đồ án nghiên cứu năng lượng gió và quy mô trên thế giới

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trong nghành công nghiệp, vai trò của điện năng là rất quan trọng
vì nó phải đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục cho tất cả các nghành công
nghiệp và sản xuất. Vì thế, muốn cho ngành công nghiệp phát triển mạnh thì
cần phải phát triển hệ thống cung cấp điện. Việc phát triển năng lượng điện kéo
theo vấn đề về môi trường. Trong khi các nhà máy thuỷ điện không hoạt động
hết công suất của mình thì các nhà máy nhiệt điện lại gây ra ô nhiễm môi
trường và nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính. Cho nên vấn đề hàng đầu
được đặt ra là phát triển xây dựng phải đảm bảo vấn đề về vệ sinh môi trường.
Trên thực tiễn đó, cần phải tìm ra nguồn năng lượng tái sinh để thay thế . Năng
lượng gió là nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận, nguồn năng lượng tái tạo
không gây ô nhiễm môi trường. Tận dụng nguồn năng lượng đó để biến thành
nguồn năng lượng điện phục vụ nhu cầu của con người. Việc xây dựng nhà
máy điện gió góp phần đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện. Trong khi ứng dụng công
nghệ phong điện vào đời sống, chúng ta cũng phải không ngừng nghiên cứu và
thử nghiệm các mô hình tuabin điện đề nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng
và cải thiện công suất phát ra. Trong nội dung luận văn này em giới thiệu tổng
quát về nguồn năng lượng gió. Các ưu điểm để phát triển nguồn năng lượng
này, tìm hiểu các loại tuabin gió và các nơi lắp đặt để tối ưu hóa nguồn năng
lượng vô tận này, ứng dụng máy phát phân phối DG trong việc kết nối các
nguồn năng lượng tái sinh với nguồn lưới điện quốc gia. Mặc dù cố gắng tổ
hợp kiến thức đã học, tìm kiếm tài liệu liên quan nhưng khả năng còn hạn chế
không thể tránh những sai sót. Rất mong quý thầy cô và các bạn chỉ bảo, đóng
góp ý kiến để được hoàn hảo hơn.

1


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2


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

MỤC LỤC
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN...................................................................................1
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN......................................................2
MỤC LỤC....................................................................................................................3
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG PHONG ĐIỆN ...........................5
1.1 GIỚI THIỆU........................................................................................................5
1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
GIÓ............................................................................................................................... 5
1.2.1 Công suất lắp đặt và tốc độ tăng trưởng ....................................................5
1.2.2 Các tuabin gió nhỏ và lớn..............................................................................7
1.2.3 Các ứng dụng khi hoạt động Độc lập và Kết nối lưới điện.........................7
1.2.4 Ứng dụng trên đất liền và ngoài khơi...........................................................8
1.2.5 Chi phí của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.......................................12
1.3 CÔNG NGHỆ TUABIN GIÓ............................................................................14
1.3.1 Tuabin gió trục ngang và trục đứng.............................................................14
1.3.2 Tuabin tốc độ cố định và tốc độ có thể thay đổi..........................................16
1.3.3 Hệ thống khí động học: điều khiển góc nghiêng cánh quạt (Pitch)
và phanh điều tốc (Stall)............................................................................................17
1.4 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI......................................................18
1.4.1 WECS Tốc độ cố định mà không có bộ chuyển đổi điện............................19
1.4.2 Hệ thống điều chỉnh tốc độ với các bộ chuyển đổi công suất thấp............19
1.4.3 Hệ thống tốc độ biến đổi với bộ chuyển đổi công suất đầy đủ...................23
1.5 Hệ thống lưới điện..............................................................................................25
1.5.1 Sự cố cho phép...............................................................................................26
1.5.2 Điều khiển công suất phản phản kháng.......................................................26

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH CHUỂN ĐỔI NĂNG
LƯỢNGNG GIÓ TRONG CÁC KHUNG THAM CHIẾU....................................27
3


3.1 Giới thiệu:...........................................................................................................27
3.2 Khung tham chiếu chuyển đổi:.........................................................................28
3.2.1 Khung tham chiếu chuyển đổi abc/dq:........................................................29
3.2.2 Khung tham chiếu chuyển đổi abc/αβ:........................................................33
3.3 Mô hình máy phát điện cảm ứng:.....................................................................35
3.3.1 Cấu tạo:..........................................................................................................35
3.3.2 Mô hình vector không gian:.........................................................................36
3.3.3 Mô hình khung tham chiếu dq:....................................................................40
3.3.4 Mô hình mô phỏng:.......................................................................................42
3.3.5 Đặc điểm máy phát điện cảm ứng................................................................45

3.3.6 Mạch cân bằng trạng thái ổn định:.....................................................49
3.4 Máy phát điện đồng bộ......................................................................................56
3.4.1 Xây dựng mô hình:........................................................................................56
3.4.2 Mô hình động lực học của máy phát đồng bộ.............................................59
3.4.3 Mạch trạng thái ổn định tương đương........................................................64
3.5 Tóm lược.............................................................................................................68
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................68

