Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép với bộ khử thành phần thứ tự nghịch của dòng roto và khâu hiệu chỉnh pi fuzzy khi nguồn bất đối xứng

Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi trang bị máy phát đồng bộ không dùng hộp số truyền động...- cà S25 ceneeeeeeersereere 27 Hình 3.12.Cấu trúc của hệ thống làm việc với t

LỮ THÁI HÒA

DIEU KHIEN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐÔNG BỘ

NGUON KEP VOI BO KHU THANH PHAN THU TU NGHICH CUA DONG ROTO VA KHAU HIEU CHINH

PI-FUZZY KHI NGUON BAT DOI XUNG

LUAN VAN THAC SI

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đẳng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- TÊN ĐÈ TÀI:

DIEU KHIEN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐÔNG BỘ NGUÔN KÉP VỚI BỘ

KHU THANH PHAN THU TY NGHICH CUA DONG ROTO VA KHAU

HIEU CHiNH PI-FUZZY KHI NGUON BAT DOI XUNG

ll- NHIEM VU VA NOI DUNG:

- Xây dựng mô phỏng điều khiển độc lập P, Q của DFIG với bộ khử thành phan thứ

tự nghịch của dòng rotor và bộ điều chỉnh PI - Fuzzy khi nguồn bất đối xứng để nâng cao nâng cao tinh 6n dinh moment va điều khiển tốt P,Q độc lập

- Mô hình và phân tích kết

- Kết luận và kiến nghị

HI- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:18/08/2014

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:14/01/2015 v- CAN BO HUONG DAN: TS VO VIET CUONG

Wo

TSS vid Cg

quả nêu trong Luận Văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bat ky công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận Văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận Văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

to

LU THAI HOA

LOI CAM ON Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng

dẫn tận tình của TS VÕ VIẾT CƯỜNG, tôi đã hoàn thành luận văn đúng thời gian quy định Để hoàn thành cuỗn luận văn này, tôi xin bay tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS

VÕ VIẾT CƯỜNG, thầy là người tận tâm hết lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình và

cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận văn Xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đảo Tạo

Sau Đại Học trường Đại Học Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện

thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ cho tôi trong

quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ thuật điện” đã đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2015

Người thực hiện

l—

LỮ THÁI HÒA

giới và Việt Nam

Tiếp theo, luận án này cũng trình bày những khái niệm vẻ hệ thống chuyển

đổi năng lượng gió của máy phát điện gió cũng như cấu trúc và đặc điểm của máy

phát điện không đồng bộ nguồn kép 2.3MW được khảo sát cần thận Các mô hình

toán học của tuabin gió và DFIG cũng được khảo sát cẩn thận Lý thuyết về điều khiển định hướng từ thông stator và hệ quy chiếu chuyển đổi trục được mô tả chỉ

tiết

Cụ thể, các ứng dụng của bộ điều khiển SCC và PI-Fuzzy khi điện áp bất đối

xứng trong điều khiển công suất tác dụng và phản kháng với độ chính xác và độ tin cậy cao Đây là mục tiêu chính mà chúng ta thực hiện So sánh giữa bộ điều khiển

PI truyền thống và các bộ điều khiển SCC + PI-Fuzzy được thực hiện để chứng

minh hiệu quả khi sử dụng bộ điều khiển SCC và PI-Fuzzy

Tất cả các mô phỏng được thực hiện trên phần mền Matlab / Simulink.

Specifically, the application of SCC and PI-Fuzzy controllers under unbalance voltage is employed in controlling active and reactive power with the high accuracy and reliability This is the main objective that we focus mostly on A comparison between traditional PI controllers and SCC + PI-Fuzzy controllers are shown to prove the excellent performance using SCC and PI-Fuzzy controller

All the simulations are investigated with Matlab/Simulink

Tóm tắt luận văn s2 c2 nh HH 2 1 rrrrrrrmirerrrrrririir iii

ADSUtract voces iv

MU UC 11 .ố a.n v

Danh muc cac so CON 08 X

Chương 1: Mở 8 1

PL Dat Var de eee eeccceteeseeeeeseeecsssncensscsusseessnmeessnsescusessnnesesenecnay snesessnessssnesssed 1 1.2 Tính cấp thiết đề tài . -ccrrirrrrrrtrrrerrrrrrirrrrerrrrriee I I3 — Mục tiêu đề tài .ì.ccieererhhheheHrherreehereererrimrie 2

1.5 — Kết qủa đạt được cceesnesrierirrrerrrririrrririrrrrree 2

1.6 — Tính mới để tài .e-cccccsscvrirtrrrtrrtrtrtrrrrrrrrrirrrrrrirrrierrie 2

1.7 — Nội dung luận văn ccẶc cà hen th Hi re g1 nh 2

Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió - 5-55-5c+stsetsererrrereerrtrr 4

2.1.1 Lịch sử phát triển năng lượng giÓ ccccscténtenhiereererrerririeirire 4

2.1.2 Tình hình hiện tại và triển vọng tương lại -¿-5- 52 55ssetsrrrrerserrtrs 8

2.2.1 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam . -rrsereererre 11

2.2.2 Dự án đầu sản xuất điện từ năng lượng gió . -csrcerrerre 13

Chương 3: Cơ sở lý thuyết máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) 16

E0 .ố 16

3.2 CAu tao cia hé théng phat điện gi eseeceeeesessesscseeseeeeesseseesnessneneaneeneeseens 16

vi

Sàn 7 na 17

3.2.2 Cánh quạt tuabin -.-~ SH HH thư 111111 tre 18 3.2.3 Bộ phận điều hướng .2- 76-2222 18

3.2.4 Bộ phận điều khiển tốc độ -.c- S2 crreerirtritrriitriiriieiire 18 3.3 Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió - 19

3.3.1 Máy phát dién déng bO cccecsesseessesseeseesnssstesssssessessseesensesascenersecnserseensents 19 3.3.2 Máy phát điện cảm tg o ecceecssesssssesseeessseesssessseesssecssssecsscsnsesssaneennensantesnees 20 3.3.3 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn .cs-ccccctsrrerrrrrrtrrrrrrirrrke 22 3.3.4 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) - -. - 22

