Tài liệu Mô hình hóa và điều khiển mppt máy phát điện gió pmsg có kết nối lưới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ----------------------- NGUYỄN QUANG THẮNG MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MPPT MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG CÓ KẾT NỐI LƯỚI Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số: 605250 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS Hồ Phạm Huy Ánh Cán bộ chấm nhận xét 1:……………………………………………………………….. Cán bộ chấm nhận xét 2:……………………………………………………………….. Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, ngày…..tháng…..năm…… Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1……………………………………………………. 2……………………………………………………. 3..…………………………………………………... 4……………………………………………………. 5……………………………………………………. Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV HVTH: Nguyễn Quang Thắng Bộ môn quản lý chuyên ngành Trang 1 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG THẮNG Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: 10 – 01 – 1989 Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện MSHV: 12186022 Nơi sinh: Nghệ An Mã số : 605250 I. TÊN ĐỀ TÀI: Mô hình hóa và điều khiển MPPT máy phát điện gió PMSG có kết nối lƣới II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Giới thiệu về năng lƣợng gió trên thế giới và tại Việt Nam  Tìm hiểu về máy phát điện gió PMSG  Mô hình hóa máy phát điện gió PMSG sử dụng phần mềm Matlab/Simulink.  Thiết lập bộ điều khiển để máy phát PMSG bám điểm công suất cực đại theo đƣờng cong cho trƣớc.  Kết nối với lƣới điện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS HỒ PHẠM HUY ÁNH Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20.... CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 2 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS. HỒ PHẠM HUY ÁNH, Ngƣời đã từng bƣớc giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn các Thầy Cô trong khoa Điện-Điện tử trƣờng ĐH Bách Khoa HCM đã cho em những nền tảng kiến thức – tri thức quý báu. Xin cảm ơn các anh chị khóa trƣớc đã có những công trình hữu ích giúp tôi tham khảo cho luận văn này. Xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi bằng nhiều cách khác nhau để tôi hoàn thành tốt luận văn này. Xin Cám ơn Trƣờng ĐH Bách Khoa TP.HCM; Khoa Điện- Điện Tử; Phòng Quản Lý Sau Đại Học, Tập thể anh chị em lớp Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa K2012; đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn này. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian thực hiện đề tài nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong Thầy hƣớng dẫn, các quý thầy cô, cùng các bạn đọc góp ý để luận văn ngày càng đƣợc hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày…..tháng….năm……… Học viên thực hiện Nguyễn Quang Thắng HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 3 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi nghiên cứu và tổng hợp. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc 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 đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 4 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đã thể hiện đƣợc tính cấp thiết của vấn đề đang đƣợc quan tâm hiện nay, đó là nguồn năng lƣợng thay thế cho các nguồn năng lƣợng hóa thạch (dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên) đã và đang gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trƣờng sống của toàn nhân loại trên Trái Đất. Luận văn đã giới thiệu về tình hình năng lƣợng trên thế giới hiện nay cũng nhƣ của Việt Nam, qua đó để có cái nhìn khái quát hơn về nguồn năng lƣợng, năng lƣợng hóa thạch chỉ có thể khai thác với trữ lƣợng có hạn trong tƣơng lai không xa, và đang tập trung hƣớng đến các nguồn năng lƣợng mới, nổi bật nhất là nguồn năng lƣợng gió. Đối với lĩnh vực năng lƣợng tái tạo, mà đặc biệt là năng lƣợng gió không phải là vấn đề mới của thế giới, nhƣng đối với Việt Nam chúng ta đây là lĩnh vực thực sự mới chỉ đƣợc quan tâm và ứng dụng trong những năm gần đây. Dựa trên phân tích những ƣukhuyết điểm cũng nhƣ tiềm năng năng lƣợng gió ở Việt Nam đã đƣợc các chuyên gia trong và ngoài nƣớc đánh giá với tiềm năng rất lớn. Đó là thuận lợi để chúng ta xây dựng nền công nghiệp điện gió trong tƣơng lai, nhƣng cần phải có những bƣớc đột phá trong lĩnh vực này để khai thác hết tiềm năng của nó đem lại. Đề tài cũng đã khái quát chung về năng lƣợng gió, giới thiệu về turbine gió, phân loại và cấu tạo chính của turbine gió trục ngang hiện nay. Trong các loại máy phát điện gió hiện nay, loại máy phát PMSG mang những ƣu điểm nổi bật nhƣ: cơ cấu không hộp số, loại bỏ hệ thống kích từ DC, kiểm soát toàn bộ hệ thống để khai thác tối đa năng lƣợng gió và giao tiếp lƣới, dễ dàng vƣợt qua lỗi (Fault ride through) và hỗ trợ lƣới điện, đề tài cũng trình bày mô hình toán và cấu trúc điều khiển cho hệ thống turbine gió PMSG. Điều khiển MPPT cho hệ thống turbine gió để công suất nhận đƣợc là tối ƣu ứng với mỗi vận tốc gió Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống turbine gió sử dụng máy phát PMSG trên phần mềm Matlab/Simulink, và kết nối lƣới. Mô phỏng cho ra kết quả tốt, đáp ứng yều cầu đề ra. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 5 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp ABSTRACT This thesis presents the urgency of the issues of concern today, which is an energy source to replace fossil energy sources (oil, coal, natural gas) has been causing pollution environmental serious of all human life on Earth. This thesis introduce the energy situation in the world today as well as in Vietnam, to have an overview about energy, fossil fuels can exhaust in the near future, and is focused towards new energy sources, special wind energy. In the field of renewable energy, wind energy is not a new issue of the world, At Vietnam, this is an field really only be interested and applications in those years recently. Based on the analysis advantage-disadvantage as well as wind energy potential in Vietnam has been evaluated by experts with great potential. It is convenient for us to build wind energy industry in the future, but need a breakthrough in this field in order to exploit the full potential it offers. The theme also overview of wind energy, wind turbine introduction, classification and structure of the horizontal axis wind turbine. Among the wind turbine, PMSG generator brings outstanding advantages such as gearless structure, eliminating DC excitation system, control the entire system for maximum exploitation of wind energy and communication network, fault ride through and support grid. The thesis presents mathematical modeling and control structure for PMSG wind turbine system. MPPT control for wind turbine system to get optimal power for each wind speed. Modeling and simulation PMSG wind turbine system using Matlab / Simulink software, and connect to grid. Simulation for good results, meet the requirements. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 6 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC CHƢƠNG 0: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 13 1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 13 2. Giới thiệu đề tài .............................................................................................. 14 3. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 15 4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 15 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ ............................................ 17 1.1 Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới ............................................................ 17 1.2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam..................................................... 18 1.3 Tìm hiểu về các turbine gió ............................................................................ 20 1.4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lƣợng gió: ..................... 21 1.5 Cấu tạo của turbine gió ................................................................................... 21 1.6 Hệ thống phát điện gió điển hình .................................................................... 27 1.6.1 Máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng sóc ................................................... 28 1.6.2 Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn .................................................. 29 1.6.3 Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép ...................................................... 30 1.6.4 Máy phát điện đồng bộ tự kích ....................................................................... 32 1.6.5 Máy phát điện đồng bộ từ trƣờng vĩnh cửu ..................................................... 33 1.7 So sánh giữa các loại máy phát điện gió ......................................................... 35 1.8 Một số yêu cầu khi kết nối lƣới điện cho máy phát điện gió............................ 36 1.9 Hiện trạng và xu hƣớng phát triển kỹ thuật phát điện gió. ............................... 38 1.10 Cấu hình hệ thống và nguyên lí hoạt động của máy phát điện gió PMSG ....... 