Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN RESEARCH ENERGY CONVERSION SYSTEM FROM WAVE ENERGY TO ELICTRICAL ENERGY Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, Huỳnh Châu Duy* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM * Trường ĐH Bách khoa TP. HCM ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu các nghiên cứu của các bộ biến đổi năng lượng sóng biển như bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS) và bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon (WD). Bên cạnh đó, các nghiên cứu, phân tích và mô phỏng kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng được giới thiệu trong bài báo. Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab cho thấy tính hiệu quả của các bộ điều khiển mà đã được áp dụng cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển. ABSTRACT This paper presents a study of wave energy converters such as Aschimedes Wave Swing (AWS) and Wave Dragon (WD). Additionally, the issue of active and reactive power control of wave energy converters using synchronous permanent magnet generator (PMSG) are also researched, analyzed and simulated in the paper. The simulation results by Simulink/Matlab show the effectiveness of the controllers that has been applied to wave energy conversion systems using PMSG. Từ khóa: wave energy converters; Aschimedes Wave Swing; Wave Dragon; synchronous permanent magnet generator; active and reactive power control 1. GIỚI THIỆU Với vị trí địa lý, khí hậu thuận lợi thì đất nước Việt Nam được xem là một trong những nước có nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo khá dồi dào và đa dạng gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, nhiên liệu sinh học và địa nhiệt . . . Các nguồn năng lượng này được phân bố trải rộng trên nhiều vùng sinh thái. Trước nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng nhanh ở Việt Nam việc sớm khai thác các nguồn năng lượng đó là rất cần thiết không những góp phần giảm gánh nặng về cung cầu năng lượng khi các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt mà còn có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Trong khi đó, nước ta nguồn năng lượng từ biển rất dồi dào. Nước ta là nước có bờ biển rất dài, dài đến hơn 3200 km. Quanh năm sóng biển vỗ bờ. Khi có bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng biển rất mạnh trong nhiều ngày liên tiếp. Trong những ngày có gió mùa đông bắc, sóng biển ở các tỉnh ven biển miền Trung cũng lớn. Trong những ngày có gió tây nam, sóng biển trên vịnh Thái Lan ở các tỉnh Kiên Giang, Cà Mau cũng lớn. Nước ta cũng có nhiều hải đảo. Quanh đảo là biển, vì vậy năng lượng của sóng biển ở ven bờ biển nước ta là rất lớn. Do đó việc chuyển hóa năng lượng của sóng thành năng lượng điện vừa khai thác được tiềm năng, vừa góp phần giải quyết được nhu cầu về năng lượng điện hiện nay và tương lai. So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, thì năng lượng sóng biển có mức đầu tư ít hơn, tính an toàn cao hơn, tạo được sự đồng tình trong xã hội lớn hơn, không cần một bộ máy điều hành lớn và phức tạp, mức độ ảnh hưởng đến cảnh quan môi trường không cao. Hoặc nói một cách đơn giản: trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sóng biển chưa được tận dụng nhiều, mặc dù người ta đều biết hiệu suất chuyển hóa thành điện của nguồn năng lượng này là cao nhất. Năng lượng điện từ sóng biển đã được thử nghiệm nhiều năm qua nhưng vẫn chưa đạt được thành công. Đến nay, khi khoa học công nghệ phát triển và thế giới đang phải đối mặt với những hậu quả nghiêm trọng do vấn đề biến đổi khí hậu gây ra thì các nhà khoa học tin tưởng rằng có thể chuyển hóa năng lượng của sóng thành năng lượng điện nhờ các bộ chuyển đổi năng lượng. Với các phân tích và đánh giá mà đã được trình bày, bài báo này trình bày các nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu và phân tích cho một vài bộ biến đổi năng lượng sóng biển như: + Bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS). + Bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon (WD). - Nghiên cứu và phân tích kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. - Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho bộ biến đổi năng lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phần mềm Simulink/Matlab. 2. BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN CHÌM ASCHIMEDES WAVE SWING Sóng biển và độ dao động của từng cơn sóng biển là không ổn định. Sóng biển lúc cao, lúc thấp, lúc mạnh, lúc yếu. Chu kỳ và khoảng cách giữa 2 làn sóng biển cũng khó xác định. Mực nước biển lên cao, xuống thấp theo thủy triều. Khi có bão hoặc áp thấp nhiệt đới, sóng biển thường liên tục mạnh trong nhiều ngày. Nhưng việc tạo ra điện năng từ các bộ biến đổi năng lượng sóng biển là đòi hỏi phải ổn định, liên tục và lâu dài. Chính vì vậy, việc phân tích bộ biến đổi năng lượng sóng biển cần phải được thực hiện với các thông số kỹ thuật để từ đó có thể lựa chọn các giải pháp phục vụ cho việc điều khiển các bộ biến đổi năng lượng sóng biển hoạt động tốt đáp ứng được các điều kiện sóng biển tạo ra. Chương này sẽ thực hiện phân tích một trong các bộ biến đổi năng lượng sóng biển. Đó là bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS). Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS là một hệ thống bao gồm: Một khối hình trụ rỗng được lấp đầy khí, gắn cố định dưới đáy biển và một phao di chuyển theo chiều dọc. Khi sóng ở trên AWS, khối lượng AWS giảm do áp lực nước cao và khi vùng lõm sóng ở trên AWS, khối lượng AWS gia tăng vì áp lực khí bên trong. AWS là hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng duy nhất được nhấn chìm hoàn toàn. Đây là điểm quan trọng, vì điều này làm cho hệ thống ít bị tấn công trong những cơn bão. Hệ thống AWS sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính để biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện. Hình 1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống AWS * Mô hình toán học cho sự chuyển động của hệ thống AWS - Trong điều kiện sóng dao động bình thường v dt dx  (1) xkvv dt dvmF swgtotsong   (2) Trong đó: x: là khoảng cách di chuyển của phao và bộ phận chuyển đổi v: là tốc độ di chuyển của phao và bộ phận chuyển đổi mtot: là tổng khối lượng của phao βg: là hệ số sụt giảm của AWS w: là hệ số thủy lực của AWS ks: là hệ số đàn hồi của AWS Fsong: là tổng lực tác động lên nắp có được từ sóng biển - Trong điều kiện sóng dao động bất thường )sin()sin( 2211   tFtFFsóng (3) Thế (3) và (2), khi ấy: )sin()sin( 2211     tFtF xk dt dvm swgtot (4) * Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính trong hệ thống AWS - Cấu tạo Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính có cấu tạo bao gồm: phần chuyển đổi với các nam châm được lắp vào các cực chuyển đổi. Bộ phận chuyển đổi di chuyển tuyến tính. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính với stator là phần tĩnh chứa các cuộn dây dẫn, cuộn dây phần ứng. Giữa bộ phận chuyển đổi và stator là khoảng trống không khí. Điện thế được cảm ứng trong các cuộn dây vì từ trường thay đổi do bộ chuyển đổi chuyển động. - Nguyên lý hoạt động của máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính Khi nam châm vĩnh cửu trên bộ chuyển đổi di chuyển tương đối với stator thì một lực điện động EMF được cảm ứng trong cuộn dây phần ứng. Lực điện động EMF sẽ được tạo ra, nếu cuộn dây phần ứng được nối với tải thì sẽ điều khiển dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Dòng điện này lần lượt tạo ra từ thông tương tác với từ thông của nam châm vĩnh cửu và tạo ra một lực trong phần chuyển đổi. Cơ năng được điều chỉnh bởi bộ phận chuyển đổi, có thể được chuyển đổi thành điện năng. Vì chuyển động của phao là tuyến tính, nên máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuyến tính được chọn lựa để chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện. Sự chọn lựa này là vì máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuyến tính là máy phát có chi phí và tổn thất là thấp nhất. Bên cạnh đó, tỷ trọng và hiệu suất cao được xem là phù hợp với AWS. Hình 2. Cấu tạo máy phát tuyến tính 3. BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON Wave Dragon là một bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện nổi và được neo. Nó thuộc loại đập tràn mà có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc được kết hợp để hình thành một nhà máy điện với công suất tương đương với các nhà máy điện truyền thống dựa trên các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Hệ thống đầu tiên được kết nối với lưới điện hiện đang được triển khai ở Nissum Bredning, Đan Mạch. Một quá trình thử nghiệm dài đã được thực hiện để xác định hiệu suất của hệ thống dưới các điều kiện biển khác nhau. Khái niệm WD kết hợp các công nghệ của các thiết bị khai thác năng lượng sóng biển xa bờ hiện có, đang phát triển và công nghệ tuabin thủy điện theo một cách mới. WD là một công nghệ chuyển đổi năng lượng sóng biển duy nhất đang được phát triển theo quy mô tự do. Do kích thước tương đối lớn vì vậy việc bảo trì và ngay cả các công tác sửa chữa lớn cũng có thể được thực hiện trên biển dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn so với các bộ biến đổi khác. Hình 3. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD Về cơ bản, WD bao gồm hai bộ phận mà có thể được xem như là hai cánh tay được sử dụng để tập trung sóng biển hướng đến một đoạn đường. Sau đoạn đường là một hồ chứa lớn, nơi mà nước được tập hợp và lưu trữ tạm thời. Nước này sẽ rời khỏi hồ chứa thông qua các tuabin thủy điện. Tóm lại, các thành phần chính của một hệ thống WD sẽ bao gồm: - Đoạn đường với bê-tông cốt thép và/hoặc thép xây dựng; - Hai cánh tay tập hợp sóng bằng thép và/hoặc bê-tông cốt thép; - Hệ thống neo; - Tuabin cánh quạt với máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Hình 4. Các bộ phận cơ bản của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD Các kích thước vật lý của một WD sẽ được tối ưu hóa tương ứng với các dạng sóng tại vị trí khai thác khác nhau bao gồm chiều rộng của đoạn đường tập hợp sóng, chiều dài của các cánh tay, trọng lượng, số lượng và kích thước của các tuabin. Về cơ bản, có thể nhận thấy rằng bộ phận chính của WD là một hồ chứa nổi lớn. Để giảm xoay, lắc và để đảm bảo sản xuất kinh tế của việc sản xuất điện từ sóng biển, WD cần phải lớn và nặng. Hệ thống WD được thử nghiệm tại Bredning Nissum là một tấm thép xây dựng truyền thống, giống như một xà lan với thép tấm dày khoảng 8 mm. Tổng trọng lượng thép của xà lan, cộng với đoạn đường nối là 150 tấn. Để đạt được tổng trọng lượng mong muốn là 237 tấn, 87 tấn nước dằn xà lan được thêm vào. Trong điều kiện sóng biển 36 kW/m, hệ thống xà lan này sẽ có kích thước là 140  95 m mà được hình thành bởi thép và bê-tông cốt thép. Phần trên của WD là hồ chứa nước. Tại Bredning Nissum, thể tích hồ chứa thử nghiệm nguyên mẫu là 55 m3, trong khi đó, với điều kiện sóng 36 kW/m thể tích hồ chứa sẽ tương ứng vào khoảng 8000 m3. Một trong những đặc điểm chính của WD là nó sẽ liên tục được điều chỉnh để thay đổi và thích nghi với chiều cao của sóng bằng cách thay đổi chiều cao phao nổi. Điều này đạt được bằng cách thay đổi áp suất không khí trong các buồng không khí. Một hệ thống phao nổi và xà lan được cố định để đảm bảo hệ thống WD ổn định và đặc biệt là để giảm các dao động lớn do sóng biển gây ra. Để tối đa hóa hiệu quả nước tràn, một sự kết hợp giữa hai cánh tay và hệ thống đường dẫn được nghiên cứu và thiết kế. Trong đó, có thể nhận thấy rằng, hai cánh tay tập hợp sóng sẽ ảnh hưởng lớn đến các chi phí xây dựng của một bộ chuyển đổi năng lượng sóng biển thuộc dạng đập tràn. Mỗi cánh tay thử nghiệm của hệ thống WD tại Bredning Nissum có chiều dài 27 m, chiều cao 3,5 m và nặng 25 tấn. Trong trường hợp WD được xây dựng cho điều kiện sóng 36 kW/m thì mỗi cánh tay sẽ có chiều dài là 145 m và chiều cao là 19 m. Các cánh tay này sẽ được giữ cố bởi hệ thống neo và dây. 4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU TRONG HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON Khi đưa hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon (WD) với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu vào vận hành độc lập hoặc khi kết nối với hệ thống điện quốc gia thì những yêu cầu khắt khe đối với lưới điện là cần thiết, nó là một phần quy định của vận hành hệ thống điện. Những quy định này đưa ra những yêu cầu cho hệ thống biến đổi làm việc dưới điều kiện vận hành bình thường cũng như sự cố. Trong trường hợp này, việc điều chỉnh để phát công suất tác dụng và phản kháng theo yêu cầu là một trong những bài toán quan trọng mà sẽ được đề cập trong chương này. - Điều khiển công suất tác dụng Điều khiển công suất tác dụng liên quan đến tần số của hệ thống điện. Đối với hệ thống điện Hướng sóng Máy phát điện Hồ chứa Tuabin Kaplan (Đáy biển) Phao nổi Hệ thống xà lan tập hợp sóng Hệ thống neo Việt Nam tần số vận hành của hệ thống là (50±0,2)Hz. Khi hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển vận hành độc lập, nhu cầu điều chỉnh công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải là quan trọng. Trong một trường hợp khác, khi hệ thống được kết nối với hệ thống điện quốc gia thì yêu cầu điều chỉnh công suất tác dụng của hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng biển để điều chỉnh được tần số cũng không kém phần quan trọng. Ngoài ra, tốc độ thay đổi của tần số cũng là một yêu cầu đối với các nhà máy điện nói chung khi kết nối đến hệ thống điện. - Điều khiển công suất phản kháng Điều khiển công suất phản kháng liên quan đến vấn đề điều khiển điện áp. Do đó, nó có vai trò quan trọng trong điều kiện vận hành bình thường cũng như sự cố. - Các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng Thông thường, các bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng các kỹ thuật điều khiển vector để điều khiển. Bằng việc sử dụng các kỹ thuật này, cho phép điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng đi qua bộ bộ biến đổi theo những chiều hướng khác nhau. Lý thuyết của kỹ thuật điều khiển này là chọn một hệ trục tọa độ tham chiếu và hệ trục này quay với một tốc độ góc xác định. Do đó, khi một đối tượng cần điều khiển trong hệ tọa độ tĩnh biến đổi theo thời gian (thành phần AC), khi chuyển sang hệ tọa độ tham chiếu mới, nó trở thành một đại lượng không phụ thuộc vào thời gian (thành phần DC). Điều này làm cho việc điều khiển các đối tượng mới này trở nên dễ dàng hơn. Thông thường, các hệ trục tọa độ tham chiếu dựa vào từ thông hoặc điện áp của lưới hoặc stator; hoặc từ trường của rotor máy phát. Việc lựa chọn các hệ trục tọa độ tham chiếu và góc quay hợp lý sẽ giúp chúng ta dễ dàng quan sát và điều khiển các đối tượng trong hệ trục tọa độ tham chiếu. - Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới Cấu trúc điều khiển nghịch lưu PWM về cơ bản có cùng chung một mục đích nhưng lại được dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng được phân loại dựa trên hai nguyên tắc: - Điều khiển dựa trên điện áp, - Điều khiển dựa trên từ thông ảo. Trong đó, điều khiển nghịch lưu PWM theo định hướng vector điện áp lưới gồm hai phương pháp là: + Điều khiển định hướng vector điện áp (Voltage Oriented Control, VOC), + Điều khiển công suất trực tiếp (Direct Power Control, DPC). Cả hai phương đều chọn hệ trục tọa độ tham chiếu là SVRF (Stator Voltage Oriented Reference Frame). Trong khi đó, phương pháp điều khiển dựa trên từ thông ảo là phương pháp cần phải ước lượng từ thông ảo của lưới điện. Điều khiển theo vector từ thông ảo bao hai phương pháp là: + Điều khiển định hướng vector từ thông điện áp (Voltage Flux Oriented Control, VFOC), + Điều khiển công suất trực tiếp theo định hướng vector từ thông điện áp (Voltage Flux Direct Power Control, DPC). Trong phạm vi của bài báo này, phương pháp VOC sẽ được lựa chọn cho việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện WD. - Điều khiển nghịch lưu theo định hướng vector điện áp. Đặc điểm của phương pháp điều khiển này là dựa vào dòng điện để xử lý tín hiệu trên hai hệ trục tọa độ mà bao gồm hệ trục tọa độ cố định α-β và hệ trục tọa độ quay d-q. Các giá trị dòng điện đo được trong hệ trục tọa độ tĩnh ba pha được biến đổi sang hệ trục tọa độ cố định α-β, sau đó được biến đổi sang hệ tọa độ d-q. Cấu trúc điều khiển PWM theo VOC là như sau: Hình 5. Sơ đồ điều khiển nghịch lưu PWM theo VOC Khi chọn trục d trùng với trục điện áp của lưới và hệ trục d-q quay cùng với tần số của lưới là ω. Do đó: Ld UU  và 0qU , điều này cũng có nghĩa là trên sơ đồ điều khiển thành phần, Uq bị triệt tiêu. - Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện WD Bằng phương pháp điều khiển định hướng vector điện áp lưới, công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của hệ thống WD sẽ được thực hiện điều khiển thông qua sơ đồ sau: Hình 6. Sơ đồ điều khiển P và Q của hệ thống biến đổi WD Theo phương pháp điều khiển định hướng vector điện áp của lưới thì ULq = 0. Khi ấy, công suất tác dụng và công suất phản kháng của lưới tương ứng sẽ là: ddgrid IUP 2 3  (5) Suy ra: d grid d U P I 3 2  (6) và qdgrid IUQ 2 3  (7) Suy ra: d grid q U Q I 3 2  (8) Việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng thông qua việc điều khiển hai thành phần của dòng điện Id và Iq tương ứng. 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1. Trường hợp 1 * Thông số đặt: - Các giá trị đặt của công suất tác dụng và công suất phản kháng lần lượt là: Pref = 250 kW và Qref = 150 kVAR. - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s). * Kết quả mô phỏng: Hình 7. Công suất tác dụng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 1 Hình 8. Công suất phản kháng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 1 * Nhận xét: Công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của máy phát luôn bám theo được các giá trị yêu cầu, Pref = 250 kW và Qref = 150 kVAR. Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0165s và tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát cũng ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0172s. Ngoài ra, trong khoảng thời gian t = [0, 0.011s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc ở chế độ động cơ. 5.2. Trường hợp 2 * Thông số đặt: - Các giá trị đặt của công suất tác dụng và công suất phản kháng lần lượt là: Pref = 550 kW và Qref = 150 kVAR. - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s). * Kết quả mô phỏng: Hình 9. Công suất tác dụng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 2 Hình 10. Công suất phản kháng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 2 * Nhận xét: Công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của máy phát luôn bám theo được các giá trị yêu cầu, Pref = 550 kW và Qref = 150 kVAR. Đáp ứng công suất tác dụng của máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0173s và tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát cũng ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0186s. . Ngoài ra, trong khoảng thời gian t = [0, 0.011s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc ở chế độ động cơ. 5.3. Trường hợp 3 * Thông số đặt: - Các giá trị đặt của công suất tác dụng và công suất phản kh