Các cấu hình tuabin gió ứng dụng phổ biến nhất được phân loại theo hai khả năng là điều khiển tốc độ và điều khiển năng lượng. Áp dụng điều khiển tốc độ như một tiêu chuẩn, tuabin gió có bốn loại khác nhau. Cấu hình tuabin gió có thể tiếp tục được phân loại đối với các loại điều khiển năng lượng (hay cánh quạt): thất tốc, góc nghiêng, thất tốc chủ động. Mỗi loại khác nhau của cấu hình tuabin gió đều có hai tiêu chuẩn là kiểm soát tốc độ và kiểm soát năng lượng, mỗi sự kết hợp của hai tiêu chí này nhận được một kí hiệu biểu thị cho một loại tuabin và phương pháp điều khiển cụ thể.
30
Hình 2.1 Các cấu hình tuabin gió
Điều khiển tốc độ
Điều khiển điện năng
Thất tốc Góc nghiêng Thất tốc chủ động
Tốc độ cố định Loại A Loại A0 Loại A1 Loại A2 Tốc độ thay đổi Loại B Loại B0 Loại B1 Loại B2
Loại C Loại C0 Loại C1 Loại C2
Loại D Loại D0 Loại D1 Loại D2
Bảng 2.1 Các loại cấu hình máy phát điện gió 2.3.1 Cấu hình loại A
Cấu hình này biểu thị các tuabin gió tốc độ cố định với một máy phát điện cảm ứng không đồng bộ roto lồng sóc (SCIG) kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua
31
một biến áp. SCGI luôn lấy công suất phản kháng từ lưới điện nên cấu hình này sử dụng một bộ tụ để bù công suất phản kháng. Để kết nối với lưới thường sử dụng bộ khởi động mềm.
Bất kì nguyên tắc điều khiển năng lượng trong một tuabin gió cố định nào cũng là biến động tốc độ gió được chuyển đổi thành các dao động cơ khí và do đó thành dao động năng lượng điện. Trong trường hợp lưới điện nhỏ, chúng có thể tạo ra biến động điện áp tại các điểm kết nối. Vì những dao động điện áp, tuabin gió có tốc độ cố định sẽ lấy lượng công suất phản khác nhau từ lưới điện (trừ khi có một bộ tụ điện) làm tăng các biến động điện áp và tổn hao dòng. Vì vậy, những hạn chế chính của loại này là nó không hỗ trợ bất kỳ điều khiển tốc độ nào, nó đòi hỏi một mạng lưới cứng và kết cấu cơ khí phải có khả năng chịu lực cơ học cao.
Tất cả ba phiên bản (loại A0, loại A1, loại A2) của tuabin gió tốc độ cố định loại A được sử dụng trong ngành công nghiệp tuabin gió, và nó có thể được mô tả như sau:
Loại A0: Điều khiển thất tốc
Đây là loại thông thường được áp dụng bởi nhiều nhà chế tạo tuabin gió của Đan Mạch trong những năm 1980-1990. Nó rất phổ biến vì giá tương đối thấp, đơn giản và hiệu quả. Tuabin gió điều khiển thất tốc không thể thực hiện hỗ trợ khởi động, mà ngụ ý rằng điện áp của tuabin không thể kiểm soát được trên lưới.
Loại A1: điều khiển góc nghiêng
Loại này cũng có mặt trên thị trường. Các ưu điểm chính của một tuabin loại A1 là nó tạo điều kiện thuận lợi điều khiển năng lượng, điều khiển khởi động và dừng khẩn cấp. Tuy nhiên mặt hạn chế chính của nó là ở tốc độ gió cao, thậm chí biến đổi nhỏ trong tốc độ gió cũng dẫn đến thay đổi lớn trong sản lượng điện. Cơ chế góc nghiêng là không phù hợp để tránh những dao động năng lượng bằng cách nghiêng các cánh quạt, các biến đổi chậm trong gió có thể được bù lại, nhưng điều này là không thể trong trường hợp của cơn gió giật.
32
Loại này gần đây đã trở nên phổ biến. Cấu hình này về cơ bản duy trì tất cả các đặc tính chất lượng điện của hệ thống thất tốc quy định. Những cải tiến trong ứng dụng tốt hơn của hệ thống tổng thể, như một kết quả ứng dụng của điều khiển thất tốc chủ động. Các khớp nối linh hoạt của cánh quạt trung tâm cũng tạo điều kiện dừng khẩn cấp và khởi động. Một nhược điểm là mức giá cao hơn phát sinh từ cơ chế lắp đặt và bộ điều khiển của nó.
Loại biến tốc được sử dụng bởi tất cả ba cấu hình, loại B, loại C, loại D. Do cân nhắc loại giới hạn năng lượng, các loại biến tốc được sử dụng trong thực tế hiện nay chỉ cùng với cơ chế góc nghiêng nhanh. Tốc độ thay đổi thất tốc hoặc sự thay đổi thất tốc chủ động điều khiển tuabin gió không bao hàm ở đây như là có khả năng nó thiếu điện dung để giảm nhanh chóng năng lượng. Nếu các tuabin gió đang chạy ở tốc độ tối đa và có một cơn gió mạnh, moomen xoắn khí động học đạt độ tới hạn cao và có thể gây ra tình huống mất ổn định. Do đó loại B0, B2, C0, C2, D0, D2 không được sử dụng trong ngành công nghiệp tuabin gió hiện nay.
2.3.2 Cấu hình loại B
Cấu hình này tương ứng với tuabin gió hạn chế tốc độ bằng sự thay đổi điện trở roto máy phát điện, được gọi là optislip. Sử dụng máy phát điện cảm ứng roto dây quấn (WRIG) và đã được sử dụng bởi các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas kể từ giữa năm 1990. Máy phát điện trực tiếp kết nối với lưới điện. Một bộ tụ điện được thực hiện việc bù công suất phản kháng. Kết nối lưới điện tốt hơn đạt được bằng cách sử dụng một bộ khởi động mềm. Các tính năng độc đáo của loại này là có thể thay đổi điện trở roto bởi một công cụ chuyển đổi quang học điều khiển gắn trên trục cánh quạt. Vì vậy là kiểm soát hoàn toàn điện trở roto. Khớp nối quang học này giúp loại bỏ sự cần thiết có vòng trượt tốn kém, cần phải bảo trì chổi than. Điện trở roto có thể được thay đổi và do đó kiểm soát độ trượt. Bằng cách này, sản lượng điện trong hệ thống được kiểm soát. Phạm vi của điều khiển tốc độ động phụ thuộc vào dải biến đổi điện trở roto. Thông thường phạm vi tốc độ là 0 – 10% so với tốc độ đồng bộ. Năng lượng đến từ các đơn vị chuyển đổi năng lượng bên ngoài là mất đi do tổn thất nhiệt. Walace và Oliver (1998) đưa ra một phương pháp thay thế bằng
33
cách sử dụng các linh kiện thụ động thay vì bộ chuyển đổi điện tử công suất. Điều này đạt được độ trượt 10%, nhưng không hỗ trợ điều khiển độ trượt.
2.3.3 Cấu hình loại C
Cấu hình này giống loại máy phát điện cảm ứng kép ( DFIG), tương ứng với giới hạn biến đổi tốc đô của tuabin gió là số vòng dây roto của máy phát điện cảm ứng (WRIG) và một phần tỉ lệ tần số chuyển đổi (khoảng 30% công suất định mức) trên mạch roto. Phần tỉ lệ tần số chuyển đổi thực hiện bù công suất phản kháng và kết nối lưới điện tối ưu hơn. Phạm vi điều khiển tốc độ rộng hơn so với các Optislip, tùy thuộc vào kích thước của bộ biến tần.
Thông thường phạm vi điều chỉnh tốc độ từ 30% đến 40% tốc độ đồng bộ. Tần số chuyển đổi nhỏ hơn làm cho phương pháp này hấp dẫn về kinh tế. Hạn chế chính là việc sử dụng các vòng trượt và phải được bảo vệ trong trường hợp sự cố lưới điện.
2.3.4 Cấu hình loại D
Cấu hình này tương ứng với tuabin gió tốc độ biến đổi toàn thang, với các máy phát điện kết nối với lưới điện thông qua một công cụ chuyển đổi tần số toàn thang. Bộ biến tần thực hiên bù công suất phản kháng và kết nối lưới điện tối ưu hơn. Máy phát điện có thể được kích thích bằng điện (dây quấn roto máy phát điện đồng bộ (WRSG) hoặc (WRIG) hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu (máy phát điện đồng bộ dùng nam châm vĩnh cửu (PMSG).
Một số tuabin có tốc độ biến đổi có thể không có hộp số. Trong những trường hợp này máy phát điện nhiều cực truyền động trực tiếp được sử dụng với một phạm vị lớn.
2.4 Các loại máy phát điện sử dụng trong tuabin gió
Về cơ bản một tuabin gió có thể được trang bị với loại máy phát điện ba pha bất kỳ. Ngày nay, để dòng điện tương thích với lưới điện có thể được sử dụng bằng cách kết nối bộ biến tần, ngay cả khi máy phát điện xoay chiều có tần số biến đổi hoặc máy phát một chiều. Sau đây khái quát một số máy phát điện có thể được dùng trong tuabin gió:
34
Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng)
Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG)
Máy phat điện cảm ứng roto dây quấn (WRIG)
Máy phát điện cảm ứng OptiSlip (OSIG) (tuabin gió hạn chế biến đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở roto máy phát điện)
Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG)
Máy phát điện đồng bộ:
Máy phát điện roto dây quấn (WRSG)
Máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMSG)
Các loại máy phát điện tiềm năng khác:
Máy phát điện cao áp (HVG)
Máy phát điện từ kháng thay đổi (SRG)
Máy phát điện từ trường ngang (TFG)
2.4.1 Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng)
Các máy phát điện phổ biến nhất được sử dụng trong các tuabin gió là máy phát điện cảm ứng. Nó có nhiều ưu điểm như chắc chắn và đơn giản , được sản xuất hàng loạt, vì thế nó cũng có mức giá thấp. Nhược điểm chính là stato của nó cần dòng từ hóa phản kháng. Vì vậy nó cần dòng kích thích từ một nguồn khác và tiêu thụ công suất phản kháng. Công suất phản kháng có thể được cung cấp bởi lưới điện hoặc bằng một hệ thống điện tử. Từ trường của máy phát điện được thành lập chỉ khi nó được kết nối với lưới điện.
Trong trường hợp dòng kích thích xoay chiều, từ trường quay ở một tốc độ được xác định do số cực trong các cuộn dây và tần số dòng điện, tốc độ đồng bộ. Vì vậy, nếu cánh quạt quay với tốc độ vượt tốc độ đồng bộ, một điện trường được cảm ứng giữa roto và chuyển động tương đối của stato (trượt), gây ra dòng điện trong cuộn dây roto. Sự tương tác từ trường liên kết của roto với stato tạo mô men tác động lên roto. Roto của máy phát điện cảm ứng có thể được thiết kế dạng lồng sóc hoặc dây quấn.
35
2.4.1.1 Máy phát điện không đồng bộ roto lồng sóc (SCIG)
Cho đến nay, các SCIG phổ biến hơn vì đơn giản về cơ học, hiệu quả sử dụng cao và các yêu cầu bảo dưỡng thấp. Trong cấu hình A tốc độ các SCIG thay đổi vài phần trăm vì độ trượt máy phát điện gây ra bởi những thay đổi trong tốc độ gió. Vì vậy, máy phát điện này được sử dụng cho các tuabin gió có tốc độ không đổi. Các máy phát điện và cánh quạt tuabin gió được kết hợp thông qua hộp số, vì các roto và phạm vi tốc độ máy phát điện khác nhau.
Tuabin gió dựa trên một SCIG thường được trang bị với một bộ khởi động mềm và một hệ thống bù công suất phản kháng, như vậy SCIG tiêu thụ công suất phản kháng. SCIG có một đặc tính mô men xoắn dốc và do đó sự biến động của năng lượng gió được truyền đi trực tiếp vào lưới điện. Những quá độ này là đặc biệt quan trọng trong thiết kế nối mạng lưới các tuabin gió, nơi dòng điện có thể tăng 7 - 8 lần dòng điện định mức. Trong một mạng lưới yếu, trong trường hợp dòng điện tăng cao có thể gây ra rối loạn điện áp nghiêm trọng. Vì vậy, các kết nối của các SCIG với lưới điện được thực hiện từng bước để hạn chế dòng này.
Trong quá trình vận hành bình thường và kết nối trực tiếp với mạng điện AC ổn định, SCIG là rất chắc chắn và ổn định. Độ trượt thay đổi và tăng nếu tải ngày càng tăng. Vì dòng từ hóa lấy từ lưới điện đến dây quấn stato nên hệ số công suất tương đối thấp. Trong thực tế các công ty điện lực phạt khách hàng công nghiệp có tải với hệ số công suất thấp. Hệ số công suất quá thấp được bù bằng cách nối song song các tụ điện với máy phát điện.
Trong SCIG có quan hệ giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng, bộ điều chỉnh điện áp và tốc độ roto. Điều này có nghĩa rằng khi gió lớn, tuabin gió có thể tạo ra nhiều công suất tác dụng chỉ khi máy phát điện tiêu thụ nhiều công suất phản kháng hơn. Đối với một SCIG, số lượng công suất phản kháng tiêu thụ là không thể kiểm soát được bởi vì nó thay đổi theo điều kiện gió. Nếu không có thiết bị cung cấp công suất phản kháng thì cần có công suất phản kháng được lấy trực tiếp từ lưới điện. Công suất phản kháng do lưới điện cung cấp làm tăng tổn thất truyền tải và trong những tình huống nhất định, có thể làm cho lưới điện không ổn
36
định. Bộ tụ điên hoặc bộ biến đổi điện tử hiện đại có thể được sử dụng để giảm tiêu thụ công suất phản kháng. Nhược điểm chính là sự quá độ điện áp xảy ra trong quá trình biến đổi.
Trong trường hợp sự cố SCIG mà không có hệ thống bù công suất phản kháng có thể dẫn đến tình trạng mất ổn định điện áp trên lưới. Các roto tuabin gió có thể tăng tốc độ dẫn đến độ trượt tăng, ví dụ khi một lỗi xảy ra, tạo ra sự mất cân đối giữa các momen xoắn cơ học và điện áp. Vì vậy, khi sự cố được loại bỏ, SCIG thu một lượng lớn công suất phản kháng từ lưới điện, dẫn đến làm giảm điện áp nhiều hơn. SCIG có thể được sử dụng trong cả hai tuabin gió tốc độ cố định (loại A) và trong tuabin gió tốc độ thay đổi đầy đủ (loại D). Trong trường hợp thứ hai, bộ biến tần của động cơ được biến đổi sang tần số cố định bằng cách sử dụng một bộ biến đổi năng lượng đầy tải hai chiều.
2.4.1.2 Máy phát điện không đồng bộ roto dây quấn (WRIG)
Trong trường hợp WRIG, các đặc tính điện của roto có thể được điều khiển từ bên ngoài, và do đó điện áp roto có thể được đưa vào. Dây quấn roto được kết nối bên ngoài thông qua vòng trượt và chổi than hoặc bằng thiết bị điện tử, mà có thể có hoặc cần các vành trượt và chổi than. Bằng cách sử dụng thiết bị điện tử, năng lượng có thể được lấy ra hoặc đưa vào roto và máy phát điện điện có thể được từ hóa từ dòng roto hoặc dòng điện stato. Điều đó cũng có thể xảy ra nhờ lấy năng lượng trượt từ roto và nạp vào đầu ra của stato. Nhược điểm của WRIG là đắt tiền hơn và không mạnh như SCIG. Các ngành công nghiệp tuabin gió sử dụng phổ biến nhất các cấu hình WRIG sau đây: máy phát điện cảm ứng OptiSlip (OSIG) được sử dụng trong các cấu hình loại B, loại máy điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) được sử dụng trong cấu hình loại C.
2.4.1.3 Máy phát điện cảm ứng OptiSlip
Các tính năng OptiSlip đã được các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas sử dụng để giảm thiểu tải trên các tuabin gió trong những cơn gió giật. Các tính năng OptiSlip cho phép máy phát điện có thể thay đổi độ trượt trong phạm vi hẹp và lựa chọn độ trượt tối ưu, kết quả là những biến động nhỏ hơn trong kiểm soát mô men xoắn và
37
công suất đầu ra. Thay đổi độ trượt là một cách đơn giản, đáng tin cậy và chi phí hiệu quả để đạt được giảm tải so với các phương pháp phức tạp hơn như tuabin gió có thay đổi tốc độ toàn thang.
OSIG là WRIG với điện trở ngoài roto thay đổi gắn liền với cuộn dây roto. Độ trượt máy phát điện điện được thay đổi bằng cách thay đổi tổng trở roto bằng bộ chuyển đổi được gắn trên trục của cánh quạt, bộ chuyển đổi này là bộ điều khiển quang học, điều đó có nghĩa là không cần vành trượt. Stato của máy phát điện được kết nối trực tiếp với lưới điện. Ưu điểm của loại máy phát điện này là cấu trúc liên kết mạch điện đơn giản, không cần các vành trượt và hoạt động trong phạm vi tốc độ trượt được cải thiện so với các SCIG. Để mở rộng loại này có thể làm giảm tải trọng cơ và dao động năng lượng do gió giật gây ra. Tuy nhiên, vẫn cần một hệ