39 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG .................. 42 2.1 Phƣơng trình toán của mạch điện sau chuyển đổi máy phát điện gió PMSG ... 42 2.1.1 Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ abc. .................................. 42 2.1.2 Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ dq..................................... 43 2.2 Công suất và mômen của máy phát điện gió PMSG ........................................ 44 CHƢƠNG 3: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT ..................................................... 47 3.1 Giới thiệu về IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ................................. 47 3.2 Bộ biến đổi công suất ..................................................................................... 49 3.3 Phân loại......................................................................................................... 49 3.4 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) ...................................... 50 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG BÀI TOÁN MPPT ........................................................ 55 4.1 Điề u khiể n góc cắt .......................................................................................... 55 HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 7 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp 4.2 Phƣơng pháp tìm kiếm giá trị đỉnh (Hill Climb Search – HCS) ....................... 58 4.3 Tỉ số bờ rìa cánh quạt trên tốc độ (Tip Speed Ratio - TSR ratio) ..................... 58 4.4 Giá trị công suất nhận đƣợc (Power Signal Feedback - PSF) .......................... 59 4.5 Kết luận: ......................................................................................................... 60 CHƢƠNG 5: MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP ............................................................................................................... 64 5.1 Các cấu trúc điều khiển................................................................................... 64 5.2 Bộ biến đổi phía máy phát (Machine–Side Converter–MSC) .......................... 65 5.2.1 Nguyên lý ....................................................................................................... 66 5.2.2 Sơ đồ điều khiển ............................................................................................. 69 5.3 Bộ biến đổi phía lƣới (Grid–Side Converter–GSC) ......................................... 70 5.3.1 Nguyên lý ....................................................................................................... 70 5.3.2 Sơ đồ điều khiển ............................................................................................. 74 CHƢƠNG 6: MÔ PHỎNG HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG ĐƢỢC KẾT NỐI LƢỚI .............................................................................................................. 78 6.1 Mô phỏng máy phát điện gió PMSG 1.5 MW: ................................................ 78 6.2 Khối điều khiển. ............................................................................................. 82 6.3 Khối lọc tín hiệu và đo lƣờng (Filtering and measurements): .......................... 82 6.4 Khối PLL (phase-locked loop): ....................................................................... 83 6.5 Khối tính công suất thực và công suất kháng. ................................................. 85 6.6 Khối chuyển hệ tọa độ (DQ transformation). .................................................. 86 6.7 Khối biến đổi phía lƣới (Grid-Side Converter Control System)....................... 88 6.8 Khối biến đổi phía máy phát (Machine Side Converter Control System). ....... 88 6.9 Khối tính toán momen điều khiển. .................................................................. 91 6.10 Khối turbine gió nhƣ sau. ............................................................................... 92 6.11 Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 94 CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN ....................................................................................... 102 7.1 Nhận xét về định hƣớng lấy công suất tối ƣu ................................................ 102 7.2 Những thuận lợi, khó khăn và định hƣớng trong việc phát triển điện gió tại ...... Việt Nam ...................................................................................................... 