Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Điều khiển máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong máy phát điện gió

Từ những nhu cau thực tế đó, các nha sản xuấtkhông ngừng phát triển những dòng sản phẩm đáp ứng thị trường về cấu hình củahệ thống biến đổi năng lượng gió cũng như độ lớn công suất của t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYÊN HỮU BÌNH

DIEU KHIỂN MAY PHÁT ĐIỆN NAM CHAM VĨNH CỬU

TRONG MAY PHÁT ĐIỆN GIÓChuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số : 605250

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hữu Bình MSHV: 10180072

Ngày, tháng, năm sinh: 25/8/1976 Nơisinh: Quang Trị

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số : 605250I TÊN ĐÈ TÀI:

DIEU KHIỂN MAY PHÁT ĐIỆN NAM CHAM VĨNH CUU

TRONG MAY PHAT DIEN GIOII NHIEM VU VA NOI DUNG:

- Khái quát tinh hình phat triển của hệ thống biến đồi năng lượng gió trên thé giới va ở

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU:V CÁN BO HUONG DAN : T.S phạm Đình Trực

Tp HCM, ngay tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

Tôi xin chân thành cám ơn Thấy T.S Pham Đình Trực đã hướng dan tậntình và truyền đạt những kiến thức bồ ich dé tôi hoàn thành luận văn này.

Chân thành cảm on Quy Thay, Cô đã từng giảng dạy tôi trong suốt khoảngthời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học bách Khoa Thanh Phố Hỗ

Chí Minh.Tôi cũng xin chán thành cảm ơn Gia đình, Quy ban bè đã luôn động viên

tôi trong suốt quá trình học tập với khóa học bồ ich này

Thành phô Hô Chi Minh ngày 28/11/2012

Nguyễn Hữu Binh

MỞ DAU

Nguồn năng lượng mới là một trong những van dé ngày càng được quan tâm,khi giá gas - dầu tăng và việc nóng lên toàn cầu do việc sử dụng các nguồn nhiênliệu hóa thạch Năng lượng gió được gọi coi là nguén năng lượng mới và hiện naynăng lượng điện được tạo ra từ năng lượng gió chiếm một tỷ lệ đáng ké trong hauhết các Quốc gia Gió là nguén năng lượng chi phí thấp va vô tận Năng lượng điệnđược tạo ra từ năng lượng gió không gây ô nhiễm đến môi trường sống như việc tạo

ra năng lượng điện từ những nguôn năng lượng như: Than da, khí đót, dầu, nước

Qua turbine gió, động năng của gió sẽ biến thành cơ năng sau đó cơ năng này sẽchuyển thành điện năng qua máy phát điện Mặc dù nguyên tắc hoạt động củaturbine gió đơn giản nhưng cho đến nay vẫn còn nhiều thách thức trong những vandé như: Hiệu suất, công suất, khả năng điều khiển khi kết nói lên lưới và giá thànhtrong việc sản xuất và bảo dưỡng Từ những nhu cau thực tế đó, các nha sản xuấtkhông ngừng phát triển những dòng sản phẩm đáp ứng thị trường về cấu hình củahệ thống biến đổi năng lượng gió cũng như độ lớn công suất của turbine gió Đếnnay, hệ thống biến đổi năng lượng gió trải qua các cau hình khác nhau như: SCIG,WRIG, DFIG, Multi-Pole SG và PMSG và công suất của turbine gió cũng thay đổivà lớn lên theo thời gian Năm 1980 công suất turbine gió lớn nhất là 50KW nhưngđến 2003 một số nha sản suat đã sản xuất ra những turbine gió công suất đến SMWvà ngày nay turbine gió thế hệ mới đang thử nghiệm có công suất lên tới 7.5MW

Tùy theo những quan điểm khác nhau mà hệ thống biến đổi năng lượng đượcphân thành những loại khác nhau Cụ thé khi phân loại dựa theo cau trúc thì người

ta phan thành 2 loại là: Turbine trục đứng và turbine trục ngang nhưng khi phân loại

theo cau trúc truyền động thi người ta phân thành turbine có gearbox hoặc không cógearbox còn khi theo quan điểm về tốc độ vận hành thì người ta cũng phân turbinethành 02 loại là turbine vận hành với tốc độ khác nhau (variable-speed) va turbinevận hành với tốc độ cô định (fixed-speed) Ngày nay quan điểm vẻ tốc độ vận hànhđược sử dụng nhiều dé phân loại turbine Turbine vận hành với tốc độ không đổi thì

đơn giản, chăc chắn và giá thành thấp nhưng ngược lại hiệu suất thâp và không tốiưu về mặt khí động học trong quá trình vận hành Với Turbine chế độ vận hành ởtốc độ quay thay đổi sẽ điều khiển để nhận được công suất cực dai từ nguồn nănglượng gió do vậy cấu hình nay mang lại hiệu suất cao Turbine theo cấu hình này thìmáy phát nối lên lưới thông qua bộ biến đổi công suất do vậy tăng giá thành nhưngmang lại hiệu suất cao khai thác triệt để nguồn năng lượng từ gió.

Trên thị trường thế giới hiện trong thời gian qua, hệ thong biến đổi năng lượnggió theo cau hình DFIG đã chiếm lĩnh thị phan đáng kể so với các câu hình khác.Nhưng ngày nay, giá thành của các bộ Converter giảm nên xu hướng sử dụng cauhình PMSG trên thị trường đang tăng lên do tính ưu việt của cấu hình này là hiệusuất cao, linh hoạt trong điều khiển, không cần cung cấp công suất phan khángtrong quá trình vận hành và đáp ứng những yêu cau biến động của hệ thống điện khi

đâu nôi lên hệ thông lưới điện.

May phát điện đồng độ với kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là giải phápthích hợp cho hệ thống biến đổi năng lượng gió vận hành turbine ở vận tốc quaykhác nhau Khi vận tốc của turbine thay đổi, máy phát phát ra điện áp có độ lớn vatần số thay đổi theo thời gian nhưng nhờ việc điều khiển bộ biến đổi điện tử côngsuất (Power electronic converter) hợp lý nên điện áp ngõ ra của bộ converter bằngđiện áp của lưới điện PMSG có kích từ là nam châm vĩnh cửu nên không cần trangbị hệ thống kích từ một chiều (DC) Ngoài ra, PMSG được bố trí nhiều cặp cực nênhệ thống biến đối năng lượng theo cấu hình này có thé vận hành ở tốc độ quay thấpvà không cân bộ chuyền đổi tốc độ (Gear-box) nên giảm được chi phí và bảo dưỡng

gear-box.Dé tài luận van: "Điều khién may phat điện đông bộ nam cham vĩnh citu trong

máy phát điện gió " nhằm tim hiểu một cách day đủ nguyên lý điều khiến củaturbine gió băng việc mô tả và xây dựng mô hình các thành phân trong hệ thốngmáy phát điện gió với cấu hình máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)

Đông thời luận văn cũng đưa ra một sô chiên lược điêu khiên công suât phát lên

Chương I Mo dau

lưới của turbine gió băng phương pháp định hướng vectơ điện áp và cuối cùng môphỏng các chiến lược điều khiển điện áp và công suất cho hệ thống biến đổi nănglượng gió bằng ngôn ngữ Matlab.

MỤC LỤC

= CHƯƠNG 1: MỞ DAU

- Dẫn để con cọ 222 c2 nh nnn nh nh nen nhe nh sex xác rẻ rẻ cá xe |

- Các ký hiệu, bản vẽ, mô hình ccc eee cà S22 s22 xe sexy 7

= CHUONG 2: TONG QUAN VE TURBINE GIÓ.2.1 Lich sử ứng dụng nguôn năng lượng gió LI

2.2 Lịch sử phát triển năng lượng điện gió các nước trên thé giới 12

2.3 Sự phát triển năng lượng điện gió tại Việt Nam 14

2.4 Một số cau hình của hệ thông biến đổi năng lượng gió (WECS) 16

2.4.1.Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) 16

2.4.2 Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quan (WRIG) 17

2.4.3 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 18

2.4.4 Máy phát điện đồng bộ nhiều cực (Multi-Pole SG) 19

2.4.5 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PM §G) 19

2.4.6 So sánh ưu nhược điểm các mô hình turbine gió 20

2.5 Chiều hướng phát triển turbine gió trên thị trường ngày nay 24

= CHUONG 3: MÔ TẢ VÀ XÂY DUNG MÔ HÌNH CÁC THÀNH PHANTRONG WECS.3.1 Turbime ØIÓ erect nett en tee cee e ng kh knn ke ke ve các Dl3.2 Kết nối giữa máy phat và tụ điện Udc-link 30

3.2.1 May phát nối đến tải thông qua cau chỉnh lưu không điều khiến 30

3.2.2 Máy phát ni lên tải thông qua cau chỉnh lưu không điều khiến vàmạch khuyêch đại kiêu Chopper 3Ï3.2.3 Máy phát nối đến tải thông qua chỉnh lưu có điều khiến 31

3.4 Tụ kết nối điện áp DC-link cc ccc cee cecenevee các có 323.5 Bộ nghịch lưu phía lưới 33

3.5 May phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) 35

3.5.1 Phương trình toán học mô tả PMSC 35

Chương I Mo dau

3.5.2 Mô phỏng PMSG băng Simulink trong Matlab 36

3.5.3 So sánh kết quả mô phỏng giữa mô hình mô phỏng và PowerSim 37

3.6 Yêu cầu của hệ thông lưới điện -.- . - 41

3.6.1 Điều khiển công suất tác dụng 42

3.6.2 Điều khiển công suất phản kháng 42

3.6.3 nang “lướt” qua sự cố khi có sự cố trên hệ thống lưới điện 42

3.7 Kết luận ¬ een eee eee es 3

= CHƯƠNG 4: KỸ THUAT DIEU KHIEN NGHỊCH LLƯU I PHÍA ' LƯỚI.4.1 Hệ trục tọa độ tham chiếu - - - 44

4.2 Các phương pháp điều khiến bộ nghịch lưu .45

4.2.1 Câu trúc điều khiến theo định hướng véc tơ điện áp lưới 46

4.2.2 Câu trúc điều khiến theo định hướng từ thông ảo 48

4.2.3 Cau trúc điều khiến trực tiếp công suất 49

Õñ5‹ 7 8n a

= CHUONG 5: MO PHONG HT BIEN DOI NANG LUONG GIO CÓ DIEUKHIEN DIEN AP Upc VA CONG SUAT PHAN KHANG.5.1 Xây dựng mô hình Ð25.2 Các thông số mô phỏng -.c.cccccŸccŸccc 28

5.3 Ghi nhận và đánh giá kết quả - - 38

5.4 Kết luận ` MA Ở= CHUONG 6: MO PHONG HT BIEN DOI NĂNG ; LƯỢNG ¢ GIÓ CÓ DIEUKHIEN CONG SUAT TÁC DUNG VÀ PHAN KHANG.6.1 Xây dựng mô hình ccc cee cee cee cee eeeceeseeeeeseeteeveveneses +++ ,666.2 Các thông số mô phỏng - - cc- cee c2 ccccccccccc.cc ÔŸ76.3 Ghi nhận và đánh giá kết quả . - ccc - Ô86.4 Kết luận c cee 22211 cee ces nh nnn nh hy nh nh ky ke nh xác co TT= CHUONG 7: KET LUẬN & DE XUẤTT .-s< -<s << << s2 78= CHUONG 8: TAI LIEU THAM KHẢO 79

Danh sách liệt kê các hình minh họa và mô phông:

Hình 2: Tong dung lượng turbine gió lắp đặt toàn cau trong giai đoạn 1996-2011[Global wind report, nguồn GWEC 2011] - - <-cccc - LÍHình 2.2(a): Biéu đồ tăng dung lượng lắp đặt của turbine gió trên thé giới [Globalwind report, nguồn GWEC 2011] .ccc cà cee cà S2 css xxx 2Hình 2.2(b): Dự báo khã năng tăng dung lượng turbine gió lắp đặt trên toàn cầutrong giai đoạn 2011-2016 [Global wind report, nguồn GWEC 2011] .13Hình 2.2(c): Top 10 quốc gia có công suất và dung lượng lắp đặt turbine gió đếnnăm 2011[Global wind report, nguồn GWEC 2011] - 14

Hình 2.4.1(a): WECS theo cau hình SCIG tốc độ cố định [1] - l6Hình 2.4.1(b): WECS theo cau hình SCIG vận hành ở tốc độ khác nhau [ 1] 17Hình 2.4.2: WECS theo câu hình WRIG [I] - 5 25-22 + E2 2E 3232325251351 Escee 17Hình 2.4.3 (a): WECS theo cau hình DFIG [1] - 1ÑHình 2.4.3(b): WECS theo câu hình BDFIG [I] - - - 18

Hình 2.4.4: Turbine gió với Multi-pole Synchronous Generator []| 19Hình 2.4.5: Turbine gió với Permanent Magnet Synchronous Generator [1] 20

Hình 2.5 Đứng đâu 10 nha sản xuất turbine gid trên thế gidi.[Integrated WindTurbine Design, nguồn: Aalborg University, 2007] 25Hình 3.1.(a) : Đường công hệ số công suất C, và góc Pitch 2 [2] 26Hình 3.1.(b): Đường công liên hệ giữ công suất phat turbine gió ứng với tốc độ giókhác nhau khi góc Pitch 4 = 0” [2] ccc cc eee cà cee cà see sexy eeseressr ees 28Hình 3.1(e): Chiến lược điều khiến công suất phát của turbine gió [2] 29Hình 3.2.1: Máy phát nối lên lưới qua cau chỉnh lưu không điều khiển[3] 30Hình 3.2.2: Máy phát nối với chỉnh lưu kết hợp mạch khuyếch đại áp ngõ ra[3 ] 3 1Hình 3.2.3: May phát nối với chỉnh lưu có điều khiển[3] s57 32Hình 3.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu 2 -©2- SE EE2E2EEEEEEEEEEEE TS re trerikg 33

Hình 3.5.1: Hệ trục tọa độ d-q cho may phát PMSC c2 cccSc2sss2 35

Hình 3.5.2 Mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 36Hình 3.5.3.1(a): Mô hình PMSG — SimpowerSystem với ngõ vào là tốc độ .37

Chương 1 Mở đầu

Hình 3.5.3.1(b) Điện áp trên hai đầu tụ Udc 38

Hình 3.5.3.1(c): Mô hình kết nối PMSG — Simulink và cau chỉnh lưu điod 38

Hình 3.5.3.1(d): Điện áp trên hai dau tụ Udc - 38

Hình 3.5.3.2(a): Mô hình PMSG — SimpowerSystem với ngõ vào là Mô men 39

Hình 3.5.3.2(b): Điện áp trên hai đầu tụ Uạ 39

Hình 3.5.3.2(c): Tốc độ gốc của máy phát Wr (rad/sec.) 40

Hình 3.5.3.2(d): Mô hình PMSG — SimpowerSystem với ngõ vào là Mô men 40

Hình 3.5.3.2(e): Điện áp trên hai đầu tụ Uạc 40

Hình 3.5.3.2(f): Tốc độ gốc của máy phát Wr (rad/sec.) 41

Hình 3.6.3: Yêu cau khả năng kết nối của turbine gió đến hệ thông trong trườnghợp lưới CO SỰ CỐ cee cece cee cee nh nh nh nh nh testes testes sec 42

Hình 4.1: Một số hệ trục tọa độ tham chiếu được sử dụng trong Kỹ thuật điều khiếndidu Véc 0 — &=& CHình 4.2: Các phương pháp điều khiển nghịch lưu phía lưới 46

Hình 4.2.1(a) Sơ đồ khối kết nói bộ nghịch lưu .- - 46

Hình 4.2.1(b) Sơ đồ điều khiển nghịch lưu PWM theo VOC[S] 47

Hình 4.2.1(e): Khối tính toán Ug và U/ - 47

Hình 4.2.1(d): Câu trúc các mạch vòng điều khiển nghịch lưu PWM theo VOC[5].Hình 4.2.2 (a): Sơ đồ điều khiển nghịch lưu PWM theo VFOC[S] 49

Hình 4.2.2(b): Câu trúc các mạch vòng DK nghịch lưu PWM theo VFOC[5] 49

Hình 4.2.3 (a): Sơ đồ điều khiển nghịch lưu PWM theo DPC[5] 5ÖHình 4.2.3(b): Câu trúc các mạch vòng điều khiển nghịch lưu PWM theo DPC 50

Hình 5: Sơ đồ khối mô hình điều khiển Uạ¿&Q :-.- - - 32

Hình 5.1(a): Mô hình hệ thống lưới điện - - - - 33

Hình 5.1(b): Bộ chỉnh lưu .53

Hình 5.1(c): Sơ đồ nghịch lưu 3 pha -.- cc-ccccccc 34

Hình 5.1(d): Sơ đồ kết nối của bộ nghịch lưu và lưới điện 54

Hình 5.1(e): Khối điều khiển Ug, và Q 35

Hình 5.1(f): Khối chuyển đổi abc->dq - c SỐHình 5.1(g): Khối tính toán công suất P và Q 56

Hình 5.1(h): Khối tín hiệu tạo xung kích - - -c - 57

Hình 5.1(k): Mô hình tong thé của HT biến đổi năng lượng gió có điều khiển điệnáp Ug và công suất phản kháng Q Ð8Hình 5.3.1.1: Kết qua mô phỏng khi điện áp Ude đặt 1500V 59

Hình 5.3.1.2: Kết qủa mô phỏng khi điện áp Udc đặt 1700V Ó0Hình 5.3.1.3: Kết qua mô phỏng khi thay đồi điện áp đặt trong quá trình vận 61

Hình 5.3.2.1: Kết qua mô phỏng khi công suất phản kháng Q đặt 200Kvar 62

Hình 5.3.2.2: Kết qủa mô phỏng khi công suất phản kháng Q.„ đặt 550Kvar 63

Hình 5.3.2.2: Kết qua mô phỏng khi thay đổi tốc độ quay của máy phát 65

Hình 6: Sơ đồ khối mô hình điều khiển P&Q phát lên lưới 66

Hình 6.1(a): khối tính toán các thành phần của dòng điện điều khiển 67

Hình 6.1(b): Mô hình tổng thể của HT biến đổi năng lượng gió có điều khiến côngsuất tac dụng P và công suất phản kháng Q @7

Hình 6.3.1.1: Kết qua mô phỏng khi đặt P = 250kW và Q = 150kvar 69

Hình 6.3.1.2: Kết qua mô phỏng khi đặt P = 550kW và Q = 150kvar 70

Hình 6.3.1.3: Kết qua mô phỏng khi P = 750kW và Q = 550kvar 71

Hình 6.3.2.1: Kết qủa mô phỏng khi thay đổi công suất P 72Hình 6.3.2.2: Kết qủa mô phỏng dòng điện, điện áp và công suất phản kháng khithay đôi công suất P cee cà cee 222 222 eee ceases tee nh nhe khe nhe ca xvy các TTHình 6.3.3.1: Kết qua mô phỏng khi thay đổi tốc độ quay máy phát và giữ khôngđối giá trị P= 550kW và Q = 150KVar cằc cà cò cóc cccccc sees TỔHình 6.3.3.2: Kết qủa mô phỏng khi thay đổi tốc độ quay máy phát và giữ khôngđối giá trị P= 750KW và Q=150KVaF CS n cee cà ch hy c7

Chương | Mo dau

Danh sách liệt kê bảng biểuBảng 2.3: Nguồn năng lượng gió và tái tạo sẽ đưa vào vận hành giai đoạn 2011-2020 [nguén: Quyết định số 1028/QĐ-TTg của TTCP -2011 ] 15Bảng 2.4.6: Bang so sánh các cau hình WECS.

Bảng 2.5 Một số nha sản xuất turbine gió công suất trên 2MW [Integrated WindTurbine Design, nguồn: Aalborg University, 2007]

Bảng 3.1: Giá trị các hệ số C¡ đến C¿ [3]

Ký hiệu dùng trong đề cương

PMSGDEIGPWMSVMDCACPIPLLWECS

SCIGWRIGDDB2B

Alternative Current.Proportional Integral Controller.Phase Locked Loop.

Wind Energy Conversation SystemSquirrel care Induction GeneratorWound Rotor Induction GeneratorDirect Drive.

Back to Back.

Mo đâu

Chuong 2

HE THONG BIEN DOI NANG LƯỢNG GIONăng lượng gió là một nguén năng lượng chi phi thấp va vô tận nó là nguồnnăng lượng tiềm năng dé thay thế những nguôn năng lượng dat đỏ và cạn dan mangày nay đang sử dụng như than đá, khí đốt, dầu đốt, thủy năng Ngoài ra với nhucầu cung cấp nguồn năng lượng không ngừng trên toàn thế giới cũng thúc đây việcphát triển của hệ thống biến đổi năng lượng gió Theo số liệu thông kê của hiệp hộinăng lượng gió năm 2011 đã ghi nhận: Tổng dung lượng của turbine gid đã đượclắp đặt trên toàn thế giới là 238,351 gigawatts (GW) tính đến cuối năm 2011 vàchiếm khoảng 3.5% tong công suất tiêu thụ năng lượng điện toàn cau

250,000 [MW] - qiÁ06462464609xzảng 44400605246 d46/0134%08)6600 46 nh N Hggnc ep ait a aa ON al :

„:¡ï : PP mm |SSBADD: 0uino6sos666aotipestoe SogExui222640145459061616536:001605415464408916146362183034G560/28A8/335:30-016044222204A0/4,02ã2assensf m

00.000 . - <.555-7Ặ+<<5.<<<< mm — nal

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 20116100 7600 10200 13600 17,400 23900 31100 39,431 47620 59,091 74052 93,820 120291 158864 19/637 238351

Hình 2: Tổng dung lượng turbine gió lắp đặt toàn cầu

trong giai đoạn 1996-2011 [Global wind report, nguôn GWEC 2011|.

Nội dung của chương này nhăm khái quát lại lịch sử phát triển của năng lượng

điện gió trên thế giới và Việt Nam, sau đó đưa ra một số câu hình của hệ thống biến

đối năng lượng gió (WECS) và cuối cùng là những so sánh và đánh giá về nhữngcâu hình WECS

2.1 Lich sử ứng dụng nguồn năng lượng gió:Việc sử dụng nguồn năng lượng gió có từ rat sớm khoảng 5000 năm trước,trong khi đó việc sử dụng năng lượng gió biến thành năng lượng điện có cách đây

khoảng 3000 năm Dau tiên, năng lượng gió được ứng dụng trong các thuyền buém,côi dã giao, bơm nước [2] va việc sử dụng năng lượng gió dé biến thành năng lượngđiện được phát triển vào đầu những năm thế ký thứ 19 Nhưng trong thời gian đógiá nhiên liệu hóa thạch là rẻ nên việc sử dụng năng lượng gid dé chuyển đổi thànhnăng lượng điện không được hấp dẫn và thu hút Việc nghiên cứu những hệ thốngbiến đổi năng lượng gio thành năng lượng điện bắt đầu trở lại vào năm 1973 do việckhủng hoảng dau trên thé giới Trong thời gian đầu việc nghiên cứu dé tạo ra nhữngturbine và máy phát điện có công suất lớn nhưng do hạn chế về mặt kỹ thuật và chiphí cao cho việc sản xuất nên gây ra những trở ngại đáng kể cho việc phát triển cácturbine gió có công suất lớn.

2.2 Lịch sử phát triển năng lượng điện gió các nước trên thế giới.Ngày nay, năng lượng gió đóng một vai trò quan trọng trong việc pháp triểncác nguồn năng lượng Nhiéu turbine gió được xây dựng dé biến đổi nguồn nănglượng gió thành năng lượng điện Những lợi ích thu được từ nguén năng lượng gióđược tăng lên đáng ké nhờ sự đóng góp của tiễn bộ kỹ thuật thuộc các lỉnh vực cokhí, điện và hệ thông điều khiến Những chính sách hỗ trợ của Chính phủ cũng làyếu tô quan trọng kích thích các nhà đầu tư xây dựng va phát triển turbine gió vàcác hệ thống phụ trợ

Việc phát triển của turbine gió được thé hiện qua việc tăng lên hàng năm dunglượng lắp đặt các turbine gió:

5 Q00cnicceerscestseneersensnrenennnanas Vu vu ca6nhé kưỜ đó satnenssadady (aonrne dey Q83 44A4 Xá»2k,.1040449019536444(0<xê-ke<x42 LG.10.000 : -S Sen mg BI An 001401 là 60111461 648166 410144 0 40080 ti c4 g2 mm

É ĐÀyeusoroonvseogootcestiigoodttanldi4cLExaax ng 277 “ft i: mã m

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 20111280 1530 2520 3440 3760 6500 7270 8133 8207 11531 15,245 19.866 26560 38610 38.828 41236

Hình 2.2(a): Biểu đồ tăng dung lượng lắp đặt cua turbine gió trên thế giới

[Global wind report, nguon GWEC 2011].

Chuong 2 Hệ thong bién đổi năng lượng gió

Từ biểu đồ dung lượng lắp đặt của turbine gió từ năm 1996 đến năm 2011 trênhình 2.2 cho ta thấy: Thị trường turbine gió sự phát triển lớn mạnh trong 15 nămqua đặc biệt là trong những năm gân đây, mức tăng dung lượng lắp đặt hàng nămlớn hơn 28% Ngay thời điểm khủng hoảng tài chính năm 2009 đã ảnh hưởng đếnnên kinh tế của thế giới nhưng mức tăng dung lượng turbine khí lắp đặt là 41.5% sovới năm 2008 [3] Mức độ tăng trưởng phụ tải tiêu thụ cũng van dé có ảnh hưởngnhiều đến việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới do vậy năng lượnggió sẽ hứa hẹn một sự phát triển hơn nữa trong thời gian tới cho những Quốc gia đãvà dang phát trién.

Nguồn năng lượng gió được xem là nguôn năng lượng sạch va vô tận nókhông giới hạn giữa các Quốc gia Trong quá trình pháp triển những năm qua, cáckỹ thuật mới đã được phát triển và ứng dụng trong turbine gió đã minh chứng đượcđộ tin cậy và sẵn sàng đáp ứng các yêu câu thương mại của turbine gió Việc chiếmti trọng đáng kế của turbine gió vào hệ thống năng lượng điện Quốc gia đã khangđịnh sự phát triển năng lượng gió là một giải lâu dai năm trong chiến lược phát triểnnăng lượng Quốc gia

Cùng với những chính sách hỗ trợ của nhiều Quốc gia kết hợp với sự pháttriển công nghệ mới, dự đoán dung lượng lắp đặt của turbine khí lớn hơn 493,33

GW vào năm 2016.

Annual Instzfed capacty growth rate [%!

Cumulative capacity growt

Hình 2.2(b): Dự báo kha năng tang dung lượng turbine gió lắp đặt trên toàn cầutrong giai đoạn 2011-2016 [Global wind report, nguồn GWEC 2011]

Theo số liệu thống kê của hiệp hội năng lượng gió toàn câu 10 Quốc giađứng dau thé giới về công suất lắp đặt mới và tổng dung lượng đã được lắp đặtturbine gió đến năm 2011:

TOP 10 NEW INSTALLED CAPACITY JAN-DEC 2011 TOP 10 CUMULATIVE CAPACITY DEC 2011

Crna best of the won —— ⁄Z” Chena

PortugatCaada

Coumry MW % SHARE Country Mw % SHARE

Chma** 18,000 44 China** 62733 263

USA 6810 Vú UA 46319 197Irxlla 3.018 7 Germarry 29,060 122Germany 2.086 5 Spain 21474 81UK 1,293 31 india 16,084 67

Canada 1267 34 Frarnce** 6,500 2.9

Span 19050 25 Itay 6747 28

Italy 950 3 ur 6540 27

France** 830 z0 Canada 5,26% 22Sweden 763 19 Portugal 4,083

Rest of thewortd 516B 1225 Rest of the world 32,446 146Total TOP 10 36,068 875 Totat TOP 10 205,905 B64

World Totat 41,236 109.0 Worid Total 238,351 100.0

Hình 2.2(c): Top 10 quốc gia có công suất và dung lượng lắp đặt turbine gió

đến năm 2011[Global wind report, nguồn GWEC 2011].Từ số liệu trên ta thay Trung Quốc là Quốc gia đứng dau trong việc lắp đặtmới turbine gió chiếm 44% công suất lắp đặt trên toàn cau, tiếp theo là Mỹ quốc giađứng thứ 2 về dung lượng lắp đặt mới chiếm 17% Bảng số liệu cũng cho chúng tathấy các Quốc gia có nên kinh tế phát triển như Trung Quốc, Mỹ, An độ, Đức đềucó tỷ trọng việc sử dụng năng lượng gió trong việc biến đổi thành năng lượng điện.2.3 Sự phát triển năng lượng điện gió tại Việt Nam

Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió

vẫn còn là một lĩnh vực mới mẻ Mọi thứ thuộc lĩnh vực này đêu ở bước khởi đâu,

Chương 2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió

các văn bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức về lĩnh vựcnày còn ở mức rât hạn chế Tính đến tháng 2/201, mới chỉ có 20 turbine với côngsuất 1.5MW/turbine được lắp đặt, trong đó 12 turbine được đưa vào hoạt động vàphát điện lên lưới điện Quốc gia Tuy nhiên đứng trước nhu cau sử dụng điện ngàycàng cao cũng như phải đối mặt với van dé an ninh năng lượng va môi trường thìviệc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng sạch, trong đó có điện gió cũng bắtđầu được quan tâm.

Trong năm 2009-2010, Bộ Công thương xây dựng “ Chiến lược và Quyhoạch Tổng thể cho Năng lượng Tái tạo ở Việt Nam đến năm 2015 có tính đến2025” Theo quy hoạch này, ở kịch bản cao, năng lượng tái tạo sẽ chiếm khoảng 5%

trong tong lượng điện tiêu thu điện sơ cấp

Vào thang 8/2010, Bộ Công thương tổ chức hội thảo “ Quy trình về quản lýdau tư xây dựng công trình điện gió ở Việt Nam” Quy định nay dé cập đến: (i)Quy hoạch phát triển điện 210; (1) Trình tự, thủ tục, tiêu chí lựa chọn chủ đầu tư vàchuẩn bị dự án đầu tư; (iii) Thực hiện dự án dau tư va (iv) Chính sách, cơ chế ưuđãi, hỗ trợ đối với hoạt động đầu tư xây dựng và vận hành các công trình điện gió

tại Việt Nam.

Mới đây, vào ngày 21/7/2011 Thủ Tướng Chính Phủ đã ra quyết định số1028/QĐ-TTg về việc “Phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn2011-2020 có xét đến năm 2030” Theo quyết định này số liệu của nguồn điện năng

lương lượng gió đưa vào vận hành giai đoạn 2011-2020 như sau:

Năm 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020Điện gió và

năng lượngtái tạo khác

30 100 | 130 | 120 | 150 | 200 | 200 | 200 | 230 | 300MW | MW | MW | MW | MW | MW | MW | MW | MW | MW

Bảng 2.3: Nguôn năng lượng gió va tái tạo sẽ đưa vào vận hành giai đoạn

2011-2020 [nguén: Quyết định số 1028/QĐ-TTg của TTCP -2011 ]

Đến thời điểm này hơn 30 dự án công suất hơn 3.000MW đang trong giaiđoạn chuẩn bị, một số đã nhận được giấy phép đầu tư Ngoài ra một số nhà sản xuấtcung cấp turbine có tên tudi trên thế giới đã có mặt ở Việt Nam như GE, Gamesa,Fuhrlaender, Nordex, Vestas, ImPSA Trong đó Ge đã có nha máy sản xuấtturbine với tổng vốn đâu tư là 61 triệu USD ở Hải Phòng và Fuhrlaender nhà cungcấp turbine cho trang trại gió dau tiên ở Việt Nam cũng cam kết mở nha máy sảnxuất cánh turbine và lắp ráp turbine ở Bình thuận.

Thị trường turbine điện gió ở Việt Nam cũng như những quốc gia đang pháttriển trên thé giới sẽ hứa hẹn là một thị trường đây tiền năng trong những năm tới.2.4 Một số cau hình của hệ thong biến đối năng lượng gió (WECS):

Hệ thống biến đồi năng lượng gió được kết nỗi bởi các thành phân khác nhauchính gồm: Turbine gió, gearbox, máy phát điện, bộ biến đổi điện tử công suất Tùytheo đặc thù và tính chất khác nhau của các thành phan trong hệ thống WECS machúng ta có các câu hình khác nhau Sau đây là một số cầu hình đã được sử dụngtrong hệ thống biến đồi năng lượng gió:

2.4.1 Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG)

May phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) có cau tạo đơn giản,chắc chắn và giá thành tương đối thấp Máy phát không đồng bộ nối trực tiếp lênlưới như thể hiện trong hình 2.4.1 với máy phát điện không đồng bộ nên việc sửdụng bộ chuyền đổi tốc độ (gearbox ) là can thiết để đồng nhất tốc độ của máy phátvà turbine Gian tụ bù và bộ khởi động mém cũng cân phải trang bị cho hệ thống.Tốc độ và công suất cũng được giới hạn nhờ việc điều khiển hướng cách và hướng

của turbine.

Hình 2.4.1(a): WECS theo câu hình SCIG tốc độ có định [1]

Chương 2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió

Dai thay đổi tốc độ của cấu hình kiểu nay là (1-2)% Hiện có một số turbine giódựa trên cấu hình SCIG nhưng tăng điện trở của rotor nên dai tốc độ có thể thay đôi(2-3) % Nhưng dù sao với câu hình trên đều hoạt động ở tốc độ không đổi vàkhông phù hợp cho loại turbine gió có công suất cao hoặc turbine gió đặt những nơicó tốc độ gió thay đôi.

Với cau hình SCIG nay, ngày nay người ta đã cải tiễn băng việc thay thé tụ buvà bộ khởi động mém băng bộ biến đổi điện tử công suất 120% công suất máy phát

Băng việc cải tiên này chúng có thê vận hành ở tôc độ khác nhau.

GridGearbox Converter

SCIGHình 2.4.1(b): WECS theo cấu hình SCIG vận hành ở tốc độ khác nhau [1].Theo cấu hình nay, Siemens đã san xuất va lưu hành trên thị trường mã hiệu sảnphẩm Bonus 107-3.6MW

2.4.2 Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn (WRIG)Hệ thống biến đổi năng lượng gió này sử dụng máy phát không đồng bộ va rotordây quan với kha năng vận hành với tốc độ thay đối như thé hiện trong hình 2.4.2

Resistancecontrol by PEC

Hình 2.4.2: WECS theo cau hình WRIG [1]Trong cau hình WRIG điện trở của rotor có thé thay đôi băng cách sử dụng bộthay đổi điện trở bên ngoài PE Thông qua việc thay đổi điện trở rotor nay maturbine ø1ó có thể làm việc được khi tốc độ thay đổi trong khoảng 10% so với tốc độđịnh mức Khi vận hành bình thường điện trở của rotor là thấp nhưng khi tốc độ gió

cao điện trở của rofor tăng lên.

2.4.3 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

Grid

Gear=e „⁄ „⁄ @2

DFIGHinh 2.4.3 (a): WECS theo cau hinh DFIG [1].Trên hình 2.4.3(a) cho thay cấu hình máy phat điện không đồng bộ nguồn kép(DFIG) và bộ biến đổi điện tử công suất dùng để kết nói rotor đến lưới Với câuhình này nó có thể mở rộng được phạm vi tốc độ hoạt động của turbine gió màkhông ảnh hưởng đến hiệu suất Lý do điều khiến tốc độ mà không mắt hiệu suất làdo một lượng công suất cấp ngược về lưới qua bộ converter thay vì tiêu tán trênđiện trở của rotor Chú ý răng lượng công suất định mức của bộ biến đổi công suấtlà s.Pnem trong đó s là hệ số trượt va Prom là công suất định mức của máy phát Hệ sốtrượt có thể âm hoặc dương do vậy công suất rotor có thể âm hoặc dương Ví dụ,nếu lượng công suất của bộ converter là 10% lượng công suất của máy phat, daiđiều khiến tốc độ là từ 90% đến 110% tốc độ đồng bộ Nghia là khi turbine gió đạt110% thì s= - 0,1 và công suất từ rotor cấp lên lưới ngược lại khi tốc độ turbine giólà 90% thì hệ số trượt là s = + 0,1 nên 10% công suất từ lưới sẽ cung cấp cho rotorqua bộ converter Với những đặc tính đó cấu hình DFIG được sử dụng nhiều hơncâu hình WRIG

Trong cau hình đã nêu trên đều sử dụng máy phat không đông bộ rotor dây quannên việc kết nối đến rotor qua cổ góp và chổi quyét Vành trượt và chổi quyét là

nguyên nhân gây ra vân đê cơ khí và tôn thât vê điện.

Grid

Gear V774 Lik )Box ( ) 777 “77 AC,

BDFIG

Hình 2.4.3(b): WECS theo cau hình BDFIG [1]

Chuong 2 Hệ thong bién đổi năng lượng gió

Để giải quyết van dé trên một giải pháp được thay thế là Brushless Doubly FedInduction Generator (BDFIG) như thể hiện trên hình 2.4.3(b) Trong sơ đỗ này cuộnday stator cuộn dây chính được nối trực tiếp lên lưới, và cuộn dây phụ 03 được nốilên lưới thông qua bộ chuyển đổi PE Băng cách điều khiển thích hợp cuộn dây phụnó có thé điều khiển máy phát điện không đồng bộ ở mọi tốc độ khác nhau Trongcầu hình này sự phân chia công suất phát được xử lý trong bộ converter.

2.4.4 Máy phát điện đồng bộ nhiều cực (Multi-Pole SG)Thuận lợi của việc sử dụng máy phat đồng bộ là không cần gear-box trong cauhình turbine gió Để kéo trực tiếp máy phát cân phải có bán kính lớn để tạo ramoment lớn Không thé sử dụng máy phát điện không đồng bộ trong cấu hìnhkhông có gear- box do tốn thất kích từ rất là lớn trong những máy điện lớn do cókhe hở không khí lớn Tuy nhiên máy phát điện đồng bộ có thể kéo trực tiếp turbinegió không can gear-box va rotor có cau trúc là cuộn dây kích từ hay nam châm vĩnh

cuu.

Multi-pole SG Ì |iref Qref

Hình 2.4.4: Turbine gió với Multi-pole Synchronous Generator [1]

2.4.5 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet SG)Hệ thống tryén động trực tiếp với kích từ là nam châm vĩnh cửu Ngày xưa vớicau hình trên có giá thành cao, do giá của vật liệu nam châm dat Tuy nhiên ngaynay VỚI Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật giá thành của Nam châm vĩnh cửu khôngcòn là van dé va kha năng về từ tính của nam châm cũng được cải thiện đáng kẻ

Ngày nay đã có một số nhà sản suất turbine khí theo câu hình PMSG và có côngsuất lên tới SMW Tat cả các cầu hình trong loại 3 này có một đặc điểm chung là dédàng điều khiến công suất vô công và hữu công giữa lưới và máy phát một cách dễdàng và nhanh Máy phát được cách ly với lưới điện qua tụ liên kết một chiêu

Hình 2.4.5: Turbine gió với Permanent Magnet Synchronous Generator [1].

2.4.6 So sánh các cau hình của hệ thong biến đối năng lượng gióBảng so sánh tổng hợp các cau hình của WECS:

Cau hình Ưu điểm Nhược điểm

+ Đây là máy điện trước đây rất |" Kết câu cơ khí, độ tin cây và bảophố biến, khối lượng trên 1 đơn vị | trì:

kW là thấp, đường kính bên ngoài | + Phải trang bị thiết bị truyền độngnhỏ (có số đôi cực thấp) do vậy chi | gearbox

phí thấp = Chất lượng điện năng:+ Kết câu cơ khí đơn giản, cau trúc | + Nối trực tiếp với lưới.chắc chắn + Tự động tách khỏi lưới khi có

nhiễu loạn nhỏ trên lưới Chúng

không có khã năng “ lướt “ qua sự

+ Không thé điều khiến tốc độ, chi

thay đôi số cap cực nên tốc độ thayđối theo

+ Tốc độ turbine không thay đổi

Chương 2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió

nên không tôi ưu công suất phát về

mặt khí động học.

+ Khi có những biến động tốc độ

gió làm ảnh hưởng trực tiếp đến mômen điện tư (không có điều khiếngiao động) Do vậy gây ứng suất cơ

khí và gây lão hóa lên các bộ phận

của hệ thống

DFIG

" Gia thành:

+ Khối lượng trên 1 đơn vị kW là

thấp, đường kính bên ngoài nhỏ (cósố đôi cực thấp) do vậy chi phíthấp

+ Bộ biến đổi điện tử công suất nhỏ(khoảng 30% công suất định mức),

do vậy có giá thành rẽ hơn loại

truyền động trực tiếp (DD).+ Câu trúc phức tạp hơn SCIG= Chất lượng điện:

+ Điều khiển được công suất phản

kháng, do vậy cải thiện được điện

áp trên lưới kết nối Tuy nhiên chỉgiới hạn 30% công suất định mức.= Diéu khiển:

+ Dfig hoạt động trong phạm vi

tốc độ thay đôi rộng thường khoãng30% tùy thuộc vao bộ biến tan

+ Khi tốc độ gió thay đổi không

làm ảnh hưởng nhiêu đên mômen

= Kết câu cơ khí, độ tin cây và bảo

trì:

+ Phải trang bị thiết bị truyền động

gearbox do vậy đây cũng là nguồngây nên sự cô

+ Kết nối giữa rotor va stator qua

vòng trượt do vậy phải thường

xuyên bảo trì và thay thế.= Chat lượng điện năng:

+ Nối trực tiếp với lưới

+ Theo yêu cau kết nối của lưới,

Dfig phải có kha năng “lướt” qua

sự cô do vậy chiến lược điều khiểncủa Dfig tương đối phức tạp

+ Khi trên lưới có sự cố, dòngstator va Rotor tăng cao can thiếtphải trang bi thiết bi bảo vệ bộ điệntử công suất

+ Khi vận hành lưới có tần số khác

nhau thì phải thay đôi gearbox

EESG

= Kết cau cơ khí, độ tin cây va bảo

trì:

+ Không cần gearbox do vậy có độ

tin cây cao, không gây tiêng ôn, chiphí thâp.

= Chất lượng điện năng:+ Bộ biến đổi điện tử công suất có

khã năng điêu khiên linh hoạt việcthu phát công suât tác dụng và phảnkháng do vậy đảm bảo chât lượngđiện năng phát lên lưới.

+ Khi vận hành lưới có tần số khác

nhau không cân phải thay đôigearbox.

+ Cách ly với lưới điện qua bộ biến

đôi điện tử công suat 100% côngsuât, do vậy không ảnh hưởng đênmáy phát khi trên lưới có nhiêuloạn.

= Diéu khiển:

+ Bộ điều khién có kha năng làm

việc trong phạm vi thay đôi tôc độcủa gió khác nhau do vậy tôi ưuđược công suat phát cua turbine210.

+ Tan độ va độ lớn của điện áp là

hoàn toàn điêu khiên qua bộ biênđôi.

+ Từ thông kích từ cũng được điềukhiển do vậy giảm thiểu ton that ởnhưng khoảng công suất phát khác

nhau.

" Gia thành:

- Khối lượng trên 1 đơn vị kW làcao, kích thước lớn do bồ trí nhiều

đôi cực trên stator.

- Bộ converter công suất 100% P

định mức nên giá thành cao.

- Cầu trúc tương đối phức tạp.= Kết cau cơ khí, độ tin cây và bảo

Chương 2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió

tin cậy khi vận hành, chi phí thấp | trên stator nên giá thành cao.và không gây tiếng ôn - Bộ converter công suất 100% P+ Không gây ton thất nhiệt do rotor] định mức nên giá thành cao.

là nam châm vĩnh cửu " Kêt câu cơ khí, độ tin cây va bảo" Chat lượng điện nang: trì:

+ May phát nối lên lưới thong qua) -Mất từ tính khi nhiệt độ cao.bộ converter 100% công suất nên| - Kích thước lớn nên khó khănPMSG cách ly hoàn toàn khi trên | trong vận chuyển và lặp đặt.lưới có sự cố

+ Không can thay đổi khi vận hành

với lưới có tân số khác nhau.+ Không can nguôn phụ bên ngoàicung cấp cho kích từ

+ Bộ biến đổi điện tử công suất có

kha năng điêu khiên linh hoạt việcthu phát công suât tác dụng và phảnkháng do vậy đảm bảo chât lượngđiện năng phát lên lưới.

= Bộ điều khiển: có khã năng làm

việc trong phạm vi thay đôi tôc độcủa gió khác nhau do vậy tôi ưuđược công suât phat cua turbine210.

+ Tần độ va độ lớn của điện áp là

hoàn toàn điêu khiên qua bộ biên

đôi

Bảng 2.4.6: Bảng so sánh các câu hình WECS2.5 Chiều hướng phát triển thị trường turbine gió:

Trong những năm gan đây, công suất phát định mức của turbine gió lên tớiSMW, những nhà san xuất như Enercon của Đức, Vestas của Đan Mạch, Repowercủa Đức và Multibrid của Đức Một số nha sản xuất lại sản xuất những dòng turbinecông suất quanh mức 2MW như Nordex và Dewind của Đức, Ge wind của Mỹ,Gamisa và Ecotecnia của Tây ban nha, Suzlon của An độ, Zephyros và Mitsubishi

của Nhật Phần lớn đều sử dụng với câu hình turbine gió có Gearbox trong sảnphẩm minh Theo kết quả khảo sát năm 2004, phân lớn của thị trường turbine gió làsự đóng góp đáng kể của câu hình DFIG với bộ truyền động bang gearbox nhiềutang, hai công ty là Multibrid và Winwind sử dụng câu hình PMSG với bộ truyền

động gearbox một tâng, DeWind lại sử dụng cầu hình EESG với bộ truyền động 2

tầng va gearbox thủy lực và cudi cùng là Enercon, Zephyros và Mitsubishi sử dụngcâu hình EESG và PMSG

Drive train Generator Type Power / Rotor diameter / Speed Manufacturer

4.5MW / 120m / 14.9 rpm Vestas5 MW / 126m / 12.1 rpm Repower25MW / 90m / 14.85 rpm NordexDFIG 3.6 MW / 104m / 15.3 rpm GE

Multiple-stage 2 MW/ 90m / 19rpm Gamesa

gearbox 3 MW / 100m / 14.25 rpm Ecotecnia

2 MW / 90m / 20.7rpm DeWindSCIG 3.6 MW / 107m / 13 rpm SiemensWRIG 2 MW/ 88m/ rpm SuzlonPMSG 2xMW / 88m / 16.5rpm GE

Bảng 2.5 Một số nhà sản xuất turbine gió công suất trên 2MW

[Integrated Wind Turbine Design, nguôn: Aalborg University, 2007|

Dé thay được tính ưu việt của các cau hình khác nhau của turbine gió, biểu đồthống kê các sản phẩm về turbine gió đã được bán ra của 10 công ty hàng đầu trênthị trường thế giới năm 2004 như sau:

Chương 2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió

*® World market : 100%* Top 10 manufacturers : > 95%

- Induction G + gearbox : 70%- DFIG + gearbox : 55%* Direct-drive generator system : < 20%

- Direct-drive EESG : > 15%

- Direct-drive PMG : < 5%

Hinh 2.5 Dimg dau 10 nha san xuat turbine gid trén thé gidi

[Integrated Wind Turbine Design, nguôn: Aalborg University, 2007|

2.6 Kết luận:Việc lắp đặt những turbine gió ngày càng tăng, đặc biệt đối với những nước pháttriển có nên công nghiệp hiện dai thi sản lượng điện từ nguồn năng lượng này chiếmty trọng đáng ké trong sản lượng điện của mình

Từ những phân tích ở trên ta thấy với cấu hình DFIG được sử dụng nhiều trongnhững năm trước đây, và sau đó là mô hình EESG và cuối cùng là PMSG Nhưngngày nay chiều hướng lại thay đổi do các van dé khó khăn trước đây đã được giảiquyết như điều khiển các bộ điện tử công suất, giá thành các bộ PE giảm, giá thànhnam châm vĩnh cửu giảm và có kha năng lưu từ lớn và lâu dài Ngoài ra, cau hìnhPMSG có một số ưu điểm so với mô hình DFIG là hiệu suất cao hơn, có kha năngđiều khiển dé dàng hon, không cần cap nguồn vô công cho máy phát so với DFIG

cùng công suât và không cân gear-box trong câu hình.

Chương 3

MÔ TẢ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNHCÁC THÀNH PHAN TRONG WECSHệ thông chuyển đổi năng lượng gió được cấu trúc từ những thành phan chínhnhư turbine gió (wind turbine), thiết bị truyền động (train drive), máy phát, bộ biếnđồi điện tử công suất và hệ thống điều khiển như được minh họa trên hình 3.1

Blades | (not always) '

Primary Conversion Conversion Electrical Grid

Hình 3: Sơ đồ khối của WECS [1]= Bộ chuyền đổi sơ cap (Primary conversion): Ở đây là turbine gió, nó sẽ nhận

năng lượng từ gió bang những dao được thiết kế hop lý về mặt khí động họcdé biến thành năng lượng cơ làm quay turbine Dé đạt hiệu suất cao turbinegió thường được thiết kế 3 dao và có thể điều khiển để thay đổi khả năng

hứng gió ở những mức khác nhau.

= Hệ thông truyền động (Train drive): Ở đây là gearbox, nó là bộ chuyển đổitốc độ năm giữa turbine gió và máy phát tuy nhiên tùy theo cau hình magearbox có thé có hay không

= Máy phat (generator): Tùy theo cau hình khác nhau mà người ta sử dụng loạimáy phát khác nhau như: máy phát đồng bộ hay không đồng bộ Đối với máyphát đồng bộ thì kích từ có thể là cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu còn đốivới máy phát điện không đồng bộ thi rotor lòng sóc hay rotor dây quan.= Bộ biến đổi điện tử công suất (Power electronic converter); Bộ chuyển đổi

công suất năm giữa máy phát và lưới điện Công suất có thé phát nhận theo02 hướng và phụ thuộc vào cấu hình ứng dụng của turbine khí Có 03 yếu tổ

Chương 3 Xây dung mô hình các thành phần trong WECS

cần xem xét khi sử dụng bộ biến đổi công suất là: độ tin cậy, hiệu suất và chỉphí Do vậy xu hướng phát triển của các câu hình turbine gió cũng thay đổi

Ä= wR

Pw (3.3)

Hệ sô công suât C, được mô tả theo biêu thức sau :

~C5

C„(A,B) = cy (2 — cs — cạ)e Ai + CcạÄ

(3.4)Trong đó :

1_ 1 0035

À¡ A+0.08B Ø3+l1 (3.5)

Các hệ số C¡ đến C¿ được xác định như trong bảng (3.1), cũng từ những hệsố nảy người ta đã vẽ nên những đường công C, như trong hình 3.1(a) qua đườngđường nay chúng ta có thé xác định được hệ số công suất lớn nhất ứng với gốc ƒ.Như hình vẽ giá trị C, có giá trị cực đại là 0.48 lúc này tỉ số A„p, tối ưu được xácđịnh théo biểu thức (3.4) và lúc này góc Pitch lúc này =0

Cy Ca Ca Ca Cs Ca

0.5176 116 0.4 5 21 0.0068

Bảng 3.1: Giá trị các hệ số C¡ đến C¿ [3]

Ứng với mỗi tốc độ 210 ta xác định được hệ số công suất C, đạt gia tri cực

dai, nghia la tng voi mỗi tốc độ ØIÓ ta CÓ thể chọn ra một điểm cho turbine vậnhành được thu được công suất cơ lớn nhất và từ đây cũng là mục tiêu của hệ thốngđiều khiển turbine có tên là maximum power point tracking MPPT

0.5 | | | | | | | | |

a en eon? 74

0.1

Hình 3.1.(a) : Đường công hệ số công suất C, và góc Pitch A [2]

Chuong 3 Xây dung mô hình các thành phan trong WECS

Pr(pu) Pitch angle = 0°

0.4

0 — 02 0.4 0.6 08 Øwmr 1 ør(pU)

Hình 3.1.(b): Đường công liên hệ giữ công suất phát turbine gió ứng

với tốc độ gió khác nhau khi góc Pitch 2.= 0° [2]

Trong vận hành thực tế, việc điều khiển công suất của turbine 210 được chiathành 4 vùng dựa vào sự thay đổi tốc độ của gió như trong hình 3.2 (c)

- Trong vùng | gió thay đôi tốc độ từ không cho đến vận tốc Cut-in ( Vin) đâytốc độ lớn nhất ma cũng không có thé làm quay turbine gió, năng lượng thu đượctừ turbine gió không đủ thăng nỗi môment quán tính của rotor và lực cản của masát và lúc này turbine van đứng yên và chưa kết nỗi đến lưới

- _ Trong vùng 2, tốc độ gió năm trong khoảng giữa của V;„ và tốc độ định mức

của turbine Virateq Khi vận hành trong vung này máy phat được kéo bởi turbine

gió và kết nối với lưới điện, lúc này chiến lược MPPT được sử dụng dé điềukhiển turbine

- Trong vung 3, tốc độ của turbine gió lớn hơn tốc độ định mức Đề khai tháchoàn toàn năng lượng phụ thuộc vào kha năng của turbine, hệ thống điều khiểnnhăm turbine đạt được công suất định mức

- Trong vùng 4, tốc độ của turbine 210 lớn hơn tốc độ cut-out Voy Ở tốc độgió này dé gây hư hỏng cho thiết bị nên người ta đã tách turbine gió ra khỏi hệthống và không cho vận hành

Khi điều khiển turbine gió theo chiến lược MPPT, tốc độ của turbine được

điêu khiên nhăm thu được hệ sô công suât C, đạt gia trị lớn nhât, dựa vào hệ sô

nay ta xác định được tỉ số Aop, tối ưu như xác định trên hình 3.1(a) sau đó tính

toán tôc độ vận hành của turbine gió theo biêu thức (1.6).

AoptUw€) —= ——

opt R (3.6)Trong đó Wop: là toc độ tôi ưu dé turbine gió nhận được năng lương lớn nhatcó thê.

3.2.1 Máy phát nối đến tải thông qua cầu chỉnh lưu không điều khiến:

Cầu chỉnh lưu diod là thiết bị phố biến trong các hệ thông điện tử công suất.Câu hình đơn giản và không cần những thiết bị điều khiển phức tạp Tuy nhiên, khisử dụng cau chỉnh lưu sẽ phát sinh ra sóng hài trên phía xoay chiều và dòng côngsuất chỉ đi theo một chiều từ phía xoay chiều sang phía DC Để điều chỉnh điện ápphía DC-link qua việc điều khiến trực tiếp tại máy phát PMSG bằng cách thay đổitốc độ quay của máy phát

DIODE GRID SIDE

Hình 3.2.1: Máy phát nối lên lưới qua cau chỉnh lưu không điều khiển[3]

Chương 3 Xây dung mô hình các thành phần trong WECS

3.2.2 Máy phát nối lên tai thông qua cầu chỉnh lưu không điều khiến và mach

khuyếch đại kiểu ChopperĐề khắc phục nhược điểm của câu chỉnh lưu không điều khiển, một số kỹthuật đã được dé xuất Trong đó bộ khếch đại băng Transitor là một giải pháp.Không giống như bộ chỉnh lưu, điện áp ngõ ra của mạch này sẽ có giá trị lớn nhấtcó thé, trong khi đó ngõ ra của mạch chỉnh lưu thường nhỏ hôn nguôn cung cấp

DIODE : GRID SIDECHOPPER : ômRECTIFIER CONVERTER

ĩ 1Ï

GENERATOR SIDI GRID SIDI

CONTROI CONTROI POWERGRIDHình 3.2.2: Máy phát nối với chỉnh lưu kết hợp mạch khuyếch đại áp ngõ

ra[3].

Nhiém vu cua mach khuyéch dai transitor:

1 Điều khiển dòng phía AC trở nên sin hơn và hệ số công suất là 1.2 Điều khiến điện áp Uy, -link, thường giá trị này có thé lớn hơn điện áp cực

đại trên hai pha.

Tuy nhiên cũng giống như cấu trúc trên trào lưu công suất đi theo một chiều từphía máy phát đến tải Nhưng dù sao với cấu trúc này có ưu điểm so với câu trúctrên chỉ có mạch chỉnh lưu điện áp, điện áp ngõ ra Uạc-link của cấu trúc nay tươngđối băng phẳng nhờ việc ứng dụng kỹ thuật điều khién PWM cho transitor và độ lớncủa điện áp Uy, cũng có thể điều khiển không cần thay đổi tốc độ của máy phát nhưcau trúc trên

3.2.3 May phát nối đến tải thông qua chỉnh lưu có điều khiến:Với cau hình này cho phép trảo lưu công suất đi theo hai chiều Điện áp Uạc-link cao hơn điện áp cực đại của hai pha Nhờ việc điều khiển nên điện áp phía AC

càng gân với dạng hình sin và hệ sô công suât gan bang mot.

Nhược điểm chính của câu hình này là cầu thiết phải trang bị hệ thông điềukhiến phức tạp và ton thất khi tan số đóng/ngắt cao.

MACHINE SIDE GRID SIDECONVERTER CONVERTER

+4 mal < —(CÖ}ÈZ—if 1Ï

MACHINE SIDI GRID SIDI POWERCONTROL CONTRO! GRID

Hình 3.2.3: Máy phát nồi với chỉnh lưu có điều khién[3]

Nhận xét:

Trong 3 cấu hình nêu trên, mỗi cau hình có nhưng ưu nhược điểm riêng Décó chất lượng điện năng tốt việc chọn lựa câu hình sử dụng chỉnh lưu có điều khiển,nhưng với câu hình đơn giản và chắc chắn và có khả năng điều khiển dòng côngsuất tác dụng và phan kháng phát lên lưới giá thành đầu tư thấp nên chọn câu hìnhchỉ có cau chỉnh lưu Trong luận văn này chon cấu hình kết nỗi máy phát đến tụđiện thông qua cau chỉnh lưu không điều khiến, việc điều khiển trào lưu công suấtthông qua việc điều khiển bộ biến đôi nghịch lưu phía lưới

34.3 Tu DC-link:Tụ điện DC-link đóng vai trò như một kho lưu tru năng lượng trung gian, nó

tách biệt hai bộ converter phía máy phát và converter phía lưới Việc truyền côngsuất tác dụng từ máy phát đến lưới được thực hiện thông qua DC-link và việc truyềnnày được chỉ khi điện áp này không thay đổi Nếu bỏ qua tôn thất trên bộ converterthì công suất phía AC băng công suất phía DC

Pac = Ppc = Vac-lac (3.7)

Trong quá trình van hành ổn định không có tồn that trên tu DC-link, công suấttức thời trên phía DC phải băng công suất tức thời trên phía AC Trong một thờiđiểm nào mat cân băng công suất trên hai phía xảy ra, sự chênh lệch công suất giữa

2 phía cua tụ DC-link và làm dao động điện áp trên tu lúc này dòng di qua tụ là:

I, = Cg, (đUa¿/đt) (3.8)

Chuong 3 Xây dung mô hình các thành phan trong WECS

Điều này làm cho công suất hai phía cân bằng trở lại.Dòng qua tụ DC-link là không liên tục, nó dan/tat tùy theo tan dé đóng/mở củabộ converter, điều này gây ra điện áp nhấp nhô trên tụ DC-link Độ nhấp nhô củađiện áp phải đủ nhỏ để nó thực sự là một hang số trong chu kỳ đóng ngắt.

Độ nhấp nhô điện áp càng nhỏ yêu cầu tụ điện cảng lớn, khi tụ có điện dunglớn thi nhằm đáp ứng chậm với sự thay đồi điện áp đồng thời dòng qua tụ nhỏ nênkéo dài tuổi thọ của tụ Nói một cách khác, khi tụ có điện dung nhỏ nên thay đôinhanh khi điện áp thay đổi do vậy gây nên điện áp nhấp nhô và dễ bị hư sau một

thời gian làm việc Việc chọn lựa điện dung của tụ điện cần phải can nhac giữa độ

nhấp nhô điện áp, tuổi thọ của tụ và khả năng điều đáp ứng nhanh của tụ DC-link.Theo kinh nghiệm về việc chọn kích thước của tụ điện theo công thức sau:

- Sy (3.9)

U pe AU po.2.0,

DC

Trong đó : - Cạ¿: Điện dung tụ điện DC-link.

- Ư„„ : Điện áp DC-link trung bình

- AUpc : Độ nhập nhô cho phép.- S„ Công suất biéu kiến của bộ converter.- Me: tần số lưới điện

3.4 Bộ nghịch lưu phía lưới:

Mạch tương đương cua bộ nghịch lưu như minh họa trên hình 3.4 Day là

mạch nghịch lưu 3 pha với 6 phan tử bán dẫn (IGBTs) Trên mỗi pha gồm 02 phần

Trong sơ đồ nghịch lưu các biến S,, S, và S, dùng để diễn tả trạng tháingat/dan của các phan tử bán dẫn Nếu S = 1 thì IBGT đang dẫn và ngược lại nếuS=0 thi IBGT đang ngắt do vậy tại một thời điểm thi có 1 dẫn và 1 ngắt Điện áptrên ngõ ra Ug, phụ thội vào việc đóng ngắt của 6 IBGTs và được tinh theo biểu

thức:

User Upc 2 sử =i `

U,, = M -1 2 -I/X/S,1 >

L7 7 -l -1 2 Ss.ae = (3.10)va

3.5.1 Phương trình toán học mô tả PMSG:

May phát điện kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là một dạng đặc biệt của

máy phát động bộ với từ thông kích từ không đôi Dé đơn giản trong mô hình mô tamáy phát điện đồng bộ ta xem PMSG đã xây dựng dựa trên các giả thuyết:

- Sw phân b6 các cuộn dây trên stator theo câu trúc dang sin.- Anh hưởng của hiện tượng từ tré và bào hòa được bỏ qua.- Cuộn day stator là đối xứng

- Khong xem xét sự hiện diện cuộn dây Damping.

- _ Điệ trở stator là không thay đổi.Đề thuận tiện cho việc mô phỏng PMSG sau này, chọn hệ trục tham chiếu d-q để biểu diễn cho điện áp ngõ ra của máy phát, trong đó trục d trùng với từ thông

của nam châm vĩnh cửu và quay cùng tôc độ với tôc độ đông bộ.

Chương 3 Xây dung mô hình các thành phần trong WECS

fy axis

` Bis a-axis

G-OXIS x Ũ

2 ñXIS

Hình 3.5.1: Hệ trục tọa độ d-q cho máy phát PMSG

Biểu thức điện áp viết trong hệ trục d-q như sau:

Thay các gia tri Agq Va Àsạ vào biểu thức trên ta có:

Từ các phương trình (4.4), (4.5), (4.8) và (4.9) ta xây dựng mô hình PMSG như sau:

Trong đó mô hình trên sử dụng 1 khối subsystem để chuyển đổi điện áptrong hệ trục abc sang hệ trục d-q và 1 khối subsystem để chuyển dòng điện từ hệtrục d-q trở về hệ trục abc

Khối Fen dùng để tính toán dong iy, trong đương với biểu thức:

Vea = đu + Lea = 7 Onl sg Le, => di,g/dt — (1/Lsa)(Vsa- Rela + Mmlsq L sq)

Khối Fen1 dùng để tính toán dong i,, tương đương với biểu thức:

Lag

Vụ = Rig +Lsử 1 @ „1u + Om => Agg/dt =(1/Lgg)(Vsq- Redsd - Omisd Ld -OmW)

Khối Fcn2 dùng dé tinh toán dòng mômen điện từ của máy theo (3.19)

Chương 3 Xây dung mô hình các thành phần trong WECS

P3 "

Lon = 2.2 thụ 4 Từ XE —VI ))

3.5.3 So sánh mô hình PMSG đã xây dựng với mô hình PMSG trong thư viện

SimPower - System của Matlab:

3.5.3.1 Truong hop dau vào của máy phát vận tốc gốc không thay đổi W, = 2.6

rad/second:» Sử dụng PMSG trong thư viện Simpowersystem cua Matlab:

* Thông số mô phỏng trong sơ dé:1 Công suất định mức: Pam = 750kW;2 Tốc độ định mức: Wim = 2.65 rad/sec;

3 Cảm kháng: Ls = 7.79mH;4 Điện trở stator máy phat: Rs= 0.01;

5 Số đôi cực máy phát: p = 42

6 Điện trở tải R= 5000;7 Tu điện Udc-link C = 500mF

* Xây dựng sơ đồ kết nồi: