Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ……………………………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN CHUNG

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG
LƯỢNG GIÓ
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió;
- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;

- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;
- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió và giải thuật điều khiển công suất của hệ
thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Văn Chung


LỜI CÁM ƠN
Xin chân thành cám ơn Thầy TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp đỡ và
hướng dẫn em thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em nhiều kiến thức quý báu trong
quá trình học tập làm nền tảng cho em hoàn thành Luận văn này.

Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi em
đang công tác đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành Luận văn này.

Nguyễn Văn Chung


i

Tóm tắt
Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Nghiên cứu
điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió" mà bao gồm các nội
dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Tổng quan
- Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
The thesis presents issues relating to "Power control of wind energy
power systems using doubly-fed induction generators (DFIG)". It consists of
the following contents:

- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Literature review
- Chapter 3: Wind energy power systems
- Chapter 4: Power control of wind energy power systems using doublyfed induction generators
- Chapter 5: Simulation results
- Chapter 6: Conclusions and future developments


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iv
Chương 1 - Giới thiệu.................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 3
1.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 4
1.4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 5
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................... 5
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................... 5
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 6
1.6. Bố cục của luận văn ............................................................................... 7
1.7. Kết luận .................................................................................................. 7
Chương 2 - Tổng quan................................................................................... 8
2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 8
2.2. Nền tảng lịch sử của tuabin gió .............................................................. 9
2.2.1. Lịch sử của cối xoay gió ...................................................................... 9
2.2.2. Tuabin gió .......................................................................................... 10
2.3. Thực trạng năng lượng gió trên thế giới .............................................. 11

2.3.1. Châu Âu ............................................................................................. 12
2.3.2. Bắc Mỹ .............................................................................................. 12
2.3.3. Nam và Trung Mỹ ............................................................................. 12
2.3.4. Châu Á Thái Bình Dương ................................................................. 12
2.3.5. Trung Đông và Châu Phi ................................................................... 13
2.4. Thực trạng năng lượng gió tại Việt Nam ............................................. 13
2.5. Kết luận ................................................................................................ 14


iv

Chương 3 - Hệ thống điện năng lượng gió .................................................. 16
3.1. Hệ thống điện ....................................................................................... 16
3.2. Đặc tính của năng lượng gió................................................................. 19
3.2.1. Gió ..................................................................................................... 19
3.2.2. Mô tả vật lý ........................................................................................ 19
3.2.3. Đường cong công suất ....................................................................... 20
3.2.4. Hiện tượng trễ và hiệu quả ngắt mạch............................................... 20
3.3. Hệ thống điện năng lượng gió .............................................................. 21
3.3.1. Giới thiệu ........................................................................................... 21
3.3.2. Phân loại tuabin gió ........................................................................... 29
3.4. Máy phát điện trong hệ thống điện năng lượng gió ............................. 29
3.4.1. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ........... 31
3.4.2. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor
lồng sóc ........................................................................................................ 32
3.4.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép ............................................................................................................... 43
3.4.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu bên trong ....................................................................................... 49
Chương 4 - Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng

gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ................................ 54
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 54
4.2. Vector không gian và các phép biến đổi .............................................. 55
4.3. Biểu diễn công suất theo vector không gian......................................... 56
4.4. Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và β .......................................... 58
4.5. Mô hình toán máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...................... 60
4.5.1. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh β ....................... 62
4.5.2. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq ................. 63
4.6. Điều khiển bộ chuyển đổi công suất .................................................... 65
4.6.1. Giới thiệu ........................................................................................... 65
4.6.2. Điều khiển converter phía lưới (Grid Side Control - GSC) .............. 65


v

4.6.3. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC ............... 67
4.6.4. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC với bộ
SEQ.............................................................................................................. 69
Chương 5 - Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng
gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ................................ 71
5.1. Giới thiệu ............................................................................................. 71
5.1.1. Mô phỏng máy phát điện DFIG ........................................................ 72
5.1.2. Mô phỏng tuabin gió ......................................................................... 74
5.1.3. Mô phỏng các bộ điều khiển ............................................................. 76
5.2. Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
trong trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12m/s...................................... 77
5.3. Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
trong trường hợp tốc độ gió thay đổi ........................................................... 86
5.4. Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
trong trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn .................................................... 94

Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ................................... 89
6.1. Kết luận ................................................................................................ 89
6.2. Hương phát triển tương lai ................................................................... 89
Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 90


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điện gió nối lưới
Hình 3.2. Các thành phần cơ bản của tuabin gió
Hình 3.3. Bên trong một tuabin phát điện gió
Hình 3.4. Bộ điều khiển góc pitch
Hình 3.5. Hộp số tuabin gió
Hình 3.6. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp
Hình 3.7. Thống kê các phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ
Hình 3.8. Mặt cắt các máy điện
Hình 3.9. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện
Hình 3.10. Máy phát điện không đồng bộ
Hình 3.11. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ
Hình 3.12. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc
Hình 3.13. Vỏ máy
Hình 3.14. Cấu tạo lõi thép stator
Hình 3.15. Dây quấn stator
Hình 3.16. Sơ đồ khai triển dây quấn stator
Hình 3.17. Lõi thép rotor
Hình 3.18. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn
Hình 3.19. Thanh dẫn của rotor lồng sóc
Hình 3.20. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ

Hình 3.21. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng
bộ
Hình 3.22. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép
Hình 3.23. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Hình 3.24. Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
bên trong


vii

Hình 4.1. Nguyên lý vector không gian
Hình 4.2. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và αβ
Hình 4.3. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq
Hình 4.4. Mối liên hệ giữa trục tọa độ αβ và dq
Hình 4.5. Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y
Hình 4.6. Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor
Hình 4.7. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục αβ
Hình 4.8. Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq
Hình 4.9. Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới
Hình 4.10. Mô hình điều khiển DFIG
Hình 4.11. Vector định hướng từ thông DFIG với thành phần thứ tự thuận và
nghịch
Hình 5.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát
điện DFIG
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG
Hình 5.3. Sơ đồ mô phỏng tuabin gió
Hình 5.4. Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển
Hình 5.5. Sơ đồ mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng DFIG với tốc độ gió không

đổi, v = 12 m/s
Hình 5.6. Tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.7. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp
tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.8. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.9. Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.10. Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s


viii

Hình 5.11. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ
gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.12. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với
trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.13. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.14. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.15. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi,
v = 12 m/s
Hình 5.16. Góc cánh tuabin gió
Hình 5.17. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió
Hình 5.18. Tốc độ gió thay đổi
Hình 5.19. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp
tốc độ gió thay đổi
Hình 5.20. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió

thay đổi
Hình 5.21. Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.22. Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.23. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ
gió thay đổi
Hình 5.24. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với
trường hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.25. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.26. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
thay đổi
Hình 5.27. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
Hình 5.28. Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi


ix

Hình 5.29. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió tương ứng với trường hợp tốc độ
gió thay đổi
Hình 5.30. Tốc độ gió thay đổi lớn
Hình 5.31. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp
tốc độ gió thay đổi lớn
Hình 5.32. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
thay đổi lớn
Hình 5.33. Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đổi lớn
Hình 5.34. Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đổi lớn

Hình 5.35. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ
gió thay đổi lớn
Hình 5.36. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với
trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn
Hình 5.37. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đổi lớn
Hình 5.38. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
thay đổi lớn
Hình 5.39. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
lớn
Hình 5.40. Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
lớn
Hình 5.41. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió tương ứng với trường hợp tốc độ
gió thay đổi lớn


1

Chương 1
Giới thiệu
Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi
Quốc gia, là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân và
cũng chính là yếu tố đầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác,
có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chính trị, văn hóa
và xã hội.
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đời sống
người dân ngày càng được cải thiện, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng năng
lượng điện ngày càng tăng cao. Trước tình trạng nguồn năng lượng truyền
thống không tái tạo như dầu mỏ, than, khí đốt,… đều đang đứng trước những
cảnh báo cạn kiệt buộc nhân loại phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng

thay thế.
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, nước ta đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng
nghiêm trọng. Qua nhiều hội thảo, hội nghị về năng lượng, qua trao đổi với
nhiều nhà khoa học, cho thấy còn vài thập niên nữa, năng lượng hóa thạch như
than đá, dầu mỏ, khí đốt sẽ bị cạn kiệt, loài người sẽ lâm vào tình trạng khủng
hoảng năng lượng trầm trọng. Việt Nam không thể tránh khỏi nguy cơ do thiếu
hụt năng lượng sắp đến gần.
Thực tế, lũ lụt vừa qua bộc lộ nhiều bất cập về thủy điện. Năng lượng
thủy điện ta đã khai thác tối đa. Nhiều trạm thủy điện lớn, nhỏ chiếm lòng hồ
rộng lớn hàng chục vạn ha, phá hủy rừng, cây cối, gây ô nhiễm môi trường sinh
thái, đặc biệt không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây bao
nhiêu thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối,...
tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm.
Các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang
dần cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung lại không ổn định. Trong khi năng


2

lượng hạt nhân còn quá mới đối với nước ta. Bất lợi là chúng ta phải dùng
ngoại tệ nhập khẩu toàn bộ 100% về thiết bị, kỹ thuật, nhiên liệu uranium, thuê
chuyên gia, ở trong nước chưa chế tạo được nhiên liệu hạt nhân, mua nhiên liệu
rất đắt, không chủ động được, lại thêm dễ gây sự cố, ô nhiễm môi trường sinh
thái, mất an toàn từ khâu khai thác, chế biến đến cất dấu chất thải hạt nhân.
Từ các vấn đề nêu trên, trong tương lai chúng ta sẽ không thể bảo đảm
an ninh năng lượng và có nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng nếu cứ duy
trì sản xuất điện như hiện nay, cũng như không thể đạt được mục tiêu công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đến năm 2020. Có thể nhận thấy rằng, khi
năng lượng điện không đáp ứng được nhu cầu thì công, nông, ngư nghiệp, chế

biến và khai thác sẽ bị tụt hậu, đời sống vật chất và tinh thần sút kém mà sẽ dẫn
đến các bất ổn cho đời sống và xã hội.
Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, những
nguồn năng lượng tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như năng lượng
gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng
lượng thủy triều,… tất cả những loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc
thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường,…
Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió được coi là
một nguồn năng lượng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trường đang
thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành
nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai.
Hệ thống điện sử dụng năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần
nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây
tiếng ồn,…với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng gió với hơn
3.200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang
và sẽ được khuyến khích áp dụng trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất [1].
Góp phần trong vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu điều khiển công suất
khi sử dụng hệ thống điện năng lượng gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do
chính cho việc chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống
điện năng lượng gió”.


3

1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Thế kỷ 20 đã trải qua với nhiều tiến bộ vượt bậc của loài người. Trong
đó, con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàng những
công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng những nhu cầu
không ngừng của con người. Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, con người
phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế

thế giới như môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và hàng
loạt những vấn đề khác.
Trong thế kỷ 21, con người phải đối diện với một loạt các thách thức
mang tính toàn cầu chẳng hạn như năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại,
bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,… Trong đó, vấn đề năng lượng vẫn là vấn đề
được xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ này.
Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh
hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những hiểm họa tiềm ẩn nguy
cơ xung đột. Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển
kinh tế và sinh hoạt ngày càng lớn làm cho kinh tế chậm phát triển dẫn đến
những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế, bất ổn chính trị xảy ra nhiều nơi
trên thế giới.
Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một
loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh. Biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên,
đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường
và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng nhiều, mùa màng thất thu ảnh hưởng
đến an ninh lương thực. Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn,
tranh chấp, không kiểm soát.
Các số liệu trong “Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập
đoàn điện lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy
vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người. Hiện nay, với mức
độ tăng dân số, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36.000 chiếc máy bay, gần
2 tỷ xe hơi được sử dụng – gấp đôi con số hiện tại. Như vậy, theo nhận định
của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association) trong
vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng


4

lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt

nhân, năng lượng tái tạo,…) [2]-[3].
IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng
chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới.
Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung
cấp cho thế giới trong 60 năm tới. Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90
năm tới. Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát
triển và đông dân cư như Trung Quốc và Ấn Độ, hậu quả tất yếu là giá dầu và
khí đều tăng mạnh [3].
Về mặt chính trị, tình hình không ổn định của các nước đang sở hữu hơn
70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên, đều tập trung ở
những khu vực nhiều bất ổn nhất thế giới như Trung Đông, Nga và Trung Á
dẫn đến giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt tăng cao.
Từ những vấn đề trên, để đảm bảo nguồn cung năng lượng cho nhân loại
và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra những nguồn
năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.
Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng
gió, năng lượng địa nhiệt,…và những nguồn năng lượng khác. Bằng những tiến
bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới các năng lượng tái
sinh đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu, sử dụng ngày càng nhiều [1].
Như vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguồn năng
lượng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà
cần phải được quan tâm đúng mức trên toàn cầu. Trong số những nguồn năng
lượng đó năng lượng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luôn được đánh giá
cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển tối ưu bám điểm công suất cực
đại của hệ thống điện gió. Đây chính là vấn đề cần thiết được đặt ra và cũng là
vấn đề chính sẽ được quan tâm và giải quyết trong luận văn này.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển công suất của hệ
thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.

5

1.4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió;
- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển công suất của hệ thống
điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;
- Mô phỏng giải thuật điều khiển công suất của hệ thống điện gió sử
dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Hiện nay, thế giới đang hướng tới việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo
thay thế cho việc sử dụng năng lượng truyền thống đang cạn kiệt. Lý do chủ
yếu sử dụng năng lượng tái tạo là để bảo vệ hành tinh xanh, nơi mà con người
và tất cả các sinh vật khác đang tồn tại. Hơn thế nữa, năng lượng tái tạo không
những thân thiện với môi trường mà còn không phải chịu những chi phí về
nhiên liệu đầu vào, ít phải bảo trì và đặc biệt là vô tận.
Một trong những nguồn năng lượng tái tạo chính là năng lượng gió.
Nguồn năng lượng này tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên
nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự vận chuyển của trái
đất và do mặt đất lồi lõm. Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió.
Năng lượng gió dựa trên nguyên lý là gió tạo ra sức quay các turbine và sẽ tạo
ra điện năng.
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Morten Lindholm, “Modelling and Impact on power system dynamic”,
Trường Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, năm 2003 đã nguyên cứu mô hình điều
khiển từ thông máy phát điện gió và đưa ra mô hình trong phòng thí nghiệm
với công suất máy 40 kW [10].
Anca D. Hansen, Florin Iov, Poul Sørensen, Nicolaos Cutululis,

Clemens Jauch, Frede Blaabjerg group, “Dynamic wind turbine models in


6

power system simulation tool, DIgSILENT”, Trường Đại học Kỹ thuật Đan
Mạch, năm 2007 đã nghiên cứu mô hình tuabin máy phát điện gió và điều
khiển kết nối lưới trên cơ sở mô phỏng các chế độ vận hành của máy điện gió
đồng bộ và không đồng bộ bằng chương trình phần mềm DIgSILENT [11].
Andreas Peterson, “Analysis, modeling and control of doubly-fed
induction generators for wind turbines”, Trường Đại học Kỹ thuật Chalmers,
Thụy Điển, năm 2005 đã nghiên cứu điều khiển moment và tốc độ máy phát
điện gió [12].
Fernando D. Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz, “Wind
turbine control systems principles, modelling and gain scheduling design”, năm
2007 đã nghiên cứu các phân bố gió, các mô hình gió và mô hình động điều
khiển tuabin gió [13].
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Lương Công Quyền, “Điều khiển trượt máy phát điện gió cấp nguồn từ
hai phía”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, năm 2008
đã nghiên cứu điều khiển độc lập công suất P và Q của máy phát điện tuabin
gió nguồn kép [4].
Đỗ Vĩnh Mạnh, “Nghiên cứu và mô phỏng phương pháp điều khiển bộ
biến đổi PWM rectified và PWM inverter trong hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió và DFIG”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM,
năm 2008 đã nghiên cứu đưa ra mô hình Inverter trong Matlab/
SimPowersystem [5].
Nguyễn Chí Hiếu, “Khảo sát mô hình máy phát điện gió trong lưới điện
phân phối”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, năm
2008, đã nghiên cứu máy phát điện gió không đồng bộ điều khiển công suất

trực tiếp bằng phần mềm PSCAD [6].
Tạ Văn Đa, “Đánh giá tài nguyên và khả năng khai thác năng lượng gió
Việt Nam”. Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Hà Nội, tháng
10 năm 2006 đã đưa ra các phân bố gió và tiềm năng phát triển gió ở Việt Nam,


7

số liệu nghiên cứu giúp xem xét và đánh giá khả năng ứng dụng phát điện gió ở
Việt Nam [7].
1.6. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm 6 chương:
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan
- Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
1.7. Kết luận
Hiện tại và tương lai nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới là rất
lớn. Chẳng hạn như theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển
kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục tiêu đến
năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm
tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [8].
Do đó, việc đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo là có hiệu quả đối
với một quốc gia có nhiều điều kiện thuận lợi về địa lý như Việt Nam. Vì vậy,
việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả khai thác của một hệ thống
điện năng lượng gió là hết sức cần thiết và cấp bách.

8

Chương 2
Tổng quan
2.1. Giới thiệu
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà con người
đang quan tâm đặc biệt cho nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới. Hiện tại,
năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh
việc khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai, các nhà khoa học cần
nghiên cứu nhiều hơn để hoàn chỉnh các công nghệ khai thác và sử dụng. Năng
lượng gió được dựa trên nguyên lý là gió sẽ tạo ra sức quay các tuabin và sau
đó, sẽ tạo ra năng lượng điện. Các yếu tố hình thành nên nguồn năng lượng gió
bao gồm: sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, sự chuyển vận của trái
đất và sự lồi lõm của mặt đất.
* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió
Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng này mang nhiều điểm thuận lợi
mà là lý do dẫn đến sự phát triển mạnh của nó trên thế giới trong những thập
niên gần đây. Các thuận lợi khi sử dụng nguồn năng lượng điện này bao gồm:
+ Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gió
phát triển sẽ tạo thêm nhiều việc làm.
+ Là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận.
+ Giá thành thấp: theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ trong tương lai
giá của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điện
của các nguồn khác như than, dầu hay biomass,... Hiện tại, giá của nguồn năng
lượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió của từng
địa phương.
+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng
lượng điện khác.

9

* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió
- Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió là phụ thuộc nhiều vào thiên
nhiên.
- Mặc dù công nghệ năng lượng gió đang phát triển và giá thành của một
tuabin gió đã giảm dần từ hơn 10 năm qua nhưng mức đầu tư ban đầu cho
nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng
truyền thống khác.
Trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các vấn đề trên, nguồn
năng lượng gió có thể được xem như là một trong các nguồn năng lượng dự
phòng.
Bên cạnh đó, cũng có thể dễ dàng nhận ra rằng, không có bất kỳ một
nguồn năng lượng nào không gây ra các ảnh hưởng đến môi trường. Đối với
nguồn năng lượng gió, các ảnh hưởng cần phải quan tâm là các tuabin gió gây
ra các tiếng ồn làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí và có thể xáo trộn
hệ sinh thái của các loài chim hoang dã...
Để sản xuất năng lượng điện bằng nguồn năng lượng gió, tốc độ gió cần
lớn hơn 5m/s. Gần đây, tính kinh tế của điện gió đã được nâng cao hơn, giá
thành phát điện chỉ còn gấp 2 lần so với nhiệt điện.
2.2. Nền tảng lịch sử của tuabin gió
2.2.1. Lịch sử của cối xoay gió
Cối xoay gió sớm nhất được ghi chép lại là cối xoay trục thẳng đứng.
Chúng có cấu tạo đơn giản dùng để giã gạo ở vùng Afganishtan vào thế kỷ thứ
7 trước Công nguyên. Mẫu thiết kế đầu tiên về cối xoay gió được tìm thấy
trong tài liệu lịch sử từ vùng Ba Tư, Tây Tạng và Trung Quốc vào khoảng 1000
năm trước. Từ vùng Ba Tư và Trung Đông, cối xoay gió đã vượt qua các nước
ven Địa Trung Hải và Châu Âu. Cối xoay gió đầu tiên xuất hiện ở Anh khoảng

năm 1150, ở Pháp năm 1180, ở Flanders năm 1190, ở Đức năm 1222 và ở Đan
Mạch năm 1259. Sự phát triển nhanh chóng này là do ảnh hưởng bởi đội quân
chữ thập, đã truyền đi những hiểu biết về cối xoay gió từ vùng Ba Tư đến nhiều
nơi ở Châu Âu. Ở Châu Âu, cối xoay gió được cải tiến lại từ giữa thế kỷ 12 đến


10

thế kỷ 19. Cho đến cuối thế kỷ 19, đặc thù của cối xoay gió Châu Âu là sử
dụng 1 rotor có đường kính 25 m và chiều cao 30 m.
Cối xoay gió không những được dùng để giã gạo mà còn được sử dụng
để bơm nước đến những hồ cạn và vùng biên giới xa xôi. Pháp có khoảng
1.800 đến 20.000 cối xoay gió hoạt động. Hà Lan có khoảng 90% năng lượng
điện dùng trong công nghiệp là từ nguồn năng lượng gió. Công nghiệp hóa đã
làm cho cối xoay gió dần dần suy tàn.
Khi những cối xoay gió kiểu Châu Âu bắt đầu ít xuất hiện thì nó lại phát
triển ở Bắc Mỹ. Những cối xoay gió nhỏ dùng để bơm nước trở nên rất phổ
biến. Những cối xoay gió này được coi như là cối xoay gió kiểu Mỹ, chúng tự
hoạt động và không cần giám sát. Rotor tự điều chỉnh đến hướng có nhiều gió.
Từ năm 1920-1930, cối xoay gió đã trở nên phổ biến ở Mỹ, có khoảng 600.000
mẫu được lắp đặt. Cối xoay gió của Mỹ đã có những thay đổi phù hợp với mục
đích sử dụng cho ngành nông nghiệp trên toàn thế giới.
2.2.2. Tuabin gió
Năm 1891, Dance Poul La Cour là người đầu tiên đã chế tạo ra tuabin
gió. Kỹ sư Danish đã cải tiến kỹ thuật trong thời gian từ chiến tranh thế giới lần
1, 2 và đã sử dụng để giải quyết tình trạng thiếu năng lượng. Tuabin gió của
công ty Danish là F. L. Smidth sản xuất năm 1941-1942 có thể được coi như là
nguyên bản đầu tiên của những tuabin gió. Tuabin của Smidth là loại đầu tiên
dùng những cánh máy bay hiện đại, dựa vào những am hiểu về khí động lực
thời bấy giờ. Cùng thời gian trên, một người Mỹ là Palmer Putman, Công ty

Morgan Smith Co., cũng đã chế tạo ra một tuabin gió khổng lồ với đường kính
53m. Không chỉ khác nhau về kích thước mà còn khác nhau về nguyên lý.
Nguyên lý của Danish là điều chỉnh rotor theo chiều gió đang thổi và hoạt động
với tốc độ thấp. Còn thiết kế của Putman là điều chỉnh rotor theo hướng gió với
nhiều mức độ khác nhau. Tuy nhiên, mẫu tuabin của Putman không mang lại
nhiều thành công. Nó đã bị tháo gỡ vào năm 1945.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, Johannes Juul ở Đan Mạch, đã phát triển
dựa trên nguyên lý thiết kế của Danish. Tuabin của Johannes được lắp đặt ở