3.4 _ Các cấu hình hệ thống chuyên đổi năng lượng gió : : - 23

3.4.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đỗi -. - 25

3.4.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi . .- 26

3.4.3 Hệ thống máy phát điện gió - DFIG -c-55cccsrrertrtrrerrreirree 28 3.5 Mô hình điều khiển DFIG với phương pháp SFOC -: - 29

hàn (ca ẽ 29

3.5.2 Vector không gian và các phép biến đổi . -ccerrrrrrrrierre 29 3.5.3 Biểu diễn công suất theo Vector không gian .-. cccseseeeeerre 31 3.5.4 Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và ø/_ . -ce-ee- 32 3.5.5 Mô hình toán của máy phát điện gió DFIG .- -cs <‡Sseeeeereiee 35 3.5.5.1Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh gỹ - - 36

3.5.5.2Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq +- 38

3.6 Xây dựng mô hình điều khiển DFIG . -. -5-©°-++sx+setesersere 39 3.6.1 Điều khiển Converter phía lưới (Grid Side Control — G§C) 40

3.6.2 Điều khiển Converter phía rotor theo phương pháp SFOC 4I Chương 4: Xây dựng mô hình điều khiển DFIG với bộ khử thành phần thứ tự nghịch của dòng rotor và khâu hiệu chỉnh PI-Fuzzy khi nguồn bất đối 44

AL Bộ điều chỉnh PI-Fuzzy cSheHrHrrrrreiere 44 4.2 Xây dựng bộ điều khiển DFIG - SFOC với bộ SCC 48

Chương 5: Mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả giữa DEIG_SFOC &

5.3 M6 hinh hé théng DFIG SFO esescseesseesssessessseesseensneeneesssenseesneesnsetee 55 5.4 Mô hình điều khiển DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy -cccse: 67 5.5 So sánh DFIG SFOC & DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy 79 Chuong 6: Két lian va cac dé XUAt cee cccceesseesseermeesseenseesnscenenntenneneneenees 88

6.1 Kết luận 88

6.1.1 Luận văn đã nghiên cứu và tìm hiỂu - 5c vSSxerteerretrtrrrrrirre 88

6.1.2 Những nghiên cứu chưa xét trong luận văn -eeeeieeerrerrre 88

6.2 Hướng phát triển đề tài sàn se nthtrrrrrrttrrrrrrrrririrrrree 89

DANH MỤC KÝ HIỆU — TU VIET TAT

Dién ap stator, rotor

Dong dién stator, rotor

Tir théng stator, rotor

Dòng rotor thành phần thuận trước / sau bộ lọc notch

Dòng rotor thành phân thuận trước / sau bộ lọc notch

Sequence Compents Controller bộ thành phần thứ tự thuận nghịch

Máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG_SFOC : DFIG điều khiển bằng phương pháp định hướng từ thông stator

DFIG_SFOC+ SCC -PI_Fuzzy: DFIG_SFOC có thêm bộ SCC và PI-Fuzzy

Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65m) l7] 12 Bảng thông số K, “ 47

So sách kết quả công suất tác dụng của hai phương án 83

So sách kết quả công suất phản kháng của hai phương án 84

DANH MỤC CÁC SƠ ĐÒ, HÌNH ANH

Hình 2.2.Khả năng lắp đặt năng lượng (GW) ở những năm khác nhau!' 9

Hình 2.3 Kích cỡ và công suất định mức máy phát điện gió trên thị trường?! 10

Hình 2.4 Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m Nguằn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001 (Mau vàng, đỏ có tốc độ gió

trên 7m/s)2° ĐA LL

Hình 2.6 Các tổ máy 1.SMW đầu tiên của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận

Hình 3.1 Chỉ tiết buồng chứa của hệ thống phát điện gió - l7

Hình 3.2.Thống kế các phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa

c1 - 19

Hình 3.4 Máy phát cảm ứng tự kích từ Sàn Sen hen nưưn 21

Hình 3.5 Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện 2l

Hình 3.7 Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo 23

Hình 3.8 Sơ đồ các khối chức năng trong hệ thống năng lượng gióÖŠL, 24

Hình 3.9 Điểm làm việc của hệ thống tuabin gióÏÌ - - các cà se 25

Hình 3.10 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi 26

Hình 3.11 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi trang bị máy phát

đồng bộ (không dùng hộp số truyền động) - cà S25 ceneeeeeeersereere 27

Hình 3.12.Cấu trúc của hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIGP”” 28

Hình 3.15 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq ÏŸÏ cà se hi cớ 33

Hình 3.16 Mối liên hệ giữa trục tọa độ øØ và dd cà cà cành HH 34

Hình 3.17 Cấu hình kết nối stator và rofor, Y-Y - cà sen 35

Hinh 3.18 So dé tuong duong RL cila stator Va rotor - 36

Hình 3.19 Mach điện tương đương mô hình động DFIG trong hé trucaf 37 Hình 3.20 Sơ đồ tương đương của động cơ KĐB trong hệ trục quay dd 38

Hình 3.22 Sơ đồ khối điều khiển SFOCPÏ cccceceeeecceee 42

Hinh 4.1 Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển PI mờ c+ + se 45

Hình 4.2 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ -cccẰcẰ+ SH 46 Hình 4.3 Mối quan hệ hàm điều chinh ngỏ vào e(k) và de(k)!” 46 Hình 4.4 Mối quan hệ hàm điều chỉnh ngỏ ra Kạ, Kị PŸ cà 47

Hình 4.5 Bộ điều chỉnh PI-Fuzzy thực hiện trên phần mềm Matlab/simulink 47

Hình 4.6.Mô hình khối mô hình điều khiển SCC . à cà 49

Hinh 4.7 Vector định hướng từ thông FOC với thành phần thứ tự thuận-

T10 101222 49

Hình 4.8 So đề khối mô hình điều khiển DFIG_ FOC có SCC và PI- Fuzzy!”” 51 Hình 5.1 Sơ đồ tổng thể của hệ thống DFIGÏ, - cc+ + S2 se 52

Hình 5.2 Khối biến đổi abc/dq và dq/abc - cc 5S cà the tHướ 53

Hinh 5.3 Khối mô phỏng mô hình máy DFIG trong trục tọa độ da 54

Hình 5.4.Khối mô phỏng máy phát điện gió DFIG -. - -«-: 54 Hình 5.5 Mô hình mô phỏng hệ thống DFIG bằng Matlab Simulink 5Š

Hình 5.8 DC — link .- + cà x Sen 2x nọ SH nh nh khen HH 57

Hình 5.10 Khối mô phỏng bộ nghịch lưu - - 58

Hình 5.11 Tốc độ gió - -.- 2S nh nhé HH nhe 59

Hinh 5.13 Dong dién ig: DFIG_SFOC 0 0cceee cece ce cee ee sen Ho 60

Hình 5.14 Dòng điện ig, DFIG_SFOC tai thoi điểm bất đối xứng 60

xii

Hình 5.16 Dòng điện ig, DFIG_SFOC tại thời điểm bất đối xứng 61

Hình 5.18 Công suất tác dung stator DFIG_SFOC khi bat đối xứng (t=60 - 80s) 62

Hình 5.19 Công suất tác dụng stator DFIG_SFOC khi giá trị lệnh thay đổi

Hình 5.20 Công suất phản kháng stator DFIG_SFOC 63

Hình 5.21 Công suất phản kháng stator DFIG_SFOC khi bất đối xứng

Hình 5.22 Công suất phản kháng stator DFIG_SFOC khi giá trị lệnh thay đổi

Qs = -1,2 + -0,8 MVAR Q chinh ereeee srerrrrraereoe Ô

Hình 5.25 Dòng điện stator DFIG_SFOC tại thời điểm bất đối xứng pha A

Hình 5.27 Dòng điện Rotor DFIG_SFOC tại thời điểm bất đối xứng pha A

ii ố 67

Hình 5.28.Rotor Converter Control khâu hiệu chỉnh PI-Fuzzy với bộ khử thành phần thứ tự thuận nghịch của dòng rotor (SCC) . - - e.c - 7 Hình 5.29 Bộ khử thành phần thứ tự thuận nghịch của dòng rotor (SCC) 68

Hình 5.30 Bộ điều chỉnh PI — Fuzzy - - -cc cà cành nhe He 68

Hình 5.31 Tốc độ gió DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy . . +>sc- 69

Hinh 5.32 Van téc rotor n, DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy .- - 70

Hình 5.33 Dòng điện i„ DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy khi bất đối xứng 70

Hình 5.34 Dòng điện ig, DFIG_SFOC cé SCC+PI-Fuzzy tại thời điểm nguồn

Hình 5.35 Dòng điện i„ DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy khi bất đối xứng 71

Hình 5.36 Dong điện i„ DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy tại thời điểm nguồn DAt GbE XM 77 72

Hinh 5.37 Céng suat tac dung stator DFIG_SFOC cé SCC+PI-Fuzzy

Hình 5.38 Công suất tác dung stator DFIG_SFOC cé SCC+PI-Fuzzy khi bat

44: xttng (t = 60 - 808) ccccceeceeceeeeeneeceeceecenneetee nh HH HH Hee

Hình 5.39 Công suất tác dụng stator DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy khi giá

trị lệnh thay đổi Ps= -l,5 + -2MW cẶà Sen tri

Hinh 5.40 Céng suat phan khang stator DFIG_SFOC cé SCC+PI-Fuzzy Hình 5.41 Công suất phản kháng stator DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy khi

bất đối xứng (f= 60 — 80§) cà nhe nhe HH HH Hee 74 Hình 5.42 Công suất phản kháng stator DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy khi giá

trị lệnh thay đối Qs = -1„2 + -0,8 MVAR àằ che Hee

Hình 5.43 Moment cơ ( Te ) DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy Hình 5.44 Dòng điện stator DFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy

Hình 5.45 Dòng điện stator DFIG_SFOC cé SCC+PI-Fuzzy tại thời điểm bat

đối xứng pha A (t = 608) Sàn nành Hàng HH Hư

Hình 5.46 Dòng điện rotor DEFIG_SFOC có SCC+PI-Fuzzy

Hình 5.47 Dòng điện Rotor DFIG SFOC có SCC+PI-Fuzzy tại thời điểm bất đối xứng pha A (t= 60§) cà Sàn nh nghe Hee

Hinh 5.48 Dién ap Vs abc khi t = 60s, dién ap pha A giảm 10%

Hình 5.49 Dòng dién rotor l, ;p; khi điện áp pha A giảm 10% bắt đầu t = 60s

kết thúc t = 8S .- QC TQ nọ nh n TH HH th HH nh ke kh nh 4221481121 ket

Hình 5.50 Công suất tác dụng thực và lệnh thay đổi khi t=50s, điện áp pha A

Hình 5.51 Công suất phản kháng thực và lệnh thay đổi khi t = 50s, điện áp pha

Hình 5.52.Monment Te thực và lệnh thay đổi khi t = 50s, điện áp pha A giảm

10% tai t = 60S an

75

84

ta phải có kế hoạch khám phá ra những nguồn năng lượng mới thay thế Ngoài ra, môi trường cũng là đề tài mà cả thế giới hiện nay đang quan tâm, vẫn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính do khí thải CO ở các nhà máy

12 Tinh cap thiết của đề tài

Nguồn năng lượng hóa thạch đang bị cạn kiệt, năng lượng tái sinh là một cứu

cách rất hữu hiệu cho nên công nghiệp đất nước và hơn thế nữa là giải quyết được

hiện tượng hiệu ứng nhà kính và chất thải CO¿ Việt Nam, quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió rất lớn Phát triển năng lượng này đang là mục tiêu của các nhà khoa học kỹ thuật trong nước hướng đến Một trong những vấn đề của việc ứng dụng

phát điện gió là xây dựng mô hình điều khiển sản xuất điện gió đã và đang được

nhiều nước trên thế giới thực hiện Hệ thống tua-bin gió chủ yếu được xây dựng tại các vùng tiềm năng gió và đặc biệt nguồn điện được dùng trong điều khiến DFIG được lấy trực tiếp từ lưới nên khi có sự cố sẽ tác động trực tiếp đến các đại lượng trong điều khiển cụ thể là công suất tác dụng và phản kháng Vì vậy, việc điều khiến độc lập công suất P, Q của máy phát DFIG khi nguồn bất đối xứng để nâng cao tính

ổn định moment, đảm bảo điều khiển độc lập P, Q chính xác là cần thiết Để giải quyết mục tiêu đó, giảm thành phần sóng hài bậc 2 nhất là thành phần sóng hài của dòng điện thứ tự nghịch của rotor là cần thiết và có tính cấp thiết.

bộ khử thành phần thứ tự nghịch của dòng rotor và bộ điều chỉnh PI - Fuzzy khi nguồn bất đối xứng để nâng cao tính én định moment và điều khiển tốt P,Q độc lập, đồng thời giảm sóng hài bậc 2 của dòng thứ tự nghịch của rotor

So sánh với phương án truyền thống, từ đó rút ra kết luận thực tiễn trong

nghiên cứu về điều khiển máy điện gió DFIG

- Nghiên cứu tư liệu lý thuyết trên nền táng khoa học đã được chứng minh

- Xây dựng mô phỏng điều khiến độc lập P, Q của DFIG với mô hình máy điện

trong hệ qui chiếu quay trên phần mềm Matlab/ Simulink

- Xây dựng mô phỏng điều khiển DFIG với bộ khử thành phần thứ tự nghịch của

dòng rotor và khâu hiệu chỉnh PI - Fuzzy khi nguồn bắt đối xứng trên phần mềm Matlab/ Simulink

1.5 Kết quả đạt được

- Dự kiến sẽ ứng dụng mô phóng vào thực tế một cách hữu hiệu nhất trong điều

khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG

1.6 Tinh moi dé tai

- Khử thành phần sóng bài bậc 2 thứ tự nghịch của dòng rotor khi nguồn bất đối xứng

- Ứng dụng lý thuyết mờ (Fuzzy) trong khâu hiệu chỉnh PI

Nội dung luận văn gồm 6 chương:

Chương l: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan năng lượng gió

Chuong 3: Co sé ly thuyét diéu khién may dién gid

Chương 4: Xây dựng mô hình điều khiển DFIG với bộ khử thành phần thứ tự

nghịch của dòng rotor và khâu hiệu chỉnh PI - Fuzzy khi nguồn bất đối xứng

Chương 5: Mô hình và phân tích kết quả

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

2.1 Tổng quan về năng lượng gió

2.1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

Nỗ lực của con người trong việc khai thác năng lượng gió đã có từ thời

cổ đại, khi họ sử dụng thuyền và tàu di chuyển bằng sức gió Sau đó, năng lượng gió phục vụ con người làm hoạt động cối xay hạt và bơm nước Trong suốt sự biến đổi từ những dụng cụ thô sơ và nặng nề đến những máy phức tạp và hiệu quả,

kỹ thuật đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển

Đã có những tranh luận về khái niệm nguồn gốc của việc sử dụng gió cho

cơ năng Một vài người tin rằng khái niệm này bắt nguồn từ người Babylon cổ đại

Vương triều Hammurabi của người Babylon có kế hoạch sử dụng năng lượng gió cho công trình hệ thống tưới tiêu đầy tham vọng trong suốt thế kỷ XVII trước Công Nguyên ÚÌ, Một số khác lại cho rằng nơi khai sinh ra cối xay gió là Án Độ

Trong thời đại Arthasastra, một tác phẩm cổ điển bằng tiếng Phạn viết bởi

Kautiliya suốt thế kỹ thứ IV trước Công Nguyên, nguôồn tham khảo được dựa trên

việc nâng mặt nước bởi hệ thống được vận hành bởi gió Í° Tuy nhiên, không có

ghi chép nào chứng minh rằng những khái niệm trên biến đổi thành những thiết bị

Vào thế kỷ XII, cối xay hạt được sử dụng hầu hết ở Âu Châu Người Pháp

thu nhập kỹ thuật này vào năm I105 sau Công Nguyên và ở Anh vào năm

1191 trước Công Nguyên Ngược lại với mẫu thiết kế trục dọc của người Ba Tư,

cối xay của Châu Âu lại có trục ngang U91,

Người Hà Lan, với nhà thiết kế trứ danh Jan Adriaenszoon, là người đi tiên phong trong việc thiết kế ra những loại cối xay này Chúng đã tạo nên sự phát triển trong lĩnh vực thiết kế và phát minh vài loại cối xay Ngoài việc xay hạt, cối xay gió còn được dùng để tháo nước những vùng đầm lầy ở Hà Lan Những cối xay gió này du nhập vào Mỹ vào khoảng giữa những năm 1700, nhờ vào thực dân Hà Lan Loại này mô phóng theo cối xay gió bơm nước, được cho rằng là một trong những ứng dụng thành công của năng lượng gió Tuabin gió nhiều cánh (được gọi theo người Mỹ) xuất hiện trong lịch sử năng lượng gió vào khoảng giữa những năm 1800 Roto tương đối nhỏ, có đường kính khoảng từ một đến vài mét, được sử dụng trong thiết kế này Ứng dụng chủ yếu để bơm nước từ vài mét dưới mặt đất để phụcvụ cho nông nghiệp Những máy bơm nước này, với những cánh quạt bằng kim loại và thiết kế máy tốt hơn đã hoạt động khá tốt Khoảng 6 triệu cái như vậy đã được sử dụng

Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm

1900 Tuabin gió hiện đại đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho máy phát điện được

xây dựng bởi người Đan Mạch trong năm I890 Nó cung cấp điện cho vùng nông thôn Lần đầu tiên, hộp truyền động gia tốc được giới thiệu trong mẫu thiết kế Hệ thống này hoạt động trong 20 năm với công suất định mức là 12 kW 09],

Nhiều phương pháp hệ thống cũng được ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật

của tuabin trong suốt giai đoạn này Với kết cấu vững chắc thấp và cánh quạt thiết

kế theo động lực học, những hệ thống này đã hoạt động một cách ấn tượng Năm

1910, vài trăm loại máy kiểu này đã cung cấp điện năng cho những ngôi làng

ở Đan Mạch Vào khoảng năm 1925, máy phát điện bằng sức gió đã có mặt trên thị trường Mỹ

Nhà máy năng lượng gió thực nghiệm sau đó được xây dựng ở các nước như Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức và Anh Một sự phát triển đáng chú ý trong

hệ thống lớn này là tuabin 1250 kW thiết kế bởi Palmer C Putman Tuabin được

đưa vào sử dụng riêng ở Mỹ, vào khoảng năm 1850 và 1930 và được sử dụng

năm tiếp theo, đến khi cánh quạt bị hỏng vào năm 1945 Công trình này được nhận

xét là đã thành công vì nó có thể chứng minh tính khả thi về kỹ thuật của máy phát điện sức gió công suất lớn

Một vài mẫu thiết kế của tuabin gió được thực nghiệm trong giai đoạn này Darrieus G.J.M, một kỹ sư người Pháp, đã dồn sức vào mẫu thiết kế tuabin Darrieus năm 1920, và được cấp bằng sáng chế ở Mỹ năm 1931 Bl Nghiên cứu tập trung về nguyên lý hoạt động của tuabin gió xuất hiện trong những năm 1950 Ví

dụ như roto nhẹ và có tốc độ cố định phát triển ở Đức vào năm 1968 Chúng có cánh làm bằng sợi thủy tinh được gắn trên cột rỗng cố định bởi các dây cáp chằng

Loại lớn nhất có đường kính 15m và công suất là 100kW

Trong những năm sau đó, nguồn sơ cấp để sản xuất ra điện khai thác từ nhiên liệu hóa thạch trở nên rẻ và tin cậy hơn Trong khi đó, nguồn năng lượng gió khai thác từ gió tến 12 đến 30 centkWh trong năm 1940, thì với sản lượng tương

tự thì khai thác từ những nguồn nhiên liệu khác chỉ tốn 3 đến 6 cen/kWh vào năm

1970 ỨÌ Chị phí cho điện năng khai thác từ nhiên liệu hóa thạch giảm xuống thấp

hon 3 cent/kWh nam 1970 Nhiên liệu hóa thạch có ở nhiều nơi với giá khá rẻ trong thời điểm đó Một vài dự án năng lượng hạt nhân cũng được bắt tay vào thực hiện và được tin tưởng rằng nó sẽ là nguồn năng lượng cuối cùng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai Do đó mối quan tâm về năng lượng gió giảm từ từ, đặc biệt trong năm 1970

Tuy nhiên khủng hoảng dầu năm 1973 đã buộc các nhà khoa học, kỹ sư và những nhà hoạch định chính sách phải suy nghĩ kỹ lại về việc dựa vào nhiên liệu hóa thạch Họ nhận ra rằng sự xáo trộn về chính sách sẽ hạn chế và giá cả leo thang Hơn nữa, người ta còn nhận thấy rằng nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch sớm hay muộn sẽ bị cạn kiệt Năng lượng hạt nhân thì không được chấp nhận vì nhiều lý do về sự an toàn Những nhân tố trên đã làm sống lại môi quan tâm về

năng lượng gió Nghiên cứu về sự phân tích nguồn năng lượng, sự phát triển của thiết bị và các kỹ thuật giảm hao phí đã được tăng cường Mỹ đã giao cho Cơ quan hàng không và không gian Hoa kỳ (NASA) việc phát triển tuabin gió cỡ lớn

Kết quả là một loạt tuabin trục ngang với tên gọi là MOD-0, MOD-I, MOD-2 và

MOD-5 ra đời Ù°Ì` Những dự án trên đã ngưng vào giữa thập niên 1980 vì nhiều lý

do khác nhau Trong cùng thời điểm trên, những nhà khoa học ở phòng thí nghiệm Sandia đã tập trung nghiên cứu mẫu thiết kế và phát triển tuabin Darrieus Họ sản xuất vài mẫu Darrieus với kích cỡ khác nhau trong thập niên 1980

Việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được trở nên mạnh mẽ trong những năm sau đó Một vài sáng kiến mới như tuabin xoáy, kiểu tăng cường máy khuếch tán, roto Musgrove cũng đã được để nghị trong giai đoạn đó Nguyên mẫu của các loại tuabin này đã được chế tạo và thử nghiệm Tuy nhiên, mẫu thiết kế với cánh quạt trục ngang đã nỗi bật trên thị trường tiêu dùng

cầu đã tăng trong suốt 5 năm vừa qua Mỹ là nước dẫn đầu với khả năng lắp đặt là 25.200MV, theo sau là Đức với 23.900MV, Tây Ban Nha là 16.800MV,

Trung Quốc 12.200MV và Ấn Độ là 9.600MV Năm nước dẫn đầu trong lĩnh vực

khai thác năng lượng gió được sắp xép trong bang 2.1

Với niềm hy vọng ngày càng cao vào năng lượng có thể phục hồi và giảm chỉ phí trong ngành điện khai thác từ gió, sự phát triển nguồn năng lượng gió vẫn sẽ tiếp tục trong vài năm sắp tới Theo Hiệp Hội Năng Lượng Gió Châu Âu (EWEA), năng suất khai thác có thể sẽ đạt đến 1.2 triệu MW vào năm 2020 (7)

Bảng 2.1 Những quốc gia dẫn đầu máy điện gió (30]

Hình 2.2 Khả năng lắp đặt năng lượng gió (GW) ở những năm khác nhau u81

Cùng với sự phát triển của công nghiệp, ngành kỹ thuật năng lượng gió cũng đang thay đổi Sự thay đổi rõ nhất là việc chuyển ra lắp đặt ngoài khơi Các

để án lắp đặt hệ thống năng lượng gió ngoài khơi đầy tham vọng đang được tiến hành Ví dụ như 20 đề án ngoài khơi đang trong kế hoạch được lắp đặt ở Anh năm

2006, với tổng năng suất là 1400MW Ở Đức, khoảng 30 để án ngoài khơi công suất 6000MW đang trong tiến trình hoàn thành Ở Mỹ, các hoạt động ngoài khơi cũng đang được tăng cường HH

Xu hướng khác của nền công nghiệp là sản xuất các máy móc thiết bị kích

cỡ lớn Vì một tuabin lớn sẽ rẻ hơn néu tinh theo don vi co ban kW, do đó công nghiệp sẽ phát triển từ MW đến đơn vị nhiều MW Vài nhà máy như RE Power System AG đang suy nghĩ về những tuabin kích cỡ 5 MW Mẫu RE Power được trang bị một roto không lồ 125m với mỗi cánh nặng khoảng 19 tấn Người ta cũng đang cố gắng giảm tổng trọng lượng bao gồm trọng lượng của rofo và vỏ động cơ

Với mẫu thiết kế kỹ thuật thông minh, NEG Micon có thể hạn chế trọng lượng của

máy phát loại 4.2 MW của họ xuống còn 214 tấn, được xem là thành tựu đáng ghi

nhận Với loại máy phát nguồn kép với tốc độ biến thiên đang thu hút nhiều sự chú

ý đặc biệt trong ngành công nghiệp 1,

Ngày nay, với sự phát triển khoa học kỹ thuật, sự ra đời các thiết bị điện tử công suất với giá thành hợp lý Tuabin ngày càng phát triển cả về kích thước

và công suất sử dụng, hình 2.3 thể hiện quá trình phát triển tuabin gió giai đoạn từ

năm 1985 đến 2010 Đến nay, Tuabin gió thương mại lớn nhất có công suất

4.5MW Enercon đã đưa ra mẫu đầu tiên loại máy đồng bộ đa cực điều khiển

tuabin trực tiếp với công suất SMW NEC Micon đưa ra sản phẩm máy điện

nguồn kép điều khiển tuabin với hộp số công suất 4,2MW Ca hai điều khiển được

góc quay cánh quạt gió (góc pitch) 09,

11

2.2.1 Tiềm năng năng lượng gió 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

Ge 5-80 30.08 6-OD Goes 1h MAE Mery Coed 100% totes

Hinh 2.4 Ban dé tiém nang dién gid Viét Nam Tốc độ trung bình năm tại độ cao

65m Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001

(Màu vàng, đô có tốc độ gió trên 7m/s) °?

Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chỉ tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó

có Việt Nam (Bảng 2.2) Như vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong

khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “ tốt ”

đến “ rất tốt ” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia

Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn

200 lần công suất của thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 27], 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 cãâ một câu chuyện dài, nhưng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiêm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam

Nếu xét tiêu chuân để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát

triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có dén 41% diện tích nông

thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh con số này với các nước láng giểng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió Đây quả thật là một ưu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta còn thờ ơ chưa nghĩ đến cách tận dụng

2.2.2 Dự án đầu sản xuất điện từ năng lượng gió

Tiềm năng điện gió ở Việt Nam (ước tính 110GW) và sự tích cực đầu tư vào

lĩnh vực này Thị trường phong điện Việt Nam vì thế mà trở nên nhộn nhịp trong thời gian gần đây Điển hình nhất là công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam- REVN (do Viện năng lượng góp vốn và quản lý) Công ty được thành lập năm

2004, vốn điều lệ khiêm tốn 10 tỷ đồng, có lợi thé hon hắn các công ty trong nước khác là đội ngũ chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng, các mối quan hệ trong nước, quốc tế sâu rộng Công ty đã đầu tư nhà máy phong điện đầu tiên ở tỉnh

Bình Thuận với công suất 120MW

Hinh 2.5 Cac t6 may 1.5MW đầu tiên của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình

Thuận

Nhà máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại-Du lịch Công Lý (Cà Mau) làm chủ đầu tư, được xây dựng tại khu vực ven biển thuộc

ấp Biển Đông A, xã Vĩnh Trạch Đông, thị xã Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu Dự án được

xây dựng trên diện tích 500 ha, công suất thiết kế 99 MW, điện năng sản xuất 310

triệu KWh/năm, vốn đầu tư 4.500 tỷ đồng (Một số nhà phân tích cho rằng đầu tư

dự án điện gió, doanh nghiệp sẽ có lợi ích kép nhờ vào Du lịch và Địa ốc, đo diện tích triển khai rộng, vị trí địa lý thuận lợi và cảnh quan đẹp) D3],

Công ty CP Năng lượng Thương Tín (51% cổ phần sở hữu bởi Công ty CP Địa ốc Sài Gòn Thương Tín) thì đang đầu tư Nhà máy điện gió Phước Dân với công

suất 50MW - tại các xã Phước Hậu, Phước Thái, Phước Hữu và thi trấn Phước Dân

(huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận) Dự án được xây dựng trên diện tích 965 ha,

có tổng vốn đầu tư 1.290 tỷ đồng (51

Công ty Phong điện Thuận Bình, doanh nghiệp tùng tham gia dự án phong điện ở Tuy Phong (Bình Thuận) cho biết, Công ty đang thực hiện dự án phong điện

ở Lợi Hải (huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận) có công suất 50-70 MW, vốn đầu tư

từ 100-140 triệu USD Lãnh đạo công ty cho biết “Để dự án này có lợi nhuận,

doanh nghiệp phải bán được 7cent USD/kWh” 7,

Ngoài ra còn có dự án liên danh EAB Viet Wind Power Co.,Ltd (tập đoàn EAB Đức) cũng đầu tư khoảng 1.500 tỷ vào nhà máy điện gió Phước Hữu Tập đoàn EAB còn liên kết với công ty Trasesco của Việt Nam để đầu tư một số dự án khác ở Sóc Trăng

Hiện nay ngành điện nước ta đang phụ thuộc nhiều vào thủy điện, với hơn 34% lượng điện được sản xuất ở Việt Nam là từ các nguồn thủy điện (lớn và trung

bình) ỨÌ, Đây là nguyên nhân chính dẫn đến việc thiếu điện trong mùa khô khi các

hồ thủy điện giảm mức nước đáng kể, nhiều hồ còn bị xuống tới gần mức chết Hy vọng rằng các dự án phong điện nói trên và các dự án sắp tới, sẽ góp phần đảm bảo

an ninh năng lượng quốc gia, làm nền tảng cho phát triển kinh tế bền vững

15

2.3 Tong Quan Nghiên Cứu

Điều khiển DFIG đang được ứng dụng rất nhiều trong sản xuất điện từ gió, chiếm khoảng 47% công nghệ sản xuất điện từ gió 9),

Ở Việt Nam, Nghiên cứu và xây dựng mô hình nghiên cứu điều khiển DFIG

đã được thực hiện rất nhiều và gần đây nhất là luận văn Thạc Sĩ Võ Xuân Hải (2008); Phạm Trung Hiếu (2011); Tôn Long Đại (2011); Nguyễn Thanh Hải (2012);

Nguyễn Văn Nam (2012); Nguyễn Quang Xuân (2013) v.v như đa phân xây dựng

trên mô hình điện áp nguồn đôi xứng

Nghiên cứu điều khiển DFIG nguồn không đối xứng đã được các nhà khoa học như Jeong —Ik Jang (2008); Lie Xu (2011); Jiabing Hu (2013) Muarli M.Baggu (2009); Lingling Fan (2013); Yi Zhou, Paul Bauer (2009); Sol-Bin Lee (2010) va Van-Tung Phan (2013) Các học giả trên lấy nên tảng từ khử thành phần 2œ; thông qua bộ lọc Nocth khi nguồn không đối xứng

Tuy nhiên, đi sâu vào nghiên cứu điều khiển công suất độc lập của máy điện

DFIG với bộ khử thành phần thứ tự nghịch của dòng rotor khi nguồn bất đối xứng

và bộ điều chỉnh PI-Fuzzy vẫn còn bỏ ngỏ

pháp kết nối trực tiếp với lưới điện và làm việc với tốc độ không đổi Với sự phát

triển không ngừng của kỹ thuật điều khiến, các loại máy phát sử dụng trong hệ thống năng lượng gió hiện nay ngày càng đa dạng hơn Mục tiêu của chương này là tìm hiểu các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống năng lượng gió và các kiểu

mô hình hệ thống tương ứng với các dạng máy phát điện này

3.2 Cấu tạo của hệ thống phát điện gió

Một hệ thống phát điện gió gồm có nhiều phần hoạt động song song với nhau

Cấu tạo có thể khác biệt tùy theo quy mô lớn nhỏ, tối thiểu phái có các bộ phận sau:

e Tháp đỡ

e Tuabin gió có 2 hay 3 cánh quạt

e _ Bộ phận điều hướng đón gió

e_ Cơ cấu truyền động cơ khí

se May phát điện

e Bộ phận điều khiển và các cảm biến tốc độ

Trong hệ thông hiện đại, người ta thêm vào các phần SaU:

e_ Điện tử công suất

* Bộ phận điều khiển với sử hỗ trợ của máy tính.

17

e Bình trữ điện để đáp ứng cho tải trong trường hợp làm việc độc

^

lập

e Đường truyền kết nổi với mạng lưới khu vực

Vì rotor có moment quán tính lớn đã tạo ra những thách thức lớn trong vẫn đề

thiết kế liên quan đến quá trình khởi động, điều khiển tốc độ trong vận hành, cũng

như dừng tuabin khi cần thiết Phải dùng đến dòng điện hãm hay phanh hãm dé

dừng tuabin khi khẩn cấp lúc bảo dưỡng định kỳ Thông thường mỗi tuabin có hệ thông điều khiển riêng và được đặt ở một khoảng cách an toàn

3.2.1 Tháp đỡ

Hình 3.1 Chỉ tiết buồng chứa của hệ thông phát điện gió

Tháp đỡ dùng để nâng tuabin và buồng chứa các hệ thống truyền động cơ khí, máy phát điện, bộ phận điều hướng Chiều cao của tháp phải cao hơn đường kính của cánh quạt rotor Trước đây, chiều cao của tháp từ 20m đến 50m Vấn đề chính trong thiết kế là động lực học cấu trúc Cần tránh mọi tần số cộng hưởng của tháp, rotor và buồng chứa, sự rung động, kết quả của chu kỳ mỏi dưới sự tác động của

dao động tốc độ gió Bên cạnh vấn đề nghiên cứu để phát triển chiều cao của tháp, người ta còn chú trọng đến việc khai thác các khía cạnh lắp đặt hệ thống ở ngoài khơi

3.2.2 Cánh quạt tuabin

Cánh tuabin được làm từ gỗ, sợi thủy tính ghép lại Ngày nay, một tuabin gió hiện đại thường có 2 hoặc 3 cánh quạt Khó khăn về cơ khí luôn song hành trong

thiết kế vì những lực ly tâm và lý thuyết mỏi dưới sự rung động liên tục Ngoài ra

giới hạn cơ khí tối thiểu để chống chọi với những cơn gió lớn đi kèm với việc điều

khiển để bảo vệ những cánh quạt, máy phát khi làm việc quá tải hay quá nhiệt Vấn

dé quan trong trong thiết kế là đạt hệ số công suất cực đại, cánh quạt to hay nhỏ sẽ đem lại sự khác biệt lớn trong tiếp nhận và chuyển đổi năng lượng cơ Cả mỗi quan

hệ về trọng lượng với tháp đỡ, chiều dài cánh quạt với chiều cao của tháp cũng phải quan tâm Mặt khác, tương ứng với công suất nhận được thì giá thành trong lắp đặt

sẽ phải tính toán để đạt mức tối ưu

3.2.3 Bộ phận điều hướng

Bộ phận điều hướng điều chỉnh hướng rotor liên tục theo chiều gió Nó có thể

đơn giản là cánh quạt đuôi, hay phức tạp hơn trên những tháp hiện đại Sự trượt

theo mệnh lệnh có sự giám sát giải thuật điều khiển thích hợp Những cánh quạt

quay với moment lớn ở trên cao trong thời gian chuyển hướng thường dẫn đến tiếng

ồn Sự trượt quá nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép, cho nên

phải được kiểm soát liên tục

3.2.4 Bộ phận điều khiến tốc độ

Trong hơn 25 năm quá, công nghệ tuabin gió đã thay đổi một cách đáng kẻ

Những tuabin lớn ngày nay được lắp đặt đều hướng đến điều khiển tốc độ dựa trên

sự kết hợp điều khiển cơ khí và điện tử công suất tự động Những máy nhỏ thì điều

khiển đơn giản bằng tay, chỉ phí năng lượng thấp Các phương pháp điều khiển tốc

độ rơi vào những loại sau:

19

e Không điều khiển: trong trường hợp này tuabin và máy điện được thiết kế để sẵn sang chống chọi mọi cơn gió lớn

e Điều khiển nghiêng, lệch hướng: trục rotor được điều khiển lệch hướng gió

khi tốc độ gió vượt quá khỏi giới hạn cho phép khi thiết kế

e_ Điều khiển xoay cánh quạt: thay đổi góc của cánh quạt trên trục tuabin tương ứng với sự thay đổi tốc độ gió

e Lẫn tránh cơn gió: trong phương pháp này, khi tốc độ gió vượt quá khỏi tốc

độ cho phép, những cánh quạt được di chuyển vào vị trí an toàn

Không điều khiển

Hình 3.2 Thống kế các phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ 4l

3.3.1 Máy phát điện đồng bộ

Như chúng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định

theo số cực từ và tần số của lưới điện Vì vậy, các cánh quạt tuabin và máy phát

phải được nối với nhau thông qua hộp truyền động cơ khí để có thể quay với tốc độ

Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho

mạch kích từ Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh ra hai van đề bất lợi cho

hệ thống:

e Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới

điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích

từ

« Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp

e Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho

hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đôi theo tốc độ gió

Hình 3.3 Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy đồng bộ

3.3.2 Máy phát điện cảm ứng

Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén Máy

điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện Trong các hệ thống kết hợp

nhiều dạng năng lượng khác nhau, công suất phản kháng được cung cấp từ các máy

phát đồng bộ hay máy phát Diesel Trong hệ thống năng lượng gió, tụ điện có định được dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng

Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ

có định, vì vậy chúng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ Máy phát cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục may phat hay thu năng lượng Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức Khi làm việc như một động cơ, rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường và động cơ cảm ứng sẽ nhận năng lượng để làm quay trục rotor Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của chúng được nỗi với một

nguồn điện áp có tần số ổn định và rotor được quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng

bộ bằng động cơ sơ cấp Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió với stator được nôi với lưới điện và rotor được quay bởi tuabin gió

Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên

Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở rotor

3.3.3 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Đối với máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, các bộ dây quan rotor cé thé

được nối với vành trượt và chổi theo phương pháp cô điển, hoặc thông qua bộ biến

đổi công suất Hệ thống năng lượng gió trang bị máy phát điện cảm img rotor day quấn cùng với các bộ biến đổi công suất, việc điều khiển ngỡ ra dễ hơn hệ thống dùng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Công suất phần ứng trên sfator được điều khiển bởi lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi công suất Tuy nhiên, chỉ phí máy phát cảm tng rotor day quan cao hơn may phat rotor lồng sóc

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

Đối với hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (+30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được xem là giải pháp tốt nhất hiện nay Bộ biến đổi điện tử

công suất chỉ điều chỉnh 20+ 30% tổng công suất, do đó tổn hao và chỉ phí của các

bộ biến đổi công suất có thể giảm Cấu trúc máy phát điện DFIG tương tự máy phát điện cảm ứng dây quấn Mạch sfator của máy phát DFIG được nối trực tiếp với lưới trong khi mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trượt

như hình

Nguồn lưới Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đỗi DFIG bao gồm các mục tiêu:

e Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát điện và lưới

điện

e©_ Điều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công

suất thực nhận được từ gió

Mục này mô tả các thành phần chính và các đặc tính của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Với mục đích điều khiển định hướng, hệ thống năng lượng gió có thể được tổ chức theo bốn khối chức năng: khối khí động học, cơ học, điện và khối điều khiên độ dôc của tuabin

Hình 3.8 Sơ đồ các khối chức năng trong hệ thống năng lượng gió 15]

Hệ thống tuabin có thể làm việc với tốc độ cố định hoặc làm việc với tốc độ

thay đổi Đối với hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi, máy phát điện

cảm ứng được nối trực tiếp với lưới, tần số của hệ thống không đôi và cũng không

thể điều khiển Do đó, khi tốc độ gió thay đổi sẽ gây ra sự dao động công suất và

làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi, việc điều khiển tốc độ rotor được thực hiện bởi các

thiết bị điện tử công suất, nhờ đó có thể giảm sự dao động công suất do sự thay đổi

tốc độ gió gây ra Tốc độ quay của tuabin gió khá thấp, do đó phải được điều chỉnh

theo tần số lưới điện Có thể thực hiện việc điều chỉnh này bằng hai cách: sử dụng hộp số truyền động hoặc thay đổi số đôi cực của máy phát điện Sự thay đổi số đôi

cực để thiết lập tốc độ cơ của máy phát theo giá trị tần số điện mong muốn, hộp số dùng để điều chỉnh tốc độ rotor của tuabin theo tốc độ cơ của máy phat

Một số cấu trúc điển hình hệ thống tuabin gió:

e Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi sử dụng máy phát điện

cảm ứng

e Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện

cảm ứng rotor lồng sóc hay máy phát điện đồng bộ