Đang tải... (xem toàn văn)
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo và sạch có thể được khai thác từ luồng gió để sản xuất điện. Năng lượng gió được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới và đang trở thành một phương tiện quan trọng để bảo vệ môi trường và đáp ứng nhu cầu năng lượng của xã hội hiện đại. Năng lượng gió có nhiều ưu điểm, bao gồm độ sạch sẽ, không gây ra khí thải và hiệu suất kinh tế cao. Không những thế, đặc tính địa lý của các vùng có gió mạnh giúp năng lượng gió trở thành một nguồn năng lượng ổn định và tin cậy. Tuy nhiên, năng lượng gió cũng có những hạn chế, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, ảnh hưởng đến động vật hoang dã và cảnh quan, tùy thuộc vào tình hình thời tiết và nguồn gió mà sản lượng điện có thể có sự biến động. Tổng quan về năng lượng gió cho thấy rằng đây là một giải pháp tiềm năng để đáp ứng như cầu năng lượng của thế giới hiện nay và bảo vệ môi trường. Việt Nam cũng đang tập trung vào phát triển năng lượng gió như là một phương tiện để giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và đạt được mục tiêu tăng trưởng kinh tế bền vững.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Đề tài: Thiết kế điều khiển MPPT cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát DFIG, cấp nguồn cho tải địa phương Giảng viên hướng dẫn: Nhóm PGS.TS Họ tên MSSV Hà Nội, 2023 MỤC LỤC Chương Thực trạng lượng gió Việt Nam .4 1.1 Giới thiệu lượng gió 1.2 Thực trạng phát triển lượng gió Việt Nam 1.3 Những thách thức phát triển lượng gió Việt Nam 1.4 Các giải pháp để phát triển lượng gió Việt Nam Chương Cấu trúc nguyên lý hoạt động 2.1 Giới thiệu máy phát điện sức gió 2.2 Mơ hình cấu trúc hệ thống Turbine gió 2.3 Các tầng điều khiển hệ thống turbine gió .9 2.3.1 Tầng điều khiển biến đổi điện tử công suất 2.3.2 Tầng điều khiển turbine gió 2.3.3 Tầng điều khiển giám sát 10 Chương Mơ hình tốn học hệ thống 11 3.1 Mơ hình hóa Windturbine 11 3.2 Mơ hình hóa DFIG 12 3.3 Thuật toán MPPT .15 3.4 Mơ hình hóa tải 17 Chương 4.1 Thiết kế toán 18 Bài toán điều khiển RSC 18 4.1.1 Phương pháp điều khiển SOFC .18 4.1.2 Mơ hình hóa điều khiển RSC .20 4.2 Bài toán điều khiển GSC 21 4.2.1 Phương pháp điều khiển phía lưới GSC 21 4.2.2 Mơ hình hóa GSC 22 Chương Kết mô kết luận 23 5.1 Kết mô 23 5.2 Kết luận 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biểu đồ thành phần điện toàn hệ thống năm 2021 2022 Hình 2.1 Turbine gió trục đứng (trái) trục ngang (phải) Hình 2.2 Mơ hình cấu trúc turbine gió Hình 2.3 Các tầng điều khiển hệ thống Hình 2.4 Sơ đồ biến đổi kiểu back-to-back Hình 2.5 Mạng điều khiển giám sát hệ thống turbine gió 10 Hình 3.1 Mơ hình hóa windturbine MATLAB Simulink 12 Hình 3.2 mơ hình hệ trục d-q tương đương DFIG 13 Hình 3.3 Sơ đồ windturbine .15 Hình 3.4 Đồ thị cơng suất – tốc độ 16 Hình 3.5 Mơ hình hóa tải phi tuyến MATLAB Simulink 17 Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển RSC .18 Hình 4.2 Mơ điều khiển RSC MATLAB Simulink 20 Hình 4.3 Mơ hình converter cầu pha phía lưới 21 Hình 4.4 Mơ điều khiển GSC MATLAB Simulink 22 Hình 5.1 Mơ tồn hệ thống .23 Hình 5.2 Tốc độ gió đầu vào 24 Hình 5.3 Điều khiển bám tốc độ .24 Hình 5.4 Điều khiển momen 25 Hình 5.5 Điện áp stator 25 Hình 5.6 Dịng điện stator 26 Hình 5.7 Cơng suất tải .26 Hình 5.8 Điện áp dịng điện tải .27 Chương Thực trạng lượng gió Việt Nam 1.1 Giới thiệu lượng gió Năng lượng gió nguồn lượng tái tạo khai thác từ luồng gió để sản xuất điện Năng lượng gió sử dụng rộng rãi khắp giới trở thành phương tiện quan trọng để bảo vệ môi trường đáp ứng nhu cầu lượng xã hội đại Năng lượng gió có nhiều ưu điểm, bao gồm độ sẽ, khơng gây khí thải hiệu suất kinh tế cao Khơng thế, đặc tính địa lý vùng có gió mạnh giúp lượng gió trở thành nguồn lượng ổn định tin cậy Tuy nhiên, lượng gió có hạn chế, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, ảnh hưởng đến động vật hoang dã cảnh quan, tùy thuộc vào tình hình thời tiết nguồn gió mà sản lượng điện có biến động Tổng quan lượng gió cho thấy giải pháp tiềm để đáp ứng cầu lượng giới bảo vệ môi trường Việt Nam tập trung vào phát triển lượng gió phương tiện để giảm thiểu phụ thuộc vào nguồn lượng hóa thạch đạt mục tiêu tăng trưởng kinh tế bền vững 1.2 Thực trạng phát triển lượng gió Việt Nam Việt Nam có nhiều tiềm để phát triển lượng gió có đa dạng địa hình Vùng biển Việt Nam rộng có nhiều tiềm để khai thác lượng gió Được đánh giá có tiềm lượng gió lớn với 39% tổng diện tích nước ta ước tính có tốc độ gió trung bình năm lớn 6m/s độ cao 65m Theo Báo cáo Năng lượng giới 2021 Tổ chức Năng lượng Quốc tế (IEA), tổng tiềm điện gió Việt Nam ước tính lên đến 500 GW, gấp lần nhu cầu lượng đất nước Đây số khổng lồ cho thấy tiềm phát triển lượng gió Việt Nam lớn Tuy nhiên, tình hình phát triển lượng gió Việt Nam chậm chưa đạt mức độ cao mong đợi Theo thông tư số 39/2018/TT-BCT Bộ Cơng Thương chế khuyến khích phát triển điện lượng tái tạo, tổng công suất lắp đặt điện gió Việt Nam đạt khoảng 16,5 GW đến cuối năm 2020 Tuy nhiên, điện gió chiếm khoảng 10% tổng công suất lắp đặt điện mặt trời thủy điện Việc triển khai lượng gió Việt Nam cịn nhiều thách thức Các dự án điện gió triển khai Việt Nam bao gồm Dự án điện gió Bạc Liêu 99 MW, Dự án điện gió Mũi Dinh 37,6 MW Dự án điện gió Phúc Liên 48 MW Ngồi ra, Việt Nam triển khai nhiều dự án điện gió lớn khác, bao gồm Dự án điện gió Sơng Hậu (127 MW), Dự án điện gió Bình Định 82 MW, Dự án điện gió Hà Tĩnh 400 MW Nói chung, tình hình phát triển lượng gió Việt Nam cho thấy ngành công nghiệp tiềm để đóng góp vào việc đáp ứng nhu cầu lượng đất nước Tuy nhiên, nhiều thách thức cần vượt qua Để phát triển lượng gió Việt Nam, cần có đầu tư sở hạ tầng, trạm biến áp mạng lưới điện Ngoài ra, cần đơn giản hóa thủ tục đầu tư, tăng cường giám sát quản lý chất lượng dự án để đảm bảo tính bền vững hiệu cho dự án điện gió 1.3 Những thách thức phát triển lượng gió Việt Nam Để phát triển lượng gió Việt Nam, nhà đầu tư chuyên gia phải đối mặt với nhiều thách thức Một thách thức quan trọng thiếu hạ tầng kỹ thuật hệ thống lưới truyền tải điện phù hợp Việc xây dựng cơng trình phát điện gió địi hỏi hỗ trợ hạ tầng kỹ thuật, bao gồm đường dây truyền tải điện trạm biến áp Tuy nhiên, tại, hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam chưa đủ để đáp ứng nhu cầu dự án điện gió, gây khó khăn việc triển khai dự án Thách thức chi phí đầu tư ban đầu cao Việc xây dựng cơng trình điện gió địi hỏi khoản đầu tư lớn, đặc biệt giai đoạn đầu, dự án giai đoạn khởi động Chi phí đầu tư cao gây khó khăn cho nhà đầu tư việc tìm kiếm nguồn vốn Bên cạnh đó, đối tác tài thường yêu cầu định chế phủ quan tài đảm bảo định đầu tư tài trợ Thách thức thứ ba thủ tục phê duyệt chậm chạp phức tạp Việc xây dựng dự án điện gió địi hỏi phê duyệt nhiều quan chức năng, từ cấp địa phương đến cấp trung ương Quá trình phê duyệt thường phức tạp tốn nhiều thời gian, kéo dài đến nhiều năm Điều gây khó khăn cho nhà đầu tư làm chậm trình triển khai dự án lượng gió Vì vậy, việc tối ưu hóa q trình phê duyệt cần quan tâm đẩy mạnh Cuối cùng, thách thức khác đối mặt phát triển lượng gió Việt Nam tình trạng thất điện năng.Tình trạng thất điện vấn đề nghiêm trọng Việt Nam, đặc biệt lĩnh vực điện lực Thất thoát điện khiến cho lượng điện sản xuất không đủ để đáp ứng nhu cầu người dân doanh nghiệp Điều đặc biệt ảnh hưởng đến việc triển khai dự án lượng gió, đa số khu vực sản xuất điện gió nằm vùng nông thôn, xa trung tâm điện lực, dẫn đến tỷ lệ thất thoát điện cao Tổng thể, phát triển lượng gió Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức, có tiềm lớn để phát triển tương lai Việc tận dụng tiềm gió đất nước giúp đảm bảo nguồn cung cấp điện ổn định, góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường giảm thiểu chi phí nhập lượng Hình 1.1 Biểu đồ thành phần điện toàn hệ thống năm 2021 2022 1.4 Các giải pháp để phát triển lượng