Tổng quan về tình hình phát triển phong điện trên thế giới và việt nam

LỜI MỞ ĐẦU
Nhân loại đang bước vào thập niên đầu của thế kỷ XXI. Thiếu hụt năng
lượng và vấn nạn ô nhiêm môi trường đang là những mối đe dọa sự phát
triển bền vững của ngôi nhà chung "trái đất" của chúng ta. Ngay cả nguồn
thủy điện tưởng như vô hại đến môi trường thì nay người ta đã phải quan
tâm đến những hậu quả nghiêm trọng là làm mất cân bằng sinh thái. Do
vậy, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo như
năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng Mặt
Trời là hướng đi quan trọng trong quy hoạch phát triển năng lượng, đảm
bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia.
Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là
một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế.
Khi mức sống của người dân càng cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế
ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng lớn, và việc
thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc
gia. Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế từ sau Đổi Mới làm nhu cầu về
điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển kịp thời.
Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thường trực của
ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả
nước. Với giá dầu lên cao, xấp xỉ 140 đô la một thùng, năng lượng trở
thành một vấn đề cấp bách cho mọi quốc gia, từ nước phát triển cho tới
những nước đang phát triển. Giá dầu lên kéo theo giá các năng lượng khác
như khí đốt, than cũng tăng Thêm vào đó là vấn đề môi trường. Than hay
dầu khí thải nhiều hóa chất ô nhiêm, làm nóng quả đất. Điển hình 2 năm
trước ngay tại Bắc Kinh ta có thấy rõ được ảnh hưởng của hóa chất thải đối
môi trường sống của con người tại đây. Năng lượng rẻ từ dầu khí đã đẩy
mạnh cách mạng sản xuất của nhân loại trong trăm năm nay. Nhưng nguồn
năng lượng này đang có xu hướng giảm. Theo ước tính, trữ lượng dầu sẽ
hết trong 100 năm nữa. Tìm nguồn năng lượng mới nhất là một nguồn năng
lượng tái tạo đã trở thành một giấc mơ cần biến thành hiện thực, một nhu
cầu, một bài toán cho nhân loại. Trong các nguồn năng lượng tái tạo này,

cho đến nay, chỉ có thủy điện là đáng kể. Trong những nguồn còn lại: điện
gió, điện mặt trời, trái đất, biomass cho đến nay tiềm năng lớn là năng
lượng gió. Nó được xem như dạng năng lượng Ưu việt trong tương lai, đó là
nguồn năng lượng sạch, vô tận và là nguồn năng lượng thân thiện với môi
trường. Nội dung dưới đây chúng em nghiên cứu về tiềm năng, công nghệ


sản xuất và quy hoạch năng lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam. Bên
cạnh đó đưa ra những ưu và nhược điểm trong xây dựng nguồn năng lượng
sinh khối.
Với sự giúp đỡ tận tình và những chỉ dẫn chi tiết từ thầy: " " chúng em
mạn phép được đưa ra đồ án môn học " tìm hiểu về nguồn năng lượng tái
tạo Phong điện". Do trình độ chuyên môn còn hạn hẹp nên tài liệu còn
nhiều thiếu sót, kính mong thầy "" và các bạn chỉ dẫn và đóng góp thêm,
chân thành cảm ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện:

Quy Nhơn, 20/11/2011

LỜI MỞ ĐẰU

MUC LUC

PHẨN 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.
2.
3.
4.

Sự hình thành năng lượng gió

Vật lí học về năng lượng gió
Sử dụng năng lượng gió
Sản xuất điện từ năng lượng gió


Khuyến khích sử dụng năng lượng gió
Thóng kê
Công suất định mức lắp đặt trên Thế Giới
Công suất định mức lắp đặt tại Áo Công suất
định mức lắp đặt tại Đức Công suất định mức
lắp đặt tại Pháp

PHÀN 2: LỊCH SỬTUABIN GIÓ
PHÀN 3: MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO
TUABIN GIÓ
3.1 Giói thiệu
3.2 Công nghệ tiên tiến

3.2.1/Tổng quan về cấu hình tuabin gió
3.2.1.1/ Tuabin gió tốc độ cố định 3.2.1.2/ Tuabin gió tốc độ
biến đổi 3.2.1/ Tổng quan về các loại điều khiển điện

năng 3.2.3/ Máy phát điện hiện đại
3.2.3.1
3.2.3.2
3.2.3.3
3.2.3.4

Loại A: tốc độ cố định
Loại B: thay đổi tốc độ hạn chế

Loại C: thay đổi tốc độ với bộ chuyển đổi tần số từng phần
Loại D: Biến tốc với bộ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ

3.2.4 Điện tử công suất hiện đại
3.2.5 Xâm nhập thị trường hiện đại

3.3 Các loại máy phát điện

3.3.1 Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng)
3.3.1.1 Máy phát điện cảm ứng lồng sóc
3.3.1.2 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
3.3.2.1 Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn


3.3.2.1

Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn

3.3.3 Các loại máy phát điện khác
3.3.3.1 Máy phát điện cao áp
3.3.3.2 Các máy phát điện từ hóa chuyển đổi
3.3.3.3 Máy phát điện ngang dòng

3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4

Khởi động mềm
Bộ tụ

Bọ chỉnh lưu và bộ biến điện - nghịch lưu
Chuyển đổi tần sế - biến tần

3.5 Giải pháp điện tử công suất trong các trang trại gió
3.6 Kết luân
PHÀN 4: PHONG ĐIỆN TẠI VIỆT NAM
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Tình hình cung cầu tại Việt Nam
Một sế lựa chọn chính sách của Việt Nam
Giá thành của phong điện, liệu có đắt như định kiến
Những lọi ích về môi trường và xã hội của phong điện
Tiềm năng phong điện tại Việt Nam
Đề xuất một khu vực xây dựng phong điện tại Việt Nam
Lòi kết

PHÀN 5: MỘT VÀI Dự ÁN PHONG ĐIỆN TIÊU BIỂU
1. Phát triển phong điện tại Bình Định
2. Phát triển phong điện tại Bình Thuận
3. Đọc thêm
3.1
3.2
3.3

Lưói điện sử dụng năng lượng gió
Năng lượng gió ở châu Âu
Trạm phát điện kết họp năng lượng gió và mặt tròi

PHÀN 1: TỎNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ


Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái
Đất. Năng luợng gió là một hình thức gián tiếp của năng luợng Mặt Trời. Sử dụng năng luợng
gió là một trong các cách lấy năng luợng xa xua nhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết
đến từ thời kì cổ đại.

1. Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyến, nước và
không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất
không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích
đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất
mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm
của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không
khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phang do quỹ đạo Trái Đất tạo thành
khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.
Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên
không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyến động thắng mà tạo thành các cơn

£3

Bản đồ vận tốc gió theo mùa
gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Neu nhìn từ vũ trụ thì trên
Bắc bán cầu không khí di chuyến vào một vùng áp thấp ngược với

chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì
chiều huớng nguợc lại.
Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh huởng bởi địa hình tại từng địa phuơng.
Do nuớc và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nuớc, tạo nên
khác biệt về áp suất và vì thế có gió thối từ biến hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền
nguội đi nhanh hơn nuớc và hiệu ứng này xảy ra theo chiều nguợc lại.

2. Vật lý học về năng lượng gió
Năng luợng gió là động năng của không khí chuyến động với vận tốc V. Khối luợng đi qua
một mặt phang hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

m = pV = p ■ Avt = p - 7Tr2vt
với p là tỷ trọng của không khí, V là thế tích khối luơng không khí đi qua mặt cắt ngang hình
tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.Vì thế động năng E (kin) và công suất p của gió là:
J—I

_ jj-

-£*■«1 =

m

2

J-Ị ^kin

'

v

—

2

^2 lỉ

2 ^
p r

t

'

t

2>

3

!

p = —— = -ợr ■ V
tT

Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là
một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng luợng gió.
Công suất gió có thể đuợc sử dụng, thí dụ nhu thông qua một tuốc bin gió để phát điện, nhỏ hơn
rất nhiều so với năng luợng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin không thể
giảm xuống bằng không. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng luợng tồn tại trong

luồng gió. Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra đuợc từ gió và công suất tồn tại trong gió đuợc
gọi là hệ so Betz (xem Định luật Betz), do Albert Betz tìm ra vào năm 1926.
Có thế giải thích một cách dễ hiếu nhu sau: Khi năng luợng đuợc lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ
chậm lại. Nhung vì khối luợng dòng chảy không khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải không
đối nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý
do này mà biến đối hoàn toàn năng luợng gió thành năng luợng quay thông qua một tuốc bin
gió là điều không thế đuợc. Truờng hợp này đồng nghĩa với việc là luợng không khí phía sau
một tuốc bin gió phải đứng yên.


3.Sử dụng năng lượng gió

£1
Cối xay gió
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay. Con người đã dùng năng lượng gió
đế di chuyến 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 dùng năng lượng gió đế 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 đối nhỏ và thay vì là chuyến
đối động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện đế sản xuất năng lượng
điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng
của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái
niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những
cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn
khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kế cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại.

4. Sản xuất điện từ năng lượng gió

Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể
được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục.

Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện
có thế được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm


trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ
gió. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây
chúng trên các đỉnh núi cao.
Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thối vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm và
vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày. Công
suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và
nhu cầu dùng điện. (Đọc thêm thông tin trong bài tuốc bin gió).
Người ta còn có một công nghệ khác đế tích trữ năng lượng gió. Cánh quạt gió sẽ được
truyền động trực tiếp để quay máy nén khí. Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống
nhiều bình khí nén. Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào
các turbine để quay máy phát điện. Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng on định
hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình, và người ta sẽ dễ dàng điếu
khiến cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra), hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp
khí và xả khí luân phiên đế đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1
bình đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén
vào).
Neu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kế cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải
các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng
rẻ tiền nhất

4.1/ khuyến khích sử dụng năng lượng gió
Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào đường lối chính
trị, thí dụ như thông qua việc hoàn trả thuế (PTC tại Hoa Kỳ), các mô hình hạn ngạch hay đấu
thầu (thí dụ như tại Anh, Ý) hay thông qua các hệ thống giá tối thiếu (thí dụ như Đức, Tây Ban
Nha, Áo, Pháp, Bồ Đào Nha, Hy lạp). Hệ thống giá tối thiểu ngày càng phố biến và đã đạt được
một giá điện bình quân thấp hơn trước, khi công suất các nhà máy lắp đặt cao hơn.

Trên nhiều thị trường điện, năng lượng gió phải cạnh tranh với các nhà máy điện mà một
phần đáng kế đã được khấu hao toàn bộ từ lâu, bên cạnh đó công nghệ này còn tương đối mới.
Vì thế mà tại Đức có đền bù giá giảm dần theo thời gian từ những nhà cung cấp năng lượng
thông thường dưới hình thức Luật năng lượng tái sinh, tạo điều kiện cho ngành công nghiệp trẻ
này phát triển. Bộ luật này quy định giá tối thiếu mà các doanh nghiệp vận hành lưới điện phải
trả cho các nhà máy sản xuất điện từ năng lượng tái sinh. Mức giá được ấn định giảm dần theo
thời gian. Ngược với việc trợ giá (thí dụ như cho than đá Đức) việc khuyến khích này không
xuất phát từ tiền thuế, các doanh nghiệp vận hành luới điện có trách nhiệm phải mua với một
giá cao hơn.
Bên cạnh việc phá hoại phong cảnh tự nhiên những nguời chống năng luợng gió cũng đua ra
thêm các lý do khác nhu thiếu khả năng trữ năng luợng và chi phí cao hơn trong việc mở rộng
mạng luới tải điện cũng nhu cho năng luợng điều chỉnh.

4.2/ Thống kê
Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ân Độ là những quốc gia sử dụng
năng luợng gió nhiều nhất trên thế giới.


4.2.1/ Công suất định mức lắp đặt trên thế giói
Trong số 20 thị truờng lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nuớc với Đức là
nuớc dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng luợng gió với khoảng cách xa so với các
nuớc còn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng luợng gió liên tục trong
nhiều năm qua đuợc nâng đỡ bằng quyết tâm chính trị. Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp
mới đã phát triển tại 3 quốc gia này. Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch
và Tây Ban Nha) đã đuợc sử dụng trên thị truờng nhiều hơn trong những năm vừa qua .
Năm 2007 thế giới đã xây mới đuợc khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ với 5244 MW,
Tây Ban Nha 3522MW,
Trung Quốc 3449 MW,
Ấn Độ 1730 MW
Năm 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió lên

94.112 MW. Công suất này có thế thay đối dựa trên sức gió qua các năm, các nuớc, các vùng.
Sổ thứ tụ
Quốc gia
Công suất (MW)
01

Đức

22.247

02
03
04
05

Mỹ
Tây Ban Nha
Ấn Độ
Trung Quốc

16.818
15.145

06
07

Đan Mạch
Ý

3.125

2.726

08
09

Pháp
Anh
Bồ Đào Nha

2.454
2.389
2.150

Ca na đa
Hà Lan

1.846
1.746

13
14
15

Nhật
Áo
Hy Lạp

1.538
982
871

16
17

Úc
Ai Len
Thụy Điển

824
805
788

Na Uy
Niu Di Lân

333
322

10
11
12

18
19
20

8.000
6.050

Những nuớc khác 2.953

Thế giới
94.112


Nguồn: World Wind Energy Association, thời điểm: Cuối 2007 và dịch từ Wikipedia Đức
4.2.2/ Công suất định mức lắp đặt tại Áo
Tại Áo hiện nay có 424 tuốc bin gió với công suất tống cộng là 606 MW trong mạng luới
điện (số liệu vào cuối năm 2004). Công suất này tuơng ứng với nhu cầu tiêu thụ điện trung bình
của khoảng 350.000 gia đình. Trọng tâm sử dụng năng luợng gió tại Áo là 2 tiếu bang
Niederösterreich và Burgenland. Trang trại gió cao nhất thế giới đuợc lắp đặt ở độ cao 1.900 m
trên mực nuớc biến tại tiếu bang Steiermark vào năm 2002. Trang trại gió này bao gồm 11 tuốc
bin gió với công suất tống cộng là 19,25 MW.
Tiểu bang
Sổ lượng tuốc bin gió Công suất (MW)
Burgenland

183

307,9

Kärnten

1

0,5

N iederô sterreich 200

254,9

Oberösterreich
Salzburg
Steiermark

17

14,4

0
15

0
24,1

Tirol

0

0

Vorarlberg

0
8
424

0
4,4

Wien

Tổng cộng

606,2

Nguồn: IG Windkraft Österreich
4.2.3/ Công suất định mức lắp đặt tại Đức

Bản đô phân bô của các tuôc bin gió ở Đức


Trong năm 2004, với 25.000 GWh, lần đầu tiên tại Đức sản xuất điện từ năng luợng gió đã vuợt
qua đuợc nguồn cung cấp điện từ năng luợng tái sinh khác đuợc sử dụng nhiều nhất cho đến
thời điểm này là thủy điện với 20.900 GWh.


Công suất định mức lắp đặt tại Đức theo tiếu bang:

Tiểu bang

Sổ lượng tuốc bin gió

Baden-Württemberg

252

249

Bayern

251

224

Berlin
Brandenburg

0
1.776

0
2.179

Bremen

43

47

Hamburg
Hessen

57
504

34
401

Mecklenburg-V orpommem
Niedersachsen

1.093
4.283

1.018
4.471

Nordrhein-Westfalen

2.277

2.053

Rheinland Pfalz

694

704

Saarland

53

57

Sachsen

674

667

Sachsen-Anhalt

1.458

1.854

Schleswig-Holstein
Thüringen

2.688
440

2.174
497

Tổng cộng

16.543

16.629

Nguồn: Viện năng luợng gió Đức, tính đến ngày 31 tháng 12 năm 2004.

Công suất (MW)


4.2.4/ Công suất định mức lắp đặt tại Pháp
Vùng

Công suất (MW)

Bretagne

19,80

Basse-Normandie

10,80

Champagne- Ardennes

1,50

Haute-Normandie

0,00

Ile-de-France

0,06

Languedoc-Roussillon

104,58

Lorraine

9,00

Nord-Pas-de-Calais

24,03

Midi-Pvrénées

23,60

Pavs-de-la-Loire

19,50

Picardie

4,25

Poitou-Charentes

0,00

Prov. - Alpes- Côte- d'Azur

1,70

Rhône-Alpes

3,60

Tổng cộng

222,42

Nguồn: Viện năng lượng gió Đức tính đến cuối năm 2003.


PHÀN 2: Lịch sử Tuốc bin gió

Tuốc bin gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy năng lượng
này có thể được dùng trực tiếp như trong trường họp của cối xay bằng sức gió, hay biến đối tiếp
thành điện năng như trong trường họp máy phát điện bằng sức gió.
Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau. Nhưng thành phần quan
trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió. Còn lại là
các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột đế dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để họp
với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành
điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện tuốc bin gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do
kết cấu đơn giản và phù họp đặc điểm tốc độ thấp của tuốc bin gió.
Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện năng sản
xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện phù họp. Việc sử
dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp
cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyến đối lại thường cho
hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra.
Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác. Người ta dùng cánh quạt gió truyền
động trực tiếp vào máy nén khí. Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình
khí nén. Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra đế xoay động cơ vận hành máy phát
điện. Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình này đang xả thì các bình
khác đang được nạp bởi cánh quạt gió. Điện sẽ được ốn dịnh liên tục.
Hiện nay có 2 kiểu turbine phố biến,đó là loại trục ngang và loại trục đứng. Trục ngang là
loại truyền thống như hình trên, còn trục đứng là loại công nghệ mới, luôn quay ốn định với mọi
chiều gió.

Lịch sử

£3

Trang tài liệu của Charles F. Brush năm 1888

Cối xay gió đã được sử dụng ở Ba Tư (Iran ngày nay) vào đầu năm 200 TCN [2] Bánh xe gió của
Heron tại Alexandria đánh dấu một trong những trường hợp được biết đến đầu tiên của máy chạy bằng
sức gió trong lịch sử.[3][4]Tuy nhiên, việc chiếc cối xay gió đầu tiên được biết đến thực tế được xây
dựng ở Sistan, một vùng nằm giữa Afghanistan và Iran, từ thế kỷ thứ 7.[5] Những thân cối xay gió là
những trực dọc, và có cánh hình chữ nhật.
Các tài liệu đầu tiên về hệ thống để phát điện bằng sức gió được lập vào năm 1887 do một người
Scotland tên là James Blyth, đế tạo ra năng lượng chiếu sáng cho ngôi nhà trong kỳ nghỉ của mình.
Ông đã xây dựng một trục thắng đứng chắc chắn với 10 mét chiều cao và 4 cánh quạt.
Dane Poul La Cour đến xung quanh bật của thế kỷ bởi các nghiên cứu có hệ thống - trong số những
thứ khác, được thiết kế khí động học trong hầm gió airfoils - khái niệm về tốc độ cánh quạt mà cánh
quạt chỉ đủ đế khai thác năng lượng gió trên toàn bộ diện tích cánh quạt.
Năm 1920, Albert Bates về các nguyên tắc vật lý mà vẫn còn được sử dụng ngày hôm nay để tận
dụng lợi thế của năng lượng gió là tối ưu: giảm tốc độ của lưu lượng dòng chảy để chỉ một phần ba tốc
độ gió, đồng đều trên diện tích cánh quạt, được thực hiện bởi bề ngoài giảm chiều sâu của cánh quạt.


Các thăng bằng hàng không cải thiện dạng hình trong những năm 50 và 60, cho phép lướt và tỷ lệ
trên 50 cực kỳ nhanh chóng chạy với chỉ một lưỡi cánh quạt duy nhất. Cánh quạt với hơn hai lá được
coi là lạc hậu.
Theo kế hoạch của Đức tuốc bin với hai lá GROWIAN là một dự án lớn đã được lên và đưa xuống
đế đưa các khái niệm của Đan Mạch của các hệ thống mạnh mẽ của quyền lực trung nhiều. Nó cũng có
một số lượng lớn ở Hoa Kỳ xuất khẩu một hệ thống không đồng bộ, một hoặc hai tốc độ cố định và ba
cánh quạt cứng. Ke từ đó, Đan Mạch là nước có tỷ trọng lớn nhất của thế hệ năng lượng gió.

&
Ba loại tuabin gió chính - Savonius và Darrieus tua bin gió trục thắng đứng (VAWT) và một tiêu
chuẩn ngang trục tua bin gió (HAWT) - tất cả với ba cánh quạt, được quay như thể họ đang hoạt động
trong gió thực sự. Chúng được quay cùng một tốc độ (toán học), 30 vòng/phút

h4o<fc>rn HAYVT &oraáL
Uã/IVAwf


PHẦN 3:Máỵ phát điện và điện tử
công suất cho tuốc bin gió
{Generators and Power
Electronics for Wind Turbines)
Anca D. Hansen

3.1/ Giói thiệu
Ngày nay, tua-bin gió trên thị trường là sự hòa trộn và so khớp với một loạt các đối mới công nghệ
đã được thử nghiệm cho cả máy phát điện và điện tử công suất. Chưomg này trình bày trạng thái hiện
tại của máy phát điện và thiết bị điện tử công suất trong các loại tuabin gió. Nó mô tả các loại cũ và
mới của các máy phát điện và các thiết bị điện tử công suất dựa trên các khía cạnh kỹ thuật và xu
hướng thị trường.

3.2 Công nghệ tiên tiến
( State-of-the-art Technologies )
Phần này sẽ mô tả tình trạng hiện tại về máy phát điện và điện tử công suất cho các tua-bin gió.
Đe cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh, đầu tiên chúng tôi sẽ mô tả vắn tắt cấu hình điều khiến điện
năng phố biến của các tua bin gió

3.2.1 Tổng quan về các cấu hình tuốc bin gió

( Overview of wind turbine topologies )
Tua-bin gió có thế hoạt động với một tốc độ cố định hoặc tốc độ biến đối.
3.2.2.1 tuốc bin gió có tốc độ không đổi - cổ định

( Fixed-speed wind turbines )

Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn cài đặt các tua-bin gió là hoạt động ở tốc độ cố định.Điều đó
có nghĩa là bất kì tốc độ gió nào, tốc độ cánh quạt của tuabin gió là cố định và xác định bởi tần số của
lưới điện cung cấp, tỷ số truyền và thiết kế máy phát điện.
Đặc trưng của tua-bin gió tốc độ cố định là chúng được trang bị máy phát điện cảm ứng (rotor
lồng sóc hoặc rôto quấn dây) kết nối trực tiếp với lưới điện, với một phần mềm khởi động và bộ tụ
đế giảm mức tiêu hao công suất phản kháng.Chúng được thiết kế để đạt được hiệu quả tối đa tại
một tốc độ gió cụ thể. Đe tăng cường sản xuất
điện, máy phát điện của một số tua-bin gió có tốc độ cố định có hai bộ dây: một là sử dụng tốc độ gió
thấp (thường là 8 điện cực) và tốc độ gió trung bình ,cao (thường 4- 6 điện cực).
Tua bin gió có tốc độ cố định có lợi thế là đơn giản, mạnh mẽ và đáng tin cậy và cũng đã được kiếm


chứng. Và tốn thất điện năng của nó là thấp. Nhược điếm của nó là không kiếm soát được tiêu thụ công
suất phản kháng, ứng suất cơ học và chất lượng điện năng bị giới hạn. Do hoạt động tốc độ cố định , tất
cả các biến động ở tốc độ gió tiếp tục truyền như các biến động trong mô-men xoắn cơ khí và sau đó là
sự biến động của điện năng trên lưới điện. Trong trường họp lưới yếu, dao động năng lượng cũng có
thể dẫn đến các biến động điện áp lớn, điều này sẽ cho kết quả rã lưới(Larsson, 2000).
3.2.1.2 tuabin gió tốc độ biến đổi
(Variable-speed wind turbines

)

Trong những năm qua tua-bin gió có tốc độ thay đối đã trở thành loại ưu thế trong số các tua-bin
gió được cài đặt.

Tua-bin gió biến tốc được thiết kế để đạt được tối đa hiệu quả khí động học trên một phạm vi rộng
của tốc độ gió. Với hoạt động biến tốc nó có thế liên tục thích ứng (tăng tốc hay giảm tốc) tốc độ quay
của tuabin gió với tốc độ gió V. Bằng cách này, tốc độ đầu tỷ lệ được giữ không đổi ở một giá trị được
xác định trước tương ứng với hệ số công suất tối đa .Trái ngược với một hệ thống tốc độ cố định, một
hệ thống biến tốc giữ mô-men xoắn máy phát điện tương đối on định và các thay đối gió được hấp thu
bởi những thay đối trong tốc độ máy phát điện.
Hệ thống điện của một tua-bin gió có tốc độ thay đối phức tạp hơn một tuabin gió tốc độ cố định. Nó
thường được trang bị với máy phát điện cảm ứng hoặc máy phát điện đồng bộ và kết nối với lưới điện
thông qua một công cụ chuyến đối điện năng . Bộ chuyến đối điện năng kiếm soát tốc độ máy phát
điện, đó là, dao động năng lượng gây ra bởi sự thay đổi gió được hấp thu chủ yếu bởi những thay đổi
tốc độ trong rotor máy phát điện và cực từ trong rotor tua-bin gió.
Những lợi thế của tua-bin gió có tốc độ thay đối là nắm bắt được sự tăng năng lượng, cải thiện chất
lượng điện và giảm áp lực cơ khí trên các tua-bin gió.Nhược điếm là gây tốn thất trong phần điện tử
công suất, sử dụng nhiều bộ phận hơn và tăng chi phí thiết bị vì là các thiết bị điện tử công suất.
Việc giới thiệu các loại tuabin gió có tốc độ thay đối làm tăng số lượng ứng dụng của các loại máy
phát điện và cũng giới thiệu một vài sự kết họp của các loại máy phát điện và các loại chuyến đối điện
năng

3.2.2 Tổng quan về các loại điều khiển điện năng
( Overview of power control concepts )

Tat cả các tua-bin gió được thiết kế với một số loại điều khiến điện năng. Có nhiều cách
khác nhau để kiểm soát sức động lực học trên các rôtor tua-bin gió và do đó hạn chế sức mạnh của
gió khi gió lớn để tránh hỏng hóc cho tuabin gió.
Phuơng pháp điều khiển hiệu quả nhất và rẻ tiền nhất là điều khiển trạng thái thất tốc- the stall
control (điều khiến thụ động), nơi mà các cánh quạt đuợc bắt vít vào trung tâm ở một góc cố định.
Thiết kế khí động lực học rotor làm cho rotor thất tốc (mất điện) khi tốc độ gió vuợt quá một mức nhất
định. Nhu vậy,lực khí động học trên các cánh quạt bị hạn chế. Kiếm soát lực khí động học chậm gây ra
những biến động năng luợng ít hơn so với việc điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt. Một số hạn chế của
phương pháp này là hiệu quả thấp hom ở tốc độ gió thấp, không có hỗ trợ khởi động và sự thay đối lớn

trong on định điện do sự thay đối trong tỷ trọng không khí và tần số luới điện (cho một ví dụ, hãy xem
Chuomg 15).
Một loại hình điều khiến khác là điều khiến góc nghiêng- pitch control (điều khiến chủ động),ở đó


những cánh quạt có thế tạo ra sản luợng điện đầu ra cao hay thấp,tuơng ứng. Nói chung, những ưu
điếm của loại hình điều khiến này là điều khiến điện tốt, hỗ trợ khởi động và dừng khẩn cấp. Từ một
điếm điện cho thấy, kiếm soát năng lượng tốt có nghĩa là ở tốc độ gió cao, giá trị trung bình của sản
lượng điện được giữ gần với công suất định mức của máy phát điện. Một số nhược điếm là sự phức tạp
phát sinh từ cơ cấu truyền động ở các góc nghiêng và dao động năng lượng cao hơn ở tốc độ gió cao.
Năng lượng chỉ là tức thời, bởi vì cơn gió giật và tốc độ hạn chế của cơ cấu truyền động góc nghiêng,
dao động xung quanh giá trị trung bình của điện năng.
Cách điều khiến thứ 3 có thế là điều khiến trạng thái thất tốc chủ động- the active stall control. Như
tên ngụ ý, sự thất tốc của những cánh quạt được điều khiển 1 cách chủ động bằng góc nghiêng của
cánh quạt. Ớ tốc độ gió thấp cánh quạt nghiêng giống như loại tuabin gió điều khiển góc nghiêng, để
đạt được hiệu quả tối đa. Ở tốc độ gió cao,cánh quạt đi vàotrạng thái thất tốc bằng cách xoay nhẹ vào
hướng đối diện với tua-bin điều khiến góc nghiêng. Hoạt động của các trạng thái thất tốc tuabin gió đạt
được sự hạn chế năng lượng 1 cách trơn tru, không có dao động năng lượng cao như trong trường hợp
của tua-bin gió điều khiến góc nghiêng. Loại điều khiến này có lợi thế là có thế bù đắp sự thay đối về
tỷ trọng không khí. Sự kết họp với cơ chế thay đối góc nghiêng làm cho nó dễ dàng hơn khi thực hiện
điếm dừng khẩn cấp và khởi động tua-bin gió

3.2.3 Máy phát điện hiện đại
( State-of-the-art generators )

Trong phần sau đây, cấu hình tua-bin gió ứng dụng phố biến nhất được phân loại hai khả năng là
điều khiến tốc độ và điều khiến năng lượng . Áp dụng điều khiến tốc độ như một tiêu chuẩn, tua-bin
gió có bốn loại khác nhau , như minh họa trong hình 3.1.
Cấu hình tuabin gió có thế được tiếp tục phân loại đối với các loại điều khiến năng lượng(hay cánh
quạt): thất tốc, góc nghiêng, thất tốc chủ động. Bảng 3.1 cho thấy các loại khác nhau của các cấu hình

tuabin gió, cả hai tiêu chuẩn (kiếm soát tốc độ và kiếm soát năng lượng) vào 1 bảng. Mỗi sự kết họp
của hai tiêu chí này nhận được một kí hiệu, ví dụ, loại AO biếu thị tuabin gió tốc độ thất tốc cố định.
Các khu vực màu xám trong
Bảng3.1 cho thấy sự kết hợp không được sử dựng trong ngành công nghiệp tua- bin gió hiện nay
(ví dụ như loạiBO).


Hình 3.1 cấu hình gió tuabin tiêu biểu.

Lim ý:
SCIG = squirrel cage induction generator máy phát điện lồng sóc cảm ứng),
WRIG = wound rotor induction generator (máy phát diện cảm ứng rotor dây quẩn),
PMSG = permanent magnet synchronous generator (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu);
WRSG = wound rotor synchronous generator máy phát diện đồng bộ rotor dây quấn). Các dòng
nét đứt xung quanh hộp số Loại D cẩu hình cho thấy rằng có thể có hay không có hộp số
Trong chương này, chúng tôi sẽ xem xét chủ yếu là các loại tua bin gió tiêu chuẩn, được mô tả
trong hình 3.1 và Bảng 3.1. Các thiết kế tua bin gió khác sẽ không được thảo luận. Vì vậy, chỉ có cấu
hình tuabin gió điển hình và ưu điếm cũng như nhược điếm của nó sẽ được trình bày thảo luận sau đây.
Điều khiển tốc độ
Điều khiến năng lượnỊ 3
3
Thất tốc
Góc nghiêng
Thất tốc chủ
động
Tốc độ cố định
Loại A
Loại AO
Loại AI
Loại A2

Tốc độ thay đổi
Loại B
Loại BO
Loại B1
Loại B2
Loại c

Loại CO

Loại C1

Loại C2

Loại D

Loại DO

Loại DI

Loại D2

3.2.3.1 Loại A: tốc độ cổ định
(fixedspeed

)

Cấu hình này biếu thị các tuabin gió tốc độ cố định với một máy phát điện cảm ứng không đồng
bộ rotor lồng sóc (SCIG) kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua một biến áp (xem Hình 3.1). SCIG
luôn lấy công suất phản kháng từ lưới điện nên cấu hình này sử dụng một bộ tụ để bù công suất phản
kháng. Đe kết nối tốt với lưới điện thường sử dụng một khởi động mềm.

Bất kì nguyên tắc điều khiến năng lượng trong một tua-bin gió cố định nào cũng là tốc độ gió biến
động được chuyển đổi thành các dao động cơ khí và do đó thành dao động năng lượng điện. Trong
trường họp của một mạng lưới yếu, chúng có thế tạo ra biến động điện áp tại các điếm kết nối. Vì
những dao động điện áp, tuabin gió tốc độ cố định sẽ lấy lượng công suất phản kháng khác nhau từ các
lưới điện (trừ khi có một bộ tụ điện), làm tăng các biến động điện áp và tốn hao dòng. Vì vậy, những
hạn chế chính của loại này là nó không hỗ trợ bất kỳ điều khiến tốc độ nào, nó đòi hỏi một mạng lưới
cứng và kết cấu cơ khí của nó phải có khả năng chịu lực cơ học cao.
Tất cả ba phiên bản (loại AO, Loại AI Loại A2) của tuabin gió tốc độ cố định Loại A được sử dụng
trong ngành công nghiệp tua-bin gió, và nó có thế được mô tả như sau.
Loại AO: Điều khiển độ thất tốc

( stall control )

Đây là loại thông thường được áp dụng bởi nhiều nhà chế tạo tuabin gió của Đan Mạch trong những
năm 1980 và năm 1990 (tức là khi ngược gió điều chỉnh độ thất tốc bởi ba cánh tua bin gió). Nó rất
phố biến vì giá tương đối thấp của nó, đơn giản và hiệu quả. Tua-bin gió điều khiến thất tốc không thế
thực hiện hỗ trợ khởi động, mà ngụ ý rằng điện áp của tuabin không thế được kiếm soát trong mạng


lưới.
Loại Al: Điều khiển góc nghiêng

( pitch controỉ)

Loại này cũng có mặt trên thị trường. Các ưu điểm chính của một tuabin Loại AI là nó tạo điều
kiện thuận lợi điều khiến năng lượng, điều khiến khởi động và dừng khẩn cấp. Tuy nhiên mặt hạn chế
chính của nó là ở tốc độ gió cao, thậm chí biến đối nhỏ trong tốc độ gió cũng dẫn đến thay đối lớn
trong sản lượng điện. Cơ chế góc nghiêng là không phù họp đế tránh những dao động năng lượng.
Bằng cách nghiêng cánh quạt, các biến đối chậm trong gió có thế được bù lại, nhưng điều này là không
thế trong trường họp của cơn gió giật.

Loại A2: Điều khiển thất tốc chủ động

( active stall control)

Loại này gần đây đã trở nên phố biến, cấu hình này về cơ bản duy trì tất cả các đặc tính chất lượng
điện của hệ thống thất tốc quy định. Những cải tiến trong ứng dụng tốt hơn của hệ thống tống thế, như
một kết quả ứng dụng của điều khiến thất tốc chủ động. Các khóp nối linh hoạt của cánh quạt trung
tâm cũng tạo điều kiện dừng khẩn cấp và khởi động. Một nhược điếm là mức giá cao hơn phát sinh từ
cơ chế lắp đặt và bộ điều khiến của nó.
Như minh họa trong hình 3.1 và Bảng 3.1, loại biến tốc được sử dụng bởi tất cả ba cấu hình, loại B,
loại c và D. Do cân nhắc loại giới hạn năng lượng, các loại biến tốc được sử dụng trong thực tế hiện
nay chỉ cùng với cơ chế góc nghiêng nhanh. Tốc độ thay đối thất tốc hoặc sự thay đối tốc độ thất tốc
chủ động đế điều khiến tuabin gió không bao hàm ở đây như là có khả năng nó thiếu điện dung đế
giảm nhanh chóng năng lượng. Neu các tuabin gió đang chạy ở tốc độ tối đa và có một cơn gió mạnh,
mô-men xoắn khí động học đạt độ tới hạn cao và có thế gây ra tình huống mất ốn định. Do đó, như
minh họa trong bảng 3.1 Loại BO, Loại B2, Loại co, Loại C2, Loại D2 ,Loại DO không được sử dụng
trong ngành công nghiệp tua-bin gió hiện nay.
3.2.3.2 Loại B: thay đổi tốc độ hạn chế

(: limited variable speed )

Cấu hình này tương ứng với tuabin gió hạn chế biến đối tốc độ bằng sự thay đối điện trở rotor máy
phát điện, được gọi là OptiSlip.Sử dụng một máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG) và đã
được sử dụng bởi các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas kế từ giữa những năm 1990. Máy phát điện trực
tiếp kết nối với lưới điện. Một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng. Ket nối lưới điện tốt
hơn đạt được bằng cách sử dụng một phần mềm khởi động. Các tính năng độc đáo của loại này là nó có
thế thay đối điện trở rotor bởi một công cụ chuyến đối quang học điều khiến gắn trên trục cánh quạt. Vì
vậy, điện trở rotor là kiếm soát hoàn toàn. Khóp nối quang học này giúp loại bỏ sự cần thiết cho vòng
trượt tốn kém cần chối than và bảo trì. Điện trở rotor có thế được thay đối và do đó kiếm soát độ trượt.
Bằng cách này, sản lượng điện trong hệ thống được kiếm soát. Phạm vi của điều khiến tốc độ động phụ

thuộc vào dải biến đối điện trở rotor. Thông thường, phạm vi tốc độ là 0-10% so với tốc độ đồng bộ.
Năng lượng đến từ các đơn vị chuyến đối năng lượng bên ngoài là mất đi do sự mất nhiệt.
Wallace và Oliver (1998) trình bày một loại thay thế bằng cách sử dụng các thành phần thụ động thay
vì bộ chuyển đổi điện tử công suất. Điều này đạt đuợc độ trược 10%, nhung nó không hỗ trợ điều khiển
độ trược.

3.2.3.3 Loại C: thay đổi tốc độ với bộ chuyển đổi tần sổ từng phần

(: variable speed with partial scale frequency converter )


Cấu hình này giống loại máy phát điện cảm ứng 2 lần (DFIG),tuơng ứng với giới hạn biến đối tốc
độ của tuabin gió là số vòng dây rotor của máy phát điện cảm ứng (WRIG) và một phần tỉ lệ tần số
chuyến đối (đánh giá khoảng 30% công suất định mức) trên mạch rotor (phần 4, trong Chuơng 2 cho
thấy vỏ bọc của một tuabin Loại C). Phần tỉ lệ tần số chuyến đối thực hiện bù công suất phản kháng và
kết nối luới điện tối ưu hơn. Nó có một phạm vi rộng lớn hơn của điều khiển tốc độ động so với các
OptiSlip , tùy thuộc vào kích thước của bộ chuyển đổi tần số.
Thông thường, phạm vi tốc độ bao gồm tốc độ đồng bộ 30% đến 40%. Tần số chuyển đối nhỏ hơn
làm cho khái niệm này hấp dẫn đối với quan điếm kinh tế. Hạn chế chính của nó là việc sử dụng các
vòng trượt và phải được bảo vệ trong trường họp sự cố lưới điện.
3.2.3.4 Loại D: Biến tốc vói bộ chuyển đổi tần sổ đầy đủ tỉ lệ

( variable speed with full-scale frequency converter )

Cấu hình này tương ứng với tuabin gió tốc độ biến đổi đầy đủ, với các máy phát điện kết nối với
lưới điện thông qua một công cụ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ. Bộ chuyển đổi tần số thực hiện đền bù
công suất phản kháng và kết nối lưới điện tối ưu hơn. Máy phát điện có thể được kích thích bằng điện
(dây quấn rotor máy phát điện đồng bộ (WRSG) hoặc WRIG) hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu [nam
châm vĩnh cửu máy phát điện đồng bộ (PMSG)].
Một số tuabin gió tốc độ biến đổi có thể không có hộp số (xem các đường nét đứt hộp số trong hình

3.1). Trong những trường họp này, máy phát điện nhiều cực truyền động trực tiếp được sử dụng với
một phạm vi lớn, (nhìn phần 3, tại ví dụ Chương 2). Các tuốc bin gió công ty Enercon, Made và
Lagerwey là những ví dụ của các nhà sản xuất sử dụng cấu hình này.

3.2.4 Điện tử công suất hiện đại

( State-of-the-art power electronics )

Sự thay đối tốc độ tua bin gió đòi hỏi một hệ thống điện tử công suất có khả năng điều chỉnh
tần số máy phát điện và điện áp lưới điện. Cường độ dòng điện trong điện tử công suất nhỏ nên nó là
lý do tại sao nó lại hấp dẫn đế sử dụng các thiết bị điện tử trong các tua-bin gió trong tương lai: Bảng
3.2 minh họa
Bảng 3.2 ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng thiết bị điện tử công suất trong hệ thống tuabin
gió


Tính chất điện tử công suất
Điêu khiên tân sô
(quan trọng đối với tuabin gió)

Tính chất điện áp
(quan trọng đối với lưới điện)

Ưu điểm

Nhược
điểm

Năng lượng hoạt động tối ưu Hệ thống Thêm các chi
truyền động mềm Dễ điều khiển

phí Các thiệt
Truyền động không bánh răng Giảm
hại
tiếng ồn

-Điều khiến công suất tác dụng và
phản kháng
- Nguồn công suất phản kháng cục
bộ
- Cải thiện mạng lưới (điện áp) ốn định
- Cải thiện chất lượng điện
+ Giảm độ mấp mô + Lọc các
sóng hài bậc thấp + Hạn chế ngắn
mạch

Có sóng hài
bậc cao

ý nghĩa của việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất trong tua-bin gió là lưới điện và tuabin gió
được kết nối.
Điện tử công suất có hai tính năng Ctf bản:
Điều khiển tần số: Điện tử công suất thực sự có thể áp dụng để tốc độ thay đổi, và do đó nó được
xem là một điếm quan trọng đối với tuabin gió. Tính năng này kết quả làm cho tua-bin gió đạt được
những lợi ích trực tiếp sau đây: (1) tối ưu năng lượng hoạt động, (2) giảm tải trên 0 bánh răng và 0 đĩa,
cũng như tốc độ gió biến đối được hấp thụ bởi các thay đối tốc độ rotor (3) kiếm soát tải, cũng như có
thế tránh được tốn hao tải, (4) một giải pháp thực tế cho các tua-bin gió gearless(không bánh
răng),cũng như bộ chuyến đối điện hoạt động như một hộp số điện; và (5) giảm tạo ra tiếng ồn ở tốc độ
gió thấp. Đối với các tua bin gió, những nhược điếm của thiết bị điện tử công suất là những tốn thất
điện năng và chi phí gia tăng cho các thiết bị bố sung.
. Tính chất điện áp. Điện tử công suất cung cấp khả năng cho các trang trại gió trở thành một phần

hoạt động trong hệ thống điện (S ensen et al, 2000.). Đối với lưới điện, điều này tạo một số lợi thế: (1)
công suất phản kháng và tác dụng của một trang trại gió là điều khiển đuợc, (2) bộ chuyển đổi năng
luợng trong một trang trại gió có thể đuợc sử dụng nhu một nguồn công suất phản kháng cục bộ (ví dụ
nhu trong trường họp lưới điện yếu); (3)trang trại gió có ảnh hưởng tích cực vào sự ổn định mạng lưới,
và (4) bộ chuyển đối điện áp giúp nâng cao chất lượng điện của trang trại gió bằng cách giảm các mức
độ mấp mô cũng như nó lọc ra các sóng hài thấp và hạn chế các dòng mạch ngắn. Liên quan tới lưới
điện , điện tử công suất có nhược điếm tạo ra hài bậc cao hòa vào lưới điện.
Điện tử công suất bao gồm các thiết bị như khởi động mềm (và các bộ tụ điện), chỉnh lưu, bộ biến
đổi điện và bộ chuyển đổi tần số. Có một loạt lý thuyết thiết kế khác nhau để chỉnh lưu, biến đổi điện
và chuyển đổi tan so (Novotny và Lipo, 1996).


Các thành phần cơ bản của bộ chuyến đối điện áp là điốt (van không kiếm soát được) và chuyến
mạch điện tử (van kiếm soát), chang hạn như thyristors thường hoặc đóng ngắt được và transistor.
Diodes cho dòng đi qua theo 1 hướng nhất đinh và không cho phép dòng đi qua theo chiều ngược lại.
Thiết bị chuyến mạch điện tử cho phép lựa chọn thời điếm chính xác khi các điốt bắt đầu dẫn dòng
(Mohan, Unde land và Robbins, 1989). Thyristor thông thường được đóng và sẽ chặn chỉ khi dòng
bằng 0 (tức là khi hướng dòng điện là đảo ngược), trong khi thyristors đóng ngắt được và transistor có
thể tự do sử dụng các cống đế gián đoạn dòng điện. Được biết đến rộng rãi nhất thyristors đóng ngắt
được
và transistor như là thyristors cổng đóng-ngắt được(GTO- gate turn-off thyristors),
thyristors cổng mạch tích họp (IGCTs- integrated gate commutated thyristors),

transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJTs- bipolar junction transistors), transistor hiệu ứng
trường với chất bán dẫn oxit kim loại (MOSFETs- metal oxide semiconductor field
và transistor cổng cách điện lưỡng cực (IGBTs- insulated gate
bipolar transistors) . Bảng 3.3 so sánh các đặc điếm và xếp hạng của năm trong số các thiết bị
chuyến mạch. Các giá trị điện áp, dòng điện và điện áp đầu ra là điện áp tối đa. Chuyến đối tần số
xác định phạm vi tần số hoạt động.
effect transistors)

Thyristors thông thường có thế điều khiến công suất tác dụng, trong khi thyristors đóng ngắt được và
transistor có thế điều khiến cả hai công suất phản kháng và tác dụng (đế biết thêm chi tiết, Mohan,
Unde land và Robbins, 1989).
Ngày nay, hệ thống máy phát điện tua bin gió có tốc độ thay đối có thế sử dụng nhiều loại bộ
chuyến đối khác nhau. Chúng có những tính chất như chuyến đối lưới mạch hoặc chuyến đối tự mạch
(Heier, 1998). Các loại phố biến của lưới điện-mạch chuyến đối là thyristor.
Nó là giá rẻ và đáng tin cậy, nhưng nó tiêu thụ công suất phản kháng và tạo các dòng hài rất khó đế
lọc ra. Mạch tự chuyến đối điển hình bao gồm của một trong hai thyristors GTO hoặc transistor. Tự
mạch chuyến đối thú vị bởi vì nó có tần số chuyến mạch cao.
Hài có thể được lọc ra dễ dàng hơn và do đó độ nhiễu của nó vào mạng có thể được giảm đến mức
thấp. Ngày nay, các transistor phố biến nhất là IGBT. Như minh họa trong Bảng 4.3, tần số chuyển đổi
điển hình của một IGBT nằm trong khoảng 2 đến 20kHz. Ngược
lại» tần số chuyển đổi GTO không thế cao hơn 1kHz» do đó nó không phải là một lựa chọn tốt
trong tương lai.
Tự mạch chuyển đổi là hoặc chuyển đổi nguồn điện áp (VSCs) hoặc chuyển đổi nguồn dòng
(CSCS, xem hình 3.2). Nó có thể điều khiển tần số và điện áp.
Bảng 3.3 Thiết bị chuyển mạch: giá trị cao nhất và đặc điểm
Các dạng thiết bị đóng ngắt
GTO
IGCT
BJT
MOFET
Điện áp® (V)
1700
6000
6000
1000
4000
Dòng điện® (A)

2000
1000
28
Tần số đóng ngắtp(Khz)
1-3
0.5-5
5-100
0.2-1
Yêu cẩu điều khiển
cao
Thấp
Trung bình
Thấp

IGBT
6000
1200
2-20
Thấp


“ điện áp đầu ra cực đại **
phạm vi hoạt động
Chú ý: GTO=gate tum-off thyristor; IGCT=integrated gate commutated thyristor;
BJT=bipolar junction transistor; MOSFET=metal oxide semiconductor field effect
transistor; IGBT=insulated gate bipolar transistor.Nguồn: L. H. Hansen et aL, 2001.

Hình 3.2 Các loại chuyến đổi nâng lượng tự-mạch cho tua-bin gió: (a)bộ chuyến đổi nguồn
dòng và (b)bộ chuyển đồi nguồn điện áp. Sao chép từ s. Heier năm 1998»mạng lưới tích hợp hệ
thống chuyển đổi năng lượng gió, bed John Wiley & Sons. Ltd

Nguồn VSCs và cscs tương đối dễ xác định chuyển đổi sang dạng sóng điện áp và dạng
sóng dòng điện, tương úng, các thiết bị đầu cuối của máy phát điện và lưới điện. Trong trường
hợp của vsc, điện áp (dạng DC) được giữ ổn định bởi một tụ điện lớn. Trong một CSC, nó
ngược lại, dòng điện (dạng DC) được giữ ồn định bởi một cuộn cảm lớn. Nó phải được nhấn
mạnh rằng nguồn điện áp chuyển đổi và nguồn chuyến đổi dòng điện là những khái niệm khác
nhau. Chúng có thể được thực hiện bằng nhiều cách: sáu bước, xung điều chế biên độ (PAM)
hoặc điều chế độ rộng xung (PWM). Bằng cách sử dụng kỹ thuật PWM, các sóng hài tần số thấp
được loại bỏ và tần số của sóng hài bậc cao đầu tiên nằm ở khoảng chuyển đổi tần số của các
biến tần hoặc bộ chỉnh lưu.

3.2.5 Xâm nhập thị trường hiện đại
(State-of-the-art market penetration )

Bảng 4.4 chứa một danh sách top-10 nhà cung cấp hàng đầu thế giới tuabin gió cho năm 2002
(BTM tư vấn AP, năm 2003.). Bảng này bao gồm hai tua-bin gió lớn nhất (tức là mới nhất) được sản
xuất bởi top-10 nhà sản xuất hàng đầu. Các cấu hình được áp dụng, cách điều khiến, loại máy phát
điện, điện áp máy phát điện và máy phát điện hoặc phạm vi tốc độ rotor cho mỗi tua-bin gió đã được
đánh giá bằng cách sử dụng các dữ liệu công khai có sẵn trên Internet hoặc dựa trên thư email với các
nhà sản xuất.
Công ty Đan Mạch Vestas Wind Systerms A / s là nhà sản xuất tua-bin gió lớn nhất trên thế giới,
tiếp sau là nhà sản xuất Đức Enercon. Đan Mạch NEG Micon và Tây Ban Nha Gamesa đang ở vị trí