Xem mẫu
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO
TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP
Lê Kim Anh*
TÓM TẮT
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn
năng lượng gió nói riêng để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm
sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Để
điều khiển tuabin gió vận hành được tối ưu với vận tốc gió nhất định, thì hệ thống phải tự điều chỉnh
theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Công nghệ sử dụng các bộ điều khiển kinh điển còn gặp
nhiều hạn chế trong hệ thống điều khiển tự điều chỉnh. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng
điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed
Induction Generator – DFIG) theo giải thuật logic mờ nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ
thống bất chấp tải nối với hệ thống.
Từ khóa: Năng lượng gió; tuabin gió; tuabin gió nối lưới; máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép; logic mờ.
CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR WIND TURBINE
FOR GRID CONNECTING USING FUZZY LOGIC
ABSTRACT
The research of using and exploiting effectively renewable energy sources in general
and solar energy sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change
and dependance on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing
environmental pollution. For the purpose of operating efficiently of wind turbine at a certain wind
velocity, the system must function and be self-adjusted to the change of wind speed and direction.
Controlling technology based on classical controllers still have many drawbacks in self-adjusted
controlling. The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind
turbine using Doubly Fed Induction Generator (DFIG), applied fuzzy logic algorithm to maintain
maximum capacity of the systems with disregard of connected power loads.
Key words:
Wind energy; Wind Turbine;
grid connected wind turbine;
Induction Generator; Fuzzy logic.
*
GV. Khoa điện – điện tử, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa. Tỉnh Phú Yên.
Email:tdhlekimanh@gmail.com
84
Doubly Fed
Ứng dụng logic . . .
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của
thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con
người ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái
tạo nói chung và nguồn năng lượng gió nói
riêng là nguồn năng lượng sạch, không gây ô
nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ
lượng năng lượng gió ở nước ta rất lớn. Theo
số liệu của ngân hàng thế giới, tiềm năng gió
của Việt Nam (ở độ cao 65m) rất khả quan, ước
đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà
máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công
suất dự báo của ngành điện đến năm 2020.
Theo [1], đây sẽ là nguồn năng lượng tiềm
năng đáng kể có thể khai thác và bổ sung cho
nguồn điện lưới quốc gia, thay thế dần các
nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn
kiệt, cải thiện được môi trường sống đang là
mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Việc
ứng dụng logic mờ điều kiển nối lưới cho
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG) nhằm hướng đến phát
triển lưới điện thông minh và điều khiển linh
hoạt các nguồn năng lượng tái tạo.
Bảng 1. Tiềm năng gió của Đông Nam Á ở độ cao 65m[1]
2. Hệ thống điều khiển nối lưới tuabin
gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép (DFIG)
Theo [2], hệ thống điều khiển nối lưới
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG) bao gồm các thành phần
cơ bản, như hình 1. Hệ thống tuabin gió, với
phía stator được nối trực tiếp lưới điện, phía
rotor được nối qua hai bộ biến đổi. Bộ biến
đổi phía rotor (AC/DC) cho điện áp ra một
chiều (DC), bộ biến đổi phía lưới (DC/AC)
đưa ra điện áp xoay chiều (AC) nối lưới, hai
bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch
một chiều trung gian.
85
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy
phát điện DFIG [2]
2.1. Nguồn gió
Theo [3], năng lượng gió là nguồn năng
lượng do chuyển động của không khí với một
vận tốc trong một thời gian nhất định. Theo
định luật Betz (nhà vật lý người Đức – Albert
Betz 1885 – 1968) về động lực học khí quyển
thì năng lượng gió này không thể chuyển tất
cả sang một loại năng lượng khác. Cơ năng E
của một khối lượng không khí m chuyển động
với vận tốc v là:
Công suất P thu được phụ thuộc vào khối
lượng không khí chuyển động, vận tốc gió,
mật độ không khí ρ, tiết diện A của vòng quay
cánh quạt.
2.2. Mô hình tuabin gió
Theo [4], công suất của tuabin gió được tính theo biểu thức:
Pm = C p (l , b )
86
rA
2
v 3 (3)
Ứng dụng logic . . .
thức (3) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan
trọng nhất của công suất; công suất đầu ra
tăng theo lũy thừa 3 vận tốc. Hệ số biến đổi
năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (3) theo [5],
được tính như sau:
Trong đó: Pm: Công suất đầu ra của tuabin
(W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ
số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β); A:
Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2); ρ: Mật
độ của không khí, ρ = 1.255 (kg/m3). Từ biểu
Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Cp và λ, như hình 3.
Rω
trong đó ω tốc độ quay
v
của tuabin, R bán kính của tuabin, v vận tốc của gió. Mômen của tuabin gió được tính như sau:
Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là: l =
Mặt khác, tuabin gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào
tốc độ của gió. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Pm và vận tốc gió (v), như hình 4.
Hình 4. Đường cong mối quan hệ giữa Pm và v[5]
87
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Từ các biểu thức (3), (4), (5), (6) đã phân tích ở trên, mô hình tuabin gió được xây dựng trên
Matlab/Simulink với thông số đầu vào tốc độ gió, tốc độ của máy phát điện và thông số đầu ra
mômen, như hình 5.
Hình 5. Mô hình tuabin gió
2.3. Mô hình máy phát điện DFIG
Mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) có hai loại hệ trục tọa độ được sử
dụng: Hệ tọa độ αβ gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa theo điện áp
stator, được lựa chọn để phát triển mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển cho
máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, như hình 6.
Trong đó:
ωs: là tốc độ góc của stator, ωr: là tốc độ góc mạch điện rotor (ωr= ωs- ωm), ωm: là tốc độ góc
cơ của rotor.
Theo [6], phương trình điện áp trên stator và rotor trong hệ tọa độ dq được tính như sau:
Mặt khác, từ thông của stator và rotor ở biểu thức (7) và (8) được tính như sau:
ψ s = is Ls + ir Lm (9)
ψ r = ir Lr + is Lm (10)
với Lm: là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và Ls, Lr: là các điện cảm của stator và
rotor. Từ các biểu thức (7), (8), (9) và (10) đã phân tích ở trên, ta viết lại như sau:
88
nguon tai.lieu . vn
ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO
TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP
Lê Kim Anh*
TÓM TẮT
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn
năng lượng gió nói riêng để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm
sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Để
điều khiển tuabin gió vận hành được tối ưu với vận tốc gió nhất định, thì hệ thống phải tự điều chỉnh
theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Công nghệ sử dụng các bộ điều khiển kinh điển còn gặp
nhiều hạn chế trong hệ thống điều khiển tự điều chỉnh. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng
điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed
Induction Generator – DFIG) theo giải thuật logic mờ nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ
thống bất chấp tải nối với hệ thống.
Từ khóa: Năng lượng gió; tuabin gió; tuabin gió nối lưới; máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép; logic mờ.
CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR WIND TURBINE
FOR GRID CONNECTING USING FUZZY LOGIC
ABSTRACT
The research of using and exploiting effectively renewable energy sources in general
and solar energy sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change
and dependance on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing
environmental pollution. For the purpose of operating efficiently of wind turbine at a certain wind
velocity, the system must function and be self-adjusted to the change of wind speed and direction.
Controlling technology based on classical controllers still have many drawbacks in self-adjusted
controlling. The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind
turbine using Doubly Fed Induction Generator (DFIG), applied fuzzy logic algorithm to maintain
maximum capacity of the systems with disregard of connected power loads.
Key words:
Wind energy; Wind Turbine;
grid connected wind turbine;
Induction Generator; Fuzzy logic.
*
GV. Khoa điện – điện tử, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa. Tỉnh Phú Yên.
Email:tdhlekimanh@gmail.com
84
Doubly Fed
Ứng dụng logic . . .
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của
thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con
người ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái
tạo nói chung và nguồn năng lượng gió nói
riêng là nguồn năng lượng sạch, không gây ô
nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ
lượng năng lượng gió ở nước ta rất lớn. Theo
số liệu của ngân hàng thế giới, tiềm năng gió
của Việt Nam (ở độ cao 65m) rất khả quan, ước
đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà
máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công
suất dự báo của ngành điện đến năm 2020.
Theo [1], đây sẽ là nguồn năng lượng tiềm
năng đáng kể có thể khai thác và bổ sung cho
nguồn điện lưới quốc gia, thay thế dần các
nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn
kiệt, cải thiện được môi trường sống đang là
mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Việc
ứng dụng logic mờ điều kiển nối lưới cho
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG) nhằm hướng đến phát
triển lưới điện thông minh và điều khiển linh
hoạt các nguồn năng lượng tái tạo.
Bảng 1. Tiềm năng gió của Đông Nam Á ở độ cao 65m[1]
2. Hệ thống điều khiển nối lưới tuabin
gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép (DFIG)
Theo [2], hệ thống điều khiển nối lưới
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép (DFIG) bao gồm các thành phần
cơ bản, như hình 1. Hệ thống tuabin gió, với
phía stator được nối trực tiếp lưới điện, phía
rotor được nối qua hai bộ biến đổi. Bộ biến
đổi phía rotor (AC/DC) cho điện áp ra một
chiều (DC), bộ biến đổi phía lưới (DC/AC)
đưa ra điện áp xoay chiều (AC) nối lưới, hai
bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch
một chiều trung gian.
85
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy
phát điện DFIG [2]
2.1. Nguồn gió
Theo [3], năng lượng gió là nguồn năng
lượng do chuyển động của không khí với một
vận tốc trong một thời gian nhất định. Theo
định luật Betz (nhà vật lý người Đức – Albert
Betz 1885 – 1968) về động lực học khí quyển
thì năng lượng gió này không thể chuyển tất
cả sang một loại năng lượng khác. Cơ năng E
của một khối lượng không khí m chuyển động
với vận tốc v là:
Công suất P thu được phụ thuộc vào khối
lượng không khí chuyển động, vận tốc gió,
mật độ không khí ρ, tiết diện A của vòng quay
cánh quạt.
2.2. Mô hình tuabin gió
Theo [4], công suất của tuabin gió được tính theo biểu thức:
Pm = C p (l , b )
86
rA
2
v 3 (3)
Ứng dụng logic . . .
thức (3) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan
trọng nhất của công suất; công suất đầu ra
tăng theo lũy thừa 3 vận tốc. Hệ số biến đổi
năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (3) theo [5],
được tính như sau:
Trong đó: Pm: Công suất đầu ra của tuabin
(W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ
số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β); A:
Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2); ρ: Mật
độ của không khí, ρ = 1.255 (kg/m3). Từ biểu
Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Cp và λ, như hình 3.
Rω
trong đó ω tốc độ quay
v
của tuabin, R bán kính của tuabin, v vận tốc của gió. Mômen của tuabin gió được tính như sau:
Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là: l =
Mặt khác, tuabin gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào
tốc độ của gió. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa Pm và vận tốc gió (v), như hình 4.
Hình 4. Đường cong mối quan hệ giữa Pm và v[5]
87
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Từ các biểu thức (3), (4), (5), (6) đã phân tích ở trên, mô hình tuabin gió được xây dựng trên
Matlab/Simulink với thông số đầu vào tốc độ gió, tốc độ của máy phát điện và thông số đầu ra
mômen, như hình 5.
Hình 5. Mô hình tuabin gió
2.3. Mô hình máy phát điện DFIG
Mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) có hai loại hệ trục tọa độ được sử
dụng: Hệ tọa độ αβ gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa theo điện áp
stator, được lựa chọn để phát triển mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển cho
máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, như hình 6.
Trong đó:
ωs: là tốc độ góc của stator, ωr: là tốc độ góc mạch điện rotor (ωr= ωs- ωm), ωm: là tốc độ góc
cơ của rotor.
Theo [6], phương trình điện áp trên stator và rotor trong hệ tọa độ dq được tính như sau:
Mặt khác, từ thông của stator và rotor ở biểu thức (7) và (8) được tính như sau:
ψ s = is Ls + ir Lm (9)
ψ r = ir Lr + is Lm (10)
với Lm: là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và Ls, Lr: là các điện cảm của stator và
rotor. Từ các biểu thức (7), (8), (9) và (10) đã phân tích ở trên, ta viết lại như sau:
88