Mô hình hóa và điều khiển hệ thống máy phát điện gió luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

MÔ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒNG NAI – NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

MÔ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

ĐỒNG NAI – NĂM 2019


i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS , người Thầy của tôi, đã luôn
quan tâm và tận tình hướng dẫn tơi trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận
văn này. Xin cảm ơn Thầy đã cung cấp cho em nguồn tài liệu tham khảo quý báu
và tạo điều kiện tốt nhất về môi trường học tập nghiên cứu và trao đổi kinh nghiệm
với các anh em học viên tại Phịng thí nghiệm Hệ thống năng lượng Trường Đại
học Bách khoa TP Hồ Chí Minh từ khi mới bắt đầu cho đến khi hoàn thành luận
văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Đồng
Nai và các Anh, Chị, Em đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
thời gian tham gia Khóa học.
Tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu nhà trường,
quý Thầy Cô Khoa Sau đại học, Khoa Cơ điện Trường Đại học Lạc Hồng đã ln
nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian
học tập tại trường.
Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn
tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn này.
Trong q trình làm luận văn vẫn còn một số hạn chế nên rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp của q Thầy Cơ và các Anh, Chi, Em đồng nghiệp,
bạn bè để nội dung đề tài ngày càng hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Đồng nai, tháng 11 năm 2019
Học viên thực hiện


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng tất cả kết quả cũng như số liệu mô phỏng trong đề tài
do chính bản thân tơi thực hiện. Nội dung luận văn do chính bản thân tơi biên soạn,

các tham khảo tài liệu đều có nguồn trích dẫn.
Tơi xin chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật nếu nội dung, số liệu
và kết quả trong luận văn là ngụy tạo hoặc đạo văn.
Đồng nai, tháng 11 năm 2019
Học viên thực hiện


iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn dựa vào mơ hình tốn của tua – bin gió, máy phát PMSG để xây dựng
mơ hình mơ phỏng Matlab Simulink, đồng thời kết hợp với bộ biến đổi cơng suất
gồm có bộ tăng áp DC – DC và bộ nghịch lưu. Đối với bộ tăng áp DC – DC, nhiệm
vụ điều khiển là thực hiện dị tìm cơng suất cực đại MPPT. Đầu ra của bộ MPPT sẽ
điều khiển khóa bán dẫn để đạt được cơng suất cực đại đẩy qua bên phía bộ nghịch
lưu. Nhiệm vụ của bộ nghịch lưu là giữ mức điện áp DC – link ổn định bằng việc
đẩy hết công suất tác dụng lên lưới, đồng thời bộ nghịch lưu có khả năng điều khiển
cơng suất phản kháng Q. Để thực hiện được mục đích trên, phương pháp điều khiển
sử dụng là điều khiển định hướng điện áp lưới VOC kết hợp với phương pháp điều
khiển sóng mang. Tính hữu hiệu của phương pháp được đánh giá qua kết quả mô
phỏng.


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN

i

LỜI CAM ĐOAN

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

vi

DANH MỤC BẢNG

vii

DANH MỤC HÌNH

viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1

1.1 TỔNG QUAN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1

1.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

3

1.3 TUA – BIN GIÓ

6

1.3.1 Sự phát triển của tua – bin gió

6

1.3.2 Phân loại tua – bin gió

13

1.3.3 Cấu tạo của tua – bin gió

16

1.3.4 Đặc tính cơng suất của tua – bin gió

19

1.3.5 Các phương pháp điều khiển tua – bin gió

20

1.3.6 Vận hành cơng suất tua – bin gió

24

1.4 MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ

26

1.5 BỘ CHUYỂN ĐỔI CƠNG SUẤT

28

1.6 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

30

1.7 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

30

1.8 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

30

1.9 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

30

1.10 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

30

CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

31

2.1 MƠ HÌNH TỐN CỦA TUA – BIN GIĨ

31

2.2 MƠ HÌNH TỐN CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

34

2.3 BỘ CHUYỂN ĐỔI CÔNG SUẤT

37

2.3.1 Bộ chỉnh lưu

37

2.3.2 Bộ biến đổi tăng áp dc – dc

38

2.3.3 Bộ nghịch lưu

40


v

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

3.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG

48
48

3.1.1 Tua – bin và máy phát

48

3.1.2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha và mạch biến đổi tăng áp DC – DC

48

3.1.3 Bộ nghịch lưu NPC nối lưới

50

3.2 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO

53
64


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT
TẮT

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

AC

Alternative Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

EVN

Electricity of VietNam

Ngành điện lực của Việt Nam

GSC

Grid Side Converter

Bộ nghịch lưu nối lưới

HAWT

Horizontal Axis Wind Turbine Tua – bin gió trục quay nằm ngang

PWM

Induction Generator
Maximum Power Point
Tracking
Permanent Magnet
Synchronous Generator
Pulse Width Modulation

Máy phát điện cảm ứng
Thuật tốn dị tìm điểm cơng suất
làm việc tối ưu
Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh
cửu
Điều chế độ rộng xung

SG

Synchronous Generator

Máy phát điện đồng bộ

VAWT

Vertical Axis Wind Turbine

Tua – bin gió trục quay thẳng đứng

VOC

Voltage Oriented Control
Wind Energy Conversion
System
Wound Rotor Induction
Generator
Wound Rotor Synchronous
Generator
Wind Turbine

Điều khiển định hướng điện áp

IG
MPPT
PMSG

WECS
WRIG
WRSG
WT

Hệ thống biến đổi năng lượng gió
Máy phát khơng đồng bộ rơ – to
dây quấn
Máy phát đồng bộ rô – to dây quấn
Tua – bin gió

vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Trạng thái áp nghịch lưu dùng sóng mang

42

Bảng 2.2 Trạng thái áp nghịch lưu dùng véc tơ không gian

44


viii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống biến đổi năng lượng gió cơ bản

3

Hình 1.2 Cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió

4

Hình 1.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

5

Hình 1.4 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi

6

Hình 1.5 Cấu tạo bên trong của tua – bin gió

6

Hình 1.6 Một trạm phong điện trong thực tế

7

Hình 1.7 Kích thước của tua – bin gió

8

Hình 1.8 Sơ đồ nối lưới của một nơng trại gió

9

Hình 1.9 Một số hình ảnh nhà máy điện gió ở Việt Nam

11

Hình 1.10 Một số hình ảnh cánh đồng gió ở các nước

13

Hình 1.11 Tua – bin gió trục quay thẳng đứng

14

Hình 1.12 Tua – bin gió trục quay nằm ngang

15

Hình 1.13 Cấu trúc các dạng cánh quạt tua – bin gió

16

Hình 1.14 Cấu tạo của tua – bin gió

17

Hình 1.15 Đường cong cơng suất lý tưởng của tua – bin gió

19

Hình 1.16 Ngun lý của phương pháp điều khiển Passive Stall

21

Hình 1.17 Nguyên lý của phương pháp điều khiển Active Stall

22

Hình 1.18 Nguyên lý của phương pháp điều khiển góc Pitch

23

Hình 1.19 Đặc tính cơng suất của các phương pháp điều khiển tua
– bin gió
Hình 1.20 Phân loại một số máy phát điện thường dùng trong tua –

bin gió lớn

24

26

Hình 1.21 Máy phát PMSG cực lồi

27

Hình 1.22 Máy phát PMSG cực ẩn

28

Hình 1.23 Hệ thống điện gió tốc độ khơng đổi sử dụng SCIG

29

Hình 1.24 Hệ thống điện gió tốc độ thay đổi sử dụng SCIG

29

Hình 1.25 Hệ thống điện gió tốc độ thay đổi sử dụng SG

29

Hình 2.1 Đường đặc tính Cp(λ,β)

33

ix

Hình 2.2 Cơng suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tua
– bin gió

34

Hình 2.3 Sơ đồ của máy phát đồng bộ trên hệ trục dq

35

Hình 2.4 Mơ hình đơn giản của máy phát đồng bộ

36

Hình 2.5 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha

37

Hình 2.6 Sơ đồ dạng sóng mạch chỉnh lưu cầu ba pha

37

Hình 2.7 Bộ biến đổi tăng áp DC – DC

38

Hình 2.8 Thuật tốn của phương pháp P&O

40

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu NPC 3 bậc

41

Hình 2.10 Sơ đồ phát xung PWM dùng sóng mang

41

Hình 2.11 Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế
liên tục
Hình 2.12 Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế
gián đoạn
Hình 2.13 Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng
sin/ biên độ sóng mang

43

43

43

Hình 2.14 Sơ đồ một pha của NPC 3 bậc

44

Hình 2.15 Giản đồ véc tơ điện áp bộ nghịch lưu 3 bậc NPC

45

Hình 2.16 Phương pháp điều khiển định hướng điện áp VOC

46

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng tua – bin và máy phát PMSG

48

Hình 3.2 Sơ đồ mơ phỏng bộ chỉnh lưu và bộ biến đổi tăng áp DC
– DC

48

Hình 3.3 Sơ đồ mơ phỏng khối MATLAB Function 1

49

Hình 3.4 Sơ đồ mơ phỏng bộ nghịch lưu NPC nối lưới

50

Hình 3.5 Sơ đồ mơ phỏng khối MATLAB Function

50

Hình 3.6 Tốc độ gió và tốc độ quay Rotor

54

Hình 3.7 Mơ men điện Te và mơ men cơ Tm

55

Hình 3.8 Điện áp DC liên kết và điện áp DC liên kết tham chiếu

56

Hình 3.9 Điện áp của tụ liên lạc Vc1 và Vc2

56

Hình 3.10 Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng

57

Hình 3.11 Dòng điện lưới trên hệ trục d – q

58


x

Hình 3.12 Cơng suất tác dụng đưa vào lưới điện
Hình 3.13 Công suất phản kháng và công suất phản kháng tham
chiếu

58
59

Hình 3.14a Dịng và áp pha trong trường hợp Unity PE

59

Hình 3.14b Dịng và áp pha trong trường hợp Leading PE

60

Hình 3.14c Dịng và áp pha trong trường hợp Lagging PE

60

Hình 3.15a Dịng ba pha trong trường hợp Unity PE

61

Hình 3.15b Dịng ba pha trong trường hợp Leading PE

61

Hình 3.15c Dịng ba pha trong trường hợp Lagging PE

61

Hình 3.16a Phổ tần số dịng pha A cho trường hợp Unity Power
Factor
Hình 3.16b Phổ tần số dòng pha A cho trường hợp Leading Power
Factor
Hình 3.16c Phổ tần số dịng pha A cho trường hợp Lagging Power
Factor

62

62

63


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hiện nay, ngành công nghiệp của các nước trên thế giới đang phát triển với tốc
độ rất nhanh. Nhu cầu sử dụng điện năng vì thế ngày càng tăng cao. Việc cung cấp
đủ nguồn năng lượng điện với tiêu chí đảm bảo chất lượng điện năng, khơng gây ô
nhiễm môi trường là một vấn đề rất quan trọng và cần thiết. Ở nước ta, cùng với sự
phát triển chung của các ngành kinh tế, ngành điện lực Việt Nam (EVN) đã ngày càng
được quan tâm và đầu tư phát triển hơn để có thể đáp ứng đủ nhu cầu cung cấp và sử
dụng điện năng trong cả nước.
Cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác như thủy điện, nhiệt điện, năng
lượng mặt trời,… điện gió là nguồn năng lượng điện đang được hướng tới và kỳ vọng
là nguồn điện tương lai của Việt Nam. Với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, có sẵn
trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt là khơng bao giờ bị cạn
kiệt, năng lượng gió được coi là năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có
ở khắp mọi nơi. Ở Việt Nam, với những lợi thế về địa hình, khí hậu,… thiên nhiên đã
ban tặng cho đất nước chúng ta một nguồn năng lượng gió dồi dào. Vì vậy, điện gió
là mục tiêu khai thác hiệu quả và đưa vào sử dụng hòa cùng hệ thống lưới điện quốc
gia là điều mà ngành điện lực nước ta nói riêng cũng như đất nước Việt Nam nói
chung ln ln hướng đến.
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Lịch sử phát triển của ngành điện gió đã có từ những năm cuối thế kỷ XIX.

Nhưng cho đến năm 1980, năng lượng gió mới bắt đầu thật sự được quan tâm mặc dù
vẫn còn nhiều hạn chế về kỹ thuật và một số yếu tố ảnh hưởng khác. Tuy vậy, ở các
nước Châu Âu, đặc biệt là các nước Đan Mạch, Đức và Tây Ban Nha vẫn liên tục cải
tiến những kỹ thuật mới trong thiết kế, lắp đặt tua – bin gió (WT), nhờ đó đã tạo ra
hiện tượng bùng nổ năng lượng gió trong những kể từ năm 1990 [2]. Và cho đến nay,
trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió là ngành có cơng nghệ phát
triển nhanh nhất. Trong thập kỷ qua, năng lượng gió tồn cầu đã tăng nhanh và là đối
thủ quan trọng đối với các nguồn năng lượng truyền thống. Cơng nghệ điện gió đã
ngày càng được các quốc gia quan tâm khai thác và đầu tư với những dự án lớn lên


2

đến hàng chục triệu USD và công suất lên đến hàng trăm GW. Nguồn năng lượng
xanh và sạch này đã thật sự bắt đầu có sự cạnh tranh trên thị trường thế giới.
Với lợi thế là đất nước có hơn 3000km bờ biển chạy dọc theo chiều dài hình chữ
S, từ Bắc vào Nam, Việt Nam chúng ta cần quan tâm phát triển và quy hoạch nguồn
năng lượng phong phú này khơng những trên đất liền mà cịn ở trên biển góp phần
phát triển nền kinh tế, kỹ thuật, du lịch của nước nhà. Trong một nghiên cứu của Ngân
hàng thế giới (WB) cho thấy 8.6% diện tích đất liền của Việt Nam rất giàu tiềm năng,
thuận lợi cho việc lắp đặt các tua – bin gió lớn. Trong khi đó con số tương ứng của
các nước như Lào là 2.9%, Thái Lan là 0.2% và Cambodia là 0.2%. Việt Nam cũng
là nước có tiềm năng điện gió lớn nhất Đơng Nam Á với tổng tiềm năng điện gió ước
tính đạt 513.000 MW, cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện vào năm 2020
và lớn hơn rất nhiều so với tiềm năng của các nước trong khu vực như Lào (182.252
MW), Thái Lan (152.392 MW) và Cambodia (26.000 MW).
Riêng ở Việt Nam, tính đến nay, đã có rất nhiều dự án điện gió lớn tại một số
tỉnh như Ninh Thuận, Bình Thuận, Cà Mau, Bạc Liêu,… và một số đảo như Phú Quốc,
Trường Sa, Côn Đảo, Phú Quý,… đi vào hoạt động với công suất từ nhỏ, vừa và lớn,
từ vài MW lên đến hàng chục MW. Cụ thể là Phú Quý (6 MW), Phú Lạc (24 MW),

Tuy Phong (30 MW), Bạc Liêu (99.2 MW). Và còn khoảng gần 100 dự án điện gió
đăng ký đầu tư tại Việt Nam với tổng công suất hơn 7.000 MW. Những dự án này sẽ
nâng tổng công suất lên 800 MW vào năm 2020, khoảng 2.000 MW vào năm 2025
và khoảng 6.000 MW vào năm 2030. Và với tổng công suất điện gió hiện đang hoạt
động là khoảng 159.2 MW vẫn là một con số rất khiêm tốn so với tiềm năng năng
lượng của nước ta [4]
Vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện gió
là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay. Tham khảo một số tài liệu, chúng ta thường
thấy dù các nhà nghiên cứu có lựa chọn các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng
mục đích chung vẫn là phải đảm bảo chất lượng và sự ổn định của nguồn điện khi
cung cấp cho các phụ tải. Bên cạnh đó, việc hịa lưới hệ thống biến đổi năng lượng
gió (WECS) vào hệ thống năng lượng điện quốc gia còn gặp nhiều khó khăn do việc
xử lý các tín hiệu gây nhiễu, các sóng hài bậc cao chưa được tối ưu sẽ làm ảnh hưởng


3

khơng nhỏ đến chất lượng điện năng hay nói cách khác là rất khó có thể đảm bảo các
yêu cầu khắt khe trong hệ thống cung cấp và truyền tải điện năng. Có rất nhiều phương
pháp điều khiển hệ thống máy phát điện gió nhưng để tìm hiểu, nghiên cứu và quyết
định lựa chọn một phương pháp thích hợp và tối ưu nhất, đảm bảo cả tính kinh tế, kỹ
thuật, địa lý,… vẫn ln là một bài tốn khó đối với các nhà nghiên cứu. Riêng ở Việt
Nam chúng ta hiện nay, với những yếu tố thuận lợi về khí hậu, địa hình, …thì việc
phát triển nền cơng nghiệp điện gió là điều đáng được quan tâm. Vì vậy, khi quyết
định chọn bất kỳ một phương pháp điều khiển nào chúng ta cũng cần phải hiểu rõ để
phát huy hết tất cả các ưu điểm và hạn chế các khuyết điểm của phương pháp. Có như
vậy chúng ta mới xây dựng được một hệ thống điều khiển và cung cấp nguồn năng
lượng xanh và sạch tối ưu nhất góp phần nâng cao đời sống kinh tế của xã hội toàn
cầu nói chung và ở Việt nam nói riêng.
1.2 Một số hệ thống biến đổi năng lượng gió

Hệ thống WECS cơ bản được chia làm hai phần gồm: Năng lượng cơ và năng
lượng điện như hình 1.1 [5]. Thơng qua bộ chuyển đổi năng lượng thì cơ năng sẽ được
chuyển đổi thành điện năng. Sau đó, tín hiệu điện năng sẽ được kết nối lưới thông qua
bộ điều khiển và biến đổi công suất [7]. Các hệ thống WECS này được gọi chung là
tua – bin gió.
Mechanical
power
Wind
power

Rotor

Gearbox

Power conversion
& power control

Power
transmission

Electrical
power

Generator

Power
conversion

Power
electronics

Power conversion
& power control

Supply grid

Power
transmission

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống biến đổi năng lượng gió cơ bản
Mỗi hệ thống WT đều có những ưu khuyết điểm riêng khi được đưa vào vận
hành hoặc trong quá trình lắp đặt, sửa chữa bảo hành. Tuy nhiên, khi WT sử dụng
chức năng hoạt động của động cơ đồng bộ hoặc không đồng bộ làm việc ở chế độ
máy phát điện, tất cả đều tuân theo nguyên tắc chung là phải đảm bảo công suất hoạt


4

động của WT là tối ưu cũng như các thông số kỹ thuật của hệ thống WT phải đảm
bảo đủ điều kiện kết nối lưới. Đồng thời, trong quá trình vận hành của hệ thống WT
phải có qui trình đóng ngắt lưới kịp thời khi xảy ra sự cố nhằm đảm bảo tính ổn định
của hệ thống điện.

Hình 1.2 Cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió
Mơ hình WECS thường được chia làm hai loại: WT tốc độ cố định và WT tốc
độ thay đổi.
Đối với WT tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện,
do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều
khiển. Do đó hệ thống WT sẽ khơng có khả năng hấp thu cơng suất khi có sự dao
động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống WT tốc độ cố định khi điều kiện tốc độ gió

có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng
điện năng của lưới điện. Bên cạnh đó, vì tốc độ quay của WT khá thấp nên cần được
điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách là sử dụng
hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của
máy phát theo tần số lưới điện và hộp số sẽ điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo
vận tốc máy phát. Những phương pháp này sẽ góp phần không nhỏ trong việc đảm


5

bảo công suất đầu ra của WT cũng như chất lượng điện năng của hệ thống. Mặc dù
có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, nhưng mơ hình này lại có những
nhược điểm như sau: khơng thể điều khiển công suất tối ưu, do tốc độ rotor được giữ
cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột, do tần số
và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên khơng có khả năng điều khiển
tích cực. Hình 1.3 mơ tả một hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định sử dụng
máy phát điện đồng bộ. Hệ thống được kết nối lưới thơng qua bộ tụ.

Transformer
Gear box

IG

Soft
starter

Grid

Capacitor bank

Pitch

Hình 1.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định
Đối với WT tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi những thiết
bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió
có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động
công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế.
Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi WT tốc độ thay đổi có thể được
cải thiện hơn so với WT tốc độ cố định.
Hình 1.4 mơ tả hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi. Hệ thống này
được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy
phát có thể là loại IG hoặc loại SG. Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu cơng
suất nhận được từ gió, nhưng do phải biến đổi tồn bộ công suất phát ra nên tổn hao
lớn cũng như chi phí đầu tư cho bộ biến đổi cơng suất tăng lên.


6

Gear box

Transformer

AC

DC

Grid

IG
DC

AC

Power electronic
converter

Pitch

Hình 1.4 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi
1.3 Tua – bin gió
1.3.1 Sự phát triển của tua – bin gió
Tua – bin gió (WT) đầu tiên được người Hồi giáo phát minh vào năm 634, dùng
để thốt nước, xay bột nên có tên gọi là cối xay gió. Vào cuối thế kỉ XIX, các nhà
khoa học đã sử dụng cối xay gió để sản xuất điện. Một trong những phát minh đầu
tiên có thể nhắc đến chính là cối xay gió 12 kW DC. Tuy nhiên cho tới gần cuối thế
kỉ XIX, những năm 1980, thì năng lượng gió mới bắt đầu thật sự được quan tâm. Và
sau hơn 20 năm ngành công nghiệp điện gió đã dần dần góp phần khơng nhỏ vào việc
phát triển hệ thống điện và cung cấp năng lượng điện cho một số quốc gia trên thế
giới.

Hình 1.5 Cấu tạo bên trong của tua – bin gió
Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, các nhà khoa học đã tính
tốn thiết kế và đưa vào sử dụng những nguyên liệu tổng hợp để thiết kế ra những hệ


7

thống WT có cơng suất lớn hơn từ vài KW đến vài MW. Tất cả đều đảm bảo được
các yêu cầu về tính thiết kế cũng như thi cơng và vận hành trong những điều kiện môi
trường làm việc trên đất liền cũng như ngồi khơi. Hình 1.5 mơ tả cấu tạo bên trong

của một tua – bin gió và Hình 1.6 là hình ảnh thực tế của một trạm phong điện.

Hình 1.6 Một trạm phong điện trong thực tế
Kích thước cánh quạt của WT tỉ lệ thuận với công suất của WT. Ban đầu, WT
với chiều dài cánh quạt là 15m với công suất tạo ra gần 50KW. Hiện nay, sau hơn 20
năm, công nghệ không ngừng phát triển, cánh quạt của WT lớn nhất mà người ta chế
tạo ra được có chiều dài là 145m gần bằng với chiều dài của một chiếc máy bay
BOEING 747 với công suất tạo ra gần 10 MW. Điều đó đã khẳng định rằng ngành
điện gió đã và đang phát triển rất mạnh trên nhiều quốc gia. Đồng thời đây cũng là
ngành mà cả thế giới đang hướng tới trong tương lai gần.
Hình 1.7 cho chúng ta thấy cơng suất và kích thước cũng như chiều cao của WT
đã thay đổi rất lớn kể từ năm 1980 cho đến năm 2012 [7].


8
10 MW
Þ 145m
H 162m
7.5 MW
Þ 126m
H 138m

50KW
Þ 15m
H 24m

1980

0.1MW
Þ 20m

H 43m

1985

0.5MW
Þ 40m
H 54m

1990

0.8MW
Þ 50m
H 80m

1995

2 MW
Þ 80m
H 104m

2000

5 MW
Þ 124m
H 114m

2005

2010

2012

Hình 1.7 Kích thước của tua – bin gió (φ:bán kính; H: chiều cao)
Các WT có cơng suất nhỏ dưới 300 KW thường được lắp đặt cho hộ dân, bù
điện cho các xí nghiệp hoặc kết hợp với các nguồn năng lượng điện khác như năng
lượng mặt trời, nhà máy gió với động cơ DIESEL, … để tạo thành một hệ thống phân
phối điện độc lập nhằm cung cấp điện cho những vùng sâu vùng xa, các hòn đảo,…
Do nguồn năng lượng gió là khơng liên tục và việc nối lưới khó khăn và chi phí rất
cao, nên các hệ thống điện gió độc lập chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng cơng suất
lắp đặt điện gió trên thế giới. Phần lớn các WT sẽ được vận hành trên các cánh đồng
gió hay cịn gọi là nơng trại gió hoặc cơng viên gió. Đó là những địa điểm có nguồn
gió ưu đãi, được lắp đặt một số lượng lớn WT nhằm giảm chi phí lắp đặt, giảm chi
phí kết nối khi truyền tải cũng như rất thuận tiện cho việc bảo quản và vận hành [2].
Do điện áp ngõ ra của máy phát chỉ lên đến vài trăm Vôn nên cần có máy biến
áp để nâng điện áp lên trên 10 KV. Sau đó sẽ đưa về trạm biến áp để tiếp tục tăng điện
áp sao cho phù hợp các điều kiện hòa lưới điện. Hiện nay, để đáp ứng tính kinh tế,
các nước thường chọn phương án sử dụng loại WT có cơng suất lớn do chi phí sản
xuất và lắp đặt sẽ giảm hơn so với việc sử dụng nhiều WT nhỏ có cùng tổng cơng
suất. Hình 1.8 là sơ đồ nối lưới của một nông trại gió. Điện áp sau máy phát rất thấp,
khoảng vài trăm Vôn (690V) sẽ được nâng lên hàng chục KV (35KV) qua máy biến


9

áp trước khi cung cấp cho trạm biến áp. Tại đây, điện áp sẽ tiếp tục được tăng lên mức
điện áp cao hơn để hòa với hệ thống lưới điện.

Grid

35 KV

690 V

690 V

Wind Farm
Substation

690 V

Hình 1.8 Sơ đồ nối lưới của một nơng trại gió
Các cánh đồng gió thường được đặt ở đất liền do dễ thi công, lắp ráp, bảo trì và
gần lưới điện. Nhưng một vấn đề được đặt ra là sức gió khơng mạnh và ổn định bằng
ngồi khơi, mặt bằng thi cơng trên đất liền ngày càng gặp khó khăn nên những dự án
điện gió ngồi khơi đã được tính đến. Năng lượng gió sẽ đạt được nhiều hơn, các vấn
đề về tiếng ồn, cảnh quan sẽ bị ảnh hưởng không đáng kể khi chúng ta lắp đặt WT
ngồi khơi. Đây cũng chính là những điều kiện cần thiết cho việc phát triển cơng nghệ
WT ngồi khơi của các nước trên thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng. Hiện
nay, các nước khu vực Châu Âu đã lắp đặt tổng cộng được 1.5 GW cơng suất gió
ngồi khơi góp phần đưa tổng sản lượng điện gió hàng năm lên đến 16 GW. Theo báo
cáo thống kê của Hiệp hội năng lượng tái tạo toàn cầu IREN, năm 2016 tỷ trọng cơng
suất điện gió mới nhất toàn cầu hiện đang chiếm tổng 9% với tổng các nguồn điện
hiện có. Với các quốc gia thì tổng đứng đầu là Trung Quốc chiếm 34%, Mỹ 17%, Đức
10%, sau đó đến Ấn độ 6%, Tây Ban Nha 5%, Vương quốc Anh, Canada đều 3%,
Pháp, Italia, Brazil đều 2%, còn Thuỵ Điển, Đan Mạch, Thổ Nhĩ kỳ, Ba Lan đều 1%.


10

Hình 1.9 là hình ảnh một số nhà máy điện gió ở Việt Nam, các nhà máy điện gió

đầu tiên đã được đầu tư xây dựng và đi vào hoạt động trên đất liền ở các tỉnh miền
Trung như Ninh Thuận, Bình Thuận và trên biển như ở Bạc Liêu,…

Cánh đồng điện gió Tuy Phong – Bình Thuận

Cánh đồng điện gió ven biển Bạc Liêu


11

Cánh đồng điện gió ở Đảo Phú Q
Hình 1.9 Một số hình ảnh nhà máy điện gió ở Việt Nam
Hình 1.10 là một số hình ảnh nơng trang gió ở các nước có ngành cơng nghiệp
điện gió phát triển mạnh như: Đức, Mỹ, Pháp, Trung Quốc,…

Cánh đồng điện gió ở Đức


12

Cánh đồng điện gió ở Pháp

Cánh đồng điện gió trên biển ở Mỹ


13

Cánh đồng điện gió ở Trung Quốc
Hình 1.10 Một số hình ảnh cánh đồng gió ở các nước
1.3.2 Phân loại tua – bin gió

Trên thị trường có rất nhiều loại WT và mỗi loại có hình dáng, kích thước và công
suất khác nhau. Thông thường, người ta phân loại dựa vào chiều của trục mà các cánh
tua – bin quay quanh. Hầu hết các WT hiện nay đang được sử dụng có dạng trục nằm
ngang (HAWT), chỉ có một số ít có trục quay thẳng đứng (VAWT). Mỗi loại đều có
những ưu khuyết điểm khác nhau khi sử dụng.
Hệ thống tua – bin gió VAWT có ưu điểm lớn nhất là khơng cần điều khiển cánh
quạt theo hướng gió vì cánh quạt nằm dọc theo trục chính đứng. Hệ thống truyền động
và máy phát được bố trí dưới mặt đất nên thuận tiện cho việc vận hành và bảo trì. Trụ
tháp và các cánh quạt được thiết kế gọn nhẹ và đơn giản. Tuy nhiên nó cần có khơng
gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống. Nhưng hạn chế do cánh quạt
gần mặt đất, nơi tốc độ gió thấp nên mơ – men khởi động kém ảnh hưởng đến cơng
suất đầu ra. Gió sát mặt đất thường bị hiện tượng cuốn quần sẽ làm gia tăng các ứng
suất có hại lên tua – bin gió. Quan trọng nhất là khi tốc độ gió lớn, cơng suất đầu ra
tăng cao, tua – bin gió sẽ làm ảnh hưởng đến máy phá. Hình 1.11 là các dạng VAWT
loại trục quay thẳng đứng. [5].