Đặ t vấ n đề
Công nghiệp năng lượng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc gia, là động lực phát triển cho các ngành khác như cơ khí và sản xuất vật liệu xây dựng Sự phát triển của ngành này không chỉ thúc đẩy các lĩnh vực công nghiệp sử dụng nhiều điện năng mà còn tạo ra động lực lớn nếu được đặt ở vị trí địa lý thuận lợi Chỉ số tiêu dùng năng lượng bình quân theo đầu người có thể phản ánh trình độ phát triển kinh tế, kỹ thuật và văn hóa của quốc gia.
Trong nhiều thế kỷ qua, mức tiêu dùng năng lượng của nhân loại, bao gồm than, dầu mỏ và khí đốt, đã tăng nhanh chóng Từ năm 1990 đến nay, trung bình mỗi người tiêu thụ khoảng 1,6 tấn dầu quy đổi mỗi năm, gấp khoảng 25 lần so với mức tiêu thụ của bản thân Mức tiêu dùng năng lượng bình quân theo đầu người trên toàn cầu trong 20 năm qua đã tăng rõ rệt, tuy nhiên có sự khác biệt lớn giữa các quốc gia Các nước phát triển ở châu Âu, Bắc Mỹ và những nước có thu nhập cao có mức tiêu dùng năng lượng cao nhất, trong khi các nước nghèo ở châu Phi và Nam Á lại có mức tiêu thụ thấp nhất, với sự chênh lệch lên tới 45 lần Tại Việt Nam, chỉ số tiêu thụ năng lượng đạt 521 kg/người.
Với nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng sạch, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển và năng lượng thủy triều đang thu hút sự quan tâm lớn từ toàn cầu Những nguồn năng lượng này không chỉ đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường mà còn mang lại tính kinh tế, góp phần quan trọng vào việc cải thiện cuộc sống của nhân loại và bảo vệ thiên nhiên.
Trong chiến lược phát triển năng lượng, năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng sơ cấp dồi dào, đặc biệt tại nhiều quốc gia có tiềm năng phong điện Ưu điểm nổi bật của năng lượng gió bao gồm khả năng khai thác dễ dàng, công nghệ đơn giản, cùng với chi phí đầu tư và vận hành tương đối thấp Tuy nhiên, để thúc đẩy việc khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai, công nghệ cần phải được hoàn thiện hơn nữa, nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng.
Giớ i thiệ u đề tài
Tại Việt Nam, tình trạng thiếu hụt điện đã diễn ra trong nhiều năm qua do các dự án xây dựng nguồn cấp không theo kịp nhu cầu tiêu thụ điện gia tăng nhanh chóng Điều này đặc biệt nghiêm trọng ở một quốc gia đang phát triển như Việt Nam, nơi mà nguồn điện năng chủ yếu đến từ thủy điện và nhiệt điện (than, khí và dầu).
Việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới là một trong những thách thức lớn đối với Việt Nam Hiện nay, các giải pháp được các nước phát triển áp dụng và phát triển đang được chú trọng.
"Điệ n gió"- mộ t nguồ n năng lư ợ ng an toàn, hiệ u quả và dồ i dào.
Bài viết này tập trung nghiên cứu về máy phát gió, cấu tạo của turbine gió và định hướng phát triển Cụ thể, chúng tôi sẽ mô hình hóa máy phát điện gió DFIG và xác định hướng tối ưu để đạt được công suất tối ưu.
Mụ c tiêu nghiên cứ u
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc điều khiển các máy phát điện gió DFIG, nhằm tối ưu hóa công suất tác dụng và công suất phản kháng để hòa vào lưới điện Để đạt được mục tiêu này, nghiên cứu sẽ tham khảo các luận văn quốc tế mới nhất và tài liệu trong nước, bao gồm giáo trình của các giảng viên trường Bách Khoa TPHCM Cuối cùng, mô phỏng trên công cụ Matlab sẽ được thực hiện để xác định hướng điều khiển tối ưu cho các máy phát gió DFIG.
Phạ m vi nghiên cứ u
Giớ i thiệ u tiề m năng điệ n gió tạ i Việ t Nam
1.2 Tìm hiể u về cácloạ iturbin gió
1.3 Nhữ ng thuậ n lợ i và khó khăn củ a việ c sử dụ ng năng lư ợ ng gió
1.4 Cấ u tạ o củ a turbin gió
1.5 Mộ t số dạ ng turbine gió
1.6 Mộ t số nhữ ng yêu cầ u khi kế t nố i lư ớ i điệ n cho máy phát điệ n gió1.7 Tổ ng quan về máy phát gió DFIG
CHƯ Ơ NG 1: TỔ NG QUAN VỀ NĂNG LƯ Ợ NG GIÓ
1.1 Giớ i thiệ u tiề m năng điệ n gió tạ i Việ t Nam
Theo báo cáo của Đại học Harvard, tiềm năng điện gió toàn cầu có thể tạo ra công suất điện gấp 40 lần nhu cầu tiêu thụ hiện tại Ngân hàng Thế giới đã thực hiện một khảo sát chi tiết về năng lượng gió tại khu vực Đông Nam Á, cho thấy Việt Nam sở hữu tiềm năng gió lớn nhất trong khu vực, với tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ "tốt" đến "rất tốt" cho việc xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn.
Hình 1.1: Biể u đồ phân bố gió Việ t Nam ở độ cao
Nghiên cứu của tổ chức năng lượng Greenpeace EG và Hiệp hội năng lượng gió của Đức BWE, phối hợp với Quỹ Xanh Đức (GBG), công bố vào tháng 8/2012, nhấn mạnh rằng cần tính phí môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng vào giá thành sản xuất điện Theo nghiên cứu, giá điện từ thủy điện là 7,6 cent mỗi kWh, điện gió 8,1 cent mỗi kWh, điện khí 9 cent mỗi kWh, trong khi điện từ than bùn và than đá lần lượt là 15,6 và 14,8 cent mỗi kWh, và điện hạt nhân là 16,4 cent mỗi kWh (nếu tính các chi phí khác, giá điện hạt nhân lên tới 42,2 cent mỗi kWh) Kết quả cho thấy điện gió hiện nay là nguồn điện “xanh” có chi phí thấp nhất trên thế giới.
Sự chênh lệch giá điện gió và các nguồn năng lượng truyền thống tại Việt Nam không đáng kể, nhưng việc đầu tư vào điện gió gặp khó khăn do chi phí cơ sở hạ tầng và lưới điện Việt Nam vẫn phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài, dẫn đến giá điện gió cao, như giá đề nghị 12 US cents/kWh từ dự án điện gió Bạc Liêu cho EVN Trong khi đó, giá điện mà EVN mua từ các công ty tư nhân chỉ 700đ/KWh (3,33 cent/kWh) Các thiết bị điện gió lớn gây khó khăn trong vận chuyển, và nhiều khu vực tiềm năng điện gió chưa được khai thác do thiếu nguồn đầu tư và thông tin Ngành công nghiệp điện gió tại Việt Nam chưa phát triển do nhà đầu tư lo ngại về khả năng lỗ và thiếu cơ chế, chính sách hợp lý từ Nhà nước.
Chính phủ cần ban hành các chính sách khuyến khích đầu tư điện gió tại Việt Nam, bao gồm trợ giá và hỗ trợ cho doanh nghiệp trong nước phát triển năng lượng này Cần nghiên cứu và phát triển các tuabin điện gió nội địa, từ đó làm chủ công nghệ và khuyến khích người dân sử dụng điện gió Bên cạnh đó, cần xây dựng cơ chế đảm bảo công bằng trong lĩnh vực năng lượng gió, tăng cường nghiên cứu khoa học về các ngành năng lượng mới, và phát triển các trang trại điện gió ngoài biển để tận dụng tối đa không gian và nguồn gió.
