Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện turbin gió

Mẫu: BÌA LUẬN VĂN CÓ IN CHỮ NHŨ (Khổ 210 x 297 mm)



























BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

DƯƠNG VĂN KHUÔN


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH
TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ



LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202


TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014
DƯƠNG VĂN KHUÔN LUẬN VĂN THẠC SĨ 2012


Mu nhãn đĩa CD-ROM:



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM


DƯƠNG VĂN KHUÔN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH
TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ




LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202



TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM



DƯƠNG VĂN KHUÔN


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH
TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ




LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG



TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM


Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Hùng




Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 18 tháng 01 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 PGS. TS. Trần Thu Hà Chủ tịch
2 TS. Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1
3 TS. Nguyễn Minh Tâm Phản biện 2
4 TS. Đinh Hoàng Bách Ủy viên
5 TS. Võ Hoàng Duy Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày … tháng … năm 20…


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ


Họ và tên: Dương Văn Khuôn Giới tính: Nam
Sinh ngày: 19/05/1982 Nơi sinh: Kiên Giang
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV:
1241830014
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT
ĐIỆN TUABIN GIÓ.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Xây dựng bộ điều khiển hệ thống kích từ nhằm mục đích xác định mô
hình toán học và chỉ định một chiến lược điều khiển dựa trên mô hình này sao cho
tần số và đáp ứng ngõ ra của hệ thống điều khiển là tốt nhất.
- Mô phỏng trên Matlab-Simulink để kiể
m nghiệm sự đúng đắn của thuật
toán nêu ra.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/01/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Hùng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

i

LỜI CAM ĐOAN



Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác, theo tôi được biết.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện


Dương Văn Khuôn

ii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, xin chân thành cám ơn thầy TS. NGUYỄN HÙNG, người đã
tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Xin cám ơn các Thầy Cô đã cho em nền tản kiến thức – tri thức quí báu.

Xin cám ơn anh Lê Hoàng Hải nhà máy điện gió Bạc Liêu đã cung cấp tài
liệu điện gió rất hữu ích để em tham khảo các thông số kỹ thuật.
Xin cám ơn trường Đại Học Công Nghệ Tp. HCM, Khoa Cơ – Điện – Điện
Tử
, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, Tập thể lớp 12SMĐ11, đã
tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn cơ quan và các đồng nghiệp đã giúp đỡ cho em năng cao trình độ
chuyên môn.
Cuối cùng, Xin cám ơn Ba Mẹ, Người đã nuôi con khôn lớn, cho con đủ nghị
lực và trí khôn.


Học viên thực hiện


Dương Văn Khuôn







iii

TÓM TẮT

Nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió, đang và
đã là vấn đề nóng trong nghiên cứu nhà máy điện gió. Các công trình nghiên cứu
trong và ngòai nước đã thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên, khi nguồn gió không ổn định

để tuabin gió phát ra công suất ổn định là bài toán khó trong thiết kế hệ thống kích
từ cho máy phát điện tuabin gió. Xây dựng thuật toán và mô phỏng mạch kích từ ở
chế độ xác lập là trọng tâm của luận văn này. Trên n
ền cơ sở lý thuyết, thiết kế điều
khiển bộ kích từ. Từ kết qủa mô phỏng, sẽ có cái nhìn tổng thể về mô hình thiết kế
kích từ cho turbbine gió.
Nội dung Luận văn thực hiện gồm 5 chương, được tóm tắt như sau:
Nội dung chương 0, 1 giới thiệu về công nghệ sản xuất điện gió và các loại máy
phát điện trong hệ thống năng l
ượng gió.
Nội dung chương 2 xây dựng mô hình toán học cho máy phát điện cảm ứng
rotor dây quấn trong hệ thống năng lượng gió.
Nội dung chương 3 là ứng dụng matlab/simulink mô phỏng cho máy phát
điện cảm ứng rotor dây quấn.
Cuối cùng chương 4 kết luận và hướng phát triển đề tài.
iv

ABSTRACT
Researching and designing for excitation system of wind turbine
genenrator, that still is hot for studing of Wind plant.This project are studuing very
much in the world. However, when wind source are unstable in order to wind
turbine emit stable power, that is going difficult problems for design a excitation
system of wind turbine genenrator. The proposed algorithm and sumulink for
exciter at steady state, this is focal point of this thesis. Based on theoretics and
designs of exciter control. From result of sumulink will have a overview of the
model of the proposed and designed a excitation system of genenrator.
This thesis content include 5 chapter, as follows:
Chapter 0, 1: Introduce to wind power energy product technology and wind
generator styles of wind energy systems
Chapter 2: Building mathematical models for coil-rotor inductive

genenrator of wind energy systems.
Chapter 3: Apply Matlab/Sumulink for coil-rotor inductive genenrator.
Chapter 4: Conclusion and expansion of thesis.
v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
TÓM TẮT iii
MỤC LỤC v
DANH SÁCH KÝ HIỆU – VIẾT TẮT xii
DANH MỤC CÁC BẢNG xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH ix
CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU 1
0.1 Đặt vấn đề 2
0.2 Giới thiệu đề tài 3
0.3 Phạm vi nghiên c
ứu 4
0.3.1 Đối tượng nghiên cứu 4
0.3.2 Phạm vi nghiên cứu 4
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ
CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 5
1.1. Tổng quát 6
1.1.1. Gió 6
1.1.2. Tốc độ và hướng gió 7
1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió 9
1.1.4. Nguyên tắc kỹ thuậ
t cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số 12
1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió 12
1.2.1. Máy phát điện đồng bộ 12

1.2.2. Máy phát điện cảm ứng 13
1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 15
1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 16
1.2.5. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 16
1.3. Các loại hệ thống chuyể
n đổi năng lượng gió 17
1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 18
vi

1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất 19
1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất 20
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM
ỨNG ROTOR DÂY QUẤN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 21
2.1. Mô hình toán của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 22
2.1.1. Các phương trình cơ bản 22
2.1.2. Bộ biến đổi 26
2.2. Tính toán và lựa ch
ọn các thông số 28
2.2.1. Tính toán mạch kích từ ở chế độ xác lập 28
2.2.2. Tính toán thông số bộ biến tần 32
2.2.3. Phương pháp điều khiển cho mô hình 34
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG CHO MÁY
PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTO DÂY QUẤN 37
3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink 38
3.2. Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt
động ở chế độ xác lập 40
3.2.1.Thông số 40
3.2.2. Sơ đồ mô phỏng 40
3.2.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió 41
3.2.4. Kết qu

ả mô phỏng 43
3.2.4.1. Trường hợp ở tốc gió 5m/s 43
3.2.4.2. Trường hợp ở tốc gió 6m/s 46
3.2.4.3. Trường hợp ở tốc gió 7m/s 49
3.2.4.4. Trường hợp ở tốc gió 8m/s 52
3.3. Thống kê kết quả 54
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 55
4.1. Kết luận 56
4.2. Hướng phát triển đề tài 56
TÀI LIỆ
U THAM KHẢO 57
vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
NTĐ Nhà máy thủy điện
MTĐ Nhà máy nhiệt điện
NNT Nhà máy điện nguyên tử
NĐG Nhà máy điện gió
TĐK Tự động điều chỉnh kích từ
BCN Biến đổi chức năng
ĐKTĐ Điều kiện ổn định cần thiết của hệ thống
TSR Tip – speed – ratio
MF Máy phát
KT Kích từ



viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió 9
Bảng 2.1: Bảng kết quả các hệ số 31
Bảng 3.1: Thống kê kết quả mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor
dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập 54
ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo 6
Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét 8
Hình 1.3: Tuabin đón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor) 10
Hình 1.4: Kích thước và công suất những loại tuabin điện gió đã được sản xuất hàng
loạt tính đến năm 2012 10
Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi trụ
6 –7,5MW 11
Hình 1.6: Trang trại điện gió t
ại Mỹ 11
Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số 12
Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ 13
Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ 14
Hình 1.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện 15
Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứ
ng rotor lồng sóc 15
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG 16
Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo 17
Hình 1.14: Turbine gió cố định 19
Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi 20
Hình 1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi bằng điện tử công
suất 20
Hình 2.1: Mô hình chuyển đổi hệ tọa độ dq →

αβ 28
Hình 2.2: Mô hình điều khiển PID 36
Hình 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển PI ứng dụng vào máy điện động cảm ứng rotor dây
quấn 36
Hình 3.1: Mô hình mô phỏng hệ thống tuabin gió hoạt động ở chế độ xác lập 40
Hình 3.2: Sơ đồ khối tuabin gió 41
Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phát 41
Hình 3.4: Sơ đồ khối chỉnh l
ưu 42
Hình 3.5: Sơ đồ khối nghịch lưu 42
x

Hình 3.6: Sơ đồ khối hồi tiếp điều khiển từ thông 43
Hình 3.7: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 5m/s 43
Hình 3.8: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 5m/s 44
Hình 3.9: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 5m/s 44
Hình 3.10: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 5m/s 45
Hình 3.11: Đồ thị dạng sóng dòng ở t
ốc gió 5m/s 45
Hình 3.12: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 6m/s 46
Hình 3.13: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 6m/s 47
Hình 3.14: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 6m/s 47
Hình 3.15: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 6m/s 48
Hình 3.16: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 6m/s 48
Hình 3.17: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tố
c gió 7m/s 49
Hình 3.18: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 7m/s 50
Hình 3.19: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 7m/s 50
Hình 3.20: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 7m/s 51
Hình 3.21: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 7m/s 51

Hình 3.22: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 8m/s 52
Hình 3.23: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 8m/s 52
Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 8m/s 53
Hình 3.25: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 8m/s 53
Hình 3.26: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 8m/s 54
1

CHƯƠNG 0
MỞ ĐẦU

01. Đặt Vấn Đề
02. Giới Thiệu Đề Tài
03. Phạm Vi Nghiên Cứu
0.3.1 Đối Tượng Nghiên Cứu
0.3.2. Phạm Vi Nghiên Cứu

2

0.1 Đặt vấn đề
Trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về
Phong điện, năng lượng gió được xem như là nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn. Ưu
điểm của năng lượng gió là dễ khai thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và chi
phí vận hành tương đối thấp. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn
n
ăng lượng này trong tương lai, công nghệ phải ngày càng hoàn thiện, năng suất
chuyển đổi gió thành điện ngày càng cao.
Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để tuabin vận hành tối ưu với vận
tốc gió nhất định thì hệ thống turbin và máy phát điện phải có chức năng tự điều
chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Tuy nhiên đối với hệ thống máy
phát điện công su
ất lớn thì việc điều chỉnh này rất khó khăn. Vì vậy đối với hệ
thống máy phát điện gió công suất lớn, người ta thường thay đổi từ thông trong hệ
thống kích từ của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn.
Chính vì lẽ đó, ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứu điều khiển máy
phát điện cảm ứng và DFIG, và gần đây nhất là luậ
n văn Thạc Sĩ Võ Xuân Hải
(2009); Phạm Trung Hiếu (2011); Tôn Long Đại (2011); Nguyễn Anh Hùng (2012)
v.v…
- Nghiên cứu điều khiển máy phát điện cảm ứng và DFIG đã được các nhà
khoa học như Jeong –Ik Jang (2006); Lie Xu (2007); Jiabing Hu (2007) Muarli
M.Baggu (2007); Lingling Fan (2009); Yi Zhou, Paul Bauer (2009); Sol-Bin Lee

(2010) và Van-Tung Phan (2010).
Nhưng đa phần xây dựng mô hình điều khiển điện áp của máy phát để điều
chỉnh kích từ nên dẫn đến tần số và công suất của máy phát chưa được tối ư
u. Chưa
có kết hợp các phương pháp chung lại với nhau.
Ngày này có nhiều phương pháp điều chỉnh kích từ của máy phát điện trong
hệ thống máy phát điện gió. Nhưng có thể tóm tắt sử dụng 4 giá trị hồi tiếp cơ bản
về để so sánh giá trị chuẩn do chúng ta đặt để điều khiển từ thông trong máy phát
điện như sau:
- Tốc độ gió, tốc độ tuabin, tố
c độ máy phát.
3

- Momen tuabin, momen máy phát.
- Công suất tuabin, công suất máy phát.
- Điện áp máy phát, điện áp kết nối lưới.
Nếu sử dụng riêng lẻ từng trường hợp thì khó điều chỉnh kích từ. Dẫn đến
khó điều chỉnh tần số, điện áp và công suất ra của máy phát.
Do đó, nguyên tắc muốn ổn định giá trị nào thì chúng lấy giá trị đó hồi tiếp
về để đ
iều khiển, ví dụ chúng ta muốn ổn định điện áp và công suất phát ra thì ta đặt
cảm biến tốc độ và đo công suất ngõ ra của máy phát, khi qua bộ biến đổi để có
dòng điện so sánh với dòng điện chuẩn điều khiển từ thông máy phát.
Tuy nhiên vấn đề quan trọng trong hệ thống máy phát điện gió là việc kết nối
lưới, vì vậy ổn định tần số và đi
ện áp ra của máy phát là quan trọng nhất. Chính vì
thế đề tài “nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió” sẽ đi
sâu vào việc điều khiển từ thông của máy phát để ổn định điện áp và tần số ngõ ra
của máy phát điện gió.
0.2 Giới thiệu đề tài

Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta. Ở bất kỳ quốc
gia nào, nă
ng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn luôn được coi là
nghành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế.
Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng một cách
đặc biệt. Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành công
nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân.
Xã hội không ngừng phát tri
ển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng
được nâng cao nên cần phải phát triển xây dựng các nhà máy phát điện tận dụng các
nguồn tài nguyên vốn có như năng lượng mặt trời, năng lượng gió Trong đó, vấn
đề đáng quan tâm là hiệu suất và chất lượng điện năng.
Máy phát điện rotor dây quấn đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống
điện, nơi mà tính ổn định luôn được đòi hỏi cao. Trong đ
ó, vấn đề đáng quan tâm là
hiệu suất và chất lượng điện năng. Bộ điều khiển ổn định điện áp máy phát quan
trọng nhất là bộ điều khiển kích từ đi vào máy phát . Vì thế, đề tài của em “nghiên
4

cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió’’ sẽ đi sâu vào tính toán,
thiết kế bộ kích từ cho nhà máy phát điện gió.
0.3 Phạm vi nghiên cứu
0.3.1 Đối tượng nghiên cứu
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều
khiển máy phát điện rotor dây quấn được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió WECS (Wind Energy - Conversion System).
0.3.2 Phạm vi nghiên cứu
Luận vă
n tập trung vào các giải thuật điều khiển máy phát điện cảm ứng
rotor dây quấn. Và ba giải thuật được trình bày trong luận văn này là:

- Điều khiển tốc độ của tuabin gió.
- Điều khiển định hướng từ thông stator (Stator Flux Orient Control – SFOC)
với khâu điều chỉnh PI-anti_Winup.
- Điều khiển tần số và điện áp ngõ ra của máy phát ổn định.

5

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ
CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG GIÓ

1.1. Tổng quát
1.1.1. Gió
1.1.2. Tốc độ và hướng gió
1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió
1.1.4. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số
1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió
1.2.1. Máy phát điện đồng bộ
1.2.2. Máy phát điện cảm ứng
1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc
1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
2.2.5. Máy phát
điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)
1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định
1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất
1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất
6

1.1. Tổng quát [1]

Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo
1.1.1. Gió
Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ
trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong
quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.
Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động. Sự chuyển
động của không khí được gọi là gió.
Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt c
ủa trái đất, bị che khuất không nhận
được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn,
thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như
nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau.
7

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo
những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí
quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp.
1.1.2. Tốc độ và hướng gió
Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên
giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ.
• 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s
• 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph
• 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph
• 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s
Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới
điểm quan trắc. Hướng gió được
biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm
mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ.

Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 180
0
, hướng
tây ứng với góc 270
0
.
Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort.
(Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiên được đưa
ra để đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông
hồ, biển…
8


Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét
Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ
công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010.
Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam. Bản đồ phân bố tốc độ gió
được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’. Kết quả mô phỏng đượ
c trình
bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km.
Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió. Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC
(International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của
tuabincho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và
sự xáo động gió trong năm.
9

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió
Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió
Tiêu chuẩn
tuabintheo loại

(IEC)
I
(vùng có
gió mạnh)
II
(vùng có
gió khá mạnh)
III
(vùng có
gió trung bình)
IV
(vùng có
gió yếu)
Tốc độ gió tiêu biểu
của 50 năm v REF
50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s 30 m/s
Tốc độgió trung
bình trong năm v
TB
10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s 6 m/s
Tốc độgió cao nhất
trong 50 năm 1.4v
REF
70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s
Tốc độgió cao nhất
trong 1 năm
1.05vREF
52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s 31,5 m/s
1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió
Công nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus và loại

trụng ngang. Tuabin điện gió trục đứng có hệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình
giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại tuabin điện gió này thường được
sản xuất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5
đến 20kW. Trước kia một số
tuabin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind
rotor), phương pháp này có nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió
thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt. Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió được
thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi. Phần
lớn những tuabin điện gió hi
ện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up
wind rotor).