điều khiển độc lập p và q của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép ứng dụng trí thông minh nhân tạo

Hình 4.3: Khối mô hình phương trình điện áp stator và rotor Hình 4.4: Khối mô hình tính toán từ thông Hình 4.5: Khối mô hình 2dqabc Hình 4.6: Khối mô hình điều khiển converter phía rotor

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP ỨNG DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 4 8 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP ỨNG

DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10/2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ THANH HẢI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP ỨNG

DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên : Lê Thanh Hải Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 20/07/1987 Nơi sinh : Quảng Ngãi Quê quán : Quảng Ngãi Dân tộc : Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Tổ dân phố 3, khu dân cư số 9, thị trấn Mộ Đức, Huyện Mộ Đức, Tỉnh Quảng Ngãi

Điện thoại cơ quan: 371 720 68 Điện thoại nhà riêng: 0904 553 465 Fax: 371 79 555 E-mail: lethanhhai.spkt@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Cao đẳng chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ : 08/2005 đến 09/2008

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 09/2009 đến 07/2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Thiết kế hệ thống điện, điều khiển lập trình nâng cao

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường ĐH SPKT

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lời đầu tiên Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến cán bộ hướng dẫn khoa học TS PHẠM ĐÌNH TRỰC Người đã theo suốt tôi trong quá trình làm luận văn Bằng tri thức và sự tận tâm, thầy đã cho tôi những lời khuyên bổ ích để giúp tôi tiếp cận với các tri thức khoa học bằng nhiều cách và nhiều góc độ khác nhau trong suốt quá trình thực hiện để tôi định hướng và hoàn thành luận văn này

Chân thành cảm ơn quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian đào tạo tại trường

Chân thành cảm ơn quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu thực hiện luận văn

Tiếp theo tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình và người thân yêu đã luôn động viên giúp đỡ tôi, là chỗ dựa tinh thần vững chắc để tôi có thể vượt qua được những khó khăn trong thời gian qua

Cuối cùng tôi muốn cảm ơn đến quý công ty TNHH Nguồn Năng Lượng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu tại trường

Xin chân thành cảm ơn!

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

TÓM TẮT

Họ và tên học viên : Lê Thanh Hải Phái : Nam

Ngày tháng năm sinh : 20/07/1987 Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên nghành : Kỹ Thuật Điện MSHV : 128520202017

I – TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P VÀ Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP SỬ DỤNG TRÍ THÔNG MINH NHÂN TẠO

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Xây dựng mô hình điều khiển độ lập P và Q của DFIG trên phần mềm Matlab Simulink

 Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào bộ điều khiển độc lập P và Q, so sánh kết quả đạt được khi có và không có kết hợp Fuzzy logic

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ Ngày 22 tháng 02 năm 2014

IV – ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU Trường ĐH SPKT Tp.HCM

V – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ Ngày 24 tháng 08 năm 2014

VI – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS PHẠM ĐÌNH TRỰC

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

TS PHẠM ĐÌNH TRỰC

TRANG

Trang tựa

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt viii

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 4

1.1 Tổng quan chung về năng lượng 4

1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió 5

1.3 Tình hình phát triển điện gió ở hiện tại và triển vọng trong tương lai 9

1.4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió 12

1.5 Tiềm năng điện gió của Việt Nam 14

1.6 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 15

CHƯƠNG 2 17

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Các loại turbine gió: 17

2.2.2 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép không chổi quét (BDFIG) 20

2.2.3 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permament Magnet SG) 20

2.3 Các thành phần chính của hệ thông turbine gió – DFIG 21

2.4 Định nghĩa về mô hình và mô phỏng 23

2.5 Ưu nhược điểm và mục đích xây dựng mô hình động 24

2.6 Mô hình động của máy điện không đồng bộ 25

2.7 Phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu 28

2.7.1 Mối quan hệ giữa hệ thống ba pha và hệ thống hai pha 28

2.7.2 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay 29

2.7.3 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh abc và hệ trục tọa độ quay dq 30

2.8 Phương trình toán máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG 30

2.8.1 Mô hình toán máy điện DFIG trong vector không gian 31

2.8.2 Mô hình toán máy điện DFIG trong hệ quy chiếu quay 32

CHƯƠNG 3 35

ĐIỀU KHIỂN PI ỨNG DỤNG FUZZY LOGIC 35

3.1 Bộ hiệu chỉnh PID truyền thống 35

3.2 Bộ hiệu chỉnh PI với khâu hiệu chỉnh anti windup 37

3.3 Điều khiển mờ 38

3.3.1 Khái niệm cơ bản 39

3.3.2 Định nghĩa tập mờ 40

3.3.3 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 40

3.3.4 Nguyên lý điều khiển mờ 40

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG

TRONG MATLAB SIMULINK 47

4.1 Mô hình máy phát điện nguồn kép DFIG - 2,3 MW 47

4.2 Mô hình điều khiển converter 51

4.2.1 Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát 52

4.2.2 Mô hình điều khiển converter phía lưới 54

4.2.3 Mô hình điều khiển tốc độ rotor turbine 54

4.2.4 Mô hình bộ nghịch lưu áp cấp nguồn cho rotor máy phát 55

4.3 Mô hình tua bin gió 55

CHƯƠNG 5 56

SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHI SỬ DỤNG PI SO VỚI SỬ DỤNG PI KẾT HỢP FUZZY LOGIC 56

5.1 Mô hình dùng để chạy mô phỏng trong Matlab/Simulink 56

5.2 So sánh giữa bộ điều khiển PI truyền thống và PI-Fuzzy 59

5.2.1 Cấu trúc điều khiển với bộ điều khiển PI truyền thống và PI-Fuzzy 59

5.2.2 Kết quả mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió cố định 60

5.2.3 Kết quả mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên 66

5.3 Phân tích kết quả mô phỏng 72

CHƯƠNG 6 75

KẾT LUẬN 75

6.1 Kết luận 75

6.2 Hướng phát triển của đề tài trong tương lai 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Ký hiệu Chú giải

P : Công suất tác dụng (W)

: Công suất định mức của máy phát (W)

Q : Công suất phản kháng (Var)

: Điện áp (V) : Dòng điện (A) : Điện trở (Ω) : Cảm kháng (H) : Cảm kháng từ hóa (H)

 : Từ thông (Wb)

: Hệ số rung (N.m/s) : Độ cứng thanh truyền (M.m/rad)

s : Quy về phía stator

r : Quy về phía rotor

t : Là ma trận chuyển vị

 Chỉ số dưới

s : Các đại lượng của stator

r : Các đại lượng của rotor

g : Các đại lượng phía lưới

ref : Các đại lượng tham khảo

sr : Đại lượng tương hỗ giữa stator và rotor

aa, bb, cc : Đại lượng tự cảm trên mỗi cuộn dây stator a, b, c tương ứng

AA, BB, CC : Đại lượng tự cảm trên mỗi cuộn dây stator A, B, C tương ứng gen : Các đại lượng máy phát

sharf : Các đại lượng trục thanh truyền

turb : Các đại lượng của turbin

d; q : Các đại lượng trục d, trục q tương ứng trong hệ quy chiếu dq

α, β : Các đại lượng trục α, trục β tương ứng trong hệ quy chiếu αβ

a, b, c : Các đại lượng pha a, pha b, pha c tương ứng trên stator

A, B, C : Các đại lượng pha A, pha B, pha C tương ứng trên rotor

Hình 1.1: Cối xay gió Tây Ban Nha

Hình 1.2: Lịch sử phát triển năng lượng gió từ 1996 đến 2008

Hình 1.3: Tổng công suất lắp đặt từ 2010 – 2013 [MW]

Hình 1.4: Tổng công suất lắp đặt của các nước

Hình 1.5: Tỉ lệ phần trăm công suất lắp đặt mới ở các nước 2013

Hình 1.6: Tổng công suất lắp đặt từ 1997 – 2020 [GW]

Hình 1.7: Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65 m) theo

Ngân hàng Thế giới

Hình 2.1: Phân loại turbin gió

Hình 2.2: Turbin gió với DFIG

Hình 2.3: Turbin gió với BDFIG

Hình 2.4: Turbin gió với PMSG

Hình 2.5: Các thành phần chính của hệ thống turbin gió – DFIG

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc chung của máy điện không đồng bộ

Hình 2.7: Hệ quy chiếu quay dq

Hình 2.8: Nguyên lý vectơ không gian

Hình 2.9: Mối quan hệ giữa hai hệ trục toạ độ αβ và dq

Hình 2.10: Mạch tương đương máy điện DFIG quy đổi về phía stator

Hình 3.1: Bộ điều khiển PI sử dụng khâu anti-windup

Hình 3.2: Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 3.3: Bộ điều khiển PI sử dụng Fuzzy logic

Hình 3.4: Giao diện soạn thảo cơ bản Fuzzy logic trên matlab/Simulink

Hình 3.5: Soạn thảo hàm thành viên sai số tốc độ e(t)

Hình 3.6: Soạn thảo hàm thành viên độ dốc sai số tốc độ de/dt

Hình 3.7: Soạn thảo hàm thành viên Kp

Hình 3.8: Soạn thảo hàm thành viên Ti

Hình 3.9: Soạn thảo luật mờ

Hình 4.3: Khối mô hình phương trình điện áp stator và rotor

Hình 4.4: Khối mô hình tính toán từ thông

Hình 4.5: Khối mô hình 2dqabc

Hình 4.6: Khối mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát và lưới Hình 4.7: Khối mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát

Hình 4.8: Khối mô hình tính toán vị trí rotor và dòng từ hoá – Estimate Ims Hình 4.9: Khối chuyển abc sang αβ

Hình 4.10: Khối tính điện áp điều chỉnh rotor

Hình 4.11: Khối mô hình điều khiển converter phía lưới

Hình 4.12: Khối điều khiển điện áp Vdc “DC-link”

Hình 4.13: Khối mô hình điều khiển tốc độ rotor turtin “speed control”

Hình 4.14: Khối mô hình bộ nghịch lưu áp “Inverter”

Hình 4.15: Khối mô hình turbin gió

Hình 5.1: Mô hình tổng thể hệ thống điều khiển máy phát điện DFIG

Hình 5.2: Đồ thị giá trị đặt công suất tác dụng

Hình 5.3: Đồ thị giá trị đặt công suất phản kháng

Hình 5.4: Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter

Control” sử dụng PI truyền thống Hình 5.5: Mô hình điều khiển converter phía rotor máy phát “Rotor Converter

Control” sử dụng PI truyền thống kết hợp PI-Fuzzy

Hình 5.6: Tốc độ gió cố định 12 m/s

Hình 5.7: Công suất tác dụng trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.8: Công suất phản kháng trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.9: Dòng điện stator trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.10: Tốc độ rotor trong trường hợp tốc độ gió cố định

Hình 5.11: Góc pitch quạt gió trong trường hợp cố định tốc độ gió

Hình 5.12: Tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian

Hình 5.15: Dòng điện stator với tốc độ gió thay đổi

Hình 5.16: Tốc độ rotor trong trường hợp tốc độ gió thay đổi Hình 5.17: Góc pitch quạt gió trong trường hợp cố định tốc độ gió

Bảng 3.1: Luật mờ của Kp

Bảng 3.2: Luật mờ của Ti

Bảng 5.1: Các thông số của khối “Generator DFIG 2,3 MW”

Bảng 5.2: Các thông số của khối “Wind Turbine”

Bảng 5.3: Các thông số của khối “Converter”

Bảng 5.4: Giá trị đặt công suất tác dụng

Bảng 5.5: Giá trị đặt công suất phản kháng

Bảng 5.6: Giá trị trung bình của Ps và Qs trong trường hợp tốc độ gió cố định Bảng 5.7: Giá trị trung bình của Ps và Qs trong trường hợp tốc độ gió thay đổi

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Trong vòng 10 năm gần đây (2001 – 2010), Việt Nam đã đạt được những bước tăng trưởng kinh tế nhanh chóng, với tốc độ trung bình đạt 7,2%/năm Cùng với đó là nhu cầu sử dụng điện năng trong các ngành kinh tế và sinh hoạt liên tục gia tăng với tốc độ trung bình khoảng 14,5% Tổng sản lượng điện thương phẩm đã tăng từ 31,3 tỷ kWh (2001) lên tới 99,1 tỷ kWh (2010), điều này có nghĩa là sản lượng điện tiêu thụ đã tăng hơn 3 lần trong vòng 10 năm So với năm 2009, thì sản lượng điện thương phẩm năm 2010 tăng khoảng 14,3%, gấp 2,5 lần so với tốc độ tăng trưởng GDP (Gross Domestic Product) [8]

Nhằm đảm bảo cho nhu cầu về điện năng để phát triển kinh tế - xã hội, Chính phủ Việt Nam đã đặt ra một số mục tiêu sản xuất điện trong Quy hoạch Phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến 2030 bao gồm: Cung cấp đủ nhu cầu điện trong nước, sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu năm 2015 khoảng

194 – 210 tỷ kWh, khoảng 330 – 362 tỷ kWh vào năm 2020, khoảng 695 – 834 tỷ kWh vảo 2030 và ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng này từ mức 3,5% năm 2010, lên 4,5% tổng điện năng sản xuất vào năm 2020 và 6% vào 2030 [8]

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường [8] Gần đây, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng phát triển dạng “điện xanh” này Trong đó, năng lượng gió được xem là một lĩnh vực trọng tâm, do một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án gió với quy mô lớn là rất khả thi Điển hình là một số dự án đã được đầu tư và đưa vào vận hành như dự án điện gió ở

Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận, dự án điện gió lai tạo với máy

phát điện diesel trên đảo Phú Quý hoặc dự án điện gió khác tại tỉnh Bạc Liêu Ngoài

ra, còn nhiều dự án khác đang trong các giai đoạn tiến độ khác nhau đã được đăng

ký Tuy nhiên điểm yếu lớn nhất của nguồn năng lượng gió thì thường không tập trung nên muốn sử dụng ta phải đâu tư rãi rác và khi đã đầu tư thì vấn để sử dụng nó một cách sao cho an toàn và hiệu quả nhất là một bài toán cần được giải quyết bằng cách ứng dụng nhiều kỹ thuật mới Hiện nay ở Việt Nam muốn đầu tư khai thác nguồn năng lượng này đều phải nhập thiết bị công nghệ từ các nước tiên tiến, chính điều này là yếu tố làm cho chi phí đầu tư, sản xuất điện tăng lên làm giảm đi tính cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác Theo xu hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật cao ngày càng phát triển và ứng dụng vào thì giá thành sản xuất sẽ giảm dần, đến một lúc nào đó giá sản xuất năng lượng từ gió sẽ ngang bằng năng lượng hoá thạch và theo dự báo thì thậm chí có thể thấp hơn trong vài thập niên tới Chính vì vậy nên năng lượng gió cần được quan tâm, nghiên cứu nhiều hơn

Với các lý do trên, đề tài “Điều khiển độc lập P và Q của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép ứng dụng trí thông minh nhân tạo” hiện nay là vấn đề cần thiết nhằm nâng cao hiệu quả vận hành máy phát điện gió, góp phần vào việc phát triển nguồn năng lượng điện xanh, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

2 Mục đích nghiên cứu

Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào điều khiển độc lập P và Q của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG

3 Nhiệm vụ của đề tài

Bước 1: Tìm hiểu mô hình động máy điện không đồng bộ

Bước 2: Mô phỏng máy điện không đồng bộ bằng phần mềm Matlab

Bước 3: Đưa ra các phương pháp điều khiển

Bước 4: Mô phỏng điều khiển độc lập P và Q của DFIG

Bước 5: Kết hợp ứng dụng Fuzzy logic vào bộ điều khiển độc lập P và Q

4 Giới hạn của đề tài

Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình điều khiển độc lập P

và Q của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG có kết hợp ứng dụng Fuzzy logic dựa trên phần mềm matlab/simulink, đánh giá kết quả đạt được thông qua các dữ liệu thu được Đề tài cần nghiên cứu áp dụng, kiểm chứng trên thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu

Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab dựa trên mô hình động của máy điện, mô hình này hoàn toàn dùng simulink với các thông số máy có thực không có sẵn trong Powersim, vì mô hình này được xây dựng dựa trên mô hình động của máy nên hoàn toàn có thể lập trình quá trình điều khiển mà vận tốc có thể thay đổi được

Hệ thống turbine gió - DFIG có thể điều chỉnh được tốc độ, đây là máy phát điện gió phổ biến nhất trong ngành công nghiệp năng lượng gió Máy phát này có thể vận hành nối với lưới hoặc vận hành độc lập

Tìm hiểu rõ hơn về mô hình hóa, điều khiển cũng như phân tích trạng thái xác lập của máy phát này trong cả hai mô hình vận hành là điều cần thiết để tối ưu hóa quá trình sản xuất điện năng từ gió và dự đoán chính xác kết quả của quá trình đó Ứng dụng kỹ thuật Fuzzy logic vào để điều khiển độc lập P và Q của mô hình máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Tổng quan chung về năng lượng

Lịch sử phát triển của xã hội loài người gắn liền với quá trình phát minh, chuyển đổi và sử dụng năng lượng Thật khó hình dung bất kỳ một hoạt động có ý thức nào của con người lại không cần đến năng lượng Sản xuất và tiêu thụ năng lượng ảnh hưởng và chịu ảnh hưởng của nhiều vấn đề lớn của xã hội như môi trường và sinh thái, chính sách và cơ sở pháp lý, phát triển kinh tế và dân số, giao lưu quốc tế và thương mại hóa các nguồn năng lượng, trình độ công nghệ và mức

độ công nghiệp hóa, hiện đại hóa của từng quốc gia Một quốc gia khó tiếp cận với các nguồn năng lượng thì đó sẽ là cản trở lớn đối với nền phát triển công nghiệp và kinh tế của chính nước đó

Dân số tăng nhanh, nhu cầu cung cấp năng lượng ngày càng cao trong khi nguồn năng lượng trở nên khan hiếm, làm tăng vọt giá mua nhiên liệu Trong bối cảnh giá dầu thế giới đang leo cao, nền công nghiệp ở nhiều nước bị tác động mạnh

và kéo theo các ảnh hưởng về an ninh chính trị Hiện nay điện năng trên thế giới chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện nhưng hai loại này sử dụng sau thời gian dài đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trường Bên cạnh đó nguồn năng lượng từ các nguồn hóa thạch thì ngày càng cạn kiệt theo thời gian, đồng thời việc đốt cháy các loại nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu khí) đã trở thành nguồn phát lượng khí thải nhà kính lớn nhất gây ra những biến đổi khí hậu trên toàn cầu Còn nguồn điện hạt nhân lại không đảm bảo an toàn và gây ra những hiểm họa khi xảy ra sự cố như phóng xạ, điển hình là sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima I sau trận động đất

và sóng thần Sendai 2011 Đến ngày 13 tháng 3 năm 2011, các sự kiện khác đã diễn

ra tại nhà máy điện Fukushima II 11,5 km về phía nam và nhà máy điện hạt nhân Onagawa

Đứng về khía cạnh kinh tế, năng lượng lại là một trong những đề tài nóng bỏng nhất Hiện nay, trên nhiều diễn đàn những cuộc tranh luận kéo dài cũng vì chung quanh việc tìm kiếm một nguồn năng lượng “tốt nhất” trên các mặt khả năng sẵn có, chi phí khai thác, hiệu quả sử dụng, an toàn và có tính cạnh tranh Bên cạnh lĩnh vực thương mại thì hậu quả của hiện tượng nóng lên toàn cầu, ảnh hưởng chất thải phóng xạ, mưa axit … được đặt lên bàn cân để xem xét trong các chính sách về năng lượng Có thể nói đây là một công việc đầy khó khăn, thử thách, tốn nhiều thời gian, tiền bạc và công sức Điều này làm chúng ta phải có kế hoạch khám phá ra những nguồn năng lượng mới thay thế Các nguồn năng lượng sạch là các nguồn năng lượng đang được tập trung chú ý khai thác một cách sao cho đạt hiệu quả cao nhất

1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió

Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió từ rất sớm Năng lượng gió liên quan đến cối xay gió và turbine gió, theo những tài liệu cổ còn giữ lại thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay gió hoạt động nhờ vào sức gió là bắt đầu vào khoảng năm 200 trước Công Nguyên ở Ba Tư (Iran), bởi nhà địa lí người Ba Tư Estakhri Cối xay gió đầu tiên là turbine trục gió thẳng đứng được làm từ 6 đến 10 cánh quạt bằng cỏ hay chất liệu vải, những cối xay gió đã được sử dụng để bơm nước và nghiền lúa mì và các loại ngũ cốc khác và chúng có một chút khác biệt so với phiên bản cối xay gió có trục nằm ngang ở Châu

Âu sau này Cối xay gió đã được sử dụng rộng rãi ở Trung Đông dùng sản xuất lương thực ở thế kỷ 11 và sau đó các ý tưởng này được phát triển sang Châu Âu vào khoản thế kỷ 13 Ngược với kiểu thiết kế trục dọc của người Ba Tư, người Châu Âu lại thiết kế kiểu trục ngang [7]

Đan Mạch là quốc gia đầu tiên sử dụng gió để phát điện Đan Mạch đã sử dụng một turbine gió đường kính 23m vào năm 1890 để tạo ra điện Đến năm 1910, hàng trăm turbine gió có công suất từ 5 đến 25 kW đã hoạt động ở Đan Mạch [7]

Hình 1.1: Cối xay gió Tây Ban Nha (Nguồn http://wikipedia.org)

Khoảng năm 1925, các nhà máy điện gió thương mại sử dụng hai và ba cánh quạt xuất hiện trên thị trường Mỹ Các thương hiệu phổ biến nhất là Wincharger (200 đến 1200 W) và Jacobs (1,5-3 kW) Chúng được sử dụng trong các trang trại

để sạc pin lưu trữ và các pin này được sử dụng để vận hành các radio, đèn chiếu sáng, và các thiết bị nhỏ với các mức điện áp 12, 32 hay 110 volt Sau đó, Cục Quản

lý điện nông thôn (REA) được thành lập bởi Quốc hội vào năm 1936 Các khoản vay lãi suất thấp được cung cấp để truyền tải và phân phối cần thiết có thể được xây dựng để cung cấp điện cho nông dân Trong những ngày đầu của REA, khoảng năm

1940, điện có thể được cung cấp cho khách hàng nông thôn với chi phí 3-6 cent cho mỗi KWh Chi phí tương ứng của gió tạo ra điện là 12 đến 30 cent cho mỗi KWh đã bao gồm lãi suất, khấu hao, bảo trì Điện năng sản xuất từ nhà máy trung tâm với chi phí thấp hơn cộng với độ tin cậy cao hơn dẫn đến sự sụp đổ nhanh chóng của các nhà máy phát điện gió [7]

Sau năm 1940, chi phí tạo ra điện tiếp tục giảm chậm với mức dưới 3 cent cho mỗi Kwh vào đầu những năm 1970 Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng nhà máy với công suất lớn hơn và hiệu quả hơn Ngoài thế hệ máy phát điện gió cho

nhà ở, một số tiện ích trên thế giới đã xây dựng turbine gió lớn hơn để cung cấp điện cho khách hàng của họ Turbine gió lớn nhất được xây dựng trước những năm

1970 là một cỗ máy 1250 Kw được xây dựng trên Grandpa’s Knob, gần Rutland, Vermont, vào năm 1941 Khái niệm này bắt đầu vào năm 1934 khi một kỹ sư Palmer C Putnam bắt đầu nhìn vào máy phát điện gió để giảm chi phí điện cho nhà Cape Cod của mình Năm 1939, Putnam đã trình bày ý tưởng của mình và kết quả công việc sơ bộ của mình cho Công ty S Morgan Smith York, Pennsylvania Họ đã đồng ý để tài trợ cho một dự án năng lượng gió và thử nghiệm và turbine gió Smith-Putnam được ra đời Máy phát điện gió được kết nối vào mạng Central Vermont Public Service Corporation’s

