Thiết kế bộ nghịch lưu cho máy phát điện đồng bộ năng lượng gió công suất nhỏ hòa lưới điện quốc gia

4 Turbine gió trục đ ng Darrieus kiểu “Eole C” t i Cap Chat, Quebec 2.1.2 Năng l ợng gió thế giới Năng l ợng gió trên thế giới hiện đang trong th i kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là

LÝ L ỊCH KHOA H C i

L I CAM ĐOAN ii

L I C M N iii

TÓM T T iv

M ỤC LỤC vi

M ỤC LỤC CÁC HINH ix

Ch ng 1: GI I THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 3

1.3 Ph m vi nghiên c u 3

1.4 Ph ơng pháp nghiên c u 4

1.5 Điểm mới c a luận văn 4

1.6 Giá trị thực tiễn c a luận văn 4

1.7 Nội dung c a luận văn 5

Ch ng 2: TỌ̉NG QUAN 2.1 Tổng quan về năng l ợng gió 6

2.1.1 Lịch sử phát triển máy phát điện gió 6

2.1.2 Năng l ợng gió thế giới 9

2.1.3 Năng l ợng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển năng l ợng gió 11

2.1.3.1 Năng l ợng gió Việt Nam 11

2.1.3.2 Tiềm năng phát triển năng l ợng gió công suất nhỏ t i Việt Nam 17

2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió 18

2.2.1 Các thành phần c a một hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió 18

2.2.2 Các lo i hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió 19

2.2.2.1 Hệ thống tubin gió cố định 20

2.2.2.2 Hệ thống tubin gió tốc độ thay đổi biến đổi toàn bộ công suất 21

2.3.2 So sánh turbine trục đ ng và trục ngang 24

2.4 Tổng quan về kết nối máy phát điện gió với l ới điện phân phối 26

2.4.1 Tính cần thiết c a việc kết nối máy phát điện gió vào l ới điện phân phối 26 2.4.2 Hòa đồng bộ hai máy phát 27

2.4.2.1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp 28

2.4.2.2 Phân tích các điều kiện hòa 30

2.4.2.3 Hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp 33

2.5 H ớng nghiên c u c a luận văn 35

Ch ng 3: KH O SÁT VÀ TệNH TOÁN 3.1 Năng l ợng gió và công suất tubin 36

3.1.1 Năng l ợng gió 36

3.1.2 Hiệu suất tubin gió 39

3.1.3 Đ ng cong hiệu suất tubin gió 42

3.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) 45

3.3 M ch chỉnh l u 48

3.4 M ch nghịch l u kết nối l ới điện phân phối 50

3.4.1 Phân lo i bộ nghịch l u 50

3.4.2 Ph ơng pháp điều khiển các khóa công suất trong bộ nghịch l u nguôn ap 51 3.4.3 Ph ơng phap điêu khiển khoa công suât trong bô ̣ nghi ̣ch l u nguôn dong 54

Ch ng 4: MỌ HINH HOA & MỌ PHỎNG 4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió vào l ới điện phân phối 59

4.1.1 Khôi tubin gio và máy phát 59

4.1.2 Khối chỉnh l u: 62

4.1.3 Khối nghịch l u: 63

4.1.4 Khối l ới điện phân phối 63

4.1.5 Khối điều khiển 64

4.1.5.1 Nguyên lí ho t động c a khối MPPT 65

4.1.5.4 Khối DC/AC 69

4.1.5.5 Khối điều khiển Hysteresis ( điều khiển bang-bang ) 70

4.2 Kết qu mô phỏng 70

4.2.1 Kết qu mô phỏng khi vận tốc gió không thay đổi 71

4.2.1.1 Khi vận tốc gió đ t 5 m/s 71

4.3 Nhận xét và đánh giá 91

Ch ng 5: KÊT LUẬN VA H NG PHAT TRIỂN 5.1 Các vấn đề đ ợc thực hiện trong luận văn: 93

5.2 Đề nghị và các h ớng phát triển c a luận văn 93

TÀI LI U THAM KH O 95

Hình 2 2 Turbine gió c a Poul la Cour, Askov, Đan M ch năm 1897 7

Hình 2 3 Turbine gió trục đ ng kiểu Savonius 8

Hình 2 4 Turbine gió trục đ ng Darrieus kiểu “Eole C” t i Cap Chat, Quebec 9

Hình 2 5 Biểu đồ công suất điện gió qua các năm trên thế giới 10

Hình 2 6 Công suất lắp đặt điện gió c a 13 n ớc đ ng đầu thế giới 11

Hình 2 7 Gió trung bình hàng năm độ cao 65 m và 30m 12

Hình 2 8 Gió trung bình hàng năm độ cao 65 m vào mùa Xuân và mùa H 13

Hình 2 9 Gió trung bình hàng năm độ cao 65 m vào mùa Thu và mùa Đông 14

Hình 2 10 Thành phần chính c a một hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió kết nối l ới điện 18

Hình 2 11 Hệ thống tubin gió tốc độ cố định 20

Hình 2 12 Hệ thống tubin gió tốc độ tay đổi biến đổi toàn bộ công suất phát 22

Hình 2 13 Hệ thống tubin gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía roto 22 Hình 2 14 Cấu t o turbine trục đ ng và trục ngang 23

Hình 2 15 Công tác song song 30

Hình 2 16 Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa 30

Hình 2 17 Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mưn mà các điều kiện khác th o mãn 31

Hình 2 18 Sơ đồ hệ thống ba pha vector quay 33

Hình 2 19 Sơ đồ kết nối nguồn dòng vào nguồn áp khi hòa đồng bộ 34

Hình 2 20 Biểu diễn vector quay c a dòng điện và điện áp 34

Hình 3 1 Năng l ợng c a khối không khí 36

Hình 3 2 Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý t ng 38

Hình 3 3 Góc pitch c a cánh qu t gió 39

Hình 3 4 Giới h n c a hiệu suất rotor 41

Hình 3 7 Đ ng cong công suất lí t ng c a tubin gió 44

Hình 3 8 Mô hinh ma ̣ch điê ̣n t ơng trong hê ̣ to ̣a đô ̣ dq c a PMSG 47

Hình 3 9 M ch chỉnh l u bán kì 49

Hình 3 10 M ch chỉnh l u cầu một pha không điều khiển 49

Hình 3 11 M ch chỉnh l u cầu ba pha không điều khiển 49

Hình 3 12 M ch chỉnh l u cầu một pha có điều khiển 50

Hình 3 13 M ch chỉnh l u ba pha có điều khiển 50

Hình 3 14 Gi n đồ xung kích bộ nghịch l u một pha bằng ph ơng pháp SPWM 53

Hình 3 15 Gi n đồ dòng và áp ngõ ra nghịch l u dùng ph ơng pháp SPWM 54

Hình 3 16 Sơ đô kêt nôi đơn giản của bộ nghi ̣ch l u ba pha 54

Hình 3 17 D ng sóng dòng điện trong ph ơng pháp bang bang trên mô ̣t pha 55

Hình 3 18 Gi i thuật điều khiển bang bang trên một cặp chân c a bộ nghịch l u 55

Hình 3 19 gi i thuật điều khiển bang bang c i tiến trên một cặp chân c a bộ nghịch l u 56

Hình 4 1 Sơ đồ khối m ch mô phỏng 59

Hình 4 2 Sơ đồ kết c a khối tubin và máy phát điện 60

Hình 4 3 Sơ đồ kết nối trong mô phỏng khối tubin gió 61

Hình 4 4 Sơ đồ kết nối mô phỏng c a khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu 61

Hình 4 5 Mô hình mô phỏng c a khối cơ khí trong PMSG 61

Hình 4 6 Mô hình mô phỏng c a khối điện trong PMSG 62

Hình 4 7 Thông số kỹ thuật c a PMSG 62

Hình 4 8 Sơ đồ kết nối m ch chỉnh l u 63

Hình 4 9 Sơ đồ kết nối c a khối nghịch l u 63

Hình 4 10 Sơ đồ kết nối c a khối l ới điện phân phối 64

Hình 4 11 Sơ đồ nguyên lý ho t động c a m ch điện mô phỏng 64

Hình 4 15 L u đồ gi i thuật P&O 68

Hình 4 16 Sơ đồ nguyên lí c a khối PLL 69

Hình 4 17 D ng sóng điện áp Vdc thu đ ợc t i vận tốc gió 5 m/s 71

Hình 4 18 D ng sóng dòng điện hòa l ới t i vận tốc gió 5 m/s 72

Hình 4 19 Phân tích FFT c a dòng điện hòa l ới ta ̣i vâ ̣n tôc gio 5 m/s 72

Hình 4 20 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió 5 m/s 73

Hình 4 21 D ng sóng điện áp Vdc thu đ ợc t i vận tốc gió 7 m/s 74

Hình 4 22 D ng sóng dòng điện hòa l ới t i vận tốc gió 7 m/s 74

Hình 4 23 Phân tich FFT của dong điê ̣n hòa l ới ta ̣i vâ ̣n tôc gio 7 m/s 75

Hình 4 24 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió 7 m/s 76

Hình 4 25 D ng sóng điện áp Vdc thu đ ợc t i vận tốc gió 9 m/s 77

Hình 4 26 D ng sóng dòng điện hòa l ới t i vận tốc gió 9 m/s 77

Hình 4 27 Phân tich FFT của dong điê ̣n hòa l ới ta ̣i vâ ̣n tôc gio 9 m/s 78

Hình 4 28 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió 9 m/s 78

Hình 4 29 D ng sóng điện áp Vdc thu đ ợc t i vận tốc gió 12 m/s 79

Hình 4 30 D ng sóng dòng điện hòa l ới t i vận tốc gió 12 m/s 80

Hình 4 31 Phân tich FFT của dong điê ̣n hòa l ới ta ̣i vâ ̣n tôc gio 12 m/s 80

Hình 4 32 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió 12 m/s 81

Hình 4 33 D ng sóng điện áp Vdc thu đ ợc khi vận tốc gió la (5-8-10) m/s 82

Hình 4 34 D ng sóng dòng điện hòa l ới t i vận tốc gió là (5-8-10) m/s 83

Hình 4 35 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió (5-8-10) m/s 83

Hình 4 36 D ng sóng điện áp Vdc thu đ ợc khi vận tốc gió la (10-12-9) m/s 85

Hình 4 37 D ng sóng dòng điện hòa l ới t i vận tốc gió là (10-12-9) m/s 85

Hình 4 38 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió (10-12-9) m/s 86

Hình 4 39 D ng sóng điện áp Vdc thu đ ợc khi vận tốc gió là ( 7-5-6) m/s 87

Hình 4 40 D ng sóng dòng điện hòa l ới t i vận tốc gió là ( 7-5-6) m/s 87

Hình 4 41 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió ( 7-5-6) m/s 88

Hình 4 44 Công suất đ a vào l ới điện phân phối t i vận tốc gió ( 11-9-7) m/s 90 Hình 4 45 B ng kết qu mô phỏng t i một số vận tốc gió tiêu biểu 91

1.1 Đặt vấn đề

Nguồn năng l ợng mà chúng ta sử dụng ngày nay ch yếu là năng l ợng hóa

th ch nh : than đá, dầu mỏ, các s n phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các nguồn năng l ợng này là hữu h n, nó chỉ có thể đ m b o cho nhu cầu về năng l ợng c a chúng ta trong một th i gian nhất định Do đó, càng ngày ng i ta càng lo ng i về một cuộc kh ng ho ng năng l ợng có thể x y ra làm thay đổi nền văn minh c a loài

ng i, b i vì thế giới vẫn còn đang phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa th ch Dầu, than đá và khí đốt chiếm kho ng 75% nhu cầu năng l ợng thế giới, mỗi ngày trên thế giới sử dụng đến 80 triệu thùng dầu Và đ ơng nhiên trong t ơng lai nhu cầu toàn cầu về dầu hỏa sẽ v ợt xa kh năng cung cấp Từ năm 1985, tốc độ khai thác dầu và tiêu thụ đư v ợt xa tốc độ khám phá trữ l ợng dầu mới Công ty BP dự đoán

rằng với tốc độ sử dụng nh hiện nay, thì chỉ trong vòng 40 năm nữa sẽ c n kiệt nguồn dầu ho Mặt khác, sử dụng nguồn năng l ợng hóa th ch để l i nhiều hậu qu

về ô nhiễm môi tr ng, gây ra hiệu ng nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt độ trái đất…

Để gi i quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta ph i khai thác và sử dụng các nguồn năng l ợng hóa th ch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta ph i tìm ra các nguồn năng l ợng khác để thay thế Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng l ợng tái sinh có thể cung cấp năng l ợng một cách bền vững trong t ơng lai, nguồn năng

l ợng ấy có thể kể đến nh : năng l ợng gió, năng l ợng sinh khối, năng l ợng mặt

tr i… hoặc là nguồn năng l ợng tái sinh khác Trong đó công nghệ về năng l ợng gió đang đ ợc thế giới chú trọng phát triển để khai thác Các chính ph đư đón nhận các công nghệ này một cách hết s c nghiêm túc và đ a ra các mục tiêu đầy tham vọng cho s n l ợng điện t o ra từ các nguồn năng l ợng tái sinh trên Ng i dân ngày càng ý th c về sự tàn phá và ô nhiễm môi tr ng từ các nguồn nhiên liệu hoá

th ch và năng l ợng h t nhân Trong khi các nguồn năng l ợng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao gi c n kiệt Năng l ợng gió là một nguồn năng l ợng s ch

có thể thay thế các nguồn năng l ợng truyền thống Các ng dụng c a nó t i các

n ớc phát triển giúp làm gi m hiệu ng nhà kính và giữ gìn đ ợc các nguồn năng

truyền thống đang c n kiệt Các quốc gia đư và đang phát triển đều xem năng l ợng gió là nguồn năng l ợng lý t ng phù hợp với xu h ớng phát triển mới c a nhân

lo i, đ ợc u tiên đầu t hàng đầu trong các chính sách về năng l ợng Khi sử dụng năng l ợng gió có những thuận lợi nh sau :

- Gi m hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng

l ợng hóa th ch

- Không gây ô nhiễm môi tr ng khi turbine vận hành s n xuất điện năng

- Là nguồn năng l ợng không bao gi c n kiệt

- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp đặt và xây dựng các turbine gió t ơng đối nhanh

- Mặc dù năng l ợng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng l ợng truyền thống, nh ng nó không bị nh h ng b i giá nguyên liệu và sự gián

đo n cung cấp

- các n ớc phát triển nhà n ớc hỗ trợ về thuế và các u đưi khác

- T o ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng l ợng khác, khi cùng s n xuất ra một đơn vị năng l ợng Số ng i làm việc cho các trung tâm năng l ợng gió trên khắp thế giới kho ng 100000 công nhân Một Megawatt điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc

- Các turbine gió mang l i nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các ch đất từ nguồn thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà không làm nh h ng đến việc canh tác ngay trên m nh đất đó

