Tài liệu Luận văn tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp p&o​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- BÙI HỮU HÂN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- BÙI HỮU HÂN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH HOÀNG HƠN TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Trịnh Hoàng Hơn. chữ ký, ghi rõ họ và tên Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT 1 2 3 4 5 Họ và tên PGS.TS Ngô Cao Cường PGS.TS Lê Chí Kiên TS. Đinh Hoàng Bách PGS.TS Võ Ngọc Điều TS. Nguyễn Hùng Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 27 tháng 09 năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Bùi Hữu Hân . Giới tính: Nam. Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1970. Nơi sinh: Thái Bình. Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện. MSHV:1541830022. I- Tên đề tài: Tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió - máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp P&O. II- Nhiệm vụ và nội dung: ‒ Tìm hiểu sơ lược về năng lượng điện gió, cấu trúc và các phương pháp điều khiển hệ thống điện gió một cách tổng quan nhất. ‒ Tìm hiểu và xây dựng mô hình động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu và các bộ phận liên quan (nếu có – turbine, cánh quạt, v.v) trong một hệ thống điện gió. ‒ Tìm hiểu phương pháp quan sát và nhiễu loạn (P&O) để tìm điểm làm việc công suất cực đại. ‒ ng d ng vào hệ thống điện gió. Tìm hiểu và ứng d ng Simulink/Matlab để mô phỏng hệ thống máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng d ng phương pháp P&O. ‒ Báo cáo kết quả mô phỏng. III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017. IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/9/2017. V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Hoàng Hơn. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) ii LỜI CÁM ƠN Năng lượng tái tạo, năng lượng xanh đang được nghiên cứu và ứng d ng rộng rãi trong và ngoài nước. Tuy nhiên, vấn đề này vẫn còn khá mới mẻ đối với bản thân học viên. Trong quá trình nghiên cứu đề tài, học viên đã thu nhận và học tập được rất nhiều kinh nghiệm quý báu. Tuy chưa thể nói luận văn này là một công trình nghiên cứu đầy đủ và hoàn thiện về hệ thống điện gió, nhưng bản thân học viên nhận thấy luận văn cũng đạt được một số kết quả đáng ghi nhận. Học viên xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Trịnh Hoàng Hơn, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho học viên những ý kiến, đóng góp quý báu để học viên có thể hoàn thành luận văn. Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy, Cô trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Những kiến thức đó đã tạo nền tảng vững chắc giúp học viên hoàn thành tốt luận văn. Học viên xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn động viên, giúp đỡ, luôn là chỗ dựa tinh thần để luận văn được hoàn thành trong hoàn cảnh vừa học vừa làm vô cùng khó khăn vất vả. Sau cùng học viên cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ và chia sẽ kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt quá trình làm luận văn. Tuy học viên đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn vẫn còn nhiều thiếu sót cần được điều chỉnh và bổ sung. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các quý Thầy Cô để tri thức của học viên được hoàn thiện hơn khi ra trường. Học viên thực hiện Bùi Hữu Hân iii TÓM TẮT Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm phát công suất cực đại của hệ thống điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nhằm đạt m c đích trên, học viên nghiên cứu và tìm hiểu lần lượt từng thành phần của hệ thống: hệ thống cánh quạt turbine, hệ thống truyền động và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Phương trình động cho từng thành phần sau đó được phân tích và xây dựng. Hệ phương trình động được giải nhờ vào phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab, thông qua tín hiệu đáp ứng từ kết quả mô phỏng, phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) được chọn lựa để tìm điểm phát công suất cực đại. Kết quả mô phỏng cho thấy giải thuật đề xuất đáp ứng khá tốt ở những điều kiện vận hành khác nhau: tốc độ gió thay đổi, tổng trở tải thay đổi, cả vận tốc gió và tổng trở tải thay đổi. iv ABSTRACT The thesis describes a method to find maximum power point for wind power system using permanent magnetic synchronous generator. To do so, all components of wind power system such as wind turbine blade system, drive train system and permanent magnetic synchronous generator are studied. The dynamic equation system of each component is analyzed and established. Then the dynamic equation based model is constructed by Simulink/Matlab software. From the output signal of simulation, the appropriate method - perturb & observe (P&O) is chosen to find maximum power point of the system. The archived results shown that, the proposed method responses well and gives good results when the input conditions such as wind speed power output requirement are changed. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CÁM ƠN ..............................................................................................................ii TÓM TẮT.................................................................................................................. iii ABSTRACT ............................................................................................................... iv MỤC LỤC ................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... x Chương 1 ..................................................................................................................... 