kỹ thuật năng lượng gió khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lượng trong gió; turbine gió; hệ máy phát gió làm việc với lưới điện

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN KHÁNH

KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC
VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG
TRONG GIÓ; TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ
LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 1 1 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN KHÁNH

KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC VẤN
ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ;
TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC
VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN - 095525

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN KHÁNH

KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC VẤN ĐỀ
LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ; TURBINE
GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN - 095525
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :
………….………………………………………….………………………………
……………………………………………………………………………………

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét
1……………………………………………………….......…………………………
……………………………………………………………………………………
(Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét
2:………………………………………………………… …………………………
………………………………………………………………………………………
(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Ngày .... tháng .... năm .....

0


MỤC LỤC
Trang tựa
Trang
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
1
2. Mục đích khách thể và đối tượng nghiên cưu
1
3. Giải quyết nghiên cứu
2

4. Nhiệm vụ nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
2
5. Phương pháp nghiên cứu
3
PHẦN NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
9
2.1 Các vấn đề liên quan đến năng lƣợng trong gió
9
2.1.1 Năng lượng gió
9
2.1.2 Sự phân bố vận tốc gió
9
2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor
11
2.1.4 Đường cong công suất tuabin gió
14
2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát
16
2.2 Turbine gió
16
2.2.1 Giới thiê ̣u Turbin gió
16
2.2.2 Khí động học Turbin gió trục ngang
19
2.2.3 Số Betz giới hạn
21
2.2.4 Lý thuyết phân tố cánh
22

2.2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM)
23
2.3 Hệ thống máy phát gió làm việc với lƣới điện biến đổi hoàn toàn tốc đô
trên turbin gió với máy đồng bộ (FRC-GS)
25
2.3.1 Máy phát đồng bộ trên tuabin gió FRC-SG
26
2.3.2 Điều khiển trực tiếp máy phát Tuabin gió
26
2.3.3 Máy phát động bộ kích điện đối bằng nam châm vĩnh cữu
27
2.3.4 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu
27
2.4 Vận hành công suất turbin gió
29
2.4.1 Vận hành công suất cực đại
29
CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC
33
3.1 Vectơ không gian và phép biến đổi
33
3.1.1 Véctơ không gian
33
3.1.2 Biểu diển công suất theo véctơ không gian
35
3.1.3 Phép biến biến đổi giữa đại lượng ba pha abc và αβ
36
3.1.4 Phép biến biến đổi giữa đại lượng αβ và dq
37
3.2 Mô hình toán học hệ thống máy phát gió làm việc với lƣới điện biến đổi

hoàn toàn tốc độ trên turbine gió với máy phát đồng bộ (FRC-GS)
39
3.2.1 Điều khiển Tuabin gió và hoạt động đánh giá các đặc tính động
39
3.2.2 Máy phát cảm ứng trên Tuabin gió
51
1


3.3 Đại lƣợng cơ bản
58
Chƣơng 4. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỔ HỢP TURBIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY
PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU VỚI BỘ CHUYỂN ĐỔI HOÀN
TOÀN CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC (FRC-SG)
60
4.1 Giới thiệu về phần mềm PSCAD
60
4.2 Nguồn gió
62
4.3 Thành phần turbine gió
64
4.3.1 Khái quát về thành phần turbine gió trong PSCAD
64
4.3.2 Đường cong Cp với mô hình chuẩn PSCAD
65
4.3.3 Các thông số tính toán
66
4.4 Thành phần điều chỉnh turbine gió
68
4.4.1 Khái quát về thành phần điều chỉnh turbine gió trong PSCAD

68
4.4.2 Các thông số bộ điều chỉnh gió
69
4.5 Máy phát điện đồng bộ
70
4.5.1 Khái quát về các thành phần máy phát điện đồng bộ trong PSCAD
70
4.5.2 Các thông số của máy phát điện đồng bộ
72
4.6 Nguồn và chuyển đổi tần số
73
4.6.1 Bô ̣ chỉnh lưu
73
4.6.2 Bảo vệ quá điện áp
75
4.6.3 Bus DC
76
4.6.4 Bộ nghịch lưu 6 khóa Thyristor
78
4.6.5 Kết nối lưới .
84
CHƢƠNG 5. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
86
5.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRÊN PSCAD
86
5.1.1 Phía phần phát
86
5.1.2 Phần chuyển đổi
88
5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PSCAD

90
5.2.1 Kết quả mô phỏng trên một turbine
90
5.2.2 Kết quả mô phỏng trên 10 turbine
100
CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN
112
6.1 Các vấn đề đã giải quyết trong luận văn
112
6.2 Đề xuất những nghiên cứu tiếp theo
112

2


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
CÁC TỪ VIẾT TẮT
FRC-SG
FSIG
PG-RE
QG-RE
PG-IN
QG-IN
PG-TOTAL
QG-TOTAL
FTP
FOC
GSC
IG
IE

LA
LPV
RSC
PLL
PI
p.u
PWM
RMS
SG
SMC
SC
VSC
WECS
Chỉ số trên
s, e
ref, ∗
mea
T
^
Chỉ số dƣới
n,b
max, min
KÝ HIỆU
vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr
ias, ibs, ics, iar , ibr , icr

Fully Rated Converter- Synchronous Generator
Fixed-speed Induction Generator
Real Power Generator-Rectifier
Reactive Power Generator-Rectifier

Real Power Generator-Invecter
Reactive Power Generator-Invecter
Real Power Generator Total
Reactive Power Generator Total
Flux, Torque, Power
Field Oriented Control
Grid Side Converter
Induction Generator
Increment Encoder
Line Voltage Angle
Linear Parameter Varying
Rotor Side Converter
Phase Locked Loop
Proportional Integral
Per Unit
Pulse Width Modulation
Root Mean Square
Synchronuos Generator
Sliding Mode Control
Stator Current
Voltage Source Converter
Wind Energy Convertion System
hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq
giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt
giá trị đo lường
chuyển vị của ma trận, véctơ
giá trị ước lượng
giá trị danh định, trị cơ bản
maximum, minimum
điện áp pha stator và rotor

dòng điện stator và rotor
3


ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr
vαs, vβs, vαr, vβr
iαs, iβs, iαr, iβr
ψαs, ψβs, ψαr, ψβr
vds, vqs, vdr, vqr
ids, iqs, idr, iqr
ψds,ψqs,ψdr ,ψqr
us,Udc
Rs,Rr
Lls,Llr
Ls,Lr
Lm
ωs,ωr
ωrm
ωsl ,s
kT
θs,θr
Te,Tm
Ps,Qs
τs, τr
σ, f
p
J,H

từ thông stator và rotor
điện áp stator và rotor theo trục α,β

dòng stator và rotor theo trục α,β
từ thông stator và rotor theo trục α,β
điện áp stator và rotor theo trục d,q
dòng stator và rotor theo trục d,q
từ thông stator và rotor theo trục d,q
điện áp lưới và điện áp dc-link
điện trở dây quấn stator và rotor
điện cảm tản stator và rotor
điện cảm stator và rotor
điện cảm từ hóa
tốc độ đồng bộ và rotor [elec.rad/s ]
vận tốc góc cơ học của rotor [mach.rad/s ]
vận tốc trượt và độ trượt
tỷ số vòng dây stator và rotor
góc vị trí stator và rotor [elec.rad ]
mômen điện từ và mômen cơ
công suất tác dụng, phản kháng phía stator
thời hằng stator và rotor
hệ số tản tổng và hệ số ma sát [N.m.s/rad ]
số cặp cực từ
mômen quán tính và hệ số quán tính rotor

v,vd, v
Rb,Ar
p, Cρ
λ, β

vận tốc gió trước, sau cánh quạt và trung bình
bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin
mật độ không khí và hiệu suất rotor

Tip - speed - ratio và góc pitch

4


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Chƣơng1.

TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1.1 Tình hình cung - cầu điện năng ở Việt Nam
Tốc độ tăng trƣởng trung bình của sản lƣợng điện ở Việt Nam trong 20 năm
trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăng
trƣởng GDP của nền kinh tế. Chiến lƣợc công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng
trƣởng cao để thực hiện „dân giàu, nƣớc mạnh“ và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp
tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thập
niên tới. Để hoàn thành đƣợc những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng
dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triển
năng lực cung ứng của mình.
Việc ƣớc lƣợng nhu cầu về điện không hề đơn giản, bởi vì nhu cầu về điện là
nhu cầu dẫn xuất. Chẳng hạn nhƣ nhu cầu về điện sinh hoạt tăng cao trong mùa hè
là do các hộ gia đình có nhu cầu điều hòa không khí, đá và nƣớc mát. Tƣơng tự nhƣ
vậy, các công ty sản xuất cần điện là do điện có thể đƣợc kết hợp với các yếu tố đầu
vào khác (nhƣ lao động, nguyên vật liệu v.v.) để sản xuất ra các sản phẩm cuối
cùng. Nói cách khác, chúng ta không thể ƣớc lƣợng nhu cầu về điện một cách trực
tiếp mà phải thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc ƣớc lƣợng nhu cầu của các

sản phẩm cuối cùng. Nhu cầu này, đến lƣợt nó, lại phụ thuộc vào nhiều biến số kinh
tế và xã hội khác
Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trƣởng
GDP trung bình tiếp tục đƣợc duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của
Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000
GWh. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì
sản lƣợng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tƣơng ứng là 165.000 GWh
(năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030). Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị
HVTH: Lê Văn Khánh

1-1


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi
năm. Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực trở thành hiện thực thì hoặc là
chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nƣớc,
hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào đình trệ, còn đời sống của
ngƣời dân sẽ bị ảnh hƣởng nghiêm trọng.
Không phải đợi đến năm 2010 hay 2020, ngay trong thời điểm hiện tại chúng
ta cũng đã đƣợc “nếm mùi” thiếu điện. Trong những năm gần đây, ngƣời dân ở hai
trung tâm chính trị và kinh tế của đất nƣớc chịu cảnh cắt điện luôn phiên gây nhiều
khó khăn cho sinh hoạt và ảnh hƣởng tiêu cực đến đời sống kinh tế.
1.1.2 Những lợi ích về môi trường và xã hội của điện gió
Năng lƣợng gió đƣợc đánh giá là thân thiện nhất với môi trƣờng và ít gây
ảnh hƣởng xấu về mặt xã hội. Để xây dựng một nhà máy thủy điện lớn cần phải
nghiên cứu kỹ lƣỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nƣớc. Ngoài ra, việc di dân

cũng nhƣ việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai
những ngƣời dân xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài toán khó đối
với các nhà hoạch định chính sách. Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các
đập nƣớc tại Việt Nam cũng không còn nhiều.
Song hành với các nhà máy điện hạt nhân là nguy cơ gây ảnh hƣởng lâu dài
đến cuộc sống của ngƣời dân xung quanh nhà máy. Các bài học về rò rỉ hạt nhân
cộng thêm chi phí đầu tƣ cho công nghệ, kỹ thuật quá lớn khiến càng ngày càng có
nhiều sự ngần ngại khi sử dụng loại năng lƣợng này.
Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thì luôn là những thủ phạm gây
ô nhiễm nặng nề, ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng và sức khỏe ngƣời dân. Hơn thế
nguồn nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao.
Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh
những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lƣợng gió
càng trở nên rõ rệt. So với các nguồn năng lƣợng gây ô nhiễm (ví dụ nhƣ ở nhà máy
nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi
HVTH: Lê Văn Khánh

1-2


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

sử dụng năng lƣợng gió, ngƣời dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa màu
hay tái định cƣ và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏe
do ô nhiễm.
Ngoài ra với đặc trƣng phân tán và nằm sát khu dân cƣ, năng lƣợng gió giúp
tiết kiệm chi phí truyền tải. Hơn nữa, việc phát triển năng lƣợng gió ở cần một lực
lƣợng lao động là các kỹ sƣ kỹ thuật vận hành và giám sát lớn hơn các loại hình

khác, vì vậy giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ năng cao.
Tại các nƣớc Châu Âu, các nhà máy điện gió không cần đầu tƣ vào đất đai để
xây dựng các trạm turbin mà thuê ngay đất của nông dân. Giá thuê đất (khoảng 20%
giá thành vận hành thƣờng xuyên) giúp mang lại một nguồn thu nhập ổn định cho
nông dân, trong khi diện tích canh tác bị ảnh hƣởng không nhiều.
Cuối cùng, năng lƣợng gió giúp đa dạng hóa các nguồn năng lƣợng, là một
điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hay một số ít nguồn năng lƣợng
chủ yếu và chính điều này giúp phân tán rủi ro và tăng cƣờng an ninh năng lƣợng.
1.1.3 Tiềm năng điện gió của Việt Nam
Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một
thuận lợi cơ bản để phát triển năng lƣợng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong
vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá
mạnh và thay đổi nhiều theo mùa.
Trong chƣơng trình đánh giá về Năng lƣợng cho Châu Á, Ngân hàng Thế
giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lƣợng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó
có Việt Nam. Nhƣ vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan
trọng, trong khi Việt Nam còn chƣa có nghiên cứu nào đáng kể. Theo tính toán của
nghiên cứu này, trong bốn nƣớc đƣợc khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn
nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong khi
Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ đƣợc đánh giá có tiềm năng từ tốt đến rất
tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở
Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%. Tổng tiềm năng điện gió của Việt
HVTH: Lê Văn Khánh

1-3


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Nam ƣớc đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La,
và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Tất nhiên, để
chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ
thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhƣng điều
đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về
năng lƣợng gió ở Việt Nam.
Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát
triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông
thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này với các nƣớc láng
giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có
thể phát triển năng lƣợng gió. Đây quả thật là một ƣu đãi dành cho Việt Nam mà
chúng ta còn thờ ơ chƣa nghĩ đến cách tận dụng.
Cho đến nay Việt Nam còn một số trở ngại lớn làm chậm bƣớc việc xây
dựng, phát triển sản xuất điện gió.
 Chƣa có chính sách (luật) và các quy định (dƣới luật) về trợ giá cho việc mua
điện từ nguồn năng lƣợng gió; chƣa đủ sức hấp dẫn các nhà đầu tƣ.
 Vẫn còn thiếu các dịch vụ và khả năng tài chính để nhà đầu tƣ có thể vay vốn
từ ngân hàng hoặc từ các tổ chức tài chính cho việc xây dựng và phát triển điện gió.
 Chƣơng trình qui hoạch và chính sách của chính quyền địa phƣơng và trung
ƣơng nên thật minh bạch, rõ ràng, tránh tình trạng chỏi nhau, để xảy ra tình trạng
“trống đánh xuôi - kèn thổi ngƣợc”.
 Thiếu kiến thức và năng lực kỹ thuật để thực hiện một công trình điện gió
hoàn chỉnh, cũng nhƣ các kỹ thuật cơ bản và dịch vụ bảo quản, bảo trì, điều hành và
quản lý… sau lắp đặt. Tại các trƣờng đại học, trung cấp dạy nghề chƣa có bộ môn
giảng dạy về kỹ thuật và công nghệ điện gió.
 Quá trình, xây dựng các trạm đo gió (wind measuring station) để thu thập,
thống kê và phân tích đầy đủ các số liệu về gió chỉ mới đang từng bƣớc thực hiện.

HVTH: Lê Văn Khánh

1-4


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Việt Nam chƣa có một lộ trình, định hƣớng (roadmap) và qua đó một chƣơng
trình cơ bản (masterplan) về sự phân bố những nguồn năng lƣợng chính (hóa thạch,
năng lƣợng tái tạo, hạt nhân ......) sử dụng trong tƣơng lai và nhất là biện pháp, bƣớc
đi cụ thể để thực hiện chƣơng trình này.
1.1.4 Đề xuất một khu vực xây dựng điện gió cho Việt Nam
Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lƣợng gió không trải đều
trên toàn bộ lãnh thổ. Với ảnh hƣởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau.
Nếu ở phía bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đông bắc,
trong đó các khu vực giàu tiềm năng nhất là Quảng Ninh, Quảng Bình, và Quảng
Trị. Ở phần phía nam đèo Hải Vân, mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam, và
các vùng tiềm năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh ven biển đồng
bằng sông Cửu Long, và đặc biệt là khu vực ven biển của hai tỉnh Bình Thuận, Ninh
Thuận.
Theo nghiên cứu của NHTG, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu tiềm
năng nhất để phát triển năng lƣợng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở
độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió vùng này không
những có vận tốc trung bình lớn, còn có một thuận lợi là số lƣợng các cơn bão khu
vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển năng
lƣợng gió. Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98%
với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công
suất 3 - 3,5 MW. Thực tế là ngƣời dân khu vực Ninh Thuận cũng đã tự chế tạo một
số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng. Ở cả hai khu vực này dân cƣ

thƣa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng dân tộc đặc biệt khó
khăn của Việt Nam.
Mặc dù có nhiều thuận lợi nhƣ đã nêu trên, nhƣng khi nói đến năng lƣợng
gió, chúng ta cần phải lƣu ý một số đặc điểm riêng để có thể phát triển nó một cách
có hiệu quả nhất. Nhƣợc điểm lớn nhất của năng lƣợng gió là sự phụ thuộc vào điều
kiện thời tiết và chế độ gió. Vì vậy khi thiết kế, cần nghiên cứu hết sức nghiêm túc
chế độ gió, địa hình cũng nhƣ loại gió không có các dòng rối vốn ảnh hƣởng không
HVTH: Lê Văn Khánh

1-5


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

tốt đến máy phát. Cũng vì lý do phụ thuộc trên, năng lƣợng gió tuy ngày càng hữu
dụng nhƣng không thể là loại năng lƣợng chủ lực. Tuy nhiên, khả năng kết hợp giữa
điện gió và thủy điện tích năng lại mở ra cơ hội cho chúng ta phát triển năng lƣợng
ở các khu vực nhƣ Tây Nguyên vốn có lợi thế ở cả hai loại hình này. Một điểm cần
lƣu ý nữa là các trạm điện gió sẽ gây ô nhiễm tiếng ồn trong khi vận hành cũng nhƣ
phá vỡ cảnh quan tự nhiên và có thể ảnh hƣởng đến tín hiệu của các sóng vô tuyến.
Do đó, khi xây dựng các khu điện gió cần tính toán khoảng cách hợp lý đến các khu
dân cƣ, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực.
1.1.5 Kết luận
Nhằm đáp ứng mục tiêu tăng trƣởng đầy tham vọng, trong trung hạn Việt
Nam cần tiếp tục khai thác các nguồn năng lƣợng truyền thống. Về dài hạn, Việt
Nam cần xây dựng chiến lƣợc và lộ trình phát triển các nguồn năng lƣợng mới.
Trong chiến lƣợc này, chi phí kinh tế (bao gồm cả chi chí trong và chi chí ngoài về
môi trƣờng, xã hội) cần phải đƣợc phân tích một cách kỹ lƣỡng, có tính đến những

phát triển mới về mặt công nghệ, cũng nhƣ trữ lƣợng và biến động giá của các
nguồn năng lƣợng thay thế. Trong các nguồn năng lƣợng mới này, năng lƣợng gió
nổi lên nhƣ một lựa chọn xứng đáng, và vì vậy cần đƣợc đánh giá một cách đầy đủ.
Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lƣợng gió. Việc không đầu tƣ
nghiên cứu và phát triển điện gió sẽ là một sự lãng phí rất lớn trong khi nguy cơ
thiếu điện luôn thƣờng trực, ảnh hƣởng đến tốc độ tăng trƣởng kinh tế và năng lực
cạnh tranh quốc gia. Trong khi đó, hiện nay chiến lƣợc quốc gia về điện dƣờng nhƣ
mới chỉ quan tâm tới thủy điện lớn và điện hạt nhân - những nguồn năng lƣợng có
mức đầu tƣ ban đầu rất lớn và ẩn chứa nhiều rủi ro về cả mặt môi trƣờng và xã hội.
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển
đổi hoàn toàn công suất định mức. Mô phỏng trên phần mềm Pscad.

HVTH: Lê Văn Khánh

1-6


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều
khiển FRC-SG (Fully Rated Converter- Synchronous Generator) đƣợc ứng dụng
trong các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió WILEY (Wind Energy Generation
Modelling and Control).
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề nhƣ sau:

- Mô hình hóa tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu
với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức.
- Mô phỏng trên Pscad.
- Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự
thay đổi tham số mô hình. So sánh kết quả đạt đƣợc với các phƣơng pháp khác.
1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra bằng mô phỏng.
1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
- Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan.
- Tìm hiểu về tổng quan về năng lƣợng gió.
- Tìm hiểu các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió đang áp dụng trên
thế giới và so sánh ƣu nhƣợc điểm của các cấu hình này.
- Chất lƣợng điều khiển và tính điều khiển của luật điều khiển.
- Mô phỏng bằng Pscad. Nhận xét kết quả.
1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Có thể đƣợc ứng dụng vào thực tế trong ngành điện sử dụng năng lƣợng gió.
HVTH: Lê Văn Khánh

1-7


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hƣớng cho các nghiên
cứu sau này.
1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật năng lƣợng gió: khảo sát các vấn đề

liên quan đến năng lƣợng trong gió; Tuabin gió; hệ máy phát gió làm việc với lƣới
điện. Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống máy phát điện đồng bộ biến đổi
hoàn toàn tốc độ trên Tuabin gió (FRC-SG: Fully Rated Converter- Synchronous
Generator).
Chƣơng 3: Trình bày mô hình toán học FRC-SG trong hệ trục tọa độ tham
chiếu đồng bộ dq .
Chƣơng 4: Điều khiển tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm
vĩnh cữu với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức (FRC-SG).
Chƣơng 5: Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả và kết
luận. Thảo luận và đề xuất hƣớng phát triển của đề tài.
Phần mềm Pscad đƣợc sử dụng trong luận văn này để mô hình phỏng tổ
hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi
hoàn toàn công suất định mức.

HVTH: Lê Văn Khánh

1-8


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Chƣơng2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chƣơng này trình bày khái quát về kỹ thuật năng lƣợng gió: khảo sát các vấn
đề liên quan đến năng lƣợng trong gió; Tuabin gió; hệ máy phát gió làm việc với
lƣới điện. Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống máy phát điện cảm ứng tốc độ

cố định (FSIG: Fixed-speed Induction Generator) và máy phát điện đồng bộ biến
đổi hoàn toàn tốc độ trên Tuabin gió (FRC-SG: Fully Rated ConverterSynchronous Generator).
2.1 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƢỢNG TRONG GIÓ
2.1.1 Năng lượng gió
Năng lƣợng tích trữ trong gió đƣợc tính theo công thức:
PW 

1
Ar v 3 W 
2

( 2.1)

Trong đó:
 là mật độ không khí [kg/m3], ở điều kiện chuẩn  có giá trị 1.293 kg/m3
Ar là diện tích quét của cánh quạt turbin [m2]
 là vận tốc gió [m/s]

2.1.2 Sự phân bố vận tốc gió
Từ (2.1) ta thấy vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lƣợng gió
tiềm năng thu đƣợc ở một vùng nào đó.
Phải xác định đƣợc vận tốc gió trung bình để ƣớc tính năng lƣợng kỳ vọng
nhận đƣợc từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thƣờng thay đổi theo mùa và có
khuynh hƣớng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó. Vì vậy, vận tốc gió trung bình có
thể đƣợc xác định cho khoảng thời gian một năm.

HVTH: Lê Văn Khánh

2-9

Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Sự thay đổi vận tốc gió thƣờng đƣợc mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Một
trong những hàm mật độ xác suất đƣợc sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió
là hàm Weibull [9], [10]. Phân bố Weibull đƣợc biểu diễn bởi:
k 1

v

k

k  v   
f v     e  c  với 0 < v <∞
cc

( 2.2)

Trong đó, k > 0, c > 0 lần lƣợt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ. Vì thế, vận tốc gió
trung bình (hoặc vận tốc gió kỳ vọng) có thể đƣợc tính từ:




0

0

v   vf v dv  
v
Trong đó x   

vk  v 
 
c c

k 1

e

v
 
c

k

1

dv 

c  k x
c 1
x e dx    ( 2.3)

k 0
k k

k

c

Γ là hàm gamma:


 y    e  x x y 1dx, với y  1 
0

1
k

( 2.4)

Nếu hệ số dạng bằng 2, thì phân bố Weibull còn đƣợc biết đến với tên gọi là
phân bố Rayleigh.
1
k = 2,    
2

Mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ c và vận tốc gió trung bình v theo phân bố
Rayleigh
c

2



v

( 2.5)

Hàm mật độ xác suất của vận tốc gió theo phân bố Rayleigh (xem Hình 2.1)
với vận tốc gió trung bình lần lƣợt 5.4m/s, 6.8m/s và 8.2m/s.

HVTH: Lê Văn Khánh

2-10


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Hình 2.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh thể hiện vận tốc gió trung
bình 5.4m/s (nét liền), 6.8m/s (nét đứt) và 8.2m/s (nét chấm)
2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor
Năng lƣợng thực tế lấy đƣợc từ gió bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác
nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trƣớc cánh quạt và động năng của gió
đằng sau cánh quạt.
PR 

1
Ar v3C p W 
2

( 2.6)

Cp đƣợc gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hiệu suất rotor) đƣợc tính
Cp 



1
1    1   2
2



( 2.7)

γ là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt v d và tốc độ gió đi vào cánh quạt v
v

 d

( 2.8)

v

Để tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (2.8) theo γ và tính đƣợc

Cp,max = 0.593 , ứng với giá trị  

HVTH: Lê Văn Khánh

2-11

1
3

Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Giá trị lý thuyết Cp,max chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59.3% năng
lƣợng từ gió, đây còn đƣợc biết đến nhƣ là giới hạn Betz (Albert Betz’s Law).
Đƣờng cong hiệu suất rotor (xem Hình 2.2).

Hình 2.2 Đường cong hiệu suất rotor lý thuyết
Một thuận lợi của công thức lý thuyết (2.8) là chỉ ra giới hạn công suất có thể
nhận đƣợc từ gió. Tuy nhiên, công thức này chƣa nêu ra đƣợc mối quan hệ giữa
hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng nhƣ mối
quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát.
Nhƣ vậy, nếu nhƣ rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà
không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngƣợc lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh
quạt sẽ giống nhƣ một bức tƣờng chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt bằng
không, hệ quả là hiệu suất rotor bằng không. Do đó, với một vận tốc gió cho trƣớc
thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát (xem Hình 2.3).
Hiệu suất rotor thƣờng đƣợc biểu diễn theo tỷ số λ (Tip - Speed - Ratio), đƣợc
định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi
theo hƣớng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.

HVTH: Lê Văn Khánh

2-12


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc
 R
 T b

( 2.9)

v

 T là tốc độ quay của turbin [rad /s ] và Rb là bán kính của cánh quạt gió [m].

Hình 2.3 Công suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ turbin

Hình 2.4 Góc pitch của cánh quạt gió
Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào λ mà còn phụ thuộc
vào góc pitch β[rad], vì vậy hầu hết các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió có
HVTH: Lê Văn Khánh

2-13


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

trang bị thiết bị điều khiển pitch (xem Hình 2.4). Cp nói chung là một hàm phi tuyến
và khá phức tạp, nhà chế tạo thƣờng cho giá trị Cp đối với mỗi loại tuabin nhƣ là
hàm của λ và góc β . Một công thức xấp xỉ [12] thƣờng đƣợc sử dụng của đƣờng
cong hiệu suất rotor đƣợc cho bởi công thức (2.10) và có dạng đồ thị (Hình 2.5).

Hình 2.5 Đường cong hiệu suất rotor Cp (λ,β)
116
 
C p  ,    0.22
 0.4  5 e
 i


22.5

i

( 2.10)

Giá trị λi đƣợc cho bởi quan hệ:
1

i



1
0.035
 3
  0.08    1

2.1.4 Đường cong công suất tuabin gió
Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbin gió
chính là đƣờng cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất
đầu ra, thƣờng đƣợc gọi là đƣờng cong công suất lý tƣởng (xem Hình 2.6). Trong

đó, cần phân biệt các thông số:
-Vận tốc gió Cut-in (VC): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và
tạo ra công suất (net power).

HVTH: Lê Văn Khánh

2-14


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

-Vận tốc gió định mức (VR): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng
tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt
đến giá trị VR, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế.
Khi vận tốc gió lớn hơn V thì cần phải điều chỉnh để hệ thống turbin lƣợt bớt
R

công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát.
-Vận tốc gió Cut-out (VF ): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngƣỡng VF
thì hệ thống turbin cần phải đƣợc ngƣng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu
trúc cơ khí khác, trong trƣờng hợp này công suất phát ra bằng không.
Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đƣa vào turbin - điều khiển cơ
(aerodynamic power control). Trong đó, điều khiển pitch là phƣơng pháp phổ biến
nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi turbin bằng cách thay đổi góc quay của
cánh quạt quanh trục của nó. Hầu hết các turbin gió tốc độ thay đổi đƣợc trang bị bộ
điều khiển pitch. Khi dƣới tốc độ gió định mức, turbin cần sản sinh ra công suất lớn
nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lƣợng nhận đƣợc.
Trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần đƣợc điều chỉnh một cách tƣơng tự để giới

hạn công suất cơ bằng công suất định mức.

Hình 2.6 Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió
HVTH: Lê Văn Khánh

2-15


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

Đối với turbin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽ liên
tục kiểm tra công suất đầu ra của turbin. Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều khiển
pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm lƣợc bớt công
suất và xoay cánh quạt theo chiều ngƣợc lại khi tốc độ gió giảm.
2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát
Nhƣ đã trình bày, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể, phụ
thuộc vào thiết kế động học của từng loại turbin. Vì lý do kinh tế, thiết kế và vận
hành hệ thống biến đổi năng lƣợng gió cần đạt đƣợc sản lƣợng điện năng hàng năm
tối đa, do đó trong vận hành cần phải liên tục thay đổi tốc độ rotor theo từng tốc độ
gió để cho λ luôn bằng với giá trị yêu cầu tạo ra Cp cực đại.
Theo lý thuyết cũng nhƣ vận hành trong thực tế cho thấy khi làm việc với tốc
độ rotor đƣợc điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm công
suất cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20 – 30% sản lƣợng điện năng so với vận hành ở tốc
độ cố định.
2.2 TURBIN GIÓ
2.2.1 Giới thiêụ Turbin gió
Về cơ bản có thể chia loại tubin gió theo nhiều hình thức khác nhau: theo cấu
tạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên có thể chia tubine

gió theo 2 loại cơ bản sau đây: Tubine gió trục ngang và tubine gió trục đứng.
2.2.1.1 Turbin gió trục ngang (HAWT)

Hình 2.7 Turbine gió trục ngang
HVTH: Lê Văn Khánh

2-16


Luận Văn Thạc Sĩ

CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc

 Đây loại turbin gió phổ biến trên thị trƣờng.
-

Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW.

-

Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s.

-

Chiều cao cột chống turbin 6m ( loại công suất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn)

-

Số cánh quạt 2-3 cánh quạt.

-

Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m.

-

Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút.

 Môt số đặc điểm của turbin gió trục ngang :
-

Đây là loại turbin gió có hiệu suất cao nhất.

-

Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau.

-

Hình dạng và kích thƣớc lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao.

-

Tuy có hệ thống điều chỉnh hƣớng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc quay
nhất đinh nên chỉ thích hợp cho nhƣng nơi có vận tốc gió ổn định.

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo turbin gió trục ngang

HVTH: Lê Văn Khánh

2-17