2.2.1.1. Khái niệm chung
Gió là một dạng năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn trên thế giới, Việt Nam là nước giàu về gió nhất đông Nam Á. Năng lượng gió thay ựổi tùy thuộc vào ựịa hình trái ựất, luồng nước, cây cối, Ầ Con người sử dụng năng lượng gió cho nhiều mục ựắch khác nhau, trong ựó có mục ựắch phát ựiện thông qua các tuabin gió. đo ựếm Hệ thống bảo vệ kết nối Dao cách ly Máy cắt Lưới ựiện phân phối trung áp DG DG điểm kết nối chung (PCC) điểm kết nối (CP) đường dây kết nối DG
Hình 2.2: Hình ảnh một nhà máy ựiện gió
đối với tuabin gió, ựộng năng dòng không khắ ựược biến ựổi thành ựiện năng. Công suất của các tuabin gió ngày càng tăng lên trong vòng 2 thập kỉ qua vưi công suất lớn nhất của một tổ tuabin gió Ờ máy phát ựã lên tới 4MW. đối với các tổ có công suất nhỏ hơn, cấu hình thường gặp là loại tuabin ỘựứngỢ (stall regulated turbin Ờ không quay) tốc ựộ cố ựịnh. Các tuabin lớn hơn 1MW ựược trang bị hệ thống ựiều chỉnh tốc ựộ ựể ựáp ứng ựược ứng lực cơ khắ tăng lên. Các tuabin ựơn lẻ thường ựược kết nối vào lưới phân phối trung áp. Riêng ựối với các nhà máy ựiện gió lớn (tổ hợp kết nối của nhiều tuabin gió), nếu cần thiết có thể nối lên lưới truyền tảị
Cấu tạo của tuabin gió (hình 2.3) bao gồm: 1. Cánh quạt ( Blades) Ờ gió thổi qua các cánh quạt làm cánh quạt quay; 2. Rôto (Rotor) Ờ bao gồm các cánh quạt và trục; 3. Bước răng (Pitch) - Cánh ựược xoay hoặc làm nghiêng một ắt ựể giữ cho rôto quay trong gió không quá cao hay quá thấp ựể tạo ra ựiện; 4. Bộ hãm (Brake) - dùng ựể dừng rôto trong tình trạng khẩn cấp bằng ựiện, bằng sức nước hoặc bằng ựộng cơ; 5. Trục quay tốc ựộ thấp (Low Ờ speed shaft); 6. Hộp số (Gear box) - là một phần của bộ ựộng cơ và tua-bin gió, có tác dụng làm tăng tốc ựộ quay của tua-bin; 7. Máy phát ựiện (Generato) Ờ phát ra ựiện; 8. Bộ ựiều khiển (Cantroller) Ờ khởi ựộng hoặc tắt ựộng cơ ứng với các vận tốc khác nhau ựể tránh phát nóng ựộng cơ; 9. Bộ ựo lường (anemometer) Ờ ựo tốc ựộ gió và truyền dữ liệu về tốc ựộ gió ựến bộ ựiều khiển; 10. Van gió (wind vane) Ờ ựể xử lý hướng gió và liên lạc với Ộyaw driveỢ ựể ựịnh hướng tuabin; 11. Vỏ (Nacelle) Ờ bao gồm rô to và vỏ bọc ngoài, toàn bộ ựược ựặt trên ựỉnh trụ; 12. Trục truyền ựộng của máy phát ở tốc ựộ cao (High speed shaft); 13. Truyền ựộng lệch (Yaw drive) Ờ giữ cho rô to luôn hướng về hướng gió chắnh khi có sự thay ựổi hướng gió; 14. Môtơ lệch (Yaw motor) Ờ ựộng cơ cung cấp cho Ộyaw driveỢ ựịnh ựược hướng gió; 15. Trụ ựỡ ỘnacelleỢ (Tower) Ờ ựược làm bằng thép hình trụ hoặc thanh giằng bằng thép.
Loại máy phát ựiện thông dụng nhất ựược dùng cho tổ tuabin Ờ máy phát ựiện gió là máy phát ựiện không ựồng bộ.
Công suất cơ lấy ra từ tuabin gió phụ thuộc vào diện tắch quét của cánh quạt và tỉ lệ bậc ba với tốc ựộ gió theo công thức [23]:
3 p. .A. C 2 1 P = ρ ν (2.1) Trong ựó: ρ: mật ựộ không khắ, kg/m3
A: diện tắch quét gió của cánh quạt, m2
ν: tốc ựộ gió, m/s
Nguồn ựiện gió có ưu ựiểm là không tiêu thụ nhiên liệu và không gây ô nhiễm môi trường nhưng nhược ựiểm có bản của ựiện gió là không ổn ựịnh, ảnh hưởng ựến chất lượng ựiện năng. Một vấn ựề khác nữa là tiếng ồn từ cánh quạt của tuabin gió cũng cần ựược quan tâm thỏa ựáng.
Công thức (2.1) ựược tắnh ứng với tốc ựộ gió nhất ựịnh. Tuy nhiên tốc ựộ gió lại thường xuyên thay ựổị Nếu tắnh một cách chắnh xác cần xác ựịnh chế ựộ gió tại rất nhiều thời ựiểm khác nhau trong ngày (thường ựược xác ựịnh theo giờ) [23].
max i n igio P . P ν ν = (2.2) Trong ựó:
Pigio: công suất máy phát gió tại mức vận tốc i, kW νi : vận tốc gió tại thời ựiểm i, m/s
νmax: vận tốc gió cực ựại, m/s
Pn: công suất ựặt của máy phát, kW
Trong chương trình ựánh giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng thế giới ựã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực đông Nam Á, trong ựó có Việt Nam. Theo tắnh toán của nghiên cứu này thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất, tổng tiềm năng ựiện gió của Việt Nam ước ựạt khoảng 513.360MW.
Ưu ựiểm dễ thấy nhất của ựiện bằng sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt ựiện, dễ chọn ựịa ựiểm và tiết kiệm ựất xây dựng. Các trạm ựiện bằng sức gió có thể ựặt gần nơi tiêu thụ ựiện, như vậy sẽ tránh ựược chi phắ cho việc xây dựng ựường dây tải ựiện. Ngày nay, ựiện năng sức gió ựã trở nên rất phổ biến, thiết bị ựược sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp ựã hoàn thiện nên chi phắ cho việc hoàn thành một trạm ựiện bằng sức gió hiện nay chỉ bằng 1/5 so với năm 1986 [23].
Trạm ựiện bằng sức gió có thể ựặt ở những ựịa ựiểm và vị trắ khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú. Các trạm ựiện bằng sức gió ựặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội ựịa vì ở bờ biển thường có gió mạnh. Giải pháp này tiết kiệm ựất xây dựng, ựồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ. Dải bờ biển Việt Nam trên 3000km có thể tạo ra
công suất hàng tỉ kW ựiện năng bằng sức gió. đặt một trạm ựiện bằng sức gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới ựiện quốc gia sẽ tránh ựược việc xây dựng ựường dây tải ựiện với chi phắ lớn gấp nhiều lần chi phắ xây dựng một trạm ựiện bằng sức gió. Việc bảo quản một trạm ựiện bằng sức gió cũng ựơn giản hơn việc bảo vệ ựường dây tải ựiện rất nhiềụ
Tuy nhiên, gió là dạng năng lượng mang tắnh bất ựịnh cao nên khi ựầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê ựầy ựủ, tin cậỵ Nhưng chắc chắn chi phắ ựầu tư cho ựiện bằng sức gió thấp hơn so với thủy ựiện. Toàn bộ chi phắ cho một trạm ựiện bằng sức gió 5MW khoảng 3.000.000 eurọ Với 500 trạm ựiện bằng sức gió loại 5MW sẽ có công suất 2,5 triệu kW, lớn hơn công suất thủy ựiện Sơn La, tổng chi phắ sẽ là 1,875 tỉ USD, chi phắ này nhỏ hơn 2,4 tỉ USD là dự toán xây dựng Nhà máy thủy ựiện Sơn La[29].
2.2.1.2. Phân loại máy phát ựiện gió
A) Loại A Ờ Constant Speed Wind Turbine
Hình 2.4: Sơ ựồ nguyên lý của loại tuabin gió tốc ựộ không ựổi
Mô hình loại này ựược phát triển từ đan Mạch, có cấu tạo gồm một máy phát ựiện không ựồng bộ (MPKđB Ờ là loại máy ựiện cảm ứng roto lồng sóc), biến ựổi năng lượng cơ học thành ựiện năng. Hộp bánh răng có tác dụng khớp tốc ựộ của roto tuabin gió và máy phát ựiện do chúng có tốc ựộ vận hành khác nhaụ
Máy phát ựiện trượt nhẹ theo lượng công suất ựầu ra và do ựó không hẳn là tốc ựộ của máy phát ựiện là không ựổị Tuy nhiên, sự thay ựổi tốc ựộ này nằm trong giới hạn 1ọ2% nên loại tuabin gió này ựược coi là có tốc ựộ không ựổi hoặc cố ựịnh [26]. Hộp số Tuabin MP xoay chiều Tụ bù Máy phát ựiện KđB Us Is
Mặc dù có cấu tạo ựơn giản, chắc chắn nhưng mô hình loại này có những nhược ựiểm sau:
- Không thể ựiều chỉnh ựược công suất tối ưu;
- Ứng lực tác ựộng lên hệ thống lớn khi tốc ựộ thay ựổi ựột ngột;
- Không có khả năng ựiều chỉnh tắch cực do tần số và ựiện áp stato cố ựịnh theo lướị
MPKđB thường tiêu thụ công suất phản kháng. Mức tiêu thụ công suất phản kháng phụ thuộc vào ựiện áp nút, công suất tác dụng P và tốc ựộ của rôtọ Do vậy, MPKđB không ựược sử dụng ựể ựiều chỉnh ựiện áp. Lượng công suất phản kháng của MPKđB tiêu thụ trong phần lớn các trường hợp ựược bù bằng tụ bù. Theo ựó, công suất phản kháng chỉ trao ựổi giữa MPKđB và tụ bù, làm giảm lượng Q trên lưới và tăng hệ số công suất cosϕ trên lưới, giảm tổn thất ựiện áp.
để nâng cao khả năng ựiều chỉnh ựiện áp trong trường hợp này, ta sử dụng các bộ tụ bù ựóng cắt hoặc các giàn tụ Statcom hoặc tụ bù tĩnh (SVC).
B) Loại B Ờ Doubly fed Induction Generator
Mô hình loại này ựược trang bị với một MPKđB với cuộn dây stator của máy phát ựiện ựược nối trực tiếp với lưới ựiện, còn cuộn dây roto máy phát ựiện ựược nối với bộ biến ựổi công suất, sử dụng cấu hình Back-to-Back tạo thành mạch vòng ựiều khiển dòng. Vì bộ biến ựổi công suất bù lại sự sai lệch giữa tần số cơ và ựiện bằng cách bơm vào một dòng roto có tần số thay ựổi nên tuabin gió làm việc với tốc ựộ thay ựổị điều ựó có nghĩa là tốc ựộ cơ của roto có thể ựược ựiều chỉnh theo hàm mục tiêu cụ thể, như là ựạt tối ựa công suất nhận ựược và tối thiểu hóa tiếng ồn. Tốc ựộ của roto ựược ựiều chỉnh bằng cách thay ựổi công suất phát có ựược từ hàm mục tiêụ
Việc phát công suất phản kháng có thể ựược ựiều khiển bằng dòng rôtọ Trong trường hợp này, không tồn tại một quan hệ duy nhất giữa công suất phản kháng và các ựại lượng khác như tốc ựộ rôto và công suất tác dụng phát. Thay vào ựó, ứng với một tốc ựộ rôto cụ thể và mức phát công suất tác dụng tương ứng là lượng công suất phản kháng có thể ựược phát hoặc tiêu thụ trong một phạm vi thay ựổi rộng.
Hình 2.5: Sơ ựồ nguyên lý của loại tuabin gió DFIG
Tuy không phụ thuộc trực tiếp vào tốc ựộ roto và công suất phát P nhưng công suất phản kháng Q vẫn bị ảnh hưởng bởi các ựại lượng ựó. điều ựó là do cả mômen quay MPKđB và việc phát Q phụ thuộc trực tiếp vào dòng ựiện mà bộ ựiều khiển tốc ựộ roto nhận ựược từ tốc ựộ thực rotọ Dòng ựiện cần ựể tạo ra mômen mong muốn lại quyết ựịnh dung lượng bộ biến ựổi cho khép vòng dòng ựiện ựể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng.
Trong loại A và B, máy phát diện ựược thiết kế và vận hành ở hệ số công suất cosϕ = 0,9.
C) Loại C Ờ Direct Drive Wind Turbine
Mô hình loại này cấu tạo gồm có một máy phát ựiện ựồng bộ (MPđB) nhiều cực có tốc ựộ quay thấp, có chiều quay cùng với chiều quay của roto tuabin gió, biến ựổi năng lượng cơ học thành ựiện năng.
Loại này không sử dụng hộp bánh răng truyền ựộng. đầu dây ra từ stato nối trực tiếp với lưới thông qua bộ biến ựổi công suất. Bộ biến ựổi sử dụng loại Back-to-Back biến ựổi nguồn ựiện áp hoặc bộ chỉnh lưu ựi-ốt với bộ biến ựổi nguồn ựiện áp ựơn phạ
Tuabin
Hộp số
Bộ chuyển ựổi Công suất
Lưới ựiều khiển Máy phát
không ựồng bộ
Hình 2.6: Sơ ựồ nguyên lý của loại tuabin gió kết nối trực tiếp
Sự trao ựổi công suất phản kháng giữa MPđB với lưới ựiện không phụ thuộc vào ựặc tắnh của MPđB mà ựược xác ựịnh bởi ựặc tắnh phắa lưới ựiện của bộ biến ựổị MPđB ựược tách biệt hoàn toàn khỏi lưới ựiện. Do vậy, việc trao ựổi công suất phản kháng giữa bản thân MPđB và phắa máy phát ựiện của bộ biến ựổi cũng như là giữa phắa lưới ựiện của bộ biến ựổi với lưới ựiện là hoàn toàn tách biệt. điều này có nghĩa là hệ số công suất cosϕ của MPđB và hệ số công suất cosϕ phắa lưới ựiện cua bộ biến ựổi có thể ựược ựiều chỉnh ựộc lập với nhaụ Thông thường, máy phát ựiện trong trường hợp này ựược thiết kế và vận hành với cosϕ = 1.
đối với cả 3 loại mô hình, thông thường thì ựiện áp tại các nút ựược ựo và làm tắn hiệu ựiều khiển bộ ựiều khiển ựiện áp, ựiều khiển mức phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Tuy nhiên trong một số trường hợp hoặc ựiện áp ở một nút nào ựó lân cận với nút kết nối tuabin gió cũng ựược ựiều chỉnh do ựặc tắnh ựịa phương của ựiện áp lướị Khi ựiện áp ựo ựược quá thấp, việc phát công suất phản kháng tăng lên; khi ựiện áp ựó quá cao thì công suất phản kháng phát lại ựược giảm xuống.
Trong trường hợp sự cố ngắn mạch gần MPđ,làm cho ựiện áp ựầu cực của MPđ sụt giảm mạnh và công suất ựiện do MPđ phát ra cũng sụt giảm, trong khi công suất cơ của tuabin gió vẫn ựược duy trì. Rôto của máy phát ựiện lúc này sẽ bị gia tốc và máy rơi vào trạng thái lồng tốc trong thời gian trước khi sự cố bị loại trừ. Sau khi sự cố ựược loại trừ, MPđ lúc này yêu cầu một lượng công suất phản kháng lớn từ lưới ựiện ựể duy trì từ trường quay trong nó, và khôi phục ựiện
Bộ chuyển ựổi Công suất
Lưới ựiều khiển Tuabin
Máy phát ựồng bộ
áp ựầu cực. Nếu lượng công suất phản kháng này không ựược ựáp ứng kịp thời khiến cho ựiện áp ựầu cực không khôi phục ựược thì MPđ không khởi ựộng ựược. để khắc phục, ngay tại ựiểm kết nối của ựiện gió thường ựược trang bị thiết bị bù, làm nguồn cấp công suất phản kháng ngay tại chỗ. Giá trị dung lượng bù phụ thuộc vào hệ số công suất yêu cầu, công suất phát của máy phát (hoặc trạm ựiện gió) và ựặc ựiểm của lưới ựiện.