1 ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................. 1 I. L DO CHỌN ĐỀ TÀI........................................................................................ 1 II. MỤC TI CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................. 2 III. Đ I TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C IV. KẾT V. ẢD ....................................... 2 KIẾN ........................................................................................ 4 NGH A KHOA HỌC VÀ TH C TI N CỦA ĐỀ TÀI ................................. 4 PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................... 5 Chương 2 ..................................................................................................................... 7 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................................................... 7 2.1 Sự hình thành gió ............................................................................................... 7 2.2 Sử d ng năng lượng gió để tạo ra điện .............................................................. 9 2.3 Lợi ích của năng lượng gió .............................................................................. 11 2.4 Tình hình sử d ng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới ........... 13 2.5 Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam ...................................................... 14 2.6 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam ...................................................................... 15 2.6.1 Vị trí địa lý ............................................................................................... 15 2.6.2 Khí hậu ..................................................................................................... 15 2.6.3 Tiềm năng gió của Việt Nam ................................................................... 16 2.6.4 Lượng gió theo từng mùa ......................................................................... 16 2.6.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam ........................................... 16 Chương 3 ................................................................................................................... 18 vi TỔNG QUAN VỀ HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ ............................................................. 18 3.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió............................................................. 18 3.2 Khí động học gió ............................................................................................. 19 3.3 Các loại cấu trúc của turbine gió ..................................................................... 20 3.4 Các bộ phận của turbine gió. ........................................................................... 21 3.4.1. Cánh quạt. ............................................................................................... 21 3.4.2 Bộ truyền động ......................................................................................... 26 3.4.2.1 Hộp số ................................................................................................. 27 3.4.2.2 Truyền động trực tiếp .......................................................................... 27 3.4.3 Máy phát................................................................................................... 29 3.4.3.1 Máy phát lồng sóc tốc độ không đổi (Fixed speed Squirrel Cage Induction Generator) ....................................................................................... 29 3.4.3.2 Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ (Speed controlled Squirrel Cage Induction Generator) ....................................................................................... 30 3.4.3.3 Máy phát dây quấn đồng bộ (Wound Rotor Synchronous Generator)31 3.4.3.4 Máy phát dây quấn không đồng bộ (Wound Rotor Induction Generator - WRIG) ......................................................................................... 31 3.4.3.5 Máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator - DFIG) ............................................................................................................ 32 3.4.5.6 Máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Generator - PMG) .............................................................................. 33 3.4.3.7 Máy phát một chiều (DC Generator) .................................................. 33 3.5 Các bộ chuyển đổi điện áp ............................................................................... 34 3.5.1 Bộ chỉnh lưu ............................................................................................. 34 3.5.2 Các bộ biến đổi DC-DC (DC/DC Chopper) ............................................ 40 3.5.2.1 Bộ biến đổi giảm áp - Buck chopper ..................................... 41 3.5.2.2 Bộ chuyển đổi tăng áp – Boost chopper ............................................. 44 3.5.2.3 Bộ biến đổi đảo áp, Buck - Boost Chopper .......................... 47 Chương 4 ................................................................................................................... 50 C C ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ ................................... 50 4.1 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet Synchronous Generator: PMSG) ................................................................................................. 