Tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp P&O

TÓM TẮT:

Việt Nam có bờ biển dài thuận lợi phát triển điện gió, cùng với sự phát triển công nghệ nên giá thành ngày càng phù hợp để phát triển điện gió ở Việt Nam. Vì vậy, trong bài báo này, tác giả muốn đưa ra giải pháp tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió bằng thuật toán P&O và thành lập các hệ phương trình động mô hình mô phỏng cho hệ phương trình động sẽ được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Simulink. 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, từ đó tìm điểm phát công suất cực đại và đánh giá đáp ứng của hệ thống khi thông số ngõ vào thay đổi.

Từ khóa: công suất cực đại, điện gió, máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu, phương pháp P&O.

1. Đặt vấn đề

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng hiện nay. Do tính chất sạch và vô tận của nó, năng lượng gió gần đây trở thành trọng tâm cho việc nghiên cứu và phát triển thương mại. Hiện nay, năng lượng gió đóng góp đáng kể cho nguồn điện của thế giới. Mặc dù điện có thể được cung cấp qua mạng lưới điện trung tâm, nhưng những khu vực xa xôi, lưới điện vẫn không thể truyền tới. Những nơi này đang phải đối mặt với tình trạng thiếu điện. Một giải pháp bền vững đầy hứa hẹn là sử dụng các hệ thống chuyển đổi gió độc lập, hay còn gọi là các tuabin gió độc lập được kết nối với tải cục bộ. Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo, nên ít gây ô nhiễm môi trường, lượng khí thải CO2 giảm mạnh; năng lượng gió là vô tận và dồi dào sẽ không bị cạn như các nguồn năng lượng hóa thạch. Đặc biệt, Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, nên nguồn năng lượng càng thêm phong phú. Theo kết quả khảo sát của Chương trình Đánh giá về năng lượng cho châu Á, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất với tổng tiềm năng điện gió ước đạt 513.360 MW, lớn gấp 200 lần công suất của Nhà máy Thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành Điện Việt Nam năm 2020 [1].

2. Tổng quan nghiên cứu

Đối với Việt Nam do phụ thuộc công nghệ, phần lớn thiết bị và công nghệ đều nhập khẩu nên chi phí cho năng lượng gió tương đối cao. Ví dụ, đối với Nhà máy Điện gió Bạc Liêu: “Giá điện gió của Nhà máy Điện gió Bạc Liêu đề nghị bán cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) lên tới 12 UScents/kWh. Nếu được chấp thuận, chi phí này sẽ được cộng vào giá điện chung và người tiêu dùng sẽ phải gánh thông qua việc chi trả tiền điện hàng tháng. Giá điện tăng sẽ đánh tụt sức mua” [2]. Các khoản chi phí để đầu tư một nhà máy điện gió, bao gồm: Chi phí cho máy phát điện và các cánh đón gió chiếm phần chủ yếu. Có nhiều hãng sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ thuật rất khác nhau. Chi phí cho bộ ổn áp và hòa mạng, tự động đưa dòng điện về điện áp và tần suất với mạng điện quốc gia. Chi phí cho accu, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ accu trở lại điện xoay chiều. Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập. Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị và các điều kiện địa chất công trình. Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam để giảm chi phí. Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không đáng kể. Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm. Chi phí này ở Việt Nam rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, đặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt. Tuy nhiên, chi phí và công nghệ không phải là rào cản lớn nhất, vì nếu nhìn về tương lai, Việt Nam đang có sự phát triển về công nghệ mạnh mẽ. Việt Nam đã lần lượt làm chủ về công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau, năng lượng điện gió tiếp tục được ủng hộ và đầu tư trong giai đoạn hiện tại và hứa hẹn sẽ bùng nổ trong tương lai. Qua phân tích trên, thấy được ưu và nhược điểm của năng lượng tái tạo, trong đó ưu điểm có phần vượt trội để năng lượng gió được ủng hộ tại Việt Nam. Ở Việt Nam, hoạt động khai thác tài nguyên với quy mô lớn đã diễn ra từ khoảng giữa thế kỷ XIX - nửa đầu thế kỷ XX. Luật BVMT được Quốc hội ban hành qua các năm 1993, 2005, 2014 và Nghị định số 102/2003/NĐ-CP của Chính phủ năm 2003 đã chỉ rõ chủ trương của Nhà nước là ưu tiên khai thác nguồn năng lượng có khả năng tái tạo và không gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường [3].

3. Cực đại công suất trong hệ thống điện gió

3.1. Mô hình truyền động trực tiếp

Tốc độ gió thay đổi liên tục, nhưng trong phần lớn thời gian tốc độ quay của cánh quạt gió chậm hơn tốc độ quay cần thiết của rotor máy phát, từ đó yêu cầu cần phải sử dụng 1 hộp số để tăng tốc. Loại hộp số thường dùng trong máy phát gió thường có cấu tạo cho trong Hình 1. Ngoài việc giữ cho tốc độ rotor ổn định phù hợp với tần số dòng điện phát ra, việc sử dụng hộp số cũng mang đến những điểm mạnh như việc giảm thiểu kích cỡ của turbine gió và chiều dài cánh quạt xuống đáng kể, cho phép lắp đặt 1 máy phát 3 MW tại 1 nơi mà tốc độ gió theo lý thuyết thì chỉ đáp ứng được cho máy phát 1.5 MW [4].

Hình 1: Sơ đồ khối minh họa cho phương pháp truyền động trực tiếp

3.2. Máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Hình 2: Turbine gió sử dụng máy phát kích từ vĩnh cửu

Hệ thống máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có sơ đồ khối được minh họa như trong Hình 2. Hệ thống PMG thường dùng để phát công suất vừa và nhỏ; khi hoạt động hệ thống không cần kích từ và không cần chổi than vành trượt nên dễ điều khiển và được ưa chuộng. PMG có thể được sử dụng với truyền động hộp số hoặc truyền động trực tiếp. PMG được chia làm 3 phân loại như từ thông tròn (Radial flux PMG), từ thông dọc (Axial flux PMG) và từ thông thay đổi (Switching flux PMG) [5]. Mô hình này không cần tốn chi phí cho việc kích từ, tuy nhiên vật liệu từ thông vĩnh cửu vẫn còn đắt, nên chi phí đầu tư cao.          

3.3. Điểm công suất cực đại

Biểu thức tính công suất của turbine được viết lại:

Quy về hệ tương đối (pu - per unit):

P_m-pu = K_pC_puυ³_pu

Với, P_m-pu là công suất turbine (hệ tương đối - pu) theo từng giá trị của ρ và R.

C_{p_pu} là hệ số (pu) của giá trị C_p lớn nhất.

ν_pu là vận tốc gió (trong đơn vị pu)

kp: độ lợi công suất khi c_pu = 1 (pu - 1 đơn vị) và ν_pu = 1 (pu) thì kp ≤ 1

Phương trình mô tả C_p(λ, β):

với,

 

Các hệ số lần lượt có giá trị:

c₁ = 0.5176, c₂ = 116, c₃ = 0.4, c₄ = 5, c₅ = 21 và c₆ = 0.0068. Đường đặc tính c_p - λ cho các giá trị khác nhau của góc pitch b, được thể hiện trong Hình 3.

Nhìn vào Hình 3 ta thấy C_p đạt được c_pmax = 0.48 tại β = 0^o và λ = 8.1. Và giá trị λ này gọi là λ_nom.

Hình 3: Đặc tính C_p - λ cho các góc pitch β khác nhau

Công suất của turbine P_m là một hàm theo tốc độ máy phát, với các tốc độ gió khác nhau và tại góc pitch β = 0^o thì công suất turbine được thể hiện trong Hình 4.

Hình 4: Đặc tính C_p - λ tại góc pitch β = 0^o

4. Kết quả mô phỏng

Từ sơ đồ khối đề xuất của hệ thống trong Hình 5, hệ thống phát điện gió nam châm vĩnh cửu được mô phỏng trong Simulink/Matlab.

