp khối chiều: Để Converter ln phát cơng suất vào lưới thực cách tăng điện áp khối chiều Giả thiết tăng điện áp chiều 10%, kết thu mơ hình 32a,b so sánh tăng Vdc = lên Vdc = 1,1 84 Hình 4.32a Khi Vdc=1 (pu), dịng điện qua Converter phát vào lưới khơng có đổi chiều Hình 4.32b Khi tăng Vdc=1,1 (pu), dòng điện qua Converter phát vào lưới tăng lên KẾT LUẬN CHƯƠNG Kết nghiên cứu chương cụ thể hóa nội dung nêu chương chương Mô tả rõ cấu trúc hệ nguồn lai PV-DFIG-B, mô số chế độ vận hành điển hình DFIG Đặc biệt mơ q trình đổi chiều cơng suất mạch rotor làm rõ chất vật lý trình trao đổi lượng hệ thống, đồng thời sáng tỏ nguyên lý không đồng (dị bộ) DFIG, vai trò biến tần biến đổi phía rotor (phía máy phát) ln giữ tần số mạch stator không đổi tốc độ quay rotor thay đổi Kết mô rằng, tốc độ rotor thay đổi tần số dòng rotor thay đổi theo tốc độ chuyển từ đồng xuống đồng tần số dịng rotor đổi dấu ngược lại Tại trạng thái rotor quay với tốc độ đồng dịng mạch rotor chiều 85 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Nội dung luận văn đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề tài Những nghiên cứu tổng quan cho thấy vai trò quan việc ứng dụng khai thác nguồn lượng tái tạo vào phục vụ nhu cầu người giai đoạn tương lai sau Việc ứng dụng lượng mặt trời lượng gió để phát điện hình thành nguồn phân tán cấu hệ thống điện Việt Nam vấn đề cấp thiết, phù hợp với bối cảnh tồn cầu nói chung Việt nam nói riêng Những nghiên cứu riêng nguồn điện sử dụng lượng gió lượng mặt trời chương chương thể kỹ lưỡng, tạo sở cho chương xây dựng hệ nguồn phát điện lai kết hợp pin mặt trời hệ máy phát turbine gió Thêm nữa, tổ hợp cịn có tham gia battery đóng vai trị kho lưu trữ điện nâng cao tính ổn định hệ nguồn lai Dựa cấu trúc mơ hình hệ nguồn lai tổng qt, chương cịn sâu phân tích mơ tả tốn học máy phát không đồng nguồn kép (gọi tắt DFIG) sử dụng hệ nguồn Giới thiệu kỹ lưỡng cấu trúc hệ điều khiển hai biến đổi D/C A/C đấu nối tựa lưng với thông qua khối chiều trung gian DC Đây khối trực tiếp thực trình trao đổi lượng hai chiều mạch rotor DFIG, đồng thời đảm bảo cố định tần số mạch stator tốc độ quay rotor thay đổi - Hệ điều khiển đại áp dụng cho kỹ thuật Phần cuối chương mô hình hóa mơ thành cơng số chế độ hoạt động DFIG có tham gia battery Kết mơ có đóng góp lớn việc làm rõ cấu trúc nghiên cứu lý thuyết DFIG Từ kết nghiên cứu luận văn, số vấn đề đặt cho hướng nghiên cứu hệ nguồn Tạo sức lôi phát triển nguồn lượng tái tạo Đóng góp luận văn: Tác giả xem sản phẩm đóng góp thiết thực cho nguồn tài liệu học tập nghiên cứu sinh viên, học viên quan tâm đến lĩnh vực lượng tái tạo, nguồn phân tán hay nghiên cứu hệ máy phát turbine sức gió 86 KIẾN NGHỊ Trên sở kết nghiên cứu luận văn tác giả có số đề xuất: - Hồn thiện kết nghiên cứu trở thành tài liệu tham khảo cho sinh viên đại học học viên cao học chuyên ngành - Tiếp tục nghiên cứu trình đổi chiều công suất mạch rotor tốc độ quay rotor thay đổi qua tốc độ đồng bộ, xét ảnh hưởng dịng chiều đến q trình điện từ tác động học khác - Hoàn thiện điều khiển cho toàn hệ thống nghiên cứu Triển khai áp dụng thực tế 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Gilbert M Masters (2004), “Renewable and Efficient Electric Power Systems”,John Wiley & Sons, Inc Hoboken, New Jersey, ISBN 0-471-28060-7 [2] Leon Freris, David Infield (2008), “Renewable Energy in Power Systems” John Wiley & Sons, Ltd, ISBN 978-0-470-01749-4 [3] By S Muller, m Deicke, & RiKw De Doncker, “Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines”IEEE Industry applications Magazine, May-June 2002 WWW IEEE ORG/IAS [4] Seulki KIM, Jinhong JEON, Changhee CHO, Jongbo AHN “Control Degign and Perfomance Analysys of Grid Interactivewind/PV/BESS Hybrid system”,C I R E D19th International Conference on Electricity Distribution, Vienna, 21-24 May 2007 [5] Nguyễn Phùng Quang, Máy điện dị nguồn kép dùng làm máy phát hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật tốn điều chỉnh bảo đảm phân ly mômen hệ số công suất VICA3- 2998 [6] Đặng Danh Hoằng, “Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng nguồn kép dùng hệ thống phát điện chạy sức gió phương pháp điều khiển phi tuyến, Luận án TS, TNUT 2012 [7] Nguyễn Thị Mai Hương, “Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng nguồn kép” Luận án TS, TNUT 2012 [8] Wind Farm (DFIG Avegage Model) Matlab simulink 2008 [9] Các địa link Internet: American Wind Energy Association http://www.awea.org Danish Wind Industry Association Guided Tour on Wind Energy http://www.windpower.org/ Energy Information Administration, U.S Department of Energy http://www.eia.doe.gov National Wind Coordinating Council http://www.nationalwind.org 88 National Wind Technology Center, National Renewable Energy Laboratory, U.S Department of Energy http://www.nrel.gov/wind Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S Department of Energy http://www.eere.energy.gov/windpoweringamerica/ The British Wind Energy Association http://www.offshorewindfarms.co.uk Offshore Windenergy in Europe http://www.offshorewindenergy.org Massachusetts Technology Collaborative http://www.masstech.org/RenewableEnergy/green_power/outreach/offshore_cape.htm Australian Wind Energy Association http://www.auswea.com.au British Wind Energy Association http://www.britishwindenergy.co.uk/main.html Canadian Wind Energy Association http://www.canwea.ca Danish Wind Energy Association http://www.windpower.dk European Wind Energy Association http://www.ewea.org Irish Wind Energy Association http://www.iwea.com New Zealand Wind Energy Association http://www.windenergy.org.nz South African Wind Energy Association http://www.icon.co.za/~sawea/ ... hình hệ nguồn phát điện sử dụng lượng mặt trời - Mơ hình hệ nguồn phát điện sử dụng lượng gió - Hệ nguồn phát điện lai sử dụng pin mặt trời máy điện gió Trong đó, áp dụng hệ điều khiển đại cho biến. .. tiêu nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sử dụng lượng gió mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển đại cho biến đổi DAC” xây dựng mơ hình khai thác cách hiệu cho nguồn điện sử dụng. .. tài luận văn tốt nghiệp ? ?Nghiên cứu hệ nguồn phát điện sức gió mặt trời có áp dụng phương pháp điều khiển đại cho biến đổi DC/ AC? ?? Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn Thầy