Giải pháp nâng cao chất lượng trạm phát điện sức gió trong lưới điện cô lặp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG NGỌC THÀNH

GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRẠM PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ
TRONG LƯỚI ĐIỆN CƠ LẬP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG NGỌC THÀNH

GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRẠM PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ
TRONG LƯỚI ĐIỆN CƠ LẬP

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8 52 02 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. Lại Khắc Lãi

THÁI NGUYÊN – 2020
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Đặng Ngọc Thành
Đề tài luận văn: Giải pháp nâng cao chất lượng trạm phát điện sức gió trong lưới
điện cơ lập.
Chun ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8.52.02.01
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả
đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với các nội
dung sau:
- Sửa sai sót về thuật ngữ, lỗi chính tả, format, in ấn.
- Sắp xếp các mục của luận văn và soạn thảo đúng theo quy trình.
Thái Nguyên, ngày 18 tháng 10 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Lại Khắc Lãi

Tác giả luận văn

Đặng Ngọc Thành

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




THÔNG TIN CHUNG
Họ và tên: Đặng Ngọc Thành
Sinh ngày: 08/10/1988
Điện thoại: 0917332322

Email:

Đơn vị công tác: Công Ty Điện lực Lạng Sơn
Ngành đào tạo: Kỹ thuật điện
Lớp: K21 KTĐ

Khóa học: 2018 - 2020

Mã ngành: 8.52.02.01
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Điện thoại: 0913507464

Email:

Tên đề tài: “Giải pháp nâng cao chất lượng trạm phát điện sức gió trong lưới điện

cơ lập”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Đặng Ngọc Thành
Sinh ngày: 08/10/1985
Học viên lớp cao học khóa 21 - Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Công Ty Điện lực Lạng Sơn
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Giải pháp nâng cao chất lượng trạm phát điện sức
gió trong lưới điện cơ lập” do PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là cơng trình nghiên
cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các
số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Thái Nguyên, Ngày …. tháng …. năm 2020
Tác giả luận văn

Đặng Ngọc Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình

của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Giải pháp nâng cao chất
lượng trạm phát điện sức gió trong lưới điện cơ lập” đã hồn thành. Tác giả xin bày
tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hồn thành luận văn này.
Phịng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập
cũng như trong q trình nghiên cứu đề tài.
Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên,
giúp đỡ tác giả trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn.
Thái Nguyên, Ngày ..... tháng ..... năm 2020
Tác giả luận văn

Đặng Ngọc Thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................xi
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... xiii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết............................................................................................................1
2. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu ................................................................................2
3. Dự kiến các kết quả đạt được ...................................................................................2

4. Phương pháp nghiên cứu..........................................................................................2
5. Bố cục luận văn ........................................................................................................2
CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ...................................................................4
1.1. GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIĨ .............................................................................4
1.1.1. Sự hình thành gió ............................................................................................4
1.1.2. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam ..........................................................4
1.1.3. Điện gió...........................................................................................................8
1.1.4. Ưu, nhược điểm của hệ thống điện gió ...........................................................8
a) Ưu điểm ................................................................................................................8
b) Nhược điểm ..........................................................................................................9
1.1.5. Tính linh hoạt của hệ thống điện gió ..............................................................9
1.2. HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ Ở VÙNG CƠ LẬP ......................................................11
1.2.1. Hệ thống điện gió làm việc độc lập ..............................................................11
1.2.2. Hệ thống điện gió kết hợp với máy phát điện diesel ....................................12
1.2.3. Hệ thống điện gió + điện mặt trời .................................................................12
1.3. TURBINE GIĨ ...................................................................................................13
1.3.1. Cấu trúc chung của turbine gió .....................................................................13
1.3.2. Đặc tính làm việc của turbine gió .................................................................13
1.3.3. Cơ sở năng lượng gió....................................................................................14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.4. VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ..............................................16
1.4.1. Điều khiển tốc độ .........................................................................................16
1.4.2. Điều khiển mô men .......................................................................................16
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................................17
CHƯƠNG 2 ...................................................................................................................18

THEO DÕI ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ.....................18
2.1. GIỚI THIỆU .......................................................................................................18
2.1.1. Tổng quan .....................................................................................................18
2.1.2. Phương pháp điều khiển TSR .......................................................................18
2.1.3. Phương pháp điều khiển PSF........................................................................19
2.1.4. Phương pháp điều khiển leo đồi ...................................................................19
2.2. CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG TURBINE GIĨ .............20
2.2.1. Turbin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .................20
2.2.2. Turbine gió sử dụng máy phát điện cảm ứng (SCIG) ..................................22
2.2.3. Turbine gió sử dụng máy phát điện nguồn kép ............................................22
2.3. MPPT CHO TURBINE GIĨ VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH
VĨNH CỬU ................................................................................................................23
2.3.1. Sơ đồ .............................................................................................................23
2.3.2. Kết quả mơ phỏng thuật tốn MPPT ............................................................25
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...................................................................................27
CHƯƠNG 3 ...................................................................................................................28
HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ TRONG LƯỚI CƠ LẬP CĨ BỘ PHẬN LƯU TRỮ NĂNG
LƯỢNG .........................................................................................................................28
3.1. MỞ ĐẦU .............................................................................................................28
3.2. BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ............................................................28
3.2.1. Tổng quan .....................................................................................................28
3.2.2. Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng .......................................................29
3.2.3. Nguyên lý hoạt động của bánh đà lưu trữ năng lượng .................................30
3.2.4. Đặc điểm của bánh đà lưu trữ năng lượng ....................................................31

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

3.3. HOẠT ĐỘNG CỦA BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN GIÓ ...................................................................................................31
3.3.1. Cấu trúc của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng ......................................31
3.3.3. Nguyên lý điều khiển hoạt động của FESS trong hệ thống ..........................32
3.4. HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ CƠ LẬP ...............................................................33
3.4.1. Ngun tắc hoạt động của FESS trong hệ thống điện gió cơ lập .................33
3.4.2. Mơ hình tốn của bánh đà .............................................................................34
3.4.3. Mơ hình tốn của động cơ-máy phát ............................................................35
Điều khiển ...............................................................................................................36
3.4.4. Mơ hình toán học bộ biến đổi .......................................................................37
3.4.5. Điều chế véc tơ khơng gian ..........................................................................38
3.5. MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA FESS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ ....40
3.5.1. Sơ đồ mơ phỏng ............................................................................................40
3.5.2. Số liệu và kịch bản mô phỏng.......................................................................42
3.5.3. Kết quả mô phỏng .........................................................................................43
3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...................................................................................45
KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................47

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

1

WECS

Chú thích
Wind Energy Conversion System - Hệ thống
chuyển đổi năng lượng gió

2

MPPT

Maximum Power Point Traking - Theo dõi điểm
cơng suất cực đại

3

PMSG

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

4

SCIG

Máy phát điện khơng đồng bộ rotor lồng sóc

5

DFIG

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép

6

DC-AC

Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều

7

PV

8

ANN

Nơ ron nhân tạo

9

PWM

Pules- With- Modulation - Điều chế độ rộng xung

10

CB- PWM

Carrier Based Pulse With Modulation - Điều chế

Tế bào quang điện

độ rộng xung dựa trên sóng mang
11

FESS

Flywheel Energy Srorage System - Hệ thống bánh
đà lưu trữ năng lượng

12

SVM

Space vector Modulation - Điều chế véc tơ không
gian

13

TRS

Tip Speed Ratio – Tốc độ đầu cánh

14

PSF

Power Signal Feedback -Phản hồi tín hiệu cơng
suất

Hill-Climb Seach - Tìm kiếm leo đồi

15

HCS

16

DC bus

17

idc

Dịng điện DC đường một chiều (A)

18

vdc

Điện áp đường một chiều (V)

19

AC-DC

Bộ chuyển đổi xoay chiều sang một chiều

20

DC-AC

Bộ biến chuyển một chiều sang xoay chiều

đường một chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




STT

Ký hiệu

21

AC↔DC

Chú thích
Bộ chuyển đổi 2 phía (Từ xoay chiều sang một
chiều và ngược lại)

22

IM

23

Converter

Máy điện cảm ứng
Bộ chuyển đổi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Hệ thống điện gió làm việc độc lập .............................................................11
Hình 1. 2: Hệ thống điện gió - diesel.............................................................................12
Hình 1. 3: Hệ thống lai điện gió và mặt trời ..................................................................12
Hình 1. 4: Các thành phần của một turbine gió .............................................................13
Hình 1. 5: Quan hệ giữa cơng suất của turbin theo vận tốc gió ....................................14
Hình 1. 6: đường cong công suất cơ của turbine theo tốc độ rotor với các tốc độ gió khác
nhau. ..............................................................................................................................15
Hình 2. 1: Điều khiển tốc độ đầu cánh của WECS .......................................................19
Hình 2. 2: Phương pháp PSF .........................................................................................19
Hình 2. 3: Nguyên tắc điều khiển HCS .........................................................................20
Hình 2. 4: WECS với thuật tốn leo đồi ........................................................................20
Hình 2. 5: Hệ thống turbine gió sử dụng PMSG ...........................................................21
Hình 2. 6: Hệ thống turbine gió sử dụng máy phát điện KĐB ......................................22
Hình 2. 7. Tuarbine gió sử dụng máy phát điện nguồn kép ..........................................23
Hình 2. 8: PMSG Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió ...............................................28
Hình 2. 8.1: Lưu đồ thuật tốn bộ điều khiển MPPT ....................................................25
Hình 2. 9: Sơ đồ mơ phỏng............................................................................................26
Hình 2. 10: Tốc độ gió ...................................................................................................26
Hình 2. 11: Tốc độ góc của turbinr................................................................................27
Hình 2. 12: Đáp ứng cơng suất tác dụng .......................................................................27

Hình 3. 1: Cấu tạo của bánh đà lưu trữ năng lượng ......................................................29
Hình 3. 2: Cấu trúc của FESS 1 cấp ..............................................................................32
Hình 3. 3: Cấu trúc của hệ thống FESS 2 cấp ...............................................................32
Hình 3. 4: Hệ thống điện mặt trời và điện gió có tích hợp FESS ..................................33
Hình 3. 5: Đường cong cơng suất tức thời của FESS trong hệ thống lai ......................33
Hình 3. 6: Sơ đồ mạch lực hệ thống FESS ....................................................................34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




Hình 3. 7: Các véc tơ khơng gian của SVM ..................................................................39
Hình 3. 8: Sơ đồ điều khiển FESS .................................................................................41
Hình 3. 9: Công suất tức thời của P1, P2 và P3 ..............................................................43
Hình 3. 10: Đáp ứng tốc độ của mát điện trong FESS ..................................................43
Hình 3. 11: Cơng suất đặt và cơng suất thực của FESS ................................................44
Hình 3. 12: Đáp ứng cơng suất của FESS và công suất hệ tổng cấp cho tải ................44

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độc cao 65m ................................................5
Bảng 1. 2: Tiềm năng kỹ thuật năng lượng gió tại Việt Nam tính tại các địa điểm có vận
tốc trung bình hằng năm tương đương hoặc lớn hon 6m/s ở độ cáo 60m so với mặt đất
.........................................................................................................................................6
Bảng 1. 3: Tóm lược tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m theo Atlas gió mới ........7
Bảng 3. 1: Chu kỳ đóng/cắt các van trong mỗi sector ...................................................40

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU
Tên đề tài: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRẠM PHÁT ĐIỆN SỨC
GIĨ TRONG LƯỚI CƠ LẬP
1. Tính cấp thiết
Hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi
trường do đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm trọng. Năng lượng tái tạo là nguồn
năng lượng sạch và vô tận mà thiên nhiên ban tặng cho con người, là sự thay thế cho
nguồn năng lượng truyền thống trong tương lai. Các nguồn năng lượng tái tạo đang được
quan tâm là năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng
biển, năng lượng thủy triều… Năng lượng tái tạo góp phần rất lớn vào việc cải tạo cuộc
sống nhân loại và cải thiện môi trường.
Theo khảo sát của Ngân hàng thế giới, Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió
lớn nhất Đơng Nam Á với tổng cơng suất điện gió ước đạt 513.360 MW, nhiều hơn 200
lần cơng suất của Thuỷ điện Sơn La, hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện
vào năm 2020. Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với
biến đổi khí hậu, trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các
nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và
bảo vệ môi trường.
Từ hàng trăm năm trước con người đã biết sử dụng năng lượng gió để di chuyển
thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngồi ra năng lượng gió cịn được sử dụng để tạo công
cơ học nhờ vào các cối xay gió. Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình
thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu, nguyên tắc của cối xay
gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng
cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi khoa học về cơ học

dòng chảy phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh cũng được chế
tạo đặc biệt hơn cho phù hợp. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập niên
1970 việc nghiên cứu sản xuất điện từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới,
kể cả việc phát triển các turbine gió. Q trình phát triển của việc sử dụng năng lượng
gió nhằm sản xuất điện năng có thể coi như bắt đầu vào những năm 1970 với những thí
nghiệm bước đầu và bùng nổ vào những năm 1980. Theo xu hướng đó, các hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




phát điện hỗn hợp gió - diesel cũng được ứng dụng rất phù hợp với vùng sâu, vùng xa,
biến giới, hải đảo, những nơi mà việc phát triển lưới điện quốc gia không khả thi về mặt
kinh tế.
Trong đề tài này tập trung nghiên cứu phát triển hệ thống phát điện sức gió kết hợp với
hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng ứng dụng cho các vùng cô lập và có khả năng tiềm
tàng về nguồn năng lượng gió.
2. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu
+ Mục tiêu: Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu qủa khai thác và chất lượng điện
gió trong lưới điện cơ lập
+ Nội dung nghiên cứu:
1) Nghiên cứu tổng quan về năng lượng tái tạo.
2) Xây dựng mơ hình hệ thống tích hợp điện gió trong lưới cơ lập
3) Nghiên cứu tính ổn định của hệ thống điện gió
4) Giải pháp nâng cao hiệu quả và hất lượng vận hành hệ thống điện gió trong lưới
điện cô lập
3. Dự kiến các kết quả đạt được
Đề xuất một số giải pháp nâng cao độ ổn định hệ thống điện gió được kiểm chứng
thơng qua mơ phỏng
4. Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các cơng trình nghiên
cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chun ngành, … từ
đó đề xuất giải pháp cho vấn bài toán cụ thể của đề tài
+ Mô phỏng kiểm nghiệm giải pháp đề xuất
5. Bố cục luận văn
Luận văn gồm 3 chương phần mở đầu và kết luận
Chương 1: trình bày tổng quan về sự hình thành gió, tiềm năng năng lượng gió ở
Việt Nam, điện gió, ưu, nhược điểm, tính linh hoạt của hệ thống điện gió ; cấu trúc cơ
bản của một số hệ thống điện gió có thể triển khai ở các vùng cơ lập; cấu tạo, ngun lý
làm việc của turbine gió, các phương trình mơ tả quan hệ của hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió; nguyên tắc và các phương pháp điều khiển điện gió.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 2: Khai thác cơng suất tối đa có thể từ năng lượng gió có sẵn là một lĩnh
vực nghiên cứu quan trọng trong đó kiểm sốt MPPT khơng cảm biến tốc độ gió là một
lĩnh vực nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong chương này, đưa ra một
số đánh giá ngắn gọn về các phương pháp điều khiển tìm điểm làm việc có cơng suất
cực đại của hệ thống turbine gió với việc sử dụng các máy phát điện khác nhau. Đồng
thời tiến hành mô phỏng để đánh hoạt động của turbin gió sử dụng máy phát điện đồng
bộ kích từ nam châm vĩnh cửu.
Chương 3: trình bày cấu trúc hệ thống điện gió cơ lạp có tích hợp hệ thống bánh
đà lưu trữ năng lượng; mơ tả hoạt động của FESS, xây dựng mơ hình toán học hệ thống
FESS và nguyên tắc điều khiển chúng. Đồng thời đã tiến hành mô phỏng cho một kịch
bản cụ thể để minh chứng vai trò của hệ thống FESS trong việc ổn định công suất của
hệ thống điện gió + mặt trời làm việc độc lập.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
1.1. GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG GIĨ
1.1.1. Sự hình thành gió
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí
quyển, nước và khơng khí nóng khơng đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban
đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt
Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ
và vì thế là khác nhau về áp suất mà khơng khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như khơng
khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió.
Trái Đất quay trịn cũng góp phần vào việc làm xốy khơng khí và vì trục quay của
Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh
Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dịng khơng khí theo mùa.
Bản đồ vận tốc gió theo mùa do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành
từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên khơng khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp
không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xốy có chiều xốy khác nhau giữa
Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu khơng khí di
chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao
theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. Ngồi các yếu tố
có tính tồn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước
và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác
biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền
nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.
1.1.2. Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam
Trong năm 2001, Ngân hàng thế giới tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước
(Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam), nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió cho

khu vực. Bản nghiên cứu này, với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn cùng với
dữ liệu lấy từ mơ hình MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam
tại độ cao 65m và 30m cách mặt đất, tương ứng với độ cao trục của các turbine gió nối
lưới cỡ lớn và turbin gió nhỏ được lắp đặt ở những vùng có lưới mini độc lập. Dữ liệu
4


khí tượng thủy văn do Viện Khí tượng và Thủy văn quốc gia Việt Nam (VNHM) và Cục
quản lý Hải dương học và Khí tượng quốc gia Mỹ (NOAA) cung cấp. NOAA, từ năm
1994 đã có kết nối với 24 trạm khí tượng thủy văn ở Việt Nam để thu nhập dữ liệu thủy
văn.
Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới chỉ ra rằng, Việt Nam là nước có tiềm năng
gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được
ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m, tương đương
với tổng công suất 512GW. Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm
năng gió rất tốt.
Bảng 1. 1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độc cao 65m
(Nguồn: TrueWind Solutions, 2000. Bản đồ tài ngun gió Đơng Nam Á)
Tốc độ gió

Thấp

Trung bình

Tương đối cao

Cao

Rất cao

trung bình

<6m/s

6-7m/s

7-8m/s

8-9m/s

>9m/s

197.242

100.367

25.679

2.178

111

60,60%

30,80%

7.90%

0,70%

>0%

401.444

102.716

8.748

452

Diện tích
(km2)
Diện tích
(%)
Tiềm năng
(MW)

Tuy nhiên, bản đồ gió của Ngân hàng thế giới được nhiều chuyên gia đánh giá là
quá lạc quan và có thể mắc một số lỗi trầm trọng do tiềm năng gió được đánh giá dựa
trên chương trình mơ phỏng. Thực vậy, so sánh các số liệu đo gió thực tế do Tập đồn
Điện lực Việt Nam (EVN) thực hiện nhìn chung thấp hơn nhiều so với số liệu tương ứng
từ bản đồ gió của Ngân hàng Thế giới.
Nghiên cứu của EVN về “Đánh giá tài nguyên gió cho sản xuất điện” là nghiên
cứu chính thức đầu tiên về tài nguyên năng lượng gió của Việt Nam. Theo đó, dữ liệu
gió sẽ được đo đạc cho một số điểm lựa chọn. Sau đó sẽ ngoại suy lên thành dữ liệu gió
mang tính đại diện khu vực, bằng cách lược bỏ tác động của độ nhám bề mặt, sự che
khuất do các vật thể như toàn nhà và sự ảnh hưởng do địa hình.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

Dữ liệu gió mang tính khu vực này sau đó được sử dụng để tính tốn dữ liệu gió tại điểm
khác bằng cách áp dụng quy trình tương tự, nhưng theo chiều ngược lại. Trên cơ sở dữ
liệu đó, đề án còn xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng (khoảng cách đấu nối với hệ thống
điện, địa hình, khả năng vận chuyển thiết bị, sự chấp nhận của cộng đồng và các vấn đề
liên quan đến sử dụng đất và môi trường…). Bằng các làm như vậy, nghiên cứu đã xác
định được các điểm thích hợp cho sản xuất điện gió, tương đương với cơng suất
1.785MW. Miền Trung có tiềm năng gió lớn nhất, với 880MW tập trung chủ yếu tại
tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến là miền Nam, với 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình
Thuận.
Bảng 1. 2: Tiềm năng kỹ thuật năng lượng gió tại Việt Nam tính tại các địa điểm có vận tốc
trung bình hằng năm tương đương hoặc lớn hon 6m/s ở độ cáo 60m so với mặt đất
(Nguồn: EVN)
STT

Khu vực

Tiềm năng kỹ thuật (MW)

1

Miền Bắc

50

2

Miền Trung

880

3

Miền Nam

855

Tổng cộng

1.785

Tuy nhiên, việc tính tốn của EVN chưa được hồn thành do quy mơ của dự án
cũng như nguyên tắc tập trung vào các tỉnh dun hải miền Trung. Như vậy, hồn tồn
có khẳ năng là nhiều vị trí có tiềm năng gió tốt, chưa được phát hiện và do vậy cần phải
có các nghiên cứu sâu rộng hơn để có được bức tranh đầy đủ hơn về tiềm năng năng
lượng gió của Việt Nam.
Năm 2007, Bộ Công Thương với sự hỗ trợ của Ngân hàng thế giới đã tiến hành đo
gió tại 3 điểm, góp phần vào xác định tiềm năng gió của Việt Nam. Chương trình được
từ vấn quốc tế AWS TruePower và GPCo phối hợp với công ty Tư vấn Điện 3 (PECC3)
tiến hành trong 2 năm. Kết quả đo đạc này và các số liệu khác đã được Bộ Công Thương
sử dụng để cập nhật Atlas gió cho Việt Nam, đơn vụ thực hiện là AWS TruePower-tiền
thân là TrueWind Solutions - cũng là đơn vị xây dựng Atlas gió cho 4 quốc gia, trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




đó có Việt Nam năm 2001. So sánh với kết quả nghiên cứu cũ, kết quả đánh giá này
thận trọng hơn nhiều.

Bảng 1. 3: Tóm lược tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m theo Atlas gió mới
(Nguồn: AWS TruePower, 2011. Wind resource atlast of Vietnam)
Tốc độ gió trung
bình
Diện tích
(km2)
Diện tích
(%)
Tiềm năng
(MW)

<4m/s

4-5m/s

5-6m/s

6-7m/s

7-8m/s 8-9m/s >9m/s

95.961

70.868

40.473

2.435

220

20

1

45,70%

33,80%

19,30%

1,2%

0,1%

0,01%

>0%

956.161 708.678

404.732

24.351

2.202

200

10

Dự án năng lượng gió GIZ/MOIT, với trọng tâm là xây dựng khung chính sách và
hỗ trợ kỹ thuật cho điện gió nối lưới gần đây cũng quyết định bổ sung ngân sách để tiến
hành đánh giá tiềm năng gió. Theo đó, 13 địa điểm sẽ được lựa chọn để đo gió trong
vịng ít nhất 1 năm. Ba cột đo gió hiện có của Bộ Cơng Thương sẽ được tái sử dụng cho
chương trình đo đạc này. Dự án cũng xem xét tới xây dựng Atlas gió khu chương trình
khảo sát kết thúc.
Với mục tiêu tạo điều kiện và cơ chế tối đa cho việc phát triển năng lượng tái tạo,
đặc biệt là nguồn điện gió có tiềm năng và khả năng khai thác lớn nhất. Thủ tướng Chính
phủ đã ban hành Quyết định số: 37/QĐ-TTg, ngày 29/6/2011, về cơ chế hỗ trợ phát triển
các dự án điện gió tại Việt Nam, trong đó yêu cầu cần thiết phải thiết lập quy hoạch phát
triển điện gió cấp quốc gia và các tỉnh có tiềm năng phát triển điện gió. Một trong các
nhiệm vụ của cơng tác lập quy hoạch là phải đánh giá được tiềm năng lý thuyết, tiềm
năng kỹ thuật của nguồn điện gió. Tuy nhiên, cũng như trường hợp của nhiều nước đang
phát triển, việc đánh giá tiềm năng gió với độ tin cậy cao tại Việt Nam chưa được tiến
hành, mặc dù đã có những đánh giá ban đầu của các tổ chức, đơn vị ở các mức độ khác
nhau về tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam. Một số tổ chức đã đưa ra ước tính của
riêng mình dựa trên tình hình phát triển thực tế ở các địa phương, với mức cơng suất
dao động trong khoảng 10.000-20.000MW.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.1.3. Điện gió
Điện gió hay phong điện là sử dụng thiết bị biến đổi năng lượng gió thành điện
năng, nguồn điện năng này được cung cấp cho các phụ tải điện cục bộ hoặc hịa vào lưới
điện quốc gia. Có thể coi điện gió là là một trong những nguồn năng lượng sạch và vô
hạn. Tuy nhiên, đầu tư ban đầu cho điện gió lại khá cao. Nếu tính về giá trị trước mắt,
việc trang bị số lượng lớn tua-bin gió phải chi phí tới vài triệu USD/megawatt, có thể so

sánh với những nhà máy nhiệt điện mới. Hơn nữa, gió khơng thổi thường xun. Trong
thực tế, những tua-bin gió thường chỉ sinh điện khoảng 30% thời gian, vì vậy nó mất
nhiều thời gian hơn trong việc thu hồi vốn xây dựng cơ bản. Theo ước tính mới nhất của
Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), cùng với sự khích lệ của chính phủ và các chi phí bảo dưỡng
tua-bin gió vốn có tuổi thọ tới 20 năm, xem ra giá thành năng lượng gió hiện nay vơ
cùng rẻ - khoảng 4 cent/KWh. Thậm chí, ơng Andrew Karsner, Thứ trưởng phụ trách
Năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ, cho rằng với nguồn “nguyên liệu vô tận” của thiên
nhiên, tương lai gần, người ta có thể sản xuất điện từ gió với mức chi phí khơng q nửa
cent cho mỗi kWh.
1.1.4. Ưu, nhược điểm của hệ thống điện gió
a) Ưu điểm
- Ưu điểm dễ thấy nhất của phong điện là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô
nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây
dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dịng nước mạnh với
những điều kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước.
- Các trạm phong điện có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi
phí cho việc xây dựng đường dây tải điện.
Trước đây, khi cơng nghệ phong điện cịn ít được ứng dụng, việc xây dựng một
trạm phong điện rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được áp
dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay phong điện đã trở nên rất phổ
biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hồn thiện nên chi phí cho
việc hoàn thành một trạm phong điện hiện nay chỉ bằng ¼ so với năm 1986. Ngày nay
phong điện đã trở thành một trong những giải pháp năng lượng quan trọng ở nhiều nước,
và cũng rất phù hợp với điều kiện Việt nam.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




Ngồi ra phong điện cịn có thể phát huy tác dụng to lớn trong sự nghiệp tăng cường an

ninh quốc phòng, nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào các vùng sâu,
vùng xa, cơng cuộc xóa đói giảm nghèo, và tạo thêm việc làm cho hàng triệu người lao
động ở mọi nơi, trong mọi lĩnh vực hoạt động của đất nước.
b) Nhược điểm
Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và
chế độ gió. Vì vậy khi thiết kế, cần nghiên cứu hết sức chi tiết về chế độ gió, địa hình
cũng như loại gió khơng có các dịng rối (có ảnh hưởng khơng tốt đến máy phát). Cũng
vì những lý do có tính phụ thuộc vào điều kiện mơi trường như trên, năng lượng gió tuy
ngày càng phổ biến và quan trọng nhưng không thể là nguồn năng lượng chủ lực. Tuy
nhiên, khả năng kết hợp giữa điện gió và thủy điện tích năng lại mở ra cơ hội cho Việt
Nam, một mặt đa dạng hóa được nguồn năng lượng trong đó kết hợp những nguồn năng
truyền thống với những nguồn lượng tái tạo sạch với chi phí hợp lý; mặt khác khai thác
được thế mạnh, đồng thời hạn chế của mỗi nguồn năng lượng, và tận dụng các nguồn
năng lượng này trong mối quan hệ bổ sung lẫn nhau.
Một điểm cần lưu ý nữa là khả năng các trạm điện gió sẽ gây ơ nhiễm tiếng ồn
trong khi vận hành, cũng như có thể phá vỡ cảnh quan tự nhiên và có thể ảnh hưởng đến
tín hiệu của các sóng vơ tuyến nếu các yếu tố về kỹ thuật không được quan tâm đúng
mức. Do vậy, khi xây dựng các khu điện gió cần tính tốn khoảng cách hợp lý đến các
khu dân cư, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực. Nếu nhìn ra thế giới thì
việc phát triển điện gió đang là một xu thế lớn, thể hiện ở mức tăng trưởng cao nhất so
với các nguồn năng lượng khác. Khác với điện hạt nhân vốn cần một quy trình kỹ thuật
và giám sát hết sức nghiêm ngặt, việc xây lắp điện gió khơng địi hỏi quy trình khắt khe
đó. Với kinh nghiệm phát triển điện gió thành cơng của Ấn Độ, Trung Quốc và Philippin,
và với những lợi thế về mặt địa lý của Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển
năng lượng điện gió để đóng góp vào sự phát triển chung của nền kinh tế.
1.1.5. Tính linh hoạt của hệ thống điện gió
Trạm phong điện có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải
pháp rất linh hoạt và phong phú: Các trạm phong điện đặt ở ven biển cho sản lượng cao
hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm đất xây
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ.
Giải bờ biển Việt Nam trên 3000 km có thể tạo ra cơng suất hàng tỷ kW phong điện.
Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nông nghiệp
cũng có thể đặt được trạm phong điện. Trường hợp này không cần làm trụ đỡ cao, tiết
kiệm đáng kể chi phí xây dựng. 15 Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm phong
điện, dùng cho các nhu cầu trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi khơng dùng
hết điện. Trạm điện này càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất điện.
Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm phong điện. Nếu tận dụng khơng
gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm phong điện thì sẽ giảm tới mức thấp nhất
diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện. Điện khí hóa ngành đường sắt là
xu hướng tất yếu của các nước công nghiệp. Chỉ cần đặt với khoảng cách 10 km một
trạm 4800kW dọc các tuyến đường sắt đã có đủ điện năng cho tất cả các đoàn tàu ở Việt
nam hiện nay. Các vùng phong điện lớn đặt gần tuyến đường sắt cũng rất thuận tiện
trong việc vận chuyển và dựng lắp. Các đầu máy diesel và than đá tiêu thụ lượng nhiên
liệu rất lớn và gây ô nhiễm môi trường sẽ được thay thế bằng đầu máy điện trong tương
lai. Đặt một trạm phong điện bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ
tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây
dựng một trạm phong điện. Việc bảo quản một trạm phong điện cũng đơn giản hơn việc
bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều. Nhà máy nước ngọt đặt cạnh những trạm phong
điện là mơ hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước ngọt cho vùng đồng bằng sông
Cửu Long, tiết kiệm nhiên liệu và đường dây điện. Một trạm phong điện 4 kW có thể
đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền. Một
trạm 10 kW đủ cho một đồn biên phòng trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo
xa. Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã vùng cao, một đồn thăm dị địa chất hay một
khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây chưa thể vươn tới được. Một nông trường cà
phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây dựng trạm phong điện hàng trăm hoặc hàng

ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng
chế biến sản phẩm....

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.2. HỆ THỐNG ĐIỆN GIĨ Ở VÙNG CƠ LẬP
Vùng cơ lập trong nghiên cứu này được hiểu là vùng mà lưới điện quốc gia chưa
vươn tới, đó là các vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo. Trước kia để cung cấp điện
cho vùng cô lập chủ yếu người ta dùng máy phát điện diesel, chúng có nhược điểm là
giá thành điện cao, gây ô nhiễm môi trường. Để khắc phục nhược điểm này người ra
thường kết hợp nguồn điện diesel với nguồn điện từ năng lượng tái tạo như điện gió,
điện mặt trời, vv…
Hệ thống điện gió sử dụng ở vùng cơ lập thường có 3 dạng cấu trúc:
 Hệ thống phát điện gió làm việc độc lập
 Hệ thống phát điện gió kết hợp với diesen
 Hệ thống điện gió + điện mặt trời
1.2.1. Hệ thống điện gió làm việc độc lập
Một cấu trúc hệ thống điện gió làm việc độc lập được chỉ ra trên Hình 1.1.

Hình 1. 1: Hệ thống điện gió làm việc độc lập
Hệ thống này ln địi hỏi thiết bị lưu giữ năng lượng (pin, acqui, …) để khởi động,
lưu trữ năng lượng và góp phần ổn định hệ thống. Hệ thống này thường có cơng suất
nhỏ, chủ yếu được sử dụng với qui mơ hộ gia đình.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN