Điều khiển định hướng từ thông máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.78 MB, 116 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
VÕ XUÂN HẢI
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG
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 2009
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
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
Cán bộ chấm nhận xét 1:
PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
PGS.TS. NGUYỄN VĂN NHỜ
Cán bộ chấm nhận xét 2:
TS. Lê Minh Phương
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
TS. LÊ MINH PHƯƠNG
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày 28 Tháng 12 năm 2009.
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày
tháng
năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:
Võ Xuân Hải
Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:
Phái: Nam
12/01/1978
Nơi sinh: Khánh Hòa
Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
MSHV: 01807275
I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THƠNG MÁY PHÁT ĐIỆN
GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Mơ hình hóa máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép bằng phần mềm mô
phỏng Matlab Simulink và so sánh kết quả với mơ hình phần mềm EMTPWorks.
-
Mơ hình hóa tuabin gió và điều khiển tốc độ máy phát.
-
Xây dựng mơ hình Matlab Simulink điều khiển độc lập công suất thực, công suất
kháng của máy phát, điều khiển tối ưu công suất phát của máy phát điện gió
DFIG và các chế độ vận hành của máy.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 15 tháng 06 năm 2009
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 11 năm 2009
V-
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
CN BỘ MƠN
QL CHUN NGÀNH
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin đặc biệt cảm ơn thầy TS. Phạm Đình Trực đã tận tình giúp đỡ và hướng
dẫn tơi trong học tập cũng như trong suốt q trình thực hiện luận văn, những ý kiến
quí báu của thầy giúp tơi học tập khắc phục được nhiều thiếu sót để hồn thành luận
văn.
Chân thành cảm ơn thầy, cơ Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Bách Khoa
Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tơi trong suốt khóa học tại
trường.
Cảm ơn bạn bè cùng chia sẻ trao dồi kiến thức trong học tập cũng như trong quá
trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn gia đình và những người thân u đã ln tạo điều kiện,
động viên, giúp đỡ là chỗ vựa vững chắc giúp tôi an tâm học tập vượt qua những khó
khăn trong thời gian qua.
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
Mở đầu
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các ngành cơng 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. Từ đó đến
nay mới chỉ gần 200 năm nhưng con người đã dùng phần lớn năng lượng hóa thạch
như dầu mỏ, khí đốt và than đã tích tụ cả hàng chục triệu năm mới có được.
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 ô nhiễm đến môi
trường và có trữ lượng vô hạn. Đây cũng là mục tiêu giải quyết vấn đề cạn kiệt năng
lượng trong tương lai.
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:
Mở đầu
MỤC LỤC
Trang
Chương 1: Tổng quan năng lượng gió………………………………………… 1
1.1 Tình hình phát triển năng lượng……………………………………… 1
1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió………………………..……………2
1.3 Tình hình hiện tại và triển vọng tương lai……………………………. 6
1.4 Tài nguyên năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam………………..... 9
1.5 Các cơng trình nghiên cứu liên quan…………………………………11
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió………………………………13
2.1 Hệ thống sản xuất năng lượng điện.………………………………… 13
2.2 Quá trình chuyển đổi năng lượng gió………………………..……... 13
2.3 Khai thác năng lượng gió………………………………………….... 21
2.4 So sánh giữa các hệ thống phát bằng tuabin gió………………….... 24
2.5 Hệ thống máy phát điện gió nguồn kép…………………………….. 26
2.6 Các thành phần máy phát điện gió………………………………….. 28
Chương 3: Mơ hình turbine gió với máy phát điện nguồn kép DFIG………. 32
3.1 Mơ hình tuabin gió.…………………………………………..………32
3.2 Phương trình chuyển đổi hệ qui chiếu……………………..…...…... 34
3.3 Phương trình tốn máy điện khơng đồng bộ nguồn kép DFIG…….. 36
3.4 Mơ hình tuabin gió với máy phát nguồn kép tromg Matlab simulink.41
3.5 Mơ hình máy phát DFIG trong chương trình EMTPWorks………… 46
3.6 Kết quả mô phỏng……………………………………………………48
Chương 4: Lý thuyết điều khiển vectơ từ thơng máy phát điện gió khơng đồng
bộ nguồn kép………………………………………………….…… 53
4.1 Điều khiển moment động cơ DC…………………………..….……. 53
4.2 Điều khiển moment động cơ AC…………..…...….………………... 54
Mở đầu
4.3 Phương trình điều khiển định hướng từ thơng stator máy điện
DFIG………………………………………………………………… 55
4.4 Điều khiển Converter phía rotor..…………………………………… 58
4.5 Điều khiển Converter phía lưới…………………………………...… 59
4.6 Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup …………… 62
4.7 Bộ biến đổi công suất back to back AC-DC-AC………………..…...64
4.8 Mơ hình điều khiển tốc độ và cơng suất tubin gió với máy phát
DFIG………………………………………………………………
68
Chương 5: Mơ hình và kết quả mơ phỏng điều khiển máy phát điện gió DFIG
trong Matlab Simulink………………………….………...……… 70
5.1 Mơ hình điều khiển Matlab Simulink máy phát điện DFIG_22kW… 70
5.2 Kết quả mô phỏng điều khiển máy phát điện DFIG_2.3MW..….….. 92
Chương 6: Kết luận và định hướng đề tài……………………………….…… 98
6.1 Kết luận………………………………………………………………98
6.2 Hướng phát triển đề tài..….….……………………………………… 98
Tài liệu tham khảo
Mở đầu
Danh sách liệt kê hình minh họa và mơ phỏng
Hình 1.1:
Đường (chấm chấm) là tổng sản lượng quốc gia GNP và đường (nét
liền) thể hiện lượng tiêu thu điện ở Netherlands …………………… 1
Hình 1.2:
Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: )…………… 3
Hình 1.3:
Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: )…………… 4
Hình 1.4:
Tuabin gió MOD OA (Cơng ty điện Hawaiian, nguồn
)……………………………………………………… 6
Hình 1.5:
Nơng trường gió (Hệ thống năng lượng tái tạo cơng ty Hamish Hill,
www.resltd.com)…………………………………………………… 7
Hình 1.6:
Khả năng lắp đặt năng (MW) ở những vùng khác nhau …………… 8
Hình 1.7:
Kích cỡ và cơng suất định mức máy phát điện gió phát triển trên thị
trường………………………………………………………………….9
Hình 2.1:
Sản xuất năng lượng điện từ năng lượng đốt và hạt nhân……………13
Hình 2.2:
Các dạng năng lượng thành năng lượng điện……………………… 14
Hình 2.3:
(a) Phân bố xác suất Weibull và (b) Phân bố mật độ công suất…… 15
Hình 2.4:
(a) Mật độ xác phân bố Rayleigh tương ứng vận tốc trung bình…….17
Hình 2.5:
Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết………………………… 18
Hình 2.6:
Đường cong cơng suất lý tưởng tuabin gió………………………… 19
Hình 2.7:
Đường cong hiệu suất tuabin gió…………………………………… 20
Hình 2.8:
Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện………………… 21
Hình 2.9:
Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát khơng đồng bộ IG…………22
Hình 2.10: Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát khơng đồng bộ IG………
23
Hình 2.11: Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát không đồng bộ SG…… 23
Hình 2.12: Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát nguồn kép DFIG……… 24
Hình 2.13: Hướng cơng suất DFIG tương ứng tốc độ đồng bộ ω0 bên dưới… 26
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý DFIG chuẩn……………………………………… 27
Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý máy phát gép cascaded CDFG…………………… 27
Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý máy phát BFDG……………………………………28
Mở đầu
Hình 2.17: Các thành phần máy phát điện gió………………………………
29
Hình 2.18: Các loại cột tuabin gió……………………………………………… 29
Hình 2.19: (a) tuabin gió trục thẳng đứng, (b) tuabin gió trục nằm ngang……… 30
Hình 2.20: Hộp số của tuabin gió nhỏ…………………… …………………… 30
Hình 2.21: Mặt cắt máy điện…………………………………………………… 31
Hình 3.1:
Tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG…………………… 32
Hình 3.2:
Mơ hình tuabin gió………………………………………………… 33
Hình 3.3:
Ngun lý vectơ khơng gian…………………………………………34
Hình 3.4:
Quan hệ giữa hệ qui chiếu αβ và dq…………………………………35
Hình 3.5:
Mạch tương đương máy điện DFIG qui đổi về phía stator………… 38
Hình 3.6:
Mạch tương đương máy điện DFIG trong hệ qui chiếu quay……… 38
Hình 3.7:
Mơ hình tuabin gió với máy phát điện DFIG (chưa xét đến hệ thống
điều khiển)……………………………………………………………41
Hình 3.8:
Mơ hình tuabin gió với máy phát điện DFIG……………………… 41
Hình 3.9:
Mơ hình trục truyền động…………………………………………
42
Hình 3.10: Mơ hình máy phát DFIG…………………………………………… 42
Hình 3.11: Mơ hình abc2dq…………………………………………………… 43
Hình 3.12: Mơ hình 2dqabc…………………………………………………… 44
Hình 3.13: Mơ hình phương trình máy phát điện DFIG……………………… 45
Hình 3.14: Mơ hình tính tốn từ thơng………………………………………… 46
Hình 3.15: Mơ hình EMTP-RV………………………………………………… 46
Hình 3.16: Kết quả mơ phỏng mơ hình DFIG chưa xét tuabin gió………………50
Hình 3.17: Kết quả mơ phỏng DFIG ngắn mạch 3 pha tại đầu cực stator, thời điểm
t = 3s………………………………………………………………… 50
Hình 3.18: Kết quả mơ phỏng mơ hình máy phát điện DFIG với tuabin gió…… 52
Hình 4.1:
Hướng từ thơng kích từ và dịng phần ứng trong máy điện DC…… 53
Hình 4.2:
Điều khiển vectơ trong định hướng từ thơng stator………………
Hình 4.3:
Quan hệ giữa hệ qui chiếu tĩnh và hệ chiếu quay dq……………… 56
54
Mở đầu
Hình 4.4:
Điều khiển định hướng từ thơng stator cho hệ thống DFIG………… 59
Hình 4.5:
Điều khiển Converter phía lưới………………………………………60
Hình 4.6:
Mơ hình Converter cầu 3 pha đầy đủ phía lưới………………………61
Hình 4.7:
Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup…………… 62
Hình 4.8:
Bộ nghịch lưu áp ba pha…………………………………………… 65
Hình 4.9:
Giản đồ xung kích phương pháp PWM…………………………… 67
Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển góc pitch………………………………………… 68
Hình 4.11: Sơ đồ tổng thể điều khiển máy phát DFIG………………………… 69
Hình 5.1:
Mơ hình tổng thể điều khiển máy phát điện DFIG 22kW………
70
Hình 5.2:
Mơ hình điều khiển coverter phía rotor máy phát và lưới………… 71
Hình 5.3:
Mơ hình điều khiển converter phía rotor…………………………… 71
Hình 5.4:
Khối “estimate ims” tính tốn vị trí rotor và dịng từ hóa………… 72
Hình 5.5:
Khối chuyển abc sang αβ…………………………………………… 72
Hình 5.6:
Khối “Decoupling voltage” tính điện áp điều chỉnh rotor………… 73
Hình 5.7:
Mơ hình điều khiển converter phía lưới…………………………
Hình 5.8:
Khối DC-link1 điều khiển điện áp DC……………………………… 74
Hình 5.9:
Khối điều khiển góc pitch……………………………………………74
73
Hình 5.10: Mơ hình bộ nghịch lưu áp……………………………………………74
Hình 5.11: Khối tín hiệu tạo xung kích………………………………………… 75
Hình 5.12: Kết quả điều khiển idr của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 76
Hình 5.13: Kết quả điều khiển iqr của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 77
Hình 5.14: Kết quả điều khiển tốc độ DFIG_22kW 1650 – 1350 vịng/phút……79
Hình 5.15: Mơ hình điều khiển độc lập cơng suất tác dụng và cơng suất kháng 80
Hình 5.16: Kết quả điều khiển Ps của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 82
Hình 5.17: Kết quả điều khiển Qs của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 85
Hình 5.18: Kết quả điều khiển tốc độ của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức 86
Hình 5.19: Mơ hình điều khiển độc lập cơng suất thực và cơng suất kháng, trường
hợp tốc độ gió thay đổi…………………………………………
88
Mở đầu
Hình 5.20: Kết quả điều khiển Ps của DFIG_22kW khi tốc độ gió thay đổi…… 89
Hình 5.21: Mơ hình điều khiển phát cơng suất tối ưu……………………………90
Hình 5.22: Đường cong cong suất tối ưu của tuabin gió DFIG_22kW………… 90
Hình 5.23: Kết quả điều khiển tối ưu công suất máy điện DFIG_22kW……… 92
Hình 5.24: Kết quả điều khiển Ps máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió định
mức………………………………………………………………
93
Hình 5.25: Kết quả điều khiển Qs máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió định
mức………………………………………………………………… 94
Hình 5.26: Kết quả điều khiển P máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió thay
đổi…………………………………………………………………… 96
Hình 5.27: Kết quả điều khiển Q máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió thay
đổi…………………………………………………………………… 97
Danh sách liệt kê bảng biểu
Bảng 1.1: Những quốc gia dẫn đầu máy điện gió……………………………… 8
Bảng 1.2: Tỉ số Wzi/ W10……………………………………………………… 10
Bảng 2.1: Giá trị điển hình chiều cao z0 và thành phần α theo từng loại địa
hình………………………………………………………………… 16
Bảng 2.2
Lợi ích và bất lợi của các hệ thống phát điện tuabin gió…………… 25
Bảng 3.1
Các thơng số cơ bản………………………………………………… 40
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1
Tổng quan về năng lượng
Năng lượng là dữ liệu vào cốt yếu đo lường phát triển kinh tế xã hội. Tốc độ
tiêu thụ năng lượng của một Quốc gia thường phản chiếu mức thành cơng kinh tế
mà nó đạt được. Kinh tế xã hội tốt có thể đánh giá bằng chỉ số phát triển con người
HDI “Human Development Index”. Chỉ số HDI cao có lượng tiêu thụ năng lượng
trên mỗi đầu người trong vùng từ 4000 đến 9000kg dầu mỗi năm [1]. Hình 1.1 là ví
dụ về tăng trưởng kinh tế của quốc gia Hà Lan, khảo sát đo lường tổng thu nhập
quốc gia (GNP) và lượng tiêu thụ điện trong suốt 60 năm qua [2].
Hình 1.1: Đường (chấm chấm) là tổng sản lượng quốc gia GNP và
đường (nét liền) thể hiện lượng tiêu thu điện ở Hà Lan
Dân số toàn cầu tăng mỗi ngày, sự tăng trưởng dân số ở các quốc gia đang
phát triển nhanh hơn các quốc gia công nghiệp. Kết quả là dẫn đến nhu cầu năng
lượng cũng tăng theo. Trong suốt 10 năm qua, năng lượng sơ cấp dùng ở các quốc
gia công nghiệp tăng 1,5% mỗi năm và sự thay đổi tương ứng đó ở các quốc gia
đang phát triển là 3,2% mỗi năm [2].
Nhu cầu năng lượng toàn cầu gặp nhiều thay đổi do nguồn khai thác. Năng
lượng hóa thạch như (than, dầu và khí thiên nhiên) đáp ứng khoảng 80% cho nhu
cầu, năng lượng hạt nhân xấp xỉ 7%, và 13% cung cấp từ năng lượng tái tạo. Ở hiện
tại, năng lượng mới (gió, mặt trời v.v..) chỉ chiếm 2,2% [3]. Vì vậy nếu tiếp tục kịch
1
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
bản như hiện tại, chúng ta phải dựa vào nguồn năng lượng hóa thạch để đáp ứng chủ
yếu cho nhu cầu. Tuy nhiên năng lượng hóa thạch thì có hạn và chúng sẽ bị cạn kiệt
trong thời gian tới. Điều này làm chúng ta phải có kế hoạch khám phá ra những
nguồn năng lượng mới thay thế.
Ngồi ra, mơi trường cũng là đề tài mà cả thế giới hiện nay đang quan tâm,
vấn đề ô nhiễm mơi trường và hiệu ứng nhà kính do khí thải CO2 ở các nhà máy,
các khu công nghiệp đã đến mức báo động. Theo đại đa số cho rằng, để giảm mức
bức xạ và ơ nhiễm mơi trường thì phải ít nhất 10% năng lượng cung cấp cho chúng
ta đến từ nguồn năng lượng sạch.
1.2
Lịch sử phát triển năng lượng gió
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.
Đã có những tranh luận về khái niệm nguồn gốc của việc sử dụng gió cho cơ
năng. Một vài người tin rằng khái niệm này bắt nguồn từ người Babylon cổ đại.
Vương triều Hammurabi của người Babylon có kế hoạch sử dụng năng lượng gió
cho cơng trình hệ thống tưới tiêu đầy tham vọng trong suốt thế kỷ XVII trước Công
Nguyên [4]. Một số khác lại cho rằng nơi khai sinh ra cối xay gió là Ấn Độ. Trong
thời đại Arthasastra, một tác phẩm cổ điển bằng tiếng Phạn viết bởi Kautiliya suốt
thế kỷ thứ IV trước Công Nguyên, nguồn tham khảo được dựa trên việc nâng mặt
nước bởi hệ thống được vận hành bởi gió [5]. Tuy nhiên, khơng có ghi chép nào
chứng minh rằng những khái niệm trên biến đổi thành những thiết bị hiện nay.
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.
2
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
Hình 1.2: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: )
Vào thế kỷ XIII, cối xay hạt được sử dụng hầu hết ở Âu Châu. Người Pháp
thu nhập kỹ thuật này vào năm 1105 sau Công Nguyên và ở Anh vào năm 1191
trước Công Nguyên. Ngược lại với mẫu thiết kế trục dọc của người Ba Tư, cối xay
của Châu Âu lại có trục ngang.
Người Hà Lan, với nhà thiết kế trứ danh Jan Adriaenszoon, là những người
đi tiên phong trong việc thiết kế ra những loại cối xay này. Chúng đã tạo nên sự
phát triển trong lĩnh vực thiết kế và phát minh vài loại cối xay. Ngồi việc xay hạt,
cối xay gió cịn được dùng để tháo nước những vùng đầm lầy ở Hà Lan. Những cối
xay gió này du nhập vào Mỹ vào khoảng giữa những năm 1700, nhờ vào thực dân
Hà Lan.
Loại này mơ phỏng theo cối xay gió bơm nước, được cho rằng là một trong
những ứng dụng thành công của năng lượng gió. Tuabin gió nhiều cánh (được gọi
theo người Mỹ) xuất hiện trong lịch sử năng lượng gió vào khoảng giữa những năm
1800. Roto tương đối nhỏ, có đường kính khoảng từ một đến vài mét, được sử dụng
trong thiết kế này. Ứng dụng chủ yếu để bơm nước từ vài mét dưới mặt đất để phục
3
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
vụ cho nơng nghiệp. Những máy bơm nước này, với những cánh quạt bằng kim loại
và thiết kế máy tốt hơn đã hoạt động khá tốt. Khoảng 6 triệu cái như vậy đã được sử
dụng ở riêng Mỹ, vào khoảng năm 1850 và 1930.
Hình 1.3: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (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 người Đan Mạch trong năm 1890. Nó cung cấp điện cho vùng nông
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.
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
4
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
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.
Một vài mẫu thiết kế của tuabin gió được thực nghiệm trong giai đoạn này.
Darrieus G.J.M, một kỹ sư người Pháp, đã dồn sức vào mẫu thiết kế tuabin Darrieus
năm 1920, và được cấp bằng sáng chế ở Mỹ năm 1931 [7].
Nghiên cứu tập trung về nguyên lý hoạt động của tuabin gió xuất hiện trong
những năm 1950. Ví dụ như roto 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.
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 toàn. 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
5
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
và khơng gian Hoa kỳ (NASA) việc phát triển tuabin gió cỡ lớn. Kết quả là một loạt
tuabin trục ngang với tên gọi là MOD-0, MOD-1, MOD-2 và MOD-5 ra đời. Những
dự án trên đã ngưng vào giữa thập niên 1980 vì nhiều lý do khác nhau. Trong cùng
thời điểm trên, những nhà khoa học ở phịng thí nghiệm Sandia đã tập trung nghiên
cứu mẫu thiết kế và phát triển tuabin Darrieus. Họ sản xuất vài mẫu Darrieus với
kích cỡ khác nhau trong thập niên 1980.
Việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được trở nên mạnh mẽ trong
những năm sau đó. Một vài sáng kiến mới như tuabin xoáy, kiểu tăng cường máy
khuếch tán, roto Musgrove… cũng đã được đề nghị trong giai đoạn đó. Nguyên
mẫu của các loại tuabin này đã được chế tạo và thử nghiệm. Tuy nhiên, mẫu thiết kế
với cánh quạt trục ngang đã nổi bật trên thị trường tiêu dùng.
Hình 1.4: Tuabin gió MOD OA (Cơng ty điện Hawaiian, nguồn )
1.3
Tình hình hiện tại và triển vọng tương lai
Dựa vào lời cam kết của chúng ta về việc giảm thiểu tác động môi trường và
cung cấp đầy đủ năng lượng để phát triển thế giới, đã có nhiều nỗ lực trong việc
cung cấp năng lượng dựa trên nguồn tài nguyên có thể phục hồi. Một vài quốc gia
đã đưa ra những khn khổ về chính sách đảm bảo rằng nguồn tài nguyên có thể
6
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
phục hồi đóng một vai trò quan trọng trong bước tiến của năng lượng trong tương
lai. Ví dụ là Liên Minh Châu Âu đặt chỉ tiêu phấn đấu đáp ứng 22% nhu cầu từ
nguồn năng lượng tái tạo. Gió, nguồn năng lượng tái tạo có thể đứng vững trên thị
trường và đầy tính cạnh tranh về kinh tế, đang trở thành một phần quan trọng trong
phấn đấu trên.
Hình 1.5: Nơng trường gió (Hệ thống năng lượng tái tạo cơng ty Hamish Hill,
www.resltd.com)
Ngày nay gió là một nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trên toàn thế
giới và đã giữ vững vị trí này trong suốt 5 năm trở lại đây. Năng suất gió tồn cầu
đã tăng trong suốt 5 năm vừa qua. Năng suất gió đạt được trong năm 2004 là
39434MW. Hơn 73% của hệ thống trên toàn cầu là ở Châu Âu. Đức là nước dẫn
đầu ở Châu Âu, theo sau là Tây Ban Nha và Đan Mạch. Năm nước dẫn đầu trong
lĩnh vực khai thác năng lượng gió được sắp xếp trong bảng 1.1.
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. Theo Hiệp Hội Năng Lượng Gió Châu Âu (EWEA),
với cơ sở 230000MW đang được mong đợi, thì gió có thể cung cấp 12% cho nhu
cầu năng lượng toàn cầu vào năm 2010. Điều đó cho thấy nó sẽ đem lại khoảng 25
tỉ Euro. Năng suất khai thác có thể sẽ đạt đến 1.2 triệu MW vào năm 2020.
7
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
Bảng 1.1: Những quốc gia dẫn đầu máy điện gió
Quốc gia
Khả năng lắp đặt MW
Đức
14609
Mỹ
6352
Tây Ban Nha
6202
Đan Mạch
3115
Ấn Độ
2120
Hình 1.6: Khả năng lắp đặt năng (MW) ở những vùng khác nhau
Cùng với sự phát triển của cơng nghiệp, ngành kỹ thuật năng lượng gió cũng
đang thay đổi. Sự thay đổi rõ nhất là việc chuyển các cơ sở ra khơi. Các đề án ngoài
khơi đầy tham vọng đang được tiến hành. Ví dụ như 20 đề án ngoài khơi đang trong
kế hoạch được lắp đặt ở Anh năm 2006, với tổng năng suất là 1400MW. Ở Đức,
khoảng 30 đề án ngoài khơi năng suất 60000MW đang trong tiến trình hồn thành.
Ở Mỹ, các hoạt động ngoài khơi cũng đang được tăng cường.
Xu hướng khác của nền cơng nghiệp là sản xuất các máy móc thiết bị kích cỡ
lớn. Vì một tuabin lớn sẽ rẻ hơn nếu tính theo đơn vị cơ bản kW, do đó công nghiệp
sẽ phát triển từ MW đến đơn vị nhiều MW. Vài nhà máy như RE Power System AG
đang suy nghĩ về những tuabin kích cỡ 5 MW. Mẫu RE Power được trang bị một
roto khổng lồ 125m với mỗi cánh nặng khoảng 19 tấn. Người ta cũng đang cố gắng
8
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
giảm tổng trọng lượng phần trước bao gồm trọng lượng của roto và vỏ động cơ. Với
mẫu thiết kế kỹ thuật thông minh, NEG Micon có thể hạn chế trọng lượng của máy
phát loại 4.2 MW của họ xuống còn 214 tấn, được xem là thành tựu đáng ghi nhận.
Với cột chống song sắt có hiệu quả hơn, loại máy phát nguồn kép với tốc độ biến
thiên đang thu hút nhiều sự chú ý đặc biệt trong ngành công nghiệp.
Ngày nay, với sự phát triển khoa học kỹ thuật, sự ra đời các thiết bị điện tử
công suất với giá thành hợp lý. Tuabin ngày càng phát triển cả về kích thước và
cơng suất sử dụng, hình 1.7 thể hiện quá trình phát triển tuabin gió giai đoạn từ năm
1985 đến 2003. Đến nay, Tuabin gió thương mại lớn nhất có cơng suất 4,5MW.
Enercon đã đưa
Hình 1.7: Kích cỡ và cơng suất định mức máy phát điện gió phát triển trên thị trường
ra mẫu đầu tiên loại máy đồng bộ đa cực điều khiển tuabin trực tiếp với công suất
5MW. NEC Micon đưa ra sản phẩm máy điện nguồn kép điều khiển tuabin với hộp
số cơng suất 4,2MW. Cả hai điều khiển được góc quay cánh quạt gió (góc pitch).
1.4
Tài nguyên năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam [8]
Số liệu quan trắc trong 10 năm gần đây cho thấy tốc độ gió tại mặt đất (độ
cao 10m) ở Việt Nam tương đối nhỏ. Trên phần lớn lãnh thổ tốc độ trung bình năm
khơng vượt quá 3m/s, chỉ có những vùng hải đảo tốc độ gió lên đến 6m/s.
Độc dốc tăng tốc của gió theo độ cao phụ thuộc vào bề mặt gồ ghề của địa
hình. Căn cứ trên số liệu tính tốn cho 150 trạm trong mạng lưới khí tượng tồn
9
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
quốc có thể xác định các loại hình chủ yếu phụ thuộc vào tính chất địa hình và vị trí
địa lý như sau:
Loại hình 1: các nơi thấp trong vùng núi có độ chia cắt lớn.
Loại hình 2: Trung du và các vị trí tương đối thống trong các vùng núi.
Loại hình 3: Đồng bằng
Loại hình 4: Cao nguyên và các vị trí cao ít bị che chắn trong các vùng núi
Loại hình 5: Duyên hải
Loại hình 6: Hải đảo.
Độ lớn của năng lượng gió Wzi tại các độ cao Wi = 20m, 40m, 60m so với
mặt đất (Z = 10m) W10 được đánh giá bằng tỉ số Wzi/ Wi trong bảng 1.2 dưới đây.
Bảng 1.2: tỉ số Wzi/ W10
Khu vực có tiềm năng năng lượng gió khả quan với tổng năng lượng gió
năm lớn hơn 500KWh/m2 là các dãy núi cao Hồng Liên Sơn, biên giới phía Đơng
tỉnh Lạng Sơn, duyên hải thuộc các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ, vùng núi cao và phần
cao nguyên cao nằm kế tiếp khá rộng lớn của Tây Nguyên kéo xuống phía Nam lan
rộng ra tận duyên hải Ninh Thuận – Bình Thuận và duyên hải Nam Bộ. Trên các hải
đảo phía Đơng lãnh thổ, tổng năng lượng gió năm lớn hơn ở các đảo phía Nam lãnh
thổ.
Nhiều khu vực có tiềm năng năng lượng gió mùa lạnh cao hơn mùa nóng rõ
rệt. Mỗi khu vực trên lãnh thổ chịu ảnh hưởng khác nhau của hai mùa gió Đơng Bắc
và Tây Nam. Độ lớn của tốc độ gió phụ thuộc năng lượng gió ở mỗi nơi trong từng
và vị trí địa lý của khu vực đó.
10
Chương 1
Tổng quan năng lượng gió
9 Những vùng có tiềm năng năng lượng gió mùa lạnh cao hơn mùa nóng rõ rệt là:
-
Các hải đảo phía Đơng lãnh thổ (trừ các đảo gần bờ từ Hải Phòng đến
Diễn Châu - Nghệ An).
-
Khu vực phía Đơng tỉnh Lạng Sơn
-
Các khu vực núi cao trên toàn lãnh thổ, kể cả Tây Nguyên.
-
Duyên hải và đồng bằng kế tiếp duyên hải từ Hà Tĩnh đến Cà Mau, đặc
biệt từ Tuy Hoà đến Phan Thiết năng lượng mùa lạnh lớn vượt trội năng
lượng mùa nóng.
9 Những vùng có tiềm năng năng lượng gió mùa nóng cao hơn mùa lạnh rõ rệt là:
-
Các đảo phía Tây Nam lãnh thổ.
-
Duyên hải phía Tây và phần đồng bằng kế tiếp của Nam Bộ.
-
Các vùng đất thấp và các vị trí dưới thấp phía Tây và Nam Tây Nguyên.
-
Vùng núi thấp phía Tây Nghệ An, Hà Tĩnh và Bình Trị Thiên
-
Dun hải từ Hải Phịng đến Diễn Châu (Nghệ An) và đồng bằng kế tiếp.
Tại các vùng khác trên lãnh thổ tiềm năng năng lượng của hai mùa gió gần
tương đương với nhau. Tỷ lệ giữa tiềm năng hai mùa khơng thay đổi theo độ cao.
1.5
Các cơng trình nghiên cứu liên quan
[1] Lương Công Quyền, “Điều khiển trượt máy phát điện gió cấp nguồn từ hai
phía”, luận văn Thạc sĩ, ĐHBK TPHCM, 2008. Nghiên cứu điều khiển độc
lập cơng suất PQ, xây dựng mơ hình máy và điều khiển bằng Matlap
Simulink.
[2] Đỗ Vĩnh Mạnh, “Nghiên cứu & Mô phỏng phương pháp điều khiển bộ biến
đổi PWM rectified và PWM inverter trong hệ thống chuyển đổi năng lượng
gió & DFIG”, luận văn Thạc sĩ, ĐHBK TPHCM, 2008. Nghiên cứu đưa ra
mơ hình inverter trong Matlap SimPowersystem.
[3] Nguyễn chí Hiếu, “Khảo sát mơ hình máy phát điện gió trong lưới điện phân
phối” nghiên cứu máy phát điện gió khơng đồng bộ điều khiển trực tiếp công
suất bằng phần mềm PSCAD.
11
