NGHIÊN cứu điều KHIỂN điện áp máy PHÁT điện KIỂU ĐÓNG cắt từ KHÁNG sử DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ dựa TRÊN điều KHIỂN mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
ĐỖ HỮU DUẬT
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN
KIỂU ĐÓNG CẮT TỪ KHÁNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
GIÓ DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN MỜ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI – 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
ĐỖ HỮU DUẬT
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN
KIỂU ĐÓNG CẮT TỪ KHÁNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
GIÓ DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN MỜ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số : 60.52.02.02
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN LÂN TRÁNG
HÀ NỘI – 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trình bày trong bản luận văn này là trung thực và chưa được công
bố trong bất kỳ công trình khoa học nào trước đó.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi
đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả
Đỗ Hữu Duật
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy giáo GS.TS Nguyễn Lân
Tráng, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời
gian qua.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Nông nghiệp Hà
Nội, bộ môn Hệ thống điện, gia đình và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ chúng
tôi hoàn thành luận văn này.
Vì thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu liên quan đến rất nhiều lĩnh vực nên luận
văn không thể tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến
đóng góp của các thầy cô và các bạn.
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH iv
DANH MỤC BẢNG v
PHẦN MỞ ĐẦU 1
Chương 1: NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ Ở
VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 4
Chương 2: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG PHÁT
ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT SRG 18
Chương 3: DỰA VÀO PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK THIẾT LẬP MÔ
HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT
SRG 29
Chương 4: DỰA VÀO ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP PHÁT HỆ
THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG 48
MÁY PHÁT SRG 48
PHẦN KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
iii
DANH MỤC HÌNH
STT Tên hình Trang

iv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Dung lượng sử dụng năng lượng gió phát điện của 10 nước
đứng đầu trên thế giới đến cuối năm 2010 5
Bảng 3. 1 Bảng thông số của máy phát SRG 3 pha 6/4 cực 750W[13]
43
v
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu để phát triển và tồn tại của
con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế.
Trong hai thế kỷ trước, nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí tự
nhiên đóng vai trò rất lớn trong quá trình phát triển của xã hội loài người. Tuy
nhiên, nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt. Bên cạnh đó, mức sống của người
dân càng cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về
năng lượng cũng ngày càng lớn. Việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách
thức đối với hầu hết mọi quốc gia, trong đó có cả Việt Nam. Vì vậy, việc khai thác
và sử dụng các nguồn năng lượng mới là hết sức cần thiết.
Năng lượng gió là một dạng năng lượng sạch, có khả năng tái sinh. Hiện nay,
trên thế giới, việc phát triển Phong điện đang là một xu thế lớn, thể hiện ở mức tăng
trưởng cao so với các nguồn năng lượng khác. Thuận lợi lớn nhất của Việt Nam khi
phát triển điện gió là nước ta có tiềm năng năng lượng gió tương đối lớn. Theo kết
quả điều tra, đánh giá của Ngân hàng thế giới, Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh
thổ được đánh giá là tốt và rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn, tập trung và
có tới 41% diện tích nông thôn có thể phát triển trạm điện gió cỡ nhỏ.
Máy phát điện kiểu đóng cắt từ kháng có nhiều ưu điểm nổi bật như: kết cấu
đơn giản, chắc chắn; tổn thất chủ yếu xuất hiện ở phía stator, do đó dễ làm mát; chịu
quá tải ngắn hạn rất tốt và đặc biệt là nó có giá thành thấp nên đang ngày càng được
sử dụng rộng rãi trong thực tế nói chung và trong hệ thống phát điện gió nói riêng.
Tuy nhiên máy phát kiểu đóng cắt từ kháng là loại máy có tính chất phi tuyến tính

lớn, việc xác định chính xác mô hình toán của nó là không thể, do đó nếu chỉ dùng
phương pháp điều khiển PID thông thường thì rất khó đạt được mong muốn.
Điều khiển mờ là một dạng của điều khiển thông minh, với ưu điểm nổi bật là
có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước một cách chính xác
đặc tính của đối tượng, nên việc sử dụng phương pháp điều khiển mờ để điều khiển
1
điện áp phát của hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát kiểu đóng cắt từ kháng có
thể là một giải pháp hữu hiệu.
Xuất phát từ thực tế trên tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển điện
áp máy phát điện kiểu đóng cắt từ kháng sử dụng năng lượng gió dựa trên điều
khiển mờ” làm nội dung nghiên cứu của đề tài.
2. Mục đích của đề tài
Điều khiển điện áp của hệ thống phát điện gió nói chung và hệ thống phát điện
gió sử dụng máy phát kiểu đóng cắt từ kháng nói riêng là một nội dung quan trọng
trong quá trình thiết kế cũng như vận hành hệ thống. Trên cơ sở tìm hiểu đặc tính
của máy phát và hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát kiểu đóng cắt từ kháng đề
tài sử dụng phương pháp điều khiển mờ để điều khiển điện áp phát một chiều của hệ
thống.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu hệ thống phát điện gió nói chung và hệ thống phát điện gió sử dụng
máy phát kiểu đóng cắt từ kháng nói riêng;
- Dựa vào phần mềm Matlab/Simulink thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống
phát điện gió sử dụng máy phát kiểu đóng cắt từ kháng;
- Sử dụng phương pháp điều khiển mờ để điều khiển điện áp phát một chiều của
hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát kiểu đóng cắt từ kháng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với việc thiết lập mô hình mô phỏng
trên phần mềm Matlab/Simulink để thiết kế và kiểm nghiệm hiệu quả của phương
pháp điều khiển điện áp phát của hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát kiểu
đóng cắt từ kháng.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát kiểu đóng cắt từ kháng đang được
nhiều nước quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên ở Việt Nam thì các công trình đã công
bố về nội dung này chưa nhiều nên nội dung mà đề tài đề cập sẽ góp phần thúc đẩy
quá trình nghiên cứu lý thuyết cũng như nghiên cứu ứng dụng trong thực tế ở Việt
2
Nam.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và đề nghị, tài liệu tham khảo gồm có 4
chương:
Chương1: Nghiên cứu hiện trạng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam và trên
thế giới;
Chương 2: Nguyên lý làm việc và kết cấu của hệ thống phát điện gió sử dụng
máy phát SRG;
Chương 3: Dựa vào phần mềm Matlab/Simulink thiết lập mô hình mô phỏng hệ
thống phát điện gió sử dụng máy phát SRG;
Chương 4: Dựa vào điều khiển mờ điều khiển điện áp phát hệ thống phát điện
gió sử dụng máy phát SRG.
3
Chương 1: NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
1.1 Đặc điểm của năng lượng gió
Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu để phát triển và tồn tại của
con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế.
Trong hai thế kỷ trước, nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí tự
nhiên đóng vai trò rất lớn trong quá trình phát triển của xã hội loài người. Tuy
nhiên, nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt. Bên cạnh đó, mức sống của người
dân càng cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về
năng lượng cũng ngày càng lớn. Việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách
thức đối với hầu hết mọi quốc gia, trong đó có cả Việt Nam. Vì vậy, việc khai thác

và sử dụng các nguồn năng lượng mới là hết sức cần thiết.
Năng lượng gió là một dạng năng lượng sạch, có khả năng tái sinh. Hiện
nay, trên thế giới, việc phát triển Phong điện đang là một xu thế lớn, thể hiện ở
mức tăng trưởng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác
[1]
. Với những
thành tựu của thế giới và tiềm năng của Việt Nam về năng lượng gió, chúng ta
hoàn toàn có thể phát triển nguồn năng lượng này để góp phần vào sự phát triển
kinh tế - xã hội của đất nước.
Nguồn năng lượng gió là một dạng nguồn nguyên liệu vô tận, sản xuất điện
năng từ năng lượng gió giúp làm giảm ô nhiễm không khí. Chúng không phóng
thích khí CO
2
, SO
2
như khi sử dụng các dạng nguồn năng lượng hóa thạch, do đó
có tác dụng làm sạch không khí, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.
1.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng gió phát điện trên thế giới
[2-Error: Reference source not
found]
Phong năng là nguồn năng lượng sạch có thể tái tạo, càng ngày càng thu hút
được các quốc gia quan tâm. Sau khi kết thúc chiến tranh thế giới lần thứ nhất một
số quốc gia đã bắt đầu nghiên cứu năng lượng gió để phát điện. Tuy nhiên phải đến
những năm 70 ~ 80 của thế kỷ trước, việc dùng năng lượng gió để phát điện mới
4
được chú trọng đúng mức và có tốc độ phát triển nhanh. Theo thông báo của ủy ban
năng lượng gió, năm 2009 tổng dung lượng của các nhà máy phong điện trên toàn
thế giới đạt 35800MW, nhưng đến cuối năm 2010 dung lượng đã đạt đến
179039MW. Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng gió để phát điện mới chỉ tập trung
ở một số nước, năm 2010 mười nước đứng đầu chiếm 86,4% tổng dung lượng sử

dụng năng lượng phát điện trên toàn thế giới. Trong bảng 1.1 cho ta thấy dung
lượng phong điện của 10 nước đứng đầu và của cả thế giới có được đến cuối năm
2010. Còn trên hình 1.1 thể hiện dung lượng gió trong 15 năm từ năm 1996 đến
năm 2010 trên toàn thế giới.
Bảng 1.1 Dung lượng sử dụng năng lượng gió phát điện của 10 nước đứng đầu
trên thế giới đến cuối năm 2010
Đất nước Công suất (MW) Tỉ lệ phần trăm (%)
Trung Quốc 44733 22.7
Mỹ 40180 20.4
Đức 27214 13.8
Tây Ban Nha 20676 10.5
Ấn Độ 13065 6.6
Ý 5797 2.9
Pháp 5660 2.9
Anh 5204 2.6
Canađa 4009 2.0
Đan Mạch 3752 1.9
Các nước còn lại 26749 13.6
Tổng 10 nước đứng đầu 170290 86.4
Tổng cả thế giới 197039 100.0
Trung quốc là một trong những quốc gia có tài nguyên gió phong phú, gió được
phân bố ở nhiều nơi và có mật độ lớn, trong năm thời gian gió có tốc độ cao lớn,
đây là các điều kiện rất thuận lợi để Trung quốc phát triển phát điện gió. Năm 1986
Trung quốc xây dựng nhà máy phong điện đầu tiên tại tỉnh Sơn Đông. Sau đó mười
năm, chính phủ Trung quốc đã ban hành một số chính sách khuyến khích và quy
định cụ thể nhằm thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp sử dụng gió để
phát điện. Trong những năm gần đây, Chính phủ Trung quốc đã quyết định coi phát
điện gió là một trong các công nghệ năng lượng thay thế để cải thiện cơ cấu năng
lượng, nhằm đối phó với biến đổi khí hậu và các vấn đề an ninh năng lượng. Gần
5

đây ngành công nghiệp phong điện của Trung quốc đã có những bước phát triển đột
phá. Năm 2006 tổng công suất phát điện gió của Trung quốc đạt 2600MW, tuy
nhiên các thiết bị vẫn chủ yếu là nhập khẩu từ các Nước Châu Âu, Hoa kỳ và Ấn
độ. Tháng 11 năm 2007, Ủy ban phát triển và cải cách của Trung quốc đã đưa ra các
kế hoạch trung hạn và dài hạn để phát triển phát nguồn năng lượng gió, nhằm điều
chỉnh để đến năm 2010 công suất đạt được 5000MW, đến năm 2015 đạt được
15000MW và đến năm 2020 đạt được mục tiêu là 30000MW. Đồng thời sẽ sử dụng
các thiết kế của Trung quốc nhằm thúc đẩy công nghệ sản xuất và trình độ quản lý
tiếp cận với mặt bằng chung của quốc tế. Vì vậy từ năm 2007 ngành năng lượng gió
của trung quốc có quy mô bùng nổ và tăng trưởng mạnh mẽ. Đến năm 2010 tổng
công suất các nhà máy Phong điện của Trung quốc đạt 44733 MW, vượt xa so với
kế hoạch đề ra năm 2007 và trở thành nước đứng đầu thế giới sử dụng năng lượng
gió phát điện. Năm 2011 tổng công suất đã đạt đến 62364 MW, chiếm 26,2% tổng
công suất toàn thế giới.
Hoa kỳ là quốc gia đầu tiên trên thế giới coi trọng việc sử dụng năng lượng gió
để phát điện. Từ những năm 80 của thế kỷ trước đến nay công suất lắp đặt điện gió
của Mỹ gần như liên tục đứng đầu toàn thế giới. Đặc biệt từ những năm 90 đến nay
do áp lực của việc bảo vệ môi trường, vấn đề phát triển năng lượng tái tạo nói
chung và năng lượng gió nói riêng lại càng được coi trọng và đầu tư nghiêm túc.
Hiện nay có 29 bang ở Hoa kỳ đã đưa ra những tiêu chuẩn và chính sách khuyến
khích sử dụng năng lượng tái tạo. Năm 1992, trang trại gió lớn nhất thế giới được
xây dựng ở đèo Altamol, phía đông Sanfransisco, California có công suất đặt
73MW. Đến năm 1997 tổng dung lượng Phong điện trên toàn nước Mỹ đạt được
1800MW, nhưng do sự phát triển không ngừng với tốc độ cao của nước Đức, Hoa
kỳ đã bị nước Đức vượt qua và chấp nhận ở vị trí thứ 2 trên thế giới. Đến cuối năm
2002 tổng công suất lắp đặt lên đến 4674 MW, công suất này đủ đáp ứng cho hơn
130 triệu hộ gia đình. Năm 2006, Hoa kỳ lắp đặt hệ thống tuabin mới công suất
2454MW và tổng công suất đạt được 11603 MW, nhưng vẫn thấp hơn nước Đức là
20621MW và Tây ban nha là 11615MW, xếp thứ 3. Đến năm 2008, công suất điện
gió Mỹ đạt 25170 MW. Tính đến cuối năm 2010, tổng công suất lắp đặt của Hoa kỳ

6
đạt đến 40180MW đứng thứ 2 trên thế giới và dự đoán đến năm 2020, Hoa kỳ hy
vọng đạt đến 180.000W tăng gấp 4,5 lần; đến năm 2050, năng lượng gió sẽ chiếm
10% năng lượng toàn quốc. Công nghệ phát điện gió của Hoa Kỳ có cải tiến lớn,
chủ yếu là cải tiến về thiết kế của cánh quạt, sử dụng cảm biến, hệ thống điều khiển
tự động, giảm nhân lực ở các giai đoạn sản xuất. Chính phủ Hoa Kỳ đang thúc đẩy
mạnh mẽ ngành công nghiệp sản xuất tuabin gió, làm cho nó trở thành một nền tảng
quan trọng của nền công nghiệp năng lượng trong thế kỷ 21.
Đức là quốc gia có tốc độ phát triển Phong điện nhanh nhất thế giới. Năm 2004
công suất phát điện gió chiếm 5,3%, năm 2010 chiếm 14% tổng sản lượng điện toàn
nước Đức. Cuối năm 2010 tổng công suất phát điện gió của Đức là 27214 MW. Với
một kế hoạch dài hạn nước Đức dự kiến đến năm 2025 sản lượng điện gió chiếm
25% và sẽ đạt mức 50% vào năm 2050 trên tổng sản lượng điện toàn nước Đức.
Tây Ban Nha cũng là một quốc gia có tốc độ phát triển nhanh về năng lượng
gió. Năm 2008, sản lượng điện gió của Tây Ban Nha đạt được 16754 MW. Tính đến
cuối năm 2010 tổng công suất phát điện gió đạt 20676 MW, chiếm 10,5% tổng điện
toàn quốc gia.
Tại Châu Á, Ấn Độ cũng là một quốc gia có sản lượng phát điện gió phát triển,
đứng thứ 5 trong số 10 nước có sản lượng nhiều nhất thế giới. Những năm 90 của
thế kỷ 20, thị trường phát điện gió của Ấn Độ rất ảm đạm nhưng gần đây đã bắt đầu
hồi phục. Tính đến cuối năm 2003, tổng sản lượng phát điện gió là 2130 MW để trở
thành 1 trong 5 nước có sản lượng lớn nhất thế giới. Trong vài năm qua, chính phủ
Ấn Độ đã tích cực thúc đẩy sự phát triển của tuabin gió. Hiện tại, Ấn Độ có thể sản
xuất 70% linh kiện của tuabin, do vậy giảm thiểu chi phí sản xuất tuabin gió. Tính
đến cuối năm 2010 tổng sản lượng phát điện gió của Ấn Độ đạt được 13065MW,
chiếm 6,6 % tổng điện quốc gia.
Ngoài các nước trên thì Ý, Pháp, Anh và Canada cũng là các quốc gia có tốc độ
phát triển năng lượng gió nhanh. Đan Mạch là một quốc gia sớm quan tâm đến sử
dụng năng lượng gió để phát điện và cũng có tốc độ phát triển nhanh. Đặc biệt Đan
Mạch rất chú trọng đến lĩnh vực sản xuất tuabin gió, năm 1978 Nước này đã thành

lập trạm thí nghiệm phát điện gió để thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất tuabin và
7
phát điện gió. Chính phủ Đan Mạch có kế hoạch dài hạn tới năm 2030 sản lượng
phát điện gió đáp ứng được 40% nhu cầu điện của quốc gia.
Hình 1. 1 Biểu đồ dung lượng điện gió trên thế giới từ năm 1996 đến năm 2010
1.3 Hiện trạng và tiềm năng sử dụng năng lượng gió để phát điện ở Việt Nam
1.3.1 Nhu cầu năng lượng ở Việt Nam
Trong những năm gần đây, tốc độ tăng trưởng kinh tế của Việt Nam tương đối
cao, chỉ đứng sau Trung Quốc ở khu vực Châu Á. Cùng với nó, tốc độ tăng trưởng
của ngành năng lượng nói chung và ngành điện nói riêng cũng rất cao. Theo dự báo
của Tổng công ty điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình là
7,1% năm thì nhu cầu điện của Việt Nam vào năm 2020 khoảng 200.000GWh và
vào năm 2030 là 327.000GWh. Trong khi đó, cũng theo Tổng công ty dự tính thì
ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện của
chúng ta chỉ đạt 165.000GWh vào năm 2020 và 208.000 GWh vào năm 2030. Điều
này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu
hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm
[5]
. Để khắc phục điều này, chúng ta cần phải có
chính sách phát triển điện phù hợp. Trong ngắn hạn, việc tiết kiệm điện và tăng giá
điện được xem là biện pháp hữu hiệu. Tăng giá điện sẽ tăng tích lũy để tái đầu tư
vào ngành điện. Còn trong trung và dài hạn, ngoài việc mở rộng khai thác những
nguồn năng lượng truyền thống như Nhiệt điện, Thủy điện thì cần phải quan tâm
8
phát triển các nguồn năng lượng khác như điện Hạt nhân và các nguồn năng lượng
sạch mà Việt Nam có ưu thế như năng lượng mặt trời, năng lượng gió.
1.3.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam
[1,6,7]
Việt Nam là một nước nhiệt đới gió mùa, với bờ biển dài trên 3000km, rất thuận
lợi để phát triển Phong điện. Theo Tiến sỹ Tạ Văn Đa

[6]
, trên hải đảo, các vị trí sát
biển và trên các núi cao thì tiềm năng năng lượng gió là tương đối lớn, tổng năng
lượng gió/năm đều lớn hơn 500kWh/m2. Tuy nhiên, trên phần lớn lãnh thổ (độ cao
10m) thì tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam không cao, tổng năng lượng gió
cả năm chỉ đạt khoảng 200 kWh/m2. Nhưng tại các độ cao 20, 40, 60m thì tiềm
năng năng lượng gió tăng mạnh từ 1,6 đến 6,6 lần.
Theo kết quả điều tra, đánh giá của Ngân hàng thế giới về tiềm năng năng
lượng gió ở bốn nước Đông Nam Á là Thái Lan, Lào, Campuchia và Việt Nam thì
Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất, tổng công suất ước đạt 513.360
MW. Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá là tốt và rất tốt (7,9%
tốt và 0,7% là rất tốt) để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn, tập trung. Nếu xét theo
tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở
những khu vực khó khăn thì Việt Nam có điều kiện thuận lợi hơn các nước trong
khu vực. Theo đánh giá của Ngân hàng thế giới
[7]
, Việt Nam có 41% diện tích nông
thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ, ở Campuchia là 6%, Lào là 13% và Thái
Lan là 9%.
1.3.3 Thuận lợi và khó khăn khi phát triển điện gió ở Việt Nam
[1,8]
Thuận lợi lớn nhất của Việt Nam khi phát triển điện gió chính là do Việt Nam
có tiềm năng năng lượng gió tương đối lớn. Một số vùng rất thuận lợi để xây dựng
các trạm điện gió lớn là Bình Thuận và Ninh Thuận, khu vực Tây Nguyên, dãy Núi
Hoàng Liên Sơn. Các vùng này không những có tốc độ gió trung bình lớn mà còn
có số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định. Theo kết quả điều tra
của Bùi Hồng Long và Tống Phước Hoàng Sơn
[8]
, ở những tháng có gió mùa, hai
vùng Ninh Thuận và Bình Thuận có tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với

vận tốc trung bình 6- 7m/s, tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công
suất 3-3,5MW. Ngoài ra, các vùng đảo ngoài khơi như Bạch Long Vĩ, đảo Phú Qúy,
9
Trường Sa là những địa điểm gió có vận tốc trung bình cao, tiềm năng năng lượng
gió tốt, có thể xây dựng các trạm phát điện gió công suất lớn để cung cấp năng
lượng điện cho dân cư trên đảo. Bên cạnh thuận lợi này, Việt Nam là nước phát
triển sau về điện gió nên có thể học hỏi được các kinh nghiệm của những nước đi
trước rất thành công trong việc sử dụng năng lượng gió để phát điện như Mỹ, Đức,
Trung Quốc và còn được tiếp cận với những công nghệ mới, hiện đại nhằm giảm
giá thành đầu tư cũng như nâng cao được chất lượng điện năng. Mặc dù có nhiều
thuận lợi nhưng khi phát triển điện gió, chúng ta vẫn cần phải lưu ý đến một số hạn
chế và khó khăn để có thể phát triển nó một cách hiệu quả nhất. Nhược điểm lớn
nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào thời tiết và chế độ gió. Thứ hai là các
trạm điện gió gây tiếng ồn khi vận hành cũng như phá vỡ cảnh quan tự nhiên và có
thể ảnh hưởng đến tín hiệu vô tuyến điện. Để khắc phục nhược điểm này, khi thiết
kế, xây dựng các trạm Phong điện cần nghiên cứu kỹ địa hình và chế độ gió, lựa
chọn thiết bị hiện đại, địa điểm đặt các trạm điện cần có khoảng cách hợp lý với khu
dân cư, khu du lịch để hạn chế tối đa những tác động tiêu cực mà nó mang tới.
Ngoài ra, việc phát triển Phong điện ở Việt Nam còn gặp một số khó khăn khác nữa
như chúng ta chưa có hệ thống chính sách đủ mạnh để khuyến khích phát triển năng
lượng mới nói chung và năng lượng gió nói riêng; việc đánh giá tiềm năng năng
lượng mới nói chung và năng lượng gió nói riêng còn ít, tản mạn chưa tập trung và
đầy đủ; kinh phí đầu tư ban đầu để xây dựng các trạm phong điện là tương đối lớn.
Để giải quyết vấn đề này Chính phủ cần có chính sách phù hợp như xây dựng chính
sách pháp luật cụ thể, chính sách hỗ trợ về tài chính để khuyến khích mạnh mẽ
việc phát triển năng lượng mới, trong đó bao gồm cả năng lượng gió.
1.4 Nghiên cứu hiện trạng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió
[4,9-12]
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái sinh xanh sạch, nên được rất nhiều
quốc gia trên thế giới coi trọng đầu tư phát triển và cũng là nguồn năng lượng có tốc

độ phát triển nhanh trong số các nguồn năng lượng tái sinh. Hiện nay trong hệ thống
phát điện gió thì máy phát điện thường được sử dụng là: máy phát điện không đồng
bộ, máy phát điện cảm ứng kích từ kép và máy phát điện đồng bộ. Trong đó máy
phát điện không đồng bộ được chia thành máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng
10
sóc và máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn, còn máy phát điện đồng bộ
được chia thành máy phát điện đồng bộ tự kích và máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu.
1.4.1 Máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng sóc
Máy phát điện không đồng bộ lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator,
gọi tắt là SCIG) là một dạng máy phát điện cảm ứng, do có kết cấu đơn giản, chắc
chắn nên được sử dụng rộng rãi trong các trang trại gió. Trong máy phát điện không
đồng bộ lồng sóc thì cuộn dây startor có kết cấu đối xứng còn dây quân rotor có
dạng lồng sóc. Trong hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG thì giữa máy
phát và tuabin gió có hộp tăng tốc nhiều cấp để điều chỉnh tốc độ rotor theo tốc độ
gió, còn stator của tua bin gió được kết nối trực tiếp với lưới điện. Do hệ thống
phong điện sử dụng máy phát SCIG chỉ vận hành được trong vùng rất hẹp có tốc độ
lân cận với tốc độ đồng bộ, do đó hệ thống phong điện loại hình này được gọi là hệ
thống phong điện có tốc độ không đổi.
Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG
Hình 1.2 thể hiện kết cấu của hệ thống phong điện có tần số và tốc độ không đổi
sử dụng máy phát SCIG. Khi tốc độ quay của động cơ được truyền động bởi tuabin
gió có tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ thì mô men điện từ có hướng ngược lại với mô
men quay, máy phát sẽ phát điện, biến cơ năng thành điện năng. Khi máy điện dị bộ
phát ra một lượng công suất tác dụng thì đồng thời nó cũng tiêu thụ một lượng công
suất phản kháng tương ứng từ lưới điện. Vì vậy cần phải lắp đặt thiết bị bù công
suất phản kháng song song với máy phát nhằm giảm công suất phản kháng và từ đó
giảm tổn hao trên đường dây. Khi hệ thống phong điện này hoạt động độc lập
11
(không hòa lưới điện) thì cần phải đảm bảo được yêu cầu tự kích của hệ thống máy

phát. Trong những năm gần đây, nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống phong điện
khi tốc độ gió thấp người ta thường sử dụng máy phát điện không đồng bộ ba pha
hai cấp tốc độ, tương ứng với chế độ 4 cực và 6 cực (như máy phát điện NEG
MICON 750kW có công suât 750kW/1 tổ máy).
SCIG có những ưu điểm là có cấu trúc đơn giản, chắc chắn và về cơ bản là
không cần bảo trì, giá thành thấp, độ tin cậy cao, thích hợp với quy mô sản xuất lớn,
dễ kết nối với lưới điện v.v nên được sử dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên hệ thống
phong điện sử dụng máy phát SCIG cũng có một số nhược điểm điểm như:
1) Tốc độ quay của động cơ không điều chỉnh được và có giá trị gần như không
đổi, nó chỉ có thể thay đổi lớn hơn tốc độ đồng bộ trong một phạm vi rất hẹp, nên
hiệu quả sử dụng năng lượng gió thấp;
2) Phải cần sử dụng hộp số tăng tốc nhiều cấp, trong khi đó hộp số tăng tốc có
giá thành cao, độ tin cậy thấp và phải thường xuyên bảo dưỡng;
3) Khi vận hành thì tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện. Khi máy điện dị
bộ vận hành ở chế độ máy phát thì dòng kích thích cũng được cung cấp từ phía
stator của máy phát, điều này làm cho máy phát điện dị bộ không thể tham gia và
tiến hành điều khiển được điện áp của lưới điện. Trong hầu hết các trường hợp, đều
cần phải mắc tụ điện song song với máy phát để bù công suất phản kháng.
1.4.2 Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn
Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn (Wound Rotor Induction
Generator, gọi tắt là WRIG) có thể thông qua các thiết bị điện tử công suất để điều
chỉnh điện trở mạch rotor trong khoảng từ giá trị nhỏ nhất (điện trở cuộn dây rotor)
đến giá trị lớn nhất (điện trở cuộn dây rotor mắc nối tiếp với điện trở bên ngoài),
điều này đồng nghĩa với việc chúng ta có thể vận hành ổn định máy phát không
đồng bộ rotor dây quấn ở chế độ máy phát với độ trượt s trong khoảng 0,6% ~10%.
Như vậy, mặc dù WRIG không thể hoàn toàn vận hành thực hiện quá trình biến tốc,
nhưng tốc độ của nó cũng có thể được điều chỉnh trong một phạm vi nhất định. Kết
cấu của hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG được thể hiện như hình
1.3.
12

Hình 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG
So với máy phát SCIG thì máy phát WRIG có ưu điểm hơn là có thể điều chỉnh
được tốc độ máy phát trong một phạm vi nhỏ, tuy nhiên vì chỉ có thể điều chỉnh
được tốc độ trong phạm vi hẹp nên trong hệ thống phát điện gió vẫn cần có hộp số
điều chỉnh tăng tốc, đồng thời vẫn cần phải lắp đặt thêm bộ tụ điện để bù công suất
phản kháng cũng như bổ sung thêm bộ khởi động mềm trong hệ thống v.v
1.4.3 Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép
Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép (Doubly Fed Induction Generator, gọi
tắt là DFIG) được nghiên cứu sử dụng vào năm 1990 trong hệ thống phong điện có tốc
độ thay đổi. Đến nay thì đây là loại máy chính được sử dụng trong hệ thống phát điện
gió công suất lớn, cỡ mêgawoát (MW). Kết cấu của nó tương tự như máy phát không
đồng bộ kiểu dây quấn, cuộn dây stator của máy phát không đồng bộ được kết nối trực
tiếp với lưới điện, còn dòng điện kích từ 3 pha tần số thấp cung cấp cho cuộn dây rotor
được lấy từ bộ biến dòng có thể điều chỉnh được cả tần số và điện áp (bộ biến dòng hai
hướng), sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống được thể hiện trên hình 1.4.
Hình 1. 4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG
Nếu so với máy phát điện gió dùng máy phát không đồng bộ kiểu dây quấn có
13
bộ điều chỉnh điện trở mạch rotor để thực hiện việc điều chỉnh hạn chế tốc độ quay
máy phát thì hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG không bị tiêu tốn năng
lượng do tổn hao trên mạch điện trở phụ, mà nó thông qua bộ biến dòng điện tử
công suất để đưa dòng điện rotor lên lưới. Trong thực tế, máy phát DFIG có phạm
vi điều chỉnh tốc độ tương đối sai khác tốc độ đồng bộ khoảng 30%. Điều đặc biệt
nữa là máy phát này vẫn có thể vận hành ở chế độ máy phát khi tốc độ quay của
rotor thấp hơn tốc độ đồng bộ (vận hành ở chế độ dưới đồng bộ). Ở máy phát này,
khi phát điện thì cuộn dây stato liên tục phát công suất lên lưới trong quá trình vận
hành, còn dòng công suất của cuộn dây rotor lại có chiều được quyết định bởi hệ số
trượt của máy phát có dấu dương hay âm.
Ưu điểm chính của máy phát DFIG: là máy phát điện có tần số không đổi khi
tốc độ thay đổi; hệ số công suất có thể điều chỉnh được; đồng thời có thể điều chỉnh

được cường độ dòng điện của rotor cũng như kiểm soát được công suất phát khác
công suất định mức khoảng 30%; giảm được chi phí cũng như mức độ khó khăn khi
phải lựa chọn bộ biến tần có công suất lớn khi sử dụng máy phát có toàn bộ công
suất đi qua bộ biến tần (máy phát DFIG chỉ có một phần công suất của máy phát đi
qua bộ biến tần). Trong thực tế do dòng kích từ của rotor máy phát DFIG sử dụng
dòng xoay chiều có tần số, biên độ, góc pha có thể điều chỉnh được nên việc liên kết
giữa máy phát với hệ thống điện lực rất dễ dàng và còn được gọi là “ kết nối linh
hoạt”.
Bên cạnh những ưu điểm kể trên thì máy phát DFIG cũng còn tồn tại một số
nhược điểm như: thiết kế chế tạo và điều khiển khi vận hành máy phát phức tạp,
phạm vi thay đổi tốc độ vẫn hẹp; khi tốc độ thấp thì công suất phát cũng thấp và vẫn
cần phải sử dụng bộ hộp số tăng tốc.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều công ty sản xuất thiết bị phong điện như
Vestas, Gamesa, Repower, Dewind,…. đã chế tạo hệ thống phát điện gió sử dụng
máy phát DFIG. Ví dụ như công ty Repower đã chế tạo và đưa ra thị trường tổ máy
phát điện gió đơn sử dụng máy phát DFIG có công suất tới 5MW; công ty Dewind
của nước Đức đã đưa ra tổ máy loại D6 (công suất định mức 1250kW, khởi động và
làm việc với vận tốc gió 2,5m/s, 13m/s, 28m/s) có thể coi là sản phẩm điển hình của
14
loại sản phẩm này.
1.4.4 Máy phát điện đồng bộ tự kích
Trong hệ thống phát điện gió hiện nay thì máy phát điện đồng bộ được sử dụng
rất rộng rãi, trong đó chủ yếu là sử dụng máy phát điện đồng bộ 3 pha và đầu ra của
hệ thống được kết nối với lưới điện phân phối. Máy phát điện đồng bộ có thể vận
hành khi tuabin gió thay đổi tốc độ, công suất phát của nó có tần số thay đổi còn
điện áp phát của nó được kiểm soát bằng cách điều chỉnh dòng điện kích thích của
máy phát. Dòng điện xoay chiều ở đầu ra máy phát có tần số thay đổi sẽ được đưa
tới bộ chỉnh lưu để đưa về dòng một chiều, sau đó dòng một chiều sau chỉnh lưu lại
được đưa tới bộ nghịch lưu để chuyển thành dòng xoay chiều có tần số đã được điều
chỉnh theo yêu cầu trước khi được đưa lên lưới điện phân phối. Máy phát điện đồng

bộ có 2 loại là máy phát điện đồng bộ tự kích và máy phát điện đồng bộ từ trường
vĩnh cửu. Máy phát điện đồng bộ tự kích (Electrically Excited Sychrous Generator,
gọi tắt là EESG) có kết cấu stator tương tự như những máy phát điện cảm ứng, trên
bề mặt được trang bị cuộn dây 3 pha, còn trên rotor đặt cuộn dây kích thích nhằm tự
kích cho máy phát. Máy phát này có kết cấu tương đối phức tạp. Trong hệ thống
phát điện gió sử dụng máy phát EESG thì phần quay của máy phát được nối trực
tiếp với tuabin gió mà không cần phải nối qua bộ hộp số tăng tốc khi vận hành. Sơ
đồ nguyên lý của hệ thống được thể hiện trên hình 1.5.
Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát EESG
Ưu điểm của máy phát EESG là có thể vận hành với tốc độ thay đổi trong phạm
vi rộng bằng cách điều chỉnh dòng kích thích của máy phát. Khi hoạt động có thể
cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện hoặc cho phụ tải. Nếu so sánh với
15
máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu, thì máy phát EESG không cần vật liệu
từ để làm nam châm vĩnh cửu. Hiện nay loại máy này được coi là sản phẩm chủ đạo
được chú trọng phát triển trong hệ thống phát điện gió có truyền động trực tiếp
không cần hộp số tăng tốc, nổi bật cho dòng sản phẩm này là máy phát do công ty
Enercon chế tạo. Máy phát EESG có nhược điểm là: có cuộn dây kích thích được
đặt trên rotor của máy phát, hay nói cách khác nó cần phải có thiết bị tự kích và
thiết bị điều chỉnh dòng kích thích; kích thước và trọng lượng máy phát lớn; cấu
trúc máy phát và hệ thống điều khiển của nó phức tạp, giá thành cao.
1.4.5 Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu
Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronuos
Generator, gọi tăt là PMSG) có cấu trúc của stator máy phát tương tự với máy
phát điện đồng bộ bình thường khác, còn rotor của nó là nam châm cơ cấu vĩnh
cửu. Do không có cuộn dây kích thích, nên không có tổn hao do đó nó có hiệu
suất cao. Nếu so sánh máy phát PMSG với máy phát EESG thì máy phát PMSG
ưu điểm là: có hiệu suất cao hơn; không có tổn hao trên cuộn dây kích thích,
mức độ phát nóng thấp hơn, trọng lượng nhẹ hơn; đặc biệt là không có hệ thống
chổi than – vành trượt nên làm việc tin cậy hơn. Nhưng máy phát PMSG có

nhược điểm là vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu có giá thành cao, khó khăn
trong gia công cơ khí và đặc biệt là vật liệu nam châm vĩnh cửu khá nhạy cảm,
dễ bị khử từ với nhiệt độ cao. Trong những năm gần đây do tính năng và giá
thành vật liệu từ của nam châm vĩnh cửu đã được cải thiện nhiều nên việc nghiên
cứu ứng dụng máy phát PMSG trong hệ thống phát điện gió ngày càng được chú
trọng. Hai công ty là Harakosan và Mitsubishi đã sản xuất thành công máy phát
điện PMSG công suất 2MW ứng dụng trong hệ thống phát điện gió. Sơ đồ
nguyên lý hệ thống phát điện gió dùng máy phát PMSG được thể hiện trên hình
1.6.
16
Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát PMSG
Từ những phân tích trên ở trên có thể nhận thấy hệ thống phát điện gió hiện nay
vẫn còn tồn tại không ít vấn đề cần được tập trung nghiên cứu, trong đó vấn đề quan
trọng nhất phải kể đến là nghiên cứu phát triển hệ thống phát điện gió vận hành tốt
khi tốc độ của các tuabin gió thay đổi. Máy phát điện kiểu đóng cắt từ kháng với ưu
điểm là có thể khởi động khi tốc độ gió thấp, vận hành với phạm vi thay đổi tốc độ
gió lớn (thuộc loại máy phát điện gió có tần số không đổi, tốc độ thay đổi) nên rất
phù hợp với xu hướng phát triển của công nghệ phát điện sử dụng năng lượng gió
trong tương lai. Hiện nay việc ứng dụng máy phát SRG trong hệ thống phong điện
mới ở trong giai đoạn đầu nên còn rất nhiều vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu.
Xuất phát từ những phân tích ở trên tác giả lựa chọn “Nghiên cứu điều khiển điện
áp máy phát điện kiểu đóng cắt từ kháng sử dụng năng lượng gió dựa trên điều
khiển mờ” làm nội dung nghiên cứu của đề tài.
17
Chương 2: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ KẾT CẤU CỦA HỆ
THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT SRG
2.1 Tổng quan về máy điện kiểu đóng cắt từ kháng
[4,13-17]
Máy điện kiểu đóng cắt từ kháng thường gọi là máy điện từ kháng là một trong
những máy điện đầu tiên trên thế giới, nhưng máy điện từ kháng vẫn chưa được chú

trọng phát triển do nó có một số nhược điểm mang tính chất tiền định có từ chính
nguyên lý cấu tạo của nó: mô men có nhiều thành phần bậc cao (mô mem lắc) nên
gây ra nhiều tiếng ồn hơn so với các loại máy điện thông thường khác; hiệu suất và
hệ số cosφ của máy thấp.
Trong những năm gần đây, do công nghệ bán dẫn phát triển mạnh và thu được
nhiều thành quả đã khắc phục được hạn chế của máy điện từ kháng nên loại máy
này ngày càng được quan tâm nghiên cứu ứng dụng. Máy điện từ kháng có đặc
điểm nổi bật là: hoạt động trong trạng thái đóng cắt liên tục, đây cũng chính là lý do
chủ yếu giải thích tại sao loại máy này chỉ được quan tâm phát triển khi ngành vật
liệu bán dẫn phát triển đạt được những thành công vượt bậc; máy điện từ kháng còn
được biết đến với đặc điểm là máy điện có cực ở cả hai phía, cụ thể là khi nó làm
việc thì cả stato và rotor đều có sự thay đổi từ kháng.
Khái niệm máy điện từ kháng đã có từ rất lâu, nhưng hiện nay máy này khi phát
triển lại thường được biết đến với cái tên mới, đó là động cơ bước. Nói một cách
khác động cơ từ kháng là một dạng động cơ bước đã và đang có rất nhiều ứng dụng
trong cả lĩnh vực ứng dụng động cơ bước chuyển động quay và động cơ bước tuyến
tính. Ý tưởng sử dụng mô hình máy điện từ kháng trong chế độ liên tục (không phải
là chế độ “bước” kinh điển) với bộ điều khiển sử dụng linh kiện công suất bán dẫn
đã được Kosh và Lawrenson khởi xướng vào những năm 60 của thế kỷ 20. Vào thời
kỳ này chỉ có thể sử dụng những mạch công suất thyristor để điều khiển máy điện
từ kháng. Ngày nay cùng với sự ra đời của các loại linh kiện bán dẫn như GTO,
IGBT, MOSFET đã được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển công suất lớn cho
máy điện từ kháng, chính điều này đang làm cho máy điện từ kháng ngày càng được
18