HUTECH
University
aaa Pe ves ng
LE QUOC HUNG
NGHIEN CUU DIEU KHIEN BAM DIEM CONG SUAT CUC DAI CUA HE THONG
DIEN GIO SU DUNG MAY PHAT DIEN KHONG DONG BO NGUON KEP
LUAN VAN THAC SI
Trang 2
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và c
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 2] tháng 03 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội dong cham bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đông I | PGS.TS Trân Thu Hà Chủ tịch
2 | TS Dinh Hoang Bach Phan bién 1
3 | TS Phạm Đình Anh Khôi Phản biện 2
4 | TS Nguyễn Minh Tâm Ủy viên 5 | TS Nguyễn Thanh Phương Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Trang 3Tp.HCM, ngay 22 thang 04nd 20/6
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ QUỐC HÙNG Giới tính: NAM
Ngày, tháng, năm sinh: 01/8/1979 Noi sinh: LONG AN
Chuyén nganh: KY THUAT DIEN MSHV: 1341830013
I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BAM ĐIÊM CÔNG SUÁT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THÓNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐÔNG BỘ NGUON KEP
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió;
- Nghiên cứu mơ hình tốn máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ
thông điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;
- Mô phỏng giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép sử dụng phan mém Matlab
III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/01/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: TS HƯỲNH CHÂU DUY
Trang 4Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sô liệu kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bồ trong bất kỳ 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 đuợc chỉ rõ nguôn gôc Học viên thực hiện Luận văn
Trang 5Đầu tiên, xin chân thành cám ơn TS HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình giúp
đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện Luận van nay
Xin cám ơn quí Thầy, Cô đã trang bị cho em những nền tản kiến thức quí
báo trong quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn
Xin cảm ơn tập thể lớp 13SMĐ11 đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận văn
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp.HCM; Khoa Điện -
Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học; Cơ quan công tác đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này
Trang 6Luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Nghiên cứu
điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió sử dụng máy
phát điện không đồng bộ nguồn kép" mà bao gồm các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió - Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống
điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép - Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống
điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Trang 7This thesis focuses on issues related to, "Research on maximum power
point tracking control of wind energy power systems using doubly-fed induction generators (DFIG)" which includes the following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Literature review of wind energy - Chapter 3: Wind energy power systems
- Chapter 4: Maximum power point tracking control of wind energy power systems using doubly-fed induction generators
- Chapter 5: Simulation results
Trang 8MU LUC vo i IP10,8-T19.0i1ê 21777 iv Chương 1 - GiGi thigu occ rneneceescnenenenerereeneiaeenenerensneesecearenseeeey 1 ma Ta 1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài c5- nọ nnrihrrrerrrrerririrriirriee 3 l8 vn 8n 5
1.4 Nội dung nghiên cứu . chư HH 5
1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu - 5tr 5 1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới . 5c csntrherrerrrriirrrrie 5
1.5.2 Tinh hinh nghién ctu trong nu .cceeeeeeseeeeeetetenenereeeetseccneeeeasseererseragens 6
1.6 B6 CUC CUA LUN VAN on eeeeceteteecseseseronsecsenecsusecseneeeecseseneenenneiesesererersnsnenenssees 7 {3 8n 7
Chương 2 - Tổng quan về năng lượng gió . - 22 cnnhneheeheree §
"N8 8
2.2 Nền tảng lịch sử của tuabin gió ccccenhererrerreerrrdrrrrrrdrrie 9
2.2.1 Lịch sử của cỗi xoay gÌó Ă co nnnhnnhnhhhhherrrrrirrrerriee 9 ;; 8y) 120010887 1 10 2.3 Thực trạng năng lượng gió trên thế giới - ccrcereierernrrre 11 ZBL Chau AU veccccccccescsesscsssssscssssssvsssecssccssscsnecsncestecuessessseesntessessenssersessseenneeaeeeness 12
°» N9 nh 12
2.3.3 Nam và Trung Mỹ nh HH ngưng HH nọ 12
2.3.4 Châu Á Thái Bình Dương . - 5n nthttrtrrrririirriirie 12
Trang 9k?n ca .ố 19 3.2.2 MG ta Vat IY .ốẽ 19
3.2.3 Đường cong công "Trì na 20
3.2.4 Hiện tượng trễ và hiệu quả ngắt mạch - can cshHdrreree 20
3.3 Hệ thống điện năng lượng gió - con snnhrnrreterrerrrrrrrree 21
khẽ: 0 21
3.3.2 Phân loại tuabin gió «ch tre 29
3.4 Máy phát điện trong hệ thống điện năng lượng gió . - 29
3.4.1 Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ 31 3.4.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng
bộ rotor lỒng SÓC ¿5-12 2211222 terrmrrirrrrrdrdrdidrirriet 32
3.4.3 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép cv tr tr hrHHrrHHergrrHrrrir 43
3.4.4 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu bên trong .-: + eseenhhhhhrgrrrerie 49
Chương 4 - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống điện
năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 54
41 GiGi nh na 54