- Công nghệ năng l ợng gió có thể thay đổi cho nhiều ng dụng có công suất từ

nhỏ đến lớn Th i gian từ khi kh o sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm đ ợc

Hiện nay năng l ợng gió Việt Nam với lợi thế b biển tr i dài 3260 km và

gần 3000 hòn đ o lớn nhỏ rất có tiềm năng, theo đánh giá c a Ngân hàng thế giới thì tiềm năng về năng l ợng gió c a Việt Nam so với các n ớc trong khu vực là

t ơng đối khá, nh ng so với thế giới thì vẫn thấp Việc khai thác năng l ợng gió

hợp và cũng do chế độ gió Việt Nam là không cao chỉ tập trung một vài nơi, nên khó phát triển trên diện rộng Để các máy phát điện gió cỡ lớn ho t động hiệu qu , thì các máy này ph i đ ợc đặt những nơi gió m nh và năng l ợng gió trên bình

diện rộng Do vậy, với năng l ợng gió Việt Nam sẽ thuận lợi khi dùng các lo i máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ phù hợp với tiềm năng gió c a Việt Nam Những lo i máy phát điện gió công suất nhỏ phù hợp với các vùng nông thôn, các vùng h i đ o và những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

- Tìm hiểu và nghiên c u về năng l ợng gió

- Tìm hiểu về máy phát điện gió công suất nhỏ

- Phân tích các nh h ng c a việc hòa hai nguồn điện

- Xây dựng ph ơng trình và gi i thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng l ợng

- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng l ợng gió vào l ới điện - phân phối

1.3 Ph m vi nghiên c u

- Nghiên c u khái quát về năng l ợng gió

- Nghiên c u về máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên c u về mối quan hệ c a các thông số trong máy phát điện gió công

suất nhỏ

- Nghiên c u về mối quan hệ truyền động trong máy phát điện gió công suất

nhỏ

- Nghiên c u bộ nghịch l u công suất nhỏ một pha khi hòa vào l ới điện

- Nghiên c u ph ơng pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC

- Nghiên c u tính toán các thông số khi hòa nguồn năng l ợng gió vào l ới điện phân phối

- Đ a ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng l ợng gió vào l ới điện

1.4 Ph ơng pháp nghiên c u

- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên c u

- Nghiên c u tổng quan về năng l ợng gió

- Nghiên c u các thông số nh h ng đến máy phát điện gió

- Nghiên c u và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số làm nh h ng đến hiệu suất c a máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên c u các mô hình hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng l ợng gió và l ới điện nh h ng c a các thông số khi hòa Đề nghị mô hình tính toán cụ thể

- Xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực

tế

- Phân tích các kết qu nhận đ ợc và các kiến nghị

- Đánh giá tổng quát toàn bộ b n luận văn Đề nghị h ớng phát triển c a đề tài

1.5 Điểm mới c a luận văn

- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối máy phát điện gió có công suất nhỏ hòa đồng bộ l ới điện quốc gia

- Tìm ra các thông số nh h ng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng

l ợng gió và l ới điện quốc gia

- Đ a ra gi i thuật và ch ơng trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng

l ợng gió hòa vào l ới điện quốc gia

- Góp phần ổn định l ới điện phân phối

- Góp phần tiết kiệm năng l ợng c a các hộ tiêu thụ điện cũng nh cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng l ợng

1.6 Giá trị thực tiễn c a luận văn

- Đóng góp một gi i pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng

l ợng hóa th ch bằng các nguồn năng l ợng vô tận trong xu thế phát triển c a thế giới ngày nay

- Đây là gi i pháp rất kh khi để nâng cao chất l ợng điện năng cho các vùng

tự nhiên nên th ng là các vùng cuối l ới điện nên điện áp không đ m b o

Việc dùng các máy phát điện gió là một gi i pháp hữu hiệu để nâng áp cho các vùng này

- Nâng cao đ ợc hiệu suất cho máy phát điện gió công suất nhỏ,

- Làm tài liệu tham kh o và làm nền t ng để phát triển h ớng cho các nghiên

c u sau này

- ng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng l ợng gió và l ới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện

- Giúp các nhà ho ch định chiến l ợc về nguồn năng l ợng quốc gia có thêm

một h ớng mới về việc phát triển nguồn năng l ợng trong t ơng lai

- Sử dụng làm tài liệu gi ng d y

- Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng l ợng gió hòa vào l ới điện quốc gia

Ch ơng 1: Giới thiệu

Ch ơng 2: Tổng quan

Ch ơng 3: Kh o sát và tính toán

Ch ơng 4: Mô hinh hoa va mô phỏng

Ch ơng 5: Kết luận và H ớng phát triển

2.1 Tổng quan về năng l ợng gió

Hàng nghìn năm nay con ng i đư biết khai thác s c gió để vận hành các cỗ máy phục vụ cho cuộc sống c a mình, từ việc dựa vào s c gió để dong buồm ra khơi cho đến vận hành các máy bơm n ớc hay xay ngũ cốc Hình nh cối xay gió trên những miền quê ph ơng Tây đư tr nên tiêu biểu qua nhiều thế kỷ

Hình 2 1 Turbine gió đầu tiên c a Charles F.Brush, Cleveland, Ohio 1888 Đến cuối thế kỷ 19 chiếc máy phát điện dùng s c gió đầu tiên ra đ i, với tên

gọi là turbine-gió để phân biệt với cối-xay-gió ( biến năng l ợng gió thành cơ năng) Charles F Brush đư t o ra chiếc turbine gió có kh năng phát điện đầu tiên trên thế giới t i Cleveland, Ohio vào năm 1888 Giống nh một cối xay gió khổng lồ có

đ ng kính 17m với 144 cánh bằng gỗ mỏng, Hình 2.1

Năm 1891 nhà khí t ợng học ng i Đan M ch Poul The Mule Cour xây dựng

một turbine thử nghiệm Askov – Đan M ch, Hình 2.2 Turbine gió này có một rô

to bốn cánh kiểu cánh máy bay và có trục quay nhanh hơn

Hình 2 2 Turbine gió c a Poul la Cour, Askov, Đan M ch năm 1897

Năm 1922, kỹ s ng i Phần Lan S.J.Savonius đư c i tiến nguyên lý đẩy c a khái niệm trục đ ng bằng cách thay thế cánh buồm bằng hai cốc hình tròn, Hình 2.3 Năm 1931, kỹ s ng i Pháp George Darrieus phát minh ra turbine gió trục

đ ng Darrieus Dựa vào nguyên lý kéo, turbine này có hai (hoặc nhiều hơn) cánh

mềm d ng cánh máy bay Một đầu cánh gắn đỉnh và một đầu gắn xuống đáy c a

trục đ ng chính turbine, giống nh một cái máy đánh tr ng khổng lồ Sau đó những

mẫu thiết kế đ ợc c i tiến với cánh qu t có rưnh để hiệu suất turbine cao hơn

Năm 1950 kỹ s Johannes Juhl, đư phát triển turbine gió 3 cánh có kh năng phát điện xoay chiều, đây chính là tiền thân c a turbine gió Đan M ch hiện đ i

Cuộc kh ng ho ng dầu ho vào năm 1973, đư làm cho con ng i quan tâm tr l i đến tính th ơng m i c a năng l ợng gió và làm tiền đề cho sự phát triển công nghệ cao hơn t i Đan M ch và Califonia

Hình 2 3 Turbine gió trục đ ng kiểu Savonius Tuy nhiên mưi đến những năm 1980, công nghệ turbine gió mới đ thuận lợi

để tồn t i, xét về mặt kinh tế, để các turbine gió cỡ lớn phát điện Hầu hết các nghiên c u và phát triển đều tiến hành trên turbine trục ngang, mặc dù vẫn có các nghiên c u sâu hơn trên mẫu thiết kế trục đ ng Darrieus Canada và Mỹ vào

những năm 1970 và 1980, mà đỉnh cao c a nó là chiếc máy với đ ng kính rô to là 100m có công suất 4.2MW với tên gọi “Eole C” t i Cap Chat – Quebec, Hình 2.4 Tuy nhiên nó chỉ vận hành đ ợc có 6 tháng thì h hỏng cánh qu t, do s c chịu đựng

c a cánh qu t quá kém

Châu Âu dẫn đầu trong lĩnh vực năng l ợng gió, vào năm 1982 công suất tối

đa c a các turbine gió chỉ có 50 kW Đến năm 1995 các turbine gió th ơng m i đư

đ t công suất lên gấp 10 lần, t c kho ng 500 KW Trong th i gian đó, chi phí xây

dựng các turbine gió gi m đột ngột, chi phí s n xuất điện năng gi m đi một nửa

Một số l ợng lớn turbine gió từ cỡ lớn tr thành lo i cực nhỏ, vì s n l ợng c a chúng chỉ vài KWh/tháng Các turbine gió ngày nay đ ợc xây dựng với kích th ớc lên đến 3 MW và đ ng kính là 100m Hiện nay có nhiều nhà máy s n xuất turbine gió kích th ớc lớn

Hình 2 4 Turbine gió trục đ ng Darrieus kiểu “Eole C” t i Cap Chat, Quebec

2.1.2 Năng l ợng gió thế giới

Năng l ợng gió trên thế giới hiện đang trong th i kỳ phát triển rực rỡ nhất, đặc biệt là các N ớc Cộng đồng châu Âu, công nghệ turbine gió có thể gi i quyết đ ợc các vấn đề: c n kiệt nguồn tài nguyên hóa th ch, hiệu ng nhà kính, tuân th các điều kho n trong Nghị định Th Kyoto về hiện t ợng trái đất ấm dần lên

Tổng công suất lắp đặt điện gió trên toàn thế giới tính đến cuối năm 2011 là 239.000 MW Tính trung bình hằng năm công suất lắp điện gió tăng từ 20-30% qua các năm đ ợc thể hiện trong hình 2.5

Qua b ng thống kê sơ bộ trong hình 2.6, ta có thể khái quát thực tr ng về sự phát triển năng l ợng gió trong những năm gần đây Điển hình nhất là Trung Quốc năm 2009 chỉ đ ng th 2 trên thế giới với tổng công suất lắp đặt 25.810MW Sang năm 2010 Trung Quốc v ợt lên dẫn đầu thế giới và tiếp tục đ ng vị trí đầu vào năm

2011 với tổng công suất lắp đặt lên tới 62.733MW bỏ xa n ớc th hai là Mỹ tới 16.000MW

Với tình hình phát triển nhanh chóng nh hiện nay t i các n ớc châu Âu, cho

thấy s n l ợng c a các n ớc này sẽ còn tiếp tục tăng Mỹ và Canada cũng tích cực phát triển m rộng tăng công suất năng l ợng gió

Hình 2 5 Biểu đồ công suất điện gió qua các năm trên thế giới

Các n ớc Trung Đông, Viễn Đông và Nam Mỹ cũng bắt đầu đ a năng l ợng gió vào nền công nghiệp năng l ợng c a n ớc mình Hiện t i các n ớc này có

những dự án phát triển đến năm 2010 đ t đ ợc s n l ợng là 150 GW

Tốc độ m rộng phụ thuộc vào m c độ hỗ trợ c a chính ph , chính quyền các

n ớc cũng nh cộng đồng quốc tế Đây cũng là trách nhiệm chính cho các n ớc trong việc tuân th cắt gi m l ợng khí th i Carbon Dioxide theo Nghị Định Th Kyoto về cắt gi m khí th i gây hiệu ng nhà kính

Một làn sóng công nghệ mới đư và đang phát triển nhanh chóng với mục tiêu

t ơng lai là c i thiện công suất và gi m giá thành

Hình 2 6 Công suất lắp đặt điện gió c a 13 n ớc đ ng đầu thế giới

2.1.3 Năng l ợng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển năng l ợng gió

2.1.3.1 Năng l ợng gió Việt Nam

Tiềm năng về năng l ợng gió Việt Nam chỉ vào lo i trung bình Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng l ợng gió thấp khai thác không hiệu qu Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió t ơng đối khá tuy nhiên công suất l i không lớn Chỉ dọc theo b biển và trên các h i đ o năng l ợng gió tốt hơn Nơi có nguồn năng l ợng tốt nhất là đ o B ch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đ t đ ợc từ 7.1- 7.3m/s Tiếp đến là các khu vực đ o Tr ng Sa, Phú Quí, Côn Đ o có tốc độ gió trong kho ng 4.0- 6.6m/s Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng l ợng gió Việt Nam ch a đ ợc điều tra đánh giá đầy đ vì phần lớn số liệu về năng l ợng gió ch yếu chỉ thu thập qua các tr m Khí t ợng Th y văn, t c chỉ đo độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất Chúng ta đang thiếu số liệu về năng l ợng gió các độ cao trên 40m Hiện nay đang có kho ng 10 cột đo gió độ cao từ 30m đến 65m

Hình 2 7 Gió trung bình hàng năm độ cao 65 m và 30m

Hình 2 8 Gió trung bình hàng năm độ cao 65 m vào mùa Xuân và mùa H

Hình 2 9 Gió trung bình hàng năm độ cao 65 m vào mùa Thu và mùa Đông Theo kh o sát gần đây nhất c a IOE, Việt Nam có kho ng 31000km2 đất có

3572MW với điện có thể đ ợc t o ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh Nghiên

c u cũng đư minh ch ng đ ợc rằng năng l ợng gió sẽ là gi i pháp tốt cho kho ng

300000 hộ c dân nông thôn không có điện Trong khi năng l ợng gió có thể mang đến những lợi ích về môi tr ng, kinh tế, xã hội… Nh ng hiện nay l ợng điện năng khai thác từ gió gần nh là con số không Nhà n ớc cũng ch a có chính sách hỗ trợ, khuyến khích nào cho năng l ợng gió Vì vậy, nhiệm vụ u tiên hàng đầu hiện nay

là đặt mục tiêu cho phát triển năng l ợng tái sinh và để tìm tòi nghiên c u công nghệ mới phù hợp với Việt Nam

Theo số liệu c a Ngân Hàng Thế Giới kh o sát năm 2000 thì Việt Nam do điều kiện địa lý và th i tiết giữa các vùng là khác nhau nên tốc độ gió trung bình và chiều gió có sự khác nhau:

- Vùng Tây Bắc Việt Nam (Lai Châu, Điện Biên Sơn La) có vận tốc gió trung bình hàng năm kho ng từ 0.5 – 1.9m/s

- Khu vực miền núi phía Bắc (Cao Bằng, L ng Sơn, Sa Pa) có vận tốc gió trung bình cao hơn, nh ng cũng chỉ kho ng từ 1.5 – 3.1m/s, vận tốc cực đ i trung bình kho ng trên 40m/s

- Đồng Bằng Bắc Bộ (Tam Đ o, Hà Nội) có vận tốc gió trung bình kho ng 2.0 – 3.5m/s Vận tốc trung bình cực đ i trên 35m/s

- Vùng b biển từ Móng Cái tới Hòn Gai, Phú Liên, Thanh Hóa, Vinh, Đồng

Hới có vận tốc gió trung bình tăng, kho ng 2.0 – 4.0m/s Cực đ i trên 50m/s

- Vùng b biển từ Huế tới Tuy Hòa (Huế, Đà Nẵng, Qu ng Ngưi, Quy Nhơn, Tuy Hòa) có vận tốc gió trung bình khá ổn định kho ng 3.0 - 5.0m/s Cực đ i trên 35m/s

- Vùng b biển từ Nha Trang tới R ch Giá (Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu, Phú Quốc, R ch Giá) có vận tốc trung bình 2.4 – 6.1m/s, cực đ i trên 30m/s

- Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (Thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Cà Mau) có vận tốc gió trung bình kho ng 2.2 – 4.0m/s, cực đ i 26m/s

- Tây Nguyên (Đà L t, Pleiku) có vận tốc gió trung bình kho ng 2.4 – 4.5m/s, cực đ i 24m/s

Những dự án năng l ợng gió đư và đang triển khai t i Việt Nam: nhà máy phát điện s c gió đầu tiên Việt Nam ph i kể đến là nhà máy đặt t i huyện đ o B ch Long Vỹ, TP H i Phòng Công suất 800KW với vốn đầu t 0.87 triệu USD (14 tỉ đồng) Nh vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì th i gian hoàn vốn là 7 - 8 năm Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đư có 3 cơn bưo lớn, tốc độ gió đều v ợt qua cấp 12 nh ng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an toàn Nhà máy điện gió th 2 c a c n ớc đặt huyện đ o Lý Sơn (Qu ng Ngãi)

vận hành bằng s c gió, có kết hợp máy phát điện diesel với tổng công suất 7MW, tổng vốn đầu t gần 200 tỷ đồng Dự án đ ợc chia làm 3 giai đo n: giai đo n 1

đ ợc thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có công suất 2.5 MW, vốn đầu t 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân khẩu Giai đo n 2 nâng công

suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 -2009 và giai đo n 3 đ ợc thực hiện trong các năm 2009 - 2012 sẽ công suất lên trên 10MW

Nhiều dự án điện gió rất lớn với mục tiêu hòa vào l ới điện quốc gia vẫn đang

đ ợc xúc tiến Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, t i khu kinh tế Nhơn Hội,

tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu t hơn 35.7 triệu USD Theo thiết kế, nhà máy

đ ợc đầu t xây dựng toàn bộ 14 turbine, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch vụ kèm theo S n l ợng điện hằng năm c a nhà máy hoà vào l ới điện quốc gia đ t kho ng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào ho t động cuối năm

2008 Hiện t i, nhà máy điện gió đang đ ợc xây dựng t i Bình Thuận với công suất khá lớn

Một dự án đầu t rất lớn đang có thể tr thành hiện thực Việt Nam đó là xây

dựng nhà máy điện gió có công suất phát điện 120 MW với vốn đầu t 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn EurOriont đầu t chính Để có một hình dung

về con số này, hãy so sánh với th y điện - th y lợi Rào Quán Qu ng Trị, vốn đầu

t 2000 tỉ đồng và công suất phát điện là 64 MW

Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu t 1000USD/kW, kh năng thu hồi vốn trong vòng 10 năm, giá thành điện không cao 5UScents/kWh Theo dự

800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh Với quy mô nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và h i đ o Với quy mô lớn thì th ng đ ợc phát triển những vùng trống, khô cằn vùng Nam Trung bộ nh Qu ng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Bình Thuận

Việt Nam hiện vẫn còn kho ng 4.5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng

xa, h i đ o… vẫn ch a có điện Theo quy ho ch phát triển m ng l ới điện thì dự

kiến đến năm 2010, vẫn còn trên 1000 xã (trong tổng số hơn 9000 xư) đ i diện cho

500000 hộ dân với dân số kho ng 3 triệu ng i vẫn ch a có l ới điện quốc gia

Nh vậy, căn c vào tổng quan tình hình năng l ợng và xu h ớng phát triển

c a năng l ợng gió phân tán trên thế giới mà ta đư phân tích trên, thì mô hình máy phát điện công suất nhỏ rất phù hợp với điều kiện Việt Nam Sau đây là những lý do

vì sao cần ph i phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ t i Việt Nam:

- Có thể gi i quyết đ ợc ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể trong tổng số 4.5 triệu dân vùng sâu, vùng xa ch a có điện, đặc biệt là các cụm dân c độc lập mà việc hòa l ới điện sẽ rất tốn kém và lâu dài

- Việt Nam có c hàng ngàn km b biển, tập trung nhiều khu đô thị, cụm dân c ven biển có nguồn gió phù hợp với mô hình máy phát điện nhỏ (vận tốc gió từ 2m/s- 6m/s) Đối t ợng này nếu đ ợc khai thác tốt sẽ làm gi m áp lực đáng kể lên l ới điện quốc gia

- Các hộ dân c trên hàng ngàn đ o nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu thuyền đánh

cá nhỏ có thể tự ch nguồn năng l ợng cho chính mình với giá thành thấp hơn

việc dùng máy phát diesel nh hiện nay

- Chi phí đầu t cho máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ hơn lo i dùng tấm pin mặt tr i có cùng công suất

- Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng các nguồn nhiên liệu t i địa ph ơng

- Dễ b o trì, sửa chữa, th i gian sử dụng lâu hơn lo i dùng tấm pin mặt tr i

- Các máy phát điện gió công suất nhỏ có thể ho t động vận tốc gió thấp hơn

so với các máy phát cỡ lớn

Việt Nam có tiềm năng về năng l ợng gió khá lớn so với các n ớc trong khu

vực, điều này là một thuận lợi lớn Việc đánh giá đúng m c chế độ gió và phát triển

mô hình máy phát điện gió công suất nhỏ là hoàn toàn phù hợp với điều kiện kinh tế

c a Việt Nam hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển c a thế giới Vấn đề đặt ra đây là chúng ta sẽ lựa chọn mô hình nào máy phát điện gió nào để phù hợp cho điều kiện gió cũng nh điều kịện kinh tế c a Việt Nam

Hình 2 10 Thành phần chính c a một hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió kết nối

l ới điện Thành phần chính c a một hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió hiện đ i bao

gồm:

- Tubin gió: có hai lo i trục dọc và trục ngang nh trình bày trong phần tr ớc Tubin gió trục ngang với u điểm hiệu suất cao, đ ợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chuyển đổi công suất lớn Trong bài luận này chúng ta sẽ dùng

lo i tubin này vì tính phổ biến và kh năng lắp đặt trên cao ( tránh các vật c n bên d ới) c a chúng

- Tháp đỡ: để có đ ợc nguồn gió lớn và ổn định ng i ta th ng lấy gió trên cao Tháp đỡ dùng để nâng đỡ hệ thống tubin, máy phát, các bộ phận cơ khí…

cấu trúc tháp đỡ bằng bê tông hoặc thép, có tính toán tần số công h ng khi

đ a hệ thống vào ho t động

- Hộp truyền động ( Gear box): máy phát th ng có tốc độ định m c kho ng

1000 đến 1500 rpm trong khi tốc độ c a tubin gió chỉ kho ng 30-50 rpm Vì

- Máy phát điện: hầu hết các hệ thống kết nối với l ới điện đều sử dụng máy phát đồng bộ ho t máy phát c m ng một số hệ thống làm việc độc lập sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu Trong luận văn này chúng ta dùng máy phát điện nam châm vĩnh cửu để mô phỏng do máy phát điện gió có công

suất nhỏ

- Bộ biến đổi công suất: đ ợc sử dụng để hòa đồng bộ, điều khiển và b o vệ máy phát kết nối l ới điện bộ biến đổi công suất chính là linh hồn c a hệ

thống chuyển đổi năng l ợng kết nối l ới điện

- Thiết bị truyền t i, kết nối l ới điện: các máy biến áp đ ợc sử dụng để kết nối

l ới điện

- Hệ thống điều khiển, giám sát và b o vệ: Hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió

hiện đ i sẽ đ ợc trang bị các hệ thống điều khiển và giám sát máy phát Nhằm

tối u công suất nhận đ ợc từ gió, b o vệ toàn hệ thống khỏi sự cố Hệ thống này bao gồm các c m biến đo h ớng gió, tốc độ gió đ ợc thiết kế làm việc với

m c an toàn và tin cậy cao để đ m b o hệ thống làm việc an toàn Trong luận văn, hệ thống này có nhiệm vụ đo l ng tốc độ gió nhằm để xác định công

suất ngõ ra cực đ i đồng th i với tốc độ gió thu đ ợc hệ thống sẽ cho phép máy phát bắt đầu ho t động khi lực tác động c a gió thắng đ ợc lực ma sát

c a các thành phần cơ khí và làm quay các cánh qu t gió Khi vận tốc gió tăng cao và v ợt qua ng ỡng an toàn c a máy phát thì thành phần b o vệ sẽ thu các cánh qu t gió l i và ngừng ho t động c a tubin gió đông thơi ma ̣ch bảo vê ̣ cũng ngắt máy phát điện gió ra khỏi l ới điện nhằm b o vệ an toàn cho l ới điê ̣n cũng nh may phat điê ̣n gio

Tubin gió có thể vận hành tốc độ cố định ( thông th ng trong ph m vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Đối với tubin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát đ ợc nối trực tiếp với l ới điện, do tôc đọ làm việc đ ợc

cố định theo tần số l ới điện nên hầu nh không thể điều khiển và do đó không có

kh năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió Vì vậy, đối với hệ thống

tubin gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự giao động sẽ gây nên sự dao động công

suất và làm nh h ng đến chất l ợng điện năng c a l ới điện Đối với tubin gió tốc

độ thay đổi, vận tốc máy phát đ ợc điều khiển b i thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể đ ợc hấp thụ bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc c a rotor và sự dao động công suất gây nên b i hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió vì thế có thể đ ợc h n chế Nh vậy, chất l ợng điện năng do bị nh h ng b i tubin gió có thể đ ợc c i thiện so với tubin gió tốc

độ cố định

Vì tốc độ quay c a tuabin gió khá thấp nên cần đ ợc điều chỉnh theo tần số điện điều này có thể đ ợc thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ c a máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc c a máy phát theo tần số

l ới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay c a turbine theo vận tốc máy phát

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió sau đây đ ợc đề

cập:

- Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy điện nam châm vĩnh cửu hoặc máy phát đồng bộ

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía

2.2.2.1 Hệ thống tubin gió cố định

Hình 2 11 Hệ thống tubin gió tốc độ cố định

Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy điện nam châm vĩnh cửu đ ợc kết nối

trực tiếp với l ới điện, điện áp và tần số máy phát đ ợc quyết định b i l ới điện

nh hình 2.11

Hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió tốc độ cố định th ng làm việc hai tốc

độ cố định, điều này đ ợc thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định m c

và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nh ng có hai cuộn dây với định m c và số cặp cực khác nhau Thực hiện nh vậy sẽ cho phép tăng công suất thu đ ợc từ gió cũng nh gi m tổn hao kích từ tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ th ng cho phép làm việc trong ph m vi độ tr ợt từ 1 – 2%, vì độ tr ợt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn

Mặc dù có cấu t o đơn gi n, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này

có 3 nh ợc điểm chính:

- Không thể điều khiển công suất tối u

- Do tốc độ rotor đ ợc giữ cố định nên ng lực tác động lên hệ thống lớn khi

tốc độ thay đổi đột ngột

- Không có kh năng điều khiển tích cực (Active control)

Cấu hình hệ thống này đ ợc trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và l ới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát đồng bộ (SG) Với cấu hình này, có thể điều khiển tối u công suất nhận đ ợc

từ gió, nh ng do ph i biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn

Hình 2 12 Hệ thống tubin gió tốc độ tay đổi biến đổi toàn bộ công suất phát

Hệ thống bao gồm turbine gió đ ợc trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator đ ợc nối trực tiếp với l ới điện, trong khi đó rotor dây quấn đ ợc nối thông qua một bộ biến đổi công suất d ng back to back nh hình 2.13 Ngày nay,

cấu hình này tr nên rất thông dụng do chỉ ph i biến đổi một l ợng 20 – 30% c a toàn bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất gi m xuống đáng

kể so với cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát

Hình 2 13 Hệ thống tubin gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía roto

2.3 Tổng quan về các kiểu turbine gió

Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và đ ợc phân ra làm hai lo i

cơ b n chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đ ng (VAWT) Các cánh qu t gió th ng có các d ng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều đ ợc dùng để “bắt” năng l ợng gió để t o ra mô men quay trục turbine, nh hình 2.14

Turbine gió trục ngang (HAWT) có rô to kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang Số l ợng cánh qu t có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy lo i 3 cánh là

có hiệu suất cao nhất HAWT có các thành phần cấu t o nằm thẳng hàng với h ớng gió, cánh qu t quay đ ợc truyền động thông qua bộ nhông và trục Lo i turbine trục ngang không bị nh h ng b i sự xáo trộn luồng khí (khí động học), nh ng yêu cầu

ph i có một hệ thống điều chỉnh h ớng gió bằng cơ khí để đ m b o các cánh qu t luôn luôn h ớng thẳng góc với chiều gió

Hình 2 14 Cấu t o turbine trục đ ng và trục ngang

9 Chiều gió phía sau rô to 10 Chiều cao rô to

13 Cánh rô to với gócb ớc cố định 14 Nền rô to

Turbine gió trục đ ng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đ ng Lo i này không cần ph i điều chỉnh cánh qu t theo h ớng gió và có thể ho t động bất

kỳ h ớng gió nào Việc duy tu b o qu n và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ

phận chính nh máy phát, hệ thống truyền động đều đ ợc đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống

Đư có nhiều tranh luận xoay quanh vấn đề này, có thể nói bắt đầu từ khi phát minh ra các bộ chuyển đổi năng l ợng gió Các chuyên gia đư đ a ra nhiều quan điểm khác nhau Dennis G.Shepherd đư so sánh hai lo i turbine này một cách toàn

diện nhất trong tác phẩm “Năng l ợng gió”, ông đư đ a ra những u và nh ợc điểm

t ơng đối c a hai lo i turbine này nh sau:

u điểm c a VAWT so với HAWT:

- Một turbine gió trục đ ng truyền thống là một cỗ máy không h ớng Nghĩa là VAWT ho t động mà không phụ thuộc vào h ớng gió Nh vậy hệ thống xoay

h ớng gió ph c t p c a HAWT sẽ không cần thiết VAWT

- VAWT đ ợc đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT ph i đ ợc đ a lên tháp cao Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt d ới đất thì việc lắp đặt, b o trì sẽ rất thuận tiện và dễ dàng

- Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao c a HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với lo i trục đ ng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh Về ph ơng diện này, các turbine gió trục đ ng đ ợc coi nh thân thiện

với môi tr ng hơn so với lo i trục ngang

- Các cánh qu t c a VAWT không bị ph i chịu đựng áp lực khi xoay Cánh c a VAWT rẻ và bền cao hơn so với HAWT

- VAWT đ ợc thiết kế sao cho t i ly tâm đ ợc cân bằng b i các lực trên cánh

H n chế c a VAWT:

- VAWT nói chung không thể tự kh i động đ ợc Rô to Savonious là một ngo i

lệ nh ng nó có hiệu suất khá thấp

- Vì VAWT đ ợc đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp

và thay đổi liên tục Với cùng một diện tích quét và trọng l ợng thì công suất ngõ ra c a VAWT thấp hơn HAWT

- Các dây cáp chằng VAWT chiếm khá nhiều diện tích, nên có thể gây khó khăn cho việc tận dụng phần đất bên d ới turbine, đất đai th ng canh tác, trồng trọt bên d ới

- Toàn bộ trọng l ợng c a VAWT đ ợc đặt lên bộ đệm đỡ phía d ới, bộ đệm này rất c ng, linh ho t và có độ tin cậy cao khi vận hành Tuy nhiên khi bộ đệm này h hỏng, thì đòi hỏi ph i tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa

chữa hoặc thay thế

- Đối với VAWT, mô men quay và công suất ngõ ra thay đổi thất th ng một cách tuần hoàn khi cánh qu t đi vào và ra khỏi vùng tác động c a gió trong

mỗi vòng quay, trong khi HAWT mô men quay và công suất ngõ ra khá ổn định

Do mô men quay c a VAWT thay đổi tuần hoàn, nên t o ra nhiều tần số dao động tự nhiên Điều này rất nguy hiểm và cần ph i đ ợc lo i bỏ nhanh chóng b i bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng h ng sẽ gây h hỏng nghiêm trọng cho rô to Trong khi đó một HAWT nếu đ ợc thiết kế kỹ l ỡng sẽ không có những vấn đề rung động nh vậy

Sự phát triển mang tính c nh tranh và những gì làm đ ợc c a turbine trục ngang sẽ bị h n chế trong t ơng lai, phần lớn là do t i trọng c a những cánh qu t ngày càng lớn Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nh ng turbine trục

đ ng không chịu áp lực nhiều từ t i trọng c a nó, điều làm giới h n kích th ớc c a turbine trục ngang

Xét về mặc hiệu qu kinh tế, các nhà phân tích cho rằng: nếu tr ớc đây các turbine trục đ ng với công suất ngõ ra kho ng 10 MW đ ợc phát triển thì ít nhất nó

cũng làm đ ợc những gì mà turbine trục ngang làm đ ợc ngày nay, nh ng chi phí trên một đơn vị công suất thấp hơn nhiều, do đó vấn đề hiệu suất c a turbine trục

đ ng thấp 19% đến 40% so với 56% turbine trục ngang là không quan trọng

2.4.1 Tính cần thiết c a việc kết nối máy phát điện gió vào l ới điện phân phối

Ngày nay với xã hội phát triển đòi hỏi cần nguồn năng l ợng điện lớn Vì vậy đòi hỏi ph i phát triển nhiều nguồn năng l ợng điện khác nhau nh : nhiệt điện, th y điện, năng l ợng h t nhân … nh ng những nguồn năng l ợng này ngày càng c n

kiệt l i nh h ng đến môi tr ng cũng nh môi tr ng sinh thái Vì vậy cần nguồn năng l ợng đ m b o đ ợc các yếu tố trên nh ng l i là vô tận Phong điện, năng

l ợng mặt tr i đ ợc khai thác triệt để nh ng l i rất tốn kém Với ý t ng tận dụng những nguồn nhỏ sẵn có c a các hộ gia đình công suất nhỏ nh : năng l ợng mặt

tr i, năng l ợng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas sẽ cùng kết nối vào l ới điện nhằm gi m t i cho l ới điện từ các hộ gia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ thống điện

Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộ gia đình vào hệ thống điện nhằm đ m

b o liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ t i hộ gia đình đang dùng cũng nh

h n chế việc quá t i trên đ ng dây Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa

c a các nguồn năng l ợng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi t i hộ gia đình nhỏ mà nguồn năng l ợng phát lớn Đây chính là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị quá t i

Việc kết nối giữa máy phát điện năng l ợng gió vào l ới điện phân phối không ph i là một việc làm quá mới mẽ trong th i đ i ngày nay, vì đư có nhiều nhà máy phong điện đ ợc xây dựng và đi vào ho t động Tuy nhiên, việc kết nối này

phần lớn chỉ thực hiện trên các nhà máy phong điện công suất lớn, có công suất vài

MW, còn đối với các nhà máy điện gió công suất nhỏ vài chục đến vài kW, có qui

mô hộ gia đình, thì hầu nh không đ ợc quan tâm và phát triển Lí do ch yếu đ a

ra là ngoài việc công suất quá thấp thì việc các nhà máy điện gió lo i nhỏ phần lớn

l ới quốc gia gặp rất nhiều khó khăn khi triển khai lắp đặt Chính vì vậy, nhu cầu

nối l ới t i các vùng này hầu nh không có Tuy nhiên, trong tình hình an ning năng l ợng luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu và việc mất điện luân phiên do nhu

cầu v ợt quá kh năng cung ng c a hệ thống điện thì việc phát triển triển các nhà máy phong điện không chỉ dành cho các vùng địa lí khó khăn mà ngay các đô thị cũng đ ợc đặt biệt quan tâm trong vấn đề tìm các nguồn năng l ợng thay thế để bù đắp l ợng điện thiếu hụt trong gi cao điểm

Điều này cho ta thấy đ ợc tính cấp thiết c a việc nghiên c u các gi i pháp thích hợp để có thể kết nối các máy phát điện gió công suất nhỏ vào l ới điện phân

phối Do việc phát triển các nhà máy điện gió công suất lớn t i các vùng đô thị là không t ng do sự chật hẹp về không gian lắp đặt và các yêu cầu về an toàn khác

Do vậy việc lắp đặt các turbin gió trên các sân th ợng các tòa nhà là kh thi nhất

Và thực tế đư có nhiều máy phát điện gió cỡ nhỏ đư đ ợc lắp đặt và vận hành thành công Tuy nhiên vấn đề các máy phát điện này ho t động độc lập với l ới điện phân

phối Chính vì vậy, việc thiết kế các bộ chuyển đổi năng l ợng gió kết nối vào l ới điện phân phối sẽ là cầu nối hữa hiệu trong việc tận dụng các nguồn năng l ợng nhỏ

lẻ thành một nguồn năng l ợng đáng kể trong hệ thống phân phối điện năng Góp

phần đa d ng hóa các nguồn năng l ợng và đ m b o an ninh năng l ợng trong th i gian không xa

Nhiệm vụ c a luận văn là thiết kế một bộ chuyển đổi năng l ợng gió để kết

nối vào l ới điện phân phối sao cho có thể tận dụng tối đa công suất gió Đồng th i trong điều kiện gió không thay đổi hay thay đổi không đáng kể thì bộ chuyển đổi có nhiệm vụ cấp lên l ới một công suất tác dụng ổn định và l ợng công suất ph n kháng đ ợc duy trì m c độ thấp nhất có thể Việc ổn định công suất tác dụng bơm vào l ới điện sẽ giúp cho hệ thống không bị các nhiễu lo n trong việc kết nối và nâng cao hệ số công suất

2.4.2 Hòa đồng bộ hai máy phát

Về cơ b n, các nguồn điện hiện nay đ ợc phân chia thành hai lo i cơ b n là nguồn dòng và nguồn áp

- Nguồn áp là nguồn điện có kh năng cung cấp một hiệu điện thế ổn định phụ thuộc vào tính chất đặc điểm c a nguồn điện, còn giá trị về dòng điện sẽ phụ thuộc vào các đặc điểm môi tr ng bên ngoài mà nó kết nối cũng nh đặc tính bên trong c a chính nó Ví dụ nguồn áp một chiều 5V, 12V hay nguồn áp xoay chiều 220V, 11.5KV, 500KV

- Nguồn dòng là nguồn điện sẽ cung cấp cho môi tr ng liên kết bên ngoài một dòng điện có giá trị không phụ thuộc vào tính chất cũng nh môi tr ng liên

2.4.2.1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp

Ta biết rằng thao tác hoà đồng bộ hai máy phát là chọn điểm đồng bộ để đóng

áp to mát c a tổ máy hoà lên l ới là việc song song với tổ máy phát đang làm việc trên l ới Điểm hoà chính xác là điểm thỏa mưn các điều kiện sau:

- Biên độ Sđđ máy hòa bằng điện áp l ới Eh =Ul

- Giá trị tần số c a máy hoà ph i bằng tần số c a l ới Fh = fl

- Các tổ máy phát ph i có cùng th tự pha

- Góc lệch giữa hai véc tơ Eh,Ul bằng "không "

Để phân tích các điều kiện ta có thể gi thiết các máy phát đang làm việc khi thực hiện hoà đồng bộ chính xác ph i làm sao để dòng điện cân bằng ch y giữa các máy phát điện có giá trị nhỏ nhất để máy phát không hỏng, các máy phát ho t động song song bình th ng Nếu các điều kiện hoà song song đ ợc tho mưn, đặc biệt góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới h n cho phép việc hoà song song

xẩy ra êm, không có dòng cân bằng lớn

Khi các điều kiện hoà song song giữa các máy phát đ ợc thỏa mãn hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha c a máy phát đang ho t động và máy phát đ ợc hoà ph i bằng không và dòng cân bằng vào th i điểm hoà bằng không, cụ thể không

có tăng dòng đột biến, không có hiện t ợng giao động điện áp trên thanh cái Nếu các điều kiện hoà đồng bộ chính xác không đ ợc tho mãn từng phần hay toàn bộ khi hòa máy phát vào m ng sẽ có dòng cân bằng và giao động điện áp trên thanh cái

với những giá trị khác nhau trên l ới đ ợc quy về một tổ máy t ơng đ ơng gọi là Fl Máy sẽ hoà vào gọi là MF1

T i bất c th i điểm nào tr ớc khi hoà ta cũng có:

) sin(

U u

e

2 sin(

) 2 cos(

cb

X X

u I

Hình 2 15 Công tác song song

Hình 2 16 Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa

2.4.2.2 Phân tích các điều kiện hòa

a Điều kiện về điện áp

Về trị số độ lớn c a điện áp l ới và Sđđ máy hoà không tho mưn trong khi đó các điều kiện kia tho mãn:





h l cb

X X

u I

; độ lớn tuỳ thuộc độ chênh lệch Biểu thị véc tơ ch ng minh điều kiện hoà th nhất không thỏa mãn ch ng tỏ dòng cân bằng còn tồn t i, dòng cân bằng này có giá trị từ 0 –Inm

Hình 2 17 Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mưn mà các điều kiện khác thỏa mãn

b Điều kiện tần số không tho mãn

Gi sử điện áp các máy phát bằng nhau, tần số khác nhau: Ul= Eh= U, fl  fh Trong tr ng hợp đó các vecto điện áp c a máy đang ho t động và máy đ ợc hoà sẽ lệch nhau một góc , Vì tốc độ góc c a 2 máy phát 1 ,2 không bằng nhau nên góc  thay đổi từ 0-1800, hiệu số hình học các điện áp nằm trong giới h n từ 0-2U Vào th i điểm hoà máy phát điện 1 vào m ng sẽ xuất hiện dòng cân bằng, giá trị c a nó phụ thuộc hiệu hình học điện áp U Vì điện tr tác dụng c a cuộn dây stator nhỏ so với điện tr kháng nên vecto dòng cân bằng Icb lệch pha với vếc tơ điện áp U một góc 900 Dòng cân bằng có giá trị đ lớn gây ra va đập cơ học trên trục các máy phát làm h hỏng nặng

Gía trị biên độ dòng cân bằng vào th i điểm hoà đối với máy phát có cuộn

2

'' 2

'' 1

d y yp

x x x

E k i

x - Điện tr kháng siêu dẫn dọc trục c a máy phát 1 và máy phát 2

Xc - Điện tr kháng, qua điện tr đó máy phát 1 đ ợc hoà với máy phát 2

Ky - Hệ số va đập, có tính đến thành phần không chu kỳ c a dòng điện

2- Hệ số xác định biên độ thành phần có chu kỳ dòng điện

Dòng cân bằng đ t giá trị cực đ i khi 1800

'' 2

'' 1

''

d c d

d y yp

x x x

E k i

Hoà song song máy phát khi góc lệch pha  lớn cũng giống nh ngắn m ch trên thanh cái tr m phát điện Trong tr ng hợp đómáy phát đ ợc hoà không thể

đ ợc kéo vào đồng bộ, các máy phát khác bị ngắt khỏi m ng nh thiết bị b o vệ và

r i khỏi đồng bộ

Dòng cân bằng đ t giá trị cực đ i khi   180 0 , U  2U (2Eh)

Nếu hệ thống điện năng có 2 máy phát giống nhau nên x''d1  x''d2,xc 0, trong

tr ng hợp xấu nhất   180 0 khi hoà song song, dòng cân bằng đ t giá trị cực đ i

bằng dòng va đập ngắn m ch 3 pha trên thanh cái c a hệ thống: ''

1

''

yp 2i

d

d y x

E k

u I







thay đổi trong kho ng từ

0 ( 00) đến Inm khi   180 0) với tần số là f s (f l f h)

Trong kỹ thuật hoà chính xác ng i ta th ng lấy góc cp 7,5100

c Điều kiện về th tự pha

Th tự pha là điều kiện ng i vận hành thực tế không cần quan tâm đến vì khi

lắp đặt hay sửa chữa, các nhà máy ph i xác định cho đúng tr ớc khi thử cho làm

việc song song Tuy nhiên về b n chất thực sự c a th tự pha biểu thị chiều quy c a véc tơ điện áp trong không gian

Theo quy ớc nếu th tự pha thuận sao điện áp sẽ quay ng ợc chiều kim đồng

hộ, trong tr ng hợp ng ợc l i là ng ợc th tự pha (biểu diễn trên hình 2.14)

Hình 2 18 Sơ đồ hệ thống ba pha vector quay

Để kiểm tra th tự pha ng i ta có các đồng hồ Phazomet, hoặc thử đơn gi n

bằng một động cơ điện xoay chiều Th tự thuận theo ng ợc chiều kim đồng hồ là Pha A, Pha B, Pha C

d Điều kiện về góc lệch pha

Điểm đồng bộ là điểm có góc lệch  giữa (Ul , Eh) = 0 Trong tr ng hợp đó

Icb = 0

các góc khác   0 thì Icb  0;

Chú ý : Thông th ng thì việc chọn điểm đóng áp tomát c a máy phát hoà sẽ

đ ợc thực hiện khi góc  < 10 độ điện về phía tr ớc khi góc  gi m tới "0" (điểm đồng bộ) do sự chậm trễ c a quan sát, động tác và hệ truyền động cơ khí, tr ớc khi goc  gi m tới "0" vì nh vậy máy hoà vào sẽ nhận ngay một phần nhỏ t i c a máy đang làm việc, tr ng hợp ng ợc l i máy hoà sẽ tr thành chế độ công suất ng ợc làm cho t i c a máy đang làm việc trên l ới tăng lên

2.4.2.3 Hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp

Xét việc hòa đồng bộ nguồn dòng vào một nguồn áp nh hình bên d ới