NGHIÊN cứu bộ NGHỊCH lưu CASCADE bảy bậc cầu h HOÀ lưới 1

M CL C
Trang t a
Quy t

Trang

nh giao

tài

Xác nh n c a cán b h

ng d n

Lý l ch khoa h c
L i cam oan................................................................................................................... i
L i c m n .................................................................................................................... ii
Tóm t t lu n v n............................................................................................................iii
M c l c...........................................................................................................................v
Danh sách ký hi u s d ng trong lu n v n .................................................................viii
Danh sách các hình........................................................................................................xi
Danh sách các b ng .....................................................................................................xiv
Ph n m
Ch

u................................................................................................................xv

ng 1 : T NG QUAN

1.1 T ng quan v n ng l

ng gió .............................................................................. 1

1.1.1.B i c nh l ch s phát tri n ............................................................................. 2
1.1.1.1 S n xu t n ng l

ng c h c ..................................................................... 2

1.1.1.2 S n xu t n ng l

ng i n......................................................................... 3

1.2 Ti m n ng và tình hình khai thác i n gió t i Vi t Nam ..................................... 7
1.2.1.Kh n ng khai thác n ng l

ng gió t i Vi t Nam.......................................... 7


1.2.2.Tình hình khai thác i n gió t i Vi t Nam..................................................... 7
1.2.3.Các d án phát tri n i n gió ang th c hi n................................................. 8
1.3 M c tiêu
1.4 H

tài ..................................................................................................... 9

ng nghiên c u ............................................................................................... 9

1.5 Ph m vi nghiên c u ............................................................................................. 9
1.6 Ph
Ch

ng pháp nghiên c u: .................................................................................... 9

ng 2: C

S

LÝ THUY T C A H TH NG I N GIÓ ........................ 10

2.1 C u t o turbine gió............................................................................................ 10
2.1.1 Các lo i turbine gió. ..................................................................................... 10
2.1.3 Các d ng c t tháp turbine gió. ..................................................................... 12
2.1.4 Cánh qu t và tr c cánh qu t. ........................................................................ 15
2.1.5

ng c

i u ch nh cánh qu t và i u khi n h

ng turbine ....................... 16

2.1.6 H th ng hãm. .............................................................................................. 17
2.1.7 H p s chuy n

it c

và h th ng i u khi n cánh qu t....................... 18

2.1.8 Võ turbine..................................................................................................... 18
2.2 Các thông s liên quan

n máy phát i n dùng trong turbine gió .................. 19

2.2.1 Các thông s c b n máy i n không
2.2.2

c tính c c a máy i n không

ng b ............................................ 19

ng b . .................................................. 19

2.2.3 Các công th c c b n c a máy phát i n gió không

ng b ..................... 20

2.3 Mô hình và nguyên lý v n hành c a turbine gió................................................ 20
2.3.1 Mô hình c a turbine gió ngu n kép DFIG. ................................................. 20
2.3.2 Nguyên lý làm vi c c a turbine gió............................................................. 21
2.4 Ph

Ch

ng pháp i u khi n và các mô hình h th ng turbine gió ........................ 21

2.4.1 Ph

ng pháp i u khi n h th ng turbine gió c

2.4.2 Ph

ng pháp i u khi n tutbine gió thay

2.4.3 Ph

ng pháp n i l

it c

nh................................ 23
................................... 23

i cho h th ng máy phát i n gió............................... 24

ng 3: MÔ HÌNH TOÁN DFIG ....................................................................... 26

3.1 Mô hình kh i turbine gió . ................................................................................. 26
3.2 Bi u di n các

il

ng pha sang

il

ng vector không gian........................ 28


3.3 Mô hình toán c a máy phát i n DFIG trong h tr c t a

t nh - ............. 30

3.4 Mô hình toán c a máy phát i n DFIG trong h tr c t a

quay d-q............ 33

3.5 i u khi n công su t DFIG ............................................................................... 36
Ch

ng 4 : I U KHI N T I

U H TH NG I N GIÓ DFIG ................... 44

4.1 H th ng i u khi n tuabin gió dùng DFIG....................................................... 44
4.2 Thi t k gi i thu t i u khi n góc Pitch............................................................. 46

Ch

4.2.1 S

mô ph ng h th ng tuabin gió - DFIG .............................................. 48

4.2.2 S

mô ph ng tuabin gió.......................................................................... 49

4.2.3 S

mô ph ng h th ng i u khi n tuabin gió - DFIG ............................ 49

4.2.4 S

mô ph ng h th ng i u khi n RSC ................................................. 50

4.2.5 S

mô ph ng h th ng i u khi n GSC ............................................... 51

ng 5: K T QU MÔ PH NG........................................................................ 52

5.1 Tr

ng h p 1 : V n t c gió 15 m/s................................................................... 52

5.2 Tr

ng h p 2 : V n t c gió 12 m/s................................................................... 54

5.3 Tr

ng h p 3 : V n t c gió 8 m/s..................................................................... 57

5.4 Tr

ng h p 4 : V n t c gió thay

i t 8 m/s

5.5 Tr

ng h p 5 : V n t c gió thay

i 8-9-15 m/s.............................................. 62

5.6 Tr

ng h p 6 : V n t c gió thay

i 15-12-9 m/s............................................ 64

5.7 Tr

ng h p 7 : V n t c gió thay

it c

su t thay
Ch

i t 0.5pu

n 15 m/s................................ 59

gió t 12 m/s

n 15 m/s và công

n 1pu................................................................................. 67

ng 6: K T LU N............................................................................................ 70

6.1 K t lu n.............................................................................................................. 70
6.1.1. K t qu

t

c . ...................................................................................... 70

6.1.2. H n ch ....................................................................................................... 70
6.2. H

ng phát tri n

tài trong t

ng lai. ........................................................... 71

TÀI LI U THAM KH O ....................................................................................... 72


DANHăSÁCHăKụăHI UăS ăDỤNGăTRONGăLUẬNăVĔN
KỦăhi u

Chúăgiải

Ρ

Mật độ không khí (kg/m3)

R

Bán kính cánh quạt (m)

V

Vận tốc gió (m/s)

Cp(α,β)

Hiệu suất cánh quạt turbine

Pm

Công suất turbine (w)

Tm

Moment cơ trục turbine (N.m)

Te

Moment điện từ máy phát (N.m)

r

Vận tốc góc điện của rotor (rad/s)

s

Vận tốc góc đồng bộ (elec.rad/s)

J

Moment quán tính turbine.(Kg/m2)

va

Điện áp pha A (V)

vb

Điện áp pha B (V)

vc

Điện áp pha C (V)

v

Điện áp trục α hệ quy chiếu αβ

v

Điện áp trục β hệ quy chiếu αβ

vd

Điện áp trục d hệ quy chiếu quay dq

vq

Điện áp trục q hệ quy chiếu quay dq

idr

Dòng điện rotor trục d hệ quy chiếu quay dq

iqr

Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq

ids

Dòng điện stator trục d hệ quy chiếu quay dq

iqs

Dòng điện stotor trục q hệ quy chiếu quay dq

i r

Dòng điện rotor trục α hệ quy chiếu αβ


i r

Dòng điện rotor trục β hệ quy chiếu αβ

i s

Dòng điện stator trục α hệ quy chiếu αβ

i s

Dòng điện stator trục β hệ quy chiếu αβ

Rs

Điện trở stator (Ω)

Lr

Điện cảm dây quấn rotor qui về phía stator (H)

Ls

Điện cảm dây quấn stator (H)

Lls

Điện cảm rò dây quấn stator (H)

Llr

Điện cảm rò dây quấn rotor (H)

Lm

Điện cảm từ hóa (H)

Nr / Ns

Tỷ số vòng dây quấn

 dr

Từ thông rotor trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

 ds

Từ thông stator trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

 qr

Từ thông rotor trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

 qs

Từ thông stator trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

Ps

Công suất tác dụng đầu cực stator (W)

Qs

Công suất phản kháng đầu cực stator (VAr)

Pn

Công suất định mức (W)

fn

Tần số định mức (Hz)

Vn

Điện áp định mức (V)

p

Số đôi cực từ

Λ

Tip-speed-ratio

Β

Góc pitch (deg)

Chỉăsốătrên
e, s

Hệ trục tọa độ quay đồng bộ dq và hệ trục αβ

ref, *

Giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Các d ng turbine gió.................................................................................... 10
Hình 2.2 C u t o turbine gió tr c ngang.................................................................... 11
Hình 2.3 C t thép hình ng ......................................................................................... 13
Hình 2.4 C t tháp khung giàn ..................................................................................... 14
Hình 2.5 C t tháp d ng dây n i

t............................................................................ 14

Hình 2.6 C u t o tháp tr ........................................................................................... 15
Hình 2.7 Cánh qu t ..................................................................................................... 16
Hình 2.8 Tr c cánh qu t ............................................................................................. 16
Hình 2.9

ng c

Hình 2.10

i u ch nh góc nghiên cánh qu t .................................................. 17

ng c

i u ch nh h

ng turbine ............................................................ 17

Hình 2.11 H th ng hãm turbine................................................................................. 18
Hình 2.12 H p s chuy n

it c

........................................................................... 18

Hình 2.13 Võ turbine................................................................................................... 19
Hình 2.14
Hình 2.15 S

t tính moment quay c a máy i n không

ng b ................................. 20

k t n i h th ng máy phát i u khi n ngu n kép DFIG ................. 21

Hình 2.16 Mô hình máy phát không

ng b ............................................................. 22

Hình 2.17 Mô hình máy phát không

ng b

Hình 2.18

ng

c tính moment theo

i u khi n i n tr rotor (lo i B)....... 22

tr

t s, thay

i i n tr rotor. ............ 23

Hình 2.19 Mô hình máy phát i n gió có i u khi n t c

...................................... 23

Hình 2.20 Mô hình máy phát i n gió có i u khi n t c

...................................... 24

Hình 2.21 Mô hình k t n i tr m i n gió vào l
Hình 3.1:

i i n............................................. 25

c tính c a Cp( , )................................................................................... 27

Hình 3.2 Nguyên lý vector trong không gian .............................................................. 28
Hình 3.3 S

u dây c a hai b dây qu n stator và rotor d ng Y-Y..................... 30

Hình 3.4 Tr c c a dây qu n stator và rotor trong h tr c dq .................................... 34


Hình 3.5 M ch i n t

chi u dq quay v i t c
Hình 3.6 S
Hình 3.7

ng

ng mô hình

ng c DFIG trong h tr c t a

ng b .............................................................................. 36

i u khi n dòng công su t trao
nh h

tham

i.................................................... 37

ng h tr c t a

dq theo véct

Hình 3.8 Gi n

véct

i và véct t thông stator .................................. 39

Hình 3.9 Gi n

véct dòng, áp và t thông c a DFIG............................................ 41

i n áp l

i n áp l

i ................................ 38

Hình 3.10 Giá tr tham chi u i u khi n cho dòng i n stator

c tính t công su t

t................................................................................................................................ 43
Hình 4.1 S
Hình 4.2 :

i u khi n t ng th tuabin gió t c
ng cong công su t lý t

thay

i DFIG ........................ 44

ng c a turbine gió ....................................... 47

Hình 4.3 : Kh i i u ch nh góc Pitch.......................................................................... 47
Hình 4.4. Mô hình i u khi n h th ng i n gió......................................................... 48
Hình 4.5 : S

mô ph ng h th ng tuabin gió - DFIG ............................................51

Hình 4.6 : S

mô ph ng h th ng i u khi n tuabin gió - DFIG...........................52

Hình 4.7: S

mô ph ng h th ng i u khi n RSC..................................................53

Hình 4.8 : S

mô ph ng h th ng i u khi n GSC................................................54

Hình 5.1 : V n t c gió , công su t

t , góc Pitch .................................................... 53

Hình 5.2 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG ................................ 54
Hình 5.3 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG ................................ 54
Hình 5.4: i n áp và dòng i n DFIG ....................................................................... 55
Hình 5.5 : V n t c gió , công su t

t , góc Pitch ..................................................... 56

Hình 5.6 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG ................................ 56
Hình 5.7 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG ................................ 54
Hình 5.8 : i n áp và dòng i n DFIG ...................................................................... 58
Hình 5.9 : V n t c gió , công su t

t , góc Pitch ..................................................... 58

Hình 5.10 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 59
Hình 5.11 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 59


Hình 5.12 : i n áp và dòng i n DFIG .................................................................... 60
Hình 5.13 : V n t c gió , công su t

t, góc Pitch .................................................... 61

Hình 5.14 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 62
Hình 5.15 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 60
Hình 5.16 : i n áp và dòng i n DFIG .................................................................... 63
Hình 5.17 : V n t c gió , công su t

t, góc Pitch .................................................... 64

Hình 5.18 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 64
Hình 5.19 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 64
Hình 5.20 : i n áp và dòng i n DFIG .................................................................... 66
Hình 5.21 : V n t c gió , công su t

t, góc Pitch .................................................... 67

Hình 5.22: Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG ............................... 67
Hình 5.23 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 64
Hình 5.24 : i n áp và dòng i n DFIG .................................................................... 69
Hình 5.25 : V n t c gió , công su t

t, góc Pitch .................................................... 70

Hình 5.26 : Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG .............................. 70
Hình 5.27: Công su t tác d ng và công su t ph n kháng DFIG ............................... 64
Hình 5.28: i n áp và dòng i n DFIG ...................................................................... 64


DANH SÁCH CÁC B NG
Trang
B ng 1.1. S phát tri n c a turbine gió trong 1985

2015 .........................................2

B ng 1.2. L ch s turbine gió........................................................................................4
B ng 1.3. Ho t

ng c a các turbine gió lo i công su t l n. ......................................5


PH NăMỞăĐ U
Trong những năm gần đây, năng l ợng gió đư trở thành một trong những nguồn
năng l ợng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng
l ợng tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều n ớc đang h ớng đến
sử dụng nguồn năng l ợng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng l ợng truyền
thống đang dần cạn kiệt và ảnh h ởng môi tr

ng. Trong các loại hình năng l ợng tái

tạo, năng l ợng gió đ ợc chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm u việt sau:
- Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng l ợng tái tạo.

Nếu xem xét cả chi phí môi tr

ng, xư hội và sức khỏe con ng

i vào giá thành thì

điện gió có thể cạnh trạnh với điện đ ợc sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch.
- Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, do phần lớn diện tích đất trong nhà máy
phong điện vẫn có thể đ ợc sử dụng cho các mục đích khác.
- Tài nguyên năng l ợng gió t ơng đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven
biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn.
- Th i gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với th i gian xây
dựng các dự án điện truyền thống nh điện hạt nhân hay nhiệt điện.
Việt Nam, dù đ ợc đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng l ợng gió vẫn
còn là một ngành mới mẻ. Mọi thứ thuộc ngành này đều ở b ớc khởi đầu. Các văn
bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức...về ngành cũng còn ở
mức rất hạn chế. Tuy nhiên, đứng tr ớc nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng
nh phải đối mặt với vấn đề an ninh năng l ợng và môi tr

ng thì việc phát triển

và sử dụng nguồn năng l ợng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Từ các u việt trên, tác giả đư lựa chọn đề tài “ĐiềỐ Ệểiển ỏối ưỐ ểệ ỏểốnỂ điện
gió” làm đề tài nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các ph ơng pháp vận


hành và điều khiển. Việc thay thế các bộ điều khiển truyền thống bằng các ph ơng
pháp điều khiển thông minh hiện nay nh dùng mô hình mô phỏng điều khiển góc
Pitch.

ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

Ch

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

ngă1 :

T NGăQUAN
1.1 T ngăquanăv ănĕngăl

ngăgió

Năng lượng gió được sử dụng cách đây 3000 năm. Đến đầu thế kỉ 20, năng
lượng gió được dùng để cung c p năng lượng cơ học như bơm nước hay xay ngũ
cốc. Vào đầu kỉ nguyên công nghi p hi n đ i, nguồn năng lượng gió được sử dụng
để thay thế năng lượng hóa th ch hay h thống đi n nhằm cung c p nguồn năng
lượng thích hợp hơn.
Đầu những năm 1970, do kh ng ho ng giá dầu, vi c nghiên c u năng lượng
gió được quan tâm. Vào th i điểm này, mục tiêu chính là dùng năng lượng gió cung
c p năng lượng đi n thay thế cho năng lượng cơ học.Vi c này đã làm cho năng
lượng gió tr thành nguồn năng lượng đáng tin cậy và thích hợp nh sử dụng nhiều
kĩ thuật năng lượng khác – thông qua m ng lưới đi n dùng như nguồn năng lượng
dự phòng.
Turbine gió đầu tiên dùng để phát đi n được phát triển vào đầu thế kỉ 20.Kĩ
thuật này được phát triển từng bước một từ đầu những năm 1970.Cuối những năm
1990, năng lượng gió tr thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng

nh t.Trong những thập kỉ cuối c a thế kỉ 20, tổng năng lượng gió trên toàn thế giới
tăng x p xỉ g p đôi sau mỗi 3 năm.Chi phí đi n từ năng lượng gió gi m xuống còn
1/6 so với chi phí c a đầu những năm 1980.Và xu hướng gi m này vẫn tiếp tục. Các
chuyên gia dự đoán rằng tổng năng lượng tích lũy trên toàn thế giới hằng năm sẽ
tăng kho ng 25% một năm và chi phí sẽ gi m kho ng 20% - 40%.
Kĩ thuật năng lượng gió phát triển r t nhanh vể mọi mặt.Cuối năm 1989, vi c
chế t o một turbine gió công su t 300kW có đư ng kính rotor 30m đòi hỏi kĩ thuật

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang1


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

tối tân.Nhưng chỉ trong 10 năm sau đó, một turbine gió công su t 2000kW có
đư ng kính rotor vào kho ng 80m đã được s n xu t đ i trà. Tiếp theo đó dự án dùng
turbine gió công su t 3MW có đư ng kính rotor 90m được lắp đặt vào cuối thế kỉ
20. Hi n t i, turbine gió công su t 3 – 3.6 MW đã được thương m i hóa.Bên c nh
đó, turbine gió công su t 4 – 5 MW đã được phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong
một số dự án, và turbine gió công su t 6 – 7 MW đang được phát triển trong tương
lai gần.B ng 1 cho ta cái nhìn về sự phát triển c a turbine gió từ năm 1985 đến năm
2015.
BảnỂ 1.1. Sự pểáỏ ỏriển của ỏỐrbinỀ Ểió ỏronỂ 1985 – 2015

Nĕm

Côngăsu tă(kW)

Đ

ngăkínhărotoră(m)

1985

50

15

1989

300

30

1992

500

37

1994

600

46

1998

1500

70

2003

3000 – 3600

90 – 104

2015

4500 – 5000

112 – 128

1.1.1. Bốiăcảnhălịchăs ăphátătri n
Lịch sử phát triển tổng quát về năng lượng gió được chia thành hai phần:
 Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để t o ra năng lượng cơ học.
 Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để t o ra năng lượng đi n.
1.1.1.1.

Sảnăxu tănĕngăl

HVTH: HÀ VĂN H

NG

ngăc ăh că:

Trang2


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Cối xay sớm nh t được ghi nhận là cối xay gió trục đ ng. Những cối xay gió
này có thể được miêu t như một thiết bị kéo đơn gi n. Chúng được dùng

vùng

cao nguyên Afghan để xay ngũ cốc từ thế kỉ th 7 trước công nguyên.
Chi tiết đầu tiên về cối xay gió trục ngang được tìm th y trong tài li u lịch
sử

vùng Persia, Tibet và Trung Quốc vào kho ng 1000 năm sau công nguyên.

Lo i cối xay gió này cán và cánh ngang xoay vòng trong mặt phẳng đ ng. Cối xay
gió trục ngang tr i dài từ vùng Ba Tư và Trung Đông đến vùng Midterranean và
trung tâm Châu Âu. Cối xay gió trục ngang đầu tiên xu t hi n
năm 1150, 1180

Pháp, 1190

Phần Lan, 1222

Anh vào kho ng

Đ c và 1259

Đan M ch. Sự

phát triển nhanh chóng là do bị nh hư ng do cuộc vi n chinh chữ thập ( Châu
Âu), được biết đến như sự ki n lịch sử về cối xay gió từ Ba Tư đến nhiều nơi
Châu Âu.
Châu Âu, cối xay gió được phát triển vào kho ng giữa thế kỉ 12 và thế kỉ
19. Vào cuối thế kỉ 19, đặc trưng c a cối xay gió Châu Âu là dùng cánh qu t có
đư ng kính 25 m, và thân đ t tới 30 m. Cối xay gió không chỉ dùng để xay ngũ cốc
mà còn dùng để tiêu nước
gió ho t động

hồ và đầm lầy. Tới năm 1800, có kho ng 20000 cối xay

Pháp, và 90% năng lượng dùng trong công nghi p

Hà Lan là sử

dụng năng lượng gió. Vi c công nghi p hóa đã làm suy gi m dần vi c sử dụng cối
xay gió, nhưng trong năm 1904 năng lượng gió vẫn cung c p 11% trong công
nghi p năng lượng

Hà Lan và

Đ c có hơn 18000 đơn vị.

Khi cối xay gió bắt đầu suy gi m

Châu Âu, thì cối xay gió mới có mặt

Bắc Mĩ nh những ngư i khai hoang.Cối xay gió nhỏ dùng để bơm nước cho thú
nuôi là phổ biến.Nổi tiếng nh t là cối xay gió c a ngư i Mĩ, ho t động tự điều chỉnh
có nghĩa là chúng có thể ho t động mà không suy gi m. Cơ chế tự điều chỉnh hướng
cánh qu t theo hướng gió trong lúc vận tốc gió cao. Kiểu cối xay gió c a Châu Âu
thư ng ph i xoay ra theo hướng gió hay cánh qu t cuốn l i khi có gió lớn để tránh
phá h y cối xay gió. Sự phổ biến c a cối xay gió đ t đỉnh điềm vào giữa năm 1920
và năm 1930, với kho ng 60000 đơn vị được lắp đặt. Nhiều kiểu cối xay gió c a
ngư i Mĩ hi n vẫn được sử dụng cho mục đích nông nghi p trên toàn thế giới.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang3


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

Sảnăxu tănĕngăl

1.1.1.2.

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

ngăđi nă:ă

Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế t o turbine gió đầu tiên phát ra
đi n. Các kĩ sư Đan M ch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lượng thiếu trong
chiến tranh thế giới th nh t và th hai. Turbine gió c a công ty Đan M ch F. L.
Smidth chế t o trong năm 1941 – 1942 có thể được xem là nguyên mẫu đầu tiên c a
turbine gió phát đi n ngày nay. Turbine gió Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay
dựa trên kĩ thuật tiên tiến c a ngành máy bay cùng th i. Vào cùng th i điểm đó,
một ngư i Mĩ Palmer Putnam đã chế t o turbine gió khổng lồ cho công ty Mĩ
Morgan Smith Co., có đư ng kính 53 m. Turbine gió này không chỉ khác

kích

thước to lớn mà kĩ thuật chế t o cũng khác bi t. Kĩ thuật c a ngư i Đan M ch cơ
b n dựa trên cánh qu t theo chiều gió đang thổi với sự điều khiển ngừng quay, ho t
động

tốc độ chậm. Kĩ thuật c a Putnam cơ b n dựa trên cánh qu t theo hướng gió

thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên turbine gió c a Putnam vẫn chưa thành
công.Nó được dỡ bỏ vào năm 1945.B ng 2 sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về lịch sử
c a turbine gió.
BảnỂ 1.2. Lịcể sử ỏỐrbinỀ Ểió

Turbine và
n ớcăsảnă
xu t
Poul LaCour,

Đan M ch

Đ

ngă

Di nă
tích

kính

quét

Công
su tă
(kW)

Công
su tă
riêng

Sốă

Chi uă

cánh cao tháp
qu t

(m)

Ngày
raăđ i

(m)

(m2)

23

408

18

0.04

4

¾

1891

53

2231

1250

0.56

2

34

1941

17

237

0.21

3

24

1941

(kW/m2)

Smith –
Putnam,
USA
F.L. Smidth,

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang4

ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Đan M ch
F. L. Smidth,
Đan M ch
Gedser, Đan
M ch
Hutter, Đ c

