điều khiển tối ưu hệ thống điện gió

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ VĂN HƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 5 7 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2015


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ VĂN HƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN– 60520202
Hướng dẫn khoa học:
TS HUỲNH CHÂU DUY

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2015

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Hà Văn Hương

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 09/12/1988

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Quê quán: Quảng Ngãi

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Đồng Xoài – Bình Phước
Điện thoại liên lạc: 01265066351
E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo:

chính quy

Thời gian đào tạo: từ 2007 đến 2011

Nơi học (trường, thành phố):

Đại Học Công Nghiệp TP.HCM

Ngành học:

Kỹ Thuật Điện

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Luận văn sử lý nước thải
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại Học Công nghiệp
TPHCM


Người hướng dẫn: Phạm Hoàng Đạt

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:

Thời gian

Từ tháng

Công ty xây dựng và lắp đặt điện

8/2010đến

Thế Minh

5/2011

Từ
6/2011

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Giám sát

tháng
đến

Công ty sử lý nước thải Văn Lang

Nhân Viên

8/2011

Từ
12/2013
nay

tháng
đến

Trường Đại Học Công Nghệ Đồng
Nai

Giảng Viên


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 3 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Hà Văn Hƣơng


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay Tôi đã hoàn thành đề tài
tốt nghiệp cao học của mình. Có được thành quả này, Tôi đã nhận được rất nhiều
sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình của thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè trong thời
gian học tập vừa qua.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS. Huỳnh Châu Duy
Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ,
truyền đạt kinh nghiệm để Tôi hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã trang bị cho Tôi
một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa
Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho Tôi trong quá trình học tập
cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã
giúp đỡ cho tôi rất nhiều để vượt qua khó khăn, đã tạo cho Tôi niềm tin và nỗ lực
phấn đấu để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2015
Học viên thực hiện

HÀ VĂN HƢƠNG


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đứng trước thách thức thiếu hụt điện, cùng với việc các nguồn năng lượng
truyền thống ngày càng cạn kiệt (giá nguyên liệu ngày càng tăng cao) và vấn đề về
ô nhiễm môi trường, Việt Nam cần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng
bằng cách một mặt mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống; mặt
khác, thậm chí còn quan trọng hơn là phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc
biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo. Để phát triển nguồn năng
lượng sạch, trong thời đại ngày nay có các loại năng lượng như: gió, mặt trời, thủy
triều… trong đó năng lượng gió được xem là năng lượng lý tưởng mà các quốc gia
đã và đang phát triển phù hợp với xu hướng thời đại của nhân loại.
Nội dung chính của luận văn này là nghiên cứu về việc điều khiển tối ưu hệ
thống máy phát điện gió dùng DFIG . Bằng cách thiết lập mô hình điều khiển góc
Picth, để thu được công suất mong muốn bám sát công suất đặt trước. Ưu điểm của
phương pháp này là đáp ứng nhanh, không vọt lố và ổn định trong những điều kiện
khác nhau khi tốc độ gió thay đổi.


Abstract
Frecede voltaic deficient challenge, together with traditional power sources is
more and more exhaust (highly increasing materials cost) and problem
environmental pollution, Viet Nam need there is energetic security warranty
strategy by who on the one hand enlarge traditional power sources exploitation; on
the other hand, even still more important is new power sources development,
particularly power sources clean and enable to recreate. In order to develop clean
power source, in era nowadays have energetic kinds as: wind, sun, tide … among
them wind power is looked up it be ideal energy that countries under development
in conformity with trending towards of human.

The main content of this thesis is the study of the optimal control system
using DFIG wind generator. By setting the pitch angle control model in order to
obtain the desired power sticking preset power. The advantage of this method is
rapid response, no overshoot and stability in different conditions when the wind
speed changes.


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan................................................................................................................... i
Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii
Tóm tắt luận văn............................................................................................................iii
Mục lục...........................................................................................................................v
Danh sách ký hiệu sử dụng trong luận văn .................................................................viii
Danh sách các hình........................................................................................................xi
Danh sách các bảng .....................................................................................................xiv
Phần mở đầu................................................................................................................xv
Chương 1 : TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về năng lượng gió .............................................................................. 1
1.1.1.Bối cảnh lịch sử phát triển ............................................................................. 2
1.1.1.1 Sản xuất năng lượng cơ học ..................................................................... 2
1.1.1.2 Sản xuất năng lượng điện......................................................................... 3
1.2 Tiềm năng và tình hình khai thác điện gió tại Việt Nam ..................................... 7
1.2.1.Khả năng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam.......................................... 7

1.2.2.Tình hình khai thác điện gió tại Việt Nam..................................................... 7
1.2.3.Các dự án phát triển điện gió đang thực hiện................................................. 8
1.3 Mục tiêu đề tài ..................................................................................................... 9
1.4 Hướng nghiên cứu ............................................................................................... 9
1.5 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 9
1.6 Phương pháp nghiên cứu: .................................................................................... 9
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ........................ 10
2.1 Cấu tạo turbine gió............................................................................................ 10
2.1.1 Các loại turbine gió. ..................................................................................... 10
2.1.3 Các dạng cột tháp turbine gió. ..................................................................... 12
2.1.4 Cánh quạt và trục cánh quạt. ........................................................................ 15
2.1.5 Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng turbine ....................... 16
2.1.6 Hệ thống hãm. .............................................................................................. 17
2.1.7 Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt....................... 18
2.1.8 Võ turbine..................................................................................................... 18
2.2 Các thông số liên quan đến máy phát điện dùng trong turbine gió .................. 19
2.2.1 Các thông số cơ bản máy điện không đồng bộ............................................ 19
2.2.2 Đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ. .................................................. 19
2.2.3 Các công thức cơ bản của máy phát điện gió không đồng bộ ..................... 20
2.3 Mô hình và nguyên lý vận hành của turbine gió................................................ 20
2.3.1 Mô hình của turbine gió nguồn kép DFIG. ................................................. 20
2.3.2 Nguyên lý làm việc của turbine gió............................................................. 21
2.4 Phương pháp điều khiển và các mô hình hệ thống turbine gió ........................ 21
2.4.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định................................ 23
2.4.2 Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ................................... 23
2.4.3 Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió............................... 24
Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN DFIG ....................................................................... 26
3.1 Mô hình khối turbine gió . ................................................................................. 26

3.2 Biểu diễn các đại lượng pha sang đại lượng vector không gian........................ 28


3.3 Mô hình toán của máy phát điện DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β ............. 30
3.4 Mô hình toán của máy phát điện DFIG trong hệ trục tọa độ quay d-q............ 33
3.5 Điều khiển công suất DFIG ............................................................................... 36
Chương 4 : ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ DFIG ................... 44
4.1 Hệ thống điều khiển tuabin gió dùng DFIG....................................................... 44
4.2 Thiết kế giải thuật điều khiển góc Pitch............................................................. 46
4.2.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió - DFIG .............................................. 48
4.2.2 Sơ đồ mô phỏng tuabin gió.......................................................................... 49
4.2.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin gió - DFIG ............................ 49
4.2.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển RSC ................................................. 50
4.2.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển GSC ............................................... 51
Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG........................................................................ 52
5.1 Trường hợp 1 : Vận tốc gió 15 m/s................................................................... 52
5.2 Trường hợp 2 : Vận tốc gió 12 m/s................................................................... 54
5.3 Trường hợp 3 : Vận tốc gió 8 m/s..................................................................... 57
5.4 Trường hợp 4 : Vận tốc gió thay đổi từ 8 m/s đến 15 m/s................................ 59
5.5 Trường hợp 5 : Vận tốc gió thay đổi 8-9-15 m/s.............................................. 62
5.6 Trường hợp 6 : Vận tốc gió thay đổi 15-12-9 m/s............................................ 64
5.7 Trường hợp 7 : Vận tốc gió thay đổi tốc độ gió từ 12 m/s đến 15 m/s và công
suất thay đổi từ 0.5pu đến 1pu................................................................................. 67
Chương 6: KẾT LUẬN............................................................................................ 70
6.1 Kết luận.............................................................................................................. 70
6.1.1. Kết quả đạt được . ...................................................................................... 70
6.1.2. Hạn chế....................................................................................................... 70
6.2. Hướng phát triển đề tài trong tương lai. ........................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 72

DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Chú giải

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)

Chỉ số trên
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 dạng turbine gió.................................................................................... 10
Hình 2.2 Cấu tạo turbine gió trục ngang.................................................................... 11
Hình 2.3 Cột thép hình ống ......................................................................................... 13
Hình 2.4 Cột tháp khung giàn ..................................................................................... 14
Hình 2.5 Cột tháp dạng dây nối đất............................................................................ 14
Hình 2.6 Cấu tạo tháp trụ ........................................................................................... 15
Hình 2.7 Cánh quạt ..................................................................................................... 16
Hình 2.8 Trục cánh quạt ............................................................................................. 16
Hình 2.9 Động cơ điều chỉnh góc nghiên cánh quạt .................................................. 17
Hình 2.10 Động cơ điều chỉnh hướng turbine ............................................................ 17
Hình 2.11 Hệ thống hãm turbine................................................................................. 18
Hình 2.12 Hộp số chuyển đổi tốc độ ........................................................................... 18
Hình 2.13 Võ turbine................................................................................................... 19
Hình 2.14 Đặt tính moment quay của máy điện không đồng bộ................................. 20
Hình 2.15 Sơ đồ kết nối hệ thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG ................. 21

Hình 2.16 Mô hình máy phát không đồng bộ............................................................. 22
Hình 2.17 Mô hình máy phát không đồng bộ điều khiển điện trở rotor (loại B)....... 22
Hình 2.18 Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor. ............ 23
Hình 2.19 Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ...................................... 23
Hình 2.20 Mô hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ ...................................... 24
Hình 2.21 Mô hình kết nối trạm điện gió vào lưới điện............................................. 25
Hình 3.1: Đặc tính của Cp(λ,β)................................................................................... 27
Hình 3.2 Nguyên lý vector trong không gian .............................................................. 28
Hình 3.3 Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y..................... 30
Hình 3.4 Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq .................................... 34


Hình 3.5 Mạch điện tương đương mô hình động cơ DFIG trong hệ trục tọa độ tham
chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ .............................................................................. 36
Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi.................................................... 37
Hình 3.7 Định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới ................................ 38
Hình 3.8 Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator .................................. 39
Hình 3.9 Giản đồ véctơ dòng, áp và từ thông của DFIG............................................ 41
Hình 3.10 Giá trị tham chiếu điều khiển cho dòng điện stator được tính từ công suất
đặt................................................................................................................................ 43
Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển tổng thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG ........................ 44
Hình 4.2 : Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió ....................................... 47
Hình 4.3 : Khối điều chỉnh góc Pitch.......................................................................... 47
Hình 4.4. Mô hình điều khiển hệ thống điện gió......................................................... 48
Hình 4.5 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió - DFIG ............................................51
Hình 4.6 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin gió - DFIG...........................52
Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển RSC..................................................53
Hình 4.8 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển GSC................................................54
Hình 5.1 : Vận tốc gió , công suất đặt , góc Pitch .................................................... 53
Hình 5.2 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG ................................ 54

Hình 5.3 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG ................................ 54
Hình 5.4: Điện áp và dòng điện DFIG ....................................................................... 55
Hình 5.5 : Vận tốc gió , công suất đặt , góc Pitch ..................................................... 56
Hình 5.6 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG ................................ 56
Hình 5.7 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG ................................ 54
Hình 5.8 : Điện áp và dòng điện DFIG ...................................................................... 58
Hình 5.9 : Vận tốc gió , công suất đặt , góc Pitch ..................................................... 58
Hình 5.10 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 59
Hình 5.11 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 59


Hình 5.12 : Điện áp và dòng điện DFIG .................................................................... 60
Hình 5.13 : Vận tốc gió , công suất đặt, góc Pitch .................................................... 61
Hình 5.14 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 62
Hình 5.15 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 60
Hình 5.16 : Điện áp và dòng điện DFIG .................................................................... 63
Hình 5.17 : Vận tốc gió , công suất đặt, góc Pitch .................................................... 64
Hình 5.18 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 64
Hình 5.19 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 64
Hình 5.20 : Điện áp và dòng điện DFIG .................................................................... 66
Hình 5.21 : Vận tốc gió , công suất đặt, góc Pitch .................................................... 67
Hình 5.22: Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG ............................... 67
Hình 5.23 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 64
Hình 5.24 : Điện áp và dòng điện DFIG .................................................................... 69
Hình 5.25 : Vận tốc gió , công suất đặt, góc Pitch .................................................... 70
Hình 5.26 : Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG .............................. 70
Hình 5.27: Công suất tác dụng và công suất phản kháng DFIG ............................... 64
Hình 5.28:Điện áp và dòng điện DFIG ...................................................................... 64

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2015 .........................................2
Bảng 1.2. Lịch sử turbine gió........................................................................................4
Bảng 1.3. Hoạt động của các turbine gió loại công suất lớn. ......................................5


PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn
năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến
sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền
thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường. Trong các loại hình năng lượng tái
tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau:
- Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo.
Nếu xem xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì
điện gió có thể cạnh trạnh với điện được 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 được sử dụng cho các mục đích khác.
- Tài nguyên năng lượng gió tương 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.
- Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây
dựng các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện.
Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn
còn là một ngành mới mẻ. Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước 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 trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng
như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển
và sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió là hết sức cần thiết .
Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Điều khiển tối ưu hệ thống điện

gió” làm đề tài nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận


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


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Chƣơng 1 :

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về năng lƣợng gió
Năng lượng gió được sử dụng cách đây 3000 năm. Đến đầu thế kỉ 20, năng
lượng gió được dùng để cung cấp năng lượng cơ học như bơm nước hay xay ngũ
cốc. Vào đầu kỉ nguyên công nghiệp hiện đại, nguồn năng lượng gió được sử dụng
để thay thế năng lượng hóa thạch hay hệ thống điện nhằm cung cấp nguồn năng
lượng thích hợp hơn.
Đầu những năm 1970, do khủng hoảng giá dầu, việc nghiên cứu năng lượng
gió được quan tâm. Vào thời điểm này, mục tiêu chính là dùng năng lượng gió cung
cấp năng lượng điện thay thế cho năng lượng cơ học.Việc này đã làm cho năng
lượng gió trở thành nguồn năng lượng đáng tin cậy và thích hợp nhờ sử dụng nhiều
kĩ thuật năng lượng khác – thông qua mạng lưới điện dùng như nguồn năng lượng
dự phòng.
Turbine gió đầu tiên dùng để phát điện 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 trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng

nhất.Trong những thập kỉ cuối của thế kỉ 20, tổng năng lượng gió trên toàn thế giới
tăng xấp xỉ gấp đôi sau mỗi 3 năm.Chi phí điện từ năng lượng gió giảm xuống còn
1/6 so với chi phí của đầu những năm 1980.Và xu hướng giảm này vẫn tiếp tục. Các
chuyên gia dự đoán rằng tổng năng lượng tích lũy trên toàn thế giới hằng năm sẽ
tăng khoảng 25% một năm và chi phí sẽ giảm khoảng 20% - 40%.
Kĩ thuật năng lượng gió phát triển rất nhanh vể mọi mặt.Cuối năm 1989, việc
chế tạo một turbine gió công suất 300kW có đường kính rotor 30m đòi hỏi kĩ thuật

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang1


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

tối tân.Nhưng chỉ trong 10 năm sau đó, một turbine gió công suất 2000kW có
đường kính rotor vào khoảng 80m đã được sản xuất đại trà. Tiếp theo đó dự án dùng
turbine gió công suất 3MW có đường kính rotor 90m được lắp đặt vào cuối thế kỉ
20. Hiện tại, turbine gió công suất 3 – 3.6 MW đã được thương mại hóa.Bên cạnh
đó, turbine gió công suất 4 – 5 MW đã được phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong
một số dự án, và turbine gió công suất 6 – 7 MW đang được phát triển trong tương
lai gần.Bảng 1 cho ta cái nhìn về sự phát triển của turbine gió từ năm 1985 đến năm
2015.
Bảng 1.1. Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2015
Năm

Công suất (kW)

Đƣờng kính rotor (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. Bối cảnh lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển tổng quát về năng lượng gió được chia thành hai phần:
 Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng cơ học.
 Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng điện.
1.1.1.1.

Sản xuất năng lƣợng cơ học :

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang2


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Cối xay sớm nhất được ghi nhận là cối xay gió trục đứng. Những cối xay gió
này có thể được miêu tả như một thiết bị kéo đơn giản. Chúng được dùng ở vùng
cao nguyên Afghan để xay ngũ cốc từ thế kỉ thứ 7 trước công nguyên.
Chi tiết đầu tiên về cối xay gió trục ngang được tìm thấy trong tài liệu lịch
sử ở vùng Persia, Tibet và Trung Quốc vào khoảng 1000 năm sau công nguyên.
Loại cối xay gió này cán và cánh ngang xoay vòng trong mặt phẳng đứng. Cối xay
gió trục ngang trải dài từ vùng Ba Tư và Trung Đông đến vùng Midterranean và
trung tâm Châu Âu. Cối xay gió trục ngang đầu tiên xuất hiện ở Anh vào khoảng
năm 1150, 1180 ở Pháp, 1190 ở Phần Lan, 1222 ở Đức và 1259 ở Đan Mạch. Sự
phát triển nhanh chóng là do bị ảnh hưởng do cuộc viễn chinh chữ thập (ở Châu
Âu), được biết đến như sự kiện lịch sử về cối xay gió từ Ba Tư đến nhiều nơi ở
Châu Âu.
Ở Châu Âu, cối xay gió được phát triển vào khoảng giữa thế kỉ 12 và thế kỉ
19. Vào cuối thế kỉ 19, đặc trưng của cối xay gió Châu Âu là dùng cánh quạt có
đường kính 25 m, và thân đạt tới 30 m. Cối xay gió không chỉ dùng để xay ngũ cốc
mà còn dùng để tiêu nước ở hồ và đầm lầy. Tới năm 1800, có khoảng 20000 cối xay
gió hoạt động ở Pháp, và 90% năng lượng dùng trong công nghiệp ở Hà Lan là sử
dụng năng lượng gió. Việc công nghiệp hóa đã làm suy giảm dần việc sử dụng cối
xay gió, nhưng trong năm 1904 năng lượng gió vẫn cung cấp 11% trong công
nghiệp năng lượng ở Hà Lan và ở Đức có hơn 18000 đơn vị.
Khi cối xay gió bắt đầu suy giảm ở Châu Âu, thì cối xay gió mới có mặt ở
Bắc Mĩ nhờ những người khai hoang.Cối xay gió nhỏ dùng để bơm nước cho thú
nuôi là phổ biến.Nổi tiếng nhất là cối xay gió của người Mĩ, hoạt động tự điều chỉnh
có nghĩa là chúng có thể hoạt động mà không suy giảm. Cơ chế tự điều chỉnh hướng
cánh quạt theo hướng gió trong lúc vận tốc gió cao. Kiểu cối xay gió của Châu Âu
thường phải xoay ra theo hướng gió hay cánh quạt cuốn lại khi có gió lớn để tránh
phá hủy cối xay gió. Sự phổ biến của cối xay gió đạt đỉnh điềm vào giữa năm 1920
và năm 1930, với khoảng 60000 đơn vị được lắp đặt. Nhiều kiểu cối xay gió của
người Mĩ hiện vẫn được sử dụng cho mục đích nông nghiệp trên toàn thế giới.

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang3


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

1.1.1.2.

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Sản xuất năng lƣợng điện :

Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế tạo turbine gió đầu tiên phát ra
điện. Các kĩ sư Đan Mạch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lượng thiếu trong
chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai. Turbine gió của công ty Đan Mạch F. L.
Smidth chế tạo trong năm 1941 – 1942 có thể được xem là nguyên mẫu đầu tiên của
turbine gió phát điện ngày nay. Turbine gió Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay
dựa trên kĩ thuật tiên tiến của ngành máy bay cùng thời. Vào cùng thời điểm đó,
một người Mĩ Palmer Putnam đã chế tạo turbine gió khổng lồ cho công ty Mĩ
Morgan Smith Co., có đường kính 53 m. Turbine gió này không chỉ khác ở kích
thước to lớn mà kĩ thuật chế tạo cũng khác biệt. Kĩ thuật của người Đan Mạch cơ
bản dựa trên cánh quạt theo chiều gió đang thổi với sự điều khiển ngừng quay, hoạt
động ở tốc độ chậm. Kĩ thuật của Putnam cơ bản dựa trên cánh quạt theo hướng gió
thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên turbine gió của Putnam vẫn chưa thành
công.Nó được dỡ bỏ vào năm 1945.Bảng 2 sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về lịch sử
của turbine gió.
Bảng 1.2. Lịch sử turbine gió

Turbine và

Đƣờng

Diện

nƣớc sản

kính

tích

xuất
Poul LaCour,
Đan Mạch

quét

Công
suất
(kW)

Công
suất
riêng

Số

Chiều

cánh cao tháp
quạt

(m)

Ngày
ra đời

(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 HƢƠNG

Trang4


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Đan Mạch
F. L. Smidth,
Đan Mạch
Gedser, Đan
Mạch
Hutter, Đức

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 thứ hai, ở Đan Mạch Johannes Juul cải tiến kĩ thuật
thiết kế của người Đan Mạch. Turbine gió của anh ta, được đặt ở Gedser – Đan
Mạch, phát 2,2 triệu kWh từ năm 1956 và 1967. Vào cùng thời 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 của tháp trên trục quay. Turbine gió này
nổi tiếng về hiệu suất cao.
Trái lại sự thành công của turbine gió Juul và Huuter, việc nghiên cứu
turbine gió công suất lớn bị ngưng sau chiến tranh thế giới thứ hai. Chỉ có loại
turbine gió công suất nhỏ cho hệ thống công suất ở vùng sâu vùng xa hay sạc pin là
còn được quan tâm. Việc khủng hoảng giá dầu đầu những năm 1970, năng lượng
gió mới được quan tâm trở lại. Kết quả là tài chính hỗ trợ cho nghiên cứu và phát
triển năng lượng gió đã được đầu tư. Các nước như Đức, Mĩ và Thụy Điển đã
nghiên cứu phiên bản turbine gió công suất lớn (vào khoảng megawatt).Tuy nhiên,
nhiều phiên bản này (xem bảng 1.3) đã không đáp ứng được mong đợi vì nhiều vấn
đề kĩ thuật.
Bảng 1.3.Hoạt động của các turbine gió loại công suất lớn.

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang5


ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

GVHD: TS. HUỲNH CHÂU DUY

Công

Diện
Turbine và nƣớc
sản xuất

Đƣờngkính

(m)

tích

Công

Giờ

suất

Thời gian

quét

suất

hoạt

đã

hoạt

(MW)

động

phát

động

2

(m )

(GWh)

Mod – 1, USA

60

2827

2

¾

¾

1979 – 83

Growian, Đức

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
Mạch
WEG LS – 1, GB
Mod – 2,
USA
Nasudden I,Thụy
Điển
Mod – OA, USA
Tjæreborg, Đan
Mạch

HVTH: HÀ VĂN HƢƠNG

Trang6