nghiên cứu năng lượng gió, xu hướng phát triển năng lượng gió hiện nay và xu hướng phát triển trên thế giới, cách điều chỉnh công suất năng lượng máy phát tuabin gió, các loại cánh quạt tuabin gió, ưu nhược điểm của chúng, xu hướng phát triển của năng lượng gió hiện nay, xu hướng xây dựng các tuabin gió
LỜI NĨI ĐẦU Ngày nghành cơng nghiệp, vai trò điện quan trọng phải đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục cho tất nghành công nghiệp sản xuất Vì thế, muốn cho ngành cơng nghiệp phát triển mạnh cần phải phát triển hệ thống cung cấp điện Việc phát triển lượng điện kéo theo vấn đề môi trường Trong nhà máy thuỷ điện khơng hoạt động hết cơng suất nhà máy nhiệt điện lại gây ô nhiễm môi trường nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính Cho nên vấn đề hàng đầu đặt phát triển xây dựng phải đảm bảo vấn đề vệ sinh mơi trường Trên thực tiễn đó, cần phải tìm nguồn lượng tái sinh để thay Năng lượng gió nguồn lượng thiên nhiên vô tận, nguồn lượng tái tạo không gây ô nhiễm mơi trường Tận dụng nguồn lượng để biến thành nguồn lượng điện phục vụ nhu cầu người Việc xây dựng nhà máy điện gió góp phần đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện Trong ứng dụng công nghệ phong điện vào đời sống, phải không ngừng nghiên cứu thử nghiệm mơ hình tuabin điện đề nâng cao hiệu sử dụng lượng cải thiện công suất phát Trong nội dung luận văn em giới thiệu tổng quát nguồn lượng gió Các ưu điểm để phát triển nguồn lượng này, tìm hiểu loại tuabin gió nơi lắp đặt để tối ưu hóa nguồn lượng vơ tận này, ứng dụng máy phát phân phối DG việc kết nối nguồn lượng tái sinh với nguồn lưới điện quốc gia Mặc dù cố gắng tổ hợp kiến thức học, tìm kiếm tài liệu liên quan khả hạn chế khơng thể tránh sai sót Rất mong quý thầy cô bạn bảo, đóng góp ý kiến để hồn hảo NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN MỤC LỤC CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG PHONG ĐIỆN 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.2.1 Công suất lắp đặt tốc độ tăng trưởng 1.2.2 Các tuabin gió nhỏ lớn 1.2.3 Các ứng dụng hoạt động Độc lập Kết nối lưới điện .7 1.2.4 Ứng dụng đất liền khơi 1.2.5 Chi phí hệ thống chuyển đổi lượng gió .12 1.3 CƠNG NGHỆ TUABIN GIĨ 14 1.3.1 Tuabin gió trục ngang trục đứng 14 1.3.2 Tuabin tốc độ cố định tốc độ thay đổi 16 1.3.3 Hệ thống khí động học: điều khiển góc nghiêng cánh quạt (Pitch) phanh điều tốc (Stall) 17 1.4 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI 18 1.4.1 WECS Tốc độ cố định mà khơng có chuyển đổi điện 19 1.4.2 Hệ thống điều chỉnh tốc độ với chuyển đổi công suất thấp 19 1.4.3 Hệ thống tốc độ biến đổi với chuyển đổi công suất đầy đủ 23 1.5 Hệ thống lưới điện 25 1.5.1 Sự cố cho phép .26 1.5.2 Điều khiển công suất phản phản kháng .26 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH CHUỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNGNG GIÓ TRONG CÁC KHUNG THAM CHIẾU 27 3.1 Giới thiệu: 27 3.2 Khung tham chiếu chuyển đổi: .28 3.2.1 Khung tham chiếu chuyển đổi abc/dq: 29 3.2.2 Khung tham chiếu chuyển đổi abc/αβ: 33 3.3 Mơ hình máy phát điện cảm ứng: 35 3.3.1 Cấu tạo: 35 3.3.2 Mơ hình vector khơng gian: .36 3.3.3 Mơ hình khung tham chiếu dq: 40 3.3.4 Mơ hình mơ phỏng: .42 3.3.5 Đặc điểm máy phát điện cảm ứng 45 3.3.6 Mạch cân trạng thái ổn định: 49 3.4 Máy phát điện đồng 56 3.4.1 Xây dựng mơ hình: 56 3.4.2 Mơ hình động lực học máy phát đồng 59 3.4.3 Mạch trạng thái ổn định tương đương 64 3.5 Tóm lược 68 Tài liệu tham khảo 68 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG PHONG ĐIỆN 1.1 GIỚI THIỆU THỰC TRẠNG NĂNG LƯỢNG PHONG ĐIỆN Trong 20 năm qua, nguồn lượng tái tạo thu hút ý lớn chi phí tăng, trữ lượng hạn hẹp, tác động tiêu cực đến môi trường nhiên liệu hóa thạch Trong , tiến cơng nghệ, giảm chi phí ưu đãi phủ làm cho số nguồn lượng tái tạo có tính cạnh tranh thị trường Trong số đó, lượng gió lượng tái tạo nhanh nguồn [1] Năng lượng gió sử dụng hàng trăm năm để chế biến ngũ cốc, bơm nước biển Việc sử dụng cối xay gió để sản xuất điện tìm thấy cuối kỷ XIX với phát triển máy phát điện DC 12 kW [2] cối xay gió Tuy nhiên, từ năm 1980 cơng nghệ đầy đủ trưởng thành để sản xuất điện hiệu đáng tin cậy Trong hai thập kỷ qua, loạt cơng nghệ điện gió phát triển, cải thiện hiệu chuyển đổi giảm chi phí cho sản xuất lượng gió Kích thước tua bin gió tăng từ vài kilowatt lên vài megawatts Ngồi việc lắp đặt đất liền, tuabin gió lớn đẩy vùng xa bờ để thu nhiều lượng giảm tác động đất cảnh quan chúng Chương cung cấp tổng quan hệ thống chuyển đổi lượng gió (WECS) cơng nghệ liên quan đến chúng Mục đích chương cung cấp tảng số khía cạnh liên quan đến công nghệ thú vị xu hướng thị trường công suất lắp đặt, tốc độ tăng trưởng chi phí Các chi tiết thành phần tuabin, cấu hình hệ thống, kế hoạch kiểm sốt phân tích sâu chương 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIĨ 1.2.1 Cơng suất lắp đặt tốc độ tăng trưởng Cơng suất điện gió lắp đặt tăng dần hai năm qua thập kỷ Hình 1-1 cho thấy phát triển cơng suất lắp đặt tích lũy tồn giới năm 2009 [3] Cơng suất lắp đặt lượng gió tồn cầu tăng lên theo cấp số nhân từ khoảng GW năm 1996 đến 158 GW vào năm 2009 Ngành công nghiệp điện gió đạt tốc độ tăng trưởng trung bình 25% kể từ năm 2000, dự kiến tiếp tục xu hướng năm tới Sự tăng trưởng ấn tượng thúc đẩy việc tăng chi phí liên tục nguồn lượng truyền thống (than, khí đốt…) , giảm chi phí tua-bin gió, chương trình khuyến khích phủ, nhu cầu nguồn lượng Hình 1-2 thể cơng suất gió tích lũy lắp đặt 10 quốc gia hàng đầu giới vào năm 2009 [3] Mặc dù Châu Âu trì khu vực có vai trò nơi sản xuất điện gió lớn nhất, Hoa kì vượt qua Đức- nhà lãnh đạo giới thời gian dài cách tăng công suất lắp đặt lên gần 50% vòng hai năm Hoa kì có cơng suất lắp đặt 