Ứng dụng phần mềm matlabsimulink mô phỏng hệ phát điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Nhiều dự án công trình đã được khởi công và xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có công suất khoảng 800KW, công trình phong điện Phương Mai III ở

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT

ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Hà Nội - 2021

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT

ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Sinh viên thực hiện : PHAN THÀNH LỘC

Mã sinh viên : 597873 Lớp : K59 – HTĐB

Bộ môn : HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành : HỆ THỐNG ĐIỆN Người hướng dẫn : ThS ĐÀO XUÂN TIẾN

LỜI CÁM ƠN

Năng lượng tái tạo, năng lượng xanh đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong và ngoài nước Những tác động của con người vào thiên nhiên làm thiên nhiên biến đổi Thực hiện mục tiêu đó ngành năng lượng cũng đang tìm cho mình những bước tiến phát triển mới Do đó em khảo nghiệm và nghiên cứu đề tài về sử dụng năng lượng gió Trong quá trình nghiên cứu đề tài, em đã thu nhận và học tập được rất nhiều kinh nghiệm quý báu

Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ths Đào Xuân Tiến, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho em những ý kiến, đóng góp quý báu để em có thể hoàn thành đồ án Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy,

Cô khoa Cơ Điện đã trang bị cho em một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu Những kiến thức đó đã tạo nền tảng vững chắc giúp em hoàn thành tốt đồ án

Tuy em đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót cần được điều chỉnh và bổ sung Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các quý Thầy Cô để tri thức của em được hoàn thiện hơn khi ra trường

Hà Nội, ngày tháng năm 202

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 0

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 5

1.1 Sự hình thành gió 5

1.2 Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện 7

1.3 Lợi ích của năng lượng gió mang lại 9

1.4 Tình hình sử dụng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới 11

1.5 Tình hình sử dụng điện gió ở Việt Nam 13

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 15

2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió 15

2.2 Khí động học gió 16

2.3 Các loại cấu trúc của turbine gió 17

2.4 Các bộ phận của turbine gió 18

2.4.1 Cánh quạt 18

2.4.2 Bộ truyền động 23

2.4.3 Máy phát 26

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 32

3.1 Mô hình hóa các phần tử của hệ phát điện gió 32

3.2 Giới thiệu về Matlab/Simulink 35

3.2.1 Khái quát về Matlab 35

CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIÓ VỚI MÁY

PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 39

4.1 Mô phỏng hệ thống trong Matlab/Simulink 39

4.2 Thiết lập mô phỏng hệ thống phát điện gió 42

4.3 Mô hình chi tiết 44

4.3.1 Khối Tuabin gió 44

4.3.2 Khối máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 47

4.3.3 Khối chỉnh lưu 48

4.3.4 Khối P&O MPPT 48

4.3.5 Mô hình mô phỏng hệ phát điện gió sử dụng MPPT 50

4.4 Kết quả mô phỏng 50

4.4.1 Hệ mô phỏng khi không sử dụng MPPT 51

4.4.2 Hệ mô phỏng khi sử dụng MPPT 56

4.4.3 Hệ mô phỏng thay đổi tải khi sử dụng MPPT 61

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN PHÁT ĐIỆN GIÓ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 64

5.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 64

5.1.1 Mô hình thực nghiệm 64

5.1.2 Phương pháp thu thập số liệu 66

5.1.3 Kết quả nhận được 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới năm

2005 [10] 12

Bảng 4.1 Các Block thường dùng để mô phỏng trong đồ án 39

Bảng 5.1 Các thiết bị sử dụng trong mô hình 64

Bảng 5.2 Bảng số liệu thu thập ngoài môi trường khi mô hình hoạt động 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sự hình thành gió trong khí quyển 6

Hình 1.2 Turbine gió đầu tiên 12 KW 7

Hình 1.3 Turbine đầu tiên ngoài nước Mỹ 8

Hình 1.4 Cánh đồng phát điện gió ở Bình Thuận 9

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió 15

Hình 2.2 turbine trục ngang (trái), turbine trục dọc (phải) 17

Hình 2.3 Turbine ngược chiều gió (trái) và turbine thuận chiều gió (phải) 18

Hình 2.4 Lực nâng và lực kéo tác động vào cánh quạt 19

Hình 2.5 Mô hình BEM- blade element method 19

Hình 2.6 Actuator model 20

Hình 2.7 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt 21

Hình 2.8 Cp của các loại cánh quạt khác nhau của turbine gió 23

Hình 2.9 Cấu tạo của hộp số (Gearbox) 25

Hình 2.10 Sơ đồ khối minh họa cho hệ thống truyền động trực tiếp; cánh quạt được nối trực tiếp vào rotor máy phát; có bộ biến đối dùng linh kiện bán dẫn để tương thích tần số phát và tải 25

Hình 2.11 – Hệ thống điện gió sử dụng động cơ lồng sóc tốc độ không đổi kết hợp với bộ khởi động mềm 27

Hình 2.12 - Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ, được trang bị bộ biến đổi điện áp AC/DC/AC 27

Hình 2.13 - Máy phát dây quấn đồng bộ ứng dụng trong turbine gió 28

Hình 2.14 - Turbine gió sử dụng máy phát dây quấn không đồng bộ 29

Hình 2.15 - Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép 29

Hình 2.16 - Turbine gió sử dụng máy phát kích từ vĩnh cửu 30

Hình 2.17 - Turbine gió dùng máy phát DC 31

Hình 3.1 Mô hình mạch điện tương trong hệ tọa độ dq của PMSG 34

Hình 3.2 Công ty MatWorks 36

Hình 3.3 Phần mềm Matlab-Simulink 36

Hình 4.1 Khối Tuabin gió được mô phỏng trong Matlab 44

Hình 4.2 Mô hình của Tuabin đã được chú thích và mình họa 44

Hình 4.3 Tốc độ của Tuabin(p.u) được cung cấp với tốc độ gió cơ bản tối đa là 12m/s 46

Hình 4.4 Các thông số của khối Turbine 46

Hình 4.5 Cấu hình của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 47

Hình 4.6 Tham số của máy phát điện 47

Hình 4.7 Khối chỉnh lưu, thông số trong khối chỉnh lưu 48

Hình 4.8 Khối mô phỏng MPPT 48

Hình 4.9 Khối IO đặc trưng cho khối IO1 và IO2 trong hình 4.8 49

Hình 4.11 Bộ chuyển đổi Boost Converter 49

Hình 4.12 Mô hình mô phỏng hệ thống Tuabin phát điện gió 50

Hình 4.13 Hệ mô phỏng khi không sử dụng MPPT và với tốc độ gió được thay đổi ở 6m/s, 8m/s, 10m/s, 12m/s Hệ được mô phỏng với R=2000(Ω) 51

Hình 4.14 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 51

Hình 4.15 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 51

Hình 4.16 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 52

Hình 4.17 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 52

Hình 4.18 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 53

Hình 4.19 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 53

Hình 4.20 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 54

Hình 4.21 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 54

Hình 4.22 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 54

Hình 4.23 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 55

Hình 4.24 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 55

Hình 4.26 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 56 Hình 4.27 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 57 Hình 4.28 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 57 Hình 4.29 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 58 Hình 4.30 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 58 Hình 4.31 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 58 Hình 4.32 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 59 Hình 4.33 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 59 Hình 4.34 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 60 Hình 4.35 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 60 Hình 4.36 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 61 Hình 4.37 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 61 Hình 4.38 Đồ thị đặc tính tốc độ rotor(rad/s) và momen(N.m) của máy phát 62 Hình 4.39 Đồ thị đặc tính điện áp(V), dòng điện(A) đầu ra của máy phát 62 Hình 4.40 Đồ thị đặc tính điện áp(V) của tải khi qua khối IGBT 62 Hình 5.1 Sơ đồ thực nghiệm tuabin phát điện gió 64 Hình 5.2 Đồng hồ vạn năng ZT – S1(bên trái), Đồng hồ vạn năng XL830(ở giữa), Điện trở thực nghiệm(bên phải) 65 Hình 5.3 Mô hình thực nghiệm 66 Hình 5.4 Tuabin lắp thực nghiệm 67

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐÒ ÁN

P&O Perturb & observe MPP Maximum Power Point MPPT Maximum Power Point Tracker PMG Permanent Magnet Generator PMSG Permanet Magnet Synchronous Generator WRSG Wound Rotor Synchronous Generator WRIG Wound Rotor Induction Generator SCIG Squirrel Cage Induction Generator DFIG Doubly Fed Induction Generator DCG DC Generator

VRG Variable Reluctance Generator INCond Incremental Conductance FLC Fuzzy logic controller IEA International Energy Agency HAWT Horizontal Axis Wind Turbine VAWT Vertical Axis Wind Turbine BEM blade element method

MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Năng lượng là nhu cầu không thể thiếu đối với nhân loại, năng lượng được

sử dụng trong tất cả các lĩnh vực để phục vụ cuộc sống của con người từ sinh hoạt, vui chơi giải trí, công nghiệp, nông nghiệp, y học,… Trải qua những thời đại khác nhau nguồn năng lượng chính được khai thác và sử dụng cũng khác nhau; từ xa xưa khi chưa có nền công nghiệp, nhu cầu cuộc sống chỉ đơn giản là các bữa ăn trong ngày thì nguồn năng lượng chính được sử dụng chỉ là thân cây cối, củi khô, Thời gian dần trôi, kiến thức khoa học phát triển, nhu cầu của nhân loại tăng lên thì các nguồn năng lượng chính được khai thác cũng thay đổi như: than đá, dầu khí (gọi chung là năng lượng hóa thạch), năng lượng hạt nhân,…, ra đời và được sử dụng phục vụ cho cuộc sống Năng lượng cần thiết đến mức con người luôn sử dụng cùng lúc tất cả các nguồn năng lượng có thể khai thác và sử dụng được Tuy nhiên, có những nguồn năng lượng bên cạnh mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại thì còn mang lại nhiều rủi ro nguy hiểm, ví

dụ , năng lượng hạt nhân chẳng hạn, cho đến nay nhân loại chưa có gì đảm bảo 100% an toàn khi sử dụng nguồn năng lượng này

Trong thời đại cận đại và hiện đại, nguồn năng lượng hóa thạch đóng vai trò chủ yếu với lý do dễ khai thác và sẵn có trong lớp vỏ quả đất Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và khi sử dụng làm ảnh hưởng đến môi trường, gây nên hiệu ứng nhà kính Ngành năng lượng xanh (hay còn được gọi

là năng lượng tái tạo) như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đã được hình thành trong nhiều thập niên qua; viễn cảnh sẽ được phát triển và khai thác mạnh

mẽ để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch

Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển điện gió Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất nên việc lắp ráp rẻ hơn cũng như việc điều khiển các máy phát điện gió được dễ dàng Thực tế cho thấy, tình hình khai thác năng lượng gió chưa xứng tầm với tiềm năng gió Việt Nam hiện có, và việc khai thác tốt

tiềm năng này để phục vụ cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết

Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá thì nhu cầu năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước Vấn đề đặt ra là phát triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi trường và cảnh quan thiên nhiên Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than

đá, dầu mỏ, khí đốt… ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính Để giảm thiểu những vấn đề trên ta cần phải tìm nguồn năng lượng thay thế đó là năng lượng tái tạo, năng lượng sạch;

từ đó có thể giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình kinh tế, an ninh chính trị quốc gia Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề về năng lượng để phát triển Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử dụng năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng gió [7 ]

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được

ưu tiên đầu tư và phát triển ở Việt Nam Nhiều dự án công trình đã được khởi công và xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có công suất khoảng 800KW, công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định đang được xây dựng…

Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng tới môi trường so với các nguồn năng lượng khác là không đáng kể Tổng năng lượng của các máy phát sức gió được lắp đặt trên thế giới được gia tăng một cách ngoạn mục Sự tham gia của các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung cấp một lượng công suất đáng kể bên cạnh các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy điện

Tuabin gió được sử dụng trong hộ gia đình được phân bố rộng rãi trên thế giới Sự tương tác giữa hệ thống điện gió trong gia đình và trong lưới điện sẽ là một khía cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống điện gió trong

trong giới hạn của tần số và điện áp phù hợp cho các dự án kết hợp việc sản xuất năng lượng điện từ gió và việc tiêu th điện của người tiêu dùng, đồng thời để đảm bảo duy trì lưới điện hoạt động ổn định Vì vậy khi điện gió hòa vào lưới điện phải không làm chất lượng điện xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của lưới điện, do đó cần có máy phát điện phù hợp Trong tất cả các máy phát điện

có thể sử dụng được trong hệ thống điện gió thì máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là máy phát có nhiều ưu điểm, có thể sử dụng trong trường hợp này vì tính ổn định và an toàn của nó trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để kích từ

Để hệ thống làm việc tại điểm có công suất cực đại ở các tốc độ gió khác nhau, ta phải phát triển một hệ thống có khả năng sản sinh tối đa sản lượng điện của tuabin gió ở mọi điều kiện hoạt động Vậy nên em chọn sử dụng phương pháp MPPT trong mô phỏng hệ thống để cải thiện quá trình hoạt động của hệ thống

Với các lý do trên, em muốn nghiên cứu “ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ”

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ phát điện gió Tất cả các khối sẽ được phân tích và thành lập hệ phương trình động, mô hình mô phỏng cho hệ phương trình động sẽ được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab Các thông số trong bộ điều khiển sẽ được chọn lựa bằng lập luận, bằng thống kê hoặc bằng phương pháp thử và sai để có được đặc tính ngõ

ra như mong muốn khi các thông số ngõ vào được thay đổi một cách ngẫu nhiên trong phạm vi cho phép

Phương pháp nghiên cứu:

- Từ việc tham khảo, nghiên cứu lý thuyết, với những kết quả đã nghiên cứu và triển khai về hệ thống phát điện gió

- Vận dụng kiến thức thông qua các môn học đã được dạy: Phần mềm ứng dụng trong hệ thống điện Tự động hóa trong quá trình sản xuất, Quản lý vận hành trong hệ thông điện,…

- Mô phỏng hệ phát điện gió, xây dựng mô hình thực nghiệm

III Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Với sự khát khao học hỏi và tìm hiểu về hệ thống phát điện gió, em chọn đề

tài “ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ PHÁT

ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH

CỬU” nhưng em hy vọng đồ án sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích cho những khóa

học sau Riêng bản thân em cũng sẽ học hỏi được nhiều điều bổ ích cho bản thân

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Sự hình thành gió

Gió là những luồng không khí chuyển động trên phạm vi lớn Trên bề mặt của Trái đất, gió bao gồm một khối lớn không khí chuyển động Trong không gian vũ trụ , gió mặt trời là sự chuyển động của các chất khí hoặc các hạt tích điện từ mặt trời vào không gian, trong khi gió hành tinh là sự thoát khí của nguyên tố hóa học nhẹ chuyển từ bầu khí quyển của một hành tinh vào không gian Gió thường được phân loại theo quy mô về không gian, tốc độ, lực tạo ra gió, các khu vực gió xảy ra, và tác động của chúng Những cơn gió mạnh nhất được quan sát trên một hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta xảy ra trên sao Hải Vương và sao Thổ Gió có những khía cạnh khác nhau, một là vận tốc của gió; hai là áp suất dòng khí; ba là tổng năng lượng của gió

Trong khí tượng học, cơn gió thường được gọi theo sức mạnh của nó, và hướng gió thổi Sự tăng tốc đột ngột của gió được gọi là cơn gió mạnh Sự tăng tốc kéo dài (khoảng một phút) của các cơn gió mạnh được gọi là gió giật Gió với khoảng thời gian kéo dài hơn có những cái tên khác nhau kết hợp với tốc độ trung bình của gió, chẳng hạn như gió nhẹ (breeze), gió mạnh (gale), bão (storm), cơn bão (hurricane), và cơn bão lớn (typhoon) Gió xảy ra trên các phạm vi khác nhau, từ cơn bão kéo dài hàng chục phút, cho đến gió địa phương được hình thành do sự nung nóng của bề mặt đất liền kéo dài khoảng vài giờ, cho đến gió toàn cầu do sự khác biệt trong sự hấp th năng lượng mặt trời giữa các vùng khí hậu trên trái đất Hai nguyên nhân chính của gió hoàn lưu khí quyển quy mô lớn là sự khác biệt nhiệt độ giữa xích đạo và các cực, và vòng quay của Trái đất (hiệu ứng Coriolis) Trong vùng nhiệt đới, hoàn lưu nhiệt thấp trên địa hình bình nguyên và cao nguyên có thể tạo ra lưu thông gió mùa Tại các khu vực ven biển các chu kỳ gió thổi từ biển vào đất liền và ngược lại có thể được coi là gió địa phương; ở các khu vực có địa hình biến động, gió núi và gió thung lũng là những gió địa phương [7 ]

Cụ thể hơn, gió trên bề mặt trái đất được hình thành do sự chuyển động của không khí từ nơi khí áp cao về nơi khí áp thấp Xuất hiện điều này là do bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất bị che khuất và không nhận được bức xạ của Mặt Trời, thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và

vì thế là khác nhau về áp suất Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Hình 1.1 Sự hình thành gió trong khí quyển

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng

áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại

nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

1.2 Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện

Từ xa xưa năng lượng gió đã được sử dụng để phục vụ cuộc sống và giao thông đi lại: Thuyền buồm, khinh khí cầu, cối xay gió.Ý tưởng sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện được hình thành ngay khi phát minh ra điện và máy phát điện Năm 1888, Turbine gió đầu tiên dùng để phát điện được coi là của Charles F Brush, tại Cleveland, Ohio, turbine có công suất 12 kW được dùng để nạp điện cho bình accquy trong tầng hầm của gia đình

Hình 2.2 Turbine gió đầu tiên 12 KW

Tuabin gió đầu tiên bên ngoài nước Mỹ dùng để tạo ra điện được chế tạo bởi Poul La Cour vào năm 1905 tại Đan Mạch; được dùng điện phân nước để chế tạo hydro cho các đèn đốt khí ở trường học [ 8 ]

Hình 1.3 Turbine đầu tiên ngoài nước Mỹ

Tại Mỹ - hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm

1890 Đến những năm 1930 và 1940, hàng trăm ngàn hệ thống được dùng trong các khu nông thôn chưa có điện lưới Nhưng sau đó, sự quan tâm về năng lượng gió bị suy giảm khi lưới điện được mở rộng với nguồn điện tin cậy, rẻ tiền có thể mua dễ dàng Khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 tạo ra làn sóng quan tâm đến năng lượng gió đến khi chính phủ Mỹ dừng chương trình hoàn thuế Từ năm 1990, con người mới tập trung nghiên cứu phát triển năng lượng tái tạo, từ

đó điện gió cũng bắt đầu phát triển mạnh mẽ Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào đường lối chính trị Các nước đi tiên phong trong lĩnh vực năng lượng gió có thể kể đến như Đức, Mỹ, Tây Ban Nha,

Ấn Độ, Trung Quốc, Đan Mạch,… Ngày nay, năng lượng gió đã đi vào khai thác mang tính thương mại (phổ biến) nên được áp dụng rộng rải ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam

Tuy nhiên không phải tất cả đều ủng hộ nguồn năng lượng này Họ chỉ trích việc phá hoại phong cảnh tự nhiên, đồng thời chỉ ra rằng năng lượng gió thiếu khả năng dự trữ, và tiêu tốn nhiều chi phí hơn cho việc mở rộng mạng lưới tải điện cũng như cho năng lượng để điều khiển

Hình 1.4 Cánh đồng phát điện gió ở Bình Thuận 1.3 Lợi ích của năng lượng gió mang lại

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo, nên ít gây ô nhiễm môi trường, lượng khí thải CO2 giảm mạnh; năng lượng gió là vô tận và dồi dào sẽ không bị cạn kiệt như các nguồn năng lượng hóa thạch Đặc biệt, Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa nên nguồn năng lượng gió càng thêm phong phú Theo kết quả khảo sát của Chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất với tổng tiềm năng điện gió ước đạt 513.360

MW, lớn gấp 200 lần công suất của Nhà máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020 [8]

Về chi phí cho nguồn năng lượng tái tạo – năng lượng gió thì tùy thuộc vào công nghiệp của từng nước, đối với các nước có ngành công nghiệp phát triển thì chi phí sản xuất thấp Đối với Việt Nam do phụ thuộc công nghệ, phần lớn thiết bị và công nghệ đều nhập khẩu nên chi phí cho sản xuất năng lượng gió tương đối cao Ví dụ, đối với nhà máy điện gió Bạc Liêu: “Giá điện gió của Nhà máy Điện gió Bạc Liêu đề nghị bán cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) lên tới 12 Cents/kWh Nếu được chấp thuận, chi phí này sẽ được cộng vào giá điện

chung và người tiêu dùng sẽ phải gánh thông qua việc chi trả tiền điện hàng tháng”

Các khoản chi phí để đầu tư một nhà máy điện gió, bao gồm:

Chi phí cho máy phát điện và các cánh đón gió chiếm phần chủ yếu Có nhiều hãng sản xuất các thiết bị này, nhưng với giá bán và chất lượng kỹ thuật rất khác nhau

Chi phí cho bộ ổn áp và hòa mạng, tự động đưa dòng điện về điện áp và tần suất với mạng điện quốc gia

Chi phí cho accquy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ accu trở lại điện xoay chiều Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập

Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ , trọng lượng thiết

bị và các điều kiện địa chất công trình Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam

để giảm chi phí Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không đáng kể

Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm Chi phí này ở Việt Nam rẻ hơn rất nhiều so với các nước khác, đặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt

Nhưng chi phí và công nghệ không phải là rào cản lớn nhất, vì nếu nhìn về tương lai thì Việt nam đang có sự phát triển về công nghệ mạnh mẽ; chúng ta lần lượt tiến lên làm chủ về công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt

là trong lĩnh vực xây dựng như giao thông, cầu đường, đóng tàu, Vì thế, năng lượng điện gió tiếp tục được ủng hộ và đầu tư tại Việt nam trong giai đoạn hiện tại và hứa hẹn sẽ bùng nổ trong tương lai Qua phân tích trên ta thấy được ưu và nhược điểm của năng lượng tái tạo, trong đó ưu điểm có phần vượt trội để năng lượng gió được ủng hộ tại Việt Nam Ở Việt Nam, hoạt động khai thác tài nguyên với quy mô lớn đã diễn ra từ khoảng giữa thế kỉ XIX - nửa đầu thế kỉ

XX

1.4 Tình hình sử dụng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới

Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng có triển vọng và phát triển trong thời gian gần đây Có rất nhiều quốc gia đã phát triển với quy mô lớn như Đức,

Hà Lan, Mỹ, Anh và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency: IEA) với 14 nước thành viên hợp tác nghiên cứu các kế hoạch trao đổi thông tin kinh nghiệm về việc phát triển năng lượng điện gió Các quốc gia này là: Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, , Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh, Mỹ Vào năm 1995 các nước thành viên có khoảng 25.000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện và đang vận hành tốt Tổng công suất của các tuabin này là 3500 MW và hằng năm sản xuất ra 6 triệu MWh Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái sinh phát triển nhanh nhất trên thế giới đặc biệt là ở châu Âu đang chiếm 70% tổng công suất này

Theo số liệu thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức gió trên thế giới đang liên tục tăng: năm 1994 là 3.527,5 MW, năm 1995 là 4.770MW, năm 1996 là 6.000 MW, năm 1997 là 7.500 MW và hiện nay là hơn 10.000 MW Sử dụng điện năng bằng sức gió, các nhà sản xuất và tiêu dùng đều có thể an tâm về nguồn “tài nguyên” này; hơn nữa phong điện gần như không có tác hại đáng kể nào tới môi trường (theo số liệu năm 2005) [8] [9] Qua khảo sát người ta nhận thấy năng lượng gió trên thế giới là rất lớn và được phân bố tất cả các nước Năng lượng điện có thể khai thác hằng năm là

53000 TWh và có thể cung cấp vượt quá nhu cầu điện thế giới vào năm 2020 Theo khảo sát hằng năm của Viện năng lượng quốc tế thì nhu cầu tiêu thụ điện thế giới vào năm 2020 là 25800 TWh trong đó năng lượng điện gió sẽ chiếm 12% tổng nguồn năng lượng [10]

Bảng 1.1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới năm

1.5 Tình hình sử dụng điện gió ở Việt Nam

Việt Nam là một quốc gia nằm ở cực đông nam bán đảo Đông Dương khu vực Đông Nam Á Biên giới Việt Nam giáp với vịnh Thái Lan ở phía nam, vịnh Bắc Bộ và biển Đông ở phía đông, Trung Quốc ở phía bắc, Lào và Campuchia phía tây Hình thể nước Việt Nam có hình chữ S, khoảng cách từ bắc tới nam (theo đường chim bay) là 1.648 km với đường bờ biển kéo dài khoảng 3.260km

Từ duyên hải miền trung đến nam trung bộ có nguồn gió biển dồi dào Vùng duyên hải miền Trung bị chia cắt bởi các dãy núi có độ cao từ 1000 - 1500 m vùng đất này chủ yếu là trồng trọt và chăn nuôi nhưng có mật độ dân số khá đông trong khi đó các nhà máy thuỷ điện cũng như các nhà máy nhiệt điện lại rất

ít nên thường bị thiếu điện nhất là vào mùa khô

Tuy lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới nhưng khí hậu Việt Nam phân bố thành 3 vùng khí hậu riêng biệt theo phân loại khí hậu Köppen (cách phân loại khí hậu) với miền Bắc và Bắc Trung Bộ là khí hậu cận nhiệt đới

ẩm, miền Trung và Nam Trung bộ là khí hậu nhiệt đới gió mùa, miền cực Nam Trung Bộ và Nam Bộ mang đặc điểm nhiệt đới xavan Đồng thời, do nằm ở rìa phía Đông Nam của phần châu Á lục địa, giáp với biển Đông (một phần của Thái Bình 16 Dương), nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của kiểu khí hậu gió mùa mậu dịch, thường thổi ở các vùng vĩ độ thấp

Vùng duyên hải miền trung của Việt Nam có tốc độ gió hằng năm là 8 - 10m/s người ta khảo sát tốc độ gió ở độ cao 65 m và 30 m

Tốc độ gió và công suất điện ở độ cao 65m: Các dãy núi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam nằm ở vị trí đặc biệt, chúng tạo thành những rào chắn liên tiếp đón nhận gió mùa loại gió này đến từ hướng Đông Bắc từ tháng 10 đến tháng 5 và thổi từ hướng Tây Nam từ tháng 6 tới tháng 9 Dọc theo miền Trung Việt Nam có lượng gió rất tốt và tốc độ gió tương đối mạnh và lượng gió nhiều

Tốc độ gió ở độ cao 30 m: ở độ cao này chỉ thích hợp cho loại tuabin có

công suất nhỏ, thích hợp những nơi có tốc độ gió vừa và chậm và loại tuabin

nhỏ này có thể thay thế các tuabin lớn ở những nơi không thể đặt tuabin lớn

Vùng châu thổ sông Mêkông đến thành phố Hồ Chí Minh gió ở đây rất tốt (tốc độ 7 - 7.5 m/s) khu vực này có điều kiện phát triển nguồn năng lượng điện gió vì nó gần thành phố Hồ Chí Minh có nhu cầu tiêu thụ điện rất lớn

Trên các dãy núi phía Nam của khu vực duyên hải miền Trung có gió rất nhiều Ở vùng Tây Nguyên rộng lớn có tốc độ gió từ 7 - 7.5m/s, và vùng biên giới giáp Campuchia Khu vực nằm giữa Pleiku và Buôn Ma Thuột có tốc độ gió lên đến 7m/s

Khu vực miền biển phía Nam của vùng duyên hải Miền Trung trên các đỉnh núi ở độ cao 1600 đến 2000 m thì có lượng gió nhiều và tốc độ gió cao từ 8.5 – 9.5 m/s Các đỉnh núi ở phía Tây của uy Nhơn và Tuy Hòa với độ cao từ 1000 –

1200 m có tốc độ gió cũng tương đối lớn từ 8 – 8.5 m/s … Như vậy các vùng ven biển có lợi thế rất lớn về nguồn năng lượng gió và có thể lắp đặt các loại tuabin có công suất lớn

Khu vực phía Bắc vùng duyên hải miền trung có dãy Trường Sơn chạy dài theo biên giới Việt Nam và Lào có những nơi cao tới 1800 m và có tốc độ gió tương đối lớn 8.5 – 9.5 m/s khu vực phái Bắc của tỉnh Thừa Thiên Huế rất thích hợp đặt những tuabin nhỏ ở độ cao 30m và có tốc độ gió nơi đó là 5 – 6 m/s Khu vực phía Bắc Việt Nam khu vực lân cận Hải Phòng thì gió khá tốt vận tốc có thể đạt được 7m/s Ở trên đỉnh núi biên giới Việt Nam - Lào đến vùng núi tây nam thành phố Vinh có gió rất tốt tốc độ từ 8 – 9m/s Ở biên giới phía Bắc với Trung uốc và ở phía Bắc Đông Bắc của Hải Phòng tốc độ gió có thể đạt tới 7 – 8m/s

Vậy với điều kiện khí hậu và lượng gió, mật độ gió, tốc độ gió như trên Việt Nam có nhiều điều kiện xây dựng nhà máy điện gió ở những vùng có lượng gió tương đối tốt và phát triển để đáp ứng nhu cầu điện cho quốc gia

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phát điện gió

Về chi tiết các hệ thống điện gió khác nhau sẽ khác nhau; tuy nhiên một cách tổng quát, một hệ thống điện gió bao gồm các khối cơ bản cho trong hình 2.1

Gió (wind): Thường có vận tốc thay đổi đột ngột, và tần số thay đổi rất

thường xuyên nếu so với các nguồn năng lượng khác như: thủy triều, hơi nước trong hệ thống nhiệt điện; để có thể vận hành tốt hệ thống điện gió cần phải hiểu

rõ về khí động học của gió

Cánh quạt (wind turbine blades): Thường được phân làm 2 loại, turbine

trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbine: HAWT) và turbine trục dọc

(Vertical Axis Wind Turbine: VAWT) [11]

Bộ truyền động (Drive train): Truyền động sử dụng hộp số hoặc truyền

động trực tiếp; để thích hợp với việc vận tốc gió thay đổi liên tục nên hệ thống truyền động trực tiếp phải dùng bộ điện tử công suất thay đổi tần số và điện áp của điện phát ra cho phù hợp với tải hoặc lưới điện

Máy phát (Generator): có nhiều loại, máy phát đồng bộ, không đồng bộ và

máy phát điện một chiều Trong mỗi loại lại được phân thành nhiều kiểu máy phát khác nhau tùy thuộc vào thành phần cấu tạo của chúng Trong đồ án máy phát đồng

bộ nam châm vĩnh cửu sẽ được sử d ng và nghiên cứu kỹ hơn các loại khác

Bộ điều khiển (Control): Bộ biến đổi điện áp Boost Converter

1 2 3

2

P  C R v (2.2) Trong đó với:

Cp là hệ số biến đối năng lượng

R là bán kính cánh quạt (m)

v là vận tốc gió (m/s)

 là khối lượng riêng của không khí (kg/m3)

Gọi ω là tốc độ rotor, tốc độ đầu cánh λ:

3

1

1 0.035 0.08 1

opt opt R qpt opt v

     (2.7)

2.3 Các loại cấu trúc của turbine gió

Turbin gió có thể chia làm 2 loại: turbin trục ngang (Horizontal Axis Wind

Turbine: HAWT) và turbine trục dọc (Vertical Axis Wind Turbine: VAWT)

[11], được minh họa ở hình 2.2

Turbin trục ngang (HAWT) còn được chia ra thành 2 nhóm HAWT thuận chiều gió (downwind) và HAWT ngược chiều gió (upwind) được minh họa bởi hình 2.3 Trong đó, Turbin ngược chiều gió ít gây ra tiếng ồn, nhưng cần phải có thiết bị để điều khiển (tail vane) sao cho cánh quạt đón gió; còn turbin thuận chiều gió tự động quay theo hướng gió nhưng lại sinh ra nhiều tiếng ồn

Hình 2.2 turbine trục ngang (trái), turbine trục dọc (phải)

Hình 2.3 Turbine ngược chiều gió (trái) và turbine thuận chiều gió (phải) 2.4 Các bộ phận của turbine gió

2.4.1 Cánh quạt

Phần này chỉ đề cập đến loại turbine trục ngang; để khảo sát lực và công suất tác dụng vào cánh quạt bằng cách chia cánh quạt ra thành từng phần nhỏ (BEM - blade element method) Do cấu tạo dạng xoắn của cánh quạt mà khi có dòng không khí đi qua sẽ có một sự chênh lệch áp suất trên hai mặt cánh quạt; sự chênh lệch này tạo thành lực làm cho cánh quạt quay lên hoặc xuống Tâm cánh quạt được nối với trục vào bộ truyền động nên khi cánh quạt quay sẽ sinh ra một mômen làm quay rotor máy phát Có thể phân tích khí động lực tác dụng vào cánh quạt thành hai lực cơ bản là lực nâng và lực kéo Các phần nhỏ (blade element) nằm ở những vị trí khác nhau trên cánh quạt sẽ chịu tác dụng các lực khác nhau

Hình 2.4 Lực nâng và lực kéo tác động vào cánh quạt

`

Hình 2.5 Mô hình BEM- blade element method

Lực nâng và lực kéo lần lượt được ký hiệu là dF L và dF D được xác định bằng

Với C L và C D là hệ số nâng và hệ số kéo, ρ là mật độ không khí, C là chiều rộng của cánh quạt tại từng phần nhỏ cánh quạt, U là vận tốc gió tối đa mà cánh quạt có thể nhận được và dr là chiều dài của phần nhỏ cánh quạt Emrah K Xuất

phát từ mô hình đơn giản nhất của cánh quạt turbin là một chiếc đĩa tròn quay Dòng khí có vận tốc được thổi qua đĩa sẽ xuất hiện một độ giảm áp suất từ p u

ở mặt trước đĩa sang p d ở mặt sau đĩa hình 3.6

Giả sử rằng U2=U3=U R , áp dụng Bernoulli cho 2 bên mặt dĩa ta được:

1  2 2

2

T   A p A U U (2.13) Với, A(m2) là diện tích quét của cánh quạt mà không khí đi qua Mặt khác,

áp dụng phương trình động năng để tính lực trên cả 2 mặt của đĩa ta được công thức:

Do dòng chảy không khí là hoàn toàn liên tục trước và sau khi đi qua cánh quạt Điều đó có nghĩa là không phải toàn bộ động năng của gió đều được chuyển thành năng lượng làm quay cánh quạt Thông thường năng lượng điện sản xuất được chỉ bằng 30% năng lượng gió đi qua cánh quạt turbine [11]

Hình 2.7 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt

Cấu tạo hệ thống cánh quạt và số lượng cánh quạt trên mỗi hệ thống phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

Mỗi cánh quạt sẽ làm cản trở đến dòng chảy của các cánh khác, nên số lượng cánh quạt sẽ không nên quá lớn, số lượng cánh quạt phải được lựa chọn vừa phải để giảm thiểu sự ảnh hưởng lẫn nhau làm giảm hiệu quả thu năng

lượng khi dòng không khí thổi qua

Số lượng cánh quạt phải được phân bố đồng đều để giữ cân bằng cho trục turbine Nếu sử dụng một cánh quạt thì phải có đối trọng để đảm bảo vai trò giữ thăng bằng cánh quạt loại này đã được NASA (One-Bladed Wind Turbines by Paul Gip) áp dụng nhưng ưu khuyết điểm thì không được thấy công bố rõ ràng Phần lớn các hệ thống cánh quạt có từ 2 cánh trở lên như minh họa ở hình 2.7 Cánh quạt càng dài thì càng nhận nhiều năng lượng luồng không khí chuyển động, tuy nhiên nếu quá dài thì vận tốc đầu cánh càng lớn và chi phí cho các xây dựng càng cao, vì cần trục cao hơn, bên đỡ càng lớn hơn Vì thế thông thường

độ dài cánh quạt phải được thiết kế để tối ưu giá thành; đảm bảo giá thành không quá cao nhưng vẫn nhận được công suất cần thiết từ năng lượng gió Thực tế, thông thường số cánh quạt trên một hệ thống được chọn là 3 cánh; vừa đảm bảo vị trí cân bằng vừa đảm bảo chúng ít gây cản trở lẫn nhau trong quá trình làm việc

Để dễ dàng tính toán, vận tốc gió xem như không đổi trong toàn bộ dòng

chảy của không khí và bằng với U R

Với,C p  là hệ số công suất, 2

AR (m2 ) là diện tích quét của cánh quạt

mà không khí đi qua

 là tỉ số vận tốc đầu cánh (TSR - tip speed ratio) đã được diễn tả bởi công thức 2.3

R (2.18)

Từ công thức (3.3), nếu cùng một loại cánh quạt và cùng chiều dài (hay bán kính R), tỉ số vận tốc đầu cánh (TSR) là tỉ lệ giữa vận tốc quay và tốc độ gió Nếu turbine quay quá chậm ( bé) thì phần lớn gió sẽ thổi qua khoảng hở giữa các cánh, nghĩa là lượng năng lượng nhận được sẽ rất nhỏ (vì Cp  bé) Ngược lại, nếu tốc độ quay quá cao thì cánh quạt quay có vai trò như một bức tường cứng cản trở chuyển động của dòng không khí và cũng sẽ làm giảm năng lượng

nhận được (C p  nhận được vẫn bé, hình 2.8) Vì thế mà turbine phải được thiết kế sao cho được vận hành với TSR tối ưu để có thể lấy được nhiều năng lượng nhất có thể TSR tối ưu ph thuộc vào kiểu turbine, kiểu chế tạo cánh cũng như số lượng cánh được sử dụng (hình 2.8)

Hình 2.8 Cp của các loại cánh quạt khác nhau của turbine gió

2.4.2 Bộ truyền động

Theo trên đã đề cập, vận tốc gió thay đổi liên tục trong khi tần số nguồn điện thì cần ổn định ở 50 Hz hoặc 60 Hz; ở nước ta thì cần 50 Hz Vì thế tốc độ rotor của máy phát (nếu là máy phát đồng bộ) phải cần quay với tốc độ ổn định Vì lý

do giữa turbine và trục động cơ nhất thiết phải có bộ truyền động để đảm trách vai trò này Bộ truyền động thường có hai dạng: bộ truyền động sử dụng hộp số

hoặc truyền động trực tiếp

2.4.2.1 Hộp số

Tốc độ gió thay đổi liên tục nhưng trong phần lớn thời gian tốc độ quay của cánh quạt gió chậm hơn tốc độ quay cần thiết của rotor máy phát, từ đó yêu cầu cần phải sử dụng một hộp số để tăng tốc Loại hộp số thường dùng trong máy phát gió thường có cấu tạo cho trong hình 3.9 Ngoài việc giữ cho tốc độ rotor

ổn định phù hợp với tần số dòng điện phát ra việc sử dụng hộp số cũng mang đến những điểm mạnh như việc giảm thiểu kích cỡ của turbine gió và chiều dài cánh quạt xuống đáng kể, có thể cho phép lắp đặt một máy phát 3 MW tại một nơi mà tốc độ gió theo lý thuyết thì chỉ đáp ứng được cho máy phát 1.5 MW Jason R.C Cho rằng tiếng ồn sinh ra là do sự va chạm giữa các bánh răng, tiếng ồn bánh răng chủ yếu ở tần số thấp khoảng 100 Hz đến 200 Hz trong khi

đó tai con người nhạy cảm với các âm thanh trong khoảng tần số từ 400 Hz đến

500 Hz Vì thế tiếng ồn bánh răng sẽ không làm ảnh hưởng lớn đến tai người Điểm yếu của hộp số là tính hiệu quả kém do tổn hao ma sát giữa các bánh răng lớn hơn nhiều so với tổn hao trong các khóa điện tử công suất được sử d ng trong phương pháp truyền động trực tiếp Ngoài ra, việc bảo dưỡng định kỳ cũng tốn kém hơn phương pháp truyền động trực tiếp và tuổi thọ của bánh răng cũng ngắn hơn

2.4.2.2 Truyền động trực tiếp

Loại hệ thống phát điện gió truyền động trực tiếp không sử dụng hộp số; cánh quạt được nối trực tiếp vào rotor máy phát Như thế tần số điện phát ra ở đầu cực máy phát thay đổi liên tục Để tương thích với tần số của tải hoặc lưới điện phải có bộ biến đổi sử dụng linh kiện bán dẫn Nếu tải là điện một chiều thì

bộ biến đổi AC/DC hoặc AC/DC/DC; nếu tải là điện xoay chiều hoặc lưới trong trường hợp hòa lưới thì bộ biến đổi AC/DC/AC hoặc AC/DC/DC/AC Thông thường hệ thống turbine cánh quạt của loại truyền động trực tiếp có kích thước

không gian lớn hơn; khối lượng tổng của hệ thống cũng lớn hơn Ưu điểm của loại này là hiệu suất cao và giảm tiếng ồn đáng kể và giảm chi phí bảo trì bảo dưỡng

Hình 2.9 Cấu tạo của hộp số (Gearbox)

Truyền động trực tiếp thường được sử dụng trong các máy phát công suất nhỏ, nó có thể là máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), máy phát dây quấn đồng bộ (WRSG) hay cũng có thể là máy phát dây quấn cảm ứng (WRIG) Trong đồ án này phương pháp truyền động trực tiếp có sơ đồ khối như hình 2.10 được sử dụng

Hình 2.10 Sơ đồ khối minh họa cho hệ thống truyền động trực tiếp; cánh quạt được nối trực tiếp vào rotor máy phát; có bộ biến đối dùng linh kiện

Vrec

2.4.3 Máy phát

Máy phát điện gió thường được sử dụng từ các loại máy điện thông d ng: máy đồng bộ, máy không đồng bộ và máy một chiều Các máy điện này khi sử dụng làm máy phát điện gió thì tính năng cơ bản của chúng vẫn không thay đổi: máy phát đồng bộ thường có công suất vừa và lớn, máy phát không đồng bộ thường có công suất vừa và nhỏ, máy phát điện một chiều thường sử dụng với công suất tương đối nhỏ (wind trees); đối với máy phát điện một chiều thường tổ hợp nhiều máy phát tạo thành một cây gió (wind trees) sử dụng trong trang trại hoặc hộ gia đình Máy không đồng bộ thường được sử dụng làm động cơ với tính năng bền bỉ, rẻ tiền và ít cần bảo trì bảo dưỡng; chúng rất phổ biến trong công nghiệp dân dụng; khi sử dụng chúng làm máy phát điện thường thì bộ điều khiển rất phức tạp cả phần mềm và phần cứng

2.4.3.1 Máy phát lồng sóc tốc độ không đổi (Fixed speed Squirrel Cage

Induction Generator)

Máy phát điện gió dùng máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thường được dùng để phát điện trực tiếp lên lưới điện Lưới điện được xem như hệ thống có công suất vô cùng lớn vì thế điện áp và tần số của lưới xem như không đổi Do tần số lưới điện không đổi vậy nên tốc độ từ trường quay của stator cũng

sẽ không đổi nên sẽ thỏa mãn công thức:

n s 60f

p

 ( 2.19)

với: ns là tốc độ từ trường quay của stator (vòng/phút – rpm)

f là tần số của lưới điện

P là số cặp cực của máy điện

Vậy với máy điện có số cặp cực 1; 2; 3 cặp thì tốc độ từ trường quay tương ứng là 3000 rpm; 1500 rpm; 750 rpm với tần số lưới điện là 50 Hz Tốc độ của

cứu đã nghiên cứu và khẳng định rằng trong trường hợp tốt nhất thì độ trượt s khoảng 1-2% đối với hệ thống có công suất nhỏ hơn 2.3MW Các nghiên cứu cũng đề xuất khởi động hệ thống bằng phương pháp khởi động mềm và có sơ đồ khối như trong hình 2.11

Hình 2.11 – Hệ thống điện gió sử dụng động cơ lồng sóc tốc độ không đổi

sử dụng Dòng điện đầu ra của máy phát được chuyển thành dòng DC rồi qua bộ biến đổi điện áp để chuyển thành dòng AC có điện áp và tần số ổn định

Hình 2.12 - Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ, được trang bị bộ biến đổi

điện áp AC/DC/AC

2.4.3.3 Máy phát dây quấn đồng bộ (Wound Rotor Synchronous

Generator)

Hình 2.13 - Máy phát dây quấn đồng bộ ứng dụng trong turbine gió

Hệ thống có sơ đồ khối trong hình 2.13 trong đó turbine gió tốc độ thay đổi Máy phát dây quấn đồng bộ thông thường nối với tải qua một bộ giao tiếp điện

tử công suất (AC/DC/DC/AC hoặc AC/DC/AC) Để có thể hoạt động với sự biến thiên tốc độ lớn các bộ biến đổi công suất phải có công suất lớn

Một mặt, cấu trúc này không sử dụng chổi than và vành trượt vì thế giảm thiểu tổn hao về mặt cơ khí Mặt khác, nó lại có tổn hao lớn trong bộ giao tiếp điện tử,

và chi phí cho dây đồng cũng như bộ biến đổi điện áp cũng cao hơn

2.4.3.4 Máy phát dây quấn không đồng bộ (Wound Rotor Induction

Hình 2.14 - Turbine gió sử dụng máy phát dây quấn không đồng bộ 2.4.3.5 Máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction

Generator - DFIG)

Máy phát không đồng bộ nguồn kép có cấu trúc được minh họa trong hình 2.15 ở dưới; loại này được sử dụng rộng rãi Hệ thống DFIG khi hoạt động cho phép tốc độ rotor thay đổi lớn hơn so với hệ thống sử dụng điện trở và độ trượt

có thể lên đến 30% Thường thì stator của loại này được nối đến tải qua một máy biến áp; một bộ biến đổi điện áp sử dụng điện tử công suất được nối vào rotor Tần số điện trong rotor được điều khiển nhờ bộ điện tử công suất vì thế độ trượt thay đổi theo (giả sử tần số điện stator là không đổi và tương thích với tải)

Do công suất tiêu thụ trong rotor bé nên bộ biến đổi công suất nhỏ gọn hơn so với hệ thống WRIG Kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp là ưu điểm chủ yếu của

hệ thống DFIG và cũng chính vì thế hệ thống này được sử dụng rộng rãi

Hình 2.15 - Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép

2.4.3.6 Máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (Permanent

Magnet Generator - PMG)

Hệ thống máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có sơ đồ khối được minh họa như trong hình 2.16 dưới đây Hệ thống PMG thường dùng để phát công suất vừa và nhỏ; khi hoạt động hệ thống không cần kích từ và không cần chổi than vành trượt nên dễ điều khiển và được ưa chuộng PMG có thể được sử d ng với truyền động hộp số hoặc truyền động trực tiếp PMG được chia làm 3 phân loại như từ thông tròn (Radial flux PMG), từ thông dọc (Axial flux PMG) và từ thông thay đổi (Switching flux PMG)Mô hình này không cần tốn chi phí cho việc kích từ, tuy nhiên vật liệu từ thông vĩnh cửu vẫn còn đắt nên chi phí đầu tư cao

Hình 2.16 - Turbine gió sử dụng máy phát kích từ vĩnh cửu

2.4.3.7 Máy phát một chiều (DC Generator)

Hệ thống máy phát điện gió một chiều ít được sử dụng vì giá thành cao; hệ thống chổi than cổ góp (khác với chổi than vành trượt trong các máy điện khác)

dễ hư hỏng và khó bảo trì bảo dưỡng vì thế rất ít khi được sử dụng Một khuyết điểm lớn của máy điện một chiều là dòng điện của phần động lực lại đi qua hệ thống chổi than và cổ góp; nên cùng một cấp công suất thì dòng điện đi qua chổi than của máy điện DC lớn hơn máy điện AC nhiều lần Tuy nhiên, ưu điểm của máy điện DC là dễ điều khiển, các quan hệ ngõ vào ngõ ra là tuyến tính Thông thường chúng ta thường gặp trong những hệ thống nhỏ thường là nhỏ hơn 500W Những năm gần đây các máy phát điện một chiều được sử dụng nhiều trong hệ thống wind turbine trees; wind turbine trees được phát triển trên nhiều máy phát điện gió nhỏ khoảng vài trăm watt, thuận tiện trong việc lắp đặt cho hộ