Nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá và so sánh hiệu quả của hai phương án kết nối nhiều tua bin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) tại bus DC và bus AC, từ đó làm rõ ưu điểm, hạn chế và tính phù hợp của từng cấu hình trong hệ thống điện gió quy mô nhỏ. Trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là điện gió phân tán hoặc các hệ thống vi lưới, việc tối ưu cấu trúc kết nối giữa các tua bin là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất thu năng lượng, giảm tổn thất và đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

Nghiên cứu sử dụng mô phỏng trên MATLAB/Simulink với mô hình gồm 5 tua bin gió PMSG mắc song song, mỗi tua bin có công suất định mức 200W. Thiết kế này đại diện cho một hệ thống điện gió nhỏ, phù hợp cho phân tích nguyên lý nhưng vẫn đủ để phản ánh rõ sự khác biệt giữa hai phương án kết nối. Việc sử dụng PMSG là lựa chọn hợp lý vì loại máy phát này thường được ứng dụng trong điện gió nhờ hiệu suất cao, cấu trúc gọn và khả năng vận hành tốt ở tốc độ biến thiên.

Khi mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió không đổi ở mức 12 m/s, hệ thống kết nối tại bus DC cho tổng công suất đầu ra đạt 787W, cao hơn đáng kể so với cấu hình bus AC chỉ đạt 720W. Kết quả này cho thấy ngay cả trong điều kiện vận hành ổn định, bus DC đã thể hiện ưu thế rõ ràng về khả năng thu nhận và tổng hợp công suất từ nhiều tua bin. Sự chênh lệch này phản ánh tổn thất hoặc giới hạn đồng bộ công suất trong hệ bus AC, nơi các tín hiệu điện xoay chiều từ các tua bin cần tương thích tốt hơn về đặc tính điện trước khi kết hợp.

Sự khác biệt càng rõ hơn khi mô phỏng trong điều kiện tốc độ gió thay đổi – một tình huống gần với thực tế hơn, bởi gió tự nhiên hiếm khi ổn định. Trong trường hợp này, hệ bus DC đạt hiệu suất kết hợp trung bình lên đến 99,54%, trong khi bus AC chỉ đạt 97,64%. Mặc dù khoảng chênh lệch vài phần trăm có vẻ nhỏ, nhưng trong hệ thống năng lượng tái tạo, đây là mức khác biệt rất đáng kể vì ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện tích lũy, hiệu quả đầu tư và chi phí vận hành dài hạn.

Nguyên nhân cốt lõi của sự khác biệt nằm ở đặc tính của điện áp đầu ra. Với bus AC, tần số điện áp từ từng tua bin phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ quay, mà tốc độ quay lại thay đổi theo tốc độ gió. Khi các tua bin hoạt động ở các tốc độ gió khác nhau, tần số và pha điện áp đầu ra không đồng nhất, dẫn đến khó khăn trong việc kết hợp công suất tối ưu và làm giảm khả năng khai thác cực đại từ toàn hệ thống. Nói cách khác, bus AC gặp trở ngại lớn về đồng bộ hóa khi nguồn đầu vào biến thiên không đồng đều.

Ngược lại, với bus DC, điện năng từ từng tua bin được chỉnh lưu trước khi hòa vào bus chung, nhờ đó loại bỏ rào cản về khác biệt tần số giữa các nguồn phát. Điều này giúp hệ thống linh hoạt hơn, cho phép mỗi tua bin hoạt động gần điểm công suất cực đại riêng của nó mà không bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự không đồng bộ với các tua bin khác. Chính vì vậy, bus DC đặc biệt phù hợp với các hệ thống điện gió phân tán hoặc đa nguồn có điều kiện vận hành không đồng nhất.

Từ góc độ kỹ thuật và thiết kế hệ thống, nghiên cứu cho thấy kết nối bus DC không chỉ hiệu quả hơn về công suất và hiệu suất mà còn có tiềm năng tốt hơn cho các hệ thống tích hợp với lưu trữ năng lượng, pin, bộ chuyển đổi điện tử công suất hoặc vi lưới thông minh. Trong khi đó, bus AC có thể kém linh hoạt hơn nếu không có các giải pháp điều khiển đồng bộ phức tạp.

Tổng thể, nghiên cứu khẳng định rằng đối với hệ thống nhiều tua bin gió PMSG hoạt động trong điều kiện tốc độ gió biến động, cấu hình bus DC vượt trội hơn bus AC cả về công suất đầu ra lẫn hiệu suất kết hợp. Đây là cơ sở quan trọng cho thiết kế các hệ thống điện gió hiện đại, đặc biệt ở quy mô nhỏ và trung bình, nơi tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và khả năng thích ứng với điều kiện thực tế là yếu tố quyết định.