Mô hình và mô phỏng máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU SINH VIÊN : LÊ KHIÊM MSSV : 15058701 LỚP : DHDI11A GVHD : TS PHẠM CÔNG DUY TP HCM, NĂM 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Khiêm, MSSV: 15058701 Tên đề tài: MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Nhiệm vụ - Tìm hiểu trạng lượng gió dự án điện gió nước, đặc biệt khu vực Ninh Thuận Bình Thuận - Xây dựng mơ hình turbine - Xây dựng mơ hình máy phát - Mô hệ thống - Khảo sát kết Kết dự kiến - Lý thuyết máy phát điện gió đồng nam châm vĩnh cửu - Mơ hình mơ máy phát điện gió đồng nam châm vĩnh cửu Matlab - Kết mô máy phát điện gió đồng nam châm vĩnh cửu Matlab Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng Sinh viên Trưởng môn i năm 2019 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii MỤC LỤC PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC HÌNH vi DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Phân tích nhu cầu phát triển lượng gió Việt Nam 1.1.1 Tình hình lượng nước 1.1.2 Những mạnh lượng gió Việt Nam 1.1.3 Thực trạng lượng gió nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Giới thiệu chung phần mềm mô CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .11 2.1 Giới thiệu turbine gió 11 2.1.1 Cấu tạo tuabin gió .11 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 12 2.2 Mơ hình tốn học turbine máy phát đồng nam châm vĩnh cửu 13 2.2.1 Mơ hình tốn học turbine .13 2.2.2 Máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) 17 2.3 Điều khiển biến tần 22 2.3.1 Giới thiệu biến tần 22 2.3.2 Cấu tạo nguyên lý 22 iii 2.3.3 Điều khiển biến tần phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM) 24 2.4 Điều khiển PID 26 2.5 Các chuyển đổi .27 2.5.1 Bộ chuyển đổi dq0_abc 27 2.5.2 Bộ chuyển đổi abc_dq0 28 2.5.3 Bộ chuyển đổi PLL (Phase Lock Loop) .29 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG .30 3.1 Xây dựng mơ hình điều khiển 30 3.1.1 Mơ hình điều khiển góc nghiêng cánh quạt 30 3.1.2 Mơ hình điều khiển phía máy phát 31 3.1.3 Mơ hình điều khiển phía lưới 32 3.2 Mơ hệ thống turbine gió dùng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu 33 3.2.1 Mô khối Turbine 34 3.2.2 Mô máy phát PMSG 37 3.2.3 Biến tần điều khiển 42 3.2.4 Hệ thống truyền tải kết nối lưới điện .47 3.2.5 Khối đo lường Measurements .52 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55 4.1 Mơ với tốc độ gió ổn định 55 4.1.1 Kết khối Scope Turbine .55 4.1.2 Kết khối Scope Generator 56 4.1.3 Kết mô điện áp chiều 57 4.1.4 Kết mô khối máy phát 57 4.1.5 Kết mơ thành phần phía lưới 60 4.2 Mô với tốc độ gió khơng ổn định 62 iv 4.2.1 Tốc độ gió nằm vùng – 25 m/s .62 4.2.2 Tốc độ gió vùng lớn 25 m/s .64 4.2.3 Tốc độ gió vùng nhỏ m/s 66 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 LỜI CẢM ƠN 70 v DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Cơ cấu cơng suất nguồn điện năm 2014 (Nguồn: Trung tâm điều độ Hệ thống điện Quốc gia năm 2015) Hình 1.2 Cơng suất điện gió lắp đặt Việt Nam từ 2008 – 2017 (Nguồn: International Renewable Energy Agency (IRENA)) .6 Hình 1.3 Cánh đồng gió nhà máy điện Tuy Phong (Nguồn: Internet) Hình 1.4 Cánh đồng gió nhà máy điện gió Bạc Liêu (Nguồn: Internet) Hình 2.1 Cấu tạo turbine gió (Nguồn: VNEEP) 11 Hình 2.2 Sơ đồ khối thành phần turbine gió .12 Hình 2.3 Sự phụ thuộc Cp vào λ β 14 Hình 2.4 Sự phụ thuộc cơng suất turbine vào tốc độ gió tốc độ quay rotor máy phát 15 Hình 2.5 Động PMSM cực lồi [4] 19 Hình 2.6 Động PMSM cực ẩn [4] 19 Hình 2.7 Mơ hình máy phát nam châm vĩnh cửu hệ quy chiếu dq[10] 20 Hình 2.8 Sơ đồ khối biến tần 22 Hình 2.3 Cấu hình chỉnh lưu dùng IGBT/Diode .23 Hình 2.4 Cấu hình nghịch lưu IGBT/Diode 24 Hình 2.9 Nguyên lý tạo xung PWM[3] 25 Hình 2.10 Sơ đồ khối điều khiển PID matlab 27 Hình 2.11 Sơ đồ khối mô khối dq0_abc Transformation matlab 28 Hình 2.12 Sơ đồ khối mơ khối abc_dq0 matlab 29 Hình 2.13 Sơ đồ mô khối PLL matlab .29 Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển turbine gió 30 Hình 3.2 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển góc nghiêng cánh quạt 31 Hình 3.3 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển phía máy phát 31 vi Hình 3.4 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển phía máy phát 32 Hình 3.5 Hộp thoại tham số cấu hình khối powergui 34 Hình 3.6 Bên khối cp (lambda, beta) 35 Hình 3.7 Mơ hình xây dựng khối turbin .35 Hình 3.8 Khối turbine sau Create Mask 36 Hình 3.9 Hộp thoại thông số turbine 36 Hình 3.10 Bên khối điều khiển góc nghiêng cánh quạt 37 Hình 3.11 Mơ hình mơ khối turbine hồn chỉnh .37 Hình 3.12 Hộp thoại cấu hình khối PMSG 38 Hình 3.13 Hộp thoại tham số khối PMSG 39 Hình 3.14 Các thành phần bên khối PMSG 40 Hình 3.15 Mơ hình mơ phần điện khối PMSG 41 Hình 3.16 Mơ hình mơ phần khối PMSG 41 Hình 3.17 Khối đo giá trị khối PMSG 42 Hình 3.18 Hộp thoại thông số khối Universal Bridge 43 Hình 3.19 Mơ hình mơ khối VSI-Ge-Reg 44 Hình 3.20 Mơ hình mơ khối Current_Reg 44 Hình 3.21 Hộp thoại tham số khối PWM .45 Hình 3.22 Mơ hình mơ khối VSI-Gr-Reg 46 Hình 3.23 Mơ hình mơ khối bus ba pha 47 Hình 3.24 Hộp thoại khối Three Phase V-I Measurements 48 Hình 3.25 Hộp thoại tham số khối MBA 690/35kV 49 Hình 3.26 Hộp thoại tham số khối MBA 35kV/120kV .49 Hình 3.27 Hộp thoại tham số đường dây 50 Hình 3.28 Hộp thoại tham số nguồn ba pha 51 Hình 3.29 Hộp thoại thông số tải ba pha 52 vii Hình 3.30 Mơ hình khối Measurements .52 Hình 3.31 Mơ hình mơ turbine gió dùng PMSG nối lưới 54 Hình 4.1 Kết mơ khối turbine 55 Hình 4.2 Kết mơ dịng điện, tốc độ, moment máy phát .56 Hình 4.3 Dạng sóng điện áp chiều 57 Hình 4.4 Kết mơ khối Generator Power Scope 58 Hình 4.5 Dạng sóng điện áp máy phát 58 Hình 4.6 Dạng sóng điện áp, dịng điện, cơng suất máy phát sau giảm thời gian mô .59 Hình 4.7 Kết mơ khối Grid Power Scope 60 Hình 4.8 Dạng sóng điện áp, dịng điện, cơng suất phát vào lưới giảm thời gian mô .61 Hình 4.9 Kết phân tích Fourier dịng điện hịa lưới .61 Hình 4.10 Khối scope turbine vùng tốc độ gió – 25 m/s 62 Hình 4.11 Khối scope generator vùng tốc độ gió – 25 m/s 62 Hình 4.12 Điện áp chiều vùng tốc độ gió – 25 m/s .63 Hình 4.13 Các thành phần điện phía lưới vùng tốc độ gió – 25 m/s 63 Hình 4.14 Kết phân tích Fourier dịng điện hịa lưới vùng tốc độ gió – 25 m/s .64 Hình 4.15 Khối scope turbine vùng tốc độ gió lớn 25 m/s .64 Hình 4.16 Khối scope power generator vùng tốc độ gió lớn 25 m/s 65 Hình 4.17 Các thành phần điện phía lưới vùng tốc độ gió lớn 25 m/s .65 Hình 4.18 Kết khối scope turbine vùng tốc độ gió nhỏ m/s 66 Hình 4.19 Khối scope power generator vùng tốc độ gió nhỏ m/s 66 Hình 4.20 Các thành phần điện phía lưới vùng tốc độ gió nhỏ m/s 67 viii DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tiềm năng lượng gió độ cao 80m (Nguồn: Thơng tin lượng gió Việt Nam – Dự án lượng gió GIZ, 2011) Bảng 4.1 Các giá trị đo khối turbine scope điểm thời gian xác định 56 Bảng 4.2 Các giá trị đo dòng điện, tốc độ moment máy phát thời điểm xác định .57 Bảng 4.3 Các giá trị mô biên độ dịng điện, cơng suất thực, cơng suất phản kháng máy phát .58 Bảng 4.4 Các giá trị thành phần phía lưới điểm thời gian xác định 60 ix Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Bảng 4.1 Các giá trị đo khối turbine scope điểm thời gian xác định Vận tốc gió 12m/s 15m/s 7m/s Điểm thời gian Giây thứ Giây thứ 15 Giây thứ 30 Tốc độ rotor(rad/s) 2.206 2.361 1.29 Góc nghiêng(deg) 4.27 Moment cơ(N.m) -895000 -1000000 -304000 4.1.2 Kết khối Scope Generator Hình 4.2 Kết mơ dịng điện, tốc độ, moment máy phát 56 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Bảng 4.2 Các giá trị đo dòng điện, tốc độ moment máy phát thời điểm xác định Vận tốc gió 12m/s 15m/s Giây thứ Giây thứ 15 Giây thứ 30 Biên độ dòng điện phát(A) 2457 2679 1126 Tốc độ máy phát(rad/s) 2.206 2.361 1.289 -879500 -1000000 -304900 Điểm thời gian Moment điện(N.m) 7m/s 4.1.3 Kết mơ điện áp chiều Hình 4.3 Dạng sóng điện áp chiều Khi tốc gió thay đổi, dạng sóng điện áp chiều có thay đổi thời gian xác lập, sau thời gian xác lập điện áp giữ giá trị tham chiếu 1200V 4.1.4 Kết mô khối máy phát 57 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Hình 4.4 Kết mô khối Generator Power Scope Bảng 4.3 Các giá trị mô biên độ dịng điện, cơng suất thực, cơng suất phản kháng máy phát Vận tốc gió 12m/s 15m/s 7m/s Giây thứ Giây thứ 15 Giây thứ 30 Biên độ dòng điện phát(A) 2457 2679 1126 Công suất thực(MW) 1.927 2.361 0.384 Công suất phản kháng(MVA) -0.87 -1.217 -0.062 Điểm thời gian Hình 4.5 Dạng sóng điện áp máy phát 58 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Hình 4.6 Dạng sóng điện áp, dịng điện, cơng suất máy phát sau giảm thời gian mơ 59 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm 4.1.5 Kết mô thành phần phía lưới Hình 4.7 Kết mơ khối Grid Power Scope Bảng 4.4 Các giá trị thành phần phía lưới điểm thời gian xác định Vận tốc gió 12m/s 15m/s 7m/s Giây thứ Giây thứ 15 Giây thứ 30 Biên độ dòng điện hịa lưới(A) 2457 2679 1126 Cơng suất thực phía lưới (MW) 1.909 2.335 0.383 Công suất phản kháng lưới(MVA) -0.042 0.0053 -0.027 Điểm thời gian 60 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Hình 4.8 Dạng sóng điện áp, dịng điện, công suất phát vào lưới giảm thời gian mơ Sử dụng chức phân tích Fourier khối powergui xác định méo hài tổng dạng sóng dịng điện hịa lưới Hình 4.9 Kết phân tích Fourier dịng điện hịa lưới 61 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Xác định méo hài tổng dạng sóng dịng điện hịa lưới 1.52%, nằm điều kiện hòa lưới lưới điện quốc gia 4.2 Mơ với tốc độ gió khơng ổn định 4.2.1 Tốc độ gió nằm vùng – 25 m/s Hình 4.10 Khối scope turbine vùng tốc độ gió – 25 m/s Hình 4.11 Khối scope generator vùng tốc độ gió – 25 m/s 62 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Hình 4.12 Điện áp chiều vùng tốc độ gió – 25 m/s Hình 4.13 Các thành ph ần điện phía lưới vùng tốc độ gió – 25 m/s 63 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Hình 4.14 Kết phân tích Fourier dịng điện hịa lưới vùng tốc độ gió – 25 m/s 4.2.2 Tốc độ gió vùng lớn 25 m/s Hình 4.15 Khối scope turbine vùng tốc độ gió lớn 25 m/s 64 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Hình 4.16 Khối scope power generator vùng tốc độ gió lớn 25 m/s Hình 4.17 Các thành ph ần điện phía lưới vùng tốc độ gió lớn 25 m/s Nhận xét: Tại vùng tốc độ gió này, turbine khơng hoạt động Các giá trị moment cơ, tốc độ máy phát, công suất máy phát dao động gần 65 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm 4.2.3 Tốc độ gió vùng nhỏ m/s Hình 4.18 Kết khối scope turbine vùng tốc độ gió nhỏ m/s Hình 4.19 Khối scope power generator vùng tốc độ gió nhỏ m/s 66 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm Hình 4.20 Các thành ph ần điện phía lưới vùng tốc độ gió nhỏ m/s Nhận xét: Tại vùng tốc độ gió này, turbine không hoạt động Các giá trị moment cơ, tốc độ máy phát, công suất máy phát dao động gần Kết luận: Vậy tốc độ gió nằm ngồi vùng – 25 m/s turbine gió ngưng hoạt động khơng phát điện lên lưới điện để tránh ảnh hưởng đến máy phát lưới điện 67 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Các nội dung thực hiện: - Phân tích xu hướng phát triển lượng gió Việt Nam - Tìm hiểu nguyên lý trình chuyển đổi lượng gió sang lượng điện - Xây dựng lý thuyết máy phát điện gió dùng động đồng nam châm vĩnh cửu - Xây dựng mơ hình mơ hệ thống điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu nối lưới Qua q trình mơ cho thấy: - Điều khiển công suất phát phụ thuộc vào hệ thống điều khiển tốc độ rotor máy phát - Để ổn định điện áp, tần số, công suất phát vào lưới phụ thuộc vào hệ thống điều khiển biến tần phía lưới tần số đóng cắt thiết bị điện tử công suất - Các số liệu kết qua q trình mơ tương đối cịn có sai lệch nhỏ, chưa đạt giá trị mong muốn cách xác Hướng phát triển đề tài: - Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển phương pháp MPPT - Đề tài nghiên cứu lý thuyết mơ hình mơ phỏng, hướng phát triển đề tài nghiên cứu vào q trình xây dựng mơ hình thực tế Vì quy mơ việc nghiên cứu thức tế đề tài lớn nên cần đòi hỏi chia nhỏ nhiều phần để dễ dàng thực hiện:  Phần khí động lực học  Phần điện tử cơng suất  Phần điều khiển máy điện  Phần điều khiển tự động Cần có kết hợp phận để hồn thành mơ hình thực tế cách hoàn chỉnh đạt kết mong muốn 68 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viktor Perelmuter, Renewable energy systems: Simulation with Simulink® and SimpowerSystemTM, CRC Press Taylor & Francis Group, 2016 [2] Abdel-Raheem Youssef, Ahmed I.M Ali⁎, Mahmoud S.R Saeed, Essam E.M Mohamed Advanced multi-sector P&O maximum power point tracking technique for wind energy conversion system Department of Electrical Power and Machines Engineering, Faculty of Engineering, South Valley University, Qena, Egypt, 2019 [3] Đặng Văn Hồng Nghiên cứu ứng dụng biến tần phát điện gió Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 [4] Quách Duy Khánh Tìm hiểu mơ động đồng nam châm vĩnh cửu Đồ án tốt nghiệp đại học hệ quy ngành điện cơng nghiệp, trường Đại học Dân lập Hải Phòng, 2016 [5] Trần Thanh Ngọc, MATLAB & ứng dụng kỹ thuật điện, NXB Đại Học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, 2016 [6] Nguyễn Quốc Khánh, GIZ/MoIT 2011, Thơng tin lượng gió Việt Nam, http://gizenergy.org.vn/vn/knowledge-resources/giz-publications/publications [7] Bộ Công Thương, 2011, Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 2020, có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII) [8] International Renewable Energy Agency - Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA, Wind energy) https://www.irena.org/wind [9] VNEEP, Khoa học – Cơng nghệ Ngun lý làm việc turbine gió http://nangluongvietnam.vn/news/vn/khoa-hoc-va-cong-nghe/nguyen-ly-lam-viec-cuatuabin-gio.html [10] Chia-Nan Wang, Wen-Chang Lin, and Xuan-Khoa Le Research Article Modelling of a PMSG Wind Turbine with Autonomous Control Industrial Engineering and Management Department, National Kaohsiung University of Applied Sciences, 415 Chien Kung Road, Sanmin District, Kaohsiung 80778, Taiwan, 2014 [11] Theo TCĐL Chuyên đề Quản lý & Hội nhập Đến Ninh Thuận, “hóng” chuyện điện gió https://www.evn.com.vn/d6/news/Den-Ninh-Thuan-hong-chuyen-dien-gio141-17-22422.aspx 69 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lê Khiêm LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, động viên đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình q thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến tất giảng viên Khoa Điện tận tình dạy dỗ em kiến thức chun mơn làm sở để hồn thành đề tài tốt nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn tất khóa học Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới giảng viên hướng dẫn TS Phạm Cơng Duy tận tình bảo, gợi ý, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài Trong trình nghiên cứu, cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi tâm cao nhiên lần em làm đồ án đặc biệt nhận thức ứng dụng thực tế em nhiều hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận phê bình góp ý q thầy cô để giúp em hiểu rõ vấn đề khuyết điểm tồn đọng đồ án Em xin chân thành cảm ơn 70 ... Lý thuyết máy phát điện gió đồng nam châm vĩnh cửu - Mơ hình mơ máy phát điện gió đồng nam châm vĩnh cửu Matlab - Kết mơ máy phát điện gió đồng nam châm vĩnh cửu Matlab Giảng viên hướng dẫn Tp... 3.2 Mô hệ thống turbine gió dùng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu Trong mơ hình mơ khơng sử dụng hộp số, mơ turbine có cơng suất định mức 2MW tốc độ gió 12 m/s Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu. .. turnine gió gồm: - Turbine - Máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) - Bộ chỉnh lưu phía máy phát - Bộ nghịch lưu phía lưới - Bộ lọc sóng hài - Máy biến áp - Phần điều khiển Nguyên lý: Khi gió thổi vào