BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN NGỌC SANG
Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN P VÀ Q CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN NGỌC SANG
Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN P VÀ Q CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG SÓNG BIỂN WAVE DRAGON
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày__tháng__năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Sang

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:



LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn PGS. TS. Bùi Xuân Lâm đã tận tình đóng
góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn tôi thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nền tảng kiến thức quý báu
trong quá trình học tập mà đã giúp tôi đủ kiến thức để thực hiện Luận văn.
Xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12 đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện Luận văn.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa
học Kỹ thuật HUTECH; Viện Đào tạo sau Đại học và Cơ quan công tác đã tạo cơ
hội cho tôi thực hiện Luận văn này.

Nguyễn Ngọc Sang


Tóm tắt
Năng lượng của sóng biển đã được ghi nhận từ thời đại cổ xưa của loài
người. So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sóng biển có 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 nhiều.
Một cách đơn giản hơn, trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng
lượng sóng biển chưa được tận dụng nhiều, mặc dù các nhà khoa học đã nhận
ra rằng hiệu suất chuyển hóa từ năng lượng sóng biển thành năng lượng điện
của nguồn năng lượng này là cao.
Mặt khác, khi đưa các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển vào vận
hành độc lập hoặc khi kết nối với lưới 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

the control for generating the active and reactive powers is one of the important
problems.
The thesis topic, of "P and Q control of a Wave Dragon wave energy
system" is selected and implemented in this thesis.
The thesis topic includes the following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Background to wave energy
- Chapter 3: P and Q control of a Wave Dragon wave energy system
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works


i

MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ......................................................................................... v
Danh sách bảng............................................................................................. xi
Chương 1 – Giới thiệu chung .................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 7
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 7
1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 7
1.5. Mục đích và nội dung nghiên cứu .......................................................... 7
1.6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 8
1.7. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện năng lượng sóng
biển ............................................................................................................... 8
1.8. Bố cục của luận văn ............................................................................. 13
1.9. Kết luận ............................................................................................... 13
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành

2.5.1. Giới thiệu .......................................................................................... 36
2.5.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
Wave Dragon .............................................................................................. 45
2.5.3. Mô hình toán học của hệ thống Wave Dragon ................................. 48
2.5.4. Mô hình toán mô tả máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
trong hệ thống Wave Dragon ..................................................................... 49
Chương 3 - Điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng biển
Wave Dragon ............................................................................................ 52
3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 52
3.2. Điều khiển công suất tác dụng ............................................................ 52
3.3. Điều khiển công suất phản kháng ........................................................ 52
3.4. Các kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng 53
3.4.1. Các hệ trục tọa độ ............................................................................. 53
3.4.2. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới ..................... 54
3.5. Điều khiển nghịch lưu theo định hướng vector điện áp ...................... 55


iii

3.6. 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 Wave Dragon ................................................. 57
3.7. Các giải thuật xác định điểm công suất cực đại cho máy phát điện đồng
bộ nam châm vĩnh cửu ............................................................................... 58
3.7.1. Giải thuật P&O (Perturbation & Observation) ................................. 58
3.7.2. Giải thuật WSM (Wave Speed Measurement) ................................. 59
3.7.3. Giải thuật PSF (Power Signal Feedback) ......................................... 59
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển P và Q của hệ thống điện năng lượng sóng
biển Wave Dragon ...................................................................................... 61
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 61

Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch và Đặng Thế Ba .............................. 10
Hình 1.3. Mô hình thiết bị chuyển đổi trong nghiên cứu của các tác giả
Tống Đức Năng và Lê Hồng Chương ........................................................ 11
Hình 2.1. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển AWS .......................... 19
Hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống AWS ................................... 20
Hình 2.3. Cấu tạo máy phát tuyến tính ....................................................... 21
Hình 2.4. Các thành phần của hệ thống AWS ............................................ 22
Hình 2.5. Sơ đồ thay thế máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính ... 23
Hình 2.6. Trạng thái của AWS khi sóng biển nhô cao ............................... 25
Hình 2.7. Trạng thái của AWS khi sóng biển hụp xuống .......................... 28
Hình 2.8. Hệ tọa độ a, b, c và d, q .............................................................. 29
Hình 2.9. Công suất tỉ lệ với độ cao sóng biển ........................................... 35
Hình 2.10. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD .......................... 37
Hình 2.11. Hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển WD đang được xây
dựng và khai thác tại Nissum Bredning, Đan Mạch ................................... 37
Hình 2.12. Vùng biển Nissum Bredning, Đan Mạch ................................. 38
Hình 2.13. Các bộ phận cơ bản của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
WD ............................................................................................................. 39
Hình 2.14. Hệ thống WD với các kích thước tương ứng trong điều kiện sóng
biển 24 kW/m ............................................................................................. 41
Hình 2.15. Đoạn đường dốc thực tế của hệ thống WD .............................. 42
Hình 2.16. Hệ thống neo của hệ thống WD ............................................... 43
Hình 2.17. Hệ thống neo của một tập hợp các hệ thống WD ..................... 43
Hình 2.18. Hệ thống tuabin của hệ thống WD ........................................... 44
Hình 2.19. Tuabin của hệ thống WD .......................................................... 44


viii

Hình 2.20. Mô tả hoạt động của hệ thống WD với mặt cắt ngang ............. 45

ix

Hình 4.14. Sơ đồ tạo tín hiệu xung kích điều khiển bộ nghịch lưu ............ 70
Hình 4.15. Sơ đồ bộ điều chế độ rộng xung PWM .................................... 70
Hình 4.16. Tốc độ rotor, r không đổi ....................................................... 71
Hình 4.17. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref = 250.000 (W) ................. 71
Hình 4.18. Công suất tác dụng của PMSG, P (W) ..................................... 72
Hình 4.19. Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 72
Hình 4.20. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref = 150.000 (VAr) ........ 73
Hình 4.21. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 73
Hình 4.22. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của
PMSG theo công suất tham chiếu, Qref ....................................................... 74
Hình 4.23. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 75
Hình 4.24. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 75
Hình 4.25. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ............................................. 76
Hình 4.26. Tốc độ rotor, r thay đổi .......................................................... 77
Hình 4.27. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref = -550.000 (W) ............... 77
Hình 4.28. Công suất tác dụng của PMSG, P (W) ..................................... 78
Hình 4.29. Đánh giá khả năng điều khiển công suất tác dụng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 78
Hình 4.30. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref = 150.000 (VAr) ........ 79
Hình 4.31. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 79
Hình 4.32. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Qref .................................................................. 80
Hình 4.33. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 81
Hình 4.34. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 81
Hình 4.35. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ............................................. 82
Hình 4.36. Tốc độ rotor, r không đổi ....................................................... 83
Hình 4.37. Công suất tác dụng tham chiếu, Pref thay đổi ........................... 83

theo công suất tham chiếu, Pref ................................................................... 96
Hình 4.60. Công suất phản kháng tham chiếu, Qref .................................... 97
Hình 4.61. Công suất phản kháng của PMSG, Q (VAr) ............................ 97
Hình 4.62. Đánh giá khả năng điều khiển công suất phản kháng của PMSG
theo công suất tham chiếu, Qref ................................................................. 98
Hình 4.63. Điện áp của PMSG, vabc khi hòa lưới ....................................... 99
Hình 4.64. Cường độ dòng điện của PMSG, iabc khi hòa lưới ................... 99
Hình 4.65. Tần số của PMSG, f khi hòa lưới ........................................... 100


xi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1. Phân loại sóng theo nguyên nhân và hiện tượng ....................... 15
Bảng 2.2. Phân loại sóng theo vùng sóng truyền và phát sinh ................... 16
Bảng 2.3. Công suất phát theo độ cao sóng ................................................ 35
Bảng 2.4. Thông số chính của một số hệ thống WD tương ứng với các điều
kiện sóng khác nhau ................................................................................... 40


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Năng lượng của sóng biển đã được ghi nhận từ thời đại cổ xưa của loài
người. Các thử nghiệm chuyển đổi năng lượng sóng biển đã được tiến hành từ
lâu, chuyển đổi sóng biển được bắt đầu với việc sử dụng sóng để phát tín hiệu
cho các phao hàng hải; năng lượng sóng được sử dụng để nén khí trong một
ống dọc giữa các phao tạo ra còi báo hiệu.

nước chú trọng phát triển cho ngành sản xuất năng lượng điện
Ở nước ta, vấn đề cung cấp năng lượng điện phục vụ cho nhu cầu sinh
hoạt và sản xuất chưa được đảm bảo liên tục, nhất là vào mùa hè. Tình trạng
cắt điện luân phiên ảnh hưởng không nhỏ đến sản xuất của các nhà máy, xí
nghiệp và sinh hoạt của người sử dụng điện.
Từ đó, có thể nhận thấy rằng, nghiên cứu giải quyết an ninh năng lượng
là vấn đề cấp bách ở nước ta hiện nay.
Thêm vào đó, các nguồn năng lượng điện truyền thống cũng đang có các
tác tiêu cực đến hệ sinh thái.
- Thủy điện
* Tác động đến thế giới động vật
Hồ chứa nước của các công trình thủy điện chiếm một diện tích rất đáng
kể đất ngập nước, đã làm mất đi hệ quần thể thực vật, vốn là thức ăn nuôi sống
động vật. Hậu quả là nhiều loại động vật cũng bị tiêu diệt hoặc phải di cư đến
nơi khác sinh sống. Vì vậy, khi thiết kế xây dựng hồ chứa nước bắt buộc phải
có các tính toán về thiệt hại đối với thế giới động vật, tính toán thiệt hại về kinh
tế. Và phải tính đến các biện pháp hoàn bù đất, cải tạo, tăng độ phì nhiêu của
đất, cải thiện điều kiện cho thực vật phát triển và áp dụng các biện pháp công
nghệ sinh học khác để cải tạo đất.
* Tác động đến hệ sinh thái dưới nước
Tác động của các hồ chứa nước và hoạt động của nhà máy thủy điện sẽ
làm thay đổi hệ sinh thái dưới nước ở khu vực có công trình thủy điện. Hệ sinh
thái sông sẽ phải nhường vị trí cho hệ sinh thái hồ tại khu vực hồ chứa nước.


3

Trong các dự án hiện nay về hồ chứa nước, người ta đều tiến hành dự
báo chất lượng nước, trong đó phải tính đến các đặc điểm thoát nước tự nhiên,
ảnh hưởng của các nguồn gây ô nhiễm môi trường, các quá trình lưu chuyển

trình thuỷ điện là vấn đề phức tạp nhất. Để di dời dân, cần phải xây dựng các
điểm tái định cư thuận tiện cho sinh hoạt, phải xây dựng các công trình kỹ
thuật, tạo thành tổ hợp các công trình văn hoá – xã hội. Ngoài ra, các dự án
công trình thủy điện phải được xem xét phù hợp với quy định của luật pháp
hiện hành về đền bù giá trị công trình.
Trong các dự án công trình thủy điện hiện đại, người ta xem xét toàn bộ
các biện pháp có liên quan với nhau và được trình bày trong một phần đặc biệt
gọi là “Chương trình xã hội xây dựng”. Mục tiêu của chương trình này là nhằm
giảm nhẹ căng thẳng về xã hội, giảm tác động tiêu cực của công trình đến đời
sống xã hội, cải thiện điều kiện sống cho người dân địa phương.
Yêu cầu là phải tuân thủ quy định của Luật Bảo vệ môi trường sẽ làm
tăng chi phí chuẩn bị khu vực xây dựng hồ chứa nước. Khoản chi phí này thông
thường chiếm từ 20% đến 50% tổng chi phí cụm công trình thủy điện, trong
một số công trình đặc biệt, khoản chi phí này có thể chiếm tới 70% tổng chi
phí.
Liên quan đến yêu cầu về bảo vệ môi trường trong khai thác công trình
thủy điện, gần đây xuất hiện khái niệm “An toàn sinh thái”. An toàn sinh thái là
trạng thái bảo vệ lợi ích sinh thái quan trọng đối với đời sống con người, trước
hết là tạo ra trạng thái sạch, đảm bảo thuận lợi cho sức khoẻ con người và môi
trường thiên nhiên. Nếu xem xét theo các tiêu chí này, thì nhà máy thủy điện và
hồ chứa nước không thải ra chất độc hại, gây ô nhiễm không khí, mộ số chất
thải do nhà máy thủy điện xả ra nằm trong phạm vi cho phép của quy định hiện
hành. Đây chính là những điều kiện để nhà máy thủy điện vẫn tiếp tục phát
triển trên phạm vi toàn thế giới.
- Điện hạt nhân
Việc nghiên cứu phát triển điện hạt nhân cần phải cân nhắc kỹ lưỡng. Về
khía cạnh kinh tế, so với kinh phí đầu tư của một nhà máy thủy điện như Sơn
La với công suất 2400 MW, chi phí khoảng 2,5 tỉ đô la thì giá thành một kWh
điện của nhà máy điện hạt nhân này đã là không kinh tế. Điều này là chưa nói


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 biển 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.


6

So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sóng biển có 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 nhiều.
Một cách đơn giản hơn, trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng
lượng sóng biển chưa được tận dụng nhiều, mặc dù các nhà khoa học đã nhận
ra rằng hiệu suất chuyển hóa từ năng lượng sóng biển thành năng lượng điện
của nguồn năng lượng này là cao. Năng lượng điện từ sóng biển đã được thử
nghiệm nhiều năm qua nhưng vẫn chưa đạt được nhiều thành công.
Đến nay, khi khoa học công nghệ phát triển và thế giới đang phải đối
mặt với những tác động nghiêm trọng của vấn đề biến đổi khí hậu thì các nhà
khoa học càng tin tưởng thêm rằng xu hướng chuyển hóa năng lượng của sóng
biển thành năng lượng điện là phù hợp, cũng như cần triển khai sâu và rộng
hơn.
Năm 1799, Girardson, Pháp người đầu tiên được cấp bằng phát minh về
việc khám phá năng lượng sóng biển.
Từ năm 1960, Masuda, Nhật đã thiết kế chế tạo và thương mại hóa thiết
bị hoạt động dựa trên năng lượng sóng biển mà là một chiếc phao nhẹ trôi trên
biển và tự nạp điện.
Sau năm 1973, cuộc khủng hoảng dầu hỏa đã đưa đến việc khám phá tất
cả các hình thức khai thác khả thi của năng lượng. Trong đó, có nguồn năng
lượng của sóng biển.

1.4. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng
lượng điện;
- Giải thuật điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống
biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện Wave Dragon sử dụng
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
1.5. Mục đích và nội dung nghiên cứu
Với các phân tích và đánh giá đã được trình bày, mục tiêu chính của
luận văn cần được thực hiện bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng
lượng sóng biển.


8

- Nghiên cứu tổng quan các hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển
thành năng lượng điện.
- Nghiên cứu và phân tích hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển,
Wave Dragon thành năng lượng điện.
- Nghiên cứu và phân tích kỹ thuật điều khiển công suất tác dụng và
công suất phản kháng của hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển, Wave
Dragon thành năng lượng điện sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu.
- Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của
hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện, Wave Dragon
sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến việc nghiên cứu và khai thác
nguồn năng lượng sóng biển.
- Nghiên cứu và phân tích các hệ thống điện năng lượng sóng biển điển