Cải thiện ổn định quá độ máy phát điện gió nối lưới

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

ĐINH VŨ BẰNG

CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ
MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. Hồ Chí Minh tháng 08 năm 2018


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

ĐINH VŨ BẰNG

CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ
MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HÙNG

TP. Hồ Chí Minh tháng 08 năm 2018

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Phó giáo sư, Tiến sĩ: Nguyễn Hùng
(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 2018

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

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1
2
3
4
5
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
Cà Mau, ngày…… tháng….. năm 20..…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đinh Vũ Bằng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 03/10/1982

Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 1641830001

I- Tên đề tài:
Cải thiện ổn định quá độ máy phát điện gió nối lưới.
II- Nhiệm vụ và nội dung:

-

Giới thiệu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DFIG.

-

Giới thiệu các thiết bị FACTS.

-

Nguyên cứu các nguyên lý bù trong hệ thống điện.

-

Tổng quan về STATCOM

-

Mô hình hóa STATCOM trên phần mềm MATLAB/SIMULINK.

- Mô phỏng ứng dụng STATCOM nhằm cải thiện đáp ứng quá độ của
hệ thống điện gió nối lưới
III- Ngày giao nhiệm vụ

: Tháng 02 /2018

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 08 /2018
V- Cán bộ hướng dẫn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS,TS. Nguyễn Hùng

: PGS,TS. Nguyễn Hùng
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện

Đinh Vũ Bằng


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài
luận văn cao học của mình, có được kết quả này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đối với Thầy PGS, TS. Nguyễn Hùng, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình thực hiện Luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy trong bộ môn đã trang bị kiến thức
bổ ích cho tôi, cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu
luận văn, cảm ơn Cha Mẹ đã sinh ra con.

Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Đinh Vũ Bằng


iii

TÓM TẮT
Đề tài: Cải thiện ổn định quá độ máy phát điện gió nối lưới đã giải quyết
các vấn đề sau :
-

Giới thiệu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DFIG.

-

Giới thiệu các thiết bị FACTS.

-

Nguyên cứu các nguyên lý bù trong hệ thống điện.

-

Tổng quan về STATCOM

-

Mô hình hóa STATCOM trên phần mềm MATLAB/SIMULINK.

- Mô phỏng ứng dụng STATCOM nhằm cải thiện đáp ứng quá độ của
hệ thống điện gió nối lưới


iv

ABSTRACT

Wind energy is increasingly exploited, including wind turbine to the
control grid is posing problems to study. The objective of this project is:
- Improving control systems DFIG using Statcom.
- The simulation is based on MATLAB/SIMULINK
- Simulation of the transient stability of wind generators using Statcom.
Simulates 3-Bus and IEEE 14-bus power systems and compares the
results with the classical offset method.
The results show:
STATCOM automatically compensates the reactive power with the
optimum compensation capacity of the adjustment range shown in the figure
and virtually remedies the voltage instability in the system.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH .............................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................x
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ...........................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.2 Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài .......................................................................4
1.3 Những nghiên cứu cơ bản của đề tài ................................................................4
1.4 Kết quả đạt được ..............................................................................................5
Chương 2 TỔNG QUAN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ VÀ STATCOM........................6
2.1. Tổng quan về năng lượng điện gió...................................................................7
2.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phạm vi áp dụng máy phát điện gió nguồn
kép DFIG. ..............................................................................................................12
2.2.1. Cấu tạo DFIG ..........................................................................................12
2.2.2. Nguyên lý hoạt động DFIG .....................................................................14
2.2.3. Phạm vi áp dụng DFIG ...........................................................................28
2.3 Statcom ............................................................................................................29
2.3.1. Tổng quan về Statcom.............................................................................29
2.3.2. Giới thiệu Statcom ..................................................................................29
2.3.3 Cấu trúc Statcom ......................................................................................29
2.3.4 Nguyên lý hoạt động statcom...................................................................30
2.3.5 Các giải thuật điều khiển Stacom .............................................................33
2.4 Hệ thống điều khiển Stacom. ..........................................................................35
2.4.1 Các đặc tính của Statcom .........................................................................36


vi

2.4.2 Mô hình hóa Statcom ...............................................................................38
2.4.3 Mô hình mạch ..........................................................................................42
2.4.4 Mô hình toán Statcom: .............................................................................44

