Tính cấp thiết của đề tài
Thế kỷ 20 chứng kiến nhiều tiến bộ vượt bậc của loài người, với hàng loạt phát minh và công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động Tuy nhiên, sự phát triển này cũng kéo theo những hệ lụy tiêu cực như môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và nhiều vấn đề khác, cho thấy sự cần thiết phải hướng tới một phát triển bền vững hơn trong tương lai.
Trong thế kỷ 21, nhân loại đang phải đối mặt với nhiều thách thức toàn cầu như năng lượng, sự hủy hoại môi trường sống, bùng nổ dân số, chiến tranh và vấn đề y tế Trong số đó, năng lượng được coi là vấn đề quan trọng và cấp bách nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển bền vững của xã hội.
Năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, dẫn đến tranh chấp lãnh thổ và nguy cơ xung đột để duy trì nguồn cung cấp năng lượng Sự thiếu hụt năng lượng hóa thạch không đáp ứng đủ nhu cầu phát triển kinh tế và sinh hoạt ngày càng gia tăng, gây ra tình trạng chậm phát triển kinh tế, khủng hoảng và suy thoái kinh tế, cũng như bất ổn chính trị trên toàn cầu.
Việc sử dụng năng lượng hóa thạch quá mức gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng, bao gồm biến đổi khí hậu và sự ấm lên toàn cầu Điều này dẫn đến sự thu hẹp đất canh tác, thay đổi môi trường, gia tăng dịch bệnh khó kiểm soát và tần suất thiên tai ngày càng cao Hệ quả là mùa màng thất thu, ảnh hưởng đến an ninh lương thực, tạo ra một thế giới đầy hỗn loạn 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 gia tăng dân số hiện tại, trong 20 năm tới, sẽ có khoảng 36.000 máy bay và gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng, gấp đôi so với hiện nay 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 tới 65% trong vòng 20 năm tới.
Theo IEA, dầu mỏ sẽ tiếp tục là nguồn cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này, chiếm khoảng 1/3 tổng năng lượng toàn cầu Tuy nhiên, các nhà địa chất ước tính rằng nguồn dầu mỏ chỉ đủ cung cấp cho thế giới trong 60 năm tới, trong khi lượng khí thiên nhiên có thể kéo dài từ 70 đến 90 năm Sự gia tăng nhu cầu dầu mỏ, đặc biệt tại các quốc gia đông dân như Trung Quốc và Ấn Độ, dẫn đến việc giá dầu và khí thiên nhiên tăng mạnh.
Tình hình chính trị bất ổn 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 cả nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt.
Để đảm bảo nguồn cung năng lượng bền vững và duy trì sự ổn định cho nhân loại, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch là điều cần thiết Các nguồn năng lượng như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển và năng lượng địa nhiệt đang được các nhà khoa học đặc biệt chú trọng nghiên cứu Nhờ vào những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật, năng lượng tái sinh đã và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi, góp phần quan trọng vào tương lai năng lượng của thế giới.
Sự cấp thiết nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng sạch không chỉ là nhiệm vụ của một quốc gia mà cần được quan tâm toàn cầu Các nguồn năng lượng này đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Năng lượng gió có tiềm năng sử dụng lớn và được đánh giá cao, tuy nhiên, thách thức là tối ưu hóa công suất phát của hệ thống điện năng lượng gió Vấn đề này cần được giải quyết và sẽ là trọng tâm trong luận văn này.
Mục tiêu của đề tài
Đề tài nghiên cứu về việc tối ưu hóa công suất phát điện trong hệ thống năng lượng gió, sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và hiệu suất năng lượng.
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 này đề xuất một giải thuật 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 hoạt động và hiệu quả khai thác năng lượng gió, đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng Các phương pháp điều khiển được phát triển nhằm đảm bảo rằng công suất phát ra luôn đạt mức tối ưu, phù hợp với các điều kiện vận hành thực tế 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 thế cho năng lượng truyền thống đang cạn kiệt Mục đích chính của việc này là bảo vệ hành tinh xanh, nơi sinh sống của con người và các sinh vật khác Năng lượng tái tạo không chỉ thân thiện với môi trường mà còn giúp giảm chi phí nhiên liệu, yêu cầu bảo trì thấp và đặc biệt là nguồn năng lượng vô tận.
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, tương tự như năng lượng mặt trời Gió được hình thành do sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, sự vận chuyển của trái đất và địa hình mặt đất Ba yếu tố này là nguyên nhân chính tạo ra gió Năng lượng gió hoạt động dựa trên nguyên lý gió quay các turbine, từ đó sản xuất điện năng.
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Morten Lindholm, trong nghiên cứu "Mô hình hóa và Tác động lên động lực hệ thống điện" tại Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 2003, đã phát triển mô hình điều khiển từ thông cho máy phát điện gió Ông đã trình bày một mô hình trong phòng thí nghiệm với công suất 40 kW.
Anca D Hansen, Florin Iov, Poul Sứrensen, Nicolaos Cutululis, Clemens Jauch và Frede Blaabjerg đã nghiên cứu mô hình tua-bin gió trong công cụ mô phỏng hệ thống điện DIgSILENT tại Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch vào năm 2007 Nghiên cứu này tập trung vào việc điều khiển kết nối lưới và mô phỏng các chế độ vận hành của máy điện gió đồng bộ và không đồng bộ.
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 phương pháp 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, 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 đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ về việc "Đánh giá tài nguyên và khả năng khai thác năng lượng gió Việt Nam" tại Hà Nội vào tháng 10 năm Báo cáo này cung cấp cái nhìn tổng quan về tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam và những cơ hội khai thác trong tương lai.
Năm 2006, các nghiên cứu đã chỉ ra phân bố gió và tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam, cung cấp số liệu quan trọng để 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 chênh lệch nhiệt độ trong khí quyển, nước và không khí Sự quay của trái đất quanh mặt trời và tự quay quanh trục 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 giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Hiện tượng này làm thay đổi nhiệt độ khí quyển, từ đó hình thành các vùng áp cao và áp thấp.
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 chuyển động của không khí, được gọi là gió.
Năng lượng gió đang trở thành một nguồn năng lượng tự nhiên được chú trọng cho nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới Với tiềm năng lớn, năng lượng gió hứa hẹn sẽ đóng góp đáng kể vào việc cung cấp điện Tuy nhiên, để phát triển và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này, cần có nhiều nghiên cứu hơn về công nghệ Nguyên lý hoạt động của năng lượng gió là sử dụng sức gió để quay các tuabin, từ đó tạo ra điện Các yếu tố hình thành năng lượng gió bao gồm sự hâm nóng của mặt trời, chuyển động của trái đất và địa hình của bề mặt đất.
* Ƣu điểm của nguồn năng lƣợng gió
Nguồn năng lượng này đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu trong những thập niên gần đây nhờ vào nhiều lợi ích vượt trội Những ưu điểm khi sử dụng năng lượng điện bao gồm khả năng tiết kiệm chi phí, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tính bền vững cao, góp phần thúc đẩy sự chuyển đổi sang các giải pháp năng lượng sạch hơn.
+ 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
Giá thành điện gió đang ngày càng cạnh tranh, theo Bộ Năng lượng Mỹ, trong tương lai, giá điện từ năng lượng gió sẽ thấp hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu hay sinh khối Hiện nay, mức giá cho năng lượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh, tùy thuộc vào điều kiện 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 đã có những bước tiến vượt bậc và giá thành tuabin gió đã giảm trong hơn một thập kỷ qua, nhưng mức đầu tư ban đầu cho năng lượng gió vẫn cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống khác.
Trước khi áp dụng các biện pháp giải quyết các vấn đề hiện tại, năng lượng gió có thể được coi là một trong những nguồn năng lượng dự phòng hiệu quả.
Nguồn năng lượng gió, mặc dù thân thiện với môi trường, cũng gây ra một số tác động tiêu cực như tiếng ồn từ tuabin có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái của các loài chim Để phát điện từ năng lượng gió, tốc độ gió tối thiểu phải đạt 5m/s Gần đây, tính kinh tế của điện gió đã được cải thiện, với chi phí phát điện chỉ gấp đôi so với nhiệt điện Một hệ thống điện gió có công suất khoảng 250 kW thường có chiều cao 30 m và đường kính cánh quạt 28 m, cần 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 Mẫu thiết kế đầu tiên về cối xoay gió xuất hiện trong tài liệu lịch sử từ các vùng như Ba Tư, Tây Tạng và Trung Quốc khoảng 1000 năm trước.
Cối xay gió, một biểu tượng quan trọng của Ba Tư và Trung Đông, đã lan rộng sang các quốc gia ven Địa Trung Hải và châu Âu Cối xay gió đầu tiên được ghi nhận xuất hiện ở Anh vào khoảng năm 1150 và sau đó ở Pháp.
Cối xay gió đã phát triển nhanh chóng ở Châu Âu, bắt đầu từ Flanders vào năm 1180, tiếp theo là Đức năm 1222 và Đan Mạch năm 1259 Sự lan tỏa này chủ yếu nhờ vào ảnh hưởng của đội quân chữ thập, đã mang đến những hiểu biết về cối xay gió từ vùng Ba Tư Từ giữa thế kỷ 12 đến thế kỷ 19, cối xay gió ở Châu Âu được cải tiến đáng kể, với đặc điểm nổi bật là rotor có đường kính từ 25 m đến 30 m cho đến cuối thế kỷ 19.
Cối xoay gió không chỉ được sử dụng để giã gạo mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc bơm nước đến các hồ cạn và vùng biên giới xa xôi Tại Pháp, có khoảng 1.800 đến 20.000 cối xoay gió đang hoạt động, trong khi Hà Lan tận dụng 90% năng lượng điện cho ngành công nghiệp từ nguồn năng lượng gió Tuy nhiên, sự phát triển của công nghiệp hóa đã khiến cho cối xoay gió dần suy tàn; 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 ngày càng hiếm, 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 gọi là cối xoay gió kiểu Mỹ, hoạt động tự động và không cần giám sát, với rotor tự điều chỉnh theo hướng có nhiều gió từ năm 1920.
Vào những năm 1930, cối xoay gió đã trở nên phổ biến tại Mỹ, với khoảng 600.000 mẫu được lắp đặt Những cải tiến trong thiết kế cối xoay gió Mỹ đã đáp ứng nhu cầu sử dụng trong 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 công nghệ tuabin gió từ thời kỳ chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai để giải quyết tình trạng thiếu năng lượng Tuabin gió F L Smidth, sản xuất năm 1941-1942, được coi là nguyên bản đầu tiên của tuabin gió hiện đại, sử dụng cánh máy bay tiên tiến và kiến thức về khí động lực học Cùng thời điểm đó, Palmer Putman từ Công ty Morgan Smith Co cũng chế tạo một tuabin gió khổng lồ với đường kính 53m, nhưng với nguyên lý hoạt động khác biệt Tuabin của Danish điều chỉnh rotor theo chiều gió và hoạt động với tốc độ thấp, trong khi thiết kế của Putman cho phép điều chỉnh rotor theo 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 đã sáng chế một loại tuabin mới với hai cánh bằng sợi thủy tinh gắn với trục đảo, quay theo hướng gió, và tuabin của Hutter nhanh chóng nổi tiếng nhờ vào hiệu quả cao của nó.
Mặc dù đã đạt được thành công ban đầu với tuabin gió của Juul và Hutter, nhưng sự quan tâm đến năng lượng gió đã giảm sau Thế chiến II Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 đã khơi dậy lại sự chú ý đối với nguồn năng lượng này Với sự hỗ trợ tài chính, nhiều nghiên cứu và phát triển về năng lượng gió đã được thực hiện, đặc biệt tại các quốc gia như Đức, Mỹ và Thụy Điển, nơi đã đầu tư vào việc phát triển các mẫu tuabin có công suất hàng MW Tuy nhiên, những tuabin này gặp phải nhiều vấn đề kỹ thuật, dẫn đến hiệu suất hoạt động không như mong đợi.
Tại Mỹ, Chính phủ đã tích cực ủng hộ 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, các tuabin gió chỉ có công suất 50 kW, nhưng sau vài năm, công suất 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, nhưng sự phân bố của nó trên thế giới lại không đồng đều Tính đến cuối năm 2012, Châu Âu chiếm khoảng 76% tổng công suất năng lượng gió, trong khi Nam Mỹ và Châu Á Thái Bình Dương lần lượt chiếm 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 thường xuyên điều chỉnh mức giá này nhằm khuyến khích phát triển năng lượng gió, đặc biệt là 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, lĩnh vực năng lượng gió đã có sự phục hồi mạnh mẽ với hơn 800MW được phát triển 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, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo này.
Mặc dù Nam và Trung Mỹ sở hữu nguồn tài nguyên gió phong phú, nhưng sự phát triển năng lượng gió tại đây diễn ra chậm chạp do các chính sách chưa hiệu quả.
Giới thiệu
Kể từ năm 1880, khi Thomas Alva Edison thiết lập 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 bao gồm máy phát điện, cung cấp điện cho 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
Trong những năm qua, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã giúp đường dây cao thế truyền tải năng lượng hiệu quả hơn, kết nối nhiều hệ thống lại với nhau Đường dây cao thế cực đại ngày càng gia tăng, thúc đẩy sự liên kết giữa các hệ thống nhỏ Các tổ chức và cơ quan trong ngành công nghiệp năng lượng điện đã bắt đầu mở rộng hoạt động, đặc biệt là các công ty nhà nước Hoạt động chính của các công ty này là phân phối điện cho người tiêu dùng, và tại nhiều quốc gia, họ đã vượt qua các công ty tư nhân nhờ vào 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 tỷ lệ với lũy thừa 3 của tốc độ gió, có 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 bắt đầu hoạt động và công suất định mức, thường đạt công suất tối đa tại tốc độ gió 12 - 16 m/s Khi tốc độ gió vượt quá giới hạn, công suất cực đại sẽ bị giới hạn và năng lượng gió trở nên thừa thải Ngoài ra, đường cong công suất cũng chịu ảnh hưởng từ áp suất không khí và tần số hệ thống Đáng lưu ý, đường cong công suất của nông trại gió không chỉ dựa vào một tuabin mà còn bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng màn chắn và hiệu ứng dòng đuôi của các tuabin khác trong nông trại.
Khi tuabin ở hàng đầu của dãy tuabin tiếp nhận gió với tốc độ 15 m/s, các tuabin ở hàng sau chỉ nhận được 10 m/s Điều này dẫn đến việc tuabin ở hàng đầu hoạt động với công suất định mức, trong khi các tuabin ở 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, đặc biệt trong các cơn 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 trì hoãn trước khi hoạt động trở lại.
Hệ thống điện năng lƣợng gió [13]-[14]
Tốc độ gió cần thiết để khởi động lại tuabin gió thường dao động từ 3 đến 4 m/s, và điều này phụ thuộc vào công nghệ riêng của từng loại tuabin cũng như chế độ gió mà chúng 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
Rotor có moment quán tính lớn gây ra thách thức trong thiết kế, đặc biệt là trong quá trình khởi động, điều khiển tốc độ và dừng tuabin khi cần thiết Để dừng tuabin trong các tình huống khẩn cấp hoặc trong quá trình bảo trì, cần sử dụng dòng điện xoáy hoặc phanh hãm Mỗi tuabin thường được trang bị hệ thống điều khiển riêng và được lắp đặt ở khoảng cách an toàn.
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
Những 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 cực nhẹ và bền, giúp tăng khả năng thu năng lượng từ gió.
Cánh quạt đầu tiên trên thế giới được làm từ polyurethane gia cố bằng ống nano cácbon đã cho thấy độ bền cao gấp 8 lần so với các loại cánh quạt hiện tại Marcio Loos, tác giả nghiên cứu, đã sản xuất cánh quạt kích thước 29 inch nhẹ, chắc chắn và bền hơn Cánh quạt nhẹ giúp giảm lượng gió cần thiết để quay rotor, từ đó tối ưu hóa năng lượng thu được Kết quả thử nghiệm cơ học cho thấy vật liệu này vượt trội hơn hẳn so với các loại nhựa truyền thống đang được sử dụng trong sản xuất cánh quạt tuabin gió.
Các tuabin gió hiện nay thường được thiết kế với 2 hoặc 3 cánh quạt, trong đó tuabin 3 cánh đang trở nên phổ biến hơn Nguyên nhân là do tuabin 3 cánh thường có hiệu suất cao hơn từ 2% đến 3% so với loại 2 cánh.
Vilas Warudkar và các đồng nghiệp cho rằng cánh quạt được thiết kế với hai mặt có cấu trúc khác nhau, tạo ra sự chênh lệch áp suất khi có dòng không khí đi qua, dẫn đến lực làm cho cánh quạt quay lên hoặc xuống Tâm cánh quạt nối với trục của bộ truyền động, từ đó sinh ra mômen quay rotor máy phát Quá trình phân tích khí động lực này có thể được chia thành hai lực cơ bản: lực nâng và lực kéo Emrah Kulunk đã áp dụng phương pháp BEM (Blade Element Method) để nghiên cứu lực tác động lên cánh quạt, chia cánh quạt thành các phần nhỏ gọi là phần nhỏ cánh quạt, giúp xác định lực tác dụng lên từng phần một cách chính xác.
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 thay đổi sau khi đi qua cánh quạt, ảnh hưởng đến công suất của máy phát điện gió Do đó, cần tính toán kỹ lưỡng khoảng cách giữa các tuabin khi xây dựng nhiều tuabin gần nhau để tối ưu hóa hiệu suất.
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 Thực tế, chỉ khoảng 30% năng lượng gió đi qua tuabin được chuyển đổi thành điện năng.
Hình 3 6 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt
Mỗi cánh quạt trong tuabin gió có thể cản trở dòng chảy của các cánh khác, do đó, hiệu suất lấy gió cao hơn khi tuabin có ít cánh hơn Tuy nhiên, tuabin gió của NASA chỉ sử dụng một cánh quạt kết hợp với một đối trọng ở đầu bên kia Các tuabin gió thông dụng thường yêu cầu tối thiểu hai cánh quạt để duy trì sự cân bằng, và chiều dài cánh quạt cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.
Cánh quạt gió càng dài thì càng nhận được nhiều năng lượng từ gió, nhưng nếu quá dài, vận tốc đầu cánh có thể gần đạt tốc độ âm thanh, làm giảm hiệu suất Độ dài cánh cũng yêu cầu bệ đỡ phải cao hơn để đảm bảo độ thông thoáng và nhận được gió mạnh ở độ cao Giải pháp tối ưu là sử dụng 3 cánh quạt, vì chúng không ảnh hưởng quá lớn đến nhau, giữ cho vận tốc đầu cánh nhỏ hơn tốc độ âm thanh, đồng thời đảm bảo chiều cao trụ đỡ hợp lý Năng lượng từ cánh quạt cũng đủ lớn 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 tốc độ quay (TSR) là yếu tố quan trọng khi đánh giá hiệu suất của cánh quạt tuabin cùng chiều dài Nếu tuabin quay quá chậm, gió sẽ chủ yếu đi qua khoảng hở giữa các cánh, dẫn đến năng lượng thu được rất thấp Ngược lại, nếu tuabin quay quá nhanh, cánh quạt sẽ cản trở dòng không khí, làm giảm năng lượng thu được Do đó, việc thiết kế tuabin để hoạt động ở TSR tối ưu là cần thiết để tối đa hóa năng lượng thu hoạch 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, giúp rotor quay với tốc độ tối ưu để đạt hiệu suất sản xuất năng lượng điện cao nhất, đồng thời bảo vệ cánh quạt rotor khỏi các điều kiện 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 sửa chữa, bảo trì định kỳ hoặc trong trường hợp gió quá mạnh Thông thường, có hai loại phanh được sử dụng: phanh điện và phanh cơ Một số tuabin còn có phanh bổ sung để tăng cường an toàn.
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 máy phát điện, bao gồm các bánh răng kết nối giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao, giúp tăng tốc độ quay từ 30-60 vòng/phút lên 1200-1500 vòng/phút 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 được trang bị máy phát DC có công suất từ vài W đến kW Ngược lại, các hệ thống lớn hơn sử dụng máy phát một hoặc ba pha AC, bao gồm cả máy điện không đồng bộ và 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 Cụ thể, hình 3.17.a minh họa máy phát điện không đồng bộ, trong khi hình 3.17.b thể hiện 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 kết nối trực tiếp với lưới điện, dẫn đến việc không thể điều chỉnh công suất khi có biến động về tốc độ gió, gây ra dao động công suất và 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 khiển vận tốc máy phát, cho phép hấp thu dao động công suất do biến đổi tốc độ gió, từ đó cải thiện khả năng ổn định năng lượng trong hệ thống.
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 với định mức và số cặp cực từ khác nhau, hoặc một máy phát với hai cuộn dây khác nhau Cách 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 cho phép hoạt động trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt cao hơn sẽ dẫn đến tổn hao lớn hơn 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 tối ưu hóa công suất từ gió Máy phát điện có thể là máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát điện đồng bộ Tuy nhiên, việc biến đổi toàn bộ công suất phát ra dẫn đến tổn hao lớn và yêu cầu 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 loại máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Với kết cấu đơn giản, hiệu suất cao và giá thành thấp, máy phát điện không đồng bộ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các ưu điểm này khiến máy phát điện không đồng bộ trở thành lựa chọn phổ biến hiện nay.
- Có thể kết nối hay ngắt kết nối với lưới điện một cách dễ dàng
Máy phát điện không đồng bộ có một số nhược điểm, bao gồm hệ số công suất (cosϕ) thường không cao và khả năng điều chỉnh tốc độ không tốt, dẫn đến việc hạn chế ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực.
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 từ hai bộ phận chính là stator và rotor, được ngăn cách bởi một khe hở không khí Ngoài ra, thiết bị này còn có những thành phần khác hỗ trợ cho quá trình 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 Cuối trục được gắn quạt gió nhằm 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 Thông thường, vỏ máy được chế tạo từ gang, trong khi đối với các máy có công suất lớn hơn 1000kW, vỏ máy thường được làm từ thép tấm hàn.
Lõi thép stator có hình trụ, được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dập rảnh và ghép lại thành các rãnh theo hướng trục, nhằm dẫn từ hiệu quả Để giảm thiểu tổn hao năng lượng, lõi thép được ép vào vỏ máy và sử dụng các lá thép dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm Khi đường kính ngoài lớn hơn 990 mm, cần sử dụng tấm hình rẻ quạt để ép thành khối tròn Đặc biệt, các lá thép đều được phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy.
Hình 3 23 Cấu tạo lõi thép stator
Dây quấn stator, thường được làm từ dây đồng bọc cách điện, được lắp đặt trong các rảnh của lõi thép Trong sơ đồ khai triển dây quấn ba pha của máy phát điện không đồng bộ, dây quấn pha A được bố trí trong các rảnh 1, 4, 7 và 10; pha B trong các rảnh 3, 6, 9 và 12; và pha C trong các rảnh 5, 8, 11 và 2 Khi dòng điện xoay chiều 3 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 cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, lấy từ lõi thép stator, với thiết kế có lỗ ở giữa để lắp trục Do tổn hao trong lõi sắt rotor rất nhỏ, nên không cần sử dụng thép kỹ thuật điện cho phần này Sau khi dập lá thép stator, thép kỹ thuật điện được ép vào lõi thép rotor, và lõi này được ép trực tiếp lên trục máy hoặc giá đỡ rotor Ngoài ra, các lá thép còn được dập rãnh để tạo chỗ cho 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 của rotor thường được đấu hình sao Ba đầu dây quấn được kết nối với vành trượt bằng đồng, cố định ở một đầu trục và liên kết với mạch điện bên ngoài thông qua chổi than Trong quá trình 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:
