CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hiện nay, ngành công nghiệp của các nước trên thế giới đang phát triển với tốc độ rất nhanh. Nhu cầu sử dụng điện năng vì thế ngày càng tăng cao. Việc cung cấp đủ nguồn năng lượng điện với tiêu chí đảm bảo chất lượng điện năng, không gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề rất quan trọng và cần thiết. Ở nước ta, cùng với sự phát triển chung của các ngành kinh tế, ngành điện lực Việt Nam (EVN) đã ngày càng được quan tâm và đầu tư phát triển hơn để có thể đáp ứng đủ nhu cầu cung cấp và sử dụng điện năng trong cả nước.
Cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác như thủy điện, nhiệt điện, năng lượng mặt trời,… điện gió là nguồn năng lượng điện đang được hướng tới và kỳ vọng là nguồn điện tương lai của Việt Nam. Với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt là không bao giờ bị cạn kiệt, năng lượng gió được coi là năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có ở khắp mọi nơi. Ở Việt Nam, với những lợi thế về địa hình, khí hậu,… thiên nhiên đã ban tặng cho đất nước chúng ta một nguồn năng lượng gió dồi dào. Vì vậy, điện gió là mục tiêu khai thác hiệu quả và đưa vào sử dụng hòa cùng hệ thống lưới điện quốc gia là điều mà ngành điện lực nước ta nói riêng cũng như đất nước Việt Nam nói chung luôn luôn hướng đến.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Lịch sử phát triển của ngành điện gió đã có từ những năm cuối thế kỷ XIX.
Nhưng cho đến năm 1980, năng lượng gió mới bắt đầu thật sự được quan tâm mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế về kỹ thuật và một số yếu tố ảnh hưởng khác. Tuy vậy, ở các nước Châu Âu, đặc biệt là các nước Đan Mạch, Đức và Tây Ban Nha vẫn liên tục cải tiến những kỹ thuật mới trong thiết kế, lắp đặt tua – bin gió (WT), nhờ đó đã tạo ra hiện tượng bùng nổ năng lượng gió trong những kể từ năm 1990 [2]. Và cho đến nay, trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió là ngành có công nghệ phát triển nhanh nhất. Trong thập kỷ qua, năng lượng gió toàn cầu đã tăng nhanh và là đối thủ quan trọng đối với các nguồn năng lượng truyền thống.
Công nghệ điện gió đã ngày càng được các quốc gia quan tâm khai thác và đầu tư với những dự án lớn lên 2 đến hàng chục triệu USD và công suất lên đến hàng trăm GW. Nguồn năng lượng xanh và sạch này đã thật sự bắt đầu có sự cạnh tranh trên thị trường thế giới. Với lợi thế là đất nước có hơn 3000km bờ biển chạy dọc theo chiều dài hình chữ S, từ Bắc vào Nam, Việt Nam chúng ta cần quan tâm phát triển và quy hoạch nguồn năng lượng phong phú này không những trên đất liền mà còn ở trên biển góp phần phát triển nền kinh tế, kỹ thuật, du lịch của nước nhà. Trong một nghiên cứu của Ngân hàng thế giới (WB) cho thấy 8.6% diện tích đất liền của Việt Nam rất giàu tiềm năng, thuận lợi cho việc lắp đặt các tua – bin gió lớn.
Trong khi đó con số tương ứng của các nước như Lào là 2.9%, Thái Lan là 0.2% và Cambodia là 0. Việt Nam cũng là nước có tiềm năng điện gió lớn nhất Đông Nam Á với tổng tiềm năng điện gió ước tính đạt 513.000 MW, cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện vào năm 2020 và lớn hơn rất nhiều so với tiềm năng của các nước trong khu vực như Lào (182.252 MW), Thái Lan (152.392 MW) và Cambodia (26. Riêng ở Việt Nam, tính đến nay, đã có rất nhiều dự án điện gió lớn tại một số tỉnh như Ninh Thuận, Bình Thuận, Cà Mau, Bạc Liêu,… và một số đảo như Phú Quốc, Trường Sa, Côn Đảo, Phú Quý,… đi vào hoạt động với công suất từ nhỏ, vừa và lớn, từ vài MW lên đến hàng chục MW. Cụ thể là Phú Quý (6 MW), Phú Lạc (24 MW), Tuy Phong (30 MW), Bạc Liêu (99.
Và còn khoảng gần 100 dự án điện gió đăng ký đầu tư tại Việt Nam với tổng công suất hơn 7. Những dự án này sẽ nâng tổng công suất lên 800 MW vào năm 2020, khoảng 2.000 MW vào năm 2025 và khoảng 6. Và với tổng công suất điện gió hiện đang hoạt động là khoảng 159.2 MW vẫn là một con số rất khiêm tốn so với tiềm năng năng lượng của nước ta [4] Vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện gió là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay. Tham khảo một số tài liệu, chúng ta thường thấy dù các nhà nghiên cứu có lựa chọn các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng mục đích chung vẫn là phải đảm bảo chất lượng và sự ổn định của nguồn điện khi cung cấp cho các phụ tải.
Bên cạnh đó, việc hòa lưới hệ thống biến đổi năng lượng gió (WECS) vào hệ thống năng lượng điện quốc gia còn gặp nhiều khó khăn do việc xử lý các tín hiệu gây nhiễu, các sóng hài bậc cao chưa được tối ưu sẽ làm ảnh hưởng 3 không nhỏ đến chất lượng điện năng hay nói cách khác là rất khó có thể đảm bảo các yêu cầu khắt khe trong hệ thống cung cấp và truyền tải điện năng. Có rất nhiều phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện gió nhưng để tìm hiểu, nghiên cứu và quyết định lựa chọn một phương pháp thích hợp và tối ưu nhất, đảm bảo cả tính kinh tế, kỹ thuật, địa lý,… vẫn luôn là một bài toán khó đối với các nhà nghiên cứu. Riêng ở Việt Nam chúng ta hiện nay, với những yếu tố thuận lợi về khí hậu, địa hình, …thì việc phát triển nền công nghiệp điện gió là điều đáng được quan tâm. Vì vậy, khi quyết định chọn bất kỳ một phương pháp điều khiển nào chúng ta cũng cần phải hiểu rõ để phát huy hết tất cả các ưu điểm và hạn chế các khuyết điểm của phương pháp.
Có như vậy chúng ta mới xây dựng được một hệ thống điều khiển và cung cấp nguồn năng lượng xanh và sạch tối ưu nhất góp phần nâng cao đời sống kinh tế của xã hội toàn cầu nói chung và ở Việt nam nói riêng.2 Một số hệ thống biến đổi năng lượng gió Hệ thống WECS cơ bản được chia làm hai phần gồm: Năng lượng cơ và năng lượng điện như hình 1. Thông qua bộ chuyển đổi năng lượng thì cơ năng sẽ được chuyển đổi thành điện năng. Sau đó, tín hiệu điện năng sẽ được kết nối lưới thông qua bộ điều khiển và biến đổi công suất [7]. Các hệ thống WECS này được gọi chung là tua – bin gió.
Mechanical Electrical power power Wind Rotor Gearbox Power Supply grid Generator power electronics Power conversion Power Power Power conversion Power & power control transmission conversion & power control transmission Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống biến đổi năng lượng gió cơ bản Mỗi hệ thống WT đều có những ưu khuyết điểm riêng khi được đưa vào vận hành hoặc trong quá trình lắp đặt, sửa chữa bảo hành. Tuy nhiên, khi WT sử dụng chức năng hoạt động của động cơ đồng bộ hoặc không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện, tất cả đều tuân theo nguyên tắc chung là phải đảm bảo công suất hoạt 4 động của WT là tối ưu cũng như các thông số kỹ thuật của hệ thống WT phải đảm bảo đủ điều kiện kết nối lưới. Đồng thời, trong quá trình vận hành của hệ thống WT phải có qui trình đóng ngắt lưới kịp thời khi xảy ra sự cố nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện.2 Cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió Mô hình WECS thường được chia làm hai loại: WT tốc độ cố định và WT tốc độ thay đổi. Đối với WT tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển.
Do đó hệ thống WT sẽ không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống WT tốc độ cố định khi điều kiện tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Bên cạnh đó, vì tốc độ quay của WT khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách là sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số sẽ điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát.
Những phương pháp này sẽ góp phần không nhỏ trong việc đảm 5 bảo công suất đầu ra của WT cũng như chất lượng điện năng của hệ thống. Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, nhưng mô hình này lại có những nhược điểm như sau: không thể điều khiển công suất tối ưu, do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột, do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực.3 mô tả một hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định sử dụng máy phát điện đồng bộ. Hệ thống được kết nối lưới thông qua bộ tụ. Transformer Grid Gear - Soft box IG starter Capacitor bank Pitch Hình 1.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định Đối với WT tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi những thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế.
Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi WT tốc độ thay đổi có thể được cải thiện hơn so với WT tốc độ cố định.4 mô tả hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi. Hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là loại IG hoặc loại SG.