Nghiên cứu, thiết kế hệ statcom để nâng cao hiệu suất và ổn định cho hệ lai diesel gió, ứng dụng cho các hệ thông điện độc lập có nguồn năng lượng tái tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
*****************






ðÀO THỊ THUỶ






NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ STATCOM
ðỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT VÀ ỔN ðỊNH CHO HỆ LAI
DIESEL – GIÓ,
ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG ðIỆN
ðỘC LẬP CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
*****************






ðÀO THỊ THUỶ





NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ STATCOM
ðỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT VÀ ỔN ðỊNH CHO HỆ LAI
DIESEL – GIÓ,
ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG ðIỆN

ðỘC LẬP CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện
Mã số: 60.52.02.02


Người hướng dẫn khoa học: TS. Bùi ðăng Thảnh




Hà Nội - 2013

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

i

LỜI CAM ðOAN


Tôi xin cam ñoan luận văn: : “Nghiên cứu, thiết kế hệ STATCOM ñể
nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai Diesel – Gió, ứng dụng cho các hệ
thống ñiện ñộc lập có nguồn năng lượng tái tạo’’ là do tôi thực hiện dưới sự

hướng dẫn của TS. Bùi ðăng Thảnh. Các số liệu sử dụng trong thuyết minh,
kết quả phân tích và tính toán ñược tìm hiểu qua các tài liệu. Kết quả công bố
trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chưa ñược công bố trong các
công trình nghiên cứu khác.

Ngày 07 tháng 9 năm 2013
Người thực hiện luận văn


ðào Thị Thủy











Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn với ñề tài : “Nghiên cứu, thiết kế hệ
STATCOM ñể nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai Diesel – Gió, ứng
dụng cho các hệ thống ñiện ñộc lập có nguồn năng lượng tái tạo’’, ñến nay

luận văn của tôi ñã hoàn thành với sự cố gắng tìm tòi, nghiên cứu của bản thân
và sự giúp ñỡ của các thầy, cô giáo cùng các bạn học viên Trường ðH Bách
khoa Hà Nội và Trường ðH Nông nghiệp Hà Nội.
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Bùi ðăng Thảnh - Trường
ðH Bách khoa Hà Nội, cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong bộ môn Trường
ðH Nông nghiệp Hà Nội ñã nhiệt tình chỉ bảo ñể luận văn của em có ñược kết
quả ñáp ứng ñược yêu cầu ñề ra.
Xin chân thành cảm ơn nhóm các bạn : Trần Vũ Trung, Nguyễn ðức Huy
lớp KSTN ðKTð và ðỗ Thế Bảo, ðặng Trung ðức - Trường ðH Bách khoa Hà
Nội ñã tham gia giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn!

Ngày 07 tháng 9 năm 2013
Người thực hiện luận văn



ðào Thị Thủy




Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ vii
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI iix
CHƯƠNG 1: 1
TỔNG QUAN CHUNG HỆ LAI DIESEL – GIÓ Ở LƯỚI ðIỆN ðỘC LẬP1
1.1. Hệ năng lượng ñiện Gió 1
1.1.1. Sự hình thành năng lượng gió 1
1.1.2. Công suất của một tua bin gió 2
1.1.3. Lợi ích của năng lượng gió 5
1.1.4. Hạn chế của năng lượng gió 6
1.2. Hệ năng lượng ñiện Diesel 6
1.2.1. Nhiên liệu Diesel 6
1.2.2. Máy phát ñiện Diesel 7
1.2.2.1. Máy phát ñiện xoay chiều 7
1.2.2.2. ðộng cơ Diesel 9
1.2.3. Mô hình hóa ñộng cơ Diesel - Ứng dụng Matlab mô phỏng ñộng cơ Diesel 10
1.2.4. Lợi ích của phát ñiện Diesel làm nguồn dự phòng trong hệ thống ñiện gió
ở lưới ñiện ñộc lập 14
1.3. Phối hợp giữa hệ lai Diesel – Gió. 15
1.4. Kết luận 17
CHƯƠNG II: 18
KHÁI QUÁT VỀ HỆ STATCOM VÀ BÙ CÔNG SUẤT 18
2.1. Khái quát về hệ STATCOM 18
2.2. Thiết bị ñiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 20
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

