BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN CHUNG

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG
LƯỢNG GIÓ
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lượng gió;
- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;

Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi em
đang công tác đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành Luận văn này.

Nguyễn Văn Chung


i

Tóm tắt
Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Nghiên cứu
điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng gió" mà bao gồm các nội
dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Tổng quan
- Chương 3: Hệ thống điện năng lượng gió
- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển công suất của hệ thống điện năng
lượng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
The thesis presents issues relating to "Power control of wind energy
power systems using doubly-fed induction generators (DFIG)". It consists of
the following contents:

2.3.1. Châu Âu ............................................................................................. 12
2.3.2. Bắc Mỹ .............................................................................................. 12
2.3.3. Nam và Trung Mỹ ............................................................................. 12
2.3.4. Châu Á Thái Bình Dương ................................................................. 12
2.3.5. Trung Đông và Châu Phi ................................................................... 13
2.4. Thực trạng năng lượng gió tại Việt Nam ............................................. 13
2.5. Kết luận ................................................................................................ 14


iv

Chương 3 - Hệ thống điện năng lượng gió .................................................. 16
3.1. Hệ thống điện ....................................................................................... 16
3.2. Đặc tính của năng lượng gió................................................................. 19
3.2.1. Gió ..................................................................................................... 19
3.2.2. Mô tả vật lý ........................................................................................ 19
3.2.3. Đường cong công suất ....................................................................... 20
3.2.4. Hiện tượng trễ và hiệu quả ngắt mạch............................................... 20
3.3. Hệ thống điện năng lượng gió .............................................................. 21
3.3.1. Giới thiệu ........................................................................................... 21
3.3.2. Phân loại tuabin gió ........................................................................... 29
3.4. Máy phát điện trong hệ thống điện năng lượng gió ............................. 29
3.4.1. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ........... 31
3.4.2. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor
lồng sóc ........................................................................................................ 32
3.4.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép ............................................................................................................... 43
3.4.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu bên trong ....................................................................................... 49
Chương 4 - Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống điện năng lượng

Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ................................... 89
6.1. Kết luận ................................................................................................ 89
6.2. Hương phát triển tương lai ................................................................... 89
Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 90


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điện gió nối lưới
Hình 3.2. Các thành phần cơ bản của tuabin gió
Hình 3.3. Bên trong một tuabin phát điện gió
Hình 3.4. Bộ điều khiển góc pitch
Hình 3.5. Hộp số tuabin gió
Hình 3.6. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp
Hình 3.7. Thống kê các phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ
Hình 3.8. Mặt cắt các máy điện
Hình 3.9. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện
Hình 3.10. Máy phát điện không đồng bộ
Hình 3.11. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ
Hình 3.12. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc
Hình 3.13. Vỏ máy
Hình 3.14. Cấu tạo lõi thép stator
Hình 3.15. Dây quấn stator
Hình 3.16. Sơ đồ khai triển dây quấn stator
Hình 3.17. Lõi thép rotor
Hình 3.18. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn
Hình 3.19. Thanh dẫn của rotor lồng sóc
Hình 3.20. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ

đổi, v = 12 m/s
Hình 5.6. Tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.7. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp
tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.8. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.9. Điều khiển bám công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.10. Công suất phản kháng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s


viii

Hình 5.11. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ
gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.12. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với
trường hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.13. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.14. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
không đổi, v = 12 m/s
Hình 5.15. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió không đổi,
v = 12 m/s
Hình 5.16. Góc cánh tuabin gió
Hình 5.17. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió
Hình 5.18. Tốc độ gió thay đổi
Hình 5.19. Công suất tác dụng tham chiếu của DFIG tương ứng với trường hợp
tốc độ gió thay đổi
Hình 5.20. Công suất tác dụng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió

Hình 5.35. Công suất phản kháng của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ
gió thay đổi lớn
Hình 5.36. Điều khiển bám công suất phản kháng của DFIG tương ứng với
trường hợp tốc độ gió thay đổi lớn
Hình 5.37. Cường độ dòng điện stator, Iabcs của DFIG tương ứng với trường
hợp tốc độ gió thay đổi lớn
Hình 5.38. Điện áp stator, Vabcs của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió
thay đổi lớn
Hình 5.39. Moment của DFIG tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
lớn
Hình 5.40. Góc cánh tuabin gió tương ứng với trường hợp tốc độ gió thay đổi
lớn
Hình 5.41. Hiệu suất chuyển đổi công suất gió tương ứng với trường hợp tốc độ
gió thay đổi lớn


1

Chương 1
Giới thiệu
Điện năng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi
Quốc gia, là một trong các nhu cầu thiết yếu đối với sinh hoạt của nhân dân và
cũng chính là yếu tố đầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác,
có tác động ảnh hưởng không nhỏ đến các hoạt động kinh tế, chính trị, văn hóa
và xã hội.
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đời sống
người dân ngày càng được cải thiện, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng năng
lượng điện ngày càng tăng cao. Trước tình trạng nguồn năng lượng truyền
thống không tái tạo như dầu mỏ, than, khí đốt,… đều đang đứng trước những
cảnh báo cạn kiệt buộc nhân loại phải vào cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng

biến và khai thác sẽ bị tụt hậu, đời sống vật chất và tinh thần sút kém mà sẽ dẫn
đến các bất ổn cho đời sống và xã hội.
Với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng, những
nguồn năng lượng tái tạo đã và đang được quan tâm nhiều hơn như năng lượng
gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng
lượng thủy triều,… tất cả những loại năng lượng này góp phần rất lớn vào việc
thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường,…
Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió được coi là
một nguồn năng lượng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trường đang
thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành
nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai.
Hệ thống điện sử dụng năng lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần
nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây
tiếng ồn,…với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng gió với hơn
3.200 km bờ biển. Do đó, việc sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam đã, đang
và sẽ được khuyến khích áp dụng trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất [1].
Góp phần trong vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu điều khiển công suất
khi sử dụng hệ thống điện năng lượng gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do
chính cho việc chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển công suất của hệ thống
điện năng lượng gió”.


3

1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Thế kỷ 20 đã trải qua với nhiều tiến bộ vượt bậc của loài người. Trong
đó, con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàng những
công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng những nhu cầu
không ngừng của con người. Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, con người
phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế

nhân, năng lượng tái tạo,…) [2]-[3].
IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng
chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới.
Tuy nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung
cấp cho thế giới trong 60 năm tới. Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90
năm tới. Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát
triển và đông dân cư như Trung Quốc và Ấn Độ, hậu quả tất yếu là giá dầu và
khí đều tăng mạnh [3].
Về mặt chính trị, tình hình không ổn định của các nước đang sở hữu hơn
70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lượng khí thiên nhiên, đều tập trung ở
những khu vực nhiều bất ổn nhất thế giới như Trung Đông, Nga và Trung Á
dẫn đến giá nguyên liệu dầu mỏ và khí đốt tăng cao.
Từ những vấn đề trên, để đảm bảo nguồn cung năng lượng cho nhân loại
và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra những nguồn
năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.
Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn như năng lượng mặt trời, năng lượng
gió, năng lượng địa nhiệt,…và những nguồn năng lượng khác. Bằng những tiến
bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng tất yếu của thế giới các năng lượng tái
sinh đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu, sử dụng ngày càng nhiều [1].
Như vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguồn năng
lượng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lược của riêng một quốc gia nào, mà
cần phải được quan tâm đúng mức trên toàn cầu. Trong số những nguồn năng
lượng đó năng lượng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luôn được đánh giá
cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển tối ưu bám điểm công suất cực
đại của hệ thống điện gió. Đây chính là vấn đề cần thiết được đặt ra và cũng là
vấn đề chính sẽ được quan tâm và giải quyết trong luận văn này.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển công suất của hệ
thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.


Clemens Jauch, Frede Blaabjerg group, “Dynamic wind turbine models in


6

power system simulation tool, DIgSILENT”, Trường Đại học Kỹ thuật Đan
Mạch, năm 2007 đã nghiên cứu mô hình tuabin máy phát điện gió và điều
khiển kết nối lưới trên cơ sở mô phỏng các chế độ vận hành của máy điện gió
đồng bộ và không đồng bộ bằng chương trình phần mềm DIgSILENT [11].
Andreas Peterson, “Analysis, modeling and control of doubly-fed
induction generators for wind turbines”, Trường Đại học Kỹ thuật Chalmers,
Thụy Điển, năm 2005 đã nghiên cứu điều khiển moment và tốc độ máy phát
điện gió [12].
Fernando D. Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz, “Wind
turbine control systems principles, modelling and gain scheduling design”, năm
2007 đã nghiên cứu các phân bố gió, các mô hình gió và mô hình động điều
khiển tuabin gió [13].
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Lương Công Quyền, “Điều khiển trượt máy phát điện gió cấp nguồn từ
hai phía”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, năm 2008
đã nghiên cứu điều khiển độc lập công suất P và Q của máy phát điện tuabin
gió nguồn kép [4].
Đỗ Vĩnh Mạnh, “Nghiên cứu và mô phỏng phương pháp điều khiển bộ
biến đổi PWM rectified và PWM inverter trong hệ thống chuyển đổi năng
lượng gió và DFIG”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM,
năm 2008 đã nghiên cứu đưa ra mô hình Inverter trong Matlab/
SimPowersystem [5].
Nguyễn Chí Hiếu, “Khảo sát mô hình máy phát điện gió trong lưới điện
phân phối”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, năm
2008, đã nghiên cứu máy phát điện gió không đồng bộ điều khiển công suất



8

Chương 2
Tổng quan
2.1. Giới thiệu
Năng lượng gió là một nguồn năng lượng thiên nhiên mà con người
đang quan tâm đặc biệt cho nhu cầu năng lượng tương lai của thế giới. Hiện tại,
năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên, nếu muốn đẩy mạnh
việc khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai, các nhà khoa học cần
nghiên cứu nhiều hơn để hoàn chỉnh các công nghệ khai thác và sử dụng. Năng
lượng gió được dựa trên nguyên lý là gió sẽ tạo ra sức quay các tuabin và sau
đó, sẽ tạo ra năng lượng điện. Các yếu tố hình thành nên nguồn năng lượng gió
bao gồm: sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, sự chuyển vận của trái
đất và sự lồi lõm của mặt đất.
* Ưu điểm của nguồn năng lượng gió
Có thể nhận thấy rằng nguồn năng lượng này mang nhiều điểm thuận lợi
mà là lý do dẫn đến sự phát triển mạnh của nó trên thế giới trong những thập
niên gần đây. Các thuận lợi khi sử dụng nguồn năng lượng điện này bao gồm:
+ Giúp tăng trưởng kinh tế: Các nhà máy, xưởng sản xuất tuabin gió
phát triển sẽ tạo thêm nhiều việc làm.
+ Là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận.
+ Giá thành thấp: theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ trong tương lai
giá của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điện
của các nguồn khác như than, dầu hay biomass,... Hiện tại, giá của nguồn năng
lượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió của từng
địa phương.
+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng
lượng điện khác.

năm 1150, ở Pháp năm 1180, ở Flanders năm 1190, ở Đức năm 1222 và ở Đan
Mạch năm 1259. Sự phát triển nhanh chóng này là do ảnh hưởng bởi đội quân
chữ thập, đã truyền đi những hiểu biết về cối xoay gió từ vùng Ba Tư đến nhiều
nơi ở Châu Âu. Ở Châu Âu, cối xoay gió được cải tiến lại từ giữa thế kỷ 12 đến


10

thế kỷ 19. Cho đến cuối thế kỷ 19, đặc thù của cối xoay gió Châu Âu là sử
dụng 1 rotor có đường kính 25 m và chiều cao 30 m.
Cối xoay gió không những được dùng để giã gạo mà còn được sử dụng
để bơm nước đến những hồ cạn và vùng biên giới xa xôi. Pháp có khoảng
1.800 đến 20.000 cối xoay gió hoạt động. Hà Lan có khoảng 90% năng lượng
điện dùng trong công nghiệp là từ nguồn năng lượng gió. Công nghiệp hóa đã
làm cho cối xoay gió dần dần suy tàn.
Khi những cối xoay gió kiểu Châu Âu bắt đầu ít xuất hiện thì nó lại phát
triển ở Bắc Mỹ. Những cối xoay gió nhỏ dùng để bơm nước trở nên rất phổ
biến. Những cối xoay gió này được coi như là cối xoay gió kiểu Mỹ, chúng tự
hoạt động và không cần giám sát. Rotor tự điều chỉnh đến hướng có nhiều gió.
Từ năm 1920-1930, cối xoay gió đã trở nên phổ biến ở Mỹ, có khoảng 600.000
mẫu được lắp đặt. Cối xoay gió của Mỹ đã có những thay đổi phù hợp với mục
đích sử dụng cho ngành nông nghiệp trên toàn thế giới.
2.2.2. Tuabin gió
Năm 1891, Dance Poul La Cour là người đầu tiên đã chế tạo ra tuabin
gió. Kỹ sư Danish đã cải tiến kỹ thuật trong thời gian từ chiến tranh thế giới lần
1, 2 và đã sử dụng để giải quyết tình trạng thiếu năng lượng. Tuabin gió của
công ty Danish là F. L. Smidth sản xuất năm 1941-1942 có thể được coi như là
nguyên bản đầu tiên của những tuabin gió. Tuabin của Smidth là loại đầu tiên
dùng những cánh máy bay hiện đại, dựa vào những am hiểu về khí động lực
thời bấy giờ. Cùng thời gian trên, một người Mỹ là Palmer Putman, Công ty