BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - BÙI ĐĂNG LINH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 605202202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng … năm 20… BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - BÙI ĐĂNG LINH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 605202202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HUỲNH CHÂU DUY TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Huỳnh Châu Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày 22 tháng 01 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) 1.TS Nguyễn Thanh Phương - Chủ tịch hội đồng PGS.TS Trần Thu Hà - Ủy viên 3.TS Đinh Hoàng Bách - Phản biện 4.TS Nguyễn Viễn Quốc - Phản biện 5.TS Võ Hoàng Duy - Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày … tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: BÙI ĐĂNG LINH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1976 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV:1181031030 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng quan hệ thống chuyển đổi lượng sóng biển  Nghiên cứu, phân tích đánh giá hệ thống chuyển đổi lượng sóng biển  Nghiên cứu phân tích kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng cho biến đổi lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu  Nghiên cứu tiềm khai thác lượng sóng biển Việt Nam III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:21- 06 - 2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM :29 – 12 - 2012 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM TP Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 201 BẢN CAM ĐOAN Họ tên học viên:Bùi Đăng Linh Ngày sinh:12 / 01/1976 Nơi sinh: Long An Trúng tuyển đầu vào năm:2011 Là tác giả luận văn:Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi lượng sóng biển thành lượng điện Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã ngành:605202202 Bảo vệ ngày: 22 Tháng 01 năm 2013 Điểm bảo vệ luận văn:8,88 Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài theo góp ý Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ Các nội dung chỉnh sửa: Chuyển nội dung chương lên sau chương Chuyển tài liệu tham khảo cuối luận văn Người cam đoan (Ký, ghi rõ họ tên) Cán Hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn Bùi Đăng Linh ii LỜI CÁM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện hết lòng động viên tinh thần lẫn vật chất thành viên gia đình suốt thời gian qua Đồng Thời cảm ơn Thầy Huỳnh Châu Duy hướng dẫn, quan tâm tạo thuận lợi cho thân học viên suốt thời gian thực đề tài tốt nghiệp Bên cạnh đó, xin chuyển lời cảm ơn đến: Thầy Trần Văn Hai, Hiệu Trưởng trường, nơi học viên công tác tạo điều kiện thời gian, hỗ trợ học phí điều kiện thuận lợi khác để học viên hoàn thành chương trình cao học Ngồi học viên xin gởi lời cảm ơn đến tất Thầy Cô trực tiếp giảng dạy suốt khóa học, đồng nghiệp chia khó khăn, người bạn quan tâm, động viên giữ mối liên lạc tốt trình học tập rèn luyện vừa qua Học viên thực luận văn Bùi Đăng Linh iii TĨM TẮT Nguồn lượng tái tạo nói chung nguồn lượng sóng biển nói riêng có ý nghĩa lớn việc tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững Luận văn đề cập đến việc nghiên cứu hệ thống biến đổi lượng sóng thành điện Việc tạo lượng điện từ sóng biển có buớc phát triển đột phá việc nghiên cứu hệ thống biến đổi lượng Học viên nghiên cứu, tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ thống biến đổi như: hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis, hệ thống Oscillating Water Column, hệ thống Anaconda, hệ thống Aschimedes Wave Swing, hệ thống chìm Aschimedes Wave Swing, hệ thống Wave Dragon, hệ thống Wave Searaser, hệ thống Wave Oyster Trên sở nghiên cứu học viên chọn hệ thống biến đổi chìm Aschimedes Wave Swing hệ thống Wave Dragon cho việc nghiên cứu sản xuất lượng điện lượng sóng biển Hai hệ thống biến đổi lượng sóng biển AWS WD xem phù hợp với điều kiện tự nhiên vùng biển Việt Nam Các hệ thống sử dụng để khai thác biến đổi nguồn lượng tái tạo sóng biển thành lượng điện, nhằm phục vụ cho nhu cầu phụ tải điện ngày phát triển mạnh mẽ Việt Nam để giảm bớt gánh