2.5 Các ứng dụng của Statcom trong thực tế. .......................................................46
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ MÁY PHÁT ĐIỆN
GIÓ NỐI LƯỚI DÙNG STATCOM ........................................................................47
3.1. Mô phỏng Statcom trên công cụ Simulink.....................................................47
3.1.1. Mô hình Statcom trên Matlab/Simulink..................................................48
3.1.2. Các chức năng Statcom trên Matlab .......................................................49
3.2. Mô phỏng cải thiện ổn định quá độ máy phát điện gió nối lưới dùng Statcom
...............................................................................................................................49
3.2.2 Kết quả đạt được của mô hình IEEE 14 bus. ...........................................63
CHƯƠNG 4: KẾT QỦA VÀ KẾT LUẬN ...............................................................64
4.1 Kết quả đạt được của đề tài .............................................................................64
4.2 Kết luận ...........................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................66


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STATCOM (Static Synchronous Compensator): bộ bù đồng bộ tĩnh SSSC (Static
Synchronous Series Compensator): dãy bù đồng bộ tĩnh FACTS (Flexible
Alternating Current Transmission System): hệ thống truyền tải điện xoay chiều.
SVC (Static Var Compensator): bộ bù công suất phản kháng
PLL (Phase Locked Loop): vòng khóa pha
VSC (Voltage Source Converter): bộ chuyển đổi nguồn áp
AC (Alternating Current): dòng điện xoay chiều
DC (Direct Current): dòng điện một chiều
GTO: Gate-TurnOff Thyristor
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
PWM: ( Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung
MBA: Máy Biến Áp

CSTD: Công Suất Tác Dụng
CSPK: Công Suất Phản Kháng
IG (Induction Generator): Máy phát điện gió cảm ứng
DFIG (Doubly-Fed Induction Generator): Máy phát điện gió nguồn kép
PID: Bộ điều khiển PID


viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1- Minh họa về tiêu chuẩn ITIC (CBEMA) ....................................................1
Hình 1.2- Minh họa về tiêu chuẩn SEMI F47 (Nguồn ABB) .....................................2
Hình 2.1: tua-bin-gió ...................................................................................................8
Hình 2.2: Công suất điện gió biển lắp đặt hàng năm 2013-2016 ..............................11
Hình 2.3: Mô hình các thành phần chính của turbine gió .........................................12
Hình 2.4: a) Cột tháp thanh sắt chéo (Lattice Tower); b) Cột tháp chằn giữ (Guyed
Tower); c) Cột tháp tiêu chuẩn tự do (Free Tower) ..................................................14
Hình 2.5: Chế độ hoạt động dưới đồng bộ của DFIG ...............................................16
Hình 2.6: Chế độ hoạt động trên đồng bộ của DFIG ................................................17
Hình 2.7: Mô hình hoạt động đồng bộ của DFIG .....................................................18
Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG (mạch trục q) ..........................19
Hình 2.9: Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG (mạch trục d) ..........................19
Hình 2.10: Mạch tương đương mỗi pha của máy phát điện nguồn kép ....................21
Hình 2.11: Sơ đồ tổng thể điều khiển DFIG .............................................................22
Hình 2.12: Xây dựng bộ điều khiển vòng lặp bên trong dòng rotor .........................24
Hình 2.13: Xây dựng bộ điều khiển vòng lập bên ngoài công suất tác dụng và phản
kháng .........................................................................................................................25
Hình 2.14: Điều khiển công suất của DFIG ..............................................................26
Hình 2.15: Cấu trúc của bô điều khiển bên rotor ......................................................27
Hình 2.16: Cấu trúc biến đổi của bộ điều khiển phía lưới ........................................28

Hình 2.17: Cấu trúc cơ bản của STATCOM.............................................................30
Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM ...............................................30
Hình 2.19: Nguyên lý bù của bộ bù STATCOM ......................................................31
Hình 2.20: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù ...............................32
Hình 2.21: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù ....................................32
Hình 2.22: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID ..........................................................33
Hình 2.23: Hệ thống điều khiển của Statcom ...........................................................35
Hình 2.24: Đặc tính V-I của Statcom ........................................................................36
Hình 2.25: Đặc tính Q-V của Statcom ......................................................................37
Hình 2.26 Sơ đồ đường dây đơn của hệ thống điện kết nối Statcom. .......................38


ix

Hình 2.27: Mô hình hệ thống học sử dụng Statcom .................................................39
Hình 2.28: Kết quả mô phỏng cho khi chưa có ngắn mạch Khi ngắn mạch pha A
cho thấy kết quả hiển thị trên màng hình ..................................................................40
Hình 2.29: Kết quả mô phỏng khi có ngắn mạch......................................................40
Hình 2.30: Mô hình mạch .........................................................................................42
Hình 2.31: Mô hình hệ thống nghiên cứu .................................................................45
Hình 2.32: Bộ điều khiển cho Statcom. ....................................................................45
Hình 3.1: Mô hình Statcom trên Matlab. ..................................................................48
Hình 3.2: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống điện gió IG nối lưới ........................................49
Hình 3.3: Các phần tử hệ thống, đường dây, máy biến áp trong Simulink...............50
Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển STATCOM ...................................................................51
Hình 3.5: Nhà máy điện gió 9MW ............................................................................51
Hình 3.6: Các thông số hiệu chỉnh của nhà máy điện gió 9MW ..............................52
Hình 3.7: Các thông số hiệu chỉnh của turbine gió 9MW.........................................52
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng của nhà máy điện gió 9MW .......................................53
Hình 3.9: Kết quả mô phỏng của turbine gió 9MW..................................................54

Hình 3.10: Mô hình điều khiển turbine gió IG .........................................................55
Hình 3.11: Mô hình điều khiển công suất nhà máy điện gió nối lưới ......................56
Hình 3.12: Sơ đồ khối bên trong Wind farm ............................................................56
Hình 3.13: Khảo sát tốc độ gió 9m/s .........................................................................57
Hình 3.14: Đáp ứng của turbine khi tốc độ gió thay đổi ...........................................58
Hình 3.15: Điều khiển công suất và điện áp tại nút B25 ..........................................58
Hình 3.16: Đáp ứng turbine 1 và 3 khi xảy ra ngắn mạch ........................................59
Hình 3.17: Công suất bù và điện áp đầu cực Statcom ..............................................60
Hình 3.18: Hệ thống điện IEEE 14 bus .....................................................................60
Hình 3.19: Mô hình IEEE 14-bus trong Matlab/ Simulink: ......................................61
Hình 3.20: Các đáp ứng tức thời của hệ thống nghiên cứu khi xảy ra ngắn mạch ba
pha .............................................................................................................................62


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Tiềm năng về năng luợng gió của Ðông Nam Á (Ngân hàng Thế giới) .....11


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển nhanh của các loại phụ tải điện và yêu cầu ngày càng
cao của khách hàng sử dụng điện, đặc biệt là các dây chuyền công nghệ sản xuất với
độ chính xác cao, độ nhạy cao như các nhà máy sản xuất vi mạch, sản xuất bán
dẫn…
Hiện nay trên thế giới, các tiêu chuẩn chất lượng điện năng được sử dụng
phổ biến là IEC 61000, EN50160, IEEE519…ngoài ra một số quốc gia xây dựng

tiêu chuẩn chất lượng điện năng riêng như G5/4 (Anh), AS 2271 (Australia), PRCPQG-01/1998 (Thái Lan)...
Đối với dao động điện áp, hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến cho khả
năng kháng dao động của hệ thống công nghệ tin học là Information Technology
industry Council ITIC (CBEMA) curve (1996) và của dây chuyền công nghệ sản
phẩm linh kiện bán dẫn SEMI F47-0706 Specification for Semiconductor
Processing Equipment Voltage Sag Immunity.

Vùng hạn chế

Điện áp

Vùng hệ thống nhà máy bị ảnh hưởng song
không làm hư hỏng thiết bị

Chu kỳ

Hình 1.1- Minh họa về tiêu chuẩn ITIC (CBEMA)


Biên độ sụt áp

2

Các sụt áp màu hồng ảnh hưởng
tới hoạt động nhà máy.

Số chu kỳ sụt áp (cycles)

Hình 1.2- Minh họa về tiêu chuẩn SEMI F47 (Nguồn ABB)
Việt Nam là một quốc gia thành viên của Tổ chức thương mại thế giới

(WTO) đang chuyển mình để hòa nhập cùng với các nước trên thế giới, theo đó, sẽ
xuất hiện ngày càng nhiều phụ tải với yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng
cao trên lưới điện Việt Nam. Tuy nhiên, chưa có nhiều công trình nghiên cứu về
chất lượng điện năng đối với lưới điện Việt Nam được công bố.
Ngày nay, việc phát triển kỹ thuật thyristor công suất lớn đã mở ra những
khả năng mới, một trong số đó là việc ra đời và ứng dụng các thiết bị FACTS có
nhiệm vụ bù tĩnh, điều chỉnh nhanh công suất lớn như STATCOM (Static
Synchronous Compensator), SVC (Static Var Compensator), TCSC (ThyristorControlled Series Capacitor)…Ứng dụng của thiết bị FACTS có thể được dùng
trong 3 trạng thái của hệ thống, bao gồm: trạng thái xác lập (thông thường), trạng
thái quá độ (thông thường) và trạng thái xác lập sau quá độ. Các thiết bị FACTS có
thể điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp,
giảm dao động công suất,…
Một trong đại diện của các thiết bị FATCS, với khả năng đáp ứng nhanh linh
hoạt đó là STATCOM, hay có tên gọi khác là thiết bị chuyển đổi nguồn áp.
STATCOM là kỹ thuật được sử dụng như một nguyên lý làm việc của bộ bù ngang
ứng động để điều khiển công suất tác dụng và công suất phản khảng trên hệ thống
điện truyền tải và phân phối.


3

STATCOM có khả năng phát hoặc thu công suất phản kháng, mà công suất
phản kháng này có thể được thay đổi để điều khiển các thông số của hệ thống điện.
STATCOM có thể cải thiện hiệu quả vận hành hệ thống điện như sau:
-

Điều khiển điện áp động trong hệ thống truyền tải và phân phối.

-

Ổn định quá độ.

-

Điều khiển nhấp nháy điện áp

-

Không chỉ điều khiển công suất phản kháng mà còn điều khiển công suất
tác dụng nếu cần.

Với những khả năng trên, STATCOM có thể được ứng dụng trong việc cải
thiện chất lượng điện áp, đặc biệt là các khu vực lưới điện gần với khách hàng sử
dụng điện với yêu cầu về điện áp chất lượng cao.
Hệ thống điều khiển là bộ não của STATCOM đối với việc điều khiển bù
ứng động công suất phản kháng cho hệ thống điện. Trên cơ sở các yêu cầu vận
hành, dạng ứng dụng, cấu trúc hệ thống và tối ưu tổn hao, các thông số điều khiển
chủ yếu được điều khiển để đạt được hiệu suất mong muốn và rất nhiều phương
pháp điều khiển dựa trên mạch động lực của STATCOM đã được nghiên cứu.
Nhiều kỹ thuật điều khiển cũng được đề xuất để thực hiện như kỹ thuật điều khiển
PI, PID, điều chế độ rộng xung (PMW). Xu hướng ngày nay, nhằm cải thiện giải
thuật điều khiển, người ra bắt đầu nghiên cứu thử các kỹ thuật điều khiển khác như:
điều khiển mờ, nơ-ron, nơ-ron mờ. Tuy nhiên với các giải thuật điều khiển thuộc
các công trình nghiên cứu trước đây có một số hạn chế sau:
-

Đối với giải thuật điều khiển PI, PID không đáp ứng tốt trong các chế độ
vận hành khác nhau.

-

Một số công trình nghiên cứu không giám sát điện áp một chiều (DC)
trong quá trình làm việc và điều khiển STATCOM.

Ngoài ra, Việt Nam chưa nhiều công trình nghiên cứu về STATCOM được
công bố. Đối với các công trình đã công bố, hầu hết tập trung chủ yếu vào việc lựa
chọn và xác định vị trí tối ưu để lắp đặt trên lưới điện, nâng cao ổn định điện áp,
ứng dụng trong truyền tải điện năng và chưa có nhiều công bố về giải thuật điều


4

khiển STATCOM đối với các bài toán hệ thống điện.
Do đó, để tạo môi trường thuận lợi và có cơ sở hạ tầng tốt (trong đó có hạ
tầng về cung cấp điện với chất lượng cao) nhằm thu hút các nhà đầu tư nước ngoài
trong lĩnh vực công nghệ cao, vấn đề chất lượng điện áp cần phải được nghiên cứu
nhiều hơn. Và việc nghiên cứu giải thuật điều khiển tiên tiến khác và áp dụng vào
việc điều khiển STATCOM nhằm nâng cao chất lượng của bộ điều khiển, nâng cao
hiệu quả làm việc của STATCOM và góp phần vào việc cải thiện chất lượng điện
áp, đặc biệt đối với các khu vực gần với khách hàng sử dụng điện là thực sự cần
thiết.
Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi
chịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa chọn đề tài
“Cải thiện ổn định quá độ máy phát điện gió nối lưới dùng Statcom” nhằm nghiên
cứu ứng dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM vào hệ thống điện gió nối lưới để
điều khiển công suất và cải thiện đặc tính quá độ của hệ thống khi xảy ra ngắn mạch
3 pha.
1.2 Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài
-

Nghiên cứu lý thuyết ổn định của hệ thống điện. Tổng quan về Statcom và
ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện đáp ứng động của hệ thống.

-

Mô phỏng hệ thống điện gió nối lưới trên môi trường Matlab/Simulink dùng
Statcom để điều khiển công suất và cải thiện đáp ứng quá độ.

1.3 Những nghiên cứu cơ bản của đề tài
-

Giới thiệu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DFIG.

-

Giới thiệu các thiết bị FACTS.

-

Nguyên cứu các nguyên lý bù trong hệ thống điện.

-

Tổng quan về STATCOM

-

Mô hình hóa STATCOM trên phần mềm MATLAB/SIMULINK.

- Mô phỏng ứng dụng STATCOM nhằm cải thiện đáp ứng quá độ của hệ thống

điện gió nối lưới


5

1.4 Kết quả đạt được
-

Xem xét mô hình hệ thống điện gió nối lưới nguồn kép, mô phỏng ứng
dụng Statcom để nâng cao hiệu quả vận hành trong xác lập và quá độ của
hệ thống điện gió nối lưới.


6

Chương 2 TỔNG QUAN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ VÀ

STATCOM
Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu
tố không thể thiếu được của các hoạt động kinh tế chính trị quốc phòng an ninh…..
Khi mức sống của người dân càng cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng
hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng lớn.Và việc thỏa mãn nhu cầu
này thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia. Với mục đích đáp ứng
nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng (xét đến yếu tố bảo vệ môi trường và tính
kinh tế), những nguồn năng lượng sạch đã và đang được thế giới quan tâm nhiều
hơn, và là một trong những lựa chọn cho ngành năng lượng thay thế trong tương lai.
Nguồn năng lượng sạch đang được quan tâm 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 sạch này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống của
nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường... Trong chiến lược phát triển năng

lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về Phong điện, năng lượng gió được xem
như là nguồn năng lượng sạch và vô tận.
Ưu điểm của năng lượng gió là dễ khai thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu
tư và chi phí vận hành tương đối thấp. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác
nguồn năng lượng này trong tương lai, công nghệ phải ngày càng hoàn thiện, năng
suất chuyển đổi gió thành điện ngày càng cao.
Hệ thống truyền tải điện ngày nay là một mạng phức tạp. đường dây truyền
tải điện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệ
thống điện. Các đường dây truyền tải nguồn công suất lớn theo hướng đi có sự kết
nối của hệ thống truyền tải để đạt được sự phân bố công suất như mong muốn. Hơn
nữa, đặc điểm chính của hệ thống truyền tải điện ngày nay là có nhiều cấu trúc
mạch vòng, trái với hệ thống truyền tải điện trước đây có nhiều cấu trúc hình tia,
cung cấp công suất từ máy phát đến phụ tải xác định.
Việc truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bố


7

công suất song song hoặc mạch vòng. Việc phân bố đó thường xảy ra trong hệ
thống mạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến các đường dây bị quá
tải dưới các vấn đề về dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp.
Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát công suất điện. Nó
là yêu cầu cơ bản để phát hết công suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệ
thống điện với việc duy trì tần số chung. Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động của
các thay đổi nhiễu loạn động, nhiễu loạn có thể là nguyên nhân của sự thay đổi đột
ngột sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống và hậu quả của
việc hư hỏng trong máy phát. Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễu
loạn và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dưới các điều kiện tác động ngẫu
nhiên trở thành việc thiết kế chính và các giới hạn vận hành đối với khả năng truyền
tải.

Khả năng này thường là đặc tính giới hạn ổn định hệ thống. Theo các vấn đề
đã được nhắc đến trên đây, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải
được giới hạn chính bằng hai chỉ số: phân bố công suất trên các đường dây và các
giới hạn ổn định của hệ thống điện. Trong chương này chúng ta quan tâm đến các
vấn đề cơ bản của máy phát điện gió DFIG và bộ điều khiển Statcom .
2.1. Tổng quan về năng lượng điện gió
Năng lượng gió làm cho hai hoặc ba cánh quạt quay quanh một rotor. Mà
rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy
phát để phát ra điện. Dòng điện từ máy phát phát ra qua bộ chỉnh lưu xoay chiều
thành một chiều và sau đó nghịch lưu một chiều thành xoay chiều có dạng sống
hình sin và tần số ổn định là 50Hz giống như tần số của lưới điện để hòa được vào
lưới điện.
Gió là một dạng năng lượng mặt trời và cũng là kết quả của sự nóng không
đồng đều của bầu khí quyển mặt trời, các bất thường của bề mặt trái đất, và vòng
quay của trái đất. Mô hình dòng chảy gió và tốc độ khác nhau rất nhiều trên khắp
thế giới và được biến đổi bởi cơ quan của nước, thảm thực vật và sự khác biệt về
địa hình. Con người sử dụng dòng chảy của gió hay năng lượng chuyển động cho


8

nhiều mục đích: đua thuyền, thả diều, và thậm chí tạo ra cả điện.
Các thuật ngữ điện gió hay năng lượng gió mô tả quá trình mà gió được sử
dụng để tạo ra năng lượng cơ khí hoặc điện. Tua bin gió chuyển đổi động năng
trong gió thành năng lượng cơ học. năng lượng cơ học này có thể được sử dụng cho
các nhiệm vụ cụ thể (như xay bột/bơm nước) hoặc một máy phát điện có thể chuyển
đổi năng lượng cơ học này thành điện năng.

Hình 2.1: tua-bin-gió
Nhận thức giá trị của nguồn năng lượng này từ cuối thập niên 80 của thế kỷ

XX một số nước đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo turbine gió phát điện. Đầu thập kỷ
90 năng lượng gió đã bắt đầu phát triển mạnh, thị trường thế giới về lắp đặt các
turbine gió phát triển nhanh chóng. Năm 2010 công suất lắp đặt turbine gió trên
toàn thế giới đạt 21 GW. Với tốc độ tăng trưởng như vậy tới năm 2020 năng lượng
từ sức gió sẽ đáp ứng 12% nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới và đến những
năm 2030-2040 tổng công suất năng lượng gió sẽ đạt đến con số 3 triệu MW cung
cấp 20% nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới. Cùng với sự phát triển của
khoa học và công nghệ ngày nay các trạm phát điện năng lượng gió rất đa dạng từ
công suất nhỏ (vài trăm W) phục vụ nạp ắc quy đến công suất lớn (hàng MW). Hiện


9

nay công suất của các trạm phát điện năng lượng gió đã đạt đến con số 5MW, đây là
một bước tiến vượt bậc của khoa học và công nghệ. Các trạm phát điện năng lượng
gió không chỉ được xây dựng trên đất liền mà đã được xây dựng trên biển, điều này
cho thấy rằng năng lượng gió rất được các nước quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
Trong sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo turbine gió phát điện
phải kể đến sự đóng góp quan trọng của các công ty chế tạo, sản xuất turbine gió
hàng đầu thế giới Negmicon A/S, Vestas A/S(Đan Mạch), Nordex, Enercon (CHLB
Đức), Gamesa (Tây Ban Nha), Zond systems Inc (Hoa Kỳ).
Châu Mỹ:
Mỹ: cho đến năm 2002 đã lắp đặt được 4.685 MW
Canada: phần lớn sử dụng thủy điện, nhưng với nhu cầu sử dụng điện ngày
càng gia tăng mà nguồn thủy điện lại có hạn nên việc sử dụng năng lượng gió là giải
pháp khả thi để bổ sung cho sự thiếu hụt này
Các nước Mỹ Latinh: đây là các nước có tiềm năng to lớn về năng lượng gió,
nhiều nhất là ở Brazil và Argentina. Nhưng trở ngại là thiếu cơ sở hạ tầng về lưới
điện cao áp để phát triển nguồn năng lượng dồi dào này.


Châu Âu:
Đan Mạch: năm 1999 Đan Mạch là quốc gia có ngành công nghiệp năng
lượng gió phát triển nhất thế giới. Trong những năm qua Chính Phủ đã tài trợ khai
thác nguồn năng lượng xanh và hiện nay năng lượng gió chiếm 11% lượng điện tiêu
thụ ở nước này.
Đức: là quốc gia có số lượng máy phát điện gió dẫn đầu thế giới. Hiện chính
phủ Đức đang áp dụng giá mua năng lượng mới cho các nguồn năng lượng có thể
tái tạo. Đạo luật này nhằm tăng thành phần các nguồn năng lượng có thể tái tạo
trong tổng thể các nguồn năng lượng tại Đức.
Tây Ban Nha : ở Tây Ban Nha có năng lượng sức gió rất khả quan, trong
những năm qua tốc độ phát triển năng luợng sức gió ở đây rất cao và hứa hẹn sẽ còn
tăng trong tương lai. Với tiềm năng lớn về tài nguyên gió trên một diện tích rộng
của đất nuớc, ngành công nghiệp khai thác năng luợng sức gió ở Tây Ban Nha đã và


10

đang có những đóng góp tích cực và ổn định cho ngành điện quốc gia. Cho đến năm
2002 đã lắp đặt được 4.830MW. Có thể dự báo rằng Tây Ban Nha sẽ lên vị trí dẫn
đầu về ngành công nghiệp năng lượng gió trong vòng vài năm nữa.
Châu Á:
Ấn Độ là một trong những nước đứng đầu thế giới về phát triển năng lượng
gió. Năm 2004 Ấn Độ đứng thứ 3 thế giới chỉ sau CHLB Đức và Tây Ban Nha. Nếu
lấy năm 2000 làm mốc khi đó chỉ có 1220 MW thì đến tháng 03/2005 công suất lắp
đặt đạt mức 3595 MW, công suất điện gió đã tăng lên gấp 3 lần.

Tình hình năng lượng gió trên thế giới và nhà máy phát điện gió ở Việt
Nam:
Nuớc ta nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa, với bờ biển dài nên rất
thuận lợi cho việc phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong

vùng biển Ðông Việt Nam và các vùng biển lân cận, cho thấy gió ở biển Ðông khá
mạnh và thay đổi theo mùa. Trong chương trình đánh giá về năng lượng Châu Á,
Ngân hàng Châu Á đã có khảo sát chi tiết về năng luợng gió khu vực Ðông Nam Á,
trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất ước đạt 513.360MW xấp xỉ 200 lần
công suất nhà máy thủy điện Sơn La.
Ở nuớc ta chỉ có một số nơi đuợc đề xuất xây dựng nhà máy điện gió như là
Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Trị, các vùng cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh
ven biển đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là 2 tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận.
Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế Giới, có 2 vùng là tiềm năng nhất để phát triển
năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát 60-100m phía tây Hàm
Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió ở vùng này không những có tốc độ gió trung
bình lớn từ 7-9m/s, gió có xu thế ổn định và có ít bão. Ðây là điều kiện rất thuận lợi
để phát triển năng lượng gió. Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông
nam lên đến 98% với tốc độ gió trung bình lên dến 6-7m/s ứng với tốc độ gió này
có thể xây dựng các trạm điện có công suất từ 3-3,5MW. Thực tế thì nguời dân ở
khu vực này cũng chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp
sáng.


11

Bảng 2.1 Tiềm năng về năng luợng gió của Ðông Nam Á (Ngân hàng Thế giới)

Hình 2.2: Công suất điện gió biển lắp đặt hàng năm 2013-2016