Phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới

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

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

LÊ THỊ HỒNG LAM

PHÂN TÍCH VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
NỐI LƯỚI

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

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

LÊ THỊ HỒNG LAM

PHÂN TÍCH VẬN HÀNH HỆ THỐNG 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. 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)

T
T1
2
3
4
5

C
hC
P
bP
b
Ủy
v
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: Lê Thị Hồng Lam

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới

II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió.
- Nghiên cứu hệ thống điện gió nối lưới.
- Nghiên cứu vận hành hệ thống điện gió nối lưới.
- Mô phỏng vận hành hệ thống điện gió nối lưới.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

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


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, 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

Lê Thị Hồng Lam


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công
nghệ Tp. HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học 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, PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn thành
Luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp và gia đình đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em.

Lê Thị Hồng Lam


Tóm tắt
Các phân tích cho thấy rằng tiềm năng nguồn điện năng lượng gió là rất
cao và ngày càng được phép tham gia nhiều vào cơ cấu nguồn điện của hệ
thống điện. Từ thực tế này đã dẫn đến nhu cầu nghiên cứu phân tích vận hành
hệ thống điện gió nối lưới là cần thiết. Luận văn "Phân tích vận hành hệ
thống điện gió nối lưới" được đề xuất nghiên cứu mà bao gồm các nội dung
như sau.
Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho công tác vận hành hệ thống điện, đặc
biệt trong trường hợp hệ thống điện có xem xét các nguồn năng lượng tái tạo
như nguồn năng lượng điện gió.
Trong luận văn này máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép được lựa
chọn trong khảo sát của hệ thống điện. Đây là một trong những loại máy phát
điện được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện gió công suất lớn.
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống điện gió
+ Chương 3: Mô hình toán của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn
kép
+ Chương 4: Mô phỏng phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Abstract
Analyzes show that the potential for wind power is very high and more
and more are allowed to participate in the source structure of the power system.
This fact has led to the demand for research and analysis of the operation of
grid connected wind power systems.
The thesis "Operation analysis of grid-connected wind power systems"
is proposed research that includes the following contents.
Research results are the basis for the operation of the power system,
especially in the case of power systems considering renewable energy sources
such as wind power.
In this thesis, doubly-fed induction generator (DFIG) is selected to
research for the power system including wind energy sources. This is one of the
generators commonly used in wind power systems with a high power.
The thesis contents are:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Background to analysis of wind power systems
+ Chapter 3: Mathematic model of a doubly-fed induction generator
+ Chapter 4: Simulation result
+ Chapter 5: Conclusion and future work


i

MỤC LỤC
Mục lục ...................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ .................................................................................... iii
Danh sách bảng .........................................................................................vi

Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................1

1.2. Tiềm năng và tình hình khai thác điện gió tại Việt Nam ......................7
1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................8
1.4. Mục tiêu đề tài ..................................................................................13
1.5. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................13
1.6. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................13
1.7. Bố cục của luận văn ..........................................................................13
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống điện gió ......................14
2.1. Giới thiệu ..........................................................................................14
2.2. Cấu tạo của hệ thống tuabin gió .......................................................15
2.3. Trụ đỡ tuabin gió ...............................................................................16
2.4. Cánh quạt và trục cánh quạt ..............................................................18
2.5. Động cơ điều chỉnh cánh quạt và điều khiển hướng tuabin ................19
2.6. Hệ thống hãm ....................................................................................20
2.7. Hộp số chuyển đổi tốc độ và hệ thống điều khiển cánh quạt ..............21
2.8. Vỏ tuabin ..........................................................................................21
2.9. Máy phát điện tuabin gió ...................................................................21
2.10. Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió ....................25
2.11. Phân bố công suất hệ thống điện bằng phương pháp Gauss - Seidel .26
2.12. Phân bố công suất hệ thống điện bằng phương pháp Newton - Raphson
.................................................................................................................28


ii

Chương 3 - Mô hình toán của máy phát điện gió không đồng bộ
nguồn kép ...............................................................................................33
3.1. Giới thiệu ..........................................................................................33
3.2. Mô hình toán tuabin gió ....................................................................33
3.3. Biến đổi các đại lượng pha sang đại lượng vector không gian ...........35
3.4. Mô hình toán của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ

trục tọa độ tĩnh

...................................................................................38

