Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió​

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

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

LÊ MINH VƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN TUABIN 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

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

LÊ MINH VƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ……………………………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ MINH VƯƠNG

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan của hệ thống điện năng lượng gió;
- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;

- Mô phỏng hệ thống điện tuabin gió và giải thuật điều khiển tối ưu công suất của
hệ thống này.
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 và
kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Lê Minh Vương


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn
tốt nghiệp này.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM;
Viện Khoa học Kỹ thuật; Viện Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi tôi đang công
tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận
văn tốt nghiệp này.

Lê Minh Vương


i

TÓM TẮT
Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất
cân bằng giữa nhu cầu sử dụng điện và khả năng cung cấp nguồn điện. Nguyên
nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện
ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông
nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo
động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ
cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện.
Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa
mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia
trở nên khó thực hiện hơn.
Giải pháp tăng cường khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng
lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… là đáng được tập trung nghiên
cứu. Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự
quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.
Việc nghiên cứu khai thác tối ưu công suất hệ thống điện gió là rất cần
thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu công

suất của hệ thống điện tuabin gió” mà bao gồm các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan hệ thống điện tuabin gió
- Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

ABSTRACT
More recently, the power sector has repeatedly shown an imbalance
between the need for electricity and the ability to provide electricity. The main
cause of this imbalance is the increasing demand for electrical energy in
various sectors such as industry, agriculture, daily life, and so on. The alarming
depletion of input fuels such as petroleum, coal, gas, etc., is used to generate
electricity from thermal power plants.
With the above analysis, the issue of energy security is being threatened,
leading to the industrialization and modernization goals of some countries
becoming more difficult.
Measures to enhance the exploitation and efficient use of renewable
energy sources such as wind energy, solar energy, geothermal energy, wave
power, tidal energy... are worthy of study. Among the energy sources
mentioned above, wind power is attracting the attention of many scientists.
The research on optimal exploitation of wind power system capacity is
very necessary. This is also the main reason for choosing the topic of this
thesis, "Optimal power control of wind turbine power systems" which
includes the following contents:
- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Overview of wind turbine power systems
- Chapter 3: Optimal power control of wind turbine power systems
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ......................................................................................... v
Danh sách bảng............................................................................................. ix
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2
1.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 3
1.4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 4
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................... 4
1.6. Bố cục của luận văn ............................................................................... 7
1.7. Kết luận .................................................................................................. 7
Chương 2 - Tổng quan hệ thống điện gió .................................................. 8
2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 8
2.2. Năng lượng gió trên thế giới .................................................................. 9
2.3. Năng lượng gió tại Việt Nam ............................................................... 12
2.4. Công suất gió ........................................................................................ 18
2.5. Hệ thống điện gió ................................................................................. 19
2.5.1. Tuabin gió .......................................................................................... 20
2.5.2. Máy phát điện trong hệ thống điện gió.............................................. 28
Chương 3 - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện

tuabin gió .................................................................................................... 36
3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 36
3.2. Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió ..... 37
3.2.1. Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh ......................................... 37
3.2.2. Kỹ thuật điều khiển moment tối ưu ................................................... 39


iv

3.2.3. Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất ................................. 40
3.2.4. Kỹ thuật nhiễu loạn và quan sát ........................................................ 41
3.3. Động cơ không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong bài toán điều khiển
tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió ............................................. 43
3.3.1. Vector không gian và các phép biến đổi ........................................... 44
3.3.2. Công suất theo vector không gian ..................................................... 46
3.3.3. Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và  ....................................... 47
3.3.4. Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ............ 49
3.4. Bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống điện gió ................................ 54
3.4.1. Điều khiển converter phía lưới .......................................................... 55
3.4.2. Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC ............... 56
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió .................................................................................................... 59
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 59
4.2. Mô phỏng máy phát điện DFIG ........................................................... 59
4.3. Mô phỏng tuabin gió ............................................................................ 62
4.4. Mô phỏng các bộ điều khiển ................................................................ 63
4.5. Điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió .......................... 64
4.6. Kết quả mô phỏng ................................................................................ 67
4.6.1. Tốc độ rotor không đổi ...................................................................... 67
4.6.2. Tốc độ rotor thay đổi ......................................................................... 78

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 86
5.1. Kết luận ................................................................................................ 86
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 86
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 88


v

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận ............................................... 14
Hình 2.2. Điện gió Phú Quý, Bình Thuận ................................................... 15
Hình 2.3. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận .................................................... 16
Hình 2.4. Điện gió Bạc Liêu........................................................................ 17
Hình 2.5. Các thành phần cơ bản của tuabin gió ......................................... 20
Hình 2.6. Tuabin gió trục đứng ................................................................... 21
Hình 2.7. Tuabin gió trục ngang.................................................................. 21
Hình 2.8. Bên trong một tuabin phát điện gió ............................................. 23
Hình 2.9. Bộ điều khiển góc pitch ............................................................... 23
Hình 2.10. Hộp số tuabin gió ...................................................................... 24
Hình 2.11. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp ............................. 25
Hình 2.12. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không
đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ...................................... 30
Hình 2.13. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không
đồng bộ nguồn kép ...................................................................................... 31
Hình 2.14. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...
..................................................................................................................... 33
Hình 3.1. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện
(DFIG) ......................................................................................................... 37
Hình 3.2. Đặc tuyến TSR tối ưu theo tốc độ gió ......................................... 38
Hình 3.3. Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR) tối ưu .............. 38

Hình 3.4. Kỹ thuật điều khiển moment tối ưu ............................................. 39
Hình 3.5. Đặc tuyến Tm - ωm........................................................................ 40
Hình 3.6. Kỹ thuật điều khiển phản hồi tín hiệu công suất ......................... 40
Hình 3.7. Đặc tính công suất và moment của tuabin gió ............................ 41
Hình 3.8. Nguyên lý vector không gian ...................................................... 44
Hình 3.9. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và  ....................................... 47
Hình 3.10. Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq ...................................... 48


vi

Hình 3.11. Mối liên hệ giữa trục tọa độ  và dq ....................................... 49
Hình 3.12. Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y ........................................ 50
Hình 3.13. Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor ................................ 50
Hình 3.14. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục  .............................. 51
Hình 3.15. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục quay dq ...................... 53
Hình 3.16. Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới ................................ 55
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát
điện DFIG .................................................................................................... 59
Hình 4.2. Khối máy phát điện DFIG ........................................................... 61
Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng máy phát điện DFIG......................................... 61
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển ............................................. 64
Hình 4.5. Sơ đồ kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió .... 65
Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin
gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, DFIG .................... 65
Hình 4.7. Tốc độ rotor, nr = 300 (rpm) ........................................................ 67
Hình 4.8. Công suất cực đại, PMPP với nr = 300 (rpm)................................. 68
Hình 4.9. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 300 (rpm) .................... 68
Hình 4.10. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 300 (rpm) ...................................................................... 69

Hình 4.11. Tốc độ rotor, nr = 600 (rpm) ...................................................... 70
Hình 4.12. Công suất cực đại, PMPP với nr = 600 (rpm) .............................. 70
Hình 4.13. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 600 (rpm) .................. 71
Hình 4.14. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 600 (rpm) ...................................................................... 71
Hình 4.15. Tốc độ rotor, nr = 900 (rpm) ...................................................... 72
Hình 4.16. Công suất cực đại, PMPP với nr = 900 (rpm) .............................. 72
Hình 4.17. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 900 (rpm) .................. 73
Hình 4.18. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 900 (rpm) ...................................................................... 73
Hình 4.19. Tốc độ rotor, nr = 1200 (rpm) .................................................... 74


vii

Hình 4.20. Công suất cực đại, PMPP với nr = 1200 (rpm) ............................ 75
Hình 4.21. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 1200 (rpm) ................ 75
Hình 4.22. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 1200 (rpm) .................................................................... 76
Hình 4.23. Tốc độ rotor, nr = 1500 (rpm) .................................................... 76
Hình 4.24. Công suất cực đại, PMPP với nr = 1500 (rpm) ............................ 77
Hình 4.25. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 1500 (rpm) ................ 77
Hình 4.26. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 1500 (rpm) .................................................................... 78
Hình 4.27. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ....................................... 79
Hình 4.28. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1
..................................................................................................................... 83
Hình 4.29. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi Trường hợp 1 ............................................................................................... 80
Hình 4.30. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ................................... 80

Hình 4.31. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ....................................... 81
Hình 4.32. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường
hợp 2 ............................................................................................................ 82
Hình 4.33. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi Trường hợp 2 ............................................................................................... 82
Hình 4.34. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 2 ................................... 83
Hình 4.35. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ....................................... 83
Hình 4.36. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường
hợp 3 ............................................................................................................ 84
Hình 4.37. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi Trường hợp 3 ............................................................................................... 84
Hình 4.38. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 3 ................................... 85


ix

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 4.1. Bảng lookup table ứng với hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất .....
..................................................................................................................... 67


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Năng lượng điện có vai trò vô cùng quan trọng trong việc thúc đẩy sự
phát triển về kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội của một Quốc gia.
Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất
cân bằng giữa nhu cầu sử dụng điện và khả năng cung cấp nguồn điện. Nguyên

nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện
ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông
nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo
động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ
cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện. Thêm vào đó,
năng lượng điện được sản xuất từ các nhà máy thủy điện mà đã được khai thác
tối đa với công suất lớn, nhỏ khác nhau; chiếm diện tích lòng hồ rộng lớn hàng
chục vạn ha; phá hủy cây cối, rừng; gây ô nhiễm môi trường sinh thái; đặc biệt
là không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây ra các thảm họa
sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối,... làm tổn thất
hàng ngàn tỷ đồng/năm.
Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa
mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia
trở nên khó thực hiện hơn.
Với các khó khăn và thử thách được đặt ra, các nhà khoa học đã tích cực
nghiên cứu và đề xuất các giải pháp. Một trong số đó, giải pháp tăng cường
khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng
gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng
lượng thủy triều,… là đáng được tập trung. Các dạng năng lượng này có thể
góp phần rất lớn vào việc giảm bớt gánh nặng của các nguồn năng lượng điện
truyền thống, thay đổi cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường, thiên
nhiên,...


2

Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút
sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.
So với các nguồn năng lượng điện truyền thống, hệ thống điện năng
lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nguồn nhiên liệu đầu vào, ít gây ô

nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng,... Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một
quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển. Do đó,
việc sử dụng năng lượng gió trong sản xuất năng lượng điện tại Việt Nam sẽ
hoàn toàn khả thi và nên được khuyến khích khai thác sử dụng. Giải pháp này
hoàn toàn phù hợp với chủ trương của Chính phủ theo Nghị quyết số 35/NQCP, ngày 18 tháng 03 năm 2013, về một số vấn đề cấp bách trong lĩnh vực bảo
vệ môi trường [1]. Trong nghị quyết này, có nội dung tiết kiệm năng lượng,
thân thiện với môi trường, ưu tiên phát triển nguồn năng lượng sạch, năng
lượng tái tạo hướng tới phát triển nền kinh tế xanh. Đồng thời, giải pháp cũng
theo đúng tinh thần của Quy hoạch điện VII có điều chỉnh, công suất theo
nguồn năng lượng tái tạo là 21% và điện năng theo nguồn năng lượng tái tạo là
11% đến năm 2030 [2].
Góp phần cho vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu khai thác tối ưu công
suất hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề
tài: “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió”.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự tiến bộ và phát triển của kinh tế - xã hội, con người luôn
phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển đó là sự không bền vững của
môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên bị cạn kiệt và hàng loạt những
vấn đề khác. Trong đó, vấn đề an ninh năng lượng điện được đánh giá là đặc
biệt quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong giai đoạn này.
“Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt
Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy vào năm 2050, dân số
thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người. Hiện nay, với mức độ tăng dân số, trong
vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử
dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại.


3

Thêm vào đó, trong vòng 20 năm tới, theo nhận định của tổ chức năng

lượng quốc tế (IEA – International Energy Association), nhu cầu tiêu thụ dầu
mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65%
(tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [3]-[4].
IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính
trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới. Tuy
nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp
cho thế giới trong 60 năm tới. Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm
tới. Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và
đông dân cư thì hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [3].
Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác
là phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa
thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn
như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng
thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các nhà khoa học tích cực
nghiên cứu khai thác. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng
tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và
khai thác ngày càng nhiều.
Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các
nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một
quốc gia nào, mà nó đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Trong số các nguồn
năng lượng tái tạo trên, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh
giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể khai thác được hiệu quả và tối
đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu:
+ Hệ thống điện gió;
+ Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió;
+ Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió.

4

1.4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép trong hệ thống điện gió;
- Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió;
- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió.
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Bắt đầu từ thế kỷ thứ 11, năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai
thác và cho đến nay, đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa học kỹ
thuật và nhu cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu và
khai thác năng lượng gió cho sản xuất năng lượng điện.
Pham Ngoc Hung và Trinh Trong Chuong đã nghiên cứu điều khiển tối
ưu công suất của hệ thống điện gió và đã công bố các kết quả thông qua bài
báo, “Nghiên cứu xác định điểm công suất cực đại của hệ thống biến đổi năng
lượng gió sử dụng kỹ thuật logic mờ” trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ
Năng lượng, Trường Đại học Điện Lực. Các kết quả mô phỏng của bài báo cho
thấy đề xuất đã cải thiện hiệu suất của máy phát điện gió khi tốc độ gió thay
đổi. Đề xuất được áp dụng cho máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
[5].
Lê Duy Khánh và Dương Hoài Nghĩa, “Mô phỏng phương pháp điều
khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”, đã giới
thiệu phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) dựa trên nguyên tắc mô hình
nội bộ, được hình thành 1982 và đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
ngày nay. Mô hình nội được sử dụng để thiết kế các thông số của bộ điều khiển
cho DFIG. Quá trình thiết kế chi tiết được mô tả và kết quả mô phỏng được
đưa ra cho thấy tính phù hợp của phương pháp điều khiển [6].
Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”,
Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu giải

thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công
suất cực đại của mô hình hệ thống điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam


5

châm vĩnh cửu. Nghiên cứu đánh giá rằng đây là giải thuật tương đối đơn
giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá phổ biến [7].
Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy
phát điện gió không đồng bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách
Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy thực hiện điều khiển độc
lập công suất tác dụng và phản kháng. Trong nghiên cứu này, tác giả cũng thực
hiện điều khiển góc đón gió thông qua việc điều khiển góc cánh quạt sao cho hệ
thống điện gió có thể thu được nhiều năng lượng nhất. Máy phát điện gió được sử
dụng trong hệ thống điện gió nghiên cứu là máy phát điện gió không đồng bộ
nguồn kép [8].
Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật toán MPPT tối ưu công suất cho máy
phát năng lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thông minh", Luận văn Thạc sĩ,
Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã giới thiệu một giải thuật điều khiển bám
điểm công suất cực đại mà được kết hợp với công cụ điều khiển thông minh mạng
nơ-rôn để tối ưu công suất phát của máy phát điện gió DFIG [9].
Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió
dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường
Đại học Bách Khoa Tp. HCM, đã tìm hiểu giải thuật điều khiển sao cho công
suất phát của máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cực đại trên cơ
sở điều chỉnh tốc độ rotor và giải thuật P&O cải tiến. Giải thuật cải tiến sử
dụng thông số độ dốc của điện áp DC-link để phát hiện sự thay đổi nhanh
chóng của tốc độ gió và điều khiển bộ biến đổi công suất theo chế độ bước
nhẩy thay đổi [10].
D. Kumar và K. Chatterjee, “A review of conventional and advanced

MPPT algorithms for wind energy systems”, đã tổng quan các giải thuật bám
điểm công suất cực đại cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió. Các ưu điểm
và khuyết điểm của mỗi giải thuật được trình bày trong nghiên cứu này. Các
giải thuật bám điểm công suất cực đại được phân loại theo các đo lường công
suất mà được dựa trên các bộ điều khiển công suất trực tiếp hoặc gián tiếp.
Việc so sánh giữa các giải thuật thông qua các tiêu chí về tính phức tạp, yêu
cầu tốc độ gió ngõ vào, các huấn luyện trước khi điều khiển, các đáp ứng về tốc


6

độ, cũng như khả năng đạt được công suất ngõ ra cực đại. Có thể nhận thấy
rằng nghiên cứu này như là một tài liệu tham khảo chuẩn cho việc lựa chọn giải
thuật bám điểm công suất cực đại của một hệ thống biến đổi năng lượng gió cụ
thể [11].
K. Vigneswaran và P. S. Kumar, "Maximum power point tracking
(MPPT) method in wind power system" đã giới thiệu một giải thuật điều khiển
thích nghi, tìm kiếm leo đồi cải tiến (Hill Climb Search, HCS) để bám điểm
công suất cực đại của hệ thống điện gió trong các điều kiện gió thay đổi khác
nhau và quá trình bám tăng tốc theo thời gian. Thuật toán được giới thiệu trong
nghiên cứu này không yêu cầu các đặc tính cơ không tường minh của tuabin
như là đặc tính hệ số công suất, đặc tính công suất hoặc đặc tính moment.
Ngoài ra, thuật toán cũng sử dụng đặc điểm ghi nhớ để thích nghi cho bất kỳ
loại tuabin gió khảo sát nào và phỏng đoán tốc độ rotor tối ưu tương ứng với
tốc độ gió mà chưa xảy ra trước đó. Thuật toán được giới thiệu phù hợp cho
các hệ thống điện gió nhỏ nối lưới hoặc nối ắc quy [12].
H. G. Jeong, R. H. Seung và K. B. Lee, "An improved maximum power
point tracking method for wind power systems", đã giới thiệu một giải thuật
bám điểm công suất cực đại cải tiến cho các hệ thống điện gió mà kết hợp điều
khiển từ trễ với điều khiển tỷ số tốc độ đầu cánh thông qua đặc tuyến hệ số

công suất. Nghiên cứu thực hiện điều khiển tuabin gió 3 kW mà được lắp đặt
trong một nhà máy điện gió nhỏ. Một bộ điều khiển dòng điện của bộ biến đổi
khuếch đại được thiết kế cho mục tiêu bám điểm công suất cực đại của hệ
thống điện gió. Một bộ điều khiển từ trễ được thêm vào bộ điều khiển tỷ số tốc
độ đầu cánh với mục đích hiểu chỉnh sai số điểm công suất cực đại ở trạng thái
xác lập [13].
K. N. Yu và C. K. Liao, “Applying novel fractional order incremental
conductance algorithm to design and study the maximum power tracking of
small wind power systems” đã giới thiệu giải thuật điện dẫn tăng thứ tự phân
đoạn mới (Fractional order incremental conductance algorithm, FOINC) cho
thiết kế bám điểm công suất cực đại của các hệ thống điện tuabin gió nhỏ. Giải
thuật đề xuất có đáp ứng tức thời ở chế độ quá độ và ổn định ở chế độ xác lập.


7

Ngoài ra, giải thuật đã cải thiện được hiệu suất bám điểm công suất cực đại mà
không cần thay đổi các thiết bị trong hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Giải thuật được giới thiệu tin cậy và hiệu quả khi
được so sánh với các giải thuật InC và P&O truyền thống [14].
1.6. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Tổng quan hệ thống điện gió
- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
1.7. Kết luận

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới nói chung và Việt Nam
nói riêng là rất lớn. Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam - EVN, để
đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực
hiện được mục tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công
nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm
[15]. Do đó, việc đầu tư phát triển nguồn điện, trong đó có các nguồn năng
lượng tái tạo là vô cùng cần thiết và hiệu quả đối với một quốc gia có nhiều
điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam. Vì vậy, việc nghiên cứu điều khiển
tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió là hết sức cần thiết và cấp bách.


8

Chương 2
Tổng quan hệ thống điện gió
2.1. Giới thiệu
Năng lượng gió có nguồn gốc từ nguồn năng lượng mặt trời và là một
trong các nguồn năng lượng thiên nhiên mà đang được đặc biệt quan tâm liên
quan đến nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới. Hiện tại, năng lượng gió
đã mang đến nhiều hứa hẹn, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất năng lượng điện.
Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lượng này trong
tương lai, các nhà khoa học cần nghiên cứu nhiều hơn để hoàn chỉnh các công
nghệ khai thác và sử dụng. Năng lượng gió được dựa trên nguyên lý là gió sẽ
tạo ra sức quay các tuabin và sau đó, sẽ tạo ra năng lượng điện. Các yếu tố hình
thành nên nguồn năng lượng gió bao gồm: sự hâm nóng bầu khí quyển quanh
mặt trời, sự chuyển vận của trái đất và sự lồi lõm của mặt đất.
Các ưu và nhược điểm của nguồn năng lượng gió có thể được liệt kê và
phân tích như sau:
* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió
Nguồn năng lượng gió mang đến nhiều ưu điểm mà là lý do chính cho

sự phát triển mạnh mẽ của nó trên thế giới trong thời gian gần đây. Các ưu
điểm chính của nguồn năng lượng gió khi được sử dụng cho việc sản xuất năng
lượng điện bao gồm:
+ Năng lượng gió là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận.
+ Việc xây dựng các dự án nhà máy điện gió sẽ tạo điều kiện cho sự
tăng trưởng của nền kinh tế.
+ Theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ rằng trong tương lai giá điện
của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điện của
các nguồn khác như than đá, dầu diesel hay biomass,... Hiện tại, giá của nguồn
năng lượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió của
từng địa phương.


9

+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng
lượng điện khác.
* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió
- Nguồn năng lượng gió là phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên.
- Công nghệ sản xuất năng lượng điện từ năng lượng gió đang phát triển
một cách mạnh mẽ và giá thành của một hệ thống này đã giảm dần từ hơn 10
năm qua nhưng mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao
hơn mức đầu tư so với các nguồn năng lượng truyền thống khác.
- Việc khai thác năng lượng gió để sản xuất năng lượng điện cũng gây ra
các ảnh hưởng đến môi trường. Các ảnh hưởng đó là:
+ Tiếng ồn được phát ra từ quá trình chuyển động của các tuabin gió;
+ Sự xáo trộn các luồng sóng trong không khí
+ Sự xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã...
2.2. Năng lượng gió trên thế giới [16], [21]
Năng lượng gió phát triển nhanh vào những năm 1990. Tuy nhiên, năng

lượng gió có sự phân bố không đồng đều trên thế giới. Đến cuối năm 2012,
khoảng 76% công suất là ở Châu Âu, 18% ở Nam Mỹ và 8% ở Châu Á Thái
Bình Dương.
2.2.1. Châu Âu
Từ cuối năm 2012, có khoảng 76% tuabin gió trên thế giới là ở Châu
Âu. Những nước có công suất lắp đặt lớn nhất là Đức, Đan Mạch và Tây Ban
Nha.
Theo đó, tổ chức EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) của Đức quy định
mức giá từ hệ thống năng lượng gió của năm 2012 là: 8,8 eurocents/kWh cho 3
năm đầu tiên và 5,9 eurocents/kWh cho những năm tiếp theo. Chính phủ Đức
thường xuyên thay đổi mức giá mua năng lượng điện gió và khuyến khích phát
triển nguồn năng lượng gió ngoài khơi.


10

2.2.2. Bắc Mỹ
Sau khi năng lượng điện gió phát triển bùng nổ ở California vào giữa
những năm 1980, nó đã phát triển chậm lại ở Bắc Mỹ.
Tuy nhiên, vào năm 1998, nhiều dự án năng lượng điện gió đã được
phát triển trở lại với công suất hơn 800MW. Cùng với sự thành công từ năng
lượng gió của Mỹ, Canada cũng đã lắp đặt các nhà máy điện gió đầu tiên.
2.2.3. Nam và Trung Mỹ
Với các rào cản về chính sách, năng lượng điện gió tại các vùng Nam và
Trung Mỹ đã không phát triển một cách mạnh mẽ. Mặc dù, theo các khảo sát
và đánh giá, đây là hai vùng có tiềm năng của nguồn năng lượng gió rất lớn.
Bên cạnh đó, nhiều dự án phát triển năng lượng gió ở Nam Mỹ cũng đã được
ủng hộ từ chương trình hỗ trợ quốc tế nhưng chỉ thu được những thành công
một cách khiêm tốn.
2.2.4. Châu Á Thái Bình Dương

- Năm 1993, Ấn Độ đã đạt được sự phát triển ấn tượng về việc lắp đặt
các hệ thống điện tuabin gió. Chính phủ đã bắt đầu tạo nhiều cơ hội khuyến
khích đầu tư vào nguồn năng lượng này hơn.
Tại Ấn Độ, Bộ Năng lượng tái tạo và Năng lượng mới được giao nhiệm vụ sẽ
là đơn vị điều hành việc lắp đặt các hệ thống năng lượng điện gió ngoài khơi.
Cột mốc đánh dấu sự phát triển mới của năng lượng gió ngoài khơi tại Ấn Độ
với hệ thống cối xay gió trải dài 200 hải lý từ đất liền.
Trên thực tế, tiềm năng năng lượng gió tại Ấn Độ rất lớn những vẫn chưa được
khai thác một cách triệt để. Hiện tại, Ấn Độ mới chỉ chú trọng hệ thống năng
lượng gió trên đất liền. Hệ thống này đang cung cấp 23GW cho nhu cầu tiêu
thụ điện trên cả nước. So với năng lượng gió trên đất liền, hệ thống năng lượng
gió ngoài khơi cần nhiều chi phí cho lắp đặt hơn nên nguồn năng lượng vô tận
này vẫn chưa được khai thác một cách triệt để.
Chính phủ Ấn Độ rất hy vọng vào công nghiệp năng lượng gió ngoài khơi sẽ
thành công và gặt hái được những thành tựu lớn như ngành công nghiệp gió đất


11

liền đã đạt được. Đại diện chính phủ cho biết: “Với sự ra mắt của Chính sách
năng lượng gió ngoài khơi, Ấn Độ sẽ cố gắng để lặp lại thành công như đã làm
với ngành công nghiệp gió đất liền.”
Hệ thống điện năng lượng gió ngoài khơi sẽ tiếp tục đóng góp cho an ninh điện
quốc gia và giúp Ấn Độ hoàn thành những chỉ tiêu năng lượng to lớn đã đặt ra.
- Trung Quốc đang đầu tư lớn vào năng lượng sạch để đáp ứng các mục
tiêu khí hậu và làm sạch thành phố ô nhiễm. Theo một báo cáo gần đây, Trung
Quốc đã lắp đặt 30,5 GW năng lượng điện gió vào năm 2015, chiếm gần một
nửa trong số tất cả các hệ thống năng lượng điện gió được lắp đặt trên toàn cầu.
Quốc gia đông dân nhất trên thế giới đã đánh bại Mỹ về công suất năng lượng
điện gió lắp đặt với gần 8,6 GW. Vị trí thứ ba là Đức 6,1 GW. Kế đến, Brazil

và Ấn Độ mỗi nước là 2,6 GW.
Công ty năng lượng GlobalData cho biết rằng kế hoạch tương lai của Trung
Quốc là nâng mục tiêu lắp đặt năng lượng gió đến năm 2020 vào khoảng 250
GW. Sau đó, chuyển trọng tâm từ việc mở rộng quy mô hướng tới chất lượng
và hiệu quả. GlobalData dự đoán rằng Trung Quốc sẽ duy trì vị trí là quốc gia
hàng đầu về công suất năng lượng gió được lắp đặt, 23 GW vào năm 2016.
Công suất năng lượng điện gió này được dự đoán sẽ tăng gấp ba lần vào năm
2030, tức là khoảng 495 GW.
- Nhật phát triển vượt trội hơn với các dự án thử nghiệm tuabin gió công
nghệ cao. Cuối năm 1990, dự án về năng lượng gió đầu tiên đã bắt đầu hoạt
động tại đảo Hokkaido và Okinawa.
Công suất năng lượng điện gió tại Nhật dự kiến sẽ tăng gấp 3 khi 2 nhà phát
triển lớn nhất bao gồm Eurus Energy Holdings và Electric Power Development
đầu tư 10 tỉ yên vào lắp đặt hệ thống mới. Đầu tư này sẽ giúp việc sản xuất
năng lượng điện từ năng lượng gió tương đương với 10 lò phản ứng hạt nhân.
Hai nhà phát triển trên dự định sẽ đầu tư 60 tỷ yên, tương đương 528 triệu USD
vào các cơ sở mới vào năm 2020.
Nhằm đạt được mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính, chính phủ Nhật đang tìm
cách tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo trừ thủy điện. Nhật lên
kế hoạch tăng tỉ trọng năng lượng tái tạo từ 3% lên 15% đến năm 2030.