Tubin gió có thể vận hành tốc độ cốđịnh ( thông th ng trong ph m vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với tubin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát đ ợc nối trực tiếp với l ới điện, do tôc đọ làm việc đ ợc cốđịnh theo tần số l ới điện nên hầu nh không thểđiều khiển và do đó không có kh năng hấp thu công suất khi có sựdao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống
tubin gió tốc độ cốđịnh khi tốc độ gió có sựgiao động sẽ gây nên sựdao động công suất và làm nh h ng đến chất l ợng điện năng c a l ới điện. Đối với tubin gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát đ ợc điều khiển b i thiết bị điện tử công suất, theo cách này sựdao động công suất do sựthay đổi tốc độ gió có thểđ ợc hấp thụ bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc c a rotor và sựdao động công suất gây nên b i hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió vì thế có thể đ ợc h n chế. Nh vậy, chất l ợng điện năng do bị nh h ng b i tubin gió có thể đ ợc c i thiện so với tubin gió tốc độ cốđịnh.
Vì tốc độ quay c a tuabin gió khá thấp nên cần đ ợc điều chỉnh theo tần số điện điều này có thểđ ợc thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ c a máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc c a máy phát theo tần số l ới điện và hộp sốđiều chỉnh tốc độ quay c a turbine theo vận tốc máy phát. Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió sau đây đ ợc đề cập:
- Turbine gió tốc độ cốđịnh với máy phát không đồng bộ.
- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy điện nam châm vĩnh cửu hoặc máy phát đồng bộ.
- Turbine gió tốc độthay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía.
2.2.2.1 Hệ thống tubin gió cốđịnh
Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy điện nam châm vĩnh cửu đ ợc kết nối trực tiếp với l ới điện, điện áp và tần số máy phát đ ợc quyết định b i l ới điện nh hình 2.11
Hệ thống chuyển đổi năng l ợng gió tốc độ cốđịnh th ng làm việc hai tốc độ cố định, điều này đ ợc thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định m c và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nh ng có hai cuộn dây với định m c và số cặp cực khác nhau. Thực hiện nh vậy sẽ cho phép tăng công suất thu đ ợc từgió cũng nh gi m tổn hao kích từ tốc độ gió thấp. Máy phát không đồng bộth ng cho phép làm việc trong ph m vi độtr ợt từ 1 –2%, vì độtr ợt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.
Mặc dù có cấu t o đơn gi n, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3 nh ợc điểm chính:
- Không thểđiều khiển công suất tối u.
- Do tốc độ rotor đ ợc giữ cố định nên ng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độthay đổi đột ngột.
- Không có kh năng điều khiển tích cực (Active control).
2.2.2.2 Hệ thống tubin gió tốc độthay đổi biến đổi toàn bộ công suất
Cấu hình hệ thống này đ ợc trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và l ới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát đồng bộ (SG). Với cấu hình này, có thểđiều khiển tối u công suất nhận đ ợc từgió, nh ng do ph i biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn.
Hình 2. 12 Hệ thống tubin gió tốc độtay đổi biến đổi toàn bộ công suất phát.
2.2.2.3 Hệ thống tubin gió tốc độthay đổi biến đổi một phần công suất
Hệ thống bao gồm turbine gió đ ợc trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator đ ợc nối trực tiếp với l ới điện, trong khi đó rotor dây quấn đ ợc nối thông qua một bộ biến đổi công suất d ng back to back nh hình 2.13. Ngày nay, cấu hình này tr nên rất thông dụng do chỉ ph i biến đổi một l ợng 20 – 30% c a toàn bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bịđiện tử công suất gi m xuống đáng kể so với cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát.
2.3 Tổng quan về các kiểu turbine gió
2.3.1 Turbine gió trục đ ng và trục ngang
Có nhiều kiểu thiết kếkhác nhau cho turbine gió, và đ ợc phân ra làm hai lo i cơ b n chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đ ng (VAWT). Các cánh qu t gió th ng có các d ng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều đ ợc dùng để “bắt” năng l ợng gió để t o ra mô men quay trục turbine, nh hình 2.14.
Turbine gió trục ngang (HAWT) có rô to kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang. Số l ợng cánh qu t có thểthay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy lo i 3 cánh là có hiệu suất cao nhất. HAWT có các thành phần cấu t o nằm thẳng hàng với h ớng gió, cánh qu t quay đ ợc truyền động thông qua bộ nhông và trục. Lo i turbine trục ngang không bị nh h ng b i sự xáo trộn luồng khí (khí động học), nh ng yêu cầu ph i có một hệ thống điều chỉnh h ớng gió bằng cơ khí đểđ m b o các cánh qu t luôn luôn h ớng thẳng góc với chiều gió.
Hình 2. 14 Cấu t o turbine trục đ ng và trục ngang 1. Chiều gió đến c a HAWT 2. Đ ng kính rô to 3. Chiều cao c a Hub 4. Cánh rô to
5. Hộp số 6. Máy phát
9. Chiều gió phía sau rô to 10. Chiều cao rô to
11. Tháp VAWT 12. Độcao kính xích đ o.
13. Cánh rô to với gócb ớc cốđịnh. 14. Nền rô to.
Turbine gió trục đ ng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đ ng. Lo i này không cần ph i điều chỉnh cánh qu t theo h ớng gió và có thể ho t động bất kỳh ớng gió nào. Việc duy tu b o qu n và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ phận chính nh máy phát, hệ thống truyền động đều đ ợc đặt ngay trên mặt đất. Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống.
2.3.2 So sánh turbine trục đ ng và trục ngang
Đư có nhiều tranh luận xoay quanh vấn đề này, có thể nói bắt đầu từ khi phát minh ra các bộ chuyển đổi năng l ợng gió. Các chuyên gia đư đ a ra nhiều quan điểm khác nhau. Dennis G.Shepherd đư so sánh hai lo i turbine này một cách toàn diện nhất trong tác phẩm “Năng l ợng gió”, ông đư đ a ra những u và nh ợc điểm t ơng đối c a hai lo i turbine này nh sau:
u điểm c a VAWT so với HAWT:
- Một turbine gió trục đ ng truyền thống là một cỗmáy không h ớng. Nghĩa là VAWT ho t động mà không phụ thuộc vào h ớng gió. Nh vậy hệ thống xoay h ớng gió ph c t p c a HAWT sẽ không cần thiết VAWT.
- VAWT đ ợc đặt ngay trên nền đất, khác với HAWT ph i đ ợc đ a lên tháp cao. Hộp số, máy phát và dàn cơ khí điều khiển rất nặng, do đó nếu đặt d ới đất thì việc lắp đặt, b o trì sẽ rất thuận tiện và dễ dàng.
- Với cùng một công suất ngõ ra, tổng chiều cao c a HAWT (bao gồm tháp) sẽ cao hơn rất nhiều so với lo i trục đ ng Darrieus gây tác động rõ rệt đến xung quanh. Vềph ơng diện này, các turbine gió trục đ ng đ ợc coi nh thân thiện với môi tr ng hơn so với lo i trục ngang.
- Các cánh qu t c a VAWT không bị ph i chịu đựng áp lực khi xoay. Cánh c a VAWT rẻ và bền cao hơn so với HAWT.
H n chế c a VAWT:
- VAWT nói chung không thể tự kh i động đ ợc. Rô to Savonious là một ngo i lệnh ng nó có hiệu suất khá thấp.
- Vì VAWT đ ợc đặt ngay trên mặt đất, nên nó lệ thuộc vào gió có tốc độ thấp và thay đổi liên tục. Với cùng một diện tích quét và trọng l ợng thì công suất ngõ ra c a VAWT thấp hơn HAWT.
- Các dây cáp chằng VAWT chiếm khá nhiều diện tích, nên có thể gây khó khăn cho việc tận dụng phần đất bên d ới turbine, đất đai th ng canh tác, trồng trọt bên d ới.
- Toàn bộ trọng l ợng c a VAWT đ ợc đặt lên bộ đệm đỡ phía d ới, bộ đệm này rất c ng, linh ho t và có độ tin cậy cao khi vận hành. Tuy nhiên khi bộ đệm này h hỏng, thì đòi hỏi ph i tháo dỡ xuống toàn bộ máy phát để sửa chữa hoặc thay thế.
- Đối với VAWT, mô men quay và công suất ngõ ra thay đổi thất th ng một cách tuần hoàn khi cánh qu t đi vào và ra khỏi vùng tác động c a gió trong mỗi vòng quay, trong khi HAWT mô men quay và công suất ngõ ra khá ổn định.
Do mô men quay c a VAWT thay đổi tuần hoàn, nên t o ra nhiều tần số dao động tựnhiên. Điều này rất nguy hiểm và cần ph i đ ợc lo i bỏ nhanh chóng b i bộ điều khiển cơ khí, nếu không sự cộng h ng sẽgây h hỏng nghiêm trọng cho rô to. Trong khi đó một HAWT nếu đ ợc thiết kế kỹ l ỡng sẽ không có những vấn đề rung động nh vậy.
Sự phát triển mang tính c nh tranh và những gì làm đ ợc c a turbine trục ngang sẽ bị h n chế trong t ơng lai, phần lớn là do t i trọng c a những cánh qu t ngày càng lớn. Có thể nhận thấy rằng, mặc dù hiệu suất thấp nh ng turbine trục đ ng không chịu áp lực nhiều từ t i trọng c a nó, điều làm giới h n kích th ớc c a turbine trục ngang.
Xét về mặc hiệu qu kinh tế, các nhà phân tích cho rằng: nếu tr ớc đây các turbine trục đ ng với công suất ngõ ra kho ng 10 MW đ ợc phát triển thì ít nhất nó
cũng làm đ ợc những gì mà turbine trục ngang làm đ ợc ngày nay, nh ng chi phí trên một đơn vị công suất thấp hơn nhiều, do đó vấn đề hiệu suất c a turbine trục đ ng thấp 19% đến 40% so với 56% turbine trục ngang là không quan trọng.
2.4 Tổng quan về kết nối máy phát điện gió với l ới điện phân phối
2.4.1 Tính cần thiết c a việc kết nối máy phát điện gió vào l ới điện phân phối
Ngày nay với xã hội phát triển đòi hỏi cần nguồn năng l ợng điện lớn. Vì vậy đòi hỏi ph i phát triển nhiều nguồn năng l ợng điện khác nhau nh : nhiệt điện, th y điện, năng l ợng h t nhân … nh ng những nguồn năng l ợng này ngày càng c n kiệt l i nh h ng đến môi tr ng cũng nh môi tr ng sinh thái. Vì vậy cần nguồn năng l ợng đ m b o đ ợc các yếu tố trên nh ng l i là vô tận. Phong điện, năng l ợng mặt tr i đ ợc khai thác triệt để nh ng l i rất tốn kém. Với ý t ng tận dụng những nguồn nhỏ sẵn có c a các hộ gia đình công suất nhỏ nh : năng l ợng mặt tr i, năng l ợng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas.... sẽ cùng kết nối vào l ới điện nhằm gi m t i cho l ới điện từ các hộgia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ thống điện.
Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộgia đình vào hệ thống điện nhằm đ m b o liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ t i hộgia đình đang dùng cũng nh h n chế việc quá t i trên đ ng dây. Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa c a các nguồn năng l ợng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi t i hộgia đình nhỏ mà nguồn năng l ợng phát lớn. Đây chính là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị quá t i.
Việc kết nối giữa máy phát điện năng l ợng gió vào l ới điện phân phối không ph i là một việc làm quá mới mẽ trong th i đ i ngày nay, vì đư có nhiều nhà máy phong điện đ ợc xây dựng và đi vào ho t động. Tuy nhiên, việc kết nối này phần lớn chỉ thực hiện trên các nhà máy phong điện công suất lớn, có công suất vài MW, còn đối với các nhà máy điện gió công suất nhỏ vài chục đến vài kW, có qui mô hộ gia đình, thì hầu nh không đ ợc quan tâm và phát triển. Lí do ch yếu đ a ra là ngoài việc công suất quá thấp thì việc các nhà máy điện gió lo i nhỏ phần lớn
l ới quốc gia gặp rất nhiều khó khăn khi triển khai lắp đặt. Chính vì vậy, nhu cầu nối l ới t i các vùng này hầu nh không có. Tuy nhiên, trong tình hình an ning năng l ợng luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu và việc mất điện luân phiên do nhu cầu v ợt quá kh năng cung ng c a hệ thống điện thì việc phát triển triển các nhà máy phong điện không chỉ dành cho các vùng địa lí khó khăn mà ngay các đô thị cũng đ ợc đặt biệt quan tâm trong vấn đề tìm các nguồn năng l ợng thay thế để bù đắp l ợng điện thiếu hụt trong gi cao điểm.
Điều này cho ta thấy đ ợc tính cấp thiết c a việc nghiên c u các gi i pháp thích hợp để có thể kết nối các máy phát điện gió công suất nhỏvào l ới điện phân phối. Do việc phát triển các nhà máy điện gió công suất lớn t i các vùng đô thị là không t ng do sự chật hẹp về không gian lắp đặt và các yêu cầu về an toàn khác. Do vậy việc lắp đặt các turbin gió trên các sân th ợng các tòa nhà là kh thi nhất. Và thực tếđư có nhiều máy phát điện gió cỡ nhỏđư đ ợc lắp đặt và vận hành thành công. Tuy nhiên vấn đềcác máy phát điện này ho t động độc lập với l ới điện phân phối. Chính vì vậy, việc thiết kế các bộ chuyển đổi năng l ợng gió kết nối vào l ới điện phân phối sẽ là cầu nối hữa hiệu trong việc tận dụng các nguồn năng l ợng nhỏ lẻ thành một nguồn năng l ợng đáng kể trong hệ thống phân phối điện năng. Góp phần đa d ng hóa các nguồn năng l ợng và đ m b o an ninh năng l ợng trong th i gian không xa.
Nhiệm vụ c a luận văn là thiết kế một bộ chuyển đổi năng l ợng gió để kết nối vào l ới điện phân phối sao cho có thể tận dụng tối đa công suất gió. Đồng th i trong điều kiện gió không thay đổi hay thay đổi không đáng kể thì bộ chuyển đổi có nhiệm vụ cấp lên l ới một công suất tác dụng ổn định và l ợng công suất ph n kháng đ ợc duy trì m c độ thấp nhất có thể. Việc ổn định công suất tác dụng bơm vào l ới điện sẽ giúp cho hệ thống không bị các nhiễu lo n trong việc kết nối và nâng cao hệ số công suất
2.4.2 Hòa đồng bộ hai máy phát.
Vềcơ b n, các nguồn điện hiện nay đ ợc phân chia thành hai lo i cơ b n là nguồn dòng và nguồn áp.
- Nguồn áp là nguồn điện có kh năng cung cấp một hiệu điện thếổn định phụ