7. Cấu trúc của luận án
1.3.2. Kết nối hệ thống điện gió
a. Tua bin gió (WT)
Sơ đồ kết nối WT với lưới điện theo các MPĐ được trình bày dưới đây [7][8]: - WT sử dụng MPĐ không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) kết nối với lưới (grid)
nhờ thiết bị biến đổi điện tử công suất với sơ đồ nguyên lý như trên hình 1.13.
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát SCIG
WT sử dụng MPĐ loại SCIG này, khi phát công suất tác dụng lên lưới cần tiêu thụ một lượng công suất phản kháng của lưới để tạo ra từ trường quay, làm lượng công suất phản kháng truyền tải trong lưới điện tăng lên, dẫn đến hệ số công suất của lưới điện giảm. Do đó ở giữa máy phát SCIG và lưới điện phải lắp thêm bộ tụ bù công suất phản kháng.
- WT sử dụng MPĐ không đồng bộ nguồn kép (DFIG) kết nối với lưới theo sơ đồ hình 1.14. Dòng năng lượng khai thác từ gió được lấy qua tua bin tới stator, sau đó chuyển trực tiếp lên lưới. Việc điều khiển dòng năng lượng đó được thực hiện gián tiếp nhờ bộ nghịch lưu nằm ở phía mạch điện rotor.
19
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát DFIG
- WT sử dụng MPĐ đồng bộ kích thích từ trường vĩnh cửu (PMSG) được kết nối với lưới qua bộ biến đổi điện tử công suất nằm xen giữa stator và lưới (Hình 1.15).
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát PMSG
Năng lượng gió thông qua máy phát điện PMSG chuyển thành dòng điện xoay chiều trong cuộn dây stator có trị số và tần số thay đổi sẽ được đưa vào bộ biến đổi công suất. Tại đây, nó được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều qua bộ biến đổi AC/DC, sau đó thông qua bộ biến đổi nghịch DC/AC để biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp phát lên lưới. Trong hệ thống này, việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng được thực hiện riêng biệt, linh hoạt thông qua bộ biến đổi công suất toàn phần bên phía máy phát. Với ưu điểm này, hiện nay xu hướng sử dụng máy phát PMSG trong hệ thống điện gió đang rất phát triển.
20
Nhìn vào các sơ đồ nguyên lý kết nối WT với lưới theo ba loại máy phát điện ở trên, ta có thể chỉ ra điểm khác nhau quan trọng giữa 2 loại PMSG/SCIG so với DFIG. Trong sơ đồ sử dụng PMSG/SCIG dòng năng lượng khai thác truyền trọn vẹn qua bộ biến đổi, do đó bộ biến đổi phải được thiết kế có công suất đúng bằng công suất của máy phát điện. Trường hợp DFIG, bộ biến đổi nằm phía rotor và truyền qua đó chỉ là dòng năng lượng có chức năng điều khiển nên công suất của bộ biến đổi chỉ cần thiết kế với công suất nhỏ (cỡ 1/3 công suất máy phát điện) [7]. Do đó, giá thành của hệ sử dụng DFIG sẽ tương đối phải chăng so với 2 hệ còn lại. Với ưu điểm này mà loại máy phát DFIG trong hệ thống điện gió thường được lựa chọn sử dụng trong thực tế.
b. Trang trại gió (Wind Farm)
Để thuận tiện trong quản lý, vận hành và bảo dưỡng, đồng thời nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng, các WT được xây dựng tập trung trên một khu vực thuận lợi có tốc độ gió tốt tạo thành một WF. Theo địa điểm lắp đặt, WF được chia thành hai loại cơ bản, đó là WF trên đất liền (Onshore Wind Farms, hình 1.16) và WF ngoài khơi (Offshore Wind Farms, hình 1.17).
Cả hai loại WF này đều có một số đặc điểm chung như sau:
- Mỗi WT có một MBA làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp đầu cực máy phát điện (thường 0,69kV) lên cấp trung áp 22kV.
- Đường dây cáp điện hạ áp 0,69kV kết nối MPĐ với MBA có chiều dài phụ thuộc vào vị trí lắp đặt MBA. Trường hợp MBA đặt cùng MPĐ trong thùng thì chiều dài cáp chỉ khoảng trên dưới chục mét; còn trường hợp MBA tăng áp đặt phía dưới chân cột trụ thì chiều dài cáp thường trên 100 mét.
Các đường dây trung áp (thường cấp điện áp 22kV) kết nối các MBA của mỗi WT với MBA trung gian 110kV (hoặc 220kV) sau đó kết nối với lưới điện quốc gia. Với WF trên đất liền, mạng điện trung áp có thể sử dụng đường dây trên không hoặc cáp ngầm, còn với WF ngoài khơi chỉ sử dụng đường dây cáp ngầm.
Điểm khác biệt cơ bản giữa WF trên đất liền so với WF ngoài khơi là: - Gió ngoài khơi mạnh, ổn định và ít xoáy hơn so với gió trên đất liền.
- WF ngoài khơi không chiếm diện tích sử dụng đất và con người ít phải chịu ảnh hưởng của tiếng ồn hơn.
- Tuy vậy, WT ngoài khơi phải chịu đựng điều kiện môi trường khắt nghiệt hơn như độ sâu, đặc tính của nền biển, sóng (đặc biệt là sóng ngầm) và ăn mòn kim loại.
21
H nh .16. WF trên đất liền Helpershain và Ulrichstein - Helpershain, Đức [6]
H nh .17. WF ngoài khơi Middelgrunden, Đan Mạch [82]