Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017

Trang 3

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Châu Duy

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 19 tháng 11 năm 2017

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

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

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

Trang 4

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió;

- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ;

- Nghiên cứu và đề xuất điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ;

- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió và điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Trang 5

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Thành Hải

Trang 6

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Huỳnh Châu Duy đã tận tình hướng

dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 15SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Khoa

Cơ - Điện - Điện tử và Viện Đào tạo sau Đại học đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này

Lê Thành Hải

Trang 7

TÓM TẮT

Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Điều khiển góc nghiêng

cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới" mà bao gồm các nội dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Hệ thống điện gió

- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện không đồng bộ

- Chương 4: Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện không đồng bộ

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Trang 8

ABSTRACT

The thesis presents issues relating to "Pitch angle control of wind turbines in the

grid-connected wind power systems" It consists of the following contents:

- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Wind energy power systems

- Chapter 3: Pitch angle control of induction generator wind turbines

- Chapter 4: Simulation results

- Chapter 5: Conclusions and future works

Trang 9

MỤC LỤC

LỜI CAM ÐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

Chương 1 1

GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Mục tiêu của đề tài 3

1.4 Nội dung nghiên cứu 3

1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 3

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 3

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 8

1.6 Bố cục của luận văn 9

1.7 Kết luận 9

Chương 2 10

HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 10

2.1 Năng lượng gió 10

2.1.1 Năng lượng gió trên thế giới 11

2.1.2 Năng lượng gió tại Việt Nam 12

2.2 Đặc tính của năng lượng gió 18

2.3 Hệ thống điện gió 19

2.3.1 Tuabin gió 20

2.3.1.1 Cánh quạt (Blades) 21

2.3.1.2 Rotor 22

2.3.1.3 Bước răng (Pitch) 23

2.3.1.4 Bộ hãm (Brake) 23

Trang 10

2.3.1.5 Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft) 23

2.3.1.6 Hộp số (Gear box) 23

2.3.1.7 Máy phát điện (Generator) 24

2.3.1.8 Bộ điều khiển (Controller) 25

2.3.1.9 Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer) 25

2.3.1.10 Bộ xác định hướng gió (Wind vane) 25

2.3.1.11 Vỏ (Nacelle) 25

2.3.1.12 Trục tốc độ cao (High – speed shaft) 25

2.3.1.13 Yaw drive 26

2.3.1.14 Yaw motor 26

2.3.1.15 Tháp đỡ (Tower) 26

2.3.1.16 Bộ phận điều khiển tốc độ 27

2.3.2 Máy phát điện trong hệ thống điện gió 27

2.3.2.1 Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ 28

2.3.2.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc 29

2.3.2.3 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 30

2.3.2.4 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 33

Chương 3 35

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN GIÓ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 35

3.1 Giới thiệu 35

3.2 Máy phát điện gió 35

3.3 Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ 37

3.4 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc38 3.4.1 Phần stator 40

3.4.2 Phần rotor 42

3.5 Mô hình toán của máy phát điện không đồng bộ 44

3.6 Mô hình tuabin gió 49

Trang 11

3.7 Điều khiển góc cánh tuabin gió 50

3.8 Điều khiển góc nghiêng cánh gió tuabin sử dụng bộ điều khiển PI 55

Chương 4 61

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN GÓC NGHIÊNG CÁNH TUABIN GIÓ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 61

4.1 Giới thiệu 61

4.2 Mô phỏng máy phát điện không đồng bộ 63

4.3 Mô phỏng tuabin gió 66

4.4 Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin gió 69

4.5 Kết quả mô phỏng 71

4.5.1 Trường hợp 1 - Tốc độ gió không đổi 72

4.5.2 Trường hợp 2 - Tốc độ gió thay đổi 75

Chương 5 86

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 86

5.1 Kết luận 86

5.2 Hướng phát triển tương lai 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Trang 12

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Lựa chọn phương pháp điều chỉnh 58

Bảng 3.2 Tác động của việc tăng một thông số độc lập 59

Bảng 3.3 Phương pháp Ziegler-Nichols 59

Bảng 4.1 Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 1 - Tốc độ không đổi 73

Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 2 - Tốc độ thay đổi 76

Bảng 4.5 Tổng kết các kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp 1, 2, 3 và 4 của tốc độ không đổi và thay đổi 85

Trang 13

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và

tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh 4

Hình 1.2 Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau 5

Hình 1.3 Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu [3] 5

Hình 1.4 Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI 7

Hình 1.5 Sơ đồ khối tính toán các hệ số Kp và Ki 8

Hình 2.1 Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận 14

Hình 2.2 Điện gió Phú Quý, Bình Thuận 15

Hình 2.3 Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận 16

Hình 2.4 Điện gió Bạc Liêu 17

Hình 2.5 Các thành phần cơ bản của tuabin gió 20

Hình 2.6 Tuabin gió trục đứng 21

Hình 2.7 Tuabin gió trục ngang 21

Hình 2.8 Bên trong một tuabin phát điện gió 22

Hình 2.9 Bộ điều khiển góc pitch 23

Hình 2.10 Hộp số tuabin gió 24

Hình 2.11 Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp 24

Hình 2.12 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện 29

Hình 2.13 Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 31

Hình 2.14 Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 32

Hình 3.1 Mặt cắt các máy điện 36

Hình 3.2 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện 37

Hình 3.3 Máy phát điện không đồng bộ có công suất 1,5 kW 38

Hình 3.4 Kết cấu máy phát điện không đồng bộ 39

Trang 14

Hình 3.5 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc 40

Hình 3.6 Vỏ máy 41

Hình 3.7 Cấu tạo lõi thép stator 41

Hình 3.8 Dây quấn stator 42

Hình 3.9 Sơ đồ khai triển dây quấn stator 42

Hình 3.10 Lõi thép rotor 43

Hình 3.11 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn 43

Hình 3.12 Thanh dẫn của rotor lồng sóc 44

Hình 3.13 Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ 46

Hình 3.14 Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ 47

Hình 3.15 Vùng làm việc của các tuabin gió 52

Hình 3.16 Cấu trúc của một mô hình tuabin gió với tốc độ tuabin có thể thay đổi được 53

Hình 3.17 Chiến lược điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió 54

Hình 3.18 Đặc tuyến góc nghiêng cánh tuabin gió 55

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ (Induction Generator, IG) 62

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng của một cụm tổ máy phát điện gió 62

Hình 4.3 Mô hình máy phát điện gió không đồng bộ 64

Hình 4.4 Thông số cụm tổ máy phát điện gió 65

Hình 4.5 Mô hình tuabin gió 67

Hình 4.6 Đặc tính tốc độ và công suất tuabin 68

Hình 4.7 Thông số cụm tuabin gió 68

Hình 4.8 Vùng làm việc của các tuabin gió 70

Hình 4.9 Mô phỏng tuabin gió với bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin PI 71

Hình 4.10 Tốc độ gió - Trường hợp 1 72

Hình 4.11 Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 1 74

Hình 4.12 Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường hợp 1 74

Trang 15

Trang 16

Chương 1 GIỚI THIỆU

Bên cạnh đó, tình trạng các nguồn nhiên liệu đầu vào truyền thống, không tái tạo của các nhà máy nhiệt điện truyền thống như dầu mỏ, than đá, khí đốt,… đều được cảnh báo cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung không ổn định mà đã thúc đẩy con người và đặc biệt là các nhà khoa học phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế Việt Nam cũng không thể tránh khỏi nguy cơ thiếu hụt năng lượng này

Trong khi đó, năng lượng thủy điện đã được khai thác tối đa với nhà máy thủy điện công suất lớn, nhỏ khác nhau chiếm diện tích lòng hồ 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

Với các vấn đề nêu trên, trong tương lai các vấn đề về an ninh năng lượng sẽ không thể được đảm bảo Các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia khó trở thành hiện thực

Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, các 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 các loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện môi trường, thiên nhiên…

Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong nghiên cứu, khai thác và sử dụng

Có thể nhận thấy rằng, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít bảo dưỡng, … Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ được khuyến khích khai thác sử

Trang 17

dụng trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống Trong đó, việc khai thác và sử dụng năng lượng gió để sản xuất năng lượng điện là một điển hình

Góp phần cho vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và an toàn của

các hệ thống điện gió là rất cần thiết Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều

khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới”

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với những phát minh, sáng chế giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhu cầu không ngừng của con người Song song với sự phát triển và tiến bộ này, con người cũng luôn 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 đó, vấn đề năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện được đánh giá là quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong

giai đoạn này

“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 Hiện nay, với mức độ tăng dân số, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng

36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại

Thêm vào đó, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association) 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 tạo,…) [1]-[2] IEA cũng đánh giá dầu 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 thì hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [2]

Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác là phải tìm

ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các nhà khoa học tích cực nghiên cứu khai thác Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và

xu hướng tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và khai thác ngày càng nhiều

Trang 18

Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà nó

đã trở thành một vấn đề toàn cầu Trong số các nguồn năng lượng tái tạo trên, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh giá cao Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể khai thác được hiệu quả và tối đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện Câu trả lời là nhiệm vụ của các nhà khoa học mà sẽ được đưa ra phân tích và giải quyết trong luận văn này

1.3 Mục tiêu của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu:

+ Hệ thống điện gió;

+ Điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới

+ Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió;

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện gió không đồng bộ trong hệ thống điện gió;

- Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới;

- Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió nối lưới

1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác từ những năm của thế kỷ thứ 11

và cho đến ngày nay đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu và khai thác năng lượng gió cho sản xuất năng lượng điện

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

V Ramakrishnan và S K Srivatsa với công trình nghiên cứu, “Pitch control of wind turbine generator by using new mechanism”, đã biểu diễn mô hình của các phần tử

Trang 19

khác nhau trong hệ thống điện năng lượng gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin, thiết

kế của bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin và phân tích các đáp ứng của hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin khi tốc độ gió thay đổi [3]

Hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giám sát sao cho công suất phát là lớn và ổn định Hàm số góc nghiêng cánh tuabin được sử dụng để điều khiển công suất cơ và là kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất được sử dụng cho việc điều khiển các tuabin gió tốc độ thay đổi

Tương ứng với các tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió để phát công suất định mức của máy phát, góc nghiêng cánh tuabin gió là lớn nhất Tuy nhiên, góc nghiêng cánh tuabin có thể nhỏ hơn để hỗ trợ tuabin gió tăng tốc nhanh hơn

Tương ứng với tốc độ gió định mức, góc nghiêng cánh tuabin được điều khiển để giữ máy phát làm việc tương ứng với công suất phát định mức thông quan việc giảm góc nghiêng cánh tuabin Công trình nghiên cứu đã phát triển các mô hình động sử dụng phần mềm Simulink/Matlab Các kết quả nghiên cứu cũng được xác nhận thông qua các thực nghiệm dưới các điều kiện tốc độ gió khác nhau Bên cạnh đó, cơ cấu điều khiển động cơ bước cũng được đề xuất sử dụng thay thế cho cơ cấu điều khiển thủy lực

Hình 1.1 Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và tuabin có

điều khiển góc nghiêng cánh

Tuabin

Bộ điều khiển

Máy phát điện không đồng bộ

Bộ biến đổi công suất Lưới điện

Trang 20

Hình 1.2 Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau

Hình 1.3 Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên cứu [3]

Mouna Ben Smida và Anis Sakly với công trình nghiên cứu, “Pitch angle control for variable speed wind turbines”, đã khẳng định lại một lần nữa kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió phục vụ cho việc điều khiển công suất trong trường hợp tốc độ gió vượt quá tốc độ gió cho phép [4] Kỹ thuật này có thể được xem là một phương pháp luận điều khiển công suất phổ biến và hiệu quả nhất Thông thường, kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió sử dụng bộ điều khiển PI Nghiên cứu này áp dụng kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet

Trang 21

Synchronous Generator, PMSG) Các chiến lực điều khiển được thực hiện dưới sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng Matlab/Simulink

Z Civelek, E Cam, M Luy và H Mamur, với công trình nghiên cứu,

“Proportional - integral - derivative parameter optimisation of blade pitch controller in wind turbines by a new intelligent genetic algorithm”, đã giới thiệu thuật toán IGA (Intelligent genetic algorithm) cho việc tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PID mà được sử dụng trong các bộ điều khiển góc cánh tuabin gió [5] Thuật toán IGA này thực hiện sắp xếp lại tốc độ đột biến và số điểm lai Các kết quả được so sánh với các phiên bản thuật toán di truyền khác và cho thấy rằng đáp ứng điều chỉnh góc cánh tuabin gió bằng việc sử dụng bộ điều khiển với thuật toán di truyền đề xuất là tốt hơn bộ điều khiển với các thuật toán di truyền phiên bản khác

S Khajuria và J Kaur, với công trình nghiên cứu, “Implementation of pitch control

of wind turbine”, đã cho thấy rằng làm thế nào để tuabin gió tốc độ thay đổi có thể được sử dụng để phát ra công suất với điện áp không đổi thông qua kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió với bộ điều khiển PI [6] Các tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thực hiện mô phỏng Các kết quả đạt được cho thấy rằng bộ điều khiển đã điều khiển chính xác góc cánh tuabin gió sao cho công suất của tuabin gió đạt được giá trị tối ưu Máy phát điện gió được sử dụng trong nghiên cứu này là máy phát điện gió không đồng bộ

J Zhang, M Cheng, Z Chen và X Fu, với công trình nghiên cứu, “Pitch angle control for variable speed wind turbines”, đã giới thiệu bộ điều khiển góc cánh tuabin gió

sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ [7] Trong nghiên cứu này, hệ thống điện gió không cần được mô hình và tốc độ gió trung bình được sử dụng để bù độ nhậy phi tuyến Chiến lược điều khiển logic mờ là khả thi khi hệ thống bao gồm các thành phần phi tuyến như sự nhiễu loạn của tốc độ gió hoặc các mục tiêu điều khiển cho các tải lớn Thiết kế của bộ điều khiển logic mờ và các so sánh được thực hiện so với các chiến lược điều khiển góc cánh tuabin gió thông thường khác cho thấy rằng bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ có thể đạt được hiệu quả điều khiển tốt hơn các chiến lược điều khiển thông thường

M H Refan, M Kamarzarrin và A Ameshghi, với công trình nghiên cứu, “Control

of wind turbine’s pitch angle based on DFIG by using MRAC and PIP controller” đã giới thiệu kỹ thuật điều khiển tham chiếu mô hình trên cơ sở thích nghi [8] Các kết quả được

so sánh với kỹ thuật điều khiển PIP (Proportional Integral Plus) mà cho thấy rằng hiệu quả của kỹ thuật điều khiển PIP thấp hơn kỹ thuật điều khiển thích nghi Bên cạnh đó, sai số

Trang 22

bám của kỹ thuật điều khiển thích tham chiếu mô hình cũng được cải thiện một cách đáng

kể

Rukslin, M Haddin và A Suprajitno, với công trình nghiên cứu, “Pitch angle controller design on the wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG) based on firefly algorithms (FA)” đã giới thiệu thuật toán Firefly (FA) mà được

sử dụng như là một kỹ thuật điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID [9] Trong đó,

bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển tốc độ tuabin gió, cùng với bộ điều khiển góc cánh tuabin gió Thuật toán FA được sử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ điều khiển của tuabin gió máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (PMSG) Khi tốc độ gió thấp dưới giá trị trung bình thì việc điều khiển tốc độ phải được thực hiện để duy trì mức tốc độ tối ưu Khi đó, công suất ngõ ra sẽ cực đại và vì thế, hiệu suất tuabin sẽ được nâng lên Việc điều chỉnh góc cánh tuabin được yêu cầu trong các điều kiện của tốc độ gió trên giá trị cho phép Sự thay đổi nhỏ của góc cánh tuabin có thể ảnh hưởng ngõ ra công suất Có thể nhận thấy rằng việc điều khiển góc cánh tuabin gió là một trong những cách để thích nghi moment khí động học của tuabin gió khi tốc độ gió trên tốc độ cho phép Các kết quả

từ nghiên cứu này cho thấy rằng dưới sự hỗ trợ của thuật toán FA, công suất ngõ ra là tối

ưu và ổn định khi được so sánh với bộ điều khiển PID và kỹ thuật Ziegler - Nichols

A Hwas và A Katebi, với công trình nghiên cứu, “Wind turbine control using PI pitch angle controller”, đã giới thiệu 2 kỹ thuật để tính toán các hệ số của bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI cho một tuabin gió 5 MW [10] Phương pháp thứ nhất là phân tích

và phương pháp thứ hai là được dựa trên các mô phỏng Đầu tiên, các đặc tính hệ số công suất cho các góc cánh tuabin khác nhau được tính toán Sau đó, các đường cong công suất ngõ ra theo tốc độ rotor từ các tốc độ cận dưới đến các tốc độ cận trên được mô phỏng Các kết quả từ các phân tích thứ nhất và thứ hai được sử dụng để tìm ra các hệ số điều khiển tương ứng với các tốc độ gió khác nhau Cuối cùng, các kết quả được so sánh bằng việc sử dụng một mô hình tuabin gió để xác định đặc tính bám của tuabin gió

Hình 1.4 Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI

Trang 23

Hình 1.5 Sơ đồ khối tính toán các hệ số Kp và Ki

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã nghiên cứu giải thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của mô hình hệ thống điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Nghiên cứu đánh giá rằng đây là giải thuật tương đối đơn giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá phổ biến [11]

Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy thực hiện điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng Trong nghiên cứu này, tác giả cũng thực hiện điều khiển góc đón gió thông qua việc điều khiển góc cánh quạt sao cho hệ thống điện gió có thể thu được nhiều năng lượng nhất Máy phát điện gió được sử dụng trong hệ thống điện gió nghiên cứu là máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép [12]

Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật toán MPPT tối ưu công suất cho máy phát năng lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thông minh", Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã giới thiệu một giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại mà được kết hợp với công cụ điều khiển thông minh mạng nơ-rôn để tối ưu công suất phát của máy phát điện gió DFIG [13]

Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, đã tìm hiểu giải thuật điều khiển sao cho công suất phát của máy phát điện gió đồng

bộ nam châm vĩnh cửu là cực đại trên cơ sở điều chỉnh tốc độ rotor và giải thuật P&O cải tiến Giải thuật cải tiến sử dụng thông số độ dốc của điện áp DC-link để phát hiện sự thay đổi nhanh chóng của tốc độ gió và điều khiển bộ biến đổi công suất theo chế độ bước nhẩy thay đổi [14]

Trang 24

1.6 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Hệ thống điện gió

- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện không đồng bộ

- Chương 4: Mô phỏng điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của máy phát điện không đồng bộ

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

1.7 Kết luận

Rõ ràng rằng nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là rất lớn Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam - EVN, để đáp 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 [15] Do đó, việc đầu tư phát triển nguồn điện, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cần thiết và hiệu quả đối với một quốc gia có nhiều điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam Vì vậy, việc nghiên cứu các giải thuật để nâng cao hiệu quả khai thác của một hệ thống điện gió là hết sức cần thiết và cấp bách

Trang 25

Chương 2

HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

2.1 Năng lượng gió

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà đang được đặc biệt quan tâm liên quan đến nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới Hiện tại, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lượng này 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 quyển quanh mặt trời, sự chuyển vận của trái đất và sự lồi lõm của mặt đất

* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió

Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng gió mang nhiều điểm thuận lợi mà

là lý do chính 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 này cho việc sản xuất năng lượng điện bao gồm:

+ Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gió phát triển sẽ tạo thêm nhiều việc làm

+ 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 lượng điện khác

* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió

- Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió là phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên

Trang 26

- Mặc dù công nghệ năng lượng gió đang phát triển và giá thành của một tuabin gió đã giảm dần từ hơn 10 năm qua nhưng mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư so với các nguồn năng lượng truyền thống khác

- Cũng có thể dễ dàng nhận ra rằng, không có bất kỳ một nguồn năng lượng nào không gây ra các ảnh hưởng đến môi trường Đối với nguồn năng lượng gió, các ảnh hưởng cần phải quan tâm là các tuabin gió gây ra các tiếng ồn làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí và có thể xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã

2.1.1 Năng lượng gió trên thế giới

Năng lượng gió phát triển nhanh vào những năm 1990 Tuy nhiên, năng lượng gió có sự phân bố không đồng đều trên thế giới Đến cuối năm 2012, khoảng 76% công suất là ở Châu Âu, 18% ở Nam Mỹ và 8% ở Châu Á Thái Bình Dương

Trang 27

c 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

d Châu Á Thái Bình Dương

Năm 1993, Ấn Độ đã đạt được sự phát triển ấn tượng về việc lắp đặt tuabin gió Chính phủ bắt đầu tạo cơ hội khuyến khích đầu tư vào nguồn năng lượng này

Trung 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

e Trung Đông và Châu Phi

Sự phát triển năng lượng gió diễn ra rất chậm ở Châu Phi Hầu hết, các dự án đều phụ thuộc vào sự hỗ trợ của quốc tế

2.1.2 Năng lượng gió tại Việt Nam

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 xỉ 9% tổng diện tích quốc gia Nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đường bờ biển dài hơn 3000km, Việt Nam có lợi thế rất lớn về phát triển năng lượng gió Ngân hàng thế giới đã tiến hành một khảo sát chi 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 và Thái Lan Hơn thế nữa, vùng duyên hải Miền Nam và Nam Trung bộ của Việt Nam đặc biệt hứa hẹn về tiềm

Trang 28

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 Á, do tổ chức True Wind Solutions LLC (Mỹ), khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía Bắc Trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7 - 9 m/s, có thể phát điện với công suất lớn nối lưới điện quốc gia Hầu hết, vùng ven biển còn lại trên lãnh thổ, vùng núi,… tốc độ gió đạt từ 5 - 6 m/s, có thể khai thác gió kết hợp với máy phát điện Diesel Tuy nhiên, để khuyến khích đầu tư

về năng lượng gió cần có các chính sách về năng lượng tái tạo, mạng lưới điện, nhằm thu hút vốn cho các nhà máy điện gió

Tổng tiềm 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

a Nhà máy điện gió Tuy Phong

Nhà máy điện gió Tuy Phong, Huyện Tuy Phong, Tỉnh Bình Thuận là dự án điện gió có quy mô lớn đầu tiên tại Việt Nam do Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư với 80 tuabin, có tổng công suất là 120 MW và 1.500 ha của dự án chủ yếu được quy hoạch trên vùng đất bạc màu, chỉ có cây bụi

và những rẫy dưa còi cọc

Giai đoạn 1 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 nổi 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 ổn 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

Trang 29

Hình 2.1 Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận

b Nhà máy điện gió Phú Quý

Nhà máy điện gió đảo Phú Quý là công trình có 3 turbin gió, tổng công suất

6 MW với tổng mức đầu tư trên 335 tỉ đồng Đến nay, các hạng mục công trình đã hoàn thành bao gồm cả trạm biến áp 22 kV và đường dây 22 kV Hệ thống đo điện năng, hệ thống cáp quang cũng đã được lắp đặt hoàn chỉnh Các turbin gió vận hành bảo đảm các thông số kỹ thuật Theo Công ty TNHH MTV Năng lượng tái tạo Điện lực Dầu khí Việt Nam (PVPower RE), đây là hệ thống hỗn hợp phong điện - diesel đầu tiên của Việt Nam và trên thế giới cũng chưa có hệ thống tương tự, chính vì vậy công tác thiết kế hệ thống gặp nhiều khó khăn Do đó, cần thêm thời gian vận hành thử nghiệm để điều chỉnh độ chính xác tối đa Điện từ năng lượng gió của Nhà máy điện gió Phú Quý sẽ hòa cùng điện của Nhà máy điện Diesel hiện tại ở đảo Khi vận hành, thì đảo Phú Quý sẽ được cung cấp điện chính thức 24/24 giờ Dự kiến điện gió Phú Quý sẽ cung cấp sản lượng điện bình quân là 25 triệu kWh/năm Trước đây, nguồn điện trên đảo Phú Quý chủ yếu được cung cấp từ Nhà máy điện Diesel của Công ty Điện lực Bình Thuận, với tổng công suất 3.000 kW, chỉ phát điện được 16 giờ/ngày (từ 7 giờ 30 đến 23 giờ 30), lượng điện hàng năm ước khoảng 8,2 triệu kWh/năm Nhà máy phong điện Phú Quý đi vào hoạt động sẽ góp phần giải quyết tình hình thiếu điện sinh hoạt và sản xuất cho 27.000 người dân trên đảo Công trình điện gió Phú Quý do PVPower RE khởi công xây dựng vào cuối năm 2010

Trang 30

Hình 2.2 Điện gió Phú Quý, Bình Thuận

c Nhà máy điện gió Phú Lạc, Bình Thuận

Dự án Nhà máy điện gió Phú Lạc - giai đoạn 1 khởi công vào ngày 27/7/2015 và hoàn thành ngày 19/9/2016 Nhà máy có 12 tuabin gió, công suất 24

MW, tổng mức đầu tư là 1.089 tỷ đồng do Ngân hàng Tái thiết Đức (KfW) tài trợ

35 triệu EUR, phần còn lại là vốn đối ứng từ chủ đầu tư Dự án được sử dụng thiết

bị của Công ty Vestas, Đan Mạch; được tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật từ Công ty Fichtner, Đức

Dự án dự kiến sẽ cho sản lượng điện trên 59 triệu kWh/năm, được đấu nối vào đường dây 110 kV Ninh Phước - Tuy Phong Hợp đồng mua bán điện của dự án thực hiện theo Quy định của Thông tư 32/2012/TT-BCT của Bộ Công thương và giá mua điện được thực hiện theo Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ

Trang 31

Hình 2.3 Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận

d Nhà máy điện gió Bạc Liêu

Ngày 17/1/2016 vừa qua, tại thành phố Bạc Liêu đã tổ chức Lễ khánh thành Nhà máy điện gió Bạc Liêu lớn nhất nước ta hiện nay Nhà máy điện gió Bạc Liêu

do Công ty TNHH Xây dựng - Thương mại - Du lịch Công Lý làm chủ đầu tư được triển khai xây dựng ven biển Bạc Liêu với toàn bộ các tuabin được đặt dọc theo đê biển Đông, kéo dài từ phường Nhà Mát đến ranh giới tỉnh Sóc Trăng và chiếm tổng diện tích khoảng 1.300 ha

Dự án xây dựng nhà máy được chính thức khởi công vào ngày 9/9/2010 Sau

5 năm triển khai, dự án hoàn thành, nhà máy có 62 tuabin gió, mỗi tuabin gió có công suất gần 1,6 MW, tổng công suất đạt được gần 99,2 MW và điện lượng sản xuất hàng năm khoảng 320 triệu kWh/năm Tổng mức đầu tư của dự án là 5.217 tỷ đồng, bằng nguồn vốn tự có của chủ đầu tư và nguồn vốn vay tín dụng đầu tư của Nhà Nước

Mỗi tuabin gió có chiều cao 82,5 m; đường kính 4 m; làm bằng thép đặc biệt không gỉ và được sản xuất tại Mỹ Tuabin có 3 cánh quạt với chiều dài mỗi cánh 42

m, làm bằng nhựa đặc biệt, có hệ thống điều khiển giúp cánh quạt tự gập lại khi gặp thời tiết xấu như bão lớn phù hợp với chế độ gió cấp III tại khu vực ven biển Tỉnh Bạc Liêu Đây là loại tuabin gió do tập đoàn General Electric của Hoa kỳ cung cấp với công nghệ tiên tiến đang được ứng dụng rộng trên thế giới

Trang 32

Với công suất đạt gần 100 MW (chính xác 99,2 MW), Nhà máy điện gió Bạc Liêu là nhà máy điện gió lớn nhất ở nước ta hiện nay Đặc thù của dự án xây dựng nhà máy điện gió là ngay trong quá trình xây dựng, mỗi tuabin gió được lắp dựng đều có thể đấu nối và hòa điện vào lưới điện quốc gia; tức phát huy ngay được hiệu quả đầu tư Tính từ trụ tuabin gió đầu tiên được hòa vào lưới điện quốc gia tháng 5/2013 đến thời điểm khánh thành dự án vào tháng 1/2016, tổng sản lượng điện hòa vào lưới quốc gia trong giai đoạn đầu tư xây dựng là 130 triệu kWh điện, doanh thu

từ bán điện là 150 tỷ đồng, đóng góp ngân sách được 15 tỷ đồng

Nhà máy điện gió Bạc Liêu chưa dừng lại ở đây Tiếp theo, sau khi khánh thành giai đoạn 1, chủ đầu tư sẽ xúc tiến lập báo cáo tiền khả thi triển khai giai đoạn tiếp theo với 71 trụ tuabin gió mới (loại 2 MW/trụ) và tổng công suất 142 MW, tổng mức đầu tư dự kiến 8.850 tỷ đồng, thời gian thực hiện 36 tháng Dự kiến cuối năm

2018 sẽ hoàn thành xây dựng và đưa toàn bộ các tuabin mới vào vận hành và hòa vào hệ thống điện lưới Quốc gia

Hình 2.4 Điện gió Bạc Liêu

Về dài 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 chi chí trong và chi chí ngoài về môi trường và xã hội) cần phải được phân tích một cách kỹ lưỡng, có tính đến những phát triển mới

về mặt công nghệ, cũng như trữ lượng và biến động giá của các nguồn năng lượng thay thế Trong các nguồn năng lượng này, năng lượng gió nổi lên như một lựa chọn xứng đáng, vì vậy cần được đánh giá một cách đầy đủ Thêm vào đó, cũng dễ dàng nhận ra rằng Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển và khai thác nguồn

Trang 33

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

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, Philippine, ; và những lợi thế về mặt tự

nhiên của Việt Nam, Việt Nam hoàn toàn tin rằng có thể phát triển năng lượng điện

gió để đóng góp vào sự phát triển chung của nguồn năng lượng điện Việt Nam

2.2 Đặc tính của năng lượng gió

Tương ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau, các khối khí sẽ chuyển

động Sự di chuyển của khối khí có thể là hiện tượng toàn cầu mang tính chất vùng

và khu vực 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 đến

tầng thấp hơn Ở những nơi mặt đất gồ gề, các luồng gió gần mặt đất sẽ bị thay đổi

bất thường Cao điểm của sự thay đổi bất thường chính là do bão

Công suất gió được biểu diễn như sau:

A: là diện tích quét của cánh tuabin gió (m2)

ρ: là tỷ trọng không khí (kg/m3

) V: là tốc độ gió (m/s)

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

Trang 34

giới hạn, công suất cực đại sẽ bị giới hạn hoặc phần năng lượng từ 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 cố định, tuabin gió 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 mà phải xem xét thêm các yếu tố khác như hiệu ứng màn chắn hay hiệu ứng dòng đuôi của tuabin

Nếu những tuabin ở hàng đầu của dãy tuabin đón gió trực tiếp và đạt được tốc độ là 15 m/s, thì các tuabin ở hàng sau cùng chỉ đạt được tốc độ là 10 m/s Do

đó, những tuabin ở hàng đầu sẽ hoạt động với công suất định mức Trong khi đó, các tuabin ở hàng sau cùng sẽ hoạt động với công suất nhỏ hơn định mức

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 Nếu tốc độ gió dưới tốc

độ đóng mạch tối thiểu thì tuabin sẽ không khởi động lại ngay lập tức Để được khởi động lại, tuabin gió thường cần một tốc độ gió khoảng 3 - 4 m/s

+ Bộ phận điều hướng đón gió;

+ Cơ cấu truyền động cơ khí;

+ Bộ phận điều khiển và các cảm biến tốc độ

Trong hệ thống điện gió hiện đại, có thể thêm các thành phần sau:

+ Bộ phận điều khiển với sự hỗ trợ của máy tính;

+ Lưu trữ điện để đáp ứng cho tải trong trường hợp làm việc độc lập;

+ Đường truyền kết nối với mạng lưới khu vực

Trang 35

2.3.1 Tuabin gió

Các thành phần cơ bản của tuabin gió được biểu diễn như trong Hình 2.5

Hình 2.5 Các thành phần cơ bản của tuabin gió Hiện nay, tuabin gió được chia thành hai loại:

+ Tuabin gió trục đứng;

+ Tuabin gió trục ngang

Các tuabin gió trục đứng hoạt động không chịu ảnh hưởng bởi hướng gió Nhưng tuabin trục đứng thường có công suất nhỏ Trong khi đó, tuabin gió trục ngang được sử dụng phổ biến hơn với 2 hoặc 3 cánh quạt Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi

Trang 36

a) Tuabin gió

trục đứng

Sovonius

b) Tuabin gió trục đứng Sovonius 3 tầng

c) Tuabin gió trục đứng Darrieus tại Heroldstat, Đức

d) Tuabin gió trục đứng H-Darrieus tại Nam Cực

Trang 37

trọng lượng nhẹ, chắc chắn cho phép tăng đối đa năng lượng thu được Các kết quả thử nghiệm cơ học đối với ống nano cacbon gia cố polyurethane cho thấy vật liệu này tốt hơn hẳn so với các loại nhựa hiện đang được sử dụng để sản xuất các cánh quạt tuabin gió

Tuabin gió thường có 2 hoặc 3 cánh quạt, loại đang được sử dụng phổ 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 thiểu 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 Vấn 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 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 chi phí lắp đặt cũng cần phải được tính toán để đạt mức tối

Trang 38

2.3.1.3 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 quạt rotor trong các điều kiện gió quá lớn

Hình 2.9 Bộ điều khiển góc pitch

2.3.1.4 Bộ hãm (Brake)

Hầu hết, các tuabin gió đều có bộ phận hãm được sử dụng để dừng tuabin khi cần sửa chữa trong một số trường hợp khẩn cấp khi gió quá lớn hoặc bảo trì định

kỳ Thông thường, có hai loại phanh bao gồm phanh điện và phanh cơ

2.3.1.5 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

2.3.1.6 Hộp số (Gear box)

Hộp số bao gồm các bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp và trục có tốc độ cao mà có thể tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1200 đến 1500

Trang 39

vòng/phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền

Hình 2.10 Hộp số tuabin gió

2.3.1.7 Máy phát điện (Generator)

Thông thường, máy phát điện tuabin gió là loại xoay chiều, có nhiều cặp cực với kết cấu đơn giản và phù hợp với đặc điểm tốc độ thấp của tuabin gió

Hình 2.11 Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp

Trang 40

Máy phát điện tuabin gió có thể bao gồm:

+ Máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cữu;

+ Máy phát điện gió không đồng bộ rotor lồng sốc;

+ Máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;

2.3.1.8 Bộ điều khiển (Controller)

Bộ điều khiển được sử dụng để khởi động máy phát điện gió Thông thường, máy phát điện gió có thể khởi động được ở tốc độ gió từ 8 - 12 m/s và ngắt máy phát khi tốc độ gió lớn hơn 20 m/s để bảo vệ máy phát mà có thể phát nóng, cũng như các kết cấu cơ khí của tuabin

2.3.1.9 Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer)

Bộ đo lường tốc độ gió được sử dụng để đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió đến các bộ điều khiển

2.3.1.10 Bộ xác định hướng gió (Wind vane)

Bộ xác định hướng gió có nhiệm vụ hỗ trợ cho việc 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 cần phải được kiểm soát một cách liên tục

2.3.1.11 Vỏ (Nacelle)

Vỏ bọc ngoài được đặt trên đỉnh trụ được sử dụng để bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

2.3.1.12 Trục tốc độ cao (High – speed shaft)

Trục tốc độ cao được sử dụng để truyền động máy phát ở tốc độ cao

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	2,17 MB