Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống phát điện gió – diesel nhằm nâng cao mức thâm nhập điện gió với lưới cô lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THÁI HIỆP

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ – DIESEL NHẰM NÂNG
CAO MỨC THÂM NHẬP ĐIỆN GIÓ VỚI LƢỚI CÔ LẬP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THÁI HIỆP

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ – DIESEL NHẰM NÂNG
CAO MỨC THÂM NHẬP ĐIỆN GIÓ VỚI LƢỚI CÔ LẬP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 62520202
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. LÊ VĂN DOANH
2. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG

Hà Nội – 2015



i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng
xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung
thực.

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Lê Thái Hiệp

XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Hướng dẫn khoa học 1

Hướng dẫn khoa học 2

PGS.TS. Lê Văn Doanh

TS. Nguyễn Thế Công

i




ii 

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến hai thầy hướng dẫn khoa
học trực tiếp, PGS. TS. Lê Văn Doanh và TS. Nguyễn Thế Công đã trực tiếp hướng dẫn,
định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm
huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào
tạo Sau Đại học, Viện Điện và Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm
ơn các giảng viên và cán bộ Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, đã hỗ trợ, tận tình giúp đỡ
trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm
khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung
nghiên cứu tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp
đỡ và động viên của bạn bè, các đồng nghiệp, cũng như các NCS trong Viện Điện và Viện
Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Lãnh đạo cũng như các nhân viên trong Nhà
máy phong điện Phú Quý, Nhà máy điện diesel và Điện lực Phú Quý đã giúp đỡ và hỗ trợ
nhiệt tình trong thời gian tham quan, tìm hiểu tại Phú Quý. Xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến anh Tạ Quốc Đông trưởng ca vận hành Nhà máy phong điện Phú Quý, bạn Võ Ngọc
Thiện nhân viên Điện lực Phú Quý đã giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình thu thập dữ liệu
cho luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn các GS, PGS, TSKH, TS, các thầy cô giáo đã dành thời gian
đọc và đóng góp những ý kiến quý báu để luận án có tính khoa học hơn.
Cuối c ng, tác giả thực sự cảm động và từ đáy lòng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến
các bậc sinh thành, vợ yêu quý c ng con thân yêu đã luôn ở bên tác giả những lúc khó
khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp
tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này.
Tác giả luận án

Lê Thái Hiệp

 ii 




iii 

MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU

1

1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................. 1
2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô
lập ............................................................................................................................... 2
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................... 2
2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam....................................................................... 4
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................. 5
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 5
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 6
6. Nội dung và bố cục luận án ......................................................................................... 6
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................... 7
Chương 1. TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ –
DIESEL TRONG LƯỚI CÔ LẬP
9
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 9

1.2. Ứng dụng điện gió ở vùng cô lập ............................................................................. 9
1.2.1. Tiềm năng gió của Việt Nam ........................................................................... 9
1.2.2. Hệ thống phát điện gió hoạt động độc lập ...................................................... 11
1.2.3. Hệ thống phát điện gió kết hợp với diesel ...................................................... 11
1.2.4. Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở Phú Quý...................................... 13
1.3. Khái quát về tuabin gió và máy phát điện diesel ................................................. 14
1.3.1. Tuabin gió ...................................................................................................... 14
1.3.2. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...................................................... 21
1.3.3. Máy phát điện diesel ...................................................................................... 22
1.4. Điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ............................................ 23
1.5. Vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel .............................................. 25
1.6. Tổng kết chương ..................................................................................................... 26
Chương 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL 28
2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 28
2.2. Mô hình toán các nguồn điện ................................................................................. 28
2.2.1. Mô hình DFIG ................................................................................................ 28
2.2.2. Máy phát điện diesel ...................................................................................... 33

 iii 




iv 

2.3. Các điều kiện ràng buộc trong vận hành.............................................................. 34
2.4. Mô hình toán của các chế độ vận hành ................................................................. 34
2.4.1. Sơ đồ hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel ở v ng cô lập ............................... 34
2.4.2. Mô hình toán chế độ xác lập .......................................................................... 35
2.4.3. Ổn định tĩnh của hệ thống khi có dao động bé ............................................... 37

2.4.4. Mô hình toán ổn định quá độ của hệ thống .................................................... 43
2.5. Đề xuất thuật toán và cấu trúc điều khiển nhằm nâng cao mức thâm nhập
điện gió ..................................................................................................................... 44
2.5.1. Thuật toán tính toán công suất và số máy phát .............................................. 45
2.5.2. Thuật toán điều chỉnh công suất đặt của các máy phát .................................. 46
2.6. Đề xuất sử dụng tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ nhằm đạt mức
thâm nhập điện gió tối đa....................................................................................... 49
2.6.1. Đề xuất giải pháp............................................................................................ 51
2.6.2. Phân tích và xây dựng mô hình toán .............................................................. 52
2.6.3. Điều kiện để có mức thâm nhập điện gió tối đa ............................................. 54
2.7. Tổng kết chương ..................................................................................................... 55
Chương 3. NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN
HỢP GIÓ – DIESEL VỚI LƯỚI CÔ LẬP
56
3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 56
3.2. Phương pháp tính toán khảo sát về ổn định ......................................................... 57
3.3. Kết quả khảo sát ở chế độ xác lập ......................................................................... 57
3.3.1. Các đặc tính vận hành ở chế độ xác lập ......................................................... 57
3.3.2. Xác định thông số ảnh hưởng mạnh đến ổn định tĩnh.................................... 58
3.3.3. Xác định giới hạn của các thông số ảnh hưởng mạnh đến ổn định tĩnh......... 61
3.4. Kết quả khảo sát ổn định ứng với các trường hợp vận hành đặc trưng ............ 62
3.4.1. Vận hành hệ thống khi không có gió.............................................................. 62
3.4.2. Vận hành hệ thống khi gió có tốc độ trung bình ............................................ 63
3.4.3. Vận hành hệ thống khi gió tốc độ cao ............................................................ 63
3.5. Phân tích và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định ................................................ 64
3.6. Tổng kết chương ..................................................................................................... 65
Chương 4. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL TRONG LƯỚI CÔ LẬP
67
4.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 67

4.2. Áp dụng thuật toán điều khiển chung cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel trên đảo Phú Quý ......................................................................................... 68
4.2.1. Mô phỏng quá trình điều khiển chung cho cả hệ thống ................................. 68
4.2.2. Trường hợp vận hành 16 giờ trong ngày ........................................................ 70
4.2.3. Trường hợp vận hành 24 giờ trong ngày ........................................................ 71
4.3. Khảo sát với tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ .................................... 73

 iv 




v

4.3.1. So sánh mô hình đề xuất với mô hình mẫu .................................................... 73
4.3.2. Ứng dụng tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ cho hệ thống phát
điện ở Phú Quý ............................................................................................... 75
4.4. Kiểm tra kết quả trên phần mềm PSS/adept ....................................................... 77
4.5. So sánh với thực tế và các giải pháp khác ............................................................ 79
4.6. Tổng kết chương ..................................................................................................... 79
Chương 5. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠM ĐIỆN GIÓ PHÙ HỢP VỚI TRẠM
ĐIỆN DIESEL ĐÃ CÓ Ở VÙNG CÔ LẬP
81
5.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 81
5.2. Đề xuất phương pháp xác định trạm điện gió phù hợp với trạm điện diesel
đã có ......................................................................................................................... 82
5.2.1. Phương pháp phân tích và tính toán ............................................................... 82
5.2.2. Các điều kiện ràng buộc trong vận hành ........................................................ 83
5.2.3. Thuật toán tính toán phân bố công suất.......................................................... 84
5.3. Tính toán áp dụng ................................................................................................... 86

5.3.1. Các số liệu về phụ tải và tốc độ gió trên đảo Phú Quý .................................. 86
5.3.2. Khảo sát hệ thống khi tốc độ gió quá thấp ..................................................... 87
5.3.3. Tính toán theo tốc độ gió trung bình với tuabin gió sử dụng DFIG ............... 87
5.3.4. Tính toán theo tốc độ gió trung bình với tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG ... 90
5.3.5. Tính toán theo tốc độ gió trung bình với tuabin gió kiểu D sử dụng SG
hoặc PMSG ..................................................................................................... 91
5.3.6. Tính toán theo tốc độ gió trung bình với tuabin gió có tích hợp khớp ly
hợp điện từ ...................................................................................................... 93
5.4. Tổng kết chương ..................................................................................................... 94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

96

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

99

TÀI LIỆU THAM KHẢO

100

PHỤ LỤC

106

v




vi 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

Tên gọi

Ang1

W.s hoặc J

Công của momen thừa làm tăng góc lệch roto từ δ0 đến δc

Ang3

W.s hoặc J

Công hãm tối đa khi góc δ tăng đến δgh

A1

kWh

Tổng điện năng do trạm điện gió phát được

At

kWh

Tổng điện năng tiêu thụ

Bg

N.m/rad

Hệ số cản khô của môi trường ảnh hưởng lên trục roto
máy phát điện gió

Bh

N.m/rad

Hệ số cản khô của phanh hãm tác dụng lên trục tuabin

Bwt

N.m/rad

Hệ số cản khô của môi trường ảnh hưởng lên trục tuabin
Hằng số giới hạn

C
cosφds

Hệ số công suất của máy phát điện diesel đang vận hành

cosφS1

Hệ số công suất trung bình của trạm điện gió tại thời điểm
khảo sát

cosφS2

Hệ số công suất trung bình của trạm điện diesel tại thời
điểm khảo sát

cosφt

Hệ số công suất của tổng tải

cosφw

Hệ số công suất của máy phát điện gió đang vận hành
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tuabin

Cp
Eg

W.s hoặc J

Năng lượng chuyển thành điện năng trong tuabin gió

Ewt

W.s hoặc J

Năng lượng thu được của phần tuabin

f

Hz

Tần số

fN

Hz

Tần số danh định

Hg

W.s/VA

Hằng số quán tính của roto máy phát điện gió

Hwt

W.s/VA

Hằng số quán tính của tuabin

I

A

J

kg.m2

Momen quán tính

Jg

kg.m2

Momen quán tính của máy phát điện gió

Jwt

kg.m2

Momen quán tính của phần tuabin

Cường độ dòng điện

Hệ số thể hiện sự trượt trong khớp điện từ khi có biến
động thông số đầu vào

Kemc
Kg

N.m.s/rad

Hệ số cản nhớt trên trục roto máy phát điện gió

Kh

N.m.s/rad

Hệ số cản nhớt của hãm tác dụng lên trục tuabin

KQ

VAr/W

Hệ số chuyển đổi công suất tác dụng thành công suất

 vi 




vii 

phản kháng trên động cơ b đồng bộ
Hệ số cản nhớt trên trục tuabin

Kwt

N.m.s/rad

l1

km

Chiều dài đường dây từ trạm điện gió đến tải

l2

km

Chiều dài đường dây từ trạm điện diesel đến tải

max( )

Hàm lấy giá trị lớn nhất

min()

Hàm lấy giá trị nhỏ nhất

Nds

Máy

Số máy phát điện diesel đang vận hành
Tỷ số biến đổi tốc độ quay của trục tốc độ cao so với trục
tốc độ thấp

Ng
Nw

Máy

Số tuabin gió đang vận hành

Nwlapdat

Máy

Số tuabin gió được lắp đặt.
Số đôi cực từ

np
nN

Vòng/phút

P

W

Tốc độ danh định
Công suất tác dụng
Biến trong phương trình dạng Laplace (tương đương d/dt
trong phương trình vi phân)

p
P1

W

Công suất tác dụng được phát bởi trạm điện gió

P1kp

W

Công suất tác dụng có thể phát được của trạm điện gió ở
tốc độ gió V tại thời điểm khảo sát

P2

W

Công suất tác dụng được phát bởi trạm điện diesel

Pdp

W

Dự phòng quay (còn gọi là dự trữ quay) là lượng công
suất dự trữ của các tổ máy phát điện đang vận hành trong
hệ thống. (Theo Thông tư 12/2010/TT–BCT)

Pdp1

W

Dự trữ quay của trạm điện gió.

Pdp2

W

Dự trữ quay của trạm điện diesel.

PdpsucoDS

W

Tổng công suất tác dụng có thể phát được của các máy
phát còn lại sau khi bị sự cố một máy phát điện diesel

PdpsucoW

W

Tổng công suất tác dụng có thể phát được của các máy
phát còn lại sau khi bị sự cố một tuabin gió

Pds

W

Công suất tác dụng được phát bởi 1 máy diesel

Pdsdc

W

Công suất tác dụng cấp cho 1 máy điện đồng bộ trong
trạm diesel ở chế độ động cơ b đồng bộ

Pdsmf

W

Công suất tác dụng được phát bởi 1 máy điện đồng bộ
trong trạm diesel ở chế độ máy phát

PdsN

W

Công suất tác dụng danh định của 1 máy diesel

Pg

W

Công suất tác dụng của máy phát điện gió

Pm

W

Công suất cơ sơ cấp

Pt

W

Công suất tác dụng của tổng tải

 vii 




viii 

Công suất tác dụng có thể phát được của 1 tuabin gió ở
tốc độ gió V tại thời điểm khảo sát

Pwkp

W

Pwlapdat

Máy

PwN

W

Công suất tác dụng danh định của 1 tuabin gió

Pwt

W

Công suất tuabin thu nhận được từ năng lượng gió

Q

VAr

Công suất phản kháng

Q1

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi trạm điện gió

Q2

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi trạm điện diesel

Qds

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi 1 máy diesel

Qdsdc

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi 1 máy điện đồng bộ
trong trạm diesel ở chế độ động cơ b đồng bộ

Qdsmf

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi 1 máy điện đồng bộ
trong trạm diesel ở chế độ máy phát

Qgen

W

Qt

VAr

Công suất phản kháng của tổng tải

Qw

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi 1 tuabin gió

r01

Ω/km

Điện trở đường dây từ trạm điện gió đến tải

r02

Ω/km

Điện trở đường dây từ trạm điện diesel đến tải

Rwt

m

S

VA

Tổng công suất tác dụng của trạm điện gió được lắp đặt.

Công suất phản kháng của máy phát điện gió

Bán kính tuabin
Công suất biểu kiến
Hệ số trượt

s
S1

VA

Công suất biểu kiến được phát bởi trạm điện gió

S2

VA

Công suất biểu kiến được phát bởi trạm điện diesel

Scb

VA

Công suất cơ bản

St

VA

Công suất biểu kiến của tổng tải

t1c

ms

Thời gian cắt ngắn mạch thiết lập trên bảo vệ rơle phía
trạm điện gió

t1cc

ms

Thời gian cắt ngắn mạch trong giới hạn cho phép khi
ngắn mạch gần trạm điện gió

t2c

ms

Thời gian cắt ngắn mạch thiết lập trên bảo vệ rơle phía
trạm điện diesel

t2cc

ms

Thời gian cắt ngắn mạch trong giới hạn cho phép khi
ngắn mạch gần trạm điện diesel

tc

ms

Thời gian cắt ngắn mạch

tcc

ms

Thời gian cắt ngắn mạch trong giới hạn cho phép

Tg

N.m

Momen trên trục máy phát điện gió do phụ tải điện sinh ra

Ths1

N.m

Momen trên trục tốc độ cao trước EMC

Ths2

N.m

Momen trên trục tốc độ cao sau EMC

 viii 




ix 

TJds

s

Hằng số thời gian quán tính của cả máy phát điện diesel
và đầu kéo

TJw

s

Hằng số thời gian quán tính của tuabin gió

Tls

N.m

Momen trên trục tốc độ thấp do tải cơ sinh ra

Tm

N.m

Momen trên cơ sơ cấp

Twt

N.m

Momen trên trục tốc độ thấp do tuabin sinh ra

U

V

Điện áp 22 kV

Ub1N

V

Điện áp danh định máy biến áp trong trạm điện gió

Ub1ng

%

Điện áp ngắn mạch của máy biến áp trong trạm điện gió

Ub2N

V

Điện áp danh định máy biến áp trong trạm điện diesel

Ub2ng

%

Điện áp ngắn mạch của máy biến áp trong trạm điện
diesel

udr

V

Thành phần điện áp theo trục d của roto

UdsN

V

Điện áp danh định máy phát điện diesel

uqr

V

Thành phần điện áp theo trục q của roto

UwN

V

Điện áp danh định máy phát điện gió

V

m/s

Tốc độ gió

VD

m/s

Tốc độ gió khởi động (cut–in)

VM

m/s

Tốc độ gió cực đại (cut–out)

VN

m/s

Tốc độ gió danh định
Biểu điễn dạng số phức của thông số X

X
x01

Ω/km

Điện kháng đường dây từ trạm điện gió đến tải

x02

Ω/km

Điện kháng đường dây từ trạm điện diesel đến tải

X1

Thông số X của trạm điện gió

X2

Thông số X của trạm điện diesel

Xmax

Giá trị cực đại của thông số X

Xmin

Giá trị cực tiểu của thông số X

Xt

Thông số X của tổng tải

Xw

Thông số X của cả tuabin gió

Xwt

Thông số X của phần tuabin

X’wd

Ω

X’dsd

Ω

Điện kháng quá độ máy phát điện gió khi quy đổi tương
đương dạng máy đồng bộ
Điện kháng quá độ máy phát điện diesel

X*

Giá trị tham chiếu của thông số X

X*

Số phức liên hiệp với X

∆Ewt

W.s hoặc J

∆t

s

β

độ

Năng lượng lưu trữ trong phần tuabin
Một khoảng thời gian
Góc nghiêng cánh

 ix 




x

δ1

độ

Góc lệch roto của máy phát điện trong trạm điện gió

δ2

độ

Góc lệch roto của máy phát điện trong trạm điện diesel

δc

độ

Góc lệch roto tại thời điểm cắt ngắn mạch

δgh

độ

Giá trị tối đa mà góc δ có thể quay về điểm cân bằng

ω0

rad/s

Tốc độ quay cơ bản

ωg

rad/s

Tốc độ quay của trục máy phát điện gió

ωhs

rad/s

Tốc độ quay của trục tốc độ cao

ωhs1

rad/s

Tốc độ quay của trục tốc độ cao trước khớp ly hợp điện từ
(EMC)

ωhs2

rad/s

Tốc độ quay của trục tốc độ cao sau EMC

ωr

rad/s

Tốc độ quay của roto máy phát điện gió

ωs

rad/s

Tốc độ quay của từ trường stato trong máy phát điện gió

ωslip

rad/s

Tốc độ quay của từ trường roto trong máy phát điện gió

ωwt

rad/s

Tốc độ quay của tuabin

2. Chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Tiếng Việt

English

AVR

Automatic Voltage Regulator

Tự động ổn định điện áp

DFIG

Doubly Fed Induction Generator

Máy phát không đồng bộ cấp
nguồn từ hai phía

EMC

ElectroMagnetic Clutch

Khớp ly hợp điện từ

EVN

Vietnam Electricity

Tập đoàn Điện lực Việt Nam

GSC

Grid Side Converter

Bộ chuyển đổi phía lưới

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh
Generator
cửu

RSC

Rotor Side Converter

SCIG

Squirrel Cage Induction Generator Máy phát không đồng bộ roto lồng
sóc

SG

Synchronous Generator

Máy phát đồng bộ

STATCOM

Static synchronous compensator

Tụ b đồng bộ kiểu tĩnh

WRIG

Wound Rotor Induction Generator Máy phát không đồng bộ roto dây
quấn

Bộ chuyển đổi phía roto

x




xi 

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thống kê tốc độ gió trung bình do EVN và Ngân hàng Thế giới khảo sát [78] .. 10
Bảng 1.2 So sánh các dự án phát điện gió nối lưới cô lập [19] ........................................... 12
Bảng 1.3 Thống kê đặc điểm kỹ thuật của các kiểu tuabin gió [58] ................................... 20
Bảng 1.4 So sánh giữa các loại máy phát điện gió [19] ...................................................... 20
Bảng 2.1 Điều kiện vận hành............................................................................................... 34
Bảng 2.2 Đặc điểm kinh tế, kỹ thuật của các giải pháp sử dụng thiết bị phụ trợ [19]: ....... 50
Bảng 3.1 Thông số hệ thống ................................................................................................ 57
Bảng 3.2 Phân tích các giải pháp kỹ thuật ........................................................................... 64
Bảng 4.1 Điều kiện vận hành ở Phú Quý [5,19,60] ............................................................. 68
Bảng 4.2 Thông số phụ tải ................................................................................................... 70
Bảng 5.1 Điều kiện vận hành............................................................................................... 83
Bảng 5.2 Các hàm sử dụng trong thuật toán........................................................................ 84

 xi 




xii 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 (a) Tiềm năng gió ở đất liền của Việt Nam; (b) Tiềm năng gió ở Biển Đông
[78]. ..................................................................................................................... 10
Hình 1.2 Hệ thống phát điện gió làm việc độc lập. ............................................................ 11
Hình 1.3 Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel [50,51,56]. .......................................... 12
Hình 1.4 (a) Lưới điện 22kV trên đảo Phú Quý; (b) Hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel trên đảo Phú Quý. ..................................................................................... 13
Hình 1.5 Các phần hợp thành và kết nối với tuabin gió [26]. ............................................ 14
Hình 1.6 Cấu trúc tuabin gió V80–2 MW [79,80]. ............................................................ 14
Hình 1.7 Đường cong P(V) biểu diễn công suất tuabin phụ thuộc theo vận tốc gió. ......... 15
Hình 1.8 (a) Đặc tính Cp – λ của các loại tuabin với thiết kế cánh khác nhau ; (b) Đồ thị
mô tả quan hệ Cp theo tốc độ riêng λ và góc nghiêng cánh β của tuabin 3 cánh
[20,24,27,49,52,62,82]. ....................................................................................... 16
Hình 1.9 Phương pháp điều chỉnh khí động theo kiểu pitch. ............................................. 17
Hình 1.10 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin điều khiển kiểu pitch [34]. ...................... 17
Hình 1.11 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng
cánh không đổi. .................................................................................................. 18
Hình 1.12 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng
cánh thay đổi. ..................................................................................................... 18
Hình 1.13 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu passive–stall. ................................... 19
Hình 1.14 Các cấu trúc tuabin gió được sử dụng phổ biến nhất [23,58,82]. ...................... 19
Hình 1.15 Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển và bảo vệ tuabin gió kiểu DFIG

[36,64]. ................................................................................................................ 21
Hình 1.16 Nguyên lý hoạt động của DFIG [30]. ................................................................ 22
Hình 1.17 Cấu trúc cơ bản của máy phát điện diesel [31]. .................................................. 22
Hình 1.18 Đặc tính độ dốc sử dụng để điều khiển nguồn phát công suất [14,45,69]. ......... 23
Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển theo đặc tính độ dốc khi có thay đổi tần số, điện áp [45]. ...... 23
Hình 1.20 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel. ........................... 24
Hình 1.21 Biểu đồ minh họa định tính quan hệ giữa chất lượng điện năng và tỷ lệ thâm
nhập điện gió với các điều kiện khác. ................................................................. 25
Hình 2.1 Sơ đồ mạch tương đương dạng một pha của DFIG. ............................................. 28
Hình 2.2 Biểu diễn dòng công suất trong DFIG trên sơ đồ mạch tương đương [58]. ......... 29
Hình 2.3 Đặc tính công suất của DFIG theo hệ số trượt [86]. ............................................. 29
Hình 2.4 (a) Sơ đồ mạch tương đương DFIG trên hệ trục d-q; (b) Sơ đồ mạch quy đổi
DFIG theo Thevenin. .......................................................................................... 30
 xii 




xiii 

Hình 2.5 Sơ đồ mạch tương đương trạm điện gió ở chế độ xác lập. ................................... 32
Hình 2.6 Sơ đồ mạch đơn giản của trạm điện gió ở chế độ xác lập. ................................... 32
Hình 2.7 Sơ đồ mô tả chế độ hoạt động của DFIG khi lưới bị sự cố [55]........................... 33
Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương đương khi có ngắn mạch trên đường dây gần trạm điện gió. . 33
Hình 2.9 (a) Sơ đồ mạch tương đương một pha của SG; (b) Đồ thị vectơ dòng và áp
trong SG. ............................................................................................................. 33
Hình 2.10 Sơ đồ đơn giản hóa hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel. ................................... 35
Hình 2.11 Sơ đồ mạch đơn giản hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel. ................................ 35
Hình 2.12 Sơ đồ mạch tương đương. ................................................................................. 35
Hình 2.13 Mạch tương đương của tổng tải và biểu đồ vectơ của các thông số trên mạch. 39

Hình 2.14 Biểu diễn quá trình quá độ khi có ngắn mạch gần trạm điện gió
[36,55,73,77,83]. ................................................................................................. 43
Hình 2.15 Biểu diễn quá trình quá độ khi có ngắn mạch gần trạm điện diesel [53]. .......... 43
Hình 2.16 Sơ đồ thể hiện mối liên hệ giữa việc tính toán và điều chỉnh hệ thống. ............ 45
Hình 2.17 Lưu đồ tính toán phát cực đại công suất trạm điện gió. .................................... 45
Hình 2.18 Sơ đồ khối điều chỉnh công suất đặt của các máy phát trong hệ thống. ............. 47
Hình 2.19 Sơ đồ khối phân phối công suất. ......................................................................... 47
Hình 2.20 Sơ đồ khối huy động máy. .................................................................................. 48
Hình 2.21 Sơ đồ bộ điều khiển khối chuyển đổi phía roto của DFIG [77]. ........................ 48
Hình 2.22 Sơ đồ bộ điều khiển khối chuyển đổi phía lưới của DFIG [77]. ........................ 49
Hình 2.23 Sơ đồ bộ điều khiển góc nghiêng cánh của tuabin theo giá trị đặt. .................... 49
Hình 2.24 Sơ đồ điều chỉnh công suất cơ của máy diesel theo giá trị đặt. .......................... 49
Hình 2.25 Đề xuất cấu trúc của tuabin gió tích hợp khớp ly hợp điện từ............................ 52
Hình 2.26 Mô hình động học hệ cơ có tích hợp EMC. ....................................................... 53
Hình 2.27 Mô hình truyền động trong tuabin gió tích hợp khớp ly hợp điện từ. ................ 53
Hình 2.28 Mô hình truyền động phần tuabin có bộ hãm tốc. .............................................. 53
Hình 3.1 Sơ đồ thể hiện quá trình khảo sát ổn định. ........................................................... 57
Hình 3.2 Các đặc tính làm việc của hệ với tải Pt = 1,0 ÷ 8,0 MW, cosφt = 0,87................ 58
Hình 3.3 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt = 0,0 ÷
8,0 MW, cosφt=0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW, cosφS1 = 1,0. ................................. 59
Hình 3.4 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt ≤ 5,4
MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 5,4 MW, cosφS1 = 1,0. ..................................... 59
Hình 3.5 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt ≥ 5,5
MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW, cosφS1 = 1,0. ..................................... 59
Hình 3.6 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt = 6,0
MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW với cosφS1 = 0,98............................... 59
Hình 3.7 Khảo sát an với tải từ Pt = 0,0 ÷ 8,0 MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW
với cosφS1=0,98. .................................................................................................. 60
Hình 3.8 Khảo sát an với tải từ Pt = 6,0 MW, cosφt=0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW. ............. 60
 xiii 



xiv 

Hình 3.9 Ảnh hưởng thành phần điện áp theo trục d của roto udr đến công suất tác dụng
Pg và công suất phản kháng Qg của DFIG [63]. .................................................. 60
Hình 3.10 Ảnh hưởng thành phần điện áp theo trục q của roto uqr đến công suất tác dụng
Pg và công suất phản kháng Qg của DFIG [63]. .................................................. 60
Hình 3.11 Các đường cong thể hiện hệ số an trong phương trình (2.102) ứng với các giá
trị điện kháng truyền tải từ trạm gió đến tải X13. ................................................ 61
Hình 3.12 Đường cong giới hạn ổn định theo thông số điện kháng truyền tải của trạm
điện gió. ............................................................................................................... 61
Hình 3.13 Đường giới hạn ổn định theo thông số cosφS1 ứng với trạm điện gió nhận
công suất phản kháng. ......................................................................................... 62
Hình 3.14 Khảo sát trạm điện diesel vận hành độc lập với phụ tải từ 500÷2200kW: a)
Số máy phát tham gia vận hành và công suất phát của mỗi máy; b) Khảo sát
nghiệm của phương trình (2.101); c) Khảo sát xác định thời gian cắt tới hạn
tcc ở trạm điện diesel. .......................................................................................... 62
Hình 3.15 Khảo sát hệ thống hỗn hợp gió – diesel vận hành khi có gió ở tốc độ 9m/s
với phụ tải từ 500÷5000kW: (a) Số máy phát tham gia vận hành; (b) Công
suất phát của mỗi máy; (c) Tỷ lệ phát công suất của hai trạm điện; (d) Khảo
sát nghiệm của phương trình (2.101); (e) Khảo sát xác định thời gian cắt tới
hạn tcc. ................................................................................................................. 63
Hình 3.16 Khảo sát hệ thống hỗn hợp gió – diesel vận hành khi có gió lớn hơn 17m/s
với phụ tải từ 500 ÷ 8000 kW: (a) Số máy phát tham gia vận hành; (b) Công
suất phát của mỗi máy; (c) Tỷ lệ phát công suất của hai trạm điện; (d) Khảo
sát nghiệm của phương trình (2.101); (e) Khảo sát xác định thời gian cắt tới
hạn tcc. ................................................................................................................. 64

Hình 4.1 Mô hình hệ thống hỗn hợp gió – diesel. ............................................................... 68
Hình 4.2 Biểu đồ tốc độ gió trong mô phỏng. ..................................................................... 68
Hình 4.3 Số lượng máy phát tham gia vận hành. ................................................................ 68
Hình 4.4 Biểu đồ phát công suất tác dụng (a) và công suất phản kháng (b) của hai trạm
điện. ..................................................................................................................... 69
Hình 4.5 Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ phát công suất tác dụng của hai trạm điện. ..................... 69
Hình 4.6 Biểu đồ tần số trên lưới. ....................................................................................... 69
Hình 4.7 Biểu đồ dạng sóng của điện áp phía trạm điện gió. .............................................. 69
Hình 4.8 Biểu đồ phụ tải trên đảo Phú Quý ngày 23/05/2012 [16]. ................................... 70
Hình 4.9 (a) Số máy phát tham gia vận hành; (b) Công suất phát của mỗi máy; (c) Biểu
đồ phát công suất tác dụng của mỗi trạm điện và công suất dự trữ quay của
trạm điện diesel; (d) Biểu đồ phát công suất phản kháng của mỗi trạm điện;
(e) Biểu đồ phát công suất tác dụng của cả hệ; (f) Tỷ lệ phát công suất tác
dụng của hai trạm điện. ....................................................................................... 70

 xiv 




xv 

Hình 4.10 (a) Khảo sát nghiệm của phương trình D(p)=0 với phụ tải trong 24 giờ; (b)
Kết quả khảo sát thời gian cắt tới hạn. ................................................................ 70
Hình 4.11 Biểu đồ phụ tải (a) và biểu đồ tốc độ gió (b) trên đảo Phú Quý ngày
13/7/2014. ........................................................................................................... 71
Hình 4.12 Số lượng máy phát tham gia vận hành. .............................................................. 71
Hình 4.13 Biểu đồ công suất phát của mỗi máy. ................................................................. 71
Hình 4.14 Biểu đồ phát công suất phản kháng của hai trạm điện. ...................................... 72
Hình 4.15 Biểu đồ công suất dự trữ quay trong hệ thống.................................................... 72

Hình 4.16 Biểu đồ phát công suất tác dụng của hai trạm điện. ........................................... 72
Hình 4.17 Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ phát công suất tác dụng của hai trạm điện. ................... 72
Hình 4.18 Mô hình tích hợp khớp ly hợp điện từ vào tuabin gió. ....................................... 73
Hình 4.19 Biểu đồ tốc độ gió d ng trong các mô hình mô phỏng. ..................................... 73
Hình 4.20 Tốc độ quay của tuabin trong mô hình tích hợp EMC vào tuabin gió. .............. 73
Hình 4.21 Tiêu thụ điện năng trong tải giả trên mô hình mẫu. ........................................... 74
Hình 4.22 Biến động công suất vào tuabin và công suất ra của máy phát trong mô hình
tích hợp EMC vào tuabin gió. ............................................................................. 74
Hình 4.23 Kết quả về chất lượng điện năng của mô hình mẫu trình bày ở các hình bên
trái; Kết quả về chất lượng điện năng của mô hình tích hợp EMC vào tuabin
gió trình bày ở các hình bên phải. ....................................................................... 74
Hình 4.24 Mô hình hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel (a) với tuabin gió có tích
hợp EMC (b). ...................................................................................................... 75
Hình 4.25 Số lượng máy phát vận hành trong hai trạm điện. .............................................. 75
Hình 4.26 Biểu đồ công suất phát của hai trạm điện và dự trữ quay của hệ thống. ............ 75
Hình 4.27 Biểu đồ công suất phát của mỗi máy. ................................................................. 76
Hình 4.28 Biểu đồ tỷ lệ công suất của trạm gió – diesel so với tổng tải. ............................ 76
Hình 4.29 Biểu đồ tốc độ gió ngày 13/07/2014. .................................................................. 76
Hình 4.30 Biểu đồ công suất phát của mỗi máy. ................................................................. 76
Hình 4.31 Số lượng máy phát vận hành trong hai trạm điện. .............................................. 77
Hình 4.32 Biểu đồ công suất phát của hai trạm điện và biểu đồ phụ tải. ............................ 77
Hình 4.33 Biểu đồ dự trữ quay của hệ thống. ...................................................................... 77
Hình 4.34 Biểu đồ tỷ lệ công suất của trạm gió – diesel so với tổng tải. ............................ 77
Hình 4.35 Kết quả khảo sát trên phần mềm PSS/adept cho trường hợp có tỷ lệ thâm
nhập điện gió lớn và vận hành nhiều tuabin gió nhất. ........................................ 78
Hình 4.36 Biểu đồ về công suất và số lượng máy tham gia vận hành ngày 23/5/2012...... 79
Hình 5.1 Sơ đồ thể hiện quá trình phân tích tính toán để xác định trạm điện gió ph hợp
nhất. ..................................................................................................................... 83
Hình 5.2 Thuật toán tính toán phân bố công suất cho hai trạm điện. .................................. 84

 xv 




xvi 

Hình 5.3 (a) Biểu đồ tốc độ gió trên đảo Phú Quý từ tháng 6/2012 đến tháng 6/2013;
(b) Biểu đồ tổng phụ tải (Pt) trên đảo Phú Quý với phương thức vận hành
24h/ngày. ............................................................................................................. 86
Hình 5.4 Số máy phát tham gia vận hành và công suất phát của mỗi máy khi trạm điện
diesel vận hành độc lập, (a) với phụ tải từ 800÷2200kW, (b) với phụ tải của
ngày 02/07/2014. ................................................................................................. 87
Hình 5.5 Tỷ lệ P1/Pt theo số lượng tuabin gió sử dụng DFIG ứng với mức công suất (a)
2MW; (b) 1,5MW; 1,2MW; (d) 1MW; (e) 0,8MW; (f) 0,5MW. ...................... 88
Hình 5.6 Các đường cong biểu diễn số lượng tuabin gió DFIG có thể lắp đặt tối đa theo
lợi ích cận biên của dự án. .................................................................................. 88
Hình 5.7 Thể hiện các đặc tính của tuabin gió sử dụng DFIG với các mức công suất
khác nhau. (a) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện tỷ lệ P1/Pt; (b)
Mặt cong giới hạn mức thâm nhập điện gió tối đa; (c) So sánh các loại tuabin
gió trên phương diện tỷ lệ A1/At khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải
của ngày 02/07/2014; (d) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện hiệu
quả sản xuất điện năng của mỗi tuabin gió ; (e) So sánh các loại tuabin gió
trên phương diện tỷ lệ công suất phát của trạm điện gió so với tổng công suất
lắp đặt. ................................................................................................................. 89
Hình 5.8 Tỷ lệ P1/Pt theo số lượng tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG ứng với mức công
suất (a) 2MW; (b) 1,5MW; 1,2MW; (d) 1MW; (e) 0,8MW; (f) 0,5MW. ......... 90
Hình 5.9 Mặt cong giới hạn mức thâm nhập điện gió tối đa với tuabin gió kiểu D sử
dụng SCIG........................................................................................................... 91
Hình 5.10 So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG trên phương diện tỷ lệ

A1/At khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải của ngày 02/07/2014. ........... 91
Hình 5.11 (a) So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG trên phương diện tỷ lệ
công suất phát của trạm điện gió so với tổng công suất lắp đặt; (b) So sánh
các loại tuabin gió trên phương diện hiệu quả sản xuất điện năng của mỗi
tuabin................................................................................................................... 91
Hình 5.12 Tỷ lệ P1/Pt theo số lượng tuabin gió kiểu D sử dụng SG hoặc PMSG ứng với
mức công suất (a) 2MW; (b) 1,5MW; 1,2MW; (d) 1MW; (e) 0,8MW; (f)
0,5MW. ............................................................................................................... 92
Hình 5.13 Mặt cong giới hạn mức thâm nhập điện gió tối đa với tuabin gió kiểu D sử
dụng SG hoặc PMSG. ......................................................................................... 92
Hình 5.14 So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử dụng SG hoặc PMSG trên phương diện
tỷ lệ A1/At khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải của ngày 02/07/2014. ... 92
Hình 5.15 (a) So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử dụng SG hoặc PMSG trên phương
diện tỷ lệ công suất phát của trạm điện gió so với tổng công suất lắp đặt; (b)
So sánh các loại tuabin gió trên phương diện hiệu quả sản xuất điện năng của
mỗi tuabin gió. .................................................................................................... 92
 xvi 




xvii 

Hình 5.16 Tỷ lệ P1/Pt theo số lượng tuabin gió có tích hợp EMC ứng với mức công suất
(a) 2MW; (b) 1,5MW; 1,2MW; (d) 1MW; (e) 0,8MW; (f) 0,5MW. ................. 93
Hình 5.17 Mặt cong giới hạn mức thâm nhập điện gió tối đa với tuabin gió có tích hợp
EMC. ................................................................................................................... 94
Hình 5.18 So sánh các loại tuabin gió có tích hợp EMC trên phương diện tỷ lệ điện
năng trạm điện gió cung cấp trực tiếp cho phụ tải (A1 – Adsdc) so với At khi
vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải của ngày 02/07/2014. ........................... 94

Hình 5.19 (a) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện tỷ lệ A1/At khi vận hành ở
tốc độ gió 9m/s với phụ tải của ngày 02/07/2014; (b) So sánh các loại tuabin
gió trên phương diện hiệu quả sản xuất điện năng của mỗi tuabin gió. .............. 94

 xvii 




1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi trường
do đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm trọng. Năng lượng tái tạo đang được quan
tâm nhiều và là sự lựa chọn cho ngành năng lượng trong tương lai. Các nguồn năng lượng
tái tạo đang được quan tâm là năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều… Năng lượng tái tạo góp phần rất lớn vào
việc cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường. Các hệ thống phát điện sử dụng
năng lượng tái tạo đã và đang phát triển ở vùng sâu, vùng xa, hải đảo1, những nơi mà việc
phát triển lưới điện quốc gia không khả thi về mặt kinh tế.
Đa phần các v ng cô lập trên thế giới được cấp nguồn nhờ các trạm điện diesel, tuy
nhiên đã và đang có nhiều v ng cô lập trên thế giới được cấp nguồn từ hệ thống phát điện
sử dụng năng lượng tái tạo kết hợp với diesel (Phụ lục A) [15,42,61,65]. Hầu hết các hệ
thống phát điện hỗ hợp đã được xây lắp ở các v ng cô lập đều có thành phần điện gió.
Các v ng cô lập ở Việt Nam cũng có những đặc điểm về năng lượng gió tương tự như
các v ng cô lập trên thế giới đã xây lắp hệ thống điện gió. Theo khảo sát của Ngân hàng
thế giới khẳng định, Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió lớn nhất Đông Nam Á với
tổng công suất điện gió ước đạt 513.360 MW [78], nhiều hơn 200 lần công suất của Thuỷ

điện Sơn La, hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020.
Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến đổi khí
hậu, trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các nguồn năng
lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi
trường. Gần đây, Chính phủ đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng phát triển dạng
“điện xanh” này, trong đó năng lượng gió được xem như là một lĩnh vực trọng tâm.
Các chính sách và cơ chế ưu đãi của Chính phủ dành cho lĩnh vực điện gió được thể
hiện qua các văn bản pháp lý rõ ràng hơn trong thời gian gần đây. Ngày 21/7/2011, Thủ
tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định 1208/2011/QĐ–TTg về phê duyệt Quy hoạch
Phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011–2020 và có xét đến năm 2030 (Quy hoạch
điện VII), trong đó thể hiện mục tiêu của Chính phủ là ưu tiên khai thác các nguồn năng

1

Trong quyển luận án này, để tránh tr ng lặp quá nhiều từ “v ng” từ đây trở về sau cụm từ “vùng sâu,
v ng xa, hải đảo” sẽ được viết ngắn gọn là “v ng cô lập”.

1




2

lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ 3,5% năm 2010, lên 4,5%
vào năm 2020 và 6,0% vào năm 2030 so với tổng điện năng sản xuất c ng năm. Riêng đối
với nguồn năng lượng gió, đưa tổng công suất nguồn điện gió từ mức không đáng kể hiện
nay (khoảng 31 MW, một con số rất khiêm tốn so với nhiều nước trên thế giới) lên khoảng
1.000 MW (chiếm khoảng 0,7% của tổng điện năng sản xuất) vào năm 2020, khoảng 6.200
MW (chiếm khoảng 2,4%) vào năm 2030.

Sự cam kết của Chính phủ về lĩnh vực năng lượng tái tạo nói chung, và lĩnh vực điện
gió nói riêng càng thể hiện rõ hơn khi Quyết định số 37/2011/QĐ–TTg được ban hành
ngày 29 tháng 6 năm 2011 (có hiệu lực từ 20/8/2011). Ngoài ra, còn nhiều quyết định khác
đưa ra các cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam (thể hiện rõ trong [7,8]).
Theo các thống kê thì Việt Nam có hơn 4.000 đảo. Trong số đó có nhiều đảo xa bờ, nên
việc cấp điện lưới quốc gia cho các đảo này không khả thi về kinh tế. Hiện nay, việc sử
dụng trạm phát điện diesel để cấp nguồn cho các đảo làm cho giá điện cao, tiêu tốn nhiều
nhiên liệu diesel, ô nhiễm môi trường. Như vậy, phát triển các hệ thống phát điện hỗn hợp
gió – diesel ở các v ng cô lập là rất cần thiết và ph hợp với xu hướng chung của thế giới.

2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel trong lƣới cô lập
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng trăm năm trước. Con người đã d ng năng
lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được
sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Ý tưởng d ng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra
điện và máy phát điện. Lúc đầu, nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay
vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì d ng máy phát điện để sản
xuất năng lượng điện. Khi khoa học về cơ học dòng chảy phát triển thì các thiết bị xây
dựng và hình dáng của các cánh cũng được chế tạo đặc biệt hơn cho ph hợp.
Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất
điện từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuabin
gió.
Quá trình phát triển của việc sử dụng năng lượng gió nhằm sản xuất điện năng có thể
coi như bắt đầu vào những năm 1970 với những thí nghiệm bước đầu và b ng nổ vào
những năm 1980. Việc sử dụng năng lượng gió đã bắt đầu trước hết ở Đức và hiện nay là
trên phạm vi quốc tế. Theo xu hướng đó, các hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cũng
được ứng dụng ở nhiều v ng cô lập.

2




3

Riêng đối với việc nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel, trên thế giới
đã thành lập nhiều phòng thí nghiệm. Một số phòng thí nghiệm điển hình: NREL (1996) và
RERL–Umass (1989) ở Hoa Kỳ, CRES ở Hy Lạp (1995), DEWI ở Đức (1992), RAL ở
Anh (1991), EFI ở Na Uy (1989), IREQ (1986) và AWTS (1985) ở Canada, RISØ ở Đan
Mạch (1984).
Các nghiên cứu trên thế giới về hệ thống phát điện gió kết hợp diesel trong lưới cô lập:
a) Nghiên cứu lựa chọn hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel tối ưu
Đã có nhiều công trình nghiên cứu quan tâm đến việc lựa chọn hệ thống phát điện hỗn
hợp gió – diesel tối ưu. Tính toán tối ưu xác định số lượng tuabin gió và loại tuabin gió để
lắp đặt cho nhiều khu vực được kết nối với nhau thành một hệ thống [47]. Tuy nhiên
nghiên cứu này không tính toán cho lưới cô lập. Bên cạnh đó, các nghiên cứu [28,29] cũng
đã tính toán được số lượng tuabin gió ph hợp trong hệ này. Tuy nhiên các nghiên cứu
[28,29] chỉ tính toán cho một loại tuabin gió, chẳng hạn loại 600kW [29]; loại 1500kW
[28]. Cá biệt, có nghiên cứu chỉ tính toán lựa chọn một tuabin gió vận hành c ng một máy
phát điện diesel [43]. Chương trình tính toán trong các nghiên cứu [28,29] d ng để tính
toán cho cả vòng đời của dự án, chứ không phải là chương trình tính toán theo vận hành.
Như vậy, cách giải quyết vấn đề ở các nghiên cứu này không ph hợp cho việc tính toán
thiết kế một trạm điện gió mới cho các đảo ở nước ta.
b) Nghiên cứu về vận hành ổn định hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
Các nghiên cứu [85,87] đều nghiên cứu về tối ưu chế độ vận hành của hệ thống phát
điện hỗn hợp gió – diesel, nhưng có thiết bị phụ trợ.
c) Nghiên cứu giải pháp nhằm nâng cao tỷ lệ thâm nhập điện gió
Dựa trên các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật (như giá thiết bị, hiệu suất, tính đơn giản, tuổi

thọ, thời gian thu hồi vốn, độ tin cậy, ảnh hưởng môi trường, giới hạn vận hành, khả năng
lưu trữ, mức độ ph hợp với hệ gió – diesel, khả năng làm giảm tiêu thụ nhiên liệu…), các
nghiên cứu [37,40,41] đã đánh giá chỉ số hiệu năng của hầu hết các công nghệ lưu trữ năng
lượng. Từ những so sánh đó, bình áp suất dùng để lưu trữ năng lượng được áp dụng vào hệ
thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cấp nguồn cho một khu dân cư. Trong trường hợp
phụ tải đỉnh là 851 kW thì giảm tiêu hao nhiên liệu 27%; trong trường hợp áp dụng cho
phụ tải 5 kW thì giảm tiêu hao nhiên liệu là 98% [37,38,39,40].
d) Nghiên cứu về cải thiện chất lượng điện năng của hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel
Sử dụng cuộn siêu cảm làm kho từ trong lưới cô lập với tải 650 kW cho chất lượng tần
số cũng như chất lượng công suất tương đối tốt [84].
Hiện nay, việc tích hợp khớp ly hợp điện từ (EMC – ElectroMagnetic Clutch) vào
tuabin gió cũng mới chỉ được đề xuất trong các nghiên cứu [70,71,72]. Tuy nhiên các
nghiên cứu này chỉ nhằm mục đích khẳng định tuabin gió loại máy phát đồng bộ nối trực
tiếp với lưới được tích hợp EMC có chất lượng điện năng tương đương với các loại tuabin
gió có tốc độ thay đổi hiện nay.

3




4

2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Việc nghiên cứu và khai thác năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm
1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình
“Tiến bộ khoa học kỹ thuật cấp nhà nước” về năng lượng mới và năng lượng tái tạo đã chế
tạo một số hệ thống phát điện gió với công suất cỡ 120W đến 500W nạp ắcquy của Trường
Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Bách khoa Hà Nội, với mục đích

thắp sáng, chạy máy thu thanh.
Hầu hết các nghiên cứu ở Việt Nam đều tập trung về vấn đề điều khiển tuabin gió sử
dụng máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía (DFIG – Doubly Fed Induction
Generator). Nghiên cứu phương pháp điều khiển máy phát loại DFIG trên cơ sở: các thuật
toán điều chỉnh đảm bảo phân ly giữa momen và hệ số công suất [10,11]; các thuật toán
phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật Backstepping [1,2]; phương pháp tựa theo thụ động Euler–
Lagrange và luật Hamiltonian [6]; điều khiển bám lưới [17]. Bên cạnh đó, cũng có các
nghiên cứu để đảm bảo chất lượng điện năng của DFIG: điều chỉnh ổn định điện áp [18];
khử sai lệch tĩnh trên cơ sở các thuật toán phi tuyến theo kỹ thuật Backstepping [3]; điều
khiển dòng thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật Backstepping [4]. Ngoài ra, để tuabin
gió có thể hỗ trợ lỗi lưới không đối xứng và sập lưới đối xứng, nghiên cứu [13] đã phân
tích và đề xuất phương pháp tựa thụ động cho DFIG. Đồng thời nghiên cứu này cũng đề
xuất tích hợp lọc tích cực vào bộ điều khiển phía lưới để cải thiện chất lượng điện năng khi
lưới ổn định và có tải phi tuyến. Kết quả chất lượng điện năng có cải thiện một phần.
Điều kiện gió và khí hậu của Việt Nam có những đặc điểm riêng, do đó cần có thiết kế
tuabin gió ph hợp. Do đó nghiên cứu [12] đã thiết kế và chế tạo máy phát điện gió công
suất 10–30kW. Tuy nhiên kết quả vận hành còn chưa ph hợp với điều kiện khí hậu ở Việt
Nam.
a) Nghiên cứu lựa chọn hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel tối ưu
Nghiên cứu [19] đã đề nghị với lưới cô lập nên lắp đặt loại tuabin gió sử dụng máy phát
không đồng bộ roto lồng sóc (SCIG – Squirrel Cage Induction Generator) hoặc máy phát
đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG – Permanent Magnet Synchronous Generator). Tuy
nhiên nghiên cứu [19] chỉ khẳng định SCIG và PMSG tốt hơn DFIG mà chưa có mô phỏng
hoặc thực nghiệm kiểm chứng. Nghiên cứu này cũng chưa xác định được sẽ sử dụng tuabin
gió công suất bao nhiêu và lắp đặt bao nhiêu tuabin gió.
b) Nghiên cứu về vận hành ổn định và nhằm nâng cao tỷ lệ thâm nhập điện gió trong hệ
thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
Các nghiên cứu [19,60] đã thống kê chi tiết về tính năng của từng loại thiết bị phụ trợ,
phân tích và đề xuất sử dụng máy phát điện diesel tải thấp để nâng tỷ lệ thâm nhập điện gió
lên 70%Pt mà vẫn đảm bảo ổn định tần số. Nghiên cứu này cũng khẳng định phải có chính

sách khuyến khích sự tăng trưởng phụ tải thì việc sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ mới có
hiệu quả kinh tế cho nhà đầu tư.

4




5

Nghiên cứu [32] đã mô phỏng chế độ vận hành theo hướng sử dụng tối đa năng lượng
gió trên Matlab với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị phụ trợ trong
lưới cô lập. Tuy nhiên nghiên cứu này chưa quan tâm đến phân bố công suất phản kháng
cho điện gió và điện diesel, cũng như chưa kể đến giới hạn làm việc của từng máy phát,
chưa thể hiện tỷ lệ thâm nhập điện gió ph hợp.

3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập thì hai chỉ tiêu quan
trọng là chất lượng điện năng2 và tỷ lệ thâm nhập điện gió. Hai tiêu chí này tỷ lệ nghịch
với nhau trong v ng có tỷ lệ thâm nhập điện gió cao (Hình 1.21). Do vậy, cần có phương
pháp vận hành ph hợp để tối đa hóa tỷ lệ thâm nhập điện gió mà vẫn đảm bảo chất lượng
điện năng. Đây chính là mục đích nghiên cứu của luận án.
Trong quá trình vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel thì cần phải thỏa mãn
các điều kiện ràng buộc liên quan đến các giới hạn kỹ thuật. Hai điều kiện ràng buộc quan
trọng là vận hành ổn định và đảm bảo chất lượng điện năng. Việc phân tích chất lượng điện
năng thường được đánh giá thông qua các kết quả mô phỏng, thực nghiệm, thực tế. Còn
việc đánh giá tính ổn định của hệ thống thì hiện nay có nhiều phương pháp cho phép phân
tích và đánh giá trên mô hình toán. Do vậy luận án sẽ xác định v ng làm việc theo giới hạn
ổn định, sau đó kiểm tra chất lượng điện năng tại các điều kiện cụ thể.
Qua phân tích tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong

lưới cô lập cho thấy còn một số vấn đề chưa được giải quyết trọn vẹn, kết hợp với các nhận
định và mục tiêu vừa trình bày thì luận án tập trung giải quyết các nhiệm vụ sau:
● Nghiên cứu điều kiện vận hành ổn định hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong
lưới cô lập hoàn toàn không có thiết bị phụ trợ.
● Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả khai thác điện gió mà vẫn đảm bảo chất
lượng điện năng và vận hành ổn định đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong
lưới cô lập.
● Nghiên cứu xác định loại và số lượng tuabin gió (lắp đặt mới) ph hợp với trạm điện
diesel đã có ở v ng cô lập nhằm đạt được hiệu quả khai thác điện gió cao nhất.

4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu
2

Chỉ tiêu chất lượng điện năng được nghiên cứu trong luận án chỉ giới hạn ở hai tiêu chí là độ lệch điện
áp và độ lệch tần số.

5




6

Tập trung nghiên cứu về tuabin gió sử dụng DFIG kết nối với lưới cô lập gồm có các
máy phát điện diesel ở v ng sâu, v ng xa, hải đảo. Đối tượng cụ thể để sử dụng cho việc
tính toán khảo sát được lựa chọn là hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp tính toán và giải pháp vận hành nhằm đạt tỷ lệ thâm nhập điện
gió lớn nhất đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel đã có nhưng vẫn thỏa mãn các

điều kiện ràng buộc trong vận hành. Đồng thời cũng nghiên cứu phương pháp tính toán để
xác định được trạm điện gió ph hợp với trạm điện diesel đã có ở v ng cô lập.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
● Thu thập và tổng hợp các tài liệu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel.
● Thiết lập mô hình toán cho các giải pháp nhằm nâng cao tỷ lệ thâm nhập điện gió của
hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị phụ trợ trong lưới cô lập;
● Ứng dụng mô hình toán đã đề xuất cho đối tượng cụ thể là hệ thống phát điện hỗn hợp
gió – diesel ở đảo Phú Quý;
● Mô phỏng kiểm nghiệm các giải pháp đề xuất trên phần mềm chuẩn (như MatLab,
PSS/adept), kết quả thu được từ mô phỏng sẽ so sánh với số liệu thực tế để đánh giá hiệu
quả của các đề xuất.

6. Nội dung và bố cục luận án
Nội dung
Tổng quát hóa về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập. Đánh giá
khả năng điện gió kết nối với lưới cô lập có công suất nhỏ. Từ đó nhận thấy cần có sự ph
hợp hóa giữa điện gió và diesel.
Qua khảo sát ở trên nhận thấy ổn định hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel là điều
kiện tiên quyết trong vận hành. Khảo sát đặc tính làm việc của hệ thống này trong lưới cô
lập. Xác định các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính ổn định của hệ thống này. Từ đó đề xuất
cách cải thiện và nâng cao tính ổn định của hệ thống này.
Qua khảo sát cho thấy chế độ làm việc của các hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
chưa ph hợp. Luận án đề xuất thuật toán và giải pháp vận hành tối ưu nhằm khai thác tối
đa nguồn năng lượng gió. Qua đó sẽ tiết kiệm nhiên liệu diesel và bảo vệ môi trường.
Qua các khảo sát, xác định thấy tuabin gió lắp đặt tại các v ng cô lập cần thêm một số
thiết bị phụ trợ để có thể nâng cao được chất lượng điện năng cũng như tỷ lệ thâm nhập

6