Giữa năm 1941 và 1945 máy Smith-Putnam tích lũy khoảng 1100 giờ hoạt động Dự án đã được xem xét và được xác định là một thành công kỹ thuật Tuy nhiên kinh tế không thể biện minh cho việc xây dựng máy móc nhiều hơn tại thời điểm đó Máy Smith-Putnam có thể được xây dựng trong khoảng 190$/Kw trong khi nếu bằng dầu và than có thể được mua vào năm 1945 chỉ với 125$/Kw Đây là một sự khác biệt quá lớn để biện minh cho các cổ đông, vì vậy dự án đã được ngừng lại và máy phát điện gió đã bị tháo dỡ

Kết quả kỹ thuật của tua bin gió Smith-Putnam khiến Percy H Thomas là một

kỹ sư của Ủy ban điện liên bang đã tốn khoảng 10 năm với một phân tích chi tiết cho thế hệ điện gió Thomas sử dụng dữ liệu kinh tế từ máy Smith-Putnam và kết luận rằng máy lớn hơn là cần thiết để đạt khả năng về kinh tế Ông đã thiết kế hai máy lớn trong phạm vi kích thước ông cảm thấy là tốt nhất Một máy với công suất

là 6500 kW và máy thứ hai là 7500 kW Chiều cao tháp của máy 6500 kW cao 145

m với hai roto mỗi rotor có đường kính 61 m Mỗi rotor điều khiển một máy phát điện dc Sức mạnh dc đã được sử dụng để điều khiển một chuyển đổi đồng bộ dc/ac

và được kết nối với lưới điện

Thomas ước tính chi phí đầu tư cho máy của mình vào khoảng 75$ cho mỗi

Kw lắp đặt Mức chi phí này được xem là đủ thấp để được Ủy ban điện liên bang

quan tâm và gởi cho Quốc hội để tiến đến việc tài trợ Vào năm 1951 khi chiến tranh Triều Tiên đã bắt đầu thì Quốc hội đã quyết định không tài trợ cho các mẫu thử nghiệm Dự án sau này đã bị hủy bỏ, điều này về cơ bản đánh dấu sự kết thúc nghiên cứu năng lượng gió của Mỹ trong hơn hai mươi năm cho đến khi việc cung cấp nhiên liệu thực sự trở thành một vấn đề

Các nước khác tiếp tục nghiên cứu điện gió trong một thời gian dài Đan Mạch xây dựng turbine gió Gedser của họ vào năm 1957 Máy này sản xuất 200 KW với lượng gió 15 m/s Nó được kết nối với hệ thống điện công Đan Mạch và sản xuất khoảng 400.000 KWh mỗi năm Tháp này cao 26 m và rotor có đường kính 24 m Máy phát điện được đặt tại nhà ở trên đỉnh tháp Chi phí lắp đặt hệ thống này là khoảng 250$/KW Tua bin gió này chạy mãi cho đến năm 1968 thì ngừng

Tiến sĩ Ulrich Hutter của Đức xây dựng một máy 100 KW vào năm 1957 Nó đạt công suất của nó chỉ với tốc độ gió 8 m/s, thấp hơn nhiều so với các máy nói trên Máy này sử dụng một cách gọn nhẹ với đường kính cánh quạt 35 m được làm

từ sợi thủy tinh với cột tháp là một ống rỗng đơn giản hỗ trợ bằng dây guy Góc của cánh quạt sẽ thay đổi tùy vào tốc độ gió để giữ vận tốc các cánh quạt không đổi Tiến sĩ Hutter đã thu được hơn 4000 giờ hoạt động công suất định mức đầy đủ trong

11 năm tiếp theo, đây là một con số đáng kể cho một máy thử nghiệm Điều này đã đóng góp quan trọng cho việc thiết kế các tua-bin gió lớn hơn được thực hiện

Hình 1.2: Lịch sử phát triển năng lượng gió từ 1996 đến 2008 [15]

1.3 Tình hình phát triển điện gió ở hiện tại và triển vọng trong tương lai

Theo báo cáo của World Wind Energy Association đến thời điểm giữa 2013 thì trên toàn thế giới Công suất gió đạt gần 300 gigawatt Trong đó 14 GW công suất lắp đặt mới trong nửa năm 2013 sau khi lắp đặt 16,5 GW vào năm 2012, công suất điện gió toàn cầu đã đạt 296 GW, dự kiến cho cả năm là 318 GW Sụt giảm đáng kể ở Mỹ làm dẫn đến giảm toàn cầu, một phần bù đắp bằng thị trường mới, Trung Quốc đã đạt tổng công suất 80 GW [15]

Hình 1.3: Tổng công suất lắp đặt từ 2010 – 2013 [MW] [15]

Công suất gió trên toàn thế giới đạt 296255 MW vào cuối tháng 6 năm 2013, trong đó 13980 MW đã được lắp đặt thêm vào trong sáu tháng đầu tiên năm 2013

Sự gia tăng này thì thấp hơn so với nữa năm đầu của năm 2012 và 2011, tương ứng 16,5 GW lắp đặt thêm trong 2012 và 18,4 GW đã được thêm vào trong 2011 Tất cả các turbine gió được lắp đặt trên toàn thế giới vào giữa năm 2013 có thể tạo ra khoảng 3,5% nhu cầu điện của thế giới [15]

Công suất gió toàn cầu đã tăng 5% trong vòng sáu tháng (sau khi 7% trong cùng thời kỳ trong năm 2012 và 9% trong năm 2011) và 16,6% hàng năm (giữa năm 2013 so với giữa năm 2012) Trong khi đó, tốc độ tăng trưởng hàng năm trong năm 2012 là cao hơn đáng kể (19%) [15]

Đứng đầu về thị trường gió năm 2013 là: Trung Quốc, Đức, Ấn Độ và Vương quốc Anh [15]

Hình 1.4: Tổng công suất lắp đặt của các nước [15]

Hình 1.5: Tỉ lệ phần trăm công suất lắp đặt mới ở các nước 2013 [15]

Hình 1.6: Tổng công suất lắp đặt từ 1997 - 2020 [GW] về tình hình phát

triển và dự đoán đến 2020 [15]

Theo đánh giá hiện trạng công nghệ năng lượng gió ở Việt Nam, GS.TS Lê Danh Liên cho rằng lĩnh vực năng lượng gió ở nước ta chưa phát triển, chỉ mới

đang ở giai đoạn nghiên cứu ứng dụng Chỉ một số vùng có tiềm năng gió tốt để có thể ứng dụng các động cơ gió công suất trung bình và lớn Bên cạnh đó, còn một số trở ngại chính cho tương lai phát triển điện gió như vẫn chưa có chính sách và các quy định mua điện gió; chi phí đầu tư cao hơn các hệ thống phát điện truyền thống

vì thế không hấp dẫn các nhà đầu tư; vẫn còn thiếu các dịch vụ và khả năng tài chính để có thể vay từ ngân hàng cho việc phát triển điện gió; thiếu kiến thức và năng lực kỹ thuật để thực hiện dự án điện gió cũng như các kỹ thuật cơ bản và dịch

vụ sau lắp đặt Ngoài ra, chúng ta cũng chưa đủ nhận thức về công nghệ, chi phí, vận hành và chưa đủ các số liệu về gió để có sự quy hoạch tổng thể…

1.4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió

a Những thuận lợi:

Năng lượng gió là nhiên liệu sinh ra bởi gió, vì vậy nó là nguồn nhiên liệu sạch Năng lượng gió không gây ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt điện dựa vào sự đốt cháy nhiên liệu than hoặc khí ga

Năng lượng gió thuộc lĩnh vực công nghiệp mũi nhọn nên được đặc biệt ưu đãi Được sự hỗ trợ của nhiều cơ quan ban ngành và các tổ chức tín dụng

Năng lượng gió có ở nhiều vùng Do đó nguồn cung cấp năng lượng gió của đất nước thì rất phong phú Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tái tạo lại được mà giá cả lại thấp do khoa học tiến tiến ngày nay Khoảng 4 đến 6 cent/KWh Điều đó còn tuỳ thuộc vào nguồn gió, tài chính của công trình và đặc điểm của công trình

Turbine gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì vậy đó là một điều kiện kinh

tế cho các vùng nông thôn, là nơi tốt nhất về gió mà có thể tìm thấy Những người nông dân và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ bởi vì turbine gió chỉ sử dụng một phần nhỏ đất trồng của họ, chủ đầu tư năng lượng gió chỉ phải trả tiền bồi thường cho những nông dân và chủ các trang trại mà có đất sử dụng việc lắp đặt các turbine gió

Chưa có các tiêu chuẩn áp dụng cho điện gió tại Việt Nam dẫn tới khó khăn trong việc cấp chứng nhận đầu tư và thẩm định kỹ thuật dự án

Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ gió Vì vậy khi thiết kế, cần nghiên cứu hết sức chi tiết về chế độ gió, địa hình cũng như loại gió không có các dòng rối (có ảnh hưởng không tốt đến máy phát) Cũng vì những lý do có tính phụ thuộc vào điều kiện môi trường như trên, năng lượng gió tuy ngày càng phổ biến và quan trọng nhưng chưa thể là nguồn năng lượng chủ lực

Một điểm cần lưu ý nữa là khả năng các trạm điện gió sẽ gây ô nhiễm tiếng ồn trong khi vận hành, cũng như có thể phá vỡ cảnh quan tự nhiên và có thể ảnh hưởng đến tín hiệu vô tuyến nếu các yếu tố về kỹ thuật không được quan tâm đúng mức Do vậy, khi xây dựng các khu điện gió cần tính toán khoản cách hợp lý đến các khu dân cư, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực

Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở một giá cơ bản Điều đó còn phụ thuộc vào nơi có gió mạnh như thế nào Vì thế nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khác Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không liên tục và nó không luôn luôn có khi cần có điện Năng lượng gió không thể dự trữ được và không phải tất

cả năng lượng gió có thể khai thác được tại thời điểm mà có nhu cầu về điện Những nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí xa xôi cách thành phố, nhà máy, khu công nghiệp, đây là những nơi có nhu cầu về điện cao

1.5 Tiềm năng điện gió của Việt Nam

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa [9]

Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió không trải đều trên toàn bộ lãnh thổ Với ảnh hưởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió ở khu vực Đông Nam Á ở hình 1.7, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất Theo số liệu, tiềm năng gió của Việt Nam (trên

độ cao 65 mét) rất khả quan, ước đạt 513.360 MW tức là lớn hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La (2400 MW), và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60-100m từ phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Vùng này không những có tốc độ gió trung bình lớn, mà còn

có một thuận lợi là số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6-7 m/giây, tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3-3,5

mW Ở cả hai khu vực này, dân cư thưa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng dân tộc đặc biệt khó khăn của Việt Nam Ngoài ra, các vùng đảo ngoài khơi như Bạch Long Vĩ, đảo Phú Quý, Trường Sa, … là những địa điểm gió có vận tốc trung bình cao, tiềm năng năng lượng gió tốt, có thể xây dựng các trạm phát điện gió công suất lớn để cung cấp năng lượng điện cho dân cư trên đảo Tất nhiên,

để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng

kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài, nhưng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn

về năng lượng gió ở Việt Nam [9]

Hình 1.7: Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65m) theo

Ngân hàng Thế giới

1.6 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

a Các kết quả nghiên cứu trong nước:

- Đưa ra các phân bố gió và tiềm năng phát triển gió ở Việt Nam, số liệu nghiên

cứu giúp xem xét đánh giá khả năng ứng dụng phát điện gió ở Việt Nam – Tạ

Văn Đa, báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp bộ, Hà Nội 10-2006

- Áp dụng được phương pháp thiết kế phi tuyến backstepping để điều khiển máy

điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát điện gió – Cao Xuân

Tuyển, Nguyễn Phùng Quang –Năm 2006

- Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện

cảm ứng nguồn kép DFIG – PGS TS Lại Khắc Lãi – Tạp chí Khoa học công

nghệ - Đại học Thái Nguyên số 10

- ……

b Các kết quả nghiên cứu ngoài nước:

- Simulation and Analysis of a DFIG Wind Energy Conversion System with

Genetic Fuzzy Controller – B Babypriya, N Devarajan – International

Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE) ISSN: 2231-2307,

Volume-2, Issue-2, May 2012

- Development of Optimal Controllers for a DFIG Based Wind Farm in a Smart

Grid Under Variable Wind Speed Conditions – Priyam Chakravarty, Student

Member, IEEE, and Ganesh Kumar Venayagamoorthy, Senior Member, IEEE

- Active Power Control Strategies of DFIG Wind Turbines – Noel A Janssens,

Senior Member, IEEE, Guillaume Lambin, and Nicolas Bragard – IEEE Power Tech 2007, Lausanne (Switzerland), 1-5 July 2007

- Study of a Simplified Model for DFIG-Based Wind Turbines – F K A Lima,

A Luna, P Rodriguez, E H Watanabe, M Aredes – IEEE, 2009

- Doubly fed induction generator systems for wind turbines – S Muller, M

Deicke, RIK W De Doncker, IEEE, 2002

- Ridethrough of Wind Turbines with Doubly-Fed Induction Generator During a

Voltage Dip – Johnan Morren, Sjoerd W.H de Haan - IEE transactions on

energy conversion, vol.20, no.2, June 2005

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các loại turbine gió:

Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng Năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió

Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm vĩnh cửu và cánh đón lấy gió Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau

và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện phù hợp Việc sử dụng ắc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để xoay động cơ vận hành máy phát điện Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình này đang

xả thì các bình khác đang được nạp bởi cánh quạt gió Điện sẽ được ổn dịnh liên tục

Hiện nay có 2 kiểu turbine phổ biến,đó là loại trục ngang và loại trục đứng Trục ngang là loại truyền thống như hình trên, còn trục đứng là loại công nghệ mới, luôn quay ổn định với mọi chiều gió

Hình 2.1: Phân loại turbine gió

2.2 Các loại cấu hình turbine gió kết nối vào lưới điện

Turbine gió khi kết nối vào lưới điện phụ thuộc vào loại máy phát điện và bộ biến đổi điện tử công suất (PE) sử dụng cho máy phát đó Các cấu hình turbine gió

có thể được chia thành ba dạng sau khi dựa vào ứng dụng của các bộ biến đổi PE trong WECS:

- Kết nối thông qua một phần của các bộ PE

- Kết nối thông qua toàn bộ của bộ biến đổi PE

- Không có bất kỳ bộ biến đổi PE nào khi kết nối trực tiếp vào lưới điện Một số cấu hình đã được sử dụng trong hệ thống biến đổi năng lượng gió như sau:

2.2.1 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

Hình thể hiện cấu hình DFIG và bộ biến đổi điện tử công suất (PE) dùng kết nối rotor dây quấn tới lưới Với cấu hình này có thể mở rộng được phạm vi tốc độ hoạt động của Turbine mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất do một lượng công suất được cấp ngược lên lưới qua bộ chuyển đổi thay vì tiêu tán nó trên điện trở của rotor

Hình 2.2: Turbine gió với DFIG

Trong máy phát điện không đồng bộ nguồn kép với Pnom là công suất định mức của máy phát và s là hệ số trượt cực đại thì lượng công suất định mức của

bộ biến đổi công suất là (s.Pnom) Hệ số trượt s này có thể âm hoặc dương vì công suất rotor có thể âm hoặc dương do tính chất hai chiều của bộ biến đổi công suất Ví dụ, với giá trị công suất bộ converter bằng 10% lượng công suất của máy phát, dãi điều khiển tốc độ là từ 90% đến 110% tốc độ đồng bộ Nghĩa là tại thời điểm tốc độ đạt 110% thì s = -0,1 và công suất từ rotor cấp lên lưới Ngược lại nếu tốc độ đạt 90% thì s = +0,1 nên 10% công suất sẽ được cấp từ lưới đến rotor qua bộ converter Với đặc tính kiểm soát với một phạm

vi lớn hơn nhưng thiệt hại lại nhỏ hơn nên cấu hình DFIG này được quan tâm nhiều hơn cấu hình WRIG

2.2.2 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép không chổi quét

(BDFIG)

Hình 2.3: Turbine gió với BDFIG

Trong cấu hình WRIG và DFIG thì đều sử dung máy phát điện không đồng

bộ rotor dây quấn nên cần đến vành trượt và chổi quét để kết nối với rotor Vì vậy gây ra vấn đề về cơ và tổn thất về điện Để giải quyết vấn đề này thì một giải pháp được đưa ra trong BDFIG mà không cần đến chổi quét Trong sơ đồ này cuộn dây stator sẽ được kết nối trực tiếp lên lưới, trong khi các cuộn dây phụ 03 pha được nối lên lưới thông qua bộ chuyển đổi PE Bằng cách điều khiển các cuộn dây phụ này một cách thích hợp thì ta có thể điều khiển được máy phát điện không đồng bộ ở mọi tốc độ khác nhau Ngoài ra trong cấu hình này một phần nhỏ của công suất sẽ được cấp đến bộ converter

2.2.3 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permament Magnet SG)

Hình 2.4: Turbine gió với PMSG

Trong cấu hình này hệ thống truyền động trực tiếp và bộ kích từ là nam châm vĩnh cửu Trước đây do giá vật liệu nam châm đắt nên giá thành cấu hình này khá cao, tuy nhiên với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nên vật liệu không còn là vấn đề và khả năng về từ tính của nam châm cũng được cải thiện đáng kể Một nhược điểm khác của PMSG là không có khả năng điều khiển kích từ của nó

Với cấu hình SG, vì máy phát được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi PE, do đó việc truyền tải công suất đến lưới phải thông qua các bộ

PE này nên sẽ có một lượng công suất bị tổn thất Tuy nhiên, cấu hình này sẽ giúp cải thiện hiệu suất Một đặc điểm chung của các cấu hình SG là điều khiển công suất tác dụng và phản kháng giữa lưới và máy phát một cách dễ dàng và nhanh Ngoài ra máy phát được cách ly với lưới điện thông qua một tụ điện liên kết một chiều (dc-link)

2.3 Các thành phần chính của hệ thông turbine gió – DFIG

Hệ thống turbine gió - DFIG cơ bản bao gồm: Máy phát DFIG, turbine gió với

hệ truyền động, bộ biến đổi phía rotor (RSC), bộ biến đổi phía stator (GSC), bộ điều khiển bước răng, máy biến áp và hệ thống bảo vệ như hình sau:

Hình 2.5: Các thành phần chính của hệ thống turbine gió – DFIG

DFIG là máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn với các đầu ra của stator được nối với lưới thông qua máy biến áp 3 pha và các đầu ra của rotor nối với bộ biến đổi AC/DC/AC với tần số thay đổi được thông qua vành trượt và chổi than

Bộ biến đổi AC/DC/AC bao gồm bộ biến đổi phía rotor (RSC – Rotor Side Converter) và bộ biến đổi phía stator (GSC - Grid Side Converter) được nối phản hồi với nhau thông qua tụ C Dòng điện rotor được điều khiển bởi RSC để biến đổi mômen điện từ và kích từ máy phát Tốc độ của DFIG có thể được điều khiển từ phía rotor và stator trong phạm vi dưới hoặc trên tốc độ đồng bộ tương ứng với chế

độ tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng Đồng thời bộ biến đổi AC/DC/AC là

bộ biến đổi PWM cơ bản sử dụng công nghệ PWM sóng sin nên giảm được sóng hài cho hệ thống

Hơn nữa bộ điều khiển của DFIG cho phép biến đổi tối đa năng lượng từ gió khi tốc độ gió thấp bằng cách tối ưu hóa tốc độ của turbine trong khi tối thiểu hóa ứng suất cơ học trên turbine trong suốt đợt gió Việc tối ưu hóa tốc độ turbine khi có tốc độ gió làm sinh ra cơ năng trên trục lớn và tỷ lệ với tốc độ gió

Stator được nối với lưới và rotor được nối với bộ biến đổi AC/DC/AC thông qua vành trượt và chổi than cho phép DFIG hoạt động nhiều tốc độ khác nhau để đáp ứng được sự thay đổi của tốc độ gió

Công suất điện từ có thể chảy theo hai hướng là từ rotor tới nguồn hoặc từ nguồn vào rotor và do đó tốc độ của máy phát có thể được điều khiển từ cả hai phía rotor hoặc stator trên hoặc dưới tốc độ đồng bộ Kết quả, DFIG có thể được điều khiển như một máy phát hoặc như một động cơ Nếu dưới tốc động đồng bộ DFIG

ở chế độ động cơ và trên tốc động đồng bộ DFIG ở chế độ máy phát, RSC hoạt động như bộ chỉnh lưu và GSC hoạt động như bộ nghịch lưu, và công suất điện từ trả về stator Ngược lại, dưới tốc động đồng bộ DFIG ở chế độ máy phát và trên tốc động đồng bộ DFIG ở chế độ động cơ, RSC hoạt động như bộ nghịch lưu và GSC hoạt động như bộ chỉnh lưu, và công suất điện từ cung cấp cho rotor Tại tốc độ đồng bộ thì DFIG hoạt động như máy phát điện đồng bộ

Mức cao nhất là tối ưu hóa hệ thống biến đổi năng lượng gió, ở đó tốc độ của turbine gió được thiết lập để có thể tối ưu năng lượng gió Mức điều khiển này là điều khiển hệ thống cơ Mức điều khiển thấp hơn là điều khiển hệ thống điện, điều khiển mômen và công suất phản kháng Hệ thống điều khiển cơ hoạt động chậm hơn so với hệ thống điều khiển điện

2.4 Định nghĩa về mô hình và mô phỏng

có thể xảy ra trong hệ thống thực và kết quả là mô hình không giúp hiểu biết hơn về hệ thống thực như mong muốn Nếu có quá nhiều chi tiết trong mô hình, nó có thể trở nên rất phức tạp, không làm phát triển trình độ hiểu biết sâu sắc hơn mà con người tìm kiếm và thật sự cản trở quá trình nghiên cứu Điều quan trọng cần lưu ý là nếu một người xây dựng mô hình với dự định bắt chước nó, thì mỗi bước thay đổi chi tiết phải tương đối nhỏ, và mỗi lần thay đổi phải thực hiện mô phỏng lại [1]

b Mô phỏng

Mô phỏng là một ngành khoa học giúp cho con người hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành một hệ thống, cũng như toàn bộ hệ thống

Mức độ hiểu biết thu được từ ngành khoa học này lớn tới mức hiếm khi đạt được thông qua bất kỳ ngành khoa học nào khác

Mô phỏng là sự vận động của một mô hình như cách hoạt động theo thời gian và không gian bên trong hệ thống thực mà mô hình này đại diện Vì vậy,

mô phỏng cho phép biết được sự tác động qua lại bên trong hệ thống nhờ sự tách biệt theo thời gian hoặc không gian

Một cách tổng quát, mô phỏng là sự lặp lại và phát triển của mô hình Một người xây dựng một mô hình, mô phỏng nó, nghiên cứu quá trình mô phỏng, sửa đổi mô hình và tiếp tục mô phỏng cho đến khi thu được một mức độ hiểu biết đầy đủ từ mô hình [1]

2.5 Ưu nhược điểm và mục đích xây dựng mô hình động

a Ưu điểm: khi xem xét các phương trình động trong hệ quy chiếu 3 pha cố

định

- Tính toán chính xác các đại lượng theo thời gian

- Xem xét đầy đủ các mối quan hệ giữa điện và cơ

- Xét các yếu tố tương hỗ giữa rotor và stator

- Thể hiện sự đối xứng của 3 pha nên phân tích được lỗi máy khi máy mất tính đối xứng

b Nhược điểm: Khi xây dựng định nghĩa các ma trận và vector

- Tính toán phức tạp có tổng trên bảy biến

- Các tham số phương trình [Lsr] thay đổi theo thời gian dẫn đến các biến số thay đổi

- Chưa thể hiện chính xác hết vì khi máy hoạt động thực tế thì nhiệt độ sẽ tăng dẫn đến điện trở thay đổi làm các thông số trong máy thay đổi