iv

2.2.1. Bù dọc và bù ngang trong hệ thống ñiện 20
2.2.1.1. Bù dọc 20

2.2.1.2. Bù ngang 22
2.2.2. Một số thiết bị ñiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 24
2.2.2.1. Thiết bị bù tĩnh ñiều khiển bằng Thuyristor (SVC – Static Var Compensator)24
2.2.2.2. Thiết bị bù tĩnh STATCOM (STATCOM – Sitatic Synchronuos
Compensator)
24
2.3. Kết luận 27
CHƯƠNG 3: 28
ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP DIESEL –
GIÓ ðỂ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ NÂNG CAO ỔN ðỊNH
ðIỆN ÁP
28
3.1. Khái quát chung 28
3.2. Bộ ñiều khiển ñiện tử công suất dựa trên các thiết bị bán dẫn 28
3.2.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM 28
3.2.2. Bộ chuyển ñổi nguồn áp (VSC) 29
3.2.3. ðiều khiển ñiều chế ñộ rộng xung (PWM) 30
3.2.4. Nguyên tắc hoạt ñộng của VSC 35
3.3. Hệ thống ñiều khiển của STATCOM 37
3.4. Mô hình hóa STATCOM 38
3.4.1. Mô hình mạch 38
3.4.2. Mô hình toán STATCOM 39
CHƯƠNG 4: 44
SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK ðỂ MÔ PHỎNG ðÁP ỨNG ðỘNG
CỦA STATCOM VÀO HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP DIESEL – GIÓ
44
4.1. Mô hình STATCOM 44
4.1.1. Mô hình hóa lý thuyết 44
4.1.1.1. Mô hình mạch ñộng lực của STATCOM và D-STATCOM 44
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

v

4.1.1.2. Xây dựng mô hình ñộng học của STATCOM 46
4.1.1.3. Thiết kế hệ thống ñiều khiển D-STATCOM 49
4.1.1.4. Lựa chọn bộ ñiều khiển 51
4.1.1.5. Xử lý, tính toán các tín hiệu ño theo ñơn vị tương ñối 54
4.2. Mô phỏng vai trò của D-STATCOM với hệ lai Diesel – Gió 58
4.2.1. Mô hình ghép nối hệ Diesel – Gió 58
4.2.2. Hệ lai Diesel – Gió khi gặp sự cố không có STATCOM 60
4.2.3. Hệ Diesel – Gió khi gặp sự cố có sử dụng D-STATCOM 62
4.3. Ảnh hưởng của các thông số K
P
, K
I
của các bộ ñiều khiển ñối với chất
lượng ñộng học của hệ Diesel – Gió sử dụng D-STATCOM.
68
4.3.1. Thay ñổi các thông số bộ ñiều khiển ñiện áp lưới 69
4.3.2. Tham số tối ưu cho bộ ñiều khiển ñiện áp DC 73
4.4. Kết luận 74
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
PHỤ LỤC 79

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT Chữ viết tắt Ý nghĩa
1 HTð
Hệ thống ñiện


2 SVC
Static Var Compensator (Bộ bù công suất phản
kháng

3 STATCOM
Static Synchronous Compensator (Bộ bù ñồng bộ tĩnh)


4 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor
5 UPFC
Unified Power Flow Controller (Bộ ñiều khiển dòng
chảy công suất phản kháng)

6 FACTS
Flexible Alternating Current
Transmission Systems (Hệ thống truyền tải ñiện

xoay chiều)

7 PLL Phase Locked Loop (Vòng khóa pha)
8 VSC Voltage Source Converter (Bộ chuyển ñổi nguồn áp
9 GTO Gate Turnoff Thyristor
10 HT Hệ thống
11 AC Alternating Current (ðiện xoay chiều)
12 DC Direct Current (ðiện một chiều)
13 HVDC
High Voltage Direct Current (ðiện một chiều ñiện
áp cao)

14 PWM Pulse Width Modulation (ðiều chế ñộ rộng xung
15 MBA Máy biến áp
16 TCR Thyristor – Controlled Reactor
17 TSC Thyristor Switched Capacitor
18 CSPK Công suất phản kháng
19 CSTD Công suất tác dụng






Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các thông số ñiều khiển ñộng cơ Diesel 12
Bảng 1.2. Thông số mô hình ñộng cơ Diesel phù hợp nhất 14
Bảng 4.1 Các tham số của hệ ñiều khiển D-STATCOM 62
Bảng 4.2 Bảng tổng kết các chỉ tiêu chất lượng với các bộ số ñiều khiển V
ac

khác nhau :
72


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ ñồ một tua bin gió sử dụng nam châm vĩnh cửu 2
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa 3
Hình 1.3. Mối quan hệ giữa vận tốc gió và công suất của tua bin 4
Hình 1.4. Mô hình máy phát ñiện Diesel [9] 7
Hình 1.5. Sơ ñồ nguyên lý phát ñiện. [2] 8
a- Sơ ñồ nguyên lý; b- Dòng ñiện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ 8
Hình 1.6. Sơ ñồ nguyên lý dòng ñiện xoay chiều 3 pha 8
Hình 1.7. Sơ ñồ mô phỏng ñộng cơ Diesel 10
Hình 1.8. Hệ thống ñộng cơ Diesel và hàm truyền [18] 10
Hình 1.9. Dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ Diesel khi K = 20 12
Hình 1.10. Dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ Diesel khi K =40 13
Hình 1.11. Lược ñồ minh họa hệ lai Diesel – gió ñộc lập 15
Hình 1.12. Sơ ñồ hàm truyền hệ thống năng lượng Diesel – Gió (A: SVC; B:
STACOM)
16
Hình 2.1 Mạch ñiện tương ñương của STATCOM 19
Hình 2.2 Hệ thống truyền tải có bù dọc: 21
Hình 2.3 Hệ thống truyền tải có bù ngang: 23

Hình 2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC 24
Hình 2.5 Sơ ñồ mạch STATCOM cơ bản [10] 25
Hình 2.6 ðặc tính V-I của STATCOM 26
Hình 3.1 Cấu trúc của STATCOM 29
Hình 3.2 Sơ ñồ cấu trúc liên kết của VSC ba pha hai cấp sử dụng IGBT 29
Hình 3.3 Dạng ñồ thị của PWM 31
Hình 3.4 Sơ ñồ chuyển ñổi nguồn ñiện áp VSC ‘’một chân’’ 32
Hình 3.5 Sơ ñồ mạch lực nghịch lưu PWM 33
Hình 3.6 Sơ ñồ thay thế một pha nghịc lưu PWM 34
Hình 3.7 Giản ñồ vecto nghịc lưu PWM 34
Hình 3.8 Giản ñồ vecto nghịch lưu PWM: 35
Hình 3.9 Sơ ñồ kết nối giữa VSC với HTð 35
Hình 3.10 Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển của STATCOM 37
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

viii

Hình 3.11 Sơ ñồ mô hình mạch của STATCOM 38
Hình 4.1 Sơ ñồ mạch ñộng lực STATCOM 48 xung 44
Hình 4.2 Sơ ñồ mạch ñộng lực của D-STATCOM 45
Hình 4.3 STATCOM ñược kết nối tải và lưới phân phối [13] 46
Hình 4.4 Cấu trúc 2 vòng ñiều khiển của D-STATCOM 49
Hình 4.5 Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển của D-STATCOM 50
Hình 4.6 Sơ ñồ mô phỏng hệ ghép nối Diesel - Gió 58
Hình 4.7 Dạng ñiện áp lưới ổn ñịnh 59
Hình 4.8 Sơ ñồ minh họa khi hệ gặp sự cố 60
Hình 4.9 Biên ñộ ñiện áp pha A khi gặp sự cố 60
Hình 4.10 Biên ñộ ñiện áp pha A khi kéo dài thời gian xử lý sự cố 61
Hình 4.11 Tốc ñộ quay của máy không ñồng bộ 61
Hình 4.12 Sơ ñồ mô phỏng hệ ghép nối có sử dụng D-STATCOM 62

Hình 4.13 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
và dòng phản kháng I
a
63
Hình 4.14 ðiện áp DC trên tụ 63
Hình 4.15 Dòng thành phần I
q
và lượng ñặt dòng I
qref
64
Hình 4.16 Thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng 64
Hình 4.17 Chỉ số ñiều chế PWM 65
Hình 4.18 So sánh chất lượng ñiện áp lưới khi có STATCOM và không có
STATCOM
66
Hình 4.19 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
và dòng phản kháng I
a
66
Hình 4.20 Tốc ñộ quay máy không ñồng bộ 67
Hình 4.21 So sánh chất lượng ñiện áp lưới khi có STATCOM và không có
STATCOM
68
Hình 4.22 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
69
Hình 4.23 Biên ñộ ñiện áp pha V
a

70
Hình 4.24 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
70
Hình 4.25 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
71
Hình 4.26 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
71
Hình 4.27 Biên ñộ ñiện áp pha V
a
72
Hình 4.28 ðồ thị ñiện áp DC với các bộ tham số khác nhau 74


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

ix

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI

Hiện nay năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên có trữ lượng rất
lớn nước ta. Việc khai thác năng lượng này trong thời gian tới chắc chắn sẽ ñược
ñẩy mạnh nhờ vào các ưu thế vượt trội của nguồn năng lượng tái tạo-sạch này. Ở
những vùng có lưới ñiện quốc gia, ñiện gió sẽ ñược hoà vào lưới ñiện quốc gia.
Việc ổn ñịnh lưới trong trường hợp này do các nhà máy ñiện truyền thống ñảm
nhiệm. Tuy nhiên ở những vùng hải ñảo hay miền núi xa xôi, nơi chưa có lưới
ñiện quốc gia thì ñiện gió sẽ ñược sử dụng hỗn hợp với các máy phát diesel và
ổn ñịnh lưới sẽ ñược thực hiện cục bộ tại lưới ñộc lập này.Việc duy trì ổn ñịnh

ñối với các hệ thống ñiện quy mô nhỏ có sử dụng các tuabin gió là một thách
thức về mặt kỹ thuật, do ñặc ñiểm bất ñịnh của nguồn phát, và do quán tính nhỏ
của các máy phát ñiện trong các hệ thống ñiện nhỏ.
Trong số các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ñộ ổn ñịnh
của hệ thống ñộc lập có sự tham gia của ñiện gió, việc sử dụng bộ bù tĩnh
STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hướng giải pháp có tính hiệu
quả cao. Nhờ vào khả năng ñáp ứng nhanh của STATCOM, chúng cho phép bù
ñắp nhanh chóng những thiếu hụt tạm thời về công suất phản kháng ñồng thời
nâng cao hiệu suất và ñộ ổn ñịnh của nhà máy ñiện gió khi có các sự cố.
Việc nghiên cứu thành công hệ bù công suất phản kháng cho hệ thống lai
giữa Diesel và gió sẽ mang lại lợi ích lớn về kinh tế nhằm sử dụng triệt ñể nguồn
năng lượng tái tạo này, cũng như có hiệu quả về mặt kỹ thuật trong việc nâng
cao ñộ tin cậy cung cấp ñiện cho các lưới ñiện vùng sâu, vùng hải ñảo… nơi
không có kết nối với lưới ñiện quốc gia.
Từ những phân tích trên, tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: “Nghiên cứu,
thiết kế hệ STATCOM ñể nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai Diesel –
Gió, ứng dụng cho các hệ thống ñiện ñộc lập có nguồn năng lượng tái tạo’’.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

x

1. Mục tiêu nghiên cứu
Trên cơ sở lý luận, thực tiễn và khảo sát thực tế. Việc nâng cao hiệu quả
cung cấp ñiện cho các lưới ñiện ñộc lập là ñiều cần thiết. Do ñó ñề tài nghiên
cứu, thiết kế hệ STATCOM nhằm nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai
Diesel-gió (Hybrid Diesel-Wind) ứng dụng cho lưới ñiện ñộc lập. ðây là hướng
nghiên cứu ñang rất ñược quan tâm trên thế giới ñặc biệt thích hợp với các quốc
gia có nhiều các nguồn năng lượng tái tạo- năng lượng gió như Việt Nam.
2. Khách thể và ñối tượng nghiên cứu

a. Khách thể nghiên cứu
Thiết kế hệ bù tĩnh STATCOM nhằm nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho
hệ lai Diesel – Gió trước yêu cầu ñặt ra hiện nay.
b. ðối tượng nghiên cứu
- Hệ lai giữa Diesel – Gió trong lưới ñiện ñộc lập
- Hệ STATCOM và các thuật giải nhằm ổn ñịnh lưới ñiện.
3. Giả thuyết khoa học
Các sự cố bất thường xảy ra ñối với nguồn năng lượng gió có thể ñược bù
ñắp nhanh chóng nhờ hệ thống này, kết quả là lưới ñộc lập ñược ổn ñịnh. Các
ứng dụng này có ý nghĩa to lớn trong các khu vực hải ñảo hay miền núi xa xôi, nơi
không có lưới ñiện quốc gia.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu phát ñiện gió, ñiện Diesel
- Nghiên cứu hệ lai Gió – Diesel, xây dựng mô hình toán học của hệ này
- Nghiên cứu xây dựng hệ STATCOM, xây dựng các thuật toán bù
- Mô phỏng hệ thống dựa trên phần mềm Matlab
- Thiết kế, tích hợp toàn hệ thống.
5. Phạm vi nghiên cứu
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

xi

Trong ñề tài này tập trung nghiên cứu hệ thống bù tĩnh STATCOM cho hệ
lai gió – Diesel nói trên. Ứng dụng cho lưới ñiện ñộc lập những nơi không có
lưới ñiện quốc gia, sử dụng trong các lưới ñiện ñộc lập.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Nhóm các phương pháp nghiên cứu lý luận
- Nhóm các phương pháp phân tích và tổng hợp
- Nhóm các phương pháp nghiên cứu thực tiễn
7. Bố cục của luận văn

Bên cạnh phần mở ñầu và kết luận thì luận văn ñược chia làm 4 chương
như sau:
- Chương 1
: Tổng quan chung về hệ lai Diesel – Gió ở lưới ñiện ñộc lập
- Chương 2: Khái quát về hệ STATCOM và bù công suất
- Chương 3: Ứng dụng STATCOM vào hệ thống ñiện ñộc lập Diesel – Gió ñể bù
công suất phản kháng và nâng cao ổn ñịnh ñiện áp
- Chương 4
: Sử dụng Matlab/Simulink ñể mô phỏng ñáp ứng ñộng của
STATCOM vào hệ thống ñiện ñộc lập Diesel - Gió
8. Những ñóng góp mới của luận văn
- Thiết kế hệ STATCOM cho lưới ñiện ñộc lập phù hợp với các ñiều kiện
của Việt Nam hiện nay
- Xây dựng các giải thuật bù cho hệ thống
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

1

CHƯƠNG 1
T
ỔNG QUAN CHUNG HỆ LAI DIESEL – GIÓ Ở LƯỚI ðIỆN
ðỘC LẬP

1.1. Hệ năng lượng ñiện Gió
1.1.1. Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái ñất không ñồng ñều làm cho bầu
khí quyển, nước và không khí nóng không ñều nhau. Một nửa bề mặt của Trái
ðất, mặt ban ñêm, bị che khuất không nhận ñược bức xạ của Mặt Trời, thêm vào
ñó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích ñạo nhiều hơn là ở các cực, do ñó có
sự khác nhau về nhiệt ñộ, dẫn ñến khác nhau về áp suất, làm cho không khí giữa

xích ñạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban ñêm của
Trái ðất di ñộng tạo thành gió. Trái ðất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm
xoáy không khí và vì trục quay của Trái ðất nghiêng ñi (so với mặt phẳng do
quỹ ñạo Trái ðất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các
dòng không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng coriolis ñược tạo thành từ sự quay quanh
trục của Trái ðất, nên không khí ñi từ vùng áp cao ñến vùng áp thấp, không
chuyển ñộng thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau,
giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu
không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim ñồng hồ và ra
khỏi một vùng áp cao theo chiều kim ñồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều
hướng ngược lại.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi ñịa hình
tại từng ñịa phương. Do nước và ñất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày ñất
nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ
biển hay hồ vào ñất liền. Vào ban ñêm ñất liền nguội ñi nhanh hơn nước và hiệu
ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

2

1.1.2. Công suất của một tua bin gió
Mô hình của tua bin gió:


Hình 1.1. Sơ ñồ một tua bin gió sử dụng nam châm vĩnh cửu
PMSG: (permanent magnet synchronous generator) máy phát ñiện ñồng
bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu.
VSC: (voltage static converter) bộ biến ñổi ñiện áp tĩnh.
Công suất của một tuốc bin gió tạo ra có thể xác ñịnh theo các tính toán

dựa trên mô hình (Hình 1.1) sau:
Giả sử không khí chuyển ñộng với vận tốc v, thời gian t ñể ñi ñược quãng
ñường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trong
không gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển ñộng m sẽ ñược tính
như sau:
tvADAm
ρ
ρ
=
=
(1-1)
Cơ năng E của một khối lượng không khí m chuyển ñộng với vận tốc v là:


2
1
2
E mv
=

(1-2)
Công suất P thu ñược của tua bin sẽ phụ thuộc vào mật ñộ không khí ρ,
vận tốc v và tiết diện của vòng cánh quạt A:

3
1
2
P Av
ρ
=

(1-3)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

3

Công suất của tuabin ñược tính theo công thức:
3
( , )
2
m p
A
P C v
ρ
λ β
=

(1-4)
Trong ñó:
- P
m
là công suất ñầu ra của tua bin (W).
- C
p
là hệ số biến ñổi năng lượng (hàm của tốc ñộ ñầu cánh λ và góc cánh β)
- A: Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m
2
).
- ρ: Mật ñộ của không khí (kg/m
3

).
sẽ ñược tính theo công thức (1-5). [5]
1
21
116
( , ) 0.5176( 0.4 5) 0.0068
p
i
C e
λ
λ β β λ
λ
−
= − − +

(1-5)

3
1 0.035
0.08 1
i
λ β β
λ
= −
+ +
(1-6)


Hình 1.2. Mối quan hệ giữa
Nhìn vào Hình 1.2 ta có thể nhận thấy khi , thì ñạt giá trị

max. Giá trị max của
càng cao khi càng bé. Theo ñịnh luật Betz về ñộng
lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất cả sang
một loại năng lượng khác. ðộng năng thu ñược lớn nhất trong một dòng gió là
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

4

59.259%. Hay nói cách khác 0.59259 (trong thực tế chỉ ñạt mã khoảng
80% giá trị trên – Hình1.2). Mặt khác thì máy phát và hộp số trong tua bin có
tồn tại hệ số
< 1.
Tỷ số tốc ñộ ñầu cánh tuabine gió và tốc ñộ gió là:

R
v
ω
λ
=

(1-7)
Trong ñó là tốc ñộ ñầu cánh của tuabine, R là bán kính của cánh quạt, v
là vận tốc gió.
Như vậy công suất ñiện mà tua bin phát ra có thể ñược tính theo công thức:

2 3
2
p
m
C R v

P
πρ
δ
=

(1-8)
Mặt khác ta có công thức tính mô men của tua bine gió:

5 3
3
2
p
m
m
C R
P
T
πρ ω
ω λ
= =

(1-9)

Theo (1-8) vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình phát ñiện
của tua bin gió. Công suất ñiện sẽ tỷ lệ với lũy thừa bậc 3 của vận tốc.

Hình 1.3. Mối quan hệ giữa vận tốc gió và công suất của tua bin
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

5

Nhìn vào Hình 1.3 ta có thể thấy tua bin hoạt ñộng tốt với vận tốc gió
trong khoảng từ 6 tới 14,4 m/s và ñạt giá trị lý tưởng tại 12m/s.
1.1.3. Lợi ích của năng lượng gió
Một cách khách quan và tổng thể ñối với Việt Nam thì năng lượng năng
lượng gió chính là những nguồn năng lượng dồi dào và có thể nói là vô tận ñối
với Việt Nam.
Trong thực tế với ưu ñiểm là:
- Nguồn năng lượng tái tạo lại thân thiện với môi trường
- Tận dụng ñược các ñồi trọc ñể xây các tuốc bin gió.
- Ảnh hưởng ñến ñất canh tác không ñáng kể.
- Ảnh hưởng của thiên nhiên nơi ñặt các tuốc bin gió không ñáng kể nếu
so sánh với nhà máy thủy ñiện, nhiệt ñiện, ñiện hạt nhân,…
- Là nguồn năng lượng sạch và vô tận ñối với thiên nhiên. ðiều ñó là ñiều
tiên quyết ñem lại lợi thế của năng lượng gió so với các nguồn năng lượng hóa
thạch vốn có hạn và ảnh hưởng nghiêm trọng ñến môi trường.
Hiện nay nhiều người vẫn cho rằng giá thành lắp ñặt và vận hành ñiện gió
là quá cao so với các nguồn năng lượng khác, tuy nhiên thực tế lại không phải
vậy. Chúng ta có thể lấy một ví dụ: Nhà máy ñiện gió Tuy Phong I (Bình Thuận)
ñã ñược khánh thành và hòa vào lưới ñiện quốc gia tháng 4/2012 với tổng vốn
ñầu tư 820 tỷ ñồng với 20 tuabin công suất ñạt khoảng 30MW. Trong khi ñó với
một nhà máy nhiệt ñiện Nhi Sơn 2 công suất 1200MW tổng vốn ñầu tư khoảng
48.000 tỷ ñồng; nhà máy thủy ñiện Sơn La công suất 2400MW với tổng vốn ñầu
tư 60.195,928 tỷ ñồng. Như vậy ñể lắp ñặt một nhà máy với công suất 2400 MW
thì thủy ñiện sẽ phải bỏ ra 60.195,928 tỷ ñồng; nhiệt ñiện là 96.000 tỷ ñồng; gió
65.600 tỷ ñồng. Trong khi ñó theo nghị quyết số 41/2009/QH12 của Quốc hội
quyết ñịnh lựa chọn “thế hệ lò hiện ñại nhất” ñể xây hai nhà máy ñiện hạt nhân
Ninh Thuận 1 và Ninh Thuận 2, mỗi nhà máy có công suất khoảng 2.000 MW,
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

6

với tổng mức ñầu tư cho hai nhà máy khoảng 200.000 tỷ ñồng. Với các con số
trên có thể dễ dàng nhận thấy số tiền ñầu tư cho thủy ñiện và nhiệt ñiện là rẻ
nhất. Tuy nhiên với nguồn tài nguyên thủy ñiện, và gió chưa ñược khai thác hiện
nay thì hướng ñầu tư cho gió vẫn là có tính khả thi hơn cả. [7]
1.1.4. Hạn chế của năng lượng gió
- Phụ thuộc hoàn toàn vào thiên nhiên
- Có thể làm thay ñổi dòng không khí
- Thay ñổi hoặc làm phá vỡ cảnh quan của vùng lắp ñặt ñiện gió
- Tiếng ồn có thể ảnh hưởng ñến các loài ñộng vật hoặc con người sống
gần nơi ñặt các trạm năng lượng gió.
- Có thể ảnh hưởng ñến các trạm thu phát sóng ñiện thoại, truyền hình,…
ðó là một số mặt hạn chế của năng lượng gió, nhưng cơ bản thì các hạn
chế này rất nhỏ so với các hạn chế của các nguồn năng lượng hóa thạch.
1.2. Hệ năng lượng ñiện Diesel
1.2.1. Nhiên liệu Diesel
Nhiên liệu Diesel (DO – Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơn
dầu lửa và xăng, sử dụng chủ yếu cho ñộng cơ Diesel (ñường bộ, ñường sắt,
ñường thủy) và một phần ñược sử dụng cho các tuốc bin khí (trong công nghiệp
phát ñiện, xây dựng…).
Nhiên liệu Diesel ñược sản xuất chủ yếu từ phân ñoạn gazoil và là sản
phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có ñầy ñủ những tính chất lý hóa
phù hợp cho ñộng cơ Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến
ñổi hóa học phức tạp.
Ngoài việc sử dụng nhiên liệu diesel nhiều trong các ngành công nghiệp,
máy phát ñiện Diesel ñược thiết kế ñể ñáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp
vừa và nhỏ, làm nguồn dự phòng cho các hệ lưới ñiện ñộc lập, giảm chi phí
nguồn ñiện dự phòng và làm cho máy phát ñiện dễ dàng cài ñặt ñang trở thành
tiêu chí hiện nay.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

7

1.2.2. Máy phát ñiện Diesel
Một máy phát ñiện (MFð) Diesel là sự phối hợp của một ñộng cơ Diesel
với một máy phát ñiện (thường là MFð xoay chiều) ñể tạo ra năng lượng ñiện.










