Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN CHUNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -

NGUYỄN VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -

NGUYỄN VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

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

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

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN CHUNG Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV:

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNGLƯỢNG GIÓ

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 nguồn kép;

- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện nănglượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;

- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió và giải thuật điều khiển công suất của hệthống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu vàkết 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 đãđược cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủnguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Văn Chung

LỜI CÁM ƠN

Xin chân thành cám ơn Thầy TS Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp đỡ và

hướng dẫn em thực hiện Luận văn này

Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em nhiều kiến thức quý báu trongquá trình học tập làm nền tảng cho em hoàn thành Luận văn này

Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quátrình thực hiện Luận văn này

Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi emđang công tác đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành Luận văn này

-Nguyễn Văn Chung

Tóm tắt

Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió" mà bao gồm các nội

dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Tổng quan

- Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió

- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện nănglượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

- Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất 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

Abstract

The thesis presents issues relating to "Power control of wind energypower systems using doubly-fed induction generators (DFIG)" It consists ofthe following contents:

- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Literature review

- Chapter 3: Wind energy power systems

- Chapter 4: Power control of wind energy power systems using fed induction generators

doubly Chapter 5: Simulation results

- Chapter 6: Conclusions and future developments

Chương 1 - Giới thiệu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài .3

1.3 Mục tiêu của đề tài 4

1.4 Nội dung nghiên cứu .5

1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 5

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 5

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.6 Bố cục của luận văn .7

1.7 Kết luận .7

Chương 2 - Tổng quan 8

2.1 Giới thiệu .8

2.2 Nền tảng lịch sử của tuabin gió 9

2.2.1 Lịch sử của cối xoay gió 9

2.2.2 Tuabin gió

10 2.3 Thực trạng năng lượng gió trên thế giới

11 2.3.1 Châu Âu

12 2.3.2 Bắc Mỹ

12 2.3.3 Nam và Trung Mỹ 12

2.3.4 Châu Á Thái Bình Dương 12

2.3.5 Trung Đông và Châu Phi 13

2.4 Thực trạng năng lượng gió tại Việt Nam 13

2.5 Kết luận 14

Chương 3 - Hệ thống điện năng lượng gió 16

3.1 Hệ thống điện 16

3.2 Đặc tính của năng lượng gió 19

3.2.1 Gió 19

3.2.2 Mô tả vật lý 19

3.2.3 Đường cong công suất 20

3.2.4 Hiện tượng trễ và hiệu quả ngắt mạch 20

3.3 Hệ thống điện năng lượng gió 21

3.3.1 Giới thiệu 21

3.3.2 Phân loại tuabin gió 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

32 3.4.3 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

43 3.4.4 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong

49 Chương 4 - Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

54 4.1 Giới thiệu 54

4.2 Vector không gian và các phép biến đổi 55

4.3 Biểu diễn công suất theo vector không gian 56

4.4 Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và β 58

4.5 Mô hình toán máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

60 4.5.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh β 62

4.5.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq 63

64.6 Điều khiển bộ chuyển đổi công suất 654.6.1 Giới thiệu 654.6.2 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 với bộ SEQ 69

Chương 5 - Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

71 5.1 Giới thiệu 71

5.1.1 Mô phỏng máy phát điện DFIG 72

5.1.2 Mô phỏng tuabin gió 74

5.1.3 Mô phỏng các bộ điều khiển 76

5.2 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12m/s 77

5.3 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong trường hợp tốc độ gió thay đổi

86 5.4 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

94 Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 89

6.1 Kết luận 89

6.2 Hương phát triển tương lai

89 Tài liệu tham khảo 90

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 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 nhỏHình 3.8 Mặt cắt các máy điện

Hình 3.9 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộrotor lồng 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 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc

Hình 3.13 Vỏ máy

Hình 3.14 Cấu tạo lõi thép stator

Hình 3.15 Dây quấn stator

Hình 3.16 Sơ đồ khai triển dây quấn stator

Hình 3.17 Lõi thép rotor

Hình 3.18 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn

Hình 3.19 Thanh dẫn của 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

Hình 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 képHình 3.24 Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong

Hình 4.1 Nguyên lý vector không gian

Hình 4.2 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và αβ

Hình 4.3 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq

Hình 4.4 Mối liên hệ giữa trục tọa độ αβ và dq

Hình 4.5 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y

Hình 4.6 Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor

Hình 4.7 Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục αβ

Hình 4.8 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dqHình 4.9 Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới

Hình 4.10 Mô hình điều khiển DFIG

Hình 4.11 Vector định hướng từ thông DFIG với thành phần thứ tự thuận

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 phảnkháng của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng DFIG với tốc độ gió khôngđổi, 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 hợptốc 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 Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s

Hình 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 5.17 Hiệu suất chuyển đổi công suất gió

Hình 5.18 Tốc độ gió thay đổi

Hình 5.19 Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợptốc độ gió thay đổi

Hình 5.20 Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.21 Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.22 Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.23 Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.24 Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.25 Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.26 Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.27 Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổiHình 5.28 Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi

Hình 5.29 Hiệu suất chuyển đổi công suất gió tương ứng với trường hợp tốc

độ gió thay đổi

Hình 5.30 Tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.31 Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợptốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.32 Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.33 Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.34 Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.35 Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.36 Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.37 Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.38 Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.39 Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổilớn

Hình 5.40 Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.41 Hiệu suất chuyển đổi công suất gió tương ứng với trường hợp tốc

độ gió thay đổi lớn

tế khác, có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chínhtrị, văn hóa và xã hội.

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đời sốngngười dân ngày càng được cải thiện, kéo theo đó là nhu cầu sử dụngnăng lượng điện ngày càng tăng cao Trước tình trạng nguồn năng lượngtruyền thống không tái tạo như dầu mỏ, than, khí đốt,… đều đang đứng trướcnhững cảnh báo cạn kiệt buộc nhân loại phải vào cuộc tìm kiếm nguồnnăng lượng thay thế

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, nước ta đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượngnghiêm trọng Qua nhiều hội thảo, hội nghị về năng lượng, qua trao đổi vớinhiều nhà khoa học, cho thấy còn vài thập niên nữa, năng lượng hóa thạchnhư than đá, dầu mỏ, khí đốt sẽ bị cạn kiệt, loài người sẽ lâm vào tình trạngkhủng hoảng năng lượng trầm trọng Việt Nam không thể tránh khỏi nguy cơ

do thiếu hụt năng lượng sắp đến gần

Thực tế, lũ lụt vừa qua bộc lộ nhiều bất cập về thủy điện Năng lượngthủy điện ta đã khai thác tối đa Nhiều trạm thủy điện lớn, nhỏ chiếm lòng hồrộng lớn hàng chục vạn ha, phá hủy rừng, cây cối, gây ô nhiễm môi trường sinhthái, đặc biệt không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây baonhiêu 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 đangdần cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung lại không ổn định Trong khi năng

lượng hạt nhân còn quá mới đối với nước ta Bất lợi là chúng ta phảidùng ngoại tệ nhập khẩu toàn bộ 100% về thiết bị, kỹ thuật, nhiên liệuuranium, thuê chuyên gia, ở trong nước chưa chế tạo được nhiên liệu hạtnhân, mua nhiên liệu rất đắt, không chủ động được, lại thêm dễ gây sự cố, ônhiễm môi trường sinh thái, mất an toàn từ khâu khai thác, chế biến đến cấtdấu chất thải hạt nhân

Từ các vấn đề nêu trên, trong tương lai chúng ta sẽ không thể bảođảm an ninh năng lượng và có nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng nếu

cứ duy trì sản xuất điện như hiện nay, cũng như không thể đạt được mục tiêucông 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 bất ổn cho đời sống và xã hội

Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, nhữngnguồn năng lượng tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như nănglượng 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 phần rất lớn vàoviệc 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 làmột nguồn năng lượng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trường đangthu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trởthành nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai

Hệ thống điện sử dụng năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cầnnguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gâytiếng ồn,…với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng gió với hơn3.200 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]

Góp phần trong vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu điều khiển côngsuất khi sử dụng hệ thống điện năng lượng gió là rất cần thiết Đây cũng là lý

do chính cho việc chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió”.

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Thế 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 vàngnhững công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhữngnhu cầu không ngừng của con người Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, conngười phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững củakinh 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 thứcmang tính toàn cầu chẳng hạn như năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại,bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,… Trong đó, vấn đề năng lượng vẫn là vấn đềđược xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ này

Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnhhưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những hiểm họa tiềm ẩn nguy

cơ xung đột Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho nhu cầu phát triểnkinh tế và sinh hoạt ngày càng lớn làm cho kinh tế chậm phát triển dẫn đếnnhững cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế, bất ổn chính trị xảy ra nhiều nơitrên thế giới

Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiếnmột loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh Biến đổi khí hậu, trái đất ấmdần lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiệnkhó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng nhiều, mùa màng thất thuảnh hưởng đến an ninh lương thực Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giớihỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát

Các số liệu trong “Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tậpđoàn điện lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” chothấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người Hiện nay, vớimức độ tăng dân số, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36.000 chiếc máybay, gần

2 tỷ xe hơi được sử dụng – gấp đôi con số hiện tại Như vậy, theo nhậnđịnh của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association)

4trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhucầu năng

Về mặt chính trị, tình hình không ổn định của các nước đang sở hữu hơn70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên, đều tập trung ởnhững khu vực nhiều bất ổn nhất thế giới như Trung Đông, Nga và Trung Ádẫn đến giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt tăng cao.

Từ những vấn đề trên, để đảm bảo nguồn cung năng lượng cho nhânloại và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra nhữngnguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang ngày càngcạn 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 tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới cácnăng lượng tái sinh đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu, sử dụng ngàycàng nhiều [1]

Như vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguồnnăng lượng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lược của riêng một quốc gianào, mà cần phải được quan tâm đúng mức trên toàn cầu Trong số nhữngnguồn năng lượng đó năng lượng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luônđược đánh giá cao Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển tối ưu bámđiểm công suất cực đại của hệ thống điện gió Đây chính là vấn đề cần thiếtđược đặt ra và cũng là vấn đề chính sẽ được quan tâm và giải quyết trong luậnvăn này

1.3 Mục tiêu của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển công suất của hệthống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

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 năng lượng gió;

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

- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển công suất của hệthống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;

- Mô phỏng giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện gió

sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Hiện nay, thế giới đang hướng tới việc sử dụng nguồn năng lượng táitạo thay thế cho việc sử dụng năng lượng truyền thống đang cạn kiệt Lý dochủ yếu sử dụng năng lượng tái tạo là để bảo vệ hành tinh xanh, nơi mà conngười và tất cả các sinh vật khác đang tồn tại Hơn thế nữa, năng lượng tái tạokhông những thân thiện với môi trường mà còn không phải chịu những chiphí 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 lànguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự vậnchuyển của trái đất và do mặt đất lồi lõm Ba yếu tố trên là ba nguyên nhânchính tạo thành gió Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quaycác 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”,Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, năm 2003 đã nguyên cứu mô hình điềukhiển từ thông máy phát điện gió và đưa ra mô hình trong phòng thínghiệm với công suất máy 40 kW [10]

Anca D Hansen, Florin Iov, 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 tuabin máy phát điện gió và điều khiểnkết 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 [11]

Andreas Peterson, “Analysis, modeling and control of doubly-fedinduction generators for wind turbines”, Trường Đại học Kỹ thuật Chalmers,Thụy Điển, năm 2005 đã nghiên cứu điều khiển moment và tốc độ máy phátđiện gió [12]

Fernando D Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J Mantz, “Windturbine control systems principles, modelling and gain scheduling design”, năm

2007 đã nghiên cứu các phân bố gió, các mô hình gió và mô hình động điềukhiển tuabin gió [13]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Lương Công Quyền, “Điều khiển trượt máy phát điện gió cấp nguồn từhai phía”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, năm 2008 đãnghiên cứu điều khiển độc lập công suất P và Q của máy phát điện tuabingió nguồn kép [4]

Đỗ Vĩnh Mạnh, “Nghiên cứu và mô phỏng phương pháp điều khiển bộbiến đổi PWM rectified và PWM inverter trong hệ thống chuyển đổi nănglượng 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[5]

Nguyễn Chí Hiếu, “Khảo sát mô hình máy phát điện gió trong lưới điệnphân phối”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, năm

2008, đã nghiên cứu máy phát điện gió không đồng bộ điều khiển côngsuất trực tiếp bằng phần mềm PSCAD [6]

Tạ Văn Đa, “Đánh giá tài nguyên và khả năng khai thác năng lượng gióViệt Nam” Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Hà Nội, tháng

10 năm 2006 đã đưa ra các phân bố gió và tiềm năng phát triển gió ở ViệtNam,

số liệu nghiên cứu giúp xem xét và đánh giá khả năng ứng dụng phát điện gió ởViệt Nam [7]

1.6 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn bao gồm 6 chương:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Tổng quan

- Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió

- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện nănglượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

- Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện nănglượng 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 làrất lớn Chẳng hạn như theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu pháttriển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mụctiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thìtrong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [8]

Do đó, việc đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo là có hiệu quả đốivới một quốc gia có nhiều điều kiện thuận lợi về địa lý như Việt Nam Vì vậy,việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả khai thác của một hệthống điện năng lượng gió là hết sức cần thiết và cấp bách

* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió

Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng này mang nhiều điểm thuậnlợi mà là lý do dẫn đến sự phát triển mạnh của nó trên thế giới trong nhữngthập niên gần đây Các thuận lợi khi sử dụng nguồn năng lượng điện này baogồm:

+ Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gióphát 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 laigiá của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điệncủa các nguồn khác như than, dầu hay biomass, Hiện tại, giá của nguồn nănglượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió củatừng địa phương

+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn nănglượng điện khác

* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió

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

nhiên

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

Trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các vấn 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 dễ dàng nhận ra rằng, không có bất kỳ mộtnguồn năng lượng nào không gây ra các ảnh hưởng đến môi trường Đối vớinguồn năng lượng gió, các ảnh hưởng cần phải quan tâm là các tuabin giógây ra các tiếng ồn làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí và có thể xáotrộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã

Để sản xuất năng lượng điện bằng nguồn năng lượng gió, tốc độ gió cầnlớn hơn 5m/s Gần đây, tính kinh tế của điện gió đã được nâng cao hơn, giáthành phát điện chỉ còn gấp 2 lần so với nhiệt điện

2.2 Nền tảng lịch sử của tuabin gió

2.2.1 Lịch sử của cối xoay gió

Cối xoay gió sớm nhất được ghi chép lại là cối xoay trục thẳng 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 thấytrong tài liệu lịch sử từ vùng Ba Tư, Tây Tạng và Trung Quốc vào khoảng 1000năm trước Từ vùng Ba Tư và Trung Đông, cối xoay gió đã vượt qua các nướcven Địa Trung Hải và Châu Âu Cối xoay gió đầu tiên xuất hiện ở Anh khoảngnăm 1150, ở Pháp năm 1180, ở Flanders năm 1190, ở Đức năm 1222 và ở ĐanMạch năm 1259 Sự phát triển nhanh chóng này là do ảnh hưởng bởi đội quânchữ thập, đã truyền đi những hiểu biết về cối xoay gió từ vùng Ba Tư đếnnhiều 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 sửdụng 1 rotor có đường kính 25 m và chiều cao 30 m.

Cối xoay gió không những được dùng để giã gạo mà còn được sử dụng

để bơm nước đến những hồ cạn và vùng biên giới xa xôi Pháp có khoảng1.800 đến 20.000 cối xoay gió hoạt động Hà Lan có khoảng 90% năng lượngđiện dùng trong công nghiệp là từ nguồn năng lượng gió Công nghiệp hóa đãlàm cho cối xoay gió dần dần suy tàn

Khi những cối xoay gió kiểu Châu Âu bắt đầu ít xuất hiện thì nó lại pháttriển ở Bắc Mỹ Những cối xoay gió nhỏ dùng để bơm nước trở nên rấtphổ 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 nhiềugió Từ năm 1920-1930, cối xoay gió đã trở nên phổ biến ở Mỹ, có khoảng600.000 mẫu được lắp đặt Cối xoay gió của Mỹ đã có những thay đổi phù hợpvới mục đích sử dụng cho ngành nông nghiệp trên toàn thế giới

Sau chiến tranh thế giới thứ 2, Johannes Juul ở Đan Mạch, đã phát triểndựa trên nguyên lý thiết kế của Danish Tuabin của Johannes được lắp đặtở

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 baogồm hai cánh bằng sợi thủy tinh được gắn với trục đảo, quay theo hướng gióthổi Tuabin của Hutter trở nên nổi tiếng bởi vì tính hiệu quả 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 sauchiến tranh thế giới lần 2 Tuy nhiên, cuộc khủng hoảng dầu hỏa đầunhững năm 1970, nó đã được quan tâm trở lại Với các ủng hộ về tàichính, nhiều công trình nghiên cứu và phát triển cho nguồn năng lượng gió đãđược thực hiện Các quốc gia như Đức, Mỹ và Thụy Điển đã đầu tư đểphát 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 cácvấn đề về kỹ thuật

Tại Mỹ, với các ủng hộ của Chính phủ về kế hoạch phát triển trong lĩnhvực năng lượng gió, kế hoạch quan trọng này đã được Quốc hội Hoa Kỳ thôngqua vào tháng 11 năm 1978 Dọc theo dãy núi từ đông San Francisco và đôngbắc Los Angeles, những nông trại gió đồ sộ được hình thành Ban đầu, cácnông trại này chỉ có những tuabin gió với công suất 50 kW Sau vài 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 nhưnglại tăng ở Châu Âu và sau đó là Ấn Độ [13]

2.3 Thực trạng năng lượng gió trên thế giới

Năng lượng gió phát triển nhanh vào những năm 1990 Tuy nhiên, nănglượng 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 BìnhDương

2.3.2 Bắc Mỹ

Sau khi năng lượng điện gió phát triển bùng nổ ở California vào giữanhững năm 1980, nó đã phát triển chậm lại ở Bắc Mỹ

Tuy nhiên, vào năm 1998, nhiều dự án phát triển năng lượng điện gió

đã phát triển trở lại, có hơn 800MW từ máy phát điện năng lượng gió Cùngvới sự thành công từ năng lượng gió của Mỹ, Canada cũng đã lắp đặt nhữngnông 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 cácchính 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 nhữngthành công nhỏ

2.3.4 Châu Á Thái Bình Dương

Năm 1993, Ấn Độ đã đạt được sự phát triển ấn tượng về lắp đặt tuabingió Chính phủ bắt đầu tạo cơ hội khuyến khích đầu tư vào nguồn nănglượng

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 côngnghệ cao Cuối năm 1990, dự án về năng lượng gió đầu tiên đã bắt đầu hoạtđộng 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 đều phụ thuộc vào sự hỗ trợ của quốc tế

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 tổngdiện tích vùng lãnh thổ có tiềm năng khai thác xấp xỉ 9% tổng diện tích quốcgia Nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đường bờ biển dàihơn

3.000 km, Việt Nam có lợi thế rất lớn về phát triển năng lượng gió Ngân hàngthế 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 vàthay thế Theo kết quả của nghiên cứu này, Việt Nam có tiềm năng về nănglượng 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 bộcủa Việt Nam đặc biệt hứa hẹn về tiềm năng khai thác năng lượng gió vì vậntốc gió rất cao và mật độ dân cư thưa thớt Trong đó, 8,6% tổng diện tích đượcđánh giá là có tiềm năng từ “cao” đến “rất cao” cho việc phát triển các tuabingió 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 BìnhThuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía Bắc Trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gióđạt từ 7, 8 và 9 m/s, có thể phát điện với công suất lớn nối lưới điện quốcgia Hầu hết, vùng ven biển còn lại trên lãnh thổ, vùng núi,… tốc độ gió đạt từ

5 đến 6 m/s, có thể khai thác gió kết hợp 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, đầu tư,… nhằm thu hút vốn cho các nhà máy điện gió.

Tổng tiềm năng về năng lượng gió của Việt Nam được ước tính là513.360 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 ViệtNam do Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tưvới 80 tuabin, có tổng công suất là 120 MW và 1.500 ha của dự án chủ yếuđược quy hoạch trên vùng đất bạc màu, chỉ có cây bụi và những rẫy dưacòi

cọc

Giai đoạn một gồm 20 tuabin có chiều cao cột 85 m; đường kính cánhquạt 77 m; công suất 1,5 MW; tổng trọng lượng mỗi tuabin là 89,4 tấn; cộttháp là 165 tấn Toàn bộ thiết bị do Fuhrlaender, hãng chế tạo thiết bị điện giónổi tiếng thế giới của Đức cung cấp và được công ty Fuhrlaender Việt Nam lắpđặt 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 manglại vào khoảng 100 triệu kWh/năm Đây không phải là một con số lớn nhưnglại 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 TrườngĐại Học Dresden của Đức hiện đang thực hiện việc phát triển 3 dự án gió vớitổng công suất ước tính là 250 MW

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 ViệtNam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lượng gió Việc không đầu tưnghiên 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 tăngtrưởng kinh tế và năng lực cạnh tranh quốc gia Trong khi đó, hiện nay chiếnlược quốc gia về năng lượng điện dường như mới chỉ quan tâm đến thủy điệnlớn và điện hạt nhân Những nguồn năng lượng có mức đầu tư ban đầurất lớn và ẩn 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 Khácvới điện hạt nhân vốn cần một quy trình kỹ thuật và giám sát hết sức nghiêmngặt, việc xây lắp điện gió không đòi hỏi quy trình khắt khe đó Với kinhnghiệm phát triển điện gió thành công của Ấn Độ, Trung Quốc và Philippin; vànhững lợi thế về mặt địa lý của Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể phát triểnnăng lượng điện gió để đóng góp vào sự phát triển chung của nền kinh tế

đã tăng

dần

Để tăng sự liên kết với nhau giữa các hệ thống nhỏ, các tổ chức và cơquan của ngành công nghiệp năng lượng điện đã bắt đầu mở ra Theo xuhướng chung của thế kỷ, nhiều công ty nhà nước bắt đầu hoạt động, bêncạnh các công ty tư nhân Hoạt động chính của các công ty nhà nước là phânphối điện cho người sử dụng Tại nhiều nước, các công ty nhà nước đã vượtqua 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

Hệ thống điện được mô tả thông qua các mô hình toán học như sau:

+ Phương trình điện áp và cường độ dòng điện:

UM: là hiệu điện thế cực đại

 = 2πff

f: là tần số (50; 60 Hz)

i(t): là cường độ dòng điện tức thời

IM: là cường độ dòng điện cực đại

cosφ): là hệ số công suất

+ Hiệu điện thế và dòng điện phức: