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

5 CHƯƠNG 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 hướng gió 1.1.3 Sự phát triển 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 hệ thống lượng gió 1.2.1 Máy phát điện đồng 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 nguồn kép (DFIG) 1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi 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 công suất 1.3.3 Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi phần công suất 1.1 Tổng quát [1] Hình 1.1: Các dạng lượng tái tạo 1.1.1 Gió Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng làm nhiệt độ bầu khí quyển, nước không khí khác nhau, trái đất quay quỹ đạo xung quanh mặt trời tự quay quanh trục nên tạo mùa, ngày, đêm Chính thay đổi nhiệt độ khí làm không khí chuyển động Sự chuyển động không khí gọi gió Ngoài vào ban đêm, nửa bề mặt trái đất, bị che khuất không nhận tia nắng mặt trời, nửa bề mặt ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào nhiệt độ Bắc bán cầu, Nam bán cầu đường xích đạo nhiệt độ biển đất liền khác 7 Từ quay quanh trục trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo chiều khác Bắc bán cầu Nam bán cầu làm nhiệt độ khí thay đổi phát sinh vùng áp cao áp thấp 1.1.2 Tốc độ hướng gió Đơn vị tốc độ gió tính theo kilomet (km/h) mét giây (m/s) knot (kn: hải lý giờ) Mile (mph) Mỹ • kn = sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s • m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph • km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph • mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s Hướng gió hướng mà từ gió thổi tới điểm quan trắc Hướng gió biểu thị phương vị đông, tây, nam, bắc theo góc lấy hướng bắc làm mốc vị trí 00 3600 tính theo chiều kim đồng hồ Như hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 180 0, hướng tây ứng với góc 2700 Ngoài ra, người ta dùng cấp gió để tốc độ gió cấp gió Beaufort (Francis Beaufort 1806) viết tắt bft Biểu đồ đưa để đánh giá ảnh hưởng gió cho thuyền buồm việc vận chuyển sông hồ, biển… Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam độ cao 80 mét Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam độ cao 80 mét thực từ Bộ công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) Ngân hàng giới năm 2010 Đây tài liệu đánh giá tiềm gió Việt Nam Bản đồ phân bố tốc độ gió thực với phần mềm mô ‘MesoMap’ Kết mô trình bày đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải km Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) đưa Tiêu chuẩn lớp gió tuabincho vùng có tiềm gió nhiều theo tốc độ gió trung bình xáo động gió năm 9 Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn I II III IV tuabintheo loại (vùng có (vùng có (vùng có (vùng có (IEC) Tốc độ gió tiêu biểu gió mạnh) 50 m/s gió mạnh) 42,5 m/s gió trung bình) 37,5 m/s gió yếu) 30 m/s 50 năm v REF Tốc độgió trung 10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s m/s 70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s 52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s 31,5 m/s bình năm v TB Tốc độgió cao 50 năm 1.4v REF Tốc độgió cao năm 1.05vREF 1.1.3 Sự phát triển công nghệ tuabin điện gió Công nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus loại trụng ngang Tuabin điện gió trục đứng có hệ số công suất thấp cấu hình giản dị, dễ thiết kế dễ sản xuất nên loại tuabin điện gió thường sản xuất cho nơi cần công suất khoảng từ đến 20kW Trước số tuabin điện gió trục ngang thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), phương pháp có nhiều nhược điểm dòng gió bị xáo động gió thổi vào thân trụ đến cánh quạt Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không sử dụng rộng rãi Phần lớn tuabin điện gió thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up wind rotor) 10 Hình 1.3: Tuabinđón gió từ phía sau phía trước (down wind rotor) Cho đến nay, phần lớn tuabin lắp đặt giới sử dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay cánh quạt lên cao truyền đến máy phát điện Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu sản xuất đưa vào thị trường Nguyên tắc loại máy phát điện sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực vòng khung gắn trực tiếp với hệ thống rotor Công nghệ năm 90 không phát triển giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu từ đất cao Những năm vừa qua việc khai thác đất tăng nên công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh Hình 1.4: Kích thước công suất lọai tuabin điện gió sản xuất hàng loạt tính đến năm 2012 11 Vào đầu năm 80, khái niệm công nghệ tuabin, gọi “Khái Niệm Đan Mạch” Trong công nghệ tuabin hoạt động với tốc độ định để giữ tần số điện phù hợp với lưới điện Hình 1.5: Cánh đồng điện gió đất liền Aurich CHLB Đức, công suất trụ –7,5MW Hình 1.6: Trang trại điện gió Mỹ 12 1.1.4 Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số 1.2 Các loại máy phát điện hệ thống lượng gió [2][9] 1.2.1 Máy phát điện đồng Như biết, tốc độ quay máy phát điện đồng xác định theo số cực từ tần số lưới điện Vì vậy, cánh quạt tuabin máy phát phải nối với thông qua hộp truyền động khí để quay với tốc độ đồng 13 Hệ thống lượng gió sử dụng máy phát đồng có ưu điểm: kết nối với lưới điện, hệ thống không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng Vì chất lượng điện phát tốt Tuy nhiên máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện chiều cho mạch kích từ Việc cung cấp dòng điện chiều sinh hai vấn đề bất lợi cho hệ thống: - Cần phải trang bị biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện chiều cho mạch kích từ - Sử dụng vành trượt rotor máy phát để đưa dòng điện chiều từ mạch kích từ vào rotor, công việc bảo dưỡng phức tạp - Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho hệ thống lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng 1.2.2 Máy phát điện cảm ứng Hầu hết máy phát điện dùng hệ thống tuabin gió máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng máy điện cảm ứng hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện hệ thống tuabin gió, động bơm hay máy nén Máy 14 điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện Trong hệ thống kết hợp nhiều dạng lượng khác nhau, công suất phản kháng cung cấp từ máy phát đồng hay máy phát Diesel Trong hệ thống lượng gió, tụ điện cố định dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng 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, chúng thường mô tả máy phát không đồng Máy phát cảm ứng làm việc động hay máy phát, tùy thuộc vào trục máy phát hay nhận lượng Máy điện cảm ứng làm việc động trình khởi động máy phát nhận tốc độ gió định mức Khi làm việc động cơ, rotor quay chậm so với tốc độ đồng từ trường, động cảm ứng nhận lượng để làm quay trục rotor Máy điện cảm ứng làm việc máy phát stator chúng nối với nguồn điện áp có tần số ổn định, rotor quay với tốc độ lớn tốc độ đồng động sơ cấp Vì vậy, độ trượt máy phát có giá trị âm Chế độ làm việc máy phát máy điện cảm ứng ứng dụng hệ thống lượng gió với stator nối với lưới điện rotor quay tuabin gió 15 Ưu điểm máy phát cảm ứng cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên Hình 1.10: Mạch tương đương máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc rotor dây quấn Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực điều khiển đơn giản máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc Tốc độ rotor đặc tính thay đổi 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) máy điện phổ biến có cấu trúc đơn giản Dây quấn stator nối với phụ tải hay nguồn kích từ Rotor lồng sóc cách điện có điện trở lớn nhằm tránh cho rotor bị rung động Đối với tình trạng lưới điện không ổn định, gây cố nhiệt, moment dao động máy phát Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 16 1.2.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn Đối với máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, dây quấn rotor nối với vành trượt chổi theo phương pháp cổ điển, thông qua biến đổi công suất Hệ thống lượng gió trang bị máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn với biến đổi công suất, việc điều khiển ngõ dễ hệ thống dùng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Công suất phần ứng stator điều khiển lưới điện xoay chiều thông qua biến đổi công suất Tuy nhiên, chi phí máy phát cảm ứng rotor dây quấn cao máy phát rotor lồng sóc 1.2.5 Máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) Đối với hệ thống lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi khoảng giá trị giới hạn (± 30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép xem giải pháp tốt Bộ biến đổi điện tử công suất điều chỉnh 20 ÷ 30% tổng công suất, tổn hao chi phí biến đổi công suất giảm Cấu trúc máy phát điện DFIG tương tự máy phát điện cảm ứng dây quấn Mạch stator máy phát DFIG nối trực tiếp với lưới mạch rotor nối với biến đổi công suất thông qua vành trượt hình: Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý máy phát DFIG Máy phát điện gió nguồn kép DFIG máy phát điện mà cực stator rotor phát công suất Khi máy điện làm việc máy phát, hướng công suất 17 máy thể hình bên dưới, công suất vào công suất nhận từ turbin gió Công suất truyền đến lưới tổng công suất stator Ps rotor Pr Ps a)w < wo Ps b)w > wo Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng wo Máy phát vận hành tốc độ đồng bộ: Pr < 0, Ps> vận hành tốc độ đồng bộ: Pr > 0, Ps> Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG bao gồm mục tiêu: - Điều khiển công suất phản kháng trao đổi máy phát điện lưới điện - Điều khiển bám điểm vận hành tối ưu tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận từ gió 1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi lượng gió [5], [10], [11] Turbine gió vận hành tốc độ cố định (thông thường phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) tốc độ thay đổi Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát nối trực tiếp với lưới điện, tốc độ làm việc cố định theo tần số lưới điện nên điều khiển khả hấp thu công suất có dao động tốc độ gió Vì vậy, hệ thống turbine gió tốc độ cố định tốc độ gió có dao động gây nên dao động công suất làm ảnh hưởng đến chất lượng điện lưới điện Đối với 18 turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát điều khiển thiết bị điện tử công suất, theo cách dao động công suất thay đổi tốc độ gió hấp thu cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc rotor dao động công suất gây nên hệ thống làm ảnh hưởng đến chất lượng điện lưới điện Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát điều khiển thiết bị điện tử công suất, theo cách dao động công suất thay đổi tốc độ gió hấp thu cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc rotor dao động công suất gây nên hệ thống chuyển đổi lượng gió hạn chế Như vậy, chất lượng điện bị ảnh hưởng turbine gió cải thiện so với turbine gió tốc độ cố định Vì tốc độ quay tuabin gió thấp nên cần điều chỉnh theo tần số điện, điều thực theo hai cách; sử dụng hộp số thay đổi số cặp cực từ máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc máy phát theo tần số lưới điện hộp số điều chỉnh tốc độ quay turbine theo vận tốc máy phát Trong phần này, cấu hình hệ thống chuyển đổi lượng gió sau đề cập: - Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng - Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng rotor lồng sóc máy phát đồng - Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng 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 rotor lồng sóc kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp tần số máy phát định lưới điện hình 1.14 19 Hình 1.14: turbine gió cố định Hệ thống chuyển đổi lượng gió tốc độ cố định thường làm việc hai tốc độ cố định, điều thực cách sử dụng hai máy phát có định mức có số cặp cực từ khác nhau, máy phát có hai cuộn dây với định mức số cặp cực khác Thực cho phép tăng công suất thu từ gió giảm tổn hao kích từ tốc độ gió thấp Máy phát không đồng thường cho phép làm việc phạm vi độ trượt từ – 2%, độ trượt lớn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên hiệu suất thấp Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững độ tin cậy cao, song cấu hình có nhược điểm chính: - Không thể điều khiển công suất tối ưu - Do tốc độ rotor giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn tốc độ thay đổi đột ngột - Không có khả điều khiển tích cực (Active control) 1.3.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn công suất Cấu hình hệ thống trang bị biến đổi công suất đặt stator máy phát lưới điện, máy phát máy phát không đồng (IG) máy phát đồng (SG) Với cấu hình này, điều khiển tối ưu công suất nhận 20 từ gió, phải biến đổi toàn công suất phát nên tổn hao lớn chi phí đầu tư cho biến đổi công suất tăng lên Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi 1.3.3 Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi phần công suất Hệ thống bao gồm turbine gió trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator nối trực tiếp với lưới điện, rotor dây quấn nối thông qua biến đổi công suất back to back hình 1.14 Ngày nay, cấu hình trở nên thông dụng phải biến đổi lượng 20 – 30% toàn công suất phát nên tổn hao thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình biến đổi toàn công suất phát, thêm vào chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất thấp Hình1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với biến đổi điện tử công suất ... đồng 1.2.2 Máy phát điện cảm ứng Hầu hết máy phát điện dùng hệ thống tuabin gió máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng máy điện cảm ứng hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện hệ thống tuabin gió, động... tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số 1.2 Các loại máy phát điện hệ thống lượng gió [2][9] 1.2.1 Máy phát điện đồng Như biết, tốc độ quay máy phát điện đồng xác định theo số cực từ tần số lưới điện. .. Diesel Trong hệ thống lượng gió, tụ điện cố định dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng