Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió

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

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

HUỲNH THANH HÙNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU GÓC NGHIÊNG CÁNH
TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

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

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

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

HUỲNH THANH HÙNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU GÓC NGHIÊNG CÁNH
TUABIN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

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

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
(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

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Huỳnh Thanh Hùng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện 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;
- Nghiên cứu và đề xuất điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió của hệ thống điện
năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ;
- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng gió và điều khiển góc nghiêng cánh tuabin
gió của hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
CÁN BỘ HƯỚNG 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

Huỳnh Thanh Hùng


LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn
tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM;
Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH và Viện Đào tạo sau Đại học đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này.

Huỳnh Thanh Hùng


i

TÓM TẮT
Có thể nhận thấy rằng, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm
như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít bảo dưỡng, …
Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn 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 khai thác sử dụng trong các lĩnh vực
sản xuất và đời sống. Trong đó, việc khai thác và sử dụng năng lượng gió để
sản xuất năng lượng điện là một điển hình.
Góp phần cho vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và
an toàn của các hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho
việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống
điện gió”.
Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan mà bao gồm các nội

dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Hệ thống điện gió
- Chương 3: Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống
điện gió
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ
thống điện gió
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

ABSTRACT
It can be realized that the wind power system has many advantages such
as no need for input fuel, less environmental pollution, less maintenance,...
Especially, Vietnam is a country having a great potential on wind power with
more than 3,200 km of coastline.
Therefore, the use of wind energy in Vietnam has been and will be
encouraged to exploit for the production and life. In particular, the exploitation
and use of wind energy to produce electricity is typical.
Contributing to the problem mentioned above, the research and
exploitation of the efficiency and safety of wind power systems is very
necessary. This is also the main reason for choosing the topic: "Optimal pitch
angle control of a wind turbine power system".
The thesis is implemented to research related issues that include the
following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Wind energy power systems
- Chapter 3: Optimal pitch angle control of a wind turbine power system
- Chapter 4: Simulation results

- Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt ....................................................................................................... i
Mục lục..................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ .......................................................................................v
Danh sách bảng ..........................................................................................ix
Chương 1 - Giới thiệu chung ....................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................2
1.3. Mục tiêu của đề tài ...............................................................................3
1.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................4
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu .......................................................4
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.....................................................4
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................9
1.6. Bố cục của luận văn .......................................................................... 10
1.7. Kết luận ............................................................................................. 10
Chương 2 - Hệ thống điện gió................................................................. 11
2.1. Năng lượng gió .................................................................................. 11
2.1.1. Năng lượng gió trên thế giới............................................................ 12
2.1.2. Năng lượng gió tại Việt Nam .......................................................... 14
2.2. Đặc tính của năng lượng gió............................................................... 19
2.3. Hệ thống điện gió ............................................................................... 21
2.3.1. Tuabin gió ....................................................................................... 21
2.3.2. Máy phát điện trong hệ thống điện gió ............................................ 29
Chương 3 - Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống
điện gió .................................................................................................... 37

3.1. Giới thiệu ........................................................................................... 37
3.2. Máy phát điện gió .............................................................................. 37


iv

3.3. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ.............. 39
3.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng
sốc ............................................................................................................ 40
3.4.1. Phần stator ...................................................................................... 42
3.4.2. Phần rotor ....................................................................................... 44
3.5. Mô hình toán của máy phát điện không đồng bộ ................................ 47
3.6. Mô hình tuabin gió ............................................................................. 52
3.7. Điều khiển góc cánh tuabin gió .......................................................... 53
3.8. Điều khiển góc nghiên cánh tuabin gió sử dụng bộ điều khiển PI ....... 58
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của
hệ thống điện .......................................................................................... 64
4.1. Giới thiệu ........................................................................................... 64
4.2. Mô phỏng máy phát điện không đồng bộ............................................ 66
4.3. Mô phỏng tuabin gió .......................................................................... 69
4.4. Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin gió .............. 72
4.5. Kết quả mô phỏng giải thuật tối ưu công suất hệ thống điện gió ......... 75
4.5.1. Trường hợp 1 - Tốc độ gió không đổi .............................................. 75
4.5.2. Trường hợp 2 - Tốc độ gió thay đổi ................................................. 78
4.5.3. Trường hợp 3 - Tốc độ gió thay đổi ................................................. 81
4.5.4. Trường hợp 4 - Tốc độ gió thay đổi ................................................. 85
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 90
5.1. Kết luận ............................................................................................. 90
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................. 90
Tài liệu tham khảo .................................................................................. 91

v

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới
và tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh ...................................................5
Hình 1.2. Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành
khác nhau....................................................................................................5
Hình 1.3. Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong
nghiên cứu ..................................................................................................6
Hình 1.4. Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI ..........................................8
Hình 1.5. Sơ đồ khối tính toán các hệ số Kp và Ki .......................................8
Hình 2.1. Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận .............................................. 15
Hình 2.2. Điện gió Phú Quý, Bình Thuận.................................................. 16
Hình 2.3. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận .................................................. 17
Hình 2.4. Điện gió Bạc Liêu ..................................................................... 18
Hình 2.5. Các thành phần cơ bản của tuabin gió ........................................ 21
Hình 2.6. Tuabin gió trục đứng ................................................................. 22
Hình 2.7. Tuabin gió trục ngang................................................................ 22
Hình 2.8. Bên trong một tuabin phát điện gió ............................................ 24
Hình 2.9. Bộ điều khiển góc pitch ............................................................. 24
Hình 2.10. Hộp số tuabin gió .................................................................... 25
Hình 2.11. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp ............................ 26
Hình 2.12. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không
đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ..................................... 31
Hình 2.13. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không
đồng bộ nguồn kép.................................................................................... 32
Hình 2.14. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...
................................................................................................................. 34

Hình 3.1. Mặt cắt các máy điện ................................................................. 38
Hình 3.2. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng


vi

bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ............................................. 39
Hình 3.3. Máy phát điện không đồng bộ có công suất 1,5kW .................... 40
Hình 3.4. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ ....................................... 41
Hình 3.5. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc ................ 42
Hình 3.6. Vỏ máy...................................................................................... 43
Hình 3.7. Cấu tạo lõi thép stator ................................................................ 43
Hình 3.8. Dây quấn stator ......................................................................... 44
Hình 3.9. Sơ đồ khai triển dây quấn stator................................................. 44
Hình 3.10. Lõi thép rotor .......................................................................... 45
Hình 3.11. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn ...... 45
Hình 3.12. Thanh dẫn của rotor lồng sóc ................................................... 46
Hình 3.13. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ..... 49
Hình 3.14. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không
đồng bộ ..................................................................................................... 50
Hình 3.15. Vùng làm việc của các tuabin gió ............................................ 55
Hình 3.16. Cấu trúc của một mô hình tuabin gió với tốc độ tuabin có thể
thay đổi được ............................................................................................ 56
Hình 3.17. Chiến lược điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió ................. 57
Hình 3.18. Đặc tuyến góc nghiêng cánh tuabin gió ................................... 58
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện
không đồng bộ (Induction Generator, IG) ................................................. 65
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng của một cụm tổ máy phát điện gió................... 65
Hình 4.3. Mô hình máy phát điện gió không đồng bộ ................................ 67
Hình 4.4. Thông số cụm tổ máy phát điện gió ........................................... 68

Hình 4.5. Mô hình tuabin gió .................................................................... 70
Hình 4.6. Đặc tính tốc độ và công suất tuabin ........................................... 71
Hình 4.7. Thông số cụm tuabin gió ........................................................... 71
Hình 4.8. Vùng làm việc của các tuabin gió .............................................. 73
Hình 4.9. Mô phỏng tuabin gió với bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin
PI .............................................................................................................. 74


vii

Hình 4.10. Tốc độ gió - Trường hợp 1....................................................... 75
Hình 4.11. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 1 ....... 77
Hình 4.12. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường
hợp 1......................................................................................................... 77
Hình 4.13. Tốc độ gió - Trường hợp 2....................................................... 78
Hình 4.14. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 2 ....... 80
Hình 4.15. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường
hợp 2......................................................................................................... 81
Hình 4.16. Tốc độ gió - Trường hợp 3....................................................... 81
Hình 4.17. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 3 ....... 82
Hình 4.18. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường
hợp 3......................................................................................................... 84
Hình 4.19. Tốc độ gió - Trường hợp 4....................................................... 85
Hình 4.20. Công suất tác dụng của nhà máy điện gió - Trường hợp 4 ....... 87
Hình 4.21. Góc nghiêng cánh tuabin của nhà máy điện gió - Trường
hợp 4......................................................................................................... 88


ix

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1. Lựa chọn phương pháp điều chỉnh ............................................ 60
Bảng 3.2. Tác động của việc tăng một thông số độc lập ............................ 61
Bảng 3.3. Phương pháp Ziegler-Nichols ................................................... 61
Bảng 4.1. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 1 - Tốc độ không
đổi ............................................................................................................ 76
Bảng 4.2. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 2 - Tốc độ thay
đổi ............................................................................................................ 80
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 3 - Tốc độ thay
đổi ............................................................................................................ 84
Bảng 4.4. Kết quả mô phỏng tương ứng với trường hợp 4 - Tốc độ thay
đổi ............................................................................................................ 87
Bảng 4.5. Tổng kết các kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp 1, 2,
3 và 4 của tốc độ không đổi và thay đổi .................................................... 89


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Đặt vấn đề
Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng không thể thiếu trong việc thúc
đẩy sự phát triển về kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của mỗi Quốc gia.
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đời sống
người dân cũng ngày càng được cải thiện. Khi ấy, nhu cầu sử dụng năng lượng
điện ngày càng tăng cao.
Bên cạnh đó, tình trạng các nguồn nhiên liệu đầu vào truyền thống,
không tái tạo của các nhà máy nhiệt điện truyền thống như dầu mỏ, than đá, khí
đốt,… đều được cảnh báo cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung không ổn
định mà đã thúc đẩy con người và đặc biệt là các nhà khoa học phải vào cuộc

tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. Việt Nam cũng không thể tránh khỏi
nguy cơ thiếu hụt năng lượng này.
Trong khi đó, năng lượng thủy điện đã được khai thác tối đa với nhà
máy thủy điện công suất lớn, nhỏ khác nhau chiếm diện tích 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.
Với các vấn đề nêu trên, trong tương lai các vấn đề về an ninh năng
lượng sẽ không thể được đảm bảo. Các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại
hóa tại một số quốc gia khó trở thành hiện thực.
Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, các 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 các loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi
cuộc sống nhân loại, cải thiện môi trường, thiên nhiên…


2

Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút
sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong nghiên cứu, khai thác và sử
dụng.
Có thể nhận thấy rằng, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm
như không cần nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít bảo dưỡng, …
Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng
gió với hơn 3200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam
đã, đang và sẽ được khuyến khích khai thác sử dụng trong các lĩnh vực sản
xuất và đời sống. Trong đó, việc khai thác và sử dụng năng lượng gió để sản
xuất năng lượng điện là một điển hình.

Góp phần cho vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu khai thác hiệu quả và
an toàn của các hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho
việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống
điện gió”.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với những phát
minh, sáng chế giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhu cầu không
ngừng của con người. Song song với sự phát triển và tiến bộ này, con người
cũng luôn 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 đó, vấn đề năng lượng, đặc biệt là năng
lượng điện được đánh giá là quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong giai
đoạn này.
“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 36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử
dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại.
Thêm vào đó, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA –
International Energy Association) trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu


3

mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65%
(tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [1]-[2].
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 thì hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [2].
Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác
là phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa
thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn
như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng
thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các nhà khoa học tích cực
nghiên cứu khai thác. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng
tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và
khai thác ngày càng nhiều.
Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các
nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một
quốc gia nào, mà nó đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Trong số các nguồn
năng lượng tái tạo trên, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh
giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể khai thác được hiệu quả và tối
đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện. Câu trả lời là nhiệm
vụ của các nhà khoa học mà sẽ được đưa ra phân tích và giải quyết trong luận
văn này.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu:
+ Hệ thống điện gió;
+ Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện gió;
+ Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống
điện gió.


4

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 gió;
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ
trong hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống
điện gió;
- Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống điện
gió.
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác từ những năm của thế
kỷ thứ 11 và cho đến ngày nay đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa
học kỹ thuật và nhu cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên
cứu và khai thác năng lượng gió cho sản xuất năng lượng điện.
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
V. Ramakrishnan và S. K. Srivatsa với công trình nghiên cứu, “Pitch
control of wind turbine generator by using new mechanism”, đã biểu diễn mô
hình của các phần tử khác nhau trong hệ thống điện năng lượng gió có điều
khiển góc nghiêng cánh tuabin, thiết kế của bộ điều khiển góc nghiêng cánh
tuabin và phân tích các đáp ứng của hệ thống điện gió có điều khiển góc
nghiêng cánh tuabin khi tốc độ gió thay đổi [3].
Hệ thống điện gió có điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giám sát
sao cho công suất phát là lớn và ổn định. Hàm số góc nghiêng cánh tuabin
được sử dụng để điều khiển công suất cơ và là kỹ thuật điều khiển phổ biến
nhất được sử dụng cho việc điều khiển các tuabin gió tốc độ thay đổi.
Tương ứng với các tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió để phát công suất định
mức của máy phát, góc nghiêng cánh tuabin gió là lớn nhất. Tuy nhiên, góc
nghiêng cánh tuabin có thể nhỏ hơn để hỗ trợ tuabin gió tăng tốc nhanh hơn.


5

Tương ứng với tốc độ gió định mức, góc nghiêng cánh tuabin được điều
khiển để giữ máy phát làm việc tương ứng với công suất phát định mức thông
quan việc giảm góc nghiêng cánh tuabin. Công trình nghiên cứu đã phát triển
các mô hình động sử dụng phần mềm Simulink/Matlab. Các kết quả nghiên
cứu cũng được xác nhận thông qua các thực nghiệm dưới các điều kiện tốc độ
gió khác nhau. Bên cạnh đó, cơ cấu điều khiển động cơ bước cũng được đề
xuất sử dụng thay thế cho cơ cấu điều khiển thủy lực.
Tuabin

Máy phát điện
không đồng bộ

Bộ biến đổi
công suất

Lưới điện

Bộ điều khiển

Hình 1.1. Hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nối lưới và
tuabin có điều khiển góc nghiêng cánh

Hình 1.2. Góc nghiêng cánh tuabin tương ứng với các trạng thái vận hành khác
nhau


6

Hình 1.3. Bộ điều khiển góc nghiêng cánh tuabin được giới thiệu trong nghiên
cứu [3]

Mouna Ben Smida và Anis Sakly với công trình nghiên cứu, “Pitch
angle control for variable speed wind turbines”, đã khẳng định lại một lần nữa
kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió phục vụ cho việc điều khiển công suất
trong trường hợp tốc độ gió vượt quá tốc độ gió cho phép [4]. Kỹ thuật này có
thể được xem là một phương pháp luận điều khiển công suất phổ biến và hiệu
quả nhất. Thông thường, kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió sử dụng bộ
điều khiển PI. Nghiên cứu này áp dụng kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió
cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet
Synchronous Generator, PMSG). Các chiến lực điều khiển được thực hiện dưới
sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng Matlab/Simulink.
Z. Civelek, E. Cam, M. Luy và H. Mamur, với công trình nghiên cứu,
“Proportional - integral - derivative parameter optimisation of blade pitch
controller in wind turbines by a new intelligent genetic algorithm”, đã giới
thiệu thuật toán IGA (Intelligent genetic algorithm) cho việc tối ưu hóa các
thông số của bộ điều khiển PID mà được sử dụng trong các bộ điều khiển góc
cánh tuabin gió [5]. Thuật toán IGA này thực hiện sắp xếp lại tốc độ đột biến
và số điểm lai. Các kết quả được so sánh với các phiên bản thuật toán di truyền
khác và cho thấy rằng đáp ứng điều chỉnh góc cánh tuabin gió bằng việc sử
dụng bộ điều khiển với thuật toán di truyền đề xuất là tốt hơn bộ điều khiển với
các thuật toán di truyền phiên bản khác.
S. Khajuria và J. Kaur, với công trình nghiên cứu, “Implementation of
pitch control of wind turbine”, đã cho thấy rằng làm thế nào để tuabin gió tốc


7

độ thay đổi có thể được sử dụng để phát ra công suất với điện áp không đổi
thông qua kỹ thuật điều khiển góc cánh tuabin gió với bộ điều khiển PI [6]. Các
tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thực hiện mô phỏng. Các kết
quả đạt được cho thấy rằng bộ điều khiển đã điều khiển chính xác góc cánh

tuabin gió sao cho công suất của tuabin gió đạt được giá trị tối ưu. Máy phát
điện gió được sử dụng trong nghiên cứu này là máy phát điện gió không đồng
bộ.
J. Zhang, M. Cheng, Z. Chen và X. Fu, với công trình nghiên cứu,
“Pitch angle control for variable speed wind turbines”, đã giới thiệu bộ điều
khiển góc cánh tuabin gió sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ [7]. Trong
nghiên cứu này, hệ thống điện gió không cần được mô hình và tốc độ gió trung
bình được sử dụng để bù độ nhậy phi tuyến. Chiến lược điều khiển logic mờ là
khả thi khi hệ thống bao gồm các thành phần phi tuyến như sự nhiễu loạn của
tốc độ gió hoặc các mục tiêu điều khiển cho các tải lớn. Thiết kế của bộ điều
khiển logic mờ và các so sánh được thực hiện so với các chiến lược điều khiển
góc cánh tuabin gió thông thường khác cho thấy rằng bộ điều khiển sử dụng kỹ
thuật điều khiển logic mờ có thể đạt được hiệu quả điều khiển tốt hơn các chiến
lược điều khiển thông thường.
M. H. Refan, M. Kamarzarrin và A. Ameshghi, với công trình nghiên
cứu, “Control of wind turbine’s pitch angle based on DFIG by using MRAC
and PIP controller” đã giới thiệu kỹ thuật điều khiển tham chiếu mô hình trên
cơ sở thích nghi [8]. Các kết quả được so sánh với kỹ thuật điều khiển PIP
(Proportional Integral Plus) mà cho thấy rằng hiệu quả của kỹ thuật điều khiển
PIP thấp hơn kỹ thuật điều khiển thích nghi. Bên cạnh đó, sai số bám của kỹ
thuật điều khiển thích tham chiếu mô hình cũng được cải thiện một cách đáng
kể.
Rukslin, M. Haddin và A. Suprajitno, với công trình nghiên cứu, “Pitch
angle controller design on the wind turbine with permanent magnet
synchronous generator (PMSG) based on firefly algorithms (FA)” đã giới thiệu
thuật toán Firefly (FA) mà được sử dụng như là một kỹ thuật điều chỉnh các
thông số của bộ điều khiển PID [9]. Trong đó, bộ điều khiển PID được sử dụng


8

để điều khiển tốc độ tuabin gió, cùng với bộ điều khiển góc cánh tuabin gió.
Thuật toán FA được sử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ điều khiển của tuabin
gió máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (PMSG). Khi tốc độ gió thấp
dưới giá trị trung bình thì việc điều khiển tốc độ phải được thực hiện để duy trì
mức tốc độ tối ưu. Khi đó, công suất ngõ ra sẽ cực đại và vì thế, hiệu suất
tuabin sẽ được nâng lên. Việc điều chỉnh góc cánh tuabin được yêu cầu trong
các điều kiện của tốc độ gió trên giá trị cho phép. Sự thay đổi nhỏ của góc cánh
tuabin có thể ảnh hưởng ngõ ra công suất. Có thể nhận thấy rằng việc điều
khiển góc cánh tuabin gió là một trong những cách để thích nghi moment khí
động học của tuabin gió khi tốc độ gió trên tốc độ cho phép. Các kết quả từ
nghiên cứu này cho thấy rằng dưới sự hỗ trợ của thuật toán FA, công suất ngõ
ra là tối ưu và ổn định khi được so sánh với bộ điều khiển PID và kỹ thuật
Ziegler - Nichols.
A. Hwas và A. Katebi, với công trình nghiên cứu, “Wind turbine control
using PI pitch angle controller”, đã giới thiệu 2 kỹ thuật để tính toán các hệ số
của bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI cho một tuabin gió 5 MW [10].
Phương pháp thứ nhất là phân tích và phương pháp thứ hai là được dựa trên các
mô phỏng. Đầu tiên, các đặc tính hệ số công suất cho các góc cánh tuabin khác
nhau được tính toán. Sau đó, các đường cong công suất ngõ ra theo tốc độ rotor
từ các tốc độ cận dưới đến các tốc độ cận trên được mô phỏng. Các kết quả từ
các phân tích thứ nhất và thứ hai được sử dụng để tìm ra các hệ số điều khiển
tương ứng với các tốc độ gió khác nhau. Cuối cùng, các kết quả được so sánh
bằng việc sử dụng một mô hình tuabin gió để xác định đặc tính bám của tuabin
gió.

Hình 1.4. Bộ điều khiển góc cánh tuabin gió PI


9

Hình 1.5. Sơ đồ khối tính toán các hệ số Kp và Ki
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”,
Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu giải
thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công
suất cực đại của mô hình hệ thống điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu. Nghiên cứu đánh giá rằng đây là giải thuật tương đối đơn
giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá phổ biến [11].
Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy
phát điện gió không đồng bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách
Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy thực hiện điều khiển độc
lập công suất tác dụng và phản kháng. Trong nghiên cứu này, tác giả cũng thực
hiện điều khiển góc đón gió thông qua việc điều khiển góc cánh quạt sao cho hệ
thống điện gió có thể thu được nhiều năng lượng nhất. Máy phát điện gió được sử
dụng trong hệ thống điện gió nghiên cứu là máy phát điện gió không đồng bộ
nguồn kép [12].
Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật toán MPPT tối ưu công suất cho máy
phát năng lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thông minh", Luận văn Thạc sĩ,
Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã giới thiệu một giải thuật điều khiển bám
điểm công suất cực đại mà được kết hợp với công cụ điều khiển thông minh mạng
nơ-rôn để tối ưu công suất phát của máy phát điện gió DFIG [13].
Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió
dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường
Đại học Bách Khoa Tp. HCM, đã tìm hiểu giải thuật điều khiển sao cho công


10

suất phát của máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cực đại trên cơ

sở điều chỉnh tốc độ rotor và giải thuật P&O cải tiến. Giải thuật cải tiến sử
dụng thông số độ dốc của điện áp DC-link để phát hiện sự thay đổi nhanh
chóng của tốc độ gió và điều khiển bộ biến đổi công suất theo chế độ bước
nhẩy thay đổi [14].
1.6. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Hệ thống điện gió
- Chương 3: Điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ thống
điện gió
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu góc nghiêng cánh tuabin của hệ
thống điện gió
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
1.7. Kết luận
Rõ ràng rằng nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới nói chung và
Việt Nam nói riêng là rất lớn. Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam
- 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 [15]. Do đó, việc đầu tư phát triển nguồn điện, trong đó có các nguồn
năng lượng tái tạo là vô cùng cần thiết và hiệu quả đối với một quốc gia có
nhiều điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam. Vì vậy, việc nghiên cứu các
giải thuật để nâng cao hiệu quả khai thác của một hệ thống điện gió là hết sức
cần thiết và cấp bách.


11

Chương 2
Hệ thống điện gió
2.1. Năng lượng gió

Năng lượng gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà đang được đặc
biệt quan tâm liên quan đến 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 gió mang nhiều điểm thuận lợi
mà là lý do chính 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 này cho việc
sản xuất năng lượng điện 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.