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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
BÙI VĂN TRÍ

MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN
TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN
TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 0 3 9 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
*****

LUẬN VĂN THẠC SĨ
BÙI VĂN TRÍ

MÔ PHỎNG & KHẢO SÁT MÁY PHÁT
ĐIỆN TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI
LƯỚI ĐIỆN TRONG MÔI TRƯỜNG
MATLAB

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành: 60 52 50

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
*****

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MÔ PHỎNG & KHẢO SÁT MÁY PHÁT
ĐIỆN TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI
LƯỚI ĐIỆN TRONG MÔI TRƯỜNG
MATLAB
Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số ngành: 60 52 50

Họ và Tên học viên: Bùi Văn Trí
Người hướng dẫn:
Ts. Trần Thu Hà

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN THU HÀ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc só được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp. Hồ Chí Minh, ngày . . . tháng . . . năm 2005.


LỜI CẢM ƠN
---o0o---

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trần Thu Hà và TSKH.
Hồ Đắc Lộc đã tận tình hướng dẫn tôi để hoàn thành luận văn này. Tôi
cũng xin cảm ơn: Q thầy, cô và phòng Quản Lý Khoa Học – Sau Đại
Học trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Q thầy, cô bộ môn Hệ
Thống Điện trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã động viên và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong quá trình học
tập và thực hiện luận văn này cũng như trong việc tìm kiếm thông tin và
các tài liệu khác có liên quan.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2005

Học viên
Bùi Văn Trí


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
---o0o---

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

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

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

93


PHẦN A: MỤC LỤC

Phần A: Mục Lục

Trang

Phần B: Nội Dung
Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1
Giới thiệu chung về năng lượng hiện nay
1.2
Tình hình năng lượng gió và nhu cầu phát triển
1.2.1 Bản đồ phân bố năng lượng gió
1.2.2 Nhu cầu phát triển năng lượng gió
1.3.
Tổng quan tình hình trong và ngoài nước
1.3.1 Tình hình điện năng dùng năng lượng gió một số quốc gia
1.3.2 Tình hình năng lượng gió và máy phát điện turbine gió
tại Việt Nam
1.4
Một số công cụ mô phỏng máy phát điện turbine gió
06
1.5
Lý do chọn đề tài
1.6
Giới hạn đề tài
1.7
Các sản phẩm đề tài
1.8
Phương pháp nghiên cứu

01

01
01
02
03
03
05

09
09
10
10

Chương II: MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ
2.1. Sơ lược các loại nhà máy phát điện
2.1.1 Nhà máy nhiệt điện
2.1.1.1 Nhà máy nhiệt điện turbine hơi
2.1.1.2 Nhà máy nhiệt điện turbine rút hơi
2.1.1.3 Nhà máy nhiệt điện turbine khí
2.1.1.4 Nhà máy từ thủy động
2.1.1.5 Nhà máy điện nguyên tử
2.1.1.6 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời
2.1.1.7 Nhà máy điện đòa nhiệt
2.1.2 Nhà máy thủy điện
13
2.2
Turbine gió và nhà máy phát điện turbine gió
2.2.1 Turbine gió
2.2.1.1 Điều khiển turbine gió tốc độ cố đònh
2.2.1.2 Điều khiển turbine gió tốc độ thay đổi
18

2.2.2 Nhà máy phát điện turbine gió
2.2.2.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện turbine gió
2.2.2.2 Sơ đồ kết nối nhà máy phát điện turbine gió

11
11
11
11
11
12
12
12
13

13
13
17

21
22
23


2.3
2.4
2.5

Các phương pháp kết nối nhà máy phát điện turbine gió
Đánh giá chi phí và tổn thất nhà máy điện
Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy điện

24
28
30

Chương III: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH
3.1. Mô hình toán học
3.1.1 Mô hình các thành phần cơ khí
3.1.1.1 Mô hình gió
3.1.1.2 Mô hình Rotor turbine gió
3.1.1.3 Mô hình truyền động
3.1.2 Mô hình máy điện
3.1.2.1 Mô hình máy điện cảm ứng 3 pha
3.1.2.2 Máy điện không đồng bộ nguồn kép
3.1.3 Mô hình máy điện đồng bộ (Synchronous machine)
3.1.3.1 Phương trình động lực của máy điện đồng bộ
3.1.3.2 Hệ phương trình máy điện đồng bộ nam châm vónh cửu
3.1.4 Mô hình bộ biến đổi công suất (Power converter)
3.1.4.1 Tải 3 pha kết nối hình sao – Y
3.1.4.2 Tải 3 pha kết nối hình tam giác – Δ
3.1.4.3 Tải 3 pha kết nối nhánh – tam giác
3.2
Mô hình các bộ biến đổi DC-DC công suất lớn
3.2.1 Giới thiệu chung
3.2.2 Môi trường làm việc của các bộ biến đổi
3.2.3 Mô hình một số bộ biến đổi
3.2.3.1 Bộ tăng thế
3.2.3.2 Bộ biến đổi Cúk
3.2.3.3 Bộ biến đổi Zeta
3.2.3.4 Bộ biến đổi đẩy kéo

3.2.3.5 Bộ biến đổi bán cầu
3.2.3.6 Bộ biến đổi cầu
3.2.3.7 Bộ biến đổi bán cầu có sử dụng bộ nhân đôi điện áp

31
31
31
31
32
32
32
33
34
34
37
39
41
42
44
45
45
46
46
47
49
50
51
53
54

56
3.2.4

So sánh sự tiện ích của các bộ biến đổi

57

Chương IV: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT TURBINE GIÓ
4.1
Kết quả mô phỏng
4.1.1 Khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi
4.1.2 Turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi của động cơ
cảm ứng hai chiều:
4.1.3 Mô Phỏng máy phát điện kết nối Turbine gió
4.1.4 Mô Phỏng kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió

58
58
60
61
65


4.1.5
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5

4.2.6

Mô phỏng máy phát điện turbine gió với lưới điện
Phân tích kết quả mô phỏng
Phân tích khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi
Phân tích turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi
Phân tích ổn đònh tần số máy phát điện kết nối Turbine gió
Phân tích kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió
Phân tích đáp ứng của tốc độ
Một số đề xuất

66
68
68
69
70
72
73
73

Phần C: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai
1.
2.
76
3.

Kết luận
Một số kết quả đạt được của đề tài

76

Hướng phát triển trong tương lai

78

Tài liệu tham khảo

80

Phần D: Phụ lục- Giới Thiệu Toolbox Wind Turbine Blockset

82

Lý lòch trích ngang

93


Tổng quan về đề tài

PHẦN B: NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu chung về năng lượng hiện nay.
Sự phát triển của nền công nghiệp toàn cầu kéo theo nhu cầu ngày càng
lớn năng lượng phục vụ cho nó mà năng lượng được sử dụng chủ yếu là năng
lượng điện. Trong khi đó, tiềm năng để khai thác sản sinh ra điện theo phương
pháp truyền thống như thủy điện, nhiệt điện đã dần cạn kiệt. Riêng tại Việt Nam
một phần nguồn năng lượng điện rất lớn được khai thác từ thủy điện, tuy nhiên
theo báo cáo từ các hội thảo khoa học gần đây cho thấy, tiềm năng này sẽ không
còn trong vòng vài mươi năm nữa. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây bài

