Nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió với lưới điện: Những vấn đề kỹ thuật và giải pháp

Khoảng tần số hoạt động

Turbine gió tốc độ thay đổi chuyển đổi toàn phần thì hoàn toàn độc lập với lưới.

Những tác động của turbine gió lên lưới điện

Hiện tượng chập chờn là những nhiễu loạn phát sinh do nhiều nguyên nhân như sự thay đổi công suất phát của tuabin gió theo sự thay đổi vận tốc gió, do khởi động và dừng tuabin gió, do sự thay đổi của máy phát đối với turbine hai máy phát, do những dao động về lực xoắn trong turbine gió tốc độ cố định, hoặc sự thay đổi góc pitch cánh quạt. Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Những cảm biến tại điểm kết nối cần phát hiện những quá độ chuyển tiếp các điều kiện cô lập và cắt các máy phát điện khi xảy ra quá áp, sụt áp, vọt lố hoặc sụt giảm tần số [8].

Các cách thức hoạt động của turbine gió

Xu hướng này được phát triển trong một vài năm trở lại đây và được sử dụng cho các cánh đồng gió và thường sử dụng trong các turbine gió hiện đại, chúng được thiết kế để đạt được hiệu suất cực đại trong một khoảng tốc độ gió rộng. Ưu điểm của turbine gió tốc độ thay đổi là gia tăng năng lượng thu được, điều khiển được công suất tác dụng và công suất phản kháng, cải thiện chất lượng điện năng và giảm được mệt mỏi cơ khí trên turbine gió. Do hộp số có khối lượng lớn, khó khăn trong vận chuyển, lắp đặt và cũng là bộ phận gây tổn hao nhiều năng lượng, hơn nữa yêu cầu chi phí cho việc bảo dưỡng, vì vậy hiện nay người ta đã phát triển một loại máy phát điện nối trực tiếp với turbine gió, đây là turbine gió tốc độ thay đổi, sử dụng máy điện đồng bộ có số đôi từ cực lớn (60 hoặc hơn) có thể kết nối trực tiếp với turbine gió không thông qua hộp số, và kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi công suất toàn phần, đây là công nghệ hoàn toàn mới, được phát triển để phục vụ cho mục đích riêng biệt này [28].

Tương quan giữa tốc độ và cụng suất ngừ ra của turbine giú

Một giải pháp thay đổi độ trượt trong máy phát điện không đồng bộ là sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn, rotor có thể được nối thông qua vành trượt và chổi than với điện trở thay đổi được ở phía ngoài. Nó gây nên những ảnh hưởng trên điện áp tĩnh, sự thay đổi điện áp động và quá độ điện áp liên quan đến kết nối turbine gió như sự từ hóa của máy phát và kết nối tụ điện nhánh. Tốc độ gió thay đổi được chuyển đổi trực tiếp thành momen điện từ thay đổi trong khi tốc độ quay không đổi, do nguyên nhân này gây nên sự mệt mỏi cơ khí cao trên hệ thống (cánh quạt, hộp số và máy phát), và có thể dẫn đến những dao động giữa turbine và trục máy phát.

Kết nối turbine gió tốc độ thay đổi máy phát DFIG với lưới điện

• Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng máy phát DFIG Mục tiêu của việc điều khiển công suất
• Chiến lược vận hành công suất cực đại turbine gió tốc độ thay đổi máy phát DFIG

Hệ thống điều khiển turbine gió tốc độ thay đổi máy phát 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 turbine nhằm cực đại công suất nhận được từ gió hoặc để hạn chế cụng suất giú ngừ vào nhằm trỏnh quỏ tải cho mỏy phỏt khi tốc độ gió lớn. Pn , kênh điều khiển turbine sẽ giữ góc pitch ở trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều khiển Psrefcho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ công suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển turbine. Trong trường hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển turbine sẽ ra lệnh cho kênh chấp hành góc pitch hiệu chỉnh góc pitch β để lược bớt công suất và kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển bằng giá trị định mức Pnref, kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi định trước.

Mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió tốc độ cố định sử dụng máy điện không đồng bộ kết nối lưới điện

Khi vận tốc giú tăng, cụng suất tỏc dụng ngừ ra của cỏc turbine giú cũng gia tăng tương ứng, công suất phản kháng cung cấp cho các turbine cũng tăng lên. Tốc độ gió được cài đặt tại tốc độ gió 10m/s, tại t = 35s một sự cố ngắn mạch trên tuyến dây ở gần tổ máy phát điện gió, hệ thống bảo vệ được cài đặt không tác động để khảo sát đáp ứng của hệ thống khi xảy ra sự cố. Dẫn đến sự mất cân bằng giữa công suất cơ được cung cấp và công suất điện từ phát sinh làm máy phát tăng tốc, do sự cố tồn tại quá lâu nên tốc độ của máy phát không thể khôi phục lại giá trị ban đầu sau khi sự cố đã bị loại trừ, công suất tác dụng của máy phát giảm về không, công suất phản kháng tiêu thụ tăng do máy phát mất ổn định, tốc độ gia tăng cao.

Mô phỏng tổ máy phát điện turbine gió tốc độ thay đổi sử dụng máy điện cảm ứng nguồn đôi ( DFIG) kết nối lưới điện

Khi vận tốc giú tăng, cụng suất tỏc dụng ngừ ra của cỏc turbine giú cũng gia tăng tương ứng, tuy nhiên do turbine gió kết nối lưới thông qua bộ chuyển đổi công suất nờn cụng suất ngừ ra ớt biến động hơn so với turbine giú kết nối lưới trực tiếp. Trong thời gian xảy ra sự cố công suất tác dụng của máy phát giảm về không, điện áp trên tuyến cũng giảm mạnh, máy phát cung cấp công suất phản kháng ngược lại lưới để giúp nhanh quá trình khôi phục điện áp, tốc độ máy phát gia tăng do công suất cơ vẫn tiếp tục được cung cấp bởi gió. Trong thời gian xảy ra sự cố công suất tác dụng của máy phát giảm về không, điện áp trên tuyến cũng giảm mạnh, máy phát cung cấp công suất phản kháng ngược lại lưới để giúp nhanh quá trình khôi phục điện áp, tốc độ máy phát gia tăng do công suất cơ vẫn tiếp tục được cung cấp bởi gió.

So sánh đáp ứng của tổ turbine gió máy phát không đồng bộ và tổ turbine gió máy phát DFIG với sự thay đổi vận tốc gió

Khi vận tốc giú ngừ vào gia tăng, do turbine giú tốc độ thay đổi với mỏy phỏt DFIG có thể thay đổi tốc độ, nên có khả năng đáp ứng với sự gia tăng vận tốc gió, vì vậy góc pitch cánh quạt chỉ thay đổi rất nhỏ khoảng 1 độ, trong khi đó ở turbine gió tốc độ không đổi với máy phát không đồng bộ, góc pitch cánh quạt gia tăng đến 8 độ. Khi vận tốc giú ban đầu nhỏ (5.5m/s), cụng suất ngừ ra của turbine giú tốc độ không đổi với máy phát không đồng bộ bằng không vì với vận tốc này chưa đủ để máy phát quay với tốc độ đồng bộ, trong khi đó turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát DFIG đã phát sinh công suất do máy phát có thể làm việc ở vận tốc 0.8pu. Tương ứng với sự gia tăng tốc độ gió, momen điện từ của các máy phát cũng gia tăng, tuy nhiên ở máy phát DFIG đáp ứng chậm hơn với sự thay đổi vận tốc gió kết quả là đặc tuyến gia tăng trơn hơn, trong khi đó ở máy phát không đồng bộ gần như đỏp ứng tức thời với sự thay đổi của vận tốc giú nờn đặc tuyến cú cựng dạng giú ngừ vào.

Phân tích kết quả mô phỏng

Khi hoạt động ở chế độ góc pitch tăng 8 độ mỗi giây và giảm 8 độ mỗi giây, kết quả cho thấy dạng tốc độ rotor khá bằng phẳng, sự chuyển động của góc pitch giữ cho tốc độ của rotor là hằng số ở vận tốc gió cao, góc pitch có khuynh hướng theo sau tốc độ gió, như vậy khi tốc độ gió tăng, góc pitch trung bình tăng, tương tự góc picth giảm khi vận tốc gió trung bình giảm. Ngoài những nhân tố kể trên, những hệ số khác tác động đến đáp ứng sự cố của turbine gió hằng số, như sự có mặt của hệ thống điều chỉnh góc pitch để giới hạn tốc độ gia tăng trong sự cố hoặc sự có mặt của nguồn công suất phản kháng để phục hồi điện áp sau khi xóa sự cố, như các công tắc chuyển mạch tụ điện hoặc SVC, STATCOM. Như vậy về phương diện kỹ thuật, turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát DFIG có ưu điểm hơn so với turbine gió tốc độ không đổi với máy phát không đồng, tuy nhiên do máy phát DFIG có cấu tạo phức tạp, yêu cầu bảo trì cao và giá thành đắt nên việc lựa chọn loại máy phát nào còn căn cứ vào nhiều yếu tố khác như : Điều kiện gió nơi đặt turbine, trình độ nhân viên vận hành, kỹ thuật bảo trì….