Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện turbin gió

Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ có ưu điểm: khi kết nối với lưới điện, hệ thống này không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng.. - Do máy phát điện làm việc với tốc độ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG

LƯỢNG GIÓ

1.1 Tổng quát

1.1.1 Gió

1.1.2 Tốc độ và hướng gió

1.1.3 Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió

1.1.4 Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

1.2 Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió

1.2.1 Máy phát điện đồng bộ

1.2.2 Máy phát điện cảm ứng

1.2.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

1.2.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

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

1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

1.3.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

1.3.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất

1.3.3 Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất

Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo

1.1.1 Gió

Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động Sự chuyển động của không khí được gọi là gió

Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp

1.1.2 Tốc độ và hướng gió

Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ

• 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s

• 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph

• 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph

• 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s

Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc Hướng gió được biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ

Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng tây ứng với góc 2700

Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort (Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft Biểu đồ này đầu tiên được đưa

ra để đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông

hồ, biển…

Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010 Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam Bản đồ phân bố tốc độ gió được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’ Kết quả mô phỏng được trình bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của tuabincho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và

sự xáo động gió trong năm

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn

tuabintheo loại

(IEC)

I

(vùng có gió mạnh)

II

(vùng có gió khá mạnh)

III

(vùng có gió trung bình)

IV

(vùng có gió yếu) Tốc độ gió tiêu biểu

của 50 năm v REF

Tốc độgió trung

bình trong năm v

TB

Tốc độgió cao nhất

trong 50 năm 1.4v

REF

Tốc độgió cao nhất

trong 1 năm

1.05vREF

1.1.3 Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió

Công nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus và loại trụng ngang Tuabin điện gió trục đứng có hệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại tuabin điện gió này thường được sản xuất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW Trước kia một số tuabin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), phương pháp này có nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió được thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi Phần lớn những tuabin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up wind rotor)

Hình 1.3: Tuabinđón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor) Cho đến nay, phần lớn những tuabin lắp đặt trên thế giới sử dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truyền đến máy phát điện

Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu được sản xuất và đưa vào thị trường Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ thống rotor

Công nghệ này trong những năm 90 không phát triển vì giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm tăng nên công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh

Hình 1.4: Kích thước và công suất những lọai tuabin điện gió đã được sản xuất

hàng loạt tính đến năm 2012

Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tuabin, được gọi là “Khái Niệm Đan Mạch” Trong công nghệ này tuabin hoạt động với một tốc độ nhất định để giữ tần số điện phù hợp với lưới điện

Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức,

công suất mỗi trụ 6 –7,5MW

Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ

Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

1.2 Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió [2][9]

1.2.1 Máy phát điện đồng bộ

Như chúng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định theo số cực từ và tần số của lưới điện Vì vậy, các cánh quạt tuabin và máy phát phải được nối với nhau thông qua hộp truyền động cơ khí để có thể quay với tốc độ đồng bộ

Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ có ưu điểm: khi kết nối với lưới điện, hệ thống này không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng Vì vậy chất lượng điện năng phát ra tốt hơn

Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho mạch kích từ Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh ra hai vấn đề bất lợi cho

hệ thống:

- Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích từ

- Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp

- Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho

hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió

Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ

1.2.2 Máy phát điện cảm ứng

Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén Máy

Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ

cố định, vì vậy chúng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ Máy phát cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục máy phát hay nhận năng lượng

Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức Khi làm việc như một động cơ, rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường, và động cơ cảm ứng sẽ nhận năng lượng để làm quay trục rotor

Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của chúng được nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ bằng động cơ sơ cấp Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió với stator được nối với lưới điện và rotor được quay bởi tuabin gió

Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên

Hình 1.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện

Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở rotor

1.2.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

Máy điện cảm ứng rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator – SCIG) là một máy điện rất phổ biến do có cấu trúc đơn giản Dây quấn stator được nối với phụ tải hay nguồn kích từ Rotor lồng sóc được cách điện và có điện trở lớn nhằm tránh cho rotor bị rung động Đối với tình trạng lưới điện không ổn định, có thể gây ra các sự cố quá nhiệt, moment dao động trên máy phát

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

khiển bởi lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi công suất Tuy nhiên, chi phí máy phát cảm ứng rotor dây quấn cao hơn máy phát rotor lồng sóc

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

Đối với hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (± 30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được xem là giải pháp tốt nhất hiện nay Bộ biến đổi điện tử công suất chỉ điều chỉnh 20 ÷ 30% tổng công suất, do đó tổn hao và chi phí của các

bộ biến đổi công suất có thể giảm Cấu trúc máy phát điện DFIG tương tự máy phát điện cảm ứng dây quấn Mạch stator của máy phát DFIG được nối trực tiếp với lưới trong khi mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trượt như hình:

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG Máy phát điện gió nguồn kép DFIG là máy phát điện mà cực stator và rotor

có thể phát công suất Khi máy điện làm việc như máy phát, hướng công suất trong

máy thể hiện như hình bên dưới, ở đó công suất vào là công suất cơ nhận từ turbin gió

Công suất truyền đến lưới là tổng công suất stator Ps và rotor Pr

Ps Ps

Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo

Máy phát có thể vận hành dưới tốc độ đồng bộ: Pr < 0, Ps> 0 hoặc vận hành trên tốc độ đồng bộ: Pr > 0, Ps> 0.

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG bao gồm các mục tiêu:

- Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát điện và lưới điện

- Điều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận được từ gió

1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió [5], [10], [11]

Turbine 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 turbine 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

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 turbine gió có thể được cải thiện hơn so với turbine 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 turbine theo vận tốc máy phát

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

- Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ

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

1.3.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

Đối với turbine 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 1.14

Hình 1.14: turbine gió 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 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

- Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control)

1.3.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển 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

Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi

1.3.3 Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất

Hệ thống bao gồm turbine 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 dây quấn được nối thông qua một bộ biến đổi công suất back to back như hình 1.14 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

Hình1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi điện tử công suất