Ứng dụng phần mềm matlabsimulink mô phỏng hệ phát điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN
------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MƠ
PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT
ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Hà Nội - 2021


HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN
------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MƠ
PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT
ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Sinh viên thực hiện
Mã sinh viên
Lớp
Bộ môn
Chuyên ngành
Người hướng dẫn

: PHAN THÀNH LỘC

: 597873
: K59 – HTĐB
: HỆ THỐNG ĐIỆN
: HỆ THỐNG ĐIỆN
: ThS. ĐÀO XUÂN TIẾN

Hà Nội - 2021


LỜI CÁM ƠN
Năng lượng tái tạo, năng lượng xanh đang được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong và ngoài nước. Những tác động của con người vào thiên nhiên
làm thiên nhiên biến đổi. Thực hiện mục tiêu đó ngành năng lượng cũng đang
tìm cho mình những bước tiến phát triển mới. Do đó em khảo nghiệm và nghiên
cứu đề tài về sử dụng năng lượng gió. Trong q trình nghiên cứu đề tài, em đã
thu nhận và học tập được rất nhiều kinh nghiệm quý báu.
Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ths. Đào Xuân Tiến,
người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho em những ý kiến, đóng góp quý
báu để em có thể hồn thành đồ án. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy,
Cô khoa Cơ Điện đã trang bị cho em một khối lượng kiến thức rất bổ ích và q
báu trong q trình học tập và nghiên cứu. Những kiến thức đó đã tạo nền tảng
vững chắc giúp em hoàn thành tốt đồ án.
Tuy em đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót cần
được điều chỉnh và bổ sung. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các quý
Thầy Cơ để tri thức của em được hồn thiện hơn khi ra trường.
Hà Nội, ngày tháng năm 202
Sinh viên thực hiện

i

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ....................................................................................................... 0
MỤC LỤC ............................................................................................................. ii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. v
CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN .............................................................. viii
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ .................................. 5
1.1. Sự hình thành gió ........................................................................................... 5
1.2. Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện .......................................................... 7
1.3. Lợi ích của năng lượng gió mang lại ............................................................. 9
1.4. Tình hình sử dụng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới ....... 11
1.5. Tình hình sử dụng điện gió ở Việt Nam....................................................... 13
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ ............... 15
2.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió ................................................. 15
2.2. Khí động học gió .......................................................................................... 16
2.3. Các loại cấu trúc của turbine gió .................................................................. 17
2.4. Các bộ phận của turbine gió ......................................................................... 18
2.4.1. Cánh quạt................................................................................................... 18
2.4.2. Bộ truyền động .......................................................................................... 23
2.4.3. Máy phát .................................................................................................... 26
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT
ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHẦN MỀM
MATLAB/SIMULINK...................................................................................... 32
3.1. Mơ hình hóa các phần tử của hệ phát điện gió............................................. 32
3.2. Giới thiệu về Matlab/Simulink ..................................................................... 35
3.2.1. Khái quát về Matlab .................................................................................. 35

ii

CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MƠ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIĨ VỚI MÁY
PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ..................................... 39
4.1. Mô phỏng hệ thống trong Matlab/Simulink ................................................. 39
4.2. Thiết lập mơ phỏng hệ thống phát điện gió ................................................. 42
4.3. Mơ hình chi tiết ............................................................................................ 44
4.3.1. Khối Tuabin gió ........................................................................................ 44
4.3.2. Khối máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .................................... 47
4.3.3. Khối chỉnh lưu ........................................................................................... 48
4.3.4. Khối P&O MPPT ...................................................................................... 48
4.3.5. Mơ hình mơ phỏng hệ phát điện gió sử dụng MPPT ................................ 50
4.4. Kết quả mơ phỏng ........................................................................................ 50
4.4.1. Hệ mô phỏng khi không sử dụng MPPT................................................... 51
4.4.2. Hệ mô phỏng khi sử dụng MPPT .............................................................. 56
4.4.3. Hệ mô phỏng thay đổi tải khi sử dụng MPPT........................................... 61
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA
TUABIN PHÁT ĐIỆN GIÓ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU............ 64
5.1. THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM .................................................. 64
5.1.1. Mơ hình thực nghiệm ................................................................................ 64
5.1.2. Phương pháp thu thập số liệu .................................................................... 66
5.1.3. Kết quả nhận được .................................................................................... 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 70

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới năm

2005 [10] .......................................................................................................... 12
Bảng 4.1 Các Block thường dùng để mô phỏng trong đồ án .............................. 39
Bảng 5.1 Các thiết bị sử dụng trong mơ hình .................................................... 64
Bảng 5.2 Bảng số liệu thu thập ngồi mơi trường khi mơ hình hoạt động ......... 67

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Sự hình thành gió trong khí quyển ......................................................... 6
Hình 1.2 Turbine gió đầu tiên 12 KW................................................................... 7
Hình 1.3 Turbine đầu tiên ngồi nước Mỹ ............................................................ 8
Hình 1.4 Cánh đồng phát điện gió ở Bình Thuận ................................................. 9
Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió ......................................... 15
Hình 2.2 turbine trục ngang (trái), turbine trục dọc (phải) ................................. 17
Hình 2.3 Turbine ngược chiều gió (trái) và turbine thuận chiều gió (phải)........ 18
Hình 2.4 Lực nâng và lực kéo tác động vào cánh quạt ....................................... 19
Hình 2.5 Mơ hình BEM- blade element method. ................................................ 19
Hình 2.6 Actuator model ..................................................................................... 20
Hình 2.7 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt. ...................................................... 21
Hình 2.8 Cp của các loại cánh quạt khác nhau của turbine gió. ......................... 23
Hình 2.9 Cấu tạo của hộp số (Gearbox) .............................................................. 25
Hình 2.10 Sơ đồ khối minh họa cho hệ thống truyền động trực tiếp; cánh quạt
được nối trực tiếp vào rotor máy phát; có bộ biến đối dùng linh kiện bán dẫn để
tương thích tần số phát và tải. ............................................................................. 25
Hình 2.11 – Hệ thống điện gió sử dụng động cơ lồng sóc tốc độ khơng đổi kết
hợp với bộ khởi động mềm. ................................................................................ 27
Hình 2.12 - Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ, được trang bị bộ biến đổi điện
áp AC/DC/AC. .................................................................................................... 27
Hình 2.13 - Máy phát dây quấn đồng bộ ứng dụng trong turbine gió. ............... 28

Hình 2.14 - Turbine gió sử dụng máy phát dây quấn khơng đồng bộ. ............... 29
Hình 2.15 - Sơ đồ nguyên lý máy phát khơng đồng bộ nguồn kép. ................... 29
Hình 2.16 - Turbine gió sử dụng máy phát kích từ vĩnh cửu. ............................. 30
Hình 2.17 - Turbine gió dùng máy phát DC. ...................................................... 31
Hình 3.1 Mơ hình mạch điện tương trong hệ tọa độ dq của PMSG. .................. 34

v


Hình 3.2 Cơng ty MatWorks ............................................................................... 36
Hình 3.3 Phần mềm Matlab-Simulink ................................................................ 36
Hình 4.1 Khối Tuabin gió được mơ phỏng trong Matlab ................................... 44
Hình 4.2 Mơ hình của Tuabin đã được chú thích và mình họa........................... 44
Hình 4.3 Tốc độ của Tuabin(p.u) được cung cấp với tốc độ gió cơ bản tối đa là
12m/s .................................................................................................................. 46
Hình 4.4 Các thơng số của khối Turbine ............................................................ 46
Hình 4.5 Cấu hình của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .................. 47
Hình 4.6 Tham số của máy phát điện .................................................................. 47
Hình 4.7 Khối chỉnh lưu, thông số trong khối chỉnh lưu .................................... 48
Hình 4.8 Khối mơ phỏng MPPT ......................................................................... 48
Hình 4.9 Khối IO đặc trưng cho khối IO1 và IO2 trong hình 4.8 ...................... 49
Hình 4.11 Bộ chuyển đổi Boost Converter ........................................................ 49
Hình 4.12 Mơ hình mơ phỏng hệ thống Tuabin phát điện gió............................ 50
Hình 4.13 Hệ mơ phỏng khi khơng sử dụng MPPT và với tốc độ gió được thay
đổi ở 6m/s, 8m/s, 10m/s, 12m/s. Hệ được mô phỏng với R=2000(Ω) ............... 51
Hình 4.14 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát .... 51
Hình 4.15 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dịng điện(A) đầu ra của máy phát ......... 51
Hình 4.16 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ...................... 52
Hình 4.17 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 52
Hình 4.18 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dịng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 53

Hình 4.19 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ...................... 53
Hình 4.20 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 54
Hình 4.21 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dịng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 54
Hình 4.22 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ...................... 54
Hình 4.23 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 55
Hình 4.24 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dịng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 55
Hình 4.25 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ..................... 56
vi


Hình 4.26 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 56
Hình 4.27 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 57
Hình 4.28 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ..................... 57
Hình 4.29 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 58
Hình 4.30 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dịng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 58
Hình 4.31 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ..................... 58
Hình 4.32 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 59
Hình 4.33 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 59
Hình 4.34 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ..................... 60
Hình 4.35 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 60
Hình 4.36 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dịng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 61
Hình 4.37 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ..................... 61
Hình 4.38 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát... 62
Hình 4.39 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát ........ 62
Hình 4.40 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT ..................... 62
Hình 5.1 Sơ đồ thực nghiệm tuabin phát điện gió .............................................. 64
Hình 5.2 Đồng hồ vạn năng ZT – S1(bên trái), Đồng hồ vạn năng XL830(ở
giữa), Điện trở thực nghiệm(bên phải)................................................................ 65
Hình 5.3 Mơ hình thực nghiệm ........................................................................... 66
Hình 5.4 Tuabin lắp thực nghiệm........................................................................ 67

vii


CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐÒ ÁN
P&O

Perturb & observe

MPP

Maximum Power Point

MPPT

Maximum Power Point Tracker

PMG

Permanent Magnet Generator

PMSG

Permanet Magnet Synchronous Generator

WRSG

Wound Rotor Synchronous Generator

WRIG

Wound Rotor Induction Generator

SCIG

Squirrel Cage Induction Generator

DFIG

Doubly Fed Induction Generator

DCG

DC Generator

VRG

Variable Reluctance Generator

INCond

Incremental Conductance

FLC

Fuzzy logic controller

IEA

International Energy Agency

HAWT

Horizontal Axis Wind Turbine

VAWT

Vertical Axis Wind Turbine

BEM

blade element method

viii


MỞ ĐẦU
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Năng lượng là nhu cầu không thể thiếu đối với nhân loại, năng lượng được
sử dụng trong tất cả các lĩnh vực để phục vụ cuộc sống của con người từ sinh
hoạt, vui chơi giải trí, cơng nghiệp, nơng nghiệp, y học,… Trải qua những thời
đại khác nhau nguồn năng lượng chính được khai thác và sử dụng cũng khác
nhau; từ xa xưa khi chưa có nền cơng nghiệp, nhu cầu cuộc sống chỉ đơn giản là
các bữa ăn trong ngày thì nguồn năng lượng chính được sử dụng chỉ là thân cây
cối, củi khô,.. Thời gian dần trôi, kiến thức khoa học phát triển, nhu cầu của
nhân loại tăng lên thì các nguồn năng lượng chính được khai thác cũng thay đổi
như: than đá, dầu khí (gọi chung là năng lượng hóa thạch), năng lượng hạt
nhân,…, ra đời và được sử dụng phục vụ cho cuộc sống. Năng lượng cần thiết
đến mức con người luôn sử dụng cùng lúc tất cả các nguồn năng lượng có thể
khai thác và sử dụng được. Tuy nhiên, có những nguồn năng lượng bên cạnh

mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại thì cịn mang lại nhiều rủi ro nguy hiểm, ví
dụ , năng lượng hạt nhân chẳng hạn, cho đến nay nhân loại chưa có gì đảm bảo
100% an tồn khi sử dụng nguồn năng lượng này.
Trong thời đại cận đại và hiện đại, nguồn năng lượng hóa thạch đóng vai trị
chủ yếu với lý do dễ khai thác và sẵn có trong lớp vỏ quả đất. Tuy nhiên, nguồn
năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và khi sử dụng làm ảnh hưởng đến mơi
trường, gây nên hiệu ứng nhà kính. Ngành năng lượng xanh (hay còn được gọi
là năng lượng tái tạo) như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đã được hình
thành trong nhiều thập niên qua; viễn cảnh sẽ được phát triển và khai thác mạnh
mẽ để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch.
Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển điện gió. Cùng với sự phát triển của
cơng nghệ sản xuất nên việc lắp ráp rẻ hơn cũng như việc điều khiển các máy
phát điện gió được dễ dàng. Thực tế cho thấy, tình hình khai thác năng lượng
gió chưa xứng tầm với tiềm năng gió Việt Nam hiện có, và việc khai thác tốt
1


tiềm năng này để phục vụ cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết.
Hiện nay cùng với sự phát triển cơng nghiệp và sự hiện đại hố thì nhu cầu
năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước. Vấn đề đặt ra là
phát triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi
trường và cảnh quan thiên nhiên. Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than
đá, dầu mỏ, khí đốt… ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là
nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính. Để giảm thiểu những vấn đề trên ta cần
phải tìm nguồn năng lượng thay thế đó là năng lượng tái tạo, năng lượng sạch;
từ đó có thể giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình kinh tế, an ninh
chính trị quốc gia. Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề về năng lượng để
phát triển. Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử dụng năng lượng hiệu
quả nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng gió. [7 ]
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được

ưu tiên đầu tư và phát triển ở Việt Nam. Nhiều dự án cơng trình đã được khởi
cơng và xây dựng với quy mơ vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch
Long Vĩ có cơng suất khoảng 800KW, cơng trình phong điện Phương Mai III ở
tỉnh Bình Định đang được xây dựng…
Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng
cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng tới môi trường so với các nguồn
năng lượng khác là không đáng kể. Tổng năng lượng của các máy phát sức gió
được lắp đặt trên thế giới được gia tăng một cách ngoạn mục. Sự tham gia của
các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung cấp một lượng
công suất đáng kể bên cạnh các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện,
nguyên tử và thủy điện...
Tuabin gió được sử dụng trong hộ gia đình được phân bố rộng rãi trên thế
giới. Sự tương tác giữa hệ thống điện gió trong gia đình và trong lưới điện sẽ là
một khía cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống điện gió trong
tương lai. Đó là điều cần thiết để đảm bảo rằng lưới điện có khả năng làm việc
2


trong giới hạn của tần số và điện áp phù hợp cho các dự án kết hợp việc sản xuất
năng lượng điện từ gió và việc tiêu th điện của người tiêu dùng, đồng thời để
đảm bảo duy trì lưới điện hoạt động ổn định. Vì vậy khi điện gió hịa vào lưới
điện phải khơng làm chất lượng điện xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của
lưới điện, do đó cần có máy phát điện phù hợp. Trong tất cả các máy phát điện
có thể sử dụng được trong hệ thống điện gió thì máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu (PMSG) là máy phát có nhiều ưu điểm, có thể sử dụng trong
trường hợp này vì tính ổn định và an tồn của nó trong q trình hoạt động,
đồng thời khơng cần nguồn điện một chiều để kích từ.
Để hệ thống làm việc tại điểm có cơng suất cực đại ở các tốc độ gió khác
nhau, ta phải phát triển một hệ thống có khả năng sản sinh tối đa sản lượng điện
của tuabin gió ở mọi điều kiện hoạt động. Vậy nên em chọn sử dụng phương

pháp MPPT trong mô phỏng hệ thống để cải thiện quá trình hoạt động của hệ
thống
Với các lý do trên, em muốn nghiên cứu “ỨNG DỤNG PHẦN MỀM
MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY
PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ”
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ phát điện gió. Tất cả
các khối sẽ được phân tích và thành lập hệ phương trình động, mơ hình mơ
phỏng cho hệ phương trình động sẽ được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng
Simulink/Matlab. Các thông số trong bộ điều khiển sẽ được chọn lựa bằng lập
luận, bằng thống kê hoặc bằng phương pháp thử và sai để có được đặc tính ngõ
ra như mong muốn khi các thông số ngõ vào được thay đổi một cách ngẫu nhiên
trong phạm vi cho phép.
Phương pháp nghiên cứu:
- Từ việc tham khảo, nghiên cứu lý thuyết, với những kết quả đã nghiên
cứu và triển khai về hệ thống phát điện gió.
3


- Vận dụng kiến thức thông qua các môn học đã được dạy: Phần mềm ứng
dụng trong hệ thống điện. Tự động hóa trong q trình sản xuất, Quản lý vận
hành trong hệ thông điện,….
- Mô phỏng hệ phát điện gió, xây dựng mơ hình thực nghiệm.
III. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Với sự khát khao học hỏi và tìm hiểu về hệ thống phát điện gió, em chọn đề
tài “ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MƠ PHỎNG HỆ PHÁT
ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU” nhưng em hy vọng đồ án sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích cho những khóa
học sau. Riêng bản thân em cũng sẽ học hỏi được nhiều điều bổ ích cho bản
thân.

4


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ
1.1. Sự hình thành gió
Gió là những luồng khơng khí chuyển động trên phạm vi lớn. Trên bề mặt
của Trái đất, gió bao gồm một khối lớn khơng khí chuyển động. Trong khơng
gian vũ trụ , gió mặt trời là sự chuyển động của các chất khí hoặc các hạt tích
điện từ mặt trời vào khơng gian, trong khi gió hành tinh là sự thốt khí của
ngun tố hóa học nhẹ chuyển từ bầu khí quyển của một hành tinh vào khơng
gian. Gió thường được phân loại theo quy mô về không gian, tốc độ, lực tạo ra
gió, các khu vực gió xảy ra, và tác động của chúng. Những cơn gió mạnh nhất
được quan sát trên một hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta xảy ra trên sao
Hải Vương và sao Thổ. Gió có những khía cạnh khác nhau, một là vận tốc của
gió; hai là áp suất dịng khí; ba là tổng năng lượng của gió.
Trong khí tượng học, cơn gió thường được gọi theo sức mạnh của nó, và
hướng gió thổi. Sự tăng tốc đột ngột của gió được gọi là cơn gió mạnh. Sự tăng
tốc kéo dài (khoảng một phút) của các cơn gió mạnh được gọi là gió giật. Gió
với khoảng thời gian kéo dài hơn có những cái tên khác nhau kết hợp với tốc độ
trung bình của gió, chẳng hạn như gió nhẹ (breeze), gió mạnh (gale), bão
(storm), cơn bão (hurricane), và cơn bão lớn (typhoon). Gió xảy ra trên các
phạm vi khác nhau, từ cơn bão kéo dài hàng chục phút, cho đến gió địa phương
được hình thành do sự nung nóng của bề mặt đất liền kéo dài khoảng vài giờ,
cho đến gió toàn cầu do sự khác biệt trong sự hấp th năng lượng mặt trời giữa
các vùng khí hậu trên trái đất. Hai ngun nhân chính của gió hồn lưu khí
quyển quy mô lớn là sự khác biệt nhiệt độ giữa xích đạo và các cực, và vịng
quay của Trái đất (hiệu ứng Coriolis). Trong vùng nhiệt đới, hoàn lưu nhiệt thấp
trên địa hình bình ngun và cao ngun có thể tạo ra lưu thơng gió mùa. Tại

các khu vực ven biển các chu kỳ gió thổi từ biển vào đất liền và ngược lại có thể
được coi là gió địa phương; ở các khu vực có địa hình biến động, gió núi và gió
thung lũng là những gió địa phương. [7 ]
5


Cụ thể hơn, gió trên bề mặt trái đất được hình thành do sự chuyển động của
khơng khí từ nơi khí áp cao về nơi khí áp thấp. Xuất hiện điều này là do bức xạ
Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất khơng đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và
khơng khí nóng khơng đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất bị che khuất và
không nhận được bức xạ của Mặt Trời, thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các
vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và
vì thế là khác nhau về áp suất. Trái Đất xoay trịn cũng góp phần vào việc làm
xốy khơng khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do
quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các
dịng khơng khí theo mùa.

Hình 1.1 Sự hình thành gió trong khí quyển
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục
của Trái Đất nên khơng khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển
động thẳng mà tạo thành các cơn gió xốy có chiều xốy khác nhau giữa Bắc
bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu khơng khí di
chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng
áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.
Ngồi các yếu tố có tính tồn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại
từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất
6


nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ

biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu
ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
1.2. Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện
Từ xa xưa năng lượng gió đã được sử dụng để phục vụ cuộc sống và giao
thông đi lại: Thuyền buồm, khinh khí cầu, cối xay gió.Ý tưởng sử dụng năng
lượng gió để tạo ra điện được hình thành ngay khi phát minh ra điện và máy
phát điện. Năm 1888, Turbine gió đầu tiên dùng để phát điện được coi là của
Charles F. Brush, tại Cleveland, Ohio, turbine có cơng suất 12 kW được dùng để
nạp điện cho bình accquy trong tầng hầm của gia đình

Hình 2.2 Turbine gió đầu tiên 12 KW.
Tuabin gió đầu tiên bên ngồi nước Mỹ dùng để tạo ra điện được chế tạo bởi
Poul La Cour vào năm 1905 tại Đan Mạch; được dùng điện phân nước để chế
tạo hydro cho các đèn đốt khí ở trường học. [ 8 ]

7


Hình 1.3 Turbine đầu tiên ngồi nước Mỹ
Tại Mỹ - hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm
1890. Đến những năm 1930 và 1940, hàng trăm ngàn hệ thống được dùng trong
các khu nông thôn chưa có điện lưới. Nhưng sau đó, sự quan tâm về năng lượng
gió bị suy giảm khi lưới điện được mở rộng với nguồn điện tin cậy, rẻ tiền có thể
mua dễ dàng. Khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 tạo ra làn sóng quan
tâm đến năng lượng gió đến khi chính phủ Mỹ dừng chương trình hồn thuế. Từ
năm 1990, con người mới tập trung nghiên cứu phát triển năng lượng tái tạo, từ
đó điện gió cũng bắt đầu phát triển mạnh mẽ. Phát triển năng lượng gió được tài
trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào đường lối chính trị. Các nước đi tiên
phong trong lĩnh vực năng lượng gió có thể kể đến như Đức, Mỹ, Tây Ban Nha,
Ấn Độ, Trung Quốc, Đan Mạch,…. Ngày nay, năng lượng gió đã đi vào khai

thác mang tính thương mại (phổ biến) nên được áp dụng rộng rải ở nhiều nước
trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Tuy nhiên không phải tất cả đều ủng hộ nguồn năng lượng này. Họ chỉ trích
việc phá hoại phong cảnh tự nhiên, đồng thời chỉ ra rằng năng lượng gió thiếu
khả năng dự trữ, và tiêu tốn nhiều chi phí hơn cho việc mở rộng mạng lưới tải
điện cũng như cho năng lượng để điều khiển.

8


Hình 1.4 Cánh đồng phát điện gió ở Bình Thuận
1.3. Lợi ích của năng lượng gió mang lại
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo, nên ít gây ơ nhiễm mơi trường,
lượng khí thải CO2 giảm mạnh; năng lượng gió là vơ tận và dồi dào sẽ khơng bị
cạn kiệt như các nguồn năng lượng hóa thạch. Đặc biệt, Việt Nam nằm trong
vùng nhiệt đới gió mùa nên nguồn năng lượng gió càng thêm phong phú. Theo
kết quả khảo sát của Chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Việt
Nam có tiềm năng gió lớn nhất với tổng tiềm năng điện gió ước đạt 513.360
MW, lớn gấp 200 lần công suất của Nhà máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần
tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020. [8]
Về chi phí cho nguồn năng lượng tái tạo – năng lượng gió thì tùy thuộc vào
công nghiệp của từng nước, đối với các nước có ngành cơng nghiệp phát triển
thì chi phí sản xuất thấp. Đối với Việt Nam do phụ thuộc công nghệ, phần lớn
thiết bị và công nghệ đều nhập khẩu nên chi phí cho sản xuất năng lượng gió
tương đối cao. Ví dụ, đối với nhà máy điện gió Bạc Liêu: “Giá điện gió của Nhà
máy Điện gió Bạc Liêu đề nghị bán cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) lên
tới 12 Cents/kWh. Nếu được chấp thuận, chi phí này sẽ được cộng vào giá điện

9

chung và người tiêu dùng sẽ phải gánh thông qua việc chi trả tiền điện hàng
tháng” .
Các khoản chi phí để đầu tư một nhà máy điện gió, bao gồm:
Chi phí cho máy phát điện và các cánh đón gió chiếm phần chủ yếu. Có
nhiều hãng sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ thuật
rất khác nhau.
Chi phí cho bộ ổn áp và hịa mạng, tự động đưa dòng điện về điện áp và tần
suất với mạng điện quốc gia.
Chi phí cho accquy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ accu trở lại điện xoay
chiều. Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập.
Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ , trọng lượng thiết
bị và các điều kiện địa chất cơng trình. Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam
để giảm chi phí. Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này
hầu như khơng đáng kể.
Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm. Chi
phí này ở Việt Nam rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, đặc biệt nếu xây
dựng ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt.
Nhưng chi phí và cơng nghệ khơng phải là rào cản lớn nhất, vì nếu nhìn về
tương lai thì Việt nam đang có sự phát triển về công nghệ mạnh mẽ; chúng ta
lần lượt tiến lên làm chủ về công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt
là trong lĩnh vực xây dựng như giao thơng, cầu đường, đóng tàu, ... Vì thế, năng
lượng điện gió tiếp tục được ủng hộ và đầu tư tại Việt nam trong giai đoạn hiện
tại và hứa hẹn sẽ bùng nổ trong tương lai. Qua phân tích trên ta thấy được ưu và
nhược điểm của năng lượng tái tạo, trong đó ưu điểm có phần vượt trội để năng
lượng gió được ủng hộ tại Việt Nam. Ở Việt Nam, hoạt động khai thác tài
nguyên với quy mô lớn đã diễn ra từ khoảng giữa thế kỉ XIX - nửa đầu thế kỉ
XX.

10

1.4. Tình hình sử dụng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới
Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng có triển vọng và phát triển trong
thời gian gần đây. Có rất nhiều quốc gia đã phát triển với quy mô lớn như Đức,
Hà Lan, Mỹ, Anh... và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (International
Energy Agency: IEA) với 14 nước thành viên hợp tác nghiên cứu các kế hoạch
trao đổi thông tin kinh nghiệm về việc phát triển năng lượng điện gió. Các quốc
gia này là: Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan,
Đức, , Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh, Mỹ. Vào năm 1995 các nước
thành viên có khoảng 25.000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện và đang
vận hành tốt. Tổng công suất của các tuabin này là 3500 MW và hằng năm sản
xuất ra 6 triệu MWh. Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái
sinh phát triển nhanh nhất trên thế giới đặc biệt là ở châu Âu đang chiếm 70%
tổng công suất này.
Theo số liệu thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức
gió trên thế giới đang liên tục tăng: năm 1994 là 3.527,5 MW, năm 1995 là
4.770MW, năm 1996 là 6.000 MW, năm 1997 là 7.500 MW và hiện nay là hơn
10.000 MW... Sử dụng điện năng bằng sức gió, các nhà sản xuất và tiêu dùng
đều có thể an tâm về nguồn “tài ngun” này; hơn nữa phong điện gần như
khơng có tác hại đáng kể nào tới môi trường (theo số liệu năm 2005). [8] [9]
Qua khảo sát người ta nhận thấy năng lượng gió trên thế giới là rất lớn và
được phân bố tất cả các nước. Năng lượng điện có thể khai thác hằng năm là
53000 TWh và có thể cung cấp vượt quá nhu cầu điện thế giới vào năm 2020.
Theo khảo sát hằng năm của Viện năng lượng quốc tế thì nhu cầu tiêu thụ điện
thế giới vào năm 2020 là 25800 TWh trong đó năng lượng điện gió sẽ chiếm
12% tổng nguồn năng lượng. [10]

11

Bảng 1.1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới năm
2005 [10]
Số thứ
tự
1

Quốc gia

Công suất (MW)

Đức

16.628

2

Tây Ban Nha

8.263

3

Hoa Kỳ

6.752

4

Đan Mạch

3.118

5

Ấn Độ

2.983

6

Ý

1.265

7

Hà Lan

1.078

8

Nhật

940

9

Liên hiệp Anh và Bắc Ireland

897

10

Trung quốc

764

11

Áo

607

12

Bồ Đào Nha

523

13

Hy Lạp

466

14

Canada

444

15

Thụy Điển

442

16

Pháp

390

17

Úc

380

18

Ireland

353

19

New Zealand

170

20

Na Uy

160

21

Các nước cịn lại

951

Tổng cộng trên tồn thế giới

12

47.574


1.5. Tình hình sử dụng điện gió ở Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia nằm ở cực đông nam bán đảo Đông Dương khu
vực Đông Nam Á. Biên giới Việt Nam giáp với vịnh Thái Lan ở phía nam, vịnh
Bắc Bộ và biển Đơng ở phía đơng, Trung Quốc ở phía bắc, Lào và Campuchia
phía tây. Hình thể nước Việt Nam có hình chữ S, khoảng cách từ bắc tới nam
(theo đường chim bay) là 1.648 km với đường bờ biển kéo dài khoảng 3.260km.
Từ duyên hải miền trung đến nam trung bộ có nguồn gió biển dồi dào. Vùng
duyên hải miền Trung bị chia cắt bởi các dãy núi có độ cao từ 1000 - 1500 m

vùng đất này chủ yếu là trồng trọt và chăn nuôi nhưng có mật độ dân số khá
đơng trong khi đó các nhà máy thuỷ điện cũng như các nhà máy nhiệt điện lại rất
ít nên thường bị thiếu điện nhất là vào mùa khô.
Tuy lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới nhưng khí hậu Việt
Nam phân bố thành 3 vùng khí hậu riêng biệt theo phân loại khí hậu Kưppen
(cách phân loại khí hậu) với miền Bắc và Bắc Trung Bộ là khí hậu cận nhiệt đới
ẩm, miền Trung và Nam Trung bộ là khí hậu nhiệt đới gió mùa, miền cực Nam
Trung Bộ và Nam Bộ mang đặc điểm nhiệt đới xavan. Đồng thời, do nằm ở rìa
phía Đơng Nam của phần châu Á lục địa, giáp với biển Đơng (một phần của
Thái Bình 16 Dương), nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của kiểu khí hậu gió mùa
mậu dịch, thường thổi ở các vùng vĩ độ thấp.
Vùng duyên hải miền trung của Việt Nam có tốc độ gió hằng năm là 8 10m/s người ta khảo sát tốc độ gió ở độ cao 65 m và 30 m.
Tốc độ gió và cơng suất điện ở độ cao 65m: Các dãy núi ở miền Trung và
miền Nam Việt Nam nằm ở vị trí đặc biệt, chúng tạo thành những rào chắn liên
tiếp đón nhận gió mùa loại gió này đến từ hướng Đông Bắc từ tháng 10 đến
tháng 5 và thổi từ hướng Tây Nam từ tháng 6 tới tháng 9. Dọc theo miền Trung
Việt Nam có lượng gió rất tốt và tốc độ gió tương đối mạnh và lượng gió nhiều.
Tốc độ gió ở độ cao 30 m: ở độ cao này chỉ thích hợp cho loại tuabin có
13


cơng suất nhỏ, thích hợp những nơi có tốc độ gió vừa và chậm và loại tuabin
nhỏ này có thể thay thế các tuabin lớn ở những nơi không thể đặt tuabin lớn.
Vùng châu thổ sông Mêkông đến thành phố Hồ Chí Minh gió ở đây rất tốt
(tốc độ 7 - 7.5 m/s). khu vực này có điều kiện phát triển nguồn năng lượng điện
gió vì nó gần thành phố Hồ Chí Minh có nhu cầu tiêu thụ điện rất lớn.
Trên các dãy núi phía Nam của khu vực duyên hải miền Trung có gió rất
nhiều. Ở vùng Tây Nguyên rộng lớn có tốc độ gió từ 7 - 7.5m/s, và vùng biên
giới giáp Campuchia. Khu vực nằm giữa Pleiku và Bn Ma Thuột có tốc độ gió
lên đến 7m/s.

Khu vực miền biển phía Nam của vùng duyên hải Miền Trung trên các đỉnh
núi ở độ cao 1600 đến 2000 m thì có lượng gió nhiều và tốc độ gió cao từ 8.5 –
9.5 m/s. Các đỉnh núi ở phía Tây của uy Nhơn và Tuy Hòa với độ cao từ 1000 –
1200 m có tốc độ gió cũng tương đối lớn từ 8 – 8.5 m/s …. Như vậy các vùng
ven biển có lợi thế rất lớn về nguồn năng lượng gió và có thể lắp đặt các loại
tuabin có cơng suất lớn.
Khu vực phía Bắc vùng dun hải miền trung có dãy Trường Sơn chạy dài
theo biên giới Việt Nam và Lào có những nơi cao tới 1800 m và có tốc độ gió
tương đối lớn 8.5 – 9.5 m/s. khu vực phái Bắc của tỉnh Thừa Thiên Huế rất thích
hợp đặt những tuabin nhỏ ở độ cao 30m và có tốc độ gió nơi đó là 5 – 6 m/s .
Khu vực phía Bắc Việt Nam khu vực lân cận Hải Phịng thì gió khá tốt vận
tốc có thể đạt được 7m/s. Ở trên đỉnh núi biên giới Việt Nam - Lào đến vùng núi
tây nam thành phố Vinh có gió rất tốt tốc độ từ 8 – 9m/s. Ở biên giới phía Bắc
với Trung uốc và ở phía Bắc Đơng Bắc của Hải Phịng tốc độ gió có thể đạt tới 7
– 8m/s.
Vậy với điều kiện khí hậu và lượng gió, mật độ gió, tốc độ gió như trên Việt
Nam có nhiều điều kiện xây dựng nhà máy điện gió ở những vùng có lượng gió
tương đối tốt và phát triển để đáp ứng nhu cầu điện cho quốc gia.

14


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ
2.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió
Về chi tiết các hệ thống điện gió khác nhau sẽ khác nhau; tuy nhiên một cách
tổng quát, một hệ thống điện gió bao gồm các khối cơ bản cho trong hình 2.1.
Gió (wind): Thường có vận tốc thay đổi đột ngột, và tần số thay đổi rất

thường xuyên nếu so với các nguồn năng lượng khác như: thủy triều, hơi nước
trong hệ thống nhiệt điện; để có thể vận hành tốt hệ thống điện gió cần phải hiểu
rõ về khí động học của gió.
Cánh quạt (wind turbine blades): Thường được phân làm 2 loại, turbine
trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbine: HAWT) và turbine trục dọc
(Vertical Axis Wind Turbine: VAWT) [11]
Bộ truyền động (Drive train): Truyền động sử dụng hộp số hoặc truyền
động trực tiếp; để thích hợp với việc vận tốc gió thay đổi liên tục nên hệ thống
truyền động trực tiếp phải dùng bộ điện tử công suất thay đổi tần số và điện áp
của điện phát ra cho phù hợp với tải hoặc lưới điện.
Máy phát (Generator): có nhiều loại, máy phát đồng bộ, không đồng bộ và
máy phát điện một chiều. Trong mỗi loại lại được phân thành nhiều kiểu máy phát
khác nhau tùy thuộc vào thành phần cấu tạo của chúng. Trong đồ án máy phát đồng
bộ nam châm vĩnh cửu sẽ được sử d ng và nghiên cứu kỹ hơn các loại khác.
15