5. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.2. Tổng quan về các loại điều khiển điện năng
Tất cả các tuabin gió đƣợc thiết kế với một số loại điều khiển điện năng. Có nhiều cách khác nhau để kiểm soát lực động lực học trên các rotor tuabin gió và do đó hạn chế sức phá hoại của gió khi gió lớn để tránh hỏng hóc cho tuabin gió.
Phƣơng pháp điều khiển hiệu quả nhất và rẻ tiền nhất là điều khiển trạng thái thất tốc - the stall control (điều khiển thụ động), nơi mà các cánh quạt đƣợc bắt vít vào trung tâm ở một góc cố định. Thiết kế khí động lực học roto làm cho roto thất tốc (mất điện) khi tốc độ gió vƣợt quá một mức nhất định. Nhƣ vậy, lực khí động học trên các cánh quạt bị hạn chế. Kiểm soát lực khí động học chậm gây ra những biến động năng lƣợng ít hơn so với việc điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt. Một số hạn chế của phƣơng pháp này là hiệu quả thấp hơn ở tốc độ gió thấp, không có hỗ
trợ khởi động và sự thay đổi lớn trong ổn định điện do sự thay đổi trong tỷ trọng không khí và tần số lƣới điện.
Một loại hình điều khiển khác là điều khiển góc nghiêng - pitch control (điều khiển chủ động), ở đó những cánh quạt có thể tạo ra sản lƣợng điện đầu ra cao hay thấp tƣơng ứng. Nói chung, những ƣu điểm của loại hình điều khiển này là điều khiển điện tốt, hỗ trợ khởi động và dừng khẩn cấp. Từ sản lƣợng điện cho thấy, kiểm soát năng lƣợng tốt có nghĩa là ở tốc độ gió cao, giá trị trung bình của sản lƣợng điện đƣợc giữ gần với công suất định mức của máy phát điện. Một số nhƣợc điểm là sự phức tạp phát sinh từ cơ cấu truyền động ở các góc nghiêng và dao động năng lƣợng cao hơn ở tốc độ gió cao. Năng lƣợng chỉ là tức thời vì các cơn gió giật và tốc độ hạn chế của cơ cấu truyền động góc nghiêng, làm năng lƣợng dao động xung quanh một giá trị trung bình.
Cách điều khiển thứ ba là điều khiển trạng thái thất tốc chủ động - the active stall control. Nhƣ tên ngụ ý, sự thất tốc của những cánh quạt đƣợc điều khiển một cách chủ động bằng góc nghiêng của cánh quạt. Ở tốc độ gió thấp cánh quạt nghiêng giống nhƣ loại tuabin gió điều khiển góc nghiêng, để đạt đƣợc hiệu quả tối đa. Ở tốc độ gió cao, cánh quạt đi vào trạng thái thất tốc bằng cách xoay nhẹ vào hƣớng đối diện với tuabin điều khiển góc nghiêng. Hoạt động của các trạng thái thất tốc tuabin gió làm hạn chế dao động năng lƣợng, không có dao động năng lƣợng cao nhƣ trong trƣờng hợp của tuabin gió điều khiển góc nghiêng. Loại điều khiển này có lợi thế là có thể bù đắp sự thay đổi về tỷ trọng không khí. Sự kết hợp với cơ chế thay đổi góc nghiêng làm cho việc dừng khẩn cấp và khởi động tuabin gió dễ thực hiện.
2.2.3. Các loại cấu hình tuabin gió và phương pháp kết nối lưới
Cấu hình tua bin gió có thể đƣợc tiếp tục phân loại đối với các loại điều khiển năng lƣợng (hay cánh quạt): thất tốc, góc nghiêng, thất tốc chủ động. Bảng 2.1 cho thấy các loại khác nhau của các cấu hình tuabin gió, cả hai tiêu chuẩn (kiểm soát tốc độ và kiểm soát năng lƣợng) vào một bảng. Mỗi sự kết hợp của hai tiêu chí này nhận đƣợc một kí hiệu, ví dụ loại A0 biểu thị tuabin gió tốc độ thất tốc cố định. Các phần gạch chân trong bảng 2.1 cho thấy sự kết hợp không đƣợc sử dụng trong ngành công nghiệp tuabin gió hiện nay (ví dụ nhƣ loại B0).
Lưu ý:
SCIG = squirrel cage induction generator (máy phát điện lồng sóc cảm ứng). WRIG = wound rotor induction generator (máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn). PMSG = permanent magnet synchronous generator (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu).
WRSG = wound rotor synchronous generator( máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn).
Bảng 2.1. Các cấu hình tuabin gió khác nhau
Điều khiển tốc độ
Điều khiển năng lƣợng
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
2.2.3.1. Kết nối loại A: tốc độ cố định ( fixed speed)
Hình 2.8. Kết nối lưới của máy máy phát điện lồng sóccảm ứng SCIG- squirrel cage induction generator.
Cấu hình này biểu thị các tuabin gió tốc độ cố định với một máy phát điện cảm ứng không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) kết nối trực tiếp với lƣới điện thông
Bất kì nguyên tắc điều khiển năng lƣợng trong một tuabin gió cố định nào cũng là tốc độ gió biến động đƣợc chuyển đổi thành các dao động cơ khí và sau đó thành dao động năng lƣợng điện. Trong trƣờng hợp của một mạng lƣới yếu, chúng có thể tạo ra biến động điện áp tại các điểm kết nối. Vì những dao động điện áp, tuabin gió tốc độ cố định sẽ lấy lƣợng công suất phản kháng khác nhau từ các lƣới 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 lƣới cứng và kết cấu cơ khí của nó 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 đƣợc sử dụng trong ngành công nghiệp tuabin gió, và nó có thể đƣợc mô tả nhƣ sau:
Loại A0: Điều khiển cánh quạt cố định
Đây là loại thông thƣờng đƣợc áp dụng bởi nhiều nhà chế tạo tuabin gió của Đan Mạch trong những năm 1980 và năm 1990 (tức là khi ngƣợc gió điều chỉnh tốc độ bởi ba cánh tua bin gió). Nó rất phổ biến vì giá tƣơng đối thấp của nó, đơn giản và hiệu quả. Tuabin gió điều khiển cánh quạt cố định không thể thực hiện hỗ trợ khởi động, và ngụ ý rằng điện áp của tuabin không thể đƣợc kiểm soát trong mạng lƣới.
Loại A1: Điều khiển góc nghiêng ( pitch control )
Loại này cũng có mặt trên thị trƣờng. Các ƣu điểm chính của một tuabin loại A1 là nó tạo điều kiện thuận lợi điều khiển năng lƣợng, 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 lƣợng điện. Cơ chế góc nghiêng là không phù hợp để tránh những dao động năng lƣợng. Bằng cách nghiêng cánh quạt, các biến đổi chậm trong gió có thể đƣợc bù lại, nhƣng điều này là không thể trong trƣờng hợp của cơn gió giật.
Loại A2: Điều khiển cánh quạt cố định chủ động ( active stall control )
Loại này gần đây đã trở nên phổ biến. Cấu hình này về cơ bản duy trì tất cả các đặc tính chất lƣợng điện của hệ thống cánh quạt cố định quy định. Những cải
tiến làm cho loại A2 tốt hơn loại A0 tổng thể. Các khớp nối linh hoạt của cánh quạt trung tâm cũng tạo điều kiện cho dừng khẩn cấp và khởi động. Loại A2 có một nhƣợc điểm là mức giá cao hơn phát sinh từ cơ chế lắp đặt và bộ điều khiển.
Nhƣ minh họa trong hình 2.7 và bảng 2.1, Loại tuabin gió tốc độ thay đổi đƣợc sử dụng bởi tất cả ba cấu hình, loại B, loại C và D. Do cân nhắc giới hạn năng lƣợng, các cấu hình tuabin gió tốc độ thay đổi đƣợc sử dụng trong thực tế hiện nay chỉ dùng với cơ chế góc nghiêng nhanh. Điều khiển thất tốc và thất tốc chủ động ít đƣợc sử dụng. Vì các tuabin gió đang chạy ở tốc độ tối đa và có một cơn gió mạnh, mô men xoắn khí động học đạt tới giới hạn cao thì có thể gây ra tình huống mất ổn định. Do đó, nhƣ minh họa trong bảng 2.1 loại B0, loại B2, loại C0, loại C2, loại D2 ,loại D0 không đƣợc sử dụng trong ngành công nghiệp tuabin gió hiện nay.
2.2.3.2. Kết nối theo loại B: thay đổi tốc độ hạn chế (limited variable speed )
Hình 2.9. Kết nối lưới của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn có thể thay đổi điện trở roto (WRIG = wound rotor induction generator )
Cấu hình này tƣơng ứng với tuabin gió hạn chế biến đổi tốc độ bằng sự thay đổi điện trở roto máy phát điện, đƣợc gọi là OptiSlip. Nó sử dụng một máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG) và đã đƣợc sử dụng bởi các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas kể từ giữa những năm 1990. Máy phát điện trực tiếp kết nối với lƣới điện. Một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng. Kết nối lƣới điện tốt
và bảo trì. Điện trở rotor có thể đƣợc thay đổi và do đó kiểm soát độ trƣợt. Bằng cách này, sản lƣợng điện trong hệ thống đƣợc kiểm soát. Phạm vi điều khiển tốc độ phụ thuộc vào dải biến đổi điện trở rotor. Thông thƣờng, phạm vi tốc độ là 0 - 10% so với tốc độ đồng bộ. Năng lƣợng đến từ các đơn vị chuyển đổi năng lƣợng bên ngoài bị mất đi do sự mất nhiệt.
Wallace và Oliver (1998) trình bày một loại thay thế bằng cách sử dụng các thành phần thụ động thay vì bộ chuyển đổi điện tử công suất. Điều này đạt đƣợc độ trƣợt 10%, nhƣng nó không hỗ trợ điều khiển độ trƣợt.
2.2.3.3. Kết nối theo loại C: thay đổi tốc độ với bộ chuyển đổi tần số từng phần (variable speed with partial scale frequency converter ) (variable speed with partial scale frequency converter )
Hình 2.10. Kết nối lưới của máy máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
(WRIG = wound rotor induction generator)
Cấu hình này giống loại máy phát điện cảm ứng kép (DFIG), tƣơng ứng với giới hạn biến đổi tốc độ của tuabin gió là số vòng dây rotor của máy phát điện cảm ứng (WRIG) và một bộ chuyển đổi tần số tỉ lệ (đánh giá khoảng 30% công suất định mức) trên mạch roto. Bộ chuyển đổi tần số tỉ lệ thực hiện bù công suất phản kháng và kết nối lƣới điện tối ƣu hơn. Nó có phạm vi điều khiển tốc độ rộng hơn so với các OptiSlip, tùy thuộc vào kích thƣớc của bộ chuyển đổi tần số.
Thông thƣờng, phạm vi điều khiển tốc độ khoảng 30% đến 40% tốc độ đồng bộ. Tần số chuyển đổi nhỏ hơn làm cho cấu hình này có lợi thế trên phƣơng diện kinh tế. Hạn chế chính của loại C là việc sử dụng các vòng trƣợt và phải đƣợc bảo vệ trong trƣờng hợp sự cố lƣới điện.
2.2.3.4. Kết nối theo loại D: Biến tốc với bộ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ(variable speed with full-scale frequency converter ) speed with full-scale frequency converter )
Hình 2.11. Kết nối lưới của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG = permanent magnet synchronous generator)
Cấu hình này dùng với tuabin gió thay đổi tốc độ, sử dụng các máy phát điện kết nối với lƣới điện thông qua một bộ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ. Bộ chuyển đổi tần số thực hiện bù công suất phản kháng và làm cho việc kết nối lƣới điện đƣợc tối ƣu hơn. Máy phát điện có thể đƣợc kích thích bằng điện (máy phát điện đồng bộ ro to dây quấn (WRSG) hoặc WRIG) hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)).
Một số tuabin gió tốc độ biến đổi có thể không có hộp số (xem các đƣờng nét đứt hộp số trong hình 2.11). Trong những trƣờng hợp này, máy phát điện nhiều cực truyền động trực tiếp đƣợc sử dụng với một phạm vi lớn. Các tuabin gió của công ty Enercon, Made và Lagerwey là những ví dụ về các nhà sản xuất sử dụng cấu hình này.
2.2.4. Xu thế thị trường của các cấu hình tuabin gió
Các yêu cầu ngày càng cao của việc kết nối lƣới điện có ảnh hƣởng lớn đến việc lựa chọn cấu hình tuabin gió. Cấu hình tuabin gió loại C hiện đang là cấu hình đƣợc chọn phổ biến nhất, nhƣng loại D lại có ƣu thế linh hoạt hơn nhờ bộ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ. Với một máy phát điện nam châm vĩnh cửu, cấu hình loại D cho phép dễ dàng tuân thủ các yêu cầu khắt khe nhất của việc kết nối lƣới điện đối với các lỗi thoáng qua. Trong tƣơng lai, xu hƣớng chuyển đổi từ loại C sang loại D sẽ đƣợc gia tăng vì giá cả của các thiết bị điện tử công suất ngày càng rẻ hơn và sẽ
Hình 2.12. Tỷ lệ công suất lắp đặt của các loại cấu hình tuabin gió từ 2000-2009[10]
2.3. MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO TUABIN GIÓ
2.3.1. Máy phát trong hệ thống tua bin gió
Về cơ bản, một tua bin gió có thể đƣợc trang bị với bất kỳ loại máy phát điện ba pha nào. Ngày nay, nhu cầu về dòng điện tƣơng thích với lƣới có thể đƣợc đáp ứng bằng cách kết nối biến tần, ngay cả khi máy phát điện cung cấp dòng điện xoay chiều (AC) với tần số thay đổi hay dòng điện một chiều (DC). Nhƣng do các đặc tính vƣợt trội nên hiện nay đa số sử dụng các máy điện xoay chiều làm máy phát điện cho hệ thống tuabin gió. Khái quát một số máy phát điện có thể đƣợc sử dụng trong tuabin gió:
Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng):
Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG)
Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG):
- Máy phát điện cảm ứng OptiSlip (OSIG) (tuabin gió hạn chế biến đổi tốc độ bằng sự thay đổi điện trở roto máy phát điện)
- Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG)
Máy phát điện đồng bộ:
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 chuyển đổi từ hóa (SRG)
Máy phát điện ngang dòng (TFG)
Để có thông tin cụ thể hơn về các loại máy phát điện cũng nhƣ về các thiết bị điện tử công suất tham khảo Generators and Power Electronics for Wind Turbines của Anca D.Hansen [2].
2.3.1.1. Máy phát điện không đồng bộ (Asynchronous (induction) generator )
Các máy phát điện phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong các tuabin gió là máy phát điện cảm ứng. Loại máy phát điện này có nhiều ƣu điểm nhƣ độ chắc chắn và tính cơ khí đơn giản, đƣợc sản xuất hàng loạt nên có một mức giá thấp... Nhƣợc điểm chính là stato của chúng cần dòng từ hóa phản kháng. Các máy phát điện không đồng bộ không có nam châm vĩnh cửu và không đƣợc kích thích độc lập. Vì vậy, nó nhận đƣợc dòng kích thích từ một nguồn khác và tiêu thụ công suất phản kháng. Công suất phản kháng có thể đƣợc cung cấp bởi lƣới điện hoặc bằng một hệ thống điện điện tử. Từ trƣờng của máy phát điện đƣợc tạo ra chỉ khi nó đƣợc kết nối với lƣới điện.
Trong trƣờng hợp dòng kích thích xoay chiều, từ trƣờng quay ở một tốc độ đƣợc xác định do số lƣợng cực trong các cuộn dây và tần số dòng điện, tốc độ đồng bộ. Vì vậy, nếu cánh quạt quay với tốc độ vƣợt quá tốc độ đồng bộ, một điện trƣờng đƣợc cảm ứng giữa roto và chuyển động tƣơng đối của stato (trƣợt), gây ra một dòng điện trong cuộn dây roto. Sự tƣơng tác từ trƣờng liên kết của roto với stato tạo mô men tác động lên roto.
Các roto của một máy phát điện cảm ứng có thể đƣợc thiết kế ngắn mạch (roto lồng sóc) hoặc không nhƣ roto dây quấn
Nhƣ minh họa trong hình 2.8, SCIG trong cấu hình kết nối lƣới loại A. SCIG thay đổi tốc độ chỉ vài phần trăm vì độ trƣợt máy phát điện gây ra bởi những thay đổi trong tốc độ gió. Vì vậy, máy phát điện này đƣợc sử dụng cho các tuabin gió tốc độ không đổi (loại A). Các máy phát điện và các cánh quạt tuabin gió đƣợc kết hợp thông qua hộp số, vì tốc độ trục quay tối ƣu và phạm vi tốc độ máy phát điện là khác nhau.
Tuabin gió dựa trên một SCIG thƣờng đƣợc trang bị một bộ khởi động mềm và một hệ thống cho đền bù công suất phản kháng, nhƣ SCIG tiêu thụ công suất phản kháng. SCIG có một đặc tính tốc độ mô men xoắn dốc và do đó sự biến động của năng lƣợng gió đƣợc truyền đi trực tiếp vào lƣới điện. Điều này là đặc biệt quan trọng trong kết nối mạng lƣới các tuabin gió, nơi dòng điện có thể tăng lên đến 7 - 8