Đồ án tốt nghiệp điện tự động công nghiệp năng lượng gió đi sâu tìm hiểu điểm công suất cực đại cho tuabin gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - ISO 9001:2015 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên : Đào Hữu Tồn Giảng viên hướng dẫn: ThS Ngơ Quang Vĩ HẢI PHÒNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - NĂNG LƯỢNG GIÓ ĐI SÂU TÌM HIỂU ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO TUABIN GIĨ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên : Đào Hữu Tồn Giảng viên hướng dẫn: ThS Ngơ Quang Vĩ HẢI PHÒNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Đào Hữu Toàn Mã SV : 1612102016 Lớp : DC2001 Ngành : Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài: Năng lượng gió sâu tìm hiểu điểm cơng suất cực đại cho tuabin gió NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Các tài liệu, số liệu cần thiết ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Địa điểm thực tập tốt nghiệp ………………………………………………………………………… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên : Ngô Quang Vĩ Học hàm, học vị : Thạc sĩ Cơ quan công tác : Trường Đại học Quản lý Cơng nghệ Hải Phịng Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Đề tài tốt nghiệp giao ngày 30 tháng 03 năm 2020 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 30 tháng 06 năm 2020 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Giảng viên hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng HIỆU TRƯỞNG năm 2020 Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên : Ngô Quang Vĩ Đơn vị công tác : Trường Đại học Quản lý Cơng nghệ Hải Phịng Họ tên sinh viên : Đào Hữu Tồn Chun ngành : Điện Tự Động Cơng Nghiệp Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/khóa luận( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu ) Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc - PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊM CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giảng viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên chấm phản biện ( ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU _ CHƯƠNG LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ _ 10 1.1 Thực trạng lượng môi trường _ 10 1.2 Sự hình thành lượng gió _ 13 1.3 Các đặc trưng lượng gió 14 1.3.1 Tốc độ gió 14 1.3.2 Hướng gió 16 1.4 Ưu điểm lượng gió _ 16 1.5 Nhược điểm lượng gió 17 CHƯƠNG 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ CẤU TẠO TUA BIN GIÓ 19 2.1 Nguyên lý biến đổi lượng gió _ 19 2.2 Phân loại Tua-bin gió _ 22 2.3 Các dạng truyền động _ 23 2.4 Định luật cảm ứng điện từ 25 2.4.1 Trường hợp từ thơng xun qua vịng dây biến thiên 25 2.4.2 Trường hợp dẫn chuyển động từ trường 25 2.5 Định luật lực điện từ 25 2.6 Hòa đồng 26 2.7 Cấu Tạo Tua-Bin Gió _ 27 2.8 Roto gió 30 2.8.1 Hệ thống Roto _ 30 2.8.2 Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Roto 37 2.9 Bộ truyền động phận phanh 39 2.10 Vỏ hệ thống định hướng 40 CHƯƠNG ĐI SÂU TÌM HIỂU ĐIỂM CƠNG SUẤT CƯC ĐẠI CHO TUA BIN GIĨ VÀ MƠ PHỎNG MATLAB 42 3.1 Giới thiệu chung _ 42 3.2 Bộ biến đổi DC-DC 45 3.3 Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter). 46 3.4 Giới hạn MPPT _ 52 3.5 Mơ mơ hình giải thuật Matlab 53 3.6 Kết mô 57 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 60 LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu lượng thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng Tuy nghiên nguồn lượng truyền thống khai thác : than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên thủy điện…đang ngày cạn kiệt Khơng chúng cịn có tác hại xấu mơi trường như: gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon Do đó, việc tìm khai thác nguồn lượng lượng hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió lượng gió cần thiết Việc nghiên cứu lượng gió ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng lượng Năng lượng mặt trời nguồn lượng sạch, dồi dào, hồn tồn miễn phí, khơng gây ô nhiễm môi trường không gây ô nhiễm tiếng ồn … Hiện nay, lượng gió vào sống người, chúng áp dụng rộng rãi dân dụng cơng nghiệp nhiều hình thức khác Năng lượng gió có nhiều ưu điểm ưu việt Vì vậy, cần có phương pháp để theo dõi di chuyển điểm có cơng suất cực đại áp đặt cho hệ thống làm việc Do nên em chọn đề tài: “ Năng lượng gió sâu tìm hiểu điểm cơng suất cực đại cho tuabin gió ” Đề tài trình bày chương: - Chương : Lí thuyết tổng quan lượng gió - Chương : Các lí thuyết cấu tạo tuabin gió - Chương : Đi sâu tìm hiểu điểm công suất cực đại mô Matlab   L cuộn cảm, thiết bị lưu trữ lượng trung bình D diode Nó điều chỉnh hướng dịng điện thời gian S bật tắt R tải Tải bóng đèn, động cơ, ac-quy , Đặc điểm biến đổi DC-DC tăng áp : Dòng áp tồn chế độ xác lập Chu kỳ chuyển mạch T, khóa S đóng khoảng thời gian DT, khóa mở khoảng thời gian (1-D)T Dịng cuộn cảm liên tục Tụ điện lớn, điện áp ngõ số VO Để xây dựng biểu thức tốn học tìm hiểu ngun lý hoạt động dễ dàng linh kiện xem lý tưởng Phân tích trường hợp biến đổi đóng, mở van S Hình 3.4:Các dạng sóng biến đổi DC-DC tăng áp 47  Khi van S đóng (0 - DTs) : Dòng điện iL(t) chạy từ cực dương nguồn qua điện cảm L qua van trở cực âm nguồn dòng điện iC(t) khép vòng qua điện trở R, tụ điện C, khơng có dịng chảy qua điốt D Được mơ tả hình 4.3 Hình 3.5:Bộ biến đổi DC-DC tăng áp đóng khóa S Theo định luật Kirchhoff : VL  VS  L  di L dt di L VS  dt L (3 1) (3 2) Tỉ lệ thay đổi dòng điện số, nên dịng tăng tuyến tính khóa S đóng Thay đổi dịng cuộn dây khóa S đóng : i L i L VS   t DT L  (i L )close  D.T.VS L (3 3) (3 4)  Khi khóa S mở (DTs – Ts) : Dòng điện cuộn day thay đổi tức thời Diot phân cực thuận trì dịng qua cuộn cảm Sơ đồ mạch tương đương hình 4.3 48 Hình 3.6 : Bộ biến đổi DC-DC tăng áp mở khóa S Từ sơ đồ mạch điện dễ dàng tìm điện áp qua cuộn cảm : VL  VS  VO  L  di L dt di L VS  VO  dt L (3 5) (3 6) Tỉ lệ thay đổi dòng cuộn cảm số, nên dòng thay đổi tuyến tính khóa mở Thay đổi dịng cuộn dây khóa S mở : i L i L V  VO   S t 1  D  T L  (i L )open   VS  VO  1  D  T L (3 7) (3 8) Để trạng thái hoạt động ổn định, độ gợn dòng cuộn cảm phải 0: (i L )close  (i L )open   D.T.VS  VS  VO  1  D  T  0 L L  VO  VS 1 D (3 9) (3 10) (3 11) 49 Cũng vậy, điện áp trung bình cuộn cảm phải chu kỳ: VL  VSD   VS  VO  1  D   (3 12) Nếu khóa ln mở D khơng điện áp ngõ điện áp ngõ vào Khi tỉ số D tăng lên nghĩa mẫu số phương trình điện áp VO giảm Kết điện áp ngõ lớn Dịng điện trung bình qua cuộn dây xác định cơng suất trung bình nguồn với cơng suất trung bình tải Công suất ngõ : VO2 PO   VO IO R (3 13) Công suất ngõ vào : PS  VSIS (3 14) Cân phương trình : VO2 VSI L  R  VS / 1  D    R  VS2 1  D  R (3 15) Dịng trung bình qua cuộn cảm : IL  VS 1  D  R VO2  VSR  VO IO VS (3 16) Xác định dòng cuộn cảm lớn nhỏ : IL max  IL  i L VS D.T.VS   2 1  D  R 2L 50 (3 17) I L  I L  i L VS D.T.VS   2 1  D  R 2L (3 18) Vì dịng qua cuộn dây liên tục nghĩa dương, nên Imin dương : I L   VS 1  D  VS 1  D  R  R  D.T.VS 0 2L D.T.VS DVS  2L 2Lf (3 19) (3 20) Điện cảm tối thiểu cho dòng liên tục biến đổi : D 1  D  R  2f Lmin (3 21) Thiết kế biến đổi DC-DC tăng áp để dịng liên tục phải có giá trị cuộn cảm lớn Lmin : L D.T.Vs D.Vs  i L f i L (3 22)  Độ gợn sóng điện áp ngõ : Giả sử điện áp ngõ số, nên xem giá trị điện dung lớn Thực tế điện dung có giá trị giớ hạn nên điện áp ngõ biến thiên gợn sóng Gợn sóng điện áp ngõ tính từ dạng sóng dịng tụ hình 4.2 Thay đổi tụ điện dược tính từ : V  | Q |  O  D.T  C..VO  R  (3 23) Biểu thức điện áp gợn sóng : VO  VO D.T VO D  R.C R.C.f (3 24) Hoặc VO D  VO RCf 51 (3 25) Điện dung tính : C D R  VO / VO  f (3 26) Trở kháng tụ điện góp phần đáng kể vào gợn sóng điện áp ngõ Sự biến thiên dòng qua tụ giống dịng max cuộn cảm (hình 4.2) Gợn sóng điện áp trở kháng tương đương (ESR) : VO,ESR  IC rC  ILmax rC (3 27) 3.4 Giới hạn MPPT Giới hạn MPPT khơng tác động đến tín hiệu xác định điểm làm việc có cơng suất lớn Nó khơng thể lúc tác động lên tín hiệu vào tín hiệu Vì vậy, hệ thống cần điện áp ổn định phải sử dụng đến ắc quy để trì điện áp ổn định Một nhược điểm khác MPPT là: việc xác định điểm làm việc có cơng suất tối ưu dừng lại tải tiêu thụ hết lượng công suất sinh Đối với hệ PV làm việc độc lập có tải bị giới hạn dịng áp lớn phương pháp MPPT dịch chuyển điểm làm việc khỏi điểm MPP gây tổn hao công suất Với hệ này, việc xác định xác dung lượng tải quan trọng để tận dụng hết dung lượng pin mặt trời Ngược lại, hệ PV làm việc với lưới xác định điểm làm việc có cơng suất lớn thừa cơng suất hệ thống bơm vào lưới điện để tăng lợi nhuận Tuy nhiên, hiệu suất biến đổi DC/DC thực tế dùng MPPT không đạt 100% Hiệu suất tăng lên từ phương pháp MPPT lớn hệ thống pin mặt trời cần phải tính đến tổn hao cơng suất biến đổi DC/DC gây Cũng phải cân nhắc hiệu suất giá thành Việc phân tích tính kinh tế hệ thống pin mặt trời với hệ thống cung cấp điện khác việc tìm cách thức khác để nâng cao hiệu suất cho hệ thống pin mặt trời (chẳng hạn dùng máy theo dõi mặt trời) việc làm cần thiết 52 Nhìn chung, ba phương pháp điều khiển thuật toán tương đối giống Nhưng để chọn phương pháp đơn giản, tối ưu phù hợp với nhu cầu thực tế ta nên chọn phương pháp thứ hai điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 3.5 Mơ mơ hình giải thuật Matlab MATLAB mơt chương trình sử dụng để mơ mơ hình hóa mạch điện tử tương tự Chương trình cho phép mô thiết kế trước bắt tay vào xây dựng phần cứng Các chương trình mơ cho phép quan sát thay đổi mạch điện ta thay đổi tín hiệu đầu vào giá trị thành phần mạch điện Do kiểm tra lại thiết kế coi hồn thành để xem chúng có chạy thực tế hay không MATLAB mô tiến hành phép đo kiểm tra phần thiết kế mạch điện Để khảo sát mạch điện nói chung mạch điện tử cơng suất nói riêng ta tiến hành theo bước sau: - Xác định mơ hình phần tử cần thiết để xây dựng mạch điện Đa số phần tử có thư viện mơ hình chương trình, nhiên số trường hợp ta phải xây dựng Mơ hình MATLAB phản ánh đặc điểm tính chất vật lý thiết bị thực Mơ hình gần với thực tế kết phân tích đáng tin cậy Mặc dù số trường hợp, khảo sát đặc tính cần mơ hình hóa tham số, thơng số liên quan đến đặc tính - Thiết lập sơ đồ ngun lý mạch cần nghiên cứu Cần phải đảm bảo chắn sơ đồ nguyên lý xây dựng đắn - Thiết lập thông số sơ đồ tham số khảo sát - Tiến hành khảo sát, thường chia làm hai giai đoạn: Trước hết chạy thử chương trình với chế độ mà kết biết trước để kiểm tra độ xác mơ hình Tiếp theo, mơ hình đạt độ tin cậy cần thiết, tiến hành nghiên cứu với chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt 53 Hình 3.7 :Mơ hệ thống tua bin lương gió 54 Hình 3.8: Mơ hệ thơng tua bin lượng gió 55 Hình 3.9: Mơ giải thuật P&O Hình 3.10: Mơ giải thuật P&O 56 3.5 Kết mơ Hình 3.11: Năng lượng gió thu trước sử dụng MPPT 57 Hình 3.12:Điện áp ngõ sau sử dụng MPPT 58 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc hướng dẫn tận tình ThS Ngơ Quang Vĩ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp giải vấn đề nêu đề tài: - Đã tìm hiểu cách chuyển đổi lượng gió - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính làm việc lượng gió - Nghiên cứu thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại P&O - Tiến hành mô đưa kết Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân cịn nhiều hạn chế, thiếu sót nên em chưa hoàn thành đề tài cách suất sắc Em mong muốn nhận bảo, sửa chữa, đóng góp ý kiến thầy để em thực hiện, hồn thành đề tài tốt củng cố thêm kiến thức cho thân Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực Đào Hữu Toàn 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Dáo “ Giáo trình lượng tái tạo”, Đại học Tơn Đức Thắng XB năm 2008 [2] Đặng Đình Thống, silde: “Năng Lượng Bức Xạ Mặt Trời, Công nghệ điện nhiệt mặt trời”,Viện VLKT – BKHN.XB năm 2006 [3] Roberto F Coelho, Filipe M Concer, Denizar C Martins, “Analytical and Experimental Analysis of DC-DC Converters in Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Applications ”, Federal University of Santa Catarina - Brazil XB năm 2001 [4] Roberto F Coelho, Walbermark M dos Santos and Denizar C Martins “Influence of Power Converters on PV Maximum Power Point Tracking Efficiency”, Federal University of Santa Catarina – Electrical Engineering Department XB năm 2005 [5] Robert W Erickson ,Fundamentals of Power Electronics, second edition Kluwer Academic Publishers, 2001 [6] Colonel Wm T McLyman ,Transformer and inductor design handbook, Third edition, Marcel Decker Inc, 2004 [7] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [8] Akihiro Oi, “Design and simulation of photovoltaic water pumping system”, September 2005 [9] http://pinmattroi.com/kien-thuc-co-ban-ve-pin-mat-troi.html [10] Liyu Cao, “Design Type II Compensation In A Systematic Way”, Ametek Programmable Power Website: http://vi.scribd.com/doc/215284187/Type-II-Compensator [11] Masoum, Mohammad A S Dehbonei, Hooman, “ Design, Construction and Testing of a Voltage-based Maximum Power 60 Point Tracker (VMPPT) for Small Satellite Power Supply” SSC99-XII-7 [12] Enslin, J H R and Snyman, D B., “Simplified Feed-Forward Control of the Maximum Power Pont in PV Installations” Proceedings of the IEEE International Conference on Power Electronics Motion Control, Vol.1, pp 548-553 (1992) [13] Mayssa Farhat, Lassâad Sbita “ Advanced Fuzzy MPPT Control Algorithm for Photovoltaic Systems ” Science Academy Transactions on Renewable Energy Systems Engineering and Technology Vol 1, No 1, March 2011 [14] Mohamed Salhi, Rachid El-Bachtri “ Maximum Power Point Tracker using Fuzzy Control for Photovoltaic System” International Journal of Research and Reviews in Electrical and Computer Engineering (IJRRECE) Vol 1, No 2, June 2011, ISSN: 2046-5149 [15] R Belaidi, M Fathi, A Haddouche, A Chikouche, G Mohand Kaci and Z Smara, “ Study and Simulation of a Mppt controller based on Fuzzy logic controller for photovoltaic system” IGEC-VI2011-208 [16] Theodoros L Kottas, Athanassios D Karlis, “ New Maximum Power Point Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks” IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION,VOL 21, NO 3, SEPTEMBER 2006 [17] “slide PV module sinmulink models”,Spring 2008 [18] http://vietnamese.alibaba.com/product-gs/80w-mono-solar- panel-ks80m- 36-18v-769735851.html 61 ... ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - NĂNG LƯỢNG GIĨ ĐI SÂU TÌM HIỂU ĐI? ??M CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO TUABIN GIĨ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: ĐI? ??N TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP... Năng lượng gió sâu tìm hiểu đi? ??m cơng suất cực đại cho tuabin gió ” Đề tài trình bày chương: - Chương : Lí thuyết tổng quan lượng gió - Chương : Các lí thuyết cấu tạo tuabin gió - Chương : Đi. .. tăng đi? ??n áp hoạt động lên để di chuyển đi? ??m hoạt động tới đi? ??m MPP Nếu đi? ??m hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP>0 ΔV