7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1.3. Khái quát về tuabin giĩ và máy phát điện diesel
1.3.1. Tuabin giĩ
1.3.1.1. Cấu trúc chung của tuabin giĩ
Một tuabin giĩ là sự hợp thành từ ba phần: phần khí động lực, phần cơ, phần điện (Hình 1.5). Cấu trúc cụ thể của một tuabin giĩ được lắp đặt ở Phú Quý như Hình 1.6. Tuabin chuyển đổi động năng của giĩ thành động năng của chuyển động quay trên trục tốc độ thấp. Hộp số biến đổi chuyển động quay tốc độ thấp của tuabin lên tốc cao ph hợp với tốc độ yêu cầu của máy phát. Máy phát biến đổi cơ năng thành điện năng. Bộ chuyển đổi chuyển điện năng của máy phát với những thơng số chưa ph hợp với lưới điện thành ph hợp để kết nối được với lưới điện.
Hình 1.5 Các phần hợp thành và kết nối với tuabin giĩ [26].
Hình 1.6 Cấu trúc tuabin giĩ V80–2 MW [79,80].
Trong đĩ:
(1) Bộ điều khiển trên nắp
chụp trục tuabin (6) Hộp số (11) Máy biến áp tăng áp (16) Bệ máy (2) Bộ điều chỉnh gĩc
nghiêng cánh
(7) Đĩa phanh (12) Cánh tuabin (17) Bánh răng điều chỉnh hướng tuabin
(3) Trục lắp cánh (8) Cầu trục (13) Bạc đỡ cánh tuabin (18) Trục tốc độ cao (4) Trục tốc độ thấp (9) Bộ điều khiển ở nắp
trên
(14) Hệ thống khĩa roto (19) Máy phát điện (5) Bộ làm mát dầu (10) Cảm biến siêu âm đo
giĩ
(15) Khối thủy lực (20) Bộ làm mát máy phát
Ngồi ra để tuabin giĩ hoạt động được cần cĩ một hệ thống điều khiển để phối hợp hoạt động giữa các bộ phận với nhau.
1.3.1.2. Đặc tính làm việc điển hình của tuabin
Trong quá trình vận hành cần phải điều chỉnh thường xuyên tốc độ của tuabin theo tốc độ giĩ và năng lượng tới cánh để đảm bảo thu nhận năng lượng tối ưu (cực đại) khi tốc độ giĩ thấp và cắt giảm năng lượng khi tốc độ giĩ cao nhằm đảm bảo an tồn cho hệ thống. Quá trình điều chỉnh đĩ sẽ thu được đặc tính cơng suất theo tốc độ giĩ như Hình 1.7.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0 5 10 15 20 25 P (kW) V (m/s) Series1 (a) (b)
Hình 1.7 Đường cong P(V) biểu diễn cơng suất tuabin phụ thuộc theo vận tốc giĩ.
(a) Đường cong P(V) dạng tổng quát ; (b) Đường cong P(V) của tuabin giĩ V80–2 MW [23,26,80,79].
Trên đặc tính vận hành của một tuabin ở Hình 1.7 cĩ 4 vùng chính là:
● V ng I tốc độ giĩ nhỏ hơn tốc độ khởi động VD của tuabin. Trong trường hợp này tuabin giĩ khơng hoạt động và khơng phát điện.
● V ng II cĩ tốc độ giĩ trong khoảng (VD, VN) ứng với v ng cĩ thể tối ưu về biến đổi năng lượng. Đây là v ng mà sự thay đổi tốc độ rất cần để nhận được cơng suất lớn nhất cĩ thể.
● V ng III, trong này cơng suất giĩ tăng, nhưng cơng suất của tuabin bị giới hạn bởi cơng suất danh định PN. Ở tốc độ giĩ trên danh định VN nếu tăng kích thước, cơng suất máy phát, sức bền cơ của cấu trúc... thì lợi ích sản xuất điện sẽ khơng b lại được chi phí ban đầu.
● V ng IV, khi tốc độ giĩ vượt quá tốc độ cực đại mà tuabin cĩ thể chịu đựng thì tuabin sẽ được dừng bởi hệ thống dừng khẩn cấp để bảo vệ phần cơ tránh hư hỏng.
1.3.1.3. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tuabin
Nếu động năng của một khối khơng khí chuyển động với vận tốc V cĩ thể được thu hồi hồn tồn bằng một thiết bị cĩ diện tích A nằm vuơng gĩc với phương chuyển động thì cơng suất tức thời sẽ là:
PN VD VN VM I II III IV Tốc độ khởi động (cut–in) Tốc độ cực đại (cut–out) Tốc độ định mức P V
3 w 0 1 P A V 2 (1.1)
với ρ tỷ trọng của khơng khí (1,225 kg/m3
ở mực nước biển).
(a) (b)
Hình 1.8 (a) Đặc tính Cp – λ của các loại tuabin với thiết kế cánh khác nhau ; (b) Đồ thị mơ tả quan hệ Cp theo tốc độ riêng λ và gĩc nghiêng cánh β của tuabin 3 cánh [20,24,27,49,52,62,82].
Nhưng trong thực tế tuabin khai thác cơng suất nhỏ hơn cơng suất sẵn cĩ Pw0, do tốc độ của khối khơng khí phía sau tuabin khơng bằng khơng. Xác định hiệu suất của tuabin theo cơng thức Betz như (1.2).
m ax m ax p w 0 P 16 C 0, 593 P 27 (1.2)
Hiệu quả của việc thu nhận năng lượng phụ thuộc vào đặc tính khí động của tuabin và các khâu biến đổi nên luơn luơn nhỏ hơn giới hạn này (Hình 1.8a).
Người ta đưa vào một biến khơng thứ nguyên gọi là tốc độ riêng (cĩ bản chất là tỷ số tốc độ đầu cánh Vtop và tốc độ giĩ V) để đặc trưng cho các tính năng khởi động của một tuabin thể hiện ở biểu thức (1.3).
top w t V R V V (1.3)
với Ω là tốc độ quay của tuabin, Rwt là bán kính tuabin.
Hiệu suất khí động ηa được tính theo cơng thức (1.4) là biểu diễn “chất lượng khí động” của tuabin trong điều kiện điều chỉnh tốt nhất.
p a m ax p C ( ) C (1.4)
Trong thực tế cánh tuabin được điều chỉnh theo yêu cầu của hệ thống, nên hiệu suất khí động được biểu diễn bằng biểu thức sau:
p a m ax p C ( , ) C (1.5)
với β là gĩc giữa trục tham chiếu của mặt cắt cánh và mặt phẳng quay gọi là gĩc nghiêng cánh.
Đặc trưng thống kê quan trọng nhất của tuabin là các đường cong hiệu suất Cp theo tốc độ riêng λ và gĩc nghiêng cánh β (Hình 1.8b).
λ β
1.3.1.4. Điều chỉnh khí động của tuabin
Cĩ nhiều nguyên lý điều chỉnh khí động để điều chỉnh tốc độ tuabin theo tốc độ giĩ, nhưng trong giới hạn luận án chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển gĩc nghiêng cánh (cịn gọi là phương pháp điều khiển kiểu pitch).
Hệ thống điều chỉnh kiểu pitch sử dụng phương pháp thay đổi gĩc nghiêng cánh để làm thay đổi tỷ số các thành phần lực kéo và lực cản nhờ đĩ điều chỉnh được tốc độ tuabin. Hệ thống sẽ điều chỉnh để cĩ gĩc tới tối ưu nhằm nhận cơng suất cực đại hoặc điều chỉnh để hạn chế tốc độ khi tốc độ giĩ cao hơn tốc độ danh định VN.
FL
FT
FD
Fr
Hình 1.9 Phương pháp điều chỉnh khí động theo kiểu pitch.
(a) Lực tác dụng lên thành phần cánh; (b) Hệ số cản CD và hệ số nâng CL [34].
Hình 1.10 Đồ thị mơ tả các đặc tính của tuabin điều khiển kiểu pitch [34].
Trong Hình 1.9a thì lực tác dụng lên cánh ở tốc độ giĩ V0 và V1 (với V1>V0) được thể hiện tương ứng bởi các vectơ nhạt và đậm. Khi tốc độ giĩ tăng từ V0 lên V1, gĩc Φ giữa dịng khí và cánh tăng lên. Bộ điều khiển sẽ làm tăng gĩc nghiêng β để giảm gĩc tới α. Kết quả là hệ số nâng CL sụt giảm trong khi hệ số cản CD gần như giữ nguyên ở mức thấp. Cĩ thể cho rằng bộ điều khiển điều chỉnh lực nâng FL để giữ cho lực tiếp tuyến Fr trong mặt phẳng roto là khơng đổi. Theo phương pháp này thì lực cơ FT cũng giảm theo khi tăng gĩc nghiêng β, nên đây là một ưu điểm đáng chú ý trong thiết kế tua bin giĩ. Điểm yếu của phương pháp điều khiển này là địi hỏi một nỗ lực lớn để thay đổi đáng kể gĩc nghiêng β khi cĩ sự biến động năng lượng giĩ.
P ( kW ) CPmax Cp PN Vmin=VD Vmin=VD VN Vmax=VM Vm (m/s) Vm (m/s) Vmax=VM VN A C’ C B C M omen T ( Nm ) Tốc độ roto Ω (Nm)
Nĩi chung việc thay đổi gĩc tới của cánh cĩ bốn tác dụng: ● Khởi động ở tốc độ giĩ VD thấp nhất;
● Tối ưu chế độ biến đổi năng lượng khi tốc độ giĩ thay đổi giữa các giới hạn [VD,VN]; ● Điều chỉnh hạn chế cơng suất khi V > VN;
● Bảo vệ máy chống lại tốc độ giĩ quá mạnh V >VM bằng cách xếp cánh (giảm diện tích hứng giĩ về khơng).
Ta nhận thấy rằng hệ thống này tác động vào sự vận hành của tuabin bằng cách thay đổi gĩc nghiêng β sao cho đáp ứng yêu cầu từ lúc khởi động (v ng I) và trong chế độ điều chỉnh tốc độ (v ng II và III) cho tới khi hiện tượng vượt tốc khí động (v ng IV) của tuabin.
So sánh phương pháp điều chỉnh pitch với một số phương pháp khác:
◊ Hệ thống tốc độ khơng đổi nhờ nhả khí động – stall [34] Hệ thống kiểu tốc độ khơng đổi và gĩc nghiêng cánh khơng đổi:
Hình 1.11 Đồ thị mơ tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ khơng đổi và gĩc nghiêng cánh khơng đổi.
Hệ thống kiểu tốc độ khơng đổi và gĩc nghiêng cánh thay đổi : [34]
Hình 1.12 Đồ thị mơ tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ khơng đổi và gĩc nghiêng cánh thay đổi.
◊ Hệ thống cĩ tốc độ thay đổi kiểu nhả khí động – passive stall[34]
P ( kW ) Đặc tính lý tưởng Đặc tính thực Tốc độ roto Ω (Nm) M omen T ( Nm ) P ( kW ) Đặc tính lý tưởng Đặc tính thực M omen T ( Nm ) Tốc độ roto Ω (Nm)
Hình 1.13 Đồ thị mơ tả các đặc tính của tuabin kiểu passive–stall.
1.3.1.5. Các kiểu tuabin giĩ
So sánh DFIG với các dạng máy phát điện khác được sử dụng cho hệ thống phát điện giĩ để thấy rõ ưu điểm cũng như nhược điểm.
Các cấu trúc tuabin giĩ thơng dụng nhất hiện nay được thể hiện trên Hình 1.14. Cĩ thể cĩ các cấu trúc khác nhưng ít gặp do quá đắt (ví dụ máy phát khơng đồng bộ roto lồng sĩc tốc độ thay đối) hoặc do kém tin cậy (ví dụ máy phát đồng bộ nối trực tiếp).
Kiểu A thuộc loại hệ thống cĩ tốc độ khơng đổi, các kiểu B, C, D thuộc loại hệ thống cĩ tốc độ thay đổi. Đối với các hệ thống tốc độ khơng đổi (Hình 1.14a) phải cĩ hộp số để nhân tốc độ. Với kiểu này thường lựa chọn tỷ số tăng tốc (tốc độ quay máy phát/tốc độ quay tuabin) nhằm thuận lợi cho việc lấy năng lượng giĩ ở tốc độ thấp, hoặc nhằm khai thác tiềm năng giĩ ở tốc độ cao. Trong mọi trường hợp sẽ cĩ một lượng năng lượng bị mất do khơng cĩ khả năng tối ưu hố phụ tải của máy phát điện giĩ, cũng như khơng khai thác tốt nhất tiềm năng năng lượng giĩ (Hình 1.11, Hình 1.12). Đổi lại các hệ thống cĩ tốc độ thay đổi (Hình 1.14b,c,d) cĩ thể khai thác tốt nhất tiềm năng năng lượng giĩ. Cơng suất phát được điều chỉnh lớn nhất cĩ thể theo tốc độ giĩ.
Hình 1.14 Các cấu trúc tuabin giĩ được sử dụng phổ biến nhất [23,58,82].
Trong Hình 1.14: kiểu A sử dụng SCIG; kiểu B sử dụng máy phát khơng đồng bộ roto dây quấn (WRIG – Wound Rotor Induction Generator) và dây quấn roto được nối với điện trở phụ; kiểu C sử dụng WRIG với roto được cấp nguồn qua bộ chuyển đổi khi đĩ tạo
P ( kW ) Đặc tính lý tưởng Đặc tính passive stall Tốc độ roto Ω (Nm) M omen T ( Nm ) Kiểu A Kiểu B Kiểu C Kiểu D Khởi động mềm Bộ tụ Bộ tụ Khởi động mềm Biến trở Lưới điện Lưới điện Lưới điện Lưới điện Hộp số Hộp số Hộp số Hộp số Bộ biến đổi tần số Bộ biến đổi tần số Máy biến áp Máy biến áp Máy biến áp Máy biến áp (a) (b) (c) (d) PMSG/SCIG/SG
thành DFIG; kiểu D sử dụng PMSG, hoặc SCIG, hoặc máy phát đồng bộ (SG – Synchronous Generator).
Bảng 1.3 Thống kê đặc điểm kỹ thuật của các kiểu tuabin giĩ [58]
Kiểu A Kiểu B Kiểu C Kiểu D Điều khiển gĩc
nghiêng cánh
Điều khiển kiểu stall hoặc
active stall Điều khiển kiểu pitch Điều khiển tốc
độ Tốc độ khơng đổi Tốc độ thay đổi Kết nối lưới Kết nối trực tiếp Sử dụng bộ chuyển đổi
một phần
Sử dụng bộ chuyển đổi tồn phần
Truyền động Cĩ hộp số Khơng hộp số
Máy phát SCIG SCIG với số đơi cực stato thay đổi
WRIG với điện trở
roto thay đổi DFIG SG/PMSG/ SCIG SG/PMSG nhiều cực V ng giới hạn
tốc độ s = ±2% n = ±2% nN1,nN2... s = [0%; +10%] s = ±30% n = [0%; 100%] nN n = [0%; 100%] nN Trong bảng trên ký hiệu nN là tốc độ danh định của tuabin giĩ.
Từ các cấu trúc trên với kiểu A, B, C cĩ hộp số và kiểu D cĩ thể cĩ hoặc khơng hộp số, cĩ một số nhận định về ưu, nhược điểm của hai loại này như sau:
● Loại cĩ hộp số một tầng hoặc nhiều tầng (single–stage gearbox, multi–stage gearbox): Hệ thống hộp số cho phép dễ dàng nâng tốc độ quay chậm (khi giĩ yếu) lên tốc độ quay thích hợp của máy phát. Nhờ đĩ máy phát thường cĩ số đơi cực thấp, thường là 1 hoặc 2. Đây là loại phổ biến hiện nay với máy phát cĩ hình dạng thon dài khiến cho buồng máy trên cao cĩ dạng khí động học tốt, thuận lợi khi thiết kế, chế tạo. Hầu hết các nhà sản xuất cơng suất lớn đều chế tạo loại này. Nhược điểm chính là hộp số gây tổn hao, làm hạn chế hiệu suất thu thập năng lượng từ giĩ, đồng thời làm tăng khối lượng cụm máy phát và tuổi thọ ngắn.
● Loại khơng cĩ hộp số, turbine truyền động trực tiếp (direct–drive generator): Điểm hấp dẫn chính của loại này là giảm tổn hao và giảm khối lượng do hộp số gây nên. Tuy nhiên, để khai thác giĩ yếu (tốc độ quay chậm) máy phát phải cĩ số đơi cực lớn, khiến cho máy phát thường cĩ đường kính lớn và chiều dài thân ngắn. Đây là nhược điểm gây khĩ khăn cho thiết kế dạng khí động học của buồng máy. Hiện tại cĩ rất ít nhà sản xuất máy phát cơng suất lớn sử dụng nguyên lý này. Ứng dụng bước đầu chủ yếu cho dải cơng suất nhỏ – rất nhỏ.
Hiện nay, hệ thống cạnh tranh nhất khơng được xác định một cách rõ ràng. Giải pháp sử dụng DFIG với bộ tăng tốc (Hình 1.14c) là sự dung hồ tốt nhất giá thành, khối lượng, hiệu quả, độ tin cậy. Nhưng sự phát triển cơng nghệ trong tương lai và việc giảm giá thành của van điện tử cơng suất (IGBT, IGCT,...), nam châm vĩnh cửu,... thì các hệ thống nối trực tiếp khơng qua hộp số (Hình 1.14d) sẽ phát triển hơn.
Bảng 1.4 So sánh giữa các loại máy phát điện giĩ [19]
TT Kiểu D
(nối lưới gián tiếp) (nối lưới trực tiếp) Kiểu C Đánh giá
1
Giá thành
tồn hệ
thống
Khá đắt
Lý do: Thiết bị điện tử cơng suất nằm xen giữa máy phát và lưới nên cĩ cơng suất đúng bằng cơng suất máy phát.
Tương đối thấp
Lý do: Thiết bị điện tử cơng suất nằm ở phía Roto (xen giữa Roto và lưới) nên cĩ cơng suất chỉ khoảng 1/3 cơng suất máy phát.
Giá thành tồn hệ thống tuabin giĩ sử dụng DFIG (kiểu C) rẻ hơn so với kiểu D sử dụng PMSG.
TT Kiểu D
(nối lưới gián tiếp) (nối lưới trực tiếp) Kiểu C Đánh giá
2 Khả năng tận dụng năng lượng giĩ Dải tốc độ giĩ khá rộng Lý do: Thiết bị điện tử cơng suất nằm xen giữa máy phát và lưới nên tốc độ đồng bộ khơng do lưới quyết định.
Dải tốc độ giĩ bị giới hạn
Lý do: Stato nối trực tiếp với lưới nên tốc độ đồng bộ là do tần số lưới quyết định và DFIG chỉ cĩ thể hoạt động trong phạm vi ±33% xung quanh tốc độ đồng bộ
Khả năng tận dụng năng lượng giĩ của tuabin giĩ kiểu C kém hơn so với kiểu D.
3 Điều khiển máy phát
Khá đơn giản
Lý do: Thiết bị điện tử cơng suất nằm xen giữa máy phát và lưới nên việc điều khiển máy phát ít phụ thuộc lưới.
Khá phức tạp
Lý do: Stato nối trực tiếp với lưới nên việc điều khiển máy phát rất phụ thuộc lưới, đặc biệt khi phía lưới cĩ sự cố.
Điều khiển kiểu C phức tạp hơn kiểu D. 4 Sử dụng hịa lưới quốc gia Nên cân nhắc
Lý do: Điều khiển đơn giản, cĩ thể khai thác giĩ tối đa nhưng giá thành hơi cao. Bên cạnh đĩ, khả năng trụ lưới khi cĩ ngắn mạch kém, do van bán dẫn dễ hỏng bởi dịng ngắn mạch nên để bảo vệ van buộc phải tách máy khỏi lưới.
Nên lựa chọn
Lý do: Điều khiển khơng cịn khĩ khăn quá (do được bám lưới cứng) mà giá thành lại rất thấp. Thêm vào đĩ, khả năng trụ lưới khi cĩ ngắn mạch tốt hơn do dịng ngắn mạch phần lớn khơng qua van bán dẫn và đã cĩ nhiều nghiên cứu cũng như giải pháp cho vấn đề này.
Nên sử dụng tuabin giĩ kiểu C để hịa lưới Quốc gia.
5 Sử dụng
ngồi đảo
Nên lựa chọn
Lý do: Điều khiển đơn giản nên dễ bảo đảm ổn định ngắn hạn và dài hạn. Đây là ưu điểm mang tính quyết định khi vận hành với lưới cơng suất nhỏ.
Cần nghiên cứu chuyên sâu Lý do: Điều khiển rất khĩ (vì khơng cĩ lưới cứng để bám) nên khĩ bảo đảm ổn định ngắn hạn và dài hạn. Đặc biệt khĩ khăn khi phải vận hành với lưới cơng suất nhỏ.
Cần nghiên cứu chuyên sâu để cĩ lựa chọn ph hợp.
1.3.2. Máy phát điện khơng đồng bộ nguồn kép
Sự tương quan của DFIG với các bộ phận trong tuabin giĩ kiểu D về năng lượng cũng như bảo vệ và điều khiển được thể hiện trên Hình 1.15.