52 vii 4.1.1 Tổng quan về máy điện đồng bộ và máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ..................................................................................................................... 52 4.1.2 Mô hình động của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) [33] .................................................................................................................... 58 4.2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển và bộ chuyển đổi Boost ............... 61 4.2.1 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển .............................................. 61 4.2.2 Bộ chuyển đổi tăng áp – Boost chopper .................................................. 64 4.3 MPPT cho hệ thống năng lượng gió ................................................................ 64 4.3.1 Điểm công suất cực đại ............................................................................ 67 4.3.2 Các phương pháp điều khiển MPPT ........................................................ 69 Chương 5 ................................................................................................................... 73 MÔ PHỎNG HỆ TH NG TRONG SIMULINK MATLAB ................................... 73 5.1 Mô phỏng hệ thống trong Simulink Matlab .................................................... 73 5.1.1 Giới thiệu các Block và toolbox sử d ng trong chương trình .................. 73 5.1.2 Mô phỏng hệ thống .................................................................................. 76 5.1.3 Mô hình chi tiết ........................................................................................ 78 5.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 87 5.2.1 Trường hợp vận tốc gió không đổi tải thay đổi (kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống) ..................................................................................................... 87 5.2.2 Trường hợp vận tốc gió thay đổi, tải không đổi (kiểm tra tính làm việc hiệu quả của hệ thống) ........................................................................................ 94 5.2.3 Trường hợp vận tốc gió thay đổi, tải thay đổi ........................................ 100 5.2.4 Nhận xét định lượng ............................................................................... 105 5.3 Kết luận .......................................................................................................... 106 Chương 6 ................................................................................................................. 108 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 108 6.1 Kết quả đạt được ............................................................................................ 108 6.2 Những mặt còn hạn chế ................................................................................. 108 6.3 Hướng phát triển của đề tài............................................................................ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 110 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT P&O : Perturb & observe MPP : Maximum Power Point MPPT : Maximum Power Point Tracker PMG : Permanent Magnet Generator PMSG : Permanet Magnet Synchronous Generator WRSG : Wound Rotor Synchronous Generator WRIG : Wound Rotor Induction Generator SCIG : Squirrel Cage Induction Generator DFIG : Doubly Fed Induction Generator DCG : DC Generator VRG Variable Reluctance Generator INCond : Incremental Conductance FLC : Fuzzy logic controller IEA : International Energy Agency HAWT : Horizontal Axis Wind Turbine VAWT : Vertical Axis Wind Turbine BEM : blade element method ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4. 1 Bảng tóm tắt trạng thái dẫn của các diode và điện áp v0 tức thời trên tải 63 Bảng 4. 2 Tóm tắt giải thuật P&O [27], “đại lượng thay đổi” trong luận văn là tốc độ rotor của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu ................................................. 71 Bảng 5. 1 Các Block thường dùng để mô phỏng trong luận văn .............................. 73 x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát PMSG và thuật toán P&O ..................................................................................................................... 2 Hình 2. 1 Sự hình thành gió trên mặt đất .................................................................... 8 Hình 2. 2 Turbine gió đầu tiên 12 kW ........................................................................ 9 Hình 2. 3 Turbine đầu tiên ngoài nước Mỹ ............................................................... 10 Hình 2. 4 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận. ................................................................. 11 Hình 3. 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió ...................................................... 18 Hình 3. 2 turbine tr c ngang (trái), turbine tr c dọc (phải)[4] .................................. 20 Hình 3. 3 Turbine ngược chiều gió (trái) và turbine thuận chiều gió (phải). ............ 21 Hình 3. 4 Lực nâng và lực kéo tác động vào cánh quạt [15] .................................... 22 Hình 3. 5 Mô hình BEM- blade element method [8]. ............................................... 22 Hình 3. 6 Actuator model [17], [ 18] ........................................................................ 23 hinh 3. 7 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt. ............................................................ 24 Hình 3. 8 Cp của các loại cánh quạt khác nhau của turbine gió. .............................. 26 Hình 3. 9 Cấu tạo hộp số (Gearbox) ......................................................................... 28 Hình 3. 10 Sơ đồ khối minh họa cho phương pháp truyền động trực tiếp; cánh quạt được nối trực tiếp vào rotor máy phát; có bộ biến đối dùng linh kiện bán dẫn để tương thích tần số phát và tải. ................................................................................... 28 Hình 3. 11 – Hệ thống điện gió sử d ng động cơ lồng sóc tốc độ không đổi kết hợp với bộ khởi động mềm. ............................................................................................. 30 Hình 3. 12 - Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ, được trang bị bộ biến đổi điện áp AC/DC/AC. ............................................................................................................... 30 Hình 3. 13 - Máy phát dây quấn đồng bộ ứng d ng trong turbine gió. .................... 31 Hình 3. 14 - Turbine gió sử d ng máy phát dây quấn không đồng bộ. .................... 32 Hình 3. 15 - Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép. ........................ 32 Hình 3. 16 - Turbine gió sử d ng máy phát kích từ vĩnh cửu. .................................. 33 Hình 3. 17 - Turbine gió dùng máy phát DC. ........................................................... 34 Hình 3. 18 Chỉnh lưu 1 pha bán kỳ không t lọc ...................................................... 35 Hình 3. 19 - Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa bán kỳ .............................................. 36 Hình 3. 20 – Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. .................................. 36 Hình 3. 21 – Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. .................................... 37 xi Hình 3. 22 – Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển. ................................ 38 Hình 3. 23 – Minh họa mạch chỉnh lưu có điều khiển - Mạch chỉnh lưu tia ba pha điều khiển. ................................................................................................................. 39 Hình 3. 24 - Chỉnh lưu cầu một pha sử d ng diod có t lọc ..................................... 40 Hình 3. 25 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck. ................................................. 41 Hình 3. 26 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost. ................................................ 44 Hình 3. 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost chopper. ...................... 47 Hình 4. 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống điện gió nam châm vĩnh cửu ................ 51 Hình 4. 2 Cấu tạo máy điện khi stator đòng vai trò kích từ (phần cảm) ................... 54 Hình 4. 3 Cấu tạo rotor cực ẩn; hình bên trái phát họa hình cắt ngang của rotor, hình bên phải minh họa một rotor trong thực tế (nguồn ảnh internet); cả hai rotor đều là loại hai cực từ. ........................................................................................................... 55 Hình 4. 4 Cấu tạo rotor cực lồi; hình bên trái phát họa hình cắt ngang của rotor, hình bên phải minh họa một rotor trong thực tế (nguồn ảnh internet); cả hai rotor đều là loại bốn cực từ. .......................................................................................................... 55 Hình 4. 5 Minh họa mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu ....... 56 Hình 4. 6 Minh họa nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha ............ 57 Hình 4. 8 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ................................................. 62 Hình 4. 9 Dạng áp tức thời trên tải, và các trạng thái dẫn của mỗi diod trong mạch cầu chỉnh lưu ............................................................................................................. 63 Hình 4. 10 Mạch điện một chiều đơn giản ................................................................ 65 Hình 4. 11 Minh họa sự phối hợp trở kháng với nguồn và tải cho trước.................. 66 Hình 4. 12 – Đặc tính Cp – cho các góc pitch khác nhau. .................................. 68 Hình 4. 13 – Công suất turbine ở các tốc độ gió khác nhau ..................................... 69 Hình 4. 14 - Xác định điểm MPP bằng phương pháp “leo đồi” [27]. ....................... 70 Hình 4. 15 Lưu đồ giải thuật thuật toán P&O ........................................................... 72 Hình 4. 16 Phương pháp P&O hoạt động không hiệu quả khi tốc độ gió liên t c thay đổi. ..................................................................................................................... 72 Hình 5. 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu điều khiển bằng thuật toán P&O ............................................................................... 76 Hình 5. 2 - Mô phỏng hệ thống máy phát điện gió trong Simulink Matlab.............. 77 xii Hình 5. 3 – Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng Turbine, Generator and Rectifier; hình bên trái có thể tìm thấy trong hình 5.2; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong. .......... 79 Hình 5. 4 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng wind-turbine; hình bên trái có thể tìm thấy trong hình 5.3; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong .......................................... 80 Hình 5. 5 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng turbine; hình bên trên có thể tìm thấy trong Hình 5.4; hình bên dưới là sơ đồ chi tiết bên trong ................................................. 