Đặt vấn đề Vào những năm đầu của thế kỷ thứ 21, thế giới đang đứng trƣớc nhiều vấn đề cần phải đối mặt. Trong đó, các vấn đề của năng lƣợng đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, cũng nhƣ Chính Phủ, đặc biệt là hiện tƣợng ấm dần lên toàn cầu do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự khủng hoảng về năng lƣợng. Theo dự báo của Tổ chức năng lƣợng thế giới (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24 năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lƣợng trên toàn thế giới có thể tăng thêm 54%. Các cuộc chiến để tranh giành các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là dầu mỏ, khí tự nhiên và nguồn nƣớc đang có xu thế ngày càng gia tăng trên thế giới nhƣ những cuộc tranh chấp gần đây.
Nhu cầu về năng lƣợng của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua. Bên cạnh đó, nguồn năng lƣợng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lƣợng và nhu cầu đòi hỏi về năng lƣợng của từng khu vực trên thế giới cũng không giống nhau. Cũng không ngoại lệ, Việt Nam đang đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng nghiêm trọng. Qua nhiều hội thảo, hội nghị về năng lƣợng, qua trao đổi với nhiều nhà khoa học, cho thấy còn vài thập niên nữa, năng lƣợng hóa thạch nhƣ than đá, dầu mỏ, khí đốt sẽ bị cạn kiệt, loài ngƣời sẽ lâm vào tình trạng khủng hoảng năng lƣợng trầm trọng.
Nƣớc ta không thể tránh khỏi nguy cơ do thiếu hụt năng lƣợng sắp đến gần. Thực tế, lũ lụt vừa qua bộc lộ nhiều bất cập về thủy điện. Năng lƣợng thủy điện ta đã khai thác tối đa. Nhiều trạm thủy điện lớn, nhỏ chiếm lòng hồ rộng lớn hàng chục vạn ha, phá hủy rừng, cây cối, gây ô nhiễm môi trƣờng sinh thái, đặc biệt 1 Luan van không ngăn đƣợc lũ lụt, mà còn xả nƣớc cùng với lũ lụt gây bao nhiêu thảm họa sinh mạng, hủy hoại nhà cửa, ruộng vƣờn, hoa màu, cây cối,.
tổn thất hàng ngàn tỷ đồng/năm. Các nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣ than đá, dầu mỏ, khí đốt đang dần cạn kiệt, giá thành tăng cao, nguồn cung lại không ổn định. Trong khi năng lƣợng hạt nhân còn quá mới đối với nƣớc ta. Bất lợi là chúng ta phải dùng ngoại tệ nhập khẩu toàn bộ 100% về thiết bị, kỹ thuật, nhiên liệu uranium, thuê chuyên gia, ở trong nƣớc chƣa chế tạo đƣợc nhiên liệu hạt nhân, mua nhiên liệu rất đắt, không chủ động đƣợc, lại thêm dễ gây sự cố, ô nhiễm môi trƣờng sinh thái, mất an toàn từ khâu khai thác, chế biến đến cất dấu chất thải hạt nhân.
Từ các vấn đề nêu trên, trong tƣơng lai chúng ta sẽ không thể bảo đảm an ninh năng lƣợng và có nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng trầm trọng nếu cứ duy trì sản xuất điện nhƣ hiện nay, cũng nhƣ không thể đạt đƣợc mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc đến năm 2020. Có thể nhận thấy rằng, khi năng lƣợng điện không đáp ứng đƣợc nhu cầu thì công, nông, ngƣ nghiệp, chế 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 lƣợng, những nguồn năng lƣợng tái tạo đã và đang đƣợc quan tâm nhiều hơn nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng thủy triều,… tất cả những loại năng lƣợng này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trƣờng,… Trong số các nguồn năng lƣợng nêu trên, năng lƣợng gió đƣợc coi là một nguồn năng lƣợng sạch và vô tận mà không gây hại cho môi trƣờng đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lƣợng tƣơi sáng trong tƣơng lai. Hệ thống điện sử dụng năng lƣợng gió có nhiều ƣu điểm nhƣ không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trƣờng, ít phải bảo dƣỡng, không gây tiếng ồn,…với ƣu điểm là một nƣớc có tiềm năng về năng lƣợng gió với hơn 3.200 km bờ 2 Luan van biển.
Do đó, việc sử dụng năng lƣợng gió tại Việt Nam đã, đang và sẽ đƣợc khuyến khích áp dụng trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất [1]. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu để khai thác và sử dụng năng lƣợng gió có hiệu quả luôn đƣợc đặt ra và là vấn đề đƣợc nhiều quốc gia quan tâm khi muốn khai thác sử dụng. Góp phần trong vấn đề nêu trên thì việc nghiên cứu sao cho tối ƣu hóa công suất khi sử dụng hệ thống điện gió là rất cần thiết. Đây cũng là lý do chính khi chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tối ƣu hệ thống điện năng lƣợng gió”.
Tính cấp thiết của đề tài Thế kỷ 20 đã trải qua với nhiều tiến bộ vƣợt bậc của loài ngƣời. Trong đó, con ngƣời 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 ngƣời. Bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó, con ngƣời phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới nhƣ môi trƣờng bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt và hàng loạt những vấn đề khác. Trong thế kỷ 21, con ngƣời phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu chẳng hạn nhƣ năng lƣợng, môi trƣờng sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,… Trong đó, vấn đề năng lƣợng vẫn là vấn đề đƣợc xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ này.
Năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hƣởng để duy trì nguồn cung cấp năng lƣợng là những hiểm họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột. Năng lƣợng hóa thạch không đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển kinh tế và sinh hoạt ngày càng lớn làm cho kinh tế chậm phát triển dẫn đến những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế, bất ổn chính trị xảy ra nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều năng lƣợng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trƣờng nảy sinh. Biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trƣờng bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lƣờng và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng nhiều, mùa màng thất thu ảnh hƣởng đến an ninh lƣơng thực.
Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát. 3 Luan van Các số liệu trong “Chiến lƣợc phát triển công nghệ điện lực của Tập đoàn điện lực Việt Nam đến năm 2015 định hƣớng đến năm 2025” cho thấy vào năm 2050, dân số thế giới sẽ tăng 50% với 9 tỷ ngƣời. Với mức độ tăng dân số hiện nay, trong vòng 20 năm tới sẽ có khoảng 36.000 chiếc máy bay, gần 2 tỷ xe hơi đƣợc sử dụng – gấp đôi con số hiện tại. Nhƣ vậy, theo nhận định của IEA trong vòng 20 năm tới, nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ sẽ tăng khoảng 35% và nhu cầu năng lƣợng về tổng thể sẽ tăng tới 65% (tính cả dầu, khí, than đá, năng lƣợng hạt nhân, năng lƣợng tái tạo,…) [2]-[3].
IEA cũng đánh giá dầu mỏ tiếp tục sẽ là nguồn cung cấp năng lƣợng chính trong thế kỷ này với khoảng 1/3 tổng năng lƣợng cần thiết cho thế giới. Tuy nhiên, theo ƣớc tính của các nhà địa chất học thì lƣợng dầu mỏ chỉ đủ cung cấp cho thế giới trong 60 năm tới. Lƣợng khí thiên nhiên chỉ đủ cho 70 đến 90 năm tới. Với sự tăng vọt về nhu cầu dầu mỏ, nhất là tại các nƣớc đang phát triển và đông dân cƣ nhƣ 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 nƣớc đang sở hữu hơn 70% nguồn tài nguyên dầu mỏ và 66% lƣợng khí thiên nhiên, đều tập trung ở những khu vực nhiều bất ổn nhất thế giới nhƣ 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 lƣợng cho nhân loại và duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là tìm ra những nguồn năng lƣợng tái sinh thay thế cho năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Hàng loạt các nguồn năng lƣợng hứa hẹn nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng sóng biển, năng lƣợng địa nhiệt,…và những nguồn năng lƣợng khác đang đƣợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Bằng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và xu hƣớng tất yếu của thế giới các năng lƣợng tái sinh đã, đang và sẽ tiếp tục đƣợc nghiên cứu, sử dụng ngày càng nhiều [1].
Nhƣ vậy, sự cấp thiết tiến hành nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lƣợng sạch không còn là nhiệm vụ, chiến lƣợc của riêng một quốc gia nào, mà cần phải đƣợc quan tâm đúng mức trên toàn cầu. Trong số những nguồn năng lƣợng đó 4 Luan van năng lƣợng gió có tiềm năng sử dụng rất lớn và luôn đƣợc đánh giá cao. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển tối ƣu công suất phát của hệ thống điện năng lƣợng gió. Đây chính là vấn đề cần thiết đƣợc đặt ra và cũng là vấn đề chính sẽ đƣợc quan tâm và giải quyết trong luận văn này.
Mục tiêu của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển tối ƣu công suất phát của hệ thống điện năng lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện năng lƣợng 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 ƣu công suất phát của hệ thống điện năng lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
- Mô phỏng giải thuật điều khiển tối ƣu công suất phát của hệ thống điện năng lƣợng gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Hiện nay, thế giới đang hƣớng tới việc sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo thay thế cho việc sử dụng năng lƣợng truyền thống đang cạn kiệt. Lý do chủ yếu sử dụng năng lƣợng tái tạo là để bảo vệ hành tinh xanh, nơi mà con ngƣời và tất cả các sinh vật khác đang tồn tại.