Tài liệu Ứng dụng phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural điều khiển máy phát điện gió DFIG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

---------------------------

NGUYỄN NGỌC ĐỨC

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
FUZZY-NEURAL
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

---------------------------

NGUYỄN NGỌC ĐỨC

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
FUZZY-NEURAL
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM,
ngày 04 tháng 03 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
STT
Họ Và Tên
Chức danh hội đồng
1
TS. Nguyễn Hùng
Chủ tịch
2
PGS.TS. Trương Việt Anh
Phản biện 1
3
TS. Đinh Hoàng Bách
Phản biện 2
4
PGS.TS. Lê Chí Kiên
Ủy viên

5
TS. Đồn Thị Bằng
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH - ĐTSĐH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày..… tháng ….. năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC ĐỨC

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/07/1990

Nơi sinh:Ninh Thuận

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1441830005

I- TÊN ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

FUZZY-NEURAL ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tổng quan năng lượng gió và máy phát điện.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural
Xây dựng mơ hình tốn máy phát khơng đồng bộ nguồn kép DFIG.
Thiết kế bộ Fuzzy-Neural điều khiển máy phát điện DFIG.
Mơ hình và kết quả mơ phỏng dùng bộ Fuzzy-Neural điều khiển
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Tháng 08 năm 2015
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 1 năm 2016
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Ngọc Đức

ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời học tập và nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động
viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy hướng dẫn TS. Trương Đình Nhơn,
luận văn với đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural điều khiển
máy phát điện gió DFIG ” đã hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS.
Trương Đình Nhơn đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học
Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng
như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Đức


iii

TĨM TẮT
Nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện tồn cầu đang tăng lên và có sự gia tăng ổn
định. Ngồi các nguồn sản xuất điện thơng thường, thì một lượng lớn nguồn phát
điện từ năng lượng tái tạo được tích hợp vào hệ thống điện. Hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió (WECS) có chi phí cạnh tranh, và là nguồn năng lượng tái tạo sạch
và an tồn với mơi trường nhất trên thế giới. Máy phát điện cảm ứng nguồn kép
(DFIG) ngày này được sử dụng rộng rãi. Luận văn này trình bày và phân tích phản

ứng động của trang trại gió DFIG dựa trên việc điều khiển các lỗi từ xa sử dụng bộ
điều khiển Fuzzy-Neural. Mục đích luận văn là phân tích các phản ứng động của
trang trại gió DFIG trong và sau khi xử lý lỗi sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-Neural
như đã đề xuất. Khảo sát sự ổn định của trang trại gió trong và sau khi xử lý các lỗi.
Tính hiệu quả của bộ điều khiển Fuzzy-Neural sau đó được so sánh với một bộ điều
khiển PI. Giá trị của các bộ điều khiển trong việc xử lý các lỗi và khôi phục hệ
thống hoạt động bình thường sau khi xử lý các lỗi được minh họa bằng các kết quả
mô phỏng thực hiện trên Simulink của phần mềm Matlab.


iv

ABSTRACT
The global electrical energy consumption is rising and there is steady increase
of the demand on power generation. In addition to conventional power generation
units a large number of renewable energy units are being integrated into the power
system. The Wind Energy Conversion system (WECS) is the most cost competitive
of all the environmentally clean and safe renewable energy sources in world.
Doubly fed induction generator (DFIG) based wind farm is today the most widely
used concept. This paper presents the dynamic response analysis of DFIG based
wind farm under remote fault condition using the Fuzzy-Neural controllers. The
goal of the work is to analyze the dynamic response of DFIG based wind farm
during and after the clearance of fault using the proposed Fuzzy-Neural controller.
The stability of wind farm during and after the clearance of fault is investigated.
The effectiveness of the Fuzzy-Neural controller is then compared with that of a PI
controller. The validity of the controllers in restoring the wind farms normal
operation after the clearance of fault is illustrated by the simulation results which
are carried out using MATLAB/SIMULINK.

v

MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................. i
Lời cảm ơn ................................................................................................................ii
Tóm tắt ................................................................................................................... iii
Mục lục ..................................................................................................................... v
Danh mục các từ viết tắt ....................................................................................... viii
Danh mục các bảng .................................................................................................. ix
Danh mục các hình ................................................................................................... x
Chương 0: Mở Đầu ................................................................................................. 1
0.1. Lý do chọn đề tài ........

1

0.2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 1
0.3. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 1
0.4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của để tài .................................................. 1
0.4.1 Ý nghĩa khoa học .......................................................................................... 1
0.4.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................ 2
Chương 1: Tổng Quan Về Năng Lượng Gió Và Máy Phát Điện Sức Gió ........... 3
1.1.

Đơi nét về lịch sử nghiên cứu và phát triển của máy phát điện sức gió .......... 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của máy phát điện chạy bằng sức gió ............................... 3
1.1.2 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió ................................. 6
1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió) ........................... 7
1.2 Năng lượng gió và thiết bị biến đổi năng lượng gió – Turbin gió........................ 9
1.2.1 Turbin gió ...................................................................................................... 9

1.2.2 Máy phát điện trong Turbin gió ................................................................... 12
1.2.3 Gió và Năng lượng....................................................................................... 12
1.3

Kết luận chương 1 ........................................................................................... 16


vi

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Của Phương Pháp Điều Khiển Fuzzy-Neural .... 17
2.1. Sự kết hợp giữa Logic Mờ và Mạng Neural ...................................................... 17
2.1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 17
2.1.2 Kết hợp điều khiển Fuzzy và Mạng Neural ................................................... 19
2.1.2.1 Cấu trúc chung của hệ Fuzzy-Neural ........................................................ 19
2.1.2.2 Biểu diễn luật If-Then theo cấu trúc mạng Neural .................................... 20
2.2 Fuzzy-Neural ....................................................................................................... 24
2.3 Huấn luyện mạng Fuzzy-Neural ......................................................................... 25
2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 30
Chương 3: Ứng dụng bộ điều khiển Fuzzy-Neural trong máy phát điện DFIG ...
................................................................................................................................ 31
3.1 Máy điện cảm ứng kích từ nguồn kép ................................................................. 31
3.1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 31
3.1.2 Vector không gian và các phép biến đổi ....................................................... 32
3.1.3 Biểu diễn công suất theo Vector không gian ................................................. 33
3.1.4Mối liên hệ giữa các hệ trục abc; dq và αβ ................................................... 34
3.1.5 Mơ hình tốn của máy phát điện gió DFIG ................................................... 37
3.1.6 Mơ hình tốn DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ .......................................... 39
3.1.7 Mơ hình tốn DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq .................................... 40
3.2 Ứng dụng phương pháp Fuzzy-Neural để điều chỉnh bộ biến đổi công suất...... 42
3.2.1 Điều khiển Rotor-Side Converter(RSC) ........................................................ 44

3.2.2 Điều khiển Grid-Side Converter(GSC) ......................................................... 46
3.3 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 48
Chương 4: Xây dựng mơ hình mơ phỏng và Nhận xét ........................................ 49
4.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng.............................................................................. 49
4.1.1 Mơ hình tồn hệ thống ................................................................................... 49


vii

4.1.2 Mơ hình điều khiển Rotor (RSC) .................................................................. 50
4.1.3 Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy-Neural ......................................................... 51
4.1.4 Xây dựng tập dữ liệu huấn luyện................................................................... 51
4.1.5 Cấu trúc hệ Fuzzy-Neural .............................................................................. 52
4.1.6 Huấn luyện bộ điều khiển Fuzzy-Neural ....................................................... 53
4.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 54
4.3 Nhận xét .............................................................................................................. 57
Kết luận và các đề xuất ........................................................................................... 60
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 61


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Vas,Vbs, Vcs : Điện áp 3 pha a,b,c của stator
Var,Vbr, Vcr :

Điện áp 3 pha a,b,c của rotor

Vαs,Vβs

: 2 thành phần điện áp của stator trong hệ tọa độ αβ

Vαr,Vβr

: 2 thành phần điện áp của rotor trong hệ tọa độ αβ

Vdr,Vqr

: 2 thành phần điện áp của rotor trong hệ tọa độ dq

Vds,Vqs

: 2 thành phần điện áp của stator trong hệ tọa độ dq

ias,ibs, ics

:

Dòng điện áp 3 pha a, b, c của stator

iar,ibr, icr

:

Dòng điện áp 3 pha a, b, c của rotor

iαs,iβs

:

2 thành phần dòng điện của stator trong hệ tọa độ αβ

iαr,iβr

:

2 thành phần dòng điện của rotor trong hệ tọa độ αβ

idr,iqr

:

2 thành phần dòng điện của rotor trong hệ tọa độ dq

ids,iqs

: 2 thành phần dòng điện của stator trong hệ tọa độ dq

ψas, ψbs, ψcs : Từ thông 3 pha a,b,c của stator
ψαs, ψβs

: 2 thành phần từ thông của stator trong hệ tọa độ αβ

ψαr, ψβr

:

2 thành phần từ thông của rotor trong hệ tọa độ αβ

ψdr, ψqr

:

2 thành phần dòng điện của rotor trong hệ tọa độ dq

ψds, ψqs

:

2 thành phần dòng điện của stator trong hệ tọa độ dq

Ps, Qs

:

Công suất phản kháng và cơng suất tác dụng

Tm, Te

:

Mơ men cơ và điện

β

:

Góc Pitch

λ

:

Góc picht

σ

:

Tip speed Ratio

ρ

:

Số cập cức

Cp

:

Hệ số hiệu suất của rotor

θr,θs

:

Góc vị trí của stator va rotor

Js

:

Mơ men qn tính hay hệ số trượt


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Bảng so sánh Fuzzy và Neural .................................................................. 18


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1Mơ hình cánh quạt gió tại Trung Mỹ cuối thể kỷ 19 .................................... 3
Hình 1.2Mơ hình cối xây gió xuất hiện sau TK 13 ..................................................... 4
Hình 1.3Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm
1800. ............................................................................................................................ 4
Hình 1.4Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo ..................................... .5
Hình 1.5Máy phát Gedser, cơng suất 200 kw. ............................................................ 6
Hình 1.6H-Rotor. ........................................................................................................ 9
Hình 1.7Tuabin gió với tốc độ gió cố định. .............................................................. 10
Hình 1.8 Tuabin gió với tốc độ gió thay đổi có bộ biến đổi nối trực
tiếp giữa stator và rotor. .......................................................................... 11
Hình 1.9 Tuabin gió với tốc độ thay đổi sử dụng máy phát
khơng đồng bộ nguồn kép DFIG. ............................................................ 11
Hình 1.10 Đường cong biểu diễn quan hệ giữ Cp và 
Hình 1.11 Hàm xác xuất phân bố cho Rayleigh với tốc độ gió
trung bình 7 m/s. ...................................................................................... 14

Hình 1.12 Đường cong cơng suất của Turbin gió 50 kV điều khiển
theo tốc độ gió. ....................................................................................... 15
Hình 2.1 Mơ hình hệ Fuzzy-Neural. ....................................................................... 18
Hình 2.2 Cấu trúc chung của hệ Fuzzy-Neural. ..................................................... 19
Hình 2.3 Rời rạc hóa hàm liên thuộc. ..................................................................... 22
Hình 2.4 Hàm liên thuộc các tập mờ vào và ra. ..................................................... 22
Hình 2.5 Mạng Neural. ........................................................................................... 24
Hình 2.6 Neural-Fuzzy AND .................................................................................. 25
Hình 2.7 Neural-Fuzzy OR ..................................................................................... 25
Hình 3.1 Cấu trúc máy phát điện khơng đồng bộ nguồn kép. ................................ 32
Hình 3.2 Ngun lý vector khơng gian. .................................................................. 32
Hình 3.3 Mối liên hệ giữ trục tọa độ abc,αβ ........................................................... 35
Hình 3.4 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc,dq. ........................................................ 36


xi

Hình 3.5 Mối liên hệ giữa trục tọa độ αβ,dq........................................................... 37
Hình 3.6 Cấu hình kết nối Stator và Rotor, Y-Y. ................................................... 37
Hình 3.7 Sơ đồ tương đương RL của stator và Rotor. ............................................ 38
Hình 3.8 Mạch điện tương đươn mơ hình DFIG trong hệ trục αβ. ........................ 39
Hình 3.9 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ
trong hệ trục quay dq. ............................................................................. 40
Hình 3.10 Hệ thống Turbin gió và máy phát điện cảm ứng kép. ............................. 42
Hình 3.11 Dịng cơng suất trong Turbin gió DFIG. ................................................. 43
Hình 3.12 Sơ đồ khối điều khiển cho Rotor side control (RSC)
của turbin DFIG học. .............................................................................. 45
Hình 3.13 Sơ đồ khối điều khiển cho RSC với hệ thống
suy diễn Fuzzy-Neural. ........................................................................... 46
Hình 3.14 Sơ đồ khối điều khiển cho Grid side control (GSC) của

turbin DFIG học. ...................................................................................... 47
Hình 3.15 Sơ đồ khối điều khiển cho GSC với hệ thống
suy diễn Fuzzy-Neural. ........................................................................... 47
Hình 4.1 Mơ hình tồn hệ thống với tốc độ gió thay đổi........................................ 49
Hình 4.2 Mơ hình điều khiển phía Rotor sử dụng PI. ............................................ 50
Hình 4.3 Mơ hình điều khiển phía Rotor sử dụng Fuzzy-Neural. .......................... 51
Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-Neural. ........................................... 52
Hình 4.5 Hàm liên thuộc đầu vào của bộ điều khiển Fuzzy-Neural
sau khi huấn luyên. .................................................................................. 53
Hình 4.6 Dữ liệu vào ra của ANFIS sau huấn luyện. ............................................. 53
Hình 4.7 Phản ứng quá độ của hệ thống Fuzzy-Neural so với
PI dưới sự sụt điện áp trên lưới 120 KW t = 1s. ...................................... 54
Hình 4.8 Phản ứng quá độ của hệ thống Fuzzy-Neural so với
PI dưới sự cố ngắn mạch 3 pha tại thời điểm t = 1s. ............................... 58


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chon đề tài
Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, vị trí địa lý đặc trưng, phía đơng là bờ
biển kéo dài trên 3000 km, phía tây là dãy Trường Sơn đồi núi cao. Với vị trí địa lý
như vậy đã gây khơng ít khó khăn cho việc phát triển kinh tế, tuy nhiên bên cạnh đó
mang lại nhiều thuận lợi cho việc phát triển thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng
gió. Nên việc xây dựng hệ thống năng lượng gió là một đáp án khả thi cho việc khủng
hoảng năng lượng trong tương lai. Do đó việc nghiên cứu năng lượng gió là một biện
pháp rất cần thiết nhằm ngày càng hồn thiện hơn việc chuyển đổi năng lượng gió
thành năng lượng điện.
Việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống máy phát điện gió theo phương pháp kinh
điển phụ thuộc vào mơ hình tốn học của hệ. Do việc xây dựng mơ hình tốn học chính

xác của hệ thống rất khó khi khơng biết trước sự thay đổi của cơng suất gió, thơng số
của hệ thống,… với thơng tin đầu vào của hệ thống điều khiển là đại lượng phi tuyến
(khơng rõ ràng). Để đơn giản hóa cho việc điều khiển, hệ thống làm việc ổn định, tính
bền vững cao, trong khuôn khổ luận văn tác giả nghiên cứu đề tài:
“Ứng Dụng Phƣơng Pháp Điều Khiển Fuzzy-Neural
Điều Khiển Máy Phát Điện Gió DFIG”.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ điều khiển Fuzzy-Neural và ứng dụng chúng
để điều khiển máy phát điện DFIG trong turbin gió nhằm mục đích nâng cao hiệu suất.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Điều khiển máy phát điện gió DFIG theo phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural.
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học
Hệ thống Fuzzy-Neural đang được nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ
thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Việc kết hợp giữa phươn pháp Neural


2

và phương pháp Fuzzy đem lại khả năng tuyệt vời cho sự linh hoạt và học theo thao tác
của con người. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các
đối tượng phi tuyến.
Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của Fuzzy-Neural tron việc điều khiển đối
tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển máy phát điện gió DFIG.
 Ý nghĩa thực tiễn
Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm giá
thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch ở hiện
tại và trong tương lai. Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì cần phải
có các thiết bị chuyển đổi với các bộ điều khiển hợp lý.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu bộ điều khiển Fuzzy-Neural và ứng dụng chúng để

điều khiển máy phát điện DFIG trong turbin gió nhằm mục đích nâng cao hiệu suất.


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN
SỨC GIĨ
1.1

Đơi Nét Về Lịch Sử Nghiên Cứu Và Phát Triển Của Máy Phát Điện

Sức Gió
1.1.1 Lịch sử phát triển của máy phát điện chạy bằng sức gió.
Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người
phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió.
Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió
được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do
các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện.
Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của
năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp
các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con
thuyền đi xa. Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của
chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các
cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mơ hình cánh gió
được lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón
gió quay theo trục đứng.

Hình 1.1 Mơ hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19

4

Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây
Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn
mơ hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực
nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng
lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mơ hình thiết kế từ
những năm 500 - 900 tại Ba Tư.

Hình 1.2 Mơ hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13
Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió
càng ngày được hồn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực
ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các
thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện
của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người
đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước.

Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm
1800


5

Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu
tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm:
* Cánh được ghép thành xuyến trịn, đường kính vịng ngồi 17m;
* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát;
* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vịng/phút;
* Cơng suất phát định mức là 12kW.

Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo
Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy
nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể. Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul La
Cour năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng
sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng
sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng
nhiên liệu hố thạch. Mặc dù gặp khó khăn do khơng có thị trường, những thế hệ máy
phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt.
Ví dụ như các máy phát cơng suất từ 1 đến 3 kW được lắp đặt tại vùng nông
thôn của Đồng bằng lớn, Mỹ, vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công
suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp
đặt tại đảo Gedser, đông nam Đan Mạch.


6

Sự phát triển của máy phát điện chạy sức gió trong thời kỳ này có đặc điểm sau:

Hình 1.5 Máy phát Gedser,cơng suất 200kW
- Ít về số lượng, lắp đặt rải rác nhưng tập trung chủ yếu ở Mỹ, các nước Tây Âu
như Đan Mạch, Đức, Pháp, Anh, Hà Lan;
- Công suất máy phát thấp chủ yếu nằm ở mức vài chục kW.
1.1.2

Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió

Các máy phát điện sử dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu,
Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới về công
nghệ điện sử dụng sức gió (điện gió).

Tới nay đa số vẫn là các máy phát điện tuabin gió trục ngang, gồm một máy phát
điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, liên hệ với một tuabin 3
cánh đón gió. Máy phát điện được đặt trên một tháp cao hình côn. Trạm phát điện
kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng
rất thanh nhã và hiện đại.
Các máy phát điện tuabin gió trục đứng gồm một máy phát điện có trục quay thẳng
đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Loại này có thể
hoạt động bình đẳng với mọi hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản,
các bộ phận đều có kích thước khơng q lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ
bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện từ vài năm gần đây nhưng
đã được nhiều nơi quan tâm và sử dụng.
Hiện có các loại máy phát điện dùng sức gió với công suất rất khác nhau, từ 1 kW
tới hàng chục ngàn kW. Các trạm phát điện này có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có


7

thể nối với mạng điện quốc gia. Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc- quy và bộ
đổi điện. Khi dùng khơng hết, điện được tích trữ vào ắc-quy. Khi khơng có gió sẽ sử
dụng điện phát ra từ ắc-quy. Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì khơng cần bộ
nạp và ắc-quy.
Các trạm phát điện dùng sức gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11
km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió
hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng loại máy phát điện.
1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện.
Ưu điểm dễ thấy nhất của điện gió là khơng tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng được
nguồn năng lượng vơ tận là gió, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt
điện, không làm thay đổi môi trường và sinh thái như nhà máy thủy điện, khơng có nguy
cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanhnhư nhà máy điện
hạt nhân, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với các nhà máy thủy

điện chỉ có thể xây dựng gần dịng nước mạnh với những điều kiện đặc biệt và cần diện
tích rất lớn cho hồ chứa nước.
Các trạm điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí
cho việc xây dựng đường dây tải điện.
Trước đây, khi cơng nghệ phong điện cịn ít được ứng dụng, việc xây dựng một
trạm điện gió rất tốn kém, chi phí cho thiết bị và xây lắp đều rất đắt nên chỉ được áp
dụng trong một số trường hợp thật cần thiết. Ngày nay điện gió 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 gió hiện nay chỉ bằng ¼ so với năm 1986.
Các trạm điện gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với
những giải pháp rất linh hoạt và phong phú:
- Các trạm điện gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ
biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận
chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ.
- Những mỏm núi, những đồi hoang không sử dụng được cho công nghiệp, nơng
nghiệp cũng có thể đặt được trạm phong điện. Trường hợp này không cần làm trụ đỡ


8

cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.
- Trên mái nhà cao tầng cũng có thể đặt trạm điện gió, dùng cho các nhu cầu
trong nhà và cung cấp điện cho thành phố khi không dùng hết điện. Trạm điện này
càng có ý nghĩa thiết thực khi thành phố bất ngờ bị mất điện.
- Ngay tại các khu chế xuất cũng có thể đặt các trạm điện gió. Nếu tận dụng
khơng gian phía trên các nhà xưởng để đặt các trạm điện gió thì sẽ giảm tới mức thấp
nhất diện tích đất xây dựng và chi phí làm đường dây điện.
- Đặt một trạm điện gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia
sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí
xây dựng một trạm điện gió. Việc bảo quản một trạm điện gió cũng đơn giản hơn việc

bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều.
- Một trạm điện gió 4 kW có thể đủ điện cho một trạm kiểm lâm trong rừng sâu
hoặc một ngọn hải đăng xa đất liền. Một trạm 10 kW đủ cho một đồn biên phòng
trên núi cao, hoặc một đơn vị hải quân nơi đảo xa. Một trạm 40 kW có thể đủ cho một xã
vùng cao, một đồn thăm dị địa chất hay một khách sạn du lịch biệt lập, nơi đường dây
chưa thể vươn tới được. Một nông trường cà phê hay cao su trên cao nguyên có thể xây
dựng trạm điện gió hàng trăm hoặc hàng ngàn kW, vừa phục vụ đời sống công nhân,
vừa cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm....
Tuy nhiên không phải nơi nào đặt trạm điện gió cũng có hiệu quả như nhau. Để
có sản lượng điện cao cần tìm đến những nơi có nhiều gió. Các vùng đất nhô ra biển và
các thung lũng sông thường là những nơi có lượng gió lớn. Một vách núi cao có thể là
vật cản gió nhưng cũng có thể lại tạo ra một nguồn gió mạnh thường xuyên, rất có lợi
cho việc khai thác điện gió. Khi chọn địa điểm đặt trạm có thể dựa vào các số liệu thống
kê của cơ quan khí tượng hoặc kinh nghiệm của nhân đân địa phương, nhưng chỉ là căn
cứ sơ bộ. Lượng gió mỗi nơi cịn thay đổi theo từng địa hình cụ thể và từng thời gian.
Tại nơi dự định dựng trạm điện gió cần đặt các thiết bị đo gió và ghi lại tổng lượng
gió hàng năm, từ đó tính ra sản lượng điện có thể khai thác, tuơng ứng với từng thiết
bị điện gió. Việc này càng quan trọng hơn khi xây dựng các trạm công suất lớn hoặc
các vùng điện gió tập trung.


9

1.2 Năng Lƣợng Gió Và Thiết Bị Biến Đổi Năng Lƣợng Gió – Tuabin Gió
1.2.1 Tuabin gió
Tuabin gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, từ cơ năng có
thể biến đổi thành điện năng nhờ máy phát điện- Máy phát điện dùng sức gió.
Tuabin gió có nhiều loại khác nhau nhưng chủ yếu được chia làm hai nhóm chính
phụ thuộc vào cánh đón gió của nó: tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng.
Trong luận văn đề cấp đến loại tuabin gió trục đứng.

Tuabin gió trục đứng là loại ít phổ biến của tuabin gió hiện nay, tuy nhiên nó
có ưu điểm là bình đẳng với mọi hướng gió mà khơng cần đi dẫn hướng như loại
tuabin gió trục ngang. Ngồi ra, tuabin gió trục đứng trong q trình vận hành sản
xuất điện ít gây tiếng ồn hơn loại trục ngang. Một số nghiên cứu đưa ra loại tuabin
trục đứng với bộ cánh thẳng đứng, chúng được gắn với trục điều khiển thông qua
hệ thống cánh tay. Loại này được gọi là H-rotor, Hình 1.6

Hình 1.6 H-rotor
Trục điều khiển thường được tách ra khỏi tháp đỡ hoặc được tựa trên hệ thống
dây đai và được nối trực tiếp với rotor của máy phát điện.
Với trục quay thẳng đứng của tuabin trục đứng cho phép đặt các máy phát điện
ở dưới chân tháp đỡ, điều này sẽ đơn giản hóa việc lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng các máy
phát đồng thời giúp giảm nhẹ tải trọng của tháp đỡ. Do đó giảm thiểu các chi phí lắp
đặt, bảo trì, bảo dưỡng, và kích thước, trọng lượng của máy phát điện khơng cịn là
mối lo ngại khi tính tốn thiết kế nữa. Ngồi ra các hệ thống điều khiển tuabin gió
loại này cũng được đặt tại mặt đất nên cũng tạo điều kiện cho việc truy cập, lập trình và


10

sửa chữa.
Nếu xét về tốc độ quay của tuabin thì ta có loại tuabin có tốc độ cố định và loại
tuabin có tốc độ thay đổi. Loại có tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), có
máy phát khơng đồng bộ được nối trực tiếp với lưới. Tuy nhiên hệ thống này có
nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ
gió.

Gearbox
Hộp số

IG
MF

Soft
Bộ
khởi
starter
động
mềm
MáyTransformer
biến áp
Capacitor bank

Hình 1.7 Tuabin gió với tốc độ gió cố định
Loại tuabin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind tuabin) khắc phục được
nhược điểm trên của tuabin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên
có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuabin gió có tốc độ thay đổi
là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử cơng suất để tạo ra khả năng
hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuabin gió tốc độ thay đổi lớn hơn
so với các tuabin tốc độ cố định.
Tuabin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ
biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuabin gió sử dụng máy phát điện không
đồng bộ nguồn kép (MFKĐBNK).
Loại tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator
của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính tốn với cơng suất định mức của tồn
tuabin. Máy phát ở đây có thể là loại khơng đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ.