5. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1.1. Máy phát điện không đồng bộ
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 lần dòng định mức. Trong một lƣới điện yếu, dòng điện tăng cao có thể gây ra rối loạn điện áp nghiêm trọng. Vì vậy, việc kết nối của các SCIG với lƣới điện đƣợc thực hiện từng bƣớc để hạn chế quá dòng.
Trong quá trình hoạt động bình thƣờng và kết nối trực tiếp với một mạng điện xoay chiều ổn định, SCIG rất mạnh mẽ và ổn định. Độ trƣợt thay đổi và tăng nếu tải trọng ngày càng tăng. Vấn đề chính là, bởi vì dòng từ hóa cung cấp từ lƣới điện đến cuộn dây stato, hệ số công suất tải đầy đủ là tƣơng đối thấp. Điều này gây phiền toái vì thực tế là hầu hết các nhà phân phối điện phạt khách hàng công nghiệp sử dụng tải có hệ số công suất thấp. Một số máy phát điện có hệ số công suất thấp có thể không đƣợc phép sử dụng. Hệ số công suất quá thấp đƣợc bù đắp bằng cách nối các tụ điện song song với máy phát điện.
Trong SCIG có một mối quan hệ chặt chẽ giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng, thiết bị đầu cuối điện áp và tốc độ roto. Cụ thể khi gió lớn, tuabin gió có thể tạo ra nhiều công suất tác dụng chỉ khi máy phát điện thu hút nhiều công suất phản kháng hơn. Đối với một SCIG, số lƣợng công suất phản kháng tiêu thụ là không thể kiểm soát đƣợc bởi vì nó thay đổi theo hƣớng và điều kiện gió. Nếu không có bất kỳ thành phần điện nào cung cấp công suất phản kháng, công suất phản kháng cho máy phát điện phải đƣợc lấy trực tiếp từ lƣới điện. Công suất phản
kháng cung cấp bởi lƣới điện gây ra tăng tổn thất truyền tải và trong những tình huống nhất định, có thể làm cho lƣới điện không ổn định. Bộ tụ điện hoặc bộ chuyển đổi điện tử hiện đại có thể đƣợc sử dụng để giảm tiêu thụ công suất phản kháng. Những bất lợi chính là sự quá độ điện áp xảy ra trong quá trình chuyển đổi .
Trong trƣờng hợp lỗi, SCIG mà không có bất kỳ hệ thống bù công suất phản kháng và có thể dẫn đến tình trạng mất ổn định điện áp trên lƣới điện. Các roto tuabin gió có thể tăng tốc độ (độ trƣợt tăng), ví dụ, khi một lỗi xảy ra, tạo ra sự mất cân đối giữa các mô men xoắn cơ học và điện áp. Vì vậy, khi lỗi đƣợc xóa bỏ, SCIG rút ra một số lƣợng lớn công suất phản kháng từ lƣới điện, dẫn đến làm giảm điện áp hơn nữa. SCIG có thể đƣợc sử dụng trong hai cấu hình: cấu hình tuabin gió tốc độ cố định (loại A) và cấu tuabin gió tốc độ thay đổi với bộ chuyển đổi tần số đầy đủ (loại D). Trong trƣờng hợp thứ hai, bộ chuyển đổi tần số điện của động cơ đƣợc chuyển đổi sang tần số cố định bằng cách sử dụng một công cụ chuyển đổi năng lƣợng hai chiều đầy tải.
a.2.Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (Wound rotor induction generator - WRIG)
Trong trƣờng hợp WRIG, các đặc tính điện của roto có thể đƣợc điều khiển từ bên ngoài, và do đó điện áp roto có thể đƣợc đƣa vào. Các cuộn dây của dây quấn roto đƣợc kết nối với bên ngoài thông qua các vòng trƣợt và chổi than hoặc bằng thiết bị điện điện tử. Vì vậy WRIG có thể có hoặc không có yêu cầu các vòng trƣợt và chổi than. Bằng cách sử dụng thiết bị điện tử điện, năng lƣợng có thể đƣợc lấy ra hoặc đƣa vào dòng ngắn mạch roto và máy phát điện có thể đƣợc từ hóa từ dòng ngắn mạch roto hoặc dòng ngắn mạch stato. Điều đó cũng có thể xảy ra nhờ phục hồi năng lƣợng trƣợt từ dòng ngắn mạch roto và nạp vào từ đầu ra của stator. Những bất lợi của WRIG là nó đắt tiền hơn và không mạnh mẽ nhƣ SCIG. Các ngành công nghiệp tuabin gió sử dụng phổ biến nhất là các cấu hình WRIG sau đây:
* Máy phát điện cảm ứng OptiSlip
Các tính năng OptiSlip đã đƣợc giới thiệu bởi các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas để giảm thiểu tải trên các tuabin gió trong những cơn gió giật. Các tính năng OptiSlip cho phép máy phát điện có sự thay đổi độ trƣợt (phạm vi hẹp) và lựa chọn độ trƣợt tối ƣu, kết quả là tạo ra những biến động nhỏ hơn trong kiểm soát mô men xoắn và công suất đầu ra. Sự thay đổi độ trƣợt này là rất đơn giản, đáng tin cậy và giảm chi phí để đạt đƣợc giảm tải so với các giải pháp phức tạp hơn nhƣ tuabin gió có tốc độ thay đổi bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tỉ lệ đầy đủ.
OSIG là WRIG với một sự thay đổi điện trở ngoài roto gắn liền với cuộn dây roto . Độ trƣợt của máy phát điện đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi tổng trở roto thông qua một công cụ chuyển đổi đƣợc gắn trên trục cánh quạt. Bộ chuyển đổi này là bộ điều khiển quang học, điều đó có nghĩa rằng không cần thiết có vòng trƣợt. Stato của máy phát điện đƣợc kết nối trực tiếp vào lƣới điện. Những lợi thế của loại máy phát điện này là cấu trúc liên kết mạch điện đơn giản, không cần các vòng trƣợt và phạm vi tốc độ hoạt động đƣợc cải thiện so với các SCIG. Ngoài ra, loại này có thể làm giảm tải trọng cơ học và dao động năng lƣợng gây ra bởi các cơn gió giật. Tuy nhiên, nó vẫn đòi hỏi một hệ thống bù công suất phản kháng. Những khó khăn là: (1) phạm vi tốc độ thƣờng đƣợc giới hạn 0 - 10%, vì nó phụ thuộc vào biên độ thay đổi điện trở roto (2) chỉ điều khiển công suất phản kháng và tác dụng là rất nhỏ, và (3) độ trƣợt mất đi khi điện trở giảm.
*Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (Doubly-fed induction generator-DFIG) Nhƣ mô tả trong hình 2.10, loại DFIG là một lựa chọn hấp dẫn với sự phát triển của thị trƣờng. Các DFIG bao gồm một WRIG với cuộn dây stato kết nối trực tiếp với lƣới ba pha tần số không đổi và với các cuộn dây roto gắn kết hai chiều qua công cụ chuyển đổi nguồn điện áp IGBT.
Thuật ngữ “doubly fed” đề cập đến thực tế rằng điện áp trên stato đƣợc nhận từ lƣới điện và điện áp trên roto tạo ra bởi bộ chuyển đổi điện (power converter). Hệ thống này cho phép tốc độ hoạt động thay đổi trên một phạm vi lớn, nhƣng hạn chế biên độ. Bộ chuyển đổi bù đắp sự khác biệt giữa tần số cơ khí và điện bằng cách
đƣa một dòng roto với một tần số biến đổi. Trong cả chế độ làm việc bình thƣờng và khi có sự cố hoạt động của máy phát điện vẫn không thay đổi, đƣợc chi phối bởi các công cụ chuyển đổi năng lƣợng và bộ điều khiển.
Bộ chuyển đổi năng lƣợng bao gồm hai bộ chuyển đổi, chuyển đổi phía roto và chuyển đổi phía lƣới điện, và đƣợc điều khiển độc lập với nhau. Điều này vƣợt ra ngoài phạm vi của chƣơng này vì đi vào chi tiết liên quan đến sự kiểm soát của các bộ chuyển đổi. Ý tƣởng chính của bộ chuyển đổi phía roto là điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng bằng cách điều khiển các thành phần dòng điện roto, trong khi bộ chuyển đối phía đƣờng dây điều khiển điện áp DC và đảm bảo bộ chuyển đổi họat động không tiêu thụ công suất phản kháng.
Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động của bộ truyền động, điện đƣợc đƣa vào hoặc lấy ra khỏi roto : trong trƣờng hợp siêu đồng bộ (oversynchronous), dòng điện đi từ các rotor thông qua bộ chuyển đổi tới lƣới điện. Và dòng điện sẽ chảy theo hƣớng ngƣợc lại trong trƣờng hợp cộng hƣởng dƣới đồng bộ (subsynchronous). Trong cả hai trƣờng hợp dƣới đồng bộ và siêu stato đƣa điện vào lƣới điện.
DFIG có một số lợi thế. Nó có khả năng kiểm soát công suất phản kháng và tách riêng công suất phản kháng và điều khiển công suất bằng bộ kích từ độc lập. DFIG không nhất thiết phải đƣợc từ hóa từ (magnetised) lƣới điện, nó có thể đƣợc từ hóa từ dòng ngắn mạch roto. Nó cũng có khả năng tạo ra công suất phản kháng có thể đƣợc cấp từ các stato bằng bộ chuyển đổi phía lƣới. Tuy nhiên, bộ chuyển đổi phía lƣới thƣờng hoạt động bằng điện áp riêng và không tham gia vào việc trao đổi công suất phản kháng giữa các tuabin và lƣới điện. Trong trƣờng hợp của một mạng lƣới yếu (không ổn định), nơi mà các điện áp có thể dao động, DFIG có thể đƣợc điều khiển để sản xuất hay hấp thụ một lƣợng công suất phản kháng lên hoặc xuống từ lƣới điện với mục đích ổn định điện áp.
kinh tế của chi phí đầu tƣ và hiệu quả tăng lên. Một nhƣợc điểm của DFIG là cần có vòng trƣợt (slip rings).
b/ Các máy phát điện đồng bộ (The synchronous generator)
Các máy phát điện đồng bộ đắt tiền và máy móc phức tạp hơn so với một máy phát điện cảm ứng có kích thƣớc tƣơng tự. Tuy nhiên, các mày phát điện này lại có một lợi thế rõ ràng so với các máy phát điện cảm ứng. Đó là chúng không cần dòng từ hóa phản kháng (reactive magnetising curent).
Từ trƣờng trong các máy phát điện đồng bộ có thể đƣợc tạo ra bằng cách sử dụng nam châm hoặc với một cuộn dây thông thƣờng. Nếu máy phát điện đồng bộ phù hợp với số lƣợng cực (nhiều cuộn WRSG hoặc nhiều cuộn PMSG), nó có thể sử dụng ổ đĩa trực tiếp mà không cần bất kỳ hộp số nào (gearbox).
Máy phát đồng bộ có thể là phù hợp nhất để điều khiển tổng điện áp cũng nhƣ kết nối với lƣới điện thông qua một công cụ chuyển đổi năng lƣợng điện tử. Bộ chuyển đổi có hai mục tiêu chính: (1) hoạt động nhƣ một bộ đệm năng lƣợng cho các dao động năng lƣợng gây ra bởi hiện tƣợng gió giật và cho cácsự cố ngắn mạch (transients) đến từ phía lƣới, và (2) để kiểm soát từ tính và tránh các vấn đề còn lại đồng bộ với tần số lƣới. Sử dụng một máy phát điện nhƣ vậy cho phép tuabin gió hoạt động với tốc độ thay đổi.
Hai loại cổ điển của máy phát điện đồng bộ thƣờng đƣợc sử dụng trong công nghiệp tuabin gió: (1) máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) và (2) máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
b.1/Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (Wound rotor synchronous generator-WRSG )
WRSG là đầu tàu của ngành công nghiệp năng lƣợng điện. Cả hiệu suất trạng thái ổn định và lỗi cũng đã đƣợc ghi nhận trong nhiều nghiên cứu những năm qua.
Các cuộn dây stato WRSG kết nối trực tiếp vào lƣới điện và do đó tốc độ quay là cố định theo tần số của lƣới điện cung cấp. Các cuộn dây roto đƣợc kích từ bằng dòng điện thông qua sử dụng các vòng trƣợt và chổi than hoặc với một kích từ không chổi than với một bộ chỉnh lƣu quay (rotating rectifier). Không giống nhƣ
các máy phát điện cảm ứng, máy phát điện đồng bộ không cần thêm bất kỳ hệ thống bù công suất phản kháng nào. Dòng điện chạy qua các cuộn dây roto sẽ trực tiếp tạo ra các từ trƣờng kích từ, quay với tốc độ đồng bộ. Tốc độ của máy phát điện đồng bộ đƣợc xác định bởi tần số của các trƣờng quay và số cặp cực của roto.
Các nhà sản xuất tuabin gió Enercon và Lagerwey sử dụng loại tuabin gióloại D (xem hình 2.11) với một WRSG nhiều cực (tốc độ thấp) và không hộp số. Nó có lợi thế là không cần một hộp số. Nhƣng giá phải trả cho một thiết kế không hộp số là một máy phát điện lớn, nặng và cần một bộ chuyển đổi điện áp đầy đủ tỷ lệ (full scale) để xử lý điện áp đầy (full power) của hệ thống. Các nhà sản xuất tuabin gió Made cũng áp dụng các tuabin gió loại D, nhƣng với bốn cực (tốc độ cao) WRSG và một hộp số .
*Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous generator - PMSG)
Nhiều bài báo nghiên cứu đã đề nghị áp dụng PMSG trong tuabin gió bởi vì đặc tính tự kích từ của nó, cho phép hoạt động ở công suất cao và hiệu quả cao.
Máy điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (PM) có hiệu quả cao hơn máy điện cảm ứng và có lợi thế kích từ không cần đƣợc cung cấp từ bất kỳ nguồn năng lƣợng nào. Tuy nhiên, các vật liệu đƣợc sử dụng để sản xuất nam châm vĩnh cửu lại đắt và khó sản xuất. Ngoài ra, việc sử dụng bộ kích từ PM đòi hỏi phải sử dụng một bộ chuyển đổi năng lƣợng đầy đủ tỷ lệ (full-scale) để điều chỉnh điện áp và tần số điện áp của máy phát điện và tần số truyền tƣơng ứng. Điều này làm chi phí gia tăng. Tuy nhiên, lợi ích mang lại là năng lƣợng có thể đƣợc tạo ra ở bất kỳ tốc độ nào để phù hợp với điều kiện dòng. Stato của PMSG là dây quấn, rotor đƣợc cung cấp với một hệ thống cực nam châm vĩnh cửu, có thể là cực lồi (salient poles) hoặc có thể là cực ẩn (cylindrical poles). Cực lồi phổ biến hơn trong máy tốc độ chậm và có thể là phiên bản tốt nhất để ứng dụng cho máy phát điện gió. Loại máy phát đồng bộ tốc
Các hoạt động đồng bộ cũng gây ra một đƣờng đặc tính không trơn trong trƣờng hợp ngắn mạch bên ngoài, và nếu tốc độ gió không ổn định. Một bất lợi của PMSG là vật liệu từ tính nhạy cảm với nhiệt độ, chẳng hạn các nam châm có thể bị mất tính chất từ của ở nhiệt độ cao. Do đó, nhiệt độ rotor của PMSG phải đƣợc giám sát và một hệ thống làm mát đƣợc đề xuất. Các ví dụ về nhà sản xuất điện gió sử dụng loại cấu hình D với PMSG là Lagerwey, WinWind và Multibrid.
c.Các loại máy phát điện khác
c.1/Máy phát điện cao áp ( Highvoltage generator-HVG )
Thông thƣờng nhất, máy phát điện tuabin gió hoạt động tại 690V và do đó nó đòi hỏi một biến áp trong vỏ bọc động cơ hoặc ở dƣới cùng của tháp. Chính động