Nghiên cứu ảnh hưởng đấu nối các nhà máy phát điện gió lên lưới điện bình thuận

MC LC

CHNGă1ăGII THIU LUNăVĔN 1
1.1.ăăĐặt vnăđề: 1
1.2. Các kt qu trongăvƠăngoƠiăncăđƣăcôngăb: 2
1.3. Các vnăđề nghiên cu caăđề tài : 4
1.4. Mc tiêu và nhim v 6
1.5. Phngăphápăgii quyt 6
1.6. Gii hnăđề tài 6
1.7.ăĐiểm mi ca lunăvĕn 6
1.8. Phm vi ng dng 6
1.9. B cc ca lunăvĕn 7
CHNGă2ăăTNG QUAN 8
2.1 Bi cnh lch s phát triển : 8
2.2 Hin ti phát triển caănĕngălng gió trên th gii. 100
2.2.1) Cái nhìn tổng quát về trm phát năng lợng gió kết nối vào lới điện. 100
2.2.2) Châu Âu 11
2.2.3) Bắc Mĩ 12
2.2.4) Nam và Trung Mĩ. 14
2.2.5) Châu Á và Thái Bình Dơng 15
2.2.6 ) Trung Đông và Châu Phi 16
2.3 Kĩăthut hin ti ca turbine gió 16
CHNGă3ăăNĔNGăLNG GIÓ TRONG H THNGăĐIN 19
3.1 Đặc tính ca gió: 19
3.2 Tình hình phát triểnăđin gió  Vit Nam: 22
3.2.1 ) Tìm năng năng lợng gió : 22
3.2.2 ) Các dự án gió hiện nay : 23
CHNG 4 KHO SÁT CÁC LOI MÁY PHÁT GIÓ VÀ CÁC THIT B

ĐIN T CÔNG SUT TRONG TURBINES GIÓ 25
4.1 Các loi Tuabin gió: 25
4.1.1 ) Máy phát gió loi fixed-speed : 25
4.1.2 ) Máy pháy gió loi variable-speed : 26
4.1.3 )Tuabin gió vận tốc thay đổi dùng máy phát cm ứng nguồn đôi………
27
CHNGă5ăXÂYăDNG MÔ HÌNH MÔ PHNG PSCAD VÀ NGHIÊN CU
NHăHNGăCÁCăĐU NI PHÁT GIÓ. 29
5.1 Gii thiu về mô hình DFIG trong PSCAD : 29
5.2 Gii thiu về môăhìnhămáyăphátăkhôngăđng b rotor lòng sóc trong
PSCAD : 31
5.3 Nghiên cu nhăhngăđu niăcácănhƠămáyăphátăgióătrênăliăđin : 33
5.3.1 ) Mô hình đấu nối các nhà máy phát gió trên lới điện Bình Thuận: 33
5.3.2 ) Sơ đồ mô t đấu nối lới của các máy phát gió và các trm biến áp trên
lới điện Bình Thuận 37


5.3.3 ) Nghiên cứu nh hởng đấu nối các nhà máy phát gió lên lới điện Bình
Thuận : 38
ωHNG 6 KT LUN 117
6.1.Kt lun 117
6.2.Hớng phát trin đề tài 117
TÀI LIU THAM KHO 117

MCăLCăHỊNHăăNH



Bng 1.1: Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2004. 2
Bng 2.1 : Lịch sử turbine gió 8
Bng 2.2: Hot động của các turbine gió loi công suất lớn. 9
Bng2.3: Top 10 nớc có công suất lắp đặt tích lũy 10
Bng 2.4: Top 10 nớc có công suất lắp đặt mới. 10
Bng 2.5: Tổng công suất năng lợng gió lắp đặt trên toàn thế giới. 11
Bng 2.6: Tổng công suất năng lợng gió lắp đặt ở Châu Âu. 11
Bng 2.7: Tổng công suất năng lợng gió lắp đặt ở Châu Âu. 12
Bng 2.8: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 13
Bng 2.9: Tổng công suất lắp đặt ở Canada 13
Bng 2.10: Tổng công suất lắp đặt ở Mỹ 14
Bng 2.11: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 15
Bng 2.12: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 15
Bng 2.13: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 16
Bng 2.14: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 16

Bng 2.15 : Giá thành sn xuất ra 1 kWh của các nguồn năng lợng khác nhau 18
Hình 3.1 : Vận tốc gió khi qua cánh tuabin 20
Hình 3.2 : Hình vẽ thể hiện
opt

ứng với từng góc pitch-angle khác nhau. 21
Hình 3.3 : Biểu đồ thể hiện góc quay tối u với các hệ số λ khác nhau 22
Hình 4.1 : Dao động điện áp đầu ra khi đầu vào là vận tốc gió thay đổi với lo
máy phát fixed-speed 26
Hình 4.2 Cấu to cơ bn của loi fixed-speed 26


ảình 4.3 Điện áp đầu ra của máy phát khi đầu vào là vận tốc gió thay đổi khi sử
dụng máy phát loi variable-speed 27
Hình 4.4 Tuabin gió vận tốc thay đồi với máy phát DFIG 28
Bng 4.5 So sánh giữa các hệ thống tuabin gió 28
ảình 5.1 Sơ đồ máy phát mô phỏng trong PSCAD 29
Hình 5.2 : mô hình tuabin gió 29
ảình 5.3 : Xác định dòng điều khiển bên rotor 30
ảình 5.4 : Xác định vị trí của vector từ thông 30
Hình 5.5 : Vị trí của rotor 30
ảình 5.6 : Xác định góc slip-angle 30
ảình 5.7: Sơ đồ đóng cắt các khóa IGBT của phơng pháp điều khiển Hyteresis 31
Bng 5.8 : Quy hoch điện gió Bình Thuận 2015 34
Bng 5.9 : Công suất lắp đặt ti các khu vực 35
Hình 5.10 : Sơ đồ lới điện Bình Thuận và các nút đấu nối nhà máy phát gió 36
Hình 5.11 : Sơ đố đấu nối trm biến áp 37
ảình 5.12 : Sơ đồ đấu nối một nút wind farm 37
Bng 5.13 : Công suất từng cụm turbine 114
Hình 5.14 : Điện áp ti các nút 115

Hình 5.15 : Dòng phân bố công suất 116








NẢUYỄN BO QUC Trang 1
CHNGă1
GIIăTHIUăLUNăVĔN
1.1. Đặtăvnăđề:
Đin năng đóng vai trò rt quan trọng đi với sn xut sn phẩm hƠng hóa vƠ
ci thin đi sng ca con ngi. ωhính vì vy, nhƠ nớc luôn quan tơm tới sự phát
trin ca ngƠnh đin, to điều kin cho ngƠnh đin tr thƠnh một ngƠnh công nghip
mũi nhọn phục vụ sự nghip ωông nghip hóa ậ Hin đi hóa đt nớc.
Xu hớng chuyn dịch từ h thng đin độc quyền c cu theo chiều dọc sang
thị trng đin cnh tranh đƣ vƠ đang din ra mnh m  nhiều nớc trên th giới. Thị
trng đin với c ch m đƣ đem li hiu qu  các nớc vƠ cho thy những u đim
vợt trội hn hẳn h thng đin độc quyền c cu theo chiều dọc truyền thng. H
thng đin không ngừng phát trin c về s lợng, cht lợng vƠ độ tin cy. ωác nguồn
năng lợng đin đợc sử dụng ngƠy cƠng nhiều vƠ phong phú : gió, năng lợng mặt
tri, sóng bin
Năng lợng gió đợc sử dụng cách đơy 3000 năm. Đn đầu th kỉ 20, năng
lợng gió đợc dùng đ cung cp năng lợng c học nh bm nớc hay xay ngũ cc.
VƠo đầu kỉ nguyên công nghip hin đi, nguồn năng lợng gió đợc sử dụng đ thay
th năng lợng hóa thch hay h thng đin nhằm cung cp nguồn năng lợng thích
hợp hn.
Đầu những năm 1970, do khng hong giá dầu, vic nghiên cu năng lợng gió

đợc quan tơm. VƠo thi đim nƠy, mục tiêu chính lƠ dùng năng lợng gió cung cp
năng lợng đin thay th cho năng lợng c học. Vic nƠy đƣ lƠm cho năng lợng gió
tr thƠnh nguồn năng lợng đáng tin cy vƠ thích hợp nh sử dụng nhiều kĩ thut năng
lợng khác ậ thông qua mng lới đin dùng nh nguồn năng lợng dự phòng.
Turbine gió đầu tiên dùng đ phát đin đợc phát trin vƠo đầu th kỉ 20. Kĩ
thut nƠy đợc phát trin từng bớc một từ đầu những năm 1970. ωui những năm
1990, năng lợng gió tr thƠnh một trong những nguồn năng lợng quan trọng nht.
Trong những thp kỉ cui ca th kỉ 20, tổng năng lợng gió trên toƠn th giới tăng
xp xỉ gp đôi sau mỗi 3 năm. ωhi phí đin từ năng lợng gió gim xung còn 1/6 so
với chi phí ca đầu những năm 1980. VƠ xu hớng gim nƠy vn tip tục. ωác chuyên


NẢUYỄN BO QUC Trang 2
gia dự đoán rằng tổng năng lợng tích lũy trên toƠn th giới hằng năm s tăng khong
25% một năm vƠ chi phí s gim khong 20% - 40%.
Kĩ thut năng lợng gió phát trin rt nhanh v mọi mặt. ωui năm 1989, vic
ch to một turbine gió công sut 300 kW có đng kính rotor 30 m đòi hi kĩ thut
ti tơn. Nhng chỉ trong 10 năm sau đó, một turbine gió công sut 2000 kW có đng
kính rotor vƠo khong 80 m đƣ đợc sn xut đi trƠ. Tip theo đó dự án dùng turbine
gió công sut 3 MW có đng kính rotor 90 m đợc lắp đặt vƠo cui th kỉ 20. Hin
ti, turbine gió công sut 3 ậ 3.6 MW đƣ đợc thng mi hóa. ψên cnh đó, turbine
gió công sut 4 ậ 5 MW đƣ đợc phát trin hay chuẩn bị kim tra trong một s dự án,
vƠ turbine gió công sut 6 ậ 7 MW đang đợc phát trin trong tng lai gần. ψng 1
cho ta cái nhìn về sự phát trin ca turbine gió từ năm 1985 đn năm 2004.
Năm
ωông sut (kW)
Đng kính rotor (m)
1985
50
15

1989
300
30
1992
500
37
1994
600
46
1998
1500
70
2003
3000 ậ 3600
90 ậ 104
2004
4500 ậ 5000
112 ậ 128
Bng 1.1: Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2004.

Trên c s những kt qu ca các công trình nghiên cu trớc đơy về sự phát
trin ca năng lợng gió đƣ đt đợc, đề tƠi đề xut tên “Nghiên cứỐ nh hưởng đấỐ
ni các nhà máy phát gió trên lưới điện Bình ThỐận” nhằm nghiên cu các nh
hng khi đu ni các nhƠ máy phát gió đn lới đin truyền ti về công sut tác dụng,
công sut phn kháng, đin áp nút khi vn hƠnh  ch độ bình thng vƠ ch độ sự c
đ đánh giá kh năng vƠ hiu qu ca vic đu ni các nhƠ máy phát gió từ đó gim
đợc chi phí sn xut đin năng , nơng cao hiu qu truyền ti vƠ hn ch nhợc đim
ca các công trình nghiên cu trớc đơy.

1.2. CácăktăquătrongăvƠăngoƠiăncăđƣăcôngăb:

H thng lới đin truyền ti quc gia c bn đáp ng đợc các yêu cầu truyền
ti đin năng từ các nhƠ máy đin cho các phụ ti, đm bo cung cp đin phục vụ cho
nhu cầu phát trin kinh t - xƣ hội vƠ nhằm gim tổn tht đin năng do truyền ti. Tuy


NẢUYỄN BO QUC Trang 3
nhiên, h thng vn cha có kh năng cung ng dự phòng, vic nghiên cu đa vƠo sử
dụng các nguồn năng lợng mới lƠ vn đề cp thit đáp ng nhu cầu đin cũng nh
năng lợng quc gia. ωhính vì điều đó, vic nghiên cu tính toán vƠ thit k h thng
nhƠ máy đin gió đóng vai trò quan trọng trong vic phát trin h thng đin quc gia.
Hin nay, nhƠ nớc ta có nhiều công trình ng hộ nghiên cu phát trin đin gió, cụ
th lƠ :
 ωhng trình dự án năng lợng gió GIZ “Tình hình phát trin đin gió
vƠ kh năng cung ng tƠi chính cho các dự án  Vit Nam”, Phan Thanh
Tùng, Vũ ωhi Mai , Angelika Wasielke 2012
 Đề tƠi nghiên cu khoa học cp nhƠ nớc , đề tƠi mƣ s : 59A.01.12
“Máy đin dị bộ nguồn kép dùng lƠm máy phát trong h thng phát đin
chy sc gió: ωác thut toán điều chỉnh bo đm phơn ly giữa mômen vƠ
h s công sut “ , Nguyn Phùng Quang , 1998
 Dự án hợp tác Quỹ bo v môi trng Vit Nam vƠ Hội đồng kỹ thut
đin quc t ( IEω ) “European Wind Energy Association ậ EWEA “,
Vin KHωN Môi Trng , 02 / 2012
Hin ti, ti các quc gia phát trin vƠ các trng Đi học lớn trên th giới cũng
bắt tay vƠo nghiên cu đu ni vn hƠnh các nhƠ máy phát gió lên lới đin truyền ti,
ti u hóa các luồn phơn b công sut nơng cao hiu qu truyền ti, gim chi phí, sử
dụng nh nguồn năng lợng dự phòng sch. ωụ th lƠ:
 Transient Analysis of Grid-Connected Wind Turbines with DFIG After
an External Short-Circuit Fault, Tao Sun, Z Chen, Frede Blaabjerg,
NORDIC WIND POWER CONFERENCE, 1-2 MARCH, 2004,
CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY.

 . Renewable and Efficient Electric Power Systems, Gilbert M. Masters,
Stanford University; Wiley.
 Control and Stability Analysis of a Doubly Fed Induction Generator
Toufik Bouaouiche, Mohamed Machmoum IREENA-LARGE, Saint
Nazaire cedex, France
 Novel Power Electronics Systems for Wind Energy Application : Final
Report; Erickson, Al-Naseem, University of Colorado


NẢUYỄN BO QUC Trang 4
ψằng phng pháp đo đc, chúng ta đƣ lp đợc biu đồ quang khí hu ti
nhiều vùng ca Vit Nam. ψn đồ quang khí hu mƠ cụ th lƠ tc độ gió s cho cái
nhìn chính xác hn về điều kin phát đin bằng năng lợng gió.
Với sự trợ giúp ngƠy cƠng nhiều vƠ cƠng mnh ca máy tính, các chng trình
tính toán đợc vit đ mô hình hóa vƠ mô phng công trình với các điều kin địa lý, tự
nhiên, khí hu, vt liu vƠ kỹ thut thit bị. Nh đó, cƠng có th đa thêm nhiều rƠng
buộc đầu vƠo trong bƠi toán năng lợng gió, nh đó có th đa ra đợc những dự báo
chính xác hn.
1.3. CácăvnăđềănghiênăcuăcaăđềătƠiă:
TínhăcpăthităcaăđềătƠi
Trong thực tin, h thng đin gió ca Vit Nam đợc thit k vƠ xơy dựng dựa
trên Quy định tiêu chuẩn Vit Nam về h thng đin gió nh sau:
 Quyt định 1208/2011/QĐ-TTg ban hƠnh ngƠy 21 tháng 7 năm 2011 về
phê duyt Quy hoch phát trin đin lực quc gia giai đon 2011-2020
có xét đn năm 2030.
 Quyt định ca Th tớng ωhính ph s 26/2006/QĐ-TTg3 ban hành 26
tháng 01 năm 2006, phê duyt lộ trình, các điều kin hình thƠnh vƠ phát
trin các cp độ thị trng đin lực
 Quyt định 24/2011/QĐ-TTg ca Th tớng ωhính ph về điều chỉnh
giá bán đin theo c ch thị trng

 Quyt định 37/2011/QĐ-TTg về c ch hỗ trợ phát trin các dự án đin
gió ti Vit Nam.
 Quyt định 18/2008/QĐ-ψωT về biu giá chi phí tránh đợc vƠ Hợp
đồng mua bán đin mu áp dụng cho các nhƠ máy đin nh sử dụng năng
lợng tái to
Do đặc thù tính không ổn định ca gió tự nhiên nên khi tính toán thit k h
thng đin gió, ngi ta phi tn dụng một s thit bị đin tử công sut trong h thng


NẢUYỄN BO QUC Trang 5
. Tuy nhiên, gió tự nhiên có những u đim nh tính kinh t cao nên thng đợc yêu
cầu xem xét trong thit k h thng cung cp đin cho khu vực nh không ni lới
Mặc dù c cu đin năng sn xut từ gió cung cp cho h thng đin chỉ chim
từ 2% đn 5% tổng nhu cầu đin năng ca h thng đin. Tuy nhiên, vic tn dụng
năng lợng đin gió đợc dự tính có th thay th lới đin quc gia đ cung cp đin
cho các khu vực nh đo, vung đồng bằng cửa sông hoặc gần bin. Điều nƠy s đem
li một tiềm năng tit kim năng lợng lớn trong h thng đin so với gii pháp sử
dụng các nguồn năng lợng hóa thch.
Vic dự đoán một mng đin gió ti u đem li kt qu thực tin cho các gii
pháp về cung cp đin cũng nh h thng truyền ti vƠ phơn phi đin năng. Kt qu
ca vic nghiên cu nƠy giúp thit k những h thng đin gió ni lới phù hợp thực t
d vn hƠnh mang lai hiu qu về c tính kỹ thut vƠ kinh t.
ụănghĩaălun
Vic đa thêm vƠo s dụng nguồn năng lợng đin gió giúp ta từng bớc cơn
bằng li nguồn năng lợng cung ng cho h thng đin. Rõ rƠng năng lợng gió lƠ
nguồn năng lợng tự nhiên vƠ vô tn vic tn dụng một cách hiu qu nguồn năng
lợng nƠy vƠo h thng đin quc gia s mang lai rt nhiu lợi ích kinh t đi kém lƠ
các gii pháp tit kim năng lợng. Nu bit rõ đặc tính ca năng lợng gió vƠ các
thit bị phát đin bằng năng lợng gió khi đa vƠo đu ni các nhƠ máy đin gió s
giúp vic vn hƠnh d dƠng hn vƠ hiu qu s tăng cao. Tuy nhiên, chúng ta cần có

những tính toán cụ th, những thí nghim gần với thực t đ vửa đm bo cht lợng
đin năng cũng nh hiu qu kinh t khi đu ni các nhƠ máy phát gió.
TínhăthcătinăcaăđềătƠi
Hin nay, nguồn năng lợng chính cung cp cho h thng đin vn lƠ thy đin,
nhit đin vƠ phi nhp khẩu từ nớc ngoƠi, cho nên vic nghiên cu đa vƠo sử dụng
nguồn năng lợng đin gió lƠ ht sc cần thit vƠ thực t.
NgoƠi ra, nớc ta có tiềm năng ln về nguồn năng lợng gió, đồng thi đợc sự
hỗ trợ giúp đỡ từ chính ph, các tổ chc năng lợng đin gió, s giúp ta có c s đ
huy hoch phát trin, đầu t xơy dựng các h thng đin gió  các vùng có tiềm năng
về gió ti Vit Nam.


NẢUYỄN BO QUC Trang 6
Do đó, vic nghiên cu nh hng ca vic đu ni các nhƠ may phát gió tai
vung có tiềm năng lớn nh ψình thun s giúp ta có cái nhien chính xác hn vƠ những
đƠnh giá về kh năng đầu t xơy dng vƠ hòa lới đin quc gia với các dự án đin
gió.
1.4. McătiêuăvƠănhimăv
 Tìm hiu các loi máy phát gió
 Trình bƠy nguyên lý hot động vƠ điều khin ca máy phát gió rotor lòng
sóc và DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)
 Gii quyt bƠi toán vn hƠnh khi đu ni các nhƠ máy phát gió lên lới đin
o Vn hƠnh ch độ bình thng
o Vn hƠnh ch độ sự c
 Đánh giá kh năng vƠ hiu qu các nhƠ máy phát gió khi đu ni vn hƠnh
1.5. Phngăphápăgiiăquytă
- Gii tích vƠ mô phng toán học.
- ng dụng phần mềm PSCAD.

1.6. GiiăhnăđềătƠi

 ωhỉ xét đn hớng vn hƠnh các nhƠ máy phát gió trên lới truyền ti,
không xét đn cu to vƠ nguyên lý điều khin ca các nhƠ máy phát gió.

1.7. Điểmămiăcaălunăvĕn
- Xơy dựng mô hình nghiên cu các nh hng ca các nhƠ máy phát gió lên
lới đin có thông s đin lực thực t.
- Xét đn các trng hợp bình thng vƠ sự c đ đánh giá kh năng đu ni
các nhà máy phát gió.

1.8. Phmăviăngădng
- ng dụng cho các mô hình hay lới đin bt kỳ.
- ng dụng cho các lới đin IEEE mu.
- ng dụng cho lới đin 500KV , 200KV Vit Nam tính đn năm 2012.


NẢUYỄN BO QUC Trang 7
- LƠm tƠi liu tham kho khi vn hƠnh lới đin có đu ni các nhƠ máy phát
gió.
- LƠm tƠi liu tham kho cho bƠi ging môn học cung cp đin.
1.9. Băccăcaălunăvĕn
ωhng 1: Giới thiu lun văn.
ωhng 2: Tổng quan.
ωhng 3: Năng lợng gió trong h thng đin.
ωhng 4:
Kho sát các loi máy phát gió vƠ các bộ đin tử công sut trong
turbines gió.
ωhng 5: Xơy dng mô hình mô phng PSωAD vƠ nghiên cu các nh hng
đu ni các nhà máy phát gió
ωhng 6: Kt lun.

NẢUYỄN BO QUC Trang 8
CHNGă2ă
TNGăQUAN
2.1 Biăcnhălchăsăphátătriển :

Trong năm 1891, Dane Poul Laωour đƣ ch to turbine gió đầu tiên phát ra
đin. ωác kĩ s Đan Mch đƣ phát trin kĩ thut đ bổ sung năng lợng thiu trong
chin tranh th giới th nht vƠ th hai. Turbine gió ca công ty Đan Mch F. L.
Smidth ch to trong năm 1941 ậ 1942 có th đợc xem lƠ nguyên mu đầu tiên ca
turbine gió phát đin ngƠy nay. Turbine gió Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay
dựa trên kĩ thut tiên tin ca ngƠnh máy bay cùng thi. VƠo cùng thi đim đó, một
ngi Mĩ Palmer Putnam đƣ ch to turbine gió khổng lồ cho công ty Mĩ Morgan
Smith ωo., có đng kính 53 m. Turbine gió nƠy không chỉ khác  kích thớc to lớn
mƠ kĩ thut ch to cũng khác bit. Kĩ thut ca ngi Đan Mch c bn dựa trên cánh
qut theo chiều gió đang thổi với sự điều khin ngừng quay, hot động  tc độ chm.
Kĩ thut ca Putnam c bn dựa trên cánh qut theo hớng gió thổi với bộ điều chỉnh
tc độ. Tuy nhiên turbine gió ca Putnam vn cha thƠnh công. Nó đợc dỡ b vƠo
năm 1945. ψng 2 s cho ta cái nhìn tổng quát về lịch sử ca turbine gió.

Turbine và
nớc sn xut
Đng
kính
(m)
Din tich
quét (m
2
)
Công
sut
(kW)
Công
sut
riêng
(kW/m
2
)
S
cánh
qut
ωhiều
cao
tháp
(m)
Ngày
ra
đi
Poul LaCour,
Đan Mch

23
408
18
0.04
4
¾
1891
Smith ậ
Putnam, USA
53
2231
1250
0.56
2
34
1941
F. L. Smidth,
Đan Mch
17
237
50
0.21
3
24
1941
F. L. Smidth,
Đan Mch
24
456
70

0.15
3
24
1942
Gedser, Đan
Mch
24
452
200
0.44
3
25
1957
Hutter, Đc
34
908
100
0.11
2
22
1958

Bng 2.1 : Lịch sử turbine gió

Sau chin tranh th giới th hai,  Đan Mch Johannes Juul ci tin kĩ thut
thit k ca ngi Đan Mch. Turbine gió ca anh ta, đợc đặt  Gedser ậ Đan Mch,


NẢUYỄN BO QUC Trang 9
phát 2.2 triu kWh từ năm 1956 vƠ 1967. VƠo cùng thi đim đó, gia đình German

Hutter đƣ phát trin một kĩ thut thit k mới. Turbine gió gồm 2 cánh mng bằng
nhựa đón theo hớng gió thổi ca tháp trên trục quay. Turbine gió nƠy nổi ting về
hiu sut cao.
Trái li sự thƠnh công ca turbine gió Juul vƠ Huuter, vic nghiên cu turbine
gió công sut lớn bị ngng sau chin tranh th giới th hai. ωhỉ có loi turbine gió
công sut nh cho h thng công sut  vùng sơu vùng xa hay sc pin lƠ còn đợc
quan tơm. Vic khng hong giá dầu đầu những năm 1970, năng lợng gió mới đợc
quan tơm tr li. Kt qu lƠ tƠi chính hỗ trợ cho nghiên cu vƠ phát trin năng lợng
gió đƣ đợc đầu t. ωác nớc nh Đc, Mĩ vƠ Thụy Đin đƣ nghiên cu phiên bn
turbine gió công sut lớn (vƠo khong megawatt). Tuy nhiên, nhiều phiên bn nƠy
(xem bng 1.3) đƣ không đáp ng đợc mong đợi vì nhiều vn đề kĩ thut.
Turbine vƠ nớc
sn xut
Đng
kính
(m)
Din tich
quét (m
2
)
Công
sut
(MW)
Gi
hot
động
ωông sut
đƣ phát
(GWh)
Thi gian

hot động
Mod ậ 1, USA
60
2827
2
¾
¾
1979 ậ 83
Growian, Đc
100
7854
3
420
¾
1981 ậ 87
Smith ậ Putnam,
USA
53
2236
1.25
695
0.2
1941 ậ 45
WTS ậ 4, USA
78
4778
4
7200
16
1982 ậ 94

Nibe A, Đan Mch
40
1257
0.63
8414
2
1979 ậ 93
WEG LS ậ 1, GB
60
2827
3
8441
6
1987 ậ 82
Mod ậ 2, USA
91
6504
2.5
8658
15
1982 ậ 88
Nasudden I, Thụy
Đin
75
4418
2
11400
13
1983 ậ 88
Mod ậ OA, USA

38
1141
0.2
13045
1
1977 ậ 82
Tjæreborg, Đan
Mch
61
2922
2
14175
10
1988 ậ 93
École, Canada
64
4000
3.6
19000
12
1987 ậ 93
Mod ậ 5B, USA
98
7466
3.2
20561
27
1987 ậ 92
Maglarp WTS ậ 3,
Thụy Đin

78
4778
3
26159
34
1982 ậ 92
Nibe ψ, Đan Mch
40
1257
0.63
29400
8
1980 ậ 93
Tvind, Đan Mch
54
2290
2
50000
14
1978 ậ 93
Bng 2.2: Hot động của các turbine gió loi công suất lớn.





NẢUYỄN BO QUC Trang 10
2.2 Thc ti phát triển caănĕngălng gió trên th gii.

Mục tip theo s giới thiu cái nhìn tổng quát về hin ti phát trin ca năng

lợng gió trên toƠn th giới vƠo cui th kỉ 20. Xa hn chúng ta s tìm hiu những mô
hình hỗ trợ năng lợng gió. ωái nhìn tổng quát đợc chia thƠnh hai phần:
 Máy phát năng lợng gió kt ni vƠo lới đin.
 H thng độc lp.

2.2.1) Cái nhìn tổng quát về trm phát năng lợng gió kết nối vào lới điện.

Năng lợng gió lƠ nguồn năng lợng có kĩ thut phát trin nhanh nht vƠo
những năm 1990 khi xét về tỉ l phần trăm sự phát trin công sut lắp đặt so với nguồn
kĩ thut. Tuy nhiên, sự phát trin ca nguồn năng lợng gió không phơn phi đều trên
toƠn th giới (dựa theo bng đ thy rõ sự chênh lch).

Bng2.3: Top 10 nớc có công suất lắp đặt tích lũy

Bng 2.4: Top 10 nớc có công suất lắp đặt mới.


NẢUYỄN BO QUC Trang 11
2.2.2) Châu Âu

Giữa cui năm 1995 vƠ cui năm 2003, khong 76% trm phát năng lợng gió
mới kt ni vƠo mng lới đin trên th giới đợc lắp đặt  ωhơu Âu (theo bng 6).
Đt nớc có công sut gió lắp đặt lớn nht  ωhơu Âu lƠ Đc, Đan Mch, Tơy ψan
Nha (theo bng 7).

Bng 2.5: Tổng công suất năng lợng gió lắp đặt trên toàn thế giới.


Bng 2.6: Tổng công suất năng lợng gió lắp đặt ở Châu Âu.

NẢUYỄN BO QUC Trang 12

Bng 2.7: Tổng công suất năng lợng gió lắp đặt ở Châu Âu.

 những nớc có tổng công sut gió lớn, yu t chính trong sự phát trin cùa
năng lợng gió đợc gọi lƠ thu nuôi c định cho năng lợng gió. Loi thu nuôi c
định nh vy đợc định nghĩa bi chính ph nh lƠ giá mua năng lợng mƠ sự phơn
phi địa phng hay công ty truyền ti phi tr cho sự sn sinh năng lợng tái to
đợc đa vƠo h thng mng. Thu nuôi c định điều chỉnh gơy nguy him tƠi chính
cho nhƠ đầu t năng lợng gió khi giá mua năng lợng lƠ một giá c bn c định trong
khong ti thiu 10 đn 15 năm.
Ví dụ,  Đc, c quan năng lợng mới (EEG ậ Renewable Energy Sources Act)
xác định giá mua (thu nuôi c định) cho năng lợng gió lắp đặt trong năm 2004 nh
sau: 8.8 eurocents cho 1 kWh trong 5 năm đầu tiên vƠ 5.9 eurocents cho 1 kWh trong
những năm tip theo. Hin ti chính ph Đc đang lƠm vic đ thay đổi EEG vƠ giá
mua năng lợng
2.2.3) Bắc Mĩ

Năm 1998 bớc ngoặt th hai đợc bắt đầu  Mĩ. Thi đim nƠy, các nhƠ phát
trin dự án gió đƣ lắp đặt các dự án truớc khi Quỹ thu sn phẩm liên bang (PTω ậ
Production Tax ωredit) ht hiu lực trong ngƠy 30 ậ 5 ậ 1999. PTω đƣ thêm 0.016 -
0.017 $ cho 1 kWh vƠo các dự án năng lợng gió trong 10 năm đầu tiên ca tuổi thọ


NẢUYỄN BO QUC Trang 13
nhƠ máy năng lợng gió. Trong khong giữa năm 1998 vƠ ngƠy 30 ậ 5 ậ 1990, thêm
hn 800 MW nhƠ máy năng lợng gió mới đợc lắp đặt  Mĩ. Điều nƠy bao gồm
khong 120 cho đn 250 MW ca sự phát trin năng lợng tái to  vƠi nông tri gió
ωalifornia. Một sự phát trin tng tự xy ra vƠo cui năm 2001, đó lƠ thêm 1600 MW

vƠo khong giữa năm 2001 vƠ tháng 11 ậ 2001 cũng nh vƠo cui năm 2003, với vic
thêm 1600 MW. Đầu năm 2004, PTω đƣ giữ li lần nữa vƠ sự phát trin ca năng
lợng gió  Mĩ gim xung. Tuy nhiên, 9 ậ 2004 PTω đƣ hồi phục li cho đn cui
năm 2006. NgoƠi ωalifornia vƠ Texas, còn có những dự án lớn  các bang Iowa,
Minnesota, Oregon, Washington, Wyoming và Kansas. Nông tri gió cỡ lớn đầu tiên
cũng vừa mới lắp đặt  ωanada.


Bng 2.8: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006
– cuối năm 2006


Bng 2.9: Tổng công suất lắp đặt ở Canada



NẢUYỄN BO QUC Trang 14

Bng 2.10: Tổng công suất lắp đặt ở Mĩ.

ωông sut đặc trng ca turbine gió  ψắc Mĩ vƠo cui những năm 1990 vƠo
khong 500 đn 1000 kW. Năm 1999, turbine megawatt đầu tiên đợc dựng lên vƠ từ
năm 2001, nhiều dự án đƣ sử dụng turbine megawatt. Tuy nhiên khi so sánh với ωhơu
Âu, nói chung kích thớc ca nông tri gió thng lớn hn. Thông thng,  ψắc Mĩ,
nông tri gió thng lớn hn 50 MW, trong đó cũng có một vƠi dự án lên tới 200 MW.
 ωhơu Âu, các dự án thng vƠo khong 20 đn 50 MW. Nguyên nhơn lƠ mt độ dơn
s cao  Trung tơm Âu vƠ k tip lƠ din tích giới hn. Những hn ch nƠy đƣ dn đn
sự phát trin năng lợng gió ngoƠi khi.  Mĩ, các dự án ngoi khi vn cha đợc
quan tâm.

2.2.4) Nam và Trung Mĩ.

Trái với nguồn tƠi nguyên gió dồi dƠo  nhiều vùng Nam vƠ Trung Mĩ, sự phát
trin năng lợng gió  đơy rt chm, bi vì thiu những chính sách năng lợng gió phù
hợp cũng nh giá đin thp. Nhiều dự án gió  Nam Mĩ có nguồn tƠi chính hỗ trợ bi
các chng trình trợ giúp quc t. Tuy nhiên, Argentina đƣ giới thiu chính sách mới
vƠo cui năm 1998 qua đó cung cp tƠi chính hỗ trợ nhƠ máy năng lợng gió, nhng
thƠnh công rt ít.  ψrazil, thực tin chính quyền một vƠi vùng đƣ bắt đầu cung cp
thu nuôi u đƣi cho năng lợng gió. ωông sut đặc trng ca turbine gió  vùng nƠy
vƠo khong 300 kW. Kích thớc gió lớn hn rt khó lắp đặt do hn ch ca c s h
tầng cho những thit bị lớn (ví dụ nh cần trục). Năng lợng gió ngoƠi khi cha có k
hoch, nhng xa hn nữa dự án nh vƠ trung bình (≤ 100 MW) đang đợc phát trin
trong b, đặc bit  ψrazil.



NẢUYỄN BO QUC Trang 15

Bng 2.11: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối
năm 2006
2.2.5) Châu Á và Thái Bình Dơng

n Độ đƣ đt đợc sự tăng trng n tợng trong vic lắp đặt turbine gió vƠo
giữa những năm 1990, to nên “Sự kin n Độ”. Năm 1992/93, chính ph n Độ đƣ
bắt đầu cung cp những sự khuyn khích đặc bit cho đầu t năng lợng tái to (ví dụ
nh định mc mua ti thiu đợc đm bo, vƠ 100% gim thu đợc phép trong năm
đầu tiên ca dự án).
 Trung Quc, sự phát trin năng lợng gió đợc hớng trội hn bi các
chng trình hỗ trợ quc t, mặc dù một vƠi chng trình chính ph xúc tin năng
lợng gió (ví dụ nh chng trình cỡi trên gió ca y ban k hoch).  Nht, sự phát

trin nổi trội bi các dự án minh chng kim tra với nhiều kĩ thut turbine gió khác
nhau. VƠo cui những năm 1990 dự án năng lợng gió thng mi đầu tiên bắt đơu
hot động trên hòn đo Hokkaido vƠ Okinawa, Nghiên cu năng lợng gió liên tục
phát trin  Nht. ωũng vƠo cui những năm 1990, dự án năng lợng gió đầu tiên đợc
trin khai  New Zealand vƠ Úc. Hớng hỗ trợ chính cho sự phát trin năng lợng gió
 Úc lƠ mô hình chng nhn xanh.
 Trung Quc vƠ n Độ, công sut đặc trng ca turbine gió vƠo khong 300
ậ 600 kw; tuy nhiên, vƠi turbine megawatt cũng đợc lắp đặt.  Úc, Nht vƠ New
Zealand, ch yu dùng loi 1 ậ 1.5 MW.

Bng 2.12: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006


NẢUYỄN BO QUC Trang 16

Bng 2.13: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối
năm 2006

2.2.6 ) Trung Đông và Châu Phi

Sự phát trin năng lợng gió  ωhơu Phi rt chm. Hầu ht các dự án yêu cầu
hỗ trợ tƠi chính từ Quc t vƠ các tổ chc, vƠ có giới hn vùng hỗ trợ. Dự án đợc lên
k hoch  Ai ωp, ni c quan nhƠ nớc cho năng lợng mới vƠ tái to (NREA ậ
New and Renewable Energy Authority) mun xơy dựng dự án 600 kW gần thƠnh ph
Zafarana. Một dự án cũng đang đợc lên k hoch  Morocco cũng nh  Jordan (25
MW). ωông sut đặc trng ca turbine gió dùng trong những vùng nƠy vƠo khong
300 kW, nhng cũng có k hoch dùng turbine 500 ậ 600 kW cho những dự án tng
lai.

Bng 2.14: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006
– cuối năm 2006


2.3 Kĩăthut hin ti ca turbine gió

H thng chuyn đổi năng lợng gió có th chia thƠnh loi phụ thuộc vào kéo
động lực vƠ loi nơng động lực. Vùng Persian (hay Trung Quc) sớm sử dụng cánh
qut trục đng theo quy tắc kéo. Tuy nhiên, thit bị loi kéo có h s công sut rt
thp, với giá trị max đt khong 0.16.
Turbine gió hin đi dựa trên u th ca quy tắc nơng. Thit bị loi nơng dùng
cánh máy bay (cánh) tng tác với hớng gió đang tới. Lực lƠ kt qu từ thơn máy bay
tng tác với dòng không khí lu chuyn bao gồm không chỉ có thƠnh phần lực kéo
theo hớng trực tip dòng lu chuyn mƠ còn có thƠnh phần lực vuông góc với hớng
kéo: lực nơng. Lực nơng lƠ một bội s ca lực kéo vƠ do đó liên quan đn năng lợng
quay rotor. Theo định nghĩa, nó vuông góc với hớng dòng khí lu chuyn có nghĩa bị


NẢUYỄN BO QUC Trang 17
chắn bi cánh rotor vƠ thông qua lực đòn bẩy ca rotor, nó lƠ nguyên nhân gây momen
quay cần thit.
Turbine gió theo nguyên tắc nơng động lực có th chia dựa theo hớng ca trục
quay thƠnh loi turbine trục ngang vƠ trục đng. Turbine trục đng nổi ting lƠ turbine
Darrieus sau khi kĩ s ngi Pháp phát minh ra chúng trong những năm 1920, sử dụng
trục đng thông thng hi cong, cánh máy bay đi xng. Turbine Darrieus có u
đim lƠ chúng có th hot động độc lp hớng gió, hộp s vƠ c cu máy phát có th
đặt dới đt. Moment quay lớn với ci tin, không có kh năng tự vn hƠnh tt nh
thƠnh phần hn ch cho bộ đìều tc khi sc gió lớn, đơy lƠ nhợc đim lớn. Turbine
trục đng đợc phát trin vƠ thng mi sn xut trong những năm 1970 cho đn cui
những năm 1980, Turbine gió trục đng lớn nht đợc lắp đặt  ωanada ậ Ecole C có

công sut 4200 kW. Tuy nhiên, k cui những năm 1980 vic nghiên cu vƠ phát trin
turbine gió trục đng hầu nh ngng trên toƠn th giới.
Trục ngang, hay loi chơn vịt, hin ti chim u th trong ng dụng turbine gió.
Một turbine gió trục ngang gồm tháp vƠ bộ máy đợc đặt trên tháp. ψộ máy cha máy
phát, hộp s vƠ rotor. Sự khác bit về kĩ thut lƠ bộ máy hớng theo gió hay chuyn bộ
máy ra khi hớng gió khi sc gió lớn.  turbine nh, rotor vƠ bộ máy đợc hớng
vƠo trong gió với đuôi chong chóng.  turbine lớn, rotor vƠ bộ máy tự động trch
hớng vƠo trong hay ngoƠi hớng gió, đ đáp ng tín hiu từ đuôi chóng chóng gió.
Đặc trng turbine gió trục ngang dùng s cánh qut khác bit, phụ thuộc vƠo
mục đích sử dụng vƠo turbine. Loi hai cánh hay ba cánh đợc sử dụng nhiều nht
trong máy phát đin. Turbine có 20 hay nhiều hn sử dụng đ bm nớc. S lợng
cánh rotor nh hng gián tip tỉ s tc độ l, lƠ tỉ s giữa tc độ cánh vƠ tc độ gió:

V
R





Trong đó w: tần s quay(rad/s)
R: bán kính ca rotor(m)
V: vn tc gió(m/s)
Turbine gió có s cánh nhiều thì có tỉ s tc độ thp nhng moment quay khi
động lớn. Turbine gió có chỉ hai hay ba cánh có tỉ s tc độ cao nhng moment quay
khi động nh. Những turbine nƠy có th cần đợc khi động nu tc độ gió đt trong


NẢUYỄN BO QUC Trang 18
tầm hot động. Tuy nhiên, tỉ s tc độ cao cho phép bộ hộp s nh hn nên nhẹ hn đ

đt tc độ cao ti trục ca máy phát.
Hin ti, turbine gió ba cánh đợc dùng phổ bin trên thị trng cho ghép ni
lới. Loi nƠy có u đim lƠ moment quán tính rotor d kim soát hn so với turbine
gió loi hai cánh. Hn nữa, loi turbine ba cánh có tính thm mĩ tt hn vƠ mc độ ồn
ít hn so với loi hai cánh. Những vn đề nƠy rt quan trọng khi xem xét ng dụng
turbine gió trong những vùng dơn c đông đúc.
Loi turbine gió hai cánh có u đim trên tháp s có trọng lợng nh hn vƠ do
đó cu trúc hỗ trợ có th xơy nhẹ hn vƠ do đó giá thƠnh liên quan s thp hn. Tính
thẩm mĩ vƠ mc độ ồn không quan trọng khi xét  ngoƠi khi, giá thƠnh thp lƠ điều
thu hút, vì th turbine gió loi 2 cánh đợc phát trin cho thị trng ngoƠi khi.
Đơy lƠ bng tổng hợp về giá thƠnh đ sn xut ra 1 kWh đin ca các nguồn
năng lợng khác nhau, s liu đợc tổng hợp vƠo năm 2006.






Bng 2.15 : Giá thành sn xuất ra 1 kWh của các nguồn năng lợng khác
nhau




NẢUYỄN BO QUC Trang 19
CHNGă3
NĔNGăLNGăGIịăTRONGăHăTHNGăĐIN
3.1 Đặc tính ca gió:

ωông sut ca một khi không khí di chuyn với vn tc V qua một din tích A

có th đợc tính nh sau :

ωông sut trong gió =
3
1
2
AV


Với


: mt độ không khí (kg.m
-3
);
 V : vn tc gió

ωông sut trong gió thì tỉ l với mt độ không khí

, din tích chắn A( din tích
ca roto tua bin gió) vƠ vn tc V lp phng. Mt độ không khí lƠ một hƠm ca áp
sut không khí vƠ nhit độ không khí , với áp sut không khí vƠ nhit độ không khí
đều lƠ hƠm ca độ cao trên mặt nớc bin
0
( ) exp
P
gz
z
RT RT








Với

()z

: mt độ không khí theo độ cao trên mặt nớc bin(kg.m
-3
)
 P
0
: mt độ không khí tiêu chuẩn ti mặt nớc bin (1.225kgm
-3
)
 R :hằng s khí lý tng ( 287.05 Jkg
-1
K
-1
)
 g: hằng s trọng trng(9.81 m.s
-2
)
 T : nhit độ (K)
 z : độ cao trên mặt nớc bin (m)
ωông sut trong gió lƠ tổng năng lợng có sẵn trên một đn vị thi gian. ωông
sut trong gió đợc chuyn thƠnh năng lợng quay c ca rotor tua bin gió, điều nƠy

s lƠm gim vn tc ca khi không khí. ωông sut trong gió không th đợc hp thụ
hoƠn toƠn bằng tua bin gió vì nh th khi lợng không khí s dừng li hoƠn toƠn
trong vùng chắn ca roto. Điều nƠy s dn đn sự tắt nghn cho các khi không khí
phía sau.
Định lý ti u cho vic sử dụng công sut trong gió bằng cách gim vn tc ca
nó đợc phát hin ra đẩu tiên bi ψetz, vƠo năm 1926. Theo ψetz, công sut ti đa có
th hp thụ từ gió lƠ
33
11
0.59
22
Betz PBetz
P AV C AV

  



NẢUYỄN BO QUC Trang 20
Do vy, thm chí sự hp thụ công sut không có một chút tổn hao nƠo nhng
chỉ có 59% công sut ca gió có th đợc sử dụng bi tuabin gió.

H s chuyn đổi ca năng lợng gió ω
P
: ( Định lut ψezt)

- ωho mô hình nh sau :

Hình 3.1 : vận tốc gió khi qua cánh tuabin

V : vn tc trớc tuabin ( upwind)
V
d
: vn tc sau tuabin ( downwind)
V
b
: vn tc ca cánh qut

Khi nƠy thì năng lợng hp thụ bi Tuabin gió lƠ :
P
b
= ½ m‟ ( v
2
ậ v
d
2
)
Với m‟ : gọi lƠ mass flow rate
m‟ = ρ A v
b

 đơy 1 cách gần đúng ta có th xem nh : V
b
= ( v + v
d
)/2
Khi đó thì P
b
s bằng :
P

b
= ½ ρ A (
2
d
vv
) ( v
2
ậ v
d
2
) (*)
Đặt : λ =
d
v
v

Khi đó (*) s lƠ :

2 2 2 3 2
1 1 1
( )( ) (1 )(1 )
2 2 2 2
b
vv
P A v v Av

    


    




Với : ½ ρAv
3
lƠ năng lợng ca khi không khí di chuyn với vn tc lƠ v ,
Và : C
p
= ½ (1+λ)(1-λ
2
) xem nh lƠ h s chuyn đổi ca tuabin gió( Rotor
efficiency).
P
b
= ½ ρAv
3
. C
p

ψơy gi ta tìm h s λ đ cho h s chuyn đổi lƠ lớn nht :
2
1
(1 )( 2 ) (1 ) 0
2
dCp
d
  


     



Suy ra : λ = 1/3 =
d
v
v
, Từ đó : ω
p
= 0.593


NẢUYỄN BO QUC Trang 21
Vy theo định lut ca ψezt thì h s chuyn đổi ti đa ca tuabin gió lƠ ω
p
= 0.593
khi
d
v
v
= 1/3
ψiu đồ ca ω
P
theo λ:


Hình 3.2 : Hình vẽ thể hiện trờng hợp hệ số chuyển đổi là maximun khi
d
v
v
= 1/3

Ti u hóa λ trong Wind Energy
:
Ging nh solar energy có bộ ti u hóa công sut MPPT, thì Wind Energy
cũng có điều khin tc độ rotor sao cho công sut lƠ ti u nht.
ωông sut chuyn đổi ca năng lợng gió :
P
b
= ½ ρAv
3
. C
p

Nh ta đƣ bit h s ω
p
phụ thuộc vƠo tip speed ratio λ, ngoƠi ra nó còn ohụ
thuộc vƠo góc pitch angle θ. ωông vic điều khin tuabin lƠ ng với từng góc θ khác
nhau ta phi điều khin vn tc ca Rotor sao cho λ lƠ ti u (optimatiom) nht, theo
phng trình :

r opt
V
R


,
Tùy theo góc pitch-angle θ ta s có h s λ ti u tng ng :