gió Việt Nam Việt Nam quốc gia có tiềm phát triển lượng gió lớn Tuy nhiên, để khai thác tiềm cần phải đưa giải pháp phù hợp Dưới số giải pháp để phát triển lượng gió Việt Nam Để nâng cao sở hạ tầng cho phát triển lượng gió, cần đầu tư vào hệ thống lưới truyền tải điện Hiện nay, hệ thống hạn chế, đặc biệt vùng nơng thơn Vì vậy, cần đưa kế hoạch đầu tư để nâng cao hệ thống này, đồng thời cần cải thiện khả kết nối với khu vực khác Thúc đẩy phát triển cơng nghiệp sản xuất thiết bị lượng gió giải pháp quan trọng Hiện nay, Việt Nam phụ thuộc vào nhập thiết bị từ nước Để giảm thiểu phụ thuộc này, cần tăng cường đầu tư vào nghiên cứu phát triển, với việc thúc đẩy doanh nghiệp nước sản xuất thiết bị Các thủ tục phê duyệt, cấp phép giám sát cần đơn giản hóa Hiện nay, q trình cịn chậm chạp phức tạp, gây khó khăn cho doanh nghiệp muốn đầu tư vào phát triển lượng gió Đơn giản hóa quy trình giúp tăng cường đầu tư từ doanh nghiệp giúp tăng sản lượng lượng gió Cuối cùng, cần tăng cường hợp tác địa phương tuyên truyền giáo dục cộng đồng Việc giúp tạo đồng thuận việc triển khai dự án lượng gió, đồng thời giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến mơi trường Cần xây dựng chương trình tun truyền lợi ích lượng gió, đồng thời tạo điều kiện cho địa phương hưởng lợi từ dự án Tổng hợp lại, để phát triển lượng gió Việt Nam, cần có đồng tâm nỗ lực chung từ phủ, doanh nghiệp, cộng đồng tổ chức quốc tế Tập trung vào việc nâng cao sở hạ tầng, thúc đẩy phát triển công nghiệp sản xuất thiết bị lượng gió, đơn giản hóa quy trình phê duyệt, cấp phép giám sát, tăng cường hợp tác địa phương tuyên truyền giáo dục cộng đồng Chỉ vấn đề giải lượng gió trở thành nguồn lượng thay đáng tin cậy bền vững cho Việt Nam, đóng góp vào việc giảm thiểu nhiễm mơi trường giảm thiểu chi phí lượng cho người dân Chương Cấu trúc nguyên lý hoạt động 2.1 Giới thiệu máy phát điện sức gió Tuabin gió (windturbine) thiết bị dùng để biến đổi động gió thành Có hai loại turbine gió turbine gió trục đứng turbine gió trục ngang Trong tuabin gió trục ngang phổ biến tạo nhiều lượng Hình 2.1 Turbine gió trục đứng (trái) trục ngang (phải) Thành phần hệ thống turbine gió gồm có: Cánh quạt, hộp số (hộp đổi tốc), máy phát biến đổi điện 2.2 Mơ hình cấu trúc bản hệ thống Turbine gió Hình 2.2 Mơ hình cấu trúc turbine gió Các thành phần hệ thống turbine gió thể hình 2.2 Trong đó: - Pi tc h: B ộ p h ậ n h ỗ tr ợ b ả o v ệ cá n h q u ạt v ro to r tr o n g ề u ki ệ n g ặ p gi ó lớ n N - - - gồi ra, pitch cịn giúp tạo nên nguồn điện ổn định đạt hiệu suất cao (không cao thấp) quay gió Rotor: Là thiết bị gắn liền với cánh quạt giúp tạo điện Chúng hoạt động dựa theo nguyên tắc nâng: Khi xuất luồng gió qua cánh quạt khiến khơng khí tạo nên áp suất cao Song song đó, phía cánh quạt tạo nên lực kép làm rotor quay Blades: Thuộc phận cánh quạt tuabin gió, kết hợp với trục động tuabin để quay chuyển động tạo lượng Brake: Là phanh (bộ hãm), dùng để dừng rotor tình trạng khẩn cấp Low-speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ thấp máy phát High-speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ cao máy phát Gearbox (hộp số): Bộ phận kết nối chuyển động quay rotor với máy phát điện để sinh lượng điện Được đặt trục tốc độ thấp trục tốc độ cao để gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút lên khoảng 1200 đến 1500 vòng/phút, tốc độ quay mà hầu hết máy phát cần để sản sinh điện Generator (máy phát): Là máy phát điện cảm ứng để tạo điện Yaw drive: Giúp định hình rotor ln hướng chiều có xuất nguồn gió Yaw motor: Động giúp cho thiết bị yaw drive định hình hướng gió cách xác Controller: Bộ phận điều khiển tuabin gió Anemometer: Bộ phận đo lường tốc độ gió Thực nhiệm vụ truyền tốc độ gió đến phận điều khiển (controller) Wind vane: Hỗ trợ xử lý hướng gió kết hợp yaw drive để định hình tuabin gió Nacelle: Là lớp vỏ tuabin gió, lớp vỏ giúp bảo vệ thiết bị bên thật cẩn thận Tower: Trụ đỡ Nacelle, có chất liệu làm từ thép Khi trụ cao hỗ trợ thu lượng gió nhiều, từ tạo dịng điện lớn 2.3 Các tầng điều khiển hệ thống turbine gió Hình 2.3 Các tầng điều khiển hệ thống 2.3.1 Tầng điều khiển các biến đổi điện tử công suất Bao gồm hai cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng, điều khiển lượng phía máy phát phía lưới Với hệ thống turbine gió sử dụng máy phát DFIG thường sử dụng biến đổi kiểu back-to-back gồm biến đổi AC-DC nối với biến đổi DC-AC Hình 2.4 Sơ đồ biến đổi kiểu back-to-back 2.3.2 Tầng điều khiển turbine gió Cấu trúc điều khiển turbine với chức điều khiển góc cánh điều khiển tốc độ quay Điều khiển góc cánh quạt (pitch angle control): Công suất đầu điều khiển cách thay đổi góc nghiêng cánh quạt Góc nghiêng điều khiển thông qua áp lực dầu Sử dụng trường hợp tốc độ gió định mức để điều khiển công suất định mức hệ thống 2.3.3 Tầng điều khiển giám sát Turbine gió làm việc điều kiện khơng thể đoán trước, ảnh hưởng tiêu cực đến việc vận hành việc giám sát điều khiển vận hành hệ thống cần xem xét quan tâm cách tỉ mỉ Hình 2.5 Mạng điều khiển giám sát hệ thống turbine gió Hình 3.4 Đồ thị cơng suất – tốc độ Ta thấy công suất động DFIG theo công thức (3.15), (3.16) điều khiển dòng điện 𝑖𝑠𝑞 , 𝑖𝑠𝑑 Như để thuận lợi cho việc điều khiển công suất động DFIG ta thiết kế so sánh 𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡 tìm thơng qua phương pháp TSR tốc độ quay thực tế roto chuyển thành momen 𝑇𝑤𝑜𝑝 𝑡 thông qua PI đơn giản với cốt lõi phương trình () 𝑇 𝑤𝑜𝑝 𝑡 = 𝑃𝑤𝑜𝑝 𝑡 = 𝑘 𝑜𝑝 𝑡 𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡 𝑤𝑟 𝑜𝑝 𝑡 (3.21) Từ 𝑇𝑤𝑜𝑝 𝑡 xác định ta xác định dịng điện 𝑖𝑟 𝑞 thơng qua phương trình 𝑇𝑒 𝑚 = 3𝑝 𝐿𝑚 𝜓 𝑖 𝐿𝑠𝑠 𝑠𝑞 𝑟 𝑑 (3.22) 3.4 Mơ hình hóa tải Sử dụng mơ hình tải phi tuyến Hình 3.5 Mơ hình hóa tải phi tuyến MATLAB Simulink Tải phi tuyến loại tải mà dòng điện điện áp không pha, dẫn đến tạo thành phần khơng tuần hồn hệ thống điện Các loại tải phi tuyến phổ biến bao gồm chỉnh lưu (rectifier), nghịch đảo (inverter), tải điện trở khơng tuyến tính, tải điện dung khơng tuyến tính tải cảm khơng tuyến tính Với đề tài nay, nhóm em chọn sử dụng tải phi tuyến sử dụng chỉnh lưu nối với tụ điện trở Chương Thiết kế toán 4.1 Bài toán điều khiển RSC 4.1.1 Phương pháp điều khiển SOFC Điều khiển đòi hỏi đo lường đại lượng dòng, áp rotor stator, xác định vị trí rotor Từ thơng stator thiết lập phương trình: 𝜓𝑠 = ∫(𝑢⃗ � �⃗⃗𝑠 )𝑑𝑡 𝑠 − 𝑅𝑠 (4.1) Ảnh hưởng điện trở stator giới hạn bỏ qua Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển RSC Chọn hệ quy chiếu dq quay đồng với từ thông trục d định hướng theo từ thơng stator, 𝜓𝑑𝑠 = 𝜓𝑠 = 𝐿𝑚 |� �⃗ ⃗𝑚 ⃗𝑠 | (4.2) 𝜓𝑞𝑠 = Phương trình từ thơng rotor định hướng từ thơng stator: 𝜓 𝑑𝑟 = 𝐿𝑚 |𝑖 𝐿𝑠 𝑚 | + (𝐿 − 𝐿 ) 𝑖 𝑚 𝑠 𝑟 𝐿𝑠 𝑚 𝜓 = (𝐿 − 𝐿 ) 𝑖 𝑟 𝑞𝑟 𝑞𝑟 𝐿𝑠 𝑑𝑟 (4.3) Phương trình từ thơng stator viết lại sau: 𝜓𝑑𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑑𝑠 + 𝐿𝑚 𝑖𝑑𝑟 = 𝐿𝑚 |𝑖𝑚 𝑠 | 𝜓𝑞𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑞𝑠 + 𝐿𝑚 𝑖𝑞𝑟 = (4.4) Với máy có cơng suất hàng kW trở lên, điện trở Rs nhỏ bỏ qua Do phương trình điện áp stator rotor viết lại sau: 𝑢𝑑𝑠 ≈ 𝑢𝑞𝑠 ≈ 𝜔𝑠 𝜓𝑑𝑠 = 𝜔𝑠 𝐿𝑚 |𝑖𝑚 𝑠 | = |𝑉𝑠 | =𝑅 𝑖 𝑢 𝑑𝑟 =𝑅 𝑖 𝑢 𝑞𝑟 + (𝐿 𝑟 𝑑𝑟 𝐿2 + (𝐿 𝑟 𝑟 𝑞𝑟 𝑚 −𝐿 ) 𝑑𝑖𝑑𝑟 − 𝜔 𝑟 𝐿𝑠 𝑑𝑡 𝐿𝑠 − 𝑚 𝑑𝑖𝑞𝑟 ) 𝑑𝑡 + 𝜔 ( (𝐿 𝑠𝑙𝑖𝑝 𝐿𝑚 𝑠𝑙𝑖𝑝 𝐿𝑠 𝑟 |𝑖 2𝑚 −𝐿 ) 𝑖 𝐿𝑠 | + (𝐿 − 𝑚 𝑠 (4.5) 𝑞𝑟 𝐿2 𝑚 ) 𝑖 ) 𝑟 𝑑𝑟 𝐿𝑠 Phương trình cơng suất stator định hướng từ thông stator: 𝐿𝑚 𝑃 =3 �� (𝑖 = − |𝑉 | 𝑖 + 𝑖 )� = 𝑢 𝑢 � 𝑠 𝑑𝑠 𝑑𝑠 𝑞𝑠 𝑞𝑠 𝑄 =3 �� (𝑖 − 𝑖 )� = 𝑢 𝑢 � 𝑞𝑠 𝑑𝑠 𝑑𝑠 𝑞𝑠 𝑠 2 𝑞𝑠 𝑑𝑠 Phương trình momen điện từ: 𝑇 � � = 𝑝 (𝜓 − ) = 𝑝 𝜓 � � 𝜓 � � 𝑒 𝑑𝑠 𝑞𝑠 𝑞𝑠 𝑑𝑠 𝑞𝑟 𝑠 𝐿𝑠 𝐿𝑚 −𝑖 ) |𝑉 ( = 𝑠 | |𝑉 | 𝑑𝑟 𝑠 𝐿𝑠 𝜔𝑠𝐿𝑚 𝑞𝑠 𝑞𝑠 𝑑𝑠 |𝑉𝑠 | 𝐿𝑚 𝑖 𝑞𝑟 𝑝 𝑞𝑠 = − 𝜔𝑠 𝐿𝑠 (4.6) (4.7) Nhận xét : Từ phương trình (4.6) (4.7), ta thấy moment công suất tác dụng phụ thuộc vào dịng điện 𝑖𝑞𝑟 , cơng suất phản kháng phụ thuộc vào dịng 𝑖𝑑𝑟 Vì 𝑖𝑑𝑟 𝑖𝑞𝑟 đại lượng điều khiển công suất momen Do ta sử dụng thành phần dịng điện để điều khiển độc lập cơng suất tác dụng công suất phản kháng