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

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

LÊ MINH VƯƠNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

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

LÊ MINH VƯƠNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

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
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ MINH VƯƠNG

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIÓ
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan của hệ thống điện năng lượng gió;
- Nghiên cứu mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép;
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép;

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM;
Viện Khoa học Kỹ thuật; Viện Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi tôi đang công
tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận
văn tốt nghiệp này.

Lê Minh Vương


i

TÓM TẮT
Gần đây, ngành năng lượng điện thường xuyên xuất hiện tình trạng mất
cân bằng giữa nhu cầu sử dụng điện và khả năng cung cấp nguồn điện. Nguyên
nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện
ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông
nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo
động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ
cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện.
Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa
mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia
trở nên khó thực hiện hơn.
Giải pháp tăng cường khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng
lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… là đáng được tập trung nghiên
cứu. Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút sự
quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.
Việc nghiên cứu khai thác tối ưu công suất hệ thống điện gió là rất cần
thiết. Đây cũng là lý do chính cho việc chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu công

- Chapter 2: Overview of wind turbine power systems
- Chapter 3: Optimal power control of wind turbine power systems
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ......................................................................................... v
Danh sách bảng............................................................................................. ix
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2
1.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 3
1.4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 4
1.5. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................... 4
1.6. Bố cục của luận văn ............................................................................... 7
1.7. Kết luận .................................................................................................. 7
Chương 2 - Tổng quan hệ thống điện gió .................................................. 8
2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 8
2.2. Năng lượng gió trên thế giới .................................................................. 9
2.3. Năng lượng gió tại Việt Nam ............................................................... 12
2.4. Công suất gió ........................................................................................ 18
2.5. Hệ thống điện gió ................................................................................. 19
2.5.1. Tuabin gió .......................................................................................... 20
2.5.2. Máy phát điện trong hệ thống điện gió.............................................. 28
Chương 3 - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 86
5.1. Kết luận ................................................................................................ 86
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 86
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 88


v

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Điện gió Tuy Phong, Bình Thuận ............................................... 14
Hình 2.2. Điện gió Phú Quý, Bình Thuận ................................................... 15
Hình 2.3. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận .................................................... 16
Hình 2.4. Điện gió Bạc Liêu........................................................................ 17
Hình 2.5. Các thành phần cơ bản của tuabin gió ......................................... 20
Hình 2.6. Tuabin gió trục đứng ................................................................... 21
Hình 2.7. Tuabin gió trục ngang.................................................................. 21
Hình 2.8. Bên trong một tuabin phát điện gió ............................................. 23
Hình 2.9. Bộ điều khiển góc pitch ............................................................... 23
Hình 2.10. Hộp số tuabin gió ...................................................................... 24
Hình 2.11. Máy phát điện đang được đưa lên đỉnh tháp ............................. 25
Hình 2.12. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không
đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ...................................... 30
Hình 2.13. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không
đồng bộ nguồn kép ...................................................................................... 31
Hình 2.14. Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...
..................................................................................................................... 33
Hình 3.1. Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện
(DFIG) ......................................................................................................... 37
Hình 3.2. Đặc tuyến TSR tối ưu theo tốc độ gió ......................................... 38
Hình 3.3. Kỹ thuật điều khiển tỉ số tốc độ đầu cánh (TSR) tối ưu .............. 38

Hình 4.11. Tốc độ rotor, nr = 600 (rpm) ...................................................... 70
Hình 4.12. Công suất cực đại, PMPP với nr = 600 (rpm) .............................. 70
Hình 4.13. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 600 (rpm) .................. 71
Hình 4.14. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 600 (rpm) ...................................................................... 71
Hình 4.15. Tốc độ rotor, nr = 900 (rpm) ...................................................... 72
Hình 4.16. Công suất cực đại, PMPP với nr = 900 (rpm) .............................. 72
Hình 4.17. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 900 (rpm) .................. 73
Hình 4.18. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 900 (rpm) ...................................................................... 73
Hình 4.19. Tốc độ rotor, nr = 1200 (rpm) .................................................... 74


vii

Hình 4.20. Công suất cực đại, PMPP với nr = 1200 (rpm) ............................ 75
Hình 4.21. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 1200 (rpm) ................ 75
Hình 4.22. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 1200 (rpm) .................................................................... 76
Hình 4.23. Tốc độ rotor, nr = 1500 (rpm) .................................................... 76
Hình 4.24. Công suất cực đại, PMPP với nr = 1500 (rpm) ............................ 77
Hình 4.25. Công suất máy phát điện DFIG với nr = 1500 (rpm) ................ 77
Hình 4.26. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với nr = 1500 (rpm) .................................................................... 78
Hình 4.27. Tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ....................................... 79
Hình 4.28. Công suất cực đại, PMPP với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1
..................................................................................................................... 83
Hình 4.29. Công suất máy phát điện DFIG với tốc độ rotor thay đổi Trường hợp 1 ............................................................................................... 80
Hình 4.30. Công suất của máy phát điện DFIG bám theo công suất cực đại
tương ứng với tốc độ rotor thay đổi - Trường hợp 1 ................................... 80

nhân chính của việc mất cân bằng này là do nhu cầu sử dụng năng lượng điện
ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông
nghiệp, đời sống sinh hoạt hàng ngày,... Trong khi đó, sự cạn kiệt đáng báo
động của các nguồn nhiên liệu đầu vào như dầu mỏ, than đá, khí đốt,... phục vụ
cho việc sản xuất năng lượng điện từ các nhà máy nhiệt điện. Thêm vào đó,
năng lượng điện được sản xuất từ các nhà máy thủy điện mà đã được khai thác
tối đa với công suất lớn, nhỏ khác nhau; chiếm diện tích lòng hồ rộng lớn hàng
chục vạn ha; phá hủy cây cối, rừng; gây ô nhiễm môi trường sinh thái; đặc biệt
là không ngăn được lũ lụt, mà còn xả nước cùng với lũ lụt gây ra các thảm họa
sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vườn, hoa màu, cây cối,... làm tổn thất
hàng ngàn tỷ đồng/năm.
Với các phân tích nêu trên, vấn đề về an ninh năng lượng đang bị đe dọa
mà dẫn đến các mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại một số quốc gia
trở nên khó thực hiện hơn.
Với các khó khăn và thử thách được đặt ra, các nhà khoa học đã tích cực
nghiên cứu và đề xuất các giải pháp. Một trong số đó, giải pháp tăng cường
khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng
gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng
lượng thủy triều,… là đáng được tập trung. Các dạng năng lượng này có thể
góp phần rất lớn vào việc giảm bớt gánh nặng của các nguồn năng lượng điện
truyền thống, thay đổi cuộc sống nhân loại và cải thiện môi trường, thiên
nhiên,...


2

Trong số các nguồn năng lượng nêu trên, năng lượng gió đang thu hút
sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.
So với các nguồn năng lượng điện truyền thống, hệ thống điện năng
lượng gió có nhiều ưu điểm như không cần nguồn nhiên liệu đầu vào, ít gây ô

lượng quốc tế (IEA – International Energy Association), nhu cầu tiêu thụ dầu
mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lượng về tổng thể sẽ tăng tới 65%
(tính cả dầu, khí, than đá, năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo,…) [3]-[4].
IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính
trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lượng cần thiết cho thế giới. Tuy
nhiên, theo ước tính của các nhà địa chất học thì lượng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp
cho thế giới trong 60 năm tới. Lượng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm
tới. Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nước đang phát triển và
đông dân cư thì hậu quả tất yếu là giá dầu và khí đều tăng mạnh [3].
Để đảm bảo nguồn năng lượng cho nhân loại không còn cách nào khác
là phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa
thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn
như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng
thủy triều, năng lượng sóng biển… đang được các nhà khoa học tích cực
nghiên cứu khai thác. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hướng
tất yếu của thế giới, các năng lượng tái tạo này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và
khai thác ngày càng nhiều.
Như vậy, tính cấp thiết trong việc nghiên cứu, khai thác và phát triển các
nguồn năng lượng tái tạo không còn là nhiệm vụ và chiến lược của riêng một
quốc gia nào, mà nó đã trở thành một vấn đề toàn cầu. Trong số các nguồn
năng lượng tái tạo trên, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và luôn được đánh
giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể khai thác được hiệu quả và tối
đa nguồn năng lượng này trong sản xuất năng lượng điện.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu:
+ Hệ thống điện gió;
+ Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió;
+ Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất hệ thống điện tuabin gió.



thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O) cho bài toán điều khiển bám điểm công
suất cực đại của mô hình hệ thống điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam


5

châm vĩnh cửu. Nghiên cứu đánh giá rằng đây là giải thuật tương đối đơn
giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá phổ biến [7].
Lê Thành Hưng, “Điều khiển góc nghiêng cánh quạt và công suất của máy
phát điện gió không đồng bộ nguồn kép”, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách
Khoa Tp. HCM đã nghiên cứu bộ điều khiển PI-Fuzzy thực hiện điều khiển độc
lập công suất tác dụng và phản kháng. Trong nghiên cứu này, tác giả cũng thực
hiện điều khiển góc đón gió thông qua việc điều khiển góc cánh quạt sao cho hệ
thống điện gió có thể thu được nhiều năng lượng nhất. Máy phát điện gió được sử
dụng trong hệ thống điện gió nghiên cứu là máy phát điện gió không đồng bộ
nguồn kép [8].
Trương Minh Kiệt, "Xây dựng thuật toán MPPT tối ưu công suất cho máy
phát năng lượng gió DFIG sử dụng điều khiển thông minh", Luận văn Thạc sĩ,
Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM đã giới thiệu một giải thuật điều khiển bám
điểm công suất cực đại mà được kết hợp với công cụ điều khiển thông minh mạng
nơ-rôn để tối ưu công suất phát của máy phát điện gió DFIG [9].
Trần Thanh Tuấn, "Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho turbine gió
dùng máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu", Luận văn Thạc Sĩ, Trường
Đại học Bách Khoa Tp. HCM, đã tìm hiểu giải thuật điều khiển sao cho công
suất phát của máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cực đại trên cơ
sở điều chỉnh tốc độ rotor và giải thuật P&O cải tiến. Giải thuật cải tiến sử
dụng thông số độ dốc của điện áp DC-link để phát hiện sự thay đổi nhanh
chóng của tốc độ gió và điều khiển bộ biến đổi công suất theo chế độ bước
nhẩy thay đổi [10].
D. Kumar và K. Chatterjee, “A review of conventional and advanced

công suất. Nghiên cứu thực hiện điều khiển tuabin gió 3 kW mà được lắp đặt
trong một nhà máy điện gió nhỏ. Một bộ điều khiển dòng điện của bộ biến đổi
khuếch đại được thiết kế cho mục tiêu bám điểm công suất cực đại của hệ
thống điện gió. Một bộ điều khiển từ trễ được thêm vào bộ điều khiển tỷ số tốc
độ đầu cánh với mục đích hiểu chỉnh sai số điểm công suất cực đại ở trạng thái
xác lập [13].
K. N. Yu và C. K. Liao, “Applying novel fractional order incremental
conductance algorithm to design and study the maximum power tracking of
small wind power systems” đã giới thiệu giải thuật điện dẫn tăng thứ tự phân
đoạn mới (Fractional order incremental conductance algorithm, FOINC) cho
thiết kế bám điểm công suất cực đại của các hệ thống điện tuabin gió nhỏ. Giải
thuật đề xuất có đáp ứng tức thời ở chế độ quá độ và ổn định ở chế độ xác lập.


7

Ngoài ra, giải thuật đã cải thiện được hiệu suất bám điểm công suất cực đại mà
không cần thay đổi các thiết bị trong hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Giải thuật được giới thiệu tin cậy và hiệu quả khi
được so sánh với các giải thuật InC và P&O truyền thống [14].
1.6. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Tổng quan hệ thống điện gió
- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống điện
tuabin gió
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
1.7. Kết luận

sự phát triển mạnh mẽ của nó trên thế giới trong thời gian gần đây. Các ưu
điểm chính của nguồn năng lượng gió khi được sử dụng cho việc sản xuất năng
lượng điện bao gồm:
+ Năng lượng gió là nguồn nhiên liệu sơ cấp đầu vào vô tận.
+ Việc xây dựng các dự án nhà máy điện gió sẽ tạo điều kiện cho sự
tăng trưởng của nền kinh tế.
+ Theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ rằng trong tương lai giá điện
của nguồn điện được khai thác từ nguồn năng lượng gió sẽ rẻ hơn giá điện của
các nguồn khác như than đá, dầu diesel hay biomass,... Hiện tại, giá của nguồn
năng lượng điện gió dao động từ 4 đến 6 cent/kWh và tùy theo nguồn gió của
từng địa phương.


9

+ Giảm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính so với các nguồn năng
lượng điện khác.
* Khuyết điểm của nguồn năng lượng gió
- Nguồn năng lượng gió là phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên.
- Công nghệ sản xuất năng lượng điện từ năng lượng gió đang phát triển
một cách mạnh mẽ và giá thành của một hệ thống này đã giảm dần từ hơn 10
năm qua nhưng mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn còn cao
hơn mức đầu tư so với các nguồn năng lượng truyền thống khác.
- Việc khai thác năng lượng gió để sản xuất năng lượng điện cũng gây ra
các ảnh hưởng đến môi trường. Các ảnh hưởng đó là:
+ Tiếng ồn được phát ra từ quá trình chuyển động của các tuabin gió;
+ Sự xáo trộn các luồng sóng trong không khí
+ Sự xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã...
2.2. Năng lượng gió trên thế giới [16], [21]
Năng lượng gió phát triển nhanh vào những năm 1990. Tuy nhiên, năng

- Năm 1993, Ấn Độ đã đạt được sự phát triển ấn tượng về việc lắp đặt
các hệ thống điện tuabin gió. Chính phủ đã bắt đầu tạo nhiều cơ hội khuyến
khích đầu tư vào nguồn năng lượng này hơn.
Tại Ấn Độ, Bộ Năng lượng tái tạo và Năng lượng mới được giao nhiệm vụ sẽ
là đơn vị điều hành việc lắp đặt các hệ thống năng lượng điện gió ngoài khơi.
Cột mốc đánh dấu sự phát triển mới của năng lượng gió ngoài khơi tại Ấn Độ
với hệ thống cối xay gió trải dài 200 hải lý từ đất liền.
Trên thực tế, tiềm năng năng lượng gió tại Ấn Độ rất lớn những vẫn chưa được
khai thác một cách triệt để. Hiện tại, Ấn Độ mới chỉ chú trọng hệ thống năng
lượng gió trên đất liền. Hệ thống này đang cung cấp 23GW cho nhu cầu tiêu
thụ điện trên cả nước. So với năng lượng gió trên đất liền, hệ thống năng lượng
gió ngoài khơi cần nhiều chi phí cho lắp đặt hơn nên nguồn năng lượng vô tận
này vẫn chưa được khai thác một cách triệt để.
Chính phủ Ấn Độ rất hy vọng vào công nghiệp năng lượng gió ngoài khơi sẽ
thành công và gặt hái được những thành tựu lớn như ngành công nghiệp gió đất


11

liền đã đạt được. Đại diện chính phủ cho biết: “Với sự ra mắt của Chính sách
năng lượng gió ngoài khơi, Ấn Độ sẽ cố gắng để lặp lại thành công như đã làm
với ngành công nghiệp gió đất liền.”
Hệ thống điện năng lượng gió ngoài khơi sẽ tiếp tục đóng góp cho an ninh điện
quốc gia và giúp Ấn Độ hoàn thành những chỉ tiêu năng lượng to lớn đã đặt ra.
- Trung Quốc đang đầu tư lớn vào năng lượng sạch để đáp ứng các mục
tiêu khí hậu và làm sạch thành phố ô nhiễm. Theo một báo cáo gần đây, Trung
Quốc đã lắp đặt 30,5 GW năng lượng điện gió vào năm 2015, chiếm gần một
nửa trong số tất cả các hệ thống năng lượng điện gió được lắp đặt trên toàn cầu.
Quốc gia đông dân nhất trên thế giới đã đánh bại Mỹ về công suất năng lượng
điện gió lắp đặt với gần 8,6 GW. Vị trí thứ ba là Đức 6,1 GW. Kế đến, Brazil