Thuật toán truy xuất điểm công suất cực đại sử dụng phần mềm Eureqa cho Turbine gió dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ QUỐC THẮNG

THUẬT TOÁN TRUY XUẤT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC
ĐẠI SỬ DỤNG PHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE
GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
TỪ TRƯỜNG VĨNH CỬU
Chuyên ngành:
Mã sổ:

KỸ THUẬT ĐIỆN
60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI

TP. HỒ CHÍ MINH - 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Phúc Khải

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Hoàng Minh Trí

Cán bộ chấm nhận xét 2 : Tiến sĩ Đinh Hoàng Bách

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày .. .14. . tháng .. 07. . năm.. 2018. ..

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ
2. TS. Hoàng Minh Trí
3. TS. Đinh Hoàng Bách
4. PGS. TS. Hồ Phạm Huy Ánh
5. TS. Huỳnh Quốc Việt
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận vãn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

2


CỘNG
HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA
TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VÀN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ... .HỒ QUỐC THẮNG
Ngày, tháng, năm sinh:........04/10/1984

MSHV:.. .7140432
Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: ... .Kỹ Thuật Điện

Mã số : .. .60520202.

I. TÊN ĐỀ TÀI:

THUẬT TOÁN TRUY XUẤT ĐIỀM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI SỬ DỤNG
PHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐỒNG
BỘ TỪ TRƯỜNG VĨNH CỬU
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hệ thống năng lượng gió: Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổi
công suất.
- Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió: PMSG, DFIG, SCIG.
- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió PMSG.
- Đe xuất giải thuật mới cho giải thuật MPPT.
- Mô phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên MATLAB.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẴN: Tiến Sĩ Nguyễn Phúc Khải

Tp. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

3

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Phúc
Khải, nguời đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành
đề tài này. Xin gởi lời tri ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành
cho tôi. Cảm ơn Thầy.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ
môn khoa Điện-Điện tử Truờng Đại học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt thầy
Huỳnh Quang Minh đã tận tình truyền đạt nhũng kiến thức quý báu cũng nhu
tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu
và cho đến khi tôi thục hiện đề tài này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2018
Học viên


TÓM TẮT LUẬN VÀN THẠC SĨ
Trong xu hướng phát triển năng lượng gió, nhiều vấn đề liên quan để cải
thiện hiệu suất tuabin đã được nghiên cứu. Từ những cải tiến trong việc thiết kế
cánh, số lượng cánh đến khí động học trong thiết kế nhằm làm thiết kế mạnh mẽ
và hiệu quả hơn. Ngoài ra, để giải quyết những bất thường liên quan đến gió,
nhiều hệ thống điều khiển đã được thiết kế để hệ thống thích nghi, đạt được
công suất tối đa khi tốc độ gió thay đổi.
Để cải thiện hiệu suất thu năng lượng của tuabin gió, nhiều giải thuật dò
tìm điểm công suất cực đại (MPPT) đã được phát triển. Trong đề tài này, tác giả
trình bày giải thuật MPPT mới dựa trên tính toán giá trị tối ưu chu kỳ nhiệm vụ
(duty cycle) tác động đến bộ chuyển đổi. Một mô hình toán học của hệ thống
chuyển đổi năng lượng gió (WECS) liên quan đến chu kỳ nhiệm vụ và tốc độ
gió sẽ được xây dựng. Công suất ngõ ra của hệ thống cùng giá trị chu kỳ nhiệm
vụ tương ứng sẽ được mô phỏng và quan sát khi tốc độ gió thay đổi.

Trên cơ sở các vấn đề đặt ra, luận văn có nội dung cụ thể như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống năng lượng gió.
Chương 2: lìm hiểu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
Chương 3: lìm hiểu về giải thuật điều khiển MPPT và đề xuất giải thuật
mới.
Chương 4: Ttrình bày kết quả mô phỏng và phân tích.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

2


ABSTRACT
In the growthing trends of wind energy, many research activities concern
wind turbine efficiency improved. From improvement of blade design, number
of blades that is most suitable and aerodynamics of design to make the design
more strong and efficient. Besides, many control systems have been developing
to ensure the extraction of maxium power point during wind speed variations.
To keep the output power at its maxium value irresective of any sudden
change in wind speed, many MPPT algorithms are implemented. This thesis
present a novel algorithm based on optimization of converter duty cycle values.
A mathematical model which relates the optimal duty cycle according to wind
speed will be build. Output power and corresponding optimal duty cycle will be
simulating and observe.
The contents are as follows:
Chapter 1: Overview of Wind energy system.
Chapter 2: Researching of Wind energy conversation system.
Chapter 3: Researching of MPPT algorithms and propose a novel
algorithm.
Chapter 4: Present Result of simulation and Analysing.
Chapter 5: Conclusion

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Thuật toán truy xuất điểm
công suất cực đại cho hệ thống turbine gió sử dụng máy phát đồng bộ từ trường
vĩnh cửu” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn

của Tiến Sĩ Nguyễn Phúc Khải, các số liệu và kết quả thực nghiệm hoàn toàn
trung thực. Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của
người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.

Học viên cao học

4


MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VÀN THẠC sĩ.....................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................iv
MỤC LỤC......................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA...................................................................vii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU........................................................................ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................. X
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.....................................................................................1
1.1. Giới thiệu:.............................................................................................1
1.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu:...............................................3
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYÊN ĐỔI NÀNG LƯỢNG GIÓ....................4

2.1. Turbine gió:........................................................................................5
2.2. Máy phát:...........................................................................................11
2.3. Bộ biến đổi công suất sử dụng cho PMSG:.........................................19
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIÊN MPPT CHO HỆ THỐNG
TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG............................................25
3.1. Kỹ thuật điều khiển tốc độ đầu cánh (TSR):.......................................26
3.2. Thuật toán dựa trên mối quan hệ tối ưu (ORB):.................................26
3.3. Giải thuật HCS:...................................................................................29
3.4. Phương pháp MPPT kết hợp (Hybrid MPPT):...................................31
3.5. Phương pháp điều khiển thông minh khác:.........................................34
3.6. Kỹ thuật MPPT mới sử dụng phần mềm Eureqa:...............................35
CHƯƠNG 4: MỒ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN NỀN
MATLAB/SIMULINK.................................................................................. 52
4.1............................................................................................................... Xâ
y dựng mô hình toán học sử dụng phần mềm Eureqa:.....................................52
4.2. Sơ đồ mô phỏng:................................................................................52
4.3. Ket quả mô phỏng và so sánh:............................................................57
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN ĐỀ TÀI..................66
VI


5.1. Kết luận:.............................................................................................66
5.2. Hướng phát triển đề tài:......................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................68

VI


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Sự phát triển hệ thống tuabin gió.......................................................1

Hình 2.1. Mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới......................4
Hình 2.2. Tuabin gió trục ngang hoạt động theo hướng gió hoặc ngược hướng
gió và tuabin gió trục đứng hoạt động ở mọi hướng gió....................................5
Hình 2.3. Khối khí m qua diện tích A với tốc độ vw...........................................7
Hình 2.4. Đồ thị minh họa P-Vwind...................................................................8
Hình 2.5. Vận tốc gió trước và sau khi qua turbine..........................................9
Hình 2.6. Hệ số công suất như hàm của tỷ số đầu cánh..................................11
Hình 2.7. Mô hình máy phát SCIG kết nối lưới...............................................13
Hình 2.8. Cấu hình WRIG sử dụng máy phát OSIG.......................................15
Hình 2.9. Cấu hình máy phát WRIG sử dụng DFIG.......................................16
Hình 2.10. Mô hình sử dụng máy phát điện đồng bộ có hoặc không có hộp số
......................................................................................................................... 17
Hình 2.11. Nguyên lý kết nối PMSG với tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng bộ
chuyển đổi full-scale........................................................................................18
Hình 2.12. Các mô hình PMSG sử dụng với bộ chuyển đổi chỉnh lưu diode. .20
Hình 2.13. Hệ thống tuabin gió dùng bộ nghịch lưu sử dụng Thysistor cùng bộ
tụ bù công suất phản kháng..............................................................................21
Hình 2.14. Hệ thống tuabin gió dùng bộ nghịch lưu sử dụng kỹ thuật chuyển
mạch cứng. ......................................................................................................22
Hình 2.15. Hệ thống tuabin gió sử dụng bộ chuyển đổi PWM back-to-back...23
Hình 3.1. Phân loại các giải thuật MPPT.........................................................25
Hình 3.2. Nguyên lý điều khiển TSR (Tip Speed Ratio)..................................26
Hình 3.3. Phương pháp momen xoắn tối ưu...................................................27
Hình 3.4. Phương pháp tiếp cận dựa trên phản hồi công suất (PSF)...............28
Hình 3.5. Lưu đồ giải thuật p&o.....................................................................30
Hình 3.6. Lưu đồ giải thuật p&o cải tiến........................................................31
Hình 3.7. Giải thuật MPPT sử dựng phương pháp p&o kết hợp phương pháp
ORB
............................................ ..................................................... 33

Hình 3.8. Lưu đồ giải thuật MPPT sử dụng phần mềm Eureqa........................37
Hình 3.9. Biến đổi máy phát điện cực lồi hệ trục abc sang dq.........................39
Hình 3.10. Mạch tương đương PMSG trên hệ trục dq....................................41
Hình 3.11. Đặc tính công suất, tốc độ đối với các tốc độ gió khác nhau.........41
Hình 3.12. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha..................................................................42
Hình 3.13. Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC......................................................43
Hình 3.14. Kết quả p5= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................48
Hình 3.15. Kết quả p6= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................49
Hình 3.16. Kết quả p7= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................50
Hình 3.17. Kết quả p8= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................50
Hình 4.1. Mô hình mô phỏng hệ thống cho từng tốc độ gió theo duty cycle. . .52
Hình 4.2. Sơ đồ các khối mô phỏng giải hệ thống turbine gió PMSG.............53
Hình 4.3. Khối thay đổi tốc độ gió...................................................................53
Hình 4.4. Turbine gió.......................................................................................54
Hình 4.5. Máy phát PMSG..............................................................................55
Hình 4.6. Khối công suất.................................................................................55
Hình 4.7. Cấu hình bộ Boost............................................................................56
Hình 4.8. Khối điều khiển MPPT....................................................................56
Hình 4.9. Đồ thị thay đổi tốc độ gió khảo sát...................................................57
Hình 4.10. Đường cong Pm-(O.........................................................................58
Hình 4.11. So sánh đặc tính công suất giữa giải thuật mới, p&o truyền thống và
p&o cải tiến.....................................................................................................59
Hình 4.12. Đường công suất tại tốc độ gió 8m/s..............................................60
Hình 4.13. Đường công suất tại tốc độ gió 5m/s..............................................60
Hình 4.14. Đáp ứng moment của hệ thống......................................................61
Hình 4.15. Đặc tính điện áp phát ra và tốc độ rotor.........................................62
Hình 4.16. Đồ thị Duty cycle...........................................................................63
Hình 4.17. Đồ thị tốc độ gió bất kì thay đổi theo thời gian..............................64
Hình 4.18. Đặc tính công suất trong trường hợp gió thay đổi bất kì................65

Hình 4.19. Đặc tính đáp ứng moment khi gió thay đổi bất kì..........................65


DANH MỤC BẢNG SÔ LIỆU
Bảng 3.1. Bảng so sánh các giải thuật MPPT..................................................35
Bảng 3.2. Bảng tổng hợp công suất đầu ra theo tốc độ gió và duty cycle........44
Bảng 3.3. Bảng giá trị duty cycle tối ưu và công suất tối đa theo tốc độ gió . .51


DANH MỤC TỪ VIẾT TẤT
AC

Alternating Current

DC

Dhect Current

FOC

Field Oriented Control

HAWT

Horizontal Axis Wind Turbine

IG

Inductiono Generator

KWh

Kilo Watt Hour

MPPT

Maximum Power Point Tracking

PI

Proportional-Integral Controller

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Generator

PWM

Pulse Width Modulation

PV

Photo Voltaic

TSR

Tip Speed Ratio

WECS

Wind Energy Conversion System

DHG

Doubly Fed Induction Generators

DPC

Dhect Power Control

DPGS

Distributed Power Generator Systems

DSP

Digital Signal Processor

SCIG

Squirrel-Cage Induction Genrators

FSWS

Fixed Speed Wind System

X


DANH MỤC TỪ VIẾT TẤT

vsws

Variable Speed Wind System

X


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
l.L Giới thiệu:

Được xem như giải pháp trong việc giảm tác động đến biến đổi khí hậu, năng
lượng gió - nguồn năng lượng tái tạo và không gây ô nhiễm vì không cần nhiên
liêu, không tạo ra độc hại hoặc chất thải phóng xạ [1] - được đánh giả là nguồn
năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn và phát triển trong tương lai, được thể hiện như
hình 1.1 [2].

X

X/ 1,

Pmver
DiuiiKlur

IŨ4 ui

H eight

Hình 1.1.

\

8 MU

15-20 MW

>.I4Í m
ISO in

155-.2W III
2ŨO-25Ử in

Sự phát triển hệ thống tuabỉn gió

Theo thành phần và theo sự thay đổi tốc độ gió, chúng ta có hệ thống gió năng
lượng gió tốc độ cố định (FSWS) và hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi
(VSWS) [3]. FSWS có ưu điểm giá thành thấp và không yêu cầu sử dụng bộ
chuyển đổi công suất. Tuy nhiên, hệ thống cỏ nhược điểm trong việc phải bảo
trì hộp sổ thường xuyên, đặc biệt không tối uư được công suất [4]. Hệ thống
VSWS có nhiều ưu điểm khi hoạt động trên toàn bộ phạm vi tốc độ, không yêu
cầu sử dụng hộp số, khả năng kết nối mạng dễ dàng và dễ quản lý. Tuy nhiên,
hệ thống cũng có nhược điểm khi khối lượng và chỉ phí lắp đặt cao [3,4].


Có một vài máy phát sử dụng cho hệ thống năng lượng gió, như: máy phát đồng
bộ từ trường nam châm vĩnh cửu (PMSG) và máy phát điện gió cảm ứng kích từ
kép (DFIG) [5]. PMSG có một số ưu điểm như không có hộp số, phí bảo trì
thấp và dễ điều khiển [5,6].
Trong những thập kỷ qua, công nghệ chuyển đổi năng lượng gió đã phát triển
nhanh chóng, có nhiều thực nghiệm và tối ưu hóa công nghệ này. Các thuật toán

MPPT cũng đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu ngày càng phát triển, nâng cao
hiệu suất chuyển đổi với giá trị thấp. Điều rất quan trọng đối với những kỹ thuật
này nhằm đáp ứng các yêu cầu của bất kỳ hệ thống năng lượng gió độc lập nào.
Gần đây, nhiều kỹ thuật MPPT mới đã được đề xuất và sửa đổi để đáp ứng
những yêu cầu của ngành công nghiệp gió và có thể ứng dụng cho bất kỳ hệ
thống WECS nào. Các kỹ thuật này sẽ khác nhau ở nhiều khía cạnh như độ
phức tạp, tốc độ theo dõi, độ khó thực hiện cũng như phần cứng và phần mềm
liên quan.
Các kỹ thuật sử dụng gần đây nhất để đạt MPPT bao gồm thuật toán nhiễu loạn
và giám sát (P&O) [7, 8] và điện dẫn gia tăng (INC) [9] đã được sử dụng rộng
rãi trong lĩnh vực này. Các kỹ thuật thông minh như Partical Swarm
Optimization (PSO) [10], Logic mờ [11, 12] và mạng nơ ron nhân tạo (ANN)
[13] cũng được sử dụng để tìm kiếm MPP cho hệ thống WECS.
Hơn nữa, các phương pháp kết hợp như p&o và INC được trình bày ở [14].
Trong [15], kỹ thuật kết hợp khác được sử dụng gồm ANN và thuật toán di
truyền. Những kỹ thuật khác như hỗ trợ hồi quy vector (SVR) [16] và điều
khiển chế độ trượt (SMC) [17] cũng đã được thực hiện.
Trong luận vãn này, một phương pháp điều khiển mới dựa trên mối quan hệ
giữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ tối ưu (optimal duty cycle) được đề xuất.

2


Sử dụng phần mềm Eureqa [18] để xây dựng chính xác mô hình toán học và mô
hình được mô phỏng thông qua MATLAB/ SIMULINK.
1.2.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu:

Mục tiêu hướng đến của đề tài là đề xuất giải thuật mới MPPT cho hệ thống

turbine gió sử dụng máy phát PMSG. Để hoàn thành được yêu cầu này, đề tài
tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:
- Tìm hiểu hệ thống phát điện gió bao gồm: Turbine gió, máy phát và bộ
biến đổi công suất.
- Các phương pháp điều khiển trong hệ thống năng lượng gió
- Phương pháp trích xuất công suất cực đại từ turbine gió.
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết các vấn đề liên quan, sau đó
đưa ra giải thuật và kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng mô phỏng trên
phần mềm MATLAB.

3


CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYÊN ĐỔI NĂNG
LƯỢNG GIÓ
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng thay thế tiềm năng cho
tương lai, để giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng mà chúng ta đang phải
đối mặt. Chuyển đổi năng lượng gió là một quá trình phức tạp. Từ sự chuyển
động của dòng khí quyển, các cánh của turbine gió nhận năng lượng sau đó
chuyển thành năng lượng quay của rotor máy phát điên để chuyển thành năng
lượng điện. Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ
bản bao gồm: một turbine gió, một máy phát đỉện, các bộ phận kết nối và điều

khiển hệ thống (hình 2.1) [19].

Hình 2.1.
Wind
I

ys

Gearbox

Mô hình hệ thẳng chuyển đổi nâng lượng gió hòa lưới
Generator

Gencraior-side

Power

Harmonic Filter

Generator

Grid-Side
Harmonic Filter

Step-up
Trans io rm er

Grid or
Disiribu liars System

Tuabin gió có tốc độ thay đổi (VSWTs) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống
điện và hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Hệ thống VSWT thường sử dụng
máy phát cảm ứng kích từ kép (DFIG) hoặc máy phát đồng bộ từ trường nam
châm vĩnh cửu (PMSG) [20-22]. Hiện tại, do cấu trúc đơn giản, chi phí bảo
dưỡng thấp, khả năng và hoạt động của MPPT ở hệ số công suất cao, việc sử
dụng các WT dựa trên PMSG đã thu hút sự quan tâm [23-27]. Thông thường hệ
thống chuyển đổi năng lượng gió với PMSG được kết nối vào lưới thông qua bộ
chuyển đổi AC-DC và DC-AC, được gọi như bộ chuyển đổi phía cơ (MSC) và

chuyển đổi phía lưới (GSC) [28]. MSC có thể là bộ điều chế độ rộng xung
(PWM), bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC) hoặc bộ chỉnh lưu


cầu diode kèm bộ chuyển đổi tăng áp. Trong khi GSC thường
là bộ chuyển đồi nguồn áp vsc.

Chương này sẽ tìm hiểu về các thành phần cơ bản của turbine gió và các kỹ
thuật điều khiển turbine gió.
2.1. Turbine gió:

Tuabin gió là thiết bị cơ khí được thiết kế đặc biệt để chuyển đổi một phần động
năng của gió thành năng lượng cơ hữu ích. Một số thiết kế đã được phát triển,
tuy nhiên hầu hết chúng bao gồm một Rotor quay tròn bằng lực nâng hoặc lực
kéo. Tùy thuộc vào vị trí của rotor, tuabin gió được phân loại thành trục đứng
hoặc trục ngang.
Hầu hết tuabin giỏ đều là trục ngang (HAWT) hoạt động theo hướng gió hoặc
ngược hướng gió, một số loại có cánh quay xung quanh trục đứng (hình 2.2)
[29]

Upwind
HAWT
(3)

(b)

HìnA 2.2. Tuabin gió trục ngang hoạt động theo hưởng gió hoặc ngược hưởng gió
và tuabỉn gió trục đứng hoạt động ở mọi hưởng gió.

Tuabin gió trục thẳng đứng thành công nhất là rotor Darrieus được minh họa

hình 2.2c. Tỉnh năng hấp dẫn loại tuabin này là các thiết bị phát và truyền dẫn
được đặt ở mặt đất, có thể bắt gió ở bất kỳ hướng nào mà không cần bộ định
hướng gió. Tuy nhiên rotor chặn gió có ít năng lượng hơn. Hơn nữa, mặc dù
máy phát và truyền dẫn ở mặt đất, bảo trì không đơn giản vì nó thường yêu cầu
loại bỏ rotor. Gió ở gần bề mặt đất không chỉ chậm hơn mà cũng hỗn loạn hơn,


làm tăng áp lực lên VAWT. Cuối cùng, khi gió có tốc độ thấp cánh quạt Darrieus
có momen khởi động rất nhỏ, khi gió có tốc độ cao hơn, công suất đầu ra phải
được kiểm soát để bảo vệ máy phát điện, chúng không thể thực hiện được dễ
dàng như HAWT.
Trong khi hầu như tất cả các tuabin gió đều thuộc loại trục ngang, thì vẫn còn
một số tranh cãi về tuabin gió hoạt động theo hướng gió hay ngược hướng gió
tốt hơn.
Tuabine gió hoạt động theo hướng gió (downwind HAWT) có lợi thế để gió tự
điều khiển bộ định hướng, tự chuyển động trái - phải chính xác theo hướng gió.
Tuy nhiên chúng lại có vấn đề với hiệu ứng đổ bóng gió của tháp. Dưới tác động
của gió, mỗi lần cánh quay phía sau tháp, nó gặp khoảng thời gian ngắn giảm
gió, làm cánh uốn cong, làm tăng tiếng ồn của cánh và giảm công suất đầu ra.
Các tuabin gió hoạt động ngược hướng gió (upwind HAWT) yêu cầu kiểm soát
hơi phức tạp hơn khi bổ sung các hệ thống điều khiển giữ cho cánh quay đón
hướng gió. Tuy nhiên, tuabin hoạt động trơn tru và công suất thu được tối đa.
Hầu hết các tuabin gió hiện đại đều thuộc loại này.
Một yếu tố khác liên quan hiệu suất tuabin gió là số cánh quạt được thiết kế.
Tuabin gió thiết kế nhiều cánh hoạt động tốc độ quay thấp hơn nhiều so với loại
có số cánh ít hơn. Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, sự bất ổn cánh quạt trước
ảnh hưởng đến hiệu suất cánh quạt sau. Trục quay nhanh hơn, cũng có thể máy
phát có kích thước nhỏ hơn về mặt vật lý. Tuabin 3 cánh cho thấy hoạt động
mượt hơn và chuyển động rotor chuyển đến trục đều hơn.

Mô hình toán turbine gió:

Xét khối khí với khối lượng m (kg), di chuyển với một tốc độ gió v w (m/s) (hình
2.3). Giả sử rằng tất cả các hạt không khí di chuyển với cùng tốc độ và hướng
đến chạm vào cánh của trubine.

A
r\
V
Hình 2.3. Khối khím qua diện tích A vổi tốc độ vw

Động năng E được tính bởi công thức sau:
„ 1 ..............2 (2-1)

Khối lượng của khổỉ không khí chuyển động trong khoảng thờỉ gian t được tính
như sau:

m = p.A.vwđ = p.Tt.R .vwđ
Trong đó p (kg/m3) là mật độ không khí, A (m2) là diện tích mà khối không khí
quét qua turbine gió, R (m) là bán kính của cánh turbine.
Thế (2.2) vào (2.1) Công thức tính động năng của khối khí:

E = ^.p.n.R2.v3i
2

Từ (2.3) Công suất của gió truyền tới turbine:

(2.3)

P^=Ị = \pxR2<

(2.4)

Từ công thức (2.4) có thể nhận thấy rằng công suất gió tỉ lệ thuận với lập
phương của vận tốc gió. Điều này có nghĩa là chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của
tốc độ gió cũng ảnh hưởng lớn đến công suất đầu ra. Đồ thì biểu diễn quan hệ
giữa pwind - vwind được minh họa như hình 2.4 [29].
Hình 2.4. Đồ thị mình họa P-VWìnd

WINDSPEED (mph)

WINDSPEEO (m/s)


Trong công thức (2.4), công suất gió cũng tỷ lệ với bình phương đường kính
cánh tuabin.
Tuy nhiên, theo công thức (2.4) công suất lớn nhất khi khối khí chảy qua toàn bộ
diện tích của turbine với bán kính R. Thực tế, chỉ có một phần công suất này
được thu bởi turbine gió. Năm 1919 nhà khoa học người Đức Albert Betz mô tả
chuyển động của các khối khí khỉ qua turbine. Theo Betz thì sau khỉ tác động vào
các cánh quạt, vận tốc gió sẽ giảm (hình 2.5), có nghĩa là khi qua turbine, vẫn
còn động năng trong các hạt của khối khí.

Bình 2.5. Vận tốc giỏ trước và sau khi qua turbine

Mối liên hệ giữa năng lượng thu được bởi turbine gió và năng lượng của gió
được biểu diễn bởi hệ số Cp gọi là hệ số công suất:

Hệ số Cp được tính theo biểu
p thức (2.6) [6]:

(2.5)

p. , 21i4 + 0.0068Ẳ
Cp = 0.5176 (116i4 - 0.4/? - 5)e"
wind

(2.6)

1

c.

Turbine

Trong đó:
A

_

_ 0.035
2 + 0.08/? 1 + jtf3
1

(2.7)

Và Tỷ số tốc độ đầu cánh Ả được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ góc đầu cánh

với tốc độ gió
(ữ.R
v

(2.8)

w

Với: p là góc cánh của turbine được minh họa ở hình 2.5;
com là tốc độ góc của rotor máy phát.
Mối quan hệ giữa hệ số công suất và tỷ số đầu cánh được thể hiện như hình
2.5 [30]


bp speed r-atio

Hình 2.6. Hệ sổ công suất như hàm của tỷ số đầu cánh

Hình 2.6 cho thấy đường cong hệ số công suất của một tuabin giố (Cp) khác
nhau cho các giá trị TSR khác nhau. Hệ sổ công suất của tuabin gió cho giá ưị
TSR tối ưu là tối đa và bằng 0.48 góc cánh bằng 0.
2.2.

Máy phát:

về cơ bản, một tuabin gió có thể được trang bị bất kỳ loại máy phát điện ba pha
nào. Ngày nay, để đáp ứng yêu cầu dòng điện phải tương thích khi kết nối lưởi,
có thể sử dụng kết nối qua bộ chuyển đổi tần số, ngay cả khi máy phát cấp dòng
điện xoay chiều (AC) tần số thay đổi hoặc dòng điện trực tiếp (DC). Một số loại
máy phát điện chung có thể được sử dụng trong tuabin gió [31]:

Máy phát điện không đồng bộ (máy phát điện cảm ứng):
- Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG).