Máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------

HUỲNH VĂN THÙY

MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGUỒN KÉP DFIG
Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 12 năm 2010


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:..........................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:..........................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................

...........................................................................................................................
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC
SĨ TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHQG TP.HCM, ngày….tháng…. năm…….
Thành phần đánh giá luận văn Thạc só gồm:
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ...............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HUỲNH VĂN THÙY
Ngày sinh: 24/03/1983
Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

Phái: Nam
Nơi sinh: Bình Dương

MSHV: 01808322

I. TÊN ĐỀ TÀI: MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Xây dựng mô hình máy phát điện gió không đồng bộ cấp nguồn từ hai
phía DFIG bằng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink.
Mô hình hóa tuabin gió và điều khiển tốc độ máy phát.
Xây dựng mô hình Matlab Simulink điều khiển độc lập công suất thực,
công suất kháng của máy phát và các chế độ vận hành của máy.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 25 tháng 01 năm 2010
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 05 tháng 12 năm 2010
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Họ tên: ...................................


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 

1 

1.1  Năng lượng (tổng quan, phân loại) 

1 

1.2  Lịch sử phát triển năng lượng gió 

3 

1.3  Hiện trạng sử dụng năng lượng gió trên thế giới 

7 

1.4  Tình hình hiện tại và xu hướng phát triển 

9 

1.5  Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam 

12 

1.6  Một số cơng trình nghiên cứu liên quan 

16 

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 

18 

2.1  Hệ thống sản xuất năng lượng điện 

18 

2.2  Q trình chuyển đổi năng lượng gió 

20 

2.2.1  Sự hình thành gió 

20 

2.2.2  Mật độ phân bố gió 

20 

2.2.3  Năng lượng gió 

23 

2.2.4  Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 

23 

2.2.5  Đường cong cơng suất tuabin gió 

25 

2.3  Khai thác năng lượng gió 

27 

2.3.1  Hệ thống sản xuất năng lượng gió 

27 

2.3.2  Các loại tuabin gió 

28 

2.4  So sánh giữa các hệ thống phát điện bằng tuabin gió 

30 

2.5  Hệ thống máy phát điện nguồn kép với tuabin gió 

32 

2.5.1  Máy phát điện nguồn kép chuẩn (DFIG) 

33 

2.5.2  Máy phát điện nguồn kép ghép Cascaded (CDFG) 

34 

2.5.3  Máy phát điện nguồn kép không chổi than (BFDG) 

34 

2.5.4  Máy phát điện từ trở nguồn kép (DFRG) 

35 

2.6  Các thành phần máy phát điện gió 

35 

2.6.1  Cột 

36 

2.6.2  Rotor tuabin 

37 

 


2.6.3  Hộp số 

37 

2.6.4  Máy phát 

38 

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TUABIN GIĨ 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 

3.2.1  Quan hệ giữa hệ thống ba pha và hệ thống hai pha 

41 

3.2.2  Quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay 

43 

3.2.3  Quan hệ giữa hệ thống quay abc và hệ thống quay dq 

44 

3.3  Phương trình tốn máy điện khơng đồng bộ nguồn kép DFIG 

45 

3.3.1  Mơ hình tốn máy điện DFIG trong vectơ khơng gian 

45 

3.3.2  Mơ hình tốn DFIG trong hệ qui chiếu quay 

47 

3.3.3  Các đại lượng cơ bản 

49 

3.4  Mơ hình tuabin gió với máy phát nguồn kép trong Matlab Simulink 

49 

3.4.1  Mơ hình tuabin gió (WIND TURBINE) 

50 

3.4.2  Mơ hình trục truyền động (SHAFT) 

51 

3.4.3  Mơ hình máy phát (GENERATOR) 

51 

3.5  Kết quả mơ phỏng 

55 

3.5.1  Mơ phỏng mơ hình máy phát điện nguồn kép DFIG 

56 

3.5.2  Mơ phỏng mơ hình tuabin gió với máy phát nguồn kép DFIG 

59 

CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG VECTƠ TỪ THƠNG MÁY PHÁT
ĐIỆN GIĨ KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP
66 
4.1  Điều khiển moment động cơ DC 

66 

4.2  Điều khiển moment động cơ AC 

67 

4.2.1  Điều khiển định hướng từ thông stator 

67 

4.2.2  Điều khiển định hướng từ thông rotor 

68 

4.2.3  Điều khiển định hướng từ thơng từ hóa 

68 

4.3  Phương trình điều khiển định hướng từ thông stator máy điện DFIG 

69 

4.4  Điều khiển Converter phía rotor 

72 

4.5  Điều khiển Converter phía lưới 

73 

 


4.6  Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup 

75 

4.7  Bộ biến đổi công suất Converter back to back AC-DC-AC 

77 

4.7.1  Mô hình Converter kết nối rotor máy phát với lưới 

77 

4.7.2  Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (sin PWM) 

80 

4.8  Mô hình điều khiển tốc độ và cơng suất tuabin gió với máy phát DFIG 

81 

4.8.1  Điều khiển tốc độ tuabin gió 

81 

4.8.2  Điều khiển cơng suất máy phát DFIG 

82 

CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ
DFIG TRONG MATLAB SIMULINK 

84 

5.1  Mơ hình điều khiển Matlab Simulink máy phát điện DFIG_22kW 

84 

5.1.1  Mơ hình điều khiển converter phía rotor 

85 

5.1.2  Mơ hình điều khiển converter phía lưới 

87 

5.1.3  Mơ hình điều khiển tốc độ rotor turbine 

88 

5.1.4  Mơ hình bộ nghịch lưu áp cấp nguồn cho rotor máy phát 

89 

5.1.5  Kết quả mơ phỏng mơ hình điều khiển máy phát một lớp (lớp dịng điện) 

90 

5.1.6  Kết quả mơ phỏng mơ hình điều khiển hai lớp (lớp dịng và cơng suất) với tốc độ gió khơng
đổi  96 
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI

108 

6.1  Kết luận: 

108 

6.2  Hướng phát triển đề tài: 

108 

 
 

 


LỜI CẢM ƠN
Sau hơn 2 năm học tập và nghiên cứu, nhờ các thầy cô truyền đạt những

kiến thức hữu ích và hướng dẫn tận tình, tơi đã hồn thành luận văn cao học của
mình. Nhờ quá trình nghiên cứu trong thời gian làm luận văn, tôi đã hiểu nhiều
hơn những kiến thức lý thuyết đã học, gắn kết kiến thức với thực tế, và biết cách
làm thế nào để quy hoạch và thực hiện hoàn chỉnh một nghiên cứu khoa học.
Luận văn này chính là khởi đầu trong cơng việc nghiên cứu khoa học cũng như
giảng dạy của tôi sau này.
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc và TS.
Phạm Đình Trực – những thầy đã tận tình hướng dẫn để tơi được hồn thành
luận văn cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc học hỏi, tìm hiểu
kiến thức.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến các giảng viên của Khoa Điện – Điện tử,
Phòng đào tạo sau đại học của Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền
đạt kiến thức hướng dẫn tôi học tập, nghiên cứu các tài liệu khoa học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các lãnh đạo và đồng nghiệp tại trường
Cao đẳng nghề Việt Nam Singapore - những người đã tạo điều kiện tốt cho tôi
trong suốt quá trình học tập và làm việc, và bạn bè tôi – những người đã cùng
chia sẻ trao đổi kiến thức trong học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận
văn.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình: cha, mẹ, anh chị đã luôn động viên,
giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi sử dụng được khoảng thời gian ít ỏi mà tơi có
được trong gia đình để kịp hoàn tất đúng thời hạn, đặc biệt là vợ tôi – người đã
luôn bên tôi trong khoảng thời gian bận rộn và khó khăn nhất mà tơi đã trải qua.
Mặc dù rất cố gắng và nhận được nhiều sự giúp đỡ từ nhiều người nhưng
do kiến thức còn hạn chế nên tơi khơng tránh khỏi những sai sót trong luận văn.
Tơi rất mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của các thầy cô cùng các bạn

 


để tơi có thể học hỏi thêm nhiều kiến thức và kinh nghiệm cho công việc chuyên

môn trong tương lai.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn.

 


MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề khai thác và sử dụng năng lượng đang trở thành đề tài
nóng bỏng và quan tâm của tất cả các quốc gia trên toàn thế giới. Năng lượng là
một trong những yếu tố quan trọng nhất tác động đến phát triển chung của xã
hội. Con người đã và đang dùng phần lớn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, khí
đốt và than. Nguồn năng lượng tích tụ cả chục triệu năm mới hình thành này
đang dần cạn kiệt.
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. Trong đó, nguồn năng lượng tái tạo gồm các
loại như: gió, mặt trời , địa nhiệt, …. 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.
Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung, phân bố
rải rác và phải ứng dụng khá nhiều vào kỹ thuật mới. Do đó, giá thành sản xuất
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 hóa thạch, thậm chí
thấp hơn trong vài thập niên tới.
Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng năng lượng gió đang được các quốc
gia quan tâm, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển đóng ngắt các van bán dẫn thiết bị
điện tử công suất để điều khiển công suất phát của máy phát điện gió. Kỹ thuật
này ảnh hưởng rất lớn đến cơng suất và tốc độ của máy.

Nhằm tìm hiểu một cách đầy đủ hơn về nguyên lý điều khiển máy phát
turbine gió, luận văn này 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 khiển định hướng từ thông. Đây cũng là mục tiêu nghiên cứu của luận
văn này.

 


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

Chú giải

A

: Diện tích hứng gió [m2]

C

: Hệ số tỉ lệ

CDC

: Điện dung trung gian của converter [F]

Cp(λ,β) : Hiệu suất tuabin
Dm

: Hệ số rung [N.m/s]

Ek

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

G

: Tỉ số hộp số

is

: Dòng điện stator [A]

ir

: Dòng điện rotor [A]

Jgen

: Momen quán tính máy phát [kg.m2]

Jturb

: Momen quán tính tuabin [kg.m2]

k

: Hệ số hình dáng

Kms

: Độ cứng thanh truyền [N.m/rad]

Lf

: Điện cuộn kháng lọc inverter nối lưới [H]

Lm

: Điện cảm từ hóa [H]

Lr

: Điện cảm rotor [H]

Lrλ

: Điện cảm rò dây quấn rotor [H]

Ls

: Điện cảm stator [H]

Lsλ

: Điện cảm rò dây quấn stator [H]

ma

: Tỉ số điều chế biên độ

mf

: Tỉ số điều chế tần số

Pgrid : Cơng suất inverter phía lưới [W]
Pm

: Công suất điện từ [W]

 


Pr

: Công suất rotor máy phát [W]

Ps

: Công suất stator máy phát [W]

Ptotal : Tổng công suất phát DFIG [W]
Pturb : Cơng suất tuabin [W]
Pv

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

Qg

: Công suất kháng inverter lưới [Var]

Qr

: Công suất kháng rotor máy phát [Var]

Qs

: Công suất kháng stator máy phát [Var]

R

: Bán kính quạt gió tuabin [m]

Rf

: Điện trở cuộn kháng lọc inverter nối lưới [Ω]

Rr

: Điện trở rotor [Ω]

Rs

: Điện trở stator [Ω]

s

: Độ trược của máy phát

Te

: Momen điện từ [N.m]

Tshaft : Momen trục thanh truyền [N.m]
Tturb : Momen trục tuabin [N.m]
UDC : Điện áp một chiều trung gian của converter [V]
V 

: Vận tốc gió trung bình [m/s]

νa

: Điện áp pha a [V]

νb

: Điện áp pha b [V]

νc

: Điện áp pha c [V]

νd

: Điện áp trục d hệ qui chiếu dq [V]

νq

: Điện áp trục q hệ qui chiếu dq [V]

νw

: Tốc độ gió [m/s]

να

: Điện áp trục α hệ qui chiếu αβ [V]

 


νβ

: Điện áp trục β hệ qui chiếu αβ [V]

W

: Năng lượng gió [J]

z

: Chiều cao cách mặt đất [m]

zref

: Chiều cao tham khảo (thường là 10m)

z0

: Hệ số chiều cao do bề mặt địa hình

α

: Hệ số bề mặt địa hình

λ

: Tỉ số tốc độ

ρ

: Mật độ khơng khí [kg/m3]

ωm

: Vận tốc góc cơ của rotor [rad/s]

ωr

: Vận tốc góc điện của rotor [rad/s]

ωs

: Vận tốc góc stator (lưới) [rad/s]

ωturb : Vận tốc rotor tuabin [rad/s]

ds

: Từ thông trục d stator [Wb]

qs

: Từ thông trục q stator [Wb]

dr

: Từ thông trục d rotor [Wb]

qr

: Từ thông trục q rotor [Wb]

Các kí hiệu chỉ số
- Chỉ số trên
s
r
- Chỉ số dưới
s
r
turb
a, b, c
d, q
α, β

: Qui về phía stator
: Qui về phía rotor

: Các đại lượng của stator
: Các đại lượng của rotor
: Các đại lượng của tuabin
: Các đại lượng pha a, pha b, pha c tương ứng
: Các đại lượng qui chiếu trục d hoặc q hệ qui chiếu dq
: Các đại lượng qui chiếu trục α hoặc β hệ qui chiếu αβ

 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

CHƯƠNG 1
LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1 Năng lượng (tổng quan, phân loại)
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 quá 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 quá 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 1,07.1011 MWh .
Trong đó mức tiêu thụ điện năng là 1,87.10 9 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.
Năng lượng là dữ liệu vào cốt yếu đo lường phát triển kinh tế xã hội.

 Trang 1 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Dân số toàn cầu tăng mỗi ngày, sự tăng trưởng dân số ở các quốc gia đang
phát triển dẫn đến nhu cầu năng lượng cũng tăng theo.
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. Hiện tại, năng lượng mới (gió, mặt trời …) chỉ chiếm 2,2%. 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 môi trường và hiệu ứng nhà kính do khí thải CO2 ở các nhà
máy, các khu công nghiệp đã đến mức báo động. Để giảm mức bức xạ và ơ
nhiễm mơi trường thì phải có ít nhất 10% năng lượng cung cấp cho chúng ta đến
từ nguồn năng lượng sạch.

Các nguồn năng lượng sạch hiện nay được kể đến là: năng lượng mặt trời,
quang điện, nhiệt năng từ mặt trời, thủy năng, địa nhiệt và năng lượng gió.
Trong số đó, năng lượng gió có nhiều tiềm năng khai thác và 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.
1- 2% năng lượng bức xạ từ mặt trời được chuyển thành năng lượng gió.
Lượng năng lượng biến chuyển thành năng lượng gió này có giá trị là 1013
MWh.
Giả thiết rằng một trang trại gió với diện tích vào khoảng 100 ha có thể
tạo ra một lượng điện năng là 45 x 106 kWh hàng năm thì người ta cần phải có
một diện tích đất tổng cộng là khoảng 60.000 ha để có thể thoả mãn được nhu
cầu điện năng trên thế giới hàng năm là vào khoảng 27 x 106 MWh. Diện tích
này chỉ bằng 0,001% diện tích tổng cộng của Việt Nam.

 Trang 2 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió
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 thứ
XVII trước Công Nguyên. Một số khác cho rằng nơi khai sinh ra cối xay gió là
Ấn Độ. Trong thời đại Arthasastra, một tác phẩm cổ điển viết bằng tiếng Phạn

viết bởi Kauthiliya suốt thế kỷ thứ IV trước Công Nguyên, nguồn tham khảo
được dựa trên bởi việc nâng mặt nước bởi hệ thống được vận hành bởi gió. 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 xay 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.

Hình 1.1: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn )
 Trang 3 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Vào thế kỷ thứ XIII, cối xay hạt được sử dụng hầu hết ở Châu Âu. Người
Pháp thu thập kỹ thuật này vào năm 1105 sau Công nguyên và ở Anh vào năm
1191 sau Công Nguyên. Ngược lại với mẫu thiết kế của người Ba Tư, cối xay
của người 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 những loại cối xay này. Chúng đã tạo nên
sự phát triển trong lĩnh vực thiết kế và phát minh vài loại cối xay. Ngoài 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 cơng 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 vụ cho nông 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 1.2: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn )
 Trang 4 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Kỷ nguyên của những máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào những năm
cận 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
12kW.
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 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’ Knob gần Rutland, Vermont. Roto
53m 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 trong 1100 tiếng đồng hồ
trong suốt năm 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 máy phát điện sức gió cơng suất lớn.
Một vài thiết kế của tuabin gió được thực nghiệm trong giai đoạn này.
Darieus G.J.M, một kỹ sư người Pháp, đã dồn sức vào mẫu thiết kế tuabin
Darieus năm 1920, và được cấp bằng sáng chế ở Mỹ năm 1931.
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
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.

 Trang 5 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

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 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 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 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 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 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 những 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.

 Trang 6 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ

Hình 1.3: Tuabin gió MOD - 2 (nguồn )

1.3 Hiện trạng sử dụng năng lượng gió trên thế giới
Thị trường năng lượng điện gió đã và đang được phát triển nhanh hơn tất

cả các dạng năng lượng tái tạo khác. Tổng công suất của toàn thế giới vào thời
điểm năm 1995 khoảng 4.800 MW và cho đến năm 2005 đã tăng hơn gấp 12 lần
đạt 59.000 MW. Thị trường quốc tế ước tính về doanh thu năm 2006 đạt trên 13
tỷ Euro, thu hút khoảng 150.000 nhân cơng trên tồn thế giới. 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 truyền 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 không 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
 Trang 7 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

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
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), 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.
Bảng 1.1: Những quốc gia dẫn đầu máy điện gió năm 2005
Quốc gia
Tổng lượng điện gió (MW)

Đức
18.428
Tây Ban Nha
10.027
Mỹ
9.149
Ấn Độ
4.430
Đan Mạch
3.122

Tuy ngành cơng nghiệp điện gió cho đến hiện nay đã rất sơi động ở một
số quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu EU nhưng hiện tại cũng đang có sự thay
đổi. Trong khi hai nước Mỹ và Canada đều đang có những hoạt động tích cực thì
tại các thị trường mới ở Châu Á và khu vực Nam Mỹ chỉ mới bắt đầu triển khai.
Một thành tựu trong quá trình phát triển năng lượng gió đã được hình thành tại
các vùng biển đó là sự góp mặt của các trang trại điện gió ngồi khơi.

Hình 1.4: Nơng trường gió (Một nơng trường gió trên biển của Đan Mạch, www.danviet.vn)

 Trang 8 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ

1.4 Tình hình hiện tại và xu hướng phát triển
Sự thay đổi khí hậu ngày nay được coi là mối đe dọa lớn nhất đến môi
trường mà thế giới đang phải đối mặt. Nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch
đang dần cạn kiệt và việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch này có những tác

động khác là gây ơ nhiễm mơi trường. Do đó thế giới đang 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
ngun có thể phục hồi đóng một vai trị quan trọng trong bước tiến của năng
lượng trong tương lai. Ví dụ Liên Minh Châu Âu đặt chỉ tiêu phấn đấu đáp ứng
22% nhu cầu từ 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.
Ngày nay, gió là một nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất trên tồn
thế giới và đã giữ vững vị trí này trong suốt 05 năm trở lại đây.
Điện bằng sức gió hiện tại đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất
hàng loạt, cơng nghệ lắp ráp đã hồn thiện nên chi phí cho việc hồn thành một
trạm điện bằng sức gió hiện nay chỉ bằng 1/4 so với năm 1986.
Với niềm hy 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 (EWAE), với cơ sở 230.000MW 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.

 Trang 9 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Châu Âu
Bắc Mỹ
Châu Á

Mỹ La Tinh
Vùng Thái Bình Dương
Giữa miền Đơng châu Phi

Hình 1.6: Khả năng lắp đặt năng lượng gió (MW) ở những vùng khác nhau

Hiện nay giá thành đầu tư cho 1 kW điện gió ở nhiều nước Châu Âu cũng
vào khoảng 1.500 USD. Đáng lưu ý là giá thành này giảm đều hàng năm do cải
tiến công nghệ. Nếu thời gian sử dụng trung bình của mỗi trạm điện gió là 20
năm thì chi phí khấu hao cho một KWh điện gió là sẽ 14 USD. Cộng thêm chi
phí thường xun thì tổng chi phí quản lý và vận hành sẽ nằm trong khoảng 48 –
60 USD/MWh - tương đương với thủy điện, vốn được coi là nguồn năng lượng
rẻ và hiệu quả. Theo dự đoán, đến năm 2020 giá thành điện gió sẽ giảm đáng kể,
chỉ khoảng 600 USD/kW, khi ấy chi phí quản lý và vận hành sẽ giảm đáng kể,
chỉ còn khoảng 30 USD/MWh.
Cùng với sự phát triển của công 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
1.400MW. Ở Đức, theo ước tính của Chính phủ, đến năm 2020 các nhà máy
điện gió ở ngồi khơi của nước này sẽ đạt tổng công suất 10.000 MW, tương
đương lượng điện của 10 nhà máy điện hạt nhân.
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 cơng
nghiệp sẽ phát triển từ nhiều MW đến đơn vị nhiều MW. Vài nhà máy như RE
 Trang 10 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

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 giảm tổng trọng lượng phần trước bao gồm trọng
lượng của roto và vỏ động cơ. Với mẫu thiết kế kỹ thuật thơng 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 q 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 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).

Hình 1.7: Kích cỡ và cơng suất định mức máy phát điện gió phát triển trên thị trường

 Trang 11 
 


CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.5 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam
Chỉ vào loại trung bình. Hầu hết các khu vực trên đất liền có năng lượng
gió thấp, khai thác khơng hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt
nên gió tương đối khá. Tuy nhiên công suất lại không lớn. Chỉ dọc theo bờ biển

và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có năng lượng gió tốt nhất là đảo
Bạch Long Vĩ, tốc độ gió trung bình năm đạt được 7,1-7,3 m/s. Tiếp đến là các
khu vực các đảo Trường Sa, Phú Q, Cơn Đảo,... có tốc độ gió trong khoảng
4,0- 6,5 m/s. Năng lượng gió được ứng dụng để sản xuất điện năng nhờ các tua
bin gió và máy phát điện. Năng lượng gió tỷ lệ với luỹ thừa 3 của vận tốc gió,
V3, nên phụ thuộc rất mạnh vào vận tốc gió.
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 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.
Độ 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
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 ngun và các vị trí cao ít bị che chắn trong các
vùng núi
• Loại hình 5: Dun 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:

 Trang 12