Tổ ng quan về máy phát gió DFIG
CHƯ Ơ NG 1: TỔ NG QUAN VỀ NĂNG LƯ Ợ NG GIÓ
1.1 Giớ i thiệ u tiề m năng điệ n gió tạ i Việ t Nam
Theo báo cáo của Đại học Harvard, tiềm năng điện gió toàn cầu có thể tạo ra công suất điện gấp 40 lần mức tiêu thụ hiện tại Trong chương trình đánh giá năng lượng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới đã thực hiện khảo sát chi tiết về năng lượng gió tại Đông Nam Á, cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất trong khu vực, với tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá từ “tốt” đến “rất tốt” cho việc xây dựng các trạm điện gió quy mô lớn.
Hình 1.1: Biể u đồ phân bố gió Việ t Nam ở độ cao
Một nghiên cứu của tổ chức năng lượng Greenpeace EG và Hiệp hội năng lượng gió của Đức BWE, phối hợp với Quỹ Xanh Đức (Green Budget Germany, GBG), công bố vào tháng 8 năm 2012, cho rằng cần phải tính phí môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng vào giá thành điện sản xuất Nghiên cứu chỉ ra rằng giá điện từ thủy điện là 7,6 cent mỗi kWh, điện gió 8,1 cent mỗi kWh, điện khí 9 cent mỗi kWh, trong khi điện từ than bùn và than đá có giá lần lượt là 15,6 và 14,8 cent mỗi kWh, và điện hạt nhân là 16,4 cent mỗi kWh (nếu tính thêm các chi phí khác, giá điện hạt nhân lên tới 42,2 cent mỗi kWh) Từ đó, có thể thấy điện gió là nguồn điện "xanh" rẻ nhất trên thế giới hiện nay.
Sự chênh lệch giữa giá điện gió và các nguồn năng lượng truyền thống không đáng kể đối với nước phát triển, nhưng đối với các nước đang phát triển như Việt Nam, việc đầu tư vào điện gió gặp nhiều khó khăn do chi phí cơ sở hạ tầng và lưới điện Giá điện gió thường cao, ví dụ như giá bán điện gió Bạc Liêu đề nghị là 12 US cents/kWh cho EVN trong 4 năm đầu, trong khi giá EVN mua từ công ty tư nhân chỉ là 700đ/KWh (3,33 cent/kWh) Ngoài ra, việc vận chuyển thiết bị điện gió lớn gặp khó khăn do đường sá không đáp ứng tải trọng Thiếu nguồn đầu tư và thông tin đầy đủ về tiềm năng gió đã kìm hãm sự phát triển của ngành công nghiệp điện gió tại Việt Nam, khiến các nhà đầu tư ngần ngại do sợ lỗ và thiếu cơ chế, chính sách hợp lý về giá mua từ Nhà nước.
Chính phủ cần ban hành các chính sách khuyến khích đầu tư vào điện gió tại Việt Nam, bao gồm trợ giá và hỗ trợ doanh nghiệp phát triển năng lượng này Cần nghiên cứu và phát triển các turbine điện gió nội địa, đồng thời khuyến khích người dân sử dụng điện gió Hơn nữa, việc xây dựng cơ chế đảm bảo công bằng cho năng lượng gió là cần thiết; đồng thời, tăng cường nghiên cứu khoa học về các ngành năng lượng mới và phát triển các trang trại điện gió ngoài biển để tận dụng tốt không gian và lưu lượng gió.
1.2 Tìm hiể u về các turbin gió
Các kiể u tuabin gió hiệ n nay đư ợ c chia thành hai loạ i:
- Mộ t loạ i theo trụ c đứ ng giố ng như máy bay trự c thăng.
- Mộ t loạ i theo trụ c ngang Các loạ i tuabin gió trụ c ngang là loạ i phổ biế n có thể có 2 hoặ c3 cánh quạ t.
Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo hướng gió, với bề mặt cánh quạt luôn hướng về phía gió thổi Hiện nay, tuabin gió 3 cánh quạt đang được sử dụng phổ biến trong ngành năng lượng tái tạo.
Công suấ t các lạ i tuabin gió:
Dãy công suất của tuabin gió dao động từ 50 kW đến vài MW Để đạt được công suất lớn hơn, các tuabin gió sẽ được kết hợp thành một nhóm trong một trang trại gió, từ đó cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện.
Các tuabin gió nhỏ có công suất dưới 50 kW thường được sử dụng cho các hộ gia đình, viện thông và bơm nước Chúng có thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác như máy phát điện diesel, pin và hệ thống quang điện, tạo thành hệ thống lai gió và điện Hệ thống này rất hữu ích cho các vùng sâu, vùng xa, nơi chưa có lưới điện hoặc mạng điện không thể kết nối tới những khu vực này.
Nguyên lý hoạ t độ ng củ a các tuabin gió:
Các tuabin gió hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản, trong đó năng lượng từ gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh một trục gọi là turbin Turbin này được kết nối với trục chính, từ đó truyền động làm quay trục rotor của máy phát, tạo ra năng lượng điện.
Các tuabin gió được lắp đặt trên trụ cao nhằm tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng gió Ở độ cao 30 mét so với mặt đất, tuabin gió có khả năng đạt được tốc độ gió nhanh hơn và ít bị ảnh hưởng bởi các luồng gió bất thường, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động.
Các tuabin gió có khả năng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc công trình xây dựng, đồng thời có thể kết nối với một mạng điện để phân phối điện ra rộng rãi hơn.
Nhìn từ bên ngoài, trang trại gió với nhiều tuabin tạo thành một nhà máy điện, nơi các máy biến áp và đường dây truyền tải chuyển năng lượng đến các hộ tiêu thụ Điện được truyền qua hệ thống dây dẫn phân phối đến các hộ gia đình, cơ sở kinh doanh và trường học.
1.3 Nhữ ng thuậ n lợ i và khó khăn củ a việ c sử dụ ng năng lư ợ ng gió: a Nhữ ng thuậ n lợ i:
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo được sản sinh từ sức gió, mang lại lợi ích vượt trội so với các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá hay khí gas Đặc biệt, năng lượng gió không gây ô nhiễm không khí, góp phần bảo vệ môi trường và giảm thiểu tác động tiêu cực từ các nguồn năng lượng truyền thống.
- Năng lư ợ ng gió có ở nhiề u vùng Do đó nguồ n cung cấ p năng lư ợ ng gió củ a đấ t nư ớ c thì rấ t phong phú.
Năng lượng gió là một dạng năng lượng tái tạo có chi phí thấp, chỉ khoảng 4 đến 6 cent/kWh nhờ vào sự tiến bộ của khoa học công nghệ hiện nay Tuy nhiên, giá cả này còn phụ thuộc vào nguồn gió, tình hình tài chính của dự án và các đặc điểm riêng của công trình.
Tuabin gió có thể được xây dựng trên các nông trại, tạo điều kiện kinh tế cho các vùng nông thôn và tận dụng nguồn gió dồi dào Người nông dân và chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ, vì tuabin gió chỉ chiếm một phần nhỏ diện tích Các nhà đầu tư năng lượng gió chỉ cần trả tiền bồi thường cho nông dân và chủ trang trại có đất sử dụng lắp đặt tuabin gió Tuy nhiên, vẫn tồn tại những khó khăn trong việc triển khai dự án này.
Năng lượng gió cần cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống trên một cơ sở giá cả nhất định, điều này còn phụ thuộc vào tốc độ gió tại địa điểm lắp đặt Do đó, việc đầu tư ban đầu cho các tuabin gió thường cao hơn so với các máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch khác.
Biể u diễ n vector không gian us từ hệ tọ a độ α β sang hệ tọ a độ dq(hệ tọ a độ từ thông rotor)
tọ a độ từ thông rotor)
Phư ơ ng trình toán củ a mạ ch điệ n sau chuyể n đổ i máy phát gió DFIG
Điề u khiể n độ c lậ p công suấ t tác dụ ng và công suấ t phả n kháng
CHƯ Ơ NG 2: MÔ HÌNH TOÁN CỦ A MÁY PHÁT ĐIỆ N
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ cố định α β, có một hệ tọa độ thứ hai với trục hoành d và trục tung q, chung điểm gốc và lệch một góc θ so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ α β) Hệ trục tọa độ dq quay quanh gốc tọa độ chung với vận tốc góc ω, với góc lệch θ a = ω a t + ω a0, được gọi là góc lệch của hệ quy chiếu quay và hệ quy chiếu tĩnh.
Trong không gian, một vector có thể được biểu diễn tương ứng với hai hệ trục tọa độ α và β Hệ trục tọa độ dq cũng có vai trò quan trọng trong việc mô tả mối liên hệ giữa các vector Hình vẽ minh họa sẽ giúp làm rõ sự tương tác giữa hai hệ tọa độ này.
Hình 2.1: Biể u diễ n vector f s trên hai hệ trụ c tọ a độ α β và dq.
Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian \( f_s \) từ hệ tọa độ \( \alpha, \beta \) sang hệ tọa độ \( d, q \) và ngược lại là một quá trình quan trọng trong hình học không gian Để thực hiện biến đổi này, ta có thể sử dụng các công thức liên hệ giữa hai hệ tọa độ Cụ thể, công thức chuyển đổi được biểu diễn như sau: \( f_{s\alpha} = f_{sd} \cos \theta_a - f_{sq} \sin \theta_a \) và \( f_{s\beta} = f_{sd} \sin \theta_a + f_{sq} \cos \theta_a \).
Tư ơ ng tự : f sd = f sα cosθ a + f sβ sinθ a (2.2) f sq = - f sα sinθ a + f sβ cosθ a
2.2 Biể u diễ n vector điệ n áp Us qua các hệ quy chiế u
Ta xét điệ n áp mà máy phát điệ n gió có thể cấ p cho lư ớ i ba pha có dạ ng như sau:
Hình 2.2: Biể u diễ n vector u s điệ n áp 3 pha a-b-c Điệ n áp stator củ a ba pha a-b-c đư ợ c gộ p chung lạ i thành điệ n áp us và đị nh nghĩa lạ i như sau:
Hệ số 2/3 để đư a vectoru s thành vector đơ n vị
Bằ ng phư ơ ng pháp hình họ c ta xác đị nh các thành phầ n củ a vector điệ n áp như sau:
Bằ ng phư ơ ng pháp hình họ c ta biể u diễ n 3 vector u sa , u sb , u sc trên hệ trụ c tọ a độ α β qua mộ t biể u thứ c ma trậ n: s s s s sc sb sa u u u u u β α
Dùngphư ơ ng pháp đạ i số chuyể n đổ ima trậ ntừ abc α β như sau: sc sb sa s s s s u u u u u
Ta có thể viế t ngắ n gọ n: u s u s α ju s β
( sa sb sc sb sc s t u u u j u u u (2.9)
2.3 Biể u diễ n vector không gian us từ hệ tọ a độ α β sang hệ tọ a độ dq(hệ tọ a độ từ thông rotor)
Từ biể u thứ c (2.1) thay vector f s bằ ng vector u s ta có: u sα = u sd cosθ a- u sq sinθ a (2.10) usβ = u sd sinθ a + u sq cosθ a và: u sd = u sα cosθ a+ u sβ sinθ a (2.11) u sq = - u sα sinθ a + u sβ cosθ a
Mà: u s αβ u s α ju s β và u s dq u dq ju dq (2.12)
Thay hệ phư ơ ng trình (2.10) vào (2.11) ta có: j a dq s a a a sq a a sq a s s s e u j j u j u ju u u θ β αβ α θ θ θ θ θ θ
Ký hiệ u cho mộ t số công thứ c:
+ s: hệ tọ a độ α β (stator coordinates).
+ f: hệ tọ a độ dq (field coordinates).
Ta có: β α s s s s i ji i : vector dòng stator quan sát trên hệ tọ a độ α β sq sd f s i ji i : vector dòng stator quan sát trên hệ tọ a độ dq.
Giả sử máy phát DFIG hoạt động với tốc độ không đồng bộ, trong đó vận tốc góc của rotor so với stator được biểu thị bằng ω và góc lệch giữa trục rotor và trục chuẩn α được ký hiệu là θ.
Hình 2.4: Biể u diễ n vector us trên hệ trụ c tọ a độ dq
Vector từ thông rotor ψ r quay với tốc độ góc ω a = ω r dt d φ a ~ ω s = 2π f s, thể hiện tốc độ quay của từ thông rotor so với stator đứng yên Trong đó, f s là tần số trên cuộn stator và φ r là góc của trụ c d so với trụ c chuẩn stator (trụ c α).
Trong mụ c này, chúng ta xây dựng mộ t hệ trụ c tọ a độ mới, có hư ớ ng trụ c hoành trùng vớ i trụ c của vector từ thông rotor ψ r và gố c trùng vớ i gố c của hệ tọ a độ α β Hệ tọ a độ này đư ợ c gọ i là hệ tọ a độ từ thông rotor, hay còn gọi là hệ tọ a độ dq Hệ tọ a độ dq quay quanh điể m gố c chung vớ i tố c độ góc ω ≈ ω stator, tương ứng với vậ n tố c của từ trư ờ ng quay stator (tố c độ đồ ng bộ) và hợ p vớ i hệ tọ a độ α β mộ t góc r.
Tùy thuộc vào hệ tọa độ quan sát, mỗi vector trong không gian sẽ có tọa độ tương ứng Để nhận biết vector đang được quan sát từ hệ tọa độ nào, cần chú ý đến chỉ số bên phải của ký hiệu vector.
Công thứ c chuyể n đổ i từ hệ quy chiế u abc sang hệ quy chiế u quaydq: d
Công thứ c chuyể n đổ i từ hệ quy chiế u quay dq sang hệ quy chiế u abc: u u cos sin
2.4 Lý thuyế t điề u khiể n đị nh hư ớ ng trư ờ ng FOC
Động cơ không đồng bộ có giá thành rẻ và dễ chế tạo, nhưng việc điều khiển chính xác tốc độ quay lại gặp nhiều khó khăn do sự tác động qua lại giữa từ thông rotor và moment quay Từ thông rotor rất khó đo chính xác, dẫn đến việc kiểm soát moment quay và tốc độ quay không hiệu quả, làm giảm hiệu suất động cơ Tuy nhiên, nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp vi xử lý và điện tử công suất, việc áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ đã trở nên dễ dàng hơn Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field oriented control - FOC).
Phương pháp FOC bao gồm hai loại: điều khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo từ thông rotor Trong đó, phương pháp điều khiển theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội Ứng dụng phương pháp vector không gian giúp xây dựng mô hình động cơ và các phương trình trên hệ tọa độ (d – q), trong đó thành phần từ thông rotor trên trục q có thể được triệt tiêu, còn thành phần từ thông rotor trên trục d được coi như một đại lượng một chiều Các đại lượng dòng điện và điện áp khi được chiếu lên hai trục tọa độ d và q cũng là các thành phần một chiều Với những ưu điểm này, tác giả tập trung nghiên cứu về phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ định hướng theo từ thông rotor.
Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha được mô tả như hình 2.5 Trong hệ tọa độ từ thông rotor (d – q), vector dòng stator i s được phân chia thành hai thành phần: i ds và i qs Thành phần i ds có nhiệm vụ điều khiển từ thông rotor, trong khi thành phần i qs đảm nhiệm việc điều khiển moment quay.
Hình 2.5: Cấ u trúc cơ bả n củ a phư ơ ngpháp FOC
Phương pháp điều khiển trực tiếp có nhiều nhược điểm như làm mô hình động cơ trở nên cồng kềnh, tăng giá thành và khó khăn trong việc đo đạc thông số Do đó, phương pháp điều khiển FOC kiểu gián tiếp thường được sử dụng trong các mô hình Các đại lượng đầu ra của ĐCid và ĐCiq được gọi là y_d và y_q, có kích cỡ và đơn vị giống như đại lượng dòng điện Để ghép chúng với uds và uqs, cần sử dụng một khối tính áp (KTu) Một câu hỏi đặt ra là: các giá trị đặt của dòng điện stator i_ds_ref và i_qs_ref sẽ được cung cấp từ đâu? Để tính toán i_ds_ref và i_qs_ref, cần thêm một khối dòng (KTi) để sử dụng từ thông rotor ψ_r_ref và tốc độ vượt trướng ω_r_ref của từ thông rotor so với trục rotor Với suy nghĩ này, trong cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC xuất hiện các khối tính dòng và tính áp.
(1 ) i s s ds s d q s s s m qs s q d dr s r d s ds u R y L y sT
T s : Hằ ng số thờ i gian từ thông tiêu tán phía stator.
L s = σ L s : Điệ n cả m tiêu tán phía stator.
Tính góc , dùng khâu tích phân: s s θ ϖ (2.17)
Chuyể n đổ i trong hệ tọ a độ dòngđiệ n:
1 ( 2 ) 3 s sa s sa sb i i i i i α β (2.18) i ds = isα cosθ +isβ sinθ (2.19) i qs = - i sα sinθ +i sβ cosθ
Chuyể n đổ i trong hệ tọ a độ điệ n áp:
Khâu điề u chế tố c độ quay (ĐCω ) là khâu PI:
Các khâu điề u chế dòng (Đc isd) và (Đc isq):
Để tính toán các đại lượng như i ds và i qs, cần xác định góc quay của từ thông rotor r, được xác định qua ω r = ω + ω sl Trong thực tế, ω = 2π f và ω r có thể đo được, trong khi tốc độ trượt ω sl = 2π f sl, với f sl là tần số của mạch điện rotor (lồng sóc) không đo được Do đó, phương pháp điều khiển các ĐCKĐB ba pha phải dựa trên các mô tả trong hệ tọa độ dq và cần xây dựng phương pháp tính toán ω r chính xác Khi xây dựng mô hình tính toán trong hệ tọa độ dq, do không thể xác định chính xác góc r, nên vẫn giữ lại ψ qr = 0 để đảm bảo tính khách quan trong quan sát Vì vậy, có thể xem ψ r f ψ dr.
Từ thông và moment quay đư ợ c biể u diễ n qua dòng stator như sau:
Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, chúng ta không chỉ tập trung vào từng dòng điện pha riêng lẻ mà còn xem xét toàn bộ vector không gian dòng stator của động cơ.
Từ phương trình (2.23) và (2.24), vector dòng điện stator \( i_s \) cung cấp hai thành phần quan trọng: \( i_{ds} \) để điều khiển từ thông rotor \( r \) và \( i_{qs} \) để điều khiển momen quay \( T_e \) Nhờ đó, có thể điều khiển tốc độ của động cơ một cách hiệu quả.
Phương pháp điều khiển ĐCKĐB ba pha tương quan tương tự như đối với động cơ một chiều, cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động ĐCKĐB ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều Việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha ω được thực hiện thông qua việc điều khiển hai phần tử của dòng điện là i_ds và i_qs.
Điề u khiể n bộ nghị ch lư u vớ i nguồ n DC cân bằ ng - phư ơ ng pháp
CHƯ Ơ NG 3: CÁC BỘ NGHỊ CH LƯ U TRONG DFIG
Bộ điều khiển áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra cho máy phát điện gió DFIG sẽ được kết nối trực tiếp với hai bộ Converter back-to-back Nguồn điện áp một chiều chính là tụ điện DC, với điện áp V DC.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng điều khiển dòng điện, cho phép kích đóng và ngắt dòng qua nó Trong các ứng dụng nhỏ và vừa, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET hoặc IGBT Đối với các ứng dụng công suất lớn, GTO, IGCT hoặc SCR thường được sử dụng kết hợp với bộ chuyển mạch.
Bộ nghị ch lư u áp có rấ t nhiề u loạ i cũng như nhiề u phư ơ ng pháp điề u khiể n khác nhau.
- Theo số pha điệ n áp đầ u ra : nghị ch lư u áp 1 pha, 3 pha,…
Theo tiêu chuẩn, điện áp được chia thành hai loại chính: hai bậc (two-level) và đa bậc (multi-level), trong đó đa bậc bao gồm từ ba bậc trở lên.
- Theo cấ u hình củ a bộ nghị ch lư u: dạ ng cascade (cascade inverter), dạ ng nghị ch lư u chứ a diode kẹ p NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter),
- Theo phư ơ ng pháp điề u khiể n:
+ Phư ơ ng pháp điề u rộ ng
+ Phư ơ ng pháp điề u biên
+ Phư ơ ng pháp điề u chế độ rộ ng xung (SH-PWM)
+ Phư ơ ng pháp điề u chế độ rộ ng xung cả i biế n ( Modified PWM)
+ Phư ơ ng pháp điề u chế vector không gian (SVPWM –Carrier Based PWM) Sau đây chúng ta tìm hiể u mộ t số cấ u hình các bộ nghị ch lư u điể n hình.
3.3 Bộ nghị ch lư u áp ba bậ cNPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)
Bộ nghị ch lư u áp 3 bậc dạ ng chứ a cặ p diode kẹ p (NPC) sử dụng độ lớn điện áp U trên mỗi tụ riêng lẻ, phụ thuộc vào điện áp pha-nguồn DC cần thiết Các linh kiện bị kẹp giữ a cặp diode sẽ nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập và ở trạng thái kích Điện áp pha-tâm nguồn DC được tính từ điểm đầu dây của pha tải đến một điện thế trên mạch DC.
Hình 3.1: Bộ nghị ch lư u 3 bậ c
Trạ ng thái đóng ngắ t củ a các khoá bán dẫ n trên mộ t nhánh tả i củ a các pha a, b, c phả i thoả mãnđiề u kiệ n kích đố i nghị ch:
Khi kích đóng ngắt các linh kiện đúng nguyên tắc, ta sẽ thu được giản đồ xung kích cho các khóa Tính toán tương tự cho bộ nghị ch lưu áp ba pha hai bậc cho phép xác định các điện áp pha tải, đặc biệt là trong trường hợp tải Y.
Ta có điệ n áp common mode (trung bình)
Trạ ng thái đóng ngắ t bộ nghị ch lư u áp 3 bậ c
Xét bộ nghị ch lư u áp ba bậ c dạ ng chứ a cặ p diode kẹ p như hình trên Gọ i U
(U d) là điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ, phụ thuộc vào điện áp pha, trong máy phát điện gió DFIG với V DC = 2U Các linh kiện kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết sẽ ở trạng thái kích Điện áp pha-tâm nguồn DC đạt các giá trị được trình bày trong bảng sau.
Ta thấ y có 3 mứ c điệ n áp ứ ng vớ i 3 trạ ng thái đóng ngắ t linh kiệ n cho mỗ i pha.Vậ y, có 3 3 = 27 trạ ng thái đóng ngắ t cho 3 pha.
Hình 3.2: Ngị ch lư u ba bậ c cấ u trúc diode kẹ p NPC
Phân tích tác động xung kích chỉ cần thực hiện trong một trong ba pha Đối với pha a, xung kích cho các linh kiện Sa1, Sa2, Sa3, và Sa4 được thiết lập dựa trên sự so sánh giữa sóng điều khiển ura của pha a với sóng mang up1 (đối với xung kích cho cặp Sa1 và Sa3) và up2 (đối với xung kích cho cặp Sa2 và Sa4).
Từ giả n đồ thiế t lậ p trên, điệ n áp pha–tâm nguồ n DC đư ợ c xác đị nh :
Như vậ y hoàn toàn xác đị nh đư ợ c điệ n áp pha – tâm nguồ n DC như trình bày ở công thứ c (3.6).
Có nhiều phương pháp để điều khiển bộ nghị ch lưu áp, cho phép điều khiển tín hiệu đóng ngắt trên các công tắc, và mỗi phương pháp phù hợp với các loại tải khác nhau Công thức U d = V DC / 2 được sử dụng trong quá trình này.
3.4 Điề u khiể n bộ nghị ch lư u vớ i nguồ n DC cân bằ ng- phư ơ ng pháp vector không gian cho bộ nghị ch lư u ba bậ c a Khái niệ m vector không gian
Ta giả sử chomộ t nguồ n ápcân bằ ngv a , v b , v c thoả hệ thứ c: a b c 0 v v v ( 3.8)
Thự c hiệ n phép biế n hình từ các đạ i lư ợ ng ba pha v a , v b , v c sang đạ i lư ợ ng vector v theo công thứ c sau:
Phép biến hình thực hiện trên không gian được gọi là phép biến hình vector không gian, trong đó đại lượng được gọi là vector không gian của đại lượng ba pha.
Hằ ng số k có thể chọ n vớ i các giá trị khác nhau.
Vớ i k = 2/3 ta có phép biế n hình không bả o toàn công suấ t.
Với 2/3 phép biến hình bảo toàn công suất, chúng ta sẽ xem xét cụ thể khái niệm này thông qua các đại lượng ba pha dạng cosin.
(3.11) Vector không gian theo đị nh nghĩa sẽ là :
Trong đó: v vector không gian điệ n áp v trong toạ độ vuông góc α β
Vector không gian v sẽ quay quanh trụ c toạ độ vớ i tầ n số góc bắ t đầ u từ vị trí o j m e
V θ ( không độ ) b Vector không gian củ a bộ nghị ch lư u ápba bậ c
Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha Theo lý thuyết không gian vector, điện áp ba pha có thể được biểu diễn dưới dạng vector trong không gian.
Vector sẽ quay trong không gian với tâm là hình lục giác đa bậc Vị trí của mỗi vector điện áp trong không gian phụ thuộc vào các trạng thái đóng ngắt kinh kiện.
Hình 3.3 - Giả n đồ vector điệ n áp bộ nghị ch lư u áp 3 bậ c
Khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo ra 27 trạng thái khác nhau Mỗi trạng thái được minh họa bởi tổ hợp (kak b k c).
Hệ số trạng thái tương ứng của các pha a, b, c được ký hiệu lần lượt là k a, k b, k c Những hệ số này phụ thuộc vào cách quy ước trước đó, và quy ước này dựa trên bảng trạng thái đóng ngắt.
Trong quá trình kích, quy luậ t đóng ngắ t đố i nghị ch phả i tuân thủ :
Ví dụ như : Trạ ng thái (000) là S a ' 1 S a ' 2 1 ; 1
Kế t luậ n
CHƯ Ơ NG 4: XÂY DỰ NG BÀI TOÁN MPPT
Trong chương này, chúng ta sẽ làm rõ vấn đề tối ưu hóa công suất trong máy phát điện gió DFIG Cụ thể, chúng ta sẽ xem xét cách thức hoạt động của máy phát điện gió DFIG trong chế độ định hướng theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) để đạt hiệu suất tối đa.
Có hai vấn đề tối ưu trong hệ thống năng lượng gió: tối ưu hóa tại turbine khi tốc độ gió lớn hơn định mức thông qua điều chỉnh góc cắt, và tối ưu hóa tại máy phát theo đường cong P-s, tức đường cong công suất cực đại (MPPT) khi tốc độ gió chưa đạt đến mức định sẵn Để các máy phát điện gió DFIG chuyển đổi năng lượng gió đạt hiệu suất cao, cần theo dõi công suất tối đa (MPPT) một cách cơ bản, trong đó các kỹ thuật trong MPPT bao gồm nhiều phương pháp khác nhau.
(1) nhữ ng phư ơ ng pháp cụ thể dự a vào vậ n tố c gió,
(2) nhữ ng phư ơ ng pháp dự a vào sự tính toán và đo lư ờ ng công suấ t đầ u ra,
(3) nhữ ng phư ơ ng pháp dự a vào đặ c tính đư ờ ng cong công suấ t.
Năng lượng gió được định nghĩa là năng lượng của không khí chuyển động, được tính bằng công thức m = ρ V = ρ Avt = ρ π r² vt, trong đó m là khối lượng không khí, ρ là mật độ không khí, A là diện tích mặt phẳng vuông góc với chiều gió, và vt là vận tốc gió.
Vớ i ρ là tỷ trọ ng củ a không khí.
V là thể tích khố i lư ơ ng không khí đi qua mặ t cắ t ngang hình tròn diệ n tích A, bán kính r trong thờ i gian t.
Vì thế độ ng năng E kin và công suấ t P củ a gió là:
Công suất gió tăng theo lũy thừa ba của vận tốc gió, cho thấy rằng vận tốc gió là yếu tố quyết định quan trọng trong việc xác định công suất gió khi sử dụng năng lượng gió.
Công suất gió được sử dụng để phát điện thông qua một tuốc bin gió, nhưng công suất này thường nhỏ hơn nhiều so với năng lượng của luồng gió Điều này là do tốc độ gió ở phía sau tuốc bin không thể giảm xuống bằng không.
Hệ số Betz, do Albert Betz phát hiện vào năm 1926, cho thấy rằng tối đa 59,3% năng lượng có sẵn trong luồng gió có thể được chuyển đổi thành công suất Tỷ lệ này thể hiện mối quan hệ giữa công suất thu được từ gió và công suất tiềm năng trong gió, theo định luật Betz.
Viế t dư ớ i dạ ng đạ o hàm công suấ t gió đư ợ c tính như sau:
Công suấ t cơ củ a turbin gió trên trụ c rotor đư ợ c theo công thứ c:
Công suất cơ đầu ra (P m) phụ thuộc vào hiệu suất C p, với chỉ số Cp liên quan đến tỷ số tốc độ λ và góc cắt β Chỉ số này quyết định lượng động năng có thể thu được từ hệ thống turbine gió Mô hình phi tuyến mô tả mối quan hệ giữa Cp, λ và β.
Giá trị của Cp (0.2-0.4) có thể đạt được tối ưu thông qua việc điều khiển góc cắt và chỉ nh vận tốc rotor tại một cột mốc tốc độ gió xác định, do sự phụ thuộc vào λ và β Đây là một trong những yêu cầu quan trọng của MPPT.
Mộ t nhóm các đường cong C p - λ biểu diễn hình ứ ng với các giá trị góc cắt β khác nhau được trình bày trong hình 4.1, cho thấy rằng giá trị cực đại C p luôn tồn tại như hình dưới đây.
Hình 4.1 : Quan hệ giữ a công suấ t cơ và công suấ t máy phát, điể m cự c đạ i C p
Dođó, công suất đầu ra của turbin gió được xác định bởi các giá trị Cpk khác nhau và vận tốc rotor tại các tốc độ gió khác nhau Hình 4.2 minh họa các vùng vận hành tương ứng với từng giá trị tốc độ gió, thể hiện mục tiêu của việc điều khiển MPPT.
Trong điều kiện gió ổn định với tốc độ rotor không đổi, công suất đầu ra của turbine được điều chỉnh thông qua việc tinh chỉnh góc cắt của các cánh quạt Góc cắt chỉ được điều chỉnh khi tốc độ gió vượt qua giá trị định mức, và điều này sẽ giới hạn công suất đầu ra ở mức định sẵn Hệ thống điều khiển này hoạt động như một phương pháp kiểm soát công suất đầu ra Ở tốc độ gió thấp hơn mức định mức, góc cắt β được đặt bằng 0 độ để tối ưu hóa công suất vào turbine Khi tốc độ gió vượt quá mức định, góc cắt β sẽ lớn hơn 0 độ để duy trì công suất đầu ra ổn định từ máy phát gió.
Hình 4.2: Các vùng vậ n hành cho điề u chỉ nh góccắ t củ a turbin gió.
4.2 MPPT dự a trên tố c độ gió
Hầu hết các hệ thống điện gió đều phụ thuộc vào việc đo lường tốc độ gió Để thực hiện điều này, thiết bị đo gió (anemometer) được sử dụng, tuy nhiên, việc này đòi hỏi thêm chi phí cho các cảm biến phức tạp Để giải quyết vấn đề này, các phương pháp ước lượng vận tốc gió đã được đưa ra.
Dựa trên các thuật toán phức tạp, tốc độ gió chính xác có thể được đo bằng cách điều khiển tỷ số tốc độ định tối ưu, do đó phương pháp MPPT được thực hiện đầy đủ Tuy nhiên, thông tin về tốc độ gió và các kết quả liên đới trong phần mềm/phần cứng vẫn rất cần thiết Để loại trừ sự phụ thuộc vào tốc độ gió, nhiều phương án điều khiển không sử dụng cảm biến đã được triển khai Các phương pháp này đang được thử nghiệm cho các hệ thống độc lập quy mô nhỏ, và các thuật toán ước lượng phức tạp vẫn cần thiết, dẫn đến kết quả giảm sự chính xác và tốc độ điều khiển trong môi trường vận hành thực tế, nơi mà tốc độ gió thay đổi nhanh chóng.
Hình 4.3: Đánh giá tố c độ gió và đo lư ờ ng giá trị vậ n tố c gió
4.3 MPPT dự a vào sự kiể m tra biế n công suấ t (power variation)
Theo dõi công suất cực đại có thể thực hiện bằng cách đo lường trực tiếp công suất đầu ra Phương pháp này dựa trên việc kiểm tra tốc độ thay đổi của công suất so với vận tốc (dP/dω) Điểm mà công suất cực đại đạt được là khi dP/dω = 0, như thể hiện trong hình 4.3.
Biể u đồ thuậ t toán đư ợ c thể hiệ n trong hình 4.4, nơ i mà các điể m hoạ t độ ng(ω m (k),P(k)) đư ợ c đo và so sánh vớ i (ω m (k-1),P(k-1)) dư ớ i tố c độ gió xác đị nh v w (i).
Trong nghiên cứu này, k đại diện cho các điểm đo lường với vận tốc gió riêng biệt Vw(i) Tại tất cả các điểm đo (ω m(k), P(k)), chỉ có một điểm duy nhất có giá trị dP/dω = 0, đó là điểm vận hành tối ưu (ω mopt(i), P opt(i)) Phương pháp này cần được thực hiện liên tục với các vận tốc gió khác nhau (i=1,2,…) Theo thông tin từ các điểm lý tưởng, cả vận tốc rotor và vòng lặp của bộ chuyển đổi đều có thể được tinh chỉnh.
Khố i Data aquistion
CHƯ Ơ NG 5: MÔ HÌNH HÓA MÁY PHÁT ĐIỆ N GIÓ DFIG
5.1 Mô phỏ ng máy phát điệ n gió DFIG 1.5 MW:
Việc mô phỏng máy phát điện gió được thực hiện thông qua mô hình có sẵn trong Matlab, nhằm chứng minh lý thuyết về tối ưu hóa phát công suất như đã đề cập ở chương 4 Tuy nhiên, các thông số của mô hình cần phải có một số điều chỉnh và khai báo cụ thể để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình mô phỏng.
Để mô phỏng máy phát điện gió DFIG 1,5 MW trong hệ thống điện, cần thiết lập một số tham số mô phỏng được khai báo trong hộp thoại thông số của máy phát gió Hình 5.1 minh họa sơ đồ mô phỏng của máy phát điện gió này.
Thông số củ a máy phát gió đư ợ c thiế t lậ p như sau:
- Vậ n tố c gió trung bình cho DFIG hoạ t độ ng v = 5-14 (m/s)
- Vậ n tố c gió thấ p nhấ t và lớ n nhấ t v= 0-40 (m/s)
- Phạ m vi điề u chỉ nh góc pitch β =0-45 o
- Điệ n áp stator củ a máy phát: U = 575 V (V1_B575)
- Công suấ t tác dụ ng máy phát DFIG P = 1,5 MW
- Tầ n số củ a máy phát: f = 50 Hz
- Công suấ t phả n kháng Q =-0.25 0.25 MVAr
- Hệ số công suấ t Cos = 0.9
- Điệ n áp thanh cái DC: V DC = 1200 V
- Điệ n cả m tả n stator Lls= 0.171
- Điệ n trở rotor quy đổ i R’ r = 0.005
- Điệ n cả m tả n rotor quy đổ i L’ lr = 0.156
Thông số củ a bộ Converter:
- Hiệ u suấ t cự c đạ i bộ Converter: = 0.5
- Dung lư ợ ng tụ điệ n C giữ a hai bộ Converter: C = 0.012 F
- Thông số turbin (Control parameter):
- Bỏ qua tổ n thấ t công suấ t, công suấ t cơ trên trụ c turbin P = 1.5 MW
- Công suấ t tạ i điể m vậ n hành C: 0.73xPđm
- Tố c độ gió tạ i điể m vậ n hành C : vwind = 12 (m/s)
- Hệ số điề u chỉ nh góc pitch: Kp = 500
- Tố c độ điề u chỉ nh vậ n tố c gió 2 (deg/s)
Thông số bộ điề u khiể n (Control parameter):
Thông số điề u khiể n– Điệ n áp đị nh mứ c
- Dòngđiệ n tham chiế u phát bở i bộ GSC: I q_ref = 0 (A)
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI điệ n áp lư ớ i Kp = 1.25 Ki = 300
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI công suấ t Kp = 1 Ki = 100
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI điệ n áp thanh cái DC Kp = 0,002 Ki = 0,05
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI trên Converter phía lư ớ i(GSC) Kp = 1 Ki = 100
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI trên Converter phía rotor (RSC) Kp = 0,3 Ki = 8Thông số điề u khiể n - Công suấ t phả n kháng
- Công suấ t phả n kháng tham chiế u Q ref = 0 (Mvar)
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PIcông suấ t phả n kháng Kp = 0.05 Ki = 5
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI công suấ t Kp = 1 Ki = 100
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI điệ n áp thanh cái DC Kp = 0,002 Ki = 0,05
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI dòngđiệ n trên Converter phía lư ớ i (GSC) Kp = 1;
- Hệ số điề u chỉ nh khố i PI dòng điệ n trên Converter phía rotor (RSC) Kp=0,3; Ki = 8
Hình 5.2: Cấ uhình bên trong củ a khố iturbin gió DFIG
5.2 Phân tích về chuyể n đổ i năng lư ợ ng gió trong mô hình:
Hình 5.3: Cấ u hình khố i chuyể n năng lư ợ ng gió thành moment cơ
Viế t dư ớ i dạ ng đạ o hàm công suấ t gió đư ợ c tính như sau:
Vớ i ρ là tỷ trọ ng củ a không khí.
V là thể tích khố i lư ợ ng không khí đi qua mặ t cắ t ngang hình tròn diệ n tích A, bán kính r trong thờ i gian t.
Công suấ t cơ củ a turbin gió trên trụ c rotor đư ợ c theo công thứ c:
Pm là công suất cơ đầu ra (W), phụ thuộc vào hiệu suất Cp(λ, β) Chỉ số Cp phụ thuộc vào tỷ số tốc độ λ và góc cắt β, quyết định lượng động năng có thể được thu gom bởi hệ thống turbine gió Mô hình phi tuyến mô tả cách tính Cp(λ, β) như sau:
Hình 5.4: Cấ uhình các khố i tính C p
Khố i Fcn1 để tính:C p ( ,β ) = c1(c 2 –c 3 β –c 4 β 2 –c 5 )e -C6 (5.3) Ở đây; c 1 = 0.5, c 2 = 116/ i , c 3 = 0.4, c 4 = 0, c 5 = 5, c 6 = 21/ i và:
Giá trị của Cp (0.2-0.4) có thể đạt được tối đa thông qua việc điều khiển góc cắt và điều chỉnh vận tốc rotor tại một cột mốc tốc độ gió xác định, do sự phụ thuộc vào λ và β Đây là một trong những yêu cầu quan trọng của MPPT.
Công suất đầu ra của hệ thống được xác định bởi các giá trị Cp khác nhau và vận tốc rotor tại các tốc độ gió khác nhau Điều này tạo ra một giá trị công suất cực đại ứng với mỗi tốc độ gió, từ đó làm cơ sở cho việc xây dựng đồ thị công suất tối ưu P opt.
Mô hìnhđiề u khiể n công suấ t tố i ư u dự a vào vậ n tố c góc rotor r (thuộ c khố i Control):
Mô hìnhđiề u khiể n góc pitch β (thuộ c khố i Control):
5.3 Phân tích các khố i bên trong bộ DFIG
Hình 5.5: Cấ uhình khố i Generator & Converterturbin gió DFIG
Máy phát gió DFIG 1.5 MW bao gồm hai bộ chuyển đổi AC/DC/AC, được chia thành hai phần chính: bộ chuyển đổi trên rotor (Crotor-RSC) và bộ chuyển đổi trên lưới (C grid -GSC).
Hình 5.6: Nguyên lý vậ n hành củ a DFIG
Cả hai bộ chuyển đổi (C rotor) và (C grid) đều là các thiết bị chuyển đổi điện áp sử dụng IGBT, được kết nối thông qua một nguồn DC ở giữa Hệ thống điều khiển sẽ điều chỉnh điện áp điều khiển Vr và Vgc để kiểm soát hai bộ chuyển đổi này, nhằm đáp ứng công suất tác dụng và phản kháng, đồng thời giữ ổn định điện áp trên thanh cái V DC và điện áp trên lưới.
Trong phần này, chúng tôi trình bày phương pháp điều khiển cho hệ thống tuabin gió phát điện DFIG Đầu tiên, việc điều khiển bộ converter phía lưới điện (C grid -GSC) cho phép đạt được một hệ số công suất từ phía lưới, trong khi vẫn duy trì điện áp VDC cố định Thứ hai, điều khiển định hướng trường ở phía rotor (C rotor -RSC) của máy phát điện bao gồm việc điều chỉnh các hoạt động bên trong stator nhằm phát công suất tác dụng và công suất phản kháng lên lưới điện thông qua việc điều chỉnh dòng i qr và i dr của rotor.
5.4 Phân tích khố i bên khố i máy điệ n không đồ ng bộ :
Hình 5.7 : Khố i máyphátđiệ n không đồ ng bộ Đầ u vào bao gồ m: Điệ n áp V abc W5 V đư ợ c nhậ p tạ i thông số củ a khố i DFIG
Moment cơ T m đư ợ c tính từ khố i chuyể n đổ i năng lư ợ ng gió ở trên. Điệ n áp rotor trong hệ quy chiế u dq : Vdqr
Tín hiệu ngắt (trip) được sử dụng để máy phát có thể cắt từ lưới hoặc từ bộ C rotor Tín hiệu đầu vào trip được chia thành 2 mức (tín hiệu digital): mức 1 cho tác động ngắt DFIG khỏi hệ thống và mức 0 cho DFIG hoạt động bình thường Đầu ra bao gồm các thông tin liên quan đến trạng thái hoạt động của DFIG.
Tố c độ rotor máy phát r , dòng điệ n rotor trong hệ quy chiế u dq : I dq_rotor , dòngđiệ n stator trong hệ quy chiế u dq : Ia_stator, I dq_stator , I b_stator
Các phư ơ ng trình toán trong mô hình trên:
Chuyể n đổ i điệ n áp statortừ hệ quy chiế u abc sang hệ quy chiế u quay dq: d
Tín hiệ u T m (moment cơ ) đư ợ c dùng để tính tố c độ rotor máy phát r (trong hệ quy chiế u tư ơ ng đố i) moment điệ n từ T e , và góc r
Khố i Positive Sequence gồ m 3 khố i nhỏ là: Khố i Stator, Rotor và Mutual fluxes Khố i Mutualfluxesdùng để tính m trong hệ quy chiế u dq.
Hình 5.8: Các khố i trongPositive Sequence
Dòng điện stator thể hiện trong hệ quy chiếu dq với các thông số như điện áp stator, dòng điện và tần số Các đại lượng này bao gồm ds, md, qs, mq, và các tham số liên quan đến điện áp và dòng điện, giúp mô tả chính xác hoạt động của hệ thống điện Việc phân tích các thông số này trong hệ quy chiếu dq là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định cho hệ thống.
Phư ơ ng trình từ thông cho cuộ n dây stator : d s L i s d s L i m d r ψ qs L i s qs L i m qr ψ
Khố i rotor tư ơ ng tự như khố i stator:
Phư ơ ng trình từ thông cho cuộ n dây rotor : d r L i r d r L i m d s ψ qr L i r qr L i m qs ψ
Phư ơ ng trìnhđiệ n áp rotor biể u diễ n trong hệ quy chiế u dq:
5.5 Phân tích các khố i bên khố i điề u khiể n:
Hình 5.9a : Phân tích các khố i bên trong khố i điề u khiể n
Hình 5.9b : Các khố i bên trong khố i điề u khiể n
Bên trong khố i Control gồ m các khố i con như sau: Khố i Positive sequence, khố i RSC, khố i GSC và khố i Converter voltage
Khố i Positive sequence voltage phase angle: chuyể n điệ n áp 3 pha tạ i thanh cái B1 trong hệ quy chiế u abc thành mộ t vector điệ n áp V dq và góc lệ ch
Hình 5.10 :Sơ đồ khố iPositive sequence
Sau khi chuyển vector V1 thành tọa độ cực, chúng ta có thể xác định giá trị tuyệt đối V B1 và góc quay trong hệ quy chiếu α, β Đồng thời, vector V1 cũng được phân tách thành hai thành phần V d và V q trong hệ quy chiếu dq.
5.6 Khố i Grid side converter-GSC (Wind_dfig_grid):
Khối Grid side converter được sử dụng để điều chỉnh điện áp cho bộ Converter phía lưới Nhiệm vụ chính của khối này là duy trì điện áp ổn định trên thanh cái DC.
Hình 5.11:Sơ đồ nguyên lýđiề u khiể n điệ n áp V gc củ a bộ GSC
Bộ điều khiển Grid side converter có nhiệm vụ thu thập tín hiệu điện áp lưới (Vg) và góc pha điện áp, dòng điện từ phía lưới (Igrid) – Iq_ref, cùng với điện áp tụ điện VDC Đầu ra của bộ điều khiển này là điện áp điều khiển cho bộ Converter phía lưới Điện áp điều khiển phía lưới được xác định bởi sơ đồ liên quan.
Như sơ đồ bên trên tỉ số điề u chế m:
V nom : Điệ n áp dây đị nh mứ c thanh cái B1 phía lư ớ i
V DC : Điệ n áp tụ điệ n DC.
5.7 Khố i Rotor side converter - RSC (Wind_dfig_rotor):
Hình 5.13:Sơ đồ nguyên lý điề u khiể n điệ n áp V r củ a bộ RSC
Hình 5.14: Mô hình khố i tínhđiệ n ápđiề u khiể n V r củ a bộ RSC Đầ u vào là vậ n tố cgóc củ a rotor r, dòngđiệ n rotor, dòng điệ n stator, điệ n áp
Điện áp DC, góc pha điện áp lưới, dòng điện lưới, công suất tác dụng, công suất phản kháng phát ra và công suất phản kháng tham chiếu là những yếu tố quan trọng trong hệ thống điện Đầu ra của hệ thống được điều khiển bởi điện áp điều khiển Vdq_control_rotor, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Việc điều khiển công suất tác dụng là cần thiết để duy trì sự ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Công suất tác dụng được tối ưu hóa dựa vào vận tốc góc của rotor, từ đó thiết lập giá trị POpt làm tham số đầu vào Kết hợp với các thông số đo được như công suất tác dụng đầu ra của máy phát, dòng stator, rotor và dòng điện lưới, chúng ta có thể tính được giá trị tham chiếu Iqr_ref.
2 2 2 m s ds ds qs qs qs qs s qr s
Từ biể u thứ c trên ta nhậ n thấ y công suấ t tác dụ ng có thể điề u khiể n độ c lậ p thông qua i qs hoặ c i qr Điề u khiể n công suấ tphả n kháng:
Mộ t số kế t luậ n
6.1 Mộ t số kế t quả mô phỏ ng:
Nghiên cứu mô hình cho thấy rằng tốc độ gió khác nhau sẽ tạo ra các định mức công suất khác nhau Ở tốc độ gió lớn, góc cắt được điều chỉnh để loại bỏ bớt năng lượng gió đầu vào, nhằm tối ưu hóa quá trình phát công suất tác dụng.
Công suất phản kháng được duy trì ở mức Q ref = 0 Mvar, trong khi điện áp thanh cái B575 đạt 1puW5 V Điện áp DC giữa hai bộ chuyển đổi được ổn định nhờ vào các bộ điều khiển.
Ta khả o sát công suấ t tác dụ ng thay đổ i qua việ c tố c độ gió thay đổ i:
Vậ n tố c gió thấ p nhấ t 0-5 (m/s):
Tố c độ turbin giả m dầ n chạ y dư ớ i tố c độ đồ ng bộ 30%. Điệ n áp thanh cái cũng đạ t giá trị định mứ c 1pu = 575 V
Máy phát hoạt động như một máy bù công suất, cung cấp công suất 0.25 Mvar với điện áp DC ổn định ở mức 00 V Điện áp thanh cái B575 đạt giá trị định mức 1pu = 575 V, trong điều kiện vận tốc gió thấp từ 6-9 m/s.
Tố c độ turbin tăng dầ n vẫ n chư a đạ t đư ợ c tố c bộ đồ ng bộ , thấ p hơ n 10%.
Công suất tác dụng bắt đầu phát từ 0 - 0.5 MW với điện áp thanh cái đạt giá trị định mức 1pu = 575 V Ở vận tốc gió trung bình từ 9 đến 12 m/s, hệ thống hoạt động hiệu quả.
Tố c độ turbin tăng dầ n đạ t đế n tố c độ đồ ng bộ
Công suất phát vào lưới hiện tại chỉ đạt từ 0.4 - 1 MW, chưa đạt mức công suất định mức Điện áp thanh cái đạt giá trị định mức 1pu = 575 V do được kết nối vào hệ thống có kích thước rất lớn.
Vậ n tố c gió trung bình 12-14 (m/s):
Tố c độ turbin tăng dầ n đạ t trên tố c độ đồ ng bộ 20%.
Tuy nhiên công suấ t phát vào lư ớ i chỉ từ 0.4 – 1.5 MW đạ t mứ c công suấ t định mứ c. Điệ n áp thanh cái cũng đạ t giá trị định mứ c 1pu = 575 V
Tố c độ turbin tăng dầ n đạ t trên tố c độ đồ ng bộ 25%.
Công suất phát điện vào lưới chỉ đạt 1.5 MW, tương ứng với mức công suất định mức Để loại bỏ bớt năng lượng gió dư thừa, góc cắt được điều chỉnh tăng lên β = 20° nhằm đảm bảo máy phát điện gió DFIG hoạt động ổn định Điện áp thanh cái cũng đạt giá trị định mức 1pu = 575 V.
6.2 Nhậ n xét về đị nh hư ớ ng lấ y công suấ t tố i ư u
Để đạt được công suất tối ưu cho turbine gió, việc điều chỉnh góc cắt là một trong những phương án quan trọng, đặc biệt trong trường hợp vận tốc gió cao hơn mức định mức Sử dụng đặc tính bám công suất định MPPT giữa công suất và tốc độ máy phát gió cũng là một giải pháp hiệu quả Trong trường hợp vận tốc gió vượt quá mức định, cần điều chỉnh công suất theo đặc tính P-s Đối với tốc độ gió nhỏ hơn mức định 14 m/s, góc cắt β cần được điều chỉnh về 0 độ để đảm bảo công suất tối đa vào turbine, trong khi ở tốc độ gió trên mức định, góc cắt β phải lớn hơn 0 độ để duy trì công suất đầu ra ổn định của máy phát gió.
Công suất được điều khiển theo đường đặc tính công suất-tốc độ (P-s) cho trục, được gọi là đặc tính dò công suất (MPPT) Đường đặc tính này được minh họa trong hình dưới đây, bao gồm đặc tính turbin và đặc tính tracking, thể hiện qua đường cong ABCD, cho thấy đặc tính cơ của turbin gió ở các tốc độ khác nhau.
Hình 6.1: Đư ờ ng đặ c tính bám công suấ t đỉ nh lý thuyế t củ a mô hình máy phát gió cho bở i các vậ n tố c gió khác nhau.
Tốc độ thực sự của turbine ω được đo lường tương ứng với công suất cơ của đường đặc tính, được sử dụng làm công suất tham chiếu cho vòng lặp điều khiển công suất Đường đặc tính tracking được xác định bởi 4 điểm A, B, C, D.
Từ điểm A đến điểm B, công suất tham chiếu là 0, và giữa hai điểm A, B có một đường thẳng Tốc độ tại điểm B phải lớn hơn tốc độ tại điểm A Khi di chuyển từ A đến B, máy phát gió bắt đầu phát công suất vào lưới theo đường thẳng AB.
Từ điểm B đến điểm C là quỹ tích cho công suất tối đa của turbine, với điểm công suất cực đại nằm trên đường cong tốc độ turbine Khi máy phát gió bắt đầu phát công suất vào lưới từ điểm B đến C, nó sẽ theo đường cong BC để đạt được công suất cực đại Đường đặc tính tracking từ C đến D là một đường thẳng, trong đó công suất tại điểm D đạt 1pu, và tốc độ tại điểm D phải lớn hơn tốc độ tại điểm C.
D xem như là hằ ng số bằ ng 1 pu.
Hình 6.2 thể hiện công suất tác dụng của DFIG khi hoạt động ở các vận tốc gió khác nhau, phù hợp với đường đặc tính lý thuyết.
Hình 6.2 :Đư ờ ng đặ c tính bám công suấ t đỉ nh củ a mô hình cho bở i các vậ n tố c gió khác nhau.
Mô hình DFIG cho thấy rằng khi vận tốc gió dưới 5 m/s, tốc độ turbin chỉ đạt dưới 70%, chưa đủ năng lượng để phát điện Khi vận tốc gió tăng từ 5-9 m/s, tốc độ turbin đạt 90% và bắt đầu phát công suất lên lưới Tại vận tốc gió 12 m/s, tốc độ turbin có thể đạt tối đa 120%, nhưng công suất tác dụng chỉ đạt 75% Để đạt công suất 100%, vận tốc gió cần đạt 14 m/s Nếu vận tốc gió vượt quá 14 m/s, DFIG sẽ điều chỉnh góc cắt để giảm bớt công suất phản kháng, và khi vận tốc gió trên 20 m/s, DFIG sẽ loại ra khỏi hệ thống.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng xanh, sạch với tiềm năng lớn chưa được khai thác hết, được xem là tương lai của ngành năng lượng khi các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá và dầu khí dần cạn kiệt Hiện nay, năng lượng gió vẫn chiếm tỷ trọng nhỏ trong tổng nguồn năng lượng sử dụng toàn cầu cũng như tại Việt Nam Vì vậy, ngành điện, chính phủ và xã hội cần có những nghiên cứu cụ thể và đầu tư hợp lý để phát triển năng lượng tái tạo này.
Máy phát điện gió đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ thế kỷ trước, và hiện nay, chúng ta nên tập trung vào hai loại chính là PMSG và DFIG Hai loại máy này có ưu điểm nổi bật như công suất lớn, khả năng điều khiển dễ dàng và ngày càng được tối ưu hóa về thiết kế cũng như chế độ vận hành.