Hình 5: Mô phỏng hệ thống máy phát điện gió và mạch điều khiển trong Simulink

Cấu tạo và chức năng của các khối trong Hình 5 được giải thích một cách tổng quát như sau:

- Tín hiệu ngõ vào bộ P&O MPPT gồm 2 tín hiệu ω_r và P_pmsg là tốc độ rotor (cũng là tốc độ của turbine, vì chúng ta đang dùng hệ truyền động trực tiếp) và công suất điện phát ra từ máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Hai tín hiệu này được đưa ra từ khối Turbine - máy phát - bộ chỉnh lưu (Turbine, Generator and Rectifier).

- Khối P&O MPPT: với tín hiệu ngõ vào là “tín hiệu thay đổi” ω_r và tín hiệu “sự thay đổi công suất” P_pmsg; tín hiệu ngõ ra là giá trị duty cycle D.

- Khối D-Pulse có chức năng chủ yếu là chuyển giá trị D ở dạng analog sang dạng xung để kích vào bộ Boost chopper.

- Tín hiệu gió là tốc độ gió vào giả lập được xem như thay đổi một cách ngẫu nhiên. Trong bài báo, tác giả chỉ đề cập vận tốc gió trong phạm vi làm việc bình thường của hệ thống. Việc chọn tốc độ cho máy phát trên thực tế phải dựa vào địa khí hậu của vùng khảo sát. Nếu tốc độ gió quá thấp hoặc quá cao thì hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ngắt hệ thống điện tử công suất ra khỏi hệ thống chính nhằm đảm bảo an toàn. Cụ thể, tốc độ trong phạm vi làm việc của hệ thống đề xuất là 6-9 m/s.

- Khối Turbine, Generator and Rectifier là khối tổng gồm 3 khối nhỏ bên trong: là khối mô phỏng Turbine, mô phỏng máy phát và mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Các khối nhỏ này sẽ được giải thích kỹ trong các phần tiếp theo.

-  Tụ lọc 1F, được chọn để giảm độ nhấp nhô của điện áp DC - link nhằm tăng cường chất lượng điện áp DC đưa vào bộ Boost chopper. Trong mô phỏng,  tác giả đã thay đổi nhiều giá trị của tụ điện trong phạm vi xấp xỉ giá trị 1F; kết quả của đáp ứng vẫn không đổi. Tuy nhiên, vì thời gian làm luận văn có giới hạn nên việc thử để tìm ra giá trị nhỏ nhất vẫn đảm bảo cho hệ thống hoạt động tốt là chưa hoàn thành trong luận văn, đây là một trong những khiếm khuyết của luận văn.

-  Khối Boost converter mô phỏng bộ biến đổi tăng áp DC/DC chopper. Với hệ số D thay đổi thì giá trị điện áp ngõ ra thay đổi khi D đạt giá trị thích hợp, mạch đạt trạng thái phối hợp trở kháng, từ đó công suất đưa ra tải từ máy phát là tối ưu với vận tốc gió cho trước.

- Trường hợp vận tốc gió không đổi tải thay đổi.

Hình 6: Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian

Hình 6 minh họa đáp ứng tốc độ của turbine (cũng là tốc độ của rotor) máy phát. Do vận tốc gió không đổi, các điều kiện môi trường khác (sự xoáy của gió, sự đổi hướng của gió) cũng được xem là không đổi. Vì thế, tốc độ của turbine cũng không đổi. Tuy nhiên, do quán tính và ma sát của cả hệ thống turbine, máy phát lớn, trước đó rotor đứng yên nên thời gian xác lập lớn lên đến 28 giây. Tác giả cho rằng đây là thời gian phù hợp trong thực tế.

Hình 7: Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian

Hình 7 trình bày đáp ứng của moment turbine theo thời gian, vì đây là hệ thống máy phát nên moment cơ được quy ước là có giá trị âm so với công suất điện từ, vì thế trên hình moment luôn có giá trị âm.

Hình 8: Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian

Hình 9: Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian

Hình 8 và Hình 9 đặc trưng cho đáp ứng của công suất turbine và công suất của máy phát, hai đại lượng này bằng nhau trong điều kiện lý tưởng (bỏ qua tổn hao). Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do hệ số ma sát của máy phát và của turbine được kể vào nên công suất máy phát phát ra nhỏ hơn công suất của turbine. Tổn hao này chiếm khoảng 10%. Do vận tốc gió không đổi nên công suất lớn nhất mà hệ thống có thể phát ra cũng không đổi cho dù tổng trở (điện trở) tải có sự thay đổi. Điều này được cho là minh họa tính đúng đắn của giải thuật đã được mô phỏng.

Hình 10: Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu theo thời gian

Hình 10 minh họa điện áp phát ra của máy phát sau khi chỉnh lưu. Do công suất của máy phát và tốc độ của máy phát không đổi trong giai đoạn xác lập nên điện áp phát ra cũng không đổi và không phụ thuộc vào sự thay đổi của tải. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với logic của lý thuyết đã được nêu trong luận văn.

Tóm lại, thông qua trạng thái mô phỏng “vận tốc gió không đổi, tải thay đổi”, có thể hoàn toàn kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống đã xây dựng. Đáp ứng thu được hoàn toàn phù hợp với logic lý thuyết được nêu trong tất cả các tài liệu về hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

5. Kết luận

Trong bài báo, tác giả đã xây dựng được và mô phỏng thành công thuật toán tìm điểm làm việc có công suất cực đại P&O. Mô phỏng thành công mô hình hệ thống năng lượng gió: turbine gió, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển, bộ chuyển đổi Boost, thuật toán MPPT P&O. Tác giả cũng đề xuất phương pháp đánh giá kiểm chứng tính đúng đắn và hiệu quả của mô hình xây dựng hệ thống qua: phân tích tín hiệu đáp ứng dựa trên mô phỏng tải thay đổi khi vận tốc gió không đổi, đồng thời cũng sơ bộ đánh giá định lượng đáp ứng vào - ra của mô hình.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Charles F. Brush. (2003). A Wind Energy Pioneer. [Online] Availabile at http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/en /pictures/brush.htm
2. Trần Thanh Lâm & Nguyễn Linh Chi (2015). Phân tích chi phí - lợi ích khai thác điện gió khu vực Bạc Liêu. Tạp chí Môi trường, 11, 62-64.
3. Hồ Phạm Huy Ánh, Nguyễn Hữu Phúc, Nguyễn Văn Tài, Phạm Đình Trực, Nguyễn Quang Nam, Trần Công Binh & Phan Quang Ấn (2013). Kỹ thuật hệ thống năng lượng tái tạo. TP. Hồ Chí Minh: Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.
4. Henk Polinder, Frank F. A. van der Pijl, Gert-Jan de Vilder & Peter J. Tavner (2006). Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines. IEEE transactions on energy conversion, 21(3), 725-733.
5. H. Li & Z. Chen (2007). Overview of different wind generator systems and their comparisons. USA: IET Renewable Power Generation.

FINDING THE MAXIMUM POWER

FOR PERMANENTAL MAGNETIC SYNCHRONICS WIND

GENERATOR BY USING THE P&O METHOD

• NGUYEN HOANG VU¹

• HUYNH THANH BANH²

¹Lecturer, Department of Electrical and Electronic Engineering,

Faculty of Engineering & Technology, Tra Vinh University

²Lecturer, Department of Mechanical Engineering,

Faculty of Engineering & Technology, Tra Vinh University

ABSTRACT:

The long coastline of Vietnam creates favorable conditions for wind power development. In addition, technological advancements have lowered wind power costs. This study presents a solution to find out the maximum power point for wind generators by using the P&O algorithm and to establish a simulation system on Simulink software. For about the controller’s parameters, logical, statistical, trial and error methods are used to obtain the desired output characteristics when the input parameters are changed randomly within the range. This approach is used to find out the maximum power transmitter and evaluate the system response when input parameters change.

Keywords: maximum power, wind power, permanent magnet synchronous machine,  P&O methods.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 4 tháng 2 năm 2023]