Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Cực đại công suất trong hệ thống điện gió

Ng y nay công nghệ điện gió phát triển mạnh v có sự cạnh tranh lớn với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng

Sự ìn àn i

Năng lƣợng gió l động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất l một dạng gián tiếp của năng lƣợng Mặt Trời Gió đƣợc hình th nh do sự chuyển động của không khí từ nơi khí áp cao về nơi khí áp thấp Xuất hiện điều n y l do bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất không đồng đều l m cho bầu khí quyển nước v không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất bị che khuất v không nhận đƣợc bức xạ của Mặt Trời th m v o đó l bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn l ở các cực do đó có sự khác nhau về nhiệt độ v vì thế l khác nhau về áp suất Trái Đất xoay tròn c ng góp phần v o việc l m xoáy không khí v vì trục quay của Trái Đất nghi ng đi (so với mặt ph ng do quỹ đạo Trái Đất tạo th nh khi quay quanh Mặt Trời) n n c ng tạo th nh các dòng không khí theo mùa

Hình 2 1 - Cách gió được hình thành

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 16

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo th nh từ sự quay quanh trục của Trái Đất n n không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động th ng m tạo th nh các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu v Nam bán cầu Nếu nhìn từ v trụ thì tr n Bắc bán cầu không khí di chuyển v o một vùng áp thấp ngƣợc với chiều kim đồng hồ v ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Tr n Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại Ngo i các yếu tố có tính to n cầu tr n gió c ng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước v đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ng y đất nóng l n nhanh hơn nước tạo n n khác biệt về áp suất v vì thế có gió thổi từ biển hay hồ v o đất liền V o ban đ m đất liền nguội đi nhanh hơn nước v hiệu ứng n y xảy ra theo chiều ngược lại [1].

Sử dụn năn lượn i để ạo a đi n

Lợi ích của năn lượng gió

Chi phí sản xuất thấp không tổn hao năng lƣợng trong quá trình vận h nh v sản xuất vì vậy năng lƣợng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lƣợng khác nhƣ than đá khí đốt… Chi phí để xây dựng một trạm phong điện gồm:

 Chi phí cho máy phát điện v các cánh đón gió chiếm phần chủ yếu Có nhiều hãng sản xuất các thiết bị n y nhƣng với giá bán và chất lƣợng kỹ thuật rất khác nhau

 Chi phí cho bộ ổn áp và hòa mạng, tự động đƣa dòng điện về điện áp và tần suất với mạng điện quốc gia

 Chi phí cho ắc-quy, bộ nạp và thiết bị đổi điện từ ắc-quy trở lại điện xoay chiều Các bộ phận này chỉ cần cho các trạm hoạt động độc lập

 Chi phí cho phần tháp hoặc trụ đỡ tùy thuộc chiều cao trụ, trọng lƣợng thiết bị v các điều kiện địa chất công trình Phần tháp có thể sản xuất tại Việt

Nam để giảm chi phí Với các trạm phong điện đặt trên nóc nhà cao thì chi phí này hầu nhƣ không đáng kể

 Chi phí cho việc vận chuyển tới nơi xây dựng và công việc lắp đặt trạm

Chi phí này ở Việt Nam r hơn rất nhiều so với các nước khác đặc biệt nếu xây dựng ở vùng ven biển, ven sông hoặc dọc theo các tuyến đường sắt

 So sánh chi phí đầu tƣ giữa phong điện và thủy điện

 Toàn bộ chi phí cho một trạm phong điện 4800 kW khoảng 3.000.000 Euro Với 500 trạm phong điện loại 4800 kW sẽ có công suất 2,4 triệu kW, b ng công suất nhà máy thủy điện Sơn La tổng chi phí sẽ là: 500 x 3.000.000 € 1,50 tỷ Euro = 1,875 tỷ USD, chi phí này nhỏ hơn 2 4 tỷ USD, là dự toán xây dựng nhà máy thủy điện Sơn La

 Giá thành mỗi kWh: Giá thành một kWh điện trong 10 năm đầu có thể tính nhƣ sau Sản lƣợng điện của trạm trong 1 năm l : 4800 kW x 2200 giờ 10.560.000 kWh (ở đõy tớnh trạm chỉ đủ giú để hoạt động 2200 giờ - khoảng ẳ thời gian một năm) Một trạm 4800 kW trong 10 năm có sản lƣợng điện là 105.600.000 kWh Chi phí để xây dựng trạm là 3.000.000 € chi phí duy tu bảo dƣỡng trong 10 năm l : 240.000 € to n bộ chi phí trong 10 năm đầu là 3.240.000 € chi phí cho 1 kWh l 3.240.000 : 105.600.000 = 0 031 € tính ra tiền Việt Nam với tỷ giá 20.000 Đồng/1€ : 0 031 x 20 000 = 620 đồng / kWh, giá th nh 1 kWh điện trong 10 năm tiếp theo: 10 năm tiếp theo chỉ phải chi cho việc duy tu bảo dƣỡng, giá thành sẽ là: 240 000 € : 105.600.000 kWh = 0 0023

€/kWh, tính ra tiền Việt Nam: 0 0023 x 20.000 = 46 đồng/kWh Không công nghệ nào cung cấp điện giá r nhƣ phong điện

Nh máy điện gió không gây ô nhi m môi trường v góp phần tạo cảnh quan cho việc phát triển du lịch ở nơi đó

Tạo môi trường thân thiện các hoạt động nông nghiệp công nghiệp vẫn có thể hoạt động v sản xuất gần nh máy

Các nh máy điện gió thường ở những nơi đồng b ng nông thôn miền núi hải đảo n n tạo công ăn việc l m cho công nhân nơi đó

Với tất cả những lợi ích vừa n u tr n thì năng lƣợng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lƣợng khác Nhƣng để phát triển v xây dựng nh máy điện gió thì phải khảo sát chặt chẽ giám sát xây dựng nghi m túc đúng kỹ thuật để đảm bảo an to n khi sử dụng v vận h nh [2].

Tình hình sử dụn năn lượn đi n gió của một số nước trên thế giới

Năng lƣợng điện gió l nguồn năng lƣợng có triển vọng v phát triển trong thời gian gần đây Có rất nhiều nhiều quốc gia đ phát triển với quy mô lớn nhƣ Đức H Lan, Mỹ Anh v đ th nh lập cơ quan năng lƣợng quốc tế (International Energy Agency: IEA) với 14 nước th nh vi n hợp tác nguy n cứu các kế hoạch trao đổi thông tin kinh nghiệm về việc phát triển năng lƣợng điện gió Các quốc gia n y l : Úc Canada Đan Mạch Thụy Điển Na Uy Tây Ban Nha Phần Lan Đức Nhật H Lan New Zealand Thụy Sĩ Anh Mỹ V o năm 1995 các nước th nh vi n có khoản

25.000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện v đang vận h nh tốt Tổng công suất của các tuabin n y l 3500 MW v h ng năm sản xuất ra 6 triệu MWh Năng lƣợng điện gió đ trở th nh nguồn năng lƣợng tái sinh phát triển nhanh nhất tr n thế giới đặc biệt l ở châu Âu đang chiếm 70% tổng công suất n y

Theo số liệu thống k của ng nh điện sản lƣợng điện năng sản xuất từ sức gió tr n thế giới đang li n tục tăng: năm 1994 l 3.527 5 MW năm 1995 l 4.770MW năm

1996 là 6.000 MW năm 1997 l 7.500 MW v hiện nay l hơn 10.000 MW Sử dụng điện năng b ng sức gió các nh sản xuất v ti u dùng đều có thể an tâm về nguồn “t i nguy n” n y; hơn nữa phong điện gần như không có tác hại đáng kể n o tới môi trường (theo số liệu năm 2002)

Qua khảo sát người ta nhận thấy năng lượng gió tr n thế giới l rất lớn v được phân bố tất cả các nước Năng lượng điện có thể khai thác h ng năm l 53000 TWh v có thể cung cấp vƣợt quá nhu cầu điện thế giới v o năm 2020 Theo khảo sát h ng năm

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 20 của viện năng lƣợng quốc tế thì nhu cầu ti u thụ điện thế giới v o năm 2020 l 25800 TWh trong đó năng lƣợng điện gió sẽ chiếm 12% tổng nguồn năng lƣợng [2]

Bản 1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới

Số ứ ự Q ốc ia Công ấ (MW)

9 Li n hiệp Anh v Bắc Ireland 897

Tổn cộn ên oàn ế iới 47.574

Nguồn: WINDPOWER MONTHLY 04/2005, Internet: www.windpower-monthly.com

Tìn ìn c n cầ đi n năn ở Vi Nam

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao khoảng 12-13%/năm - tức l gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế V theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7 1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam v o năm 2020 sẽ l khoảng 200.000 GWh v o năm 2030 l 327.000 GWh Trong khi đó ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nội địa của chúng ta c ng chỉ đạt mức tương ứng l 165.000 GWh (năm 2020) v 208.000 GWh (năm 2030) Điều n y có nghĩa l nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghi m trọng v tỷ lệ thiếu hụt có thể l n tới 20-30% mỗi năm Nếu dự báo n y của Tổng Công ty Điện lực trở th nh hiện thực thì hoặc l chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nước hoặc l hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi v o đình trệ còn đời sống của người dân sẽ bị ảnh hưởng nghi m trọng

Tiềm năn đi n i ở Vi Nam

Việt Nam n m ở khu vực Đông Nam Á đất nước d i hơn 2000km v có đường bề biển kéo d i từ duy n hải miền Trung tới Nam Trung Bộ n n có nguồn gió dồi d o từ biển thổi v o Vùng duy n hải miền Trung bị chia cắt bỡi các d y núi có độ cao từ 1000 - 1500 m vùng đất n y chủ yếu l trồng trọt v chăn nuôi nhƣng có mật độ dân số khá đông trong khi đó các nh máy thuỷ điện c ng nhƣ các nh máy nhiệt điện lại rất ít n n thường bị thiếu điện nhất l mùa khô

Khí hậu Việt Nam l khí hậu nhiệt đới ẩm mƣa nhiều Có gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam Đặt biệt ở duy n hải miền Trung có 4 mùa Xuân - Hạ - Thu - Đông v có lượng gió tương đối lớn có tốc độ gió h ng năm l 8 - 10m/s nhờ có bề biển d i n n có lƣợng gió quanh năm

2.6.3 Tiềm năn i của Vi t Nam

Vùng duy n hải miền trung cuả Việt Nam có tốc độ gió h ng năm l 8 - 10m/s người ta khảo sát tốc độ gió ở độ cao 65 m và 30 m

 Tốc độ gió và công suất điện ở độ cao 65m: Các dãy núi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam n m ở vị trí đặc biệt, chúng tạo thành những rào chắn liên tiếp đón nhận gió mùa loại gió n y đến từ hướng Đông Bắc từ tháng 10 đến tháng 5 và thổi từ hướng Tây Nam từ tháng 6 tới tháng 9 Dọc theo miền Trung Việt Nam có lượng gió rất tốt và tốc độ gió tương đối mạnh và lƣợng gió nhiều

 Tốc độ gió ở độ cao 30 m: ở độ cao 30 m chỉ thích hợp cho loại tuabin có công suất nhỏ, thích hợp những nơi có tốc độ gió vừa và chậm và loại

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 23 tuabin nhỏ này có thể thay thế các tuabin lớn ở những nơi không thể đặt tuabin lớn

2.6.4 Lượng gió theo từng mùa

Trong 4 mùa Xuân - Hạ - Thu - Đông mùa có gió nhiều nhất l mùa đông từ tháng 12 đến tháng 2 và mùa hè từ tháng 6 đến tháng 8 Những tháng n y l cao điểm của gió mùa Đông Bắc và Tây Nam Hai mùa còn lại chỉ là mùa chuyển tiếp Gió lớn xuất hiện cả mùa đông v mùa hè nhưng n m ở những vùng khác nhau Ở nước ta gió mạnh xuất hiện phía tây dãy Trường Sơn Gió mùa Đông Bắc c ng kéo theo những cơn gió mạnh ở miền Nam Việt Nam điều này xảy ra những vùng ven biển vì gió thổi theo hướng Đông Bắc tạo ra vùng có áp suất thấp ở phía Bắc và phía Tây của d y Trường Sơn

2.6.5 Tiềm năn i ở một số vùng của Vi t Nam

Vùng châu thổ sông M kông đến thành phố HCM gió ở đây rất tốt ( tốc độ 7 - 7.5 m/s) khu vực n y có điều kiện phát triển nguồn năng lƣợng điện gió vì nó gần thành phố Hồ Chí Minh có nhu cầu tiêtu hụ điện rất lớn

Trên các dãy núi phía Nam của khu vựa duy n hải miền Trung có gió rất nhiều Ở vùng Tây Nguy n rộng lớn có tốc độ gió từ 7 - 7.5m/s v vùng bi n giới Campuchia Khu vực n m giữa Pleiku v Buôn Ma Thuột có tốc độ gió l n đến 7m/s

Khu vực miền biển phía Nam của vùng duy n hải Miền Trung tr n các đỉnh núi có độ cao 1600 đến 2000 m thì có lƣợng gió nhiều v tốc độ gió cao từ 8.5 – 9.5 m/s

Các đỉnh núi ở phía Tây của Quy Nhơn v Tuy Hòa với độ cao từ 1000 – 1200 m có tốc độ gió c ng tương đối lớn từ 8 – 8.5 m/s … Như vậy các vùng ven biển có lợi thế rất lớn về nguồn năng lƣợng gió v có thể lắp đặt các loại tuabin có công suất lớn

Khu vực phía Bắc vùng duy n hải miền trung có d y Trường Sơn chạy d i theo bi n giới Việt Nam v L o có những nơi cao tới 1800 m v có tốc độ gió tương đối lớn

8.5 – 9.5 m/s khu vực phái Bắc của tỉnh Thừa Thi n Huế rất thích hợp đặt những tuabin nhỏ ở độ cao 30m v có tốc độ gió nơi đó l 5 – 6 m/s

