Tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp po​

‒ Tìm hiểu và xây dựng mô hình động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu và các bộ phận liên quan nếu có – turbine, cánh quạt, v.v trong một hệ thống điện gió.. Với các lý do trên, Học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

BÙI HỮU HÂN

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM CHÂM

VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

BÙI HỮU HÂN

TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ - MÁY ĐỒNG BỘ NAM CHÂM

VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP P&O

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRỊNH HOÀNG HƠN

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Trịnh Hoàng Hơn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày 27 tháng 09 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Bùi Hữu Hân Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1970 Nơi sinh: Thái Bình

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV:1541830022

I- Tên đề tài:

Tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện gió - máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu

bằng phương pháp P&O

II- Nhiệm vụ và nội dung:

‒ Tìm hiểu sơ lược về năng lượng điện gió, cấu trúc và các phương pháp điều

khiển hệ thống điện gió một cách tổng quan nhất

‒ Tìm hiểu và xây dựng mô hình động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

và các bộ phận liên quan (nếu có – turbine, cánh quạt, v.v) trong một hệ thống

điện gió

‒ Tìm hiểu phương pháp quan sát và nhiễu loạn (P&O) để tìm điểm làm việc công

suất cực đại ng d ng vào hệ thống điện gió

‒ Tìm hiểu và ứng d ng Simulink/Matlab để mô phỏng hệ thống máy phát điện

gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng d ng phương pháp P&O

‒ Báo cáo kết quả mô phỏng

III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/9/2017

V- Cán bộ hướng dẫn: TS Trịnh Hoàng Hơn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN

Năng lượng tái tạo, năng lượng xanh đang được nghiên cứu và ứng d ng rộng rãi trong và ngoài nước Tuy nhiên, vấn đề này vẫn còn khá mới mẻ đối với bản thân học viên Trong quá trình nghiên cứu đề tài, học viên đã thu nhận và học tập được rất nhiều kinh nghiệm quý báu Tuy chưa thể nói luận văn này là một công trình nghiên cứu đầy đủ và hoàn thiện về hệ thống điện gió, nhưng bản thân học viên nhận thấy luận văn cũng đạt được một số kết quả đáng ghi nhận

Học viên xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Trịnh Hoàng Hơn, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho học viên những ý kiến, đóng góp quý báu để học viên có thể hoàn thành luận văn Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy, Cô trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh đã trang

bị cho học viên một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu Những kiến thức đó đã tạo nền tảng vững chắc giúp học viên hoàn thành tốt luận văn

Học viên xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn động viên, giúp

đỡ, luôn là chỗ dựa tinh thần để luận văn được hoàn thành trong hoàn cảnh vừa học vừa làm vô cùng khó khăn vất vả

Sau cùng học viên cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ và chia sẽ kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt quá trình làm luận văn

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

Học viên thực hiện Bùi Hữu Hân

TÓM TẮT

Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm phát công suất cực đại của hệ thống điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu Nhằm đạt m c đích trên, học viên nghiên cứu và tìm hiểu lần lượt từng thành phần của hệ thống: hệ thống cánh quạt turbine, hệ thống truyền động và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu Phương trình động cho từng thành phần sau đó được phân tích và xây dựng

Hệ phương trình động được giải nhờ vào phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab, thông qua tín hiệu đáp ứng từ kết quả mô phỏng, phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) được chọn lựa để tìm điểm phát công suất cực đại Kết quả mô phỏng cho thấy giải thuật đề xuất đáp ứng khá tốt ở những điều kiện vận hành khác nhau: tốc độ gió thay đổi, tổng trở tải thay đổi, cả vận tốc gió và tổng trở tải thay đổi

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH x

Chương 1 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

I L DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II MỤC TI CỦA ĐỀ TÀI 2

III Đ I TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C 2

IV KẾT Ả D KIẾN 4

V NGH A KHOA HỌC VÀ TH C TI N CỦA ĐỀ TÀI 4

PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG 5

Chương 2 7

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 7

2.1 Sự hình thành gió 7

2.2 Sử d ng năng lượng gió để tạo ra điện 9

2.3 Lợi ích của năng lượng gió 11

2.4 Tình hình sử d ng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới 13

2.5 Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam 14

2.6 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam 15

2.6.1 Vị trí địa lý 15

2.6.2 Khí hậu 15

2.6.3 Tiềm năng gió của Việt Nam 16

2.6.4 Lượng gió theo từng mùa 16

2.6.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam 16

Chương 3 18

TỔNG QUAN VỀ HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ 18

3.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió 18

3.2 Khí động học gió 19

3.3 Các loại cấu trúc của turbine gió 20

3.4 Các bộ phận của turbine gió 21

3.4.1 Cánh quạt 21

3.4.2 Bộ truyền động 26

3.4.2.1 Hộp số 27

3.4.2.2 Truyền động trực tiếp 27

3.4.3 Máy phát 29

3.4.3.1 Máy phát lồng sóc tốc độ không đổi (Fixed speed Squirrel Cage Induction Generator) 29

3.4.3.2 Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ (Speed controlled Squirrel Cage Induction Generator) 30

3.4.3.3 Máy phát dây quấn đồng bộ (Wound Rotor Synchronous Generator)31 3.4.3.4 Máy phát dây quấn không đồng bộ (Wound Rotor Induction Generator - WRIG) 31