Hình 1.4. Mô hình máy phát ñiện Diesel [9]
Trong ñó:
(1) ðộng cơ
(2) Máy phát ñiện xoay chiều
(3) Hệ thống nhiên liệu
(4) Ổn áp
(5) Hệ thống làm mát và hệ thống xả (6)
(7) Bộ nạp ắc-quy
(8) Control Panel hay thiết bị ñiều khiển
(9) Kết cấu khung chính
1.2.2.1. Máy phát ñiện xoay chiều
Máy phát ñiện xoay chiều (2) là thiết bị biến ñổi cơ năng thành ñiện năng
ở dạng dòng xoay chiều, nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các ñộng cơ tuabin hơi,

tuabin nước, ñộng cơ ñốt trong, tuabin gió hoặc các nguồn cơ năng khác.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

8

Nguyên lý làm việc:
MFð xoay chiều tạo ra ñiện theo nguyên lý tương tự như MFð một chiều,
cụ thể là, khi từ trường xung quanh một dây dẫn thay ñổi, một dòng ñiện cảm
ứng ñược tạo ra trong dây dẫn. Thông thường thì phần nam châm quay gọi là
rotor còn phần cuộn dây ñặt cố ñịnh trong lõi sắt gọi là stator. Từ trường của
rotor sẽ quét qua các thanh dẫn của stator và cảm ứng ra một suất ñiện ñộng
xoay chiều, nó như một ñầu vào cơ học làm cho rotor quay
.

Hình 1.5. Sơ ñồ nguyên lý phát ñiện. [2]
a- Sơ ñồ nguyên lý; b- Dòng ñiện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ
Mối liên hệ giữa cảm ứng ñược tạo ra trong dây dẫn và vị trí của nam
châm ñược chỉ ra trong Hình1.5. Dòng ñiện lớn nhất ñược sinh ra khi cực N và
cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dòng ñiện ở mỗi
nửa vòng quay của nam châm lại ngược nhau.
Dựa theo nguyên lý trên, ñể sinh ra dòng ñiện một cách hiệu quả hơn,
máy phát ñiện 3 pha dùng 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 120
0
trên stator.

Hình 1.6. Sơ ñồ nguyên lý dòng ñiện xoay chiều 3 pha
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

9

Mỗi cuộn A, B, C ñược ñặt chênh nhau 120 ñộ. Khi nam châm quay giữa
chúng dòng ñiện xoay chiều ñược sinh ra trong mỗi cuộn dây. Dòng ñiện bao
gồm 3 dòng xoay chiều ñược gọi là “dòng xoay chiều 3 pha”.
1.2.2.2. ðộng cơ Diesel
ðộng cơ Diesel (1) là một loại ñộng cơ ñốt trong, khác với ñộng cơ xăng
(hay ñộng cơ Otto). Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng
ñốt khi piston ñi tới gần ñiểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác ñộng
của nhiệt ñộ và áp suất cao của không khí nén. ðộng cơ Diesel do một kỹ sư
người ðức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892. Chu trình làm việc
của ñộng cơ cũng ñược gọi là chu trình Diesel. Do những ưu việt của nó so với
ñộng cơ xăng, như hiệu suất ñộng cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn
xăng, nên ñộng cơ Diesel ñược sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp,
ñặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.
ðộng cơ diesel có thể có dạng hai chu kỳ hoạt ñộng hoặc bốn chu kỳ
và ñược lựa chọn tùy thuộc vào phương thức hoạt ñộng. ðộng cơ diesel, có
hai cách làm mát, bằng không khí hoặc bằng chất lỏng làm mát, cả hai ñều
là các dạng thích hợp có thể ñược lựa chọn. Sử dụng làm mát bằng chất lỏng
với máy phát ñiện diesel là tốt nhất, vì nó yên tĩnh khi hoạt ñộng và kiểm
soát nhiệt ñộ ñồng ñều
Nguyên lý hoạt ñộng: ñể tạo ra năng lượng chạy máy phát ñộng cơ 4 kỳ sẽ
lặp lại tuần hoàn, nhiên liệu ñược nén với áp suất cao khi tiếp xúc với không khí
ở nhiệt ñộ và áp suất cao sẽ tạo ra sự cháy [3]
Một ứng dụng phổ biến của ñộng cơ Diesel là ñể chạy các máy phát ñiện
dự phòng, ñáp ứng nhu cầu sử dụng ñiện liên tục của các bệnh viên, trung tâm
dữ liệu, kết nối truyền thông,… hoặc những quá trình sản xuất quan trọng,
những nơi mà việc gián ñoạn sử dụng ñiện có thể gây nguy hiểm ñến sức khỏe
con người hoặc gây thiệt hại lớn về kinh tế. MFð ñộng cơ diesel có yêu cầu bảo
dưỡng ít hơn, tuổi thọ dài hơn và hiệu quả kinh tế cao hơn so với ñộng cơ khí có
kích thước tương tự [4].

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

10

Trong ngành công nghiệp năng lượng, MFð Diesel thường ñược sử dụng
kết hợp với các nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời ñể cấp ñiện cho
những nơi không kết nối ñược với nguồn lưới ñiện quốc gia như các khu vực
biên giới, hải ñảo.
Ngoài các thành phần chính của máy phát ñiện Diesel ở trên còn có các
thành phần khác như Hình 1.4.
1.2.3. Mô hình hóa ñộng cơ Diesel - Ứng dụng Matlab mô phỏng ñộng cơ Diesel
ðộng cơ Diesel ñược mô phỏng theo sơ ñồ Matlab như Hình 1.7 dưới ñây:

Hình 1.7. Sơ ñồ mô phỏng ñộng cơ Diesel
Mô hình mô phỏng ñộng cơ Diesel bao gồm phần ñộng cơ không ñồng
bộ, môt bộ ñiều tốc và một tải. ðộng cơ sẽ chạy ở một tốc ñộ mà có thể ñiều
chỉnh qua tín hiệu của bướm ga (throttle). Các tín hiệu của bướm ga trực tiếp
ñiều khiển mô-men xoắn ñầu ra do ñộng cơ tạo ra và gián tiếp kiểm soát tốc ñộ
mà tại ñó ñộng cơ chạy. Nếu tốc ñộ ñộng cơ vượt quá tốc ñộ tối ña ñược chỉ
ñịnh, ñộng cơ tạo ra không có mô-men xoắn.

Hình 1.8. Hệ thống ñộng cơ Diesel và hàm truyền [18]
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

11

Trong Hình 1.8:
- w
ref
, w là tốc ñộ ñáp ứng và tốc ñộ thực tế

- Hệ thống ñiều khiển (Control system) có hàm truyền ñiều khiển ñược
xác ñịnh:
Theo [19] thì ñộng cơ Diesel là ñối tượng cấp 2 khi mô tả toán học:


2
' ' '
2 1 3
2
d
y y x
T T K y T x
t t t
δ δ
β
δ δ
∂
+ + = +
∂

(1-10)
Trong ñó:
-
'
1
T
hằng số thời gian cấp 2;
-
'
1

T
hằng số thời gian cấp 1;
-
d
K
là số truyền ñộng cơ;
-
'
3
T
,
β
ñặc trưng cho quán tính và khả năng khuếch ñại của thiết bị cung
cấp nhiên liệu;
- x, y lần lượt là sự thay ñổi tương ứng của lượng cấp nhiên liệu và vòng
quay ñộng cơ.
Chia cả 2 vế của (1-10) cho K
d
ta có mô tả ở dạng toán tử:

2
2 1 3
( )( 1) (1 ) ( )
Y s T s T s K T s X s
+ + = +
(1-11)
với
d
K
K

β
=
,
'
1
1
d
T
T
K
=
,
'
2
2
d
T
T
K
=
,
'
3
3
d
T
T
K
=
.

Ta ñược hàm truyền ñiều khiển:
3
2
2 1
(1 )
( )
1
c
K T s
H s
T s T s
+
=
+ +

(1-12)
- Hàm truyền bộ truyền ñộng (actuator) [18]:
4
5 6
1
(1 )(1 )
a
T s
H
s T s T s
+
=
+ +

(1-13)

TF
1
, TF
2
có hàm truyền tương ứng dạng
4
5
1
1
T s
T s
+
+
và
6
1
1
T s
+
.
- Khâu trễ với T
d
là hằng số thời gian trễ.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………

12

Tiến hành mô phỏng hệ Diesel với Matlab. Khi thay ñổi các thông số thời
gian T ta thường nhận ñược hệ không ổn ñịnh. ðể cải thiện ñặc tính ñộng học

của hệ kín, ta tăng hệ số khuếch ñại K, tuy nhiên việc tăng K quá lớn khiến hệ
nhạy cảm với sai lệch mô hình, với nhiễu ño và có thể làm cho hệ kín mất ổn
ñịnh [1]-tr396. Vì vậy, ta chỉ ñiều chỉnh K trong một dải giá trị cho phép.
Khi ta ñể hệ số khuếch ñại K = 20 và các thông số khác như hình sau:
B
ả
ng 1.1.

Các thông s
ố

ñ
i
ề
u khi
ể
n
ñộ
ng c
ơ
Diesel.

Ta sẽ nhận ñược dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ diesel như sau:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
t(second)
Speed (pu)

Hình 1.9.

D
ạ
ng
ñồ
th
ị
t
ố
c
ñộ
c
ủ
a b
ộ
Diesel khi

K
= 20
K = 20
T
1
= 0.01(s) T
2
= 0.02(s) T
3
= 0.2(s)
T
4
= 0.25(s) T
5
= 0.009(s) T
6
=0.0384(s)

T
d
= 0.024 (s)
T
min
= 0.1 pu T
max
= 1 pu
P
m0
= 0.000270147 pu