(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh ninh bình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN TÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ TẠI
KHU VỰC VEN BIỂN TỈNH NINH BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN TÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ TẠI
KHU VỰC VEN BIỂN TỈNH NINH BÌNH

Mã ngành: 8520201
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH

Thái Nguyên - 2020

Trang 3

Luận văn thạc sỹ

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển mạnh của các ngành kinh tế, đặc là lĩnh vực cơng nghiệp
thì nhu cầu năng lượng ngày càng lớn, năng lượng phục vụ cho hầu hết các lĩnh
vực chủ yếu là điện năng. Trước đây năng lượng điện chủ yếu được tạo ra bởi
các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nhưng các hệ thống phát điện
sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang gặp nhiều vấn đề như: các nguồn nhiên liệu
hóa thạch đang dần bị cạn kiệt, sử dụng các nhiên liệu hóa thạch gây ra nhiều tác
hại xấu đến môi trường sống và tạo ra nhiều nguy cơ đối với trái đất và toàn bộ
hệ sinh vật sống trên trái đất… Trước tình hình đó, nhiều nguồn năng lượng
sạch, năng lượng tái tạo đã được khai thác như năng lượng mặt trời, thủy năng,
thủy triều, năng lượng gió… Một trong những dạng năng lượng tái tạo mà Việt
Nam có nhiều nhưng việc khai thác cịn hạn chế đó là gió. Với một dải bờ biển
khá dài có tiềm năng lớn về gió của tỉnh Ninh Bình là điều kiện để xây dựng các
trạm phát điện sức gió, góp phần bổ sung một phần công suất điện vào mạng
điện của tỉnh, của quốc gia đồng thời cũng giảm thiếu ô nhiễm môi trường khi
có thể giảm cơng suất của các hệ thống phát điện sử dụng nhien liệu hóa thạch.
Với các lý do trên, việc nghiên cứu để ứng dụng năng lượng gió có thể bố
trí tại khu vực bờ biển của các tỉnh giáp biển, trong đó có tỉnh Ninh Binh nhằm
tăng nguồn năng lượng cho tương lai là rất cần thiết và có nhiều triển vọng. Vì
vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu về tiềm năng phát triển năng lượng gió tại địa bàn tỉnh Ninh
Binh.

- Lựa chọn loại hệ thống phát điện sức gió có thể triển khai tại khu vực ven
biển tỉnh Ninh Bình.
- Thiết kế cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió có thể triển khai
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình.
- Mơ phỏng, đánh giá chất lượng hệ thống.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 4

Luận văn thạc sỹ

3. Kết quả dự kiến
- Cấu trúc và thuật toán điều khiển một loại hệ thống phát điện sức gió.
- Kết quả mơ phỏng, đánh giá chất lượng hệ thống.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tiềm năng năng lượng gió tại tỉnh Ninh Bình;
- Hệ thống phát điện sức gió.
5. Cơng cụ, thiết bị nghiên cứu
Máy tính và phần mềm mơ phỏng Matlab/Simulink.
6. Bố cục luận văn
Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham khảo,
Phụ lục, luận văn bao gồm 4 chương sau:
Chương 1: Tổng quan thực trạng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo tại tỉnh
Ninh Bình
Chương 2: Lựa chọn hệ thống phát điện sức gió ứng dụng vào vùng ven
biển tỉnh Ninh Bình
Chương 3: Mơ hình máy điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống
phát điện sức gió

Chương 4: Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió theo phương
pháp Passivity - Based
7. Kế hoạch thực hiện
Toàn bộ nội dung của luận văn được thực hiện trong 6 tháng kể từ ngày có
quyết định. Kế hoạch thực hiện được cụ thể như sau:

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 5

Nội dung nghiên cứu

STT

Nghiên cứu tổng quan về tiềm năng ngăng lượng tái
tạo tại tỉnh Ninh Bình
Tìm hiểu về tiềm năng năng lượng gió tại tỉnh Ninh
Bình
Tìm hiểu về các hệ thống phát điện sức gió và lựa

Luận văn thạc sỹ

Thời gian Ghi
thực hiện chú
1 tháng

1 tháng

chọn loại hệ thống ứng dụng

1 tháng

Xây dựng mơ hình tốn của đối tượng điều khiển

1 tháng

Thiết kế điều khiển hệ thống phát điện sức gió

1 tháng

Hồn thiện luận văn

1 tháng

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 6

Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN THỰC TRẠNG SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG
TÁI TẠO TẠI TỈNH NINH BÌNH
1.1. Sự phát triển của phụ tải, định hướng phát triển quy hoạch điện
tỉnh Ninh Bình
Ninh Bình được biết đến là một tỉnh phát triển tiềm năng du lịch rất lớn,

bên cạnh đó thì Ninh Bình cũng được biết đến các sản phẩm công nghiệp chủ
lực truyền thống (như: xi măng, clanhke, sắt thép,...), ngồi những ngành cơng
nghiệp truyền thống và mũi nhọn, những năm gần đây tỉnh Ninh Bình cịn tập
trung xúc tiến, thu hút kêu gọi đầu tư phát triển các ngành công nghiệp phụ trợ,
ngành công nghệ cao, như: sản xuất linh kiện điện tử, sản xuất lắp ráp ô tô, công
nghiệp phụ trợ... Cùng với quy hoạch, phát triển nhanh của các thành phố và các
huyện thị thì việc quy hoạch điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải của tỉnh luôn được
quan tâm hàng đầu.
( Theo báo cáo tổng kết hàng năm của Điện lực Ninh Bình)
Năm

Sản lượng điện thương phẩm
( Triệu kWh)

2016

1.890

2017

2.004,081

2018

2.258,8

2019

2.411,539

Ghi chú

Bảng 1. Sản lượng điện thương phẩm tỉnh Ninh Bình từ năm 2016 -2019
Qua bảng số liệu ta thấy rõ phụ tải của tỉnh Ninh Bình tăng trưởng phát
triển hàng năm khoảng 6-12%/năm
Về nguồn điện: Hiện nay trên địa bàn tỉnh Ninh Bình có 01 nhà máy nhiệt
điện (Công ty cổ phần Nhiệt điện Ninh Bình) Nhà máy được xây dựng trong
những năm đầu của thập kỷ 70, với 4 tổ máy, tổng công suất là 100 MW. (Với
năm 2019 sản lượng điện với công suất tối đa của nhà máy sản xuất đạt: 645,304
triệu kWh, chưa tính tổn thất, theo đó mới đáp ứng khoảng 1/4 nhu phụ tải của
tỉnh). Nguồn điện còn lại cung cấp chính cho tỉnh Ninh Bình lấy từ 2 nhà máy
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 7

Luận văn thạc sỹ

thủy điện lớn của Việt Nam là Nhà máy thủy điện Hịa Bình và Nhà máy thủy
điện Sơn La thông qua trạm biến áp 500kV Nho Quan và các trạm biến áp
110/220kV đặt trên địa bàn tỉnh
Về số lượng trạm biến áp ( TBA) và dung lượng máy biến áp ( MBA) như
sau: Hiện nay trên địa bàn tỉnh có 01 trạm biến áp 500kV với công suất (Với
dung lượng MBA 500kV là: 1500 MVA); 01 trạm biến áp 220kV ( tổng dung
lượng MBA 220kV là 500MVA) và 15 trạm biến áp 110kV với 27 máy biến áp
110kV ( Tổng công suất đặt các trạm 110kV là 812,5MVA).
Về quy hoạch phát triển điện lực tỉnh Ninh Bình giai đoạn 2016-2025 có
xét đến 2035: Các hạng mục đường dây và trạm biến áp trong Quy hoạch phát
triển lưới điện sẽ được thực hiện theo các giai đoạn cụ thể. Đối với trạm biến áp,

giai đoạn 2016-2020, xây dựng mới 01 và mở rộng quy mô 01 trạm biến áp
220/110kV, xây dựng mới 08 và nâng cấp 06 trạm biến áp 110kV. Giai đoạn
2021-2025, xây mới 01 và cải tạo, mở rộng 01 trạm biến áp 220/110kV; xây
dựng mới 04 và cải tạo, mở rộng nâng quy mô công suất 06 trạm biến áp 110kV.
Giai đoạn 2026-2030, cải tạo 01 trạm biến áp 220/110kV; xây dựng mới 04 và
cải tạo, mở rộng nâng quy mô công suất 11 trạm biến áp 110kV. Giai đoạn
2031-2035, cải tạo và mở rộng 03 trạm biến áp 220/110kV; xây dựng mới 02 và
cải tạo, mở rộng nâng quy mô công suất 15 trạm biến áp 110kV đồng thời xây
dựng mới hơn 1.705 trạm biến áp lưới điện trung thế, cải tạo, nâng công suất
1.534 trạm biến áp lưới điện trung thế.
Đối với phát triển năng lượng tái tạo sẽ xây dựng 01 nhà máy nhiệt điện tận
dụng nhiệt khí thải của các nhà máy xi măng với tổng công suất lắp đặt 10 MW,
01 nhà máy sinh khối quy mô 6 MW.
(Theo Quyết định số 1235/QĐ-BCT của Bộ Công thương về việc phê duyệt
Quy hoạch phát triển điện lực tỉnh Ninh Bình giai đoạn 2016-2025 có xét đến
2035; Nguồn ).
1.2. Thực trạng nguồn năng lượng tái tạo đang sử dụng tại khu vực
tỉnh Ninh Bình
1.2.1. Năng lượng mặt trời
Tiềm năng năng lượng mặt trời có thể khai thác được căn cứ vào bức xạ
mặt trời. Việt Nam là khu vực có bức xạ mặt trời hàng năm tương đối lớn và ổn
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 8

Luận văn thạc sỹ

định, đặc biệt là các khu vực Cao nguyên miền Trung, duyên hải miền Trung và

miền Nam, Đồng bằng sơng Cửu Long. Tính trung bình tồn quốc thì năng
lượng bức xạ mặt trời là 4-5kWh/m2 mỗi ngày. Theo đánh giá, những vùng có
số giờ nắng từ 1.800 giờ/năm trở lên thì được coi là có tiềm năng để khai thác sử
dụng.
Ngày 06 tháng 4 năm 2020, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định
số 13/2020/QĐ-TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt
Nam áp dụng, theo số liệu cập nhật mới nhất đến 06/2019 cho biết, hiện có 82
nhà máy điện mặt trời hòa lưới điện Quốc gia, với tổng công suất khoảng 4.464
MW.
Theo thống kê chung về số giờ nắng trên cả nước, khu vực phía Bắc có
khoảng 1.800 – 2.100 giờ nắng mỗi năm. Con số này ở các tỉnh ở phía Nam là
2.000 – 2.600 giờ nắng. Qua đó ta thấy đối với Việt Nam, tiêu chí này phù hợp
với nhiều vùng, nhất là các tỉnh phía Nam, cịn đối với các tỉnh phía Bắc trong
đó có tỉnh Ninh Bình. Cường độ bức xạ mặt trời chỉ đạt mức cao vào mùa Hè,
còn trong các tháng mùa Thu – Đông - Xuân cường độ bức xạ mặt trời thấp,
những ngày khơng có nắng thì lượng điện sản xuất sẽ giảm.
Tỉnh Ninh Bình cũng như các tỉnh thành phía Bắc cũng đang đẩy mạnh
phát triển năng lượng điện mặt trời áp mái tuy nhiên đây chỉ có quy mơ nhỏ và
quy mơ hộ gia đình, chưa khả thi với các dự án đầu tư quy mô lớn.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 9

Luận văn thạc sỹ

Hình 1.1: Biểu đồ cơng suất và phân bổ các dự án điện mặt trời
tại Việt Nam

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 10

Luận văn thạc sỹ

Hình 1.2: Minh họa chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện
năng
1.2.2. Thủy điện
Ở Việt Nam, thủy điện lâu nay vẫn được xem là nguồn năng lượng sạch,
chi phí sản xuất thấp. Ngồi mục tiêu phát điện, các nhà máy thủy điện cịn có
nhiệm vụ cắt và chống lũ cho hạ du trong mùa mưa bão, đồng thời cung cấp
nước phục vụ sản xuất và nhu cầu dân sinh trong mùa khô.
Tuy nhiên nhược điểm của thủy điện là phụ thuộc rất lớn vào thời tiết, các
dự án thủy điện thường cần có hồ chứa lớn nên chiếm rất nhiều diện tích đất đai.
Thêm nữa, một số hệ thống thủy điện đã và đang bộc lộ những ảnh hưởng không
tốt đến môi trường và co thể có khả năng gây nên một số hiện tượng thiên tai
(chưa khẳng định).
Chưa kể thực tế, tới nay, hầu hết các dự án thủy điện lớn có cơng suất trên
100 MW và các dự án có vị trí thuận lợi, chi phí đầu tư thấp đã được triển khai.
Trong thời gian tới, chỉ có thể khai thác các dự án thủy điện cơng suất nhỏ với
chi phí đầu tư cao.
Về địa hình tỉnh Ninh Bình nằm trong vùng tiếp giáp giữa vùng Đồng bằng
sơng Hồng với dải đá trầm tích phía Tây và nằm ở điểm mút của cạnh đáy tam
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình

Trang 11

Luận văn thạc sỹ

giác châu thổ sông Hồng, tiếp giáp với biển Đơng nên địa hình bao gồm 3 vùng
rõ rệt: Vùng đồi núi, vùng đồng bằng và vùng ven biển.
Tuy tỉnh có địa hình đồi núi nhưng do tính chất địa hình và dịng chảy của
các sơng, suối không ưu đãi cho việc phát triển thủy điện tại tỉnh Ninh Bình.
Nên việc khai thác nguồn thủy điện tại tỉnh gần như khơng khả quan để có thể
phát triển nguồn năng lượng này
1.2.3. Điện gió
1.2.3.1. Tìm hiểu về năng lượng gió
Cụm từ năng lượng gió có thể miêu tả là q trình gió được sử dụng để tạo
ra năng lượng cơ học hay năng lượng điện. Tua bin gió chuyển hóa năng lượng
gió thành cơ năng. Cơ năng có thể được dùng để sử dụng cho các nhiệm vụ khác
nhau như (xay hoặc nghiền ngũ cốc, bơm nước), hoặc chúng có thể được chuyển
hóa để tạo ra điện. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch, có khả năng
tái tạo.
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay. Con người đã
dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngồi ra
năng lượng gió cịn được sử dụng để tạo cơng cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các
phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ
được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng
cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ mơn cơ học
dịng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh
quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn.
Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió khơng cịn
phù hợp nữa vì chúng khơng cịn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng

hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các
nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin
gió hiện đại.
Theo Bản đồ gió tồn cầu ước tính, hơn 39% diện tích của Việt Nam có tốc
độ gió trung bình hàng năm trên 6 độ cao của trục cánh quạt tua bin (m/s) ở độ
cao 65 m và hơn 8% diện tích đất liền của Việt Nam có tốc độ gió trung bình
hàng năm trên 7 m/s. Điều này tương ứng với tiềm năng tài nguyên gió là 512
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 12

Luận văn thạc sỹ

công suất (GW) và 110 GW. Tính đến yếu tố hạn chế về sử dụng đất, ngoại trừ
các khu vực núi có độ dốc hơn 30%, các khơng gian gián đoạn có diện tích dưới
1 km² và các khu vực có khả năng tiếp cận lưới điện trong phạm vi 10 km, tiềm
năng kỹ thuật của điện gió trên bờ vào khoảng 42 GW phù hợp triển khai dự án
điện gió quy mơ lớn.

Hình 1.3: Bản đồ tài ngun gió khu vực phía Bắc của Việt Nam
Ý nghĩa của màu sắc trên bản đồ đối với các vùng thuộc miền Bắc của Việt
Nam được mô tả như sau:

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 13

Luận văn thạc sỹ

1.2.3.2. Sự phát triển Điện gió tại Việt Nam
Với mục tiêu tạo điều kiện và cơ chế tối đa cho việc phát triển năng lượng
tái tạo, đặc biệt là nguồn điện gió có tiềm năng và khả năng khai thác lớn nhất.
Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số: 37/QĐ-TTg, ngày 29/6/2011,
về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam, trong đó yêu cầu cần
thiết phải thiết lập quy hoạch phát triển điện gió cấp quốc gia và các tỉnh có tiềm
năng phát triển điện gió. Một trong các nhiệm vụ của công tác lập quy hoạch là
phải đánh giá được tiềm năng lý thuyết, tiềm năng kỹ thuật của nguồn điện gió.
Tuy nhiên, cũng như trường hợp của nhiều nước đang phát triển, việc đánh giá
tiềm năng gió với độ tin cậy cao tại Việt Nam chưa được tiến hành, mặc dù đã
có những đánh giá ban đầu của các tổ chức, đơn vị ở các mức độ khác nhau về
tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam.
Nghiên cứu của EVN về “Đánh giá tài nguyên gió cho sản xuất điện” là
nghiên cứu chính thức đầu tiên về tài nguyên năng lượng gió của Việt Nam.
Theo đó, dữ liệu gió sẽ được đo đạc cho một số điểm lựa chọn. Sau đó sẽ ngoại
suy lên thành dữ liệu gió mang tính đại diện khu vực, bằng cách lược bỏ tác
động của độ nhám bề mặt, sự che khuất do các vật thể như các tòa nhà và sự ảnh
hưởng do địa hình.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Luận văn thạc sỹ

Trang 14

Dữ liệu gió mang tính khu vực này sau đó được sử dụng để tính tốn dữ

liệu gió tại điểm khác bằng cách áp dụng quy trình tương tự, nhưng theo chiều
ngược lại. Trên cơ sở dữ liệu đó, đề án cịn xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng
(khoảng cách đấu nối với hệ thống điện, địa hình, khả năng vận chuyển thiết bị,
sự chấp nhận của cộng đồng và các vấn đề liên quan đến sử dụng đất và mơi
trường…).
Tập đồn Điện lực Quốc gia Việt Nam đã triển khai đưa vào hoạt động
thương mại ba trụ điện gió đầu tiên của dự án điện gió Đầm Nại tỉnh Ninh
Thuận; Điện gió Đầm Nại dự kiến hàng năm sẽ cung cấp 110 triệu Kwh điện
cho lưới điện quốc gia.
Mặc dù vậy, hiện Việt Nam mới đưa vào vận hành khoảng 8 dự án, tổng
công suất khoảng 377 MW cơng suất điện gió đi vào vận hành, đang xây dựng
khoảng 10 dự án, tổng công suất khoảng 1.400MW. Đây vẫn còn là con số hạn
chế so với tiềm năng, nhất là khi Chính phủ Việt Nam đã có nhiều chính sách ưu
đãi cho điện gió.
Bảng 1.2: Tiềm năng kỹ thuật năng lượng gió tại Việt Nam
STT

Miền

Tiềm năng kỹ thuật
(MW)

1

Bắc

50

2

Trung

880

3

Nam

855

Tổng cộng

1.785

Các dự án điện gió tại Việt Nam như:
+ Dự án điện gió Tuy Phong - Bình Thuận: Cơng ty Cổ phần năng lượng
tái tạo Việt Nam (REVN) phát triển với tổng mức đầu tư khoảng 1.450 tỷ đồng
và công suất 120MW bao gồm 80 tuabin điện gió 1,5MW. Giai đọan 1 đã hịan
thành vào năm 2011 với 20 tuabin hiện đang hoạt động khá tốt.
+ Dự án điện gió Bạc Liêu: Cơng ty TNHH Xây Dựng – Thương mại & Du
Lịch Công Lý phát triển với tổng mức đầu tư khoảng 5.300 tỷ đồng và cơng suất
99.2MW. Hiện nay đã hịan thành giai đoạn 1 của dự án với 10 turbin gió, cơng
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Luận văn thạc sỹ

Trang 15

suất mỗi tuabin là 1.6MW. Giai đoạn 2 đã bắt đầu khởi công vào tháng 8/2013
với tổng cộng 52 turbin gió.
+ Dự án điện gió Phú Q - Bình Thuận: Tổng cơng ty Điện lực dầu khí
Việt Nam đầu tư với cơng suất 6MW sử dụng tuabin loại 2,0MW.
+ Dự án điện gió Phương Mai: Cơng ty cổ phần Phong điện Phương Mai
đầu tư đã được chính thức khởi cơng tại Bình Định vào đầu tháng 4 năm 2012.
Công suất giai đoạn 1 là 30MW gồm 12 tuabin điện gió loại 2,5MW, cơng suất
giai đoạn 2 là 75MW và công suất giai đoạn 3 là 100 MW.
+ Dự án điện gió Phú Lạc: Cơng ty Bình Thuận Wind Power JSC đầu tư
với công suất 24MW gồm 16 tuabin 1,5MW.
+ Dự án điện gió An Phong: Cơng ty Thuận Phong Energy Development
JSC đầu tư với tổng công suất 180MW

a)

b)

Hình 1.4: Hình ảnh một số hệ thống điện gió tại Việt Nam
a) Điện gió Bạc Liêu; b) Điện gió Bình Thuận
1.2.3.3. Tiềm năng phát triển điện gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình
Tỉnh Ninh Bình có khí hậu nhiệt đới, gió mùa. Thời tiết hàng năm chia làm
4 mùa rõ rệt là Xuân, Hạ, Thu, Đông.
Tốc độ gió, hướng gió thu thập được hàng năm ( 2010- 2015) tại khu vực
ven biển tỉnh Ninh Bình ta có số liệu tổng hợp từng tháng như sau:
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 16

Luận văn thạc sỹ

- Tháng 1: Gió thịnh hành là Đơng đến Đơng bắc. Tốc độ gió trung bình
cấp 2 (2,0m/s), tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 3 (3,0m/s). Tốc độ gió
mạnh nhất đạt cấp 7 (14m/s)
- Tháng 2: Gió thịnh hành là Đơng. Tốc độ gió trung bình cấp 2 (2,6m/s),
tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 3 (3,5m/s). Tốc độ gió mạnh nhất đạt cấp 5
(10m/s)
- Tháng 3: Gió thịnh hành là Đơng. Tốc độ gió trung bình cấp 2 (2,9m/s),
tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 3 (3,7m/s). Tốc độ gió mạnh nhất đạt cấp 5
(10m/s)
- Tháng 4: Gió thịnh hành là Đơng. Tốc độ gió trung bình cấp 2 (3,2m/s),
tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 3 (3,7m/s). Tốc độ gió mạnh nhất đạt cấp 5
(10m/s)
- Tháng 5: Gió thịnh hành là Đơng và Đơng nam. Tốc độ gió trung bình cấp
3 (3,6) m/s, tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 3 (3,7m/s). Tốc độ gió mạnh
nhất đạt cấp 6 (13 m/s)
- Tháng 6: Gió thịnh hành là Nam. Tốc độ gió trung bình cấp 3 (3,4) m/s,
tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 3 (4,7m/s). Tốc độ gió mạnh nhất đạt cấp 7
(15m/s)
- Tháng 7: Gió thịnh hành là Đông nam và Nam đông nam. Tốc độ gió
trung bình cấp 3 (4,0) m/s, tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 4 (5,6m/s). Tốc
độ gió mạnh nhất đạt cấp 7 (15m/s)
- Tháng 8: Gió thịnh hành là Đơng nam và Nam đơng nam. Tốc độ gió
trung bình cấp 2 (2,5) m/s, tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 3 (4,0m/s). Tốc
độ gió mạnh nhất đạt cấp 6 (13m/s)
- Tháng 9: Gió thịnh hành là Đơng, đơng nam. Tốc độ gió trung bình cấp 2
(2,4) m/s, tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 2 (3,3m/s). Tốc độ gió mạnh nhất
đạt cấp 7 (17m/s)
- Tháng 10: Gió thịnh hành là Đơng, Đơng bắc. Tốc độ gió trung bình cấp 2

(2,3) m/s, tốc độ gió thịnh hành trung bình cấp 2 (3,0m/s). Tốc độ gió mạnh nhất
đạt cấp 7 (14m/s)

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 17

Luận văn thạc sỹ

- Tháng 11: Hướng gió thịnh hành là Đơng. Tốc độ gió trung bình đạt
2,3m/s, tốc độ gió thịnh hành trung bình đạt 2,8m/s. Tốc độ gió mạnh nhất đạt
cấp 5 (8 m/s).
- Tháng 12: Gió thịnh hành là Bắc và Bắc đông bắc. Tốc độ gió trung bình
đạt cấp 2 (2,3m/s), tốc độ gió thịnh hành trung bình đạt cấp 2 (2,5m/s). Tốc độ
gió mạnh nhất đạt cấp 6 (12 m/s).
Bảng 1.3: Bảng số liệu tốc độ gió trong năm tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình
Tốc độ gió trung bình
(m/s)

Tốc độ gió mạnh nhất
(m/s)

1

3

14

2

3.5

10

3

3.7

10

4

3.7

10

5

3.7

13

6

4.7

15

7

5.6

15

8

4

13

9

3.3

17

10

3

14

11

2.8

8

12

2.5

12

Tháng

(Nguồn: Báo cáo tổng hợp thời tiết trên biển khu vực tỉnh Ninh Bình của
đài khí tượng thủy văn Ninh Bình)
Qua bảng số liệu gió ta thấy tốc độ gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình
với tốc độ gió trung bình cả năm gần 4 m/s ( Với các trạm phát điện dùng sức
gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s tùy theo từng loại máy phát điện).
Tuy tốc độ gió trung bình tính cả năm không đạt hiệu suất tối đa nhưng đặc biệt
đối với các tháng cao điểm nắng nóng vào mùa hè thì với tốc độ gió lớn nhất thì
cơng suất của các tua bin sẽ đạt mức tốt nhất cung cấp một phần điện năng cho
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 18

Luận văn thạc sỹ

nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của tỉnh, làm giảm áp lực cung cấp điện cho các
nhà máy nhiệt điện, thủy điện.
Cùng với các chính sách hỗ trợ phát triển các nguồn năng lượng sạch của
Chỉnh phủ, các sở ban ngành chức năng tỉnh cũng đang thực hiện đánh giá lại
thực trạng phát triển nguồn điện gồm nhiệt điện, điện gió, điện mặt trời, điện
sinh khối; đánh giá tiềm năng phát triển điện trên địa bàn tỉnh đến năm 2030,

định hướng đến năm 2045. Từ đó, tích hợp vào Quy hoạch tỉnh Ninh Bình thời
kỳ 2021- 2030 và Quy hoạch điện VIII của quốc gia. Việc quy hoạch, ưu tiên
phát năng lượng tái tạo, năng lượng sạch mà Ninh Bình tạo điều kiện thuận lợi
để huy động vốn từ các thành phần kinh tế, khai thác lợi thế so sánh về tài
nguyên gió, đất đai. Từ đó, góp phần đầu tư phát triển ngành cơng nghiệp điện
gió, tăng thêm nguồn điện góp phần bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia...
1.3. Kết luận chương 1
Sự phát triển năng lượng sạch (năng lượng tái tạo) nói chung và năng lượng
gió nói riêng được đánh giá là nguồn năng lượng thân thiện với mơi trường và ít
gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội, năng lượng gió giúp phân tán rủi ro và tăng
cường an ninh năng lượng.
Từ việc tìm hiểu về tiềm năng gió trên địa bàn ven biển tỉnh Ninh Bình cho
thấy sức gió cả bốn mùa khơng chênh lệch nhau nhiều, vì vậy nếu sử năng lượng
gió để phát điện thì nguồn năng lượng này khá ổn định và sẽ góp phần cải tạo
mơi trường. Vì vậy đề tài sẽ nghiên cứu một phần trong cấu trúc tổng thể của hệ
thống phát điện sức gió để góp phần vào việc phát triển loại hình năng lượng
này trên địa bàn tỉnh Ninh Bình.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 19

Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 2
LỰA CHỌN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ ỨNG DỤNG VÀO
VÙNG VEN BIỂN TỈNH NINH BÌNH
2.1. Khái qt về hệ thống năng lượng gió và lựa chọn đối tượng điều khiển

Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các turbine gió trong
việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind
farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được
xây dựng trên đất liền, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình
2.1. Tổng cơng suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng trăm MW.
Do đặc thù thời tiết ở Việt nam làm cho lưới điện dễ mất ổn định, dễ xẩy ra sự
cố nên đề tài quan tâm nhiều đến xây dựng thuật toán điều khiển đảm bảo công
suất phát ra của hệ thống được lớn nhất, bám lưới khi xảy ra sự cố.

Hình 2.1: Hình ảnh một hệ thống điện gió trên biển (Wind farm)
Hiện nay các nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MF) điện
sức gió với 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có
những ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mơ
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Luận văn thạc sỹ

Trang 20

men xoắn lớn nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí
thấp và có tốc độ gió nhỏ dẫn đến thường có cơng suất vừa và nhỏ. Với turbine
kiểu trục ngang sẽ khắc phục được nhược điểm trên của turbine trục đứng nhưng
nhược điểm là chi phí xây dựng lắp đặt cao. Chính vì vậy tùy vào điều kiện thực
tế mà người ta lựa chọn kiểu turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp.
Đã có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện
sức gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại
máy phát điện sức gió hiện nay như hình 2.2.
Hệ thống

phát điện sức gió

Máy phát một chiều

Máy phát xoay chiều

Máy phát xoay chiều 1 pha

Máy phát đồng bộ kích
thích vĩnh cửu (hình 1.3)

Máy phát khơng
đồng bộ 3 pha
rotor lồng sóc
(hình 2.3)

Máy phát xoay chiều 3 pha

Máy phát không
đồng bộ

Máy phát không đồng
bộ 3 pha nguồn kép
(hình 2.4)

Hình 2.2: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tế
Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha
kích thích vĩnh cửu và khơng đồng bộ 3 pha rotor lịng sóc như hình 3.3.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình

Trang 21

Luận văn thạc sỹ

Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát khơng đồng
bộ 3 pha nguồn kép như hình 2.4.

Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện khơng đồng bộ 3 pha
nguồn kép (MDBNK) đang được quan tâm nghiên cứu vì một số những đặc
điểm sau:

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 22

Luận văn thạc sỹ

- Từ hình 2.4 cho thấy thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế
bằng 1/3 cơng suất tồn bộ máy điện như vậy sẽ hạ được giá thành chỉ còn 1/3
so với các loại máy điện khác [13].
- Có ý nghĩa về mặt khoa học vì nó khó điều khiển.
- Ngồi ra MDBNK có thể hoạt động với dải tốc độ trong phạm vi khá
rộng cỡ  30% tốc độ đồng bộ, cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió
vốn hay thay đổi trong phạm vi rộng. Tuy nhiên cần lưu ý khi hệ thống làm việc
không được để xảy ra MDBNK chạy ở tốc độ đồng bộ bằng cách điều khiển
cánh turbine làm lệch tốc độ đồng bộ (vì nếu làm việc ở chế độ đồng bộ các đại

lượng dịng, áp trong rotor lúc đó trở thành đại lượng 1 chiều sẽ gây nguy hiểm
phá hỏng thiết bị). Nguyên lý hoạt động của MDBNK được mô tả trên sơ đồ
hình 1.5 [3], [13].

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 23

Luận văn thạc sỹ

Với ý nghĩa về mặt khoa học và kinh tế, kỹ thuật như trên, hiện nay đã có
nhiều nghiên cứu đưa ra các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện
sức gió sử dụng MDBNK với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến,
được thể hiện như hình 2.6.

Từ hình 2.6 cho thấy, có rất nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên
cứu để điều khiển máy phát điện sức gió dùng máy điện khơng đồng bộ ba pha
nguồn kép. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Qua tìm hiểu về các hệ thống phát điện sức gió sử dụng các loại máy phát
khác nhau, có thể thấy máy điện khơng đồng bộ 3 pha nguồn kép có một số ưu
thế, đặc biệt là công suất thiết bị biến đổi là nhỏ nhất (chỉ cỡ 1/3 công suất của
máy phát). Với lý do đó, tác giả quyết định lựa chọn hệ thống hệ thống phát điện
sức gió dùng MDBNK để thiết kế điều khiển.
2.2. Nguyên lý điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng
MDBNK
Hiện nay nguyên lý điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng
MDBNK, có hai loại: Hệ thống sử dụng Crowbar (hình 2.7) và hệ thống sử dụng
stator switch (hình 2.8):

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 24

Luận văn thạc sỹ

Hình 2.7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng Crowbar

Hình 2.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình


Trang 25

Luận văn thạc sỹ

Các hệ thống này được điều khiển dựa trên các điều khiển thành phần:
- Điều khiển turbine.
- Điều khiển vector.
- Điều khiển crowbar hoặc stator switch.
2.2.1. Điều khiển turbine
- Cơng suất của turbine gió
Cơng suất của turbine gió được tính theo cơng thức [7], [12], [17], [18]:
1
3
Ptb  tb Rcg2 vgm

Ctb
2

(2.1)

Trong đó:

tb là mật độ khơng khí (kg/m3);
Rcg là bán kính của cánh gió (m);
vgm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s);
Ctb là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hình học của turbine gió và được xác
định theo biểu thức:
Ctb  f (  p ,tb )

(2.2)

Với p là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của
cánh gió và được gọi là góc pitch, tb là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc
quay của turbine tb và tốc độ gió vgm:

tb 

tb( t ) Rcg
vgm( t )

(2.3)

Cần lưu ý, theo tài liệu số [12] thì giá trị cực đại của Ctb là 0,593 và còn
được gọi là giới hạn Betz.
Các công thức (2.1), (2.2) và (2.3) cho thấy cơng suất turbine gió phụ thuộc

vào cấu trúc của turbine gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của
turbine. Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước
thì cơng suất của một turbine gió cịn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa.
- Phương pháp điều khiển
Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì
cơng suất được biến đổi từ năng lượng gió thành cơng suất cơ trên trục của
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió
tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình