Các mô hình kết nối tổ máy turbine gió với lưới điện

L ỜI CẢM ƠN

2.3 Các mô hình kết nối tổ máy turbine gió với lưới điện

2.3.1 Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện (loại A)

Mô hình này được ứng dụng phổ biến trong thập niên 80. Turbine gió loại này có tốc độ trục truyền động là cố định, sử dụng loại máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) và được kết nối trực tiếp vào lưới điện thông qua máy biến áp được mô tả theo Hình 2.4.

Hình 2.4 Mô hình máy phát nối trực tiếp với lưới (loại A) [4, 81, 87, 105 ]

Mô hình này đòi hỏi phải lắp hệ thống bù một lượng công suất phản kháng để giảm việc tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện. Lưới điện được kết nối có được sự ổn định nhờ hệ thống khởi động mềm. Mặc dù có những cách thức điều khiển công suất trong turbine gió tốc độ cố định, nhưng sự biến động của gió gây nên các dao động công suất dẫn đến hệ thống điện cũng dao động theo. Dao động đó có thể làm cho điện áp tại các điểm kết nối sẽ bị thay đổi (trường hợp công suất lưới là yếu). Do có những dao động điện áp nên turbine gió tốc độ cố định sẽ thay đổi lượng công suất phản kháng nhận từ lưới điện (trong trường hợp không thực hiện việc bù công suất phản kháng tại đầu cực máy phát), điều này làm dao động điện áp càng tăng và có thể gây rã lưới.

Nhược điểm chính của mô hình này là không thể điều khiển tốc độ, yêu cầu phải có một hệ thống lưới có công suất vô cùng lớn và bộ phận cơ khí của turbine gió phải có khả năng chịu được ứng suất cơ học cao gây ra bởi những cơn gió dật.

Mô hình này có kết cấu rất đơn giản và tin cậy nhưng không cho phép điều khiển tích cực để thu năng lượng tối đa và tốc độ của máy phát phụ thuộc hoàn toàn vào tần số và công suất của lưới điện.

Ngoài hiệu suất chuyển đổi thấp, chất lượng điều khiển kém còn có sự biến động của công suất tác dụng và phản kháng. Loại turbine gió sử dụng mô hình này có thị phần ngày càng giảm chủ yếu là do chất lượng điện năng thấp và hiệu suất năng lượng thu về không cao.

2.3.2 Mô hình máy phát kết nối lưới điện sử dụng phương thức thay đổi điện trở mạch rotor (loại B) trở mạch rotor (loại B)

Mô hình này sử dụng phương pháp thay đổi thông số mạch rotor của turbine gió để đáp ứng với sự thay đổi của tốc độ gió, việc điều khiển này chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi giá trị điện trở mạch rotor. Máy phát điện là loại không đồng bộ rotor dây quấn (WRIG), đã được sử dụng trong hệ thống điện từ giữa những năm 1990 và được mô tả trên Hình 2.5.

Hình 2.5 Mô hình máy phát nối lưới có tốc độ thay đổi một phần nhờ việc thay đổi điện trở

mạch rotor (loại B) [4, 81, 87, 105]

Mô hình bao gồm: một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng, một bộ khởi động mềm để kết nối lưới điện tốt hơn. Đặc biệt trong mô hình này có thể thay đổi điện trở mạch rotor bởi một bộ phận chuyển đổi quang học gắn trên trục cánh quạt, điện trở rotor có thể được kiểm soát. Do vậy, độ trượt của máy phát được điều khiển nhờ việc điều chỉnh giá trị điện trở tổng của mạch rotor, có nghĩa là điều chỉnh được công suất phát của máy phát. Vì vậy, sản lượng điện của turbine phát vào hệ thống được kiểm soát. Phạm vi điều khiển tốc độ phụ thuộc vào dải biến đổi điện trở mạch rotor. Thông thường, phạm vi biến đổi tốc độ rotor trong khoảng từ 0÷10% so với tốc độ đồng bộ.

Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng không đổi (Variable Speed – Fixed Pitch). Loại turbine này gây tổn hao nhiệt lớn trên các bộ phận phụ như điện trở của mạch rotor, hiệu suất chuyển đổi và chất lượng điện năng thấp.

2.3.3 Mô hình kết nối máy phát cảm ứng nguồn kép với lưới điện (loại C)

DFIG bao gồm một WRIG với cuộn dây stato kết nối trực tiếp với lưới ba pha tần số không đổi và cuộn dây rotor kết nối với lưới thông qua một công cụ chuyển đổi tần số tỉ lệ sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, được mô tả trên Hình 2.6.

Hình 2.6 Mô hình nối lưới của máy phát cảm ứng nguồn kép (loại C)

[4, 22, 31, 53, 81, 87, 105]

Hệ thống này cho phép hoạt động khi tốc độ thay đổi trên một phạm vi rộng. Bộ chuyển đổi năng lượng bao gồm hai bộ chuyển đổi: chuyển đổi phía rotor và chuyển đổi phía lưới điện, chúng được điều khiển độc lập với nhau. Bộ chuyển đổi phía rotor là điều khiển công suất phản kháng và tác dụng bằng cách điều khiển các thành phần dòng điện rotor, trong khi bộ chuyển đối phía đường dây điều khiển điện áp một chiều DC.

Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng thay đổi (Variable Speed – Variable Pitch). Chiến lược này đang ngày càng trở nên thông dụng trong các turbine gió hiện đại. Trong chiến lược này, turbine gió được lập trình vận hành với tốc độ thay đổi, góc nghiêng không đổi ở tốc độ gió dưới danh định, và góc nghiêng thay đổi ở tốc độ gió trên danh định.

Thay đổi tốc độ (Variable Speed) làm tăng năng lượng thu được tại những tốc độ gió thấp trong khi thay đổi góc nghiêng (Variable Pitch) sẽ điều chỉnh được hiệu suất công suất tại những tốc độ gió cao hơn. Chất lượng điện năng rất tốt ở tốc độ gió thấp cũng như ở tốc độ gió cao. Mô hình này kiểm soát và điều khiển hoàn toàn dòng công suất phản kháng và công suất tác dụng đưa vào lưới điện.

2.3.4 Mô hình máy phát kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi tỉ lệ đầy đủ (loại D) D)

Mô hình này được sử dụng với mục tiêu đáp ứng với mọi dạng biến đổi tốc độ của gió. Máy phát được kết nối với lưới điện thông qua công cụ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) có cấu trúc liên kết back – to – back để đưa ra nguồn điện có tần số mong muốn, được mô tả trên Hình 2.7.

Hình 2.7 Mô hình máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suấtđầy đủ (loại D)

[4, 22, 53, 81, 87, 105]

Ưu điểm của bộ biến đổi (VSC) có cấu trúc liên kết back – to – back là bộ chuyển đổi bên phía máy phát có thể kiểm soát tốc độ của máy phát điện trong khi bộ chuyển đổi bên phía đường dây có thể điều chỉnh công suất phản kháng cung cấp và ổn định hệ thống điện trên toàn dải tốc độ hoạt động. Mô hình này dùng máy phát điện có thể tự kích từ (nhờ sự chênh lệch giữa tốc độ rotor với tốc độ đồng bộ của WRSG) hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo kích từ (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG).

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất đã cho ra đời các bộ chuyển đổi điều khiển được nguồn công suất lớn với giá cả hợp lý. Các bộ chuyển đổi điện này thật sự có ích cho việc cải thiện chất lượng điện năng. Ngoài ra có thể điều khiển để thu được công suất tối đa của gió. Nhược điểm của mô hình này là công suất của bộ chuyển đổi lên đến 120% công suất danh định của máy phát.

Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng không đổi (Variable Speed – Fixed Pitch).

Phương pháp tốc độ thay đổi đã trở nên thông dụng với các turbine gió hiện đại, đặc biệt làm việc ở dải tốc độ gió thấp. Sự tiện lợi của phương pháp này là năng lượng thu về lớn, làm giảm tải khí động học và cải thiện chất lượng điện năng. Ngày nay, với sự phổ biến sâu rộng của năng lượng gió, việc yêu cầu cải thiện chất lượng điện năng đã trở thành yếu tố thúc đẩy có tính quyết định đối với chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi (Variable Speed).

Đối với chiến lược VS – FP, ở tốc độ gió thấp, các turbine thay đổi tốc độ (VS) được điều khiển để bám theo vị trí CPmax, nhưng vì góc nghiêng không đổi (FP) cho nên bị hạn chế ở tốc độ gió trên danh định. Mô hình này kiểm soát và điều khiển được lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng đưa vào lưới điện.

2.4 Chế độ làm việc của máy phát cảm ứng nguồn kép nối lưới

Hiện nay, ở Việt Nam đã đưa vào vận hành 3 nhà máy điện gió (NMĐG Tuy Phong – Bình Thuận – 30MW, NMĐG Bạc Liêu – 16MW, NMĐG trên đảo Phú Quý – 6MW). Các nhà máy này đều sử dụng turbine gió nối lưới theo mô hình loại C. Vì vậy, luận án sẽ tập trung phân tích và giới thiệu chi tiết mô hình này.

2.4.1 Sơ đồ thay thế và công suất của máy phát cảm ứng nguồn kép

rs jxs jxr rr/s rm jxm I0 Is Ir Us Er Ur/s . . . . . .

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện thay thế của DFIG [34, 87, 105]

Theo định luật Kirchoff, phương trình điện áp theo dòng điện được viết như sau [51, 52, 87, 105, 107]: . . . . . . s s s s s r u r I  jx I E (2.1) . . . . . . r r r r r r u r I jx I E s  s   (2.2) 0 . . ( ). r m m E   r  jx I (2.3) 0 . . . ( s r) I  I I (2.4)

Trong đó: rs, rr – Điện trở stator và rotor của máy phát

xs, xr – Điện kháng stator và rotor

Us, Ur – Điện áp trên mạch stator và rotor

Is, Ir – Dòng điện trên mạch stator và rotor

S – là hệ số trượt

Phương trình điện áp của máy phát điện cảm ứng trên hệ tọa độ d–q được mô tả như sau:

ds s ds ds s qs

d

U r i

dt  

qs s qs qs s ds d U r i dt      (2.6) ( ) dr r dr dr s r qr d U r i dt        (2.7) ( ) qr r qr qr s r dr d U r i dt        (2.8) Với: ds L is ds L im dr (2.9) q s L is d s L im q r    (2.10) dr L ir dr L im ds    (2.11) q r L ir q r L im q s    (2.12)

Trong đó: Uqs, Uds – Điện áp trên mạch stator trong hệ tọa độ d–q

Uqr, Udr – Điện áp trên mạch rotor trong hệ tọa độ d–q

iqs, ids – Dòng điện mạch stator trong hệ tọa độ d–q

qs, ds – Từ thông mạch stator trong hệ tọa độ d–q

iqr, idr – Dòng điện mạch rotor trong hệ tọa độ d–q

qr, sr – Từ thông mạch rotor trong hệ tọa độ d–q

Ls, Lr – Điện cảm của mạch stator và rotor

Lm – Điện cảm tương hỗ

Công suất tác dụng và phản kháng của stator và rotor được xác định theo công thức sau:

3 ( ) 2 s ds ds qs qs P  U i U i (2.13) 3 ( ) 2 s qs ds ds qs Q  U i U i (2.14) 3 ( ) 2 r dr dr qr qr P  U i U i (2.15) 3 ( ) 2 r qr dr dr qr Q  U i U i (2.16)

Trong đó: Ps, Qs – Công suất tác dụng và phản kháng của stator

Pr, Qr – Công suất tác dụng và phản kháng của rotor

2.4.2 Dòng công suất của máy phát cảm ứng nguồn kép [56, 84÷86, 88]

Công suất cơ của turbine gió Pm khi rotor chuyển động và công suất tác dụng phía stator

. m m r P T  (2.17) . s em s P T  (2.18)

Trong đó: Tm – Mômen cơ trên trục rotor

em

T – Mômen điện từ

s

 – Tốc độ từ trường quay của stator

r

 – Tốc độ từ trường quay của rotor

Phương trình cân bằng chuyển động cơ học của máy phát điện không đồng bộ:

. r m em d J T T dt    (2.19) Trong đó: J– Hằng số quán tính

Coi tốc độ góc của rotor không đổi theo thời gian thì:

.d r 0 J dt   (2.20) Từ đó ta được: Tm Tem và Pm Ps Pr Suy ra: . . ( s r) . . . r m s m r em s m s m s s s P P P T T T   S T S P                 (2.21) Trong đó: s r s S      (2.22)

Như vậy, khi turbine gió cho phép vận hành trong phạm vi thay đổi tốc độ khoảng ±30% quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong phạm vi S = ±0,3 thì công suất danh định của bộ chuyển đổi công suất chỉ cần được thiết kế trong khoảng 20%÷30% so với công suất danh định của máy phát. Các đại lượng danh định của bộ chuyển đổi công suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ đã được chọn. Vì thế, chi phí cho bộ chuyển đổi công suất tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi thay đổi tốc độ cho phép.

Ví dụ về sự tương quan (tỉ lệ) giữa công suất mạch stator (Ps) với công suất mạch rotor (Pr) thông qua hệ số trượt S được mô tả trong Bảng 2.2 [30].

Bảng 2.2 Một ví dụ về phân bố công suất giữa stator và rotor theo các hệ số trượt khác nhau

Hệ số trượt S(%) Tốc độ rotor ωr (pu) Công suất rotor Pr Công suất stator Ps 0,3 0,7 – 0,43Pm 1,43Pm 0 1,0 0 Pm – 0,3 1,3 0,23Pm 0,77Pm

Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ chuyển đổi công suất ở cả hai phía, phía máy phát CRotor và phía lưới CGird trên Hình 2.9 đều phải là nghịch lưu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều.

Bộ chuyển đổi cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức p – q, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều này ngược với máy điện không đồng bộ thông thường). Công suất phản kháng trao đổi giữa DFIG và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất tác dụng. Bộ chuyển đổi phía máy phát CRotor có những chức năng sau:

- Điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới, chẳng hạn để điều chỉnh điện áp (trong trường hợp lưới yếu).

- Kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lưới.

- Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, điều khiển mômen, tốc độ máy phát hoặc điều khiển hệ số công suất đầu cực stator.

Mục đích chính của bộ chuyển đổi phía lưới CGird giữ cho điện áp DC–Link không đổi. Máy phát DFIG có thể làm việc với tốc độ rotor thay đổi trong khoảng rmaxso với tốc độ đồng bộ s [30].

2.4.3 Các chế độ làm việc của máy phát cảm ứng nguồn kép

Tùy thuộc vào tốc độ gió và điều kiện vận hành của hệ thống mà công suất qua mạch rotor có thể đi theo hai chiều: từ lưới qua bộ chuyển đổi công suất đến rotor hoặc ngược lại từ mạch rotor qua bộ chuyển đổi công suất đến lưới điện.

2.4.3.1 Chế độ dưới đồng bộ

Khi tốc độ từ trường quay của rotor thấp hơn tốc độ đồng bộ (r s), đó là chế độ vận hành dưới đồng bộ (Pr < 0), máy phát lấy năng lượng từ lưới qua rotor được mô tả trên Hình 2.10.

Hình 2.10 Dòng công suất của DFIG làm việc ở chế độ dưới đồng bộ[21, 28, 34, 93, 107]

2.4.3.2 Chế độ trên đồng bộ

Khi tốc độ từ trường quay của rotor lớn hơn tốc độ đồng bộ (r s), đó là chế độ vận hành trên đồng bộ (Pr > 0), máy phát hoàn năng lượng về lưới qua mạch rotor được mô tả trên Hình 2.11.

Hình 2.11 Dòng công suất của DFIG làm việc ở chế độ trên đồng bộ[21, 28, 34, 93, 107]

Khi tốc độ từ trường quay của rotor bằng tốc độ đồng bộ (r s), đó là chế độ đồng bộ (Pr = 0), máy phát nhận một phần công suất phản kháng từ lưới qua mạch rotor với mục đích kích từ cho máy phát được mô tả trên Hình 2.12.

Hình 2.12 Dòng công suất của DFIG làm việc ở chế độ đồng bộ[21, 28, 34, 93, 107]

2.5 Một số tiêu chuẩn Quốc tế và quy định của Việt Nam về điều kiện đấu nối NMĐG vào HTĐ [4 ÷ 6, 39, 40, 47, 76] nối NMĐG vào HTĐ [4 ÷ 6, 39, 40, 47, 76]

Năng lượng gió đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới, Việt Nam là nước không nằm ngoài sự phát triển chung đó. Sự xâm nhập ngày càng tăng cao của điện gió có ảnh hưởng đến sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống điện. Để đảm bảo chất lượng cung cấp điện, nhiều quốc gia đã xây dựng riêng bộ quy tắc kết nối các turbine gió và các trang trại gió với lưới điện. Một số tiêu chuẩn quốc tế, yêu cầu của một số quốc gia phát triển điện gió và quy