3.4.3.5 Máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator - DFIG) 32

3.4.5.6 Máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Generator - PMG) 33

3.4.3.7 Máy phát một chiều (DC Generator) 33

3.5 Các bộ chuyển đổi điện áp 34

3.5.1 Bộ chỉnh lưu 34

3.5.2 Các bộ biến đổi DC-DC (DC/DC Chopper) 40

3.5.2.1 Bộ biến đổi giảm áp - Buck chopper 41

3.5.2.2 Bộ chuyển đổi tăng áp – Boost chopper 44

3.5.2.3 Bộ biến đổi đảo áp, Buck - Boost Chopper 47

Chương 4 50

C C ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ 50

4.1 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet Synchronous Generator: PMSG) 52

4.1.1 Tổng quan về máy điện đồng bộ và máy điện đồng bộ nam châm vĩnh

cửu 52

4.1.2 Mô hình động của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) [33] 58

4.2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển và bộ chuyển đổi Boost 61

4.2.1 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 61

4.2.2 Bộ chuyển đổi tăng áp – Boost chopper 64

4.3 MPPT cho hệ thống năng lượng gió 64

4.3.1 Điểm công suất cực đại 67

4.3.2 Các phương pháp điều khiển MPPT 69

Chương 5 73

MÔ PHỎNG HỆ TH NG TRONG SIMULINK MATLAB 73

5.1 Mô phỏng hệ thống trong Simulink Matlab 73

5.1.1 Giới thiệu các Block và toolbox sử d ng trong chương trình 73

5.1.2 Mô phỏng hệ thống 76

5.1.3 Mô hình chi tiết 78

5.2 Kết quả mô phỏng 87

5.2.1 Trường hợp vận tốc gió không đổi tải thay đổi (kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống) 87

5.2.2 Trường hợp vận tốc gió thay đổi, tải không đổi (kiểm tra tính làm việc hiệu quả của hệ thống) 94

5.2.3 Trường hợp vận tốc gió thay đổi, tải thay đổi 100

5.2.4 Nhận xét định lượng 105

5.3 Kết luận 106

Chương 6 108

KẾT LUẬN 108

6.1 Kết quả đạt được 108

6.2 Những mặt còn hạn chế 108

6.3 Hướng phát triển của đề tài 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

P&O : Perturb & observe

MPP : Maximum Power Point

MPPT : Maximum Power Point Tracker

PMG : Permanent Magnet Generator

PMSG : Permanet Magnet Synchronous Generator

WRSG : Wound Rotor Synchronous Generator

WRIG : Wound Rotor Induction Generator

SCIG : Squirrel Cage Induction Generator

DFIG : Doubly Fed Induction Generator

DCG : DC Generator

VRG Variable Reluctance Generator

INCond : Incremental Conductance

FLC : Fuzzy logic controller

IEA : International Energy Agency

HAWT : Horizontal Axis Wind Turbine

VAWT : Vertical Axis Wind Turbine

BEM : blade element method

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát PMSG và thuật

toán P&O 2

Hình 2 1 Sự hình thành gió trên mặt đất 8

Hình 2 2 Turbine gió đầu tiên 12 kW 9

Hình 2 3 Turbine đầu tiên ngoài nước Mỹ 10

Hình 2 4 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận 11

Hình 3 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió 18

Hình 3 2 turbine tr c ngang (trái), turbine tr c dọc (phải)[4] 20

Hình 3 3 Turbine ngược chiều gió (trái) và turbine thuận chiều gió (phải) 21

Hình 3 4 Lực nâng và lực kéo tác động vào cánh quạt [15] 22

Hình 3 5 Mô hình BEM- blade element method [8] 22

Hình 3 6 Actuator model [17], [ 18] 23

hinh 3 7 Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt 24

Hình 3 8 Cp của các loại cánh quạt khác nhau của turbine gió 26

Hình 3 9 Cấu tạo hộp số (Gearbox) 28

Hình 3 10 Sơ đồ khối minh họa cho phương pháp truyền động trực tiếp; cánh quạt được nối trực tiếp vào rotor máy phát; có bộ biến đối dùng linh kiện bán dẫn để tương thích tần số phát và tải 28

Hình 3 11 – Hệ thống điện gió sử d ng động cơ lồng sóc tốc độ không đổi kết hợp với bộ khởi động mềm 30

Hình 3 12 - Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ, được trang bị bộ biến đổi điện áp AC/DC/AC 30

Hình 3 13 - Máy phát dây quấn đồng bộ ứng d ng trong turbine gió 31

Hình 3 14 - Turbine gió sử d ng máy phát dây quấn không đồng bộ 32

Hình 3 15 - Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép 32

Hình 3 16 - Turbine gió sử d ng máy phát kích từ vĩnh cửu 33

Hình 3 17 - Turbine gió dùng máy phát DC 34

Hình 3 18 Chỉnh lưu 1 pha bán kỳ không t lọc 35

Hình 3 19 - Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa bán kỳ 36

Hình 3 20 – Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển 36

Hình 3 21 – Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 37

Hình 3 22 – Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển 38

Hình 3 23 – Minh họa mạch chỉnh lưu có điều khiển - Mạch chỉnh lưu tia ba pha điều khiển 39

Hình 3 24 - Chỉnh lưu cầu một pha sử d ng diod có t lọc 40

Hình 3 25 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck 41

Hình 3 26 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost 44

Hình 3 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost chopper 47

Hình 4 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống điện gió nam châm vĩnh cửu 51

Hình 4 2 Cấu tạo máy điện khi stator đòng vai trò kích từ (phần cảm) 54

Hình 4 3 Cấu tạo rotor cực ẩn; hình bên trái phát họa hình cắt ngang của rotor, hình bên phải minh họa một rotor trong thực tế (nguồn ảnh internet); cả hai rotor đều là loại hai cực từ 55

Hình 4 4 Cấu tạo rotor cực lồi; hình bên trái phát họa hình cắt ngang của rotor, hình bên phải minh họa một rotor trong thực tế (nguồn ảnh internet); cả hai rotor đều là loại bốn cực từ 55

Hình 4 5 Minh họa mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu 56

Hình 4 6 Minh họa nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ba pha 57

Hình 4 8 Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 62

Hình 4 9 Dạng áp tức thời trên tải, và các trạng thái dẫn của mỗi diod trong mạch cầu chỉnh lưu 63

Hình 4 10 Mạch điện một chiều đơn giản 65

Hình 4 11 Minh họa sự phối hợp trở kháng với nguồn và tải cho trước 66

Hình 4 12 – Đặc tính Cp – cho các góc pitch khác nhau 68

Hình 4 13 – Công suất turbine ở các tốc độ gió khác nhau 69

Hình 4 14 - Xác định điểm MPP bằng phương pháp “leo đồi” [27] 70

Hình 4 15 Lưu đồ giải thuật thuật toán P&O 72

Hình 4 16 Phương pháp P&O hoạt động không hiệu quả khi tốc độ gió liên t c thay đổi 72

Hình 5 1 Sơ đồ khối đề xuất của hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu điều khiển bằng thuật toán P&O 76

Hình 5 2 - Mô phỏng hệ thống máy phát điện gió trong Simulink Matlab 77

Hình 5 3 – Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng Turbine, Generator and Rectifier; hình bên

trái có thể tìm thấy trong hình 5.2; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong 79

Hình 5 4 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng wind-turbine; hình bên trái có thể tìm thấy trong hình 5.3; hình bên phải là sơ đồ chi tiết bên trong 80

Hình 5 5 Sơ đồ chi tiết khối mô phỏng turbine; hình bên trên có thể tìm thấy trong Hình 5.4; hình bên dưới là sơ đồ chi tiết bên trong 80

Hình 5 6 Các thông số của khối Turbine 81

Hình 5 7 Khối máy phát: 12kW 67Nm 1700rpm; Hình phía trên được tìm thấy trong hình 5.4; hình bên dưới sơ đồ chi tiết 82

Hình 5 8 Cấu hình của PMSG (bảng thông số 1) 82

Hình 5 9 Thông số PMSG (bảng thông số 2) 83

Hình 5 10 Khối Rectifier; hình bên trái có thể được tìm thấy trong hình 5.3; hình bên phải là bảng thông số cài đặt cho khối chỉnh lưu 84

Hình 5 11 Khối P&O MPPT; hình bên trên được trích từ hình 5.2; hình bên dưới là sơ đồ chi tiết 85

Hình 5 12 Khối IO đặc trưng cho khối IO1 và IO2 trong hình 5.11 85

Hình 5 13 Khối DC-Load; hình trên được trích xuất từ hình 5.3; hình bên dưới trình bày sơ đồ chi tiết của khối DC-Load 86

Hình 5 14 Khối tăng áp Boost converter, hình bên trái được trích xuất từ hình 5.2; hình bên phải là sơ đồ chi tiết mô phỏng bộ DC/DC chopper 87

Hình 5 15 Vận tốc gió được giả sử là không đổi (8 m/s) 88

Hình 5 16 Điện trở tải thay đổi [25 16,67 14,29 16,67] tương ứng các thời điểm [0 40 60 80] s 89

Hình 5 17 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian 89

Hình 5 18 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian 90

Hình 5 19 Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian 90

Hình 5 20 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian 91

Hình 5 21 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là điện áp ngõ vào bộ chopper) theo thời gian 91

Hình 5 22 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo thời gian 92

Hình 5 23 Đáp ứng của giá trị Duty Cycle (D) theo thời gian 92

Hình 5 24 Vận tốc gió được giả sử là không đổi [8 6 9 7 8] (m/s) tương ứng với các

thời điểm [0 40 60 80 100] (s) 94

Hình 5 25 Đặc tính ngõ vào của tải theo thời gian, trường hợp này tải không đổi và bằng 25  95

Hình 5 26 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian 95

Hình 5 27 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian 96

Hình 5 28 Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian 96

Hình 5 29 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian 97

Hình 5 30 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là điện áp ngõ vào bộ chopper) theo thời gian 97

Hình 5 31 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo thời gian 98

Hình 5 32 Đáp ứng của giá trị Duty Cycle (D) theo thời gian 98

Hình 5 33 Vận tốc gió theo thời gian 100

Hình 5 34 Sự thay đổi tải theo thời gian 101

Hình 5 35 Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian 101

Hình 5 36 Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian 102

Hình 5 37 Đáp ứng công suất Tuabin gió (cũng là công suất Turbine nhận được) theo thời gian 102

Hình 5 38 Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian 103

Hình 5 39 Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu (cũng là công suất ngõ vào bộ chopper) theo thời gian 103

Hình 5 40 Đáp ứng của điện áp ngõ ra bộ Chopper (cũng là điện áp trên tải) theo thời gian 104

Hình 5 41 Đáp ứng của giá trị Duty cycle (D) theo thời gian 104

Hình 5 42 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 8m/s (được chiết trích từ hình 4.13) 105

Hình 5 43 Đường đặc tính Pm – r với tốc độ gió 6m/s (được chiết trích từ hình 4.13) 106

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

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

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

cả các nguồn năng lượng có thể khai thác và sử d ng được Tuy nhiên, có những nguồn năng lượng bên cạnh mang lại lợi ích to lớn cho nhân loại thì còn mang lại nhiều rủi ro nguy hiểm, ví d , năng lượng hạt nhân chẳng hạn, cho đến nay nhân loại chưa có gì đảm bảo 100% an toàn khi sử d ng nguồn năng lượng này

Trong thời đại cận đại và hiện đại, nguồn năng lượng hóa thạch đóng vai trò chủ yếu với lý do dễ khai thác và sẵn có trong lớp vỏ quả đất Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và khi sử d ng làm ảnh hưởng đến môi trường, gây nên hiệu ứng nhà kính Ngành năng lượng xanh (hay còn được gọi là năng lượng tái tạo) như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đã được hình thành trong nhiều thập niên qua; viễn cảnh sẽ được phát triển và khai thác mạnh mẽ để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch

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

ph c v cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết

Với các lý do trên, Học viên muốn nghiên cứu “Tìm Điểm Công Suất Cực Đại Cho Máy Phát Điện Gió – Máy Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Bằng Phương Pháp P&O” cho luận văn Thạc sĩ của mình

II MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI

Sử d ng phần mềm Simulink Matlab và thuật toán điều khiển P&O (quan sát và nhiễu loạn) để tìm điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống máy phát điện gió - máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)

III Đ I TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U

Đối tượng: Tìm điểm phát công suất cực đại cho hệ thống máy phát gió bằng

thuật toán P&O; hệ thống máy phát điện gió sử d ng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sơ đồ khối như trong hình 1 Tất cả các khối sẽ được phân tích và thành lập hệ phương trình động, mô hình mô phỏng cho hệ phương trình động sẽ được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab Các thông số trong bộ điều khiển sẽ được chọn lựa bằng lập luận, bằng thống kê hoặc bằng phương pháp thử và sai để có được đặc tính ngõ ra như mong muốn khi các thông số ngõ vào được thay đổi một cách ngẫu nhiên trong phạm vi cho phép

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát PMSG và thuật

toán P&O

Phương pháp nghiên cứu:

- Xây dựng mô hình toán học dựa vào phương trình động (phương trình vi phân) của từng khối (hình 1) trong hệ thống:

 Phương trình khí động học của gió

 Khối Turbine: Mô tả mối quan hệ giữa công suất gió, cánh quạt (bao hàm cả kích thước và hình dạng) và mật độ không khí,

 Khối PMSG: Là mô hình toán học của máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu

 Khối biến đổi điện áp AC/DC; DC/DC và DC/AC: Mô hình toán học của từng bộ điện tử công suất được trình bày và mô phỏng lại dựa vào phần mềm Simulink Matlab

 Giải thuật quan sát và nhiễu loạn (P&O) được trình bày và mô phỏng trong khối Giải thuật P&O

- Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của từng khối: Các khối sau khi được mô phỏng sẽ được kiểm tra tính đúng đắn dựa vào dạng đáp ứng quá độ (so sánh với

cơ sở lý thuyết hoặc tài liệu tham khảo); giá trị vào ra khi hệ thống ở trạng thái xác lập (đáp ứng trong thời gian dài)

- Phương pháp kiểm tra tính đúng đắn của cả hệ thống: Sau khi từng khối được kiểm tra tính đúng đắn, chúng sẽ được kết nối vào thành một hệ thống Để kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống luận văn đề xuất phương pháp như sau:

 Tiêu chí đánh giá là giá trị công suất truyền từ máy phát đến tải

 Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính gió không đổi: Thay đổi tải, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty cycle là hằng số) P&O

 Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải không đổi: Thay đổi đặc tính gió, so sánh kết quả khi sử d ng và không sử d ng thuật toán (Duty cycle là hằng số) P&O

 Cho trạng thái vận hành của hệ thống với đặc tính tải và đặc tính gió thay đổi ngẫu nhiên (không đồng thời): So sánh kết quả với khi có sử d ng thuật toán với lý thuyết công suất cực đại lý thuyết (thông qua tính toán) của máy phát với từng trường hợp năng lượng gió ngõ vào

- Toàn bộ quá trình trình bày trên được thực hiện và kiểm tra nhờ vào phần mềm

mô phỏng Simulink Matlab

IV KẾT QUẢ D KIẾN

- Mô hình động hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu

- Sử d ng thuật toán P&O để tìm điểm phát công suất cực đại

- Đánh giá đáp ứng của hệ thống khi thông số ngõ vào thay đổi

V Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TI N CỦA ĐỀ TÀI

Với sự khát khao học hỏi, và khát khao cùng với giới khoa học trong nước nghiên cứu nắm bắt được công nghệ hiện đại, học viên chọn đề tài “Tìm Điểm Công Suất Cực Đại Cho Máy Phát Điện Gió – Máy Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Bằng Phương Pháp P&O” với tính mới không cao, nhưng học viên hy vọng luận văn sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích cho những khóa học sau Riêng bản thân học viên cũng sẽ học hỏi được nhiều điều bổ ích cho bản thân

PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG

Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá thì nhu cầu năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước Vấn đề đặt ra là phát triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi trường và cảnh quang thiên nhiên Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ, khí đốt… ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính Để giảm thiểu những vấn đề trên ta cần phải tìm nguồn năng lượng thay thế đó là năng lượng tái tạo, năng lượng sạch; từ đó có thể giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình kinh tế, an ninh chính trị quốc gia Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề về năng lượng để phát triển Việt Nam có các quan điểm

về chính sách sử d ng năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng gió

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

Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng rất lớn Nhà máy điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890 Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện gió sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới [32]

Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng cho

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

Tuabin gió được sử d ng trong hộ gia đình được phân bố rộng rãi trên thế giới

Sự tương tác giữa hệ thống điện gió trong gia đình và trong lưới điện sẽ là một khía cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống điện gió trong tương lai Đó là điều cần thiết để đảm bảo rằng lưới điện có khả năng làm việc trong giới hạn của tần số và điện áp phù hợp cho các dự án kết hợp việc sản xuất năng lượng điện từ gió và việc tiêu th điện của người tiêu dùng, đồng thời để đảm bảo duy trì lưới điện hoạt động ổn định Vì vậy khi điện gió hòa vào lưới điện phải không làm chất lượng điện xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của lưới điện, do đó cần có máy phát điện phù hợp Trong tất cả các máy phát điện có thể sử d ng được trong hệ thống điện gió thì máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là máy phát

có nhiều ưu điểm, có thể sử d ng trong trường hợp này vì tính ổn định và an toàn của nó trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để

kích từ

Để hệ thống làm việc tại điểm có công suất cực đại ở các tốc độ gió khác nhau,

ta phải phát triển một hệ thống có khả năng sản sinh tối đa sản lượng điện của tuabin gió ở mọi điều kiện hoạt động Nói chung, các kỹ thuật MPPT có thể được chia thành hai loại, c thể là các phương pháp trực tiếp và gián tiếp Phương pháp trực tiếp bao gồm: nhiễu loạn và quan sát (P&O), gia tăng độ dẫn (INCond : Incremental Conductance), hồi tiếp điện áp hoặc dòng điện, phương pháp logic mờ (FLC: Fuzzy logic controller), phương pháp nơron… Các phương pháp gián tiếp bao gồm: Điện áp PV vòng hở, Dòng PV ngắn mạch Phương pháp P&O là phương pháp tương đối cơ bản, đơn giản, dễ áp d ng và được sử d ng khá rộng rãi

và phổ biến

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯ NG GIÓ 2.1 Sự hình thành gió

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

có những khía cạnh khác nhau, một là vận tốc của gió; hai là áp suất dòng khí; ba là tổng năng lượng của gió

Trong khí tượng học, cơn gió thường được gọi theo sức mạnh của nó, và hướng gió thổi Sự tăng tốc đột ngột của gió được gọi là cơn gió mạnh Sự tăng tốc kéo dài (khoảng một phút) của các cơn gió mạnh được gọi là gió giật Gió với khoảng thời gian kéo dài hơn có những cái tên khác nhau kết hợp với tốc độ trung bình của gió, chẳng hạn như gió nhẹ (breeze), gió mạnh (gale), bão (storm), cơn bão (hurricane),

và cơn bão lớn (typhoon) Gió xảy ra trên các phạm vi khác nhau, từ cơn bão kéo dài hàng ch c phút, cho đến gió địa phương được hình thành do sự nung nóng của

bề mặt đất liền kéo dài khoảng vài giờ, cho đến gió toàn cầu do sự khác biệt trong

sự hấp th năng lượng mặt trời giữa các vùng khí hậu trên trái đất Hai nguyên nhân chính của gió hoàn lưu khí quyển quy mô lớn là sự khác biệt nhiệt độ giữa xích đạo và các cực, và vòng quay của Trái đất (hiệu ứng Coriolis) Trong vùng nhiệt đới, hoàn lưu nhiệt thấp trên địa hình bình nguyên và cao nguyên có thể tạo ra lưu thông gió mùa Tại các khu vực ven biển các chu kỳ gió thổi từ biển vào đất liền và ngược lại có thể được coi là gió địa phương; ở các khu vực có địa hình biến động, gió núi và gió thung lũng là những gió địa phương [30]

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

áp suất (Hình 2.1) Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí

và vì tr c quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Hình 2 1 Sự hình thành gió trên mặt đất

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh tr c của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ tr thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và

đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại [32]

2.2 Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện

Từ xa xưa năng lượng gió đã được sử d ng để ph c v cuộc sống và giao thông

đi lại: Thuyền buồm, khinh khí cầu, cối xay gió tưởng sử d ng năng lượng gió để tạo ra điện được hình thành ngay khi phát minh ra điện và máy phát điện Năm

1888, Turbine gió đầu tiên dùng để phát điện được coi là của Charles F Brush, tại Cleveland, Ohio (hình 2.2, [5]), turbine có công suất 12 kW được dùng để nạp điện cho bình accu trong tầng hầm của gia đình [5]

Hình 2 2 Turbine gió đầu tiên 12 kW

Tuabin gió đầu tiên bên ngoài nước Mỹ dùng để tạo ra điện được chế tạo bởi Poul la Cour vào năm 1905 tại Đan Mạch; được dùng điện phân nước để chế tạo hydro cho các đèn đốt khí ở trường học [26]

Hình 2 3 Turbine đầu tiên ngoài nước Mỹ

Tại Mỹ - hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm 1890 Đến những năm 1930 và 1940, hàng trăm ngàn hệ thống được dùng trong các khu nông thôn chưa có điện lưới Nhưng sau đó, sự quan tâm về năng lượng gió bị suy giảm khi lưới điện được mở rộng với nguồn điện tin cậy, rẻ tiền có thể mua dễ dàng Khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 tạo ra làn sóng quan tâm đến năng lượng gió đến khi chính phủ Mỹ dừng chương trình hoàn thuế Từ năm 1990, con người mới tập trung nghiên cứu phát triển năng lượng tái tạo, từ đó điện gió cũng bắt đầu phát triển mạnh mẽ Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không ph thuộc vào đường lối chính trị Các nước đi tiên phong trong lĩnh vực năng lượng gió có thể kể đến như Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Trung uốc, Đan Mạch ,… [32] Ngày nay, năng lượng gió đã đi vào khai thác mang tính thương mại (phổ biến) nên được áp d ng rộng rải ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam (Hình 2.4)

Tuy nhiên không phải tất cả đều ủng hộ nguồn năng lượng này Họ chỉ trích việc phá hoại phong cảnh tự nhiên, đồng thời chỉ ra rằng năng lượng gió thiếu khả năng

dự trữ, và tiêu tốn nhiều chi phí hơn cho việc mở rộng mạng lưới tải điện cũng như

cho năng lượng để điều khiển

Hình 2 4 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận

2.3 Lợi ích của năng lượng gió

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo, nên ít gây ô nhiễm môi trường, lượng khí thải CO2 giảm mạnh; năng lượng gió là vô tận và dồi dào sẽ không bị cạn kiệt như các nguồn năng lượng hóa thạch Đặc biệt, Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa nên nguồn năng lượng gió càng thêm phong phú Theo kết quả khảo sát của Chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất với tổng tiềm năng điện gió ước đạt 513.360 MW, lớn gấp 200 lần công suất của Nhà máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện Việt Nam năm 2020 [26]

Về chi phí cho nguồn năng lượng tái tạo – năng lượng gió thì tùy thuộc vào công nghiệp của từng nước, đối với các nước có ngành công nghiệp phát triển thì chi phí sản xuất thấp Đối với Việt Nam do ph thuộc công nghệ, phần lớn thiết bị và công nghệ đều nhập khẩu nên chi phí cho sản xuất năng lượng gió tương đối cao Ví d , đối với nhà máy điện gió Bạc Liêu: “Giá điện gió của Nhà máy Điện gió Bạc Liêu

đề nghị bán cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) lên tới 12 Scents/kWh Nếu được chấp thuận, chi phí này sẽ được cộng vào giá điện chung và người tiêu dùng

sẽ phải gánh thông qua việc chi trả tiền điện hàng tháng Giá điện tăng sẽ đánh t t sức mua” [24]

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

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

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

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

 Chi phí cho phần tháp hoặc tr đỡ tùy thuộc chiều cao tr , trọng lượng thiết bị

và các điều kiện địa chất công trình Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam để giảm chi phí Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không đáng kể

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

Nhưng chi phí và công nghệ không phải là rào cản lớn nhất, vì nếu nhìn về tương lai thì Việt nam đang có sự phát triển về công nghệ mạnh mẽ; chúng ta lần lượt tiến lên làm chủ về công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng như giao thông, cầu đường, đóng tàu, Vì thế, năng lượng điện gió tiếp t c được ủng hộ và đầu tư tại Việt nam trong giai đoạn hiện tại và hứa hẹn

sẽ bùng nổ trong tương lai

ua phân tích trên ta thấy được ưu và nhược điểm của năng lượng tái tạo, trong

đó ưu điểm có phần vượt trội để năng lượng gió được ủng hộ tại Việt Nam Ở Việt Nam, hoạt động khai thác tài nguyên với quy mô lớn đã diễn ra từ khoảng giữa thế

kỉ XIX - nửa đầu thế kỉ XX Luật BVMT được uốc hội ban hành năm 1993, 2005,

2014 và Nghị định 102/2003/NĐ-CP của Chính phủ năm 2003 đã chỉ rõ chủ trương

của Nhà nước là ưu tiên khai thác nguồn năng lượng có khả năng tái tạo và không gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường [26]

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

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

Mỹ, Anh và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency: IEA) với 14 nước thành viên hợp tác nghiên cứu các kế hoạch trao đổi thông tin kinh nghiệm về việc phát triển năng lượng điện gió Các quốc gia này là:

Úc, Canada, Đan Mạch, Th y Điển, Na y, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, , Nhật,

Hà Lan, New Zealand, Th y Sĩ, Anh, Mỹ Vào năm 1995 các nước thành viên có khoảng 25.000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện và đang vận hành tốt Tổng công suất của các tuabin này là 3500 MW và hằng năm sản xuất ra 6 triệu MWh Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái sinh phát triển nhanh nhất trên thế giới đặc biệt là ở châu Âu đang chiếm 70% tổng công suất này

Theo số liệu thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức gió trên thế giới đang liên t c tăng: năm 1994 là 3.527,5 MW, năm 1995 là 4.770MW, năm 1996 là 6.000 MW, năm 1997 là 7.500 MW và hiện nay là hơn 10.000 MW

Sử d ng điện năng bằng sức gió, các nhà sản xuất và tiêu dùng đều có thể an tâm về nguồn “tài nguyên” này; hơn nữa phong điện gần như không có tác hại đáng kể nào tới môi trường (theo số liệu năm 2005- [20]-[25])

ua khảo sát người ta nhận thấy năng lượng gió trên thế giới là rất lớn và được phân bố tất cả các nước Năng lượng điện có thể khai thác hằng năm là 53000 TWh

và có thể cung cấp vượt quá nhu cầu điện thế giới vào năm 2020 Theo khảo sát hằng năm của Viện năng lượng quốc tế thì nhu cầu tiêu th điện thế giới vào năm

2020 là 25800 TWh trong đó năng lượng điện gió sẽ chiếm 12% tổng nguồn năng

lượng [17]

Bảng 2 1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới năm

Tổng cộng trên toàn thế giới 47.574

2.5 Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế Và theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp t c được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu

cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm

2030 là 327.000 GWh Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị thiếu h t điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu h t có thể lên tới 20-30% mỗi năm Nếu dự báo này của EVN trở thành hiện thực thì hoặc là chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nước, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào đình trệ, dẫn tới đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

2.6 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam

2.6.2 Khí hậu

Tuy lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới nhưng khí hậu Việt Nam phân bố thành 3 vùng khí hậu riêng biệt theo phân loại khí hậu Köppen (cách phân loại khí hậu, [31]) với miền Bắc và Bắc Trung Bộ là khí hậu cận nhiệt đới ẩm, miền Trung và Nam Trung bộ là khí hậu nhiệt đới gió mùa, miền cực Nam Trung

Bộ và Nam Bộ mang đặc điểm nhiệt đới xavan Đồng thời, do nằm ở rìa phía Đông Nam của phần châu Á l c địa, giáp với biển Đông (một phần của Thái Bình

Dương), nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của kiểu khí hậu gió mùa mậu dịch, thường thổi ở các vùng vĩ độ thấp

2.6.3 Tiềm năng gió của Việt Nam

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

Tốc độ gió và công suất điện ở độ cao 65m: Các dãy núi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam nằm ở vị trí đặc biệt, chúng tạo thành những rào chắn liên tiếp đón nhận gió mùa loại gió này đến từ hướng Đông Bắc từ tháng 10 đến tháng 5 và thổi

từ hướng Tây Nam từ tháng 6 tới tháng 9 Dọc theo miền Trung Việt Nam có lượng gió rất tốt và tốc độ gió tương đối mạnh và lượng gió nhiều

Tốc độ gió ở độ cao 30 m: ở độ cao này chỉ thích hợp cho loại tuabin có công suất nhỏ, thích hợp những nơi có tốc độ gió vừa và chậm và loại tuabin nhỏ này có thể thay thế các tuabin lớn ở những nơi không thể đặt tuabin lớn

2.6.4 Lượng gió theo từng mùa

Trong 4 mùa Xuân - Hạ - Thu - Đông mùa có gió nhiều nhất là mùa đông từ tháng 12 đến tháng 2 và mùa hè từ tháng 6 đến tháng 8 Những tháng này là cao điểm của gió mùa Đông Bắc và Tây Nam Hai mùa còn lại chỉ là mùa chuyển tiếp Gió lớn xuất hiện cả mùa đông và mùa hè nhưng nằm ở những vùng khác nhau Ở nước ta gió mạnh xuất hiện phía tây dãy Trường Sơn Gió mùa Đông Bắc cũng kéo theo những cơn gió mạnh ở miền Nam Việt Nam điều này xảy ra những vùng ven biển vì gió thổi theo hướng Đông Bắc tạo ra vùng có áp suất thấp ở phía Bắc và

phía Tây của dãy Trường Sơn

2.6.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam

Vùng châu thổ sông Mêkông đến thành phố Hồ Chí Minh gió ở đây rất tốt (tốc

độ 7 - 7.5 m/s) khu vực này có điều kiện phát triển nguồn năng lượng điện gió vì

nó gần thành phố Hồ Chí Minh có nhu cầu tiêu th điện rất lớn

Trên các dãy núi phía Nam của khu vực duyên hải miền Trung có gió rất nhiều

Ở vùng Tây Nguyên rộng lớn có tốc độ gió từ 7 - 7.5m/s, và vùng biên giới giáp Campuchia Khu vực nằm giữa Pleiku và Buôn Ma Thuột có tốc độ gió lên đến 7m/s

Khu vực miền biển phía Nam của vùng duyên hải Miền Trung trên các đỉnh núi

ở độ cao 1600 đến 2000 m thì có lượng gió nhiều và tốc độ gió cao từ 8.5 – 9.5 m/s Các đỉnh núi ở phía Tây của uy Nhơn và Tuy Hòa với độ cao từ 1000 – 1200 m có tốc độ gió cũng tương đối lớn từ 8 – 8.5 m/s … Như vậy các vùng ven biển có lợi thế rất lớn về nguồn năng lượng gió và có thể lắp đặt các loại tuabin có công suất lớn

Khu vực phía Bắc vùng duyên hải miền trung có dãy Trường Sơn chạy dài theo biên giới Việt Nam và Lào có những nơi cao tới 1800 m và có tốc độ gió tương đối lớn 8.5 – 9.5 m/s khu vực phái Bắc của tỉnh Thừa Thiên Huế rất thích hợp đặt những tuabin nhỏ ở độ cao 30m và có tốc độ gió nơi đó là 5 – 6 m/s

Khu vực phía Bắc Việt Nam khu vực lân cận Hải Phòng thì gió khá tốt vận tốc

có thể đạt được 7m/s Ở trên đỉnh núi biên giới Việt Nam - Lào đến vùng núi tây nam thành phố Vinh có gió rất tốt tốc độ từ 8 – 9m/s Ở biên giới phía Bắc với Trung uốc và ở phía Bắc Đông Bắc của Hải Phòng tốc độ gió có thể đạt tới 7 – 8m/s

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

Chương 3 TỔNG QUAN VỀ HỆ TH NG ĐIỆN GIÓ 3.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió

Hình 3 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió

Về chi tiết các hệ thống điện gió khác nhau sẽ khác nhau; tuy nhiên một cách tổng quát, một hệ thống điện gió bao gồm các khối cơ bản cho trong hình 3.1

 Gió (wind): Thường có vận tốc thay đổi đột ngột, và tần số thay đổi rất thường xuyên nếu so với các nguồn năng lượng khác như: thủy triều, hơi nước trong hệ thống nhiệt điện; để có thể vận hành tốt hệ thống điện gió cần phải hiểu rõ về khí động học của gió

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

ngang (Horizontal Axis Wind Turbine: HAWT) và turbine tr c dọc (Vertical Axis Wind Turbine: VAWT) [12]

 Bộ truyền động (Drive train): Truyền động sử d ng hộp số hoặc truyền động trực tiếp; để thích hợp với việc vận tốc gió thay đổi liên t c nên hệ thống truyền động trực tiếp phải dùng bộ điện tử công suất thay đổi tần số và điện áp của điện phát ra cho phù hợp với tải hoặc lưới điện

 Máy phát (Generator): có nhiều loại, máy phát đồng bộ, không đồng bộ và máy phát điện một chiều Trong mỗi loại lại được phân thành nhiều kiểu máy phát khác

nhau tùy thuộc vào thành phần cấu tạo của chúng Trong luận văn máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu sẽ được sử d ng và nghiên cứu kỹ hơn các loại khác

 Phương pháp điều khiển (Control):

 Bộ biến đổi điện áp

Công suất của turbine được diễn tả [22],

2 3

12

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

Gọi ω là tốc độ rotor, tốc độ đầu cánh λ được tính như sau,

R v

2 3

12

3.3 Các loại cấu trúc của turbine gió

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

Turbine: HAWT) và turbine tr c dọc (Vertical Axis Wind Turbine: VAWT) [12],

được minh họa ở hình 3.2 [4]

Turbin tr c ngang (HAWT) còn được chia ra thành 2 nhóm HAWT thuận chiều gió (downwind) và HAWT ngược chiều gió (upwind) được minh họa bởi hình 3.3 Trong đó, Turbin ngược chiều gió ít gây ra tiếng ồn, nhưng cần phải có thiết bị để điều khiển (tail vane) sao cho cánh quạt đón gió; còn turbin thuận chiều gió tự động quay theo hướng gió nhưng lại sinh ra nhiều tiếng ồn

Hình 3 2 turbine trục ngang (trái), turbine trục dọc (phải)[4]

Hình 3 3 Turbine ngược chiều gió (trái) và turbine thuận chiều gió (phải)

3.4 Các bộ phận của turbine gió

3.4.1 Cánh quạt

Phần này tác giả chỉ đề cập đến loại turbine tr c ngang; để khảo sát lực và công suất [15] tác d ng vào cánh quạt bằng cách chia cánh quạt ra thành từng phần nhỏ (BEM - blade element method) Do cấu tạo dạng xoắn của cánh quạt mà khi có dòng không khí đi qua sẽ có một sự chênh lệch áp suất trên hai mặt cánh quạt [29];

sự chênh lệch này tạo thành lực làm cho cánh quạt quay lên hoặc xuống Tâm cánh quạt được nối với tr c vào bộ truyền động nên khi cánh quạt quay sẽ sinh ra một mômen làm quay rotor máy phát Có thể phân tích khí động lực tác d ng vào cánh quạt thành hai lực cơ bản là lực nâng và lực kéo Các phần nhỏ (blade element) nằm

ở những vị trí khác nhau trên cánh quạt sẽ chịu tác d ng các lực khác nhau

Hình 3 4 Lực nâng và lực kéo tác động vào cánh quạt [15]

`

Hình 3 5 Mô hình BEM- blade element method [8]

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

công thức Eq.3.7 và Eq.3.8 [8],

12

L L

2

12

D D

với C L và C D là hệ số nâng và hệ số kéo, ρ là mật độ không khí, C là chiều rộng của cánh quạt tại từng phần nhỏ cánh quạt, U là vận tốc gió tối đa mà cánh quạt có thể nhận được và dr là chiều dài của phần nhỏ cánh quạt Emrah K [7] xuất phát từ mô

hình đơn giản nhất của cánh quạt turbin là một chiếc đĩa tròn quay Dòng khí có vận tốc được thổi qua đĩa sẽ xuất hiện một độ giảm áp suất từ p u ở mặt trước đĩa sang p d ở mặt sau đĩa hình 3.6

Giả sử rằng U2 U3 U R, áp d ng Bernoulli cho 2 bên mặt dĩa

u d

p p p  U U