24

456

70

0.15

3

24

1942

24

452

200

0.44

3

25

1957

34

908

100

0.11

2

22

1958

Sau chiến tranh thế giới th hai,

Đan M ch Johannes Juul c i tiến kĩ thuật

thiết kế c a ngư i Đan M ch. Turbine gió c a anh ta, được đặt

Gedser – Đan

M ch, phát 2,2 tri u kWh từ năm 1956 và 1967. Vào cùng th i điểm đó, gia đình
German Hutter đã phát triển một kĩ thuật thiết kế mới. Turbine gió gồm 2 cánh
mỏng bằng nhựa đón theo hướng gió thổi c a tháp trên trục quay. Turbine gió này
nổi tiếng về hi u su t cao.
Trái l i sự thành công c a turbine gió Juul và Huuter, vi c nghiên c u
turbine gió công su t lớn bị ngưng sau chiến tranh thế giới th hai. Chỉ có lo i
turbine gió công su t nhỏ cho h thống công su t

vùng sâu vùng xa hay s c pin là

còn được quan tâm. Vi c kh ng ho ng giá dầu đầu những năm 1970, năng lượng
gió mới được quan tâm tr l i. Kết qu là tài chính hỗ trợ cho nghiên c u và phát
triển năng lượng gió đã được đầu tư. Các nước như Đ c, Mĩ và Thụy Điển đã
nghiên c u phiên b n turbine gió công su t lớn (vào kho ng megawatt).Tuy nhiên,
nhiều phiên b n này (xem b ng 1.3) đã không đáp ng được mong đợi vì nhiều v n
đề kĩ thuật.
BảnỂ 1.3.Hoạỏ độnỂ của các ỏỐrbinỀ Ểió ệoại cônỂ sỐấỏ ệớn.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang5


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Công

Di nă
TurbineăvƠăn ớcă Đ
sảnăxu t

ngkính
(m)

tích

Công

Gi ă

su tă

Th iăgiană

quét

su tă

ho tă

đƣă

ho t

(MW)

động

phát

động

2

(m )

(GWh)

Mod – 1, USA

60

2827

2

¾

¾

1979 – 83

Growian, Đ c

100

7854

3

420

¾

1981 – 87

53

2236

1.25

695

0.2

1941 – 45

78

4778

4

7200

16

1982 – 94

40

1257

0.63

8414

2

1979 – 93

60

2827

3

8441

6

1987 – 82

91

6504

2.5

8658

15

1982 – 88

75

4418

2

11400

13

1983 – 88

38

1141

0.2

13045

1

1977 – 82

61

2922

2

14175

10

1988 – 93

École, Canada

64

4000

3.6

19000

12

1987 – 93

Mod – 5B, USA

98

7466

3.2

20561

27

1987 – 92

Smith – Putnam,
USA
WTS – 4, USA
Nibe A, Đan
M ch
WEG LS – 1, GB
Mod – 2,
USA
Nasudden I,Thụy
Điển

Mod – OA, USA
Tjæreborg, Đan
M ch

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang6


ĐI U KHI N T I

Maglarp WTS – 3,

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

78

4778

3

26159

34

1982 – 92

Nibe B, Đan M ch

40

1257

0.63

29400

8

1980 – 93

Tvind, Đan M ch

54

2290

2

50000

14

1978 – 93

Thụy Điển

Tuy nhiên, do mô hình h thống hỗ trợ đặc bi t từ chính ph

một số nước

(ví dụ như Đan M ch) nên vi c phát triển trong vi c sử dụng năng lượng gió vẫn có
những bước tiến.Mô hình h thống quan trọng nh t là Public Utility Regulatory
Policies Act (PURPA), thông qua b i Quốc hội Mĩ vào tháng 11 – 1978.Với động
thái này, Tổng thống Carter và Quốc hội hướng tới tăng vi c dân dụng hóa sự
chuyển đổi năng lượng và hi u su t, và qua đó gi m sự phụ thuộc c a quốc gia vào
năng lượng hóa th ch.PURPA kết hợp với kho n tín dụng thuế đặc bi t cho h
thống năng lượng mới nhằm t o ra bước ngoặt trong công ngh p năng lượng gió
đầu tiên trong lịch sử. Dọc theo dãy núi phía Đông c a Francisco và phía Đông Bắc
c a Los Angeles, nông tr i gió rộng lớn được thiết lập. Hơn một năm, kích thước
c a turbine gió tăng lên kho ng 200 kW vào cuối những năm 1980. Hầu hết turbine
gió đều được nhập từ Đan M ch, nơi công ty Poul LaCour và Johannes Juul đã
cónhững bước tiến xa trong kĩ thuật thiết kế turbine gió hướng theo chiều gió đang
thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Vào cuối những năm 1980, kho ng 15000 turbine gió
công su t trên kho ng 1500 MW được lắp đặt

California.

Cũng vào th i điểm này, tài chính hỗ trợ cho năng lượng gió gi m xuống
Mĩ nhưng tăng lên

Châu Âu và sau đó là

n Độ. Trong những năm 1990, Châu

Âu hỗ trợ mô hình dựa trên ch yếu thuế nuôi cố định cho s n xu t năng lượng tái

t o. n Độ tiếp cận mô hình dựa trên kh u trừ thuế cho vi c đầu tư năng lượng gió.
Những mô hình hỗ trợ này nhằm hướng tới phát triển nhanh c a các tr m lắp đặt
turbine gió

các nước Châu Âu, đặc bi t

Đ c cũng như

n Độ.Song song theo

sự phát triển c a thị trư ng năng lượng gió, kĩ thuật cũng có những bước tiến xa.
Cuối thế kỉ 20, 20 năm sau khi thế giới không thành công trong vi c thử nghi m

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang7


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

turbine gió công su t megawatt, turbine gió 1.5 – 2 MW đã tr thành một kĩ thuật
tối tân.
1.2.

Ti mănĕngăvƠătìnhăhìnhăkhaiăthácăđi năgióăt iăVi tăNam

1.2.1. Khảănĕngăkhaiăthácănĕngăl

ngăgióăt iăVi tăNam

Theo b n đồ phân bố các c p tốc độ gió c a tổ ch c Khí tượng thế giới và
b n đồ phân bố các c p tốc độ gió c a khu vực Đông Nam Á, do tổ ch c True Wind
Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu c a Ngân hàng Thế giới, xu t b n năm 2001,
cho th y: Khu vục ven biển tự Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy
Trư ng Sơn phía bắc trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đ t từ 7.0; 8.0 và 9.0 m/giây,
có thể phát đi n với công su t lớn (nối lưới đi n quốc gia), hầu hết ven biển còn l i
trên lãnh thổ, một số nơi, vùng núi trong đ t liền... tốc độ gió đ t từ 5.0 đến 6.0
m/giây, có thể khai thác gió kết hợp điêden để t o nguồn đi n độc lập cung c p cho
h i đ o, vùng sâu, vùng xa.
1.2.2. Tìnhăhìnhăkhaiăthácăđi n gió t i Vi t Nam
Cũng ngay từ đầu thập kỷ 90 c a thế kỷ trước, một số nhà đầu tư vàchuyên
gia vềnăng lượng gió c a Đ c, Tây Ban Nha, Bỉ, Italia, Mỹ... đã tiếp xúc và tìm
hiểu về nguồn năng lượng gió

Vi t Nam, cũng đã đề xu t hợp tác hoặc tài trợ, xây

dựng các tr m phát đi n s c gió t i Viêt Nam như: Nhà máy đi n gió t i huy n đ o
B ch Long Vĩ,TP. H i Phòng. Công su t 800kW, Phú Quý với công su t thiết kế
(giai đo n 1) là 3MW, công trình Nhà máy phong đi n Phương Mai 3 chính th c
được kh i công xây dựng t i địa bàn hai xã Cát Chánh và Cát Tiến, bán đ o Phương
Mai (huy n Phù Cát, tỉnh Bình Định), Dự án đi n gió t i huy n Tuy Phong-Bình
Thuận...
1.2.3. Các dự án phát tri năđi năgióăđangăthực hi n
o Hai dự án đi n gió t i Quy Nhơn: Công su t dự kiến là 51MW và 84MW do

công ty Gravbovski cùa Đ c thực hi n.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang8


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

o Dự án đi n gió t i huy n Tuy Phong-Bình Thuận công ty cổ phần Năng
lượng tái t o Vi t Nam (REVN) với tổng công su t dự án là 120 MW.
o Nhà máy đi n gió với công su t 50MW, t i xã Phước Minh, huy n Ninh
Phước
Cácăk tăquảănghiênăcứuătrongăvƠăngoƠiăn ớcăđƣăcôngăbố
- PGS.TSKH Nguy n Phùng Quang“Điều khiển máy đi n dị bộ nguồnkép trong
h thống phát đi n ch y s c gió với bộ điều khiển dòng thích nghi bền vững trên cơ
s kỹ thuật Backstepping” Năm 2007.
- Cao Xuân Tuyển, Nguy n Phùng Quang“Các kết qu thực nghi m điều khiển
máy đi n không đồng bộ nguồn kép trong h thống phát đi n ch y s c gió áp dụng
phương pháp thiết kế phi tuyến backstepping”Năm 2006.
- PGS. TS L i Khắc Lãi“Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát đi n s c
gió sử dụng máy đi n c m ng nguồn kép DFIG” - Tạp cểí Kểoa ểọc CônỂ nỂểệ - Đại
ểọc Tểái NỂỐyên sổ 10.
- …….

Cácăk tăquảăngoƠiăn ớc:
o Noel A. Janssens, Guỉllaume Lambin, and Nicolas Bragard, “Active Power
Control Strategies of DFIG Wind Turbines”, IEEE Power Tech 2001, Lausanne
, Switzerland, 1-5 July 2007.
o B. Babypriya, N. Devarajan“Simulation and Analysis of a DFIG Wind Energy
Conversion System with Genetic Fuzzy Controller”,International Journal of
Soft Computing and Engineering (IJSCE) ISSN: 2231-2307, Volume-2, May 2012.
o Lima, A. Luna, p. Rodríguez, E. H. Watanabe, M. Aredes“Study of a Simplified
Model for DFIG-Based Wind Turbines IF. K”. IEEE, 2009.
o S. Muller, A Deicke, RIK W. De Doncker“Doubly fed induction generator
systems for wind turbines”, IEEE, 2002.
1.3 M cătiêuăđ ătƠi
 Tìm hiểu về h thống đi n gió – máy phát đi n gió DFIG.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang9


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

 Nghiên c u các thuật toán điều khiển tối ưu công su t máy phát đi n gió
DFIG.
 Mô phỏng các thuật toán điều khiển tối ưu công su t máy phát đi n gió

DFIG.
1.4 H ớngănghiênăcứu
 Nghiên c u điều khiển tối ưu công su t c a máy phát đi n gió DFIG.
1.5 Ph măvi nghiênăcứu
 H thống đi n gió sử dụng máy phát đi n DFIG.
 H thống đi n gió được kết nối lưới.
 Đề xu t điều khiển tối ưu công su t Pđi n.
 Không xét đến các nh hư ng ổn định và không ổn định (đi n áp và tần số)
c a vi c nối lưới.
1.6Ph

ngăphápănghiênăcứu:

 Nghiên c u lý thuyết , tìm hiểu c u t o và c u trúc truyền động c a h thống
turbine gió .
 Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và mô phỏng h thống đi n gió .
 Đánh giá kết qu và đề xu t hướng phát triển c a đề tài.

Ch

ng 2:

C ăSỞăLụăTHUY TăC AăH ăTH NGăĐI NăGIÓ
2.1 C uăt oăturbineăgió.
2.1.1 Cácălo iăturbineăgió.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang10


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Các tuabin gió hi n nay được chia thành hai lo i:
 Một lo i theo trục đ ng giống như máy bay trực thăng.
 Một lo i theo trục ngang.
Các lo i tuabin gió trục ngang là lo i phổ biến có 2 hay 3 cánh qu t. Tuabin
gió 3 cánh qu t ho t động theo chiều gió với bề mặt cánh qu t hướng về chiều gió
đang thổi. Ngày nay, tuabin gió 3 cánh qu t được sử dụng rộng rãi [22].

(a)

(b)
Hìnể 2.1 Các ếạnỂ ỏỐrbinỀ Ểió
2.1.2 C uăt oăh ăthốngămáyăphátăđi năgió.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang11


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Hìnể 2.2 CấỐ ỏạo ỏỐrbinỀ Ểió ỏrục nỂanỂ
C u t o một máy phát turbine gió trục ngang gồm những bộ phận sau:
- Blades: Cánh qu t, Gió thổi qua các cánh qu t là nguyên nhân làm cho các
cánh qu t chuyển động và quay, sẽ chuyển động lực c a gió thành năng lượng cơ.
- Rotor: Bao gồm các cánh qu t và trục.
- Pitch: Bước răng, Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay với tốc độ gió không quá cao hay quá th p để t o ra đi n.
- Brake: Bộ hãm (phanh), Dùng để dừng rotor trong tình tr ng khẩn c p bằng
đi n, bằng s c nước hoặc bằng động cơ.
- Low-speed shaft: Trục quay tốc độ th p.
- Gearbox: Hộp số, Bánh răng được nối trục có tốc độ th p với trục có tốc độ
cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc
độ quay là yêu cầu c a hầu hết các máy phát đi n s n xu t ra đi n. Bộ bánh răng
này r t đắt tiền nó là một phần c a bộ động cơ và tuabin gió.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang12


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

- Generrator: Máy phát ra đi n.
- Controller:Bộ điều khiển sẽ kh i động động cơ

tốc độ gió kho ng 8 đến

14 dặm/gi tương ng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ kho ng 65 dặm/gi
tương đương với 104 km/h b i vì các máy phát này có thể phát nóng.
- Anemometer: Bộ đo lư ng và truyền dữ li u tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên l c với “yaw drive” để định hướng
tuabin gió.
- Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ
và bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller,
and brake. Vỏ bọc ngoài dùng b o v các thành phần bên trong vỏ. Vỏ ph i đ
rộng để một kỹ thuật viên có thể đ ng bên trong trong khi làm vi c.
- Hight-speed shaft: Trục truyền động c a máy phát

tốc độ cao.

- Yaw drive: Thiết bị dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió
chính khi có sự thay đổi hướng gió.
- Yaw motor:Động cơ cung c p cho “yaw drive” định chỉnh được hướng gió.
- Tower: Trụ đỡNacelle,Trụ tháp được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn
bằng thép. B i vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được
năng lượng gió nhiều hơn và phát ra đi n nhiều hơn [8].
2.1.3 Cácăd ngăcộtăthápăturbineăgió.
Cột tháp c a tua bin gió dung để nâng đỡ nacelle và rotor.

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang13


ĐI U KHI N T I

U H TH NG ĐI N GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Những cột tháp c a tua bin gió lớn có thể là d ng cột thép tròn, cột khung giàn
thép hoặc cột tháp bê tông. D ng cột tháp được giữ cố định bằng các dây nối đ t
thư ng chỉ được sử dụng đối với các tua bin gió cỡ nhỏ.
- D ng cột thép hình ống [22] (Tubular steel tower)

Hìnể 2.3 Cộỏ ỏểép ểìnể ốnỂ
Hầu hết các tua bin gió cỡ lớn đều sử dụng cột thép hình ống được s n xu t
trong kho ng từ 20 – 30 mét với các mặt bích t i mỗi đầu và được nối l i với nhau
t i các điểm. Những cột tháp là hình nón (với đư ng kính c a chúng tăng theo
hướng chân đế) để tăng độ m nh c a chúng và cũng là để tiết ki m nguyên li u.
- D ng cột tháp khung giàn (lattice tower)

HVTH: HÀ VĂN H

NG

Trang14