Mô hình hóa và điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép cho một hệ thống phát điện gió​

II- Nhiệm vụ và nội dung:  TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ  MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ  CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

TÔ THÀNH LẬP

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

TÔ THÀNH LẬP

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 19 tháng 11 năm 2017

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)

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 tháng 04 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Tô Thành Lập Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15/ 10/ 1990 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 15418300008

I- Tên đề tài:

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN

KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

II- Nhiệm vụ và nội dung:

 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

 MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG

BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG SIMULINK MATLAB

III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng 10 năm 2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Tháng 04 năm 2017

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

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

TÔ THÀNH LẬP

LỜI CẢM ƠN

Việc nghiên cứu vấn đề cực đại công suất trong hệ thống điện gió vẫn còn khá mới mẻ đối với bản than và ở nước ta Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, bản thân tôi đã thu nhận được nhiều kiến thức và 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 tôi nhận thấy luận văn cũng đạt được một số kết quả đáng ghi nhận

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi những ý kiến, đóng góp quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô trường Đại Học Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh đã trang bị cho tôi 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 tôi hoàn thành tốt luận văn

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

là chỗ dựa tinh thần vững chắc để tôi có thể vượt qua những khó khăn trong thời gian học và làm luận văn

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

Tuy tôi 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 luận văn ngày càng hoàn thiện hơn

Học viên thực hiện Luận văn

TÔ THÀNH LẬP

TÓM TẮT

Hiện nay nhu cầu phát điện chạy bằng sức gió ở Việt Nam ngày cảng trở nên

có tính thực tiễn cao Nhu cầu về điện năng đang tăng trưởng một cách mạnh mẽ cung với sự phát triển của nền kinh tế và sự tăng dân số Nhưng sự bùng nổ về nhu cầu về điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu, than và khí – vốn hiện tại cung cấp hơn một nửa năng lượng Thủy điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam Nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và mới dừng lại ở công suất còn nhỏ, năng lượng sóng biển và thủy triều còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm Trong khi đó sức gió ở Việt Nam chưa được khai thác nhiều

Máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát điện chạy bằng sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phíá rotor thay vì trực tiếp trên stator Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về phương pháp điều khiển có phần phức tạp Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song chủ yếu theo các phương pháp điều khiển kinh điểm Trong luận văn này, đề tài “Nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ nguồn kép”

Máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly – Fed Induction Generator)

Có thể làm việc với các vùng tốc độ khác nhau: trên tốc độ đồng bộ và dưới tốc độ

cơ sở thậm chí là tốc độ máy lai có thể giảm đến 65% tốc độ định mức

Khi đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay vì sử dụng các máy đồng bộ kinh điển kết hợp với bộ biến đổi điện tử công suất thấy rằng DFIG có những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được Chính vì thiết bị điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới Như đã trình bày ở trên, đây chính là ưu điểm vượt trội của DFIG so với các thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới Tuy nhiên, cấu trúc

ấy lại khiến cho DFIG khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống

sự cố xảy ra trên lưới Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp trên thanh cái sẽ bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh Từ thông này sẽ gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn

có thể gây ra dòng rất lớn

Trong luận văn này, tác giả xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống phong điện bằng Matlab/Simulink

ABSTRACT

Nowadays the need for generating electricity by wind force in Viet Nam is becoming highly realistic The significantly growing need for electricity is combined with economic development and population growth However, the explosion of electricity need is happening as soon as the oil, coal and gas sources provides over a half energy Hydroelectric power is exploited and nearly hydraulic source in rivers of Vietnam is exhaustible Solar power source is being studied and just provided with low power The wave power and tide power are searching and commissioning Meanwhile, wind power has not been exploited significantly

The Doubly – Fed Induction Generators have been used as electric generators run by wind power because they have controlling capacity of power indirectly by rotor instead of directly stator The controller in rotor is designed one third as much as power of the whole generator, so its cost reduces one third down compared with other electric machines Although it is controlled more complexibly, this gives an economical price especially when power expense is growing There are

a lot of study works for this in the world but they used classical controlling methods In this thesis, the theme “Study and design a model stimulating control system of Doubly – Fed Induction Generator”

Doubly – Fed Induction Generator (DFIG) is able to run with different speed areas: over synchronous speed and below basic speed even its speed can be down

to 65% norm speed

When considering using DFIG as a coaxial generator instead of using classical synchronous generators with power electronic converters, it sees that DFIG has very remarkable strengths because its stator directly connected with network and its rotor connected with the network through a controllable power electronic component The controller for DFIG is in rotor so its power is approximately one third of the power of the generator and power current flows from stator to the network As mentioned above, this is more significant strength of DFIG than other generators with controller in stator and rotor However, this structure makes DFIG more difficult to control especially in some problems happening in network

At that time, voltage in bus bar dropped suddenly makes flux magnet in generator oscillate, that causes induce electromotive force (IMF) in rotor resulting in over current

In this thesis, we design a model stimulating control system of Doubly – Fed Induction Generator in the discharge by of Matlab/Simulink

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT v

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT x

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv

MỞ ĐẦU 1

1 L DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U 3

4 KẾT UẢ D KIẾN 3

5 NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 5

CHƯƠNG 1 6

GIỚI THIỆU TỔNG UAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 6

1.1Tổng quan về năng lượng gió 6

1.2 Sự hình thành gió 7

1.3Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện 8

1.4 Lợi ích của năng lượng gió 10

1.5Tình hình sử dụng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới 11

1.6Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam 13

1.7 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam 14

1.7.1 Vị trí địa lý 14

1.7.2 Khí hậu 14

1.7.3 Tiềm năng gió của Việt Nam 14

1.7.4 Lượng gió theo từng mùa 15

1.7.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam 15

CHƯƠNG 2 18

MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 18

2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió 21

2.2 Khí động học gió 24

2.3 Các loại cấu trúc của turbine gió 25

2.4 Các bộ phận của tuabin gió 27

2.4.1 Cánh quạt 27

2.4.2 Bộ truyền động 32

2.4.3 Máy phát 35

2.5 Phương pháp điều khiển 36

2.5.1 Cấp điều khiển hiện trường 36

2.5.2 Cấp điều khiển hệ thống 37

2.6 Các bộ chuyển đổi điện áp 38

2.6.1 Bộ chỉnh lưu [22] 38

2.6.2 Các bộ biến đổi DC-DC [19] 42

2.6.2.1Bộ biến đổi giảm áp - Buck converter 43

2.6.2.2 Bộ chuyển đổi Boost 46

2.6.2.3Bộ biến đổi đảo áp – Buck - Boost converter 49

CHƯƠNG 3 52

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 52

3.1Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới 53

3.3Điều khiển điểm công suất cực đại 57

3.3.1 MPPT cho hệ thống năng lượng gió 57

3.3.2 Điểm công suất cực đại 59

3.3.3 Các phương pháp điều khiển MPPT 61

3.4Điều khiển góc pitch 63

3.5Các phép chuyển hệ tọa độ 64

3.5.1 Chuyển đổi abc và αβ 64

3.5.2 Chuyển đổi αβ và dq 66

3.6 Mô hình toán học của DFIG 67

3.6.1 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ 67

3.6.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq 68

3.7Vector không gian PWM 70

CHƯƠNG 4 75

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG MATLAB/ SIMULINK 75

4.1Mô phỏng Grid -Side converter 77

4.2 Mô phỏng Generator -Side converter 85

4.3 Các phương pháp điều khiển DFIG 98

4.3.1 DFIG điều khiển tốc độ tuabin gió 98

4.3.2 Điều khiển DFIG 99

CHƯƠNG 5 108

KẾT LUẬN 108

5.1 Kết quả đạt được 108

5.2Những mặt còn hạn chế 108

5.3 Hướng phát triển của đề tài 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

P&O : Perturb & observe

MPP : Maximum Power Point

MPPT : Maximum Power Point Tracker

DFIG : Doubly Fed Induction 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

NLG : Năng lượng gió

NLMF-NLFDI Nghịch lưu phía máy phát

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 - Cách gió được hình thành 8

Hình 1 2 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận 9

Hình 1.3 - Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m 15

Hình 2.1 - Mô hình tiêu biểu của trạm phát điện dùng năng lượng gió 18

Hình 2.2 - Các thành phần cơ bản của một tua bin gió 18

Hình 2.3 - Đặc tuyến rotor quay quá tốc độ 19

Hình 2.4 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió 21

Hình 2 5 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió 21

Hình 2 6 a - Turbine gió tốc độ cố định 22

Hình 2 6 b - Turbine gió tốc độ thay đổi 23

Hình 2 7: Turbine gió tốc độ thay đổi 24

Hình 2.8 – Tuabin trục ngang (trái) và tuabin trục dọc (phải) 26

Hình 2 9 - Tuabin ngược chiều gió (trái) và tuabin thuận chiều gió (phải) 26

Hình 2 10 - Khí động lực có thể được chia thành lực nâng và lực kéo [7] 27

Hình 2 11- Mô hình BEM 28

Hình 2.12 – Actuator model 29

Hình 2 13 – Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt 30

Hình 2 14- Cp của các loại cánh quạt khác nhau của tuabin gió 32

Hình 2.15 - Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện 32

Hình 2 16 – Cấu tạo hộp số 33

Hình 2 17- Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép 36

Hình 2 18– Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường 37

Hình 2.19– Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển 39

Hình 2 20– Mạch chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển 40

Hình 2.21– Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 40

Hình 2.22– Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển 41

Hình 2.23– Mạch chỉnh lưu tia ba pha điểu khiển 41

Hình 2.24– Mạch chỉnh lưu ba pha có điều khiển 42

Hình 2 25 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck 43

Hình 2 26– Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost 46

Hình 2 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost 49

Hình 3.1 - Hệ thống máy phát sức gió 52

Hình 3.2 - Mạch điện phía lưới (a) và mô hình phía lưới(b) 53

Hình 3.3 - Sơ đồ khối điều khiển phía lưới 54

Hình 3.4 - Cấu trúc điều khiển phía lưới 55

Hình 3.5 - Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 55

Hình 3.6 - Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát 56

Hình 3.7 - Góc pitch của cánh quạt gió 57

Hình 3.8 - Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh 57

Hình 3.9 – Đặc tính cp – cho các góc pitch khác nhau 60

Hình 3.10 – Công suất turbine ở các tốc độ gió khác nhautại góc pitch = 0 60

Hình 3.11 - Xác định điểm MPP bằng phương pháp “leo đồi” [23] 62

Hình 3.12 - Điều khiển góc picth 64

Hình 3.13 - Mối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ 64

Hình 3.14 - Mối liên hệ giữa đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và dq 66

Hình 3.15 - Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y 67

Hình 3.16 - Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha 68

Hình 3.17 - Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ 68

Hình 3.18 - Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq 69

Hình 3.19 - Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ 69

Hình 3.20 - Nguyên lý vector không gian 70

Hình 3.21 – Chỉnh lưu cầu ba pha 72

Hình 3.22 – Các dạng sóng tải trở 73

Hình 3.23 – Thứ tự dẫn điện của các chỉnh lưu và khoảng dẫn 73

Hình 4 1 - Mô phỏng hệ thống năng lượng gió trong Simulink Matlab 75

Hình 4 2 – Tuabin gió trong Simulink Matlab 76

Hình 4 3 – Thông số tuabin gió 76

Hình 4.4 – Mô hình điều khiển phía lưới 77

Hình 4.5 - Khối gird 78

Hình 4.6 - Khối tuabin gió 79

Hình 4.7 - Thông số tuabin gió 80

Hình 4.8 - Thông số tốc độ gió 81

Hình 4.9 - Mô phỏng phía gird 82

Hình 4.10 - Mô phỏng tuabin gió 83

Hình 4 11 – Điều khiển phía máy phát khi chưa gắn tải 85

Hình 4 12 – Khối wind farm 86

Hình 4 13- Khối giám sát B25 86

Hình 4 14– Cấu hình statcom 87

Hình 4 15a – Tuabin gió 88

Hình 4.15b – Điện áp ngõ ra B25 89

Hình 4.15c – Điện áp ngõ ra Stacom 90

Hình 4.16a – Điều khiển phía máy phát khi có gắn tải 92

Hình 4.16b – Tải 3MW và 6MW cùng điện áp 25kV 93

Hình 4.17a – Tuabin gió 94

Hình 4.17b – Điện áp ngõ ra tại B25 95

Hình 4.17c – Điện áp ngõ ra của Stacom 96

Hình 4 18 a – Mô phỏng tốc độ gió cố định 98

Hình 4 18 b –Mô phỏng tốc độ gió thay đổi 99

Hình 4.19a – Sơ đồ khối bộ điều khiển trực tiếp công suất DPC 100

Hình 4 19b – Bộ điều khiển DFIG 101

Hình 4 20 – Khối điều khiển PWM 102

Hình 4 21 - Khối điều khiển tín hiệu PWM 102

Hình 4 22 - Khối tải 103

Hình 4.23 - Khối nghịch lưu và PWM 2 bậc 103

Hình 4.24 - Khối nghịch lưu và PWM 3 bậc 104

Hình 4.25 - Dòng ngõ ra 3 pha 104

Hình 4.26 – Điện áp ngõ ra 3 pha 105

Hình 4.27 - Tín hiệu xung PWM điều khiển 107

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1 1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới 12 Bảng 1.2: Tiềm năng gió ở Việt Nam 17 Bảng 3.1 - Tóm tắt giải thuật P&O [23] 62

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế

Ngày nay trữ lượng than, dầu, khí đang ngày càng cạn kiệt

Hiện nay nhu cầu phát điện chạy bằng sức gió ở Việt Nam ngày cảng trở nên

có tính thực tiễn cao Nhu cầu về điện năng đang tăng trưởng một cách mạnh mẽ cung với sự phát triển của nền kinh tế và sự tăng dân số Nhưng sự bùng nổ về nhu cầu về điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu, than và khí - vốn hiện tại cung cấp hơn một nửa năng lượng Thủy điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam Nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và mới dừng lại ở công suất còn nhỏ, năng lượng sóng biển và thủy triều còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm Trong khi đó sức gió ở Việt Nam chưa được khai thác nhiều

Hiện nay ở 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

ua đây, chúng ta nhận thấy rằng tình hình khai thác năng lượng gió chưa xứng tầm với tiềm năng gió Việt Nam hiện có, và việc khai thác tốt tiềm năng này

để phục vụ cho n Máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát điện chạy bằng sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phía rotor thay vì trực tiếp trên stator Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh

tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về phương pháp điều khiển có phần phức tạp Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song chủ

yếu theo các phương pháp điều khiển kinh điển Trong luận văn này, đề tài " MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ " được nghiên cứu

Máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly - Fed Induction Generator)

Có

thể làm việc với các vùng tốc độ khác nhau: trên tốc độ đồng bộ và dưới tốc độ cơ

sở thậm chí là tốc độ máy lai có thể giảm đến 65% tốc độ định mức

Khi đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay vì sử dụng các máy đồng bộ kinh điển kết hợp với bộ biến đổi điện tử công suất thấy rằng DFIG có những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được Chính vì thiết bị điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới Như đã trình bày ở trên, đây chính là ưu điểm vượt trội của DFIG so với các thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới Tuy nhiên, cấu trúc

ấy lại khiến cho DFIG khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống

sự cố xảy ra trên lưới Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp trên thanh cái sẽ bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh Từ thông này sẽ gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn

có thể gây ra dòng rất lớn

Luận văn này xây dựng mô hình hóa và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống điện gió bằng Matlab/Simulink

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiều về gió và hệ thống phát điện gió

Tìm hiều về hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG và xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ thống

Nghiên cứu thuật toán điều khiển và mô phỏng máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống điện gió

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung các phương pháp điều khiển cho máy phát điện sức gió DFIG

Ý nghĩa khoa học của đề tài là đề xuất mô hình mới ứng dụng máy điện không

bộ nguồn kép làm chức năng máy phát, nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng máy điện không bộ nguồn kép trong máy phát điện Đề tài đã giải quyết thành công cả về mặt

lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng, góp phần tiết kiệm chi phí vận hành các trạm phát điện

3 ĐỐI TƯ NG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U

Nghiên cứu các đặc tính của gió

Tìm hiểu các dạng mô hình của máy phát điện gió

Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển máy

phát không đồng bộ nguồn kép DFIG trong hệ thống điện gió

Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện không đồng

 Tình hình phát triển chung của thế giới về lĩnh vực biến đổi năng lượng gió và tiềm năng của Việt Nam

 Đối với hệ thống biến đổi năng lượng gió làm việc ở tốc độ thay đổi, việc sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator – DFIG) là phù hợp nhất trong thời điểm hiện tại Ưu điểm nổi bật khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 - 30% của tổng công

suất phát, nghĩa là giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ đồng thời giảm được chi phí đầu tư

 Luận văn trình bày khái quát về vai trò, cấu tạo, nguyên lý làm việc của

hệ thống máy phát điện sức gió đồng thời trình bày khái quát một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng Luận văn đưa ra một số loại tua bin gió và sơ đồ khối

hệ thống điện gió Trong đó luận văn cũng nhấn mạnh hệ thống máy phát điện sức gió dùng máy phát không đồng bộ nguồn kép đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng rãi, và giới thiệu bộ điều khiển DFIG Đây cũng chính là nội dung

mà luận văn nghiên cứu

 Tìm hiểu ứng dụng và nguyên lý hoạt động của DFIG trong cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió vận tốc thay đổi

 Luận văn trình bày về cấu tạo, nguyên lý làm việc, sơ đồ mạch điện thay thế và các phương trình điện, từ của máy phát điện DFIG Đồng thời mô tả toán học

hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện DFIG trong hệ toạ độ không gian véc tơ Ý tưởng của việc sử dụng véctơ không gian SVPWM là để mô tả máy điện DFIG chỉ bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha Luận văn đưa ra sơ đồ khối hệ thống máy phát Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG Việc mô tả toán học hệ thống là tiền đề cho việc xây dựng các bộ điều khiển hoà lưới Khối máy điện DFIG điều khiển:

 Bộ biến đổi điện áp phía lưới

 Bộ biến đổi điện áp phía máy phát

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WECS (Wind Energy - Conversion System)

 Tìm phương pháp điều khiển tối ưu công suất tác dụng nhận từ gió

 Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép

 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG

 Xây dựng bộ điều khiển phía lưới

 Xây dựng bộ điều khiển phía máy phát

 Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như: Nghiên cứu điều khiển hệ thống DFIG thông qua mô hình hóa và

mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không không thiết kế thi công

mô hình thực tế

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay việc phát triển và triển khai dự án năng lượng gió để đáp ứng sử dụng điện trên thế giới trong đó có Việt Nam là nhu cầu cấp thiết

 Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet)

 Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu

 Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink

 Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

1.1 Tổng quan về năng lượng gió

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 những vấn đề trên ta phải tìm nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch để thay thế hiệu quả, giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình kinh tế an ninh chính trị quốc gia Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề

về năng lượng để phát triển Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử dụng năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái sinh trong đó có năng lượng gió

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

ưu tiên được 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 khoản 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 tìm 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 sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới [1]

Trong những năm gần đây, năng lượng gió trở thành một nguồn tiềm năng cho hệ thống máy phát điện với ảnh hưởng cho môi trường nhỏ Tổng năng lượng của các máy phát sức gió được lắp đặt trên thế giới được gia tăng một cách ngoạn mục Sự tham gia của các máy phát sức gió trong các hệ thống phân phối điện cung

cấp một lượng công suất đáng kể bên cạnh các máy phát cơ bản như các nhà máy nhiệt điện, nguyên tử và thủy điện

Tuabin gió được sử dụng trong hộ gia đình được phân bố rộng rãi trên thế giới Sự tương tác giữa hệ thống điện gió trong gia đình và trong lưới điện sẽ là một khía cạnh quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống điện gió trong 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 thụ điện của người tiêu dùng, đồng thời để đảm bảo duy trì lưới điện hoạt động ổn định Vì vậy khi điện gió hòa vào lưới điện phải không làm chất lượng điện xấu đi hay không làm xáo trộn tần số của lưới điện, do đó cần có máy phát điện phù hợp Trong tất cả các máy phát điện có thể sử dụng được trong hệ thống điện gió thì máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) là máy phát có nhiều ưu điểm, có thể sử dụng trong trường hợp này vì tính ổn định và an toàn của

nó trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để kích từ

1.2 Sự hình thành gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất, là một dạng gián tiếp của năng lượng Mặt Trời Gió được hình thành do sự chuyển động của không khí từ nơi khí áp cao về nơi khí áp thấp Xuất hiện điều này

là do bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất bị che khuất và không nhận được bức xạ của Mặt Trời, thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng

do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Hình 1 1 - Cách gió được hình thành

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại 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 [1]

1.3 Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện

Sử dụng năng lượng gió là một trong những cách lấy năng lượng từ tự nhiên

cổ xưa nhất, đã tồn tại từ thời kỳ cổ đại Năng lượng gió được sử dụng hằng trăm năm nay trong lĩnh vực giao thông như di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, hoặc làm quay cối xay gió tưởng sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện được hình thành ngay khi phát minh ra điện và máy phát điện Tuy nhiên phải đến sau các

cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm thập niên 1970, con người mới tập trung nghiên cứu phát triển năng lượng tái tạo, từ đó điện gió cũng bắt đầu phát triển mạnh mẽ Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào đường lối chính trị Các nước đi tiên phong trong lĩnh vực năng lượng gió có thể kể đến như Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Trung uốc, Đan Mạch 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 [1]

Hình 1 2 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận

1.4 Lợi ích của năng lượng gió

Chi phí sản xuất thấp, không tổn hao năng lượng trong quá trình vận hành và sản xuất vì vậy năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác như than đá, khí đốt… Chi phí để xây dựng một trạm phong điện 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 ắc-quy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ ắc-quy trở lại điện xoay chiều Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập

 Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lượng thiết bị và các điều kiện địa chất công trình Phần tháp có thể sản xuất tại Việt Nam để giảm chi phí Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu như không đáng kể

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

 So sánh chi phí đầu tư giữa phong điện và thủy điện

 Toàn bộ chi phí cho một trạm phong điện 4800 kW khoảng 3.000.000 Euro Với 500 trạm phong điện loại 4800 kW sẽ có công suất 2,4 triệu kW, bằng công suất nhà máy thủy điện Sơn La , tổng chi phí sẽ là: 500 x 3.000.000 € = 1,50 tỷ Euro = 1,875 tỷ USD, chi phí này nhỏ hơn 2,4 tỷ USD,

là dự toán xây dựng nhà máy thủy điện Sơn La

 Giá thành mỗi kWh: Giá thành một kWh điện trong 10 năm đầu có thể tính như sau Sản lượng điện của trạm trong 1 năm là: 4800 kW x 2200 giờ = 10.560.000 kWh (ở đây tính trạm chỉ đủ gió để hoạt động 2200 giờ - khoảng ¼ thời gian một năm) Một trạm 4800 kW trong 10 năm có sản lượng điện là 105.600.000 kWh Chi phí để xây dựng trạm là 3.000.000 €, chi phí duy tu bảo dưỡng trong 10 năm là: 240.000 €, toàn bộ chi phí trong 10 năm

đầu là 3.240.000 €, chi phí cho 1 kWh là 3.240.000 : 105.600.000 = 0,031 €, tính ra tiền Việt Nam với tỷ giá 20.000 Đồng/1€ : 0,031 x 20 000 = 620 đồng / kWh, giá thành 1 kWh điện trong 10 năm tiếp theo: 10 năm tiếp theo chỉ phải chi cho việc duy tu bảo dưỡng, giá thành sẽ là: 240 000 € : 105.600.000 kWh = 0,0023 €/kWh, tính ra tiền Việt Nam: 0,0023 x 20.000 = 46 đồng/kWh Không công nghệ nào cung cấp điện giá rẻ như phong điện

Nhà máy điện gió không gây ô nhiễm môi trường và góp phần tạo cảnh quan cho việc phát triển du lịch ở nơi đó

Tạo môi trường thân thiện, các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp vẫn có thể hoạt động và sản xuất gần nhà máy

Các nhà máy điện gió thường ở những nơi đồng bằng, nông thôn, miền núi, hải đảo nên tạo công ăn việc làm cho công nhân nơi đó

Với tất cả những lợi ích vừa nêu trên thì năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác Nhưng để phát triển và xây dựng nhà máy điện gió thì phải khảo sát chặt chẽ, giám sát xây dựng nghiêm túc đúng kỹ thuật để đảm bảo an toàn khi sử dụng và vận hành [2]

1.5 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 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 nguyên cứu các kế hoạch trao đổi thông tin kinh nghiệm về việc phát triển năng lượng điện gió Các quốc gia này là: Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, , Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh, Mỹ Vào năm 1995 các nước thành viên

có khoản 25.000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện và đang vận hành tốt Tổng công suất của các tuabin này là 3500 MW và hằng năm sản xuất ra 6 triệu MWh Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái sinh phát triển nhanh nhất trên thế giới đặc biệt là ở châu Âu đang chiếm 70% tổng công suất này

Theo số liệu thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức gió trên thế giới đang liên tục tăng: năm 1994 là 3.527,5 MW, năm 1995 là 4.770MW, năm 1996 là 6.000 MW, năm 1997 là 7.500 MW và hiện nay là hơn 10.000 MW Sử dụng điện năng bằng sức gió, các nhà sản xuất và tiêu dùng đều

có thể an tâm về nguồn “tài nguyên” này; hơn nữa phong điện gần như không có tác

hại đáng kể nào tới môi trường (theo số liệu năm 2002)

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 thụ điện thế giới vào năm

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

lượng [2]

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

Tổng cộng trên toàn thế giới 47.574

Nguồn: WINDPOWER MONTHLY 04/2005, Internet:

www.windpower-monthly.com

1.6 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 Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục 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 hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể

lên tới 20-30% mỗi năm Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực 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, còn đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

1.7 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam

1.7.1 Vị trí địa lý

Việt Nam nằm ở khu vực Đông Nam Á , đất nước dài hơn 2000km và có đường bề biển kéo dài từ duyên hải miền Trung tới Nam Trung Bộ nên có nguồn gió dồi dào từ biển thổi vào Vùng duyên hải miền Trung bị chia cắt bỡi các dãy núi

có độ cao từ 1000 - 1500 m vùng đất này chủ yếu là trồng trọt và chăn nuôi nhưng

có mật độ dân số khá đông trong khi đó các nhà máy thuỷ điện cũng như các nhà máy nhiệt điện lại rất ít nên thường bị thiếu điện nhất là mùa khô

1.7.2 Khí hậu

Khí hậu Việt Nam là khí hậu nhiệt đới ẩm, mưa nhiều Có gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam Đặt biệt ở duyên hải miền Trung có 4 mùa Xuân - Hạ - Thu - Đông và có lượng gió tương đối lớn có tốc độ gió hằng năm là 8 - 10m/s nhờ

có bề biển dài nên có lượng gió quanh năm

1.7.3 Tiềm năng gió của Việt Nam

Vùng duyên hải miền trung cuả 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 30 m 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

1.7.4 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

1.7.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam

Hình 1.3 - Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam Tốc độ trung bình năm

tại độ cao 65m

Vùng châu thổ sông Mêkông đến thành phố HCM 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 tiêtu hụ điện rất lớn

Trên các dãy núi phía Nam của khu vựa 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 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 có 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

Bảng 1.2: Tiềm năng gió ở Việt Nam

TT Tên địa

phương

Tốc độ trung bình Vtb (m/s)

Hệ số ảnh năng lượng K

Mật độ công suất gió (W/m 2 )

Mật độ

năng lượng năm (E = kWh/m 2 )

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

Hình 2.1 - Mô hình tiêu biểu của trạm phát điện dùng năng lượng gió

Hình 2.2 - Các thành phần cơ bản của một tua bin gió

Phanh hãm (brake): Phanh dạng đĩa, được dùng như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực để dừng rotor trong các tình huống khẩn cấp bằng điện bằng sức nước hoặc bằng động cơ

Trong suốt giai đoạn tốc độ gió quá cao, tua bin gió sẽ ngừng hoạt động để bảo đảm an toàn

Tương tự, trong trường hợp lưới điện bị sự cố hoặc máy phát không liên kết được với phụ tải thì tua bin gió sẽ tăng tốc nhanh chóng, việc này dẫn đến tua bin sẽ quay quá tốc độ cho phép trong vài dây

Xét ví dụ như sau, tốc độ định mức của tua bin là 34 vòng/phút nhưng dưới điều kiện quá tốc tua bin gió quay với tốc độ 90 vòng/phút trong khoảng 5 giây

Hình 2.3 - Đặc tuyến rotor quay quá tốc độ

Các tua bin gió không được thiết kế chịu đựng tốc độ qúa cao Như vậy, cần có các thiết bị hãm tốc độ để đảm bảo an toàn cho tua bin

Low-speed shaft: Trục quay tốc độ thấp

Hộp số (gear box): Hộp số được đặt giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao

để gia tăng tốc độ quay từ khoảng 20 đến 60 vòng/phút lên khoảng 1200 đến 1500 vòng/phút, đây là tốc độ quay mà hầu hết các máy phát cần để sản sinh ra điện năng Tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát để sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền và là một phần của động cơ và tua bin gió, các máy phát có tốc

độ thấp hơn thì không cần bộ này

Máy phát (generator): Thường dùng các máy phát tự cảm ứng để phát điện năng xoay chiều

Controller: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 16 dặm/ 1 giờ và tắt động cơ ở tốc độ khoảng 65 dặm/ 1 giờ

Bộ đo tốc độ gió (anemometer): Đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển

Chong chóng gió (Wine vane): Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tua bin phản ứng phù hợp với tốc độ gió cụ thể

Nacelle: Vỏ của tua bin gió bao gồm: Rotor của tua bin gió và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ Vỏ được sử dụng để bảo vệ các chi tiết trong vỏ

High-speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao

Yaw drive: Có hai chức năng Khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ giới hạn theo thiết kế giữ cho rotor đối diện với nguồn gió khi hướng gió thay đổi Nhưng khi tốc

độ gió vượt qua giới hạn theo thiết kế đặc biệt là khi có gió bão, Yaw dịch Rotor ra khỏi hướng bão

Yaw motor: Động cơ hỗ trợ truyền động trệch giúp tua bin xoay theo hướng gió

Tháp (tower): Tháp được làm từ thép phiến hoặc các thanh thép bắt chéo nhau với kết cấu vững vàng và chịu va đập cơ học, ăn mòn và có tính đàn hồi hợp

lý Tốc độ gió tỷ lệ với độ cao nên tháp càng cao thì tua bin càng lấy được nhiều năng lượng và sản sinh ra được càng nhiều điện năng Tốc độ gió tăng ở trên cao nên tua bin được gắn trên tháp cao giúp cho tua bin sản xuất được nhiều điện Một nguyên tắc chung là lắp đặt một tua bin gió trên tháp với đáy của rotor cách các vật cản trở tối thiểu 9m, nằm trong phạm vi đường kính 90m của tháp Số tiền đầu tư tương đối ít trong việc tăng chiều cao của tháp có thể đem lại lợi ích lớn trong sản xuất điện Ví dụ, để tăng chiều cao tháp từ 18m lên 33m cho máy phát 10kW sẽ tăng tổng chi phí cho hệ thống 10% nhưng có thể tăng lượng điện sản xuất 29%

Có 2 loại tháp cơ bản: Loại tự đứng và loại giăng cáp Hầu hết hệ thống điện gió cho hộ gia đình thường sử dụng loại giăng cáp Tháp loại giăng cáp có giá rẻ hơn, có thể bao gồm các phần giàn khung, ống và cáp Các hệ thống treo dễ lắp đặt hơn hệ thống tự đứng Tuy nhiên do bán kính treo phải bằng 1⁄2 hoặc 3⁄4 chiều cao tháp nên hệ thống treo cần đủ chỗ trống để lắp đặt Mặc dù loại tháp có thể nghiêng

xuống được có giá đắt hơn nhưng lại giúp cho khách hàng dễ bảo trì trong trường hợp các tua bin nhẹ thường là 5kW hoặc nhỏ hơn

Hệ thống tháp có thể nghiêng xuống được cũng có thể hạ thấp xuống mặt đất khi thời tiết xấu như bão Tháp nhôm dễ bị gãy và nên tránh sử dụng, không khuyến khích gắn tua bin trên nóc mái nhà Tất cả các tua bin đều rung và chuyển lực rung đến kết cấu mà tua bin gắn vào, điều này có thể tạo ra tiếng ồn và ảnh hưởng đến kết cấu nhà và mái nhà có thể tạo ra luồng xoáy lớn làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của tua bin

2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió

Hình 2.4 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió

Hình 2 5 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió

Hình trên hiển thị sơ đồ khối của một hệ thống điện gió, quá trình từ khi nhận được gió vào và sinh ra điện Từ sơ đồ có thể nhận thấy một hệ thống điện gió bao gồm các bộ phận chính như sau:

 Cánh quạt

 Bộ truyền động

 Máy phát

 Phương pháp điều khiển

 Bộ biến đổi điện áp

Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện như hình:

Hình 2 6 a - Turbine gió tốc độ cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức và số cặp cực khác nhau Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn