BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THÁI HIỆP

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ – DIESEL NHẰM NÂNG
CAO MỨC THÂM NHẬP ĐIỆN GIÓ VỚI LƢỚI CÔ LẬP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THÁI HIỆP

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ – DIESEL NHẰM NÂNG
CAO MỨC THÂM NHẬP ĐIỆN GIÓ VỚI LƢỚI CÔ LẬP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 62520202
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. LÊ VĂN DOANH
2. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG

Hà Nội – 2015




LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến hai thầy hướng dẫn khoa
học trực tiếp, PGS. TS. Lê Văn Doanh và TS. Nguyễn Thế Công đã trực tiếp hướng dẫn,
định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm
huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào
tạo Sau Đại học, Viện Điện và Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm
ơn các giảng viên và cán bộ Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, đã hỗ trợ, tận tình giúp đỡ
trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm
khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung
nghiên cứu tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp
đỡ và động viên của bạn bè, các đồng nghiệp, cũng như các NCS trong Viện Điện và Viện
Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Lãnh đạo cũng như các nhân viên trong Nhà
máy phong điện Phú Quý, Nhà máy điện diesel và Điện lực Phú Quý đã giúp đỡ và hỗ trợ
nhiệt tình trong thời gian tham quan, tìm hiểu tại Phú Quý. Xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến anh Tạ Quốc Đông trưởng ca vận hành Nhà máy phong điện Phú Quý, bạn Võ Ngọc
Thiện nhân viên Điện lực Phú Quý đã giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình thu thập dữ liệu
cho luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn các GS, PGS, TSKH, TS, các thầy cô giáo đã dành thời gian
đọc và đóng góp những ý kiến quý báu để luận án có tính khoa học hơn.
Cuối c ng, tác giả thực sự cảm động và từ đáy lòng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến
các bậc sinh thành, vợ yêu quý c ng con thân yêu đã luôn ở bên tác giả những lúc khó
khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp
tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này.
Tác giả luận án


1.2. Ứng dụng điện gió ở vùng cô lập ............................................................................. 9
1.2.1. Tiềm năng gió của Việt Nam ........................................................................... 9
1.2.2. Hệ thống phát điện gió hoạt động độc lập ...................................................... 11
1.2.3. Hệ thống phát điện gió kết hợp với diesel ...................................................... 11
1.2.4. Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở Phú Quý...................................... 13
1.3. Khái quát về tuabin gió và máy phát điện diesel ................................................. 14
1.3.1. Tuabin gió ...................................................................................................... 14
1.3.2. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...................................................... 21
1.3.3. Máy phát điện diesel ...................................................................................... 22
1.4. Điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ............................................ 23
1.5. Vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel .............................................. 25
1.6. Tổng kết chương ..................................................................................................... 26
Chương 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL 28
2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 28
2.2. Mô hình toán các nguồn điện ................................................................................. 28
2.2.1. Mô hình DFIG ................................................................................................ 28
2.2.2. Máy phát điện diesel ...................................................................................... 33

 iii 




iv 

2.3. Các điều kiện ràng buộc trong vận hành.............................................................. 34
2.4. Mô hình toán của các chế độ vận hành ................................................................. 34
2.4.1. Sơ đồ hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel ở v ng cô lập ............................... 34
2.4.2. Mô hình toán chế độ xác lập .......................................................................... 35
2.4.3. Ổn định tĩnh của hệ thống khi có dao động bé ............................................... 37

4.2. Áp dụng thuật toán điều khiển chung cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel trên đảo Phú Quý ......................................................................................... 68
4.2.1. Mô phỏng quá trình điều khiển chung cho cả hệ thống ................................. 68
4.2.2. Trường hợp vận hành 16 giờ trong ngày ........................................................ 70
4.2.3. Trường hợp vận hành 24 giờ trong ngày ........................................................ 71
4.3. Khảo sát với tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ .................................... 73

 iv 




v

4.3.1. So sánh mô hình đề xuất với mô hình mẫu .................................................... 73
4.3.2. Ứng dụng tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ cho hệ thống phát
điện ở Phú Quý ............................................................................................... 75
4.4. Kiểm tra kết quả trên phần mềm PSS/adept ....................................................... 77
4.5. So sánh với thực tế và các giải pháp khác ............................................................ 79
4.6. Tổng kết chương ..................................................................................................... 79
Chương 5. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠM ĐIỆN GIÓ PHÙ HỢP VỚI TRẠM
ĐIỆN DIESEL ĐÃ CÓ Ở VÙNG CÔ LẬP
81
5.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 81
5.2. Đề xuất phương pháp xác định trạm điện gió phù hợp với trạm điện diesel
đã có ......................................................................................................................... 82
5.2.1. Phương pháp phân tích và tính toán ............................................................... 82
5.2.2. Các điều kiện ràng buộc trong vận hành ........................................................ 83
5.2.3. Thuật toán tính toán phân bố công suất.......................................................... 84
5.3. Tính toán áp dụng ................................................................................................... 86

vi 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

Tên gọi

Ang1

W.s hoặc J

Công của momen thừa làm tăng góc lệch roto từ δ0 đến δc

Ang3

W.s hoặc J

Công hãm tối đa khi góc δ tăng đến δgh

A1

kWh

Tổng điện năng do trạm điện gió phát được

At

cosφS1

Hệ số công suất trung bình của trạm điện gió tại thời điểm
khảo sát

cosφS2

Hệ số công suất trung bình của trạm điện diesel tại thời
điểm khảo sát

cosφt

Hệ số công suất của tổng tải

cosφw

Hệ số công suất của máy phát điện gió đang vận hành
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tuabin

Cp
Eg

W.s hoặc J

Năng lượng chuyển thành điện năng trong tuabin gió

Ewt

W.s hoặc J


J

kg.m2

Momen quán tính

Jg

kg.m2

Momen quán tính của máy phát điện gió

Jwt

kg.m2

Momen quán tính của phần tuabin

Cường độ dòng điện

Hệ số thể hiện sự trượt trong khớp điện từ khi có biến
động thông số đầu vào

Kemc
Kg

N.m.s/rad

Hệ số cản nhớt trên trục roto máy phát điện gió


Chiều dài đường dây từ trạm điện gió đến tải

l2

km

Chiều dài đường dây từ trạm điện diesel đến tải

max( )

Hàm lấy giá trị lớn nhất

min()

Hàm lấy giá trị nhỏ nhất

Nds

Máy

Số máy phát điện diesel đang vận hành
Tỷ số biến đổi tốc độ quay của trục tốc độ cao so với trục
tốc độ thấp

Ng
Nw

Máy

Số tuabin gió đang vận hành


W

Công suất tác dụng có thể phát được của trạm điện gió ở
tốc độ gió V tại thời điểm khảo sát

P2

W

Công suất tác dụng được phát bởi trạm điện diesel

Pdp

W

Dự phòng quay (còn gọi là dự trữ quay) là lượng công
suất dự trữ của các tổ máy phát điện đang vận hành trong
hệ thống. (Theo Thông tư 12/2010/TT–BCT)

Pdp1

W

Dự trữ quay của trạm điện gió.

Pdp2

W



W

Công suất tác dụng được phát bởi 1 máy điện đồng bộ
trong trạm diesel ở chế độ máy phát

PdsN

W

Công suất tác dụng danh định của 1 máy diesel

Pg

W

Công suất tác dụng của máy phát điện gió

Pm

W

Công suất cơ sơ cấp

Pt

W

Công suất tác dụng của tổng tải


Q

VAr

Công suất phản kháng

Q1

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi trạm điện gió

Q2

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi trạm điện diesel

Qds

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi 1 máy diesel

Qdsdc

VAr

Công suất phản kháng được phát bởi 1 máy điện đồng bộ
trong trạm diesel ở chế độ động cơ b đồng bộ

r02

Ω/km

Điện trở đường dây từ trạm điện diesel đến tải

Rwt

m

S

VA

Tổng công suất tác dụng của trạm điện gió được lắp đặt.

Công suất phản kháng của máy phát điện gió

Bán kính tuabin
Công suất biểu kiến
Hệ số trượt

s
S1

VA

Công suất biểu kiến được phát bởi trạm điện gió

S2


t2c

ms

Thời gian cắt ngắn mạch thiết lập trên bảo vệ rơle phía
trạm điện diesel

t2cc

ms

Thời gian cắt ngắn mạch trong giới hạn cho phép khi
ngắn mạch gần trạm điện diesel

tc

ms

Thời gian cắt ngắn mạch

tcc

ms

Thời gian cắt ngắn mạch trong giới hạn cho phép

Tg

N.m


s

Hằng số thời gian quán tính của tuabin gió

Tls

N.m

Momen trên trục tốc độ thấp do tải cơ sinh ra

Tm

N.m

Momen trên cơ sơ cấp

Twt

N.m

Momen trên trục tốc độ thấp do tuabin sinh ra

U

V

Điện áp 22 kV

Ub1N

UdsN

V

Điện áp danh định máy phát điện diesel

uqr

V

Thành phần điện áp theo trục q của roto

UwN

V

Điện áp danh định máy phát điện gió

V

m/s

Tốc độ gió

VD

m/s

Tốc độ gió khởi động (cut–in)


X2

Thông số X của trạm điện diesel

Xmax

Giá trị cực đại của thông số X

Xmin

Giá trị cực tiểu của thông số X

Xt

Thông số X của tổng tải

Xw

Thông số X của cả tuabin gió

Xwt

Thông số X của phần tuabin

X’wd

Ω

X’dsd


 ix 




x

δ1

độ

Góc lệch roto của máy phát điện trong trạm điện gió

δ2

độ

Góc lệch roto của máy phát điện trong trạm điện diesel

δc

độ

Góc lệch roto tại thời điểm cắt ngắn mạch

δgh

độ

Giá trị tối đa mà góc δ có thể quay về điểm cân bằng

Tốc độ quay của trục tốc độ cao sau EMC

ωr

rad/s

Tốc độ quay của roto máy phát điện gió

ωs

rad/s

Tốc độ quay của từ trường stato trong máy phát điện gió

ωslip

rad/s

Tốc độ quay của từ trường roto trong máy phát điện gió

ωwt

rad/s

Tốc độ quay của tuabin

2. Chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Tiếng Việt

Grid Side Converter

Bộ chuyển đổi phía lưới

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh
Generator
cửu

RSC

Rotor Side Converter

SCIG

Squirrel Cage Induction Generator Máy phát không đồng bộ roto lồng
sóc

SG

Synchronous Generator

Máy phát đồng bộ

STATCOM

Static synchronous compensator

Tụ b đồng bộ kiểu tĩnh

 xi 




xii 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 (a) Tiềm năng gió ở đất liền của Việt Nam; (b) Tiềm năng gió ở Biển Đông
[78]. ..................................................................................................................... 10
Hình 1.2 Hệ thống phát điện gió làm việc độc lập. ............................................................ 11
Hình 1.3 Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel [50,51,56]. .......................................... 12
Hình 1.4 (a) Lưới điện 22kV trên đảo Phú Quý; (b) Hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel trên đảo Phú Quý. ..................................................................................... 13
Hình 1.5 Các phần hợp thành và kết nối với tuabin gió [26]. ............................................ 14
Hình 1.6 Cấu trúc tuabin gió V80–2 MW [79,80]. ............................................................ 14
Hình 1.7 Đường cong P(V) biểu diễn công suất tuabin phụ thuộc theo vận tốc gió. ......... 15
Hình 1.8 (a) Đặc tính Cp – λ của các loại tuabin với thiết kế cánh khác nhau ; (b) Đồ thị
mô tả quan hệ Cp theo tốc độ riêng λ và góc nghiêng cánh β của tuabin 3 cánh
[20,24,27,49,52,62,82]. ....................................................................................... 16
Hình 1.9 Phương pháp điều chỉnh khí động theo kiểu pitch. ............................................. 17
Hình 1.10 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin điều khiển kiểu pitch [34]. ...................... 17
Hình 1.11 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng
cánh không đổi. .................................................................................................. 18
Hình 1.12 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng
cánh thay đổi. ..................................................................................................... 18
Hình 1.13 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu passive–stall. ................................... 19
Hình 1.14 Các cấu trúc tuabin gió được sử dụng phổ biến nhất [23,58,82]. ...................... 19
Hình 1.15 Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển và bảo vệ tuabin gió kiểu DFIG

Hình 2.14 Biểu diễn quá trình quá độ khi có ngắn mạch gần trạm điện gió
[36,55,73,77,83]. ................................................................................................. 43
Hình 2.15 Biểu diễn quá trình quá độ khi có ngắn mạch gần trạm điện diesel [53]. .......... 43
Hình 2.16 Sơ đồ thể hiện mối liên hệ giữa việc tính toán và điều chỉnh hệ thống. ............ 45
Hình 2.17 Lưu đồ tính toán phát cực đại công suất trạm điện gió. .................................... 45
Hình 2.18 Sơ đồ khối điều chỉnh công suất đặt của các máy phát trong hệ thống. ............. 47
Hình 2.19 Sơ đồ khối phân phối công suất. ......................................................................... 47
Hình 2.20 Sơ đồ khối huy động máy. .................................................................................. 48
Hình 2.21 Sơ đồ bộ điều khiển khối chuyển đổi phía roto của DFIG [77]. ........................ 48
Hình 2.22 Sơ đồ bộ điều khiển khối chuyển đổi phía lưới của DFIG [77]. ........................ 49
Hình 2.23 Sơ đồ bộ điều khiển góc nghiêng cánh của tuabin theo giá trị đặt. .................... 49
Hình 2.24 Sơ đồ điều chỉnh công suất cơ của máy diesel theo giá trị đặt. .......................... 49
Hình 2.25 Đề xuất cấu trúc của tuabin gió tích hợp khớp ly hợp điện từ............................ 52
Hình 2.26 Mô hình động học hệ cơ có tích hợp EMC. ....................................................... 53
Hình 2.27 Mô hình truyền động trong tuabin gió tích hợp khớp ly hợp điện từ. ................ 53
Hình 2.28 Mô hình truyền động phần tuabin có bộ hãm tốc. .............................................. 53
Hình 3.1 Sơ đồ thể hiện quá trình khảo sát ổn định. ........................................................... 57
Hình 3.2 Các đặc tính làm việc của hệ với tải Pt = 1,0 ÷ 8,0 MW, cosφt = 0,87................ 58
Hình 3.3 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt = 0,0 ÷
8,0 MW, cosφt=0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW, cosφS1 = 1,0. ................................. 59
Hình 3.4 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt ≤ 5,4
MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 5,4 MW, cosφS1 = 1,0. ..................................... 59
Hình 3.5 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt ≥ 5,5
MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW, cosφS1 = 1,0. ..................................... 59
Hình 3.6 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và an (bên phải) với tải từ Pt = 6,0
MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW với cosφS1 = 0,98............................... 59
Hình 3.7 Khảo sát an với tải từ Pt = 0,0 ÷ 8,0 MW, cosφt = 0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW
với cosφS1=0,98. .................................................................................................. 60
Hình 3.8 Khảo sát an với tải từ Pt = 6,0 MW, cosφt=0,87 và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW. ............. 60
 xiii 

Hình 4.1 Mô hình hệ thống hỗn hợp gió – diesel. ............................................................... 68
Hình 4.2 Biểu đồ tốc độ gió trong mô phỏng. ..................................................................... 68
Hình 4.3 Số lượng máy phát tham gia vận hành. ................................................................ 68
Hình 4.4 Biểu đồ phát công suất tác dụng (a) và công suất phản kháng (b) của hai trạm
điện. ..................................................................................................................... 69
Hình 4.5 Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ phát công suất tác dụng của hai trạm điện. ..................... 69
Hình 4.6 Biểu đồ tần số trên lưới. ....................................................................................... 69
Hình 4.7 Biểu đồ dạng sóng của điện áp phía trạm điện gió. .............................................. 69
Hình 4.8 Biểu đồ phụ tải trên đảo Phú Quý ngày 23/05/2012 [16]. ................................... 70
Hình 4.9 (a) Số máy phát tham gia vận hành; (b) Công suất phát của mỗi máy; (c) Biểu
đồ phát công suất tác dụng của mỗi trạm điện và công suất dự trữ quay của
trạm điện diesel; (d) Biểu đồ phát công suất phản kháng của mỗi trạm điện;
(e) Biểu đồ phát công suất tác dụng của cả hệ; (f) Tỷ lệ phát công suất tác
dụng của hai trạm điện. ....................................................................................... 70

 xiv 




xv 

Hình 4.10 (a) Khảo sát nghiệm của phương trình D(p)=0 với phụ tải trong 24 giờ; (b)
Kết quả khảo sát thời gian cắt tới hạn. ................................................................ 70
Hình 4.11 Biểu đồ phụ tải (a) và biểu đồ tốc độ gió (b) trên đảo Phú Quý ngày
13/7/2014. ........................................................................................................... 71
Hình 4.12 Số lượng máy phát tham gia vận hành. .............................................................. 71
Hình 4.13 Biểu đồ công suất phát của mỗi máy. ................................................................. 71
Hình 4.14 Biểu đồ phát công suất phản kháng của hai trạm điện. ...................................... 72
Hình 4.15 Biểu đồ công suất dự trữ quay trong hệ thống.................................................... 72

 xv 




xvi 

Hình 5.3 (a) Biểu đồ tốc độ gió trên đảo Phú Quý từ tháng 6/2012 đến tháng 6/2013;
(b) Biểu đồ tổng phụ tải (Pt) trên đảo Phú Quý với phương thức vận hành
24h/ngày. ............................................................................................................. 86
Hình 5.4 Số máy phát tham gia vận hành và công suất phát của mỗi máy khi trạm điện
diesel vận hành độc lập, (a) với phụ tải từ 800÷2200kW, (b) với phụ tải của
ngày 02/07/2014. ................................................................................................. 87
Hình 5.5 Tỷ lệ P1/Pt theo số lượng tuabin gió sử dụng DFIG ứng với mức công suất (a)
2MW; (b) 1,5MW; 1,2MW; (d) 1MW; (e) 0,8MW; (f) 0,5MW. ...................... 88
Hình 5.6 Các đường cong biểu diễn số lượng tuabin gió DFIG có thể lắp đặt tối đa theo
lợi ích cận biên của dự án. .................................................................................. 88
Hình 5.7 Thể hiện các đặc tính của tuabin gió sử dụng DFIG với các mức công suất
khác nhau. (a) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện tỷ lệ P1/Pt; (b)
Mặt cong giới hạn mức thâm nhập điện gió tối đa; (c) So sánh các loại tuabin
gió trên phương diện tỷ lệ A1/At khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải
của ngày 02/07/2014; (d) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện hiệu
quả sản xuất điện năng của mỗi tuabin gió ; (e) So sánh các loại tuabin gió
trên phương diện tỷ lệ công suất phát của trạm điện gió so với tổng công suất
lắp đặt. ................................................................................................................. 89
Hình 5.8 Tỷ lệ P1/Pt theo số lượng tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG ứng với mức công
suất (a) 2MW; (b) 1,5MW; 1,2MW; (d) 1MW; (e) 0,8MW; (f) 0,5MW. ......... 90
Hình 5.9 Mặt cong giới hạn mức thâm nhập điện gió tối đa với tuabin gió kiểu D sử
dụng SCIG........................................................................................................... 91
Hình 5.10 So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG trên phương diện tỷ lệ

Hình 5.19 (a) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện tỷ lệ A1/At khi vận hành ở
tốc độ gió 9m/s với phụ tải của ngày 02/07/2014; (b) So sánh các loại tuabin
gió trên phương diện hiệu quả sản xuất điện năng của mỗi tuabin gió. .............. 94

 xvii 




1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, đồng thời ô nhiễm môi trường
do đốt nhiên liệu hóa thạch càng trở nên trầm trọng. Năng lượng tái tạo đang được quan
tâm nhiều và là sự lựa chọn cho ngành năng lượng trong tương lai. Các nguồn năng lượng
tái tạo đang được quan tâm là năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều… Năng lượng tái tạo góp phần rất lớn vào
việc cải tạo cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường. Các hệ thống phát điện sử dụng
năng lượng tái tạo đã và đang phát triển ở vùng sâu, vùng xa, hải đảo1, những nơi mà việc
phát triển lưới điện quốc gia không khả thi về mặt kinh tế.
Đa phần các v ng cô lập trên thế giới được cấp nguồn nhờ các trạm điện diesel, tuy
nhiên đã và đang có nhiều v ng cô lập trên thế giới được cấp nguồn từ hệ thống phát điện
sử dụng năng lượng tái tạo kết hợp với diesel (Phụ lục A) [15,42,61,65]. Hầu hết các hệ
thống phát điện hỗ hợp đã được xây lắp ở các v ng cô lập đều có thành phần điện gió.
Các v ng cô lập ở Việt Nam cũng có những đặc điểm về năng lượng gió tương tự như
các v ng cô lập trên thế giới đã xây lắp hệ thống điện gió. Theo khảo sát của Ngân hàng
thế giới khẳng định, Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió lớn nhất Đông Nam Á với
tổng công suất điện gió ước đạt 513.360 MW [78], nhiều hơn 200 lần công suất của Thuỷ

Sự cam kết của Chính phủ về lĩnh vực năng lượng tái tạo nói chung, và lĩnh vực điện
gió nói riêng càng thể hiện rõ hơn khi Quyết định số 37/2011/QĐ–TTg được ban hành
ngày 29 tháng 6 năm 2011 (có hiệu lực từ 20/8/2011). Ngoài ra, còn nhiều quyết định khác
đưa ra các cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam (thể hiện rõ trong [7,8]).
Theo các thống kê thì Việt Nam có hơn 4.000 đảo. Trong số đó có nhiều đảo xa bờ, nên
việc cấp điện lưới quốc gia cho các đảo này không khả thi về kinh tế. Hiện nay, việc sử
dụng trạm phát điện diesel để cấp nguồn cho các đảo làm cho giá điện cao, tiêu tốn nhiều
nhiên liệu diesel, ô nhiễm môi trường. Như vậy, phát triển các hệ thống phát điện hỗn hợp
gió – diesel ở các v ng cô lập là rất cần thiết và ph hợp với xu hướng chung của thế giới.

2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel trong lƣới cô lập
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng trăm năm trước. Con người đã d ng năng
lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được
sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Ý tưởng d ng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra
điện và máy phát điện. Lúc đầu, nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay
vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì d ng máy phát điện để sản
xuất năng lượng điện. Khi khoa học về cơ học dòng chảy phát triển thì các thiết bị xây
dựng và hình dáng của các cánh cũng được chế tạo đặc biệt hơn cho ph hợp.
Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất
điện từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuabin
gió.
Quá trình phát triển của việc sử dụng năng lượng gió nhằm sản xuất điện năng có thể
coi như bắt đầu vào những năm 1970 với những thí nghiệm bước đầu và b ng nổ vào
những năm 1980. Việc sử dụng năng lượng gió đã bắt đầu trước hết ở Đức và hiện nay là
trên phạm vi quốc tế. Theo xu hướng đó, các hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cũng
được ứng dụng ở nhiều v ng cô lập.


thọ, thời gian thu hồi vốn, độ tin cậy, ảnh hưởng môi trường, giới hạn vận hành, khả năng
lưu trữ, mức độ ph hợp với hệ gió – diesel, khả năng làm giảm tiêu thụ nhiên liệu…), các
nghiên cứu [37,40,41] đã đánh giá chỉ số hiệu năng của hầu hết các công nghệ lưu trữ năng
lượng. Từ những so sánh đó, bình áp suất dùng để lưu trữ năng lượng được áp dụng vào hệ
thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cấp nguồn cho một khu dân cư. Trong trường hợp
phụ tải đỉnh là 851 kW thì giảm tiêu hao nhiên liệu 27%; trong trường hợp áp dụng cho
phụ tải 5 kW thì giảm tiêu hao nhiên liệu là 98% [37,38,39,40].
d) Nghiên cứu về cải thiện chất lượng điện năng của hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel
Sử dụng cuộn siêu cảm làm kho từ trong lưới cô lập với tải 650 kW cho chất lượng tần
số cũng như chất lượng công suất tương đối tốt [84].
Hiện nay, việc tích hợp khớp ly hợp điện từ (EMC – ElectroMagnetic Clutch) vào
tuabin gió cũng mới chỉ được đề xuất trong các nghiên cứu [70,71,72]. Tuy nhiên các
nghiên cứu này chỉ nhằm mục đích khẳng định tuabin gió loại máy phát đồng bộ nối trực
tiếp với lưới được tích hợp EMC có chất lượng điện năng tương đương với các loại tuabin
gió có tốc độ thay đổi hiện nay.

3




4

2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Việc nghiên cứu và khai thác năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm
1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình
“Tiến bộ khoa học kỹ thuật cấp nhà nước” về năng lượng mới và năng lượng tái tạo đã chế
tạo một số hệ thống phát điện gió với công suất cỡ 120W đến 500W nạp ắcquy của Trường
Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Bách khoa Hà Nội, với mục đích

sách khuyến khích sự tăng trưởng phụ tải thì việc sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ mới có
hiệu quả kinh tế cho nhà đầu tư.

4




5

Nghiên cứu [32] đã mô phỏng chế độ vận hành theo hướng sử dụng tối đa năng lượng
gió trên Matlab với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị phụ trợ trong
lưới cô lập. Tuy nhiên nghiên cứu này chưa quan tâm đến phân bố công suất phản kháng
cho điện gió và điện diesel, cũng như chưa kể đến giới hạn làm việc của từng máy phát,
chưa thể hiện tỷ lệ thâm nhập điện gió ph hợp.

3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập thì hai chỉ tiêu quan
trọng là chất lượng điện năng2 và tỷ lệ thâm nhập điện gió. Hai tiêu chí này tỷ lệ nghịch
với nhau trong v ng có tỷ lệ thâm nhập điện gió cao (Hình 1.21). Do vậy, cần có phương
pháp vận hành ph hợp để tối đa hóa tỷ lệ thâm nhập điện gió mà vẫn đảm bảo chất lượng
điện năng. Đây chính là mục đích nghiên cứu của luận án.
Trong quá trình vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel thì cần phải thỏa mãn
các điều kiện ràng buộc liên quan đến các giới hạn kỹ thuật. Hai điều kiện ràng buộc quan
trọng là vận hành ổn định và đảm bảo chất lượng điện năng. Việc phân tích chất lượng điện
năng thường được đánh giá thông qua các kết quả mô phỏng, thực nghiệm, thực tế. Còn
việc đánh giá tính ổn định của hệ thống thì hiện nay có nhiều phương pháp cho phép phân
tích và đánh giá trên mô hình toán. Do vậy luận án sẽ xác định v ng làm việc theo giới hạn
ổn định, sau đó kiểm tra chất lượng điện năng tại các điều kiện cụ thể.
Qua phân tích tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong

điều kiện ràng buộc trong vận hành. Đồng thời cũng nghiên cứu phương pháp tính toán để
xác định được trạm điện gió ph hợp với trạm điện diesel đã có ở v ng cô lập.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
● Thu thập và tổng hợp các tài liệu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel.
● Thiết lập mô hình toán cho các giải pháp nhằm nâng cao tỷ lệ thâm nhập điện gió của
hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị phụ trợ trong lưới cô lập;
● Ứng dụng mô hình toán đã đề xuất cho đối tượng cụ thể là hệ thống phát điện hỗn hợp
gió – diesel ở đảo Phú Quý;
● Mô phỏng kiểm nghiệm các giải pháp đề xuất trên phần mềm chuẩn (như MatLab,
PSS/adept), kết quả thu được từ mô phỏng sẽ so sánh với số liệu thực tế để đánh giá hiệu
quả của các đề xuất.

6. Nội dung và bố cục luận án
Nội dung
Tổng quát hóa về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập. Đánh giá
khả năng điện gió kết nối với lưới cô lập có công suất nhỏ. Từ đó nhận thấy cần có sự ph
hợp hóa giữa điện gió và diesel.
Qua khảo sát ở trên nhận thấy ổn định hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel là điều
kiện tiên quyết trong vận hành. Khảo sát đặc tính làm việc của hệ thống này trong lưới cô
lập. Xác định các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính ổn định của hệ thống này. Từ đó đề xuất
cách cải thiện và nâng cao tính ổn định của hệ thống này.
Qua khảo sát cho thấy chế độ làm việc của các hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
chưa ph hợp. Luận án đề xuất thuật toán và giải pháp vận hành tối ưu nhằm khai thác tối
đa nguồn năng lượng gió. Qua đó sẽ tiết kiệm nhiên liệu diesel và bảo vệ môi trường.
Qua các khảo sát, xác định thấy tuabin gió lắp đặt tại các v ng cô lập cần thêm một số
thiết bị phụ trợ để có thể nâng cao được chất lượng điện năng cũng như tỷ lệ thâm nhập

6