GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một nguồn năng lượng quan trọng và đầy triển vọng cho việc sử dụng năng lượng tái tạo Nhiều quốc gia đang chuyển hướng sang nguồn năng lượng tái tạo nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt và gây hại cho môi trường Năng lượng gió được đặc biệt chú trọng nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó trong các hình thức năng lượng tái tạo.
Điện gió là nguồn năng lượng tái tạo có giá thành thấp nhất, và khi tính toán cả chi phí về môi trường, xã hội và sức khỏe con người, điện gió có khả năng cạnh tranh với điện sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch.
− Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy phong điện vẫn có thể được sử dụng cho các mục đích khác
− Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn
Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện Mặc dù Việt Nam có tiềm năng phát triển năng lượng gió, ngành này vẫn còn mới mẻ và đang trong giai đoạn khởi đầu Các văn bản pháp lý và thông tin về điện gió còn hạn chế Tuy nhiên, với nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng và các thách thức về an ninh năng lượng cũng như môi trường, việc phát triển và sử dụng năng lượng sạch, đặc biệt là điện gió, là rất cần thiết.
Năng lượng gió, như nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác, có tính chất không ổn định và phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài, đồng thời không thể được lưu trữ Để nâng cao hiệu suất của máy phát điện gió, việc cải thiện khả năng khai thác nguồn năng lượng này là vấn đề quan trọng nhất hiện nay.
2 kiểm tra qua mô hình hóa mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
Mục tiêu của đề tài
− Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG
− Thiết kế hệ thống điều khiển công suất máy phát điện gió dùng mô hình nội bằng phần mềm matlab và thiết kế bộ lọc imc
− Dùng Matlab Simulink để mô phỏng, phân tích kết quả hệ thống điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
− Tìm hiểu các dạng mô hình của máy phát điện gió kết nối với lưới điện
− Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển máy phát điện gió DFIG
− Xây dựng mô hình nội, bộ lọc imc điều khiển máy phát điện gió DFIG bằng Matlab/Simulink
− Tổng hợp, nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng và đưa ra hướng nghiên cứu trong tương lai
− Nội dung nghiên cứu xoay quanh vấn đề điều khiển độc lập công suất P,Q để máy phát đạt hiệu suất tối đa và ổn định
Xây dựng mô hình điều khiển cho máy phát điện gió sử dụng DFIG nhằm tối ưu hóa công suất thực của tuabin là mục tiêu chính Mô hình này giúp bám sát các điểm vận hành của tuabin, từ đó đạt được công suất cực đại Qua quá trình nghiên cứu, có thể rút ra những nhận xét quan trọng về hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống.
3 đánh giá các kết quả mô phỏng khi sử dụng mô hình nội để điều khiển hệ thống máy phát điện gió DFIG bằng phần mềm Matlab /Simulink.
Phương pháp nghiên cứu
− Sử dụng phương pháp mô hình nội và nhận xét các kết quả cần nghiên cứu của hệ thống điều khiển máy phát điện gió DFIG
− Thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink
− Đưa ra nhận xét dựa trên kết quả mô phỏng.
Điểm mới của luận văn
Bài luận văn này đề xuất một phương pháp điều khiển máy phát điện tu bin gió nhằm thích ứng với các miền làm việc khác nhau Phương pháp này tập trung vào việc nhanh chóng điều chỉnh đến điểm làm việc mới khi có sự thay đổi về vận tốc gió, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống năng lượng gió.
Luận văn này giới thiệu một công cụ mô phỏng hữu ích cho sinh viên, nhà nghiên cứu và những người quan tâm đến phát triển năng lượng gió Việc xây dựng hệ thống thực nghiệm tốn kém và phức tạp, do đó, phần mềm mô phỏng trở thành giải pháp hiệu quả và phù hợp nhất cho giáo dục và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này.
Nội dung của luận văn
Nội dung luận văn được chia thành các chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về các vấn đề trong luận văn
Chương 2: Tổng quan năng lượng gió
Chương 4: Mô hình hóa mô phỏng
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:
− Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng
− Một loại theo trục ngang
Tu bin gió trục ngang, thường có 2 hoặc 3 cánh quạt, là loại phổ biến hiện nay Trong đó, tu bin gió 3 cánh quạt hoạt động hiệu quả theo chiều gió, với bề mặt cánh quạt luôn hướng về phía gió Nhờ vào tính năng vượt trội, tu bin gió 3 cánh quạt ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng năng lượng tái tạo.
Hình 2 1 Các dạng turbine gió
2.1.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió
Cấu tạo một máy phát turbine gió trục ngang gồm những bộ phận sau:
Hình 2 2 Cấu tạo turbine gió trục ngang
Cánh quạt là bộ phận quan trọng, nơi gió thổi qua giúp chúng chuyển động và quay Quá trình này biến đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ, đóng vai trò thiết yếu trong việc sản xuất điện và các ứng dụng khác.
− Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
6 phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện
Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió
− Generrator: Máy phát ra điện
− Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến
14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng
− Anemometer: Bộ đo lường và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển
− Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió
The nacelle, or housing, is positioned atop the tower and encompasses the rotor and external casing It contains essential components such as the gearbox, low and high-speed shafts, generator, controller, and brake The outer casing serves to protect the internal elements, and it is designed to be spacious enough for a technician to stand inside while performing maintenance tasks.
− Hight-speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
− Yaw drive: Thiết bị dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió
− Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định chỉnh được hướng gió
Trụ đỡ Nacelle, hay còn gọi là trụ tháp, được chế tạo từ thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép Việc tăng chiều cao của trụ giúp tăng tốc độ gió, từ đó thu được nhiều năng lượng gió hơn và sản xuất điện hiệu quả hơn.
2.1.3 Các dạng cột tháp turbine gió
Cột tháp của tua bin gió dung để nâng đỡ nacelle và rotor
Cột tháp của tua bin gió lớn có thể được thiết kế dưới dạng cột thép tròn, cột khung giàn thép hoặc cột tháp bê tông Các cột tháp này thường được giữ cố định bằng dây nối đất, chủ yếu áp dụng cho các tua bin gió cỡ nhỏ.
Dạng cột thép hình ống (Tubular steel tower)
Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn sử dụng cột thép hình ống dài từ 20 đến 30 mét, có mặt bích ở mỗi đầu và được nối lại tại các điểm Các cột tháp có hình nón, với đường kính tăng dần về phía chân đế, nhằm tăng cường độ bền và tiết kiệm nguyên liệu.
Dạng cột tháp khung giàn (lattice tower)
Cột tháp khung giàn được sản xuất từ những mặt nghiêng mối hàn thép, mang lại lợi thế chi phí thấp, chỉ cần một nửa nguyên liệu so với cột tháp hình ống có độ vững chãi tương tự Tuy nhiên, do lý do thẩm mỹ, cột tháp khung giàn ít được sử dụng cho các tu bin gió cỡ lớn và hiện đại ngày nay.
Cột tháp dạng dây nối đất (Guyed pole tower)
Cột tháp dạng dây nối đất, thường được sử dụng cho các tu bin gió nhỏ, mang lại lợi ích về việc tiết kiệm trọng lượng và chi phí Tuy nhiên, thiết kế này cũng gặp phải một số khó khăn, đặc biệt là trong môi trường nông trại, nơi mà sự ổn định của cột tháp có thể bị ảnh hưởng Nhược điểm chính của cột tháp này là dễ bị nghiêng, dẫn đến nguy cơ hư hỏng và ảnh hưởng đến an toàn tổng thể của hệ thống.
Hình 2 6 Cấu tạo tháp trụ
2.1.4 Cánh quạt và trục cánh quạt
Cánh quạt được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa lực nâng từ gió, thông qua việc tạo ra sự chênh lệch áp lực trên bề mặt Điều này giúp cánh quạt đạt được hiệu suất tối đa trong quá trình hoạt động.
Trục cánh quạt kết nối các cánh quạt với nhau và liên kết với trục chính Thường thì một máy phát điện được trang bị 3 cánh quạt, với góc quay (góc beta) được điều chỉnh bởi 3 động cơ.
2.1.5 Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine
Hệ thống điều khiển góc nghiêng của cánh quạt sử dụng ba động cơ để điều chỉnh góc quay (Yaw driver), nhằm tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng gió Hệ thống này không chỉ tối đa hóa năng lượng thu được mà còn ngăn chặn việc thu năng lượng khi tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép, như trong trường hợp giông bão.
Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt và động cơ điều khiển hướng turbine có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh turbine sao cho vuông góc với hướng gió Điều này giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu khi có sự thay đổi hoặc nhiễu loạn trong hướng gió.
Hình 2 10 Động cơ điều chỉnh hướng turbine
Hình 2 11 Hệ thống hãm turbine
2.1.7 Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt
Hệ thống hộp số (Gearbox): Mục đích làm tăng vận tốc quay của gió từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1200 đến 1500 v/p để có khả năng phát ra điện
Hình 2 12 Hộp số chuyển đổi tốc độ
2.2 Các thông số liên quan đến máy phát điện dùng trong turbine gió
2.2.1 Các thông số cơ bản máy điện không đồng bộ:
Máy điện không đồng bộ dùng truyền động cho tải cơ, tốc độ quay rotor nhỏ hơn so với tốc độ từ trường
1 (vòng/phút) (2.1) p : là số đôi cực f : là tần số làm việc (Hz) Độ trượt:
13 n: là tốc độ quay của rotor (vòng/phút)
2.2.2 Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ
− Khi 0 < n < n1 hay 0 < s < 1 máy điện làm việc ở chế độ động cơ
− Khi n < 0 hay s > 1 máy điện làm việc ở chế độ hãm ngược
Khi tốc độ rotor của máy điện lớn hơn tốc độ từ trường (n > n1 hay s < 0), máy điện hoạt động ở chế độ máy phát điện không đồng bộ Lúc này, moment điện từ sinh ra ngược với chiều quay của rotor có tác dụng hãm, giúp chuyển đổi cơ năng thành điện năng Máy điện cung cấp công suất tác dụng cho lưới điện, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng.
Hình 2 14 Đặt tính moment quay của máy điện không đồng bộ
2.2.3 Các công thức cơ bản của máy phát điện gió không đồng bộ Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2)..V 2 , trong đó (kg/m 3 ) là mật độ không khí Công suất gió xuyên qua khu vực diện tích A với tốc độ gió trung bình
Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm:
2.3 Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió
2.3.1 Mô hình của turbine gió nguồn kép DFIG
Hình 2 15 Sơ đồ kết nối hệ thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG
2.3.2 Nguyên lý làm việc của turbine gió
Năng lượng gió tác động lên cánh turbine làm cho turbine quay, trong khi trục turbine kết nối với hộp số để tăng tỉ số truyền, giúp ổn định rotor máy phát Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu từ tốc độ gió để điều chỉnh góc quay của cánh quạt, nhằm tối ưu hóa năng lượng gió thu được Vận tốc góc từ hộp số được truyền vào máy phát điện và hệ thống điều khiển, đảm bảo công suất đầu ra đạt giá trị danh định.
Khi hệ thống đã hoà đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát hoạt động hai chế độ:
