NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP và CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG ðiều KHIỂN ổn ÐỊNH ðiện áp máy PHÁT ðiện sức GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan, Luận văn “Nghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh ñiện áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-


 -

PHẠM THỊ LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG ðIỀU KHIỂN ỔN ðỊNH ðIỆN ÁP MÁY PHÁT ðIỆN

SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ðIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS TRẦN MẠNH HÙNG

HÀ NỘI - 2014

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan, Luận văn “Nghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng ñiều khiển ổn ñịnh ñiện áp máy phát ñiện sức gió công suất nhỏ” ñã ñược thực hiện

và hoàn thành trong quá trình khóa học tập, nghiên cứu và làm việc của tôi tại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội và Viện Cơ ñiện nông nghiệp và Công nghệ sau thu

hoạch, ñồng thời dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Trần Mạnh Hùng -

Trưởng Phòng Thí nghiệm Cơ ñiện VILAS019 thuộc Viện Cơ ñiện nông nghiệp và

Công nghệ sau thu hoạch

Tôi xin cam ñoan: Luận văn này ñã ñược thực hiện trong thời gian từ 2012 ñến

2014 Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán ñược tìm hiểu qua các tài liệu Kết quả công bố trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn

và chưa ñược công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page ii

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS TS Trần Mạnh Hùng về sự hướng dẫn tận tình, truyền ñạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm chuyên

ngành quý báu giúp tôi hoàn thành Luận văn ðồng thời tôi xin cảm ơn sự giúp ñỡ tạo ñiều kiện của Nhà trường, Khoa Cơ ñiện – Trường ðại học Nông nghiệp Hà

Nội, các ý kiến ñóng góp bổ ích của các Thầy Cô giáo, ñồng nghiệp Bộ môn Tự ñộng hóa & Bộ môn Hệ thống ñiện trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện

Luận văn cao học này

Tuy ñã rất cố gắng, Bản luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót và khiếm khuyết Tôi rất mong nhận ñược các ý kiến ñóng góp của các thầy cô giáo, ñồng nghiệp ñể hoàn thiện và nâng cao hơn nữa chất lượng của Luận văn và hướng nghiên cứu sau này

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên

Phạm Thị Lan Hương

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH, ðỒ THỊ ix

PHẦN NÓI ðẦU 1

1 Tính cấp thiết của ñề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Cấu trúc của luận văn 2

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Khái quát chung 3

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñiện sức gió trên thế giới 5

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñiện sức gió ở Việt Nam 8

1.3.1 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam 8

1.3.2 Hiện trạng nghiên cứu, ứng dụng ñiện sức gió ở Việt Nam 10

1.4 Công nghệ và hệ thống máy phát ñiện sức gió 11

1.5 Khái quát ổn ñịnh ñiện áp 21

1.6 Kết luận chương 1 22

Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 24

2.1 Phương pháp nghiên cứu 24

2.2 Phương tiện nghiên cứu 24

Chương 3 - CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 27

3.1 Khái quát chung 27

3.1.1 Công suất của hệ thống máy phát ñiện sức gió 28

3.1.2 ðiều khiển tuabin gió 28

3.1.3 Máy phát ñiện từ trở thay ñổi SRG và các phương pháp ñiều khiển 30

3.1.3.1 Cấu tạo máy phát ñiện từ trở thay ñổi SRG 30

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page iv

3.1.3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát SRG 31

3.1.3.3 Phương pháp ñiều khiển máy phát ñiện SRG 32

3.1.4 Bộ biến ñổi công suất 33

3.1.5 Bộ ñiều khiển 35

3.1.6 Bộ cảm biến dòng ñiện và bộ cảm biến vị trí 36

3.2 Thiết lập mô hình mô phỏng tốc ñộ gió 36

3.2.1 Luồng gió cơ bản ổn ñịnh 36

3.2.2 Luồng gió thay ñổi ñột ngột (gió giật) 37

3.2.3 Luồng gió thay ñổi từ từ 37

3.2.4 Luồng gió ñổi ngẫu nhiên 38

3.2.5 Mô hình toán học mô phỏng tốc ñộ gió 38

3.3 Thiết lập mô hình mô phỏng ñộng học tuabin gió 39

3.4 Thiết lập mô hình mô phỏng máy phát từ trở thay ñổi 41

3.4.1 Phân tích mô hình toán học tuyến tính của SRG 41

3.4.1.1 Quan hệ L - θ 42

3.4.1.2 Phương trình dòng ñiện i(θ) của máy phát SRG 43

3.4.1.3 Phương trình ñiện áp 1 pha 45

3.4.1.4 Phương trình mô men ñiện từ 46

3.4.2 Mô hình mô phỏng SRG 46

3.5 Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống phát ñiện gió mạch hở sử dụng máy phát SRG 51

3.6 Mô hình mô phỏng hệ thống phát ñiện gió mạch kín sử dụng máy phát từ trở thay ñổi 52

3.6.1 Bộ nghịch lưu hệ thống phát ñiện gió ñộc lập sử dụng máy phát từ trở thay ñổi 52 3.6.1.1 Mô hình toán học tĩnh bộ nghịch lưu ñiện áp 53

3.6.1.2 Mô hình toán học bộ nghịch lưu trong hệ tọa ñộ αβ tĩnh 57

3.6.1.3 Mô hình toán học bộ nghịch lưu trong hệ tọa ñộ dq quay 60

3.6.1.4 ðiều chế ñộ rộng xung các vector không gian 62

3.6.1.5 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu của hệ thống máy phát ñiện sức gió thay ñổi từ trở 65

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page v

3.6.2 Mô hình mô phỏng mạch kín hệ thống máy phát ñiện sức gió từ trở thay ñổi 65

3.7 ðiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 66

3.7.1 Bù dọc 66

3.7.2 Bù ngang 69

Chương 4 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 71

4.1 Kết quả mô phỏng tốc ñộ gió 71

4.2 Kết quả mô phỏng máy phát SRG 72

4.2.1 Trường hợp máy phát chạy không tải 72

4.2.2 Trường hợp phụ tải thay ñổi và tốc ñộ quay máy phát không ñổi 72

4.3 Kết quả mô phỏng ñiện áp phát của hệ thống phát ñiện gió mạch hở ở tốc ñộ gió khác nhau 73

4.4 Kết quả mô phỏng ñiện áp phát của hệ thống phát ñiện gió mạch kín 74

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 77

I Kết luận 77

II Hướng phát triển 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 82

Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết

APC Automatic phase Control ðiều khiển pha tự động

BJT bipolar junction transistor Tranzito lưỡng cực nối

CCC Chopped Current Control ðiều khiển dịng điện cắt

DFIG Doubly Fed Induction Generator Máy phát điện khơng đồng bộ kích

từ kép DSP Digital signal processing Xử lý tín hiệu số

EESG Electrically Excited Sychrous Generator Máy phát điện đồng bộ tự kích

EVN VietNam Electricity Tập đồn ðiện lực Việt Nam

EWEA European Wind Energy Association Tổ chức năng lượng giĩ Châu Âu FACTS Flexible Alternating Current

Transmission System

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

GDP Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc nội

GIZ Deutsche Gesellschaft für

Internationale Zusammenarbeit Dự án hợp tác Phát triển ðức

GTO GATE TURN – OFF SWITCH Linh kiện cĩ 4 lớp bán dẫn PNPN

lường quốc tế

HVG High Voltage Generator Máy phát điện cao áp

IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor cĩ cực điều khiển cách ly

MoIT Ministry of Industry and Trade Bộ Cơng thương

MOSFET Metal-Oxide Semiconductor

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page vii

OLTC On Lap Tap Changer Thiết bị thay ñổi tải

PMSG Permanent Magnet Synchronuos

Generator

Máy phát ñiện ñồng bộ từ trường vĩnh cửu

PWM Pulse Width modulation ðiều khiển ñộ rộng xung

REVN Vietnam Renewable Energy Joint

Stock Company

Công ty Cổ phần Năng lượng Tái tạo Việt Nam

rpm Revolutions per minute Vòng/phút

SCIG Squirrel Cage Induction Generator Máy phát ñiện không ñồng bộ lồng

sóc

SRG Switched Relutance Generator Máy phát ñiện từ trở thay ñổi

SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation ðiều chế ñộ rộng xung vector

không gian TFG Transverse Flux Generator Máy phát ñiện từ ngang

THD Total Hamonics Distortion Tổng ñộ méo dạng sóng hài

USD United States dollar ðồng ñô la Mỹ

WRIG Wound Rotor Induction Generator Máy phát ñiện không ñồng bộ kiểu

dây quấn

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Phân loại nguồn năng lượng theo tốc ñộ gió ở ñộ cao 65m 8

Bảng 1.2 - Số liệu tốc ñộ gió ở ñộ cao 65 m theo nguồn của EVN và WB 9

Bảng 1.3 - Tiềm năng năng lượng gió tại ñộ cao 80m 9

Bảng 1.4 - ðặc trưng công nghệ hệ thống máy phát ñiện sức gió 15

Bảng 3.1 - Thông số của máy phát SRG 3 pha 6/4 cực 750 W 46

Bảng 3.2 - Bảng trạng thái và giá trị ñiện áp pha chuyển ñổi 63

Bảng 4.1 - Thông số mô phỏng sự thay ñổi tốc ñộ gió 71

Bảng 4.2 – Tiêu chuẩn THD theo các cấp ñiện áp 76

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page ix

DANH MỤC HÌNH, ðỒ THỊ

Hình 1.1 - Tỷ lệ sử dụng các nguồn nhiên liệu phát ñiện tại Việt Nam năm 2010 3

Hình 1.2 – Tổng công suất ñã lắp ñặt máy phát ñiện sức gió trên thế giới 5

Hình 1.3 - Công suất lắp ñặt máy phát ñiện sức gió của 6

Hình 1.4 – Dung lượng công suất máy phát ñiện sức gió ñã lắp ñặt hàng năm 7

Hình 1.5 – Sơ ñồ cấu tạo máy phát ñiện sức gió trục ngang 13

Hình 1.6 – Sơ ñồ cấu trúc ñiển hình của tổ hợp máy phát ñiện sức gió trục ngang 14

Hình 1.7 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát EESG 15

Hình 1.8- Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát PMSG 15

Hình 1.9 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát SCIG 16

Hình 1.10 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát WRIG 16

Hình 1.11 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát DFIG 17

Hình 1.12 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát SRG 19

Hình 2.1 – Giao diện khởi ñộng phần mềm Matlab 25

Hình 2.2- Giao diện ñể bật Simulink trong Matlab 25

Hình 2.3- Cách tạo các khối trong Matlab/Simulink 26

Hình 3.1 - Mô hình hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát SRG 27

Hình 3.2 - Các vùng làm việc của một tuabin gió 29

Hình 3.3 - Cấu tạo máy phát ñiện SRG 30

Hình 3.4 - Sơ ñồ nguyên lý làm việc của máy phát ñiện SRG 4 pha 31

Hình 3.5 - Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi công suất 34

Hình 3.6 - Mô hình mô phỏng tốc ñộ gió 39

Hình 3.7 - ðặc tính quan hệ Cp = f(λ) của tuabin gió 40

Hình 3.8 - ðường ñặc tính Công suất – Tốc ñộ góc của tuabin gió 40

Hình 3.9 - Mô hình mô phỏng tuabin gió 41

Hình 3.10 - Mô hình mô phỏng quan hệ Cp - λ 41

Hình 3.11 - ðặc tính ñiện cảm của cuộn dây pha SRG khi mạch từ không bão hòa 42

Hình 3.12 - Mối tương quan của i(θ) và L(θ) theo vị trí góc rotor θ của máy phát SRG 44

Hình 3.13 - ðặc tính ñiện cảm phi tuyến tính L(θ,i) của máy phát SRG ở các giá trị dòng ñiện pha khác nhau 47

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page x

Hình 3.14 - Mô hình mô phỏng máy phát SRG 47

Hình 3.15 - Mô hình mô phỏng cuộn dây pha A của máy phát SRG 48

Hình 3.16 - Mô hình mô phỏng bộ biến ñổi công suất 49

Hình 3.17 - Mô hình mô phỏng pha A của bộ biến ñổi công suất 49

Hình 3.18 - Mô hình mô phỏng bộ cắt sóng dòng ñiện 50

Hình 3.19 - Mô hình kích hoạt góc ñộ 50

Hình 3.20 – Sơ ñồ cấu trúc hệ thống máy phát ñiện sức gió sử dụng máy phát SRG khi chưa kết nối lưới 51

Hình 3.21 - Mô hình mô phỏng hệ thống phát ñiện gió mạch hở máy phát SRG 51

Hình 3.22– Sơ ñồ cấu trúc hệ thống phát ñiện sức gió khi kết nối với lưới 52

Hình 3.23 - Sơ ñồ mạch nghịch lưu ñiện áp pha toàn phần 53

Hình 3.24 - Sơ ñồ nghịch lưu ñiện áp dây 53

Hình 3.25 - Biến ñổi giữa hai trục tọa ñộ 0abc và 0αβ 57

Hình 3.26 - Phép biến ñổi giữa hệ trục αβ và hệ tọa ñộ quay dq 60

Hình 3.27 - Sơ ñồ tín hiệu ñiện áp pha ñầu ra của bộ nghịch lưu 62

Hình 3.28 – ðồ thị vecto không gian ñiện áp pha 63

Hình 3.29 - ðồ thị tổng hợp vecto 64

Hình 3.30 - Dạng sóng chuyển mạch 65

Hình 3.31 - Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 65

Hình 3.32 - Mô hình mô phỏng hệ thống ñiện sức gió mạch kín 66

Hình 3.33 - Hệ thống truyền tải có bù dọc 67

Hình 3.34 - Hệ thống truyền tải có bù ngang 70

Hình 4.1 - Kết quả mô phỏng tổ hợp tốc ñộ gió 71

Hình 4.2 - Dạng ñiện áp của máy phát SRG khi không tải ở tốc ñộ quay khác nhau 72

Hình 4.3- Dạng sóng ñiện áp của máy phát SRG khi thay ñổi tải ở tốc ñộ quay 2000 vòng/phút 73

Hình 4.4 - Dạng sóng ñiện áp phát hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát SRG ở chế ñộ không tải khi tốc ñộ gió thay ñổi 74

Hình 4.5 - Dạng sóng ñiện áp pha của hệ thống 75

Hình 4.6 - Dạng sóng ñiện áp dây của hệ thống 75

Hình 4.7 - Dạng sóng hệ số THD của hệ thống 76

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page xi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 1

PHẦN NÓI ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Năng lượng là một trong ba nhu cầu thiết yếu của con người (nước, thức ăn và

năng lượng [1]) và là một yếu tố ñầu vào không thể thiếu ñược của hoạt ñộng kinh tế

kỹ thuật công nghệ Hiện nay, sự cạn kiệt nguồn năng lượng (chủ yếu là năng lượng hóa thạch) tỷ lệ nghịch với nhu cầu ngày càng tăng của khu vực và trên thế giới, do ñó vấn ñề an ninh năng lượng của thế giới ñang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết Theo thống kê Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), các nguồn năng lượng con người ñang tiêu thụ 41,7% dầu mỏ; 24,7% than; 21% ga; 6% năng lượng nguyên tử; 6% thủy ñiện

và năng lượng gió, mặt trời, ñịa nhiệt, năng lượng sinh học, thủy triều, v.v… chỉ chiếm khoảng gần 1% nhu cầu năng lượng của con người Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, lượng tiêu thụ năng lượng của thế giới tiếp tục giữ mức như hiện nay, nhu cầu năng lượng sẽ tăng hơn 30% vào năm 2030 Trong bối cảnh hiện nay, ñảm bảo an ninh năng lượng phục vụ sự phát triển bền vững, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu từ bên ngoài, ñặc biệt là dầu mỏ, trở thành vấn ñề ñặc biệt quan tâm của mỗi quốc gia

Theo số liệu từ Viện Năng lượng Việt Nam, dự tính năm 2015 lượng thiếu hụt nhiên liệu cho sản xuất ñiện khoảng 9 tỉ kWh (ở phương án cao), tương tự năm 2020 thiếu hụt nhiên liệu cho sản xuất ñiện khoảng (35 – 64) tỉ kWh ở phương án cơ sở và phương án cao, và năm 2030 lượng thiếu hụt nhiên liệu cho sản xuất ñiện lên tới (59 – 192) tỉ kWh Do ñó, các giải pháp nhập khẩu ñiện, than, khí ñể sản xuất có thể không ñáp ứng ñược lượng thiếu hụt

Trước bối cảnh khủng hoảng năng lượng thế giới, sự cạn kiệt các nguồn năng lượng truyền thống, năng lượng hóa thạch và hiệu ứng lồng kính phá hủy tầng ozon v.v tác ñộng xấu ñến môi trường toàn cầu Từ những thập kỷ cuối của thế kỷ trước ñòi hỏi các quốc gia tìm kiếm các giải pháp ñể khai thác các nguồn năng lượng mới bổ sung và thay thế thay thế… ví dụ như năng lượng nguyên tử, các nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, nước, thủy triều, năng lượng ñịa nhiệt, sinh khối vv…, những nguồn năng lượng này có tiềm năng to lớn nhưng ñòi hỏi phải có ñầu tư thích

Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 2

ựáng và trình ựộ khoa học công nghệ tiên tiến, sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên

và bảo vệ môi trường

Do vậy ỘNghiên cứu giải pháp và công nghệ ứng dụng ựiều khiển ổn ựịnh ựiện áp máy phát ựiện sức gió công suất nhỏỢ là việc làm có ý nghĩa khoa học và

thực tiễn, góp phần thúc ựẩy sự nghiệp công nghiệp hóa hiện ựại hóa ựất nướcẦ

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nắm ựược công nghệ, tiềm năng năng lượng, ựề xuất giải pháp công nghệ ứng dụng ựiều khiển ổn ựịnh ựiện áp máy phát ựiện sức gió công suất nhỏ, sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng gió hiện có phục vụ sản xuất và ựời sống, ựặc biệt là các vùng ven biển, hải ựảo Ầ

- Khai thác và ựào tạo nguồn nhân lực KHCN trong nước, góp phần phát triển

và khai thác tốt các nguồn năng lượng mới năng lượng tái tạo trong nước

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng năng lượng gió trong và ngoài nước điều tra, khảo sát tiềm năng năng lượng gió các vùng của Việt Nam

- Nghiên cứu các thông số kết cấu, công nghệ, ựề xuất giải pháp công nghệ ứng dụng ựiều khiển ổn ựịnh ựiện áp máy phát ựiện sức gió công suất nhỏ

- Xây dựng mô hình, khảo sát hệ thống ựiều khiển ổn ựịnh ựiện áp máy phát ựiện sức gió khảo sát trên phần mềm Matlab

- đánh giá chất lượng, tắnh năng hoạt ựộng của mô hình

4 Cấu trúc của luận văn

Luận văn ngoài phần Mở ựầu, Kết luận và đề nghị, Tài liệu tham khảo gồm có 4 chương:

Chương 1 Ờ Tổng quan

Chương 2 Ờ Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

Chương 3 Ờ Cơ sơ khoa học và thực tiễn

Chương 4 Ờ Kết quả nghiên cứu

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 3

1.1 Khái quát chung

Trong vòng 10 năm gần ñây (2001-2010), Việt Nam ñã ñạt ñược những bước tăng trưởng kinh tế nhanh chóng, với tốc ñộ trung bình ñạt 7,2%/năm Cùng với ñó là nhu cầu sử dụng ñiện năng trong các ngành kinh tế và sinh hoạt liên tục gia tăng với tốc ñộ trung bình khoảng 14,5% Tổng sản lượng ñiện thương phẩm nước ta ñã tăng từ 31,1 tỷ kWh (2001) lên tới 99,1 tỷ kWh (2010), ñiều này có nghĩa là sản lượng ñiện tiêu thụ ñã tăng hơn 3 lần trong vòng 10 năm So với năm 2009, sản lượng ñiện thương phẩm năm 2010 tăng khoảng 14,3%, gấp 2,5 lần so với tốc ñộ tăng trưởng GDP Tổng công suất lắp ñặt các nguồn ñiện Việt Nam là 21542 MW, trong ñó nguồn nhiên liệu

sử dụng năng lượng hóa thạch (gas, dầu, than ñá) chiếm 55%, thủy ñiện chiếm 38%,

năng lượng tái tạo (gió, mặt trời…) mới chỉ chiếm có 2% (hình 1.1) [2] Theo dự báo

của Tổng công ty ñiện lực Việt Nam, nếu tốc ñộ tăng trưởng GDP trung bình là 7,1% năm thì nhu cầu ñiện của Việt Nam vào năm 2020 khoảng 200000GWh và vào năm

2030 là 327000GWh Trong khi ñó, cũng theo Tổng công ty dự tính thì ngay cả khi huy ñộng tối ña các nguồn ñiện truyền thống thì sản lượng ñiện của chúng ta chỉ ñạt 165000GWh vào năm 2020 và 208000 GWh vào năm 2030 ðiều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt ñiện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới (20-

30)% mỗi năm [3,4]

Hình 1.1 - Tỷ lệ sử dụng các nguồn nhiên liệu phát ñiện tại Việt Nam năm 2010

Bên cạnh ñó, các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng như dầu, khí ga, than ñá v.v… ngày càng cạn kiệt,

Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 4

các khí phát thải CO2, SO2, NOx… gây ơ nhiễm mơi trường và hiệu ứng nhà kính, khí hậu biến đổi Do vậy, việc tìm kiếm khai thác các nguồn năng lượng sạch thân thiện với mơi trường để thay thế như năng lượng giĩ, năng lượng mặt trời, khí sinh học, địa nhiệt, thủy triều v.v… là hướng đi tất yếu để đảm bảo phát triển bền vững Trong thập niên gần đây các nước phát triển như ðức, ðan Mạch, Mỹ v.v…

đã cĩ những bước phát triển vượt bậc trong đầu tư nghiên cứu phát triển và ứng dụng các thành tựu khoa học cơng nghệ sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện giĩ vào phát triển kinh tế xã hội và phục vụ đời sống than thiện mơi trường, gĩp phần giảm thiểu phát thải khí CO2.v.v

Gần đây, biến đổi khí hậu là mối đe dọa lớn nhất của thế giới Nhiều vùng lãnh thổ, quốc gia trên thế giới phải đối mặt với những trận mưa bão, lũ lụt lớn chưa từng

cĩ Trong đĩ, Việt Nam được là một trong năm nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất Dự

án nghiên cứu đánh giá biến đổi khí hậu của Hiệp hội liên chính phủ thuộc Liên hiệp quốc đã cảnh báo: trong thập kỷ tới nhiệt độ trung bình trên thế giới sẽ tăng thêm 5,8oC Dự đốn này dựa trên tác động của hiệu ứng nhà kính, hiện tượng băng tan ở Bắc và Nam bán cầu, bão tố, hạn hán xảy ra thường xuyên hơn và nhiều vùng đất trũng đang dần biến mất do lượng phát thải khí CO2, CO, NOX v.v quá mức vào khí quyển, do sử dụng các nguyên liệu hĩa thạch…

Mặt khác, năng lượng giĩ được ví như dạng "nhiên liệu tự do " và khơng bị ảnh hưởng bởi các sự kiện địa chính, năng lượng giĩ khơng cĩ giá nhiên liệu liên quan đến hoạt động của mình sử dụng ngồi việc chi phí hoạt động, tài chính và bảo trì ðến năm 2020, giĩ cĩ thể tiết kiệm chi phí nhiên liệu cho Châu Âu 20,5 tỷ Euro mỗi năm

và 8,2 tỷ USD năm chi phí CO2,do đĩ tiết kiệm tổng cộng gần 29 tỷ Euro, tính tốn tiết kiệm chi phí nhiên liệu này được dựa trên một giả định về kinh doanh xăng dầu ở mức 90 USD/một thùng, thấp hơn nhiều so với giá hiện tại của nĩ 120USD

Hiện nay, giĩ là một giải pháp quy mơ lớn cĩ thể cung cấp một phần đáng kể của điện cần thiết ở châu Âu, đã đĩng gĩp 20% năng lượng ở ðan Mạch, 7% ở ðức và 9% ở Tây Ban Nha ðến năm 2020, EWEA dự kiến 180 GW cơng suất điện giĩ để cung cấp khoảng (12 – 14) % nhu cầu điện của EU, và điều này cĩ thể tăng lên đến

300 GW vào năm 2030, tương đương (21 - 28) % tiêu thụ EU Bên cạnh đĩ, giá trị mà

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 5

khi tua-bin gió cung cấp cho thị trường châu Âu trong năm 2007 là 11 tỷ Euro, ñến năm 2020 nó có thể là 16,9 tỷ Euro

Ngoài ra, năng lượng gió tạo ra công ăn việc làm cũng như tạo ra ñiện, việc làm ñược tạo ra qua chuỗi giá trị từ sản xuất của các thành phần và các tuabin thông qua việc cài ñặt và bảo trì các trang trại gió Ngành công nghiệp khai thác gió hiện ñang sử dụng khoảng 80000 người ở ðức, khoảng 21600 ở ðan Mạch (2006) và 35000 ở Tây Ban Nha (2006), tổng số cho toàn bộ châu Âu là khoảng 150000 Mặt khác, theo thống

kê của EWEA trong năm 2008, số lượng lớn nhất các công việc có thể ñược tìm thấy ở ðức (38000), ðan Mạch (23500) và Tây Ban Nha (20500) Số liệu trên chưa tính ñến phần ñóng góp của các công ty cung cấp dịch vụ hoặc làm một số hoạt ñộng liên quan ñến sử dụng năng lượng khác

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñiện sức gió trên thế giới

Theo thống kê của ngân hàng thế giới, từ năm 1996 ñến năm 2012, công suất phát ñiện sức gió trên thế giới liên tục tăng, ñặc biệt từ năm 2008 ñến năm 2012 tăng nhanh

(bình quân mỗi năm tăng gần 42 GW công suất ñiện sức gió) (hình 1.2) [5,6]

Hình 1.2 – Tổng công suất ñã lắp ñặt máy phát ñiện sức gió trên thế giới

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 6

Năm 2012, trong số 44 quốc gia ñược lắp ñặt công suất sức gió mới thì 10 nước ñứng ñầu (hình 1.3) chiếm hơn 85% tổng số công suất lắp ñặt trên thế giới, dẫn ñầu là Trung Quốc tăng 13 GW ñạt 75GW tổng công suất lắp ñặt, Mỹ ñứng thứ hai gần 60

GW, ðức ñứng thứ 3, tiếp theo là Tây Ban Nha và Ấn ðộ Trong ñó vào cuối năm có

64 quốc gia có công suất lắp ñặt lớn hơn 10 MW, và 24 quốc gia có công suất ñưa vào

hoạt ñộng lớn hơn 1 GW [5]

Hình 1.3 - Công suất lắp ñặt máy phát ñiện sức gió của

10 nước ñứng ñầu trên thế giới tính ñến 2012

Trong giai ñoạn (2009 – 2012), Châu Á có dung lượng công suất máy phát ñiện sức gió lắp ñặt hàng năm lớn nhất (lớn hơn cả ở Châu Âu và Bắc Mỹ), ñặc biệt năm

2010 và 2011 tổng công suất lắp ñặt máy phát ñiện sức gió lên ñến trên 20000MW gấp ñôi dung lượng lắp ñặt của Châu Âu và gần gấp 3 lần Bắc Mỹ (Hình 1.4) Trung Quốc

và Ấn ñộ ñóng góp chủ yếu trong sự phát triển này (Phụ lục 1) [6] Năm 2011, Việt

Nam có tổng dung lượng công suất máy phát ñiện sức gió ñã lắp ñặt 38 MW

Xu hướng máy phát ñiện sức gió công suất lớn tiếp tục trong năm 2012, với công suất trung bình tăng ñến 1,8 MW (từ 1,7 GW vào năm 2011) Công suất trung bình máy phát ñiện sức gió ở ðan Mạch 3,1 MW; 2,4 MW ở ðức; 1,9 MW tại Hoa Kỳ; 1,6 MW ở Trung Quốc; và 1,2 MW ở Ấn ðộ Tuabin cũng ñược làm cao hơn và

có cánh dài ñể thu ñược nhiều năng lượng hơn: Repower là máy phát ñiện sức gió cao

nhất từ trước ñến nay với chiều cao trục ñỡ 143 mét, cánh gió 75 mét [8]

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 7

Trên toàn thế giới, 13 quốc gia ñã có máy phát ñiện sức gió hoạt ñộng ven biển vào cuối năm 2012, thêm 1,3 GW trong tổng số 5,4 GW Hơn 90 % công suất này ñược nằm ở ngoài khơi Bắc Âu, thêm 1,2 GW (tăng 35% so với năm 2011) trong tổng

số gần 5 GW của 10 quốc gia Vương quốc Anh chiếm 73% bổ sung của châu Âu, phần lớn là do hoàn thành giai ñoạn ñầu tiên của nhà máy London Array (630 MW) , trang trại gió ngoài khơi lớn nhất thế giới Hiện nay xu hướng mở rộng kích thước của các dự án cá nhân phát triển, trang trại gió lớn nhất châu Âu trên ñất liền Romania (600 MW) ñã ñược kết nối với lưới ñiện; và trang trại gió lớn nhất nước Mỹ (845 MW) bắt ñầu ñưa vào hoạt ñộng tại Oregon, dự kiến sẽ cung cấp năng lượng 235000 gia ñình ở Mỹ

Hình 1.4 – Dung lượng công suất máy phát ñiện sức gió ñã lắp ñặt hàng năm

trong giai ñoạn 2005 - 2012

Bên cạnh việc sử dụng máy phát ñiện sức gió công suất lớn thì việc sử dụng máy phát ñiện quy mô nhỏ cũng ñang tăng lên ñể ñáp ứng nhu cầu năng lượng ñồng thời do sự thúc ñẩy của khoa học công nghệ phát triển làm chi phí sản xuất biến tần thấp hơn, giá nhiên liệu hóa thạch tăng và do các ưu ñãi của chính phủ Lưới ñiện ñộc lập và lưới nhỏ ñược sử dụng rất phổ biến, ñặc biệt là ở Trung Quốc và các nước ñang phát triển khác, với các ứng dụng ñang mở rộng và bao gồm ñiện nông thôn, bơm nước, viễn thông, quốc phòng, và sử dụng ñiều khiển từ xa khác Có hai dải công suất riêng biệt: mô hình với công suất dưới 10 kW, và phạm vi (10 - 500) kW Nhìn chung,

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 8

thị trường ñang phát triển hướng tới 50 kW và tuabin lớn hơn bởi vì họ ñược dễ dàng hơn trong việc ñầu tư

Tính ñến cuối năm 2011, trên toàn thế giới có khoảng 730 nghìn máy phát ñiện sức gió quy mô nhỏ ñang hoạt ñộng, với tổng công suất lắp ñặt 576 MW (tăng 27% so với năm 2010) Riêng Trung Quốc chiếm tới 40% công suất toàn cầu và Mỹ 35%, tiếp theo là Vương quốc Anh (11%), ðức (2,6%), Ukraine, Canada, Ý, Ba Lan, và Tây Ban

Nha [5] Trong năm 2012, tại Mỹ lượng tuabin bán nhỏ ñã bán 18,4 MW, Ở Bắc Mỹ

và châu Âu, thị trường này phát triển chậm hơn

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ñiện sức gió ở Việt Nam

1.3.1Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam

Với ñường bờ biển dài hơn 3000 km và nằm trong vùng khí hậu nhiệt ñới gió mùa, Việt Nam ñược cho là có tiềm năng rất lớn về gió

Trong năm 2001 Ngân hàng Thế giới (World Bank – WB) tài trợ xây dựng bản

ñồ gió cho 4 nước – Campuchia, Lào Thái Lan và Việt Nam – nhằm hỗ trợ phát triển

năng lượng gió cho khu vực [9] Bản nghiên cứu này, với dữ liệu lấy từ các trạm khí

tượng thủy văn cùng với dữ liệu lấy từ mô hình mô phỏng Meso Map, ñưa ra ước tính

sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại ñộ cao 65 m (bảng1.1) Nghiên cứu chỉ ra rằng Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong bốn nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam ñược ước tính là tốc ñộ gió trung bình hàng năm lớn hơn

6 m/s ở ñộ cao 65 m, tương ñương với tổng công suất 512 GW, ñăc biệt hơn 8% diện tích Việt Nam ñược xếp hạng có tiềm năng gió tốt

Bảng 1.1 - Phân loại nguồn năng lượng theo tốc ñộ gió ở ñộ cao 65m

Tốc ñộ gió v Mật ñộ năng lượng gió Phân bố diện tích theo tốc ñộ gió trung bình Tiềm năng gió

Tuy nhiên, bản ñồ gió của Ngân hàng Thế giới ñược nhiều chuyên gia ñánh giá

là quá lạc quan và có thể mắc một số lỗi trầm trọng do tiềm năng gió ñược ñánh giá

Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 9

dựa trên chương trình mơ phỏng Thực vậy, so sánh trong bảng 1.2 cho thấy số liệu đo giĩ thực tế do Tập đồn ðiện lực Việt Nam EVN thực hiện nhìn chung thấp hơn nhiều

số liệu tương ứng từ bản đồ giĩ của Ngân hàng Thế giới

Nghiên cứu của Tập đồn ðiện lực Việt Nam EVN [4] về đánh giá tài nguyên

giĩ cho sản xuất điện là nghiên cứu chính thức đầu tiên về tài nguyên năng lượng giĩ của Việt Nam, nghiên cứu chọn ra 12 điểm (bảng 1.2), bằng cách làm như vậy, nghiên cứu đã xác định được các điểm thích hợp cho sản xuất điện giĩ tương đương với cơng suất 1785 MW Miền Trung cĩ tiềm năng giĩ lớn nhất 880 MW tập trung chủ yếu tại 2 tỉnh Quảng Bình và Bình ðịnh, tiếp đến miền Nam với 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận, và tiềm năng giĩ ở Miền Bắc chỉ cĩ 50 MW

Bảng 1.2 - Số liệu tốc độ giĩ ở độ cao 65 m theo nguồn của EVN và WB

Ngồi ra, Bộ Cơng thương và Ngân hàng Thế giới (2010) [10] đã tiến hành cập

nhật thêm số liệu quan trắc (đo giĩ ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng giĩ ở độ cao 80 m cho Việt Nam (phụ lục 2), Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng giĩ ở độ cao 80 m

so với bề mặt đất là trên 2.400 MW (tốc độ giĩ trung bình năm trên 7 m/s) (bảng 1.3)

Bảng 1.3 - Tiềm năng năng lượng giĩ tại độ cao 80m

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 10

trung bình

Diện tắch (km2) 95916 70868 40473 2435 222 20 1 Diện tắch (%) 45,7 33,8 19,3 1,2 0,1 0,01 0 Tiềm năng (MW) 956161 708678 404732 24351 2202 200 10

Gần ựây, trong khuôn khổ hợp tác giữa Bộ Công thương (MoIT) và Dự án Năng lượng Gió GIZ (Hợp tác Phát triển đức GIZ) (gọi tắt, Dự án Năng lượng Gió GIZ/MoIT), ựã

tiến hành ựánh giá tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam [11] Hệ thống máy phát

sức gió có công suất nhỏ ựược sử dụng phù hợp ở ựộ cao 10m tại vùng ven biển Bắc

Bộ từ Cẩm Phả ựến Nam định, phần ựồng bằng Bắc Bộ tiếp giáp với bờ biển, khu vực ven biển Hà Tĩnh và Vĩnh Linh, duyên hải Nam Trung Bộ từ Khánh Hoà trở vào và khu vực duyên hải Nam Bộ; và ở ựộ cao 60m tại vùng núi thấp và trung du Bắc Bộ, các khu vực thấp ở Tây Bắc Bắc Bộ, vùng núi thấp Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh và khu vực nằm sâu trong ựất liền của ựồng bằng Nam Bộ

Hệ thống máy phát ựiện có công suất trung bình sử dụng phù hợp ở ựộ cao 10m tại các vùng như trên các ựảo gần bờ phắa đông; tại ựộ cao 20 m ở vùng duyên hải Bắc Bộ từ Hải Phòng ựến Ninh Bình, duyên hải Nam Bộ (vùng cao nguyên và vùng núi Tây Nguyên nối liền với Khánh Hoà, Phú Yên, Ninh Thuận, Bình Thuận); ở ựộ cao 60m của khu vực đông Bắc, các vùng cao phắa Bắc, khu vực Hoàng Liên Sơn tiếp liền với vùng thấp phắa đông và kéo dài về phắa đông Nam tới duyên hải Bắc Bộ; Ở Tây Bắc, tại các ựịa ựiểm cao và trên cao nguyên Mộc Châu

Trên các ựảo xa bờ phắa đông lãnh thổ tại ựộ cao 10m, tại ựộ cao 40m và 60 m (vùng núi và cao nguyên Tây Nguyên nối với duyên hải Nam Trung Bộ; vùng duyên hải Nam Bộ Trong ựất liền, duyên hải từ Tuy Hoà ựến Phan Thiết và vùng duyên hải tiếp nối khá sâu với ựồng bằng phắa Tây Nam Bộ) thì tiềm năng gió khá lớn có thể sử dụng

hệ thống máy phát ựiện sức gió dải công suất cao

1.3.2Hiện trạng nghiên cứu, ứng dụng ựiện sức gió ở Việt Nam

Cho ựến nay, có khoảng 48 dự án ựiện sức gió ựã ựăng ký trên toàn bộ lãnh thổ Việt

Nam [2], tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ, với tổng công suất ựăng

ký gần 5000 MW, quy mô công suất của các dự án từ 6 MW ựến 250 MW Tuy nhiên,

Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 11

khá cao, trong khi giá mua điện giĩ

là khá thấp 1614 đồng/ kWh (tương đương khoảng 7,8 UScents/ kWh) theo Quyết định

số 37/2011/Qð-TTg12, cao hơn 310 đồng/ kWh so với mức giá điện bình quân hiện nay là 1304 đồng/ kWh, được xem là chưa hấp dẫn các nhà đầu tư điện giĩ trong và ngồi nước Do vậy, cho đến nay mới chỉ duy nhất một dự án điện giĩ ở Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận là hồn thiện giai đoạn 1 (dự kiến nâng tổng cơng suất lên 120 MW trong giai đoạn 2 từ 2011 đến 2015), với cơng suất lắp đặt

30 MW (20 tuabin giĩ x 1,5 MW mỗi tua bin) Chủ đầu tư dự án là Cơng ty Cổ phần Năng lượng Tái tạo Việt Nam (Vietnam Renewable Energy Joint Stock Company - REVN) Tổng mức đầu tư của dự án lên đến 1500 tỷ đồng (tương đương khoảng 75 triệu USD), các thiết bị tuabin giĩ sử dụng của Cơng ty Fuhrlaender ðức Dự án chính thức được nối lên lưới điện quốc gia vào tháng 3 năm 2011, sản lượng điện giĩ năm

2011 đạt khoảng 79000 MWh

Trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, dự án điện giĩ lai tạo với máy phát điện diesel (diesel generator) (off-grid connection), của Tổng Cơng ty ðiện lực Dầu khí, thuộc Tập đồn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam), cĩ tổng cơng suất là 9 MW (gồm 3 tuabin giĩ x 2 MW mỗi tuabin + 6 máy phát diesel x 0,5 MW mỗi máy phát) đã lắp đặt xong và đang trong giai đoạn nối lưới; các tuabin giĩ sử dụng của hãng Vestas, ðan Mạch; giá bán điện đang đề xuất thơng qua hợp đồng mua bán điện với giá 13 US cents/kWh Tương tự, một dự án điện giĩ ở Cơn ðảo, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu do Cơng ty EAB CHLB ðức làm chủ đầu tư, giá bán điện thoả thuận là 25 UScents/ kWh

Dự án đang chuẩn bị tiến hành xây dựng

Tại tỉnh Bạc Liêu, vùng đồng bằng Sơng Cửu Long một dự án điện giĩ khác thuộc cơng ty TNHH Thương mại và Dịch vụ Cơng Lý cũng đang trong giai đoạn lắp đặt các tuabin giĩ (1 tuabin giĩ đã được lắp đặt) với cơng suất 16 MW trong giai đoạn đầu (10 tuabin giĩ x 1,6 MW mỗi tuabin của hãng GE Mỹ) Dự kiến trong giai đoạn 2 của dự

án cơng suất sẽ nâng lên 120 MW (từ năm 2012 đến đầu năm 2014).Ngồi ra, các dự

án khác đang trong các giai đoạn tiến độ khác nhau [2]

1.4 Cơng nghệ và hệ thống máy phát điện sức giĩ

Nguyên tắc điều khiển năng lượng trong hệ thống máy phát điện sức giĩ là năng lượng giĩ được chuyển thành năng lượng cơ khi đưa vào trong tuabin và qua hệ

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 12

thống máy phát chuyển thành năng lượng ñiện Hệ thống ñiện sức gió có thể hoạt ñộng với tốc ñộ gió ổn ñịnh hoặc tốc ñộ gió thay ñổi và dải tốc ñộ gió từ 3 ñến 4 m/s và có

thể lên ñến 25 m/s (tương ứng 90 km/h) [12,13] Phần lớn các mô hình hệ thống máy

phát ñiện sức gió hiện nay sử dụng tốt nhất khi tốc ñộ gió ổn ñịnh bằng cách thay ñổi góc của cánh thông qua ñiều khiển bước răng (pitch), hoặc bằng cách chuyển hoặc ñiều chỉnh toàn bộ cánh quạt theo hướng gió và tốc ñộ gió (yaw) Hệ thống máy phát ñiện sức gió có tốc ñộ thay ñổi ñáp ứng với tốc ñộ gió khác nhau và tăng khả năng làm việc ổn ñịnh khi kết nối với lưới ñiện Hệ thống ñiều khiển tinh vi cho phép tinh chỉnh

về hiệu suất và ñiện áp ñầu ra của tuabin

Sự thay ñổi tốc ñộ tuabin gió ñòi hỏi một hệ thống ñiện tử công suất có khả năng ñiều chỉnh tần số máy phát ñiện và ñiện áp lưới ñiện

Các thành phần cơ bản của bộ chuyển ñổi ñiện áp là diode và chuyển mạch ñiện

tử (thyristor, GTO, IGCTs, BJTs, MOSFETs, IGBTs…)

Theo ñánh giá của phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ: Cánh và hộp số của hệ thống ñiện sức gió chiếm 30 % tổng chi phí ñầu tư Máy phát ñiện chiếm khoảng 10 %; khối ñiện tử công suất ñiều khiển tốc gió - khoảng 12%; Khối ñiều khiển, bảo vệ an toàn hệ thống máy phát ñiện sức gió – gần 4 % Trong khi,

khung/giá ñỡ và tháp chiếm 23% tổng chi phí ñầu tư [13]

Hầu hết hệ thống ñiện sức gió ngày nay có trục tuabin - rotor nằm ngang Một

hệ thống máy phát ñiện sức gió ñiển hình ñược thể hiện trong hình 1.5

Hiện nay máy phát ñiện sử dụng trong ñiện sức gió chủ yếu là máy phát ñiện nam châm vĩnh cửu và máy phát ñiện không ñồng bộ Gần ñây ñã có các ứng dụng

thành công trong máy phát ñiện sức gió truyền ñộng trực tiếp [13] Tốc ñộ quay của

rotor máy phát ñiện sức gió hiện nay dao ñộng trong khoảng (1200 -1800) rpm, ñối với máy phát ñiện xoay chiều tần số ñiện áp (50 – 60) Hz Tốc ñộ cố ñịnh của máy phát ñiện không ñồng bộ linh hoạt hơn có thể dao ñộng trong khoảng 100 rpm

Nguyên lý ñiều khiển và phát ñiện sức gió của hệ thống máy phát ñiện gió (hình 1.6): Cánh quạt nhận năng lượng từ gió làm quay trục tuabin gió Thông qua hộp số, thiết bị ñiều hường và bộ truyền lực ta có thể ñiều chỉnh ñược lượng gió (tốc ñộ gió) ñưa vào trong tuabin chuyển hóa thành ñiện năng ở máy phát ñiện cấp ñiện cho phụ tải hoặc lưới ñiện

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 13

Hình 1.5 – Sơ ñồ cấu tạo máy phát ñiện sức gió trục ngang

1- Blades (Cánh quạt): Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển ñộng và quay; 2 - Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục Hiện nay ở Châu Âu sử dụng chủ yếu các loại thiết bị WET; 3- Pitch (Bước răng): Cánh ñược xoay hoặc làm nghiêng một ít

ñể giữ cho rotor quay với tốc ñộ hợp lý nhất nhằm ñạt hiệu suất sinh ñiện cao nhất, và bảo vệ cánh quạt, rotor trong ñiều kiện gió quá lớn; 4- Brake (Bộ hãm (phanh)): Dùng ñể dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng ñiện, bằng sức nước hoặc bằng ñộng cơ; 5- Low – speed shaft: Trục quay tốc ñộ thấp; 6- Gear box (Hộp số) Bánh răng ñược nối với trục có tốc ñộ thấp với trục có tốc ñộ cao và tăng tốc ñộ quay từ 30 ñến 60 vòng/phút lên 1200 ñến 1500 vòng/ phút, tốc ñộ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát ñiện sản xuất ra ñiện Bộ bánh răng này rất ñắt tiền nó là một phần của bộ ñộng cơ và tuabin gió; 7- Generator (Máy phát): Phát ra ñiện; 8- Controller (Bộ ñiều khiển): Bộ ñiều khiển sẽ khởi ñộng ñộng cơ ở tốc ñộ gió khoảng 8 ñến

14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h ñến 22 km/h và tắt ñộng cơ khoảng 65 dặm/giờ tương ñương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng; 9- Anemometer: Bộ ño lường tốc ñộ gió và truyền dữ liệu tốc ñộ gió tới bộ ñiểu khiển; 10- Wind vane: ðể xử lý hướng gió

và liên lạc với “yaw drive” ñể ñịnh hướng tuabin gió; 11- Nacelle (Vỏ): Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ ñược ñặt trên ñỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong; một số tuabin có vỏ ñủ rộng ñể kỹ thuật viên có thể ñứng bên trong trong khi làm việc; 12- High – speed shaft: Trục truyền ñộng của máy phát ở tốc ñộ cao; 13- Yaw drive: Dùng ñể giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay ñổi hướng gió; 14- Yaw motor: ðộng cơ cung cấp cho “yaw drive” ñịnh ñược hướng gió; 15- Tower (Trụ ñỡ vỏ): ðược

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 14

làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằng bằng thép (tốc ñộ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ ñỡ cao hơn ñể thu ñược năng lượng gió nhiều hơn và phát ra ñiện nhiều hơn)

Hình 1.6 – Sơ ñồ cấu trúc ñiển hình của tổ hợp máy phát ñiện sức gió trục ngang

ðặc trưng công nghệ hệ thống ñiện sức gió khi sử dụng các loại máy phát khác nhau ñược thể hiện trong bảng 1.4 Từ bảng 1.4 nhận thấy khi sử dụng hệ thống phát ñiện sức gió với các loại máy phát khác nhau có ưu ñiểm và nhược ñiểm riêng Do ñó tùy trong từng trường hợp cần cân nhắc trước khi lựa chọn máy phát sử dụng trong hệ thống máy phát ñiện sức gió

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 15

Bảng 1.4 - ðặc trưng công nghệ hệ thống máy phát ñiện sức gió

TT

Hệ thống máy ñiện sức gió sử dụng máy phát

1

Máy phát ñiện ñồng

bộ tự kích (Electrically Excited Sychrous Generator –EESG) Hình 1.7 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống

phát ñiện gió sử dụng máy phát EESG

- Stator có cuộn dây 3 pha, trên rotor ñặt cuộn dây kích thích nhằm tự kích cho máy phát

- Phần quay nối trực tiếp với tuabin gió, không cần nối qua

bộ hộp số tăng tốc

- Ưu ñiểm: vận hành với tốc ñộ thay ñổi trong phạm vi rộng bằng cách ñiều chỉnh dòng kích thích của máy phát Khi hoạt ñộng có thể cung cấp công suất phản kháng cho lưới ñiện hoặc cho phụ tải So sánh với PMSG, EESG không cần vật liệu từ ñể làm nam châm vĩnh cửu

- Nhược ñiểm: cần có thiết bị tự kích và thiết bị ñiều chỉnh dòng kích thích; kích thước và trọng lượng máy phát lớn; cấu trúc máy phát và hệ thống ñiều khiển của nó phức tạp, giá thành cao

2

Máy phát ñiện ñồng

bộ từ trường vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronuos Generator, PMSG)

Hình 1.8- Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát PMSG

- Cấu trúc stator tương tự với máy phát ñiện ñồng bộ, rotor là nam châm cơ cấu vĩnh cửu Không có cuộn dây kích thích

- Ưu ñiểm so với EESG: có hiệu suất cao hơn; không có tổn hao trên cuộn dây kích thích, mức ñộ phát nóng thấp hơn, trọng lượng nhẹ hơn; ñặc biệt là không có hệ thống chổi than – vành trượt nên làm việc tin cậy hơn

- Nhược ñiểm: vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu có giá thành cao, khó khăn trong gia công cơ khí và ñặc biệt

là vật liệu nam châm vĩnh cửu khá nhạy cảm, dễ bị khử

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 16

từ với nhiệt ñộ cao

Generator, SCIG) Hình 1.9 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống

phát ñiện gió sử dụng máy phát SCIG

- Máy phát ñiện cảm ứng, kết cấu cuộn dây startor ñối xứng còn dây quân rotor dạng lồng sóc

- Ưu ñiểm: cấu trúc ñơn giản, chắc chắn và về cơ bản là không cần bảo trì, giá thành thấp, ñộ tin cậy cao, thích hợp với quy mô sản xuất lớn, dễ kết nối với lưới ñiện v.v nên ñược sử dụng rất rộng rãi

- Nhược ñiểm:

1) Tốc ñộ quay ñộng cơ không ñiều chỉnh ñược và giá trị gần như không ñổi, phạm vi thay ñổi hẹp khi lớn hơn tốc

ñộ ñồng bộ, hiệu quả sử dụng năng lượng gió thấp;

2) Sử dụng hộp số tăng tốc nhiều cấp, hộp số có giá thành cao, ñộ tin cậy thấp và thường xuyên bảo dưỡng;

3) Tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới ñiện Khi máy ñiện dị

bộ vận hành ở chế ñộ máy phát, dòng kích thích ñược cấp từ stator làm cho máy phát ñiện dị bộ không tham gia vào ñiều khiển ñược ñiện áp của lưới ñiện Trong hầu hết các trường hợp cần mắc tụ ñiện song song với máy phát ñể bù công suất phản kháng

- Thông qua các thiết bị ñiện tử công suất ñể ñiều chỉnh ñiện trở mạch rotor từ giá trị nhỏ nhất (ñiện trở cuộn dây rotor) ñến giá trị lớn nhất (ñiện trở cuộn dây rotor mắc nối tiếp với ñiện trở bên ngoài), do ñó có thể vận hành ổn ñịnh máy phát không

ñồng bộ rotor dây quấn ở chế ñộ máy phát với ñộ trượt s

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 17

tốc, ñồng thời lắp ñặt thêm tụ ñiện ñể bù công suất phản kháng, bổ sung khởi ñộng mềm trong hệ thống v.v

5

Máy phát ñiện không ñồng bộ kích từ kép (Doubly Fed Induction Generator, gọi tắt

là DFIG)

Hình 1.11 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát DFIG

- Sử dụng trong hệ thống phát ñiện gió công suất lớn, cỡ MW

- Kết cấu tương tự WRIG, cuộn dây stator kết nối trực tiếp với lưới ñiện, còn dòng ñiện kích từ 3 pha tần số thấp cấp cho cuộn dây rotor ñược lấy từ bộ biến dòng (bộ biến dòng hai hướng ñiều chỉnh ñược tần số và ñiện áp)

- DFIG có thể vận hành ở chế ñộ dưới ñồng bộ Khi phát ñiện thì cuộn dây stato liên tục phát công suất lên lưới, còn dòng công suất của cuộn dây rotor lại có chiều ñược quyết ñịnh bởi hệ số trượt của máy phát có dấu dương hay âm

- Ưu ñiểm: có tần số không ñổi khi tốc ñộ thay ñổi; ñiều chỉnh ñược hệ số công suất, cường ñộ dòng ñiện của rotor cũng như ñiều khiển công suất phát thay ñổi khoảng 30% công suất ñịnh mức; giảm ñược chi phí và sự khó khăn khi lựa chọn bộ biến tần có công suất lớn Kết nối linh hoạt với hệ thống ñiện

- Nhược ñiểm như: thiết kế chế tạo và ñiều khiển khi vận hành máy phát phức tạp, phạm vi thay ñổi tốc ñộ hẹp; khi tốc ñộ thấp thì công suất phát thấp và cần phải sử dụng bộ hộp số tăng tốc

- Hiện nay trên thị trường có rất nhiều công ty sản xuất chế tạo hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát DFIG như Vestas, Gamesa, Repower, Dewind Ví dụ như công ty Repower ñã chế tạo và ñưa ra thị trường tổ máy phát ñiện gió ñơn sử dụng máy phát DFIG có công suất tới 5 MW;

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 18

công ty Dewind của nước ðức ñã ñưa ra tổ máy loại D6 (công suất ñịnh mức 1250 kW, khởi ñộng và làm việc với vận tốc gió 2,5 m/s, 13 m/s, 28 m/s)

- HVG có ñiện áp ñầu ra cao, giảm dòng dòng ñiện và do

ñó làm giảm tổn thất và tổn hao nhiệt ðiều này có thể làm giảm kích thước của máy phát ñiện và tăng hiệu quả của hệ thống máy ñiện sức gió, ñặc biệt ở tải cao hơn (do nếu ñiện

áp của máy phát phù hợp với ñiện áp lưới ñiện thì việc kết nối với lưới ñiện sẽ không cần thông qua máy biến áp)

- Hệ thống máy phát ñiện sức gió sử dụng máy phát HVG xoay chiều sẽ phát công suất lớn hơn 3 MW

- Nhược ñiểm: chi phí cho toàn bộ hệ thống cao, chưa chắc chắn về lợi ích dài hạn và yêu cầu an toàn, kết cấu phức tạp hơn so với các máy ñiện khác Giá của máy phát HVG, các thiết bị ñiện tử và các thiết bị phụ trợ (bộ chuyển mạch) tăng ñáng kể với kích thước của máy phát

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 19

7

Máy phát ñiện từ trở thay ñổi (Switched Relutance Generator – SRG)

Hình 1.12 - Sơ ñồ nguyên lý hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát SRG

Ưu ñiểm nổi trội như [14,15]:

1) Stato và rotor của máy phát SRG ñều có dạng cực lồi ñược chế tạo từ thép từ thông thường, nên giá thành thấp ðặc biệt rotor không phải là nam châm vĩnh cửu nên ít phụ thuộc vào nhiệt ñộ cao;

2) Khi tốc ñộ quay thay ñổi trong phạm vi tương ñối lớn nhất ñịnh (cho phép) thì ñiện áp phát của máy phát SRG không phụ thuộc vào sự thay ñổi của tốc ñộ quay

3) Máy phát SRG dùng ñiện áp 1 chiều làm nguồn kích từ, tham số dùng ñể ñiều khiển máy phát khá phong phú như: ñiều chỉnh ñiện áp kích từ, ñiều chỉnh hạn chế dòng ñiện cắt, ñiều chỉnh góc ñóng góc mở van ñóng cắt trong bộ ñiều khiển công suất; có lợi trong việc thực hiện ñiều khiển dòng ñiện và ñiện áp phát của máy phát;

4) Kích từ và phát ñiện của máy phát SRG ñược thực hiện ñồng thời nên kết cấu của hệ thống ñơn giản hơn khi chế tạo và tăng ñộ tin cậy cho hệ thống khi vận hành;

5) Hệ thống phát ñiện gió dùng máy phát SRG có thể lược

bỏ ñược hộp số tăng tốc, nối trực tiếp tuabin gió với bộ phận quay của máy phát, tăng ñược hiệu suất phát ñiện, giảm ñược thiết bị ñể giảm giá thành

8 Máy phát ñiện từ - Máy phát ñiện từ ngang có bản chất hoạt ñộng giống như

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 20

Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 21

1.5 Khái quát ổn ựịnh ựiện áp

điện áp ựã luôn luôn ựược coi là một phần ựặc trưng của hệ thống năng lượng

và là một khắa cạnh quan trọng của sự ổn ựịnh và an ninh hệ thống Do ựó, ựiện áp không ổn ựịnh và mất ựiện áp không thể tách rời khỏi các vấn ựề chung của sự ổn ựịnh

hệ thống Tuy nhiên, trong những năm gần ựây, việc phân tắch ổn ựịnh ựiện áp ựã chú trọng ựáng kể chủ yếu là do một số sự cố về sự mất ựiện áp ở Pháp, Nhật Bản, Bỉ và Hoa Kỳ Có nhiều yếu tố góp phần vào sự mất ựiện áp như tăng tải trên ựường dây tải ựiện, thiếu hụt công suất phản kháng, sự thay ựổi ựặc tắnh ựộng và ựặc tắnh tĩnh trên tải

Mất ựiện áp có thể nhanh chóng (do tải trọng ựộng cơ cảm ứng hoặc các trạm biến ựổi HVDC) hoặc chậm (do thay ựổi ựặc tắnh tải và máy phát ựiện bị quá kắch từ),

do ựó ổn ựịnh ựiện áp ựôi khi cũng ựược gọi là ổn ựịnh tải, các ựiều kiện ựiện áp không ổn ựịnh và mất ựiện áp thường ựược sử dụng thay thế cho nhau

Phải hiểu rằng sự ổn ựịnh ựiện áp là một tập hợp con của tổng thể ổn ựịnh hệ thống ựiện và là một vấn ựề ựộng Mất ổn ựịnh ựiện áp nói chung lý do ựơn giản là giảm ựiện áp đôi khi mất ổn ựịnh ựiện áp có thể biểu hiện như sự dao ựộng mạnh ựiện

áp trước khi sụp ựổ ựiện áp [16]

Các ựịnh nghĩa về ổn ựịnh ựiện áp [17] như sau:

- điện áp ổn ựịnh với các nhiễu nhỏ: Một hệ thống ựiện ở trạng thái hoạt ựộng cho là ựiện áp ổn ựịnh nhiễu nhỏ nếu, theo bất kỳ nhiễu nhỏ, ựiện áp gần tải là giống nhau hoặc gần với giá trị trước khi xảy ra nhiễu Các khái niệm về ổn ựịnh ựiện áp rối loạn nhỏ có liên quan ựến trạng thái ổn ựịnh và có thể ựược phân tắch sử dụng mô hình tắn hiệu nhỏ (tuyến tắnh) của hệ thống

- Tắnh ổn ựịnh ựiện áp: Một hệ thống ựiện có ựiện áp ổn ựịnh nếu ựiện áp gần tải sau khi xảy ra nhiễu ựạt giá trị cân bằng Trạng thái nhiễu là trong vùng của lực hút cân bằng ổn ựịnh sau nhiễu Các khái niệm về ổn ựịnh ựiện áp có liên quan ựến sự ổn ựịnh tạm thời của một hệ thống ựiện Phân tắch ổn ựịnh ựiện áp thường ựòi hỏi mô phỏng mô hình hóa hệ thống bằng phương trình ựại số vi phân phi tuyến

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 22

- Sự sụp ñổ ñiện áp: Sau ñiện áp không ổn ñịnh, hệ thống ñiện phải trải qua sự sụp ñổ ñiện áp nếu ñiện áp gần tải cân bằng sau nhiễu là dưới mức giới hạn cho phép Sụp ñổ ñiện áp có thể xảy ra toàn bộ (mất nguồn) hoặc một phần

Trường hợp không có sự ổn ñịnh ñiện áp dẫn ñến sự mất ổn ñịnh ñiện áp và kết quả ñiện áp giảm nhanh chóng Khi ñiều khiển làm mất ổn ñịnh (như OLTC) ñạt giới hạn hoặc do các hành ñộng ñiều khiển khác (dưới ñiện áp sa thải), ñiện áp ñược ổn ñịnh (ở mức chấp nhận hoặc không chấp nhận ñược) Do ñó cấp ñiện áp bất thường trong trạng thái ổn ñịnh có thể là kết quả của không ổn ñịnh ñiện áp mà là một hiện tượng ñộng

Có những khái niệm khác như khả năng ñiều khiển hệ thống và khả năng mang tải tối ña có liên quan ñến ñiện áp nhưng không nên nhầm lẫn với sự ổn ñịnh ñiện áp

Ổn ñịnh ñiện áp là khả năng của hệ thống có ñiện áp bằng ñiện áp cho phép tại mọi ñiểm của thanh cái ở chế ñộ làm việc bình thường và sau khi nhiễu loạn hệ thống; hệ thống có ñiện áp ổn ñịnh nếu ñiện áp sau khi bị sự cố có ñiện áp gần bằng với ñiện áp

ở chế ñộ làm việc bình thường, có thể nói ổn ñịnh ñiện áp cũng là ổn ñịnh tải Những mặt góp phần ñể ổn ñịnh ñiện áp là giới hạn công suất phản kháng của máy phát, ñặc tính của tải, ñặc tính của các thiết bị bù công suất phản kháng và hoạt ñộng của các thiết bị ñiều khiển ñiện áp, và dự trữ tải

Tuy nhiên, ổn ñịnh ñiện áp trong hệ thống máy phát (cụ thể ñối với luận văn này) chỉ dừng lại ở phần ổn ñịnh ñiện áp ñầu ra máy phát khi hệ thống máy phát ñiện sức gió ñứng ñộc lập một mình và khi hệ thống máy phát ñiện sức gió kết hợp nối lưới

ðể ổn ñịnh ñược ñiện áp ñầu ra máy phát khi hệ thống ñứng ñộc lập ta cần ñiều chỉnh hệ thống kích từ máy phát, Còn khi hệ thống nối lưới cần kết hợp vừa ñiều chỉnh kích từ và ñiều chỉnh bộ chuyển ñổi ñiện áp sao cho ñiện áp ñầu ra máy phát nằm trong giá trị cho phép

1.6 Kết luận chương 1

1 Công suất lắp ñặt ñiện sức gió trên thế giới ngày càng tăng, năm 2012 là 283GW, ñồng thời xu hướng phát triển hệ thống máy phát ñiện sức gió công suất nhỏ cũng ñược quan tâm

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 23

2 Việt Nam có tiềm năng gió tương ñối lớn với công suất khoảng 2715 MW, dải công suất của hệ thống máy phát ñiện sức gió cỡ vài kW ñến vài MW Tốc ñộ gió trung bình vào (4 – 8) m/s

3 Xác ñịnh ñược một số vùng có thể sử dụng hệ thống máy phát ñiện sức gió

có công suất nhỏ, trung bình và lớn ở Việt Nam

4 Trong chương này ñã nêu ñặc ñiểm công nghệ của hệ thống máy phát ñiện sức gió khi sử dụng máy phát ñiện khác nhau như (EESG, PMSG, SCIG, WRIG, DFIG, HVG, SRG, TFG) nhận thấy máy phát từ trở thay ñổi SRG với nhiều ưu ñiểm như có cấu tạo ñơn giản, chắc chắn, giá thành thấp, rotor không có cuộn dây và cũng không phải là nam châm vĩnh cửu, tổn thất chủ yếu ở phía stato nên rất dễ làm mát, chịu quá tải ngắn hạn rất tốt v.v

5 Ổn ñịnh ñiện áp hệ thống máy phát ñiện sức gió chính là ổn ñịnh ñiện áp ñầu ra máy phát

Từ ñó nhận thấy nếu sử dụng máy phát tuabin gió công suất tại các khu vực miền núi, vùng sâu, vùng xa có ý nghĩa thực tiễn hết sức quan trọng ðặc biệt là ổn ñịnh ñiện áp ñầu ra máy phát ñiện tuabin gió nhằm mục ñích nâng cao chất lượng ñiện

và tính liên tục cung cấp ñiện cho các khu vực này

Luận văn ñã chọn máy phát SRG ñể làm ñối tượng ổn ñịnh ñiện áp và phục vụ mục ñích ñề ra

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 24

2.1 Phương pháp nghiên cứu

đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thừa kế các kết quả nghiên cứu triển khai và các thành tựu khoa học công nghệ trong lựa chọn, ựồng thời dựa trên ựiều tra khảo sát tiềm năng gió tại Việt Nam ựể lựa chọn mô hình, thiết bị

hệ thống ổn ựịnh ựiện áp cho máy phát ựiện sức gió công suất nhỏ

Các công việc cần nghiên cứu:

- Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng năng lượng gió trong và ngoài nước điều tra, khảo sát tiềm năng năng lượng gió các vùng của Việt Nam

- Nghiên cứu các thông số kết cấu, công nghệ, ựề xuất giải pháp công nghệ ứng dụng ựiều khiển ổn ựịnh ựiện áp máy phát ựiện sức gió công suất nhỏ

- Xây dựng mô hình, khảo sát hệ thống ựiều khiển ổn ựịnh chất lượng ựiện năng (ựiện áp, tần số) máy phát ựiện sức gió khảo sát trên phần mềm Matlab

- đánh giá chất lượng, tắnh năng hoạt ựộng của mô hình

2.2 Phương tiện nghiên cứu

Sử dụng máy tắnh, ứng dụng phần mềm Matlab Ờ Simulink

Tên bộ chương trình chắnh là chữ viết tắt từ Matrix Laboratory, thể hiện ựịnh hướng chắnh của chương trình là các phép tắnh vector và ma trận Phần cốt lõi của chương trình bao gồm một số hàm toán, các chức năng nhập/xuất cũng như các khả năng ựiều khiển chu trình mà nhờ ựó có thể dựng lên các Scripts Giao diện khởi ựộng phần mềm Matlab ựược thể hiện trong hình 2.1 Còn Simulink là phần chương trình

mở rộng của Matlab nhằm mục ựắch mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống ựộng học Giao diện ựồ họa trên màm hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ ựồ tắn hiệu và các khối chức năng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho hệ tuyến tắnh, phi tuyến tắnh và gián ựoạn Hơn thế, người sử dụng cũng có thể tạo nên các khối riêng của mình Cách bật Simulink ựược thể hiện trong hình 2.2

Simulink là một phần mềm dùng ựể mô hình hoá, mô phỏng và phân tắch một

hệ thống ựộng Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tắnh, hệ phi tuyến, các mô hình trong thời gian liên tục, gián ựoạn hay một hệ kết hợp cả liên tục và gián ựoạn

Hệ thống cũng có thể có nhiều tốc ựộ khác nhau có nghĩa là các phần khác nhau lấy mẫu và cập nhật số liệu ở tốc ựộ khác nhau

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 25

ðể mô hình hoá Simulink cung cấp một giao diện ñồ hoạ nhằm xây dựng mô hình như là một sơ ñồ khối sử dụng thao tác “nhấn và kéo” chuột Với giao diện này chúng ta có thể xây dựng mô hình như xây dựng trên giấy ðây là sự khác xa các phần mềm mô phỏng trước ñó mà ở ñó người sử dụng phải ñưa vào các phương trình vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình

Hình 2.1 – Giao diện khởi ñộng phần mềm Matlab

Việc lập trình trên Simulink sử dụng các ñối tượng ñồ hoạ gọi là Graphic Progamming Unit Nó ñược xây dựng trên cơ sở của các loại ngôn ngữ lập trình hướng ñối tượng, tạo ñiều kiện hết sức thuận lợi cho viêc thay ñổi giá trị các thuộc tính trong những khối thành phần Loại hình lập trình này có xu thế sử dụng nhiều trong kỹ thuật bởi ưu ñiểm lớn nhất của nó là tính trực quan, dễ viết và hình dung ñối tượng với những người lập trình không chuyên nghiệp cũng như những người không muốn bỏ nhiều thời gian cho việc học thêm một ngôn ngữ lập trình mới

Hình 2.2- Giao diện ñể bật Simulink trong Matlab

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 26

Thư viện của Simulink bao gồm toàn bộ thư viện các khối như khối nhận tín hiệu, các nguồn tín hiệu, các phần tử tuyến tính và phi tuyến, các ñầu nối chuẩn Ngoài

ra người sử dụng cũng có thể thay ñổi và tạo ra các khối riêng cho bản thân mình Cách lấy (hoặc tạo các khối) ddowwcj thể hiện trong hình 2.3 Các mô hình toán trong Simulink ñược xây dựng có thứ bậc hay còn gọi là theo mô hình phân cấp, ñiều ñó cho phép người sử dụng có thể xây dựng mô hình theo hướng từ dưới lên hay từ trên xuống Người sử dụng vừa có thể quan sát hệ thống ở mức tổng quan, vừa có thể ñạt ñựơc mức ñộ cụ thể bằng cách nháy kép vào từng khối xác ñịnh ñể xem xét chi tiết mô hình của từng khối Với cách xây dựng này, người sử dụng có thể hiểu ñược sâu sắc tổ chức của mô hình và những tác ñộng qua lại của các phần trong mô hình như thế nào

Hình 2.3- Cách tạo các khối trong Matlab/Simulink

Trong quá trình mô phỏng một ñiều hết sức quan trọng là thành lập ñược mô hình Sau khi tạo lập ñược mô hình, người sử dụng có thể mô phỏng trong Simulink bằng cách nhập lệnh trong cửa sổ của Matlab hay sử dụng các menu có sẵn Việc sử dụng các Menu ñặc biệt thích hợp cho các công việc tác ñộng qua lại lẫn nhau, còn sử dụng dòng lệnh thường hay ñược dùng khi chạy một loại mô phỏng Các bộ Scope hay các khối hiển thị khác cho phép người sử dụng có thể xem kết quả trong khi dang chạy

mô phỏng Hơn nữa người sử dụng có thể thay ñổi thông số một cách trực tiếp và nhận biết ñược các ảnh hưởng ñến mô hình

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 27

3.1 Khái quát chung

Các bộ phận chủ yếu của hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát từ trở thay ñổi SRG gồm: tuabin gió, hộp số tăng tốc, máy phát SRG, bộ biến ñổi công suất, bộ ñiều khiển DSP, bộ nghịch lưu, phụ tải và nguồn pin vừa ñóng vai trò là nguồn phụ giúp máy phát khởi ñộng và cũng là nguồn tích trữ ñiện khi hệ thống phát ñiện Sơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng và kết cấu của hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát SRG thể hiện trên hình 3.1

Hình 3.1 - Mô hình hệ thống phát ñiện gió sử dụng máy phát SRG

Tuabin gió ñóng vai trò chuyển ñổi năng lượng gió thành năng lượng cơ ở ñầu

ra, ñể tăng tốc ñộ sau ñầu ra của tuabin gió người ta dùng hộp tăng tốc trước khi ñưa tới phần quay của máy phát SRG Máy phát SRG là thiết bị chính của hệ thống ñóng vai trò chuyển ñổi cơ năng nhận ñược từ tuabin gió thành ñiện năng ở ñầu ra của máy phát Bộ biến ñổi công suất vừa ñóng vai trò là tạo nguồn kích thích cho máy phát SRG lại vừa ñóng vai trò là bộ nhận năng lượng ñiện từ cuộn dây pha máy phát nạp vào pin tích ñiện khi có năng lượng dư thừa từ máy phát (phụ tải không tiêu thụ hết công suất) Bộ ñiều khiển kỹ thuật số DSP là bộ phận quan trọng của bộ biến ñổi công suất nói riêng và của máy phát SRG nói chung Nó vừa thực hiện chức năng thu nhận

và xử lý tín hiệu xác ñịnh vị trí của rotor, dòng ñiện và ñiện áp của máy phát SRG, lại vừa thực hiện chức năng ñiều khiển ñóng ngắt thiết bị bán dẫn trong bộ ñiều khiển công suất ñể thực hiện ñiều khiển toàn bộ quá trình vận hành của máy phát SRG Bộ nghịch lưu thực hiện chức năng chuyển dòng một chiều sau bộ biến ñổi công suất thành dòng xoay chiều mong muốn cung cấp cho phụ tải ñiện, trong trường hợp phụ tải của hệ thống phát ñiện gió dùng máy phát SRG là phụ tải một chiều thì trong hệ thống không cần bộ nghịch lưu, pin tích ñiện giữ vai trò dự trữ ñiện năng của hệ thống

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi