LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MINH TUẤN

PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG H THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABINỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABINGIÓ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MINH TUẤN

PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG H THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABINỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABINGIÓ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Cán bộ chấm phản biện 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨHỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Ngày tháng năm 2015

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi,không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai tôi hoàntoàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Minh Tuấn

MỞ ĐẦU

Dân số thế giới tăng với tốc độ chóng mặt và đi kèm theo đó nhu cầu sửdụng năng lượng của con người tất yếu sẽ tăng cao Do mức tiêu thụ quá lớnvà tăng quá nhanh nên nguồn năng lượng hiện có ngày càng cạn kiệt

Ở Việt Nam tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện trong 20năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm, tức là gần gấp đôi tốcđộ tăng trưởng GDP của nền kinh tế Và theo dự báo của Tổng công ty Điệnlực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ởmức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ làkhoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh Trong khi đó, ngay cảkhi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện trongnước của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020)và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này nói lên, nền kinh tế sẽ bị thiếu hụtđiện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới cỡ 30% mỗi năm Đứng trước thách thức thiếu hụt điện mà không nằm ngoài xu thế chungcủa toàn cầu, chính phủ đã đưa ra nhiều giải pháp như: tăng giá điện (dự kiếntăng 20%); đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách: thứ nhất là mở rộng khaithác những nguồn năng lượng truyền thống, thứ hai là phát triển các nguồnnăng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng táitạo, giải pháp này là quan trọng hơn rất nhiều so với giải pháp đầu.

Một điều đáng lưu ý là trong hàng loạt giải pháp phát triển nguồn điệnđể đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế (như nhập khẩu điện, phát triển thủyđiện, hay điện hạt nhân), dường như Việt Nam còn bỏ quên điện sức gió, mộtnguồn điện mà trong mấy năm trở lại đây có tốc độ phát triển cao nhất trên thịtrường điện thế giới, hơn nữa giá thành điện gió ngày càng rẻ và rất thân thiệnvới môi trường

Theo số liệu nghiên cứu của tổ chức phát triển năng lượng gió Châu Á,trên lãnh thổ Việt Nam, các vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển nănglượng gió như là: Sơn Hải (Ninh Thuận), vùng đồi cát ở độ cao 60 - 100mphía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) và khu vực Bán đảo PhươngMai (Bình Định) Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam

lên đến 98% với vận tốc trung bình 6 - 7m/s, tức là vận tốc có thể xây dựngcác trạm điện gió công suất 3 - 3,5 MW Thực tế là người dân khu vực NinhThuận cũng đã tự chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đíchthắp sáng Hơn thế nữa tại Ninh Phước-Ninh Thuận đã khởi công xây dựnggiai đoạn 1 với 4 trụ tuabin gió với công suất 6 MW và sẽ thực hiện giai đoạn2 còn lại với 16 trụ tuabin gió của dự án với tổng công suất là 30 MW TạiBình Định dự án nhà máy phong điện Phương Mai 3 với tổng công suất 21MW.

Khi các nhà máy phong điện được đưa vào vận hành có hiệu quả thìcông việc “điều khiển” toàn bộ hệ thống hết sức quan trọng, vấn đề là làm saođảm bảo chất lượng điện áp, tránh quá tải cơ học và thu nhận công suất mộtcách hiệu quả nhất Các bộ phận như là: hệ thống khí động học, hệ thống cơ,hệ thống điện, hệ thống điều khiển pitch cũng như bộ phận kết nối lưới phảiđược phối kết hợp một cách chặt chẽ, linh hoạt và có độ chính xác cao

Chính vì vậy luận văn này tập trung vào việc tìm hiểu cấu tạo, phân tíchvà mô phỏng các hệ thống điều khiển trạm điện gió Đây là những kiến thứclàm cơ sở lựa chọn tuabin gió phù hợp với những điều kiện thay đổi của gió,cũng như áp dụng trong khai thác và vận hành các dự án phát điện sử dụngnăng lượng gió ở Việt Nam

Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệtđộ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quaytrong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa,ngày và đêm Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khíchuyển động Sự chuyển động của không khí được gọi là gió Ngoài ra vàoban đêm, một nửa bề mặt của trái đất bị che khuất không nhận được tia nắngmặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vàođó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độở biển và trên đất liền luôn khác nhau Từ sự quay quanh trục của trái đất nênkhông khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầuvà Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng ápcao và áp thấp.

Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng đểphát ra năng lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi động năng của gióthành năng lượng cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việccụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền ngũ cốc hoặc cho một tổ máyphát để biến đổi tiếp từ năng lượng cơ thành năng lượng điện.

1.1.2 Quá trình phát triển của công nghiệp điện gió

Quá trình phát triển của việc sử dụng năng lượng gió nhằm sản xuất rađiện năng như một ngành công nghiệp đã được bắt đầu vào những năm 70 củathế kỷ 20 với những thí nghiệm đầu tiên Tuy nhiên sự phát triển bùng nổ củalĩnh vực này đã diễn ra vào những năm 80 Trong khoảng thời gian này ngườita bắt đầu tài trợ cho những nghiên cứu sử dụng năng lượng gió để tạo ra nănglượng điện Về sử dụng năng lượng điện gió đã bắt đầu trước hết ở Đức vàhiện nay là trên phạm vi quốc tế Dưới tác động của luật cung ứng điện ra đờivào năm 1991 (ở Đức), cho đến cuối năm 2003 có đến khoảng 2/3 thiết bị sửdụng năng lượng gió ở Châu Âu được lắp đặt ở Cộng Hòa Liên Bang Đức Từ

thời điểm đó, ở Đức có nhiều thiết bị WEA (Wind Energy Association) vớicông suất lắp đặt vào khoảng 20.261 MW Hiện nay ở Đức năng lượng điệngió đáp ứng được 5,7% tổng năng lượng tiêu thụ

1.1.3 Hiện trạng sử dụng điện gió trên thế giới

Thị trường năng lượng điện gió toàn cầu đã và đang được phát triểnnhanh chóng hơn tất cả các năng lượng tái tạo khác Tổng công suất của toànthế giới vào thời điểm năm 1995 khoảng 4800MW và cho đến năm 2005 tănggấp hơn 12 lần đạt 59000MW Thị trường quốc tế ước tính về doanh thu năm2006 đạt trên 13 tỷ Euro và 18 tỷ Euro vào năm 2007, thu hút khoảng 15000nhân công trên thế giói Sự thành công của điện gió đã kéo theo sự quan tâmcủa các nhà đầu tư từ các tổ chức tài chính và ngành cung cấp năng lượngtruyền thống

Năm 2005 lĩnh vực điện sử dụng năng lượng gió đã đưa vào sử dụngcác hệ thống với tổng công suất lên đến 11531 MW ở hơn 30 nước, đạt mứctăng trưởng 40% năm và 24% kể từ khi phát triển Tính đến năm 2005 tổngcông suất các trạm điện gió trên toàn thế giới đạt khoảng 59084 MW Nănglượng gió hiện tại là nguồn cung cấp năng lượng ở hơn 50 nước trên thế giới.Trong số này quốc gia có công suất lắp đặt điện gió lớn nhất vào năm 2005 làĐức (18428 MW), xếp sau là Tây Ban Nha (10027 MW), Mỹ (9148 MW),Ấn Độ (4430 MW) và Đan Mạch (3122 MW)

+ Châu Âu:

Liên minh Châu Âu hiện đang dẫn đầu thế giới về sử dụng năng lượnggió với công suất lắp đặt 40500 MW tính đến năm 2005 chiếm 69% tổngnăng lượng gió toàn cầu Mục tiêu tổng thể cho toàn Châu Âu là năng lượngtái tạo sẽ đóng góp 21% lượng điện năng tiêu thụ Mục tiêu hiện tại củaEWEA (Cơ quan năng lượng gió Châu Âu ) là đạt công suất điện gió khoảng75000 MW tại Châu Âu vào năm 2010, 180000 MW vào năm 2020 và

300000 MW vào năm 2030 Quốc gia đứng đầu Châu Âu về năng lượng giólà Đức Điện gió hiện đáp ứng được 5,7% lượng điện tiêu thụ tại Đức vớicông suất lắp đặt lên đến 18428 MW vào cuối năm 2005 Điện gió tại TâyBan Nha cũng phát triển mạnh mẽ từ những năm giữa của thập niên 1990.Năm 2007 một loạt các động cơ gió với công suất 1764 MW đã được đưa vàosử dụng tăng 20% so với năm 2004

+ Khu vực Bắc Mỹ:

Năm 2005 gần 1/4 công suất lắp đặt điện gió mới của thế giới tập trungở Bắc Mỹ, nâng tổng công suất của khu vực này tăng lên ở mức xếp thứ 37.Điện sản xuất từ gió tăng lên mạnh mẽ ở cả 2 quốc gia Mỹ và Canada.

Cơ quan năng lượng điện gió Mỹ (Amerrican Wind Energy Association– AWEA) ước tính điện sản xuất từ gió sẽ đóng góp khoảng 6% vào điện lướinhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện tại Mỹ vào năm 2020 Ở Canada côngsuất điện gió của nước này đã tăng một cách ấn tượng đạt 54% trong năm2005, hiện tại tổng công suất đạt 683 MW.

+ Châu Úc:

Australia rất chú trọng vào tài nguyên gió nên đã tạo ra số lượng trạmđiện gió khổng lồ trên khắp các vùng miền và đặc biệt chiếm ưu thế tại nhữngvùng trang trại Tốc độ tăng trưởng của điện gió đã tăng gấp đôi vào năm2005, với 328 MW bổ sung thêm, đã nâng tổng công suất điện gió lên 708MW Cũng trong thời gian này các dự án với công suất lên tới 6000 MW đangở trong giai đoạn dự án tiền khả thi Sự khuyến khích của nhà nước cho nănglượng gió thông qua “ Mục tiêu cấp bách của năng lượng tái tạo” trong đó nêurõ sản lượng điện được sản xuất do năng lượng tái tạo vào năm 2010 phải đạt9500 GWh, đáp ứng khoảng 1% lượng điện năng tiêu thụ của Australia Hiệphội năng lượng gió của Úc (Wind Energy Association Auswind) đang vậnđộng tăng lượng đóng góp này lên 10% vào năm 2010 Nền công nghiệp tin

tưởng rằng với 600 MW điện gió lắp mới hàng năm thì năng lượng tái tạo củaÚc sẽ phát triển mạnh và duy trì các cơ sở sản xuất động cơ gió.

• Châu Phi:

Việc phát triển mạnh mẽ tiềm năng gió ở Châu Phi được phân bố chủyếu ở hai miền Bắc và Nam do vận tốc gió tại dải nối hai miền rất thấp Ởmiền Bắc điện gió được phát triển ở Marocco với công suất 64 MW đã đượchoàn thành và theo kế hoạch của quốc gia tính đến 2015 thì sẽ triển khai tiếp600 MW điện gió nữa Trong khi đó tại Tunisia đang mong đợi dự án 60 MWđầu tiên trở thành hiện thực Trong khu vực này nước đạt thành quả nhấttrong ngành điện gió là Ai Cập Tại đây một số trang trại điện gió qui mô lớnđã được xây dựng trên diện tích thiết kế 80 km2 tại Zafarana thuộc vịnh Suez.Hầu hết các dự án này được hoàn thành với sự hỗ trợ của các tổ chức cứu trợthuộc chính phủ của các nước Châu Âu Trên vùng diện tích lớn hơn 700 km2

ở Gabal El-Zayt đã được xác định mốc chỉ giới cho trang trại gió 3000 MW.Địa điểm này rất thích hợp do tốc độ gió trung bình đạt tới 10,5 m/s Với tổngcông suất điện gió hiện tại là 145 MW các nhà quản lý năng lượng tái tạo củaAi Cập đang dự kiến nâng con số này lên 850 MW vào năm 2010 và kỳ vọngtới giai đoạn 2020 - 2025 sẽ đạt 2750 MW Ở miền Nam, Nam Phi đã lắp đặtmột trạm nhỏ đầu tiên vào năm 2002 còn các dự án lớn đang chờ sự hậu thuẫncủa thị trường.

• Châu Á:

Vùng lục địa Châu Á đang phát triển mạnh nguồn điện gió sinh hoạt giađình với số thiết bị lắp đặt chiếm tới 19% tổng số động cơ gió năm 2005 Vớitốc độ tăng trưởng hơn 46% đã nâng công suất điện gió của Châu Á đạt gần7000 MW.

Thị trường điện gió Châu Á tập trung chủ yếu ở Ấn Độ nơi chiếm tới4430 MW trong đó số động cơ mới lắp đặt khoảng 1430 MW Con số này đã

đẩy Ấn Độ lên vị trí số thứ 4 trong bảng xếp hạng các nước phát triển điện giótrên thế giới Tập đoàn sản xuất động cơ gió của Ấn Độ (Indian Wind TuabinManufacturers Association - IWTMA) thông báo trong vòng 3 năm tới mỗinăm có khoảng 1500 đến 1800 MW động cơ gió đã được đặt hàng Chính phủẤn Độ đã khuyến khích và hỗ trợ ngành năng lượng gió thông qua việc miễngiảm thuế Viện nghiên cứu khí tượng Trung Quốc (Chinese MeteorologyReseach Institute) ước tính tiềm năng xây dựng các trạm điện gió trong đấtliền của Trung Quốc có thể đạt khoảng 253 GW và trong tương lai hơn 750GW sẽ được triển khai trong các dự án ngoài khơi Trang trại điện gió đầutiên của Trung Quốc được hoàn thành năm 1986 dưới dạng một dự án trìnhdiễn Nhưng chỉ đến cuối năm 2005 tổng số động cơ gió được lắp đặt tại lụcđịa Trung Quốc đã lên đến 1260 MW thể hiện tốc độ tăng trưởng đạt đến60% Cho đến nay những chính sách của chính phủ Trung Quốc đang khuyếnkhích địa phương hóa các nhà máy sản xuất động cơ gió, nhờ đó giảm đượcchi phí giúp cho điện gió có thể cạnh tranh với các nhà máy phát điện sử dụngnhiên liệu hóa thạch Ngành công nghiệp phát điện của Trung Quốc hiện đangbị thống trị bởi các nhà máy nhiệt điện từ than đá, đây là nguyên nhân của cácvấn nạn ô nhiễm không khí và môi trường Để phát triển nền công nghiệp sảnxuất động cơ gió của bản địa, Ủy ban cải cách và phát triển quốc gia(National Development and Reform Commission - NDRC) đã quảng bá cho ýtưởng “Giảm giá thành cho năng lượng gió” (Wind Power Concessions) đểphát triển thương mại rộng rãi Mục tiêu hiện tại của Trung Quốc là đến cuốinăm 2010 điện sản xuất từ gió đạt được 5000 MW Trong một kế hoạch dàihạn đến năm 2020 chính phủ Trung Quốc đã đề xuất nâng tổng công suất điệngió lên 30GW, đưa lượng điện năng được sản suất từ năng lượng gió chiếmkhoảng 1,5% tổng sản lượng điện quốc gia.

Ngành công nghiệp điện gió của Nhật Bản cũng đang rất phát triển Vớichính sách ưu đãi về giá cho các sản phẩm từ dự án năng lượng tái tạo vànhững quỹ trợ cấp dành cho các dự án năng lượng sạch Chính sách này đãtạo đà tăng số trạm điện gió được lắp đặt tại Nhật Bản từ 461 MW vào thờiđiểm cuối năm 2002 lên hơn 1000 MW tính đến tháng ba năm 2006 Mục tiêuđặt ra của bộ máy chính phủ là nâng công suất điện gió của Nhật Bản lên3000 MW vào năm 2015 Một trong các yếu tố cản trở kỳ vọng này là sự ràngbuộc lỏng lẻo khi đặt ra mục tiêu của RPS và những khó khăn không lườngtrước khi thực hiện các dự án gió do điều kiện khí hậu biến động và không ổnđịnh đặc biệt tại những vùng núi.

Hàn Quốc và Đài Loan cũng bắt đầu phát triển mạnh từ năm 2005 vớigần 100 MW động cơ gió được lắp đặt hàng năm Philippin được đánh giá cótiềm năng gió tốt nhất trong vùng Nam Á, tuy vậy tính đến tháng 12 năm2005 mới chỉ có một trang trại điện gió 25 MW được hoàn thành tại đây.Chính phủ Philippin đang đặt mục tiêu đạt công suất tối thiểu 417 MW điệngió trong mười năm tới, cùng lúc phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốcgia của Mỹ có cơ sở tại đây dự báo tiềm năng điện gió của nước này có thểlên tới 70000 MW cung cấp sản lượng điện hàng năm hơn 195 tỷ kWh.

• Điện gió ngoài khơi:

Khả năng cố định được các động cơ gió xuống nền đáy biển đã mở ramột kỷ nguyên mới cho năng lượng gió, đặc biệt tại Bắc Âu nơi các dự án lớnsẽ thuận lợi hơn khi được xây dựng tại các vùng nước nông ven biển Trangtrại điện gió ngoài khơi đầu tiên được xây dựng tại Đan Mạch Tại đây đãhoàn thành 160 MW trại điện gió tại Horns Rev ở Biển Bắc và 158 MW tạiNysted thuộc biển Bantic Hai dự án lớn hơn cũng đang được triển khai ở đây.Anh cũng nằm trong các nước dẫn đầu của phong trào điện gió ngoàikhơi với tổng công suất 214 MW được tiến hành ở bốn địa điểm và trong

tương lai hơn 1000 MW đã được thỏa thuận xây dựng tại 8 địa điểm khác.Một dự án đặc biệt (mỗi trang trại gió hơn 1000 MW) theo kế hoạch được đặttại 3 vị trí chiến lượt ngoài khơi do chính phủ Anh chỉ định Một số trang trạiđiện gió xa bờ khác được xây dựng xung quanh bờ biển Thụy Điển và Irelandvới công suất lên đến 680 MW vào cuối năm 2015 Các dự án trong tương laiđã lên kế hoạch hoặc đang triển khai tại vùng bờ biển Hà Lan, Bỉ, Pháp vàTây Ban Nha Ở Mỹ những trại điện gió xa bờ được tiến hành tại ven Biểnphía Nam bang Texas thuộc vịnh Mexico Quá trình thi công các động cơ gióngoài khơi thì tốn kém hơn so với dự toán, do vậy một số các dự án vẫn dangdở vì cần đánh giá lại tính toán kinh tế của nó Một yếu tố được kỳ vọng đểxây dựng trang trại điện gió xa bờ đó là sự phát triển thương mại của các độngcơ gió thế hệ mới (công suất lớn hơn 5 MW) Một vấn đề khác đã được giảiquyết đó là chi phí xây dựng mạng lưới truyền tải điện từ ngoài khơi vào đấtliền sẽ được chia sẻ giữa đơn vị triển khai và vùng công nghiệp sẽ sử dụngnăng lượng điện gió.

1.1.4 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Ở nước ta hiện nay các máy phát điện sử dụng sức gió đang còn dừnglại ở dạng nghiên cứu hay chỉ ở công suất nhỏ lẻ phục vụ ở miền vùng núi xaxôi hải đảo … Nhưng đứng trước tình hình khan hiếm nguồn năng lượng,cộng với tiềm năng to lớn về năng lượng gió – đất nước có đường bờ biển dài,lượng gió đều quanh năm …Thì vấn đề phát triển các hệ thống máy phát điệnsử dụng sức gió đóng vai trò hết sức quan trọng trong cung cấp điện Qua kếtquả khảo sát thực tế và số liệu từ các trạm Quan trắc khí tượng quốc gia vàđịa phương đã thống kê được tiềm năng gió ở một số vùng miền trên cả nước(xem bảng 1.1)

Bảng 1.1: Tiềm năng gió ở một số vùng miền trên cả nước

TT Khu vực, địa phương Vận tốc gió trung bình m/s Ghi chú

1.1.5 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầuvào những năm 1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan Từ năm 1984 với sựtham gia của chương trình “Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước” về Nănglượng mới và tái tạo đã có một số kết quả về động cơ phát điện chạy bằng sứcgió sau:

+ Máy phát điện PD170-6, công suất 120 W nạp ắcquy của trường Đạihọc Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

+ Máy phát điện PH500, công suất 500 W của trường Đại học báchkhoa Hà Nội

+ Máy WINDCHARGER, công suất 200 W nạp ắcquy (theo thiết kếcủa Mỹ) do một số cơ quan cải tiến thiết kế và chế tạo

+ Máy phát điện gió công suất 150 W của Trung tâm nghiên cứuSOLALAB Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

1.1.6 Một số mô hình phát điện gió ở Việt Nam

Các máy phát điện sức gió công suất cực nhỏ được sử dụng chủ yếu chomục đích thắp sáng gia đình, chạy máy thu thanh, thu hình…

Do đặc điểm gió không liên tục nên máy phát điện gió thường đượcdùng để nạp điện cho ắcquy, rồi thông qua bộ rung biến đổi điện một chiều

12V hoặc 24V thành điện xoay chiều 220V hoặc sử dụng liên hợp cùng vớicác thiết bị phát điện khác như Pin Mặt trời hoặc máy phát điện Điêzen.

• Mô hình phát điện gió cho hộ gia đình:

Mô hình này sử dụng kết hợp máy phát gió công suất 150 - 300 W cùngvới dàn năng lượng Mặt trời Điện phát ra được tích vào ắcquy sau đó thôngqua bộ rung biến đổi điện một chiều 12V hoặc 24V thành điện xoay chiều220V để thắp sáng, chạy máy thu thanh, thu hình và chạy quạt công suất nhỏ.

Hình 1.1: Mô hình phát điện gió cho hộ gia đình

• Mô hình phát điện gió cho cụm dân cư:

Sử dụng kết hợp máy phát gió công suất vài kW cùng với máy phátđiện Điêzen Điện phát ra được phát lên lưới 220V cấp điện cho các hộ giađình Nếu dùng với dàn năng lượng Mặt trời cần có hệ thống nạp ắcquy và hệthống rung để biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều.

Dàn Pin mặt trời Phụ tảiĐồng hồ đo điện năng

Kho ắc quiĐộng cơ gió phát điện

Hình 1.2: Mô hình phát điện gió cho cụm dân cư

+ Mô hình phát điện gió công nghiệp (công suất lớn):

Hình 1.3: Mô hình phát điện gió công nghiệp

Cho tới nay nước ta mới xây dựng được hệ thống phát điện gió-điêzentại huyện đảo Bạch Long Vĩ để cung cấp điện cho cư dân trên đảo.

Đây là trạm điện gió lớn nhất được xây dựng ở nước ta cho tới thờiđiểm hiện tại

+ Công suất máy phát điện gió 800 kW.

+ Công suất máy phát điezen (2 chiếc) 2 x 400 kWA.+ Lưới điện 10kV ngầm.

+ Đầu tư 813 000 USD (không kể phần lưới điện).+ Giá bán điện 1200 - 3000 VNĐ/kWh.

Hiện tại hệ thống vẫn đang hoạt động bình thường Tuy nhiên, do cònthiếu kinh nghiệm trong khai thác vận hành nên hệ thống máy phát điện nàychưa phát huy hết hiệu quả của nó.

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu cung cấp điện năngngày càng lớn Và điện gió đang được kỳ vọng như là một trong những nguồnđiện của tương lai, xếp hàng sau điện hạt nhân nhưng đứng trước các nguồnđiện dùng năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện sinh khối v.v

Việt Nam đã đưa ra mục tiêu nâng tổng công suất nguồn điện gió từmức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW (tương đương công suất 1lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2020, và khoảng 6.200 MW (tương đươngcông suất 6 lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2030; tức điện năng sản xuất từnguồn điện gió sẽ chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.

1.1.7 Hiện trạng công nghệ năng lượng gió ở Việt Nam

Lĩnh vực năng lượng gió ở nước ta chưa phát triển, có thể nói đang ởgiai đoạn nghiên cứu ứng dụng

Chưa có đầy đủ số liệu về tiềm năng gió, nhất là trên độ cao lớn hơn12m.

Các động cơ gió nhập của nước ngoài công suất cực nhỏ (< 1 - 5 kW),thường thiết kế với vận tốc gió trung bình 8 - 9m/s Các động cơ gió có công

suất lớn (vài trăm đến 1000 kW) thường thiết kế với vận tốc gió trung bình 12- 13m/s, còn các động cơ gió công suất lớn thường lắp đặt trên độ cao 50m trởlên Vì vậy các động cơ gió của nước ngoài nhập vào Việt Nam làm việckhông hiệu quả, bởi vì ở độ cao này vận tốc gió trung bình lớn nhất ở nước tacũng chỉ đạt được trong khoảng 7,3 - 9,7 m/s (tốc độ gió đo được ở Đảo BạchLong Vĩ).

Thực tế chỉ mới lắp đặt được khoảng 1.500 động cơ gió mà chủ yếu cỡcông suất nhỏ hơn 150 W

Động cơ gió công suất 150 W là mẫu hoàn thiện và đang được ứngdụng nhiều nhất cho một số hộ gia đình ở vùng có vận tốc gió trung bình Vtb >4 m/s Chất lượng loại này còn chưa ổn định do chế tạo đơn chiếc, nhiều côngđoạn thủ công Giá thành 4 - 4,5 triệu đồng, vận hành đơn giản, tuổi thọkhoảng 10 năm.

Động cơ gió công suất lớn hơn 500 W chỉ được chế tạo thử với sốlượng không đáng kể Chất lượng chế tạo chưa cao, không có phương tiện thửkhí động học để xác định đặc tính của động cơ gió Hệ thống điện của thiết bịnói chung chưa hoàn thiện.

Động cơ gió nhập ngoại công suất 200 - 500 W (Úc, Mỹ, TrungQuốc…) trọn bộ, chất lượng tốt nhưng số lượng chưa đáng kể:

- West Wind 1,8 kW đang hoạt động tốt tại Kon Tum.

Động cơ gió 800 kW (Tây Ban Nha) tại Đảo Bạch Long Vĩ đang vận hành.

Hình 1.4: Động cơ gió có công suất nhỏ hơn 150W

- Động cơ gió 300 kW (Nhật Bản) tại Hải Hậu - Nam Định, đây làtrạm năng lượng hỗn hợp thử nghiệm.

Hình 1.5: Động cơ gió có công suất 500W nhập ngoại

Đó là các động cơ gió hiện đại được chế tạo công nghiệp từ các nướctiên tiến nhưng hiệu quả thì cần phải có thời gian theo dõi để xem xét có phùhợp với chế độ gió và các điều kiện thời tiết ở Việt Nam hay không.

Hiện tại ở Việt Nam có nhiều dự án phát điện chạy bằng sức gió nối vớilưới điện Quốc gia, nhưng mới chỉ dùng lại ở giai đoạn báo cáo khả thi Bởivì các số liệu về gió chưa có đủ độ tin cậy, không có đủ các chính sách và các

qui định về mua bán điện gió, ít có các nhà kinh doanh dám mạo hiểm đầu tưvào lĩnh vực này.

1.2 Kết cấu cơ bản của một tuabin điện sức gió

Ta có thể mô tả sơ bộ các thành phần chính của một tuabin gió như trênhình 1.6sau đây

Hình 1.6: Kết cấu cơ bản của trạm điện gió

1.2.1 Rôto

+ Khái quát chung:

Hiện nay ở Châu Âu sử dụng chủ yếu các loại thiết bị WEA với rôto có3 cánh quạt Điều này có thể giải thích như sau:

- Hiệu suất tác động (tỉ số giữa công suất hữu ích có thể sử dụng đượcvới công suất chi phí) tốt nhất có thể đạt được nhờ vào tốc độ quay nhanh sovới tốc độ quay chậm

- Về mặt lý thuyết thì hiệu suất tác động tăng lên cùng với số cánh quạt.Nếu như tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất tác động tăng lên 3 đến 4%.

- Chi phí cho cánh quạt là một trong những yếu tố quyết định liên quanđến chi phí đầu tư và chi phí vận hành Đối với các thiết bị WEA có 3 cánhquạt thì chi phí đầu tư cho cánh quạt chiếm vào khoảng 20 đến 30% chi phítoàn bộ thiết bị Vì vậy các thiết bị WEA 3 cánh quạt là sự kết nối ưu tiên nhờcó hiệu suất tác động và chi phí hợp lý.

- Đối với các đặc tính về tải cũng như động học của các thiết bị WEA có3 cánh quạt thì có thể sễ dàng nhận thấy rằng ở các thiết bị này có một sựphân bố đồng đều hơn về trọng lực cũng như lực khí động học trên toàn bộchu vi của rôto

+ Cánh quạt:

Cánh quạt của một thiết bị WEA có công suất từ 2,0 đến 3,0 MW thườngcó chiều dài từ 40 – 70m Những cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịunhững tải trọng rất khác nhau, nó phụ thuộc vào vận tốc gió Đối với một thiếtbị WEA có chiều cao trục quay là 125m, đường kính rôto khoảng 90m thì vậntốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía trên có thể đạt đến 7,6 đến 7,8m/s Do côngsuất tỉ lệ với lập phương vận tốc gió nên phần công suất ứng với các đỉnhcánh quạt phía trên là 650 kW trong khi phần công suất ứng với các đỉnh cánhquạt phía dưới là 220 kW.

Cánh quạt được cấu tạo từ 2 phần khung là phần hút và phần đẩy Nhữngphần này được kết nối với nhau thông qua các thanh nối Các phần khung nàyđược tăng cường bởi các sợi thủy tinh hay sợi cácbon ở nhiều vị trí và đượcphủ bởi Polyester hoặc nhựa Eboxy.

1.2.2 Bộ phận truyền lực + Khái quát chung:

Hầu hết tất cả các nhà sản xuất thiết bị WEA đều sử dụng một hộp số đểcó thể chuyển đổi chuyển động quay chậm với mômen quay lớn của rôtothành chuyển động quay với tốc độ cao của máy phát

Các thiết bị WEA cỡ lớn (2,0 đến 3,0 MW) có tốc độ vòng quay của rôtovào khoảng 20 vòng/phút Trong khi đó số vòng quay của máy phát 100 –1500 vòng/phút

Bộ phận truyền lực bao gồm các bộ phận sau: - Hộp số

- Khớp nối - Phanh

- Trục quay nhanh kết nối giữa hộp số và máy phát - Máy phát

+ Hộp số:

Trong lĩnh vực máy phát điện sử dụng năng lượng gió, người ta thường

dùng hai loại hộp số sau:

-Hộp số bánh răng trụ tròn

Ở hộp số kiểu này thì một bánh răng lớn được lắp với một trục quaychậm dẫn động sẽ dẫn động một bánh răng nhỏ lắp với trục quay nhanh Tỷsố truyền động của cặp bánh răng ăn khớp ở đây nhỏ hơn 1:5.

-Hộp số kiểu hành tinh

Hộp số kiểu hành tinh có cấu tạo từ 3 loại bánh răng khác nhau Mộtbánh răng có răng phía trong được gắn với trục quay chậm và tạo thành khungbên ngoài Ở trung tâm là một bánh răng nhỏ đóng vai trò như một “hànhtinh” trong hệ mặt trời, bánh răng nhỏ này được nối với trục quay nhanh.Bánh răng có răng phía trong và bánh răng nhỏ trung tâm được nối kết vớinhau thông qua rất nhiều bánh răng vệ tinh Do vậy tỉ số truyền có thể đạt tới1:12.

Do trong thực tế cần phải có tỉ số truyền giữa trục quay chậm và trục quaynhanh lên đến 1:100 nên hộp số sẽ có cấu tạo từ nhiều cấp truyền khác nhau.Ở những cấp truyền này sẽ sử dụng cấp truyền bánh răng trụ cũng như cấptruyền kiểu hành tinh.

+ Trục quay chậm:

Trục quay chậm làm nhiệm vụ truyền chuyển động quay của rôto vàohộp số.

+ Khớp nối:

Đối với các thiết bị WEA cỡ nhỏ thì máy phát điện được nối trực tiếpvào hộp số thông qua trục quay nhanh Tuy nhiên đối với các quá trình truyềnlực ở các thiết bị cỡ lớn thì sẽ luôn xuất hiện một sự biến dạng nhất định.Chính vì vậy cần phải có một chi tiết kết nối linh động (khớp nối) giữa hộp sốvới máy phát Nhờ vào khớp nối này có thể ngăn cản được hiện tượng căngxoắn cũng như các tải trọng phụ trong quá trình truyền lực

1.2.3 Bộ phận phanh

Các thiết bị WEA có 2 hệ thống phanh hoàn toàn độc lập với nhau Đốivới các thiết bị WEA cỡ lớn thì hệ thống điều chỉnh góc nghiêng của cánhquạt đóng vai trò là hệ thống phanh chính Với sự trợ giúp của hệ thống điều

khiển Pitch (điều khiển góc xoay cánh) thiết bị sẽ tách ra hoàn toàn khỏihướng gió thổi.

Ngoài ra ở trên trục quay của bộ phận truyền lực cũng có một hệ thốngphanh đĩa Hệ thống phanh đĩa này sẽ kích hoạt trong những trường hợp cầndừng hoạt động vì an toàn hay vì lý do khẩn cấp nào đó.

1.2.4 Thân vỏ

Với vận tốc gió tăng lên tương ứng với chiều cao so với mặt đất Ở gầnmặt đất cho tới chiều cao khoảng 60m thì sự tăng lên của vận tốc gió chỉ vàokhoảng 0,1 – 0,2 m/s, trong khi đó ở chiều cao lớn hơn 80 – 100m thì sự tănglên của vận tốc vào khoảng 0,2 – 0,4 m/s.

Phần thân vỏ của thiết bị WEA có nhiệm vụ nâng đỡ rôto cũng nhưphần động cơ nhằm giúp cho 2 bộ phận này nằm ở một độ cao mà ở đó tốc độgió là thuận lới nhất

Sự tăng lên của chiều cao tỷ lệ thuận với sự tăng lên của công suất củathiết bị WEA Đối với các thiết bị WEA có công suất từ 400 kW – 600 kW vềnguyên tắc chiều cao thân phải là 60 – 80m Đối với các thiết bị WEA có

công suất từ 1,5 MW – 2 MW thì chiều cao phần thân vào khoảng 80 – 100mvà trong một số trường hợp đặc biệt chiều cao phần thân có thể lên đến 125m.Một số loại thân hiện đang sử dụng trong các nhà máy phát điện bằngsức gió:

- Thân được chế tạo từ ống thép hình côn - Thân được chế tạo từ các khung thép

- Thân được chế tạo thép kết hợp với bê tông

1.2.5 Máy phát

Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học của rôto thànhnăng lượng điện Ở các thiết bị WEA người ta sử dụng cả máy phát đồng bộvà máy phát không đồng bộ Đối với các thiết bị WEA thì thông thường tạo radòng điện với điện áp từ 490V đến 690V

Có nhiều phương án thiết kế máy phát điện chạy bằng sức gió, sử dụngmáy phát điện có cấu tạo khác nhau như: máy điện không đồng bộ rôto dâyquấn, máy điện không đồng bộ rôto lồng sóc, máy điện không đồng bộ kíchthích bằng nam châm vĩnh cửu …

Với hệ thống sử dụng máy điện đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu,stato của máy phát được nối trực tiếp vào lưới thông qua biến tần gồm:

môđun sử dụng van bán dẫn IGBT, môđun phía máy phát đồng bộ và môđunphía lưới và đóng vai trò nghịch lưu.

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý cơ bản của hệ thống điện gió nối lưới

Bộ phận điều khiển biến tần sử dụng các bộ vi xử lý, phần giao diện vànguồn cung cấp Máy tính PC giúp lựa chọn các tham số và quan sát tìnhtrạng làm việc của hệ thống Khối SPS thể hiện việc cài đặt các Setpoint chohệ thống được lấy từ PLC.

Rôto máy phát được gắn liên động với trục quay của cánh quạt Khi gióđủ mạnh cánh quạt sẽ quay với một tốc độ cần thiết Qua hệ thống cơ nối vàohộp số để chuyển đổi thành tốc độ khoảng 1000 - 1500 vòng/phút (tốc độ củamáy phát) đặt lên trục của rôto Từ trường quay của rôto gây nên sức điệnđộng cảm ứng trên stato, sau đó được chuyển vào lưới điện thông qua bộ biếntần tĩnh.

Với hệ thống sử dụng máy điện dị bộ, có thể là máy điện dị bộ 3 pharôto lồng sóc hay rôto dây quấn Loại máy này xuất phát từ độ tin cậy cao, ưu

điểm về kết cấu cơ khí cũng như khả năng quá tải hay hệ số trượt máy phátnằm trong một dải rộng, giá thành thấp hơn máy phát đồng bộ Những vấn đềgặp phải ở máy điện đồng bộ trong hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gióví dụ như: chi phí chế tạo rôto công suất lớn; từ hóa rôto bằng nguồn mộtchiều ảnh hưởng đến độ bền của máy phát; không thích hợp với chế độ làmviệc biến tốc Phần nào được khắc phục khi sử dụng loại máy điện khôngđồng bộ Hiện nay trong lĩnh vực chế tạo máy phát người ta thường sử dụngmáy điện không đồng bộ rôto dây quấn.

1.2.6 Máy biến áp

Máy biến áp làm nhiệm vụ biến chuyển dòng điện với điện áp từ 490Vđến 690V như đã nói ở trên thành một dòng điện cao thế (điện áp 10 kV cũngnhư 22 kV) Do vậy sẽ giảm thiểu được sự mất mát điện năng trong quá trìnhtruyền tải điện.

1.3 Các cấu hình hệ thống điện tuabin gió

Có hai kiểu cấu hình phát điện hỗn hợp có hệ thống điện gió trong cáclưới điện độc lập Điển hình là, các máy phát cấp năng lượng vào một thanhcái AC chung như được mô tả trên hình 1.7 Một giải pháp thay thế khác làcác nguồn điện được ghép lên một thanh cái DC chung, điện năng được biếnđổi tiếp bằng bộ đổi điện để cấp cho các phụ tải AC, như trên hình 1.8.

Trên hình 1.8 đưa ra ví dụ có hai nguồn, cụ thể là một tuabin gió và một máyphát điêzen Cấu hình này biểu diễn hai kho tích trữ năng lượng Kho thứnhất, là bộ trữ năng điện hóa dài hạn, được thực hiện bằng bộ ắcquy Kho thứhai, tác động trong thời gian ngắn hạn, lưu trữ động năng bằng các bánh đàtốc độ cao Các bộ dự trữ này cho phép dòng công suất đi theo hai chiều.

Sự vận hành của hệ thống trên hình 1.8 có thể nêu vắn tắt như sau Khitốc độ gió thấp, hệ thống chuyển đổi năng lượng gió phát ra công suất thấphơn nhu cầu của phụ tải (cục bộ), và động cơ điêzen được khởi động, máy

phát đồng bộ bù lại sự thiếu hụt công suất tác dụng Khi tốc độ gió đủ lớn,động cơ điêzen được dừng lại, và máy phát đồng bộ vận hành như một máybù công suất phản kháng Về bánh đà, nó tích lũy động năng khi có gió lớntạo ra năng lượng vượt quá mức cần thiết Trong trường hợp không có gióngắn hạn, bánh đà sẽ cấp công suất vào lưới AC thông qua một máy phát điệnxoay chiều Bộ trữ năng này đóng vai trò như một giải pháp cấp nguồn khi sựcố (khẩn cấp).

Hình 1.8: Hệ thống phát điện hỗn hợp ghép AC

Trên hình 1.9 là một ví dụ cho hệ thống phát điện hỗn hợp ghép DC.Trong cấu hình này, cũng có thể sử dụng các bộ trữ năng ngắn hạn nào đó.Mỗi một nguồn điện (máy phát tuabin gió, máy phát điêzen, dàn pin mặt trờivà các bộ ăcquy) cấp công suất của mình vào thanh cái DC phụ thuộc vào cácchế độ vận hành của chúng Mục đích điều khiển nhằm đảm bảo cho phụ tảiđiện AC được cung cấp điện liên tục Phụ thuộc vào chế độ vận hành, tuabingió có thể được điều khiển để bám điểm công suất cực đại hoặc để hạn chếcông suất Những yêu cầu về độ tin cậy là quan trọng đối với các cấu hìnhnày Điều khiển cấu hình phát điện hỗn hợp bao quát toàn hệ thống nhằm đápứng các yêu cầu chung.

Hình 1.9: Hệ thống phát điện hỗn hợp ghép DC

1.4 Khái quát về hệ thống điều khiển tuabin gió

Điều khiển đóng vai trò ngày càng tăng trong các hệ thống chuyển đổinăng lượng gió (WECS) hiện đại Có rất nhiều công trình nghiên cứu dànhriêng cho điều khiển WECS, tất cả các nghiên cứu này đều xuất phát từ ýtưởng là điều khiển có thể và thực sự đã cải thiện đáng kể tất cả các phươngdiện của WECS.

Trong một quá trình bất kỳ, điều khiển có hai mục đích chính là: bảo vệvà tối ưu hóa hoạt động Hơn thế nữa, khi áp dụng cho WECS, điều khiển trởnên quan trọng hơn trên tất cả các mặt, vì đặc tính chủ yếu của các WECS làchúng phải có khả năng thích ứng với đặc điểm thay đổi nhiều, lúc có lúckhông và không đoán trước được của gió.

Với mục đích này, như đã nói ở trên, tất cả các WECS có một bộ phậnđể điều khiển công suất Các tuabin gió kiểu cản xoáy thụ động với nhữngnguyên nhân về bảo vệ có khả năng giới hạn công suất khí động Phươngpháp này là đơn giản và đảm bảo tính bền vững của phần cứng, nhưng lại dẫnđến các mức tải trọng cơ khí không chấp nhận được Như vậy, việc điều khiểntheo nghĩa này chỉ có một mục đích là bảo vệ các tuabin gió.

Cản xoáy chủ động được hiểu là các WECS được trang bị thêm một sốphần cứng: các bộ chấp hành điện cơ hoặc thủy lực được sử dụng để dịchchuyển cánh (hoặc một số phần của chúng), các cảm biến và các bộ điềukhiển Tất cả các cấu kiện này đều làm tăng thêm độ phức tạp và nâng cao giáthành vận hành và bảo trì, tuy nhiên chúng lại có thể mở rộng các mục đíchđiều khiển để làm tăng sự thu nhận công suất (năng lượng) từ gió, cũng nhưcó thể tối ưu hóa sự vận hành các WECS.

Các WECS có tốc độ cố định, với điều khiển cản xoáy kiểu thụ độnghoặc chủ động, đã chiếm ưu thế trong ngành công nghiệp điện gió suốt mộtthời gian dài Nhược điểm chủ yếu của chúng là tính cứng nhắc, vì tốc độ máy

phát cố định không đảm bảo được tính điều khiển linh hoạt Nhược điểm nàyđược khắc phục nhờ sử dụng các WECS trên cơ sở máy phát không đồng bộnguồn kép và gần đây hơn là với việc ứng dụng các WECS có bộ biến đổicông suất dải rộng Vận hành với tốc độ thay đổi trở nên khả thi bằng cách kếthợp với các bộ biến đổi điện tử lực.

Các hệ thống điều khiển WECS tốc độ thay đổi nói chung bao gồm baphân hệ điều khiển chính:

+ điều khiển công suất khí động thông qua điều khiển góc xoay cánh;+ vận hành với tốc độ thay đổi và cực đại hóa năng lượng thu nhậnđược bằng cách điều khiển máy phát;

+ điều khiển dòng công suất trao đổi với lưới thông qua bộ biến đổiđiện tử lực.

Hơn nữa, các mục đích cụ thể của mỗi phân hệ điều khiển có thể thayđổi phù hợp với chế độ vận hành như đặc tính trên hình 1.10.

Hình 1.10: Đặc tính công suất đầu ra theo tốc độ gió

Tuabin gió hoạt động, với động học khác nhau, từ tốc độ gió bắt đầu(cut-in) thường khoảng 3-4 m/s đối với các tuabin gió hiện đại đến tốc độ gióngừng hoạt động (cut-out) khoảng 25 m/s như được mô tả trên hình 1.10.Công suất đầu ra tính theo phương trình cơ bản tỷ lệ với lập phương tốc độgió cho đến khi nó đạt đến công suất định mức của tuabin gió Điều này xảy

ra ở tốc độ gió định mức, nó phân chia dải làm việc thành 2 vùng: dưới tốc độđịnh mức (còn gọi là vùng phụ tải thấp) và vùng đầy tải, khi đó công suất thunhận phải được khống chế bằng định mức

Khi tốc độ gió nằm trong khoảng tốc độ bắt đầu đến tốc độ định mức(chế độ tải thấp), hệ thống điều khiển bước xoay cánh phần lớn là chưa hoạtđộng, với hai ngoại lệ: một là, khi hệ thống xoay cánh được sử dụng để hỗ trợquá trình khởi động, vì các tuabin gió hai hoặc ba cánh có mômen mở máykhá thấp; và hai là, khi tốc độ quay cần được khống chế bởi điều khiển bướcxoay cánh tức là khi tốc độ gió đạt đến tốc độ định mức Hệ thống điều khiểnbước xoay cánh là chủ động khi tốc độ gió vượt quá tốc độ gió định mức.Mục đích của nó là giới hạn công suất khí động không vượt quá công suấtđịnh mức, còn khi tốc độ gió vượt quá tốc độ ngừng hoạt động, thì dừng hẵntuabin gió lại Như vậy, hệ thống điều khiển bước xoay cánh chủ yếu dùng đểgiảm phụ tải cơ khí tác động lên kết cấu tuabin gió.

Trong chế độ non tải, điều khiển máy phát chỉ có điều khiển tích cực vànhằm mục đích cực đại hóa năng lượng thu nhận được từ gió và/hoặc giới hạntốc độ quay ở giá trị định mức Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng tốchoặc giảm tốc độ máy phát theo cách thức sao cho bám theo được tỷ lệ tốc độđầu mút cánh tối ưu Khi tốc độ gió định mức, điều khiển máy phát sẽ giớihạn tốc độ quay của máy phát Như vậy, điều khiển máy phát chủ yếu nhằmmục đích tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng Đôi khi điều này cónghĩa là mômen quay của máy phát thay đổi theo tốc độ gió, và trong một sốđiều kiện có thể gây nên những ứng suất cơ khí phụ cho hệ thống truyềnđộng Bởi vậy, việc cực đại hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng thông quađiều khiển máy phát cần phải thực hiện với chú ý rằng có khả năng tăng thêmtải trọng cơ học cho kết cấu cơ khí.

Cuối cùng, việc điều khiển các bộ biến đổi điện tử lực nhằm mục đíchđảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện nghiêm ngặt (tần số, hệ số công suất, cáchài bậc cao, độ nhấp nháy, …) Gần đây, khi gia tăng các yêu cầu đối vớiWECS để duy trì sự kết nối lưới và đảm bảo hỗ trợ lưới một cách tích cực đãđặt ra thêm các mục đích điều khiển đối với các bộ biến đổi điện tử lực.Trong trường hợp lưới gặp sự cố, WECS cần phải duy trì việc nối lưới; do đóchúng phải có khả năng tiếp nhận các phụ tải quan trọng và đột biến, thậm chícòn hỗ trợ lưới về điều khiển điện áp hoặc tần số Như vậy, điều khiển các bộbiến đổi điện tử lực chủ yếu nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện.

Vai trò và các mục đích của điều khiển WECS, như đã trình bày ở trên,có thể được tóm tắt như sau:

+ Khởi động WECS tại tốc độ ban đầu, dừng nó lại tại tốc độ quá caovà chuyển mạch các bộ điều khiển tương ứng với các điều kiện vận hành cụthể;

+ Điều khiển công suất khí động và tốc độ quay khi tốc độ gió vượt quáđịnh mức;

+ Cực đại hóa công suất thu nhận từ gió trong vùng tải thấp, với chú ýđến các ràng buộc về tốc độ và công suất thu nhận;

+ Giảm nhẹ các tải trọng thay đổi, nhằm mục đích đảm bảo một mức độnhất định khả năng hồi phục nhanh của các chi tiết cơ khí, trong tất cả các chếđộ vận hành;

+ Đảm bảo đáp ứng mong muốn đối với những cơn gió mạnh độc lập;+ Truyền công suất điện lên lưới ở mức độ được giao đối với một dảirộng các tốc độ gió;

+ Đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng điện nghiêm ngặt (hệ số côngsuất, các hài bậc cao, độ nhấp nháy, …);

+ Bảo vệ an toàn cho WECS, đồng thời đảm bảo sự hỗ trợ tích cực cholưới điện trong khi có các sự cố lưới điện.

Danh sách kể ra ở trên chưa phải đã hết; ta còn có thể hình thành một sốmục tiêu điều khiển khác dẫn xuất từ danh sách ở trên WECS có tốc độ thayđổi là một hệ thống có độ phi tuyến cao thay đổi theo thời gian được kíchthích bởi các đầu vào ngẫu nhiên có ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy của nóvà dẫn đến những thay đổi không nhỏ trong hành vi động học của hệ thốngtrên toàn bộ vùng làm việc của nó Đây là lý do tại sao mà điều khiển cáctuabin gió tốc độ thay đổi vẫn đang còn ở trong giai đoạn tìm kiếm các giảipháp kỹ thuật thích hợp để có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành côngnghiệp điện tuabin gió.

1.5 Kết luận chương 1

Xuất phát từ việc thiếu hụt điện năng và nhu cầu tìm nguồn năng lượngmới tái tạo thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống, đã hình thành vàphát triển công nghiệp điện gió Toàn bộ chương 1 đã giới thiệu sự ra đời vàquá trình phát triển của hệ thống phát điện chạy bằng sức gió, tổng quan vềhiện trạng sử dụng điện gió trên thế giới cũng như quá trình phát triển nguồnnăng lượng này ở Việt Nam Các mô hình, hiện trạng công nghệ, công suấtlắp đặt và đặc biệt là việc khảo sát đánh giá tốc độ gió ở Việt Nam cũng đãđược trình bày một cách chi tiết Phần cuối chương trình bày khái quát về cáchệ thống điều khiển tuabin gió nói riêng và trạm điện gió nói chung.

Từ các phân tích đó cho thấy việc xây dựng các nhà máy điện sử dụngnăng lượng gió công suất lớn ở Việt Nam là hợp lý và sẽ mang lại hiệu quảcao, nhằm đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng điện năng hiện nay

Để nhận biết về cơ sở chuyển đổi năng lượng gió, cấu hình và quá trìnhhoạt động của một dự án phát điện chạy bằng sức gió, những vấn đề này đượctrình bày ở chương 2 tiếp theo

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ

2.1 Cơ sở chuyển đổi năng lượng gió

2.1.1 Mô hình thu nhận công suất gió

Động năng có trong một khối lượng m của không khí chuyển động với

Xét mô hình thu nhận năng lượng gió sau đây:

Hình 2.1: Lưu lượng gió đi qua ống tiết diện tròn

Ta có: V =

Et=12m V

thì P/P0 đạt giá trị lớn nhất là 59% nănglượng gió tổng cộng sản xuất ra điện năng Việc rút ra những vấn đề trên dựa

theo các công trình được công bố từ năm 1922 đến năm 1925 của hai nhà vậtlý nổi tiếng là Betz và Gesdz.

2.1.2 Hai loại tuabin gió

Một tuabin gió là một máy dùng để biến đổi động năng của gió thànhcơ năng Nếu cơ năng được máy móc sử dụng trực tiếp, chẳng hạn như máybơm nước hay nghiền ngũ cốc thì máy được gọi là cối xay gió Nếu nănglượng cơ sau đó được chuyển đổi thành điện năng, thì máy được gọi là máyphát điện sức gió Phần lớn các tuabin gió dùng trong ngành điện có công suấttừ 100 kW đến vài MW.

Tác động của gió lên cánh tuabin có thể phân tích thành các lực kéo vàlực nâng như trên hình 2.3.

Hình 2.3: Các lực của gió tác động lên cánh tuabin

Có hai loại thiết bị chuyển đổi năng lượng gió khác nhau: một loại chủyếu sử dụng lực nâng khí động và một loại sử dụng lực kéo khí động

Các tuabin tốc độ cao dựa trên các lực nâng để quay cánh Để phát rađiện từ một tuabin gió, thường cần phải sử dụng trục dẫn động của máy pháthoạt động ở tốc độ khá cao (ví dụ 1500 vòng/phút) Điều này, cùng với hiệusuất khí động cao hơn của các thiết bị dùng lực nâng, có nghĩa là các tuabindựa trên lực kéo khí động không được sử dụng phổ biến.