Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tổng quan của hệ thống điện năng lượng gió; -

Trang 1

-

LÊ MINH VƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ

THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

Trang 2

-

LÊ MINH VƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ

THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

Trang 3

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

Trang 4

Tp HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu tổng quan của hệ thống điện năng lượng gió;

- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;

- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;

- Mô phỏng hệ thống điện tuabin gió và giải thuật điều khiển tối ưu công suất của

hệ thống này

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Trang 5

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Lê Minh Vương

Trang 6

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Huỳnh Châu Duy đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập làm nền tảng cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật; Viện Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này

Lê Minh Vương

Trang 7

TÓM TẮT

Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất cân bằng giữa nhu cầu sử dụng điện và khả năng cung cấp nguồn điện Nguyên nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày, Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt, phục vụ cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện

Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa

mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia trở nên khó thực hiện hơn

Giải pháp tăng cường khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… là đáng được tập trung nghiên cứu Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước

Việc nghiên cứu khai thác tối ưu công suất hệ thống điện gió là rất cần

thiết Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu công

suất của hệ thống điện tuabin gió” mà bao gồm các nội dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Tổng quan hệ thống điện tuabin gió

- Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió

- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Trang 8

More recently, the power sector has repeatedly shown an imbalance between the need for electricity and the ability to provide electricity The main cause of this imbalance is the increasing demand for electrical energy in various sectors such as industry, agriculture, daily life, and so on The alarming depletion of input fuels such as petroleum, coal, gas, etc., is used to generate electricity from thermal power plants

With the above analysis, the issue of energy security is being threatened, leading to the industrialization and modernization goals of some countries becoming more difficult

Measures to enhance the exploitation and efficient use of renewable energy sources such as wind energy, solar energy, geothermal energy, wave power, tidal energy are worthy of study Among the energy sources mentioned above, wind power is attracting the attention of many scientists

The research on optimal exploitation of wind power system capacity is very necessary This is also the main reason for choosing the topic of this

thesis, "Optimal power control of wind turbine power systems" which

includes the following contents:

- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Overview of wind turbine power systems

- Chapter 3: Optimal power control of wind turbine power systems

- Chapter 4: Simulation results

- Chapter 5: Conclusions and future works

Trang 9

MỤC LỤC

Tóm tắt i

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ v

Danh sách bảng ix

Chương 1 - Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Mục tiêu của đề tài 3

1.4 Nội dung nghiên cứu 4

1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 4

1.6 Bố cục của luận văn 7

1.7 Kết luận 7

Chương 2 - Tổng quan hệ thống điện gió 8

2.2 Năng lượng gió trên thế giới 9

2.3 Năng lượng gió tại Việt Nam 12

2.4 Công suất gió 18

2.5 Hệ thống điện gió 19

2.5.1 Tuabin gió 20

2.5.2 Máy phát điện trong hệ thống điện gió 28

Chương 3 - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió 36

3.2 Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió 37

3.2.1 Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh 37

3.2.2 Kỹ thuật điều khiển moment tối ưu 39

Trang 10

3.2.3 Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất 40

3.2.4 Kỹ thuật nhiễu loạn và quan sát 41

3.3 Động cơ không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong bài toán điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió 43

3.3.1 Vector không gian và các phép biến đổi 44

3.3.2 Công suất theo vector không gian 46

3.3.3 Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và  47

3.3.4 Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 49

3.4 Bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống điện gió 54

3.4.1 Điều khiển converter phía lưới 55

3.4.2 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp SFOC 56

Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió 59

4.2 Mô phỏng máy phát điện DFIG 59

4.3 Mô phỏng tuabin gió 62

4.4 Mô phỏng các bộ điều khiển 63

4.5 Điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió 64

4.6 Kết quả mô phỏng 67

4.6.1 Tốc độ rotor không đổi 67

4.6.2 Tốc độ rotor thay đổi 78

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 86

5.1 Kết luận 86

5.2 Hướng phát triển tương lai 86

Tài liệu tham khảo 88

Trang 11

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận 14

Hình 2.2 Điện gió Phú Quý, Bình Thuận 15

Hình 2.3 Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận 16

Hình 2.4 Điện gió Bạc Liêu 17

Hình 2.5 Các thành phần cơ bản của tuabin gió 20

Hình 2.6 Tuabin gió trục đứng 21

Hình 2.7 Tuabin gió trục ngang 21

Hình 2.8 Bên trong một tuabin phát điện gió 23

Hình 2.9 Bộ điều khiển góc pitch 23

Hình 2.10 Hộp số tuabin gió 24

Hình 2.11 Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp 25

Hình 2.12 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện 30

Hình 2.13 Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 31

Hình 2.14 Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

33

Hình 3.1 Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện (DFIG) 37

Hình 3.2 Đặc tuyến TSR tối ưu theo tốc độ gió 38

Hình 3.3 Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR) tối ưu 38

Hình 3.4 Kỹ thuật điều khiển moment tối ưu 39

Hình 3.5 Đặc tuyến Tm - ωm 40

Hình 3.6 Kỹ thuật điều khiển phản hồi tín hiệu công suất 40

Hình 3.7 Đặc tính công suất và moment của tuabin gió 41

Hình 3.8 Nguyên lý vector không gian 44

Hình 3.9 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và  47

Hình 3.10 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq 48

Trang 12

Hình 3.11 Mối liên hệ giữa trục tọa độ  và dq 49

Hình 3.12 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y 50

Hình 3.13 Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor 50

Hình 3.14 Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục  51

Hình 3.15 Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục quay dq 53

Hình 3.16 Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới 55

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện DFIG 59

Hình 4.2 Khối máy phát điện DFIG 61

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng máy phát điện DFIG 61

Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng các bộ điều khiển 64

Hình 4.5 Sơ đồ kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió 65

Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, DFIG 65

Hình 4.7 Tốc độ rotor, nr = 300 (rpm) 67

Hình 4.8 Công suất cực đại, PMPP với nr = 300 (rpm) 68

Hình 4.9 Công suất máy phát điện DFIG với nr = 300 (rpm) 68

Hình 4.10 Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với nr = 300 (rpm) 69

Trang 13

Hình 4.27 Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 79

Hình 4.28 Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 83

Hình 4.29 Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 80

Hình 4.30 Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 80

Trang 14

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1 Bảng lookup table ứng với hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất 67

Trang 15

là không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây ra các thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối, làm tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm

Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa

mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia trở nên khó thực hiện hơn

Với các khó khăn và thử thách được đặt ra, các nhà khoa học đã tích cực nghiên cứu và đề xuất các giải pháp Một trong số đó, giải pháp tăng cường khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… là đáng được tập trung Các dạng năng lượng này có thể góp phần rất lớn vào việc giảm bớt gánh nặng của các nguồn năng lượng điện truyền thống, thay đổi cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường, thiên nhiên,

Trang 16

Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút

sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước

So với các nguồn năng lượng điện truyền thống, hệ thống điện năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nguồn nhiên liệu đầu vào, ít gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, Đặc biệt hơn nữa, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng gió với hơn 3200 km bờ biển Do đó, việc sử dụng năng lượng gió trong sản xuất năng lượng điện tại Việt Nam sẽ hoàn toàn khả thi và nên được khuyến khích khai thác sử dụng Giải pháp này hoàn toàn phù hợp với chủ trương của Chính phủ theo Nghị quyết số 35/NQ-

CP, ngày 18 tháng 03 năm 2013, về một số vấn đề cấp bách trong lĩnh vực bảo

vệ môi trường [1] Trong nghị quyết này, có nội dung tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, ưu tiên phát triển nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo hướng tới phát triển nền kinh tế xanh Đồng thời, giải pháp cũng theo đúng tinh thần của Quy hoạch điện VII có điều chỉnh, công suất theo nguồn năng lượng tái tạo là 21% và điện năng theo nguồn năng lượng tái tạo là 11% đến năm 2030 [2]

Góp phần cho vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu khai thác tối ưu công suất hệ thống điện gió là rất cần thiết Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề

tài: “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió”

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự tiến bộ và phát triển của kinh tế - xã hội, con người luôn phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển đó là sự không bền vững của môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên bị cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác Trong đó, vấn đề an ninh năng lượng điện được đánh giá là đặc

biệt quan trọng và mang tính cấp thiết nhất trong giai đoạn này

“Chiến lược phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt Nam đến năm 2015 định hướng đến năm 2025” cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ người Hiện nay, với mức độ tăng dân số, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi được sử dụng, có nghĩa là gấp đôi con số hiện tại

Trang 17

Thêm vào đó, trong vòng 20 năm tới, theo nhận định của tổ chức năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Association), nhu cầu tiêu thụ dầu

mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [3]-[4] IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp cho thế giới trong 60 năm tới Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm tới Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và đông dân cư thì hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [3]

Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác

là phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các nhà khoa học tích cực nghiên cứu khai thác Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và khai thác ngày càng nhiều

Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà nó đã trở thành một vấn đề toàn cầu Trong số các nguồn năng lượng tái tạo trên, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh giá cao Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể khai thác được hiệu quả và tối

đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện

1.3 Mục tiêu của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu:

+ Hệ thống điện gió;

+ Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió;

+ Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió

Trang 18

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió;

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống điện gió;

- Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió;

- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện gió

1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Bắt đầu từ thế kỷ thứ 11, năng lượng gió đã được nghiên cứu và khai thác và cho đến nay, đã có nhiều cải tiến theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu thực tế của con người, đặc biệt trong phạm vi nghiên cứu và khai thác năng lượng gió cho sản xuất năng lượng điện

Pham Ngoc Hung và Trinh Trong Chuong đã nghiên cứu điều khiển tối

ưu công suất của hệ thống điện gió và đã công bố các kết quả thông qua bài báo, “Nghiên cứu xác định điểm công suất cực đại của hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng kỹ thuật logic mờ” trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Năng lượng, Trường Đại học Điện Lực Các kết quả mô phỏng của bài báo cho thấy đề xuất đã cải thiện hiệu suất của máy phát điện gió khi tốc độ gió thay đổi Đề xuất được áp dụng cho máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc [5]

Lê Duy Khánh và Dương Hoài Nghĩa, “Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”, đã giới thiệu phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) dựa trên nguyên tắc mô hình nội bộ, được hình thành 1982 và đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ngày nay Mô hình nội được sử dụng để thiết kế các thông số của bộ điều khiển cho DFIG Quá trình thiết kế chi tiết được mô tả và kết quả mô phỏng được đưa ra cho thấy tính phù hợp của phương pháp điều khiển [6]

Trần Ngọc Hữu Trung, “Cực đại công suất trong hệ thống điện gió”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã nghiên cứu giải thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của mô hình hệ thống điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam

Trang 19

châm vĩnh cửu Nghiên cứu đánh giá rằng đây là giải thuật tương đối đơn giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá phổ biến [7]

Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy thực hiện điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng Trong nghiên cứu này, tác giả cũng thực hiện điều khiển góc đón gió thông qua việc điều khiển góc cánh quạt sao cho hệ thống điện gió có thể thu được nhiều năng lượng nhất Máy phát điện gió được sử dụng trong hệ thống điện gió nghiên cứu là máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép [8]

Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật toán MPPT tối ưu công suất cho máy phát năng lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thông minh", Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã giới thiệu một giải thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại mà được kết hợp với công cụ điều khiển thông minh mạng nơ-rôn để tối ưu công suất phát của máy phát điện gió DFIG [9]

Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, đã tìm hiểu giải thuật điều khiển sao cho công suất phát của máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cực đại trên cơ

sở điều chỉnh tốc độ rotor và giải thuật P&O cải tiến Giải thuật cải tiến sử dụng thông số độ dốc của điện áp DC-link để phát hiện sự thay đổi nhanh chóng của tốc độ gió và điều khiển bộ biến đổi công suất theo chế độ bước

nhẩy thay đổi [10]

D Kumar và K Chatterjee, “A review of conventional and advanced MPPT algorithms for wind energy systems”, đã tổng quan các giải thuật bám điểm công suất cực đại cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió Các ưu điểm

và khuyết điểm của mỗi giải thuật được trình bày trong nghiên cứu này Các giải thuật bám điểm công suất cực đại được phân loại theo các đo lường công suất mà được dựa trên các bộ điều khiển công suất trực tiếp hoặc gián tiếp Việc so sánh giữa các giải thuật thông qua các tiêu chí về tính phức tạp, yêu cầu tốc độ gió ngõ vào, các huấn luyện trước khi điều khiển, các đáp ứng về tốc

Trang 20

độ, cũng như khả năng đạt được công suất ngõ ra cực đại Có thể nhận thấy rằng nghiên cứu này như là một tài liệu tham khảo chuẩn cho việc lựa chọn giải thuật bám điểm công suất cực đại của một hệ thống biến đổi năng lượng gió cụ thể [11]

K Vigneswaran và P S Kumar, "Maximum power point tracking (MPPT) method in wind power system" đã giới thiệu một giải thuật điều khiển thích nghi, tìm kiếm leo đồi cải tiến (Hill Climb Search, HCS) để bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió trong các điều kiện gió thay đổi khác nhau và quá trình bám tăng tốc theo thời gian Thuật toán được giới thiệu trong nghiên cứu này không yêu cầu các đặc tính cơ không tường minh của tuabin như là đặc tính hệ số công suất, đặc tính công suất hoặc đặc tính moment Ngoài ra, thuật toán cũng sử dụng đặc điểm ghi nhớ để thích nghi cho bất kỳ loại tuabin gió khảo sát nào và phỏng đoán tốc độ rotor tối ưu tương ứng với tốc độ gió mà chưa xảy ra trước đó Thuật toán được giới thiệu phù hợp cho các hệ thống điện gió nhỏ nối lưới hoặc nối ắc quy [12]

H G Jeong, R H Seung và K B Lee, "An improved maximum power point tracking method for wind power systems", đã giới thiệu một giải thuật bám điểm công suất cực đại cải tiến cho các hệ thống điện gió mà kết hợp điều khiển từ trễ với điều khiển tỷ số tốc độ đầu cánh thông qua đặc tuyến hệ số công suất Nghiên cứu thực hiện điều khiển tuabin gió 3 kW mà được lắp đặt trong một nhà máy điện gió nhỏ Một bộ điều khiển dòng điện của bộ biến đổi khuếch đại được thiết kế cho mục tiêu bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện gió Một bộ điều khiển từ trễ được thêm vào bộ điều khiển tỷ số tốc

độ đầu cánh với mục đích hiểu chỉnh sai số điểm công suất cực đại ở trạng thái xác lập [13]

K N Yu và C K Liao, “Applying novel fractional order incremental conductance algorithm to design and study the maximum power tracking of small wind power systems” đã giới thiệu giải thuật điện dẫn tăng thứ tự phân đoạn mới (Fractional order incremental conductance algorithm, FOINC) cho thiết kế bám điểm công suất cực đại của các hệ thống điện tuabin gió nhỏ Giải thuật đề xuất có đáp ứng tức thời ở chế độ quá độ và ổn định ở chế độ xác lập

Trang 21

Ngoài ra, giải thuật đã cải thiện được hiệu suất bám điểm công suất cực đại mà không cần thay đổi các thiết bị trong hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Giải thuật được giới thiệu tin cậy và hiệu quả khi được so sánh với các giải thuật InC và P&O truyền thống [14]

1.6 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương:

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Tổng quan hệ thống điện gió

- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió

- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

1.7 Kết luận

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là rất lớn Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam - EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [15] Do đó, việc đầu tư phát triển nguồn điện, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cần thiết và hiệu quả đối với một quốc gia có nhiều điều kiện tự nhiên thuận lợi như Việt Nam Vì vậy, việc nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện tuabin gió là hết sức cần thiết và cấp bách

Trang 22

đã mang đến nhiều hứa hẹn, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất năng lượng điện Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai, các nhà khoa học cần nghiên cứu nhiều hơn để hoàn chỉnh các công nghệ khai thác và sử dụng Năng lượng gió được dựa trên nguyên lý là gió sẽ tạo ra sức quay các tuabin và sau đó, sẽ tạo ra năng lượng điện Các yếu tố hình thành nên nguồn năng lượng gió bao gồm: sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, sự chuyển vận của trái đất và sự lồi lõm của mặt đất

Các ưu và nhược điểm của nguồn năng lượng gió có thể được liệt kê và phân tích như sau:

* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió

Nguồn năng lượng gió mang đến nhiều ưu điểm mà là lý do chính cho

sự phát triển mạnh mẽ của nó trên thế giới trong thời gian gần đây Các ưu điểm chính của nguồn năng lượng gió khi được sử dụng cho việc sản xuất năng lượng điện bao gồm:

+ Năng lượng gió là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận

+ Việc xây dựng các dự án nhà máy điện gió sẽ tạo điều kiện cho sự tăng trưởng của nền kinh tế

+ Theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ rằng trong tương lai giá điện của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điện của các nguồn khác như than đá, dầu diesel hay biomass, Hiện tại, giá của nguồn năng lượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió của từng địa phương

Trang 23

+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng lượng điện khác

* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió

- Nguồn năng lượng gió là phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên

- Công nghệ sản xuất năng lượng điện từ năng lượng gió đang phát triển một cách mạnh mẽ và giá thành của một hệ thống này đã giảm dần từ hơn 10 năm qua nhưng mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao hơn mức đầu tư so với các nguồn năng lượng truyền thống khác

- Việc khai thác năng lượng gió để sản xuất năng lượng điện cũng gây ra các ảnh hưởng đến môi trường Các ảnh hưởng đó là:

+ Tiếng ồn được phát ra từ quá trình chuyển động của các tuabin gió; + Sự xáo trộn các luồng sóng trong không khí

+ Sự xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã

2.2 Năng lượng gió trên thế giới [16], [21]

Năng lượng gió phát triển nhanh vào những năm 1990 Tuy nhiên, năng lượng gió có sự phân bố không đồng đều trên thế giới Đến cuối năm 2012, khoảng 76% công suất là ở Châu Âu, 18% ở Nam Mỹ và 8% ở Châu Á Thái Bình Dương

2.2.1 Châu Âu

Từ cuối năm 2012, có khoảng 76% tuabin gió trên thế giới là ở Châu

Âu Những nước có công suất lắp đặt lớn nhất là Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha

Theo đó, tổ chức EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) của Đức quy định mức giá từ hệ thống năng lượng gió của năm 2012 là: 8,8 eurocents/kWh cho 3 năm đầu tiên và 5,9 eurocents/kWh cho những năm tiếp theo Chính phủ Đức thường xuyên thay đổi mức giá mua năng lượng điện gió và khuyến khích phát triển nguồn năng lượng gió ngoài khơi

Trang 24

2.2.4 Châu Á Thái Bình Dương

- Năm 1993, Ấn Độ đã đạt được sự phát triển ấn tượng về việc lắp đặt các hệ thống điện tuabin gió Chính phủ đã bắt đầu tạo nhiều cơ hội khuyến khích đầu tư vào nguồn năng lượng này hơn

Tại Ấn Độ, Bộ Năng lượng tái tạo và Năng lượng mới được giao nhiệm vụ sẽ

là đơn vị điều hành việc lắp đặt các hệ thống năng lượng điện gió ngoài khơi Cột mốc đánh dấu sự phát triển mới của năng lượng gió ngoài khơi tại Ấn Độ với hệ thống cối xay gió trải dài 200 hải lý từ đất liền

Trên thực tế, tiềm năng năng lượng gió tại Ấn Độ rất lớn những vẫn chưa được khai thác một cách triệt để Hiện tại, Ấn Độ mới chỉ chú trọng hệ thống năng lượng gió trên đất liền Hệ thống này đang cung cấp 23GW cho nhu cầu tiêu thụ điện trên cả nước So với năng lượng gió trên đất liền, hệ thống năng lượng gió ngoài khơi cần nhiều chi phí cho lắp đặt hơn nên nguồn năng lượng vô tận này vẫn chưa được khai thác một cách triệt để

Chính phủ Ấn Độ rất hy vọng vào công nghiệp năng lượng gió ngoài khơi sẽ thành công và gặt hái được những thành tựu lớn như ngành công nghiệp gió đất

Trang 25

liền đã đạt được Đại diện chính phủ cho biết: “Với sự ra mắt của Chính sách năng lượng gió ngoài khơi, Ấn Độ sẽ cố gắng để lặp lại thành công như đã làm với ngành công nghiệp gió đất liền.”

Hệ thống điện năng lượng gió ngoài khơi sẽ tiếp tục đóng góp cho an ninh điện quốc gia và giúp Ấn Độ hoàn thành những chỉ tiêu năng lượng to lớn đã đặt ra

- Trung Quốc đang đầu tư lớn vào năng lượng sạch để đáp ứng các mục tiêu khí hậu và làm sạch thành phố ô nhiễm Theo một báo cáo gần đây, Trung Quốc đã lắp đặt 30,5 GW năng lượng điện gió vào năm 2015, chiếm gần một nửa trong số tất cả các hệ thống năng lượng điện gió được lắp đặt trên toàn cầu Quốc gia đông dân nhất trên thế giới đã đánh bại Mỹ về công suất năng lượng điện gió lắp đặt với gần 8,6 GW Vị trí thứ ba là Đức 6,1 GW Kế đến, Brazil

và Ấn Độ mỗi nước là 2,6 GW

Công ty năng lượng GlobalData cho biết rằng kế hoạch tương lai của Trung Quốc là nâng mục tiêu lắp đặt năng lượng gió đến năm 2020 vào khoảng 250

GW Sau đó, chuyển trọng tâm từ việc mở rộng quy mô hướng tới chất lượng

và hiệu quả GlobalData dự đoán rằng Trung Quốc sẽ duy trì vị trí là quốc gia hàng đầu về công suất năng lượng gió được lắp đặt, 23 GW vào năm 2016 Công suất năng lượng điện gió này được dự đoán sẽ tăng gấp ba lần vào năm

2030, tức là khoảng 495 GW

- Nhật phát triển vượt trội hơn với các dự án thử nghiệm tuabin gió công nghệ cao Cuối năm 1990, dự án về năng lượng gió đầu tiên đã bắt đầu hoạt động tại đảo Hokkaido và Okinawa

Công suất năng lượng điện gió tại Nhật dự kiến sẽ tăng gấp 3 khi 2 nhà phát triển lớn nhất bao gồm Eurus Energy Holdings và Electric Power Development đầu tư 10 tỉ yên vào lắp đặt hệ thống mới Đầu tư này sẽ giúp việc sản xuất năng lượng điện từ năng lượng gió tương đương với 10 lò phản ứng hạt nhân Hai nhà phát triển trên dự định sẽ đầu tư 60 tỷ yên, tương đương 528 triệu USD vào các cơ sở mới vào năm 2020

Nhằm đạt được mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính, chính phủ Nhật đang tìm cách tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo trừ thủy điện Nhật lên

kế hoạch tăng tỉ trọng năng lượng tái tạo từ 3% lên 15% đến năm 2030

Trang 26

Năng lượng gió được xem là hiệu quả hơn năng lượng mặt trời, bởi nguồn năng lượng này cung cấp gần gấp đôi công suất sử dụng Các tuabin gió lại có thể được lắp đặt cả ngoài khơi và gần bờ, không gặp phải hạn chế về diện tích như các loại nhà máy điện khác và cũng không đòi hỏi hỗ trợ từ các nguồn nhiên liệu khác

Tuy vậy, theo Cơ quan năng lượng thế giới (IEA), điện gió chỉ đáp ứng được 0,5% nhu cầu điện tại Nhật vào năm 2014, thấp hơn rất nhiều so với mức 39% của Đan Mạch; 9,6% của Đức; 4,4% của Mỹ và 2,8% của Trung Quốc Nguyên nhân dẫn đến việc này một phần cũng bởi quy trình phê duyệt kéo dài từ 4 - 5 năm

Thêm vào đó, các doanh nghiệp nước ngoài cũng bắt đầu đầu tư vào năng lượng gió tại Nhật Bản Công ty Pattern Energy, một doanh nghiệp phát triển điện gió lớn tại Mỹ dự định lắp đặt các tuabin với tổng công suất 1 triệu kW vào năm 2020, dự kiến bắt đầu với 126.000 kW ở phía Bắc quận Aomori, đây

sẽ là cụm nhà máy lớn nhất tại Nhật Bản tính đến thời điểm hiện tại

2.3 Năng lượng gió tại Việt Nam [21]

Việt Nam được ước tính có tiềm năng rất lớn về năng lượng gió với tổng diện tích vùng lãnh thổ có tiềm năng khai thác xấp xỉ 9% tổng diện tích quốc gia Nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đường bờ biển dài hơn 3200

km Vì vậy, Việt Nam có lợi thế rất lớn về phát triển năng lượng gió Ngân hàng thế giới đã tiến hành một khảo sát chi tiết về năng lượng gió ở vùng Đông Nam Á (SEA) bao gồm cả Việt Nam trong chương trình năng lượng bền vững

và thay thế Theo kết quả của nghiên cứu này, Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió lớn nhất trong khu vực so với các nước láng giềng như Campuchia, Lào và Thái Lan Hơn thế nữa, vùng duyên hải Miền Nam và Nam Trung bộ của Việt Nam đặc biệt hứa hẹn về tiềm năng khai thác năng lượng gió vì vận tốc gió rất cao và mật độ dân cư thưa thớt Trong đó, 8,6% tổng diện tích được đánh giá là có tiềm năng từ cao đến rất cao cho việc phát triển các tuabin gió công suất lớn với vận tốc gió lớn hơn 7 m/s

Trang 27

Theo bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của khu vực Đông Nam Á, do

tổ chức True Wind Solutions LLC (Mỹ), khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía Bắc Trung bộ, nhiều nơi có tốc

độ gió đạt từ 7 - 9 m/s, có thể phát điện với công suất lớn nối lưới điện quốc gia Hầu hết, vùng ven biển còn lại trên lãnh thổ, vùng núi,… tốc độ gió đạt từ

5 - 6 m/s, có thể khai thác gió kết hợp với máy phát điện Diesel Tuy nhiên, để khuyến khích đầu tư về năng lượng gió cần có các chính sách về năng lượng tái tạo, mạng lưới điện, nhằm thu hút vốn cho các nhà máy điện gió

Tổng tiềm năng về năng lượng gió của Việt Nam được ước tính là 513.360 MW cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện Việt Nam vào năm 2020

a Nhà máy điện gió Tuy Phong

Nhà máy điện gió Tuy Phong, Huyện Tuy Phong, Tỉnh Bình Thuận là

dự án điện gió có quy mô lớn đầu tiên tại Việt Nam do Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư với 80 tuabin, có tổng công suất là 120 MW và 1.500 ha của dự án chủ yếu được quy hoạch trên vùng đất bạc màu, chỉ có cây bụi và những rẫy dưa còi cọc

Giai đoạn 1 gồm 20 tuabin có chiều cao cột 85 m; đường kính cánh quạt

77 m; công suất 1,5 MW; tổng trọng lượng mỗi tuabin là 89,4 tấn; cột tháp là

165 tấn Toàn bộ thiết bị do Fuhrlaender, hãng chế tạo thiết bị điện gió nổi tiếng thế giới của Đức cung cấp và được công ty Fuhrlaender Việt Nam lắp đặt Tổng mức đầu tư giai đoạn một gần 820 tỷ đồng

Khi cả 20 tổ máy đi vào hoạt động ổn định, sản lượng điện mà nó mang lại vào khoảng 100 triệu kWh/năm Đây không phải là một con số lớn nhưng lại vô cùng có ý nghĩa, mở đầu cho ngành công nghiệp điện gió tại Việt Nam

Trang 28

Hình 2.1 Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận

b Nhà máy điện gió Phú Quý

Nhà máy điện gió đảo Phú Quý là công trình có 3 turbin gió, tổng công suất 6 MW với tổng mức đầu tư trên 335 tỉ đồng Đến nay, các hạng mục công trình đã hoàn thành bao gồm cả trạm biến áp 22 kV và đường dây 22 kV Hệ thống đo điện năng, hệ thống cáp quang cũng đã được lắp đặt hoàn chỉnh Các turbin gió vận hành bảo đảm các thông số kỹ thuật Theo Công ty TNHH MTV Năng lượng tái tạo Điện lực Dầu khí Việt Nam (PVPower RE), đây là hệ thống hỗn hợp phong điện - diesel đầu tiên của Việt Nam và trên thế giới cũng chưa

có hệ thống tương tự, chính vì vậy công tác thiết kế hệ thống gặp nhiều khó khăn Do đó, cần thêm thời gian vận hành thử nghiệm để điều chỉnh độ chính xác tối đa Điện từ năng lượng gió của Nhà máy điện gió Phú Quý sẽ hòa cùng điện của Nhà máy điện Diesel hiện tại ở đảo Khi vận hành, thì đảo Phú Quý sẽ được cung cấp điện chính thức 24/24 giờ Dự kiến điện gió Phú Quý sẽ cung cấp sản lượng điện bình quân là 25 triệu kWh/năm Trước đây, nguồn điện trên đảo Phú Quý chủ yếu được cung cấp từ Nhà máy điện Diesel của Công ty Điện lực Bình Thuận, với tổng công suất 3.000 kW, chỉ phát điện được 16 giờ/ngày (từ 7 giờ 30 đến 23 giờ 30), lượng điện hàng năm ước khoảng 8,2 triệu kWh/năm Nhà máy phong điện Phú Quý đi vào hoạt động sẽ góp phần giải quyết tình hình thiếu điện sinh hoạt và sản xuất cho 27.000 người dân trên đảo

Trang 29

Công trình điện gió Phú Quý do PVPower RE khởi công xây dựng vào cuối năm 2010

Hình 2.2 Điện gió Phú Quý, Bình Thuận

c Nhà máy điện gió Phú Lạc, Bình Thuận

Dự án Nhà máy điện gió Phú Lạc - giai đoạn 1 khởi công vào ngày 27/7/2015 và hoàn thành ngày 19/9/2016 Nhà máy có 12 tuabin gió, công suất

24 MW, tổng mức đầu tư là 1.089 tỷ đồng do Ngân hàng Tái thiết Đức (KfW) tài trợ 35 triệu EUR, phần còn lại là vốn đối ứng từ chủ đầu tư Dự án được sử dụng thiết bị của Công ty Vestas, Đan Mạch; được tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật từ Công ty Fichtner, Đức

Dự án dự kiến sẽ cho sản lượng điện trên 59 triệu kWh/năm, được đấu nối vào đường dây 110 kV Ninh Phước - Tuy Phong Hợp đồng mua bán điện của dự án thực hiện theo Quy định của Thông tư 32/2012/TT-BCT của Bộ Công thương và giá mua điện được thực hiện theo Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ

Trang 30

Hình 2.3 Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận

d Nhà máy điện gió Bạc Liêu

Ngày 17/1/2016 vừa qua, tại thành phố Bạc Liêu đã tổ chức Lễ khánh thành Nhà máy điện gió Bạc Liêu lớn nhất nước ta hiện nay Nhà máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng - Thương mại - Du lịch Công Lý làm chủ đầu tư được triển khai xây dựng ven biển Bạc Liêu với toàn bộ các tuabin được đặt dọc theo đê biển Đông, kéo dài từ phường Nhà Mát đến ranh giới tỉnh Sóc Trăng và chiếm tổng diện tích khoảng 1.300 ha

Dự án xây dựng nhà máy được chính thức khởi công vào ngày 9/9/2010 Sau 5 năm triển khai, dự án hoàn thành, nhà máy có 62 tuabin gió, mỗi tuabin gió có công suất gần 1,6 MW, tổng công suất đạt được gần 99,2 MW và điện lượng sản xuất hàng năm khoảng 320 triệu kWh/năm Tổng mức đầu tư của dự

án là 5.217 tỷ đồng, bằng nguồn vốn tự có của chủ đầu tư và nguồn vốn vay tín dụng đầu tư của Nhà Nước

Mỗi tuabin gió có chiều cao 82,5 m; đường kính 4 m; làm bằng thép đặc biệt không gỉ và được sản xuất tại Mỹ Tuabin có 3 cánh quạt với chiều dài mỗi cánh 42 m, làm bằng nhựa đặc biệt, có hệ thống điều khiển giúp cánh quạt tự gập lại khi gặp thời tiết xấu như bão lớn phù hợp với chế độ gió cấp III tại khu vực ven biển Tỉnh Bạc Liêu Đây là loại tuabin gió do tập đoàn General

Trang 31

Electric của Hoa kỳ cung cấp với công nghệ tiên tiến đang được ứng dụng rộng trên thế giới

Với công suất đạt gần 100 MW (chính xác 99,2 MW), Nhà máy điện gió Bạc Liêu là nhà máy điện gió lớn nhất ở nước ta hiện nay Đặc thù của dự án xây dựng nhà máy điện gió là ngay trong quá trình xây dựng, mỗi tuabin gió được lắp dựng đều có thể đấu nối và hòa điện vào lưới điện quốc gia; tức phát huy ngay được hiệu quả đầu tư Tính từ trụ tuabin gió đầu tiên được hòa vào lưới điện quốc gia tháng 5/2013 đến thời điểm khánh thành dự án vào tháng 1/2016, tổng sản lượng điện hòa vào lưới quốc gia trong giai đoạn đầu tư xây dựng là 130 triệu kWh điện, doanh thu từ bán điện là 150 tỷ đồng, đóng góp ngân sách được 15 tỷ đồng

Nhà máy điện gió Bạc Liêu chưa dừng lại ở đây Tiếp theo, sau khi khánh thành giai đoạn 1, chủ đầu tư sẽ xúc tiến lập báo cáo tiền khả thi triển khai giai đoạn tiếp theo với 71 trụ tuabin gió mới (loại 2 MW/trụ) và tổng công suất 142 MW, tổng mức đầu tư dự kiến 8.850 tỷ đồng, thời gian thực hiện 36 tháng Dự kiến cuối năm 2018 sẽ hoàn thành xây dựng và đưa toàn bộ các tuabin mới vào vận hành và hòa vào hệ thống điện lưới Quốc gia

Hình 2.4 Điện gió Bạc Liêu

Về dài hạn, Việt Nam cần xây dựng chiến lược và lộ trình phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có nguồn năng lượng điện gió Trong chiến lược này, chi phí kinh tế (bao gồm cả chi chí trong và chi chí ngoài về môi trường và xã hội) cần phải được phân tích một cách kỹ lưỡng, có tính đến những phát triển mới về mặt công nghệ, cũng như trữ lượng và biến động giá

Trang 32

của các nguồn năng lượng thay thế Trong các nguồn năng lượng này, năng

lượng gió nổi lên như một lựa chọn xứng đáng, vì vậy cần được đánh giá một

cách đầy đủ Thêm vào đó, cũng dễ dàng nhận ra rằng Việt Nam có nhiều thuận

lợi để phát triển và khai thác nguồn năng lượng gió Việc không đầu tư nghiên

cứu và phát triển điện gió sẽ là một sự lãng phí rất lớn trong khi nguy cơ thiếu

hụt năng lượng điện luôn thường trực, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng kinh

tế và năng lực cạnh tranh quốc gia

Nếu nhìn ra thế giới thì việc phát triển điện gió đang là một xu thế lớn,

thể hiện ở mức tăng trưởng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác Khác

với điện hạt nhân vốn cần một quy trình kỹ thuật và giám sát hết sức nghiêm

ngặt, việc xây lắp điện gió không đòi hỏi quy trình khắt khe đó Với kinh

nghiệm phát triển điện gió thành công của Ấn Độ, Trung Quốc, Philippine, ;

và những lợi thế về mặt tự nhiên của Việt Nam, Việt Nam hoàn toàn tin rằng có

thể phát triển năng lượng điện gió để đóng góp vào sự phát triển chung của

nguồn năng lượng điện Việt Nam

2.4 Công suất gió [16], [21]

Tương ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau, các khối khí sẽ chuyển

động Sự di chuyển của khối khí có thể là hiện tượng toàn cầu mang tính chất

vùng và khu vực Tuabin gió tận dụng năng lượng gió ở gần mặt đất Điều kiện

gió ở khu vực này bị ảnh hưởng bởi sự chuyển đổi năng lượng từ những luồng

gió cao đến tầng thấp hơn Ở những nơi mặt đất gồ gề, các luồng gió gần mặt

đất sẽ bị thay đổi bất thường Cao điểm của sự thay đổi bất thường chính là do

Trang 33

V: Tốc độ gió (m/s)

Giá trị năng lượng từ gió thay đổi với lũy thừa 3 của tốc độ gió Điều này có nghĩa rằng, khi tăng 10% tốc độ gió sẽ thu được 30% giá trị năng lượng gió

Đường cong công suất của tuabin gió tuân theo mối quan hệ giữa tốc độ gió lúc tuabin bắt đầu hoạt động và công suất định mức Tuabin gió thường đạt công suất định mức khi tốc độ gió khoảng từ 12 - 16 m/s Khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ giới hạn, công suất cực đại sẽ bị giới hạn hoặc phần năng lượng từ gió sẽ trở nên thừa thải

Đường cong công suất còn phụ thuộc vào áp suất không khí Với đường cong của tốc độ gió cố định, tuabin gió có thể bị ảnh hưởng bởi tần số của hệ thống

Đường cong công suất của nông trại gió không phải là đường cong của một tuabin ở nông trại này mà phải xem xét thêm các yếu tố khác như hiệu ứng màn chắn hay hiệu ứng dòng đuôi của tuabin

Nếu những tuabin ở hàng đầu của dãy tuabin đón gió trực tiếp và đạt được tốc độ là 15 m/s, thì các tuabin ở hàng sau cùng chỉ đạt được tốc độ là 10 m/s Do đó, những tuabin ở hàng đầu sẽ hoạt động với công suất định mức Trong khi đó, các tuabin ở hàng sau cùng sẽ hoạt động với công suất nhỏ hơn định mức

Nếu tốc độ gió vượt qua tốc độ đóng mạch cho phép thì tuabin sẽ tắt và ngừng sản xuất điện Điều này có thể xảy ra trong lúc bão Nếu tốc độ gió dưới tốc độ đóng mạch tối thiểu thì tuabin sẽ không khởi động lại ngay lập tức Để được khởi động lại, tuabin gió thường cần một tốc độ gió khoảng 3 - 4 m/s

Trang 34

+ Bộ phận điều hướng đón gió;

+ Cơ cấu truyền động cơ khí;

+ Bộ phận điều khiển và các cảm biến tốc độ

Trong hệ thống điện gió hiện đại, có thể thêm các thành phần sau:

+ Bộ phận điều khiển với sự hỗ trợ của máy tính;

+ Lưu trữ điện để đáp ứng cho tải trong trường hợp làm việc độc lập; + Đường truyền kết nối với mạng lưới khu vực

2.5.1 Tuabin gió

Các thành phần cơ bản của tuabin gió được biểu diễn như trong Hình 2.5

Hình 2.5 Các thành phần cơ bản của tuabin gió Hiện nay, tuabin gió được chia thành hai loại:

+ Tuabin gió trục đứng;

+ Tuabin gió trục ngang

Trang 35

Các tuabin gió trục đứng hoạt động không chịu ảnh hưởng bởi hướng gió Nhưng tuabin trục đứng thường có công suất nhỏ Trong khi đó, tuabin gió trục ngang được sử dụng phổ biến hơn với 2 hoặc 3 cánh quạt Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi

a) Tuabin gió

trục đứng

Sovonius

b) Tuabin gió trục đứng Sovonius 3 tầng

c) Tuabin gió trục đứng Darrieus tại Heroldstat, Đức

d) Tuabin gió trục đứng H-Darrieus tại Nam Cực Hình 2.6 Tuabin gió trục đứng

Hình 2.7 Tuabin gió trục ngang

2.5.1.1 Cánh quạt (Blades)

Gió thổi qua các cánh quạt làm cho chúng chuyển động quay Các nỗ lực để chế tạo tuabin gió có khả năng thu nhiều năng lượng bị hạn chế bởi trọng lượng của các cánh quạt Các nhà khoa học tại Trường Đại học Case

Trang 36

Westerm Reserve, Mỹ đã chế tạo mẫu cánh quạt cực nhẹ, chắc gấp 8 lần và bền hơn so với các loại cánh quạt đang được sử dụng [1] Đây là cánh quạt đầu tiên trên thế giới làm từ polyurethane được gia cố bằng các ống nano cacbon Marcio Loos, tác giả nghiên cứu cho biết việc sử dụng cánh quạt nhỏ đã được làm mẫu, ông đã sản xuất được cánh quạt kích thước 29 inch nhẹ, chắc và bền hơn Các cánh quạt càng nặng thì sẽ cần có nhiều gió hơn để làm quay rotor, nghĩa là thu được ít năng lượng Do đó, các cánh quạt trọng lượng nhẹ, chắc chắn cho phép tăng đối đa năng lượng thu được Các kết quả thử nghiệm cơ học đối với ống nano cacbon gia cố polyurethane cho thấy vật liệu này tốt hơn hẳn so với các loại nhựa hiện đang được sử dụng để sản xuất các cánh quạt tuabin gió

Tuabin gió thường có 2 hoặc 3 cánh quạt, loại đang được sử dụng phổ biến hiện nay là loại tuabin có 3 cánh quạt Lý do là loại tuabin 3 cánh có hiệu suất cao hơn loại tuabin 2 cánh từ 2% - 3%

Khó khăn về cơ khí luôn song hành trong thiết kế vì những lực ly tâm và

lý thuyết mỏi dưới sự rung động liên tục Ngoài ra, giới hạn cơ khí tối thiểu để chống chọi với những cơn gió lớn đi kèm với việc điều khiển để bảo vệ cánh quạt và máy phát khi làm việc quá tải hay quá nhiệt Vấn đề quan trọng trong thiết kế là đạt hệ số công suất cực đại, cánh quạt to hay nhỏ sẽ đem lại sự khác biệt lớn trong tiếp nhận và chuyển đổi năng lượng cơ Cả mối quan hệ về trọng lượng với tháp đỡ, chiều dài cánh quạt với chiều cao của tháp cũng phải quan tâm Mặt khác, tương ứng với công suất nhận được thì chi phí lắp đặt cũng cần

phải được tính toán để đạt mức tối ưu

Trang 37

2.5.1.2 Rotor

Bao gồm các cánh quạt và trục

Hình 2.8 Bên trong một tuabin phát điện gió

2.5.1.3 Bước răng (Pitch)

Bộ phận này giúp cho cánh có thể xoay hoặc nghiêng một góc nào đó sao cho rotor quay với một tốc độ hợp lý nhằm đạt hiệu suất sản xuất năng lượng điện tối ưu, cũng như bảo vệ cánh quạt rotor trong các điều kiện gió quá lớn

Hình 2.9 Bộ điều khiển góc pitch

Trang 38

2.5.1.4 Bộ hãm (Brake)

Hầu hết, các tuabin gió đều có bộ phận hãm được sử dụng để dừng tuabin khi cần sửa chữa trong một số trường hợp khẩn cấp khi gió quá lớn hoặc bảo trì định kỳ Thông thường, có hai loại phanh bao gồm phanh điện và phanh

cơ

2.5.1.5 Trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft)

Trục quay tốc độ thấp là phần trục quay dùng để truyền moment giữa cánh quạt và hộp số

2.5.1.6 Hộp số (Gear box)

Hộp số bao gồm các bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp và trục

có tốc độ cao mà có thể tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1200 đến

1500 vòng/phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền

Hình 2.10 Hộp số tuabin gió

Trang 39

2.5.1.7 Máy phát điện (Generator)

Thông thường, máy phát điện tuabin gió là loại xoay chiều, có nhiều cặp cực với kết cấu đơn giản và phù hợp với đặc điểm tốc độ thấp của tuabin gió

Hình 2.11 Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp

Máy phát điện tuabin gió có thể bao gồm:

+ Máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cữu;

+ Máy phát điện gió không đồng bộ rotor lồng sốc;

+ Máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;

2.5.1.8 Bộ điều khiển (Controller)

Bộ điều khiển được sử dụng để khởi động máy phát điện gió Thông thường, máy phát điện gió có thể khởi động được ở tốc độ gió từ 8 - 12 m/s và ngắt máy phát khi tốc độ gió lớn hơn 20 m/s để bảo vệ máy phát mà có thể phát nóng, cũng như các kết cấu cơ khí của tuabin

2.5.1.9 Bộ đo lường tốc độ gió (Anemometer)

Bộ đo lường tốc độ gió được sử dụng để đo lường tốc độ gió và truyền

dữ liệu tốc độ gió đến các bộ điều khiển

Trang 40

2.5.1.10 Bộ xác định hướng gió (Wind vane)

Bộ xác định hướng gió có nhiệm vụ hỗ trợ cho việc điều chỉnh hướng rotor quay theo chiều hướng gió Nó có thể đơn giản là cánh quạt đuôi hay các

bộ phận phức tạp Cánh quạt quay với moment lớn ở trên cao trong thời gian chuyển hướng thường dẫn đến tiếng ồn Trong trường hợp, việc chuyển hướng quá nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép Vì vậy, quá trình này cần phải được kiểm soát một cách liên tục

2.5.1.11 Vỏ (Nacelle)

Vỏ bọc ngoài được đặt trên đỉnh trụ được sử dụng để bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

2.5.1.12 Trục tốc độ cao (High – speed shaft)

Trục tốc độ cao được sử dụng để truyền động máy phát ở tốc độ cao

2.5.1.13 Yaw drive

"Yaw drive" là bộ phận được sử dụng để giữ cho rotor luôn luôn hướng

về hướng gió chính sao cho công suất điện được sản xuất ra luôn luôn là cực đại

Tháp đỡ dùng để nâng tuabin và buồng chứa các hệ thống truyền động

cơ khí, máy phát điện, bộ phận điều hướng,… Chiều cao của tháp phải cao hơn đường kính của cánh quạt rotor Trước đây, chiều cao của tháp từ 20 - 50 m

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	1,63 MB