Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Khảo sát mô hình nhà máy phát điện gió trong lưới điện phân phối

Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi rotor nối thông qua một bộ

Nguyễn Chí Hiếu

Khảo sát mô hình nhà máy phát điện

gió trong lưới điện phân phốiChuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2008

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ và động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn

NỘI DUNG LUẬN VĂN

Phụ lục CHƯƠNG 1 1-1

TỔNGQUANNĂNGLƯỢNGGIÓ 1-1

1.1 GIỚI THIỆU 1-1U

1.2 ĐẶC THÙ Ở VIỆT NAM 1-11.3 SỰ PHÁT TRIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ 1-21.4 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 1-31.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1-41.6 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN 1-4

CHƯƠNG 2 2-1LÝTHUYẾTNĂNGLƯỢNGGIÓ 2-1

2.1 HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2-12.2 LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 2-42.3 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2-112.4 MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG 2-132.5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ TRANG BỊ DFIG 2-182.6 VẬN HÀNH CÔNG SUẤT TUABIN GIÓ 2-20

CHƯƠNG 3 3-1MÔHÌNHMÁYPHÁTĐIỆNGIÓDFIG 3-1

3.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG 3-13.2 ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 3-63.3 ĐỊNH HƯỚNG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ XOAY DQ 3-73.4 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DFIG 3-8

CHƯƠNG 4 4-1NHÀMÁYĐIỆNGIÓTRONGLƯỚIPHÂNPHỐI 4-1

4.1 VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG HỆ THỐNG ĐỘC LẬP 4-14.2 VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG HỆ THỐNG LỚN 4-10

CHƯƠNG 5 5-1KẾTLUẬNVÀHƯỚNGPHÁTTRIỂNĐỀTÀI 5-1

5.1 KẾT LUẬN 5-15.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5-1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 GIỚI THIỆU

Hiện nay trên thế giới sử dụng chủ yếu các nguồn năng lượng hóa thạch (khoảng 80%) như: than, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên…Tuy nhiên việc lạm dụng nguồn năng lượng này dẫn đến nhiều vấn đề:

Tác hại của việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch: ▪ Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra điôxít cácbon (CO2), ôxít sunphua (SOx), ôxít nitơ (NOx) Khi nồng độ của CO2 trong không khí tăng lên thì nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên Người ta dự đoán rằng nếu nhân loại cứ tiếp tục đốt các nhiên liệu hóa thạch như thế này và khí CO2 vẫn tiếp tục tăng lên thì sau 100 năm, nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng lên hai độ làm ảnh hưởng rất lớn đối với trái đất

▪ Ngoài ra, ôxít sunphua (SOx), ôxít nitơ (NOx) là nguyên nhân tạo ra hiện tượng mưa axít gây ra những tác hại to lớn đối với động thực vật trên trái đất

Ngày nay ở hầu hết các nước trên thế giới, cơ sở hạ tầng của mạng điện chủ yếu là các nhà máy công suất lớn được nối kết vào mạng lưới truyền tải và phân phối Thông thường, các nhà máy đó là thủy điện, nhiệt điện hoặc điện hạt nhân, có công suất rất lớn từ hàng trăm mega-wat (MW) đến vài giga-wat(GW)

Tuy nhiên, do các nguồn năng lượng truyền thống, kể cả năng lượng hạt nhân là có hạn và phải đối mặt nhiều vấn đề liên quan môi trường sống Vì vậy, vấn đề sử dụng năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu phát triển mạnh trên thế giới

1.2 ĐẶC THÙ Ở VIỆT NAM

Năng lượng điện thực sự không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và là một lĩnh vực hết sức cơ bản để phát triển kinh tế xã hội của một quốc gia Thực vậy, thế kỷ 21 là thế kỷ của công nghệ thông tin, công nghệ tự động, công nghiệp hóa nông nghiệp Cùng với xu hướng toàn cầu hóa hiện nay thì chủ trương công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước của nhà nước ta đã đặt ngành Điện lực thành cơ sở hạ tầng để phát triển kinh tế và là thước đo cho sự phát triển kinh tế xã hội của nước nhà

Ở Việt Nam, lĩnh vực biến đổi năng lượng gió tuy còn khá mới mẻ, tuy nhiên Việt Nam nằm trong vùng cận nhiệt đới gió mùa có đường bờ biển dài, được đánh giá có một thuận lợi cơ bản để phát triển tiềm năng dạng năng lượng mới này, bước đầu thu hút được sự quan tâm như dự án điện gió ở huyện đảo Lý Sơn, giai đoạn I (2003 – 2005) bao gồm 3 tuabin gió, mỗi tuabin có công suất lắp đặt 250kW, giai đoạn II (2005 – 2010) với qui mô tương tự để cung cấp điện cho đảo Dự án điện gió công suất 7,5MW tại Côn Đảo Dự án tổ hợp điện gió và máy phát diesel ở đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, giai đoạn từ 2005 – 2010 với tổng công suất 13,2MW, trong đó điện gió 6,6MW và máy phát diesel 6.6MW Trên đây là những công trình bước đầu nhằm giải quyết vấn đề cung cấp điện cho những vùng xa mà việc liên kết với lưới điện quốc gia ít có khả năng thực hiện Dự án điện gió ở Phương Mai, tỉnh Bình Định với công suất thiết kế 20MW, đây là một trong những dự án mang tính thương mại đầu tiên, bắt nhịp xu hướng phát triển chung của thế giới về lĩnh vực biến đổi năng lượng gió

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ máy tính, con người đã làm ra những phần mềm mô phỏng như ATP, PSCAD, EMTP, Matlab, … để hỗ trợ mô phỏng và tính toán những bài toán về phương pháp số một cách nhanh chóng với độ chính xác cao

Chính vì những lý do trên, đề tài : “Khảo sát mô hình nhà máy phát điện gió trong lưới điện phân phối ” được hình thành

1.3 SỰ PHÁT TRIỂN NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ

Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy phát, có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Có nhiều lý do cho việc sử dụng hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng nhất là phạm vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió, giảm ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột và khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng

Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi rotor nối thông qua một bộ biến đổi công suất, máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên phía rotor Ưu điểm nổi bậc khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% của tổng công suất phát Có nghĩa là giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ Ngoài ra, giảm được chi phí đầu tư do sử dụng bộ biến đổi công suất có định mức nhỏ hơn

Với các ưu điểm trên, máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía được xem là giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi Ngày nay, DFIG được sử dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp biến đổi năng lượng gió cho các tuabin lớn với công suất lắp đặt DFIG đã đạt đến 5MW

Ở khía cạnh chất lượng điện năng, vì hệ thống DFIG làm việc trong sự kết nối trực tiếp với lưới điện, cũng như công suất lắp đặt ngày càng tăng nên đòi hỏi khả năng điều khiển để có thể tiêu thụ hoặc phát công suất kháng nhằm giữ cho điện áp lưới duy trì trong giới hạn cho phép - góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống điện, điều này có ý nghĩa quan trọng hơn khi hệ thống biến đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện yếu thông qua các đường dây dài Ở khía cạnh kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống tuabin gió cần phải đạt sản lượng điện năng hàng năm tối đa, tức tối ưu năng lượng nhận được từ gió Như vậy, để thỏa mãn đồng thời cả hai mục tiêu trên đòi hỏi hệ thống phải có khả năng điều khiển độc lập giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng để vừa thực hiện được mục tiêu tối ưu năng lượng nhận được từ gió, đồng thời duy trì hệ số công suất ở mức cao theo mong muốn bất chấp các điều kiện vận hành công suất thực

Hệ thống DFIG cho ta khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu cực stator máy phát thông qua bộ biến đổi công suất được đặt bên phiá rotor Do bản chất phi tuyến, điều khiển đối tượng DFIG phức tạp hơn nhiều so với điều khiển động cơ không đồng bộ thông thường (standard induction motor) Để điều khiển DFIG, thông thường hệ thống được định hướng tựa trường theo véctơ điện áp

1.4 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN

Tác giả Paul Roberts đã tổng hợp khá đầy đủ các lý thuyết về máy phát điện sử dụng DFIG trong “A Study of Brushless Doubly-Fed (Induction) Machines” Ông đã mô tả khá kỹ các phương trình lý thuyết và từ đó đưa ra các kỹ thuật điều khiển phi tuyến có sử dụng tín hiệu hồi tiếp để điều khiển DFIG

Andreas Petersson trong luận văn có nhan đề “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines” đã tổng hợp đầy đủ các lý thuyết về DFIG, cách điều khiển và mô phỏng DFIG Hệ thống đã giảm được sự ảnh hưởng của hiện tượng suy giảm điện áp tức thời (voltage sag)

Các tác giả Andreas Petersson, Lennart Harnefors và Torbjorn Thiringer đã có sự so sánh giữa hệ thống DFIG định hướng theo véctơ điện áp lưới và định hướng theo véctơ từ thông stator Bài báo kết luận, tính ổn định của hệ thống định hướng theo véctơ điện áp lưới độc lập với dòng điện rotor, ngược với định hướng theo véctơ từ thông stator Điều này có nghĩa hệ thống định hướng theo véctơ điện áp lưới có thể được kích hoàn toàn từ mạch rotor và phát công suất kháng theo yêu cầu mà không làm mất đi tính ổn định của hệ thống

Nhóm tác giả C Batlle, A D`oria - Cerezo và R Ortega đã đề xuất giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator DFIG dùng bộ điều khiển PI, hệ thống DFIG được định hướng theo véctơ điện áp lưới để cho sự phân lập giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng, quá trình điều khiển bằng cách tác động lên điện áp rotor thông qua hiệu chỉnh hai thành phần dòng điện stator Vòng điều khiển dòng điện bao gồm một khâu tuyến tính hóa hồi tiếp và một bộ điều chỉnh PI có ngõ vào là dòng điện stator và ngõ ra là điện áp rotor Kết quả thu được là giải thuật đơn giản và dễ thực hiện Tuy nhiên, tính bền vững của hệ thống điều khiển không cao do chưa xét đến yếu tố điện trở rotor thay đổi theo nhiệt độ làm việc vì khâu tuyến tính hóa hồi tiếp đòi hỏi xác định một cách chính xác giá trị này

Điện trở dây quấn rotor được xem như một thông số không chắc chắn, để cải thiện tính bền vững của giải thuật điều khiển, các tác giả C.Batlle, A.D`oria - Cerezo và R Ortega một lần nữa đề xuất giải thuật điều khiển PI thích nghi (Robust adaptive stable PI controller) bằng việc thay khâu tuyến tính hóa hồi tiếp bởi khâu tuyến tính hóa hồi tiếp thích nghi sử dụng giá trị điện trở rotor được ước lượng trực tiếp (on-line) Kết quả, giá trị điện trở rotor được ước lượng hội tụ về giá trị thực, đảm bảo chất lượng của hệ thống điều khiển được phục hồi, tăng tính ổn định và bền vững Do thêm khâu ước lượng điện trở rotor on-line đã làm cho giải thuật và sơ đồ điều khiển trở nên phức tạp hơn rất nhiều

Trong quá trình vận hành, sự cố ngắn mạch đầu cực máy phát có thể xảy ra Sau khi khắc phục sự cố, đòi hỏi phải tái lập cung cấp điện cho hệ thống với tổn hao công suất là nhỏ nhất Các tác giả Tao Sun, Z Chen, Frede Blaabjerg đã sử dụng chương trình PSCAD điều khiển và mô phỏng quá trình quá độ của hệ máy phát và hệ thống điện trước và sau khi xảy ra sự cố

Nhìn chung có nhiều yếu tố ảnh hưởng như: công suất kháng, thông số máy, mức kích từ, thời gian khắc phục sự cố, giới hạn vận hành, vị trí sự cố, làm ảnh hưởng đến quá trình quá độ của hệ máy phát điện gió kết nối với lưới điện phân phối Aleksandar Radovan Katančević đã tiến hành thực hiện các mô phỏng bằng các mô hình khác nhau: máy đồng bộ (Synchronous Machine) máy không đồng bộ (Asynchronous

Machine) và nhận thấy rằng hoàn toàn có thể kết nối máy phát điện gió vào hệ thống điện Tuy nhiên, để ổn định thì cần có những phương pháp điều khiển để máy phát có thể hoạt động tốt trong điều kiện tốc độ gió luôn thay đổi

Nhóm tác giả Ahmed G Abo-Khalil, Dong-Choon Lee và Se-Hyun Lee giới thiệu một giải thuật đồng bộ để kết nối các máy phát DFIG (doubly fed induction generator) với hệ thống

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG (Doubly Fed Induction Generator) được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (Wind Energy Conversion System)

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong những năm gần đây, những công nghệ mới đã dẫn đến một sự thay đổi lớn trong giá thành sản xuất của các hình thức phát điện phân bố, máy phát nhỏ vài chục MW trở lại đã trở nên kinh tế hơn Trong đó, nổi bật là năng lượng gió với khả năng vận hành khá linh hoạt, và công suất phát ngày một lớn đang dần trở nên một nguồn phát điện quan trọng

Tuy nhiên, lưới điện hiện nay là một thể thống nhất, bao gồm cả một hệ thống lớn Vì vậy, có một nhu cầu khảo sát sự vận hành của hệ thống phát điện phân bố trong mô hình lưới điện phân phối

Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây: Mô hình hóa máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện

Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự thay đổi tham số mô hình

So sánh kết quả đạt được với các phương pháp thiết kế khác

1.6 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN

Nội dung của luận văn có thể được phác thảo vắn tắt bao gồm các chương như sau:

Chương 1 : Tổng quan năng lượng gió Chương 2 : Lý thuyết năng lượng gió Chương 3 : Mô hình máy phát điện gió DFIG Chương 4 : Nhà máy điện gió trong lưới phân phối Chương 5 : Kết luận và định hướng

Phần mềm PSCAD được sử dụng trong luận văn này để mô hình hóa DFIG, xây dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng kết quả

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ2.1.1 Sự hình thành gió trong tự nhiên

Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự chênh lệch về nhiệt độ Điều này đẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió

Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Ngoài các yếu tố trên gió còn bị ảnh hưởng bởi cấu tạo của địa hình của từng đia phương

2.1.2 Quá trình phát triển các hệ thống biến đổi năng lượng gió

Cối xay gió đầu tiên được phát triển để tự động hóa những công việc bơm nước và xay ngũ cốc và thiết kế được được biết sớm nhất là hệ thống trục đứng phát triển ở Ba Tư vào khoảng năm 500 đến năm 900 sau công nguyên

Hình 2.1: Cối xay gió của người Ba Tư (Persian windmill)

Trước năm 1390, người Hà Lan trình bày cải tiến thiết kế cối xay gió trụ tháp (tower wind), loại cối xay gió này đã xuất hiện hơi sớm dọc theo biển Mediterranean như hình dưới Người Hà Lan đã đưa ra tiêu chuẩn cần thiết cho cối xay gió đặt trên

trụ tháp Cả thiết kế cối xay loại trụ và cối xay trụ tháp sau này đã được định hướng về hướng gió bằng tay và thực hiện bằng cách đẩy một đòn bẩy lớn ở phía sau cối xay

Hình 2.2: Cối xay gió cánh buồm trục ngang

Cải tiến chính của cối xay gió Châu Âu là sử dụng những cánh buồm của người thiết kế để tạo ra lực nâng khí động học hình 1.4 Đặc tính này tạo ra sự cải tiến hiệu suất rotor so với cối xay gió người Ba Tư bởi cho phép tăng tốc độ rotor

Hình 2.3: Cối xay gió cải tiến của người Hà Lan

Sử dụng tua bin gió lớn đầu tiên để phát điện là một hệ thống xây dựng ở Cleveland, Ohio năm 1888 bởi Charles F Brush Máy điện Brush (hình dưới) là một cối xay gió đặt trên trụ với một rotor nhiều cánh có đường kính 17m, có một cái đuôi lớn để chỉnh rotor theo hướng gió Đây là tua bin gió đầu tiên kết hợp một hộp số (với một tỷ số là 50:1) để điều chỉnh quay máy phát điện ở một tốc độ vận hành yêu cầu (trong trường hợp này là 500 vòng/phút)

Hình 2.4: Sử dụng tua bin gió loại lớn đầu tiên để phát điện (ở Cleveland, Ohio,

1888) Năm 1891, Dane Poul La Cour phát triển máy điện gió có công suất điện ở ngõ ra đầu tiên kết hợp nguyên lý thiết kế khí động học đã sử dụng tốt ở các cối xay gió trụ tháp ở Châu Âu Tốc độ cao hơn của rotor La Cour tạo ra những cối xay gió trong thực tế hoàn toàn cho phát điện Trước chiến tranh thế giới thứ nhất, máy điện 25kW đã sử dụng rộng khắp ở Đan Mạch, nhưng các nhà máy điện hơi nước chạy bằng nhiên liệu hóa thạch lớn hơn và rẻ hơn đã đẩy những cối xay gió ra khỏi thương mại

Điều chỉnh cánh

Trục tốc độ thấp

Máy phát

Đo vận tốc gió Bộ điều

khiển Hướng

gió

Thắng

Truyền độnghướng

Đo hướng gió

Hình 2.5: Cấu trúc của một tua bin điện gió hiện đại

Vỏ tua bin Trục tốc độ

cao Tháp gió

Động cơ truyền động

hướng Cánh quạt

2.2 LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ2.2.1 Năng lượng gió

Năng lượng tích trữ trong gió:

312

3

/m [W ] (2.1)

Năng lượng trung bình ArTpv d3

01

Vận tốc gió trung bình phải được xác định để ước tính năng lượng kỳ vọng nhận được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có khuynh hướng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể được xác định cho khoảng thời gian một năm

Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất Một trong những hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió là hàm Weibull Phân bố Weibull được biểu diễn bởi:

( )

1 ¬ ­žž ­žŸ ®­ ¬­

ž= ž ­Ÿ ®­

k

vk

Bằng phép đổi biến

k

vx

c

 ¬­ž=ž ­Ÿ ®­ , vận tốc gió trung bình được viết lại

k

c

( là hàm gamma:

10

( )y de xx y

k

= +Nếu hệ số dạng bằng 2, thì phân bố Weibull còn được biết đến với tên gọi là phân bố Rayleigh

2

 ¬­ž(ž ­Ÿ ®­=Mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ c và vận tốc gió trung bình v theo phân bố Rayleigh

2.2.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor

Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng (năng lượng kinetic) tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc v

R

P

d

312

Trong đó, C được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn được gọi ngắn

gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính

p

Một thuận lợi của công thức (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từ gió Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát

p,max

C

0.70.60.50.40.30.20.10

Ta rút ra nhận xét, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt gần như bằng không, hệ quả là hiệu suất rotor gần bằng không Như vậy, với một vận tốc gió cho trước thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát

Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số (Tip - Speed - Ratio), được

định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt

M

TRb

vX

0.20.40.60.81

6 m/s7.2 m/s

8.4 m/s9.6 m/s

10.8 m/s12 m/s

13.2 m/s14.4 m/s

Hình 2.9 Góc pitch của cánh quạt gió

Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào M mà còn phụ thuộc vào

góc pitch của cánh quạt gió [rad ] xoay quanh trục của chính nó, bởi vì hầu hết các

hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có trang bị thiết bị điều khiển pitch như minh họa ở hình 2.4 nói chung là một hàm phi tuyến và khá phức tạp, nhà chế tạo thường cho giá trị đối với mỗi loại tuabin như là hàm của và góc Một công thức xấp xỉ thường được sử dụng của đường cong hiệu suất rotor được cho bởi công thức (2.12) và có dạng đồ thị như hình 2.5

Đặc tuyến công suất tuabin (β=0o) Đặc tuyến công suất tuabin

Công suất phát ra của tuabin đvtđ

2.2.4 Đường cong công suất tuabin gió

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió chính là đường cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra, thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng có dạng như hình 2.6 Trong đó, cần phân biệt các thông số:

▪ Vận tốc gió Cut-in (V ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và tạo

ra công suất (net power) ▪ Vận tốc gió định mức (V ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng

tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt đến giá trị , công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế Khi lớn hơn thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát

R

▪ Vận tốc gió Cut-out ( ): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không

F

Hình 2.11 Đường cong công suất lý tưởng của tubin gió

Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào tuabin - điều khiển cơ (aerodynamic power control) Trong đó, điều khiển pitch là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc quay của cánh quạt quanh trục của nó Hầu hết các tuabin gió tốc độ thay đổi được trang bị bộ điều khiển pitch Khi dưới tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh ra công suất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhận được Trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần được điều chỉnh một cách tương tự để giới hạn công suất cơ bằng công suất định mức

Đối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục kiểm tra công suất đầu ra của tuabin Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều khiển pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm lượt bớt công suất và xoay cánh quạt theo chiều ngược lại khi tốc độ gió giảm

2.2.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát

Như đã trình bày, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số M cụ thể, phụ thuộc

vào thiết kế động học của từng loại tuabin Vì lý do kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần đạt được sản lượng điện năng hàng năm tối đa, để làm được như vậy thì trong vận hành cần phải liên tục thay đổi tốc độ rotor theo từng

tốc độ gió để cho M luôn bằng với giá trị yêu cầu tạo ra Cp cực đại Theo lý thuyết cũng như vận hành trong thực tế cho thấy khi làm việc với tốc độ rotor được điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm công suất cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20 – 30% sản lượng điện năng so với vận hành ở tốc độ cố định

đại

Lượt bớt côn

tứ

g suất

0.20.40.60.811.2

1.4

00

Miền phát công suất định mức và

giảm hiệu

Ngưng hoạt động Không

làm việc

suất rotor

2.3 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

Tuabin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió Vì vậy, đối với hệ thống tuabin gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với tuabin gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với tuabin gió tốc độ cố định

Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề cập:

▪ Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ ▪ Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ

▪ Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía

2.3.1 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện như hình 2.12

Lưới điện MBA

IG Hộp số

Capacitor

Hình 2.12 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức và số cặp cực khác nhau Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được

bankSoft

stater

từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3 nhược điểm chính:

▪ Không thể điều khiển công suất tối ưu ▪ Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột

▪ Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực (Active control)

2.3.2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát đồng bộ (SG) Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên

Hình 2.13 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công

suất phát

2.3.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi sử dụng DFIG Hệ thống bao gồm tuabin gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor được nối thông qua một bộ biến đổi công suất như hình 2.14 Ngày nay, cấu hình này trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấp hơn

G

x

x=

=

Filter

MBA

DFIG Hộp số

Tuabin gió

Hình 2.14 Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị với DFIG

2.4 MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG

Các máy điện không đồng bộ có thể loại bỏ những nhược điểm của cả máy điện một chiều và máy điện đồng bộ Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích máy phát Vì vậy, có thể làm việc một cách tin cậy với giá thành và chi phí bảo dưỡng thấp Hơn nữa các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể được điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của rotor hoặc đưa thêm hay thu hồi công suất

Đối với hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, DFIG được xem như giải pháp tốt nhất và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm Như đã đề cập ở phần trước, lý do bộ biến đổi công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% tổng công suất phát, điều này có nghĩa tổn hao trong thiết bị điện tử công suất nhỏ hơn so với cấu hình mà bộ converter phải biến đổi toàn bộ công suất phát Thêm vào đó, chi phí đầu tư cho thiết bị điện tử công suất cũng thấp hơn

2.4.1 Máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG

DFIG là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có mạch stator được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất thông qua vành trượt như hình 2.15 Bộ biến đổi công suất gồm hai converter; converter phía máy phát RSC (Rotor Side Converter) và converter phía lưới GSC (Grid Side Converter), được kết nối theo kiểu “back-to-back” Một tụ điện dc-link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng

Filter Back to back

tx

x=

=

MBA

Crowbar

Hình 2.15 Máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía

Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá điện áp trong mạch dc-link Khi xảy ra tình trạng quá dòng, thiết bị crowbar sẽ ngắn mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ converter và cho phép DFIG làm việc như một máy điện không đồng bộ thông thường, lúc này tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới

Trong thực tế, điện áp định mức của mạch rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện vì thế sẽ có ba cuộn dây thay vì máy biến áp hai cuộn như minh họa ở hình 2.10, một cuộn sơ cấp nối tới mạch stator và cuộn sơ cấp còn lại nối với mạch rotor

Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp VSC (Voltage Source Converter) có biên độ và tần số thay đổi, thường sử dụng linh kiện điện tử công suất IGBT Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát có thể được mô phỏng như hình 2.11, có thể xảy ra hai trường hợp:

▪ Gió thổi cánh quạt tuabin quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ vận hành dưới đồng bộ (hệ số trượt dương, ), máy phát lấy năng lượng từ lưới qua rotor

0>

s

▪ Gió thổi cánh quạt quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ vận hành trên đồng bộ (hệ số trượt âm, ) và máy phát hoàn năng lượng về lưới qua rotor

0<

s

Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến đổi công suất ở cả hai phía máy phát RSC và phía lưới GSC (hình 2.12) đều phải là nghịch lưu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều (bi-directional)

Back-to-back RSC GSC DFIG

dc

U

x

x=

=

Crowbar

Hình 2.16 Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG

Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức PQ, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều này ngược với máy điện không đồng bộ thông thường) Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa DFIG và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất thực

Bộ converter phía máy phát RSC cho ta các thuận lợi sau: ▪ Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (trong trường hợp lưới yếu)

▪ Có thể hoàn toàn kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lưới ▪ Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, cũng như điều khiển mômen, tốc độ máy phát hoặc điều khiển hệ số công suất đầu cực stator

Trong khi đó, mục đích chính của bộ converter phía lưới GSC là để giữ cho điện áp dc-link không đổi

2.4.2 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập

Sơ đồ tương đương của DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho ở hình 2.17 Sơ đồ này chỉ thích hợp cho các phân tích và tính toán ở trạng thái xác lập, dây quấn nối Y Trong trường hợp dây quấn có thể qui đổi về mô hình tương đương Y, phương pháp

%

jX được sử dụng cho các tính toán

Hình 2.17 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập

Để ý rằng nếu điện áp rotor được nối ngắn mạch thì mạch điện tương đương DFIG trở về mạch điện tương đương nguyên thủy của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc

(2.15)

Thông qua một số phép biến đổi, ta được:

2.4.3 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG

Để khảo sát sự phân bố công suất giữa các cuộn dây của DFIG, công suất biểu kiến cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor phải được xác định Công suất biểu kiến cuộn stator và rotor SsSr có thể được tính theo

= 

r = sPs

Từ đây ta rút ra nhận xét, sự phân bố công suất tác dụng giữa các cuộn dây stator và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số trượt Công suất qua mạch rotor (qua bộ biến đổi công suất) ngược dấu và xấp xỉ bằng công suất cuộn stator nhân với hệ số

trượt, P , còn được gọi là công suất trượt Ta có sơ đồ phân bố công suất như hình 2.18

Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rotor có thể đi theo hai chiều: từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor, , ở chế độ dưới đồng

bộ và ngược lại từ mạch rotor qua bộ biến đổi công suất đến lưới, , ở chế độ trên đồng bộ Trong cả hai trường hợp trên, mạch stator đều phát công suất về lưới,

%30

X

% = ±

%20 30

Hình 2.18 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG không tổn hao

2.5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ TRANG BỊ DFIG

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc thay đổi DFIG bao gồm các mục tiêu: điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và lưới điện, điều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận từ gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào nhằm tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ gió lớn Các hệ thống phụ (khí động học, cơ học, điện, v.v) của tuabin có phạm vi thời hằng khác nhau và thời hằng điện thường nhỏ hơn nhiều so với thời hằng cơ hay nói cách khác quá trình điện động thường diễn ra nhanh hơn rất nhiều so với quá trình động học cơ khí Hình 2.19 trình bày sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi trang bị máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG, trong đó có thể phân biệt hai kênh điều khiển như sau:

ƒ Điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng)

ƒ Điều khiển tuabin gió

DFIG Hộp số

MSC x

x=

r

P >0

Hình 2.19 Sơ đồ điều khiển tổng thể tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG

Kênh điều khiển máy phát DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi công suất phía rotor RSC và điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới GSC

Kênh điều khiển tuabin gió với đáp ứng động chậm hơn, bao gồm điều khiển tốc độ và điều khiển công suất đầu vào, giám sát luôn cả bộ phận chấp hành góc pitch (pitch angle actuator) của tuabin gió và giá trị setpoint cho công suất tác dụng của kênh điều khiển DFIG Vì thế, nó cung cấp tín hiệu điều khiển trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng cho kênh điều khiển DFIG

ref

C

refs

P

Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 2.19 đòi hỏi thông tin các tín hiệu đo lường: công suất tác dụng và công suất phản kháng (tại điểm M đầu cực stator hoặc trên lưới điện), điện áp trên dc-link, dòng điện qua bộ lọc (tại điểm N), tốc độ máy phát và dòng điện rotor

meas

s

Q

meadc

f

i

mear

refs

P

▪ Giá trị điều khiển công suất phản kháng , giá này có thể được gán bởi người vận hành Chẳng hạn, trong trường hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát công suất kháng để hỗ trợ điện áp lưới

refs

Q

▪ Giá trị điều khiển điện áp dc-link được quyết định bởi kích cỡ của bộ converter, tỷ số điện áp stator - rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi công suất

refdc

U

=

RSC Controller

GSC Controller

Power Controller Speed Controller

Kênh điều khiển DFIG

Kênh điều khiển Tuabin

Vận hành hệ thống

r

X

refpitch

P

meas

Q

meas

Prefn

P

refdc

U

mear

i

refs

Q

refs

P

meadc

U

Kênh điều khiển tuabin tạo ra hai tín hiệu điều khiển: ▪ Giá trị điều khiển công suất tác dụng là tín hiệu đặt (setpoint) cho kênh điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy phát và công suất đo lường tại điểm M Ví dụ, khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển bằng cách hiệu chỉnh vận tốc máy phát để tuabin nhận được công suất tối đa từ gió

refs

P

mear

ref

C

meas

refn

P

refs

P

Trong trường hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ ra lệnh cho khâu chấp hành góc pitch hiệu chỉnh giá trị để lượt bớt công suất và ra lệnh cho kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển bằng giá trị định mức , kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi được định trước

C

refs

P

refn

P

2.6 VẬN HÀNH CÔNG SUẤT TUABIN GIÓ

Ở khía cạnh kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần phải tính đến khả năng khai thác tối đa năng lượng từ gió, vì công suất phát ra tỷ lệ thuận trực tiếp với hiệu suất rotor, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số M cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Do đó, tốc độ quay của máy phát cần phải được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì M

tối ưu

2.6.1 Vận hành công suất cực đại

Trong thực tế, các hệ thống biến đổi năng lượng gió thường được vận hành theo hai chế độ, chế độ thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số và chế độ vận hành thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất Thuận lợi của chế độ vận hành thứ nhất là lưới điện được cấp một lượng công suất không đổi, tuy nhiên năng lượng từ gió không được sử dụng hiệu quả Ở chế độ vận hành thứ hai, tối ưu hóa năng lượng nhận được từ gió trong một phạm vị thay đổi tốc độ làm việc cho phép, chế độ vận hành này thường được áp dụng cho các tuabin công suất lớn, tuy nhiên dòng công suất đưa lên lưới thay đổi

Có hai cách thực hiện điều khiển tối ưu công suất đầu ra của máy phát điện gió: 2.6.1.1.Điều khiển tối ưu Tip - Speed - Ratio

Theo cách này, tốc độ gió được đo lường liên tục Trên cơ sở dữ liệu gió đo được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu M theo từng giá trị tốc độ gió và do đó có thể đạt công suất đầu ra tối ưu, sơ đồ nguyên lý được cho ở hình 2.15 Quá trình điều

Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn giá trị , tuabin gió không làm việc vì công suất đầu ra không đáng kể để thắng được ma sát của hệ thống truyền động và cũng để tránh quá dòng cho máy phát

1

0.8

0.6

0.20.4

0

Converter −

+Tính toán

vận tốc

SaiVận tốc thực

DFIG Hộp

Hình 2.21 Đường cong công suất tuabin

Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, công suất đầu ra đạt đến giá trị danh định (công suất định mức theo thiết kế của máy phát) Khi đó, tốc độ rotor được điều chỉnh để làm việc với sao cho nhỏ hơn giá trị tối ưu và tuabin gió được vận hành ở công suất danh định tránh quá tải cho máy phát Vùng làm việc này được gọi là miền công suất không đổi

2.6.1.2.Điều khiển bám công suất đỉnh

Nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị của công suất P theo , tức là: X

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh

Tóm lại, để tối ưu công suất nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải được điều chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào Cả hai chiến lược này đều nhằm mục đích đạt được tương quan P C p tối ưu

Converte

−+Đặc

tí hDFIG Hộp

số

Tính toán công suất

PX

MBA

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG

3.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG

3.1.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh

Các giả thiết khi xét máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn: ▪ Các cuộn dây stator và rotor được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian, dây quấn stator và rotor giả thiết được kết nối theo cấu hình Y – Y như hình 3.1

▪ Khe hở không khí đồng nhất ▪ Bỏ qua các tổn hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ ▪ Không xét đến hiện tượng bão hòa vật liệu từ ▪ Hiện tượng móc vòng từ thông giữa stator và rotor chỉ xảy ra với sóng hài cơ bản Dòng từ hóa và từ trường phân bố dạng sin trên bề mặt khe từ

▪ Hệ phương trình thu được trên cơ sở sóng cơ bản của các đại lượng dòng, áp và từ thông Mômen hài chưa được quan tâm

Hình 3.1 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y

Xuất phát từ phương trình điện áp pha stator và rotor của máy điện không đồng bộ rotor dây quấn:

d

dtZ

d

dtZ

+ -

+ -

as

i

+ -

- +

- +

- +

Tương tự, phương trình điện áp rotor theo ký hiệu véctơ không gian được viết trong hệ trục tọa độ tự nhiên của chính nó:

R

Li

dtZ

=

Hình 3.2 Sơ đồ tương đương RL trong hệ trục tọa độ tự nhiên của stator và rotor

Các đại lượng rotor được biểu diễn trong hệ trục tương đối phức tạp hơn do bản thân rotor đang quay trong hệ trục stator Các đại lượng rotor được quy về cùng hệ trục tọa độ gắn với stator theo tỷ số vòng dây k và góc chuyển đổi như hình 3.3



brbr



××

×

×

×

×

(3.6) Véctơ từ thông được biểu diễn theo các véctơ dòng điện:

¡ °=¡ °¡ °¡ ° ¡¢ °±¡ °

L , Llr lần lượt là điện cảm tản dây quấn stator và rotor

Ghi chú: Các giá trị điện trở và điện cảm sử dụng trong các biểu thức từ đây về sau

được ngầm hiểu là đã qui đổi về phía stator Dây quấn ba pha stator và rotor DFIG được giả thiết kết nối theo cấu hình Y, vì thế không xuất hiện thành phần không Bằng cách triển khai các phương trình theo hai thành phần trục và , bổ sung thêm phương trình mômen điện từ ta thu được hệ phương trình đầy đủ mô tả DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh , có mạch điện tương đương như hình 3.4

sr

ZX Z

ZX Z

Hình 3.4 Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục BC

3.1.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq

Mối liên hệ giữa véctơ điện áp, dòng điện, từ thông trong hệ tọa độ và dq

r

sr

ss

Trục B

¡ °=¡ °¡ °¡ ° ¡¢ °±¡ °

q

asbs

cs

cr

Hình 3.5 Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq

Triển khai các phương trình theo các thành phần trục d và trục q cùng với phương

trình mômen, ta được hệ phương trình đầy đủ mô tả DFIG trong hệ trục tọa độ tham

chiếu dq đang quay với tốc độ đồng bộ và có mạch điện tương đương được cho ở hình

3.6 Phương trình điện áp stator:

eds

eqs

dtZX Z

ZX Z

eqr

dtZ

3.2 ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

Trong mô phỏng máy điện, các đại lượng cơ bản với giá trị đỉnh thường được sử dụng hơn thay vì giá trị hiệu dụng Máy điện không đồng bộ ba pha có số cặp cực từ

V

bm

dr

i

esqs

X Z

+ -

edr

v

eds

v

Trục

Trục

+ -

qr

i

esds

X Z

+ -

eqr

v

eqs

3.3 ĐỊNH HƯỚNG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ XOAY DQ

Trong kỹ thuật điều khiển véctơ máy điện không đồng bộ, cách tiếp cận cổ điển là định hướng hệ trục tọa độ quay tựa theo một véctơ chuẩn nào đó, thường là véctơ từ thông rotor, stator hoặc từ thông khe hở không khí Kỹ thuật này dựa trên phương pháp phân tích tính phi tuyến được sử dụng trong sơ điều khiển các hệ thống phi tuyến để cho sự phân lập tối ưu giữa sơ đồ điều khiển từ thông và điều khiển mômen bởi các thành phần dòng điện stator trục d và trục q

DFIG được điều khiển trong hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq định hướng tựa

theo véctơ điện áp lưới (Line voltage orientation), có trục d trùng với vị trí véctơ điện áp như trình bày ở hình 3.7

Sự định hướng hệ trục dq theo véctơ điện áp lưới được định nghĩa bằng hệ thức:

esds

s

R

edr

v

eqr

v

e

v

esds

q

d

Hình 3.7 Định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới

Tầm quan trọng của sự định hướng hệ trục tọa độ quay theo véctơ điện áp lưới là đòi hỏi xác định một cách chính xác giá trị góc pha của thành phần điện áp cơ bản (sóng hài bậc 1), tức là vị trí của véctơ điện áp lưới Trên thực tế, góc vị trí của véctơ điện áp lưới có thể được xác định dễ dàng với sai số không đáng kể Có thể sử dụng vòng khóa pha PLL (Phase – Locked Loop) để ước lượng tần số và góc pha của tín hiệu Hơn nữa, thông tin về điện áp lưới thường được cần đến khi thực hiện kết nối (soft connection) DFIG với lưới điện trong giai đoạn kích từ và hòa đồng bộ như được minh họa ở hình bên dưới

s

u

Hình 3.8 Giai đoạn hòa đồng bộ DFIG với lưới điện

Converter Syn

Rõ ràng sự định hướng hệ trục tọa độ tham chiếu như trên hoàn toàn độc lập với các thông số của DFIG Theo sự định hướng này, điện áp rotor phải được qui đổi về

cùng chung một hệ trục, nhìn chung bao gồm hai thành phần d và q khác không

Sự định hướng này đặc biệt thích hợp cho máy điện cấp nguồn từ hai phía Quá trình điều khiển được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp rotor thông qua bộ converter phía máy phát Vì stator được nối trực tiếp với lưới điện, nên điện áp stator là điện áp lưới và được xem như “tác động nhiễu” Trong điều kiện lưới ổn định, điện áp lưới được xem như không đổi, với hệ trục tham chiếu đã chọn tác động nhiễu có giá

trị bằng không theo trục q và là đại lượng dc theo trục d

3.4 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DFIG3.4.1 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng phía stator

Trong hệ trục tham chiếu dq , các phương trình được viết lại như sau:

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện

Trong một bài toán mô phỏng đơn giản, thì thành phần máy biến áp có thể được bỏ qua, vì tác động của nó lên kết quả cuối cùng là không đáng kể

Thuận lợi của sự định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới là công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể được viết lại một cách đơn giản như sau, do

0

eqs

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (thường có giá trị bé với các máy phát công suất lớn) Khi ở trạng thái xác lập, thành phần đạo hàm trong biểu thức triệt tiêu, dẫn đến:

Converter DFIG

Hộp số

Lưới,

P Q

Giải thuật điều khiển

¦¦¦¥

q

d