Khu vực phía Bắc Việt Nam khu vực lân cận Hải Phòng thì gió khá tốt vận tốc có thể đạt đƣợc 7m/s Ở tr n đỉnh núi bi n giới Việt Nam - L o đến vùng núi tây nam th nh phố Vinh có gió rất tốt tốc độ từ 8 – 9m/s Ở bi n giới phía Bắc với Trung Quốc v ở phía Bắc Đông Bắc của Hải Phòng tốc độ gió có thể đạt tới 7 – 8m/s

Vậy với điều kiện khí hậu v lƣợng gió mật độ gió tốc độ gió nhƣ tr n Việt Nam có nhiều điều kiện xây dựng nh máy điện gió ở những vùng có lượng gió tương đối tốt v phát triển để đáp ứng nhu cầu điện cho quốc gia

C ươn TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 3.1 Cấ úc cơ bản của h thống đi n gió

Hình tr n hiển thị sơ đồ khối của một hệ thống điện gió quá trình từ khi nhận đƣợc gió v o v sinh ra điện Từ sơ đồ có thể nhận thấy một hệ thống điện gió bao gồm các bộ phận chính nhƣ sau:

 Bộ biến đổi điện áp.

í độn ọc i

Cơ năng E của một khối lƣợng không khí m chuyển động với vận tốc gió v wind :

3.1) Công suất của 1 tuabin gió đƣợc thể hiện công thức [3]

Các loại cấu trúc của turbine gió

Tuabin gió có thể chia l m 2 loại: tuabin trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbine: HAWT) và tuabin trục dọc (Vertical Axis Wind Turbine: VAWT) [4] đƣợc trình b y như hình dưới đây:

Hình 3 2 – Tuabin trục ngang (trái) và tuabin trục dọc (phải)

Ngoài ra, riêng nhóm tuabin trục ngang (HAWT) còn đƣợc chia ra th nh 2 nhóm nhỏ l HAWT thuận chiều gió (downwind) v HAWT ngƣợc chiều gió (upwind) [4] nhƣ hình sau:

Hình 3 3 - Tuabin ngược chiều gió (trái) và tuabin thuận chiều gió (phải)

Tuabin ngƣợc chiều gió có ƣu điểm l ít gây ra tiếng động hơn tuy nhi n lại cần phải có thiết bị để điều khiển sao cho cánh quạt đón gió Còn với loại ngƣợc gió tuabin tự động quay theo hướng gió nhưng lại sinh ra nhiều tiếng động.

Các bộ phận của tuabin gió

Như đ đề cập phần n y chỉ đề cập đến cánh quạt của tuabin trục ngang Trước ti n cách thức m một cánh quạt quay khi có gió thổi qua sẽ đƣợc tìm hiểu Vilas Warudkar v đồng nghiệp [5] tin r ng một cánh quạt đƣợc tạo n n b ng hai mặt có cấu tạo khác nhau Vì lý do n y m khi có dòng không khí đi qua có một sự ch nh lệch áp suất tr n hai mặt cánh quạt đƣợc hình th nh lực l m cho cánh quạt quay l n hoặc xuống V vì tâm cánh quạt đƣợc nối với trục v o bộ truyền động n n sẽ sinh ra một mômen l m quay rotor máy phát Có thể phân tíchkhí động lực n y th nh hai lực cơ bản l lực nâng v lực kéo Trong quá trình tìm hiểu về lực tác động l n cánh quạt Emrah Kulunk [6] sử dụng phương pháp BEM (blade element method) Phương pháp n y chia nhỏ cánh quạt ra các phần nhỏ gọi l "blade element" (tạm dịch l phần nhỏ cánh quạt) nhƣ vậy lực tác dụng l n mỗi phần nhỏ sẽ khác nhau

Hình 3 4 - Khí động lực có thể được chia thành lực nâng và lực kéo [7]

Lực nâng v lực kéo lần lƣợt đƣợc ký hiệu l và sẽ đƣợc xác định b ng các biểu thức [5]:

Với và l hệ số nâng v hệ số kéo ρ l mật độ không khí C l chiều rộng của cánh quạt tại từng phần nhỏ cánh quạt U l vận tốc gió tối đa m cánh quạt có thể nhận đƣợc v dr l chiều d i của phần nhỏ cánh quạt Để nghi n cứu ảnh hưởng của khí động lực l n cánh quạt tuabin, Emrah Kulunk [6] xuất phát từ mô hình đơn giản nhất của cánh quạt tuabin l một chiếc đĩa tròn quay

Dòng khí có vận tốc đƣợc thổi qua đĩa sẽ xuất hiện một độ giảm áp suất từ pu ở mặt trước đĩa sang pd ở mặt sau đĩa Hình (3.6) sẽ trình b y rõ điều n y

Giả sử r ng định luật Bernoulli đƣợc áp dụng ở cả 2 b n của dĩa

3.12) Lực tổng hợp tr n dĩa có thể đƣợc tính b ng công thức

Bộ truyền động

Hiện nay tồn tại hai giải pháp để truyền động từ trục cánh quạt v o trục rotor của máy phát l sử dụng hộp số hoặc truyền động trực tiếp Mỗi cách tiếp cận đều có ưu điểm v khuyết điểm ri ng v phương thức n o tốt hơn vẫn l một câu hỏi chưa có câu trả lời cuối cùng

Thông thường turbine gió sản xuất ra điện năng b ng máy phát đồng bộ v điện năng được đưa l n lưới hoặc đến tải ti u thụ Ngo i điện áp v góc pha thì tần số của dòng điện sinh ra c ng phải đảm bảo không đổi v b ng 50 Hz Trong phần lớn thời gian tốc độ quay của cánh quạt gió chậm hơn tốc độ quay cần thiết của rotor máy phát từ đó y u cầu cần phải sử dụng một hộp số để tăng tốc [10]

Hình sau mi u tả cấu tạo một hộp số:

Hình 3 9 – Cấu tạo hộp số

Một mặt ngo i việc giữ cho tốc độ rotor ổn định tại tốc độ không đổi thì việc sử dụng hộp số c ng mang đến những điểm mạnh nhƣ việc giảm thiểu kích cỡ của turbine gió xuống đáng kể có thể cho phép lắp đặt một máy phát 3 MW tại một nơi m tốc độ gió theo lý thuyết thì chỉ đáp ứng đƣợc cho máy phát 1.5 MW

[11] Ngo i ra sử dụng hộp số cho phép giảm thiểu chiều d i cánh quạt từ đó dẫn đến khối lƣợng v kinh phí đầu tƣ của to n máy phát giảm đi một cách đáng kể Một nghi n cứu c ng đƣợc tiến h nh bởi Jason [12] để kiểm tra tiếng ồn của hộp số tiếng động n y xuất hiện chủ yếu do các báng răng va chạm với nhau

Trong nghi n cứu của mình ông nhận ra r ng tiếng động lặp lại đều đặn n y ở tần số thấp khoảng 100 Hz đến 200 Hz trong khi đó tai con người nhạy cảm với các âm thanh trong khoảng tần số từ 400 Hz đến 500 Hz n n sẽ không thể nghe thấy tiếng động n y một cách rõ r ng

Tuy nhi n hộp số c ng có những điểm yếu của nó Đầu ti n phải kể đến l quá trình truyền động n y sử dụng các bánh răng cơ khí v cơ chế không đem lại hiệu suất truyền tải cao một lƣợng lớn tổn hao do ma sát sẽ xuất hiện tr n các bánh răng khi đang l m việc v khi chuyển số (chuyển bánh răng để phù hợp với tốc độ gió khác nhau) Thứ hai mặc dù tiếng động phát ra từ hộp số có thể l ở tần số thấp nhƣ đ nói ở tr n nhƣng rất khó để ngăn chặn tiếng ồn n y truyền v tạo ra tiếng vang qua trụ đỡ Cuối cùng việc sử dụng hộp số bắt buộc phải có bảo dƣỡng định kỳ Ví dụ tra dầu cho vòng bi v các bánh răng hay ngăn chặn dầu rò l y u cầu bắt buộc để đảm bảo tuổi thọ của hộp số [12]

Tuabin gió không sử dụng bánh răng (hay thường gọi l truyền động trực tiếp) loại bỏ ho n to n hộp số ra khỏi cấu trúc của nó Thay v o đó trục của rotor máy phát đƣợc nối trực tiếp v o trục quay của cánh quạt nghĩa l rotor sẽ quay cùng tốc độ với cánh quạt Vì bỏ hộp số n n kiểu n y tồn tại cả những ƣu điểm v khuyết điểm m loại kia có

Không có hộp số máy phát sẽ quay với tốc độ biến đổi phụ thuộc v o tốc độ gió vì thế y u cầu bắt buộc l phải có một bộ biến đổi điện áp AC/DC/AC để điều chỉnh điện áp ở đầu ra đúng b ng 50 Hz Một hạn chế nữa của hệ thống truyền động trực tiếp l khối lƣợng của nó Vì tốc độ quay của cánh quạt l khá

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 36 chậm n n bắt buộc phải kéo rộng diện tích quét của cánh quạt ra c ng có nghĩa là kéo d i chiều d i cánh quạt Việc kéo d i n y dẫn đến việc tăng khối lƣợng của tổng thể tuabin gió nhƣng lại đảm bảo máy phát đƣợc cung cấp đủ năng lượng Thông thường tuabin gió không bánh răng thường nặng hơn loại có hộp số với cùng một công suất điện đầu ra Trái lại không sử dụng hộp số c ng có nghĩa l giảm đi đƣợc một bộ phận trung gian điều đó l m giảm tổng tổn hao của máy phát Tuabin gió không bánh răng thường có hiệu suất cao hơn loại còn lại [13]

Truyền động trực tiếp thường được sử dụng trong các máy phát công suất nhỏ nó có thể l máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) máy phát dây quấn đồng bộ (WRSG) hay c ng có thể l máy phát dây quấn cảm ứng (WRIG) [14].

Máy phát

Tùy theo cấu trúc v nguy n lý hoạt động m máy phát đƣợc phân ra thành các kiểu khác nhau Tuy nhi n có 2 nhóm chính l máy phát đồng bộ v máy phát không đồng bộ [14] Trong phần n y các kiểu máy phát thường được sử dụng trong việc biến đổi năng lƣợng từ gió sang điện sẽ đƣợc trình b y sơ bộ

3.4.3.1 Máy phát lồng sóc tốc độ k n đổi (Fixed speed Squirrel Cage Induction Generator)

Máy phát lồng sóc tốc độ không đổi được nối với lưới điện thông qua một bộ khởi động mềm v một máy biến áp Coi lưới điện l một tải vô cùng lớn vì thế tần số của lưới điện sẽ ảnh hưởng ngược l n tần số của máy phát c ng như l tốc độ quay của rotor [14] Vì tần số lưới điện l cố định tốc độ quay của rotor c ng sẽ không đổi Ví dụ ở Việt Nam tần số lưới điện l 50 Hz thì rotor sẽ quay với tốc độ 3000 rpm 1500 rpm, 750 rpm với máy phát lần lƣợt có 2 cực 4 cực 6 cực Theo Zhang v đồng nghiệp [15] phường pháp n y thường được sử dụng với những máy phát điện gió có công suất định mức nhỏ hơn 2.3 MW v độ thay đổi tốc độ có thể chấp nhận đƣợc trong hệ thống

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 37 này là 1-2% Bộ khởi động mềm b ng thyristor đƣợc sử dụng để hạn chế dòng xung v giảm thiểu những áp lực cơ khí [14]

Hình 3 10 - Động cơ lồng sóc tốc độ không đổi, có trang bị bộ khởi động mềm

3.4.3.2 Máy phát lồn c điều chỉnh tốc độ (Speed controlled Squirrel Cage Induction Generator)

Cấu trúc n y được xây dựng với một máy phát lồng sóc nối với lưới thông qua một bộ biến đổi điện áp AC/DC/AC Dòng điện đầu ra của máy phát đƣợc chuyển th nh dòng DC rồi qua bộ biến đổi điện áp để chuyển th nh dòng AC có điện áp v tần số ổn định

Hình 3 11 - Máy phát lồng sóc điều chỉnh tốc độ, được trang bị bộ biến đổi điện áp

3.4.3.3 Máy phát dây quấn đồng bộ (Wound Rotor Synchronous Generator)

Thiết kế này sử dụng một tuabin gió tốc độ thay đổi Máy phát dây quấn đồng bộ thông thường nối với tải qua một bộ giao tiếp điện tử Bình thường thì các bộ giao tiếp đó khá lớn, vì thế nên chúng có thể cho phép độ biến thiên tốc độ lớn [14]

Một mặt, cấu trúc này không sử dụng chổi than và v nh trƣợt vì thế giảm thiểu tổn hao về mặt cơ khí Mặt khác, nó lại có tổn hao lớn trong bộ giao tiếp điện tử, và chi phí cho dây đồng c ng nhƣ bộ biến đổi điện áp c ng cao hơn [16]

Hình 3 12 - Máy phát dây quấn đồng bộ ứng dụng trong turbine gió

3.4.3.4 Máy phát dây quấn k n đồng bộ (Wound Rotor Induction Generator)

Thiết kế n y c ng l một kiểu cho phép turbine gió thay đổi, tuy nhiên lại sử dụng một biến trở tr n rotor đƣợc điều chỉnh b ng bộ giao tiếp điện tử v điều khiển theo hướng Theo Li và Chen [17], stator của máy phát dây quấn không đồng bộ được nối nối tiếp với một biến trở khác Hoạt động với chế độ tốc độ thay đổi có thể đạt đƣợc b ng cách điều chỉnh năng lƣợng nhận đƣợc từ rotor máy phát tuy nhi n năng lƣợng này phải bị tiêu tán bởi resistor ngoài Ngoài ra, bộ bù công suất phản kháng và bộ khởi động mềm c ng đƣợc sử dụng cho cấu trúc này Tốc độ rotor thay đổi trong khoảng từ 2-5% đối với tốc độ đồng bộ

Hình 3 13 - Turbine gió sử dụng máy phát dây quấn không đồng bộ

3.4.3.5 Máy p á k n đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator) Đây l kiểu cấu tạo phổ biến nhất hiện nay dành cho turbine gió trên khắp thế giới DFIG là mẫu thiết kế tốc độ thay đổi với bộ biến đổi công suất bán phần Thường thì stator của loại n y đƣợc nối đến tải qua một máy biến áp, và một bộ biến đổi điện áp đƣợc nối v o rotor Điều này mở ra khả năng ứng dụng những bộ biến đổi công suất nhỏ hơn v o turbine gió [14] Lý thuyết thì độ thay đổi tốc độ khoảng 30% xung quanh tốc độ đồng bộ [17] DFIG trở nên phổ biến vì kích thước nhỏ gọn, tổn hao thấp trong cả bộ biến đổi điện áp lẫn tổn hao do xung cơ học Tuy nhiên khuyết điểm lớn nhất của DFIG là vẫn còn sử dụng chổi than v v nh trƣợt [15]

Hình 3 14 - Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép

3.4.3.6 Máy phát kích từ vĩn cửu (Permanent Magnet Generator)

Những máy phát kiểu n y đƣợc sử dụng phổ biến cho những tuabin gió công suất nhỏ dưới 100 kW Thông thường máy phát n y r hơn v ổn định hơn vì không có dây quấn rotor v v nh trƣợt Nó có thể đƣợc lắp đặt trong hệ thống truyền động trực tiếp thông qua hộp số đều được [14] Trong những năm trở lại đây người ta đang d nh nhiều sự quan tâm hơn cho máy phát kích từ vĩnh cửu hơn trước do hiệu quả của nó đang cải thiện v giá cả lại đang giảm dần Xu hướng dùng PMG với một bộ biến đổi điện áp điều khiển ho n to n thường được dùng nhiều cho turbine gió truyền động trực tiếp [17] Về mặt lý thuyết PMG hoạt động nhƣ một máy phát đồng bộ v tùy thuộc v o từ thông trong qua trình l m việc m nó đƣợc chia th nh ba loại nhỏ: từ thông tròn

(Radial flux PMG) từ thông dọc (Axial flux PMG) v từ thông thay đổi (Switching flux PMG) [14, 17] Mô hình n y không cần tốn chi phí cho việc kích từ tuy nhi n vật liệu từ thông vĩnh cửu vẫn còn đắt

Hình 3 15 - Tuabin gió sử dụng máy phát kích từ vĩnh cửu

3.4.3.7 Máy phát một chiều (DC Generator)

Máy phát một chiều hiếm khi đƣợc sử dụng ng y nay vì giá th nh cao v vẫn sử dụng chổi than v cổ góp Thiết kế n y chỉ đƣợc dùng cho những turbine gió nhỏ thường phải sử dụng chung với các thiết bị lưu trữ điện năng như pin hoặc acquy Công suất điện sản xuất ra li n quan trực tiếp tới tốc đọ gió nhận đƣợc [18]

Hình 3 16 - Tuabin gió dùng máy phát DC

3.4.3.8 Máy p á cưỡng bức (Variable Reluctance Generator)

C ng giống như máy phát kích từ vĩnh vi n, VRG phù hợp với phương pháp truyền động trực tiếp, và nó có khả năng trở thành cấu trúc hiệu quả nhất trong những turbine tốc độ thay đổi [12]

Thiết kế n y sử dụng rotor cưỡng bức thường l một rotor b ng sắt m không có các vòng dây đồng Vì thế m giúp giảm chi phí v nâng cao hiệu suất Tuy nhi n

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 41 điểm trừ của cấu tạo n y l sự phức tạp trong thiết kế rotor khả năng điều khiển v kích cỡ lớn do tỉ lệ mômen - thể tích nhỏ hơn

Hình 3 17 - Turbine gió sử dụng VRG

P ươn p áp điều khiển

Phần điều khiển trong hệ thống đƣợc chia th nh hai cấp căn cứ theo mục đích hoạt động:

3.5.1 Cấp điều khiển hi n ường

Trong hệ thống năng lượng gió cấp điều khiển hiện trường l một bộ điều khiển đƣợc thiết kế chế tạo tích hợp dựa tr n vi xử lý tín hiệu B n cạnh card điều khiển

(hình 3.17) là ba module đƣợc thiết kế để giải quyết ba b i toán điều khiển cấp hiện trường như:

 Điều khiển nghịch lưu đáp ứng yêu cầu điều chỉnh ổn định điện áp phía tải tiêu thụ (220V/50Hz)

 Điều khiển điện trở đốt đáp ứng yêu cầu năng lƣợng dƣ thừa khi năng lực tiêu thụ đầu ra của tải nhỏ hơn so với năng lƣợng phía đầu vào

 Điều khiển nạp ac-quy, phục vụ việc tích trữ năng lƣợng đảm bảo sự cân b ng về năng lƣợng thu và nhận của trạm phát điện sức gió

Hình 3 18 – Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường

Thiết bị sử dụng là PLC B n cạnh vai trò thu thập dữ liệu về thông số l m việc của hệ thống (trạng tháo hoạt động của các phần tử điện trở đốt ac-quy biến tần các thông số điện nhƣ dòng áp tần số…) thiết bị còn thực hiện các b i toán điều khiển:

Bài oán c n cấp đi n: B i toán cung cấp giữ một vai trò quan trọng Phía phụ tải ghép nối với hệ thống phát điện sức gió theo các nhánh mỗi nhánh sẽ đƣợc gắn mức ƣu ti n khác nhau Khi mức độ ti u thụ phía phụ tải tăng l n trong khi năng lƣợng đầu v o v năng lƣợng dự trữ trong ac-quy không thể đáp ứng đƣợc thiết bị điều khiển cấp cao sẽ thực hiện cắt bớt các nhánh phụ tải có mức ƣu ti n thấp để giảm công suất ti u thụ đến mức tải lập sự cân b ng năng lƣợng trong hệ thống Khi năng lƣợng dự trữ trong ac-quy tụt xuống dưới mức cho phép thiết bị điều khiển sẽ cắt to n bộ tải ti u thụ cho đến khi năng lƣợng tích trữ đƣợc khôi phục lại

Bài toán điề k iển, c ẩn đoán và iám sát ừ xa: Hệ thống máy phát điện sức gió hoạt động như một trạm phát điện độc lập với mạng lưới phụ tải ri ng Với đặc điểm nhƣ vậy b i toán điều khiển chuẩn đoán v giám sát từ xa l rất cần thiết nó cho phép đảm bảo hệ thống có thể vận h nh trong tầm kiểm soát các lỗi có thể xảy ra cho hệ thống sẽ đƣợc nhanh chóng phát hiện v xử lý kịp thời B n cạnh đó giải pháp sẽ

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 43 giúp thực hiện thu thập các thông tin về quá trình hoạt động của hệ thống tạo nguồn cơ sở dữ liệu cho các công việc bảo dƣỡng sửa chữa đánh giá Quá trình xử lý dữ liệu sẽ tách đƣợc những tham số đặc trƣng cho các tình huống sự cố Các tham số sau đó đƣợc khâu phân loại lỗi tiếp tục xử lý để nhận biết hệ thống có lỗi ở đâu trước khi đưa ra cảnh báo cần thiết Điều n y còn đặc biệt có ý nghĩa khi lắp đặt trạm tại những khu vực h o lánh xa xôi Ở cấp điều khiển hệ thống các chế độ l m việc đƣợc thiết lập căn cứ tr n hiện trạng hoạt động của hệ thống v các lệnh điều khiển đƣa xuống bộ điều khiển hiện trường.

Các bộ chuyển đổi đi n áp 1 Bộ chỉn lư [22] 1 Bộ chỉn lư [22]

Mạch chỉnh lưu l một thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều để cung cấp cho các thiết bị sử dụng điện một chiều có thể sử dụng

Mạch chỉnh lưu được phân thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc của mạch chỉnh lưu như chỉnh lưu bán kì chỉnh lưu to n kì chỉnh lưu cầu ba pha, chỉnh lưu tia ba pha, chỉnh lưu cầu ba pha… Ngo i ra các mạch chỉnh lưu c ng có thể phân loại thành mạch chỉnh lưu có điều khiển, không điều khiển hoặc bán điều khiển

Mạch chỉnh lưu không điều khiển là các mạch chỉnh lưu dùng các diot (không có khả năng điều khiển) để chỉnh lưu dòng điện, còn mạch chỉnh lưu có điều khiển là mạch dùng các chuyển mạch bán dẫn để chỉnh lưu dòng điện như IGBT SCR Các mạch chỉnh lưu không điều khiển n y ưu điểm là giá thành r do không phải đầu tư cho các thiết bị xử lí tín hiệu điều khiển và các thiết bị điều khiển các thiết bị chuyển mạch công suất như trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển Do đó ngo i giá th nh rẽ thì kích thước của các bộ nghịch lưu dạng n y do đó c ng nhỏ hơn nhiều so với các bộ chỉnh lưu co điều khiển Tuy nhiên, do không có khả năng điều khiển nên hiệu suất của các bộ chỉnh lưu loại này sẽ thấp hơn so với các bộ chỉnh lưu có điều khiển

Do đó ứng với mục đích v y u cầu cụ thể đặt ra mà ta sẽ chọn lựu loại chỉnh lưu hợp lí Ví dụ, nếu vấn đề kinh tế là quan trọng nhất thì ta chọn loại chỉnh lưu không điều khiển, còn nếu yêu cầu mạch phải có chất lƣợng và hiệu suất cao thì ta sẽ chọn mạch chỉnh lưu có điều khiển

Trong các mạch chỉnh lưu, tại đầu ra của điện áp một chiều để cho dòng điện một chiều ít nhi u hơn thì người ta sẽ gắn th m v o đó một bộ lọc nhi u LC hay C

Một số loại chỉnh lưu thông dụng được miêu tả trong các hình b n dưới

Hình 3 19 - Mạch chỉnh lưu bán kì

Hình 3 20 – Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển

Hình 3 21 – Mạch chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển

Hình 3 22 – Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Hình 3 23 – Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

Hình 3 24 – Mạch chỉnh lưu tia ba pha điểu khiển

Hình 3 25 – Mạch chỉnh lưu ba pha có điều khiển

Vì bộ chỉnh lưu trong luận văn l bộ bộ chỉnh lưu ba pha không điều khiển n n ta sẽ đi v o phân tích bộ chỉnh lưu n y

3.6.2 Các bộ biến đổi DC-DC [19]

Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch v dùng các điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ƣu thế hơn ở các mạch công suất lớn

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp) boost (tăng áp) v buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Với những cách bố trí điện cảm khóa chuyển mạch v diode khác nhau các bộ biến đổi n y thực hiện những mục ti u khác nhau nhƣng nguy n tắc hoạt động thì đều dựa tr n hiện tƣợng duy trì dòng điện đi qua điện cảm

3.6.2.1 B ộ biến đổi giảm áp - Buck converter

Hình 3 26 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck

Bộ biến đổi Buck hoạt động theo nguy n tắc sau: khi khóa (van) đóng điện áp ch nh lệch giữa ngõ v o v ngõ ra đặt l n điện cảm l m dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt v o điện cảm lúc n y ngƣợc dấu với khi khóa (van) đóng v có độ lớn b ng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi tr n diode khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra n m trong giới hạn cho phép Ở trạng thái xác lập dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần ho n với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước b ng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm l li n tục Vì điện cảm không ti u thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng) hay công suất trung bình trên điện cảm l b ng 0 v dòng điện trung bình của điện cảm l khác 0 điện áp rơi trung bình tr n điện cảm phải l 0

Gọi T l chu kỳ chuyển mạch (switching cycle) T1 l thời gian đóng khóa

(van) v T2 l thời gian ngắt khóa (van) Nhƣ vậy T = T 1 + T 2 Giả sử điện áp rơi tr n

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 49 diode v dao động điện áp ngõ ra l khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ v o v ngõ ra Khi đó điện áp rơi trung bình tr n điện cảm khi đóng khóa (van) l (T 1 /T)×(V in − V out ) còn điện áp rơi trung bình tr n điện cảm khi ngắt khóa (van) là −(T 2 /T)×V out Điều kiện điện áp rơi trung bình tr n điện cảm b ng 0 có thể đƣợc biểu di n l :

3.22) Suy ra

Bộ chuyển đổi Boost

Hình 3 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost

Bộ biến đổi Boost hoạt động theo nguy n tắc sau: khi khóa (van) đóng điện áp ngõ v o đặt l n điện cảm l m dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Ở điều kiện l m việc bình thường điện áp ngõ ra có giá trị lớn hơn điện áp ngõ v o do đó điện áp đặt v o điện cảm lúc n y ngƣợc dấu với với khi khóa (van) đóng v có độ lớn b ng ch nh lệch giữa điện áp ngõ ra v điện áp ngõ v o cộng với điện áp rơi tr n diode Dòng điện qua điện cảm lúc n y giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra n m trong giới hạn cho phép

Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi Buck dòng điện qua điện cảm sẽ thay đổi tuần ho n v điện áp rơi trung bình tr n điện cảm trong một chu kỳ sẽ b ng 0 nếu dòng điện qua điện cảm l li n tục (nghĩa l dòng điện tải có giá trị đủ lớn)

Gọi T l chu kỳ chuyển mạch (switching cycle) T1 l thời gian đóng khóa

(van), và T2 l thời gian ngắt khóa (van) Nhƣ vậy T = T 1 + T 2 Giả sử điện áp rơi tr n diode v dao động điện áp ngõ ra l khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra Khi đó điện áp rơi trung bình tr n điện cảm khi đóng khóa (van) l (T 1 /T)×V in , còn điện áp rơi trung bình tr n điện cảm khi ngắt khóa (van) l (T 2 /T)×(V in − V out )

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 52 Điều kiện điện áp rơi trung bình tr n điện cảm b ng 0 có thể đƣợc biểu di n l :

3.26) Hay

Bộ biến đổi đảo áp – Buck - Boost converter

Hình 3 28 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost

Bộ biến đổi Buck - Boost hoạt động dựa tr n nguy n tắc: khi khóa (van) đóng điện áp ngõ v o đặt l n điện cảm l m dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùy v o tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa (van) v ngắt khóa (van) m giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn b ng hay lớn hơn giá trị điện áp v o Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra l ngược với dấu của điện áp v o do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

Với các giả thiết tương tự như các trường hợp tr n ở chế độ dòng điện qua điện cảm l li n tục điện áp rơi trung bình tr n điện cảm sẽ b ng 0 Với cách ký hiệu T =

T 1 + T 2 nhƣ tr n điện áp rơi trung bình tr n điện cảm khi đóng khóa (van) l

(T 1 /T)×V in còn điện áp rơi trung bình tr n điện cảm khi ngắt khóa (van) l

−(T 2 /T)×V out Điều kiện điện áp rơi trung bình tr n điện cảm b ng 0 có thể đƣợc biểu di n:

D.V in = (1 − D).V out (3.35) Khi D = 0.5, V in = V out Với những trường hợp khác 0 < V out < V in khi 0 < D <

0.5, và 0 < V in < V out khi 0.5 < D < 1 (chú ý l ở đây chỉ xét về độ lớn vì chúng ta đ biết V in và V out l ngƣợc dấu) Nhƣ vậy bộ biến đổi n y có thể tăng áp hay giảm áp v đó l lý do m nó đƣợc gọi l bộ biến đổi buck - boost

Xét cùng một loại b i toán thường gặp như những trường hợp tr n tức l : cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ v o V in giá trị điện áp ngõ ra V out độ dao động điện áp ngõ ra cho phép dòng điện tải tối thiểu I out,min xác định giá trị của điện cảm tụ điện tần số chuyển mạch v phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ để đảm bảo ổn định đƣợc điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ v o v giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: D min = V out /(V in,max + V out ), và D max = V out /(V in,min +

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ b ng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt v o điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất tức l khi D D min Nhƣ vậy đ ng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch v điện cảm L giống nhƣ của bộ biến đổi buck:

(1 − D min )×T×V out = L min ×2×I out,min (3.35)

Thông thường các bộ biến đổi Buck - Boost chỉ n n l m việc ở chế độ dòng điện li n tục qua điện cảm Tại bi n của chế độ dòng điện li n tục v gián đoạn độ thay đổi dòng điện sẽ b ng 2 lần dòng điện tải Nhƣ vậy độ thay đổi dòng điện cho phép b ng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị n y trong điều kiện xấu nhất tức l khi D = D min (vì thời gian giảm dòng điện l T 2 với điện áp rơi không thay đổi l V out ) Một cách cụ thể chúng ta có đ ng thức sau:

(1 − D min )×T×V out = L min ×2×I out,min (3.36)

Hai thông số cần đƣợc lựa chọn ở đây l L min và T Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ tức l T lớn (T = 1/f, f l tần số chuyển mạch) thì L min c ng cần phải lớn

Th nh phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra

Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác điện áp tr n tụ điện ngõ ra sẽ l các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch) Lƣợng điện tích đƣợc nạp v o tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là ΔI×T/8 Nếu biểu di n theo điện dung v điện áp tr n tụ điện thì lƣợng điện tích n y b ng C×ΔV Trong đó ΔI l bi n độ của th nh phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm còn ΔV l độ thay đổi điện áp tr n tụ khi nạp (c ng nhƣ khi xả xét ở trạng thái xác lập) Nhƣ vậy chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa v o đ ng thức sau: ΔI×T/8 = C×ΔV (3.37) ΔI đ đƣợc xác định ở tr n b ng 2 lần dòng điện tải tối thiểu v T đ đƣợc chọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp

C C ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐN ĐIỆN GIÓ

Máy p á đi n đồng bộ nam c âm vĩn cửu (Permanet Magnet Synchronous Generator: PMSG)

Power Point: MPP) của hệ thống v có ngõ v o l công suất của PMSG v điện áp sau bộ chỉnh lưu, và ngõ ra là hệ số D sau khi được giải m sẽ điều khiển điện áp ra của bộ chuyển đổi Boost Hình 4.1 mô tả cấu trúc của hệ thống

Hình 4 1- Cấu trúc cơ bản của hệ thống năng lượng gió.

4 Máy p á đi n đồng bộ nam c âm vĩn cửu (Permanet Magnet Synchronous Generator: PMSG)

Trong tất cả các máy phát điện đƣợc sử dụng trong hệ thống tuabin gió thì máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) l máy phát điện có nhiều ƣu điểm Nó ổn định v an to n trong quá trình hoạt động đồng thời không cần nguồn điện một chiều để kích từ Do có nhiều lợi thế n n máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đ

Trần Ngọc Hữu Trung – 13180524 Page 58 đƣợc sử dụng rộng r i hơn thay vì ban đầu chỉ đƣợc ứng dụng trong một bộ phận nho nhỏ các máy phát chạy b ng sức gió

Máy điện đồng bộ l các máy điện xoay chiều có tốc độ của roto b ng với tốc độ của từ trường quay Dây quấn stato được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rotor đƣợc kích từ b ng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi

Máy điện đồng bộ thường được dùng làm máy phát trong hệ thống điện với cơ năng đƣợc cung cấp b ng một động cơ sơ cấp (các loại tuabin động cơ kéo ) Công suất của máy phát có thể l n đến 1000 MVA hay lớn hơn v các máy phát thường làm việc song song với nhau trong hệ thống Động cơ đồng bộ đƣợc sử dụng khi cần công suất truyền động lớn, có thể đến hàng chục MW Ngo i ra động cơ đồng bộ còn đƣợc dùng l m các máy bù đồng bộ (động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải) dùng để cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp cho lưới điện

 Nếu phần cảm n m ở stato thì lá thép có dạng nhƣ ở hình 4.2, cuộn dây kích từ đƣợc quấn quanh cực từ

Hình 4 2 - Lõi thép phần cảm ở stato

Còn nếu stato đóng vai trò l m phần ứng thì mạch từ gồm các lá thép điện kỹ thuật ghép lại với nhau phía trong có đặt các r nh để đặt cuộn dây

- Nếu rôto là phần cảm thì chia làm hai loại:

 Rôto cực ẩn: lõi thép là một khối thép rèn hình trụ, mặt ngoài phay th nh các r nh để đặt cuộn dây kích từ Cực từ rotor của máy cực ẩn không lộ ra rõ rệt Cuộn dây kích từ đặt đều trên 2/3 chu vi rotor Với cấu tạo nhƣ tr n rotor cực ẩn có độ bền cơ học rất cao, dây quấn kích từ rất vững chắc do đó các loại máy đồng bộ có tốc độ từ 1500v/ph trở l n đều đƣợc chế tạo với rotor cực ẩn, mặc dù chế tạo phức tạp và khó khăn hơn rotor cực lồi

 Rotor cực hiện: lõi thép gồm những lá thép điện kỹ thuật ghép với nhau, các cực từ hiện ra rõ rệt Phía ngoài cực từ là mỏm cực, có tác dụng l m cho cường độ từ cảm phân bổ dọc theo stato rất giống hình sin Dây quấn kích thích quấn trên các cực từ hai đầu cuộn dây nối với hai v nh trƣợt qua 2 chổi than tới nguồn điện một chiều bên ngoài

Do tốc độ của gió n m trong khoảng 70 – 120 rpm n n số đôi cực của máy phát gió phải nhỏ (p = 1) v số bin c ng nhỏ thì điện áp c ng lớn

4 Máy p á đi n đồng bộ nam c âm vĩn cửu

Cấu trúc mộ máy p á đồng bộ nam c âm vĩn cử đơn giản

Các máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có bốn cực từ phần cắt ngang của nó đƣợc mô tả trong hình 4.5 Các nam châm đƣợc gắn chặt tr n lõi thép rotor

Không gian giữa các nam châm đƣợc lấp đầy b ng các lá thép hình đặc biệt các bộ phận đó tạo ra một dòng điện đóng cho từ trường Nam châm vĩnh cửu đ được sử dụng để thay thế các cuộn kích từ trong các máy đồng bộ với những ƣu điểm l thiết kế rotor không cần cuộn dây kích thích v nh trƣợt v bộ kích từ máy phát có thể giúp tránh gây nhiệt trong các cánh quạt v cung cấp hiệu quả tổng thể của hệ thống cao hơn

Hình 4 5- Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

N yên lý làm vi c của PMSG

 Nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu c ng giống nhƣ nguy n lý hoạt động của máy điện đồng bộ, chỉ khác nhau ở chỗ ở máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì cuôn kích từ trên rotor đƣợc thay thế b ng nam châm vĩnh cửu

Hình 4 6 - Nguyên lý làm việc cơ bản

Khi ta đƣa dòng điện kích thích một chiều it v o dây quấn kích thích đặt tr n cực từ dòng điện it sẽ tạo n n một từ thông ϕ t Nếu ta quay rô to l n đến tốc độ n

(rpm) thì từ trường kích thích ϕ t sẽ quét qua dây quấn phần ứng v cảm ứng n n trong dây quấn đó suất điện động v dòng điện phần ứng biến thi n với tần số f 1 = p.n/60

Trong đó p l số đôi cực của máy

 Với máy điện đồng bộ 3 pha, dây quấn phần ứng nối sao (Y) hoặc nối tam giác (Δ)

 Khi máy làm việc dòng điện phần ứng I ư chạy trong dây quấn 3 pha sẽ tạo nên một từ trường quay Từ trường này quay với tốc độ đồng bộ n 1 = 60.f 1 /p

4 M ìn đi n của máy p á đi n đồng bộ nam c âm vĩn cửu (PMSG)[22]

Máy phát điện ba pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoạt động trong chế độ ba pha nên gặp nhiều khó khăn trong việc xác định phương trình l m việc của máy phát c ng nhƣ trong việc mô hình hóa và mô phỏng Để khắc phục nhƣợc điểm này, việc phân tích được chuyển từ hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ dq Phương trình chuyển cơ sở qua lại được đưa ra như b n dưới

Phương trình chuyển từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq :

Phương trình chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ abc :

[ ] [ ] (4.2) f có thể đại điện cho điện áp (V) dòng điện (I), hay từ thông (λ)

Phương trình mô hình điện động cho PMSG trong hệ tọa độ dq được đưa ra như b n dưới:

L d ,L q : lần lƣợt l điện cảm máy phát trong hệ tọa độ dq (H)

: thông lƣợng từ thông vĩnh cửu (Wb)

: vận tốc góc điện (rad/s)

= p với p là số cặp cực của máy phát điện

: vận tốc góc cơ (rad/s) i d , i q : dòng điện tạo ra đƣợc đo theo hệ trục tọa độ dq (A)

Trong PMSG loại cực tròn ta có thể xem như L d = L q = L phương trình (4.5) và (4.6) đƣợc viết lại nhƣ sau:

Mạch điện tương đương cho cả trục d và q từ các phương trình tr n được đưa ra như hình b n dưới

Hình 4 7- Mô hình mạch điện tương trong hệ tọa độ dq của PMSG.

Phương trình mômen điện từ được đưa ra như b n dưới:

Mối quan hệ giữa tần số điện áp ngõ ra và vận tốc góc cơ của máy phát đƣợc thể hiện qua công thức b n dưới:

N: là số vòng quay của máy phát (rpm)

: Vận tốc góc của trục rotor (rad/s) p : là số cặp cực của máy phát điện

Dòng điện v điện áp ngõ ra tỷ lệ với momen điện từ và tốc độ rotor [22]:

Trong đó: I a l dòng điện stator (A)

Phương trình cơ điện trong máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được thể hiện thông qua phương trình b n dưới:

T m : Mô men xoắn cơ nhận đƣợc của trục máy phát từ tubin gió

: Ma sát trục quay của động cơ

J : Mô men quán tính của tubin, giữa trục v máy phát điện

4.2 Bộ chỉn lư cầ ba p a k n điều khiển và bộ chuyển đổi Boost 4.2.1 Bộ chỉn lư cầ ba p a k n điều khiển Áp bap ha: v A = V√ sin t v B = V√ sin t - ) v C = V√ sin t - )

Các chỉnh lưu chia l m hai nhóm: nhóm + gồm D1, D2, D3 nhóm − gồm D4,

D5, D6 Chỉnh lưu sáu xung có dòng áp ra nhấp nhô 6 lần trong một chu kỳ sử dụng trong lưới điện ba pha Có ba sơ đồ thường dùng: cầu ba pha tia sáu pha v sáu pha có kháng cân b ng Ở mỗi lúc dòng điện tải phải đi qua một diod của hai nhóm n y C ng nhƣ sơ đồ ba pha tia có thể nhận xét l với nhóm + diod n o có điện áp anod cao nhất sẽ dẫn điện v đặt áp âm v o các diod còn lại; với nhóm − l điện áp catod thấp nhất

Với thứ tự các pha l A −> B −> C −> A … trình tự dẫn điện của các diod đƣợc trình b y tr n hình 4.10: D1 −> D6 −> D2 −> D4 −> D3 −> D5 −> D1 …

Hướng phát triển của đề tài

Xây dựng hệ thống năng lƣợng gió sử dụng các công cụ DSP để c i đặt các thuật toán MPPT sau đó khảo sát đánh giá khả năng ứng dụng thục ti n của hệ thống

Nghi n cứu ảnh hưởng của dòng điện v điện áp l n thiết bị khi ho lưới V từ đây có thể phát triển một hệ thống năng lượng gió công suất lớn ho lưới điện gió v o lưới điện quốc gia giải quyết các vấn đề thiếu điện trầm trọng như hiện nay

Nghi n cứu kết hợp các nguồn năng lƣợng điện với nhau ví dụ: năng lƣợng gió v năng lƣợng mặt trời…

Nh nước cần có các chính sách đầu tư nhân lực khuyến khích đối với các doanh nghiệp trong nước để sản xuất thiết bị điện gió nhầm l m giảm chi phí lắp đặt c ng nhƣ l giá điện khá cao nhƣ hiện nay