Mô hình và mô phỏng các loại máy phát điện gió
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.3 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
NGUYỄN VĂN TIỆP
MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CÁC LOẠI MÁY
PHÁT 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
---------------------------
NGUYỄN VĂN TIỆP
MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CÁC LOẠI MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT
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 : TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
(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 ĐẠI HỌC 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 2018
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Văn Tiệp
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh:
Nơi sinh:
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV:
I- Tên đề tài:
Mô hình và mô phỏng các loại máy phát điện gió
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình khai thác năng lượng gió.
- Nghiên cứu và phân tích các loại máy phát điện gió mà bao gồm:
+ Máy phát điện gió không đồng bộ;
+ Máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cữu;
+ Máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép.
- Mô phỏng hoạt động của các máy phát điện gió trên.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
Nguyễn Văn Tiệp
LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM,
Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi
cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã
tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn
thiện luận văn này.
Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Nguyễn Văn Tiệp
Tóm tắt
Các nguồn điện truyền thống như thủy điện, nhiệt điện,... đang gánh
chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền
thống (nước, nhiên liệu hóa thạch,...). Để giảm bớt các gánh nặng này, việc
nghiên cứu, khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là thật sự quan
trọng và cần thiết. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối,... thì năng lượng gió được nhiều
nhà khoa học quan tâm.
Từ các phân tích sơ bộ cho thấy rằng để đạt được hiệu quả cao nhất
trong khai thác và phát triển nguồn năng lượng điện gió thì việc nghiên cứu và
phân tích nguồn năng lượng cũng như các phần tử cấu thành nên một hệ thống
điện gió là thật sự cần thiết và quan trọng. Trong số các thành phần quan trọng
của một hệ thống điện gió, máy phát điện gió đang được các nhà khoa học đặc
biệt quan tâm nghiên cứu và phân tích trong thời gian gần đây. Luận văn này sẽ
tập trung vào việc nghiên cứu và phân tích các loại máy phát điện đang được sử
dụng và khai thác trong hệ thống điện gió.
Đây chính là lý do, đề tài luận văn “Mô hình và mô phỏng các loại
máy phát điện gió” được lựa chọn và thực hiện.
Đề tài luận văn bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1 - Giới thiệu chung
+ Chương 2 - Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện gió
+ Chương 3 - Cơ sở lý thuyết hệ thống điện gió
+ Chương 4 - Phân tích máy phát điện gió
+ Chương 5 - Mô phỏng máy phát điện gió
+ Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai
Abstract
Traditional electricity sources, such as hydro-electricity, thermalelectricity sources, etc. are suffering from the severe pressures of depletion of
traditional primary energy sources (water, fossil fuels, etc.). To reduce these
burdens, the research, exploitation and use of renewable energy sources is truly
important and necessary.
Among renewable energy sources such as solar, wind, biomass, etc.,
wind energy is of great interest to many scientists.
Preliminary analyzes show that in order to achieve the highest efficiency
in the exploitation and development of wind power resources, the study and
analysis of the energy source as well as the components constituting a wind
power system is really necessary and important. Among the important
components of a wind power system, wind generators are being studied by
scientists in recent years.
This dissertation will focus on the research and analysis of the types of
generators that are being used and exploited in wind power systems.
This is the reason which the thesis topic "Modeling and simulation for
wind power generators" is selected and implemented.
The thesis topic includes the following contents:
+ Chapter 1 - Introduction
+ Chapter 2 - Literature review of wind power generators
+ Chapter 3 - Background to wind power systems
+ Chapter 4 - Analysis to wind power generators
+ Chapter 5 - Simulation results
+ Chapter 6 - Conclusions and future works
i
MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iv
Danh sách bảng .......................................................................................... viii
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 7
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 7
1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 8
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .......................................................... 8
1.6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 8
1.7. Bố cục của luận văn ................................................................................ 8
Chương 2 - Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện
gió ................................................................................................................ 10
2.1. Giới thiệu ............................................................................................. 10
2.2. Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện gió ................ 10
2.2.1. Các nghiên cứu nước ngoài .............................................................. 10
2.2.2. Các nghiên cứu trong nước .............................................................. 16
2.3. Kết luận ............................................................................................... 20
Chương 3 - Cơ sở lý thuyết hệ thống điện gió ........................................ 21
3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 21
3.2. Sự hình thành gió trong tự nhiên ......................................................... 21
3.3. Năng lượng gió .................................................................................... 21
3.4. Sự phân bố vận tốc gió ........................................................................ 22
3.5. Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor ................................ 23
3.6. Đường cong công suất tuabin gió ........................................................ 26
ii
3.7. Các mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió ..................................... 28
3.7.1. Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới ........... 28
3.7.2. Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và nối lưới ...................... 28
3.7.3. Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới ............................ 29
3.7.4. Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ, máy phát dự phòng và không
nối lưới ........................................................................................................ 30
3.8. Tuabin gió ............................................................................................ 31
3.8.1. Cấu tạo của tuabin gió ...................................................................... 31
3.8.2. Các loại tuabin gió ............................................................................ 33
3.8.3. Trụ tháp ............................................................................................ 35
3.8.4. Máy phát điện ................................................................................... 36
3.8.5. Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu .............................................................. 37
3.8.6. Điều chỉnh tốc độ tuabin gió ............................................................ 39
3.8.7. Các loại hệ thống máy phát điện tuabin gió ..................................... 41
3.9. Hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới điện ......................... 44
3.9.1. Bộ khởi động mềm sử dụng thyristor ............................................... 44
3.9.2. Bộ khởi động sử dụng tụ điện .......................................................... 44
3.10. Kết luận ............................................................................................. 44
Chương 4 - Phân tích máy phát điện gió ................................................ 45
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 45
4.2. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ .............. 46
4.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor
lồng sóc ....................................................................................................... 47
4.3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 47
4.3.2. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ...................... 48
4.3.3. Mô tả toán học của máy phát điện không đồng bộ ........................... 54
4.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép .............................................................................................................. 58
4.4.1. Giới thiệu .......................................................................................... 58
4.4.2. Mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép...... 62
iii
4.5. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu bên trong ............................................................................................... 64
4.5.1. Giới thiệu .......................................................................................... 64
4.5.2. Mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nam châm
vĩnh cửu bên trong ...................................................................................... 64
4.6. Nhận xét và đánh giá ........................................................................... 66
Chương 5 - Mô phỏng máy phát điện gió ............................................... 69
5.1. Giới thiệu .............................................................................................. 69
5.2. Mô phỏng các máy phát điện gió trong hệ thống điện tuabin gió ....... 69
5.2.1. Máy phát điện không đồng bộ .......................................................... 70
5.2.2. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .................................... 72
5.2.3. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ........................................ 74
5.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 76
5.3.1. Các kết quả mô phỏng của máy phát điện không đồng bộ ............... 77
5.3.2. Các kết quả mô phỏng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu .............................................................................................................. 79
5.3.3. Các kết quả mô phỏng của máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép .............................................................................................................. 81
5.4. Kết luận ............................................................................................... 83
Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 84
6.1. Kết luận ................................................................................................ 84
6.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 84
Tài liệu tham khảo ....................................................................................... 86
iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tiềm năng gió biển của Việt Nam ................................................ 5
Hình 1.2. Hệ thống điện gió ......................................................................... 7
Hình 2.1. Sơ đồ khối kết nối máy phát điện không đồng bộ nguồn kép rotor
dây quấn với bộ biến đổi nguồn áp back to back cung cấp cho cuộn dây
rotor trong nghiên cứu của J. G. Slootweg, H. Polinder và W. L. Kling ... 10
Hình 2.2. Bộ điều khiển góc pitch trong nghiên cứu của J. G. Slootweg,
H. Polinder và W. L. Kling ........................................................................ 11
Hình 2.3. Bộ điều khiển điện áp đầu cực máy phát điện gió trong nghiên
cứu của J. G. Slootweg, H. Polinder và W. L. Kling ................................. 11
Hình 2.4. Sơ đồ kết nối của stator và rotor máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép với lưới điện trong nghiên cứu của B. Rabelo và W. Hofmann 12
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng thể cho máy phát điện không đồng
bộ nguồn kép trong nghiên cứu của A. Tapia, G. Tapia, J. X. Ostolaza and
J. R. Saenz .................................................................................................. 12
Hình 2.6. Cấu trúc của các tuabin gió tốc độ biến đổi trong nghiên cứu của
Z. X. Fang, X. D. Ping and L. Y. Bing ....................................................... 13
Hình 2.7. Sơ đồ điều khiển công suất của máy phát điện gió DFIG trong
nghiên cứu của Z. X. Fang, X. D. Ping and L. Y. Bing ............................. 13
Hình 2.8. Sơ đồ tổng thể điều khiển DFIG trong nghiên cứu của tác giả
Võ Xuân Hải ............................................................................................... 18
Hình 2.9. Sơ đồ máy phát điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cữu trong nghiên cứu của các tác giả Phan Thị Nguyệt Nga
và Nguyễn Đăng Toàn ................................................................................ 19
Hình 2.10. Khả năng phục hồi sau sự cố của một tuabin gió ..................... 19
Hình 2.11. Điện áp - tần số làm việc của máy phát điện gió ...................... 19
Hình 3.1. Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết ................................. 24
v
Hình 3.2. Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin .... 25
Hình 3.3. Đường cong hiệu suất rotor Cp(, ) .......................................... 25
Hình 3.4. Góc pitch của cánh quạt tuabin .................................................. 26
Hình 3.5. Đường cong công suất của tuabin gió ........................................ 27
Hình 3.6. Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới ................... 28
Hình 3.7. Hệ thống điện gió không có lưu trữ và nối lưới ......................... 29
Hình 3.8. Hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới .................................... 29
Hình 3.9. Hệ thống điện gió có lưu trữ, có máy phát dự phòng và không
nối lưới ........................................................................................................ 30
Hình 3.10. Các thành phần chính của tuabin gió ....................................... 31
Hình 3.11. Hướng nhìn thẳng của tuabin gió ............................................. 32
Hình 3.12. Hướng nhìn nghiên của tuabin gió ........................................... 32
Hình 3.13. Các dạng tuabin gió trục đứng ................................................. 34
Hình 3.14. Các dạng tuabin gió trục ngang ................................................ 34
Hình 3.15. Các loại trụ tháp ....................................................................... 35
Hình 3.16. Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt ........................................................ 37
Hình 3.17. Bộ chỉnh lưu cưỡng bức ........................................................... 38
Hình 3.18. Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên ....................................... 38
Hình 3.19. Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưởng bức ................................... 39
Hình 3.20. Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh
giảm tốc ...................................................................................................... 40
Hình 3.21. Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh
theo độ nghiêng cánh tuabin ....................................................................... 41
Hình 3.22. Hệ thống máy phát tuabin gió tốc độ cố định .......................... 42
Hình 3.23. Hệ thống sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn43
Hình 3.24. Hệ thống sử dụng con chạy điều chỉnh điện trở rotor .............. 43
Hình 3.25. Hệ thống điều chỉnh tốc độ với biên độ điều chỉnh rộng ......... 44
Hình 4.1. Mặt cắt các máy điện .................................................................. 45
Hình 4.2. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng
bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện .............................................. 47
vi
Hình 4.3. Máy phát điện không đồng bộ 1,5 kW ....................................... 47
Hình 4.4. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ ....................................... 48
Hình 4.5. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ................ 49
Hình 4.6. Vỏ máy ....................................................................................... 50
Hình 4.7. Cấu tạo lõi thép stator ................................................................. 51
Hình 4.8. Dây quấn stator ........................................................................... 51
Hình 4.9. Sơ đồ khai triển dây quấn stator ................................................. 52
Hình 4.10. Lõi thép rotor ............................................................................ 52
Hình 4.11. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn ..... 53
Hình 4.12. Thanh dẫn của rotor lồng sóc ................................................... 53
Hình 4.13. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ ... 55
Hình 4.14. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không
đồng bộ ....................................................................................................... 56
Hình 4.15. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không
đồng bộ nguồn kép ..................................................................................... 60
Hình 4.16. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép61
Hình 4.17. Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu bên trong .............................................................................................. 65
Hình 5.1. Hệ thống điện gió độc lập ........................................................... 69
Hình 5.2. Mô phỏng máy phát điện không đồng bộ trong hệ thống điện
tuabin gió .................................................................................................... 70
Hình 5.3. Các thông số mô phỏng của máy phát điện không đồng bộ ....... 71
Hình 5.4. Mô hình và mô phỏng máy phát điện không đồng bộ trong hệ
thống điện tuabin gió .................................................................................. 71
Hình 5.5. Mô phỏng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ
thống điện tuabin gió .................................................................................. 72
Hình 5.6. Các thông số mô phỏng của máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu ...................................................................................................... 73
Hình 5.7. Mô hình và mô phỏng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu trong hệ thống điện tuabin gió ............................................................. 73
vii
Hình 5.8. Mô phỏng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ
thống điện tuabin gió .................................................................................. 74
Hình 5.9. Các thông số mô phỏng của máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép .............................................................................................................. 75
Hình 5.10. Mô hình và mô phỏng máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép trong hệ thống điện tuabin gió ............................................................. 75
Hình 5.11. Tốc độ gió ................................................................................. 76
Hình 5.12. Công suất tác dụng của máy phát điện không đồng bộ ............ 77
Hình 5.13. Điện áp stator của máy phát điện không đồng bộ .................... 77
Hình 5.14. Cường độ dòng điện stator của máy phát điện không đồng bộ 78
Hình 5.15. Tốc độ rotor của máy phát điện không đồng bộ ....................... 78
Hình 5.16. Công suất tác dụng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu .............................................................................................................. 79
Hình 5.17. Điện áp stator của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 79
Hình 5.18. Cường độ dòng điện stator của máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cửu ............................................................................................ 80
Hình 5.19. Tốc độ rotor của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .. 80
Hình 5.20. Công suất tác dụng của máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép .............................................................................................................. 81
Hình 5.21. Điện áp stator của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép .. 82
Hình 5.22. Cường độ dòng điện stator của máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép ................................................................................................... 82
Hình 5.23. Tốc độ rotor của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu . 83
viii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1. Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng nhanh ................................................. 1
Bảng 1.2. Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng chậm .................................................. 2
Bảng 1.3. Kịch bản cơ sở ............................................................................. 2
Bảng 1.4. Cấp gió Beaufor ........................................................................... 4
Bảng 2.1. Khả năng vận hành của máy phát điện gió ................................ 20
1
Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng là một trong những
yếu tố cần thiết phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của nhân loại.
Điều này cũng có nghĩa rằng khi mức sống của con người và nhu cầu sản xuất
được tăng cao thì nhu cầu về năng lượng điện cũng tăng theo để đáp ứng. Đây
chính là thử thách lớn đối với hầu hết các quốc gia, trong đó có Việt Nam.
Các dự báo phát triển kinh tế xã hội chủ nghĩa trong giai đoạn đến năm
2050 được dựa trên sự kế thừa các nghiên cứu khác nhau trong những năm qua,
việc xem xét tình trạng phát triển trong những năm qua và đánh giá các điều
kiện khó khăn hoặc thuận lợi trong tương lai. Ba kịch bản được mô tả như sau:
-
Kịch bản tăng trưởng cao
-
Kịch bản tăng trưởng thấp
-
Kịch bản tăng trưởng cơ sở
1.1.1. Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng nhanh
Tỷ lệ tăng trưởng theo kịch bản tăng trưởng nhanh được thể hiện như
Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng nhanh
Năm
2016 - 2020
2021 - 2030
GDP (%)
8,4
8,6
Nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy hải sản
2,2
2,2
Công nghiệp và xây dựng
9,3
9,1
Dịch vụ
9,3
9,2
2
1.1.2. Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng chậm
Tỷ lệ tăng trưởng theo kịch bản tăng trưởng chậm được thể hiện như
Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng chậm
Năm
2016 - 2020
2021 - 2030
GDP (%)
7,0
7,2
Nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy hải sản
2,0
2,0
Công nghiệp và xây dựng
7,5
7,4
Dịch vụ
8,0
8,0
c. Kịch bản cơ sở
Tỷ lệ tăng trưởng theo kịch bản cơ sở được thể hiện như Bảng 1.3.
Bảng 1.3. Kịch bản cơ sở
Năm
2016 - 2020
2021 - 2030
GDP (%)
8,0
7,8
Nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy hải sản
2,2
2,2
Công nghiệp và xây dựng
8,6
8,1
Dịch vụ
9,0
8,6
Nhìn chung, giai đoạn 2016 - 2020 sẽ là giai đoạn phát triển nhanh, ngay
cả trong kịch bản tăng trưởng chậm.
Chiến lược công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng trưởng cao để thực
hiện “dân giàu, nước mạnh” và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp tục đặt lên vai
ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thập niên tới. Để
hoàn thành được những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng dự báo
nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triển
năng lực cung ứng của mình.
3
Theo Quyết định 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 của Thủ Tướng Chính
Phủ về việc phê duyệt Tổng sơ đồ VII: Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia
giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030 và Quyết định 428/QĐ-TTg ngày
18/3/2016 của Thủ Tướng Chính Phủ về việc phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch
phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030. Theo
đó, việc phát triển nguồn điện tối thiểu phải đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế
- xã hội của cả nước khoảng 330 - 362 tỷ kWh trong năm 2020 và khoảng 695 834 tỷ kWh trong năm 2030.
Theo Quyết định 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 của Thủ Tướng Chính
Phủ với mục tiêu cụ thể là ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản
xuất điện, tăng tỉ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng này theo tổng điện
năng sản xuất là 4,5% năm 2020 và 6% năm 2030.
Về quy hoạch phát triển nguồn điện thì đưa tổng công suất nguồn điện
gió từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020,
khoảng 6.200 MW vào năm 2030. Điện năng sản xuất từ nguồn điện gió chiếm
tỷ lệ 0,7% vào năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.
Theo đánh giá tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng gió của
Việt Nam là rất lớn, vượt trội hơn so với tiềm năng của các nước láng giềng
trong khu vực như Lào, Campuchia và Thái Lan. Tiềm năng năng lượng gió
của Việt Nam được ước tính vào khoảng 513.360 MW, cao hơn gấp 6 lần so
với tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Trong đó, những khu
vực hứa hẹn nhất cho phát triển điện gió chủ yếu nằm ở các vùng ven biển và
cao nguyên miền nam trung bộ và miền nam của Việt Nam. Cũng theo nghiên
cứu của Ngân hàng Thế giới, ước lượng khoảng 8,6% tổng diện tích lãnh thổ
Việt Nam có tiềm năng gió với mức từ “cao” đến “rất cao”, phù hợp cho việc
triển khai tuabin gió cỡ lớn (với tốc độ gió lớn hơn 7,0 m/s).
Hiện nay, căn cứ vào tốc độ gió, bảng cấp gió được sử dụng phổ biến
trên thế giới là bảng cấp gió Beaufor với 17 cấp, Bảng 1.4.
4
Bảng 1.4. Cấp gió Beaufor
Cấp
Tốc độ gió
Áp suất gió trung
Đặc điểm
gió
m/s
km/h
bình (kg/m2)
của gió
0
0,0 - 0,2
0,0 - 1,0
0
Lặng gió
1
0,3 - 1,5
1-5
0,2
Gió êm
2
1,6 - 3,3
6 - 11
0,9
Gió nhẹ
3
3,4 - 5,4
12 - 19
2,2
Gió yếu
4
5,5 - 7,9
20 - 28
4,5
Gió vừa
5
8,0 - 10,7
29 - 38
7,8
Gió mát
6
10,8 - 13,8
39 - 49
12,5
Gió hơi mạnh
7
13,9 - 17,1
50 - 61
18,8
Gió mạnh
8
17,2 - 20,7
62 - 74
27,0
Gió rất mạnh
9
20,8 - 24,4
75 - 88
37,5
Gió bão
10
24,5 - 28,4
89 - 102
51,1
Bão
11
28,5 - 32,6
113 - 117
69,4
Bão mạnh
12
32,7 - 36,9
118 - 133
89,0
Bão rất mạnh
13
37,0 - 41,4
134 - 149
109,2
14
41,5 - 46,1
150-166
135,8
15
46,2 - 50,9
167-183
164,3
16
56,1 - 61,2
202-220
245,6
Mặt khác, đối với vùng biển đảo thì tiềm năng năng lượng gió lại vô
cùng to lớn, Hình 1.1. Tuy nhiên, đây mới chỉ là tiềm năng lý thuyết. Tiềm
năng có thể khai thác được và tiềm năng kinh tế kỹ thuật sẽ nhỏ hơn nhiều. Đây
sẽ là một nguồn năng lượng tiềm năng đáng kể có thể khai thác bổ sung cho
nguồn điện quốc gia, thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng
cạn kiệt.
Bên cạnh các chính sách và quy định liên quan đến phát triển năng
lượng tái tạo, Chính phủ Việt Nam đã ban hành Quyết định số 37/QĐ-TTg
ngày 29 tháng 6 năm 2011 về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại
Việt Nam. Quyết định đưa ra mức giá điện gió được mua bởi Bên mua điện là
5
1.614 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng, tương đương 7,8 US
cents/kWh), trong đó đã bao gồm khoản trợ cấp 207 đồng/kWh (tương đương
với 1,0 US cent/kWh) của Chính phủ thông qua Quỹ Bảo vệ Môi trường Việt
Nam.
Hình 1.1. Tiềm năng gió biển của Việt Nam
Cũng vì những lý do có tính phụ thuộc vào điều kiện môi trường như đã
được trình bày, mặc dù năng lượng gió ngày càng phổ biến và quan trọng
nhưng không thể là nguồn năng lượng chủ lực.
Tuy nhiên, khả năng kết hợp giữa điện gió và thủy điện tích năng lại mở
ra cơ hội cho Việt Nam. Một mặt, có thể đa dạng hóa được nguồn năng lượng,
kết hợp các nguồn năng lượng truyền thống với các nguồn năng lượng tái tạo
6
tương ứng với chi phí hợp lý. Mặt khác, có thể khai thác được thế mạnh, đồng
thời hạn chế của mỗi nguồn năng lượng và tận dụng các nguồn năng lượng này
trong mối quan hệ bổ sung lẫn nhau.
Khác với điện hạt nhân luôn cần một quy trình kỹ thuật và giám sát hết
sức nghiêm ngặt, việc xây lắp điện gió không đòi hỏi quy trình khắt khe đó.
Các chuyên gia về điện gió cho rằng với kinh nghiệm phát triển điện gió thành
công tại các nước trên thế giới và với những lợi thế về mặt địa lí của Việt Nam,
năng lượng điện gió hoàn toán có thể được phát triển sao cho có thể đóng góp
vào sự phát triển chung của nền kinh tế.
Có thể nhận ra rằng, so với các nguồn điện như nhiệt điện và thủy điện
thì điện gió tận dụng được nguồn năng lượng vô tận là gió. Nguồn năng lượng
này không bị hạn chế về quy mô diện tích đầu tư. Gió là nguồn nguyên liệu sơ
cấp sạch, không gây ô nhiễm không khí và nước khi tạo ra điện. Và vì vậy, có
khả năng giảm một cách đáng kể lượng khí CO2 thải ra môi trường, hạn chế các
hiện tượng mưa axít do khí thải SO2. Mặt khác, với đặc trưng phân tán và nằm
sát khu dân cư nên năng lượng điện gió có thể giúp tiết kiệm chi phí truyền tải.
Bên cạnh đó, đây cũng chính là cơ hội giúp cho việc đa dạng hóa các nguồn
năng lượng mà là điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hoặc một số
ít nguồn năng lượng chủ yếu và cũng chính điều này nhằm giảm các rủi ro và
tăng cường an ninh năng lượng.
Tuy nhiên, cũng có thể nhận ra rằng nhược điểm lớn nhất của điện gió là
sự phụ thuộc mạnh mẽ của nó vào điều kiện thời tiết. Các tuabin gió khi hoạt
động thường gây ra tiếng ồn, có thể phá vỡ cảnh quan tự nhiên và làm ảnh
hưởng đến tín hiệu của các sóng vô tuyến.
Về cơ bản, một hệ thống điện gió có thể bao gồm các phần tử chính như
sau: tuabin gió, hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và máy phát điện gió,
Hình 1.2.
Từ các phân tích sơ bộ ở trên cho thấy rằng để đạt được hiệu quả cao
nhất trong khai thác và phát triển nguồn năng lượng điện gió thì việc nghiên
cứu và phân tích nguồn năng lượng cũng như các phần tử cấu thành nên một hệ
thống điện gió là thật sự cần thiết và quan trọng. Trong số các thành phần quan
7
trọng của một hệ thống điện gió, máy phát điện gió đang được các nhà khoa
học đặc biệt quan tâm nghiên cứu và phân tích trong thời gian gần đây. Luận
văn này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu và phân tích các loại máy phát điện
đang được sử dụng và khai thác trong hệ thống điện gió.
Hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió
Máy phát
điện gió
Hình 1.2. Hệ thống điện gió
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Các nguồn điện truyền thống như thủy điện, nhiệt điện,... đang gánh
chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền
thống (nước, nhiên liệu hóa thạch,...). Để giảm bớt các gánh nặng này, việc
nghiên cứu, khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là thật sự quan
trọng và cần thiết. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối,... thì năng lượng gió được nhiều
nhà khoa học quan tâm. Trong hệ thống điện gió, máy phát điện gió là một
trong những thành phần quan trọng và không thể thiếu. Khi ấy, việc nghiên cứu
các loại máy phát điện gió lại trở thành một hướng nghiên cứu mang nhiều ý
nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên các loại máy phát điện gió khác
nhau mà được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện gió. Cụ thể bao gồm:
- Máy phát điện không đồng bộ (Induction generator);
- Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly-fed induction
generator);
- Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic
synchronous generator).
8
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán cho các loại máy phát điện gió khác
nhau trong hệ thống điện gió.
- Mô phỏng và phân tích các loại máy phát điện gió khác nhau trong hệ thống
điện gió tương ứng với các điều kiện môi trường tự nhiên khác nhau.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Mô hình và mô phỏng các loại máy phát điện gió” sẽ được
thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Tổng quan tình hình nghiên cứu, khai thác và sử dụng nguồn năng
lượng gió trên thế giới và tại Việt Nam.
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến các loại máy phát khác nhau
trong hệ thống điện gió.
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán cho các loại máy phát điện gió
khác nhau trong hệ thống điện gió.
- Mô phỏng và phân tích các loại máy phát điện gió khác nhau trong hệ
thống điện gió.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về năng lượng gió, hệ thống điện gió và máy
phát điện gió.
- Xây dựng mô hình toán cho các loại máy phát điện gió khác nhau.
- Mô phỏng vận hành các loại máy phát điện gió trong các điều kiện gió
khác nhau.
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm: 5 chương
Chương 1 – Giới thiệu chung
Chương 2 – Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện gió
Chương 3 – Cơ sở lý thuyết hệ thống điện gió
9
Chương 4 – Phân tích máy phát điện gió
Chương 5 – Mô phỏng máy phát điện gió
Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển tương lai