4


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG PHONG
ĐIỆN
1.1 GIỚI THIỆU THỰC TRẠNG NĂNG LƯỢNG PHONG ĐIỆN

Trong 20 năm qua, các nguồn năng lượng tái tạo đã thu hút được sự chú ý lớn do
chi phí tăng, trữ lượng hạn hẹp, và tác động tiêu cực đến môi trường của nhiên liệu
hóa thạch. Trong khi đó , những tiến bộ công nghệ, giảm chi phí và ưu đãi của chính
phủ đã làm cho một số nguồn năng lượng tái tạo có tính cạnh tranh hơn trong thị
trường. Trong số đó, năng lượng gió là một trong những năng lượng tái tạo nhanh
nhất nguồn [1].
Năng lượng gió đã được sử dụng hàng trăm năm để chế biến ngũ cốc, bơm nước
và đi biển. Việc sử dụng các cối xay gió để sản xuất điện có thể được tìm thấy ở cuối
thế kỷ XIX với sự phát triển của một máy phát điện DC 12 kW [2] bằng cối xay gió
Tuy nhiên, chỉ từ những năm 1980 thì công nghệ mới đầy đủ trưởng thành để sản xuất
điện hiệu quả và đáng tin cậy. Trong hai thập kỷ qua, một loạt các công nghệ điện gió
đã được phát triển, đã cải thiện hiệu quả chuyển đổi và giảm chi phí cho sản xuất năng
lượng gió. Kích thước của tua bin gió đã tăng từ vài kilowatt lên vài megawatts.
Ngoài việc lắp đặt trên đất liền, các tuabin gió lớn đã được đẩy ra các vùng xa bờ để
có thể thu được nhiều năng lượng hơn và giảm tác động của đất và cảnh quan đối với
chúng. Chương này cung cấp tổng quan về các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
(WECS) và công nghệ liên quan đến chúng. Mục đích của chương này là cung cấp
một nền tảng về một số các khía cạnh liên quan đến công nghệ thú vị này và xu hướng
thị trường như công suất lắp đặt, tốc độ tăng trưởng và chi phí. Các chi tiết của các
thành phần tuabin, cấu hình hệ thống, và các kế hoạch kiểm soát được phân tích sâu
trong các chương tiếp theo.

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
GIÓ
1.2.1 Công suất lắp đặt và tốc độ tăng trưởng
Công suất điện gió lắp đặt đã tăng dần trong hai năm qua thập kỷ. Hình 1-1 cho
thấy sự phát triển của công suất lắp đặt tích lũy trên toàn thế giới như năm 2009 [3].
Công suất lắp đặt của năng lượng gió toàn cầu đã tăng lên theo cấp số nhân từ khoảng
6 GW năm 1996 đến 158 GW vào năm 2009. Ngành công nghiệp điện gió đã đạt
được tốc độ tăng trưởng trung bình trên 25% kể từ năm 2000, và dự kiến sẽ tiếp tục

5


xu hướng này trong những năm tới. Sự tăng trưởng ấn tượng này đã được thúc đẩy
bởi việc tăng chi phí liên tục của các nguồn năng lượng truyền thống (than, khí đốt…)
, giảm chi phí của tua-bin gió, các chương trình khuyến khích của chính phủ, và nhu
cầu về các nguồn năng lượng sạch hơn.
Hình 1-2 thể hiện công suất gió tích lũy được lắp đặt của 10 quốc gia hàng đầu
thế giới vào năm 2009 [3]. Mặc dù Châu Âu vẫn duy trì như một khu vực có vai trò là
nơi sản xuất điện gió lớn nhất, Hoa kì đã vượt qua Đức- nhà lãnh đạo thế giới trong
thời gian dài bằng cách tăng công suất lắp đặt lên gần 50% chỉ trong vòng hai năm.
Hoa kì hiện có công suất lắp đặt là 35 GW, tương đương với 22,3% công suất lắp đặt
toàn cầu. Các nước Châu Á đang bắt kịp, chủ yếu là do các thị trường ở Trung Quốc
và Ấn Độ. Trên thực tế, Trung Quốc đã tăng gấp đôi công suất lắp đặt trong một năm
và dự kiến sẽ tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh trong vài năm tới.
Mặc dù sự tăng trưởng bền vững này rất ấn tượng, nhưng thách thức thực sự là
đưa năng lượng gió hòa vào tổng sản lượng điện. Ví dụ, Đức đã tạo ra 6,4% tổng nhu
cầu điện của mình từ gió năm 2009, trong khi tại Hoa Kỳ Tỉ lệ này chỉ là 1,8%.
Ngược lại, Đan Mạch, Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha dẫn đầu trong lĩnh vực này, với
hơn 20% 15% và 13% điện gió hòa vào tổng sản lượng điện

6


1.2.2 Các tuabin gió nhỏ và lớn
Các tua-bin gió nằm trong khoảng vài kilowatt để sử dụng trong nhà hoặc vài
megawatts trong các trang trại gió lớn để thương mại hóa. Tuabin gió cỡ nhỏ đến cỡ
trung bình thường dưới 300kW và có thể lắp đặt tại nhà, trang trại và các cơ sở kinh
doanh để bù đắp cho việc tiêu thụ điện năng. Các đơn vị điện gió nhỏ có thể được sử

dụng kết hợp với các nguồn năng lượng khác như năng lượng quang điện và máy phát
điện Diesel để tạo thành một hệ thống phát điện độc lập ngoài lưới điện cho các khu
vực xa, nơi khó khăn tiếp cận lưới điện hoặc tốn kém.
Mặt khác, kích cỡ của tuabin gió lớn đã tăng đều theo từng năm. Sự tiến triển của
kích cỡ tua bin có thể được đánh giá rất rõ trong hình 1-3. Bắt đầu với công suất 50
kW và bán kính rotor 15 m vào đầu những năm 1980, tuabin gió có thể được tìm thấy
ngày hôm nay lên đến 7,5 MW với một đường kính rotor 126 m. Người ta hy vọng
rằng một Tuabin gió 10 MW sẽ được phát triển trong tương lai với đường kính rotor
tua bin 145 m, gấp đôi chiều dài của một chiếc máy bay Boeing 747.
Sự gia tăng kích cỡ tuabin gió có nghĩa là lượng điện năng lớn hơn khi năng
lượng thu được là một hàm bình phương bán kính rotor. Điều này có thể được quan
sát bởi sự tương quan giữa đường kính của rotor và chiều cao của tháp tới mức công
suất của tua-bin gió thể hiện trong Hình 1-3. Các tuabin gió lớn thường dẫn đến giảm
mức chi phí vì chi phí sản xuất, lắp đặt và bảo trì thấp hơn tổng số chi phí của tuabin
gió nhỏ hơn dù có sản lượng điện như nhau

1.2.3 Các ứng dụng khi hoạt động Độc lập và Kết nối lưới điện
Các tuabin gió có thể hoạt động như các đơn vị độc lập với công suất nhỏ để cung
cấp năng lượng cho làng mạc, trang trại, và hòn đảo khi nơi đó quá xa để hòa vào lưới
điện hoặc tốn kém. Công suất phát ra từ gió không đổi, các nguồn năng lượng khác

7


thường

yêu cầu trong các hệ thống độc lập. Thông thường, một hệ thống năng lượng gió độc
lập hoạt động với máy phát điện diesel, các hệ thống năng lượng quang điện, hoặc các
hệ thống lưu trữ năng lượng để hình thành một hệ thống phân phối đáng tin cậy hơn
(Distributed Generation-DG) [4]. Do ứng dụng của nó rất hạn chế, năng lượng gió độc

lập chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng công suất gió được lắp đặt trên toàn thế giới.
Phần lớn tuabin gió hoạt động trong lĩnh vực này được kết nối bằng lưới, và công suất
phát ra trực tiếp được tải lên lưới. Vì hầu hết các máy phát điện hoạt động ở vài trăm
volt (thường là 690 V), máy biến áp được sử dụng để tăng điện áp máy phát tới hàng
chục kilovolts, ví dụ 35 kV, cho các trạm biến áp điện gió. Điện áp này được tăng hơn
nữa bởi máy biến áp của các trạm biến áp, kết nối trang trại gió đến lưới được thể hiện
trong hình 1-4

1.2.4 Ứng dụng tuabin gió trên đất liền và ngoài khơi
Những trang trại năng lượng gió lớn có truyền thống được đặt trên đất vì một vài
lý do: xây dựng dễ dàng, chi phí bảo trì thấp, và gần với đường dây. Trên Mặt khác,
các trang trại gió ngoài khơi cũng có thể thương mại hóa được. Một trong những lý do
chính cho việc phát triển trang trại gió ngoài khơi là thiếu nguồn gió thích hợp trên
đất liền. Điều này đặc biệt xảy ra ở các khu vực đông dân như ở một số Các nước
châu Âu. Một lý do quan trọng nữa là tốc độ gió ở ngoài khơi thường cao hơn đáng kể
so với trên đất liền. Xét rằng năng lượng thu được bởi tuabin gió là tỷ lệ thuận với lập
phương tốc độ gió, tuabin có thể thu được nhiều năng lượng hơn khi hoạt động ngoài
khơi. Hơn nữa, tác động môi trường, như tiếng ồn và ảnh hưởng thị giác được giảm
đến mức tối thiểu khi xây dựng ngoài khơi. Những yếu tố này là động lực chính cho
sự phát triển của công nghệ tuabin gió ngoài khơi.

8


Mặc dù
các nguyên mẫu tuabin ngoài khơi có thể được tìm thấy trên khắp thế giới, nhưng chỉ
có ở một số quốc gia (chủ yếu ở châu Âu) là có các trang trại gió ngoài khơi hoạt
động. Các những đối thủ lớn nhất trong khu vực này là Anh, Đan Mạch, và Hà Lan,
như thể hiện trong hình 1-5 [5]. Mặc dù tổng công suất điện gió ngoài khơi của châu
Âu là 2056 MW tính đến năm 2009 chỉ chiếm 1,3% tổng công suất điện gió lắp đặt,

năng lượng gió ngoài khơi là một thị trường đang phát triển nhanh, như thể hiện trong
hình 1-6 [5]. Công suất lắp đặt đã tăng từ dưới 0,1 GW trong năm 2000 lên hơn 2 GW
trong năm 2009.
Ngoài ra, tài nguyên gió ngoài khơi là rất lớn. Ví dụ: nguồn năng lượng gió ngoài
khơi ở châu Âu lớn hơn nhiều lần so với tổng tiêu thụ điện của châu Âu [6]. Một số
trang trại gió ngoài khơi dự kiến sẽ được đưa vào hoạt động trong tương lai gần sẽ đạt
được công suất hơn 1 GW trên mỗi tuabin. Ví dụ về các trang trại gió trên đất liền và
ngoài khơi là được cho trong các Bảng 1-1 và 1-2, trong đó có vị trí, số tuabin, kích
thước tua bin, nhà cung cấp và ngày sản xuất. Các bức ảnh của một số các trang trại
gió này được thể hiện trong hình 1-7.

9


10


Việc tăng công suất của tua bin và giảm chi phí bảo trì là rất quan trọng đối với
các trang trại gió ngoài khơi. Mức công suất trung bình của các tuabin gió lắp đặt
ngoài khơi là 2,9 MW vào năm 2009 [5] và công suất của máy phát điện cho các
tuabin gió ngoài khơi dự kiến sẽ tăng trong thập kỷ tiếp theo. Để giảm chi phí bảo trì,
tuabin gió trực tiếp sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao
(permanent magnet synchronous generators - PMSGs) là một công nghệ có tính khả
thi. Chi phí bảo trì cho các tuabin này được giảm đi do loại bỏ hộp số và chổi than.
Đối với trang trại gió ngoài khơi, nền móng và cáp truyền tải làm chiếm chi phí đáng
kể trong tổng chi phí của dự án. Bảng tóm tắt so sánh các trang trại trên đất liền và
ngoài khơi được trình bày trong Bảng 1-3. Các tài nguyên gió, chi phí về vốn / bảo
dưỡng và sản xuất năng lượng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét trong
việc phát triển các trang trại gió ngoài khơi

11


1.2.5 Chi phí của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
Chi phí điện từ điện gió đã giảm đều trong hai năm qua thập kỷ. Khi tuabin có
công suất đầu tiên được lắp đặt vào đầu những năm 1980, điện gió tạo ra điện có chi
phí 0.3 đô-la cho mỗi kWh. Ngày nay, các nhà máy điện gió có thể sản xuất điện với
giá từ 0,07 USD đến 0,12 USD cho mỗi kWh. So với các nguồn năng lượng sạch
khác, chẳng hạn như năng lượng quang điện (PV) và nhiệt năng mặt trời, năng lượng
gió là một trong hầu hết các nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo khả thi về mặt kinh
tế, như được minh họa trong Hình 1-8 [8], Lưu ý rằng đối với một nguồn năng lượng
nhất định, chi phí cho sản xuất năng lượng không phải là cố định, nhưng thay đổi theo
công suất, điều kiện hoạt động, vị trí, và công nghệ được sử dụng. Bảng 1-4 cho biết
sự cố chi phí của một tuabin gió 2 MW điển hình [9]. Xung quanh 75% tổng chi phí
liên quan trực tiếp đến tuabin, bao gồm cánh quạt,hộp số, máy phát điện, bộ chuyển
đổi năng lượng, trọng tải, và tháp. Các chi phí khác bao gồm lưới điện kết nối, xây
dựng nền móng, thuê đất, lắp đặt điện và xây dựng đường.
Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để giảm chi phí cho mỗi kWh là
tăng kích cỡ tuabin được lắp đặt. Khi diện tích quét bao phủ bởi cánh quạt rotor tăng
lên tương ứng với lập phương của chiều dài cánh quạt, có một sự phi tuyến thuận giữa
chiều dài cách quạt và sức gió thu được. Một ví dụ rõ ràng đã được trình bày trong
Hình 1-3, trong đó một tuabin gió 50 kW vào năm 1980 có đường kính rotor 15 m, và
kích cỡ tuabin tăng lên 7.5 MW vào năm 2010 với đường kính rotor 126 m. Đường
kính của cánh quạt tuabin và công suất đã được tăng gấp lần lượt là 8.4 và 150 lần. Sự
gia tăng công suất cũng được tạo điều kiện bởi sự gia tăng tháp chiều cao cho các
tuabin lớn hơn. Bảng 1-5 cho các chi phí điển hình cho các tuabin gió 10 kW, 50 kW
và 1,7 MW được lắp đạt vào giữa những năm 2000 [10]. Chi phí cho mỗi kW được
cài đặt cho các tuabin này là

12

$ 5760, $ 3300, và $ 1680. Rõ ràng, tuabin gió càng lớn, thì chi phí cho mỗi kilowatt
điện càng giảm. Điều này cũng giải thích sự phát triển nhanh chóng của các tuabin gió
hàng megawatt trong những năm vừa qua. Tổng chi phí của các hệ thống năng lượng
gió cũng bị ảnh hưởng bởi vị trí của tuabin gió. Tua bin gió ngoài khơi thường đắt hơn
các tuabin trên mặt đất do lắp đặt tuabin cao hơn và chi phí truyền tải điện. Hình 1-9
cho thấy chi phí ước tính của các tuabin ngoài khơi và trên đất liền từ năm 2000 đến
năm 2020 [11]. Với tiến bộ kỹ thuật, tổng chi phí của cả hai tua bin ngoài khơi và trên
đất liền sẽ giảm trong những năm tới. Mặc dù tuabin gió ngoài khơi có chi phí cao
hơn tuabin trên đất liền, nhưng sản lượng năng lượng điện lớn hơn của tuabin ngoài
khơi có thể bù đắp cho chi phí ban đầu cao hơn. Đây là một trong những lý do khiến
việc phát triển tuabin gió ngoài khơi trờ nên hấp dẫn.

1.3 CÔNG NGHỆ TUABIN GIÓ
13


Tuabin gió là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong các hệ thống chuyển
đổi năng lượng gió. Qua nhiều năm, các loại tuabin gió đã được phát triển [12]. Điều
này cung cấp tổng quan về công nghệ tuabin gió, bao gồm các công nghệ tuabin trục
ngang, tuabin trục đứng và tuabin có tốc độ cố định hay tốc độ thay đổi được.

1.3.1 Tuabin gió trục ngang và trục đứng
Các tuabin gió có thể được phân loại dựa trên định hướng trục quay của chúng
vào các tuabin gió trục ngang (horizontal-axis wind turbines-HAWT) và tuabin gió
trục thẳng đứng (vertical-axis wind turbines -VAWT) [12], như thể hiện trong hình 110. Trong tuabin gió trục ngang, hướng của trục quay song song với đất như thể hiện
trong hình 1-10a. Tháp nâng cần đủ độ cao để tạo không gian

14

cho cánh
quạt quay và để đạt được điều kiện gió tốt hơn. Tư thế này hỗ trợ trục rotor giữ các
cánh quạt và cũng là nơi đặt hộp số, máy phát điện, và đôi khi là bộ chuyển đổi năng
lượng trong một số thiết kế,. Các tiêu chuẩn ngành công nghiệp HAWT sử dụng một
cánh quạt ba bánh được đặt về phía trước của vỏ máy phát, nơi có chiều gió thổi đến.
Tuy nhiên, các cấu tạo với các cánh quạt đặt phía mặt sau cũng có thể được tìm thấy
trong ứng dụng thực tiễn. Các tuabin có một, hai hoặc nhiều hơn ba cánh quạt cũng có
thể được nhìn thấy trong các trang trại gió. Trong tuabin gió trục thẳng đứng, hướng
trục quay vuông góc với mặt đất. Rotor tuabin được lắp đặt thành đường cong trên
trục quay. Máy phát điện và hộp số thường được đặt trong đáy của tuabin trên mặt đất,
như thể hiện trong hình l-10b. cánh rotor của VAWT có nhiều kiểu dáng, hình dạng và
số cánh quạt khác nhau. Thiết kế được đưa ra trong hình này là một trong những thiết
kế phổ biến. VAWT thường cần dây dẫn để giữ cho trục rotor ở một vị trí cố định và
giảm thiểu rung động cơ học. Một so sánh giữa các công nghệ tua ngang và trục đứng
là tóm tắt trong Bảng 1-6. HAWT có hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió cao hơn do
thiết kế cánh quạt và hứng gió mạnh hơn, nhưng nó cần một tháp vững chắc hơn để
hỗ trợ trọng lượng nặng hơn của máy phát và chi phí lắp đặt của nó cao hơn. Ngược
lại, VAWT có lợi thế là chi phí lắp đặt thấp và bảo trì dễ dàng hơn do hộp số và máy
phát điện đặt dưới đất, nhưng hiệu quả chuyển đổi năng lượng gió của nó thấp hơn do
gió yếu hơn ở phần dưới của lưỡi dao và hiệu suất khí động học hạn chế của cánh
quạt. Ngoài ra, trục rotor dài làm cho nó dễ bị rung động cơ học. Đó là những bất lợi
cản trở ứng dụng thực tế của tua-bin trục đứng cho việc chuyển đổi năng lượng gió
quy mô lớn. Hiện nay các tuabin trục ngang đang chiếm thị trường năng lượng gió,
đặc biệt là ở những thị trường thương mại trang trại gió lớn.

15

1.3.2 Tuabin tốc độ cố định và tốc độ có thể thay đổi
Các tuabin gió cũng có thể được phân loại thành các tuabin tốc độ cố định và tốc độ
chó thể biến đổi [13]. Như tên cho thấy, tuabin gió tốc độ cố định quay ở tốc độ không
đổi, được xác định bởi tỷ lệ bánh răng, tần số lưới điện và số cực của máy phát điện.
Hiệu suất chuyển đổi tối đa chỉ có thể đạt được tại một tốc độ gió và hiệu quả của hệ
thống sẽ giảm xuống ở các tốc độ gió khác. Tuabin được bảo vệ bởi sự kiểm soát khí
động học của các cánh quạt để ngăn ngừa những thiệt hại có thể xảy ra do những cơn
lốc. Tuabin tốc độ cố định tạo ra một lượng điện năng có sự dao động rất lớn cho
mạng lưới, gây nhiễu cho hệ thống điện. Loại tuabin này cũng đòi hỏi một thiết kế cơ
khí vững chắc để hấp thụ những áp lực cơ học cao [14]. Mặt khác, các tuabin gió có
tốc độ biến đổi có thể đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao nhất qua một loạt
các tốc độ gió. Tuabin có thể liên tục điều chỉnh tốc độ quay theo tốc độ gió. Khi làm
như vậy, tỷ suất tốc độ cao nhất, tốc độ gió, có thể được giữ ở một giá trị tối ưu để đạt
được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tối đa ở các tốc độ gió khác nhau [12]. Để làm
cho tuabin có thể điều chỉnh được tốc độ, máy phát tuabin gió thường kết nối với
mạng lưới điện thông qua một hệ thống chuyển đổi công suất [13]. Hệ thống chuyển
đổi cho phép kiểm soát tốc độ của máy phát điện mà bộ phận cơ học kết nối với phần
rotor (cánh) của tuabin gió. Như trình bày trong Bảng 1-7, những ưu điểm chính của
tuabin biến tốc bao gồm sản lượng năng lượng gió tăng lên, chất lượng điện được cải
thiện, và giảm áp lực cơ học (lực cản) [14]. Nhược điểm chính là tăng chi phí sản xuất
và tiêu tốn năng lượng điện do sử dụng bộ chuyển đổi điện. Tuy nhiên, chi phí bổ
sung và mất điện được bù đắp bởi sản lượng năng lượng cao hơn. Hơn nữa, hoạt động
trơn tru hơn do máy phát có kiểm soát làm giảm áp lực cơ học đối với tuabin, ổ đĩa và
cấu trúc đỡ. Điều này đã cho phép các nhà sản xuất phát triển các tuabin gió lớn hơn
và hiệu quả hơn về chi phí. Từ những lý do trên, tuabin biến tốc chiếm ưu thế trên thị
trường hiện tại.

1.3.3 Hệ thống khí động học: điều khiển góc nghiêng cánh quạt
(Pitch) và phanh điều tốc (Stall)

16


Cánh tuabin được tối ưu hóa về mặt khí động học để thu được công suất tối đa từ
gió trong hoạt động bình thường với tốc độ gió từ khoảng 3 đến 15 m/s.

Kiểm soát năng lượng khí động học của tuabin là điều kiện tiên quyết để tránh
thiệt hại cho tuabin ở tốc độ gió cao khoảng 15-25 m/s. Có rất nhiều cách khác nhau
để kiểm soát lực lượng khí động học trên cánh quạt tuabin, các phương pháp được sử
dụng phổ biến nhất là điều khiển góc nghiêng và phanh điều tốc[2].

17


Phương pháp điều khiển đơn giản nhất là kiểm soát phanh điều tốc, trong đó các lưỡi
xoa của tuabin được thiết kế sao cho khi tốc độ gió vượt quá tốc độ gió định mức
khoảng 15 m/s, sự biến dạng không khí được tạo ra trên bề mặt lưỡi không phải là mặt
phẳng gió. Sự biến dạng làm giảm lực nâng trên lưỡi dao, dẫn đến giảm công suất có
thể thu được, ngăn không cho tuabin bị hư hại. Vì không có cơ cấu truyền động, cảm
biến, hoặc bộ điều khiển nên phương pháp điều tiết điện năng của phanh điều tốc là
mạnh mẽ và tiết kiệm chi phí. Nhược điểm chính của phương pháp này là giảm hiệu
suất chuyển đổi năng lượng ở tốc độ gió thấp. Bộ phận này thường được sử dụng
trong WECS nhỏ đến trung bình.
Hệ thống điều khiển góc nghiêng cánh quạt (Pitch-controlled) thường được sử
dụng cho tuabin gió lớn. Trong điều kiện hoạt động bình thường với tốc độ gió từ 3
đến 15m/s, góc nghiêng được đặt ở giá trị tối ưu để thu được công suất tối đa từ gió.
Khi tốc độ gió trở nên cao hơn giá trị mặc định, lưỡi dao sẽ lệch theo hướng gió để
giảm công suất tổn hao [12]. Các lưỡi dao được xoay theo trục dọc của chúng, thay
đổi góc nghiêng qua một thiết bị thủy lực hoặc cơ điện nằm trong trung tâm rotor
được gắn vào một hệ thống bánh răng ở đáy của mỗi cánh quạt. Kết quả là công suất

thu được của tua bin được giữ gần với giá trị định mức của tuabin.
Trong trường hợp có tốc độ gió cao hơn giới hạn khoảng 25 m/s, các lưỡi dao
được đặt nghiêng hoàn toàn khỏi gió và do đó không có điện. Phương pháp này có
hiệu quả trong việc bảo vệ tuabin và cấu trúc đỡ khỏi những thiệt hại do gió mạnh gây
ra. Khi cánh quạt được đặt nghiêng ở góc tối đa, rôto được khóa bằng phanh cơ khí,
và tuabin ở chế độ tạm nghỉ. Những bất lợi chính của việc điều khiển góc nghiêng
cánh quạt bao gồm sự phức tạp và chi phí cao do cơ chế nghiêng và sự biến động của
năng lượng trong những cơn gió mạnh do hệ thống động lực trong hệ thống điều
khiển góc nghiêng hoạt động chậm.
Một phương pháp điều khiển năng lượng khí động học khác là điều khiển phanh
điều tốc, cơ bản đây là một cơ chế kiểm soát góc nghiêng với sự khác biệt là khi góc
tác dụng của cánh quạt tạo nên gió, sẽ truyền ra phía sau (ở mặt sau của lưỡi) thay vì
bật ngược lại. Cơ chế hoạt động của hệ thống này là sự cải tiến đối với điều khiển
phanh điều tốc thụ động và có thể nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng ở tốc độ
gió thấp và giới hạn công suất thu được tối đa khi có gió lớn. Tuy nhiên, giống như hệ
thống điều khiển góc nghiêng WECS, đó là một hệ thống phức tạp. Các phương
pháp điều khiển phanh điều tốc tích cực thường được sử dụng trong hệ thống WECS
từ trung bình đến lớn.

1.4 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI
Máy phát điện và bộ chuyển đổi năng lượng trong một hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió là hai thành phần chính của hệ thống điện gió. Thiết kế khác nhau và sự kết
hợp của hai thành phần dẫn đến nhiều cấu hình WECS [13], có thể được phân thành

18


ba nhóm: (1) WECS tốc độ cố định mà không có bộ chuyển đổi điện năng, (2) WECS
sử dụng các bộ chuyển đổi dung lượng có công suất thấp, và (3) WECS vận hành với
công suất đầy đủ.

1.4.1 WECS Tốc độ cố định mà không có bộ chuyển đổi điện
Một cấu hình điển hình của WECS mà không có giao diện chuyển đổi điện năng
được minh họa trong Hình 1-11, nơi máy phát được nối với lưới qua một máy biến áp.
Một máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) được sử dụng duy nhất trong loại
WECS này, và tốc độ quay của nó được xác định bởi tần số lưới và số cực của các
cuộn stator. Đối với máy phát điện hàng megawatt bốn cực kết nối với lưới 60 Hz,
máy phát điện chạy ở tốc độ cao hơn 1800 Vòng/phút (rpm). Ở những tốc độ gió khác
nhau tốc độ máy phát điện thay đổi trong vòng 1% tốc độ chỉ tiêu. Tốc độ của máy
phát điện nhỏ đến mức hệ thống này thường được gọi là WECS tốc độ cố định, như
đã đề cập ở trên.
Một hộp số thường được bắt buộc để phù hợp với tốc độ chênh lệch giữa tuabin và
máy phát để máy phát có thể cung cấp công suất định mức ở tốc độ gió định mức. Cấu
hình này đòi hỏi khởi động mềm để hạn chế dòng vào quá cao trong suốt quá trình
khởi động hệ thống, nhưng bộ khởi động mềm được bỏ qua bởi một công tắc sau khi
hệ thống được khởi động. Trong quá trình hoạt động bình thường, hệ thống không cần
bất kỳ bộ chuyển đổi điện. Một tụ điện ba pha thường được sử dụng để bù lại công
suất phản kháng tạo ra bởi máy phát điện cảm ứng. Hệ thống năng lượng gió này có
tính đơn giản, chi phí sản xuất, bảo trì thấp và hoạt động đáng tin cậy. Những hạn chế
chính bao gồm: (1) Hệ thống cung cấp công suất định mức cho lưới điện chỉ ở tốc độ
gió nhất định, dẫn đến hiệu quả chuyển đổi năng lượng thấp ở các tốc độ gió khác; và
(2) công suất phát cho lưới điện dao động với tốc độ gió, gây nhiễu cho lưới điện. Bất
chấp những bất lợi của nó, hệ thống năng lượng gió này vẫn được chấp nhận rộng rãi
trong công nghiệp với mức công suất lên đến vài megawatts. Ví dụ về WECS tốc độ
cố định được thực hiện trong Bảng 1-8.

1.4.2 Hệ thống điều chỉnh tốc độ với các bộ chuyển đổi công suất thấp
Hoạt động với tốc độ biến đổi có một loạt lợi thế so với các hệ thống gió tốc độ cố
định. Nó làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và làm giảm áp lực cơ học gây ra
bởi những cơn gió lốc. Loại thứ hai có tác động tích cực đến việc thiết kế cấu trúc và

các bộ phận cơ khí của tuabin và cho phép xây dựng tuabin gió lớn hơn nó cũng giảm
sự mài mòn của hộp số và vòng bi, kéo dài thời hạn sử dụng và giảm các yêu cầu bảo
trì

19


Hạn chế chính của biến đổi tốc độ trong WECS là cần phải có một bộ chuyển đổi
năng lượng để kiểm soát tốc độ máy phát điện mà việc đó sẽ tăng chi phí và sự phức
tạp đối với hệ thống. Tuy nhiên, bộ chuyển đổi điện tách thiết bị phát điện ra khỏi lưới
điện, điều này cho phép điều khiển công suất hoạt động và công suất phản kháng của
lưới [13]. WECS có tốc độ biến đổi có thể được chia thành hai loại dựa trên công suất
của bộ chuyển đổi đối với tổng công suất của hệ thống: WECS sử dụng các bộ chuyển
đổi dung lượng có công suất thấp, và WECS vận hành với công suất đầy đủ.

Các WECS sử dụng các bộ chuyển đổi dung lượng có công suất thấp
chỉ có thể thực hiện được bằng máy phát điện cảm ứng rotor-rotor (WRIG)
vì hoạt động của tốc độ biến đổi có thể đạt được bằng cách điều khiển dòng rotor mà
không cần phải điều chỉnh tổng công suất của hệ thống. Có hai loại thiết kế cấu hình

20


WRIG: một với bộ điều biến biến đổi được điều khiển, và một một hệ thống chuyển
đổi điện góc một phần tư
Bộ tạo cảm ứng rotor có điện trở biến đổi. Hình 1-12 cho thấy một sơ đồ khối điển
hình của hệ thống năng lượng gió WRIG với điện trở rotor biến đổi trong mạch. Sự
thay đổi điện trở rotor ảnh hưởng đến mô-men xoắn / tốc độ đặc trưng của máy phát,
cho phép thay đổi tốc độ tuabin. Điện trở rotor thường được điều chỉnh bởi bộ chuyển
đổi công suất. Các phạm vi điều chỉnh tốc độ thường được giới hạn ở khoảng 10% so

với tốc độ đồng bộ

của máy phát điện [15]. Với hoạt động tốc độ biến thiên, hệ thống có thể thu được
nhiều năng lượng hơn từ gió, nhưng cũng có tổn thất năng lượng trong trở kháng của
rotor. Cấu hình này cũng đòi hỏi khởi động mềm và bù công suất phản kháng. Các
WRIG với biến trở rotor đã được đưa ra trên thị trường kể từ giữa những năm 1990
với công suất lên đến khoảng vài megawatts. Một ví dụ thực tế của cấu hình này và
tương ứng các tham số được đưa ra trong Bảng 1-9.
Máy phát điện cảm ứng kép với Bộ chuyển đổi Rotor. Một sơ đồ khối điển hình của
hệ thống năng lượng gió phát điện cảm ứng kép (DFIG) được hiển thị trong

21


Hình 1-13. Cấu hình của hệ thống này giống với hệ thống của WRIG ngoại trừ (1)
điện trở biến đổi trong mạch rotor được thay thế bằng hệ thống chuyển đổi lưới điện,
và (2) không cần phải khởi động mềm hoặc bù công suất phản kháng. Hệ số công suất
của hệ thống có thể được điều chỉnh bởi các bộ chuyển đổi điện. Các bộ

22


chuyển đổi chỉ phải xử lý công suất trượt trong các mạch rotor, là khoảng 30% công
suất định mức của máy phát, dẫn đến giảm chi phí chuyển đổi so với các hệ thống
năng lượng gió sử dụng bộ chuyển đổi công suất toàn phần [13]. Các ví dụ về cấu
hình này được đưa ra trong Bảng 1-10.
Việc sử dụng các bộ chuyển đổi cũng cho phép dòng điện hai chiều trong mạch
rotor và tăng phạm vi tốc độ của máy phát điện. Hệ thống này có tính năng cải tiến
tổng thể hiệu suất chuyển đổi năng lượng, phạm vi tốc độ máy phát điện mở rộng
trong khoảng (± 30%), và tăng cường hiệu suất động năng so với WECS tốc độ cố

định và hệ thống điện trởcó thể thay đổi. Các tính năng này đã làm cho hệ thống năng
lượng gió DFIG rộng rãi được chấp nhận trong thị trường ngày nay.

1.4.3 Hệ thống tốc độ biến đổi với bộ chuyển đổi công suất đầy đủ
Hiệu suất của hệ thống năng lượng gió có thể được tăng cường mạnh mẽ với việc sử
dụng một bộ chuyển đổi công suất đầy đủ. Hình 1-14 cho thấy một hệ thống trong đó
máy phát điện được kết nối với mạng lưới thông qua một hệ thống chuyển đổi công
suất đầy đủ [13]. Máy phát điện cảm ứng lồng sóc, máy phát đồng bộ rotor dây quấn
và máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) đều được áp dụng trong kiểu
cấu hình này với công suất lên tới vài megawatts. Công suất của máy biến đổi thường
tương tự như của máy phát điện. Với việc sử dụng bộ chuyển đổi điện, máy phát điện
được tách hoàn toàn ra khỏi lưới, và có thể hoạt động trong phạm vi tốc độ đầy đủ.
Điều này cũng cho phép hệ thống thực hiện bù công suất phản kháng và làm kết nối
lưới hoạt động trơn tru hơn. Hạn chế chính là làm cho hệ thống phức tạp hơn với chi
phí tăng lên. Cần lưu ý rằng hệ thống năng lượng gió có thể hoạt động mà không cần
hộp số nếu

23


một máy phát điện đồng bộ tốc độ thấp với một số lượng lớn các cực được sử dụng.
Việc loại bỏ hộp số cải thiện hiệu quả của hệ thống và giảm chi phí ban đầu và bảo trì.
Tuy nhiên, một máy phát tốc độ thấp có đường kính lớn hơn đáng kể để có thể chứa
một số lượng lớn các cực bên trong nó, điều đó có thể dẫn đến tăng chi phí máy phát
và phí lắp đặt.
Ví dụ về một chiến dịch thương mại hóa WECS với thiết kế có hộp số và không
hộp số được liệt kê trong bảng 1-11, nơi đánh giá công suất hệ thống, tốc độ tua bin,
loại máy phát điện, và cấu trúc liên kết chuyển đổi điện được cung cấp. Một số

24

25