Mô phỏng và khảo sát máy phát điện turbine gió kết nối với lưới điện trong môi trường matlab

93
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
o0o


Họ và tên: Bùi Văn Trí
Năm sinh: Ngày 10 tháng 11 năm 1976
Nơi sinh: Phú Yên
Đòa chỉ liên lạc: 87B - Khu phố 2-Phước Long A- Quận 9 -Tp. Hồ Chí
Minh
Điện thoại: 0918150785 - E_mail:


QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Từ năm 1995 đến năm 2000 học ngành điện- điện tử trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Từ năm 2003 đến nay học Cao học tại trường Đại Học Sư phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh, chuyên ngành Thiết bò mạng & Nhà máy điện.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC
Từ năm 2000 đến tháng 3 năm 2005, làm công tác giảng dạy tại
trường Đại học Dân lập Lạc Hồng.
Từ tháng 5 năm 2005 đến nay, làm công tác giảng dạy tại trường
Đại Học Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh.

PHẦN A: MỤC LỤC

Phần A: Mục Lục Trang
Phần B: Nội Dung
Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chung về năng lượng hiện nay 01
1.2 Tình hình năng lượng gió và nhu cầu phát triển 01
1.2.1 Bản đồ phân bố năng lượng gió 01
1.2.2 Nhu cầu phát triển năng lượng gió 02
1.3. Tổng quan tình hình trong và ngoài nước 03
1.3.1 Tình hình điện năng dùng năng lượng gió một số quốc gia 03
1.3.2 Tình hình năng lượng gió và máy phát điện turbine gió
tại Việt Nam 05
1.4 Một số công cụ mô phỏng máy phát điện turbine gió
06
1.5 Lý do chọn đề tài 09
1.6 Giới hạn đề tài 09
1.7 Các sản phẩm đề tài 10
1.8 Phương pháp nghiên cứu 10
Chương II: MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ
2.1. Sơ lược các loại nhà máy phát điện 11
2.1.1 Nhà máy nhiệt điện 11
2.1.1.1 Nhà máy nhiệt điện turbine hơi 11
2.1.1.2 Nhà máy nhiệt điện turbine rút hơi 11
2.1.1.3 Nhà máy nhiệt điện turbine khí 11
2.1.1.4 Nhà máy từ thủy động 12
2.1.1.5 Nhà máy điện nguyên tử 12
2.1.1.6 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời 12
2.1.1.7 Nhà máy điện đòa nhiệt 13
2.1.2 Nhà máy thủy điện
13
2.2 Turbine gió và nhà máy phát điện turbine gió 13

2.2.1 Turbine gió 13
2.2.1.1 Điều khiển turbine gió tốc độ cố đònh 17
2.2.1.2 Điều khiển turbine gió tốc độ thay đổi
18
2.2.2 Nhà máy phát điện turbine gió 21
2.2.2.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện turbine gió 22
2.2.2.2 Sơ đồ kết nối nhà máy phát điện turbine gió 23
2.3 Các phương pháp kết nối nhà máy phát điện turbine gió 24
2.4 Đánh giá chi phí và tổn thất nhà máy điện 28
2.5 Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy điện 30
Chương III: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH
3.1. Mô hình toán học 31
3.1.1 Mô hình các thành phần cơ khí 31
3.1.1.1 Mô hình gió 31
3.1.1.2 Mô hình Rotor turbine gió 31
3.1.1.3 Mô hình truyền động 32
3.1.2 Mô hình máy điện 32
3.1.2.1 Mô hình máy điện cảm ứng 3 pha 32
3.1.2.2 Máy điện không đồng bộ nguồn kép 33
3.1.3 Mô hình máy điện đồng bộ (Synchronous machine) 34
3.1.3.1 Phương trình động lực của máy điện đồng bộ 34
3.1.3.2 Hệ phương trình máy điện đồng bộ nam châm vónh cửu 37
3.1.4 Mô hình bộ biến đổi công suất (Power converter) 39
3.1.4.1 Tải 3 pha kết nối hình sao – Y 41
3.1.4.2 Tải 3 pha kết nối hình tam giác – Δ 42
3.1.4.3 Tải 3 pha kết nối nhánh – tam giác 44
3.2 Mô hình các bộ biến đổi DC-DC công suất lớn 45
3.2.1 Giới thiệu chung 45
3.2.2 Môi trường làm việc của các bộ biến đổi 46
3.2.3 Mô hình một số bộ biến đổi 46

3.2.3.1 Bộ tăng thế 47
3.2.3.2 Bộ biến đổi Cúk 49
3.2.3.3 Bộ biến đổi Zeta 50
3.2.3.4 Bộ biến đổi đẩy kéo 51
3.2.3.5 Bộ biến đổi bán cầu 53
3.2.3.6 Bộ biến đổi cầu 54
3.2.3.7 Bộ biến đổi bán cầu có sử dụng bộ nhân đôi điện áp
56
3.2.4 So sánh sự tiện ích của các bộ biến đổi
57
Chương IV: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT TURBINE GIÓ
4.1 Kết quả mô phỏng 58
4.1.1 Khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi 58
4.1.2 Turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi của động cơ
cảm ứng hai chiều: 60
4.1.3 Mô Phỏng máy phát điện kết nối Turbine gió 61
4.1.4 Mô Phỏng kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió 65
4.1.5 Mô phỏng máy phát điện turbine gió với lưới điện 66
4.2 Phân tích kết quả mô phỏng 68
4.2.1 Phân tích khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi 68
4.2.2 Phân tích turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi 69
4.2.3 Phân tích ổn đònh tần số máy phát điện kết nối Turbine gió 70
4.2.4 Phân tích kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió 72
4.2.5 Phân tích đáp ứng của tốc độ 73
4.2.6 Một số đề xuất 73
Phần C: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai
1. Kết luận 76
2. Một số kết quả đạt được của đề tài
76
3. Hướng phát triển trong tương lai 78

Tài liệu tham khảo 80
Phần D: Phụ lục- Giới Thiệu Toolbox Wind Turbine Blockset 82
Lý lòch trích ngang 93

Tổng quan về đề tài

1

PHẦN B: NỘI DUNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Giới thiệu chung về năng lượng hiện nay.
Sự phát triển của nền công nghiệp toàn cầu kéo theo nhu cầu ngày càng
lớn năng lượng phục vụ cho nó mà năng lượng được sử dụng chủ yếu là năng
lượng điện. Trong khi đó, tiềm năng để khai thác sản sinh ra điện theo phương
pháp truyền thống như thủy điện, nhiệt điện đã dần cạn kiệt. Riêng tại Việt Nam
một phần nguồn năng lượng điện rất lớn được khai thác từ thủy điện, tuy nhiên
theo báo cáo từ các hội thảo khoa học gần đây cho thấy, tiềm năng này sẽ không
còn trong vòng vài mươi năm nữa. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây bài
toán về môi trường toàn cầu được đưa vào trong tất cả các ngành công nghiệp,
chúng ta phải tìm mọi cách để hạn thế đến mức thấp nhất những yếu tố có ảnh
hưởng xấu tới môi trường. Trong khi đó, các nhà máy điện kiểu nhiệt điện
truyền thống xưa nay thì không thể tránh được việc thải ra môi trường một lượng
lớn các chất ảnh hưởng đến môi trường như oxít cácbon, oxít nitơ, ôxít lưu
huỳnh, . . . trong quá trình vận hành.
Mặt khác trong tình hình hiện nay và tương lai có nhiều biến động cạnh
tranh giữa các nước về các nguồn năng lượng, đặt biệt là nguồn nhiên liệu khí
đốt. Trong khi nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt và sự thống trò của một
số quốc gia sẽ đẩy giá lên cao, làm cho chi phí sản xuất điện năng và vận hành

nhà máy điện kiểu truyền thống gia tăng. Trong khi đó chi phí sản xuất và xây
dựng nhà máy điện turbine gió ngày càng giảm, do đó việc khai thác sử dụng
nguồn năng lượng gió là cần thiết và phù hợp với xu hướng phát triển tương lai.

1.2. Tình hình năng lượng gió và nhu cầu phát triển.
1.2.1. Bản đồ phân bố năng lượng gió.
Để có được bản đồ hình 1.1 các nhà khoa học đã kết hợp dữ liệu về tốc độ
gió từ hơn 8.000 điểm trên hành tinh – gồm 7.500 trạm mặt đất và 500 trạm trên
kinh khí cầu. Họ đo tốc độ gió ở độ cao 80 mét so với mặt đất, tương ứng với độ
cao của một cánh quạt trong turbine gió hiện đại.


Tổng quan về đề tài

2

Họ phát hiện thấy 13% trong tổng số 8000 điểm có tốc độ gió vượt cấp 3
quanh năm. Cấp 3 tương ứng với 6.9m/s, được xem là đủ mạnh để có khả thi về
mặt kinh tế.
Cristina Archer, thuộc đại học Stanford và cộng sự trong nghiên cứu nhận
đònh “ nếu bạn chọn ngẫu nhiên 10 điểm trên trái đất, thì có 1 đến 2 điểm có thể
xây dựng nhà máy điện gió “. Nếu được khai thác, 3 khu vực với tốc độ gió lớn
hơn hoặc bằng cấp 3 này thì có thể cung cấp 72 Tw điện. Theo Archer, khoảng
2.5 triệu turbine gió – khai thác khoảng 20% tiềm năng trên cơ sở bản đồ này là
đủ để phát điện cho nhu cầu toàn thế giới.
Bản đồ này được xem như là một bước tiến hướng tới mục tiêu sử dụng
năng lượng gió. Nó công bố các đòa điểm mà những nhà máy điện có thể có hiệu
quả nhất, hầu hết nằm gần bờ biển. [3]

1.2.2. Nhu cầu phát triển năng lượng gió.

Trước những thực trạng như vậy, một mặt ngành điện đã đưa ra các cơ
chế, chính sách nhằm khuyến khích các hộ tiêu thụ sử dụng năng lượng điện
hiệu quả, đầu tư nâng cấp, qui hoạch lại hệ thống truyền tải, phân phối nhằm
mục đích tiết kiệm điện năng, mặt khác đầu tư một phần kinh phí cho việc
nghiên cứu các dạng năng lượng mới vừa để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày
càng tăng của sự phát triển xã hội, tránh nguy cơ xảy ra các cuộc khủng hoảng
về năng lượng, vừa hạn chế gây ô nhiễm môi trường sinh thái trong quá trình
vận hành góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội. Với tiêu chí như vậy,
năng lượng gió là một phần trong các dạng năng lượng mới đang được nghiên
cứu ứng dụng ở nước ta. Với các thuộc tính ưu việt, so với các dạng năng lượng
khác đang tìm kiếm về trữ lượng, kỹ thuật sản xuất, độ bền, chi phí vận hành và
đặc biệt là vấn đề môi trường, năng lượng gió là một trong những hướng phát

Hình 1.1 Bản đồ phân bố năng lượng gió trên thế giới

Tổng quan về đề tài

3
triển mạnh của ngành điện trong tương lai khi mà sự phát triển của công nghệ
chất bán dẫn đã đủ để đáp ứng các yêu cầu về điện áp và công suất cao.

1.3. Tổng quan tình hình trong và ngoài nước.
1.3.1. Tình hình điện năng dùng năng lượng gió của một số quốc gia.
Năng lượng gió dùng làm máy phát điện đã có từ những năm 1976 với
công suất tương đối nhỏ. Tuy nhiên, cách đây khoảng 5 năm việc xây dựng nhà
máy khoảng 20MW là một vấn đề lớn. Với sự phát triển của khoa học và công
nghệ như hiện nay thì việc xây dựng nhà máy turbine gió thường có công suất
300MW, đặc biệt ở Tây Ban Nha có thể lên đến 1200MW.
Cuối năm 2003, dẫn đầu là các nước Châu âu ( khoảng 50 nước) khai thác
nguồn năng lượng gió với tổng công suất 40.000MW. Biểu đồ thống kê năng

lượng điện dùng năng lượng gió đến năm 2003 như hình 1.2.
Trong những năm gần đây, số lượng turbine gió đã tăng lên khá lớn. Tại
Đan Mạch năng lượng điện gió chiếm từ 13-15% tổng công suất điện sản ra. Tại
Đức năng lượng điện gió chiếm khoảng 4,0% tổng năng lượng điện. [9]




Tại Châu Âu, Hiệp hội năng lượng gió Châu Âu EWEA (European Wind
Energy Association) đã đặt ra mục tiêu sẽ lắp đặt 60000MW đến năm 2010.
Mục tiêu này đã được khẳng đònh trong năm 2000 khi các mục tiêu trước đó từ
năm 1991 đến năm 1997 công suất lắp đặt từ 25000MW tăng lên 40000MW và
đã vượt dự kiến. Tổng công suất lắp đặt năm 2001 là 17000MW và đã sản xuất
Hình 1.2. Biểu đồ phát triển năng lượng gió đến năm 2003

Tổng quan về đề tài

4
ra khoảng 40 TWh, Công suất điện dùng năng lượng gió của 10 quốc gia đứng
đầu thế giới được thống kê đến cuối năm 2004 được minh họa hình 1.3.



Trong năm 2004, công suất lắp đặt các nhà máy của 10 các quốc gia đứng
đầu có công suất 6.893MW chiếm 17% công suất lắp đặt toàn thế giới, thành
phần phần trăm công suất 10 nước này được minh họa như hình 1.4. Theo số liệu
này thì công suất điện tập trung ba nước hàng đầu: Đức, n Độ, Tây Ban Nha.

Hình 1.3: Công suất điện dùng sức gió của 10 nước hàng đầu đến cuối năm 2004
Spain
25.3%
Hình 1.4: Biểu đồ công suất lắp đặt, và tỉ lệ phần trăm 10 quốc gia hàng đầu

Tổng quan về đề tài

5
Mục tiêu năng lượng gió theo dự báo của EWEA vào cuối thập niên có
75.000MW được xây dựng, trong đó khoảng 10.000MW cho những nhà máy ở
ngoài biển. Theo dự kiến năm 2010 có 69.900MW chiếm 5.1% năng lượng điện
nói cung , năm 2020 có 180.000MW được lắp đặt chiếm 12.1%, Biểu đồ dự báo
đến năm 2010 hình 1.5. [19]




1.3.2. Tình hình năng lượng gió và máy phát điện turbine gió tại Việt Nam
Theo kết quả khảo sát của một số tổ chức nước ngoài và các đài khí tượng
thủy văn trong nước thì tốc độ gió trung bình ở Việt Nam ở độ cao 30m trong
vùng đất liền là 4 đến 5m/s và ngoài các đảo cô lập là 9m/s. Theo quyết đònh
phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ về qui hoạch phát triển nguồn năng lượng
điện đến năm 2010 của Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam (EVN) đã đề cập và
đònh hướng phát triển nguồn năng lượng mới này.
Thực tế, Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với hơn 3260km
bờ biển và hàng trăm đảo lớn nhỏ là điều kiện thuận lợi cho việc khai thác
nguồn năng lượng gió để phát điện phục vụ cho các công trình dân dụng khác.
Tuy nhiên, từ những thập niên 80 trở lại đây đã có nhiều nhà khoa học với các
nghiên cứu của mình chỉ mới khai thác nguồn năng lượng gió trong các trường

hợp công suất nhỏ( vài trăm đến 1000W) phục vụ cho các vùng sâu, vùng xa, hải
đảo nơi mà lưới điện quốc gia chưa đến được.
Trước đây, Việt Nam chỉ mới khai thác năng lượng gió vào các công việc
như: máy bơm nước, máy phát công suất rất nhỏ, cụ thể như sau:
 Năm 1976 20 bộ turbine gió được lắp tại vùng muối ở Nam Hà với mục
đích sản xuất muối. Vận hành sau 4 năm thì ngưng vì bò ăn mòn trầm
trọng bởi muối.
Hình 1.5. Biểu đồ thống kê, dự báo công suất đến năm 2010

Tổng quan về đề tài

6
 Sau đó tại Vạn Lý, Nam Hà, Hội An cũng đã lắp 6 bộ với đường kính
cánh 6m.
 Sau đó viện năng lượng (IE) đã phát triển loại 16 cánh lắp tại Tam Kỳ,
Hội An và sau đó phát triển lên 12 cánh.
Turbine gió phục vụ cho việc phát điện được lắp sau này để phục vụ cho
các vùng hải đảo, vùng sâu như tại Hội An (công suất 1,2KW, điện áp 12V) và
tại đèo Hải Vân (công suất 700W)phục vụ cho các trạm tiếp sóng vô tuyến.
Một số chương trình, đề tài nghiên cứu và dự án về năng lượng gió đã
được triển khai tại Việt Nam như:
 Chương trình nghiên cứu năng lượng gió trong giai đoạn 1980 đến 1985 đã
tổng kết số liệu gió ở độ cao 10m và xây dựng bản đồ phân bố tốc độ gió
trên toàn lãnh thổ.
 Năm 1995-1996 các dự án khảo sát, lập qui hoạch sử dụng các nguồn
năng lượng gió, mặt trời cho vùng miền núi, hải đảo của hai huyện Hà
Quảng (Cao Bằng) và Sông Cầu (Phú Yên) và các tỉnh Quảng Ngãi, Bình
Đònh.
Với các máy phát gió công suất lớn vò trí của nó phải được lắp đặt cách
mặt đất khoảng 100m. Tuy nhiên, ở độ cao này chúng ta chưa đầy đủ các thông

tin về gió một cách chính xác.

1.4. Một số công cụ mô phỏng máy phát điện turbine gió.
Trong những năm gần đây, việc mô phỏng hệ thống turbine gió được quan
tâm với nhiều công cụ khác nhau. Hệ thống điện dùng turbine gió ngoài khơi với
công suất hàng trăm MW được quan tâm đến sự tương tác giữa hệ thống cơ của
turbine gió và hệ thống điện. Khả năng mô phỏng động của turbine gió và sự
tương tác của lưới điện với bốn công cụ như: Matlab, Saber, DigSILENT và
HAWC. [14]
Mặt khác, kích cỡ của turbine gió ngày càng lớn và kết nối trực tiếp với
hệ thống cao áp. Hiện nay, những turbine gió được kết nối đến hệ thống phân
phối 10/20KV hoặc 50/60 KV. Vì thế mục đích chính là sự ảnh hưởng của
turbine gió đến chất lượng điện năng trong hệ thống. Hơn nữa tiêu chuẩn quốc tế
về chất lượng năng của turbine gió đã được đánh giá theo một tiêu chuẩn mới có
tên là IEC 61400-21/2001.
Sự phát triển mô hình cơ sở dữ liệu trong những công cụ mô phỏng khác
nhau để hỗ trợ, phân tích sự tương tác giữa kết cấu cơ khí của turbine và lưới
điện trong hai chế độ vận hành bình thường và quá độ. Mục đích chính của cơ sở
mô phỏng có thể được tóm tắt như sau:

Tổng quan về đề tài

7
Mở rộng khả năng của những công cụ thiết kế turbine gió để mô phỏng
động và sự tương tác với lưới điện của turbine gió trong các trường hợp liên tục,
gián đoạn và sự cố.
Để phát triển những mô hình tónh và động cho các thành phần trong
turbine gió: như mô hình cơ( gió, hộp số, turbine, góc pitch), mô hình máy phát
( rotor lồng sóc, máy phát cảm ứng hai chiều, máy phát đồng bộ, máy phát đồng
bộ nam châm vónh cữu), mô hình biến đổi công suất( bộ khởi động mềm, bộ biến

đổi hai chiều), mô hình máy biến áp, mô hình cáp và đường dây.
Matlab/Simulink trình bày những ứng dụng của tuabine gió. Để phân
tích, mô phỏng những trạng thái động và tónh của turbine. Những thành phần cơ
bản của tuabine gió được mô hình hóa trong 7 phần ở thư viện của Toolbox
Wind Turbine Blockset như: Mechanical Component, Electrical Machinery,
Power Converters, Common Blocks, Transformation, Measurements, Control
minh họa hình 1.6. Toolbox này có những đặc điểm được tổng kết như sau:
 Những mô hình phát triển dùng để kiểm tra, đánh giá, phân tích hoạt
động turbine gió.
 Hiện nay, một số turbine gió sản xuất để đánh giá toolbox này như:
Vestas, KK-electronic A/S. Những mô hình được sử dụng là của các công
ty, các trường đại học, hoặc các luận văn Thạc sỹ, Tiến só. Các trường đại
học có nhu cầu như: Spain, China, Brazil. . .
 Những phiên bản mới cần thiết phải cập nhật, Mathworks thực hiện hai
phiên bản là Matlab 6.5 và Matlab 6.5 servive pack1.
 Vào tháng 12 năm 2003 công ty Mathworks thông báo version mới chạy
trên Matlab 7.0 và sẽ đưa ra thò trường vào tháng 1 năm 2004.
 Toolbox wind turbine blockset là một toolbox mới chưa có trong thư viện
Simulink của Matlab ở Việt Nam với các phiên bản 6.5, 7.0, và 7.5.
Toolbox này có các phiên bản khác như : version beta, version 2.1 vv… Trong
khi thực hiện đề tài, người viết đã cố gắng tìm được Toolbox Wind Turbine
Blockset Version beta. Vì Version này thiếu một số khối nên chưa mô phỏng
một các đầy đủ về hệ thống turbine gió kết nối với lưới điện.


Hình 1.6 Mô hình Wind Turbine Blockset

Tổng quan về đề tài

8

HAWC( Horizontal Axis Wind turbine Code) là một công cụ dùng để tính
toán phụ tải động dựa trên cấu trúc turbine gió, chủ yếu là phần cơ khí và động
học. HAWC là một chương trình thiết kế tính toán mềm dẻo với mục đích dự báo
đáp ứng tải trên trục ngang của 2 hoặc 3 cánh quạt trong miền thời gian. Mô
hình cho phép điều khiển góc pitch và moment máy phát.
DIgSILENT là một công cụ mô phỏng dùng đánh giá chất lượng điện
năng và phân tích sự tương tác của turbine gió với lưới điện.
Saber là một công cụ mô phỏng dùng để thiết kế mạch điện và điện tử
công suất bao gồm điện, nhiệt, từ trường, các thành phần cơ khí. Tuy nhiên, hiện
nay công cụ này không được áp dụng phổ biến.


Hình 1.7 Phạm vi mô phỏng các công cụ

Tổng quan về đề tài

9
Bốn công cụ mô phỏng trên, mỗi công cụ có những thế mạnh riêng cho
các trường hợp như: HAWC mô phỏng phần cơ khí và động học, DigSilent mô
phỏng hệ thống công suất và cánh đồng turbine, Saber mô phỏng bộ chuyển đổi
công suất và hệ thống điều khiển. Matlab là một công cụ mạnh có khả năng bao
quát hơn, điều này được minh họa hình 1.7. [14],[15],[22]

1.5. Lý do chọn đề tài
Nguồn năng lượng điện nước ta phụ thuộc nhiều vào thủy năng, trong
mấy năm gần đây nguồn năng lượng này không ổn đònh do thời tiết thay đổi thất
thường và bò ảnh hưởng hiệu ứng elnino. Vì thế, vào mùa khô thường bò thiếu
điện nên ngành điện phải khai thác các nguồn năng lượng khác là cần thiết. Với
tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay đòi hỏi ngành điện cần phải đáp ứng kòp
thời, do đó sử dụng nguồn năng lượng mới như năng lượng gió là hợp lý.

Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận, trong khi năng lượng khí đốt
đang cạn kiệt dần, giá thành tăng lên. Hơn nữa, trên thế giới đã có nhiều quốc
gia khai thác nguồn năng lượng này rất hiệu quả và ngày càng phát triển như:
Đức, Đan mạch, Tây Ban Nha, . . . và có nhiều nước đang xem xét để xây dựng
như: Canada, Braxin, Trung Quốc, Philippin, Thổ Nhó Kỳ, Monaco,. . .
Tóm lại, với thực trạng như hiện nay, thì việc nghiên cứu các vấn đề lý
thuyết và triển khai ứng dụng công nghệ năng lượng gió tại Việt Nam là việc
làm cần thiết nên tôi chọn đề tài: Mô phỏng và khảo sát máy phát điện
turbine gió kết nối với lưới điện trong môi trường Matlab, với mong muốn
góp phần vào sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật, giải quyết một phần về
bài toán thiếu hụt năng lượng điện, khủng hoảng năng lượng, và vấn đề về môi
trường tại Việt Nam và trên toàn thế giới.

1.6. Giới hạn đề tài
 Đề tài trình bày tổng quan về hệ thống máy phát điện turbine gió với hai
phương pháp điều khiển cơ bản: điều khiển turbine gió với tốc độ quay
thay đổi và điều khiển turbine gió với tốc độ không đổi.
 Để mô phỏng hệ thống turbine gió ta có nhiều công cụ như:
PSCAD/EMTDC, Saber, DIgSILENT, HAWC, Matlab. Đề tài này sử
dụng công cụ Matlab/Simulink với toolbox wind turbine blockset version
beta, do vấn đề còn mới nên toolbox này không có trong phần simulink/
Matlab và chạy trên phiên bản 7.0 trở lên.
 Phân tích, đánh giá một số kết quả thu được về dạng sóng mô phỏng trong
Matlab.




Tổng quan về đề tài

10
1.7. Các sản phẩm đề tài
 Thống kê tình tình năng lượng gió các quốc gia, chi phí xây dựng nhà máy
điện turbine gió, chi phíđđiện năng trên một KWh, dự báo trong tương lai
và nhận đònh về khả năng xây dựng nhà máy điện gió ở nước ta.
 Mô hình toán học các thành phần: mô hình gió, mô hình rotor turbine gió,
mô hình bộ truyền động, mô hình máy điện, mô hình chuyển đổi công
suất.
 Sơ đồ kết nối hệ thống turbine gió với máy phát, các kiểu kết nối hệ
thống turbine gió thành nhà máy điện.
 Mô hình tương đương các bộ chuyển đổi DC công suất lớn.
 Phân tích một số kết quả mô phỏng turbine gió kết nối với máy phát về
dòng điện, điện áp, tần số khi thay đổi tốc độ gió.
 Giới thiệu và trình bày ứng dụng Toolbox Wind Turbine Blockset để mô
phỏng hệ thống turbine gió.

1.8. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý luận
 Tổng quan lòch sử các vấn đề nghiên cứu, các quan điểm khoa học trong
và ngoài nước.
 Tổng hợp các quan điểm của Đảng, Nhà nước về tình hình năng lượng
điện hiện nay và xu hướng phát triển trong tương lai.
Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
 Tìm kiếm tài liệu tham khảo và cập nhật thông tin qua mạng Internet.
Trao đổi với giáo viên hướng dẫn về nhiệm vụ được giao, và các vấn đề
có liên quan.
 Liên hệ tham khảo ý kiến các chuyên gia lónh vực về máy phát điện
turbine gió và Toolbox Wind Turbine Blockset.
 Xây dựng các mô hình mô phỏng trong môi trường Matlab/simulink, phân
tích đánh giá kết quả và đưa ra một số đề xuất trong tương lai.

Máy phát điện turbine gió

11
CHƯƠNG II: MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ

2.1. Sơ lược các loại máy phát điện
Nhà máy điện là một bộ phận của hệ thống điện có nhiệm vụ biến đổi
các dạng năng lượng khác thành điện năng.
Phụ thuộc vào dạng năng lượng sơ cấp phân nhà máy điện thành các loại:
- Nhiệt điện: biến nhiệt năng thành điện năng
- Thủy điện: biến thủy năng thành điện năng
- Nhà máy điện gió: biến năng lựong gió (cơ năng) thành điện năng
2.1.1 Nhà máy nhiệt điện.
Trong nhà máy nhiệt điện, nhiệt năng nhận được từ nhiều nguồn khác
nhau. Phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu chia thành các nhà máy điện sau đây:

2.1.1.1 Nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi:
Trong nhà máy nhiệt điện nhiệt năng biến thành điện năng. Nhiên liệu
được sử dụng có thể ở dưới dạng: than đá, than bùn, khí đốt, nhiên liệu được đốt
trong lò phát sinh ra nhiệt và đun nước thành hơi nước. Hơi nước có áp lực lớn
làm quay tuabin hơi kéo theo roto của máy phát điện và phát ra điện.

2.1.1.2 Nhà máy nhiệt điện tuabin có rút hơi
Nhà máy nhiệt điện kiểu tuabin ngưng hơi có hiệu suất thấp (30-40)% vì
một phần nhiệt năng thải ra ngoài qua khói, qua bình ngưng tụ. Hơi nước sinh
công ở phần đầu của tuabin là chính, các phần sau hiệu suất thấp. Để nâng cao
hiệu suất nhiệt có thể rút một phần hơi nước từ phần sau của tuabin để cung cấp
hơi nước cho các hộ sử dụng hơi nước như nhà máy giấy, dệt nhuộm v v hoặc

cung cấp nhiệt để sưởi. Những nhà máy này gọi là nhà máy nhiệt điện có rút
hơi.

2.1.1.3 Nhà máy nhiệt điện tuabin khí:
Nhiên liệu được sử dụng là khí đốt hoặc dầu mỏ đốt trong lò, không khí
giản nở qua bộ nén để có áp lực lớn truyền vào tuabin khí làm quay Roto máy
phát điện không qua môi chất trung gian nước và hơi nước.
Tuabin khí có hai loại:
 Tuabin khí có chu trình hở: khí giãn nén thổi vào tuabin sinh công và xả
tất cả ra ngoài trời.
 Tuabin khí có chu trình kín: khí giản nén sau khi sinh công được nén lại
và quay trở lại buồng đốt tạo thành chu trình kín.



Máy phát điện turbine gió

12

2.1.1.4 Nhà máy từ thủy động:
Dựa trên nguyên lý dòng điện là sự chuyển động của các điện tử, cho nên
có thể từ nhiệt năng tạo ra vùng có nhiệt độ cao có khả năng sinh ra nhiệt điện
tử trong môi trường có từ trường đủ mạnh, dưới tác dụng của từ trường các điện
tử này sẽ chuyển động và tạo nên dòng điện, máy phát điện hoạt động theo
nguyên lý này gọi là máy phát từ thủy động.

2.1.1.5 Nhà máy điện nguyên tử:
Nhà máy điện nguyên tử cũng là nhà máy nhiệt điện nghóa là biến nhiệt
năng thành điện năng nhưng nhiệt năng không phải thu được do đốt nhiên liệu
mà do phản ứng hạt nhân tạo ra. Quá trình này được thực hiện trong lò phản ứng

hạt nhân. Nguyên liệu hiện nay dùng trong lò phản ứng chủ yếu là Uranium 235
(U
235
) hay Plutanium 239 được tạo ra từ Uranium 238 (U
238
). Khi phân hủy hạt
nhân Uranium sẽ tạo ra các nơtron nhanh có năng lượng rất lớn với tốc độ rất
cao (15000-20000 km/s). Với tốc độ này phản ứng dây chuyền không tiến triển
được để tạo ra các nơtron mới cho nên trong lò phản ứng các nơtron nhanh phải
được hãm lại thành nơtron chậm (tốc độ khoảng 2 km/s). Chất hãm thường dùng
là nước, nước nặëêng hay than chì (graphit). Bộ phận hãm tốc độ nơtron gọi là
thiết bò điều tốc.
Điều lo ngại nhất hiện nay của các nước là sự an toàn rò ró sau thời gian
vận hành nhiều năm do một số sự cố đã xảy ra đối với nhà máy điện nguyên tử
của các nước đã gây hậu quả nghiêm trọng trong khu vực lớn. Do đó những năm
gần đây tốc độ xây dựng nhà máy điện nguyên tử trên thế giới bò chậm lại, thậm
chí có nhiều nước tuyên bố sẽ đóng cửa không vận hành các nhà máy đã xây
dựng và tập trung nghiên cứu theo hướng khác để đáp ứng nhu cầu năng lượng
ngày càng tăng của con người.
2.1.1.6 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời:
Năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai hình thức:
- Pin mặt trời (hay gọi là pin quang điện). Năng lượng mặt trời được biến đổi
thành điện năng không qua khâu trung gian nhiệt năng. Pin mặt trời được cấu tạo
gồm hai lớp bán dẩn p và n tiếp xúc nhau qua lớp chuyển tiếp p-n. Dưới tác
dụng của ánh sáng mặt trời vào lớp chuyển tiếp p-n với sự khuyếch tán của các
hạt dẫån cơ bản và tạo nên điện trường do đó có hiệu điện thế hay sức điện dộng
quang điện Sức điện động quang điện phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng và
cung cấp điện năng cho phụ tải giữa 2 cực. Với kích thước các cực 1dm x 1dm tế
bào quang điện cho công suất 1W khi cường độ bức xạ của mặt trời là 1KW / m
2

.
Pin mặt trời được sử dụng rộng rãûi trong các thiết bò có công suất nhỏ trong
thông tin, máy tính điện từ v v Pin mặt trời cũng có thể sử dụng qua bộ tích trử
năng lượng bằng acqui nhưng giá thành cao, do đó chỉ được dùng ở những nơi
không có nguồn điện, ví dụ ở hải đảo v v

Máy phát điện turbine gió

13
- Nhà máy nhiệt điện dùng năng lượng mặt trời: ở đây năng lượng mặt trời được
thu nhận qua hệ thống thấu kính hội tụ tập trung về lò để biến nước thành hơi
nước cung cấp cho nhà máy nhiệt điện.
Năng lượng mặt trời là nguồn vô tận không mất tiền, không gây ô nhiễm môi
trường nhưng giá thành xây dựng cao, cho nên hiện nay chưa được phát triển
rộng mà còn trong giai đoạn thử nghiệm nghiên cứu.
2.1.1.7 Nhà máy đòa nhiệt
Nhà máy đòa nhiệt cũng là nhà máy nhiệt điện nhưng sử dụng năng lượng
có sẵn trong lòng đất.Trên mặt đất có những đòa điểm ở độ sâu không lớn lắm có
thể thu nhận được nguồn nhiệt năng đủ lớn để xây dựng nhà máy điện. Nhà máy
đòa nhiệt cũng không phải mua nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường và
nguồn năng lượng cũng vô tận cho nên đang là hướng nghiên cứu để khai thác ở
những nơi có điều kiện.

2.1.2 Nhà máy thủy điện
Nhà máy thủy điện là nhà máy biến đổi thủy năng thành điện năng.
Trong đó thủy năng được hướng vào làm quay tuabin thủy lực để làm quay Roto
máy phát điện. Quá trình được thực hiện: Thủy năng-cơ năng-điện năng. Có hai
loại nhà máy thủy điện là: nhà máy thủy điện kiểu đập chắn và nhà máy thủy
điện kiểu ống dẩn. Muốn tạo được thủy năng cần phải có 2 yếu tố:
- Lưu lượng nước Q (m

3
/sec) tức là phải có dòng chảy.
- Chiều cao cột nước H (m).
Công suất của nhà máy thủy điện xác đònh theo biểu thức:
P = 9,81.Q.H .
Trong đó:
- : hiệu suất của nhà máy phụ thuộc vào nhiều yếu tố của công trình thủy
và các thiết bò thủy lực.
- Lưu lượng nước Q chủ yếu do thiên nhiên tạo sẵn của các dòng sông suối.
Để chủ động điều chỉnh công suất theo yêu cầu phải xây dựng hồ tích nước.
Chiều cao cột nước H một phần do đòa hình tạo nên ở những nơi có sẵn
như thác nước, do sự chênh lệch giữa 2 dòng chảy và một phần do xây dựng đập
ngăn nước tạo ra. Chiều cao cột nước càng lớn hiệu suất  càng lớn, suất hao
nước để sinh ra 1KWh điện càng nhỏ (m
3
nước/KWh).

2.2. Turbine gió và nhà máy phát điện turbine gió
2.2.1 Turbine gió
Máy phát turbine gió không sinh ra khí C0
2
, các loại oxít nitơ N0
x
hay oxít
lưu huỳnh S0
x
trong suốt quá trình vận hành của nó và rất ít năng lượng chi phí
cho sản xuất, bảo trì cũng như quá trình hủy bỏ sau cùng. Trong thực tế, với vò trí

Máy phát điện turbine gió

14
gió cỡ vừa trong đất liền, một turbine sẽ thu lại toàn bộ chi phí bỏ ra để xây
dựng, lắp đặt, bảo trì trong thời gian không đến ba tháng vận hành. Tuổi thọ của
một turbine khoảng 20 năm, Đối với các turbine xa bờ thì có thể tốt hơn bởi tuổi
thọ của các turbine này có thể đạt từ 25 đến 30 năm.
Nguyên nhân chính hạn chế năng lượng gió là sự thay đổi của tốc độ gió.
Tuy nhiên, trong một lưới điện lớn nhu cầu của khách hàng luôn thay đổi và
công suất khả dụng luôn được dự trữ thừa để phòng ngừa trượng hợp một số máy
phát chính bò sự cố. Nếu công suất khả dụng có thể điều chỉnh thay đổi theo yêu
cầu thì chúng ta cũng có thể dùng điều này trong kỹ thuật điều khiển turbine gió.
Càng nhiều turbine gió trong lưới điện thì sẽ có nhiều dao động ngắn kỳ từ mỗi
turbine, điều này có thể loại bỏ sự biến động trong tổng công suất phát ra.
Turbine gió có mặt khắp nơi trên thế giới, trong thực tế, tốc độ gió luôn
thay đổi, gió có tốc độ cao thường ít khi xảy ra, phần lớn thời gian là gió có tốc
độ thấp. Turbine gió là thiết bò dùng để thu nhận năng lượng gió. Một turbine
gió chuẩn ngày nay gồm có ba cánh và một bánh lái, một hệ thống giá đỡ được
làm bằng bê tông hoặc thép. Hình 2.1 mô tả cấu tạo của một máy phát turbine
gió.
Tốc độ quay của turbine gió có tốc độ thấp, trong khi đó các máy phát có
tốc độ thiết kế cao, vì vậy người ta chế tạo thêm một bộ ly hợp( hộp số) gắng
giữa trục máy phát và trục cánh quạt. Điện áp phát ra của máy phát được đưa ra
máy biến áp để tăng lên phù hợp với cấp điện áp truyền tải.
Năng lượng sinh ra từ một tiết diện gió A hướng vuông góc với cánh turbine
được cho bởi công thức:
P=
3
2
1
AV


(2.1)






Cánh
Khớp đỡ
Trục tốc
độ thấp
Hộp số
Trục tốc
độ cao
Vỏ máy
Máy phát
Tháp đỡ
Hình 2.1: Mô hình của một máy phát turbine gió

Máy phát điện turbine gió

15
đây P năng lượng gió,  là mật độ không khí và V là tốc độ gió. Tỷ số biến
đổi năng lượng thu được của turbine gió được ký hiệu là C
p
, và gọi là hệ số công
suất, được đònh nghóa như sau:
C
p

=
)(
27
16

turbine
(2.2)
Ở đây,  là tỷ số tốc độ đầu mút ( tip speed ratio) của cánh, nó chính là tỷ
số giữa tốc độ đỉnh chia cho tốc độ và 
turbine
là hiệu suất của turbine.
Theo luật Betz thì năng lượng động học mà gió có thể chuyển hoá thành thành
năng lượng cơ sử dụng trong turbine không lớn hơn 16/27 (hay tương đương
59%). Hệ số công suất nói lên mức độ hiệu quả làm việc của turbine hay hiệu
suất biến đổi năng lượng gió thành điện của turbine. Một cách đơn giản có thể
hiểu hiệu suất là tỷ số giữa năng lượng điện ngõ ra chia cho năng lượng gió đầu
vào. Hình 2.2 biểu diễn đường cong mối quan hệ giữa hệ số công suất C
p
theo
tốc độ gió của một số turbine điển hình tại Đan Mạch. [10], [24]
Chúng ta thấy rằng hiệu suất cơ trung bình của turbine nằm khoảng trên
20% và hiệu suất này thay đổi rất nhiều theo tốc độ gió và giá trò lớn nhất trong
trường hợp này vào khoảng 44% ứng với tốc độ gió khoảng 9(m/s).
Điều này khẳng đònh hiệu quả làm việc ở tốc độ thấp của turbine là không
quan trọng bởi lẽ ở tốc này phần lớn năng lượng gió đều chuyển thành năng
lượng điện. tốc độ cao turbine đã bỏ phí một phần năng lượng gió đáng kể vì
vượt quá khả năng biến đổi thành năng lượng điện của nó. Dó nhiên là điều này
phụ thuộc vào cấu trúc cơ khí của hệ thống cánh quạt gió. Chính vì vậy, hiệu
quả làm việc tốt nhất của turbine phần lớn nằm trong vùng gió thường xảy ra.
Một turbine gió vấn đề không phải là hiệu suất làm việc của bản thân nó,

mà vấn đề thật sự chúng ta quan tâm là phần chi phí và năng lượng lấy được
trong suốt tuổi thọ của nó ( thông thường khoảng 20 năm). Từ nguồn nhiên liệu
miễn phí không cần phải tiết kiệm, nên việc tối ưu chế độ làm việc của turbine
là không cần thiết. Hơn thế nữa, chi phí phải tính cho mỗi mét vuông của rotor vì
Tốc độ gió (m/s)
Hình 2.2: Mối liên hệ giữa tốc độ gió và hệ số công suất

Máy phát điện turbine gió

16
vậy công việc cần thiết là thu nhận càng nhiều năng lượng thì càng tốt nếu có
thể, miễn là chi phí cho mỗi KWh được giảm xuống.
Việc cố đònh tốc độ của turbine trong quá trình làm việc là khó khăn đặc
biệt là vào thời điểm bắt đầu có các cơn gió lớn. Điều này ảnh hưởng trực tiếp
đến việc thiết kế bộ phận điều khiển công suất, nó sẽ gây nên quá trình vọt lố
(overshoot). Độ vọt lố trong một số thành phần của turbine gió có thể lên đến
50%. Tuy nhiên nhờ vào bộ ly hợp mà sự vọt lố này có thể được khắc phục
tương đối tốt.
Tính kinh tế của turbine gió phụ thuộc vào qui mô của nó, nghóa là máy
càng lớn thường có thể tạo ra điện năng ở chi phí thấp hơn so với máy nhỏ.
Nguyên nhân chủ yếu của vấn đề này là do chi phí cho việc nghiên cứu, xây
dựng hệ thống giao thông, liên kết hệ thống lưới, cộng với một số bộ phận trong
turbine (như hệ thống điều khiển công suất ) độc lập với kích cỡ của máy.
Lòch sử phát triển kích thướt turbine gió vào những năm 1980 có đường
kính 20m với các máy có công suất từ 20 đến 60KW, đến cuối năm 2003 đường
kính tăng lên khoảng 100m với các máy có công suất 5.000KW. đường kính còn
tăng hơn nữa trong tương lai đặt biệt là các nhà máy ngoài biển khơi, biểu đồ
phát triển đường kính turbine gió như hình 2.3.

Hình 2.3 Biểu đồ phát triển đường kính turbine gió

Máy phát điện turbine gió

17
Trên thế giới, các nhà cung cấp turbine gió phần lớn ở Châu Âu chiếm
90% với các công ty tính đến cuối năm 2003. Biểu đồ phân bố thành phần phần
trăm các nước cung cấp turbine gió được minh họa như hình 2.4.



Các turbine gió được thiết kế để tạo ra năng lượng điện ở giá rẻ khi có
thể. Vì vậy chúng thường được thiết kế để tạo ra công suất cực đại ở tốc độ gió
khoảng 12 (m/s). Nó sẽ không hiệu quả khi thiết kế công suất ngõ ra cực đại ở
tốc độ gió cao hơn bởi vì ở tốc độ gió cao hơn thì tần suất xuất hiện thấp trong tự
nhiên. Việc điều khiển turbine gió thông thường được thực hiện thông qua hai
phương pháp. [19]
2.2.1.1 Điều khiển turbine gió tốc độ cố đònh
Việc cố đònh tốc độ turbine thường được thực hiện là sử dụng máy phát có
buồng trích trữ năng lượng cảm ứng liên kết trực tiếp với lưới như hình 2.5.
Nguyên nhân khiến cho việc chọn máy phát cảm ứng là độ tin cậy và giá
thành tương đối rẻ. Một vấn đề trở ngại gặp phải là máy phát cảm ứng tiêu thụ
công suất phản kháng vì vậy khi vận hành phải cần một lượng công suất phản
kháng tăng lên khi muốn phát cùng một lượng công suất tác dụng. Bộ tụ được sử
dụng như thiết bò bù công suất phản kháng để cải thiện hệ số công suất ở ngõ
trước khi kết nối vào lưới. Máy phát cũng có thể sử dụng các kết cấu cơ khí để
cố đònh tốc độ turbine như hệ thống khớp trượt và được mô tả như sự liên kết
mềm giữa máy phát và lưới nghóa là tốc độ thay đổi theo moment tải.

Hình 2.4 Biểu đồ phân bố phần trăm các nước cung cấp turbine gió

Máy phát điện turbine gió

18
Một số nhà sản xuất thiết kế turbine của họ với hai máy phát, một máy
phát nhỏ chạy ở thời điểm có tốc độ gió thấp và một máy phát lớn chạy ở thời
điểm có tốc độ gió cao. Một số nhà sản xuất chế tạo máy phát có thể thay đổi
được số cực (thay đổi cách đấu các cuộn dây) và vì vậy khi vận hành tùy theo
tốc độ gió khác nhau mà số cực của máy phát là khác nhau. Giá trò sử dụng thật
sự của việc dùng máy phát đôi hay máy phát có nhiều cực từ cho tốc độ gió thấp
đều phụ thuộc vào tốc độ phân bố gió cục bộ và chi phí cho việc thay đổi số cực
của máy phát được so sánh với thu nhập do tiền bán điện của bản thân máy phát
mang lại. Tuy nhiên một nguyên nhân khá tốt của việc sử dụng máy phát đôi là
máy phát có thể vận hành ở tốc độ quay của turbine rất thấp. Điều này có ý
nghóa rất lớn về mặt động học, ngoài ra ở tốc độ vận hành thấp sẽ hạn chế tiếng
ồn của Rotor và cánh. [24]
2.2.1.2 Điều khiển turbine gió tốc độ thay đổi
Phương pháp điều khiển này là điều khiển theo sự thay đổi tốc độ của
turbine: phương pháp này sử dụng các cơ cấu điện tử công suất phức tạp, cơ cấu
này cho phép kết nối giữa máy phát và lưới với một tần số cố đònh cho dù tốc độ
của turbine thay đổi. Thuận tiện cơ bản của phương pháp này là khi gió lớn có
thể cho phép Rotor quay nhanh hơn và phần năng lượng dư thừa này được lưu trữ
lại cho đến khi tốc độ gió thấp xuống. Hiển nhiên điều này đòi hỏi một quá trình
điều khiển thông minh. Quá trình điều khiển này sẽ làm giảm các moment đỉnh
( giảm các ứng suất trong bộ li hợp và máy phát ) và cũng giảm được hiện tượng
mõi tải của tháp đỡ và cánh Rotor. Về mặt lý thuyết, việc điều khiển theo
phương pháp thay đổi tốc độ cũng thuận lợi cho mặt lượng điện sản xuất ra trong
năm từ việc có thể chạy máy ở tốc độ quay tối ưu phụ thuộc vào tốc độ gió. Từ

các quan điểm về mặt kinh tế chúng ta thấy các thuận lợi này là thứ yếu bởi vì
cần phải có các cơ cấu phức tạp cho việc điều khiển thay đổi tốc độ nó sẽ tổn
thất và chi phí cao hơn so với việc điều khiển cố đònh.

Hình 2.5: Hệ thống cố đònh tốc độ turbine dùng máy phát cảm ứng
và bộ tụ để cải thiện hệ số công suất



Máy phát
Điểm nối
chung
Bộ tụ
Turbine

Máy phát điện turbine gió

19
Một nguyên nhân tốt nữa là việc vận hành các turbine cục bộ ở tốc độ
thay đổi cho phép điều khiển từng bước trong quá trình xử lý cơ khí. Tuy nhiên,
nếu có thể thay đổi hệ số trượt của máy phát thì nó được dùng cho việc điều
khiển các thông số. Khi xảy ra các cơn gió lớn các tín hiệu cơ khí điều khiển là
việc tăng hệ số trượt của máy phát kéo theo tốc độ của rotor tăng cao hơn, trong
khi các bước cơ khí bắt đầu việc đối phó với với trạng thái thay đổi tốc độ của
cánh theo tốc độ gió. Kết quả làm cho hệ số trượt giảm trở lại. Trong trường hợp
gió đột ngột giảm thì quá trình điều khiển ngược lại.
Việc vận hành máy phát ở hệ số trượt cao sẽ sinh ra nhiều nhiệt trong lõi
sắt của máy phát vì vậy sẽ giảm hiệu suất làm việc. Tuy nhiên điều này không
là vấn đề quan trọng vì nó cho phép chuyển năng lượng gió thành năng lượng cơ
của turbine nhiều hơn nghóa là hiệu suất cơ sẽ cao hơn. Sự giao động trong công

suất ngõ ra sẽ giảm khi có thể thay đổi hệ số trượt hay lưu trữ hoặc thải ra một
phần năng lượng trong quá trình chuyển động quay của turbine. Hệ số trượt trong
các máy phát điện từ thường được duy trì rất nhỏ do nguyên nhân hiệu suất do
đó tốc độ quay thay đổi trong khoảng 1-2% giữa trường hợp không tải và đầy tải.
Tuy nhiên hệ số trượt là hàm của điện trở trong dây quấn Rotor của máy phát,
điện trở tăng sẽ làm tăng hệ số trượt. Để thực hiện việc thay đổi hệ số trượt
thông qua điện trở rotor người ta thực hiện nối tiếp vào trong dây quấn rotor các
thanh điện trở có thể thay đổi được giá trò của nó như hình 2.6. Bằng cách làm
này hệ số trượt của máy phát có thể tăng lên 10% làm cho tầm thay đổi tốc độ
lớn hơn. Các cuộn dây của Rotor được đấu hình sao và liên kết với hệ thống điện
trở nằm bên ngoài thông qua hệ thống phiến góp chổi than.
Một phương pháp khác có thể thay đổi tốc độ Rotor là kỹ thuật tầng được
minh họa như hình 2.7. Hệ thống này vẫn sử dụng Rotor dây quấn, chổi than,
phiến góp nhưng dây quấn Rotor được kết nối với một bộ biến đổi để thay đổi
tần số. Tốc độ quay tỉ lệ thuận với sự sai khác giữa tần số của stator (lưới) và tần
số rotor (bộ biến đổi). Tầm thay đổi tốc độ trong trường hợp này tỷ lệ thuận với


Turbine
Điện trở
rotor
Điểm nối
chung
Máy phát
Hình 2.6: Hệ thống thay đổi tốc độ bằng điện trở
Rotor

Máy phát điện turbine gió

20

cỡ của bộ biến đổi, nếu bộ biến đổi có cỡ bằng 25% công suất của máy phát gió
thì tầm thay đổi tốc độ là 25%, nghóa là giữa 50 đến 100% tốc độ bình thường.
Bộ biến đổi có thể được nối tiếp giữa máy phát và lưới điện đồng thời
việc điều khiển cũng có thể được thực hiện độc lập với tần số của lưới. Một
thuận tiện nữa của bộ biến đổi toàn phần là cho phép xử lý hồi tiếp, thông qua
các linh kiện điện tử công suất cùng với việc sử dụng kỹ thuật bộ lọc tích cực để
tăng cao chất lượng điện năng phát vào lưới. Một số hình ảnh Turbine gió hình
2.8. [24], [9]



Điểm nối
chung
Máy phát
Turbine
Bộ chỉnh
lưu rotor
Bộ ngòch
lưu rotor
Hình 2.7: Hệ thống tầng thay đổi tốc độ


Máy phát điện turbine gió

21

2.2.2 Nhà máy phát điện turbine gió
Là nhà máy sử dụng năng lượng gió để điều khiển làm quay hệ thống
cánh quạt và làm quay Roto của máy phát điện (biến đổi cơ năng thành điện
năng).

Công suất của máy phát phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ gió, khả năng của
bộ điều chỉnh có giới hạn nên khó phù hợp với sự thay đổi của phụ tải cho nên
điện năng thu được phải nạp vào acqui để tích trữ hoặc xây dựng cùng với
diezen hoặc điện năng được phát vào hệ thống.
Về cấu tạo có thể chế tạo động cơ gió kiểu trục đứng hay trục ngang, các
cánh quạt có thể tự động điều chỉnh hướng để thu nhận năng lượng gió tối ưu
trong phạm vi nhất đònh. Sơ đồ khối máy phát điện gió như hình 2.9.


Nguyên lý hoạt động như sau: Gió thổi vào cánh turbine làm quay turbine,
trục turbine gắn hộp số để tăng tỉ số truyền và ổn đònh cho Rotor của máy phát
điện. Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu tốc độ gió để thay đổi góc pitch cho
cánh quạt đón gió tốt nhất. Vận tốc góc truyền từ hộp số vào máy phát điện
cũng đưa vào hệ thống điều khiển để hệ thống điều khiển máy phát đưa công
suất ngõ ra đạt giá trò đònh mức.
Hình 2.9 Sơ đồ khối máy phát điện turbine gió