80 Hình 5. 6 Các thông số của khối Turbine ................................................................. 81 Hình 5. 7 Khối máy phát: 12kW 67Nm 1700rpm; Hình phía trên được tìm thấy trong hình 5.4; hình bên dưới sơ đồ chi tiết. ............................................................. 82 Hình 5. 8 Cấu hình của PMSG (bảng thông số 1)..................................................... 82 Hình 5. 9 Thông số PMSG (bảng thông số 2) ........................................................... 83 Hình 5. 10 Khối Rectifier; hình bên trái có thể được tìm thấy trong hình 5.3; hình bên phải là bảng thông số cài đặt cho khối chỉnh lưu ............................................... 84 Hình 5. 11 Khối P&O MPPT; hình bên trên được trích từ hình 5.2; hình bên dưới là sơ đồ chi tiết .............................................................................................................. 85 Hình 5. 12 Khối IO đặc trưng cho khối IO1 và IO2 trong hình 5.11. ...................... 85 Hình 5. 13 Khối DC-Load; hình trên được trích xuất từ hình 5.3; hình bên dưới trình bày sơ đồ chi tiết của khối DC-Load. ....................................................................... 86 Hình 5. 14 Khối tăng áp Boost converter, hình bên trái được trích xuất từ hình 5.2; hình bên phải là sơ đồ chi tiết mô phỏng bộ DC/DC chopper .................................. 87 Hình 5. 15 Vận tốc gió được giả sử là không đổi (8 m/s) ......................................... 88 Hình 5. 16 Điện trở tải thay đổi [25 16,67 14,29 16,67] tương ứng các thời điểm [0 40 60 80] s ................................................................................................................. 89 Hình 5. 17 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian ................................................ 89 Hình 5. 18 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian ......................................... 90 Hình 5. 19 Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian ............................ 90 Hình 5. 20 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian ................................. 91 Hình 5. 21 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là điện áp ngõ vào bộ chopper) theo thời gian ............................................................................................. 91 Hình 5. 22 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo thời gian ..................................................................................................................... 92 Hình 5. 23 Đáp ứng của giá trị Duty Cycle (D) theo thời gian ................................. 92 xiii Hình 5. 24 Vận tốc gió được giả sử là không đổi [8 6 9 7 8] (m/s) tương ứng với các thời điểm [0 40 60 80 100] (s)................................................................................... 94 Hình 5. 25 Đặc tính ngõ vào của tải theo thời gian, trường hợp này tải không đổi và bằng 25  .................................................................................................................. 95 Hình 5. 26 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian ................................................ 95 Hình 5. 27 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian ......................................... 96 Hình 5. 28 Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian ............................ 96 Hình 5. 29 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian ................................. 97 Hình 5. 30 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là điện áp ngõ vào bộ chopper) theo thời gian ............................................................................................. 97 Hình 5. 31 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo thời gian ..................................................................................................................... 98 Hình 5. 32 Đáp ứng của giá trị Duty Cycle (D) theo thời gian ................................. 98 Hình 5. 33 Vận tốc gió theo thời gian ..................................................................... 100 Hình 5. 34 Sự thay đổi tải theo thời gian ................................................................ 101 Hình 5. 35 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian .............................................. 101 Hình 5. 36 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian ....................................... 102 Hình 5. 37 Đáp ứng công suất Tuabin gió (cũng là công suất Turbine nhận được) theo thời gian ........................................................................................................... 102 Hình 5. 38 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian ............................... 103 Hình 5. 39 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là công suất ngõ vào bộ chopper) theo thời gian ........................................................................................... 103 Hình 5. 40 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo thời gian ................................................................................................................... 104 Hình 5. 41 Đáp ứng của giá trị Duty cycle (D) theo thời gian ................................ 104 Hình 5. 42 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 8m/s (được chiết trích từ hình 4.13)......................................................................................................................... 105 Hình 5. 43 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 6m/s (được chiết trích từ hình 4.13)......................................................................................................................... 106 1 Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Năng lượng là nhu cầu không thể thiếu đối với nhân loại, năng lượng được sử d ng trong tất cả các lĩnh vực để ph c v cuộc sống của con người từ sinh hoạt, vui chơi giải trí, công nghiệp, nông nghiệp, y học,… Trải qua những thời đại khác nhau nguồn năng lượng chính được khai thác và sử d ng cũng khác nhau; từ xa xưa khi chưa có nền công nghiệp, nhu cầu cuộc sống chỉ đơn giản là các bữa ăn trong ngày thì nguồn năng lượng chính được sử d ng chỉ là thân cây cối, củi khô,.. Thời gian dần trôi, kiến thức khoa học phát triển, nhu cầu của nhân loại tăng lên thì các nguồn năng lượng chính được khai thác cũng thay đổi như: than đá, dầu khí (gọi chung là năng lượng hóa thạch), năng lượng hạt nhân,…, ra đời và được sử d ng ph c v cho cuộc sống. Năng lượng cần thiết đến mức con người luôn sử d ng cùng lúc tất cả các nguồn năng lượng có thể khai thác và sử d ng được. Tuy nhiên, có những nguồn năng lượng bên cạnh mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại thì còn mang lại nhiều rủi ro nguy hiểm, ví d , năng lượng hạt nhân chẳng hạn, cho đến nay nhân loại chưa có gì đảm bảo 100% an toàn khi sử d ng nguồn năng lượng này. Trong thời đại cận đại và hiện đại, nguồn năng lượng hóa thạch đóng vai trò chủ yếu với lý do dễ khai thác và sẵn có trong lớp vỏ quả đất. Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và khi sử d ng làm ảnh hưởng đến môi trường, gây nên hiệu ứng nhà kính. Ngành năng lượng xanh (hay còn được gọi là năng lượng tái tạo) như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đã được hình thành trong nhiều thập niên qua; viễn cảnh sẽ được phát triển và khai thác mạnh mẽ để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch. Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển điện gió. Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất nên việc lắp ráp rẻ hơn cũng như việc điều khiển các máy phát điện gió được dễ dàng. Thực tế cho thấy, tình hình khai thác năng lượng gió chưa xứng tầm với tiềm năng gió Việt Nam hiện có, và việc khai thác tốt tiềm năng này để ph c v cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết. 2 Với các lý do trên, Học viên muốn nghiên cứu “Tìm Điểm Công Suất Cực Đại Cho Máy Phát Điện Gió – Máy Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Bằng Phương Pháp P&O” cho luận văn Thạc sĩ của mình. II. MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI Sử d ng phần mềm Simulink Matlab và thuật toán điều khiển P&O (quan sát và nhiễu loạn) để tìm điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống máy phát điện gió - máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). III. Đ I TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U Đối tượng: Tìm điểm phát công suất cực đại cho hệ thống máy phát gió bằng thuật toán P&O; hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sơ đồ khối như trong hình 1. Tất cả các khối sẽ được phân tích và thành lập hệ phương trình động, mô hình mô phỏng cho hệ phương trình động sẽ được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab. Các thông số trong bộ điều khiển sẽ được chọn lựa bằng lập luận, bằng thống kê hoặc bằng phương pháp thử và sai để có được đặc tính ngõ ra như mong muốn khi các thông số ngõ vào được thay đổi một cách ngẫu nhiên trong phạm vi cho phép. Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát PMSG và thuật toán P&O Phương pháp nghiên cứu: - Xây dựng mô hình toán học dựa vào phương trình động (phương trình vi phân) của từng khối (hình 1) trong hệ thống:  Phương trình khí động học của gió  Khối Turbine: Mô tả mối quan hệ giữa công suất gió, cánh quạt (bao hàm cả kích thước và hình dạng) và mật độ không khí,... 3  Khối PMSG: Là mô hình toán học của máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu.  Khối biến đổi điện áp AC/DC; DC/DC và DC/AC: Mô hình toán học của từng bộ điện tử công suất được trình bày và mô phỏng lại dựa vào phần mềm Simulink Matlab.  Giải thuật quan sát và nhiễu loạn (P&O) được trình bày và mô phỏng trong khối Giải thuật P&O. - Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của từng khối: Các khối sau khi được mô phỏng sẽ được kiểm tra tính đúng đắn dựa vào dạng đáp ứng quá độ (so sánh với cơ sở lý thuyết hoặc tài liệu tham khảo); giá trị vào ra khi hệ thống ở trạng thái xác lập (đáp ứng trong thời gian dài). - Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của cả hệ thống: Sau khi từng khối được kiểm tra tính đúng đắn, chúng sẽ được kết nối vào thành một hệ thống. Để kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống luận văn đề xuất phương pháp như sau:  Tiêu chí đánh giá là giá trị công suất truyền từ máy phát đến tải.  Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính gió không đổi: Thay đổi tải, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty cycle là hằng số) P&O.  Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải không đổi: Thay đổi đặc tính gió, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty cycle là hằng số) P&O.  Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải và đặc tính gió thay đổi ngẫu nhiên (không đồng thời): So sánh kết quả với khi có sử d ng thuật toán với lý thuyết công suất cực đại lý thuyết (thông qua tính toán) của máy phát với từng trường hợp năng lượng gió ngõ vào. - Toàn bộ quá trình trình bày trên được thực hiện và kiểm tra nhờ vào phần mềm mô phỏng Simulink Matlab.