Nghiên cứu điền khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng gió Nghiên cứu điền khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng gió Nghiên cứu điền khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng gió Nghiên cứu điền khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng gió Nghiên cứu điền khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng gió
Tính cấp thiết của đề tài
Thế kỷ 20 chứng kiến nhiều tiến bộ vượt bậc của nhân loại, với hàng loạt phát minh và công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động Tuy nhiên, sự phát triển này cũng đi kèm với những thách thức lớn, bao gồm môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và nhiều vấn đề khác, cho thấy sự cần thiết của một nền kinh tế phát triển bền vững.
Trong thế kỷ 21, nhân loại đang đối mặt với nhiều thách thức toàn cầu như năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh và y tế Trong số đó, vấn đề năng lượng được coi là quan trọng và cấp thiết nhất.
Năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, dẫn đến nguy cơ xung đột do tranh chấp lãnh thổ và áp lực duy trì nguồn cung Sự thiếu hụt năng lượng hóa thạch không đáp ứng đủ nhu cầu phát triển kinh tế và sinh hoạt ngày càng tăng, gây ra chậm phát triển kinh tế, khủng hoảng và suy thoái kinh tế, cùng với bất ổn chính trị trên toàn cầu.
Việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch đang gây ra hàng loạt vấn đề môi trường nghiêm trọng, bao gồm biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu Điều này dẫn đến việc thu hẹp đất canh tác, thay đổi môi trường, và gia tăng dịch bệnh khó lường Thêm vào đó, thiên tai ngày càng nhiều và mùa màng thất thu đang đe dọa an ninh lương thực, tạo ra một thế giới tiềm ẩn hỗn độn và tranh chấp không thể kiểm soát.
Các số liệu trong “Chiến lƣợc phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy vào năm
Đến năm 2050, dân số thế giới dự kiến sẽ tăng 50%, đạt khoảng 9 tỷ người Với tốc độ tăng trưởng dân số hiện tại, trong 20 năm tới sẽ có thêm khoảng 36.000 máy bay và gần 2 tỷ xe hơi, gấp đôi so với hiện tại Theo dự báo của IEA, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và tổng nhu cầu năng lượng, bao gồm dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo, sẽ tăng lên tới 65%.
IEA dự báo rằng dầu mỏ sẽ vẫn là nguồn cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này, chiếm khoảng 1/3 tổng năng lượng toàn cầu Tuy nhiên, theo các nhà địa chất học, lượng dầu mỏ hiện có chỉ đủ cho khoảng 60 năm tới, trong khi khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm Sự gia tăng nhu cầu dầu mỏ, đặc biệt từ các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc và Ấn Độ, đã dẫn đến sự tăng giá mạnh mẽ của cả dầu và khí.
Tình hình chính trị không ổn định ở các quốc gia sở hữu hơn 70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên, chủ yếu tập trung tại những khu vực bất ổn như Trung Đông, Nga và Trung Á, đã dẫn đến sự gia tăng giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt.
Để đảm bảo nguồn cung năng lượng bền vững cho nhân loại và duy trì sự ổn định của thế giới, cần tìm kiếm các nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt Các nguồn năng lượng hứa hẹn như năng lượng mặt trời, gió, sóng biển và địa nhiệt đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học Nhờ vào những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật, năng lượng tái sinh sẽ tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi.
Sự cần thiết phải nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng sạch đã trở thành một nhiệm vụ toàn cầu, không chỉ riêng của một quốc gia Điều này đòi hỏi sự quan tâm và hành động đồng bộ từ tất cả các quốc gia trên thế giới.
Năng lượng gió có tiềm năng sử dụng lớn và được đánh giá cao, tuy nhiên, việc tối ưu hóa công suất phát của hệ thống điện gió là một thách thức quan trọng Luận văn này sẽ tập trung vào việc giải quyết vấn đề này nhằm nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió.
Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa công suất phát của hệ thống điện năng lượng gió, sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép Mục tiêu là nâng cao hiệu suất và hiệu quả hoạt động của hệ thống, góp phần vào việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo bền vững.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lƣợng gió
- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép
Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất phát cho hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió Giải thuật này giúp tối ưu hóa quá trình phát điện, đảm bảo công suất đầu ra ổn định và hiệu quả, đồng thời cải thiện tính khả thi kinh tế của hệ thống điện gió Việc áp dụng công nghệ máy phát điện không đồng bộ nguồn kép cũng góp phần tăng cường độ tin cậy và khả năng vận hành của hệ thống.
- Mô phỏng giải thuật điều khiển tối ƣu công suất phát của hệ thống điện năng lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Hiện nay, thế giới đang chuyển hướng sang sử dụng năng lượng tái tạo thay cho năng lượng truyền thống đang cạn kiệt Việc này không chỉ nhằm bảo vệ hành tinh xanh mà còn hỗ trợ sự tồn tại của con người và các sinh vật khác Năng lượng tái tạo không chỉ thân thiện với môi trường mà còn không chịu chi phí nhiên liệu đầu vào, ít cần bảo trì và đặc biệt là vô tận.
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, tương tự như năng lượng mặt trời Gió hình thành do sự hâm nóng của bầu khí quyển quanh mặt trời, sự vận chuyển của trái đất và địa hình lồi lõm Ba yếu tố này là nguyên nhân chính tạo ra gió Năng lượng gió hoạt động dựa trên nguyên lý gió làm quay các turbine, từ đó sản xuất ra điện năng.
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Morten Lindholm từ Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch đã thực hiện nghiên cứu về mô hình điều khiển từ thông của máy phát điện gió vào năm 2003, và đã phát triển một mô hình trong phòng thí nghiệm với công suất 40 kW.
Nghiên cứu của Anca D Hansen, Florin Iov, Poul Sứrensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch và Frede Blaabjerg tại Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch vào năm 2007 tập trung vào mô hình động của tua-bin gió trong công cụ mô phỏng hệ thống điện DIgSILENT Nghiên cứu này đã phân tích các chế độ vận hành của máy phát điện gió, bao gồm cả máy đồng bộ và không đồng bộ, nhằm cải thiện việc điều khiển kết nối lưới.
Andreas Petersson, "Analysis, modeling and control of doubly-fed induction generators for wind turbines", Trường Đại học Kỹ thuật Chalmers, Thụy Điển, năm
2005 đã nghiên cứu điều khiển moment và tốc độ máy phát điện gió [6]
Fernando D Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J Mantz, "Wind turbine control systems principles, modelling and gain scheduling design", năm
2007 đã nghiên cứu các phân bố gió, các mô hình gió và mô hình động điều khiển tuabin gió [7]
1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Lương Công Quyền trong luận văn Thạc sĩ năm 2008 tại Trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã nghiên cứu về điều khiển độc lập công suất P và Q của máy phát điện tuabin gió nguồn kép Đồng thời, Đỗ Vĩnh Mạnh cũng trong năm 2008 đã thực hiện nghiên cứu và mô phỏng phương pháp điều khiển bộ biến đổi PWM rectified và PWM inverter trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và DFIG, đồng thời đưa ra mô hình Inverter trong Matlab/SimPowersystem.
Nguyễn Chí Hiếu, “Khảo sát mô hình máy phát điện gió trong lưới điện phân phối”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, năm 2008, đã
7 nghiên cứu máy phát điện gió không đồng bộ điều khiển công suất trực tiếp bằng phần mềm PSCAD [10]
Tạ Văn Đa đã thực hiện một báo cáo tổng kết về việc đánh giá tài nguyên và khả năng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ và được công bố tại Hà Nội vào tháng 10 năm.
Năm 2006, các nghiên cứu đã cung cấp thông tin về phân bố gió và tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam, giúp đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ phát điện gió trong nước.
Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm 6 chương:
- Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió
- Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống điện năng lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống điện năng lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
Giới thiệu
Bức xạ mặt trời không đồng đều trên bề mặt trái đất dẫn đến sự khác biệt về nhiệt độ trong khí quyển, nước và không khí Sự quay quanh mặt trời và tự quay quanh trục của trái đất tạo ra các mùa, ngày và đêm.
Sự quay quanh trục của trái đất tạo ra chuyển động xoáy của không khí, dẫn đến sự khác biệt về nhiệt độ giữa Bắc và Nam bán cầu, từ đó hình thành các vùng áp cao và áp thấp trong khí quyển.
Vào ban đêm, một nửa bề mặt trái đất không nhận được bức xạ mặt trời, trong khi nửa còn lại đang trong ban ngày với cường độ bức xạ cao hơn Nhiệt độ giữa Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo, cũng như giữa biển và đất liền, luôn có sự khác biệt Sự thay đổi nhiệt độ trong khí quyển dẫn đến sự chuyển động của không khí, được gọi là gió.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên đang được chú trọng cho nhu cầu năng lượng tương lai Hiện tại, năng lượng gió hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích, nhưng để khai thác hiệu quả hơn, các nhà khoa học cần nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ Năng lượng gió hoạt động dựa trên nguyên lý gió quay các tuabin, từ đó sản xuất điện Các yếu tố hình thành nguồn năng lượng gió bao gồm sự hâm nóng bầu khí quyển bởi mặt trời, sự chuyển động của trái đất và địa hình.
* Ƣu điểm của nguồn năng lƣợng gió
Năng lượng điện đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu trong những thập niên gần đây nhờ vào nhiều lợi ích vượt trội Những lợi thế khi sử dụng nguồn năng lượng này bao gồm tính bền vững, khả năng cung cấp năng lượng sạch và hiệu quả cao trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
+ Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gió phát triển sẽ tạo thêm nhiều việc làm khắp nơi
+ Là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận
Theo Bộ Năng lượng Mỹ, trong tương lai, giá điện từ năng lượng gió sẽ rẻ hơn so với các nguồn năng lượng khác như than, dầu hay sinh khối Hiện tại, giá năng lượng gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh, tùy thuộc vào nguồn gió của từng khu vực.
+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng lƣợng điện khác
* Khuyết điểm của nguồn năng lƣợng gió
- Khuyết điểm của nguồn năng lƣợng gió là phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên
Mặc dù công nghệ năng lượng gió đang tiến bộ và giá thành tuabin gió đã giảm trong hơn 10 năm qua, nhưng mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống khác.
Trước khi áp dụng các biện pháp giải quyết vấn đề, năng lượng gió được coi là một trong những nguồn năng lượng dự phòng quan trọng.
Năng lượng gió, mặc dù là một nguồn năng lượng tái tạo, cũng có những tác động đến môi trường, như tiếng ồn từ tuabin gió có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim Để phát điện từ năng lượng gió, tốc độ gió cần đạt trên 5m/s Gần đây, tính kinh tế của điện gió đã được cải thiện, với chi phí phát điện chỉ còn gấp 2 lần so với nhiệt điện Hệ thống điện gió có công suất khoảng 250 kW, chiều cao 30 m và đường kính cánh quạt 28 m, yêu cầu diện tích lắp đặt khoảng 50 m × 100 m cho hai tuabin.
Nền tảng lịch sử của tuabin gió
2.2 Nền t ng l ch s của tua in gi
2.2.1 Lịch sử của cối xoay gió
Cối xoay gió đầu tiên được ghi chép lại là cối xoay trục thẳng đứng, có cấu tạo đơn giản và được sử dụng để giã gạo tại Afghanistan vào thế kỷ 7 trước Công nguyên Thiết kế đầu tiên của cối xoay gió được tìm thấy trong tài liệu lịch sử từ các vùng Ba Tư, Tây Tạng và Trung Quốc, khoảng 1000 năm trước.
Cối xoay gió đã có sự phát triển mạnh mẽ từ Ba Tư và Trung Đông, lan rộng đến các quốc gia ven Địa Trung Hải và Châu Âu Cối xoay gió đầu tiên được ghi nhận xuất hiện ở Anh vào khoảng năm 1150 và sau đó là ở Pháp.
Cối xay gió đã phát triển nhanh chóng ở Châu Âu từ giữa thế kỷ 12 đến thế kỷ 19, nhờ vào ảnh hưởng của đội quân chữ thập mang kiến thức từ vùng Ba Tư Các cối xay gió đầu tiên xuất hiện ở Flanders vào năm 1180, Đức năm 1222 và Đan Mạch năm 1259 Đến cuối thế kỷ 19, cối xay gió Châu Âu đã được cải tiến với rotor có đường kính từ 25 m đến 30 m.
Cối xoay gió không chỉ được sử dụng để giã gạo mà còn để bơm nước đến những hồ cạn và vùng biên giới xa xôi Tại Pháp, có khoảng 1.800 đến 20.000 cối xoay gió hoạt động, trong khi Hà Lan sử dụng đến 90% năng lượng điện trong công nghiệp từ nguồn năng lượng gió Tuy nhiên, quá trình công nghiệp hóa đã dẫn đến sự suy tàn của cối xoay gió; đến năm 1904, năng lượng gió chỉ chiếm 11% tổng năng lượng công nghiệp ở Hà Lan, và Đức chỉ còn hơn 18.000 mẫu cối xoay gió được lắp đặt.
Khi cối xoay gió kiểu Châu Âu dần ít xuất hiện, chúng lại phát triển mạnh mẽ tại Bắc Mỹ, đặc biệt là những cối xoay gió nhỏ dùng để bơm nước Những cối xoay gió này, được biết đến như cối xoay gió kiểu Mỹ, hoạt động tự động mà không cần giám sát và có khả năng tự điều chỉnh rotor theo hướng gió mạnh nhất Từ năm 1920, sự phổ biến của chúng ngày càng gia tăng.
Vào những năm 1930, cối xoay gió đã trở nên phổ biến tại Mỹ với khoảng 600.000 mẫu được lắp đặt Những cối xoay gió này đã được cải tiến để phục vụ hiệu quả cho ngành nông nghiệp toàn cầu.
Năm 1891, Dance Poul La Cour là người đầu tiên đã chế tạo ra tuabin gió
Kỹ sư Danish đã cải tiến kỹ thuật tuabin gió từ thời kỳ chiến tranh thế giới lần 1 và 2 để giải quyết tình trạng thiếu năng lượng Tuabin gió của công ty F L Smidth, sản xuất năm 1941-1942, được coi là nguyên bản đầu tiên của tuabin gió, sử dụng cánh máy bay hiện đại dựa trên kiến thức khí động lực học thời bấy giờ Cùng thời gian, Palmer Putman từ công ty Morgan Smith Co cũng chế tạo một tuabin gió khổng lồ với đường kính 53m, nhưng khác biệt về nguyên lý hoạt động Tuabin của Danish điều chỉnh rotor theo chiều gió và hoạt động với tốc độ thấp, trong khi thiết kế của Putman điều chỉnh rotor theo hướng gió với nhiều mức độ khác nhau Tuy nhiên, mẫu tuabin của Putman không thành công và đã bị tháo gỡ vào năm 1945.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, Johannes Juul ở Đan Mạch đã phát triển tuabin dựa trên nguyên lý thiết kế của Danish, với tuabin được lắp đặt tại Gedser, sản xuất khoảng 2,2 triệu kWh điện từ năm 1956 đến 1967 Đồng thời, German Hutter cũng phát triển một loại tuabin mới với hai cánh bằng sợi thủy tinh gắn với trục đảo, quay theo hướng gió, nổi tiếng vì tính hiệu quả cao.
Mặc dù đã đạt được thành công ban đầu với tuabin gió của Juul và Hutter, nhưng sự quan tâm đến nguồn năng lượng này đã giảm sau Thế chiến II Tuy nhiên, cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 đã khôi phục lại sự chú ý đối với năng lượng gió Nhờ vào sự hỗ trợ tài chính, nhiều nghiên cứu và phát triển đã được thực hiện, đặc biệt ở các quốc gia như Đức, Mỹ và Thụy Điển, nhằm phát triển tuabin gió có công suất hàng MW Dù vậy, những mẫu tuabin này gặp phải nhiều vấn đề kỹ thuật và không đạt được thành công như mong đợi.
Tại Mỹ, Chính phủ đã hỗ trợ mạnh mẽ cho kế hoạch phát triển năng lượng gió, và kế hoạch quan trọng này đã được Quốc hội Hoa Kỳ thông qua.
Vào ngày 12 tháng 11 năm 1978, dọc theo dãy núi từ đông San Francisco đến đông bắc Los Angeles, các nông trại gió lớn đã được hình thành Ban đầu, những nông trại này chỉ sử dụng các tuabin gió có công suất 50 kW, nhưng sau vài năm, công suất của chúng đã được nâng lên khoảng 200 kW Đến cuối những năm 1980, California đã lắp đặt khoảng 15.000 tuabin gió với tổng công suất đạt 1.500 MW.
Thời gian này, đầu tƣ tài chính cho năng lƣợng gió đã giảm ở Mỹ nhƣng lại tăng ở Châu Âu và sau đó là Ấn Độ [13]
2.3 Thực trạng năng lƣợng gió trên thế giới
Năng lượng gió đã có sự phát triển mạnh mẽ từ những năm 1990, tuy nhiên, sự phân bố nguồn năng lượng này trên toàn cầu vẫn không đồng đều Tính đến cuối năm 2012, Châu Âu chiếm khoảng 76% tổng công suất năng lượng gió, trong khi Nam Mỹ và khu vực Châu Á Thái Bình Dương lần lượt chỉ đạt 18% và 8%.
Từ cuối năm 2012, khoảng 76% tuabin gió trên thế giới là ở Châu Âu Những nước có công suất lắp đặt lớn nhất là Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha
Tại Đức, tổ chức EEG quy định mức giá từ hệ thống năng lƣợng gió năm
Vào năm 2012, mức giá mua điện gió được quy định là 8,8 eurocents/kWh trong ba năm đầu tiên và 5,9 eurocents/kWh cho các năm tiếp theo Chính phủ Đức liên tục điều chỉnh giá mua điện từ năng lượng gió nhằm khuyến khích sự phát triển của nguồn năng lượng gió ngoài khơi.
Sau khi năng lƣợng điện gió phát triển bùng nổ ở California vào giữa những năm 1980, nó đã phát triển chậm lại ở Bắc Mỹ
Vào năm 1998, ngành năng lượng gió đã khởi sắc trở lại với hơn 800MW từ các máy phát điện gió Sự thành công của năng lượng gió tại Mỹ đã thúc đẩy Canada lắp đặt những nông trại gió đầu tiên.
Mặc dù Nam và Trung Mỹ sở hữu nguồn tài nguyên gió phong phú, nhưng sự phát triển năng lượng gió tại khu vực này vẫn diễn ra chậm chạp do các chính sách chưa phù hợp.
Giới thiệu
Kể từ năm 1880, khi Thomas Alva Edison lắp đặt hệ thống điện đầu tiên, điện năng đã chứng tỏ sự hữu ích to lớn và nhanh chóng lan rộng ra toàn cầu Những lắp đặt ban đầu chủ yếu là máy phát điện đơn giản, phục vụ cho việc cung cấp điện đến các phụ tải.
Với sự phát triển của máy biến áp, dòng điện xoay chiều trở nên ƣu thế hơn và nó có thể liên kết trạm với tải
Đường dây cao thế đã cho phép truyền năng lượng đi xa hơn nhờ việc kết nối nhiều hệ thống với nhau Qua thời gian, khoa học kỹ thuật đã tiến bộ, dẫn đến sự phát triển của các đường dây cao thế cực đại Để gia tăng sự liên kết giữa các hệ thống nhỏ, các tổ chức và cơ quan trong ngành công nghiệp năng lượng điện đã được thành lập Theo xu hướng thế kỷ, nhiều công ty nhà nước đã hoạt động bên cạnh các công ty tư nhân, với nhiệm vụ chính là phân phối điện cho người tiêu dùng Tại nhiều quốc gia, các công ty nhà nước đã vượt trội hơn so với các công ty tư nhân, nhờ việc dễ dàng tiếp cận nguồn đầu tư từ Chính phủ để xây dựng hệ thống điện.