103 7.3 Kết luận về đề tài và hƣớng phát triển tƣơng lai ............................................ 104 7.4 Lời kết .......................................................................................................... 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 106 HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 8 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT u i a,b,c ,  d, q Cp   R L T P Q PMSG SCIG DFIG WRIG EESG MPPT FOC VOC PWM Điện áp Dòng điện Trong hệ tọa độ abc Trong hệ tọa độ Stator Trong hệ tọa độ Rotor Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng gió Tỉ số bờ rìa cánh quạt trên tốc độ Từ thông Điện trở Điện cảm Mômen Công suất thực Công suất kháng Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generators) Máy phát điện không đồng bộ(KĐB) lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator) Máy phát điện KĐB kích từ kép (Doubly Fed Induction Generator) Máy phát điện KĐB kiểu dây quấn (Wound Rotor Induction Generator) Máy phát điện ĐB tự kích (Electrically Excited Sychrous Generator) Maximum Power Point Tracking - Bám điểm công suất cực đại Điều khiển định hƣớng trƣờng (Field Oriented Control) Điều khiển định hƣớng theo điện áp (Voltage Oriented Control) Điều chế độ rộng xung (Pulse With Modulation) HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 9 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Công suất gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008 Hình 1.2 Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80m (tài liệu Điện gió) Hình 1.3: Cấu trúc của một turbine gió Hình 1.4: Kết cấu của một máy phát điện gió Hình 1.5: Đƣờng cong hiệu suất rotor Hình 1.6: Đặc tính quan hệ Cp= f(λ) của turbine gió Hình 1.7: Đƣờng đặc tính Công suất – Tốc độ góc của Turbine gió Hình 1.8: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG Hình 1.9: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG. Hình 1.10: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG. Hình 1.11: Turbine gió tốc độ biến đổi sử dụng bộ bộ biến đổi tần số tỉ lệ cho nguồn kích từ. Hình 1.12: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát EESG. Hình 1.13: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát PMSG. Hình 1.14: Hệ thống các loại turbine gió Hình 1.15: Sơ đồ tổng thể máy phát điện gió PMSG Hình 1.16: Chuyển đổi năng lƣợng gió thành năng lƣợng điện trong máy phát turbine gió PMSG. Hình 1.17: Hệ thống nghịch lƣu công suất của máy phát điện gió PMSG Hình 2.1: Hình ảnh mặt cắt của một máy phát PMSG 2 cực Hình 2.2:Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của một PMSG trong hệ tọa độ dq Hình 3.1: Ký hiệu và mạch tƣơng đƣơng của IGBT Hình 3.2: Sơ đồ cho phƣơng pháp Sin-PWM Hình 3.3 Giản đồ xung của phƣơng pháp Sin-PWM Hình 3.4 Bộ nghịch lƣu 3 pha Hình 3.5 Các dạng sóng của bộ nghịch lƣu khi điều chế Sin-PWM Hình 4.1 : Quan hệ giữa công suất cơ và công suất máy phát, điểm cực đại Cp Hình 4.2: Các vùng vận hành cho điều chỉnh góc cắt của turbine gió. Hình 4.3: Đồ thị cho phƣơng pháp tìm kiếm giá trị đỉnh HCS Hình 4.4: Đƣờng cong công suấ t cực đại của turbine gió (màu đỏ) và các đƣờng cong đặc tính của công suất turbine gió ở các vận tố c gió khác nhau. Hình 4.5: Sơ đồ khối phƣơng pháp PSF Hình 4.6: MPPT dựa trên đƣờng cong đặc tính công suất P-s Hình 4.7:Các vùng hoạt động PMSG dựa trên vận tốc gió Hình 4.8: Cấu hình cho hệ thống điều khiển máy phát điện gió PMSG Hình 5.1: Cấu trúc của hệ thống máy phát điện gió PMSG Hình 5.2: Hệ thống turbine gió PMSG truyền động trực tiếp Hình 5.3: Đặc tính công suất của turbine - tốc độ gió Hình 5.4: Đặc tính hệ số công suất HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 10 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp Hình 5.5: Giản đồ cho phƣơng pháp FOC Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển Generator-side Converter Hình 5.7: Cấu trúc của hệ thống máy phát PMSG kết nối lƣới Hình 5.8: Sơ đồ khối của phƣơng pháp điều khiển VOC Hình 5.9: Giản đồ vector VOC, biến đổi dòng, áp lƣới và điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trong các hệ trục tọa độ    và d-q Hình 5.10: Điều khiển tách dòng điện đầu vào bộ PWM Hình 5.11: Sơ đồ điều khiển Grid-side converter Hình 5.12: Sơ đồ tổng thể hệ thống Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng máy phát điện gió PMSG 1,5 MW trong hệ thống điện. Hình 6.2: Sơ đồ mô phỏng máy phát điện gió PMSG 1.5MW Hình 6.3: Khối điều khiển hệ thống Hình 6.4: Khối lọc tín hiệu và đo lƣờng. Hình 6.5: Khối lọc thông thấp Hình 6.6: Sơ đồ cho hệ thống kiểm soát PLL Hình 6.7: Khối PLL (phase-locked loop) Hình 6.8: Chi tiết bên trong khối PLL Hình 6.9: Khối tính công suất thực và công suất kháng Hình 6.10: Chi tiết bên trong khối tính công suất thực và kháng Hình 6.11: Khối chuyển hệ tọa độ abcdq0 Hình 6.12: Chi tiết bên trong khối chuyển hệ tọa độ abcdq0 Hình 6.13: Khối chuyển hệ tọa độ abc  dq Hình 6.14: Chi tiết bên trong khối chuyển hệ tọa đô abc dq Hình 6.15: Khối điều khiển bộ biến đổi phía lƣới Hình 6.16: Chi tiết bên trong khối điều khiển phía lƣới Hình 6.17: Khối điều khiển bộ biến đổi phía máy phát Hình 6.18: Chi tiết bên trong khối điều khiển phía máy phát Hình 6.19: Khối kiểm soát điện áp DC Hình 6.20: Khối điều khiển mômen Hình 6.21: Khối Turbine gió Hình 6.22: Chi tiết bên trong khối turbine gió Hình 6.23: Đặc tính C p &  ứng với các giá trị góc pitch  Hình 6.24: Đặc tính công suất-Tốc độ gió Hình 6.25: Khối điều khiển góc pitch Hình 6.26: Khối tạo lỗi cho hệ thống Hình 6.27: Biều đồ vận tốc gió Hình 6.28: Điện áp DC của hệ thống Hình 6.29: Công suất thực và công suất kháng Hình 6.30: Tốc độ rotor của máy phát Hình 6.31: Dòng điện trục d và trục q của máy phát HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 11 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp Hình 6.32: Mômen của máy phát Hình 6.33: Biểu đồ vận tốc gió, tốc độ rotor và công suất khi tốc độ gió thay đổi Hình 6.34: Điện áp thanh cái và góc pha trong trƣờng hợp lƣới bị sự cố Hình 6.35: Công suất P, Q trong trƣờng hợp lƣới bị sự cố Hình 6.36: Điện áp DC trong trƣờng hợp lƣới bị sự cố Hình 7.1: Đƣờng đặc tính bám công suất đỉnh lý thuyết của mô hình máy phát gió cho bởi các vận tốc gió khác nhau. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 12 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 0: MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Thế kỷ 20 đã trải qua với bao tiến bộ vƣợt bậc của loài ngƣời. Một thế kỷ trong đó con ngƣời đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàn những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, giúp đáp ứng những nhu cầu không ngừng của con ngƣời. Nhƣng bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó thì con ngƣời cũng phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới. Môi trƣờng bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt, áp lực công việc ngày càng lớn với mỗi ngƣời và hàng loạt những mặt trái khác. Trong thế kỷ 21 con ngƣời phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu, chẳng hạn nhƣ: năng lƣợng, môi trƣờng sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,…vv. Trong đó vấn đề năng lƣợng vẫn là vấn đề đƣợc xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ 21. Năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hƣởng để duy trì nguồn cung cấp năng lƣợng là những mối họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột. Năng lƣợng hóa thạch không đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càng phình to làm kinh tế trì trệ, dẫn đến những cuộc khủng hoảng, và suy thoái kinh tế. Bất ổn chính trị rất có thể sẽ xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh đó việc sử dụng quá nhiều năng lƣợng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trƣờng nảy sinh. Trái đất có thể ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trƣờng bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lƣờng và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng mạnh hơn và khó lƣờng hơn, mùa màng thất thu ảnh hƣởng đến vấn đề lƣơng thực. Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát. Từ những vấn đề trên, để duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là chúng ta phải tìm ra những nguồn năng lƣợng tái sinh thay thế cho nguồn năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Chúng ta – những con ngƣời thế kỷ 21 – phải thực hiện một loạt những hành động nhƣng quan trọng nhất vẫn là tìm ra một nguồn năng lƣợng có thể thay thế cho năng lƣợng hóa thạch, để đáp ứng cho nhu cầu của thế giới. Hàng loạt các năng lƣợng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này nhƣ: năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng sinh khối và những nguồn năng lƣợng khác. Bằng những tiến bộ khoa học kỹ thuật, và xu hƣớng tất yếu của thế HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 13 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp giới, các năng lƣợng tái sinh đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng ngày càng nhiều. Với việc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lƣợng (xét đến yếu tố bảo vệ môi trƣờng và tính kinh tế), những nguồn năng lƣợng sạch đã và đang đƣợc thế giới quan tâm nhiều hơn, và là một trong những lựa chọn cho ngành năng lƣợng thay thế trong tƣơng lai. Nguồn năng lƣợng sạch đang đƣợc quan tâm nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng thủy triều…Tất cả những loại năng lƣợng sạch này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trƣờng... Năng lƣợng gió là một trong những nguồn năng lƣợng tái sinh quan trọng nhất đang và sẽ đóng góp ngày càng lớn vào sản lƣợng năng lƣợng của thế giới. Trong chiến lƣợc phát triển năng lƣợng của nhiều quốc gia có tiềm năng về phong điện, năng lƣợng gió đƣợc xem nhƣ là nguồn năng lƣợng sơ cấp dồi dào. Ƣu điểm của năng lƣợng gió là dễ khai thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tƣ và chi phí vận hành tƣơng đối thấp. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lƣợng này trong tƣơng lai, công nghệ phải ngày càng hoàn thiện, tăng cƣờng hơn nữa hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng gió thành năng lƣợng điện. 2. Giới thiệu đề tài Với dân số 87 triệu ngƣời, nếu mức độ tăng trƣởng GDP của Việt Nam duy trì vào khỏang 7.1 %/mỗi năm, thì nhu cầu điện cần thiết sẽ là 200.000 GWh vào năm 2020 và 327.000 GWh vào năm 2030. Trong khi đó thì sản lƣợng điện truyền thống sử dụng ƣớc lƣợng vào khoảng 165.000GWh và 208.000GWh cho những năm này. Thế nên sẽ có sự thiếu hụt về mức độ điện tiêu dùng và những nguồn năng lƣơng khác – trong đó có điện gió- trở thành cần thiết để lấp vào lỗ hổng năng lƣợng trên.Tại Việt Nam, tình trạng thiếu hụt điện vẫn diễn ra nhiều năm qua. Các dự án xây dựng nguồn cấp không theo kịp nhu cầu tiêu thụ điện gia tăng quá nhanh, tại một quốc gia đang phát triển nhƣ Việt Nam. Trong khi nguồn điện năng chủ yếu của nƣớc ta là thủy điện và nhiệt điện (than, khí và dầu). Việc tìm kiếm các nguồn năng lƣợng mới là một trong những thách thức cho chính Việt Nam. Hiện nay, giải pháp đƣợc các nƣớc phát triển sử dụng và phát triển là "Điện gió" - một nguồn năng lƣợng an toàn, hiệu quả và dồi dào. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 14 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp Do đó luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về máy phát điện gió nói chung, cấu tạo turbine gió và định hƣớng nhƣ sau: “ Mô hình hóa và điều khiển MPPT máy phát điện gió PMSG có kết nối lƣới”. 3. Mục tiêu nghiên cứu Định hƣớng của đề tài nghiên cứu điều khiển trên mô hình các máy phát điện gió PMSG và điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng trên cơ sở đó định lƣớng lấy công suất tối ƣu để hòa vào lƣới điện. Do đó đề tài sẽ tham khảo một số luận văn của các tác giả nƣớc ngoài mới cập nhật gần đây nhằm có những thông tin mới nhất. Đồng thời tham khảo các luận văn trong nƣớc, các tài liệu giáo khoa của các thầy cô trƣờng Đại học Bách Khoa TPHCM. Sau đó mô phỏng trên công cụ Matlab cho ra một định hƣớng điều khiển tốt cho các máy phát điện gió PMSG. 4. Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu về năng lƣợng gió và máy phát điện gió nói chung , các loại máy phát điện gió SCIG - PMSG - DFIG - Lý thuyết về máy phát điện gió PMSG và điều khiển máy phát điện gió PMSG. Phân tích bộ chuyển đổi AC/DC –DC/AC (back to back) trong máy PMSG. - Định hƣớng lấy công suất tối ƣu cho PMSG đƣợc kết nối lƣới. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 15 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 1.1 Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới 1.2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam 1.3 Tìm hiểu về các loại turbine gió 1.4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lƣợng gió 1.5 Cấu tạo của turbine gió 1.6 Hệ thống phát điện gió điển hình 1.7 So sánh giữa các loại máy phát điện gió 1.8 Một số yêu cầu khi kết nối lƣới điện cho máy phát điện gió 1.9 Hiện trạng và xu hƣớng phát triển kỹ thuật phát điện gió 1.10 Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió PMSG HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 16 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 1.1 Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới Nhận thức đƣợc tầm quan trọng của năng lƣợng tái sinh nói chung và năng lƣợng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đƣa vào sử dụng thực tiễn năng lƣợng gió, giúp giảm sự căng thẳng năng lƣợng ở các nƣớc. Hình 1.1 trình bày công suất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong khoảng thời gian từ 1996 đến 2008. Tổng lƣợng công suất sản xuất trên thế giới vào năm 2009 là 159.2GW, với 340TWh năng lƣợng, xác nhận mức tăng trƣởng 31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế tòan cầu đang gặp nhiều khó khăn. Theo thống kê trên thế giới, Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lƣợng gió nhiều nhất trên thế giới. Chẳng hạn vào năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số điện sử dụng tại Đức; trong khi đó con số này lên đến 14% ở Ai len và 11% tại Tây Ban Nha. Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió nhất thế giới với công suất nhảy vọt từ 6GW vào năm 2004 lên đến 35GW vào 2009 và điện gió chiếm 2.4% tộng số điện tiêu dùng. Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triễn nhanh về nguồn năng lƣợng sạch này với 22.5GW (Trung Quốc, 2009) và 10.9 25GW (Ấn Độ , 2009). Hình 1.1 : Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2011 HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 17 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp Trong số 20 thị trƣờng lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13 nƣớc với Đức là nƣớc dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lƣợng gió với khoảng cách xa so với các nƣớc còn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha, năng lƣợng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ sự nâng đỡ của chính phủ sở tại . Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này. Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã đƣợc sử dụng trên thị trƣờng nhiều hơn trong những năm vừa qua . 1.2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam Theo các báo cáo của Đại học Harvard (Mỹ), tiềm năng điện gió trên thế giới là rất lớn có thể tạo ra công suất điện nhiều gấp 40 lần điện năng tiêu thụ hiện nay. Trong chƣơng trình đánh giá về năng lƣợng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới (The World Bank Asia Alternative Energy Program) đã có một khảo sát chi tiết về năng lƣợng gió khu vực Đông Nam Á, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận (Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ đƣợc đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn). Hình 1.2: Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80m. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 18 GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh Luận văn tốt nghiệp Một nghiên cứu thực hiện của tổ chức năng lƣợng Greenpeace EG và Hiệp hội năng lƣợng gió của Đức BWE, phối hợp cùng với các nhà nghiên cứu từ Quỹ Xanh Đức (Green Budget Germany, GBG) thực hiện công bố vào 8/2012, cho rằng cần phải tính phí môi trƣờng và bảo vệ sức khỏe cộng đồng vào giá thành điện sản xuất. Theo đó nghiên cứu có xét đến các chi phí phụ (hỗ trợ từ ngân sách, tác động tới môi trƣờng và nguy cơ hạt nhân) thì giá thủy điện 7,6 cent một KWh, giá điện gió là 8,1 cent một KWh, điện khí 9 cent một KWh, nhiệt điện từ than bùn và than đá (15,6 và 14,8 cent một KWh) và điện hạt nhân 16,4 cent một KWh (nếu tính các chi phí khác, giá điện hạt nhân 42,2 cent một KWh ). Từ đó có thể thấy điện gió là nguồn điện “xanh” rẻ trên thế giới hiện nay. Sự chênh lệch giữa giá điện gió và các năng lƣơng truyền thống (thủy điện, điện gió) không lớn đối với nƣớc phát triển. Nhƣng đối với các nƣớc đang phát triển, phụ thuộc công nghệ nhƣ Việt Nam, việc đầu tƣ phát triển điện gió khá khó khăn do chi phí cơ sở hạ tầng, lƣới điện; chƣa làm chủ đƣợc công nghệ, phụ thuộc nhiều vào nƣớc ngoài. Do đó, giá điện gió khi bán ra tƣơng đối cao (ví dụ nhƣ điện gió Bạc Liêu đề nghị giá bán 12 UScents một kWh cho EVN trong 4 năm đầu). Ở đây chƣa xét tới chi phí môi trƣờng, tài nguyên. Trong khi giá điện EVN mua từ công ty tƣ nhân 700đ/KWh (3,33 cent một KWh). Đa phần trang thiết bị điện gió có kích thƣớc lớn dẫn đến khó khăn trong việc vận chuyển. Nhiều nơi có tiềm năng điện gió rất cao nhƣng việc chuyển vận thiết bị gặp trở ngại đƣợc do đƣờng sá khó chịu đƣợc trong tải lớn. Việc thiếu nguồn đầu tƣ, thiếu thông tin chƣa đầy đủ về tiềm năng gió,do đó ngành công nghiệp điện gió tại Việt Nam chƣa phát triển. Các nhà đầu tƣ chƣa mạnh dạn đầu tƣ, sợ lỗ do thiếu cơ chế, chính sách hợp lý giá mua của Nhà nƣớc. Chính vì vậy, Chính phủ cần ban hành các chính sách thích hợp khuyến khích đầu tƣ điện gió vào Việt Nam; trợ giá, hỗ trợ các doanh nghiệp Việt Nam phát triển điện gió. Chúng ta cần nghiên cứu và xây dựng các turbine điện gió nội địa, từng bƣớc phát triển và làm chủ công nghệ; khuyến khích ngƣời dân sử dụng điện gió. Mặt khác, chúng ta nên xây dựng cơ chế để đảm bảo công bằng sân chơi cho năng lƣợng gió; tăng cƣờng nghiên cứu khoa học về các ngành năng lƣợng mới; xây dựng các trang trại điện gió ngoài biển, tận dụng tốt không gian và lƣợng gió. HVTH: Nguyễn Quang Thắng Trang 19