Dựa trên sự khác nhau của tuabin gió, các máy phát điện gió có các loại sau:
2.2.2.1. Tuabin gió có tốc độ cố định – constant speed wind turbin
- Sơ đồ (hình 2.4): - Cấu tạo:
+ 01 cánh quạt đón gió được điều chỉnh độ nghiêng để giữ tốc độ quay là không đổi;
+ 01 hộp bánh răng (hộp số) làm nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động quay của tuabin gió sang chuyển động quay của trục máy phát;
+ 01 máy phát điện không đồng bộ biến đổi cơ năng của trục quay thành điện năng.
Hình 2. 4. Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió tốc độ không đổi
- Đặc điểm:
+ Do tuabin gió có tốc độ không đổi nên nguồn điện đầu ra tương đối ổn định;
+ Cấu tạo đơn giản nhưng công nghệ chế tạo ra thiết bị thì phức tạp; + Không thể điều chỉnh được công suất tối ưu;
+ Ứng lực tác động lên trục của cánh quạt lớn khi tốc độ gió thay đổi đột ngột nên yêu cầu chất liệu chế tạo cánh quạt và trục quay là chất liệu tốt, đắt tiền;
+ Không có khả năng điều chỉnh tích cực do tần số và điện áp stato cố định theo lưới.
2.2.2.2. Máy phát điện có hai cuộn dây cảm ứng làm việc - Doubly Fed
Induction Generator-Máy phát cảm ứng nguồn kép-DFIG.
- Sơ đồ (hình 2.5): - Cấu tạo:
+ 01 cánh quạt đón gió không được điều chỉnh tốc độ quay;
+ 01 hộp bánh răng (hộp số) làm nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động quay của tuabin gió sang chuyển động quay của trục máy phát;
+ 01 máy phát điện không đồng bộ biến đổi cơ năng của trục quay thành điện năng.
Hình 2. 5. Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió DFIG
- Đặc điểm:
+ Mô hình loại này có một máy phát không đồng bộ có cuộn dây stator của máy phát điện được nối trực tiếp với lưới điện, còn cuộn dây roto máy phát điện được nối với bộ biến đổi công suất, sử dụng cấu hình Back-to-Back tạo thành mạch vòng điều khiển dòng. Bộ biến đổi công suất bù lại sự sai lệch giữa tần số cơ và điện bằng cách bơm vào một dòng roto có tần số thay đổi do đó tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi. Điều đó có nghĩa là tốc độ cơ của roto có thể được điều chỉnh theo hàm mục tiêu cụ thể, như là đạt tối đa công suất nhận được và tối thiểu hóa tiếng ồn. Tốc độ của roto được điều chỉnh bằng cách thay đổi công suất phát có được từ hàm mục tiêu.
+ Việc phát công suất phản kháng có thể được điều khiển bằng dòng roto. Trong trường hợp này, không tồn tại một quan hệ duy nhất giữa công suất phản kháng và các đại lượng khác như tốc độ roto và công suất tác dụng phát. Thay vào đó, ứng với một tốc độ roto cụ thể và mức phát công suất tác dụng tương ứng là lượng công suất phản kháng có thể được phát hoặc tiêu thụ trong một phạm vi thay đổi rộng.
+ Tuy không phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ roto và công suất phát P nhưng công suất phản kháng Q vẫn bị ảnh hưởng bởi các đại lượng đó. Điều đó là do cả mômen quay MPKĐB và việc phát Q phụ thuộc trực tiếp vào dòng điện mà bộ điều khiển tốc độ roto nhận được từ tốc độ thực roto. Dòng điện cần để tạo ra mômen mong muốn lại quyết định dung lượng bộ biến đổi cho khép vòng dòng điện để phát hay tiêu thụ công suất phản kháng.
2.2.2.3. Máy phát có tuabin gió được điều khiển trực tiếp – Direct Drive Wind Turbine
- Sơ đồ:
Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió kết nối trực tiếp
- Cấu tạo:
+ 01 cánh quạt đón gió;
+ 01 máy phát điện đồng bộ trực tiếp với trục quay của cánh quạt. Đặc điểm:
+ Mô hình loại này cấu tạo gồm có một máy phát điện đồng bộ (MPĐB) nhiều cực có tốc độ quay thấp, có chiều quay cùng với chiều quay của roto tuabin gió, biến đổi năng lượng cơ học thành điện năng;
+ Loại này không sử dụng hộp bánh răng truyền động. Đầu dây ra từ stato nối trực tiếp với lưới thông qua bộ biến đổi công suất. Bộ biến đổi sử dụng loại Back-to-Back biến đổi nguồn điện áp hoặc bộ chỉnh lưu đi-ốt với bộ biến đổi nguồn điện áp đơn pha;
+ Sự trao đổi công suất phản kháng giữa MPĐB với lưới điện không phụ thuộc vào đặc tính của MPĐB mà được xác định bởi đặc tính phía lưới điện của bộ biến đổi. MPĐB được tách biệt hoàn toàn khỏi lưới điện. Do vậy, việc trao đổi công suất phản kháng giữa bản thân MPĐB và phía máy phát điện của bộ biến đổi cũng như là giữa phía lưới điện của bộ biến đổi với lưới điện là hoàn toàn tách biệt. Điều này có nghĩa là hệ số công suất cosϕ của MPĐB và hệ số công suất cosϕphía lưới điện của bộ biến đổi có thể được điều chỉnh độc lập với nhau. Thông thường, máy phát điện trong trường hợp này được thiết kế và vận hành với cosϕ = 1.
2.2.3.Nguyên lý hoạt động của máy phát cảm ứng nguồn kép-DFIG
2.2.3.1. Sơ đồ nối máy phát DFIG vào lưới điện trên hình dưới đây[2]
Hình 2. 7. Sơ đồ điều khiển nguồn điện gió
VSC - voltage source converter: bộ chuyển đổi nguồn áp AC - xoay chiều; DC-một chiều.
Sơ đồ này cho phép turbine gió tháy đổi tốc độ đến ±30% tốc độ định mức, nhờ đó nhận được công suất cơ do gió tối ưu.
Khi tốc độ từ trường quay của rotor ωr (do gió) nhỏ hơn tốc độ từ trường quay của stator ωs thì rotor nhận công suất từ lưới điện, ngược lại nó phát công suất vào lưới điện.
Bảng 2. 2. Thông số máy phát DFIG
Hệ số trượt S(%) Tốc độ rotor(pu) Công suất rotor-Pr Công suất stator Ps
0,3 0,7 -0,43Pm 1,43Pm
0 1 0 Pm
-0,3 1,3 0,23Pm 0,77Pm
Pmcông suất cơ của turbin gió.
máy phát có thể phát công suất phản kháng vào lưới điện. pu - per unit:đơn vị tương đối
2.2.3.2. Đường cong công suất lý tưởng của nguồn điện gió:
Hình 2. 8. đường cong công suất gió
Thông thường turbine gió bắt đầu hoạt động khi tốc độ gió đạt 3-4 m/s, gọi là tốc độ khởi động Vkđ. Sau đó công suất tăng theo lập phương của tốc độ gió cho đến khi đạt tốc độ danh định Vdđ. Khi tốc độ gió trong khoảng 12-25 m/s, công suất phát đạt định mức, khi tốc độ gió quá 25m/s, turbine gióc ngừng hoạt độ vì an toàn, tốc độ ngừng họa động ký hiệu Vng.
Vùng I trên hình là vùng tốc độ thấp, công suất phát nhỏ hơn định mức. Sử dụng hết năng lượng gió. Vùng III là vùng tốc độ gió cao, công suất phát đến định mức. Không sử dụng hết năng lượng gió.
Vùng II là vùng chuyển tiếp. Trong vùng này tốc độ turbine gió đươơợc giới hạn để hạn chế tiếng ồn dưới mức cho phép và giữ lực ly tâm ở dưới giá trị chịu đựng của rotor.
Công suất nhà máy điện gió được điều khiển bằng cách điều khiển tốc độ rotor bằng hộp số và điều khiển bộ chuyển đổi nguồn nhằm điều khiển dòng rotor, dòng này làm thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng phát ra. Có thể điều khiển riêng biệt công suất tác dụng và công suất phản kháng.
Hình 2. 9.Sơ đồ hệ thống điều khiển turbine gió