Hệ thống điện đƣợc mô tả thông qua các mô hình toán học nhƣ sau:
+ Phương trình điện áp và cường độ dòng điện: u(t) = U M cos(t) (3.1) i(t) = I M cos(t – φ) (3.2) Trong đó: u(t): là hiệu điện thế tức thời
U M : là hiệu điện thế cực đại
16 f: là tần số (50; 60 Hz) i(t): là cường độ dòng điện tức thời
I M : là cường độ dòng điện cực đại φ: là góc pha
+ Công suất: p(t) = u(t)×i(t) = U M cos(t) × I M cos(t - φ) = P[1 + cos(2t)] + Qsin(2t)
P : là công suất tác dụng (3.4)
Q : là công suất phản kháng (3.5) cosφ: là hệ số công suất
+ Hiệu điện thế và dòng điện phức:
U : là trị hiệu dụng điện áp (3.8)
I : là trị hiệu dụng dòng điện (3.9)
+ Công suất biểu kiến: arg( ) [arg( ) arg( )] j S j U I j
Trong hệ thống, năng lƣợng đƣợc truyền đi với 3 pha Góc lệch giữa các pha là 120 0
Khi phân tích tải, đường dây và máy biến áp có thể tương ứng với trở kháng
+ Hệ thống điện năng lượng gió nối lưới:
Hình 3 1: Sơ đồ hệ thống điện năng lượng gió nối lưới
+ Hiệu điện thế giữa thanh cái 1 và 2:
+ Điện áp đầu cực máy phát điện gió:
Trong đó: a 1 = -R(P W – P LD ) – X(Q W – Q LD ) (3.21) a 2 = -X(P W – P LD ) – R(Q W – Q LD ) (3.22)
P LD : là công suất tải
Q W : là công suất phản kháng của gió
Q LD : là công suất phản kháng của tải
Đặc tính của năng lƣợng gió [13]-[14]
3.2 Đặc tính của năng lượng gi [13]-[14]
A: là diện tích quét của cánh tuabin gió (m 2 ) ρ: là tỷ trọng không khí (kg/m 3 )
Giá trị năng lượng từ gió tăng theo lũy thừa ba của tốc độ gió, nghĩa là tăng 10% tốc độ gió sẽ mang lại 30% giá trị năng lượng gió Đường cong công suất của tuabin gió phản ánh mối quan hệ giữa tốc độ gió khi tuabin hoạt động và công suất định mức, thường đạt công suất tối đa ở tốc độ gió từ 12 - 16 m/s Nếu tốc độ gió vượt quá giới hạn, công suất cực đại sẽ bị hạn chế và năng lượng gió trở nên thừa thãi Đường cong công suất cũng phụ thuộc vào áp suất không khí và có thể bị ảnh hưởng bởi tần số của hệ thống Ngoài ra, đường cong công suất của nông trại gió không chỉ là đường cong của một tuabin đơn lẻ do hiệu ứng màn chắn và hiệu ứng dòng đuôi từ các tuabin khác.
Các tuabin ở hàng đầu của dãy tuabin tiếp nhận gió trực tiếp với tốc độ 15 m/s, trong khi các tuabin ở hàng sau chỉ nhận được 10 m/s Kết quả là, các tuabin ở hàng đầu hoạt động với công suất định mức, trong khi hàng sau hoạt động với công suất thấp hơn mức định mức.
3.2.3 Hiện tƣợng trễ và hiệu quả ngắt mạch
Khi tốc độ gió vượt quá giới hạn an toàn, tuabin gió sẽ tự động ngừng hoạt động và ngừng sản xuất điện, điều này thường xảy ra trong bão Ngược lại, khi tốc độ gió giảm xuống dưới mức an toàn, tuabin sẽ không khởi động lại ngay lập tức, mà sẽ có một khoảng thời gian chờ đợi trước khi tái khởi động.
Hệ thống điện năng lƣợng gió [13]-[14]
Tốc độ gió cần thiết để tuabin gió khởi động lại thường dao động từ 3 đến 4 m/s, điều này phụ thuộc vào công nghệ riêng của từng loại tuabin cũng như chế độ gió mà tuabin đang hoạt động.
Trong hệ thống, việc ngƣng phát điện do tốc độ gió vƣợt qua tốc độ gió ngắt mạch cho phép sẽ dẫn đến mất điện đột ngột
3.3 Hệ thống điện năng lượng gi [13]-[14]
Một hệ thống điện năng lƣợng gió gồm nhiều thành phần hoạt động song song với nhau nhƣ sau:
+ Bộ phận điều hướng đón gió
+ Cơ cấu truyền động cơ khí
+ Bộ phận điều khiển và các cảm biến tốc độ
Do rotor có moment quán tính lớn, thiết kế các hệ thống khởi động, điều khiển tốc độ và dừng tuabin gặp nhiều thách thức Để dừng tuabin trong các tình huống khẩn cấp hoặc bảo trì, cần sử dụng dòng điện xoáy hoặc phanh hãm Mỗi tuabin thường được trang bị hệ thống điều khiển riêng và được đặt ở khoảng cách an toàn để đảm bảo hiệu quả vận hành.
Hình 3 2:Các thành phần cơ bản của tuabin gió
Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay
Các nỗ lực chế tạo tuabin gió hiệu quả hơn gặp khó khăn do trọng lượng của cánh quạt Tại Trường Đại học Case Western Reserve, các nhà nghiên cứu đã phát triển mẫu cánh quạt siêu nhẹ và chắc chắn, hứa hẹn nâng cao khả năng thu năng lượng từ gió.
Cánh quạt đầu tiên trên thế giới được làm từ polyurethane gia cố bằng ống nano carbon đã được phát triển, cho thấy độ bền cao gấp 8 lần so với các loại cánh quạt hiện tại Marcio Loos, tác giả nghiên cứu, đã chế tạo thành công cánh quạt nhẹ 29 inch, vừa chắc chắn vừa bền bỉ Cánh quạt nhẹ giúp giảm lượng gió cần thiết để quay rotor, từ đó tối ưu hóa sản lượng năng lượng thu được Các thử nghiệm cơ học cho thấy vật liệu polyurethane gia cố bằng ống nano carbon vượt trội hơn hẳn so với các loại nhựa truyền thống trong sản xuất cánh quạt tuabin gió.
Các tuabin gió hiện nay thường có 2 hoặc 3 cánh quạt, trong đó loại tuabin 3 cánh đang được ưa chuộng hơn Nguyên nhân là do tuabin 3 cánh thường đạt hiệu suất cao hơn từ 2% đến 3% so với loại 2 cánh.
Vilas Warudkar và đồng nghiệp cho rằng cánh quạt được thiết kế với hai mặt cấu tạo khác nhau, tạo ra sự chênh lệch áp suất khi dòng không khí đi qua, từ đó sinh ra lực làm cho cánh quạt quay Tâm cánh quạt nối với trục vào bộ truyền động, tạo ra mômen quay rotor máy phát Hai lực cơ bản trong khí động lực của cánh quạt là lực nâng và lực kéo Emrah Kulunk đã áp dụng phương pháp BEM (Blade Element Method) để phân tích lực tác động lên cánh quạt, chia nhỏ cánh quạt thành các phần nhỏ gọi là phần nhỏ cánh quạt, giúp xác định lực tác dụng khác nhau lên từng phần.
Hình 3 3 Khí động lực có thể được chia thành lực nâng và lực kéo
Lực nâng và lực kéo lần lƣợt đƣợc ký hiệu là dFL và dF D sẽ đƣợc xác định nhƣ sau:
C L và C D : là hệ số nâng và hệ số kéo;
: là mật độ không khí;
C: là chiều rộng của cánh quạt tại từng phần nhỏ cánh quạt;
U: là vận tốc gió tối đa mà cánh quạt có thể nhận đƣợc; dr: là chiều dài của phần nhỏ cánh quạt Để nghiên cứu ảnh hưởng của khí động lực lên cánh quạt tuabin, Emrah Kulunk đã đề xuất từ mô hình đơn giản nhất của cánh quạt tuabin là một chiếc đĩa tròn quay Dòng khí có vận tốc U đƣợc thổi qua đĩa sẽ xuất hiện một độ giảm áp suất từ p u ở mặt trước đĩa sang p d ở mặt sau đĩa, hình 7.5
Hình 3 5 Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của khí động lực lên cánh quạt tuabin
Giả sử rằng: U 2 = U 3 = U R , định luật Bernoulli đƣợc áp dụng ở cả 2 bên của đĩa nhƣ sau:
R u U p U p (3.27) Độ giảm áp suất, ∆p đƣợc xác định nhƣ sau:
Lực tổng hợp trên đĩa là:
Mặt khác, áp dụng phương trình động năng để tính moment trên cả 2 mặt của đĩa, ta có:
Vận tốc gió qua đĩa có thể đƣợc xác định nhƣ sau:
Vận tốc gió sẽ thay đổi khi đi qua cánh quạt, ảnh hưởng đến công suất của máy phát điện gió Do đó, việc tính toán khoảng cách giữa các tuabin là rất quan trọng trước khi tiến hành thi công, đặc biệt khi xây dựng nhiều tuabin gần nhau.
Dòng chảy không khí qua cánh quạt là liên tục, cho thấy không phải toàn bộ động năng của gió được chuyển đổi thành năng lượng quay cánh quạt Thông thường, chỉ khoảng 30% năng lượng gió đi qua cánh quạt tuabin được chuyển hóa thành năng lượng điện.
Hình 3 6 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt
Mỗi cánh quạt của tuabin gió có thể cản trở dòng chảy của các cánh khác, do đó, tuabin có ít cánh sẽ có hiệu suất thu gió cao hơn Tuy nhiên, tuabin gió của NASA sử dụng thiết kế với một cánh quạt và một đối trọng ở phía đối diện Các tuabin thông dụng thường yêu cầu tối thiểu hai cánh quạt để duy trì sự cân bằng, và cánh quạt dài hơn sẽ giúp tăng hiệu suất.
Cánh quạt gió dài có thể nhận nhiều năng lượng từ gió, nhưng nếu quá dài, vận tốc đầu cánh có thể gần đạt tốc độ âm thanh, dẫn đến giảm hiệu suất Hơn nữa, cánh dài yêu cầu bệ đỡ cao để đảm bảo thông thoáng và nhận gió mạnh ở độ cao Giải pháp tối ưu là sử dụng 3 cánh quạt, giúp giảm ảnh hưởng lẫn nhau, giữ vận tốc đầu cánh dưới tốc độ âm thanh, và đảm bảo chiều cao trụ đỡ hợp lý Điều này cho phép cánh quạt thu nhận đủ năng lượng để truyền vào máy phát ở đỉnh trụ Để đơn giản hóa tính toán, vận tốc gió được coi là không đổi trong toàn bộ dòng chảy không khí và bằng với U R.
Xét một khối không khí có khối lƣợng m và vận tốc v Khi ấy, động năng đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Khối lƣợng của không khí đƣợc biểu diễn nhƣ sau: v
: là mật độ không khí;
A: là diện tích quét của cánh quạt mà khối không đi qua
Khi ấy, công suất gió đƣợc xác định nhƣ sau:
C p : là hệ số công suất;
: là vận tốc đầu cánh (TSR)
Vận tốc đầu cánh TSR đƣợc xác định bởi: v
Tỉ lệ giữa vận tốc quay và tốc độ gió (TSR) là yếu tố quan trọng trong thiết kế tuabin gió Khi tuabin quay quá chậm, gió sẽ chủ yếu đi qua khoảng hở giữa các cánh, dẫn đến năng lượng thu nhận thấp Ngược lại, nếu tuabin quay quá nhanh, cánh quạt sẽ cản trở dòng không khí như một bức tường cứng, cũng làm giảm năng lượng thu được Do đó, việc thiết kế tuabin để hoạt động với TSR tối ưu là cần thiết nhằm tối đa hóa năng lượng thu nhận TSR tối ưu phụ thuộc vào loại tuabin, kiểu chế tạo cánh và số lượng cánh sử dụng.
Hình 3 7 C p của các loại cánh quạt tuabin gió khác nhau
Bộ phận này cho phép cánh quạt xoay hoặc nghiêng để rotor hoạt động với tốc độ tối ưu, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất năng lượng điện và bảo vệ cánh quạt khỏi gió quá mạnh.
Hình 3 8 Bộ điều khiển góc pitch
Hình 3 9 Cơ cấu bước răng
Hầu hết các tuabin gió đều được trang bị bộ phận hãm để dừng hoạt động khi cần thiết, như trong trường hợp sửa chữa, bảo trì định kỳ hoặc khi gió mạnh Có hai loại phanh chính được sử dụng: phanh điện và phanh cơ Một số tuabin gió còn có thêm hệ thống phanh khác để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
27 cơ thông qua một đĩa Phanh cơ thường hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn so với phanh điện
3.3.1.5 Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft)
Trục quay tốc độ thấp là phần trục quay dùng để truyền moment giữa cánh quạt và hộp số
Hình 3 10 Trục quay tốc độ thấp
Hộp số là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động, bao gồm các bánh răng kết nối giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao Nó có khả năng tăng tốc độ quay từ 30-60 vòng/phút lên 1200-1500 vòng/phút, đáp ứng nhu cầu tốc độ của hầu hết các máy phát điện Tuy nhiên, bộ bánh răng này có chi phí rất cao.
Hình 3 11 Hộp số tuabin gió
Máy phát điện trong hệ thống điện năng lƣợng gió
Máy phát là thành phần thiết yếu trong hệ thống biến đổi năng lượng gió, với nhiều loại máy phát khác nhau được sử dụng cho tuabin gió Tuabin gió nhỏ thường sử dụng máy phát DC có công suất từ vài W đến kW, trong khi các hệ thống lớn hơn sử dụng máy phát một hoặc ba pha AC, có thể là máy điện không đồng bộ hoặc máy điện đồng bộ.
Một số tuabin gió sử dụng máy điện đồng bộ hoặc không đồng bộ, với cấu trúc đơn giản như hình 3.17 Hình ảnh minh họa bao gồm máy phát điện không đồng bộ và máy phát điện đồng bộ.
Hình 3 17 Mặt cắt các máy điện
Trong hệ thống điện tuabin gió, tuabin có thể hoạt động ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Tuabin gió tốc độ cố định nối trực tiếp với lưới điện, dẫn đến việc không thể điều khiển công suất khi có sự dao động tốc độ gió, gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Ngược lại, tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh vận tốc máy phát, giúp hấp thu sự dao động công suất do biến đổi tốc độ gió và cải thiện hiệu suất của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
34 chế Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với tuabin gió tốc độ cố định
Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió có thể là [14]:
- Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
3.4.1 Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định hoạt động ở hai tốc độ cố định nhờ vào việc sử dụng hai máy phát có định mức và số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát với hai cuộn dây khác nhau Điều này giúp tăng công suất thu từ gió và giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường hoạt động hiệu quả trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn sẽ dẫn đến tổn hao tăng và hiệu suất giảm.
Mặc dù, hệ thống này có cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao nhƣng nó cũng bao gồm các nhƣợc điểm chính nhƣ sau:
- Không thể điều khiển công suất tối ƣu
- Do tốc độ rotor đƣợc giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột
- Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực
Hình 3 18 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện
3.4.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng bộ biến đổi công suất giữa stator máy phát và lưới điện, cho phép máy phát điện là máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ Cấu hình này giúp tối ưu hóa công suất từ gió, nhưng đồng thời cũng gây ra tổn hao lớn do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra, đòi hỏi đầu tư chi phí cho bộ biến đổi công suất.
Hình 3 19 Máy phát điện không đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Máy phát điện không đồng bộ là máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Với kết cấu đơn giản, độ bền cao, hiệu suất tối ưu và giá thành hợp lý, loại máy này ngày càng được ưa chuộng Hiện tại, máy phát điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
- Có thể kết nối hay ngắt kết nối với lưới điện một cách dễ dàng
Máy phát điện không đồng bộ có nhược điểm như hệ số công suất (cosφ) thường không cao và khả năng điều chỉnh tốc độ kém, dẫn đến hạn chế trong các ứng dụng của nó.
3.4.2.2 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Hình 3 20 Kết cấu máy phát điện không đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được cấu tạo chủ yếu từ hai bộ phận chính là stator và rotor, được ngăn cách bởi khe hở không khí Bên cạnh đó, máy phát điện còn có các thành phần khác hỗ trợ cho hoạt động hiệu quả.
Máy có 37 bộ phận bao gồm vỏ, trục và nắp Trục được chế tạo từ thép, trên đó lắp đặt rotor và ổ bi, trong khi quạt gió được gắn ở cuối trục để làm mát máy dọc theo trục.
Hình 3 21 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Phần stator bao gồm hai bộ phận chính là: lõi thép và dây quấn Ngoài ra, còn có vỏ máy và nắp máy
Vỏ máy có chức năng cố định lõi sắt và dây quấn, không được sử dụng làm mạch dẫn từ Thường thì, vỏ máy được chế tạo từ gang, trong khi đối với máy công suất lớn hơn 1000kW, người ta sử dụng thép tấm hàn để đảm bảo độ bền và hiệu suất.
Lõi thép stator có hình trụ, được làm từ các lá thép kỹ thuật điện dập rảnh và ghép lại để tạo thành các rãnh theo hướng trục, giúp dẫn từ Lõi thép được ép vào vỏ máy, với từ trường quay đi qua để giảm tổn hao, sử dụng các lá thép dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm Khi đường kính ngoài lớn hơn 990 mm, cần dùng các tấm hình rẻ quạt ép lại thành khối tròn Để hạn chế tổn hao do dòng điện xoáy, các lá thép đều được phủ sơn cách điện.
Hình 3 23 Cấu tạo lõi thép stator
Dây quấn stator được làm từ dây đồng bọc cách điện, được lắp đặt trong các rảnh của lõi thép Sơ đồ khai triển dây quấn ba pha trong một máy phát điện không đồng bộ cho thấy dây quấn pha A nằm ở các rảnh 1, 4, 7 và 10; pha B ở các rảnh 3, 6, 9 và 12; và pha C ở các rảnh 5, 8, 11 và 2 Khi dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua dây quấn stator, nó sẽ tạo ra một từ trường quay.
Hình 3 25 Sơ đồ khai triển dây quấn stator b Phần rotor
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy
Lõi thép rotor được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện lấy từ lõi thép stator, được ghép lại với nhau và có lỗ dập ở giữa để lắp trục Do tổn hao trong lõi sắt rotor rất nhỏ, không cần sử dụng thép kỹ thuật điện Sau khi dập lá thép stator, thép kỹ thuật điện được ép vào lõi thép rotor Lõi thép rotor được ép trực tiếp lên trục máy hoặc giá đỡ rotor, và phía ngoài các lá thép có rãnh dập để đặt dây quấn.
* ây quấn roto: Có 2 loại:
- Loại rotor kiểu dây quấn:
Rotor có dây quấn tương tự như dây quấn stator, với dây quấn 3 pha thường được đấu hình sao Ba đầu dây quấn này được kết nối với vành trượt, thường làm bằng đồng, cố định ở một đầu trục Thông qua chổi than, rotor có thể kết nối với mạch điện bên ngoài Khi máy hoạt động bình thường, dây quấn rotor sẽ được nối ngắn mạch.
Hình 3 27 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn
- Loại rotor kiểu lồng sóc:
