PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ
2.3.4 Phân hệ điện
Mặc dù các máy phát đồng bộ hiện đang được sử dụng chủ yếu trong hệ thống điện, nhưng trong các WECS máy phát điện không đồng bộ lại là máy điện được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất. Các tuabin gió hiện đại bao gồm các phần tử điện tử công suất có tính năng tốt đã thay đổi cách sử dụng cơ bản của các máy điện không đồng bộ. Động học của các máy điện, cũng như của các bộ biến đổi điện tử công suất diễn ra nhanh hơn nhiều sơ với các chế độ cơ khí chủ yếu. Vì vậy, một mô hình trạng thái ổn định của máy phát sẽ là đủ cho mục đích nối lưới.
Vấn đề kết nối điện năng tạo ra từ năng lượng gió với lưới điện bao gồm 3 hình thức: nối trực tiếp máy phát lên lưới; máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất; máy phát không đồng bộ nguồn kép nối lưới.
Máy phát điện cảm ứng rôto lồng sóc SQIG (Squirrel-Cage Induction Generator) được kết nối trực tiếp với lưới điện (hình 2.13) là một cấu hình rất tin cậy, bởi vì nó có kết cấu bền vững của máy điện rôto lồng sóc tiêu chẩn và sự đơn giản của phần điện tử công suất. Đây là cấu hình WECS nối lưới được áp dụng ở nhiều nước như ở Đan Mạch.
Hình 2.13: Mô hình máy phát nối trực tiếp với lưới
Trong cấu hình kết nối lưới này thì điện áp Usvà tần fstrên đầu cực của máy phát phải chịu sự chi phối của lưới điện. Đặc tính mômen–tốc độ xác lập (hay là đặc tính cơ) được cho bởi công thức sau:
22 2 2 ) ( ) / ( / . 2 3 r s r r s s g L s R s R U T ω ω + − = (2.16) Trong đó: ωs =2πfs là tần số góc dòng điện lưới;
Rr ,Lr là điện trở và điện cảm của cuộn dây rôto máy phát. Hệ số trượt s được định nghĩa như sau:
s g s s Ω Ω − Ω = (2.17) s
Ω : là tốc độ quay đồng bộ của máy phát quy về phía tốc độ
thấp của hệ truyền động. Nó chịu sự chi phối của tần số lưới điện:
s s s =(pω )/n
Ω (2.18)
p: là số đôi cực của máy phát;
s
n : tỷ số truyền của bộ đổi tốc. Vì vậy với Usvà fs
không đổi nên sẽ không có sự điều khiển chủ động trên máy phát.
Đặc tính mômen của SCIG tiêu chuẩn được mô tả trên hình 2.14. Ta thấy rằng máy điện ở chế độ máy phát khi tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ và ở
chế độ động cơ khi tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ. Trong cả hai trường hợp này, hệ số trượt đều biểu diễn phần công suất cơ tiêu hao trên điện trở rôto. Như vậy, nếu hệ số trượt lớn dẫn đến hiệu suất thấp. Bởi vậy, SCIG làm việc ở chế độ hoạt động bình thường với hệ số trượt rất thấp, điển hình khoảng 2%. Do đó, đặc tính mômen phi tuyến có thể xấp xỉ tuyến tính bởi:
)
( g s
g g B
T = Ω −Ω , (2.19)
trong đó: Bglà độ dốc của đường cong thực tế tại Ωs.
Có thể thấy rằng tốc độ của máy phát Ωgtrong chế độ bình thường bị
khóa theo tần số lưới điện. Bởi lý do này mà các hệ WECS sử dụng phương pháp kết nối trực tiếp đến lưới được xem là các tuabin gió tốc độ cố định.
Hình 2.14: Đặc tính mômen của máy điện SCIG
Mặc dù kết cấu này rất đơn giản và tin cậy, nhưng cấu hình này không cho phép điều khiển chủ động năng lượng thu nhận từ gió. Ngoài ra, kết nối cứng đến lưới điện xoay chiều đảm bảo sự cản dịu không đáng kể trong các chế độ dao động của hệ truyền động.
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất đã cho ra đời các bộ biến đổi điện, cho phép điều khiển được nguồn công suất lớn với giá cả hợp lý. Các bộ biến đổi điện này thật sự có ích cho việc cải thiện chất lượng năng lượng điện gió tạo ra. Ngoài ra có thể điều khiển để thu được công suất tối đa của gió khi chưa đạt đến định mức và đảm bảo được độ cản dịu trong chế độ dao động. Bởi những lý do này mà các tuabin gió hiện đại nói chung đều có trang bị các bộ biến đổi điện tử công suất, chúng xử lý toàn bộ hoặc một phần công suất cấp cho lưới điện.
Hình 2.15: Mô hình máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất
Hình 2.15 là cấu hình tốc độ thay đổi đơn giản nhất. Bộ chuyển đổi tần số được đặt giữa máy phát và lưới điện xoay chiều. Như vậy, WECS hoàn toàn không phụ thuộc vào tần số lưới. Trong cấu hình nối lưới này, bộ biến đổi tần số phải điều khiển toàn bộ năng lượng cấp cho lưới điện. Trên thực tế, công suất của bộ biến đổi này lên đến 120% công suất định mức của máy phát. Đây là hạn chế chủ yếu của cấu hình này.
Bộ biến đổi tần số bao gồm hai bộ biến đổi độc lập với nhau và được
nối tới một hệ thanh cái DC chung. Bộ biến đổi phía lưới chuyển đổi điện áp
3 pha lưới thành điện áp một chiều DC. Ngoài ra, bộ chuyển đổi này có thể
được điều khiển bằng điện áp để phát ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng
sao cho công suất biểu kiến không vượt quá công suất định mức của bộ
chuyển đổi. Vì vậy, khi công suất tác dụng càng lớn thì khả năng của bộ chuyển đổi để điều khiển công suất phản kháng càng thấp.
Đầu vào bộ biến đổi điện phía stato là một điện áp 3 pha với tần số fs
và điện áp Usđược khử ghép với lưới điện AC. Thông thường, bộ biến đổi này được điều khiển bằng kỹ thuật điều khiển U/f . Tần số fs được điều khiển khi đồng thời giữ cho tỷ số Uf / fs không đổi. Bằng cách đó, tốc độ đồng bộ có thể được thay đổi trong một phạm vi rộng trong khi từ thông trong máy điện được duy trì gần như không đổi.
Hình 2.16 mô tả đặc tính mômen của máy điện không đồng bộ được tham số hóa bởi tần số stato fs
với giả thiết từ thông stato không đổi.
Hình 2.16: Đặc tính mômen máy phát SCIG bị giới hạn bởi fs
Ta thấy rằng đặc tính mômen của SCIG được dịch chuyển theo trục x ngược chiều với chiều thay đổi tần số stato. Rõ ràng, biểu thức toán học
(2.16) mô tả đặc tính trạng thái xác lập của hệ SCIG và quan hệ tuyến tính hóa (2.19) vẫn giữ nguyên hiệu lực khi giữ cho tỉ số Us/ fs không đổi. Trên thực tế, tốc độ đồng bộ của máy phát Ωs, nó chính là tốc độ trục trong điều kiện không tải (Tg =0), có thể được xem như đầu vào điều khiển cho phân hệ điện.
Máy phát được mô tả trong hình 2.17 là máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) với kích từ có tần số thay đổi của mạch rôto.
Hình 2.17: Mô hình nối lưới của máy phát không đồng bộ nguồn kép
Cuộn dây stato được nối trực tiếp với lưới điện trong khi cuộn dây của rôto thì phải nối thông qua một bộ biến đổi điện có công suất nhỏ hơn công suất định mức của máy phát. Trong thực tế loại cấu hình này chấp nhận một dải rộng các bộ biến đổi tần số bằng phương pháp điều chế rộng xung PWM (Pulse-Width Modulation). Đương nhiên khả năng điều khiển tăng lên với việc sử dụng các bộ biến đổi điện phức tạp hơn. Không phụ thuộc vào bộ đổi điện được sử dụng, ưu điểm chính của cấu hình nối lưới này là bộ thiết bị điện tử công suất chỉ phải điều khiển một phần lượng công suất thu được từ gió, điển hình là vào khoảng 30% công suất định mức. Dải tốc độ quay có thể đạt được liên quan trực tiếp với tỷ số giữa công suất định mức của bộ biến đổi và
công suất định mức của máy phát. Mặt khác, hạn chế chủ yếu là độ phức tạp của DFIG do sự có mặt của các cuộn dây rôto, vành trượt và chổi than.
Các tuabin gió công suất lớn hiện đại hầu hết đều dựa trên cấu hình nối lưới này với bộ biến đổi tần số bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) mắc giữa các cuộn dây của rôto máy phát với lưới điện xoay chiều. Cấu hình này cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng.
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của DFIG phức tạp hơn nhiều so với SCIG. Bởi vì stato được nối trực tiếp với lưới điện, tốc độ đồng bộ không đổi và từ thông cũng hầu như không đổi. Những khác biệt với SCIG tiêu chuẩn là xuất phát từ mạch rôto. Bộ biến đổi tần số gồm một cặp bộ biến đổi công suất nối với nhau thông qua hệ thanh cái DC chung. Một mặt, bộ biến đổi phía lưới điều khiển điện áp thanh cái DC. Thêm vào đó, để điều khiển công suất nhánh rôto, bộ biến đổi phía lưới có thể được điều khiển để tiêu thụ hoặc phát ra công suất phản kháng. Rõ ràng, công suất biểu kiến mà bộ biến đổi có thể làm việc bị giới hạn công suất định mức của nó. Mặt khác, bộ biến đổi phía rôto điều khiển dòng rôto cả về biên độ và pha. Kỹ thuật điều khiển định hướng từ trường rất phù hợp với các yêu cầu điều khiển. Các biến điện từ của máy điện có thể được quy về một khung tham chiếu cố định với từ trường stato quay với tốc độ đồng bộ. Thực tế, các hệ thống dòng điện và điện áp hình sin ba pha có thể được mô tả bằng các véctơ trong khung tham chiếu quay này và có thể được phân tích ra các thành phần trực giao đồng pha và vuông pha với từ trường stato, chúng được gọi là các thành phần dọc trục và ngang trục. Mômen máy phát phụ thuộc vào thành phần ngang trục của dòng điện rôto, trong khi đó công suất phản kháng stato được khống chế bởi thành phần dọc trục của dòng điện rôto. Vì vậy, công suất tác dụng và công suất phản kháng stato có thể được điều khiển độc lập tương ứng bởi thành phần
ngang trục và dọc trục của dòng điện rôto. Rõ ràng là, khả năng của bộ biến đổi phía rôto để điều khiển công suất phản kháng stato bị giới hạn bởi công suất biểu kiến của máy phát và các giới hạn dòng điện của các cấu kiện bán dẫn lực trong bộ biến đổi.
Như một kết quả của giải pháp điều khiển, đặc tính mômen của DFIG rất giống với đặc tính của SCIG có tốc độ thay đổi, lúc này sự dịch chuyển đặc tính theo trục x là gây bởi sự thay đổi thành phần điện áp phản kháng của rôto. Hơn nữa, tốc độ khi mômen bằng không (còn gọi là tốc độ không tải) được xác định bởi thành phần điện áp này. Với mục đích điều khiển ta có thể chọn tốc độ không tải làm một tín hiệu đặt. Do đó, ta có thể dùng ký hiệu chung tốc độ đồng bộ hay tốc độ không tải là Ωz và xem nó như tín hiệu vào
điều khiển cho phân hệ điện cơ. Tương ứng, đặc tính mômen được xấp xỉ bằng quan hệ tuyến tính : ) ( g z g g B T = Ω −Ω . (2.20)