4.2 Vector không gian và các phép 5:80 55
4.3 Biểu diễn công suất theo vector không gian ccieeneere 56
4.4 Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và d eeeeeerere 58 4.5 Mô hình tốn máy phát điện khơng đồng bộ nguồn kép 60
4.5.1 Mơ hình tốn học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh oŸ 62 4.5.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ da 63
4.6 Điều khiển bộ chuyển đổi công suất .- set nnnienrerrrrre 65
LNNNt Gan ố .ẻ 65
4.6.2 Điều khiển converter phía lưới (Grid Side Control - GSC) 65
4.6.3 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC 67 4.6.4 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC
Trang 104.7 Các giải thuật tìm điểm công suất cực đại và tôi ưu
công suất phát - 5 vs nrtttnHH1122 10 mmrrrrrdriiid 70
4.7.1 Giải thuật P&O (Perturbation & Observation) eninrrree 70 4.7.2 Giải thuật WSM (Wind Speed Measurement) .-. -: 71 4.7.3 Giải thuật PSF (Power Signal Feedback) -ceheereree 72 Chương 5 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thông điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 73
5.1 GiGi 8n 73
5.1.1 Mô phỏng máy phát điện DFIG . -ccằeieerrrrerrre 74 5.1.2 Mô phỏng tuabin gió .-ccccnenhnhhhhhhhrrrdrrrrrrrrrriie 76
5.1.3 Mô phỏng các bộ điều khiển . - co cccnthirerirrrrrrriee 78
5.2 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng trong trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/§ - 79 5.3 Mơ phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng trong trường hợp tốc độ gió thay đổi .ceerenriee 85 5.4 Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất phát của máy phát điện
không đồng bộ nguồn kép DFIG . ctethttrhttrrereerrrrierrrrriee 90 Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 94
Trang 11Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điện gió nối lưới Hình 3.2 Các thành phần cơ bản của tuabin gió
Hình 3.3 Bên trong một tuabin phát điện gió
Hình 3.4 Bộ điều khiển góc pitch
Hình 3.5 Hộp số tuabin gió
Hình 3.6 Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp
Hình 3.7 Thống kê các phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ
Hình 3.8 Mặt cắt các máy điện
Hình 3.9 Hệ thống tuabin gió tốc độ cổ định với máy phát điện không đồng bộ rotor léng sóc được kết nối với lưới điện
Hình 3.10 Máy phát điện không đồng bộ
Hình 3.11 Kết cấu máy phát điện không đồng bộ
Hình 3.12 Cầu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc
Hình 3.13 Vỏ máy
Hình 3.14 Câu tạo lõi thép stator
Hình 3.15 Dây quần stator
Hình 3.16 Sơ đồ khai triển dây quan stator Hình 3.17 Lõi thép rotor
Hình 3.18 Cầu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quan
Hình 3.19 Thanh dẫn cua rotor lồng sóc
Hình 3.20 Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ
Hình 3.21 Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng
bộ
Hinh 3.22 Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Hình 3.23 Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Trang 12Hình 4.3 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq
Hình 4.4 Mối liên hệ giữa trục tọa độ œ và dq
Hình 4.5 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y
Hinh 4.6 Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor
Hình 4.7 Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục œ
Hình 4.8 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq
Hình 4.9 Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới
Hình 4.10 Mô hình điều khiển DEIG
Hình 4.11 Vector định hướng từ thông DFIG với thành phần thứ tự thuận và
nghịch
Hình 4.12 Nguyên lý của giải thuật P&O
Hình 4.13 Nguyên lý của giải thuật WSM Hình 4.14 Nguyên lý của giải thuật PSF
Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát
điện DFIG
Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG
Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng tuabin gió
Hình 5.4 Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển
Hình 5.5 Sơ đồ mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng DFIG với tốc độ gió không
đổi, v= 12 m/s
Hình 5.6 Tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.7 Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.8 Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/⁄s
Hình 5.9 Đánh giá khả năng điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG
Trang 13Hình 5.10 Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.11 Công suất phản kháng của DEIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.12 Đánh giá khả năng điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG
tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.13 Cường độ dòng điện stator, lạ; của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.14 Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v=12m/s
Hình 5.15 Tốc độ gió thay đổi
Hình 5.16 Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.17 Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gid
thay đôi
Hình 5.18 Đánh giá khả năng điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG
tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay déi
Hình 5.19 Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đối
Hình 5.20 Công suất phản kháng của DEIG tương ứng với trường hợp tốc độ
gió thay đổi
Hình 5.21 Đánh giá khả năng điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG
tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.22 Cường độ dòng điện stator, lạc; của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đôi
Hình 5.23 Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.24 Đường cong công suất cực đại của tuabin theo tốc độ gió của DFIG Hình 5.25 Đường cong công suất cực đại của tuabin theo tốc độ tuabin của
DFIG
Trang 14Hình 5.27 Sơ đồ mô phỏng biểu diễn giải thuật điều khiển bám điểm công suất
cực dai, PSF
Hình 5.28 Tốc độ gió
Trang 15Giới thiệu
Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi Quốc gia, là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân và
cũng chính là yếu tố đầu vào không thê thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác, có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chính trị, văn hóa
và xã hội
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đời song người dân ngày càng được cải thiện, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao Trước tình trạng nguồn năng lượng truyền thống không tái tạo như dầu mỏ, than, khí đốt, đều đang đứng trước những cảnh báo cạn kiệt buộc nhân loại phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế
1.1 Đặt vẫn đề
Hiện nay, nước ta đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng Qua nhiều hội thảo, hội nghị về năng lượng, qua trao đổi với nhiều nhà khoa học, cho thấy còn vài thập niên nữa, năng lượng hóa thạch như
than đá, dầu mỏ, khí đốt sẽ bị cạn kiệt, loài người sẽ lâm vào tình trạng khủng
hoảng năng lượng trầm trọng Việt Nam không thé tránh khỏi nguy cơ do thiểu hụt năng lượng sắp đến gần
Thực tế, lũ lụt vừa qua bộc lộ nhiều bất cập về thủy điện Năng lượng
thủy điện ta đã khai thác tối đa Nhiều trạm thủy điện lớn, nhỏ chiếm lòng hỗ
rộng lớn hàng chục vạn ha, phá hủy rừng, cây cối, gây ô nhiễm môi trường sinh thái, đặc biệt không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây bao
nhiêu thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối,
tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm
Các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang
Trang 16chuyên gia, ở trong nước chưa chế tạo được nhiên liệu hạt nhân, mua nhiên liệu rất đắt, không chủ động được, lại thêm dễ gây sự cố, ô nhiễm môi trường sinh
thái, mắt an toàn từ khâu khai thác, chế biến đến cất dấu chất thải hạt nhân
Từ các vấn đề nêu trên, trong tương lai chúng ta sẽ không thé bao dam an ninh năng lượng và có nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng niêu cứ duy
trì sản xuất điện như hiện nay, cũng như không thể đạt được mục tiêu công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đến năm 2020 Có thể nhận thấy rằng, khi năng lượng điện không đáp ứng được nhu cầu thì công, nông, ngư nghiệp, chế
biến và khai thác sẽ bị tụt hậu, đời sống vật chất và tinh thần sút kém mà sẽ dẫn đến các bat én cho đời sống và xã hội
Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, những nguồn năng lượng tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều, tất cả những loại năng lượng này góp phan rất lớn vào việc
thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường,
Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió được coi là một nguồn năng lượng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai
Hệ thống điện sử dụng năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần
nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn, với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng gió với hơn
3.200 km bờ biển Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang
và sẽ được khuyến khích áp dụng trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất [1] Bên cạnh đó, việc nghiên cứu để khai thác và sử dụng năng lượng gió có hiệu quả luôn được đặt ra và là vẫn đề được nhiều quốc gia quan tâm khi muốn khai thác sử dụng Góp phần trong vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu sao cho
tối ưu hóa công suất khi sử dụng hệ thống điện gió là rất cần thiết Đây cũng là
Trang 171.2 Tính cấp thiết của đề tài
Thể kỷ 20 đã trải qua với nhiều tiến bộ vượt bậc của loài người Trong đó, con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàng những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng những nhu cầu không ngừng của con người Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, con người phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới như môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác
Trong thế kỷ 21, con người phải đối diện với một loạt các thách thức
mang tính toàn cầu chẳng hạn như năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nỗ dân số, chiến tranh, y tế, Trong đó, vẫn đề năng lượng vẫn là van dé
được xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ này
Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thô tạo ảnh
hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những hiém hoa tiém ấn nguy cơ xung đột Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển
kinh tế và sinh hoạt ngày càng lớn làm cho kinh tế chậm phát triển dẫn đến
những cuộc khủng hoảng và suy thối kinh tế, bất ơn chính trị xây ra nhiều nơi trên thế giới
Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một
loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh Biến đổi khí hậu, trái đất ấm dẫn lên,
đắt canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường
và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng nhiều, mùa màng that thu ảnh hưởng
đến an ninh lương thực Tất cả những điều đó tiềm ân một thế giới hỗn độn,
tranh chấp, không kiểm soát
Các số liệu trong “Chiến Lược Phát Triển Công Nghệ Điện Lực Của Tập Đoàn Điện Lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho
thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người Với mức độ
Trang 18Association) trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tao, ) [2]-|3]
IEA cũng đánh giá đầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung
cấp cho thế giới trong 60 năm tới Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90
năm tới Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và đông dân cư như Trung Quốc và Ấn Độ, hậu quả tất yêu là giá dầu và
khí đều tăng mạnh [3]
Về mặt chính trị, tình hình không ổn định của các nước đang sở hữu hơn 70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên đều tập trung ở những khu vực nhiều bat én nhất thế giới như Trung Đông, Nga và Trung A
dẫn đến giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt tăng cao
Từ những vấn để trên, để đảm bảo nguồn cung năng lượng cho nhân loại và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng
gió, năng lượng địa nhiệt, và những nguồn năng lượng khác Bằng những tiễn
bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thể giới các năng lượng tái sinh đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu, sử dụng ngày càng nhiều [1]
Như vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguôn năng lượng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lược của riêng một quốc gia nao, ma cần phải được quan tâm đúng mức trên toàn cầu Trong số những nguồn năng
lượng đó năng lượng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luôn được đánh giá
cao Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển tối ưu bám điểm công suất cực
đại của hệ thống điện gió Đây chính là vấn đề cần thiết được đặt ra và cũng là
Trang 19suất cực đại của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép
1.4 Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió:
- Nghiên cứu mơ hình tốn máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép:
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;
- Mô phỏng giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ
thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép sử dụng phần
mém Matlab
1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Hiện nay, thế giới đang hướng tới việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thể cho việc sử dụng năng lượng truyền thống đang cạn kiệt Lý do chủ yếu sử dụng năng lượng tái tạo là để bảo vệ hành tỉnh xanh, nơi mà con người và tất cả các sinh vật khác đang tổn tại Hơn thế nữa, năng lượng tái tạo không những thân thiện với môi trường mà còn không phải chịu những chi phi về
nhiên liệu đầu vào, ít phải bảo trì và đặc biệt là vô tận
Một trong những nguồn năng lượng tái tạo chính là năng lượng gió Nguồn năng lượng này tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự vận chuyên của trái
đất và do mat dat lỗi lõm Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió
Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quay các turbine và sẽ tạo ra điện năng
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Morten Lindholm, "Modelling and Impact on power system dynamic”,
Trang 20Anca D Hansen, Florin lIov, Poul Sørensen, Nicolaos Cutululis,
Clemens Jauch, Frede Blaabjerg group, "Dynamic wind turbine models in power system simulation tool, DIgSILENT", Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, năm 2007 đã nghiên cứu mô hình tua-bin máy phát điện gió và điều
khiển kết nối lưới trên cơ sở mô phỏng các chế độ vận hành của máy điện gió đồng bộ và không đồng bộ bằng chương trình phần mềm DIgSILENT [5]
Andreas Petersson, "Analysis, modeling and control of doubly-fed
induction generators for wind turbines", Trường Đại học Kỹ thuật Chalmers,
Thụy Điển, năm 2005 đã nghiên cứu điều khiển moment và tốc độ máy phát
điện gió [6]
Fernando D Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J Mantz, “Wind
turbine control systems principles, modelling and gain scheduling design", nam
2007 đã nghiên cứu các phân bố gió, các mô hình gió và mô hình động điều
khiển tuabin gió [7]
1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Lương Công Quyền, “Điều khiến trượt máy phát điện gió cấp nguồn từ
hai phía”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, năm 2008
đã nghiên cứu điều khiển độc lập công suất P và Q của máy phát điện tuabin gió nguồn kép [8]
Đỗ Vĩnh Mạnh, “Nghiên cứu và mô phỏng phương pháp điều khiển bộ bién déi PWM rectified va PWM inverter trong hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió và DFIG”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM,
năm 2008 đã nghiên cứu đưa ra mô hình Inverter trong Matlab/ SimPowersystem [9]
Nguyễn Chí Hiếu, “Khảo sát mô hình máy phát điện gió trong lưới điện phân phối”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, năm
Trang 2110 năm 2006 đã đưa ra các phân bố gió và tiềm năng phát triển gió ở Việt Nam, số liệu nghiên cứu giúp xem xét và đánh giá khả năng ứng dụng phát điện gid 6
Viét Nam [11]
1.6 Bồ cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm 6 chương: - Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió - Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống
điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
1.7 Kết luận
Hiện tại và tương lai nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là rất lớn Theo tính toán của EVN, để dáp ứng
nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện
được mục tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công
nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [12]
Trang 22Tổng quan về năng lượng gió
2.1 Giới thiệu
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà con người đang quan tâm đặc biệt cho nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới Hiện tại, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn Tuy nhiên, nêu muốn đây mạnh
việc khai thác nguồn năng lượng nảy trong tương lai, các nhà khoa học cần
nghiên cứu nhiều hơn để hoàn chỉnh các công nghệ khai thác và sử dụng Năng lượng gió được dựa trên nguyên lý là gió sẽ tạo ra sức quay các tuabin và sau đó, sẽ tạo ra năng lượng điện Các yếu tố hình thành nên nguồn năng lượng gió bao gồm: sự hâm nóng bầu khí quyền quanh mặt trời, sự chuyển vận của trái
dat va su 161 16m cua mat dat
* Uu diém của nguồn năng lượng gió
Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng này mang nhiều điểm thuận lợi
mà là lý do dẫn đến sự phát triển mạnh của nó trên thế giới trong những thập
niên gần đây Các thuận lợi khi sử dụng nguồn năng lượng điện này bao gồm: + Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gió phát triển sẽ tạo thêm nhiều việc làm khắp nơi
+ Là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận
+ Giá thành thấp: theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ trong tương lai giá của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điện của các nguồn khác như than, dầu hay biomass, Hiện tại, giá của nguồn năng lượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió của từng địa phương
+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng
Trang 23nhiên
- Mặc dù công nghệ năng lượng gió đang phát triển và giá thành của một tuabin gió đã giảm dẫn từ hơn 10 năm qua nhưng mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng truyền thống khác
Trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các vân đề trên, nguồn
năng lượng gió có thể được xem như là một trong các nguồn năng lượng dự phòng
Bên cạnh đó, cũng có thể đễ dàng nhận ra rằng, không có bất kỳ một nguồn năng lượng nào không gây ra các ảnh hưởng đến môi trường Đôi với nguồn năng lượng gió, các ảnh hưởng cần phải quan tâm là các tuabin gió gây ra các tiếng động làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí và có thể xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã
Để phát được điện bằng nguồn năng lượng gió, tốc độ gió cần lớn hơn
5m/s Gần đây, tính kinh tế của điện gió đã được nâng cao hơn, giá thành phat
điện chỉ còn gấp 2 lần so với nhiệt điện Hệ thống điện gió với công suất
khoảng 250 kW có chiều cao là 30 m và đường kính cánh quạt là 28 m Để lắp
một hệ hai tuabin cần một diện tích khoảng 50 m x 100 m [13]
2.2 Nền tảng lịch sử của tuabin gió
2.2.1 Lịch sử của cối xoay gió
Cối xoay gió sớm nhất được ghỉ chép lại là cối xoay trục thắng đứng
Chúng có cấu tạo đơn giản dùng để giã gạo ở vùng Afganishtan vào thế kỷ thứ
7 trước Công nguyên Mẫu thiết kế đầu tiên về cối xoay gió được tìm thấy trong tài liệu lịch sử từ vùng Ba Tư, Tây Tạng và Trung Quốc vào khoảng 1000 năm trước Từ vùng Ba Tư và Trung Đông, cối xoay gió đã vượt qua các nước ven Địa Trung Hải và Châu Âu Cối xoay gió đầu tiên xuất hiện ở Anh khoảng
năm 1150, ở Pháp năm 1180, ở Flanders năm 1190, ở Đức năm 1222 và ở Đan
Trang 24chữ thập, đã truyền đi những hiểu biết về cối xoay gió từ vùng Ba Tư đến nhiều
nơi ở Châu Âu Ở Châu Âu, cối xoay gió được cải tiến lại từ giữa thế kỷ 12 đến
thế kỷ 19 Cho đến cuối thế kỷ 19, đặc thù của cối xoay gió Châu Âu là sử
dung 1 rotor cé đường kính 25 m và có thê lên tới 30 m
Cối xoay gió không những dùng để giã gạo mà còn để bơm nước đến
những hồ cạn và vùng biên giới xa xôi Pháp có khoảng 1.800 đến 20.000 cối
xoay gió hoạt động Hà Lan có 90% năng lượng điện dùng trong công nghiệp là từ nguồn năng lượng gió Công nghiệp hóa đã làm cho cối xoay gió dần dần
suy tàn Đến năm 1904, năng lượng gió ở Hà Lan chỉ chiếm 11% trong tổng
năng lượng công nghiệp và ở Đức chỉ còn hơn 18.000 mẫu được lắp đặt
Khi những cối xoay gió kiểu Châu Âu bắt đầu ít xuất hiện thì nó lại phát triển ở Bắc Mỹ Những cối xoay gió nhỏ dùng để bơm nước trở nên rất phd biến Những cối xoay gió này được coi như là cối xoay gió kiểu Mỹ, chúng tự
hoạt động và không cần giám sát Rotor tự điều chỉnh đến hướng có nhiều gió Từ năm 1920-1930 cối xoay gió đã trở nên phố biến ở Mỹ, có khoảng 600.000
mẫu được lắp đặt Cối xoay gió của Mỹ đã có những thay đổi phù hợp với mục đích sử dụng cho ngành nông nghiệp trên toàn thế giới
2.2.2 Tuabin gió
Năm 1891, Dance Poul La Cour là người đầu tiên đã chế tạo ra tuabin
Trang 25nhiều mức độ khác nhau Tuy nhiên, mẫu tuabin của Putman không mang lại
nhiều thành công Nó đã bị tháo gỡ vào năm 1945
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, Johannes Juul ở Đan Mạch, đã phát triển
dựa trên nguyên lý thiết kế của Danish Tuabin của Johannes được lắp đặt ở Gedser và đã phát được điện với khoảng 2,2 triệu kWh từ năm 1956 - 1967 Cùng thời gian trên, German Hutter đã phát triển một dạng tuabin mới mà bao gồm hai cánh bằng sợi thủy tỉnh được gắn với trục đảo, quay theo hướng gió thổi Tuabin của Hutter trở nên nỗi tiếng bởi vì tính hiệu quá cao của nó
Mặc dù sớm thành công với những tuabin gió của Juul và Hutter, nhưng
sự quan tâm cho nguồn năng lượng này với phạm vi rộng đã không còn sau
chiến tranh thế giới lần 2 Tuy nhiên, cuộc khủng hoảng dầu hỏa đầu những
năm 1970, nó đã được quan tâm trở lại Với các ủng hộ về tài chính, nhiều công trình nghiên cứu và phát triển cho nguồn năng lượng gió đã được thực
hiện Các quốc gia như Đức, Mỹ và Thụy Điển đã đầu tư để phát triển trên
phạm vi lớn cho những mẫu tuabin có công suất hàng MW Tuy nhiên, những mẫu tuabin này hoạt động không thật sự thành công do các vẫn đề về kỹ thuật
Tại Mỹ, với các ủng hộ của Chính phủ về kế hoạch phát triển trong lĩnh
vực năng lượng gió, kế hoạch quan trọng này đã được Quốc hội Hoa Kỳ thông qua vào tháng 11 năm 1978 Doc theo day nui tir déng San Francisco va dong bac Los Angeles, nhimg néng trai gid đề sộ được hình thành Ban đầu, các nông trại nảy chỉ có những tuabin gió với công suất 50 kW Sau vải năm tuabin gió đã được nâng công suất lên khoảng 200 kW Cuối những năm 1980,
khoảng 15.000 tuabin gió với công suất tổng cộng 1.500 MW đã được lắp đặt ở
California
Thời gian này, đầu tư tài chính cho năng lượng gió đã giảm ở Mỹ nhưng
lại tăng ở Châu Âu và sau đó là Án Độ [13]
2.3 Thực trạng năng lượng gió trên thé giới
Trang 26khoảng 76% công suất là ở Châu Âu, 18% ở Nam Mỹ và 8% ở Châu Á Thái
Bình Dương
2.3.1 Châu Âu
Từ cuối năm 2012, khoảng 76% tuabin giỏ trên thế giới là ở Châu Âu Những nước có công suất lắp đặt lớn nhất là Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha
Tại Đức, tổ chức EEG quy định mức giá từ hệ thống năng lượng gió
năm 2012 là: 8,8 eurocents/kWh cho 3 năm đầu tiên và 5,9 eurocents/kWh cho
những năm tiếp theo Chính phủ Đức thường xuyên thay đổi mức giá mua năng lượng điện gió và khuyến khích phát triển nguồn năng lượng gió ngoài khơi
2.3.2 Bắc Mỹ
Sau khi năng lượng điện gió phát triển bùng nỗ ở California vào giữa những năm 1980, nó đã phát triển chậm lại ở Bắc Mỹ
Tuy nhiên, vào năm 1998, nhiều dự án phát triển năng lượng điện giỏ đã phát triển trở lại, có hơn 800MW từ máy phát điện năng lượng gió Cùng với sự thành công từ năng lượng gió của Mỹ, Canada cũng đã lắp đặt những nông trại gió đầu tiên
2.3.3 Nam và Trung Mỹ
Mặc dù có nguồn tài nguyên gió rất lớn ở nhiều vùng của Nam và Trung Mỹ nhưng sự phát triển năng lượng gió ở đây diễn ra rất chậm do các chính sách về năng lượng gió Nhiều dự án phát triển năng lượng gió ở Nam Mỹ đã được ủng hộ từ chương trình hỗ trợ quốc tế nhưng chỉ thu được những thành công nhỏ
2.3.4 Châu Á Thái Bình Dương
Năm 1993, Ấn Độ đã đạt được sự phát triển ấn tượng về lắp dat tuabin
gió Chính phủ bắt đầu tạo cơ hội khuyến khích đầu tư vào nguồn năng lượng,
Trang 27Trung Quốc phát triển năng lượng gió cũng được tiến hành nhờ vào chương trình hỗ trợ của quốc tế
Nhật phát triển vượt trội hơn với các dự án thử nghiệm tuabin gió công nghệ cao Cuối năm 1990, dự án về năng lượng gió đầu tiên đã bắt đầu hoạt
động tại đảo Hokkaido và Okinawa
Cuối năm 1990, dự án năng lượng gió đầu tiên đã trở thành hiện thực tại
New Zealand và Australia
2.3.5 Trung Đông và Châu Phi
Sự phát triển năng lượng gió diễn ra rất chậm ở Châu Phi Hầu hết, các
dự án đêu phụ thuộc vào sự hỗ trợ của quốc tê
2.4 Thực trạng năng lượng gió tại Việt Nam [11], [13]
Việt Nam được ước tính có tiềm năng về năng lượng gió rất lớn với tổng
diện tích vùng lãnh thổ có tiềm năng khai thác xấp xi 9% tổng diện tích quốc
gia Nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đường bờ biển dài hơn 3000
km, Việt Nam có lợi thế rất lớn về phát triển năng lượng gió Ngân hàng the giới đã tiến hành một khảo sát chỉ tiết về năng lượng gió ở vùng Đông Nam Á (SEA) bao gồm cả Việt Nam trong chương trình năng lượng bền vững và thay thế Theo kết quả của nghiên cứu này, Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió lớn nhất trong khu vực so với các nước láng giềng như Campuchia, Lào vả Thái Lan Hơn thế nữa, vùng duyên hải Miền Nam và Nam Trung bộ của Việt Nam đặc biệt hứa hẹn về tiềm năng khai thác năng lượng gió vì vận tốc gió rất
cao và mật độ dân cư thưa thớt Trong đó, 8,6% tổng diện tích được đánh giá là
có tiềm năng từ “cao” đến “rất cao” cho việc phát triển các tuabin gió công suất
lớn với vận tốc gió lớn hơn 7 m⁄s
Theo bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của khu vực Đông Nam A, do t6 chisc True Wind Solutions LLC (My), khu vực ven biển từ Bình Định dén Binh Thuan, Tay Nguyén, day Truong Son phia Bắc Trung bộ, nhiều nơi có tốc
độ gió đạt từ 7, 8 va 9 m⁄s, có thể phát điện với công suất lớn nối lưới điện
k 2 A £ ` ok x + a ~ A ` ne A a ve
Trang 28đạt từ 5 đến 6 m/s, có thể khai thác gió két hop diesel Tuy nhién, để khuyến
khích đầu tư về năng lượng gió cần có các chính sách về năng lượng tái tạo
mạng lưới điện, đầu tư, nhằm thu hút vốn cho các nhà máy điện gió
Tổng tiểm năng về năng lượng gió của Việt Nam được ước tính là 513.360 MW cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện Việt Nam vào
năm 2020
Nhà máy phong điện 1 là dự án điện gió có quy mô lớn đầu tiên tại Việt
Nam do Công ty cô phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư
với 80 tuabin, có tổng công suất là 120 MW và 1500 ha của dự án chủ yếu
được quy hoạch trên vùng đất bạc màu, chỉ có cây bụi và những rẫy dưa còi
coc
Giai đoạn một gồm 20 tuabin có chiều cao cột 85 m; đường kính cánh quạt 77 m; công suất 1,5 MW; tổng trọng lượng mỗi tuabin là 89,4 tấn; cột tháp
là 165 tấn Toàn bộ thiết bị do Fuhrlaender, hãng chế tạo thiết bị điện gió nỗi
tiếng thế giới của Đức cung cấp và được công ty Fuhrlaender Việt Nam lắp đặt Tổng mức đầu tư giai đoạn một gần 820 tỷ đồng
Khi cả 20 tổ máy đi vào hoạt động ôn định, sản lượng điện mà nó mang lại vào khoảng 100 triệu kWh/năm Đây không phải là một con số lớn nhưng lại vô cùng có ý nghĩa, mở đầu cho ngành công nghiệp điện gió tại Việt Nam
Công ty Đức Altus AG phối hợp cùng các công ty Việt Nam và Trường Đại Học Dresden của Đức hiện đang thực hiện việc phát triển 3 dự án gió với
tổng công suất ước tính là 250 MW
2.5 Kết luận
Nhằm đáp ứng mục tiêu tăng trưởng đầy tham vọng, trong trung hạn
Việt Nam cần tiếp tục khai thác các nguồn năng lượng truyền thống Về dải hạn, Việt Nam cần xây dựng chiến lược và lộ trình phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có nguồn năng lượng điện gió Trong chiến lược này, chi phí kinh tế (bao gồm cả chỉ chi trong va chi chí ngoài về môi trường và xã
hội) cần phải được phân tích một cách kỹ lưỡng, có tính đến những phát triển
Trang 29năng lượng thay thế Trong các nguồn năng lượng nảy, năng lượng gió nỗi lên
như một lựa chọn xứng đáng, vì vậy cần được đánh giá một cách đầy đủ Việt
Nam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lượng gió Việc không đầu tư nghiên cứu và phát triển điện gió sẽ là một sự lãng phí rất lớn trong khi nguy cơ thiếu hụt năng lượng điện luôn thường trực, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng kinh tế và năng lực cạnh tranh quốc gia Trong khi đó, hiện nay chiến lược quốc gia
về năng lượng điện dường như mới chỉ quan tâm đến thủy điện lớn và điện hạt
nhân Những nguồn năng lượng có mức đầu tư ban đầu rất lớn và ân chứa
nhiều rủi ro về cả mặt môi trường và xã hội
Nếu nhìn ra thế giới thì việc phát triển điện gió đang là một xu thế lớn
thể hiện ở mức tăng trưởng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác Khác với điện hạt nhân vốn cần một quy trình kỹ thuật và giám sát hết sức nghiêm
ngặt, việc xây lắp điện gió không đòi hỏi quy trình khắt khe đó Với kinh
nghiệm phát triển điện gió thành công của Ấn Độ, Trung Quốc và Philippin; và những lợi thế về mặt địa lý của Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển
Trang 30Chuong 3
Hệ thong điện năng lượng gió
3.1 Hệ thống điện
Từ năm 1880, khi Thomas Alva Edison lắp đặt hệ thống điện đầu tiên ,
các nhà doanh nghiệp đã thấy rõ sự hữu ích của điện năng và ý tưởng này đã lan truyền rộng ra trên toàn thể giới Các lắp đặt ban đầu đơn giản chỉ là máy phát điện và được truyền đến phụ tải
Với sự phát triển của máy biến áp, dòng điện xoay chiều trở nên ưu thé hơn và nó có thể liên kết trạm với tải
Sau đó, với đường dây cao thế, năng lượng truyền đi với khoảng cách
lớn đã trở nên khả thi hơn khi nhiều hệ thống được kết nói với nhau Qua nhiều
năm, khoa học kỹ thuật đã phát triển hơn và đường dây cao thê cực đại đã tăng dần
Để tăng sự liên kết với nhau giữa các hệ thống nhỏ, các tổ chức và cơ
quan của ngành công nghiệp năng lượng điện đã bắt đầu mở ra Theo khuynh
hướng của thế kỷ, nhiều công ty nhà nước bắt đầu hoạt động, bên cạnh các
công ty tư nhân Hoạt động chính của các công ty nhà nước là phân phối điện cho người sử dụng Tại nhiều nước, các công ty nhà nước đã vượt qua các công
ty tư nhân, một phần là vì họ dễ dàng giành được nguồn đầu tư từ Chính phủ để
xây dựng hệ thống điện
Trang 31Um: 1a hiệu điện thế cực đại
w=2rf
f: là tần số (50; 60 Hz)
11): là cường độ dòng điện tức thời Iụ: là cường độ đòng điện cực đại
@: là góc pha
+ Công suật:
p(t) = u(t)xi(t) = Uycos(wt) x Iy cos(wt - @) = P[1 + cos(2wt)] + Qsin(2wt)
(3.3)
“i ặ cosø : là công suất tác dụng (3.4)
_ + sinø : là công suất phản kháng (3.5)
coso: là hệ số công suất
+ Hiệu điện thế và dòng điện phức:
U =|U|z*#“: là điện áp phức (3.6) 7 =|I|e?”#?: là dòng điện phức (3.7) |UÌ= # là trị hiệu dụng điện áp (3.8) {|= *: : là trị hiệu dụng dòng điện (3.9)
+ Công suất biểu kin:
Đ=|S|e/"#đ = P+ 7Q =UI =|U||I|e'tses401 = |U||r|z!Z (3.10)
Trong hệ thống năng lượng được truyền đi với 3 pha Góc lệch giữa các
pha là 120°
Trang 32U, =|U|e"”2” (3.12) U, =|U|e"2" (3.13) 1, =lig 2” (3.14) 1, =|i|e/02+ø! (3.15) /, =|ig,92ø! (3.16)
U„ =U, ~U, =|U,|—e"")=x3|U,?° (3.17)
Trang 33Trong đó:
ai = -R(Pw — Pup)— X(Qw — Qin) (3.21) ay = -X(Pw — Pip) — R(Qw- Qi) (3.22)
Pw: la công suất gió
Pup: là công suất tải
Qv: là công suất phản kháng của gió Q¡p: là công suất phản kháng của tải
3.2 Đặc tính của năng lượng gió [13|-[14]
3.2.1 Gió
Khối khí chuyển động do điều kiện nhiệt độ khác nhau của từng khối
Sự di chuyển của khối khí có thể là hiện tượng toàn cầu giống như hiện tượng vùng và khu vực Hiện tượng vùng được xác định bởi điều kiện địa hình giống như hiện tượng toàn cầu
Tuabin gió tận dụng năng lượng gió ở gần mặt đất Điều kiện gió ở khu
vực này bị ảnh hưởng bởi sự chuyển đổi năng lượng từ những luồng gió cao
Trang 343.2.3 Đường cong công suất
Giá trị năng lượng từ gió thay đổi với lũy thừa 3 của tốc độ gió Điều
này có nghĩa rằng, khi tăng 10% tốc độ gió sẽ thu được 30% giá trị năng lượng
gió
Đường cong công suất của tuabin gió tuân theo mối quan hệ giữa tốc độ gió lúc tuabin bắt đầu hoạt động và công suất định mức Tuabin gió thường đạt
công suất định mức khi tốc độ gió khoảng từ 12 - 16 m/s Khi tốc độ gió lớn
hơn tốc độ giới hạn, công suất cực đại sẽ bị giới hạn hoặc phần năng lượng tử gió sẽ trở nên thừa thải
Đường cong công suất còn phụ thuộc vào áp suất không khí Với đường
cong của tốc độ gió có định, tuabin gid CÓ thể bị ảnh hưởng bởi tần số của hệ
thống
Đường cong công suất của nông trại gió không phải là đường cong của
một tuabin ở nông trại này, do hiệu ứng màn chắn hay hiệu ứng dòng đuôi của
tuabin Nếu những tuabin ở hàng đầu của dãy tuabin đón giỏ trực tiếp đạt được tốc độ là 15 m/s, thì các tuabin ở hàng sau cùng chỉ nhận được 10 m⁄s Do đó, những tuabin ở hàng đầu sẽ hoạt động với công suất định mức Trong khi đó, hàng sau cùng hoạt động ít hơn công suất định mức
3.2.4 Hiện tượng trễ và hiệu quả ngắt mạch
Nếu tốc độ gió vượt qua tốc độ đóng mạch cho phép thì tuabin sẽ tắt và
ngừng sản xuất điện Điều này có thể xảy ra trong lúc bão Khi tốc độ gió dưới
tốc độ đóng mạch, tuabin sẽ không khởi động lại ngay lập tức Thật vậy, sẽ có một cán trở đáng kể, phụ thuộc vào công nghệ riêng của tuabin và chế độ gió
mà tuabin hoạt động Tuabin gió khởi động lại thường cần một tốc độ gió
khoảng 3 - 4 m/s
Trang 353.3 Hệ thông điện năng lượng gió [13]-[14]
3.3.1 Giới thiệu '
Một hệ thống điện năng lượng gió gồm nhiều thành phần hoạt động song song với nhau như sau:
+ Máy phát điện + Tuabin gió
+ Bộ phận điều hướng đón gió
+ Cơ cấu truyền động cơ khí
+ Bộ phận điêu khiên và các cảm biên tốc độ
Trong hệ thống điện gió hiện đại, có thể thêm các phần tử sau:
+ Bộ phận điều khiên với sự hỗ trợ của máy tính
+ Lưu trữ điện để đáp ứng cho tải trong trường hợp làm việc độc lập
x À & As oe ne
+ Đường truyên kết nỗi với mạng lưới khu vực
Do rotor có moment quán tính lớn, đã tạo ra những thách thức lớn trong vấn đề thiết kế liên quan đến quá trình khởi động, điều khiển tốc độ trong vận
hành, cũng như dừng tuabin khi cần thiết Do đó, phải dùng đến dòng điện xoáy hay phanh hãm để dừng tuabin khi khẩn cấp, lúc bảo dưỡng định kỳ
Trang 3622
Hình 3.2 Các thành phần cơ bản của tuabin gió
3.3.1.1 Cánh quạt (Blades)
Gió thổi qua các cánh quạt làm cho chúng chuyên động và quay Các nỗ lực để chế tạo tuabin gió có khả năng thu nhiều năng lượng bị hạn chế bởi trọng lượng của các cánh quạt Các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Case Westerm Reserve đã chế tạo mẫu cánh quạt cực nhẹ, chắc gấp 8 lần và bền hơn sơ với các loại cánh quạt đang được sử dụng [1]
Trang 37Tuabin gió thường có 2 hoặc 3 cánh quạt, loại đang được sử dụng phô biến hiện nay là loại tuabin có 3 cánh quạt Lý do là loại tuabin 3 cánh có hiệu
suất cao hơn loại tuabin 2 cánh từ 2% - 3%
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 thiêu để chống chọi với những cơn gió lớn đi kèm với việc điều khiển để bảo vệ cánh
quạt và máy phát khi làm việc quá tải hay quá nhiệt Vẫn đề quan trọng 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 mối quan hệ vê 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 chi phi lắp đặt cũng cần phải được tính toán để đạt mức tối ưu
3.3.1.2 Rotor
Bao gôm các cánh quạt và trục
Hình 3.3 Bên trong một tuabin phát điện gió 3.3.1.3 Bước răng (Pitch)
Bộ phận này giúp cho cánh có thể xoay hoặc nghiêng một góc nào đó sao cho rotor quay với một tốc độ hợp lý nhằm đạt hiệu suất sản xuất năng lượng điện tối ưu, cũng như bảo vệ cánh quat rotor trong các điều kiện gió quá
Trang 3824
Hình 3.4 Bộ điều khiển góc pitch
3.3.1.4 Bộ hãm (Brake)
Hầu hết, các tuabin gió đều có bộ phận hãm dùng để dừng tuabin khi
cần sửa chữa trong một số trường hợp khẩn cấp, bảo trì định kỳ hoặc khi gió
quá lớn Thông thường, có hai loại phanh bao gồm phanh điện và phanh cơ
Một số tuabin có phanh cơ thông qua một đĩa Phanh cơ thường hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn so với phanh điện
3.3.1.5 Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft)
Trục quay tốc độ thấp là phần trục quay dùng để truyền moment giữa
cánh quạt và hộp số
3.3.1.6 Hộp số (Gear box)
Hộp số bao gồm các bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp và trục
Trang 391500 vòng/phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện Bộ bánh
răng này rât đắt tiên
Hình 3.5 Hộp số tuabin gió
3.3.1.7 Máy phát điện (Generator)
Thông thường, máy phát điện tuabin gió là loại xoay chiều, có nhiều cặp
lon eS A ` ` ts ay +A A A A 3 te
Trang 4026
Hình 3.6 Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp
3.3.1.8 Bộ điều khiến (Controller)
Bộ điều khiển sẽ được sử dụng để khởi động máy phát điện ở tốc độ gió
thông thường vào khoảng 8 m/s đến 12 m/s và ngắt máy phát khi tốc độ gió lớn hơn 20 m/s để bảo vệ máy phát có thể phát nóng và các kết cấu cơ khí của
tuabin
3.3.1.9 Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer)
Bộ đo lường tốc độ gió được sử dụng để đo lường tốc độ gió và truyền
~1°*^ & nA te & z A atk ok
đữ liệu tộc độ gió đến các bộ điêu khiên
3.3.1.10 Bộ xác định hướng gió (Wind vane)
Bộ xác định hướng gió có nhiệm vụ hỗ trợ điều chỉnh hướng rotor quay
theo chiều hướng gió Nó có thể đơn giản là cánh quạt đuôi hay các bộ phận
phức tạp Cánh quạt quay với moment lớn ở trên cao trong thời gian chuyển hướng thường dẫn đến tiếng ồn Trong trường hợp, việc chuyển hướng quá
nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép Vì vậy, quá trình này À 2? ok , aA z oA