Điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ TRƯƠNG NHÃ

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ
KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

CHUN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
----------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc
--- oOo--Tp. HCM, ngày tháng
năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

Lê Trương Nhã

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

25/03/1982

Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành:

Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

MSHV: 09180070

TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ

I-

NGUỒN KÉP.
II-

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Mơ hình hố máy phát điện gió khơng đồng bộ nguồn kép bằng phần mềm mơ

phỏng Matlab Simulink.
- Mơ hình hố tuabin gió và điều khiển tốc độ máy phát.
- Xây dựng mơ hình Matlab Simulink điều khiển độc lập cơng suất thực, công suất
kháng của máy phát, điều khiển tối ưu cơng suất phát của máy phát điện gió DFIG và các
chế độ vận hành của máy
Ngày 05 tháng 7 năm 2010

III-

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV-

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V-

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC

Ngày 06 tháng 12 năm 2010

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH

TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC

KHOA QUẢN LÝ
CHUYÊN NGÀNH


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Phạm Đình Trực
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : .....................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : .....................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đáng giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .......................................................................................................................
2. .......................................................................................................................
3. .......................................................................................................................
4. .......................................................................................................................
5. .......................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá Luận Văn và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn

Bộ môn quản lý chuyên ngành

LỜI CẢM ƠN
Nhờ vào sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình và ln hết lịng u thương học trị của
thầy TS. Phạm Đình Trực cùng với sự nỗ lực của bản thân để hồn thành luận văn này.
Tơi xin tri ân công ơn thầy và xin chân thành cám ơn thầy. Người thầy đã dìu dắt, truyền
đạt cho tơi những kiến thức quý báu suốt những tháng năm đại học và cao học. Thầy đã
giúp đỡ tơi tìm hiểu và giải quyết công việc với phương pháp rất khoa học. Thơng qua
thầy mà tơi đã có những kiến thức và kinh nghiệm q giá trong q trình mơ phỏng nói
riêng và trong lĩnh vực điều khiển máy điện nói chung. Và quan trọng là bên cạnh kiến
thức, tôi đã tiếp nhận được phong cách làm việc khoa học, cách tìm hiểu vấn đề cũng như
giải quyết vấn đề trong công việc và học tập nghiên cứu.
Với tấm lòng chân thành, tôi ghi nhận công ơn của tất cả các thầy cơ trường Đại
học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, các thầy cô Khoa Điện- Điện tử. Những người
đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt kiến thức, những kinh nghiệm q giá cho tơi từ những
ngày đầu cịn bỡ ngỡ với ngôi trường đến lúc đề tài luận văn nầy được hoàn thành.
Chân thành cám ơn những người bạn đã giúp đỡ, chia sẻ động viên tơi trong q
trình học tập tại trường.
Tôi xin tri ân ba mẹ và gia đình. Những người trực tiếp ở bên tơi, ln u thương
chăm sóc, dạy dỗ và động viên tơi suốt thời gian qua. Cám ơn ba mẹ và người vợ yêu
thương của tôi!.

Thành phố HCM, 06/12/2010
Lê Trương Nhã


MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, năng lượng có lẽ là yếu tố
quan trọng nhất tác động đến phát triển chung của xã hội. Con người đã biết đến dầu mỏ
cả ngàn năm, nhưng dầu mỏ chỉ sử dụng nhiều giữa thế kỷ 19. Do mức tiêu thụ quá lớn
và tăng quá nhanh như hiện nay nên nguồn năng lượng này đang cạn kiệt nhanh chóng.

Hãy hình dung rằng, để hình thành được lượng than, dầu, khí đốt như thế giới chúng ta
có, thiên nhiên cần một thời gian hàng triệu năm. Nhưng để khai thác nó con người chỉ
cần vài trăm năm .
Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người đã tiến hành
khai thác thêm các nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân và các nguồn năng
lượng tái tạo. Hiện nay, ở các nước phát triển như châu Âu, châu Mỹ v.v… Đang đặc biệt
quan tâm nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời v.v.., vì
nguồn năng lượng này gần như khơng gây ơ nhiễm đến mơi trường và có trữ lượng vô
hạn. Đây cũng là mục tiêu giải quyết vấn đề cạn kiệt năng lượng trong tương lai. Năng
lượng tái tạo là sự lựa chọn của tương lai, là xu hướng chung của cả thế giới, cũng là
trách nhiệm của mọi quốc gia. Năng lượng tái tạo là giải pháp cho vấn đề thiếu hụt năng
lượng cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi truờng.
Tuy nhiên yếu điểm lớn nhất các nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung,
đầu tư rãi rác và phải ứng dụng khá nhiều vào kỹ thuật mới. Do đó, giá thành xản suất
điện trên 1kWh tương đối cao. Theo xu hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật
cao ngày càng phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều hơn thì giá thành của năng lượng
tái tạo sẽ giảm dần trong khi giá năng lượng hóa thạch sẽ tăng dần đến một lúc nào đó giá
năng lượng tái tạo sẽ ngang bằng năng lượng hóa thạch, thậm chí thấp hơn trong vài thập
niên tới.
Một kỹ thuật ứng dụng được giới thiệu trong đề án: Xây dựng hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió từ máy phát khơng đồng bộ turbine gió. Dựa vào kỹ thuật điều khiển


đóng ngắt các van bán dẫn các thiết bị điện tử công suất để điều khiển công suất phát của
máy phát điện gió.
Nhằm tìm hiểu một cách đầy đủ hơn về nguyên lý điều khiển máy phát turbine gió,
luận văn sẽ tập trung nghiên cứu mơ hình máy phát điện gió khơng đồng bộ nguồn kép
điều khiển tốc độ và công suất máy phát bằng phương pháp điều điều khiển định hường
từ thông. Với mục tiêu này cấu trúc luận văn gồm 6 chương cụ thể như sau

MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan năng lượng gió........................................................... 1
1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo................................................................. 1
1.2 Lịch sử của năng lượng gió......................................................................... 3
1.3 Hiện trạng sử dụng điện gió trên thế giới và triển vọng tương lai ................ 8
1.4 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam.................................................... 11
1.5 Các cơng trình nghiên cứu liên quan ........................................................... 13
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió........................................... 16
2.1 Q trình chuyển đổi năng lượng gió .......................................................... 16
2.2 Khai thác năng lượng gió............................................................................ 22
2.3 So sánh giữa các hệ thống phát bằng tuabin gió .......................................... 25
2.4 Hệ thống máy phát điện gió nguồn kép ....................................................... 27
2.5 Các thành phần máy phát điện gió và kỹ thuật xây dựng............................. 30
Chương 3: Mơ hình tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG ........... 39
3.1 Mơ hình tuabin gió ..................................................................................... 39
3.2 Phương trình chuyển đổi hệ qui chiếu......................................................... 41
3.3 Phương trình tốn máy điện khơng đồng bộ nguồn kép DFIG..................... 44
3.4 Mơ hình tuabin gió với máy phát nguồn kép tromg Matlab simulink .......... 48
3.5 Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 54


Chương 4: Lý thuyết điều khiển vectơ từ thông máy phát điện gió khơng
đồng bộ nguồn kép ....................................................................................... 58
4.1 Điều khiển moment động cơ DC................................................................. 58
4.2 Điều khiển moment động cơ AC................................................................. 59
4.3 Phương trình điều khiển định hướng từ thông stator máy điện DFIG .......... 61
4.4 Điều khiển Converter phía rotor.................................................................. 64
4.5 Điều khiển Converter phía lưới................................................................... 64
4.6 Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup.............................. 67

4.7 Bộ biến đổi công suất back to back AC-DC-AC ......................................... 69
4.8 Mô hình điều khiển tốc độ và cơng suất tubin gió với máy phát DFIG........ 73
Chương 5: Mơ hình và kết quả mơ phỏng điều khiển máy phát điện gió
DFIG trong MATLAB SIMULINK .............................................................. 75
5.1 Mơ hình điều khiển Matlab Simulink máy phát điện DFIG_22Kw ............. 75
5.2 Kết quả mô phỏng điều khiển máy phát điện DFIG_2.3MW....................... 108
Danh sách liệt kê hình minh họa và mơ phỏng
Hình 1.1: Tuabin gió ở Hoa Kỳ ........................................................................ 4
Hình 1.2: Tuabin gió ở Đan Mạch .................................................................... 4
Hình 1.3: Cánh đồng gió với cơng suất lớn.(Hệ thống năng lượng tái tạo
cơng ty Hamish Hill, www.resltd.com)............................................................. 7
Hình 1.4: Công suất điện năng được tạo ra từ năng lượng gió (MW) trong khoảng thời gian từ năm
1991 đến năm 2006 (Nguồn: Hiệp hội liên bang về năng lượng gió e.V. BWE, 1/2007)............. 9
Hình 1.5: Giá thành thiết bị phát điện gió tính trên 1 kWh trong 1 năm làm
việc xác định (Nguồn hiệp hội liên bang về năng lượng gió e.V. BWE, 2006).. 11


Hình 2.1: (a) Phân bố xác suất Weibull và (b) Phân bố mật độ cơng suất.......... 16
Hình 2.2: (a) Mật độ xác phân bố Rayleigh tương ứng vận tốc trung bình ........ 18
Hình 2.3: Tốc độ gió đi vào và đi ra cánh quạt (nguồn Renewable and
eficient Electric Power Systems. Gilbert M. Masters, Stanford University) ...... 19
Hình 2.4: Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết......................................... 20
Hình 2.5: Đường cong cơng suất lý tưởng tuabin gió........................................ 21
Hình 2.6: Đường cong hiệu suất tuabin gió....................................................... 22
Hình 2.7: Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện ........................... 23
Hình 2.8: Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ IG ............... 24
Hình 2.9: Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát khơng đồng bộ SG ......... 24
Hình 2.10: Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát nguồn kép DFIG .......... 25
Hình 2.11: Hướng cơng suất DFIG tương ứng tốc độ đồng bộ ω0 bên dưới...... 27
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý DFIG chuẩn .......................................................... 29

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý máy phát gép cascaded CDFG .............................. 29
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý máy phát BFDG.................................................... 29
Hình 2.15: Thân tuabin gió (Nguồn ) ................... 32
Hình 2.16: (a) tuabin gió trục thẳng đứng, (b) tuabin gió trục nằm ngang ......... 34
Hình 2.17: Các thành phần chính của máy phát điện gió................................... 35
Hình 2.18: Mặt cắt máy điện ............................................................................ 37
Hình 3.1: Tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG ................................ 39
Hình 3.2: Mơ hình tuabin gió............................................................................ 40
Hình 3.3: Ngun lý vectơ khơng gian ............................................................. 41
Hình 3.4: Quan hệ giữa hệ qui chiếu αβ và dq .................................................. 43


Hình 3.5: Mạch tương đương máy điện DFIG qui đổi về phía stator................. 45
Hình 3.6: Mạch tương đương máy điện DFIG trong hệ qui chiếu quay............. 46
Hình 3.7: Mơ hình tuabin gió với máy phát điện DFIG (chưa xét đến hệ thống
điều khiển) ....................................................................................................... 49
Hình 3.8: Mơ hình tuabin gió với máy phát điện DFIG..................................... 49
Hình 3.9: Mơ hình trục truyền động.................................................................. 50
Hình 3.10: Mơ hình máy phát DFIG ................................................................. 50
Hình 3.11: Mơ hình abc2dq .............................................................................. 51
Hình 3.12: Mơ hình 2dqabc .............................................................................. 52
Hình 3.13: Mơ hình phương trình máy phát điện DFIG .................................... 52
Hình 3.14: Kết quả mơ phỏng mơ hình máy phát điện DFIG với tuabin gió...... 57
Hình 4.1: Dịng kích từ và dịng phần ứng trong máy điện DC......................... 58
Hình 4.2: Điều khiển vectơ trong định hướng từ thơng stator ........................... 60
Hình 4.3: Quan hệ giữa hệ qui chiếu tĩnh và hệ chiếu quay dq.......................... 61
Hình 4.4: Điều khiển định hướng từ thông stator cho hệ thống DFIG ............... 64
Hình 4.5: Điều khiển Converter phía lưới ......................................................... 65
Hình 4.6: Mơ hình Converter cầu 3 pha đầy đủ phía lưới.................................. 66
Hình 4.7: Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup .................... 67

Hình 4.8: Bộ nghịch lưu áp ba pha.................................................................... 70
Hình 4.9: Giản đồ xung kích phương pháp PWM ............................................. 72
Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển góc pitch .............................................................. 73
Hình 4.11: Sơ đồ tổng thể điều khiển máy phát DFIG ...................................... 74
Hình 5.1: Mơ hình tổng thể điều khiển máy phát điện DFIG 22kW .................. 75


Hình 5.2: Mơ hình điều khiển coverter phía rotor máy phát và lưới .................. 76
Hình 5.3: Mơ hình điều khiển converter phía rotor ........................................... 77
Hình 5.4: Khối “estimate ims” tính tốn vị trí rotor và dịng từ hóa .................. 77
Hình 5.5: Khối chuyển abc sang αβ .................................................................. 78
Hình 5.6: Mơ hình điều khiển converter phía lưới............................................. 79
Hình 5.7: Khối DC-link1 điều khiển điện áp DC .............................................. 79
Hình 5.8: Khối điều khiển góc pitch ................................................................. 80
Hình 5.9: Mơ hình bộ nghịch lưu áp ................................................................. 80
Hình 5.10: Khối tín hiệu tạo xung kích ............................................................. 81
Hình 5.11: Kết quả điều khiển idr của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức ... 84
Hình 5.12: Kết quả điều khiển iqr của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức ... 87
Hình 5.13: Kết quả điều khiển tốc độ DFIG_22kW 1650 – 1350 vịng/phút ..... 90
Hình 5.14: Mơ hình điều khiển độc lập cơng suất tác dụng và cơng suất kháng.............. 91
Hình 5.15: Kết quả điều khiển Ps của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức.... 94
Hình 5.16: Kết quả điều khiển Qs của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức ... 97
Hình 5.17: Kết quả điều khiển tốc độ của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức ..... 101
Hình 5.18: Mơ hình điều khiển độc lập công suất thực và công suất kháng,
trường hợp tốc độ gió thay đổi ........................................................................ 102
Hình 5.19: Kết quả điều khiển Ps của DFIG_22kW khi tốc độ gió thay đổi ...... 104
Hình 5.20: Mơ hình điều khiển phát cơng suất tối ưu........................................ 105
Hình 5.21: Đường cong cong suất tối ưu của tuabin gió DFIG_22kW .............. 105
Hình 5.22: Kết quả điều khiển tối ưu cơng suất máy điện DFIG_22kW............ 107
Hình 5.23: Kết quả điều khiển Ps máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió định mức.... 109

Hình 5.24: Kết quả điều khiển Qs máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió định mức...........111


Hình 5.25: Kết quả điều khiển P máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió thay đổi ...............113
Hình 5.26: Kết quả điều khiển Q máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió thay đổi ..............114
Danh sách liệt kê bảng biểu
Bảng 1.1: Những quốc gia dẫn đầu máy điện gió.............................................. 10
Bảng 1.2: Tỉ số Wzi/ W ................................................................................. 12
10

Bảng 2.1: Giá trị điển hình chiều cao z và thành phần α theo từng loại địa hình.............18
0

Bảng 2.2: Lợi ích và bất lợi của các hệ thống phát điện tuabin gió.................... 27
Bảng 3.1: Các thơng số cơ bản ......................................................................... 48


Danh sách các kí hiệu sử dụng trong đề án
Kí hiệu

Chú giải

k

: Hệ số hình dạng

C

: Hệ số tỷ lệ

z

: Chiều cao cách mặt đất [m]

zo

: Hệ số chiều cao do bề mặt địa hình

zref : Chiều cao tham khảo (thường là 10m)
V

: Vận tốc gió trung bình [m/s]

α

: Hệ số bề mặt địa hình

Ek

: Động năng gió trong một đơn vị thể tích [J]

ρ

: Mật độ khơng khí [kg/m3]

Pv

: Cơng suất gió xun qua cánh quạt tuabin [W]

A

: Diện tích hứng gió [m2]

W

: Năng lượng gió [J]

Ptotal : Tổng công suất phát DFIG [W]
Ps

: Công suất stator máy phát [W]

Pr

: Công suất rotor máy phát [W]

Pgrid : Công suất inverter phía lưới [W]
Pm : Cơng suất điện từ [W]
Pturb : Công suất tuabin [W]
Qs

: Công suất kháng stator máy phát [VAr]

Qr

: Công suất kháng rotor máy phát [VAr]

Qg

: Công suất kháng inverter lưới [VAr]

s

: Độ trượt của máy phát

ωs

: Vận tốc góc stator (lưới) [rad/s]

ωr

: Vận tốc góc điện của rotor [rad/s]

ωm : Vận tốc góc cơ của rotor [rad/s]
ωturb : Vận tốc rotor turbine [rad/s]
R

: Bán kính quạt gió turbine [m]


vw

: Tốc độ gió [m/s]

λ

: Tỉ số tốc độ

Cp(λ,β) : Hiệu suất tuabin
Tturb : Moment trục tuabin [N.m]

Tshaft : Monmen trục thanh truyền [N.m]
Te

: Monmen điện từ [N.m]

Jturb : Moment quán tính tuabin [kg.m2]
Jgen : Moment quán tính máy phát [kg.m2]
G

: Tỉ số hộp số

Kms : Độ cứng thanh truyền [N.m/rad]
Dm : Hệ số rung [N.m/s]
va

: Điện áp pha a [V]

vb

: Điện áp pha b [V]

vc

: Điện áp pha c [V]

vd

: Điện áp trục d hệ qui chiếu dq [V]

vq

: Điện áp trục q hệ qui chiếu dq [V]

vα

: Điện trục qui chiếu α [V]

vβ

: Điện trục qui chiếu β [V]

is

: Dòng điện stator [A]

ir

: Dòng điện rotor [A]

Rs

: Điện trở stator [Ω]

Ls

: Điện cảm stator [H]

Lr

: Điện cảm rotor [H]

Lm

: Điện cảm từ hóa [H]

Lsλ : Điện cảm rị dây quấn stator [H]
Lrλ : Điện cảm rò dây quấn rotor [H]
Ψds : Từ thông trục d stator [Wb]
Ψqs : Từ thông trục q stator [Wb]
Ψdr : Từ thông trục d rotor [Wb]


Ψqr : Từ thông trục q rotor [Wb]
ωslip : Tốc độ trược máy phát
Lf

: Điện cảm cuộc kháng lọc inveter nối lưới [H]

Rf

: Điện trở cuộc kháng lọc inveter nối lưới [Ω]

UDC : Điện áp một chiều trung gian của converter [V]
CDC : Điện dung trung gian của converter [F]
mf

: Tỉ số điều chế tần số

ma

: Tỉ số điều chế biên độ

Các kí hiệu chỉ số
-

Chỉ số trên
S

: Qui về phía stator

r

: Qui về phía rotor

ref hoặc * : Giá trị tham chiếu (giá trị đặt)
-

Chỉ số dưới
S

: Các đại lượng của stator

r

: Các đại lượng của rotor

turb

: Các đại lượng của tuabin

d;q

: Các đại lượng qui chiếu trục d hoặc q hệ qui chiếu dq

α;β

: Các đại lượng qui chiếu trục α hoặc β hệ qui chiếu αβ

a ; b; c

: Các đại lượng pha a; pha b; pha c tương ứng


1

Chương 1
TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo
Hầu như tất cả các nguồn năng lượng mà con người hiện nay đang sử dụng xét
cho cùng đều xuất phát hay có liên quan tới mặt trời (Chỉ trừ năng lượng nguyên tử,
địa nhiệt và các nhà máy phát điện hoạt động bằng năng lượng thuỷ triều). Người ta
chia ra thành 2 nhóm năng lượng chính:
- Năng lượng từ những nguồn năng lượng được sinh ra từ q trình hố thạch
như dầu hay khí đốt
- Năng lượng mới mang tính tái tạo từ những nguồn năng lượng như Mặt trời,
Gió, Hợp chất hữu cơ và nhiệt năng của trái đất.
Các nguồn năng lượng được tạo ra từ q trình hố thạch chính là năng lượng
mặt trời được biến đổi, lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ. Ngược lại ở các nguồn
năng lượng mới mang tính tại tạo thì năng lượng mặt trời được sử dụng dưới rất
nhiều hình thức khác nhau. Hiện nay có những khả năng sử dụng năng lượng mới

mang tính tái tạo như sau:
- Năng lượng mặt trời
- Năng lượng gió
- Thuỷ điện hay năng lượng từ sức nước
- Địa nhiệt
- Năng lượng từ các hợp chất hữu cơ
Hiện nay mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới tổng cộng là 1,07 x 1011 MWh.
Trong đó mức tiêu thụ điện năng là 1,87 x 109 MWh
Chiếm khoảng 17% mức năng lượng tiêu thụ tổng cộng.
Có thể thấy rằng trong những năm tiếp theo thì mức tiêu thụ năng lượng tổng
cộng nói chung cũng như mức tiêu thụ điện năng nói riêng sẽ tăng lên rất mạnh trên
phạm vi toàn thế giới.


2

Năng lượng tái tạo là sự lựa chọn của tương lai, là xu hướng chung của cả thế
giới, cũng là trách nhiệm của mọi quốc gia. Năng lượng tái tạo là giải pháp cho vấn
đề thiếu hụt năng lượng cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi truờng.
Do dân số trên thế giới tăng không ngừng. Hiện nay là khoảng 6 tỷ và tiếp tục
tăng lên. Mặt khác, nhu cầu tiêu dùng năng lượng của con người cũng tăng cao.
Trung bình một người hiện nay tiêu thụ gấp 15 lần so với một người cách đây 100
năm. Nhu cầu năng lượng toàn cầu gặp nhiều thay đổi do nguồn khai thác. 80%
tổng năng lượng sử dụng hiện nay là các nguồn năng lượng hố thạch (Than, dầu
mỏ, khí đốt tự nhiên). Do mức tiêu thụ quá lớn và tăng quá nhanh như đã nói ở trên,
nên nguồn năng lượng này đang cạn kiệt nhanh chóng. Hãy hình dung rằng, để
hình thành được lượng than, dầu, khí đốt như thế giới chúng ta có, thiên nhiên cần
một thời gian hàng triệu năm. Nhưng để khai thác nó con người chỉ cần vài trăm năm.
Theo số liệu công bố tại Hội nghị quốc tế về năng lượng tại Bon, Cộng Hòa
Liên Bang Đức tháng 10-2003, thì trữ lượng năng lượng hố thạch của thế giới chỉ

còn 34 triệu tỷ Mega jun (34x1012 MJ), trong đó than chiếm khoảng 60%; dầu các
loại khoảng 22% và cịn lại là khí đốt. Với mức tiêu thụ như hiện nay thì nguồn
năng lượng hố thạch cịn lại ước tính chỉ đủ cho thế giới chúng ta sử dụng được
thêm khoảng 80 năm. Do nguồn năng lượng cạn kiệt, trong khi đó nhu cầu tiêu
dùng lại ngày càng tăng, nên giá năng lượng sẽ tăng cao. Ngoài ra hơn 70% dự trữ
dầu, 65% khí đốt cịn lại tập trung vào một số nước trong “elíp chiến lược” gồm
Arập-Xêut, Irắc, Iran và Nga. “Thế giới phương Tây” gồm nhiều nước cơng nghiệp
phát triển lại thuộc về khu vực “đói năng lượng”. Đây chính là nguy cơ dẫn đến các
bất ổn về chính trị và có thể dẫn tới các cuộc chiến tranh.
Ngồi ra, mơi trường cũng là đề tài mà cả thế giới hiện nay đang quan tâm,
vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính do khí thải CO2 ở các nhà
máy, các khu cơng nghiệp đã đến mức báo động. Theo đại đa số cho rằng, để giảm
mức bức xạ và ô nhiễm môi trường thì phải ít nhất 10% năng lượng cung cấp cho
chúng ta đến từ nguồn năng lượng sạch [1].


3

1.2 Lịch sử của năng lượng gió
Năng lượng gió có thể là giải pháp hiệu quả nhất hiện nay cho vấn đề suy yếu
dự trữ nhiên liệu hóa thạch và hiệu ứng khí thải nhà kính. Hiện nay, năng lượng gió
được khai thác chủ yếu là chuyển đổi thành điện thơng qua tuabin gió. Đặc điểm về
năng lượng gió là nó phong phú, tái tạo, sạch sẽ và phân phối rộng rãi trên tồn cầu,
do đó làm giảm sự phụ thuộc của một quốc gia trong việc sử dụng nhiên liệu hóa
thạch cho nhu cầu năng lượng.
Năm quốc gia hàng đầu trên thế giới hiện nay về sử dụng năng lượng gió tạo
ra nguồn điện là Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Đan Mạch và Ấn Độ. Ưu điểm lớn nhất
của năng lượng gió là nó có thể được tạo ra với chi phí tối thiểu. Với sự phát triển
ngày càng tăng về khoa học kỹ thuật và công nghệ, chi phí của việc tạo ra năng
lượng gió dự kiến sẽ giảm hơn nữa. Thêm vào đó, khơng chỉ năng lượng gió khơng

gây ơ nhiễm, mà nó tồn tại suốt ngày đêm, ở đất liền cũng như trên biển. Vì vậy,
chúng ta có thể nói năng lượng gió là vơ tận và an toàn.
Nỗ lực của con người trong việc khai thác năng lượng gió đã có từ thời cổ
đại, khi họ sử dụng thuyền và tàu di chuyển bằng sức gió. Sau đó, năng lượng gió
phục vụ con người làm hoạt động cối xay hạt và bơm nước. Trong suốt sự biến
đổi từ những dụng cụ thô sơ và nặng nề đến những máy phức tạp và hiệu quả, kỹ
thuật đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển.
Năng lượng gió từ lâu đã được công nhận và sử dụng hiệu quả của nhân loại,
người Babylon và Trung Quốc đã biết khai thác sức mạnh của gió để phục vụ nhu
cầu tưới tiêu của họ ngay từ năm 2000 trước Công Ngun với cối xay gió thơ sơ
đầu tiên [4].
Bản thiết kế của người Ba Tư sử dụng cối xay gió để xây hạt được tìm thấy
khoảng vào năm 200 trước Cơng Ngun. Đó là những máy trục dọc có bản hứng gió
được làm từ những bó lau sậy hay những tấm gỗ. Những bản hứng gió này được gắn
vào cần trung tâm sử dụng thanh chống ngang. Kích thước của những bản hứng gió
được quyết định bởi các vật liệu sử dụng, thường thì là dài 5m và cao 9m.


4

Tuabin gió đầu tiên được sử dụng để phát điện với công suất 12 kw do
Charles F. Brush chế tạo ở Cleveland, Ohio, Hoa Kỳ vào năm 1888. Sử dụng
nguồn điện phát ra từ tuabin gió để sạc bình Accu dùng cho các trang trại [5].

Hình 1.1: Tuabin gió ở Hoa Kỳ
(Nguồn />Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm
1900. Tuabin gió hiện đại đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho máy phát điện được
xây dựng bởi Poul la Cour ở Đan Mạch trong năm 1890. Nó cung cấp điện cho
vùng nơng thôn. Lần đầu tiên, hộp truyền động gia tốc được giới thiệu trong mẫu
thiết kế. Hệ thống này hoạt động trong 20 năm với công suất định mức là 12 kW.

Hình 1.2: Tuabin gió ở Đan Mạch
(Nguồn />

5

Nhiều phương pháp hệ thống cũng được ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật của
tuabin trong suốt giai đoạn này. Với kết cấu vững chắc thấp và cánh quạt thiết kế
theo động lực học, những hệ thống này đã hoạt động một cách ấn tượng. Năm 1910,
vài trăm loại máy kiểu này đã cung cấp điện năng cho những ngôi làng ở
Đan Mạch. Vào khoảng năm 1925, máy phát điện bằng sức gió đã có mặt trên thị
trường Mỹ.
Nhà máy năng lượng gió thực nghiệm sau đó được xây dựng ở các nước
khác như Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức và Anh. Một sự phát triển đáng chú ý trong
hệ thống lớn này là tuabin 1250 kW thiết kế bởi Palmer C. Putman. Tuabin được
đưa vào sử dụng vào năm 1941 tại Grandpa’s Knob gần Rutland, Vermont [6].
Roto 53m của nó được thiết lập trên cột cao 34m. Máy này có thể đạt vận tốc
ổn định bằng cách thay đổi góc pitch của cánh quạt và hoạt động 1100 tiếng đồng
hồ trong suốt 5 năm tiếp theo, đến khi cánh quạt bị hỏng vào năm 1945. Cơng trình
này được nhận xét là đã thành cơng vì nó có thể chứng minh tính khả thi về kỹ
thuật của máy phát điện sức gió cơng suất lớn.
Nghiên cứu tập trung về ngun lý hoạt động của tuabin gió xuất hiện trong
những năm 1950. Ví dụ như rotor nhẹ và có tốc độ cố định phát triển ở Đức vào
năm 1968. Chúng có cánh làm bằng sợi thủy tinh được gắn trên cột rỗng cố định
bởi các dây cáp chằng. Loại lớn nhất có đường kính 15m và cơng suất là 100kW.
Trong những năm sau đó, nguồn sơ cấp để sản xuất ra điện khai thác từ nhiên
liệu hóa thạch trở nên rẻ và tin cậy hơn. Trong khi đó, nguồn năng lượng gió khai
thác từ gió tốn 12 đến 30 cent/kWh trong năm 1940, thì với sản lượng tương tự thì
khai thác từ những nguồn nhiên liệu khác chỉ tốn 3 đến 6 cent/kWh vào năm 1970.
Chi phí cho điện năng khai thác từ nhiên liệu hóa thạch giảm xuống thấp hơn 3

cent/kWh năm 1970. Nhiên liệu hóa thạch có ở nhiều nơi với giá khá rẻ trong thời
điểm đó. Một vài dự án năng lượng hạt nhân cũng được bắt tay vào thực hiện, và
được tin tưởng rằng nó sẽ là nguồn năng lượng cuối cùng cho nhu cầu năng lượng
trong tương lai. Do đó mối quan tâm về năng lượng gió giảm từ từ, đặc biệt trong
năm 1970.


6

Tuy nhiên khủng hoảng dầu năm 1973 đã buộc các nhà khoa học, kỹ sư và
những nhà hoạch định chính sách phải suy nghĩ kỹ lại về việc dựa vào nhiên
liệu hóa thạch. Họ nhận ra rằng sự xáo trộn về chính sách sẽ hạn chế và giá cả leo
thang. Hơn nữa, người ta còn nhận thấy rằng nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch
sớm hay muộn sẽ bị cạn kiệt. Năng lượng hạt nhân thì khơng được chấp nhận vì
nhiều lý do về sự an tồn. Những nhân tố trên đã làm sống lại mối quan tâm về
năng lượng gió. Nghiên cứu về sự phân tích nguồn năng lượng, sự phát triển của
thiết bị và các kỹ thuật giảm hao phí đã được tăng cường. Mỹ đã giao phó cho
Cơ quan hàng không và không gian Hoa kỳ (NASA) việc phát triển tuabin gió cỡ
lớn. Kết quả là một loạt trục ngang với tên gọi là MOD-0, MOD-1, MOD-2 và
MOD-5 ra đời.
Từ những năm 1980 khi những động cơ gió đầu tiên được đưa ra thị trường
cho đến nay thì cơng suất, hiệu suất và kiểu dáng thiết kế đã được cải tiến một cách
toàn diện. Sự cải thiện đáng kinh ngạc nhất đó là cơng suất và hiệu suất của động
cơ gió đã tăng lên đáng kể. Hai mươi lăm năm trước các máy điện gió chỉ có cơng
suất 25 kw cịn hiện nay các thiết bị đưa ra thị trường đạt công suất từ 750 kw đến
2500 kw (2.5 MW). Một động cơ gió 2 MW thì cung cấp sản lượng điện gấp 200
lần những thiết bị được sản xuất năm 1980. Các máy điện gió ngày nay cũng được
thiết kế cao và to hơn. Phần động cơ trong các máy phát điện gió lớn nhất hiện nay
có kích thước gấp tới 100 lần loại được sản xuất năm 1980 và đường kính cánh
quạt (Rotor) cũng đã tăng lên 8 lần. Quá trình chế tạo các động cơ gió này được

tích lũy từ các kiến thức chun sâu về khí động học, yêu cầu tải và lợi ích kinh tế
trong q trình kinh doanh. Quy trình hồn thiện các thiết bị phụ kiên và động cơ
gió được chế tạo tại các nhà máy trên khắp châu Âu và thế giới. Những cơ sở sản
xuất động cơ gió hàng đầu được đặt tại Đan Mạch. Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Ấn Độ
và Nhật Bản. Động cơ gió có công suất lớn nhất đang được lắp ráp hiện nay lớn
hơn 5 MW, với đường kính cánh quạt lên tới hơn 100 m. Yêu cầu đặt ra cho các
động cơ gió này là cùng một cơng suất thì chiếm ít diện tích nhất. Tùy thc vào vị
trí đặt thiết bị, một động cơ gió cơng suất 1 MW có thể cung cấp đủ nhu cầu điện


7

cho khoảng 650 hộ gia đình. Hơn thế nữa tuổi thọ trung bình của các động cơ gió
này đạt từ 20-25 năm. Các động cơ ngày nay được chế tạo theo các khối chức năng
nên có thể lắp ráp rất nhanh chóng. Mỗi khối cấu trúc này được chế tạo trong vài
tháng. Cơng suất một trang trại điện gió thường từ vài MW đến hàng trăm MW.
Trang trại điện gió lớn nhất trên thế giới hiện nay có cơng suất 300 MW nằm ở
Đông Bắc nước Mỹ, thuộc địa phận bang Oregon và bang Washington. Tuy nhiên
sự thay đổi của vận tốc gió cũng phát sinh một số khó khăn trong quá trình quản lý
mạng lưới điện mà phái cực đoan đã dự đốn trước. 1 ví dụ cho tình trạng này: Vào
đêm mùa đơng, gió ở phía Đơng của Đan Mạch rất mạnh lúc này các động cơ gió
hoạt động tối đa công suất và bộ phận vận hành mạng lưới cần phải quản lý lượng
tài nguyên này sao cho tốt nhất.

Hình 1.3: Cánh đồng gió với cơng suất lớn.(Hệ thống năng lượng tái tạo công ty
Hamish Hill, www.resltd.com)
Năng lượng gió ngày nay đã trở thành ngành kinh doanh lớn do lợi ích kinh
tế mà nó đem lại ngày càng cao. Các nhà sản xuất động cơ gió đang đầu tư xây
dựng các nhà máy với số vốn nhiều triệu đôla Mỹ trên khắp thế giới để đáp ứng

8

các nhu cầu hiện nay. Hơn nữa thị trường năng lượng gió đang thu hút được sự
quan tâm đặc biệt của các nhà đầu tư nước ngoài. Năm 2002, một trong những tập
đoàn lớn nhất thế giới General Electric đã mua lại hãng sản xuất động cơ Enron
Wind. Tiếp sau đó là Siemens, tập đồn đã tiếp quản nhà máy Bonus Energy của
Đan Mạch năm 2004. Trong lĩnh vực cung cấp điện, một số công ty hoạt động dựa
trên nguồn năng lượng truyền thống thì hiện nay cũng sở hữu nhiều trang trại điện
gió quy mơ lớn. Một trong số đó có thể kể đến như Florida Power and Light ở Mỹ
và Iberdrola ở Tây Ban Nha với công suất hơn 3500 MW. Và cũng dễ dàng nhận ra
một số các công ty kinh doanh dầu mỏ cũng quyết định rót vốn đầu tư vào năng
lượng gió. Ví dụ như Bộ phận năng lượng tái tạo của tập đoàn Shell đã đầu tư
khoảng 740 MW điện gió tập trung chủ yếu ở Mỹ. Những thành tựu đạt được
chứng minh cho thấy năng lượng gió đang dần chiếm một thị phần đang kể trên thị
trường năng lượng.
1.3 Hiện trạng sử dụng điện gió trên thế giới và triển vọng tương lai
Thị trường năng lượng điện gió tồn cầu đã và đang được phát triển nhanh
hơn tất cả các dạng năng lượng khác. Tổng cơng suất của tồn thế giới vào thời
điểm năm 1995 khoảng 4.800 MW và cho đến năm 2005 đã tăng gấp hơn 12 lần
đạt 59.000 MW. Sự thành cơng của điện gió đã kéo theo sự quan tâm của các nhà
đầu tư từ các tổ chức tài chính và ngành cung cấp năng lượng truyền thống. Ở một
số quốc gia tỷ lệ sử dụng điện năng được sản xuất từ gió hiện đang thách thức đối
với điện được sản xuất từ các nguyên liệu truyề n thống khác. Tại Đan Mạch
khoảng 20% lượng điện năng cung cấp cho quốc gia này được sản xuất từ năng
lượng gió. Ở Tây Ban Nha điện gió đã đóng góp vào nguồn cung cấp điện khoảng
8%, quốc gia này cũng đặt mục tiêu sẽ đạt tỷ lệ 15% vào cuối thập kỷ này. Những
con số trên chỉ ra rằng điện gió thực sự có khả năng cung cấp một lượng điện
khơng phát thải carbon đáng kể. Năm 2005 là năm kỷ lục của lĩnh vực điện gió
tồn cầu với việc lắp đặt các hệ thống mới có tổng cơng suất lên đến 11.531 MW

đánh dấu mức tăng trưởng 40% năm và tăng 24% kể từ khi phát triển. Năng lượng
gió hiện tại đã được thiết lập như nguồn cung cấp năng lượng tại hơn 50 nước trên


9

thế giới. Trong số đó các quốc gia có tổng lượng điện gió trong năm 2005 lớn nhất
là Đức (18.428 MW). Tây Ban Nha (10.027 MW), Mỹ (9.149 MW), Ấn Độ (4.430
MW) và Đan Mạch (3.122 MW). Một số quốc gia khác bao gồm Ý, Vương quốc
Anh, Hà Lan, Trung Quốc, Nhật Bản và Bồ Đào Nha cũng đạt ngưỡng 1.000 MW.

Hình 1.4: Cơng suất điện năng được tạo ra từ năng lượng gió (MW) trong khoảng
thời gian từ năm 1991 đến năm 2006 (Nguồn: Hiệp hội liên bang về năng lượng gió
e.V. BWE, 1/2007)
Với niềm hi vọng ngày càng tăng vào năng lượng có thể phục hồi và giảm
chi phí trong ngành điện khai thác từ gió, sự phát triển nguồn năng lượng gió vẫn
sẽ tiếp tục trong vài năm sắp tới.


10

Bảng 1.1: Top 10 quốc gia dẫn đầu về năng lượng gió (Cuối năm 2008)
( Nguồn Global Wind Energy Council
/>nd_feb_final_final.pdf )
Country

MW Capacity

% of Global Capacity

US

25,170 MW

20.8%

Germany

23,903 MW

19.8%

Spain

16,754 MW

13.9%

China

12,210 MW

10.1%

India

9,645 MW

8.0%

Italy

3,736 MW

3.1%

France

3,404 MW

2.8%

UK

3,241 MW

2.7%

Denmark

3,180 MW

2.6%

Portugal

2,862 MW

2.4%

Total top 10

104,104 MW

86.2%

Sự phát triển về mặt cơng nghệ kỹ thuật như đã nói ở trên đã đem lại sự tăng
thêm về mặt năng suất rất lớn trong những năm vừa qua. Vào những năm 1990 giá
mua 1 thiết bị phát điện gió vào khoảng 1260 Euro/kW thì đến năm 2004 giá mua 1
thiết bị phát điện gió đã giảm xuống cịn 890 Euro/kW (Giảm hơn 29%). Khi so
sánh giá thành tài sản của 1 thiết bị phát điện gió với thời gian làm việc trong 1 năm
đã được định trước (Đơn vị Euro/1kWh) từ năm 1994 đến năm 2004 thì có thể thấy
1 xu hướng là giá thành tài sản giảm 53% từ 0,8 Euro/1kWh xuống cịn 0,38
Euro/1kWh. Như vậy có thể thấy rõ rằng hiện này với những thiết bị cỡ lớn với
công suất từ 2 – 3 MW thì tại một địa điểm xác định có thể tạo ra được nhiều điện
năng hơn 20 lần với giá thành giảm đi rõ rệt so với thời điểm trước đây 20 năm.