(Luận văn thạc sĩ) Khảo sát hệ thống máy phát năng lượng gió làm việc trong lưới điện với kỹ thuật tìm kiếm điểm cực đại công suất phát (MPPT)

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 9 năm 2012

Châu Minh Đa ̣o

ii


LỜI CẢM TẠ
Đề tài này đƣợc thực hiện theo chƣơng trình đào tạo thạc sĩ tại Trƣờng Đại
học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn quí thầy cơ đã tận tình hƣớng
dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em nghiên cứu thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy PGS. TS. Nguyễn
Hƣ̃u Phúc đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hƣớng dẫn em
hoàn thiện đề tài này. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô khoa điện – điện
tử Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã khích lệ, đơn đốc và giám
sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Rất cảm ơn trƣớc sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên
lớp cao học ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa 2010B, cám ơn vì sự đóng
góp những ý kiến bổ ích qua những cuộc thảo luận của tập thể lớp.
Xin gửi lời tri ân đến gia đình và những ngƣời thân vì đã ln ủng hộ và
động viên tơi trong suốt q trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này.
Kính chúc sức khỏe q thầy cơ và các bạn.
Học viên

Châu Minh Đa ̣o

iii

TÓM TẮT
Trong luâ ̣n văn này các vùng làm việc khác nhau của máy phát không đồng
bộ cấ p nguồ n hai phía (DFIG) của turbine gió (WT), trên quan điểm về tốc độ rôto,
công suất phát, tỉ số tố c đô ̣ đầu cánh (tip speed ratio TSR) λ và góc nghiêng β của
cánh quạt WT, đã đƣợc khảo sát và giới thiê ̣u . Sau đó, một thuật tốn điều khiển
mới đƣợc đề xuất nhằm lấy đƣợc cơng suất cực đại có từ năng lƣợng gió, dựa trên
sự khác biệt giữa tố c đô ̣ quay t ối ƣu và tốc độ quay thực tế của trục turbine. Thuật
tốn đƣợc thực hiện trong các chƣơng trình mơ phỏng sử dụng phần mềm PSCAD.
Các kết quả của phƣơng pháp đề xuất sau đó đƣợc so sánh với các số liệu thực tế
của máy Nordex N80/2500 KW cho thấy tính đúng đắn và các ƣu điểm của phƣơng
pháp đề xuất.

ABSTRACT
In this thesis In this paper, different operational regions of doubly fed
induction generator (DFIG)- based wind turbine (WT), from the viewpoints of rotor
speed, generated power, tip speed ratio λ and angle of blades β of the WT's rotor,
are studied and classified. Then a new control algorithm for maximum wind power
point tracking (MPPT) and extraction, based on the difference between optimum
and current rotational speed of the shaft of WT, will be proposed. The algorithm is
implemented in control schemes and carried out in terms of various operational
conditions of wind speed in PSCAD software environment. The results obtained
are then compared with the actual data of Nordex N80/2500 KW for validation of
the proposed method. This comparison is done based on the speed of operation and
quality of generated power and the results show the advantages of the proposed
method.

iv

MỤC LỤC
TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iv
Mục lục ....................................................................................................................... v
Danh sách các chữ viết tắt
ix
Danh sách các hình
xi
Danh sách các bảng
xii
Chƣơng 1: TỞNG QUAN
1.1

GIỚI THIÊU
̣ TỞNG QUAN .......................................................................... 1

1.2

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .......................................................................... 3

1.3

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 3

1.4

PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................................. 3

1.5

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U .................................................................. 4

1.6

KẾ HOẠCH THƢ̣C HIÊ ̣N ............................................................................ 4

1.7

GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................ 4

1.8

PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN ...................................................... 4

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ .
2.1

NĂNG LƢỢNG GIÓ ..................................................................................... 5

2.1.1

Hiê ̣u chin̉ h theo nhiê ̣t đô ̣ cho mâ ̣t đô ̣ không khí ............................................ 6

2.1.2

Hiê ̣u chỉnh theo độ cao so với mực nƣớc biể n cho mâ ̣t đô ̣ khơng khí ........... 7

2.2

ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỢ CAO THÁP ........................................................ 10

2.3

HIÊU
̣ SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁNH QUA ̣T ................................ 12

2.3.1

Hiê ̣u suấ t lớn nhấ t của cánh qua ̣t ................................................................. 12

2.3.2

Đƣờng cong cơng suất turbine gió lý tƣởng ................................................ 17

2.4

KIỂM SOÁ T TỐC ĐỘ CHO CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ............................. 19

2.4.1 Sƣ̣ ảnh hƣởng của tốc độ cánh quạt thay đổi ................................................... 19
2.4.2

Các giải pháp kiể m soát tố c đô ̣ .................................................................... 21

v

2.4.2.1 Thay đổ i số cƣ̣c máy phát ............................................................................ 21
2.4.2.2 Hô ̣p số nhiề u cấ p .......................................................................................... 21
2.4.2.3 Máy phát cảm ứng hệ số trƣợt thay đổi ....................................................... 21
2.4.2.4 Các hệ thống kế t nố i lƣới gián tiế p .............................................................. 21
2.5

CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH TRONG GIÓ ............................................... 21

2.5.1

Biể u đồ tầ n số gió không liên tu ̣c ................................................................. 22

2.5.2

Hàm số mật độ xác suất vâ ̣n tố c gió ............................................................ 23

2.5.3

Thớ ng kê Weibull và Rayleigh ..................................................................... 24

2.5.4

Cơng ś t trung bình trong gió với thống kê Rayleigh ................................ 26

2.6

CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ ............. 27

2.6.1

Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ cố đinh ................................................. 27

2.6.2

Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣợng gió tốc độ thay đổi ................................................ 28

2.6.2.1 Hê ̣ thố ng biế n đổ i toàn bô ̣ công suấ t (FRC-fully rated converter) ........................ 28
2.6.2.2 Hê ̣ thố ng biế n đổ i năng lƣơ ̣ng gió tố c đô ̣ thay đổ i sƣ̉ du ̣ng DFIG ........................ 28
Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG
3.1

GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 30

3.2

ƢU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG DFIG ............................................................. 30

3.3

VECTOR KHƠNG GIAN ..................................................................................... 31

3.3.1

Vector khơng gian ................................................................................................. 31

3.3.2

Biể u diễn công suấ t theo vector không gian .......................................................... 32

3.4

CÁC PHÉP CHUYỂN ĐỔI HỆ QUI CHIẾU ....................................................... 33

3.4.1

Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu abc sang hê ̣ qui chiế u αβ ................................ 34

3.4.2

Phép chuyển trục từ hệ qui chiếu cố định αβ sang hê ̣ qui chiế u quay dq .............. 35

3.4.3

Phép chuyển đổi Park ........................................................................................... 36

3.5

MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG .............................................................................. 38

3.5.1

Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ tiñ h αβ ............................................ 38

3.5.2

Mô hiǹ h toán ho ̣c DFIG trong hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ dq ................................................... 42

Chƣơng 4: KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT (MPPT)
4.1

GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 45

4.2

CÔNG SUẤT KHÍ ĐỘNG HỌC .......................................................................... 46

4.3

CÁC VÙNG LÀM VIỆC ...................................................................................... 48

vi


4.3.1

Vùng I .................................................................................................................... 48

4.3.2

Vùng II ................................................................................................................... 49

4.3.3

Vùng III ................................................................................................................. 50

4.3.4

Vùng IV ................................................................................................................. 50

4.4

ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MPPT ........................................................................ 51

4.4.1

Vùng I .................................................................................................................... 52

4.4.2

Vùng II ................................................................................................................... 52

4.4.3

Vùng III ................................................................................................................. 52

4.4.4

Vùng IV ................................................................................................................. 53

Chƣơng 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRONG PSCAD VÀ KẾT QUẢ
5.1

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TURBINE GIÓ KẾT NỐI LƢỚI ĐIỆN .............................. 54

5.2

XÂY DƢ̣NG MƠ HÌNH TURBINE GIÓ ............................................................. 54

5.2.1

Khớ i WIND PARK ................................................................................................ 54

5.2.1.1 Mô tả chƣ́c năng .................................................................................................... 54
5.2.1.2 Các tín hiệu ngõ vào .............................................................................................. 55
5.2.1.3 Các tín hiệu ra ........................................................................................................ 55
5.2.2

KHỚI MÁ Y PHÁ T ................................................................................................ 57

5.2.2.1 Mơ tả ...................................................................................................................... 57
5.2.2.2 Các thông số ngõ vào ............................................................................................. 58
5.2.2.3 Các thơng số ngõ ra ............................................................................................... 58
5.2.3

KHỚI VSC............................................................................................................. 59

5.2.3.1 Rotor side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá rotor).................................................... 59
5.2.3.2 Gride side converter (bô ̣ chuyể n đổ i phiá lƣới) ..................................................... 62
5.3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................................ 65

5.3.1

Giới thiê ̣u tổ ng quan WT Nordex N80/2500Kw ................................................... 65

5.3.2

Vâ ̣n tớ c gió tăng thêm 2m/s ................................................................................... 66

5.3.3

Vâ ̣n tớ c gió giảm đi 2m/s ....................................................................................... 67

5.3.4

Kế t quả tổ ng hơ ̣p cho vâ ̣n tố c gió tƣ̀ cut in đế n cut out và so sánh với Nordex

N80/2500Kw. ....................................................................................................................... 67
5.3.5

Nhâ ̣n xét kế t quả mô phỏng ................................................................................... 72

Chƣơng 6: KẾT LUẬN
6.1

CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT TRONG LUẬN VĂN .................................... 73

vii


6.2

ĐỀ XUẤT NHỮNG HƢỚNG NGHIÊN CƢ́U TIẾP THEO ................................ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 74

viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
CÁC TỪ VIẾT TẮT
DFIG

Doubly Fed Induction Generator

DFIM

Doubly Fed Induction Machine

FOC

Field Oriented Control

FRC

Fully Rated Converter

GSC

Grid Side Converter

IG

Induction Generator

MPPT

Maximum Power Point Tracking

PI

Proportional Integral

p.u

Per Unit

PWM

Pulse Width Modulation

RMS

Root Mean Square

RSC

Rotor Side Converter

SG

Synchronuos Generator

TSR

Tip Speed Ratio

VSC

Voltage Source Converter

WECS

Wind Energy Convertion System

Chỉ số trên
s, e

Hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq

T

Chuyển vị của ma trận, véctơ

Chỉ số dƣới
max, min

maximum, minimum

ref,

Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

KÝ HIỆU
vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr

điện áp pha stator và rotor

ix


ias, ibs, ics, iar , ibr , icr

dòng điện stator và rotor

ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr

từ thông stator và rotor

vαs, vβs, vαr, vβr

điện áp stator và rotor theo trục α,β

iαs, iβs, iαr, iβr

dòng stator và rotor theo trục α,β

ψαs, ψβs, ψαr, ψβr

từ thông stator và rotor theo trục α,β

vds, vqs, vdr, vqr

điện áp stator và rotor theo trục d,q

ids, iqs, idr, iqr

dòng stator và rotor theo trục d,q

ψds,ψqs,ψdr ,ψqr

từ thông stator và rotor theo trục d,q

Udc

điện áp dc-link

Rs, Rr

điện trở dây quấn stator và rotor

Lls, Llr

điện cảm tản stator và rotor

Ls, Lr

điện cảm stator và rotor

Lm

điện cảm từ hóa

𝜔g rated

tốc độ đồng bộ của máy phát

𝜔g

là tốc độ làm việc của máy phát.

ωr

tốc độ cánh quạt

kT

tỷ số vòng dây stator và rotor

Te,Tm

mômen điện từ và mômen cơ

p

số cặp cực từ

J,H

mơmen qn tính và hệ số qn tính rotor

v, vd

vận tốc gió trƣớc, sau cánh quạt

vb

vâ ̣n tớ c qua mă ̣t phẳ ng cánh qua ̣t

R, A

bán kính và diện tích qt cánh quạt tuabin

ρ, Cρ

mật độ khơng khí và hiệu suất rotor

λ, β

Tip speed ratio và góc pitch

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
Bảng 2.1: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo nhiê ̣t đô ̣
Bảng 2.2: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo áp suấ t (đô ̣ cao so với mƣ̣c nƣớc biể n )
Bảng 2.3: Hê ̣ sớ ma sát theo điạ hin
̀ h.
Bảng 2.4: Đặc tính gồ ghề dùng cho biểu thức (2.16).
Bảng 5.1: Thông số WT Nordex N80(2,5MW).
Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng.
Bảng 5.3: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW.

xi

TRANG

7
9
10
11
66
69
69


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

◦

2

TRANG

Hình 2.1: Cơng suất gió trên 1 m mặt cắt ngang tại 15 C và 1 atm.
6
Hình 2.2: Mối quan hệ giữa áp suất khơng khí và độ cao so với mặt biển.
8
Hình 2.3: (a) tỷ số vận tốc gió theo đơ ̣ cao và (b) tỷ số cơng suất so với độ cao.
11
Hình 2.4: Đặt tính gió đi qua cánh quạt
13
Hình 2.5: Đặc tính hiệu suất cánh quạt.
15
Hình 2.6: Đặc tính hiệu suất cánh quạt theo TSR.
16

Hình 2.7: Góc nghiên của cánh qua ̣t.
17
Hình 2.8: Hiệu suất Cp (λ, β)
17
Hình 2.9: Công suất WT phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin
18
Hình 2.10: Đƣờng cong cơng suất lý tƣởng của tuabin gió.
19
Hình 2.11: Đặc tính hiệu suất Cp theo tố c đô ̣ quay của cánh qua ̣t.
20
Hình 2.12: Đặc tính cơng suất thu đƣợc theo tốc độ quay cánh quạt.
20
Hình 2.13: Biể u đờ vâ ̣n tớ c gió tính theo giờ trên năm.
23
Hình 2.14: Hàm số mật độ xác suất vận tốc gió (pdf).
24
Hình 2.15: Hàm mật độ xác suất Weibull
25
Hình 2.16: Hàm mật độ xác suất với tham số tỷ lệ c thay đổi.
26
Hình 2.17: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ cố định.
27
Hình 2.18: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió tốc độ thay đổi, biến đổi tồn bộ cơng suất
phát
28
Hình 2.19: Hệ thống biến đổi năng lƣợng gió đƣợc trang bị với DFIG.
29
Hình 3.1: Nguyên lý của véctơ khơng gian.
31
Hình 3.2: Các đại lƣợng của hệ trục abc biểu diễn trong hệ trục αβ.

35
Hình 3.3: Mối liên hệ giữa hệ trục αβ hệ trục dq.
36
Hình 3.4: Mối liên hệ giữa hệ trục abc và hệ trục dq
37
Hình 3.5: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y.
38
Hình 3.6: Sơ đồ tƣơng đƣơng RL của stator và rotor.
39
Hình 3.7: Mơ hình lý tƣởng của máy điện khơng đồng bộ ba pha.
40
Hình 3.8: Mạch điện tƣơng đƣơng mơ hình động DFIG trong hệ trục αβ.
41
Hình 3.9: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq.
43
Hình 3.10: Mạch điện tƣơng đƣơng mơ hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq
quay với tốc độ đồng bộ.
43
Hình 4.1: Cấu hình điển hình của WT DFIG.
46
Hình 4.2: Hệ số cơng suất Cp(λ, β).
47
Hình 4.3: Các vùng điều khiển DFIG.
49
Hình 4.4: Đặc tính cơng suất WT.
51
Hình 5.1: Hệ thống turbine gió và máy phát DFIG.
54
Hình 5.2: Mơ hình wind park.
55

Hình 5.3: Xác định momen cơ Tm.
56
Hình 5.4: Khối xác định tốc độ tham chiếu.
56
Hình 5.5: Khối điều khiển góc nghiêng β.
57
Hình 5.6: Mô hình máy điê ̣n cảm ƣ́ng rotor dây quấ n .
57
Hình 5.7: Các biến ngõ ra của máy phát.
58
Hình 5.8: Xác định vị trí của vector từ thông.
60

xii


Hình 5.9: Xác định dịng điều khiển bên rotor.
Hình 5.10: Bơ ̣ ta ̣o xung kích Hysteresis Buffer.
Hình 5.11: Sơ đờ các khóa IGBT.
Hình 5.12: Bộ điều khiển tách.
Hình 5.13: Xác định thành phần dq của dòng điện.
Hình 5.14: Xác định điện áp pha tham chiếu.
Hình 5.15: Bơ ̣ phát xung PWM sin.
Hình 5.16: Đáp ƣ́ng tố c đô ̣ khi vâ ̣n tố c gió tăng.
Hình 5.17: Đáp ƣ́ng tố c đô ̣ khi vâ ̣n tố c gió giảm .
Hình 5.18: Tốc độ gió (m/s).
Hình 5.19: Đáp ứng tốc độ của rotor máy phát.
Hình 5.20: Hệ số Cp.
Hình 5.21: Góc nghiêng của cánh quạt β.
Hình 5.22: So So sánh kết quả mơ phỏng với số liệu Nordex N80/2500KW.

Hình 5.23: Kết quả các vùng làm việc của DFIG.

xiii

61
61
62
63
64
64
65
66
67
68
68
68

68
70
71


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1

1.1 GIỚI THIÊU
̣ TỞNG QUAN.
Gió là một nguồn năng lƣợng miễn phí, sạch và vơ tận. Nó đã đáp ứng tốt
cho lồi ngƣời ở nhiều nƣớc bằng việc cung cấp lực đẩy tàu thủy và truyền động các
turbine gió để xay ngũ cốc và bơm nƣớc. Sự quan tâm đến năng lƣợng gió đã tụt
hậu, khi sản phẩm dầu mỏ rẻ và phong phú sau chiến tranh thế giới lần thứ II. Chi
phí vốn cao và sự không chắc chắn của hƣớng gió đƣa năng lƣợng gió vào tình thế
bất lợi về kinh tế. Sau đó vào năm 1973, nƣớc Arab đặt lệnh cấm vận dầu mỏ.
Những ngày của dầu mỏ rẻ và phong phú đã đi đến kết thúc. Con ngƣời bắt đầu
nhận thức rằng nguồn cung cấp dầu của thế giới sẽ khơng kéo dài mãi mãi và nguồn
cung cấp cịn lại cần đƣợc bảo tồn cho nền công nghiệp hóa học dầu mỏ. Ví dụ việc
sử dụng dầu làm nhiên liệu lò hơi sẽ phải đƣợc loại bỏ. Các nguồn năng lƣợng khác
ngồi dầu và khí tự nhiên phải đƣợc phát triển.
Hai nguồn năng lƣợng ngoài dầu mỏ mà đã đƣợc giả định để cung cấp cho
nhu cầu năng lƣợng trong thời gian dài của United States là than đá và năng lƣợng
hạt nhân. Nhiều ngƣời nghỉ có đủ than cho vài thế kỷ với mức tiêu thụ nhƣ hiện nay
(2006) và tƣơng tự nhƣ vậy cho năng lƣợng hạt nhân sau khi lò phản ứng tái sinh
đƣợc khai thác hồn tồn. Đây là các nguồn thơng tin đã đƣợc chứng minh, trong ý
nghĩa đó công nghệ đƣợc phát triển cao và lƣợng lớn than đá và hạt nhân cấp nguồn
cho nhà máy phát điện thì đang hoạt động và cung cấp khối năng lƣợng đáng kể đến
khách hàng. Thật không may, cả hai than đá và hạt nhân phát sinh các vấn đề thuộc
về môi trƣờng đáng sợ. Than địi hỏi hoạt động khai thác qui mơ lớn, đất để lại thì
khó hoặc khơng thể khơi phục lại sự hữu ích trong nhiều trƣờng hợp. Sự đốt cháy
than có thể làm đảo lộn cân bằng nhiệt của hành tinh. Việc sinh ra khí carbon
dioxide và sulfur dioxide có thể ảnh hƣởng đến khí quyển và khả năng của hành

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

1

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

tinh làm ra lƣơng thực cho con ngƣời. Than đá cũng là một nguyên liệu hóa học dầu
mỏ và nhiều ngƣời cho là đốt nó nhƣ nguyên liệu lò hơn thật dại dột. Năng lƣợng
hạt nhân có một vài lợi thế hơn than đá trong đó không có carbon dioxide hoă ̣c
sulfur dioxide đƣợc sinh ra, các hoạt động khai mỏ thì có qui mơ nhỏ hơn và nó
không có tác dụng chủ yếu khác ngồi việc cung cấp nhiệt. Khó khăn chính là vấn
đề xử lý chất thải, trong đó vì những lo ngại của nhiều ngƣời, có lẽ sẽ không bao
giờ có giải pháp thật sự thỏa mãn.
Vì những vấn đề này, năng lƣợng gió và dạng khác nhƣ năng lƣợng mặt trời
đang đƣợc khuyến khích mạnh mẽ. Năng lƣợng gió có thể trở thành nguồn năng
lƣợng chính mặt dù chi phí hơi cao so với năng lƣợng than đá và hạt nhân vì về cơ
bản các vấn đề phi kinh tế và chính trị của năng lƣợng than đá và hạt nhân. Điều
này không nói rằng chi phí cho năng lƣợng gió sẽ luôn luôn cao hơn năng lƣợng
than đá và hạt nhân. Vì sự tiến bộ đáng kể đang thực hiện trong việc làm năng
lƣợng gió ít tốn kém. Nhƣng thậm chí khơng có lợi thế về chi phí rõ ràng, năng
lƣợng gió cũng có thể trở thành dạng năng lƣợng quan trọng thật sự trong bức tranh
năng lƣợng thế giới.
Sự biến đổi năng lƣợng gió đƣợc thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy
phát, có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi. Có nhiều lý do cho việc
sử dụng hệ thống biến đổi năng lƣợng gió có tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng
nhất là phạm vi thay đổi tốc độ theo pha ̣m vi thay đổ i của vâ ̣n tố c gió

rộng cho

phép điều khiển tối ƣu công suất nhận đƣợc từ gió, giảm ứng lực tác động lên kết
cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột và khả năng điều khiển công suất
tác dụng và cơng suất phản kháng.
Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lƣợng gió trang bị máy phát điện
cảm ứng cấp nguồn hai phía DFIG (Doubly Fed Induction Generator), stator đƣợc
kết nối trực tiếp với lƣới điện còn rotor nối thông qua một bộ biến đổi công suất,
máy phát đƣợc điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên phía rotor. Ƣu điểm
nổi bậc khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 -

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

2

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

30% của tổng công suất phát, nghĩa là giảm đƣợc tổn hao trong linh kiện điện tử
cơng suất so với cấu hình phải biến đổi tồn bộ cơng suất phát nhƣ hệ thống biến
đổi năng lƣợng gió sử dụng máy phát đồng bộ (SG). Với các ƣu điểm trên, máy
phát không đồng bộ DFIG xem là giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng
lƣợng gió tốc độ thay đổi.
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Đề xuất kỹ thuật mới, đơn giản cho viê ̣c tìm kiếm điểm điểm cực đại công
suất phát (MPPT) sƣ̉ du ̣ng hê ̣ thố ng máy phát năng lƣơ ̣ng gió DFIG làm viê ̣c trong
lƣới điê ̣n.

- Kế t quả đa ̣t đƣơ ̣c phải đƣơ ̣c so sánh với sản phẩm thƣ̣c tế để chƣ́ng minh
tính đúng đắn của kỹ thuật đề xuất.
1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, đề xuất thuật toán điều khiển và xây dựng
mô hiǹ h mô phỏng hê ̣ thố ng máy phát điện cảm ứng cấp nguồn hai phía DIFG đƣợc
ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió (WECS).
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề nhƣ sau:
- Đề xuấ t th ̣t toán MPPT.
- Mơ hình hóa và mơ phỏng hê ̣ thố ng máy phát DFIG kế t nố i lƣới với nút
vơ hạn.
- Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có
sự hay đổi tham số mơ hình. So sánh kết quả đạt đƣợc với số liệu thực tế của hảng
Nordex chƣ́ng minh sƣ̣ đúng đắ n của thuâ ̣t toán đề xuấ t .

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

3

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra bằng mô phỏng, so sánh với số liê ̣u thƣ̣c tế .

1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
- Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan.
- Tìm hiểu về tổng quan về năng lƣợng gió.
- Tìm hiểu các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió đang áp dụng
trên thế giới và so sánh ƣu nhƣợc điểm của các cấu hình này.
- Xây dụng mối quan hệ giữa các thơng số trong máy phát điện cảm ứng
DFIG.
- Đƣa ra giải thuật tìm kiếm điểm điểm cực đại cơng suất phát cho DFIG.
- Mô phỏng trên PSCad và so sánh với số liê ̣u thƣ̣c tế của hảng Nordex

.

Nhâ ̣n xét kế t quả .
1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Có thể ứng dụng vào thực tế trong ngành điện sử dụng năng lƣợng gió.
- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển nghiên cứu đề án sự
xâm nhập của năng lƣợng gió vào hệ thống điện Việt Nam.
1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về năng lƣợng gió.
Chƣơng 3: Mơ hình tốn học DFIG trong các hệ trục tọa độ αβ và dq.
Chƣơng 4: Đề xuấ t thuâ ̣t toán tìm kiế m điể m cƣ̣c đa ̣i công suấ t phấ t .
Chƣơng 5: Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả.
Chƣơng 6: Kế t luâ ̣n và đề xuất những hƣớng nghiên cứu tiếp theo.

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

4

HVTH: Châu Minh Đa ̣o

Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƢỢNG GIĨ.
2

2.1 NĂNG LƢỢNG GIĨ.
Xét một khối khơng khí với khối lƣợng m đang di chuyển với vận tốc v.
Năng lƣợng động năng KE đƣợc cho bởi biểu thức quen thuộc sau:
1

KE = mv 2

(2.1)

2

Công suất là năng lƣợng theo thời gian, cơng suất qua diện tích A tƣơng
ứng khối lƣợng khơng khí di chuyển với vận tốc v là:

Cơng suất qua diện tích A =

Năng lƣợng
Th ời gian

=

1

𝑚

2 Th ơi gian

𝑣2

(2.2)

Lƣu lƣợng theo khối lƣợng 𝑚, qua diện tích A là tích của mật độ khơng khí
ρ, vận tốc v, và diện tích phần mặt cắt ngang A:
𝑚 = 𝜌𝐴𝑣

(2.3)

Kết hợp (2.3) với (2.2) ta đƣợc mối quan hệ quan trọng:
1

𝑃𝑤 = 𝜌𝐴𝑣 3

(2.4)

2

Trong hệ đơn vị S.I. Pw là công suất trong gió (watts); ρ là mật độ khơng
khí (kg/m3) (tại 15◦C và 1 atm, ρ = 1,225 kg/m3); A là diện tích mặt cắt ngang mà
gió đi qua (m2); và v là vận tốc gió bình thƣờng đến diê ̣n tić h mă ̣t cắ t A (m/s). Hình
2.1 cho thấ y cơng suất gió trên 1 m2 mặt cắt ngang tại 15◦C và 1 atm.

Hiển nhiên cần quan tâm là năng lƣợng trong một khoảng vận tốc gió. Với
mối quan hệ phi tuyến giữa cơng suất và vận tốc gió, cần lƣu ý là không thể sử dụng

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

5

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

vận tốc gió trung bình trong biểu thức (2.4) để dự đoán tổng năng lƣợng có thể thu
đƣợc và đƣợc trình bày chi tiết trong phần 2.5.

Hình 2.1: Cơng suất gió trên 1 m2 mặt cắt ngang tại 15◦C và 1 atm.
2.1.1 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ cho mật độ khơng khí.
Khi dữ liệu cơng suất gió đƣợc đƣa ra, nó thƣờng đƣợc giả định rằng mật
độ khơng khí là 1,225 kg/m3 với nhiệt độ 15oC (59oF) và áp suất 1 atm. Sử dụng
định luật khí lý tƣởng, có thể xác định mật độ khơng khí theo các điều kiện nhiê ̣t đơ ̣
khác.
PV = nRT

(2.5)

Trong đó P là áp suất tuyệt đối (atm), V là thể tích (m3), n là khối lƣợng
(mol), R là hằng số khí lý tƣởng = 8,2056 × 10−5 m3 . atm . K−1 . mol−1, và T là nhiệt
độ tuyệt đối (K), với K = oC + 273,15. Một atm tƣơng đƣơng 101,325 kPa (Pa là

viết tắt cho pascals, 1 Pa = 1 newton/m2). Một atm cũng tƣơng đƣơng 14.7 pounds
trên in vng (psi), vì vậy 1 psi = 6,89 kPa. Tóm lại, 100 kPa đƣợc gọi là 1 bar và
100 Pa = 1 millibar, là đơn vị áp suất thƣờng đƣợc dùng trong khí tƣợng học.

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

6

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

Nếu chúng ta đƣa vào M.W, phân tử lƣợng của khơng khí (g/mol), chúng ta
có thể viết biểu thức tính mật độ khơng khí ρ nhƣ sau:
ρ

kg
m3

=

g
kg
.10 −3 ( )
mol
g
V(m 3 )

n mol .MW .

(2.6)

Kết hợp (2.5) và (2.6) ta đƣợc biểu thức sau:
ρ=

P.MW 10 −3

(2.7)

RT

Khơng khí là hỗn hợp các phân tử, phần lớn là nitrogen (78,08%) và
oxygen (20,95%), với một chút ít argon (0,93%), carbon dioxide (0,035%), neon
(0,0018%), và còn lại là tạp chất. Sử dụng cấu tạo phân tử lƣợng (N2 = 28,02, O2 =
32,00, Ar = 39,95, CO2 = 44,01, Ne = 20,18), phân tử lƣợng tƣơng đƣơng của
khơng khí là 28,97.
Bảng 2.1: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo nhiê ̣t đơ ̣ [3].
Nhiệt độ
Nhiệt độ
Mật độ khơng
0
( C)
(F)
khí (kg/m3)
-15
5
1,368

-10
14
1,342
-5
23
1,317
0
32
1,293
5
41
1,269
10
50
1,247
15
59
1,225
20
68
1,204
25
77
1,184
30
86
1,165
35
95
1,246

40
104
1,127

Tỷ số KT
1,12
1,10
1,07
1,05
1,04
1,02
1,00
0,98
0,97
0,95
0,94
0,92

Bảng 2.1 trình bày mật độ khơng khí đối với một khoảng nhiệt độ cần dùng
cho lĩnh vực năng lƣợng gió. Trong đó KT là tỷ số của mật độ khơng khí tại nhiệt độ
T so với nhiệt độ tiêu chuẩn 15 0C.
2.1.2 Hiệu chỉnh theo độ cao so với mực nƣớc biển cho mật độ khơng khí.
Giả thuyết công suất trong gió phụ thuộc vào áp suất cũng nhƣ nhiệt độ nhƣ
phần 2.1.1 đã trình bày. Khi áp suất khơng khí là một hàm theo độ cao so với mực
CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

7

HVTH: Châu Minh Đa ̣o

Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

nƣớc biển, thật là hữu ích để có đƣợc một hệ số hiệu chỉnh giúp cho việc ƣớc lƣợng
năng lƣợng gió cho những nơi trên mực nƣớc biển.
Xét một khối khơng khí hình trụ với mặt cắt thẳ ng đƣ́ng A nhƣ trình bày
trong hình 2.2. Một lát khơng khí mỏng theo chiều ngang có độ dày là dz với mật
độ là ρ sẽ có khối lƣợng ρAdz. Nếu áp suất bên trên lát không khí mỏng do trọng
lƣợng của khơng khí bên trên nó là P(z + dz), thì áp suất bến dƣới của nó P(z), sẽ là

Hình 2.2: Mối quan hệ giữa áp suất khơng khí và độ cao so với mặt biển.
P(z

+ dz)

cộng thêm phần áp suất do trọng lƣợng của chính lát khơng khí

mỏng đó:
P(z) = P z+dz +

gρAdz

(2.8)

A

Trong đó g là hằng số hấp dẫn, 9.806 m/s2. Do đó ta có số gia áp suất dP
theo số gia thay đổi độ cao dz là:

dP = P(z + dz) – P(z) = -gρdz

(2.9)

Suy ra:
dP
dz

= −ρg

(2.10)

Mật độ khơng khí ρ trong (2.10) là một hàm theo áp suất nhƣ (2.7), nên ta
có thể viết lại nhƣ sau:
dP
dz

=−

gMW 10 −3
RT

P

(2.11)

Bản thân cột không khí có nhiệt độ thay đổi theo độ cao, thƣờng giảm 6.5oC
khi lên thêm 1km. Để đơn giản , giả sử nhiệt độ là không đổi trong suốt cột không
CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

8

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

khí, chúng ta có thể dể dàng tìm ra lời giải cho (2.11) với một sai số nhỏ. Thế các
hằng số và các hệ số chuyển đổi, giả sử tại 15oC,
𝑑𝑃
𝑑𝑧

m

=−

g

kg

9,806 2 .28,97
.10 −3
mol
g
s
8,2056.10 −5 m 3 .atm .K −1 mol −1 .288,15K

.

atm
101,325Pa

.

1Pa
N
m2

= −1,185. 10−4 P

.

1N
m

kg . 2
s

.P

(2.12)

Nghiệm của phƣơng trình (2.12) là:
P = P0 e−1,185.10

−4 H

= 1 atm . e−1,185.10

−4 H

(2.13)

Trong đó P0 là áp suất chuẩn 1 atm và H tính bằng m.
Bảng 2.2 Tóm tắt mô ̣t số hệ số hiệu chỉnh mật độ khơng khí theo áp suất
dựa vào biểu thức (2.13). Kết hợp hiệu chỉnh theo nhiệt độ và áp suất cho mật độ
khơng khí nhƣ biể u (2.14):
ρ = 1,225K T K A

(2.14)

Trong phƣơng trình (2.14), các hệ số hiệu chỉnh KT đối với nhiệt độ và KA
đối với độ cao đƣợc cho trong Bảng 2.1 và Bảng 2.2.
Bảng 2.2: Mâ ̣t đô ̣ không khí theo áp suấ t [3] (đô ̣ cao so với mƣ̣c nƣớc biể n )
Độ cao
Độ cao
Áp suất
Tỷ số KA
(meters)
(feet)
(atm)
0
0
1
1
200
656
0,977

0,977
400
1312
0,954
0,954
600
1968
0,931
0,931
800
2625
0,910
0,910
1000
3281
0,888
0,888
1200
3937
0,868
0,868
1400
4593
0,847
0,847
1600
5249
0,827
0,827
1800

5905
0,808
0,808
2000
6562
0,789
0,789
2200
7218
0,771
0,771

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

9

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

2.2 ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ CAO THÁP.
Khi năng lƣợng trong gió tỷ lệ lập phƣơng với vận tốc gió, việc tăng vừa
phải vận tốc gió có thể ảnh hƣởng đến kinh tế đáng kể. Một cách để turbine gió hoạt
động trong vận tốc cao hơn là gắn kết nó vào tháp cao hơn. Ở một vài trăm met đầu
tiên trên mặt đất, vận tốc gió bị ảnh hƣởng rất nhiều bởi ma sát mà không khí tiếp
xúc khi nó di chuyển trên mặt đất. Bề mặt bằng phẳng nhƣ mặt biển khơng nổi
sóng, ít vật cản thì sự thay đổi vận tốc theo độ cao là rất nhỏ. Xét ở khía cạnh khác,

gió bề mặt bị làm chậm đáng kể bởi thực vật hay các tòa nhà cao thấp bất thƣờng.
Một biểu thức mà nó thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả ảnh hƣởng của sự lởm
chởm trên mặt đất, nơi gió thổi qua:
v
v0

=

H

α

(2.15)

H0

Trong đó ν là vận tốc gió ở độ cao H, ν0 là vận tốc gió ở độ cao H0 (độ cao
chuẩn H0 = 10 m), và α là hệ số ma sát.
Hệ số ma sát α là một hàm theo địa hình mà gió thổi trên nó. Bảng 2.3 cho
một vài giá trị điển hình cho vài dạng địa hình. Trong nhiều trƣờng hợp, có thể tính
gần đúng cho địa hình có phần hơi thoáng, giá trị α = 1/7.
Bảng 2.3: Hê ̣ số ma sát theo điạ hin
̀ h [3].
Đặc tính địa hình
Mă ̣t đấ t rắ n và bằ ng phẳ ng, mă ̣t nƣớc không nổ i sóng.
Mă ̣t đấ t có cỏ mo ̣c cao
Mă ̣t đấ t có cây cao, hàng rào, bụi rậm.
Khu rƣ̀ng nhiề u cây
Thị trấn có nhiều cây và bụi rậm
Thành phố lớn có nhiều tịa nhà cao

Hê ̣ sớ ma sát
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,40

Biể u thƣ́c (2.15) thì rất thƣờng đƣợc sử dụng ở Mỹ, có một phƣơng pháp
khác rất phổ biến ở Eu.
v
v0

=

H
z
H
ln 0
z

ln

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

(2.16)

10

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

Trong đó z đƣợc gọi là chiều dài gồ ghề. Bảng 2.4 mô tả các nhóm bề mặt
và chiều dài gồ ghề z đƣợc sử dụng cho biểu thức (2.16) và phƣơng pháp này đƣợc
ƣu tiên hơn kể từ khi nó có một vài cơ sở lý thuyết về khí động học trong khi biể u
thƣ́c (2.15) thì khơng. Hiển nhiên cả hai phƣơng trình mũ (2.15) và logarit (2.16)
chỉ cung cấp phép tính xấp xỉ cơ bản sự thay đổi vận tốc gió theo độ cao. Trên thực
tế, khơng có gì tốt hơn bằ ng việc đo lƣờng trên một khu vực thực tế và thống kê tƣ̀
mô ̣t năm trở lên.
Bảng 2.4: Đặc tính gồ ghề dùng cho biểu thức (2.16) [3].
Đặc tính địa hình
Chiề u dài gồ ghề z(m)
Mă ̣t nƣớc.
0,0002
Khu vƣ̣c thoáng với vài điể m chắ n gió .
0,03
Đất nông nghiệp có nhiều điểm chắn gió.
0,1
Thị trấn, đấ t nông nghiê ̣p có nhiề u điể m chắ n gió .
0,4
Thành phố lớn hoặc rừng rậm.
1,6

Hình 2.3: (a) tỷ số vận tốc gió theo đô ̣ cao; (b) tỷ số cơng suất theo độ cao.
Hình 2.3a trình bày sự ảnh hƣởng của hệ số ma sát đế n

vận tốc gió tại độ

cao tham chiếu là 10m, thƣờng đƣợc sử dụng làm độ cao tiêu chuẩn cho các máy đo
gió. Nhƣ trong hình vẽ, đối với bề mặt bằng phẳng (α = 0.1), gió tại độ cao 100m thì
chỉ cao hơn khoảng 25% so với gió tại độ cao 10m, trong khi đối với một vị trí tại
CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

11

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

thị trấn nhỏ (α = 0.3), gió tại 100m đƣợc ƣớc lƣợng cao hơn 2 lần so với độ cao
10m. Ảnh hƣởng của độ cao vào cơng suất thậm chí cịn ấn tƣợng hơn đƣợc trình
bày trong Hình 2.3b. Tỷ số cơng suất gió ở độ cao khác 10m cho thấy sự ảnh hƣởng
mạnh theo mối quan hệ bậc 3 giữa vận tốc gió và công suất. Ngay cả đối với bề mặt
đất bằng phẳng và đối với khu vực ngồi khơi, cơng cuất tăng gấp đôi khi độ cao
tăng từ 10m lên 100m. Đối với bề mặt lởm chởm hơn, với hệ số ma sát α = 0.3,
công suất tăng gấp đôi khi độ cao đƣợc nâng lên 22m và tăng gấp bốn lần khi độ
cao nâng lên đến 47m.
Vì cơng suất trong gió tỷ lệ lập phƣơng với vận tốc gió, biể u thƣ́c (2.15) có
thể đƣợc viết lại để biểu thị mối quan hệ công suất gió tại độ cao H so với độ cao
tham chiếu H0:
P
P0

=

1
ρAv 3
2
1
ρAv 30
2

=

v
v0

3

=

H

3α

(2.17)

H0

Đối với các máy lớn, đƣờng kính cánh qua ̣t lớn . Khi các lá cánh ở tại điểm
cao nhất, nó có thể đƣợc tiếp xúc với lực gió mạnh hơn nhiều so với điểm thấp nhất.
Sự thay đổi ứng suất này càng nhiều khi các lá cánh quạt song song thân tháp , đặc

biệt đối với turbine dạng downwind, một lƣợng gió đáng kể bị thân tháp che chắn.
Lá cánh quạt bị uốn cong có thể làm tăng thêm tiếng ồn phát ra từ turbine gió và sƣ̣
uố n cong lâ ̣p la ̣i nhiề u lầ n (chu kỳ là mô ̣t vòng quay ) góp phần làm cho lá cánh quạt
giảm sức chịu đựng kim loại-mỏi cơ, nó có thể làm cho lá cánh quạt bị hƣ.
2.3 HIỆU SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁNH QUẠT.
2.3.1 Hiê ̣u suấ t lớn nhấ t của cánh qua ̣t.
Nguồn gốc ban đầu về công suất cực đại mà turbine có thể hấp thu đƣơ ̣c từ
gió do nhà vật lý ngƣời Đức, Albert Betz. Ông là ngƣời đầu tiên xây dựng công
thức vào năm 1919. Sự phân tích bắt đầu bằng sự tƣởng tƣợng cái gì phải xảy ra khi
gió đi qua turbine gió. Nhƣ trình bày trong Hình 2.4, gió đến từ phía bên trái bị
chậm dần khi một phần động năng của nó bị hấp thu bởi turbine. Gió qua turbine có

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

12

HVTH: Châu Minh Đa ̣o


Luâ ̣n văn cao học

Khóa 2010-2012B

một vận tốc chậm hơn và áp suất của nó bị giảm, làm cho không khí phía sau
turbine phình to ra.

Hình 2.4: Đặt tính gió đi qua cánh quạt.
Nếu tất cả năng lƣợng động năng đƣơ ̣c hấ p thu ̣ thì gió đi đến và dừng hẳn
sau turbine gió, cánh quạt sẽ ngăn cản tồn bộ gió. Do đó vận tốc gió phía sau cánh
quạt có thể là bằng không. Điều này không có ý nghĩa bởi lẽ vận tốc phía sau tƣơng

tự nhƣ vận tốc phía trƣớc cánh quạt, từ đó có nghĩa là turbine khơng hấp thu tồn bộ
năng lƣợng từ gió. Điều đó cho thấy rằng phải có sự chậm lại lý tƣởng của gió mà
nó sẽ đƣa đến cơng suất lớn nhất đƣợc hấp thụ bởi turbine. Cái mà Betz trình bày là
một turbine gió lý tƣởng sẽ làm chậm gió đi 1/3 so với vận tốc ban đầu.
Trong Hình 2.4, vận tốc gió phía trƣớc khơng bị xáo trộn là v, vận tốc gió
qua mặt phẳng của các cánh quạt rotor là vb, và vận tốc gió phía sau là vd. Lƣu
lƣợng khối lƣợng của khơng khí bên trong ống trƣớc và sau thì tƣơng đƣơng nhau
và gọi là m. Công suất thu đƣợc bởi các lá cánh quạt Pb là hiệu năng lƣợng động
năng giữa dịng khơng khí phí trƣớc và phía sau.
1

Pb = m(v 2 − vd2 )

(2.18)

2

Vị trí đơn giản nhất để xác định lƣu lƣợng khối lƣợng 𝑚 là tại mặt phẳng
của cánh quạt, tại đó chúng ta biết diện tích mặt cắt ngang chính là diện quét của
cánh quạt A.
m = ρAvb

CBHD: PGS TS Nguyễn Hƣ̃u Phúc

(2.19)

13

HVTH: Châu Minh Đa ̣o