nặng cho nguồn điện truyền thống iv ABSTRACT Renewable energy in general and sea wave energy in particular has critical significance in resource saving, environmental protection and sustainable development Thesis refers to the study of the systems converting wave energy into electricity The electrical energy Creating from ocean waves has a breakthrough development in the study of energy conversion systems Student studied and learnt principles of operation of the modified systems as: Pelamis, Oscillating Water Column, Anaconda, Floating Aschimedes Wave Swing sinking Aschimedes Wave Swing, Wave Dragon, Wave Searaser and Oyster Wave On the basis of the study, student selected sinking Aschimedes Wave Swing and Wave Dragon The AWS and WD are approriated with the natural conditions of Vietnam’s sea areas These systems can be used to exploit and transform renewable energy waves into electrical energy, not only that responds to strong needs of electrical load in Vietnam , but also reduces the burden of traditional power sources v MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Chương 1: Giới thiệu 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Tác động đến giới động vật 1.1.2 Tác động đến hệ sinh thái nước 1.1.3 Tác động cơng trình thủy điện đến ngư trường 1.1.4 Tác động khí hậu 1.1.5 Tác động xã hội 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Cấu trúc luận văn 1.4 Kết luận Chương : Nghiên cứu tiềm khai thác lượng sóng biển Việt Nam 2.1 Nghiên cứu lượng sóng việt nam 11 2.2 Quy hoạch phát triển nguồn lượng điện Việt Nam 16 2.3 Khai thác lượng sóng biển Việt Nam 18 2.4 Kết luận 19 Chương 3: Tổng quan hệ thống biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện 3.1 Nghiên khai thác lượng sóng biển giới 20 3.2 Các hệ thống biến đổi lượng sóng biển nghiên cứu giới 25 3.3 Hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis 26 3.3.1 Cấu tạo hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis 26 3.3.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống biến đổi lượng sóng 87 Ulq = (6.10) Khi ấy, điện áp ngõ nghịch lưu là: U d  Rs I d  Ld U q  Rs I q  Lq dI d  Lq I q  U ld dt dI q dt (6.11) (6.12)  Ld I d Trong đó: Ud Uq: điện áp ngõ vào trục d-q nghịch lưu : tần số góc lưới điện Ld Lq: điện kháng theo hệ trục d-q lưới điện Id Iq: cường độ dòng điện theo hệ trục d-q 6.5.4 Bộ chuyển đổi hệ trục tọa độ abc thành hệ trục tọa độ dq Mối quan hệ điện áp hệ trục tọa độ abc dq: 2 2  2   Vd  Va sin t   Vb sin  t    Vc sin  t   3        (6.13) 2 2  2   Vq  Va cost   Vb cos t    Vc cos t   3        (6.14) Hình 6.14 Sơ đồ khối biến đổi điện áp từ hệ trục tọa độ abc thành hệ trục tọa độ dq 88 6.5.5 Điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng Theo (6.4)-(6.7), sơ đồ khối mơ tính tốn cơng suất phát lên lưới biểu diễn hình 6.15 [6.5] Hình 6.15 Sơ đồ khối mơ tính tốn cơng suất phát lên lưới Hình 6.16 Sơ đồ khối điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng PMSG hệ thống Wave Dragon 89 6.5.6 Bộ phát tín hiệu điều khiển nghịch lưu Bộ phát tín hiệu điều khiển sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung, giữ nhiệm vụ tạo xung kích để kích thích đóng/mở cổng điều khiển nghịch lưu Hình 6.17 Sơ đồ tạo tín hiệu xung kích điều khiển nghịch lưu Hình 6.18 Sơ đồ điều chế độ rộng xung PWM 6.6 Kết mô 6.6.1 Trường hợp * Thông số đặt: - Các giá trị đặt công suất tác dụng công suất phản kháng là: Pref = 250 kW Qref = 150 kVAR - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s) 90 * Kết mơ phỏng: Hình 6.19 Cơng suất tác dụng PMSG phát lên lưới trường hợp Hình 6.20 Công suất phản kháng PMSG phát lên lưới trường hợp * Nhận xét: Công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pref = 250 kW Qref = 150 kVAR Đáp ứng công suất tác dụng máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian độ, tqđ = 0.0165s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian độ, tqđ = 0.0172s Ngoài ra, khoảng thời gian t = [0, 0.011s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc chế độ động 91 6.6.2 Trường hợp * Thông số đặt: - Các giá trị đặt công suất tác dụng công suất phản kháng là: Pref = 550 kW Qref = 150 kVAR - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s) * Kết mô phỏng: Hình 6.21 Cơng suất tác dụng PMSG phát lên lưới trường hợp Hình 6.22 Cơng suất phản kháng PMSG phát lên lưới trường hợp * Nhận xét: Công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pref = 550 kW Qref = 150 kVAR Đáp ứng công suất tác 92 dụng máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian độ, tqđ = 0.0173s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian độ, tqđ = 0.0186s Ngoài ra, khoảng thời gian t = [0, 0.011s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc chế độ động 6.6.3 Trường hợp * Thông số đặt: - Các giá trị đặt công suất tác dụng công suất phản kháng là: Pref = 750 kW Qref = 550 kVAR - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s) * Kết mơ phỏng: Hình 6.23 Công suất tác dụng PMSG phát lên lưới trường hợp Hình 6.24 Cơng suất phản kháng PMSG phát lên lưới trường hợp 93 * Nhận xét: Công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pref = 750 kW Qref = 550 kVAR Đáp ứng công suất tác dụng máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian độ, tqđ = 0.029s tương tự, đáp ứng công suất phản kháng máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian độ, tqđ = 0.031s Ngoài ra, khoảng thời gian t = [0, 0.0085s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc chế độ động 6.6.4 Trường hợp * Thông số đặt: - Giá trị đặt công suất tác dụng, P thay đổi theo thời gian với giá trị sau: t(s) 0 1 2 3.5 3.5 P(kW) -250 -250 -350 -350 -750 -750 -400 -400 - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s) * Kết mơ phỏng: Hình 6.25 Cơng suất tác dụng PMSG phát lên lưới trường hợp 94 Hình 6.26 Công suất phản kháng PMSG phát lên lưới trường hợp Hình 6.27 Dịng điện PMSG phát lên lưới trường hợp * Nhận xét: Công suất tác dụng, P bám theo giá trị yêu cầu công suất phản kháng, Q không thay đổi, Q = 150 kVAR Điều có nghĩa việc điều khiển công suất P Q độc lập với 95 6.6.5 Trường hợp * Thông số đặt: - Giá trị đặt công suất tác dụng, Pref = - 550 kW, Qref = 150 kVAR - Tốc độ rotor, r thay đổi sau: t(s) 0 1 2 3.5 3.5 r(rad/s) 2,8 2,8 3,5 3,5 4,2 4,2 3,2 3,2 * Kết mơ phỏng: Hình 6.28 Tốc độ rotor PMSG trường hợp Hình 6.29 Cơng suất tác dụng PMSG phát lên lưới trường hợp 96 Hình 6.30 Cơng suất phản kháng PMSG phát lên lưới trường hợp * Nhận xét: Công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q máy phát bám theo giá trị yêu cầu, Pref = -550 kW Qref = 150 kVAR bất chấp thay đổi tốc độ rotor, r Đáp ứng công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian độ 6.7 Kết luận Các phân tích kết mơ đạt cho thấy hiệu điều khiển công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q Các đáp ứng điều khiển luôn nhanh ổn định với thay đổi khác giá trị công suất đặt tốc độ rotor 97 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 7.1 Kết luận Luận văn trình bao gồm chương với nội dung sau:  Chương 1: Giới thiệu  Chương 2: Tổng quan hệ thống biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện  Chương 3: Bộ biến đổi lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing  Chương 4: Bộ biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon  Chương 5: Điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu hệ thống biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon  Chương 6: Nghiên cứu tiềm khai thác lượng sóng biển Việt Nam  Chương 7: Kết luận hướng phát triển tương lai Các kết đạt luận văn bao gồm: - Nghiên cứu tổng quan biến đổi lượng sóng biển thành lượng điện - Nghiên cứu phân tích cho vài biến đổi lượng sóng biển như: + Bộ biến đổi lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing (AWS) + Bộ biến đổi lượng sóng biển Wave Dragon - Nghiên cứu phân tích kỹ thuật điều khiển cơng suất tác dụng công suất phản kháng cho biến đổi lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu 98 - Mô điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng cho biến đổi lượng sóng biển sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu phần mềm Simulink/Matlab Đặc biệt, kết mô điều khiển công suất tác dụng, P công suất phản kháng, Q thỏa mãn yêu cầu giá trị điều khiển tốc độ đáp ứng - Nghiên cứu tiềm khai thác lượng sóng biển Việt Nam 7.2 Hướng phát triển tương lai - Luận văn tiếp tục nghiên cứu phân tích cho hệ thống biến đổi lượng sóng biển khác ngồi hệ thống phân tích - Mơ cho mơ hình biến đổi lượng sóng biển - Khảo sát thêm yếu tố ảnh hưởng đến hiệu biến đổi lượng sóng biển 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1.1] http://tiet kiem nang luong.com.vn [1.2] http://www.evn.com.vn [1.3] http://moi truong.xay dung.gov.vn [1.4] http://www.google.com.vn/bờ-biển-việt-nam [1.5] H Polinder and M Scuotto “Wave energy converters and their impact on Power Systems”, IEEE Conference, 2004 [2.1] Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điền người khác “Năng lượng sóng biển khu vực biển Đơng vùng biển Việt Nam”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2009 [2.2] H Polinder, and M Scuotto, “Wave energy converters and their impact on power systems”, IEEE Conference, 2008 [3.1] H Polinder and M Scuotto, “Wave energy converters and their impact on power systems”, IEEE conference, 2005 [3.2] L Rodrigues, “Wave power conversion systems for electrical energy production”, Department of Electrical Engineering Faculty of Science and Technology, Nova University of Lisbon, 2006 [3.3] http://www.youtube.com/watch/Wave Anaconda [3.4] http://www.youtube.com/watch/Unleash the Future - Wave [3.5] http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Nang-luong-song-bien-Viet-Nam/20886280 [3.6] J P Kofoed, P Frigaad, E Friis-Madsen and H C Sorensen “Prototype testing of the wave energy converter wave dragon”, IEEE Conference, 2003 [3.7] http://www.youtube.com/watch/searaser [3.8] http://www.youtube.com/watch/Oyster wave power in operation 100 [4.1] F Wu, X P Zhang, P Ju, and etc “Sterling modeling and control of AWS-based wave energy conversion system integrated into power grid”, IEEE Conference, 2009 [4.2] J Cruz, Ocean wave energy, Springer Pulisher, 2008 [4.3] Optimal control for AWS-based wave energy conversion system, IEEE Transactions on Power Systems, 2009 [4.4] Phạm Văn Bình, Máy điện tổng quát, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2003 [4.5] J Faiz and M E Salari, “Design and simulation of a 250 kW linear permanent magnet generator for wave energy to electric conversion in Caspian Sea”, IEEE Conference, 2007 [5.1] J Cruz, Ocean wave energy, Springer Pulisher, 2008 [5.2] www.wavedragon.net [5.3] J Tedd, J P Kofoed, W Knapp, E Friis-Madsen, H C Sorensen, “Wave Dragon, prototype wave power production”, 16th World Renewable Energy Congress, Florence, Italy, 2006 [5.4] Z Zhou, W Knapp, J MacEnri, and etc, “Permanent magnet generator control and electrical system configuration for wave dragon MW wave energy take-off system”, IEEE Conference, 2008 [5.5] M Jasinski, “Vector control of AC/DC/AC converter – generator subset in waveto-wire power train for wave dragon MW”, IEEE Conference, 2007 [6.1] J Tedd, J P Kofoed, W Knapp, E Friis-Madsen, H C Sorensen, “Wave Dragon, prototype wave power production”, 16th World Renewable Energy Congress, Florence, Italy, 2006 [6.2] J Cruz, Ocean wave energy, Springer Pulisher, 2008 [6.3] Z Zhou, W Knapp, J MacEnri, and etc, “Permanent magnet generator control and electrical system configuration for wave dragon MW wave energy take-off system”, IEEE Conference, 2008 101 [6.4] M Jasinski, “Vector control of AC/DC/AC converter – generator subset in waveto-wire power train for wave dragon MW”, IEEE Conference, 2007 [6.5] Introduction to Simulink/Matlab, 2011 ... CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng quan hệ thống chuyển đổi lượng sóng biển  Nghiên cứu, phân tích đánh giá hệ thống chuyển đổi lượng sóng biển. .. đổi lượng sóng biển Wave Searaser h Hệ thống biến đổi lượng sóng biển Wave Oyster 26 3.3 Hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis 3.3.1 Cấu tạo hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis Hệ thống. .. Phao hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis 26 Hình 3.4 Module hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis 26 Hình 3.5 Cấu tạo bên hệ thống biến đổi lượng sóng biển Pelamis thành lượng điện