So sánh phương pháp điều khiển độc lập công suất p, q của máy phát điện gió dfig

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CÔNG LUẬN

SO SÁNH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG
SUẤT P, Q CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2015

1


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG-TP.HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHÚC
............................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ...................................................................................................
............................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ...................................................................................................
............................................................................................................................................
Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí
Minh ngày …… tháng..… năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm:
1...................................................................................................................

2...................................................................................................................
3...................................................................................................................
4...................................................................................................................
5...................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trƣởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA

2


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Nguyễn Công Luận

Ngày, tháng, năm sinh: 30/06/1975
Thiết bị, mạng và Nhà máy điện

Chuyên ngành:

MSHV:

12214311

Nơi sinh:

Đồng Nai

Mã số:

60.52.50

I.TÊN ĐỀ TÀI:
SO SÁNH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CƠNG SUẤT P, Q CỦA MÁY
PHÁT ĐIỆN GIĨ DFIG
II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Mơ hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và cơng suất
phản kháng của máy phát điện gió nguồn kép bằng phƣơng pháp SFOC có sử dụng
encoder và khơng sử dụng encoder. Chứng minh cả hai phƣơng pháp đều cho kết quả
tƣơng đƣơng.
III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

Ngày 07 tháng 07 năm 2014

IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

Ngày 08 tháng 05 năm 2015

V.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:

PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHÚC
Tp. HCM, Ngày …..Tháng……Năm 2015

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

NGUYỄN HỮU PHÚC

TRƢỞNG KHOA……………………………………..

3


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trực tiếp hƣớng dẫn, PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc đã
tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn. Những chỉ dẫn,
ý kiến đóng góp cùng những khích lệ tinh thần của thầy đã giúp tơi khắc phục những
thiếu sót để hồn thành luận văn.
Tơi cũng xin chân thành cám Thầy, TS. Phạm Đình Trực đã giúp đỡ và định hƣớng
cho tơi trong q trình chọn đề tài và viết đề cƣơng cho luận văn này. Xin cám ơn các
Thầy, TS. Nguyễn Đình Tuyên, TS. Nguyễn Ngọc Tú đã giúp đỡ cung cấp các tài liệu
liên quan và hƣớng dẫn sử dụng Matlab/Simulink.
Tôi xin cảm ơn đến quý thầy cô trong Khoa điện cũng nhƣ ở các phịng ban liên quan
đã tạo điều kiện để tơi hồn thành chƣơng trình đào tạo.

Tơi rất cảm kích với sự cộng tác của các anh chị em học viên lớp Thiết bị, mạng và
nhà máy điện khóa 2012, đợt 2 đã có những cộng tác, những đóng góp ý kiến trong
suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Xin cám ơn đến gia đình và ngƣời thân đã ủng hộ và động viên trong suốt thời gian
theo học và thực hiện luận văn.
Trân trọng.

4


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn trình bày sơ lƣợc về tình hình phát triển năng lƣợng gió trên thế giới. Tiếp
đó, luận văn cũng trình bày lý thuyết tổng quan hệ thống chuyển dổi năng lƣợng gió,
các loại mơ hình turbine gió, sự chuyển đổi hệ qui chiếu trong điều khiển định hƣớng
từ thơng, xây dựng mơ hình máy phát gió khơng đồng bộ nguồn kép (DFIG) để điều
khiển độc lập công suất P-Q bằng phƣơng pháp định hƣớng từ thơng stator (SFOC).
Điểm mới của luận văn là trình bày thuật toán điều khiển độc lập P-Q bằng phƣơng
pháp SFOC khơng có sử dụng cảm biến tốc độ encoder và kết quả mơ phỏng cho
phƣơng pháp này.
Các mơ hình mơ phỏng đƣợc xây dựng trong môi trƣờng Matlab/Simulink với kết quả
đƣợc thực hiện cho máy phát gió có cơng suất 2.3MW. Việc thực hiện mơ phỏng khi
có sử dụng encoder áp dụng theo những nội dung đƣợc trình bày trong các tài liệu giáo
trình cũng nhƣ tham khảo các luận văn của các khóa trƣớc [21]. Từ đó luận văn phát
triển thêm phần mơ phỏng cho phƣơng pháp khơng có sử dụng encoder.
Phần cuối là kết quả mô phỏng và bảng so sánh của hai phƣơng pháp và nêu hƣớng
phát triển đề tài.

5

ABSTRACT
Firstly, this thesis gives an introduction about the development of wind energy in the
world and in Vietnam.
Secondly, the thesis introduces about wind energy conversion system (WECS), types
of wind turbine, models of wind turbine, theories about reference frame
transformation.
Next, the thesis focuses on modeling the a DFIG with method of Stator Flux
Orientation (SFOC) to implement of decoupled P-Q control by algorithm with using
position encoder (sensor scheme) and proposing a new algorithm to implement of
decoupled P-Q control without using encoder (sensorless scheme ).
All the simulations and the results are investigated with Matlab/Simulink, using
scheme with encoder and serving it as foundation for the sensorless scheme.
Finally, the thesis shows up the results of two methods and a brief comparison.

6


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam kết cơng trình ngun cứu này là của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào.
Tác giả
Nguyễn Công Luận

7


MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn ...................................................................................................................... i
Tóm tắt luận văn (tiếng Việt) ........................................................................................... ii
Tóm tắt luận văn (tiếng Anh) .......................................................................................... iii
Lời cam đoan ................................................................................................................... iv
Mục lục

....................................................................................................................... v

Danh sách các hình ......................................................................................................... vii
Danh sách các bảng ......................................................................................................... ix
Thuật ngữ viết tắt.............................................................................................................. x
Ký hiệu

...................................................................................................................... xi

Chƣơng 1: Tổng quan năng lƣợng gió
1.1

Tình hình phát triển năng lƣợng gió trên thế giới ................................. ........ 1

1.2

Tình hình phát triển năng lƣợng gió ở Việt Nam .................................. ........ 3

Chƣơng 2: Hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió
2.1

Quá trình chuyển đổi năng lƣợng gió ................................................... ........ 6

2.2

Khai thác năng lƣợng gió ..................................................................... ...... 12

2.3

So sánh giữa các hệ thống phát điện bằng tuabin gió .......................... ...... 15

2.4

Hệ thống máy phát điện nguồn kép với tuabin gió .............................. ...... 17

2.5

Các thành phần máy phát điện gió ....................................................... ...... 19

Chƣơng 3: Mơ hình turbine gió với máy phát điện nguồn kép DFIG
3.1

Mơ hình tuabin gió ............................................................................... ...... 23

3.2

Phƣơng trình chuyển đổi hệ qui chiếu. ................................................ ...... 25

3.3

Phƣơng trình tốn máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG. ........... ...... 28

Chƣơng 4:Phƣơng pháp điều khiển máy phát điện gió DFIG

4.1

Các phƣơng pháp điều khiển DFIG ..................................................... ...... 33

4.2

Điều khiển DFIG bằng phƣơng pháp định hƣớng từ thông stator ....... ...... 37

4.3

Bộ biến đổi công suất Converter back to back AC-DC-AC hai bậc ..... ...... 45

4.4 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (sin PWM) .............................. ...... 50

8


Chƣơng 5: Thuật tốn điều khiển máy phát điện gió DFIG
5.1.

Điều khiển máy phát điện gió DFIG khi có sử dụng encoder .............. ...... 52

5.2.

Điều khiển máy phát điện gió DFIG khi không sử dụng encoder ........ ...... 55

Chƣơng 6: Mơ hình và kết quả mơ phỏng máy phát điện gió DFIG 2.3MW
trong MATLAB/SIMULINK
6.1 Mơ hình điều khiển Matlab Simulink máy phát điện DFIG_2.3MW ...... ...... 58
6.2 Các thông số máy phát và turbine ............................................................ ...... 65

6.3 Kết quả mô phỏng có sử dụng sensor ...................................................... ...... 66
6.4 Kết quả mơ phỏng khơng có sử dụng sensor ........................................... ...... 70
6.5 Phân tich kết quả ..................................................................................... ...... 74
Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài
7.1 Kết luận ................................................................................................... ...... 77
7.2 Hƣớng phát triển đề tài ............................................................................ ...... 77
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. ...... 79
Lý lịch trích ngang................................................................................................. ...... 81

9


DANH SACH LIỆT KÊ CÁC HÌNH
Hình 1.1 Cối xay gió cổ ở Hà Lan ................................................................................. 1
Hình 1.2

Cơng suất điện gió 1996-2012...................................................................... 2

Hình 1.3

Top 10 các nƣớc sản xuất điện gió nhiều nhất tính đến năm 2012 .............. 2

Hình 1.4 Dự báo cơng suất gió tồn cầu đến năm 2030(GW) ....................................... 3
Hình 1.5

Các cột điện gió trên biển thuộc Nhà máy điện gió Bạc Liêu ...................... 5

Hình 2.1 (a) Phân bố xác suất Weibull và (b) Phân bố mật độ công suất ..................... 7
Hình 2.2 (a) Mật độ xác phân bố Rayleigh tƣơng ứng vận tốc trung bình 5.4 (m/s)
nét liền, 6.8 m/s (nét gạch), 8.2 m/s (nét đứt) ................................................................. 8

Hình 2.3 Đƣờng cong hiệu suất rotor theo lý thuyết ................................................... 10
Hình 2.4 Đƣờng cong cơng suất lý tƣởng của turbine gió ........................................... 11
Hình 2.5 Đƣờng cong hiệu suất turbine gió ................................................................. 12
Hình 2.6 Chuyển đổi năng lƣợng gió thành năng lƣợng điện...................................... 13
Hình 2.7 Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát khơng đồng bộ SCIG .................... 14
Hình 2.8 Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát đồng bộ PM-SG ....................... 14
Hình 2.9 Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát nguồn kép DFIG ...................... 15
Hình 2.10 Hƣớng công suất ứng với tốc độ đồng bộ ωs ............................................... 18
Hình 2.11 Các thành phần máy phát điện gió ............................................................... 20
Hình 2.12 Các loại cột tuabin gió ................................................................................. 20
Hình 2.13 (a,b) tuabin gió trục thẳng đứng, (c) tuabin gió trục nằm ngang ................. 21
Hình 2.14 Hộp số của tuabin gió nhỏ ........................................................................... 21
Hình 2.15 Mặt cắt máy điện(a).Máy điện khơng đồng bộ;(b)Máy điện đồng bộ ......... 22
Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống turbine gió ............................................... 23
Hình 3.2 Mơ hình tuabin gió ........................................................................................ 24
Hình 3.3 Ngun lý vectơ khơng gian ......................................................................... 25
Hình 3.4 Quan hệ giữa hệ qui chiếu abc và αβ ............................................................ 26
Hình 3.5 Quan hệ giữa hệ qui chiếu αβ và dq.............................................................. 27
Hình 3.6 Mạch tƣơng đƣơng máy điện DFIG qui đổi về phía stator ........................... 30
Hình 3.7 Mạch tƣơng đƣơng của máy điện DFIG trong hệ qui chiếu quay ................ 31
Hình 4.1 Hƣớng từ thơng kích từ và dịng phần ứng trong máy điện DC .................... 33

10


Hình 4.2 Giản đồ quan hệ từ thơng trong máy điện KĐB AC. .................................... 34
Hình 4.3: Mạch tƣơng đƣơng của máy điện KĐB AC (a) và mạch rút gọn (b) ........... 34
Hình 4.4 Mối quan hệ vector từ thơng stator và rotor trong hệ quy chiếu rotor. .......... 36
Hình 4.5: Quan hệ giữa hệ qui chiếu tĩnh và hệ chiếu quay dq ................................... 37
Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển khối RSC .......................................................................... 41

Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển khối GSC ........................................................................... 43
Hình 4.8: Mơ hình Converter cầu 3 pha đầy đủ phía lƣới ............................................ 44
Hình 4.9: Ngun lý bộ inverter hai bậc (a) 43và mạch một nhánh (b)........................ 46
Hình 4.10: Bộ nghịch lƣu áp 3 pha [4] ......................................................................... 48
Hình 4.11: Giản đồ xung kích phƣơng pháp PWM [4] ................................................ 50
Hình 5.1 Sơ đồ điều khiển DFIG có sử dụng encoder [13] ........................................... 52
Hình 5.2 Sơ đồ điều khiển DFIG phía rotor .................................................................. 54
Hình 5.3 Sơ đồ điều khiển DFIG khơng sử dụng encoder ............................................ 55
Hình 6.1 Mơ hình mơ phỏng điều khiển DFIG có và khơng có cảm biến .................... 58
Hình 6.2 Mơ hình khối máy phát .................................................................................. 58
Hình 6.3 Mơ hình tính tốn dịng điện và từ thơng máy phát. ...................................... 59
Hình 6.4 Mơ hình khối converter .................................................................................. 60
Hình 6.5 Mơ hình khối RSC .......................................................................................... 60
Hình 6.6 Khối tính tốn dịng từ hóa và vị trí rotor....................................................... 61
Hình 6.7 Khối chuyển đổi abc sang αβ. ........................................................................ 61
Hình 6.8 Khối tính điện áp điều chỉnh rotor (decoupling voltage). .............................. 62
Hình 6.9 Mơ hình điều khiển converter phía lƣới ......................................................... 62
Hình 6.10 Khối DC-link điều khiển điện áp DC ........................................................... 63
Hình 6.11 Khối điều khiển góc pitch ........................................................................... 63
Hình 6.12 Khối nghịch lƣu áp và tạo xung kích .......................................................... 64
Hình 6.13 Khối tìm vị trí góc rotor .............................................................................. 65
Hình 6.14 Khối ƣớc lƣợng tốc độ .................................................................................. 65
Hình 6.15 Kết quả điều khiển Ps máy điện DFIG_2.3MW ở tốc độ gió cố định khi có
sử dụng cảm biến encoder ....................................................................................... ..... 68

11


Hình 6.16 Kết quả điều khiển Ps máy điện DFIG_2.3MW ở tốc độ gió thay đổi khi có
sử dụng cảm biến encoder. ...................................................................................... ..... 69

Hình 6.17 Kết quả điều khiển Qs máy điện DFIG_2.3MW ở tốc độ gió thay đổi khi có
sử dụng cảm biến encoder. ...................................................................................... ..... 70
Hình 6.18 Kết quả điều khiển Ps máy điện DFIG_2.3MW ở tốc độ gió cố định khi
khơng có cảm biến encoder. .................................................................................... ..... 72
Hình 6.19 Kết quả điều khiển Ps máy điện DFIG_2.3MW ở tốc độ gió thay đổi khi
hơng có cảm biến encoder ....................................................................................... ..... 73
Hình 6.20 Kết quả điều khiển Qs máy điện DFIG_2.3MW ở tốc độ gió thay đổi khi
khơng có cảm biến encoder. .................................................................................... ..... 74

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất ...................... 4
Bảng 2.1 Giá trị điển hình chiều cao z0 và thành phần α theo từng loại địa hình ........... 8
Bảng 2.2 So sánh ƣu khuyết điểm của các hệ thống phát điện tuabin gió. ................... 17
Bảng 6.1: So sánh giá trị Ps và Qs ở trạng thái xác lập trong điều kiện tốc độ gió
khơng đổi. ...................................................................................................................... 75
Bảng 6.2: So sánh giá trị Ps và Qs ở trạng thái xác lập trong điều kiện tốc độ gió
thay đổi ....................................................................................................................... 75

12


CÁC TỪ VIẾT TẮT
WECS

Wnid Energy Conversion System

GWEC

Global Wind Energy Constitute (Hiệp hội năng lƣợng gió tồn cầu)

DFIG

Doubly Fed Induction Generator

SFOC

Stator Field Oriented Control

GSC

Grid Side Converter

RSC

Rotor Side Converter

PWM

Pulse Width Modulation

RMS

Root Mean Square

SCIG

Squirrel Cage Induction Generator

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Generator

IG

Induction Generator

MPPT

Maximum Power Point Tracking

TSR

Tip Speed Ratio

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

13


KÝ HIỆU
Vw

Vận tốc của gió

vas, vbs, vcs, var, vbr, vcr

điện áp stator và rotor

ias, ibs, ics, iar, ibr, icr

dòng điện stator và rotor

as , bs , cs, ar, br, crTừ thông stator và rotor
vs , vs , vr, vr

điện áp stator và rotor theo trục , 

is , is , ir, ir

dòng điện stator và rotor theo trục , 

s , s , r, r

từ thông stator và rotor theo trục , 

vds , vqs , vdr, vqr

điện áp stator và rotor theo trục d, q

ids , iqs , idr, iqr

dòng điện stator và rotor theo trục d, q

ds , qs , dr, qr

từ thông stator và rotor theo trục d, q

us , Udc

điện áp lƣới và điện áp dc – link.

Rs , Rr

điện trở dây quấn stator và rotor

Ls , Lr, Lm

điện cảm stator, rotor, điện cảm tƣơng hổ

Lsσ , Lrσ

điện cảm tản stator và rotor

s , r

tốc độ đồng bộ và rotor (rad/s)

Te , Tm

moment điện từ và moment cơ.

Ps , Q s

công suất tác dụng và phản kháng stator

, Cp

mật độ khơng khí và hiệu suất rotor

λ

Tip speed ratio

s, r, slip

góc từ thơng stator, góc rotor và giữa trục rotor và trục d

14


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN NĂNG LƢỢNG GIĨ
1.1

Tình hình phát triển năng lƣợng gió trên thế giới

Năng lƣợng gió đã đƣợc con ngƣời khai thác vào thế kỷ XIII ở Châu Âu bằng việc tạo
ra các cối xay gió để phục vụ cho sản xuất nơng nghiệp.

Hình 1.1: Cối xay gió cổ ở đảo Hà Lan

(http://: en.wikipedia)
Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm 1900.

Tuabin gió hiện đại đầu tiên đƣợc thiết kế đặc biệt cho máy phát điện đƣợc xây dựng
bởi ngƣời Đan Mạch trong năm 1890. Nó cung cấp điện cho vùng nơng thơn với cơng
suất định mức nhỏ.
Ngày nay gió là một nguồn năng lƣợng phát triển nhanh nhất trên toàn thế giới và đã giữ
vững vị trí này trong những năm trở lại đây. Năng suất gió tồn cầu đã tăng trong suốt 5
năm vừa qua, với tổng công suất lắp đặt đạt 283GW (2012-xem hình 1.2). Các nƣớc dẫn
đầu trong lĩnh vực khai thác năng lƣợng gió đƣợc sắp xếp trong hình 1.3

15


Hình 1.2 Cơng suất điện gió 1996-2012 [GWEC]

Hình 1.3: Top 10 các nƣớc sản xuất điện gió nhiều nhất tính đến năm 2012
[GWEC]
Theo Hiệp Hội Năng Lƣợng Gió tồn cầu (GWEC), đến năm 2030, tổng sản lƣợng điện
gió có thể đạt mức 2000GW. Cơ cấu các khu vực phát triển năng lƣợng gió nhƣ hình
1.4

16


Hình 1.4: Dự báo cơng suất gió tồn cầu đến năm 2030(GW) [GWEC]
1.2

Tình hình phát triển năng lƣợng gió ở Việt Nam

Đầu tƣ vào phát triển bền vững năng lƣợng tái tạo, trong đó có năng lƣợng gió để kịp
thời tạo nguồn bổ sung điện năng giai đoạn 2010- 2020 đang là hƣớng đi đầy tiềm năng
và nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt của Chính phủ. Gần đây, Chính phủ đã xác định rõ

các mục tiêu trong định hƣớng phát triển dạng “điện xanh” này. Trong đó, năng lƣợng
gió đƣợc xem nhƣ là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam đƣợc xem là nƣớc có giàu
tiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á.
Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các dự án
điện gió với quy mơ lớn là rất khả thi.

17


Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới (Worldbank, 2001) đƣợc xây dựng cho
bốn nƣớc trong khu vực Đông Nam Á (gồm: Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, và Thái Lan)
dựa trên phƣơng pháp mơ phỏng bằng mơ hình số trị khí quyển. Theo kết quả từ bản đồ
năng lƣợng gió này, tiềm năng năng lƣợng gió ở độ cao 65 m của Việt Nam là lớn nhất
so với các nƣớc khác trong khu vực, với tiềm năng năng lƣợng gió lý thuyết lên đến
513.360 MW. Những khu vực đƣợc hứa hẹn có tiềm năng lớn trên tồn lãnh thổ là khu
vực ven biển và cao nguyên miền nam Trung Bộ và Nam Bộ.
Bảng 1-1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất
Tốc độ gió
trung

bình <4

4-5

5-6

6-7

7-8

8-9

>9

95.916

70.868

40.473

2.435

220

20

1

45,7

33,8

19,3

1,2

0,1

0,01

<0.01

956.161

708.678 404.732

24.351

2.202

200

10

(m/s)
Diện

tich

(km2)
Diện

tích

chiếm (%)
Tiềm
(MW)

năng

Một số dự án điện gió ở Việt Nam: dự án điện gió ở Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong,
tỉnh Bình Thuận với 80 tuabin, tổng công suất 120 MW trong giai đoạn từ 2011 đến
2015) và đã đi vào hoạt động từ năm 2012. Dự án điện gió trên biển đầu tiên nƣớc ta ở
đảo Phú Q, tỉnh Bạc Liêu đã hồn thành giai đoạn 1 với 10 tuabin, mỗi tuabin 1.5MW.

18


Hình 1.5. Các cột điện gió trên biển thuộc Nhà máy điện gió Bạc Liêu
[ http//vietq.vn]

19


CHƢƠNG 2

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ
Chƣơng này sẽ giới thiệu về hệ thống sản xuất năng lƣợng điện và quá trình chuyển đổi
các dạng năng lƣợng sơ cấp thành năng lƣợng điện.
Phần quan trọng trong chƣơng này là đề cập đến việc khai thác năng lƣợng gió, miêu tả
các hệ thống tuabin gió và các hệ thống biến đổi năng lƣợng gió dùng máy phát điện
nguồn kép.
2.1

Q trình chuyển đổi năng lƣợng gió

2.1.1 Sự hình thành gió
Gió là sự di chuyển của khối khơng khí trong khí quyển, chủ yếu bắt nguồn do khác
nhau về nhiệt độ giữa các vùng của trái đất. Vùng bức xạ mặt trời chiếu xuống trực tiếp
một nữa trái đất (ban ngày) và một nữa bề mặt trái đất (ban đêm) bị che khuất không

nhận đƣợc bức xạ từ mặt trời. Thêm vào đó là bức xạ mặt trời ở các vùng gần xích
đạo nhiều hơn là ở các cực. Điều này dẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối
không khí giữa xích đạo và hai cực cũng nhƣ khơng khí giữa mặt ban ngày và mặt ban
đêm của trái đất di chuyển tạo thành gió. Bên cạnh, sự quay quanh trục của trái đất
cũng góp phần làm xốy luồng khơng khí, tạo thành các dịng khơng khí theo mùa.
2.1.2 Mật độ phân bố gió
Hàm mật độ xác suất thơng thƣờng nhất để mơ tả tốc độ gió là hàm phân bố Weibull,
xem hình 2.1a và đƣợc biểu diễn bởi công thức:

k V 
P(Vm )  . m 
C  C 

k 1

.e





Vm

k
C


(2.1)

Trong đó k và C là hệ số hình dạng và hệ số tỷ lệ tƣơng ứng. Hệ số này đƣợc điều

chỉnh để phù hợp với dữ liệu gió tại một vị trí thích hợp.

20


Hình 2.1: (a) Phân bố xác suất Weibull và (b) Phân bố mật độ công suất
[16]
Hàm xác suất phân bố Weibull hình 2.1a cho thấy, tốc độ gió trung bình hiếm khi
xảy ra ở mức gió thƣờng xuyên hơn. Xác suất phân bố lớn nhất xảy ra tƣơng ứng với
vận tốc gió 5,5m/s trong khi tốc độ gió trung bình 7m/s.
Tốc độ gió trung bình cũng là một hàm theo chiều cao. Mơ hình tốn đƣợc đƣa ra là
luật Prandtl logarithmic, đƣợc mơ tả bởi phƣơng trình:

Vm  z 
ln  z / z 0 

Vm z ref  ln z ref / z 0 

(2.2)

Trong đó z là chiều cao cách mặt đất và zref là chiều cao tham khảo (thƣờng là 10m)
và z0 là chiều cao do bề mặt địa hình, các giá trị tiêu biểu của thơng số này theo địa
hình đƣợc liệt kê trong bảng 2.1. Một công thức thực nghiệm khác mô tả ảnh hƣởng
của tốc độ gió đến địa hình và tn theo hàm số mũ nhƣ sau:

Vm ( z )  Vm ( zref )(

z
zref

)

(2.3)

Trong đó, thơng số α phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá trị α tƣơng ứng các loại địa
hình khác nhau thể hiện ở cột cuối bảng 2.1.

21


Bảng 2.1: Giá trị điển hình chiều cao z0 và thành phần α theo từng loại địa hình [16]
Loại bề mặt

Z0(mm)

α

Bãi cát

0,2 đến 0,3

0,1

Vùng cỏ thấp

1 đến 10

0,13

Vùng cỏ cao

40 đến 100

0,19

Vùng ngoại ô

1000 đến 2000

0,32

Sự tin cậy của phân bố Weibull phụ thuộc vào ƣớc lƣợng chính xác thơng số k và C.
Để tính tốn giá trị chính xác k và C, dữ liệu gió phải thu thập tƣơng đối đầy đủ. Trong
nhiều trƣờng hợp những thông tin nhƣ vậy khơng có sẵn. Dƣới tình huống nhƣ
vậy, một trƣờng hợp đơn giản hóa mơ hình Weibull đƣợc đƣa ra, xấp xỉ k=2,
c=2v/(sqrt(pi), với v là vận tốc gió trung bình. Thê k, c vào (2.1), ta đƣợc hàm mật độ
xác suát, gọi là hàm Rayleigh:

   Vm  2 
2 Vm
P Vm   .
. exp  
 


 V
4V  

(2.4)

Trong hình 2.2 thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tƣơng ứng
tốc độ gió trung bình đƣợc vẽ trong hình là 5,4m/s, 6,8m/s và 8,2m/s.

Hình 2.2: (a) Mật độ xác phân bố Rayleigh tƣơng ứng vận tốc trung bình
5.4 (m/s) nét liền, 6.8 m/s (nét gạch), 8.2 m/s (nét đứt) [16]

22


2.1.3 Năng lƣợng gió
Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = ½.ρ.v2. Cơng suất xun qua khu vực có
diện tích A với vận tốc gió trung bình v là:

Pv 

1
. . A.v 3
2

(2.5)

Năng lƣợng gió tính trong thời gian Tp một năm là:
Tp

1
W  . . A.  v 3 .dt
2
0

(2.6)

2.1.4 Sự chuyển đổi năng lƣợng gió và hiệu suất rotor
Năng lƣợng thực tế (hay công suất cơ) lấy đƣợc từ gió PR bởi cánh quạt tuabin
chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trƣớc cánh quạt có
vận tốc v và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc vd

Pv 

(2.7)

1
. . A.v 3 .C p
2

Trong đó, Cp đƣợc gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay cịn gọi ngắn gọn hơn là
hiệu suất rotor), đƣợc tính:

Cp 



1
.1   . 1   2
2



(2.8)

γ là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt và tốc độ gió đi vào cánh quạt

 

vd
v

(2.9)

Để tìm hệ số công suất lớn nhất lấy đạo hàm Cp theo biến γ và cho đạo hàm này bằng
không
dC p
dt

Suy ra

 







1
1   
.  2   1   2
2

vd
1


v
3

Hệ số công suất cực đại C p m ax  59 .3%

23

  12 1   1  3   0

(2.10)


Gía trị lý thuyết Cp max chỉ ra rằng tuabin khơng thể lấy nhiều hơn 59,3% năng lƣợng từ
gió, đây còn đƣợc biết đến nhƣ một giới hạn Betz (Albert Betz ‟s Law). Đƣờng cong
hiệu suất rotor đƣợc cho ở hình 2.3.
Một thuận lợi của cơng thức (2.9) là chỉ ra giới hạn cơng suất có thể nhận đƣợc từ
gió. Tuy nhiên, công thức này chƣa nêu ra đƣợc mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu
trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng nhƣ mối quan hệ giữa hiệu suất rotor
với tốc độ quay của máy phát.

Hình 2.3: Đƣờng cong hiệu suất rotor theo lý thuyết [16]
Ta rút ra nhận xét, nếu nhƣ rotor quay q chậm thì gió sẽ dể dàng đi xun qua mà
không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngƣợc lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh
quạt sẽ giống nhƣ một bức tƣờng chắn và vận tốc gió phía sau cánh quat gần nhƣ
bằng không, hệ quả là hiệu suất gần bằng khơng. Nhƣ vậy, với một vận tốc gió cho trƣớc
thì hiệu suất rotor cịn phụ thuộc vào tốc độ máy phát.
2.1.5 Đƣờng cong cơng suất tuabin gió
Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loai tuabin gió chính là
đƣờng cong cơng suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và cơng suất đầu ra, thƣờng

đƣợc gọi là đƣờng cong công suất lý tƣởng có dạng nhƣ hình 2.4. Trong đó, cần phân
biệt các thơng số :
 Cut-in Speed: là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và tạo ra công suất.

24


 Nominal Speed-vận tốc gió định mức: khi vận tốc gió tăng lên, cơng suất đầu ra
cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió
đạt đến giá trị định mực (NominalPower), công suất đầu ra bằng công suất định
mức theo thiết kế. Khi vận tốc gió lớn hơn giá trị Nominal speed –thì cần điều
chỉnh hệ thống để giảm bớt công suất ra nhằm tránh quá tải máy phát.
 Cut-Off Speed: Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngƣỡng Cut-Off thì hệ
thống tuabin cần phải ngƣng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí
khác, trong trƣờng hợp này cơng suất phát ra bằng khơng.

Hình 2.4: Đƣờng cong cơng suất lý tƣởng của turbine gió
Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đƣa vào tuabin –điều khiển cơ
(aerodynamic power control). Trong đó, điều khiển pitch (pitch controll) là phƣơng
pháp phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc
quay của cánh quạt quay quanh trục của nó. Hầu hết các tuabin gió tốc độ thay đổi đƣợc
trang bị bộ điều khiển pitch. Khi dƣới tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh ra cơng
suất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lƣợng nhận
đƣợc. Trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần đƣợc điều chỉnh một cách tƣơng tự để
giới hạn công suất cơ bằng cơng suất định mức.
Đối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục kiểm
tra công suất đầu ra của tuabin. Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều khiển góc pitch sẽ
phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm lƣợt bớt cơng suất và xoay
cánh quạt theo chiều ngƣợc lại khi tốc độ gió giảm.

25