ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG
MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

SINH VIÊN : LÊ KHIÊM
MSSV

: 15058701

LỚP

: DHDI11A

GVHD

: TS. PHẠM CÔNG DUY

TP. HCM, NĂM 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
1.

Họ và tên sinh viên: Lê Khiêm, MSSV: 15058701

2.

Tên đề tài: MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU

3.

Nhiệm vụ

- Tìm hiểu hiện trạng năng lượng gió và các dự án điện gió trong nước, đặc biệt ở khu
vực Ninh Thuận và Bình Thuận.
- Xây dựng mơ hình turbine.
- Xây dựng mơ hình máy phát.
- Mơ phỏng hệ thống.
- Khảo sát kết quả.
4. Kết quả dự kiến
- Lý thuyết về máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Mơ hình mơ phỏng của máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong Matlab.
- Kết quả mơ phỏng của máy phát điện gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong Matlab.

Giảng viên hướng dẫn

Tp. HCM, ngày

tháng

Sinh viên

Trưởng bộ môn


i

năm 2019


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ii


MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ............................................ i
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................ ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................ vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................ ix
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................................1
1.1 Phân tích nhu cầu phát triển năng lượng gió tại Việt Nam .........................1
1.1.1 Tình hình năng lượng trong nước .........................................................1
1.1.2 Những thế mạnh của năng lượng gió ở Việt Nam ................................3
1.1.3 Thực trạng năng lượng gió trong nước .................................................6
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ..............................................................................9
1.3 Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng ..................................................9
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................11
2.1 Giới thiệu turbine gió ................................................................................11
2.1.1 Cấu tạo tuabin gió ...............................................................................11
2.1.2 Ngun lý hoạt động ...........................................................................12
2.2 Mơ hình tốn học của turbine và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu 13
2.2.1 Mơ hình tốn học của turbine .............................................................13

2.2.2 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) ................................17
2.3 Điều khiển biến tần ...................................................................................22
2.3.1 Giới thiệu biến tần ..............................................................................22
2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý ..........................................................................22
iii


2.3.3 Điều khiển biến tần bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung
(PWM) ....................................................................................................................24
2.4 Điều khiển PID ..........................................................................................26
2.5 Các bộ chuyển đổi .....................................................................................27
2.5.1 Bộ chuyển đổi dq0_abc ......................................................................27
2.5.2 Bộ chuyển đổi abc_dq0 ......................................................................28
2.5.3 Bộ chuyển đổi PLL (Phase Lock Loop) .............................................29
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG .............................................30
3.1 Xây dựng mơ hình điều khiển ...................................................................30
3.1.1 Mơ hình điều khiển góc nghiêng cánh quạt ........................................30
3.1.2 Mơ hình điều khiển phía máy phát. ....................................................31
3.1.3 Mơ hình điều khiển phía lưới..............................................................32
3.2 Mơ phỏng hệ thống turbine gió dùng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh
cửu ..............................................................................................................................33
3.2.1 Mô phỏng khối Turbine ......................................................................34
3.2.2 Mô phỏng máy phát PMSG ................................................................37
3.2.3 Biến tần và bộ điều khiển ...................................................................42
3.2.4 Hệ thống truyền tải và kết nối lưới điện .............................................47
3.2.5 Khối đo lường Measurements .............................................................52
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ..........................................................................55
4.1 Mơ phỏng với tốc độ gió ổn định ..............................................................55
4.1.1 Kết quả khối Scope Turbine ...............................................................55
4.1.2 Kết quả khối Scope Generator ............................................................56

4.1.3 Kết quả mô phỏng điện áp một chiều .................................................57
4.1.4 Kết quả mô phỏng của khối máy phát ................................................57
4.1.5 Kết quả mô phỏng các thành phần phía lưới ......................................60
4.2 Mơ phỏng với tốc độ gió khơng ổn định ...................................................62
iv


4.2.1 Tốc độ gió nằm trong vùng 3 – 25 m/s ...............................................62
4.2.2 Tốc độ gió trong vùng lớn hơn 25 m/s ...............................................64
4.2.3 Tốc độ gió trong vùng nhỏ hơn 3 m/s .................................................66
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................69
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................70

v


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cơ cấu cơng suất nguồn điện năm 2014 (Nguồn: Trung tâm điều độ Hệ
thống điện Quốc gia năm 2015) ......................................................................................2
Hình 1.2. Cơng suất điện gió đã lắp đặt ở Việt Nam từ 2008 – 2017 (Nguồn:
International Renewable Energy Agency (IRENA)).......................................................6
Hình 1.3. Cánh đồng gió nhà máy điện Tuy Phong (Nguồn: Internet) ...........................7
Hình 1.4. Cánh đồng gió nhà máy điện gió Bạc Liêu (Nguồn: Internet) ........................8
Hình 2.1. Cấu tạo của turbine gió (Nguồn: VNEEP) ....................................................11
Hình 2.2. Sơ đồ khối các thành phần chính trong turbine gió .......................................12
Hình 2.3. Sự phụ thuộc của Cp vào λ và β ....................................................................14
Hình 2.4. Sự phụ thuộc của cơng suất turbine vào tốc độ gió và tốc độ quay của rotor
máy phát ........................................................................................................................15
Hình 2.5. Động cơ PMSM cực lồi [4] ...........................................................................19

Hình 2.6. Động cơ PMSM cực ẩn [4]............................................................................19
Hình 2.7. Mơ hình máy phát nam châm vĩnh cửu trong hệ quy chiếu dq[10] ..............20
Hình 2.8. Sơ đồ khối của biến tần .................................................................................22
Hình 2.3. Cấu hình bộ chỉnh lưu dùng IGBT/Diode .....................................................23
Hình 2.4. Cấu hình bộ nghịch lưu IGBT/Diode ............................................................24
Hình 2.9. Nguyên lý tạo xung của bộ PWM[3].............................................................25
Hình 2.10. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID trong matlab .........................................27
Hình 2.11. Sơ đồ khối mơ phỏng khối dq0_abc Transformation trong matlab ............28
Hình 2.12. Sơ đồ khối mơ phỏng khối abc_dq0 trong matlab ......................................29
Hình 2.13. Sơ đồ mơ phỏng khối PLL trong matlab .....................................................29
Hình 3.1. Sơ đồ khối mơ hình điều khiển turbine gió ...................................................30
Hình 3.2. Sơ đồ khối mơ hình điều khiển góc nghiêng cánh quạt ................................31
Hình 3.3. Sơ đồ khối mơ hình điều khiển phía máy phát ..............................................31
vi


Hình 3.4. Sơ đồ khối mơ hình điều khiển phía máy phát ..............................................32
Hình 3.5. Hộp thoại tham số cấu hình khối powergui ...................................................34
Hình 3.6. Bên trong khối cp (lambda, beta) ..................................................................35
Hình 3.7. Mơ hình xây dựng khối turbin .......................................................................35
Hình 3.8. Khối turbine sau khi Create Mask .................................................................36
Hình 3.9. Hộp thoại thơng số turbine ............................................................................36
Hình 3.10. Bên trong khối điều khiển góc nghiêng cánh quạt ......................................37
Hình 3.11. Mơ hình mơ phỏng khối turbine hồn chỉnh ...............................................37
Hình 3.12. Hộp thoại cấu hình khối PMSG ..................................................................38
Hình 3.13. Hộp thoại tham số khối PMSG....................................................................39
Hình 3.14. Các thành phần bên trong khối PMSG ........................................................40
Hình 3.15. Mơ hình mơ phỏng phần điện trong khối PMSG ........................................41
Hình 3.16. Mơ hình mơ phỏng phần cơ trong khối PMSG ...........................................41
Hình 3.17. Khối đo các giá trị trong khối PMSG ..........................................................42

Hình 3.18. Hộp thoại thơng số khối Universal Bridge ..................................................43
Hình 3.19. Mơ hình mơ phỏng khối VSI-Ge-Reg .........................................................44
Hình 3.20. Mơ hình mơ phỏng khối Current_Reg ........................................................44
Hình 3.21. Hộp thoại tham số khối PWM .....................................................................45
Hình 3.22. Mơ hình mơ phỏng khối VSI-Gr-Reg .........................................................46
Hình 3.23. Mơ hình mơ phỏng khối thanh bus ba pha ..................................................47
Hình 3.24. Hộp thoại khối Three Phase V-I Measurements .........................................48
Hình 3.25. Hộp thoại tham số khối MBA 690/35kV ....................................................49
Hình 3.26. Hộp thoại tham số khối MBA 35kV/120kV ...............................................49
Hình 3.27. Hộp thoại tham số đường dây......................................................................50
Hình 3.28. Hộp thoại tham số nguồn ba pha .................................................................51
Hình 3.29. Hộp thoại thơng số tải ba pha ......................................................................52
vii


Hình 3.30. Mơ hình khối Measurements .......................................................................52
Hình 3.31 Mơ hình mơ phỏng turbine gió dùng PMSG nối lưới ..................................54
Hình 4.1. Kết quả mơ phỏng của khối turbine ..............................................................55
Hình 4.2. Kết quả mơ phỏng dịng điện, tốc độ, moment của máy phát .......................56
Hình 4.3. Dạng sóng điện áp một chiều ........................................................................57
Hình 4.4. Kết quả mô phỏng trong khối Generator Power Scope .................................58
Hình 4.5. Dạng sóng điện áp của máy phát ...................................................................58
Hình 4.6. Dạng sóng điện áp, dịng điện, cơng suất máy phát sau khi giảm thời gian mơ
phỏng .............................................................................................................................59
Hình 4.7. Kết quả mơ phỏng trong khối Grid Power Scope .........................................60
Hình 4.8. Dạng sóng điện áp, dịng điện, cơng suất phát vào lưới sao khi giảm thời
gian mơ phỏng ...............................................................................................................61
Hình 4.9. Kết quả phân tích Fourier dịng điện hịa lưới ...............................................61
Hình 4.10. Khối scope turbine tại vùng tốc độ gió 3 – 25 m/s ......................................62
Hình 4.11. Khối scope generator tại vùng tốc độ gió 3 – 25 m/s ..................................62

Hình 4.12. Điện áp một chiều tại vùng tốc độ gió 3 – 25 m/s .......................................63
Hình 4.13. Các thành phần điện phía lưới tại vùng tốc độ gió 3 – 25 m/s ....................63
Hình 4.14. Kết quả phân tích Fourier dịng điện hịa lưới tại vùng tốc độ gió 3 – 25 m/s
.......................................................................................................................................64
Hình 4.15. Khối scope turbine tại vùng tốc độ gió trong lớn hơn 25 m/s .....................64
Hình 4.16. Khối scope power generator tại vùng tốc độ gió lớn hơn 25 m/s................65
Hình 4.17. Các thành phần điện phía lưới tại vùng tốc độ gió lớn hơn 25 m/s .............65
Hình 4.18. Kết quả khối scope turbine tại vùng tốc độ gió nhỏ hơn 3 m/s ...................66
Hình 4.19. Khối scope power generator tại vùng tốc độ gió nhỏ hơn 3 m/s .................66
Hình 4.20. Các thành phần điện phía lưới tại vùng tốc độ gió nhỏ hơn 3 m/s ..............67

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m (Nguồn: Thơng tin về năng lượng
gió Việt Nam – Dự án năng lượng gió GIZ, 2011) .........................................................3
Bảng 4.1 Các giá trị đo của khối turbine scope tại điểm thời gian xác định .................56
Bảng 4.2. Các giá trị đo dòng điện, tốc độ và moment máy phát tại thời điểm xác định
.......................................................................................................................................57
Bảng 4.3. Các giá trị mơ phỏng của biên độ dịng điện, cơng suất thực, công suất phản
kháng của máy phát .......................................................................................................58
Bảng 4.4. Các giá trị thành phần phía lưới tại điểm thời gian xác định ........................60

ix


Khóa luận tốt nghiệp


SV: Lê Khiêm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Phân tích nhu cầu phát triển năng lượng gió tại Việt Nam
1.1.1 Tình hình năng lượng trong nước
Sự phát triển của nền cơng nghiệp hóa tồn cầu kéo nhu cầu sử dụng năng
lượng để phục vụ cho nền công nghiệp này ngày càng tăng cao.Việt Nam là một trong
những nước cơng nghiệp đang phát triển có mức độ gia tăng nhu cầu sử dụng điện khá
cao, đòi hỏi ngành công nghiệp năng lượng phải là bước tiến đi đầu trong tất cả các
ngành để tạo tiền đề cho sự phát triển của các ngành công nghiệp khác.
Theo Quy hoạch điện VII (điều chỉnh), năm 2020 nhu cầu điện năng của Việt
Nam đạt 265 tỷ kWh và đến năm 2030 đạt trên 572 tỷ kWh. Tổng công suất lắp đặt
năm 2020 là 60.000 MW và sẽ tăng lên 129.500 MW vào năm 2030, trong đó nhiệt
điện than sẽ chiếm tỷ trọng ngày càng cao cho đến năm 2030. Cụ thể, nếu như trong
năm 2015-2016 nhiệt điện than chỉ mới chiếm 34% thì đến năm 2020 lên đến 49,3%,
năm 2025 lên 55% và đến năm 2030 sẽ ở mức 53,2%.
Đối với điện từ năng lượng tái tạo, tỉ trọng cụ thể năm 2020 khoảng 6,4%, năm
2025 khoảng 6,9% và đến năm 2030 là 10,7%.

1


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Hình 1.1. Cơ cấu cơng suất nguồn điện năm 2014 (Nguồn: Trung tâm điều độ Hệ thống điện
Quốc gia năm 2015)

Phần lớn nguồn năng lượng ở nước ta được khai thác từ thủy điện và nhiệt điện,

tuy nhiên theo các hội thảo khoa học gần đây cho thấy tiềm năng thủy điện trong vòng
vài năm tới sẽ khơng cịn nữa; nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng hóa thạch do trữ
lượng đang dần cạn kiệt và phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu. Bên cạnh đó, bài tốn
về mơi trường đang là vấn đề tồn cầu cần được chú trọng giải quyết trong tất cả các
ngành, là mối quan tâm hàng đầu của nhân lọai.
Mặt khác trong tình hình hiện nay và xu hướng tương lai có nhiều biến động
cạnh tranh giữa các quốc gia về các nguồn năng lượng, đặc biệt là nguồn nhiên liệu
hóa thạch. Trong khi các nguồn năng lượng này dần cạn kiệt và sự thống trị của một số
quốc gia về nhiên liệu sẽ đẩy giá lên cao làm cho chi phí sản xuất điện năng và vận
hành của các nhà máy điện truyền thống tăng lên. Trong khi đó chi phí xây dựng và
sản xuất điện năng lượng tái tạo đặc biệt là điện gió có xu hướng ngày càng giảm, do
đó việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng gió là cần thiết và phù hợp với xu hướng
phát triển của tương lai.
2


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

1.1.2 Những thế mạnh của năng lượng gió ở Việt Nam
1.1.2.1 Tiềm năng
Theo báo cáo của Công ty cổ phần Tư vấn xây dựng điện 3 (PECC3), tiềm năng
năng lượng gió tại độ cao 80m của Việt Nam có vận tốc trung bình năm lớn hơn 6 m/s
là khoảng 10.637 MW, với diện tích khoảng 2.659 km2, tương đương khoảng 0,8%
diện tích cả nước. PECC3 cho rằng khu vực này mới khả thi về tài chính. Cịn theo
GreenID tiềm năng kỹ thuật của năng lượng gió ở Việt Nam là khoảng 27.750 MW
Bộ Cơng Thương (MoIT) với sự hỗ trợ của Ngân hàng Thế giới, đã tiến hành
mơ hình đo gió tại ba điểm lựa chọn, góp phần vào việc xác định lại tiềm năng gió ở
Việt Nam (2007). Các kết quả của nghiên cứu này cùng với số liệu khác đã được

MoIT sử dụng để cập nhật bản đồ gió cho Việt Nam. Kết quả đánh giá tiềm năng gió ở
độ cao 80m được thể hiện như trong bảng dưới.
Bảng 1.1. Tiềm năng năng lượng gió tại độ cao 80m (Nguồn: Thơng tin về năng lượng gió Việt Nam – Dự
án năng lượng gió GIZ, 2011)

Tốc độ gió < 4 m/s
trung bình

4-5 m/s

5-6 m/s

6-7 m/s

7-8 m/s

8-9 m/s

> 9 m/s

Diện tích 95.916
(km2)

70.868

40.473

2.435

220


20

1

Diện
(%)

33.8

19.3

1.2

0.1

0.01

0

708.678

404.732

24.351

2.202

200


10

tích 45.7

Tiềm năng 956.161
(MW)

Nói chung, tiềm năng năng lượng gió Việt Nam qua số liệu đánh giá cịn chênh
lệch nhau do quy mơ và mức độ nghiên cứu có khác nhau. Tuy nhiên, Việt Nam được
đánh giá là có tiềm năng lớn về nguồn năng lượng này.
1.1.2.2 Ưu điểm so với các nguồn năng lượng khác
Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện nhất với mơi trường và ít gây ảnh
hưởng xấu về mặt xã hội. Để xây dựng một nhà máy thủy điện lớn cần phải nghiên
cứu kỹ lưỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nước. Ngồi ra, việc di dân cũng như
việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai những người dân
xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài tốn khó đối với các nhà hoạch
3


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

định chính sách. Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các đập nước tại Việt Nam
cũng khơng cịn nhiều.
Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thì ln là những thủ phạm gây ô
nhiễm nặng nề, ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe người dân. Hơn thế nguồn
nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao.
Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng gió giúp tiết
kiệm chi phí truyền tải. Hơn nữa, việc phát triển năng lượng gió cần một lực lượng lao

động là các kỹ sư kỹ thuật vận hành và giám sát lớn hơn các loại hình khác, vì vậy
giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ năng cao.
Cuối cùng, năng lượng gió giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng, là một điều
kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hay một số ít nguồn năng lượng chủ yếu;
và chính điều này giúp phân tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng.
1.1.2.3 Những lợi thế của việc phát triển năng lượng gió ở Việt Nam
1.1.2.3.1 Sự phát triển khoa học công nghệ
Với sự phát triển nhanh về khoa học công nghệ, chi phí phát điện từ các nguồn
năng lượng tái tạo hiện đang giảm nhanh và ngày càng cạnh tranh hơn. Theo đánh giá
của IRENA, chi phí phát điện từ năng lượng mặt trời có thể giảm 59% và năng lượng
gió có thể giảm 26% trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến năm 2025. Cụ thể chi
phí phát điện trung bình đối với điện gió trên bờ có thể giảm 26% và lên đến 35% với
điện gió ngồi khơi.
1.1.2.3.2 Được Chính phủ hỗ trợ
Chính phủ tỏ ra rất quan tâm đến phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện
gió do nhu cầu điện tăng cao, đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng cũng như các vấn
đề về mơi trường.
Chính phủ cũng cho thấy cam kết phát triển năng lượng tái tạo thông qua việc
ban hành một số chính sách ưu đãi về sử dụng đất, hỗ trợ thuế và ban hành biểu giá chi
phí tránh được.
Đặc biệt có sự tăng giá mua điện trong Quyết định số 39/2018/QĐ-TTg ngày
10/9/2018 sửa đổi, bổ sung một số điều của Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg ngày
29/6/2011 về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam:
“ Đối với các dự án điện gió trong đất liền, giá mua điện tại điểm giao nhận
điện là 1.928 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng, tương đương 8,5
4


Khóa luận tốt nghiệp


SV: Lê Khiêm

Uscents/kWh, tỷ giá quy đổi giữa đồng Việt Nam và đồng Đô la Mỹ được tính theo tỷ
giá trung tâm do Ngân hàng Nhà nước Việt Nam công bố ngày 30/8/2018 là 22.683
đồng/USD). Giá mua điện được điều chỉnh theo biến động của tỷ giá đồng/USD”.
“ Đối với các dự án điện gió trên biển, giá mua điện tại điểm giao nhận điện là
2.223 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng, tương đương 9,8 Uscents/kWh,
tỷ giá quy đổi giữa đồng Việt Nam và đồng Đơ la Mỹ được tính theo tỷ giá trung tâm
do Ngân hàng Nhà nước Việt Nam công bố ngày 30/8/2018 là 22.683 đồng/USD). Giá
mua điện được điều chỉnh theo biến động của tỷ giá đồng/USD.”
Điều này cho thấy sự quan tâm khơng hề nhỏ của chính phủ và nhà nước đến
vấn đề năng lượng gió ở nước ta hiện nay. Bổ sung này khơng những góp phần thúc
đẩy sự tiến triển của các dự án năng lượng gió tại Việt Nam mà còn thu hút mối quan
tâm của các nhà đầu tư tên thế giới về năng lượng gió, đẩy mạnh sự phát triển của
ngành công nghiệp điện này lên một tầm mới xứng với tiềm năng hơn .
1.1.2.3.3 Thị trường đang được hình thành
Hơn 30 dự án với công suất hơn 3.000MW đang trong giai đoạn chuẩn bị, một
số đã nhận được giấy phép đầu tư.
Một số nhà phát triển điện gió và các nhà cung cấp tua-bin có tên tuổi trên thế
giới đã có mặt ở Việt Nam như GE, Gamesa, Nordex, Fuhrlaender, Vestas, IMPSA….
GE đã có nhà máy sản xuất tua-bin với tổng vốn đầu tư là 61 triệu USD ở Hải Phòng.
Fuhrlaender, nhà cung cấp tua-bin cho trang trại gió đầu tiên ở Việt Nam cũng cam kết
mở nhà máy sản xuất cánh tua-bin và lắp ráp tua-bin ở Bình Thuận.
Các tổ chức tài chính quốc tế cũng quan tâm đến lĩnh vực năng lượng tái tạo ở
Việt Nam thơng qua các chương trình nâng cao năng lực và tạo dựng thị trường.

5


Khóa luận tốt nghiệp


SV: Lê Khiêm

1.1.3 Thực trạng năng lượng gió trong nước

Hình 1.2. Cơng suất điện gió đã lắp đặt ở Việt Nam từ 2008 – 2017 (Nguồn: International
Renewable Energy Agency ( IRENA))

Ngành điện gió trong những năm gần đây có sự phát triển mạnh mẽ với cơng
suất lắp đặt tăng vượt bậc trong 3 năm gần nhất tính từ 2017 và có xu hướng phát triển
mạnh mẽ hơn nữa trong các năm tiếp theo.
1.1.3.1 Nhà máy điện gió đang hoạt động
Hiện nay nước ta có 2 nhà máy phong điện lớn đi vào hoạt động:
Nhà máy điện gió Tuy Phong đặt tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh
Bình Thuận do Cơng ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư được
triển khai đầu tiên và đi vào hoạt động từ ngày 18/4/2012. Theo kế hoạch, giai đoạn 2
của dự án xây dựng và lắp đặt 60 trụ điện gió (hay tua bin), sẽ nâng tổng cơng suất của
tồn bộ Nhà máy Phong điện Tuy Phong lên 120 MW.

6


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Hình 1.3. Cánh đồng gió nhà máy điện Tuy Phong (Nguồn: Internet)

Nhà máy điện gió Bạc Liêu được đặt dọc theo đê Biển Đông, kéo dài từ phường
Nhà Mát đến ranh giới tỉnh Sóc Trăng và chiểm tổng diện tích gần 500 ha. Nhà máy sẽ

có tổng cơng suất là 99,2 MW, dự kiến mỗi năm phát lên lưới điện quốc gia khoảng
320 triệu kWh.

7


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Hình 1.4. Cánh đồng gió nhà máy điện gió Bạc Liêu (Nguồn: Internet)

1.1.3.2 Các dự án điện gió đã và đang triển khai
Dự án Điện gió Hiệp Thạnh: Cơng suất thiết kế 78MW
-

Chủ đầu tư: Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Ecotech Việt Nam; Công ty
Janakuasa Pte LTD (Singapore).

-

Địa điểm xây dựng: Xã Hiệp Thạnh, thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh.

-

Dự kiến hồn thành: Năm 2020.

Dự án điện gió Kê Gà (Bình Thuận): với sự hợp tác của Công ty Enterprize
Energy (UK) & Công ty RE Solutions (Singarpore) với Liên danh đối tác tổng thầu
EPCI gồm Liên doanh Việt-Nga (Vietsovpetro) & Công ty Cổ phần kết cấu Kim loại

& Lắp máy Dầu Khí (PVC-MS). Tổng cơng suất dự kiến từ 500 - 600 MW, turbine ở
mực nước sâu khoảng 30m, cách bờ từ 30-40km.
Với 12 dự án điện gió được phê duyệt, trong đó 4 dự án đã triển khai, Ninh
Thuận đang trở thành một trong những địa phương đi đầu về phát triển điện gió:
Dự án điện gió Đầm Nại (do doanh nghiệp FDI, nguồn vốn Singapore làm chủ
đầu tư) có quy mô thực hiện trên 9,6 ha, tại địa bàn các huyện Ninh Hải và Thuận Bắc,
công suất 40MW, tổng vốn đầu tư 1.523 tỷ đồng.

8


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Nhà máy điện gió Mũi Dinh do Cơng ty TNHH Điện gió Mũi Dinh (doanh
nghiệp Đức) làm chủ đầu tư, tại huyện Thuận Nam, quy mô công suất 37,6 MW, tổng
vốn đầu tư 1.472 tỷ đồng, dự kiến hồn thành tháng 8/2018.
Nhà máy điện gió Trung Nam do Cơng ty Cổ phần Điện gió Trung Nam làm
chủ đầu tư tại huyện Thuận Bắc, quy mô công suất 105,75MW, tổng vốn đầu tư 3.965
tỷ đồng, dự kiến hoàn thành giai đoạn 1 (39,95 MW) đầu tiên vào q IV/2018.
Nhà máy điện gió Cơng Hải 1 do Tổng công ty Phát điện 2 làm chủ đầu tư tại
huyện Thuận Bắc, quy mô công suất 40,5 MW, tổng vốn đầu tư 1.190 tỷ đồng và dự
kiến hoàn thành 3 MW đầu tiên (giai đoạn 1) vào tháng 4/2018.
Cùng với một số dự án điện gió khác đang trong thời gian phê duyệt và chờ
triển khai.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Với thực trạng hiện nay, sự phát triển của năng lượng gió trong tương lai là điều
tất yếu song việc nghiên cứu các vấn đề lý thuyết và triển khai ứng dụng cơng nghệ
năng lượng gió tại Việt Nam là hết sức cần thiết để đáp ứng cho sự phát triển đó.

Trong bối cảnh hiện tại, việc triển khai cơng nghệ về năng lượng gió ở Việt Nam cịn
gặp nhiều khó khăn, điều kiện cơ sở vật chất cho việc nghiên cứu thực tiễn còn nhiều
hạn chế. Vậy nên em chọn đề tài: “Mơ phỏng và mơ hình máy phát điện gió đồng
bộ nam châm vĩnh cửu” với mong muốn góp một ít phần cơng sức vào sự phát triển
chung của khoa học kỹ thuật, giải quyết phần nào bài tốn khó khăn của sinh viên khi
tiếp cận vấn đề năng lượng gió nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung. Đồng thời
tạo tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển các đề tài khác về năng lượng gió trong
thời gian sau này.
1.3 Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng
MATLAB là một phần mềm hỗ trợ tính tốn và mơ phỏng các bài tốn kỹ thuật
được viết bằng ngôn ngữ C do hãng Math Wokrs Inc sản xuất. Với giao diện thân
thiện với người dùng, các hàm số và thư viện đa dạng, đây sẽ là một cơng cụ hồn hảo
để hỗ trợ cho sinh viên rút ngắn thời gian tính tốn và dễ dàng nghiên cứu các lĩnh vực
kỹ thuật chuyên sâu.
Tên của phần mềm MATLAB là chữ viết tắt của “Matrix Laboratory” có nghĩa
là phương pháp ma trận. MATLAB hoạt động dựa trên cấu trúc dữ liệu đơn hay được
gọi là ma trận, mỗi phần tử cơ bản của MATLAB đều là ma trận.
9


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Các ứng dụng điển hình của MATLAB:
- Tốn học và tính tốn.
- Phát triển thuật tốn.
- Tạo mơ hình, mơ phỏng và giao thức.
- Khảo sát phân tích số liệu.
- Đồ họa khoa học kỹ thuật.

- Phát triển ứng dụng, gồm cả giao diện người dùng đồ họa GUI.
- Thiết kế các hệ thống điều khiển trong thời gian thực.
Matlab cung cấp các phương pháp theo hướng chuyên dụng hóa, cho phép sử
dụng và áp dụng các kỹ thuật chuyên dụng cho một lĩnh vực nào đó. Trong đó có thư
viện Simulink và Simpowersystem, cho phép người dùng mô phỏng một cách trực
quan các hệ thống, các quá trình xác lập, quá trình quá độ trong lĩnh vực kỹ thuật điện
với các thành phần phong phú như các linh kiện bán dẫn, các mơ hình đường dây, mơ
hình máy điện, mơ hình pin mặt trời, turbine gió, …
Trong mơ hình Simulink sử dụng các phần tử của thư viện Simpowersystems
bắt buộc phải sử dụng khối powergui để thiết lập các thuộc tính của bài tốn. Khối
powergui có rất nhiều chức năng mà ta chỉ đề cập 4 chức năng:
- Thiết lập tham số cấu hình (Configure Parameters): Gồm 3 phần là Solver,
Load Flow và Preferences. Trong đó chức năng Solver cho phép lựa chọn kiểu mô
phỏng liên tục (Continuous), rời rạc (discrete) và pha (phasor).
- Phân tích trạng thái xác lập mạch (Steady-State Voltages and Currents):
Khảo sát trạng thái xác lập của mạch điện.
- Khảo sát đáp ứng tổng trở theo tần số (Impedance vs Frequency
Measurement): Khảo sát đáp ứng của biên độ tổng trở và góc pha tổng trở theo tần
số.
- Phân tích Fourier (FFT Analysis): Thực hiện phân tích chuổi Fourier của
một tính hiệu.

10


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu turbine gió
2.1.1 Cấu tạo tuabin gió

Hình 2.1. Cấu tạo của turbine gió (Nguồn: VNEEP)

1. - Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các
cánh quạt chuyển động và quay.
2. - Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
3. - Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay trong gió khơng q cao hay quá thấp để tạo ra điện.
4. - Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
5. - Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
6. - Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc
độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/
11


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ
bánh răng này rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
7. - Generator: Máy phát. Phát ra điện.
8. - Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió
khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ
khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể
phát nóng.
9. - Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu

khiển.
10. - Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng
tuabin gió.
11. - Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và
bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller,
and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ
phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
12. - High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
13. - Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có
sự thay đổi hướng gió.
14. - Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.
15. - Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng
thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được
năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.2. Sơ đồ khối các thành phần chính trong turbine gió

12


Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Trong sơ đồ khối này trình bày những thành phần chính của turnine gió gồm:
- Turbine.
- Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
- Bộ chỉnh lưu phía máy phát.
- Bộ nghịch lưu phía lưới.

- Bộ lọc sóng hài.
- Máy biến áp.
- Phần điều khiển.
Nguyên lý:
Khi gió thổi vào cánh quạt, turbin gió biến động năng thành cơ năng, cơ năng sẽ
biến đổi thành điện năng do turbin được nối vào máy phát điện. Điện áp ngõ ra của
máy phát qua bộ chỉnh lưu biến thành điện áp một chiều, sau đó qua bộ nghịch lưu áp
để được điện áp và tần số ổn định. Sau đó cơng suất phát ra được lọc và nối với trạm
biến áp để hòa lên lưới điện.
- Phần điều khiển góc nghiêng điều khiển góc quay của cánh quạt để điều chỉnh
công suất luôn trong giá trị định mức khi tốc độ gió quá cao.
- Phần điều khiển phía máy phát để điều chỉnh cơng suất đầu ra tối ưu với mỗi
tốc độ gió.
- Phần điều khiển phía máy phát để điều khiển điện áp và công suất ổn định để
hịa lưới.
2.2 Mơ hình tốn học của turbine và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
2.2.1 Mô hình tốn học của turbine
2.2.1.1 Đặc tính của turbine
Gió thổi qua cánh làm cánh quạt quay và tạo ra ở turbine một công suất cơ học,
công suất turbin (Pm) được tính như sau:
𝑃𝑚 =0.5ρA𝑉𝑤3 𝐶𝑃 (λ, β)
Trong đó:
ρ: Mật độ khơng khí, giá trị trung bình là 1.2 (kg/m3)
A: Diện tích qt của cánh quạt có bán kính R (m2)
𝑉𝑤 : Tốc độ gió (m/s)
𝐶𝑃 : hệ số cơng suất của turbine
13

(1)



Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Với tốc độ gió nhất định thì cơng suất cơ phụ thuộc vào hệ số công suất 𝐶𝑃 . Hệ
số này phụ thuộc vào tỉ lệ tốc độ đầu λ và góc nghiêng của cánh quạt gió β. Được xác
định như sau:
𝐶𝑃 = c1(

𝑐2
𝑧

−𝑐3β - c4)𝑒

−𝑐5
𝑧

+c6 λ

(2)

Trong đó:
1
𝑧

=

1
λ+0.08 β


–

0.035

(3)

1+ β3

Với λ là tỷ lệ tốc độ đầu được tính:
λ=R

𝜔𝑟

(4)

V𝑤

𝜔𝑟 : Tốc độ quay của rotor (rad/s)
β: Góc nghiêng của cánh quạt turbin (0)
Các hệ số lần lượt là: c1= 0.5176; c2= 116; c3= 0.4; c4= 5; c5= 21; c6=
0.0068
Cp phụ thuộc vào λ và với mỗi giá trị β như hình sau: Giá trị Cp lớn nhất là
0.48 khi góc β=0 và λm=8.1.

Hình 2.3. Sự phụ thuộc của Cp vào λ và β

Từ công thức (2), (3), (4) cho thấy công suất cơ của turbine ứng với mỗi tốc độ
gió chỉ phụ thuộc vào tốc độ rotor nếu góc nghiêng của cánh quạt là tối ưu.
14



Khóa luận tốt nghiệp

SV: Lê Khiêm

Đường đặc tính cơng suất turbine theo tốc độ của rotor ở mỗi tốc độ gió:

Hình 2.4. Sự phụ thuộc của cơng suất turbine vào tốc độ gió và tốc độ quay của rotor máy
phát

Cơng suất của turbine phụ thuộc vào tốc độ của rotor, ở mỗi tốc độ gió cụ thể có
một điểm cơng suất là tối đa tại một tốc độ của rotor nhất định. Đây là điểm làm việc
mong muốn của turbine để cơng suất ra là tối ưu hay cịn gọi là theo dõi điểm công
suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT).
2.2.1.2 Phương pháp tìm điểm cơng suất cực đại
Có các phương pháp khác nhau để tìm cơng suất cực đại:
- Kiểm soát tỉ lệ tốc độ đầu tối ưu, điều khiển tốc độ quay rotor máy phát
sao cho đạt được giá trị 𝜆𝑚 với tốc độ gió hiện tại.
- Tìm giá trị 𝑃𝑚𝑚𝑎𝑥 ứng với tốc độ gió hiện tại, điều khiển tốc độ quay
rotor máy phát sao cho cơng suất turnine đạt giá trị đó.
- Kiểm sốt tốc độ quay tối ưu của máy phát, điều khiển tốc độ máy phát
sao cho đạt giá trị tốc độ quay tối ưu được xác định từ công suất máy phát.
Trong đề tài này sử dụng phương pháp thứ 3:
Từ các công thức từ (1) - (4) cho thấy với một tốc độ gió cụ thể, tỷ lệ tốc độ đầu
(λ) chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor. Do đó, Cp phụ thuộc vào sự thay đổi của
tốc độ rotor, nếu góc β là tối ưu. Giá trị Pm là cực đại chỉ khi dPm/dωr bằng 0.

15