toán về môi trường toàn cầu được đưa vào trong tất cả các ngành công nghiệp,
chúng ta phải tìm mọi cách để hạn thế đến mức thấp nhất những yếu tố có ảnh
hưởng xấu tới môi trường. Trong khi đó, các nhà máy điện kiểu nhiệt điện
truyền thống xưa nay thì không thể tránh được việc thải ra môi trường một lượng
lớn các chất ảnh hưởng đến môi trường như oxít cácbon, oxít nitơ, ôxít lưu
huỳnh, . . . trong quá trình vận hành.
Mặt khác trong tình hình hiện nay và tương lai có nhiều biến động cạnh
tranh giữa các nước về các nguồn năng lượng, đặt biệt là nguồn nhiên liệu khí
đốt. Trong khi nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt và sự thống trò của một
số quốc gia sẽ đẩy giá lên cao, làm cho chi phí sản xuất điện năng và vận hành
nhà máy điện kiểu truyền thống gia tăng. Trong khi đó chi phí sản xuất và xây
dựng nhà máy điện turbine gió ngày càng giảm, do đó việc khai thác sử dụng
nguồn năng lượng gió là cần thiết và phù hợp với xu hướng phát triển tương lai.
1.2. Tình hình năng lượng gió và nhu cầu phát triển.
1.2.1. Bản đồ phân bố năng lượng gió.
Để có được bản đồ hình 1.1 các nhà khoa học đã kết hợp dữ liệu về tốc độ
gió từ hơn 8.000 điểm trên hành tinh – gồm 7.500 trạm mặt đất và 500 trạm trên
kinh khí cầu. Họ đo tốc độ gió ở độ cao 80 mét so với mặt đất, tương ứng với độ
cao của một cánh quạt trong turbine gió hiện đại.

1


Tổng quan về đề tài

Hình 1.1 Bản đồ phân bố năng lượng gió trên thế giới
Họ phát hiện thấy 13% trong tổng số 8000 điểm có tốc độ gió vượt cấp 3
quanh năm. Cấp 3 tương ứng với 6.9m/s, được xem là đủ mạnh để có khả thi về
mặt kinh tế.
Cristina Archer, thuộc đại học Stanford và cộng sự trong nghiên cứu nhận

đònh “ nếu bạn chọn ngẫu nhiên 10 điểm trên trái đất, thì có 1 đến 2 điểm có thể
xây dựng nhà máy điện gió “. Nếu được khai thác, 3 khu vực với tốc độ gió lớn
hơn hoặc bằng cấp 3 này thì có thể cung cấp 72 Tw điện. Theo Archer, khoảng
2.5 triệu turbine gió – khai thác khoảng 20% tiềm năng trên cơ sở bản đồ này là
đủ để phát điện cho nhu cầu toàn thế giới.
Bản đồ này được xem như là một bước tiến hướng tới mục tiêu sử dụng
năng lượng gió. Nó công bố các đòa điểm mà những nhà máy điện có thể có hiệu
quả nhất, hầu hết nằm gần bờ biển. [3]
1.2.2. Nhu cầu phát triển năng lượng gió.
Trước những thực trạng như vậy, một mặt ngành điện đã đưa ra các cơ
chế, chính sách nhằm khuyến khích các hộ tiêu thụ sử dụng năng lượng điện
hiệu quả, đầu tư nâng cấp, qui hoạch lại hệ thống truyền tải, phân phối nhằm
mục đích tiết kiệm điện năng, mặt khác đầu tư một phần kinh phí cho việc
nghiên cứu các dạng năng lượng mới vừa để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày
càng tăng của sự phát triển xã hội, tránh nguy cơ xảy ra các cuộc khủng hoảng
về năng lượng, vừa hạn chế gây ô nhiễm môi trường sinh thái trong quá trình
vận hành góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội. Với tiêu chí như vậy,
năng lượng gió là một phần trong các dạng năng lượng mới đang được nghiên
cứu ứng dụng ở nước ta. Với các thuộc tính ưu việt, so với các dạng năng lượng
khác đang tìm kiếm về trữ lượng, kỹ thuật sản xuất, độ bền, chi phí vận hành và
đặc biệt là vấn đề môi trường, năng lượng gió là một trong những hướ ng phát
2


Tổng quan về đề tài

triển mạnh của ngành điện trong tương lai khi mà sự phát triển của công nghệ
chất bán dẫn đã đủ để đáp ứng các yêu cầu về điện áp và công suất cao.
1.3. Tổng quan tình hình trong và ngoài nước.
1.3.1. Tình hình điện năng dùng năng lượng gió của một số quốc gia.

Năng lượng gió dùng làm máy phát điện đã có từ những năm 1976 với
công suất tương đối nhỏ. Tuy nhiên, cách đây khoảng 5 năm việc xây dựng nhà
máy khoảng 20MW là một vấn đề lớn. Với sự phát triển của khoa học và công
nghệ như hiện nay thì việc xây dựng nhà máy turbine gió thường có công suất
300MW, đặc biệt ở Tây Ban Nha có thể lên đến 1200MW.
Cuối năm 2003, dẫn đầu là các nước Châu âu ( khoảng 50 nước) khai thác
nguồn năng lượng gió với tổng công suất 40.000MW. Biểu đồ thống kê năng
lượng điện dùng năng lượng gió đến năm 2003 như hình 1.2.
Trong những năm gần đây, số lượng turbine gió đã tăng lê n khá lớn. Tại
Đan Mạch năng lượng điện gió chiếm từ 13-15% tổng công suất điện sản ra. Tại
Đức năng lượng điện gió chiếm khoảng 4,0% tổng năng lượng điện. [9]

Hình 1.2. Biểu đồ phát triển năng lượng gió đến năm 2003
Tại Châu Âu, Hiệp hội năng lượng gió Châu Âu EWEA (European Wind
Energy Association) đã đặt ra mục tiêu sẽ lắp đặt 60000MW đến năm 2010.
Mục tiêu này đã được khẳng đònh trong năm 2000 khi các mục tiêu trước đó từ
năm 1991 đến năm 1997 công suất lắp đặt từ 25000MW tăng lên 40000MW và
đã vượt dự kiến. Tổng công suất lắp đặt năm 2001 là 17000MW và đã sản xuất
3


Tổng quan về đề tài

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

Hình 1.3: Công suất điện dùng sức gió của 10 nước hàng đầu đến cuối năm 2004
Trong năm 2004, công suất lắp đặt các nhà máy của 10 các quốc gia đứng
đầu có công suất 6.893MW chiếm 17% công suất lắp đặt toàn thế giới, thành
phần phần trăm công suất 10 nước này được minh họa như hình 1.4. Theo số liệu

này thì công suất điện tập trung ba nước hàng đầu: Đức, n Độ, Tây Ban Nha.

Spain
25.3%

Hình 1.4: Biểu đồ công suất lắp đặt, và tỉ lệ phần trăm 10 quốc gia hàng đầu

4


Tổng quan về đề tài

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

Hình 1.5. Biểu đồ thống kê, dự báo công suất đến năm 2010
1.3.2. Tình hình năng lượng gió và máy phát điện turbine gió tại Việt Nam
Theo kết quả khảo sát của một số tổ chức nước ngoài và các đài khí tượng
thủy văn trong nước thì tốc độ gió trung bình ở Việt Nam ở độ cao 30m trong
vùng đất liền là 4 đến 5m/s và ngoài các đảo cô lập là 9m/s. Theo quyết đònh
phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ về qui hoạch phát triển nguồn năng lượng
điện đến năm 2010 của Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam (EVN) đã đề cập và
đònh hướng phát triển nguồn năng lượng mới này.
Thực tế, Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với hơn 3260km
bờ biển và hàng trăm đảo lớn nhỏ là điều kiện thuận lợi cho việc khai thác
nguồn năng lượng gió để phát điện phục vụ cho các công trình dân dụng khác.
Tuy nhiên, từ những thập niên 80 trở lại đây đã có nhiều nhà khoa học với các

nghiên cứu của mình chỉ mới khai thác nguồn năng lượng gió trong cá c trường
hợp công suất nhỏ( vài trăm đến 1000W) phục vụ cho các vùng sâu, vùng xa, hải
đảo nơi mà lưới điện quốc gia chưa đến được.
Trước đây, Việt Nam chỉ mới khai thác năng lượng gió vào các công việc
như: máy bơm nước, máy phát công suất rất nhỏ, cụ thể như sau:
 Năm 1976 20 bộ turbine gió được lắp tại vùng muối ở Nam Hà với mục
đích sản xuất muối. Vận hành sau 4 năm thì ngưng vì bò ăn mòn trầm
trọng bởi muối.
5


Tổng quan về đề tài

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

mặt đất khoảng 100m. Tuy nhiên, ở độ cao này chúng ta chưa đầy đủ các thông
tin về gió một cách chính xác.
1.4. Một số công cụ mô phỏng máy phát điện turbine gió.
Trong những năm gần đây, việc mô phỏng hệ thống turbine gió được quan
tâm với nhiều công cụ khác nhau. Hệ thống điện dùng turbine gió ngoài khơi với
công suất hàng trăm MW được quan tâm đến sự tương tác giữa hệ thống cơ của
turbine gió và hệ thống điện. Khả năng mô phỏng động của turbine gió và sự
tương tác của lưới điện với bốn công cụ như: Matlab, Saber, DigSILENT và
HAWC. [14]
Mặt khác, kích cỡ của turbine gió ngày càng lớn và kết nối trực tiếp với
hệ thống cao áp. Hiện nay, những turbine gió được kết nối đến hệ thống phân
phối 10/20KV hoặc 50/60 KV. Vì thế mục đích chính là sự ảnh hưởng của
turbine gió đến chất lượng điện năng trong hệ thống. Hơn nữa tiêu chuẩn quốc tế
về chất lượng năng của turbine gió đã được đánh giá theo một tiêu chuẩn mới có
tên là IEC 61400-21/2001.
Sự phát triển mô hình cơ sở dữ liệu trong những công cụ mô phỏng khác
nhau để hỗ trợ, phân tích sự tương tác giữa kết cấu cơ khí của turbine và lưới
điện trong hai chế độ vận hành bình thường và quá độ. Mục đích chính của cơ sở
mô phỏng có thể được tóm tắt như sau:

6


Tổng quan về đề tài

Mở rộng khả năng của những công cụ thiết kế turbine gió để mô phỏng
động và sự tương tác với lưới điện của turbine gió trong các trường hợp liên tục,
gián đoạn và sự cố.
Để phát triển những mô hình tónh và động cho các thành phần trong
turbine gió: như mô hình cơ( gió, hộp số, turbine, góc pitch), mô hình máy phát

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

Hình 1.6 Mô hình Wind Turbine Blockset
7

Tổng quan về đề tài

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

Hình 1.7 Phạm vi mô phỏng các công cụ
8


Tổng quan về đề tài

Bốn công cụ mô phỏng trên, mỗi công cụ có những thế mạnh riêng cho
các trường hợp như: HAWC mô phỏng phần cơ khí và động học, DigSilent mô
phỏng hệ thống công suất và cánh đồng turbine, Saber mô phỏng bộ chuyển đổi
công suất và hệ thống điều khiển. Matlab là một công cụ mạnh có khả năng bao
quát hơn, điều này được minh họa hình 1.7. [14],[15],[22]
1.5. Lý do chọn đề tài
Nguồn năng lượng điện nước ta phụ thuộc nhiều vào thủy năng, trong
mấy năm gần đây nguồn năng lượng này không ổn đònh do thời tiết thay đổi thất
thường và bò ảnh hưởng hiệu ứng elnino. Vì thế, vào mùa khô thường bò thiếu
điện nên ngành điện phải khai thác các nguồn năng lượng khác là cần thiết. Với
tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay đòi hỏi ngành điện cần phải đáp ứng kòp

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

Để mô phỏng hệ thống turbine gió ta có nhiều công cụ như:
PSCAD/EMTDC, Saber, DIgSILENT, HAWC, Matlab. Đề tài này sử
dụng công cụ Matlab/Simulink với toolbox wind turbine blockset version
beta, do vấn đề còn mới nên toolbox này không có trong phần simulink/
Matlab và chạy trên phiên bản 7.0 trở lên.

 Phân tích, đánh giá một số kết quả thu được về dạng sóng mô phỏng trong
Matlab.

9

Tổng quan về đề tài

1.7. Các sản phẩm đề tài
 Thống kê tình tình năng lượng gió các quốc gia, chi phí xây dựng nhà máy
điện turbine gió, chi phíđđiện năng trên một KWh, dự báo trong tương lai
và nhận đònh về khả năng xây dựng nhà máy điện gió ở nước ta.
 Mô hình toán học các thành phần: mô hình gió, mô hình rotor turbine gió,
mô hình bộ truyền động, mô hình máy điện, mô hình chuyển đổi công
suất.
 Sơ đồ kết nối hệ thống turbine gió với máy phát, các kiểu kết nối hệ
thống turbine gió thành nhà máy điện.
 Mô hình tương đương các bộ chuyển đổi DC công suất lớn.
 Phân tích một số kết quả mô phỏng turbine gió kết nối với máy phát về
dòng điện, điện áp, tần số khi thay đổi tốc độ gió.
 Giới thiệu và trình bày ứng dụng Toolbox Wind Turbine Blockset để mô
phỏng hệ thống turbine gió.
1.8. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý luận
 Tổng quan lòch sử các vấn đề nghiên cứu, các quan điểm khoa học trong
và ngoài nước.
 Tổng hợp các quan điểm của Đảng, Nhà nước về tình hình năng lượng
điện hiện nay và xu hướng phát triển trong tương lai.
Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
 Tìm kiếm tài liệu tham khảo và cập nhật thông tin qua mạng Internet.
Trao đổi với giáo viên hướng dẫn về nhiệm vụ được giao, và các vấn đề
có liên quan.
 Liên hệ tham khảo ý kiến các chuyên gia lónh vực về máy phát điện
turbine gió và Toolbox Wind Turbine Blockset.
 Xây dựng các mô hình mô phỏng trong môi trường Matlab/simulink, phân

tích đánh giá kết quả và đưa ra một số đề xuất trong tương lai.

10


Máy phát điện turbine gió

CHƯƠNG II: MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ
2.1. Sơ lược các loại máy phát điện
Nhà máy điện là một bộ phận của hệ thống điện có nhiệm vụ biến đổi
các dạng năng lượng khác thành điện năng.
Phụ thuộc vào dạng năng lượng sơ cấp phân nhà máy điện thành các loại:
- Nhiệt điện: biến nhiệt năng thành điện năng
- Thủy điện: biến thủy năng thành điện năng
- Nhà máy điện gió: biến năng lựong gió (cơ năng) thành điện năng
2.1.1 Nhà máy nhiệt điện.
Trong nhà máy nhiệt điện, nhiệt năng nhận được từ nhiều nguồn khác
nhau. Phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu chia thành các nhà máy điện sau đây:
2.1.1.1 Nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi:
Trong nhà máy nhiệt điện nhiệt năng biến thành điện năng. Nhiên liệu
được sử dụng có thể ở dưới dạng: than đá, than bùn, khí đốt, nhiên liệu được đốt
trong lò phát sinh ra nhiệt và đun nước thành hơi nước. Hơi nước có áp lực lớn
làm quay tuabin hơi kéo theo roto của máy phát điện và phát ra điện.
2.1.1.2 Nhà máy nhiệt điện tuabin có rút hơi
Nhà máy nhiệt điện kiểu tuabin ngưng hơi có hiệu suất thấp (30-40)% vì
một phần nhiệt năng thải ra ngoài qua khói, qua bình ngưng tụ. Hơi nước sinh
công ở phần đầu của tuabin là chính, các phần sau hiệu suất thấp. Để nâng cao
hiệu suất nhiệt có thể rút một phần hơi nước từ phần sau của tuabin để cung cấp
hơi nước cho các hộ sử dụng hơi nước như nhà máy giấ y, dệt nhuộm v..v.. hoặc
cung cấp nhiệt để sưởi. Những nhà máy này gọi là nhà máy nhiệt điện có rút

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

11


Máy phát điện turbine gió

2.1.1.4 Nhà máy từ thủy động:
Dựa trên nguyên lý dòng điện là sự chuyển động của các điện tử, cho nên
có thể từ nhiệt năng tạo ra vùng có nhiệt độ cao có khả năng sinh ra nhiệt điện
tử trong môi trường có từ trường đủ mạnh, dưới tác dụng của từ trường các điện
tử này sẽ chuyển động và tạo nên dòng điện, máy phát điện hoạt động theo
nguyên lý này gọi là máy phát từ thủy động.
2.1.1.5 Nhà máy điện nguyên tử:
Nhà máy điện nguyên tử cũng là nhà máy nhiệt điện nghóa là biến nhiệt
năng thành điện năng nhưng nhiệt năng không phải thu được do đốt nhiên liệu
mà do phản ứng hạt nhân tạo ra. Quá trình này được thực hiện trong lò phản ứng
hạt nhân. Nguyên liệu hiện nay dùng trong lò phản ứng chủ yếu là Uranium 235
(U235) hay Plutanium 239 được tạo ra từ Uranium 238 (U238). Khi phân hủy hạt
nhân Uranium sẽ tạo ra các nơtron nhanh có năng lượng rất lớn với tốc độ rất
cao (15000-20000 km/s). Với tốc độ này phản ứng dây chuyền không tiến triển

được để tạo ra các nơtron mới cho nên trong lò phản ứng các nơtron nhanh phải
được hãm lại thành nơtron chậm (tốc độ khoảng 2 km/s). Chất hãm thường dùng
là nước, nước nặëêng hay than chì (graphit). Bộ phận hãm tốc độ nơtron gọi là
thiết bò điều tốc.
Điều lo ngại nhất hiện nay của các nước là sự an toàn rò ró sau thời gian
vận hành nhiều năm do một số sự cố đã xảy ra đối với nhà máy điện nguyên tử
của các nước đã gây hậu quả nghiêm trọng trong khu vực lớn. Do đó những năm
gần đây tốc độ xây dựng nhà máy điện nguyên tử trên thế giới bò chậm lại, thậm
chí có nhiều nước tuyên bố sẽ đóng cửa không vận hành các nhà máy đã xây
dựng và tập trung nghiên cứu theo hướng khác để đáp ứng nhu cầu năng lượng
ngày càng tăng của con người.
2.1.1.6 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời:
Năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai hình thức:
- Pin mặt trời (hay gọi là pin quang điện). Năng lượng mặt trời được biến đổi
thành điện năng không qua khâu trung gian nhiệt năng. Pin mặt trời được cấu tạo
gồm hai lớp bán dẩn p và n tiếp xúc nhau qua lớp chuyển tiếp p-n. Dưới tác
dụng của ánh sáng mặt trời vào lớp chuyển tiếp p-n với sự khuyếch tán của các
hạt dẫån cơ bản và tạo nên điện trường do đó có hiệu điện thế hay sức điện dộng
quang điện Sức điện động quang điện phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng và
cung cấp điện năng cho phụ tải giữa 2 cực. Với kích thước các cực 1dm x 1dm tế
bào quang điện cho công suất 1W khi cường độ bức xạ của mặt trời là 1KW / m2.
Pin mặt trời được sử dụng rộng rãûi trong các thiết bò có công suất nhỏ trong
thông tin, máy tính điện từ v..v... Pin mặt trời cũng có thể sử dụng qua bộ tích trử
năng lượng bằng acqui nhưng giá thành cao, do đó chỉ được dùng ở những nơi
không có nguồn điện, ví dụ ở hải đảo v..v..
12