3.5. Mô hình toán của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ
trục tọa độ quay dp ...................................................................................41
3.6. Điều khiển công suất của DFIG .........................................................43
Chương 4 - Mô phỏng phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới 50
4.1. Giới thiệu ..........................................................................................50
4.2. Kết quả mô phỏng .............................................................................71
4.2.1. Tốc độ gió không đổi .....................................................................72
4.2.2. Tốc độ gió thay đổi ........................................................................77
4.2.3. Tốc độ gió thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B25 .............83
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai .............................88
5.1. Kết luận .............................................................................................88
5.2. Hướng phát triển tương lai .................................................................88
Tài liệu tham khảo ..................................................................................89


3

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Các dạng tuabin gió ..................................................................14
Hình 2.2. Cấu tạo của hệ thống tuabin gió trục ngang ..............................15
Hình 2.3. Cột thép tròn .............................................................................16
Hình 2.4. Cột tháp khung gian .................................................................17
Hình 2.5. Cột tháp dạng dây nối đất .........................................................18
Hình 2.6. Cánh quạt .................................................................................18
Hình 2.7. Trục cánh quạt ..........................................................................19
Hình 2.8. Động cơ điều chỉnh góc nghiêng của cánh tuabin .....................19

Hình 2.9. Động cơ điều chỉnh hướng tuabin .............................................20
Hình 2.10. Hệ thống hãm tuabin ..............................................................20
Hình 2.11. Hộp số chuyển đổi tốc độ .......................................................21
Hình 2.12. Võ tuabin ................................................................................21
Hình 2.13. Đặc tính moment quay của máy điện không đồng bộ ..............23
Hình 2.14. Hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện DFIG ..........24
Hình 2.15. Mô hình kết nối nhà máy điện gió vào lưới điện .....................25
Hình 3.1. Đặc tính của Cp(λ, β) ................................................................34
Hình 3.2. Nguyên lý vector trong không gian ...........................................36
Hình 3.3. Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq ....................41
Hình 3.4. Sơ đồ tương đương mô hình toán của DFIG trong hệ trục tọa độ
tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ ....................................................43
Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator DFIG và
lưới điện ..................................................................................................44
Hình 3.6. Định hướng hệ trục tọa độ dq theo vectơ điện áp lưới ...............44
Hình 3.7. Giản đồ vectơ điện áp lưới và vectơ từ thông stator ..................46
Hình 3.8. Giản đồ vectơ dòng, áp và từ thông của DFIG ..........................47
Hình 3.9. Giá trị tham chiếu điều khiển dòng điện stator được tính từ công
suất đặt ....................................................................................................48


4

Hình 4.1. Hệ thống điện gió nối lưới ........................................................51
Hình 4.2. Mô hình nhà máy điện gió 9 MW với 6 tuabin gió 1,5 MW ......51
Hình 4.3. Thông số máy phát điện DFIG của nhà máy điện gió ...............52
Hình 4.4. Thông số tuabin gió của nhà máy điện gió ................................53
Hình 4.5. Đặc tính công suất của tuabin gió .............................................54
Hình 4.6. Thông số điều khiển hệ thống điện tuabin gió ...........................55
Hình 4.7. Các mô hình đường dây của hệ thống điện gió .........................56

Hình 4.8. Các thông số của 2 mô hình đường dây 10 km và 20 km ..........58
Hình 4.9. Máy biến áp kết nối nhà máy điện gió với lưới điện .................59
Hình 4.10. Máy biến áp nối lưới điện với hệ thống điện ...........................60
Hình 4.11. Hệ thống điện .........................................................................63
Hình 4.12. Máy biến áp nối đất qua điện trở tạo trung tính giả .................64
Hình 4.13. Tải 500 kW .............................................................................65
Hình 4.14. Hệ thống tải ............................................................................67
Hình 4.15. Máy biến áp phân phối của hệ thống tải ..................................68
Hình 4.16. Tải trở của hệ thống tải ...........................................................69
Hình 4.17. Tải động cơ của hệ thống tải ...................................................69
Hình 4.18. Thông số tải động cơ của hệ thống tải .....................................70
Hình 4.19. Tụ bù nâng cao hệ số công suất ..............................................71
Hình 4.20. Tốc độ gió không đổi ..............................................................72
Hình 4.21. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B575 với tốc độ gió không
đổi ...........................................................................................................72
Hình 4.22. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B575 với tốc
gió không đổi ...........................................................................................73
Hình 4.23. Góc nghiêng cánh tuabin gió với tốc độ gió không đổi ............73
Hình 4.24. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B2300 của hệ thống tải với
tốc độ gió không đổi ................................................................................74
Hình 4.25. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B2300 của hệ
thống tải với tốc độ gió không đổi ............................................................74
Hình 4.26. Tốc độ động cơ tải của hệ thống tải tại thanh cái B2300 với


5

tốc độ gió không đổi ................................................................................75
Hình 4.27. Tốc độ gió thay đổi .................................................................77
Hình 4.28. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B575 với tốc độ gió thay

đổi ...........................................................................................................78
Hình 4.29. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B575 với tốc độ
gió thay đổi ..............................................................................................78
Hình 4.30. Góc nghiêng cánh tuabin gió với tốc độ gió thay đổi ..............79
Hình 4.31. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B2300 của hệ thống tải với
tốc độ gió thay đổi ...................................................................................79
Hình 4.32. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B2300 của hệ
thống tải với tốc độ gió thay đổi ...............................................................80
Hình 4.33. Tốc độ động cơ tải của hệ thống tải tại thanh cái B2300 với
tốc độ gió thay đổi ...................................................................................80
Hình 4.34. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B575 với tốc độ gió thay đổi
và ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B25 ......................................................83
Hình 4.35. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B575 với tốc độ
gió thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B25 ...................................84
Hình 4.36. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B2300 của hệ thống tải với
tốc độ gió thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B25 ........................84
Hình 4.37. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B2300 với tốc
độ gió thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B25 ..............................85
Hình 4.38. Tốc độ động cơ tải của hệ thống tải tại thanh cái B2300 với tốc
độ gió thay đổi và ngắn mạch 3 pha tại thanh cái B25 ..............................85


6

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1. Sự phát triển của tuabin gió từ 1995 đến 2015 ............................1
Bảng 1.2. Lịch sử tuabin gió ......................................................................4
Bảng 1.3. Hoạt động của các tuabin gió loại công suất lớn .........................5

1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Năng lượng gió được sử dụng cách đây 3.000 năm. Đến đầu thế kỉ 20,
năng lượng gió được dùng để cung cấp năng lượng cơ học như bơm nước hay
xay ngũ cốc. Vào đầu kỉ nguyên công nghiệp hiện đại, nguồn năng lượng gió
được sử dụng để thay thế năng lượng hóa thạch hay hệ thống điện nhằm cung
cấp nguồn năng lượng thích hợp hơn.
Đầu những năm 1970, do khủng hoảng giá dầu, việc nghiên cứu năng
lượng gió được quan tâm. Vào thời điểm này, mục tiêu chính là dùng năng
lượng gió cung cấp năng lượng điện thay thế cho năng lượng cơ học. Việc này
đã làm cho năng lượng gió trở thành nguồn năng lượng đáng tin cậy và thích
hợp nhờ sử dụng nhiều kĩ thuật năng lượng khác – thông qua lưới điện dùng
như nguồn năng lượng dự phòng.
Tuabin gió đầu tiên dùng để phát điện được phát triển vào đầu thế kỉ 20.
Kĩ thuật này được phát triển từng bước một từ đầu những năm 1970. Cuối
những năm 1990, năng lượng gió trở thành một trong những nguồn năng lượng
quan trọng nhất. Trong những thập kỉ cuối của thế kỉ 20, tổng năng lượng gió
trên toàn thế giới tăng xấp xỉ gấp đôi sau mỗi 3 năm. Chi phí điện từ năng
lượng gió giảm xuống còn 1/6 so với chi phí của đầu những năm 1980. Và xu
hướng giảm này vẫn tiếp tục. Các chuyên gia dự đoán rằng tổng năng lượng
tích lũy trên toàn thế giới hằng năm sẽ tăng khoảng 25% một năm và chi phí sẽ
giảm khoảng 20% - 40%.
Kĩ thuật năng lượng gió phát triển rất nhanh vể mọi mặt. Cuối năm
1989, việc chế tạo một tuabin gió công suất 300 kW, có đường kính rotor 30 m
đòi hỏi kĩ thuật tối tân. Nhưng chỉ trong 10 năm sau đó, một tuabin gió công
suất 2.000 kW có đường kính rotor vào khoảng 80 m đã được sản xuất đại trà.
Tiếp theo đó, dự án dùng tuabin gió công suất 3 MW có đường kính rotor 90 m

được lắp đặt vào cuối thế kỉ 20. Hiện tại, tuabin gió công suất 3 – 3,6 MW đã


2

được thương mại hóa. Bên cạnh đó, tuabin gió công suất 4 – 5 MW đã được
phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong một số dự án và tuabin gió công suất 6 –
7 MW đang được phát triển trong tương lai gần. Bảng 1.1 trình bày về sự phát
triển của tuabin gió từ năm 1985 đến năm 2015.
Bảng 1.1. Sự phát triển của tuabin gió từ 1985 đến 2015
N C Đ
ă n ư
50 15
30
0
50
0
60
0
1.
50

30
37
46
70
390
3–
4 11
5

Lịch sử phát triển năng lượng gió được chia làm hai phần:
+ Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng cơ học.
+ Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng điện.

a. Sản xuất năng lượng cơ học
Cối xay sớm nhất được ghi nhận là cối xay gió trục đứng. Những cối
xay gió này có thể được miêu tả như một thiết bị kéo đơn giản. Chúng được
dùng ở vùng cao nguyên Afghan để xay ngũ cốc từ thế kỉ thứ 7 trước công
nguyên.
Chi tiết đầu tiên về cối xay gió trục ngang được tìm thấy trong tài liệu
lịch sử ở vùng Persia, Tibet và Trung Quốc vào khoảng 1.000 năm sau công
nguyên. Loại cối xay gió này cán và cánh ngang xoay vòng trong mặt phẳng
đứng. Cối xay gió trục ngang trải dài từ vùng Ba Tư và Trung Đông đến vùng
Midterranean và trung tâm Châu Âu. Cối xay gió trục ngang đầu tiên xuất hiện
ở Anh vào khoảng năm 1150, 1180 ở Pháp, 1190 ở Phần Lan, 1222 ở Đức và
1259 ở Đan Mạch. Sự phát triển nhanh chóng là do bị ảnh hưởng do cuộc viễn


3

chinh chữ thập (ở Châu Âu), được biết đến như sự kiện lịch sử về cối xay gió
từ Ba Tư đến nhiều nơi ở Châu Âu.
Ở Châu Âu, cối xay gió được phát triển vào khoảng giữa thế kỉ 12 và thế
kỉ 19. Vào cuối thế kỉ 19, đặc trưng của cối xay gió Châu Âu là dùng cánh quạt
có đường kính 25 m, và thân đạt tới 30 m. Cối xay gió không chỉ dùng để xay
ngũ cốc mà còn dùng để tiêu nước ở hồ và đầm lầy. Tới năm 1800, có khoảng
20.000 cối xay gió hoạt động ở Pháp, và 90% năng lượng dùng trong công
nghiệp ở Hà Lan là sử dụng năng lượng gió. Việc công nghiệp hóa đã làm suy
giảm dần việc sử dụng cối xay gió, nhưng trong năm 1904 năng lượng gió vẫn
cung cấp 11% trong công nghiệp năng lượng ở Hà Lan và ở Đức có hơn 18.000

đơn vị.
Khi cối xay gió bắt đầu suy giảm ở Châu Âu, thì cối xay gió mới có mặt
ở Bắc Mĩ nhờ những người khai hoang. Cối xay gió nhỏ dùng để bơm nước
cho thú nuôi là phổ biến. Nổi tiếng nhất là cối xay gió của người Mĩ, hoạt động
tự điều chỉnh có nghĩa là chúng có thể hoạt động mà không suy giảm. Cơ chế
tự điều chỉnh hướng cánh quạt theo hướng gió trong lúc vận tốc gió cao. Kiểu
cối xay gió của Châu Âu thường phải xoay ra theo hướng gió hay cánh quạt
cuốn lại khi có gió lớn để tránh phá hủy cối xay gió. Sự phổ biến của cối xay
gió đạt đỉnh điềm vào giữa năm 1920 và năm 1930, với khoảng 60.000 đơn vị
được lắp đặt. Nhiều kiểu cối xay gió của người Mĩ hiện vẫn được sử dụng cho
mục đích nông nghiệp trên toàn thế giới.

b. Sản xuất năng lượng điện
Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế tạo tuabin gió đầu tiên phát
ra điện. Các kĩ sư Đan Mạch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lượng thiếu
trong chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai. Tuabin gió của công ty Đan
Mạch, F. L. Smidth chế tạo trong năm 1941 – 1942 có thể được xem là nguyên
mẫu đầu tiên của tuabin gió phát điện ngày nay. Tuabin gió Smidth đầu tiên sử
dụng cánh máy bay dựa trên kĩ thuật tiên tiến của ngành máy bay cùng thời.
Vào cùng thời điểm đó, một người Mĩ Palmer Putnam đã chế tạo tuabin gió
khổng lồ cho Công ty Mĩ Morgan Smith Co., có đường kính 53 m. Tuabin gió


4

này không chỉ khác ở kích thước to lớn mà kĩ thuật chế tạo cũng khác biệt. Kĩ
thuật của người Đan Mạch cơ bản dựa trên cánh quạt theo chiều gió đang thổi
với sự điều khiển ngừng quay, hoạt động ở tốc độ chậm. Kĩ thuật của Putnam
cơ bản dựa trên cánh quạt theo hướng gió thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Tuy
nhiên, tuabin gió của Putnam vẫn chưa thành công. Nó được dỡ bỏ vào năm

1945. Bảng 1.2 trình bày tổng quan về lịch sử của tuabin gió.
Bảng 1.2. Lịch sử tuabin gió
D

T Đ

i

u ư

ệ

a ờ
b n
Po
2
ul
La 3
C
S
m
it
h
F.
L.
S
mi
F.
L.
S

mi
G
ed
se
r,
H
utt

n

C
ô
n
g

C

SC

ô

ố hi

n
g
s

c

ề

á

u

N
g
à

0 4
,
0

y
31
48
9

5 2 1.
3 . 25
20
3
1 2
7 3
7
2 4 7
4 5 0
6
2 42
4 50

3 2
90
1

0
,
5
6
0
,
2
0
,
1
0
,
4
0

31
49
4
1
21
49
4
21
49
4
21

59
25
1

4

,

4 1
0 8
8

00

2

3
3
3
2

29

Sau chiến tranh thế giới thứ hai, ở Đan Mạch, Johannes Juul đã cải tiến
kĩ thuật thiết kế của người Đan Mạch. Tuabin gió của anh ta, được đặt ở Gedser
– Đan Mạch, phát 2,2 triệu kWh từ năm 1956 và 1967. Vào cùng thời điểm đó,
gia đình German Hutter đã phát triển một kĩ thuật thiết kế mới. Tuabin gió gồm
2 cánh mỏng bằng nhựa đón theo hướng gió thổi của tháp trên trục quay.
Tuabin gió này nổi tiếng về hiệu suất cao.

5

Trái lại sự thành công của tuabin gió Juul và Huuter, việc nghiên cứu
tuabin gió công suất lớn bị ngưng sau chiến tranh thế giới thứ hai. Chỉ có loại
tuabin gió công suất nhỏ cho hệ thống công suất ở vùng sâu vùng xa hay sạc
pin là còn được quan tâm. Việc khủng hoảng giá dầu đầu những năm 1970,
năng lượng gió mới được quan tâm trở lại. Kết quả là tài chính hỗ trợ cho
nghiên cứu và phát triển năng lượng gió đã được đầu tư. Các nước như Đức,
Mĩ và Thụy Điển đã nghiên cứu phiên bản tuabin gió công suất lớn (vào
khoảng MegaWatt).
Bảng 1.3. Hoạt động của các tuabin gió loại công suất lớn

T
u
a
b
M
od
–
Gr
o
S
mi
th
–
W
T
Ni
be

A,
Đ
W
E
G
L
M
od
N
as
ud
de
M
od
–
O

D

Đ

i

ư

ệ

ờ

n

n
g

6
0
1
0

C
C

G ô T

ô

i

n

ờ g ời

g

gi

h
t s2 0
2.
8

,
2
7.
3 74
8
2

n h

s
0
,
7
0
,

a
19
79
–
19
81

5 2. 1
6 0 19
32 ,
9 , 41
3
2
7 4. 4 75 21 –19

87
.
6 82
4 1. 0
02 ,
5 6
6 2. 3
08
92
6. 2

8
.
4
8
.
4
8

219
79
–
619
87
1 –19

15

,

.

5 82

7 4.
54
1
3 1.
81
4

21
1.
4
0 1
, 3.
2 0

1 19
3 83
–
119
77
–


6

Tj
ær

eb
or
Éc
ol
M
od
–
5
M
ag
lar
pNi
be
B,
Đ
Tv
in
d,
Đ

6 2.
19
62
4.

21
4.
3 1
1

1 19
0 88
1 –19

40

, 9.

2 87

9 7. 3 2
8 4 , 0.
6 2 5
7 4. 3 2
87
6.
7
1
4 1. 0 2
0 2 , 9.
5 6 4
5 2. 2 5
42
0.
9
0

2 19
7 87
–

3 19
4 82
–
819
80
–
1 19
4 78
–

Tuy nhiên, do mô hình hệ thống hỗ trợ đặc biệt từ chính phủ ở một số
nước như Đan Mạch nên việc phát triển trong việc sử dụng năng lượng gió vẫn
có những bước tiến. Mô hình hệ thống quan trọng nhất là Public Utility
Regulatory Policies Act (PURPA), thông qua bởi Quốc hội Mĩ vào 11/1978.
Với động thái này, Tổng thống Carter và Quốc hội hướng tới tăng việc dân
dụng hóa sự chuyển đổi năng lượng và hiệu suất và qua đó giảm sự phụ thuộc
của quốc gia vào năng lượng hóa thạch. PURPA kết hợp với khoản tín dụng
thuế đặc biệt cho hệ thống năng lượng mới nhằm tạo ra bước ngoặt trong công
nghiệp năng lượng gió đầu tiên trong lịch sử. Dọc theo dãy núi phía Đông của
Francisco và phía Đông Bắc của Los Angeles, nhà máy điện gió rộng lớn được
thiết lập. Hơn một năm, kích thước của tuabin gió tăng lên khoảng 200 kW vào
cuối những năm 1980. Hầu hết, tuabin gió đều được nhập từ Đan Mạch, nơi
công ty Poul LaCour và Johannes Juul đã có những bước tiến xa trong kĩ thuật
thiết kế tuabin gió hướng theo chiều gió đang thổi với bộ điều chỉnh tốc độ.
Vào cuối những năm 1980, khoảng 15.000 tuabin gió công suất trên khoảng
1.500 MW được lắp đặt ở California.
Cũng vào thời điểm này, tài chính hỗ trợ cho năng lượng gió giảm
xuống ở Mĩ nhưng tăng lên ở Châu Âu và sau đó là Ấn Độ. Trong những năm
1990, Châu Âu hỗ trợ mô hình dựa chủ yếu trên thuế nuôi cố định cho sản xuất

7

năng lượng tái tạo. Ấn Độ tiếp cận mô hình dựa trên khấu trừ thuế cho việc đầu
tư năng lượng gió. Những mô hình hỗ trợ này nhằm hướng tới phát triển nhanh
của các trạm lắp đặt tuabin gió ở các nước Châu Âu, đặc biệt ở Đức cũng như ở
Ấn Độ. Song song theo sự phát triển của thị trường năng lượng gió, kĩ thuật
cũng có những bước tiến xa. Cuối thế kỉ 20, 20 năm sau khi thế giới không
thành công trong việc thử nghiệm tuabin gió công suất MegaWatt, tuabin gió
1,5 – 2 MW đã trở thành một kĩ thuật hiện đại.
1.2. Tiềm năng và tình hình khai thác điện gió tại Việt Nam
Theo bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của tổ chức Khí tượng thế giới
và bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của khu vực Đông Nam Á, do tổ chức
True Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của Ngân hàng Thế giới, xuất
bản năm 2001, cho thấy: Khu vục ven biển tự Bình Định đến Bình Thuận, Tây
Nguyên, dãy Trường Sơn phía bắc trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7,0;
8,0 và 9,0 m/s, có thể phát điện với công suất lớn (nối lưới điện quốc gia). Phần
lãnh thổ còn lại có tốc độ gió đạt từ 5,0 đến 6,0 m/s, có thể khai thác gió kết
hợp diesel để tạo nguồn điện độc lập cung cấp cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa.
Cũng ngay từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ trước, một số nhà đầu tư và
chuyên gia về năng lượng gió của Đức, Tây Ban Nha, Bỉ, Ý, Mỹ,... đã tiếp xúc
và tìm hiểu về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam, cũng đã đề xuất hợp tác hoặc
tài trợ, xây dựng các nhà máy điện gió tại Viêt Nam như: Nhà máy điện gió tại
huyện đảo Bạch Long Vĩ, Tp. Hải Phòng có công suất 800 kW; Phú Quý với
công suất thiết kế (giai đoạn 1) là 3 MW; công trình Nhà máy phong điện
Phương Mai 3 chính thức được khởi công xây dựng tại địa bàn hai xã Cát
Chánh và Cát Tiến, bán đảo Phương Mai, Huyện Phù Cát, Tỉnh Bình Định; Dự
án điện gió tại Huyện Tuy Phong, Bình Thuận;...
Các dự án phát triển điện gió đang thực hiện bao gồm:
+ Hai dự án điện gió tại Quy Nhơn: Công suất dự kiến là 51 MW và 84

MW do Công ty Gravbovski, Đức thực hiện.
+ Dự án điện gió tại huyện Tuy Phong, Bình Thuận của Công ty Cổ
phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) với tổng công suất dự án là 120


8


MW.
9 50 MW, Xã Phước Minh, huyện Ninh
+ Nhà máy điện gió với công suất

Phước.
Từ các phân tích trên cho thấy rằng tiềm năng nguồn điện năng lượng
gió là rất cao và ngày càng được phép tham gia nhiều vào cơ cấu nguồn điện
của hệ thống điện. Từ thực tế này đã dẫn đến nhu cầu nghiên cứu phân tích vận
hành hệ thống điện gió nối lưới là cần thiết. Luận văn "Phân tích vận hành hệ
thống điện gió nối lưới" được đề xuất nghiên cứu.

1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Nguyễn Bảo Anh đã nghiên cứu điều khiển trực tiếp công suất tác dụng
và công suất phản kháng của máy phát điện năng lượng gió (DFIG) dùng mạng
nơ-rôn nhân tạo. Luận văn tập trung nghiên cứu các giải thuật để điều khiển hệ
thống DFIG kết nối lưới, đặc biệt là giải thuật điều khiển trực tiếp vì các khối
điều chỉnh PI không cần sử dụng trong các giải thuật này khiến việc điều khiển
trở nên đơn giản hơn. Các giải thuật điều khiển được nghiên cứu đó là giải
thuật điều khiển trực tiếp moment ảo (Direct Virtual Torque Controller DVTC) dùng để hòa đồng bộ DFIG vào lưới, giải thuật điều khiển trực tiếp
công suất (Direct Power Controller - DPC) dùng để điều khiển dòng công suất
đưa lên lưới. Ngoài ra, mạng neuron nhân tạo (Artificial Neural Network ANN) cũng được nghiên cứu và ứng dụng vào các giải thuật để nâng cao chất
lượng điều khiển cho hệ thống. Mô hình mô phỏng được thực hiện trên nền

phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink. Thực nghiệm được thực hiện trên vi
điều khiển DSpace 1103. Nghiên cứu này được tập trung vào điều khiển máy
phát điện gió DFIG trong hệ thống điện gió. Điều này cho thấy rằng chưa thể
hiện được nghiên cứu tổng thể khi máy phát điện được gắn kết với hệ thống
điện gió, cũng như hệ thống điện gió được nối lưới [1].
Lữ Thái Hòa đã nghiên cứu mô hình hóa máy phát điện gió nguồn kép
DFIG và xây dựng giải thuật điều khiển công suất tác dụng và công suất phản
kháng độc lập với mục tiêu điều khiển tối ưu công suất tác dụng nhận từ gió.
Nghiên cứu đã xem xét đến hiện tượng điện áp nguồn mất đối xứng và sử dụng


bộ điều chỉnh PI - Fuzzy. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi điện áp bất
đối xứng, mức độ sai số giữa giá trị lệnh và thực thay đổi đáng kể ở phương
pháp PI truyền thống (10% so với P; 9% so với Q). Và đối với phương án cải
tiến có SCC và PI - Fuzzy thì mức độ sai số giảm đáng kể (1% so với P; 3% so
với Q). Điều này đã khẳng định về sự ổn định của công suất tác dụng, công
suất phản kháng, moment trong điều khiển độc lập công suất máy điện gió
DFIG khi mạng bất đối xứng. Tuy nhiên, cũng cần phải nhìn nhận rằng bộ điều
chỉnh PI - Fuzzy là không đơn giản [2].
Nguyễn Tri Nhân đã nghiên cứu để mô hình hóa và mô phỏng máy phát
điện DFIG. Trên cơ sở nghiên cứu này, tác giả đã nghiên cứu và xây dựng giải
thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator
máy phát. Qua đó, có thể điều khiển tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng
độc lập với mục tiêu điều khiển tối ưu công suất tác dụng nhận từ gió. Nghiên
cứu và ứng dụng kỹ thuật điều khiển trượt vào thiết kế luật điều khiển trong
vòng điều khiển các thành phần của vector dòng điện stator. Ðánh giá chất
lượng điều khiển, tính ổn định và bền vững của luật điều khiển theo thiết kế. Sự
định hướng hệ trục tọa độ xoay theo vector điện áp lưới là rất thích hợp cho
việc hình dung ra sự phân lập giữa điều khiển công suất tác dụng và điều khiển
công suất phản kháng. Sự lựa chọn vector điện áp lưới làm hướng tựa cũng

xuất phát từ nguyên nhân nó được cần đến trong giai đoạn đầu của kích từ và
hòa đồng bộ. Luật điều khiển trượt có tốc độ đáp ứng rất nhanh, quá trình quá
độ của dòng điện diễn ra không có vọt lố tại những thời điểm thay đổi giá trị
đặt. Bộ điều khiển có tính bền vững cao khi có sự thay đổi các thông số điện
trở, điện cảm của dây quấn stator và rotor. Hệ thống có tính bền vững cao đối
với sự thay đổi moment quán tính của rotor. Sự thay đổi các thông số chỉnh
định của bộ điều khiển trong phạm vi rộng không làm gia tăng đáng kể hiện
tượng chattering. Vì vậy, đối với hệ thống điều khiển này có thể chọn các
thông số hiệu chỉnh lớn để nâng cao tính bền vững dự trữ đối với sai số mô
hình lớn [3].
Đỗ Hoàng Ngân Mi đã giới thiệu phương pháp điều khiển trượt thích
nghi để áp dụng vào bộ điều khiển tần số rotor máy phát sức gió cảm ứng


10

nguồn kép (DFIG). Thông thường, bộ điều khiển kinh điển PI thường được sử
dụng trong hệ tuabin gió. Tuy nhiên với đối tượng là DFIG là một đối tượng
phi tuyến thì thuật toán kinh điển tỏ ra có nhiều hạn chế, không chính xác dẫn
đến khai thác năng lượng không tối ưu. Khi ấy, tác giả đi vào xây dựng thuật
toán, mô phỏng và so sánh sự khác biệt giữa ra phương pháp điều khiển bền
vững (trượt) - thích nghi và phương pháp cổ điển. Qua kết quả mô phỏng cho
thấy rằng quá trình hòa đồng bộ và ổn định bằng phương pháp trượt thích nghi
thỏa mãn điều kiện hòa đồng bộ và tín hiệu bám theo tín hiệu đặt trước. Bộ
điều khiển được thiết kế đã nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát
điện gió nối lưới và đáp ứng tốt với nhiễu ngẫu nhiên. Tuy nhiên, tín hiệu chưa
bám sát giá trị đặt và tín hiệu còn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng rung, vấn đề này
cần được nghiên cứu và phát triển [4].
Nguyễn Anh Nam đã nghiên cứu các vấn đề liên quan đến việc mô hình
hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát điện không đồng bộ cấp nguồn

từ hai phía (DFIG). Tác giả giới thiệu điều khiển bằng phương pháp định
hướng từ thông stator (SFOC) và phương pháp điều khiển trực tiếp (DPC). Mô
hình toán của DFIG được xây dựng trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq thích
hợp, thành phần trục q định hướng theo vector điện áp lưới, thành phần trục d
bằng không. Từ đó, có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất
phản kháng bên phía stator máy phát. Cũng tương tự như các nghiên cứu khác,
nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào máy phát điện DFIG được vận hành
trong chế độ xác lập và chưa xem xét các ảnh hưởng khi nối lưới [5].
Noel A. Janssens, Guillaume Lambin và Nicolas Bragard với công trình
nghiên cứu “Active power control strategies of DFIG wind turbines” mà đã
thực hiện điều khiển công suất tác dụng của hệ thống điện tuabin gió, nhằm
đảm bảo ổn định vận hành hệ thống điện gió nối lưới. Bài báo đã tập trung
nghiên cứu điều khiển công suất tác dụng cho các tuabin gió DFIG. Một sự
thích nghi của điều khiển điểm công suất thông thường đã được đề xuất để cải
thiện hành vi quá độ tương ứng với các trường hợp tốc độ gió cao. Trong
trường hợp tốc độ gió cao, việc điều khiển góc nghiêng cánh tuabin gió có vẻ
phù hợp nhất để giải phóng biên độ công suất. Trong trường hợp tốc độ gió