35 GW, tương đương với 22,3% cơng suất lắp đặt tồn cầu Các nước Châu Á bắt kịp, chủ yếu thị trường Trung Quốc Ấn Độ Trên thực tế, Trung Quốc tăng gấp đôi công suất lắp đặt năm dự kiến tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh vài năm tới Mặc dù tăng trưởng bền vững ấn tượng, thách thức thực đưa lượng gió hòa vào tổng sản lượng điện Ví dụ, Đức tạo 6,4% tổng nhu cầu điện từ gió năm 2009, Hoa Kỳ Tỉ lệ 1,8% Ngược lại, Đan Mạch, Bồ Đào Nha Tây Ban Nha dẫn đầu lĩnh vực này, với 20% 15% 13% điện gió hòa vào tổng sản lượng điện 1.2.2 Các tuabin gió nhỏ lớn Các tua-bin gió nằm khoảng vài kilowatt để sử dụng nhà vài megawatts trang trại gió lớn để thương mại hóa Tuabin gió cỡ nhỏ đến cỡ trung bình thường 300kW lắp đặt nhà, trang trại sở kinh doanh để bù đắp cho việc tiêu thụ điện Các đơn vị điện gió nhỏ sử dụng kết hợp với nguồn lượng khác lượng quang điện máy phát điện Diesel để tạo thành hệ thống phát điện độc lập lưới điện cho khu vực xa, nơi khó khăn tiếp cận lưới điện tốn Mặt khác, kích cỡ tuabin gió lớn tăng theo năm Sự tiến triển kích cỡ tua bin đánh giá rõ hình 1-3 Bắt đầu với cơng suất 50 kW bán kính rotor 15 m vào đầu năm 1980, tuabin gió tìm thấy ngày hơm lên đến 7,5 MW với đường kính rotor 126 m Người ta hy vọng Tuabin gió 10 MW phát triển tương lai với đường kính rotor tua bin 145 m, gấp đôi chiều dài máy bay Boeing 747 Sự gia tăng kích cỡ tuabin gió có nghĩa lượng điện lớn lượng thu hàm bình phương bán kính rotor Điều quan sát tương quan đường kính rotor chiều cao tháp tới mức cơng suất tua-bin gió thể Hình 1-3 Các tuabin gió lớn thường dẫn đến giảm mức chi phí chi phí sản xuất, lắp đặt bảo trì thấp tổng số chi phí tuabin gió nhỏ dù có sản lượng điện 1.2.3 Các ứng dụng hoạt động Độc lập Kết nối lưới điện Các tuabin gió hoạt động đơn vị độc lập với công suất nhỏ để cung cấp lượng cho làng mạc, trang trại, đảo nơi q xa để hòa vào lưới điện tốn Cơng suất phát từ gió khơng đổi, nguồn lượng khác thường yêu cầu hệ thống độc lập Thơng thường, hệ thống lượng gió độc lập hoạt động với máy phát điện diesel, hệ thống lượng quang điện, hệ thống lưu trữ lượng để hình thành hệ thống phân phối đáng tin cậy (Distributed Generation-DG) [4] Do ứng dụng hạn chế, lượng gió độc lập chiếm phần nhỏ tổng công suất gió lắp đặt tồn giới Phần lớn tuabin gió hoạt động lĩnh vực kết nối lưới, công suất phát trực tiếp tải lên lưới Vì hầu hết máy phát điện hoạt động vài trăm volt (thường 690 V), máy biến áp sử dụng để tăng điện áp máy phát tới hàng chục kilovolts, ví dụ 35 kV, cho trạm biến áp điện gió Điện áp tăng máy biến áp trạm biến áp, kết nối trang trại gió đến lưới thể hình 1-4 1.2.4 Ứng dụng tuabin gió đất liền ngồi khơi Những trang trại lượng gió lớn có truyền thống đặt đất vài lý do: xây dựng dễ dàng, chi phí bảo trì thấp, gần với đường dây Trên Mặt khác, trang trại gió ngồi khơi thương mại hóa Một lý cho việc phát triển trang trại gió ngồi khơi thiếu nguồn gió thích hợp đất liền Điều đặc biệt xảy khu vực đông dân số Các nước châu Âu Một lý quan trọng tốc độ gió ngồi khơi thường cao đáng kể so với đất liền Xét lượng thu tuabin gió tỷ lệ thuận với lập phương tốc độ gió, tuabin thu nhiều lượng hoạt động khơi Hơn nữa, tác động môi trường, tiếng ồn ảnh hưởng thị giác giảm đến mức tối thiểu xây dựng khơi Những yếu tố động lực cho phát triển cơng nghệ tuabin gió khơi Mặc dù nguyên mẫu tuabin khơi tìm thấy khắp giới, có số quốc gia (chủ yếu châu Âu) có trang trại gió ngồi khơi hoạt động Các đối thủ lớn khu vực Anh, Đan Mạch, Hà Lan, thể hình 1-5 [5] Mặc dù tổng cơng suất điện gió ngồi khơi châu Âu 2056 MW tính đến năm 2009 chiếm 1,3% tổng cơng suất điện gió lắp đặt, lượng gió ngồi khơi thị trường phát triển nhanh, thể hình 1-6 [5] Cơng suất lắp đặt tăng từ 0,1 GW năm 2000 lên GW năm 2009 Ngoài ra, tài nguyên gió ngồi khơi lớn Ví dụ: nguồn lượng gió ngồi khơi châu Âu lớn nhiều lần so với tổng tiêu thụ điện châu Âu [6] Một số trang trại gió ngồi khơi dự kiến đưa vào hoạt động tương lai gần đạt công suất GW tuabin Ví dụ trang trại gió đất liền khơi cho Bảng 1-1 1-2, có vị trí, số tuabin, kích thước tua bin, nhà cung cấp ngày sản xuất Các ảnh số trang trại gió thể hình 1-7 10 đồng rotor dây quấn (WRSGs) máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSGs) Trong WRSG, từ trường phần rotor tạo cuộn dây rôto PMSG sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường phần rotor Tùy thuộc vào hình dạng rotor phân bố khoảng cách khe khơng khí dọc theo chu vi rotor, máy phát đồng phân loại thành loại cực lồi loại cực ẩn Trong phần này, việc xây dựng WRSGs PMSGs hệ thống lượng gió trình bày, mơ hình động lực ổn định trạng thái cho hai loại đồng máy phát điện Các sơ đồ khối cho việc mô máy phát đồng đưa ra, trường hợp nghiên cứu cung cấp để phân tích cho trạng thái động lực ổn định loại máy phát điện 3.4.1 Xây dựng mơ hình: Tương tự máy phát cảm ứng, máy phát đồng chủ yếu bao gồm stator rotor Quá trình xây dựng máy phát rotor dây quấn máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu giống máy phát điện cảm ứng, nên em không lặp lại Tiểu mục cung cấp tổng quan cấu hình rotor cho WRSG PMSG Máy phát điện đồng Rotor dây quấn Là máy phát đồng có cấu tạo rotor dây quấn để tạo dòng từ trường rotor Hình 3-16 minh họa WRSG cực lồi điển hình, lấy ví dụ rotor có mười hai cực để đánh giá tốt cấu trúc rotor Từ trường cuộn dây tạo từ vòng dây quấn quanh cực, đặt đối xứng chu vi rotor cấu hình xuyên tâm quanh trục để chứa số lượng cực lớn Máy phát điện có phân bố luồng khơng khí khơng đồng cấu trúc lồi rotor Một ví dụ thực tế loại máy phát điện thể hình 2-7e Chương Các máy phát đồng với số cực lớn (ví dụ: 72 cực) hoạt 54 động tốc độ quay thấp sử dụng hệ thống lượng gió điều khiển trực tiếp hàng megawatt, chúng không cần hộp số Điều làm giảm tổn thất điện chi phí bảo trì Trường cuộn dây rotor máy phát đồng cần có kích từ DC Dòng rotor cung cấp trực tiếp quét tiếp xúc với vòng trượt có gắn với trục kết nối điện với cuộn dây rotor Ngồi ra, sử dụng thiết bị kích từ vật lý khơng chổi gắn vào trục Các Kích từ xử lý dòng điện AC thành dòng DC cách sử dụng cầu diode cho rotor dây quấn phương pháp đơn giản đòi hỏi phải thường xun bảo trì chổi quét vòng trượt, phương pháp thứ hai tốn phức tạp yêu cầu bảo trì Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Trong PMSG, rotor từ thông tạo nam châm vĩnh cửu, máy phát điện khơng có chổi than khơng có cuộn dây rotor nên đạt mật độ cơng suất cao, giảm kích thước trọng lượng máy phát điện Ngồi ra, khơng có khe dây quấn rotor để tản nhiệt rotor Những hạn chế máy phát điện thực tế nằm việc nam châm vĩnh cửu đắt dễ bị khử từ Tùy thuộc vào cách nam châm vĩnh cửu gắn rotor, PMSG phân loại thành máy phát có nam châm gắn bề mặt rotor máy phát có nam châm lắp vào rotor Máy phát có rotor gắn nam châm bề mặt Trong PMSG gắn nam châm bề mặt, nam châm vĩnh cửu đặt bề mặt rotor Hình 3-17 cho thấy máy phát điện, có 16 nam châm bố trí bề mặt lõi rotor, ngăn cách vật liệu khơng từ hóa hai nam châm liền kề Vì tính thấm từ nam châm gần với vật liệu khơng từ hóa, khoảng cách khơng khí hiệu lõi rotor stator phân bố quanh mặt rotor Kiểu cấu hình biết đến PMSG cực ẩn Lợi Máy phát động lắp nam châm bề mặt rotor tính đơn giản chi phí xây dựng thấp so với PMSG lắp nam châm vào rotor Tuy nhiên, nam châm chịu lực ly tâm bị rơi khỏi rotor, PMSG lắp 55 nam châm bề mặt chủ yếu sử dụng máy phát tốc độ thấp Trong máy WECS truyền động trực tiếp, máy phát đồng với số lượng lớn cực sử dụng, ví dụ hình 2-7d chương Rotor PMSG có mặt ngồi rotor, nam châm vĩnh cửu gắn vào bề mặt bên rotor [7] Trong trường hợp này, lực ly tâm giúp giữ nam châm gắn vào lõi rotor PMSG gắn nam châm vào rotor Trong PMSG gắn nam châm vào rotor, nam châm vĩnh cửu đưa vào bề mặt rotor thể hình 318 Các nơi lồi tạo dựa vào độ thấm từ khác vật liệu lõi rotor nam châm Cấu hình giảm áp lực quay liên kết với lực ly tâm so với 56 PMSG có nam châm gắn bề mặt rotor, đó, loại máy phát điện hoạt động tốc độ quay rotor cao Thực tế PMSG cực thấp sử dụng WECS thể hình 2-7e Chương 3.4.2 Mơ hình động lực học máy phát đồng Hình 3-19 mơ tả mơ hình trục dq chung cho máy phát đồng Để đơn giản hóa phân tích, máy phát đồng mơ hình bình thường lĩnh vực đồng rotor hệ quy chiếu Các mạch stator mơ hình trục dq giống máy phát điện cảm ứng thể hình 3-8 ngoại trừ: Tốc độ khung tham chiếu arbitrary mơ hình IG thay tốc độ rotor ωr khung đồng Từ kháng Lm thay từ kháng trục dq Ldm Lqm máy phát đồng Trong máy phát đồng cực ẩn, trục d trục q có từ kháng (Ldm = Lqm), đó, với máy phát điện đồng cực lồi, từ kháng trục d thường thấp từ kháng trục q (Ldm