Giáo sư người Đan mạch Poulla Cour là tác giả đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu phát điện từ năng lượng gió. Những năm đầu thế kỷ XX, Đan mạch đã có hệ thống phong điện công suất nhỏ, phát điện áp một chiều ứng dụng trong thực tế. Năm 1931, tác giả người Liên Xô Balaclave là người đầu tiên trên thế giới chế tạo hệ thống phát điện gió công suất 100 kW. Năm 1957, Đan Mạch chế tạo thành công tổ máy phát điện gió dùng máy phát không đồng bộ, công suất định mức 200 kW. Năm 1983, công ty Boeing của Mỹ đã đưa ra sản phẩm tổ máy phát điện gió MOD-5b có công suất định mức 3200 kW. Từ năm 1990 đến nay thì đã có rất nhiều sản phẩm của nhiều công ty trên thế giới đưa ra thị trường tổ máy phát điện gió có công suất lên đến hàng MW. Nhìn chung, những năm gần đây việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió để phát điện diễn ra rất nhộn nhịp và sôi động và trong tương lai chắc chắn vẫn còn được tiếp tục nghiên cứu.
Thông thường có 3 loại máy phát có thể được xem xét cho hệ thống turbine gió khác nhau, đó là máy phát điện một chiều DC, máy phát điện đồng bộ xoay chiều (SG) và máy phát không đồng bộ xoay chiều (IG).
Việc sử dụng máy phát DC trong các hệ thống năng lượng gió không phổ biến, chủ yếu là do yêu cầu bảo trì cao của chổi than cũng như phải đầu tư bộ chuyển mạch và biến tần quy mô để kết nối với lưới điện xoay chiều. Trong các máy DC, phần cảm là stator và phần ứng là rotor. Stator bao gồm một số cực được kích thích bởi nam châm vĩnh cửu hoặc bởi các cuộn dây kích từ.Thông thường máy phát DC được sử dụng cho hệ thống năng lượng gió không nối lưới, trong các ứng dụng gia nhiệt hoặc dùng cho bộ sạc.
Hình 2.12: Máy phát điện DC
2.2.2 Máy phát điện không đồng bộ xoay chiều
Trong hệ thống máy phát điện dùng năng lượng gió, thường gặp loại máy không đồng bộ gồm hai loại chính là máy phát điện tốc độ cố định đôi khi được gọi là máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc và máy phát điện không đồng bộ nguồn kép . Đối với FSIG, stator được nối với lưới điện thông qua một máy biến áp và rotor được nối với turbine gió qua hộp số. Nhược điểm chính của hệ thống là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió.Tốc độ rotor được coi là cố định, trên thực tế có thể thay đổi trong phạm vi hẹp. Máy phát điện cảm ứng tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện dẫn đến hệ số công suất thấp và gây ra tổn thất trên lưới điện, nên cần phải có các biện pháp bù tốn kém.
Hình 2.13: Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
DFIG là máy phát điện mà cả stator hay rotor đều có thể phát công suất, công suất truyền đến lưới là tổng công suất của stator và rotor. Ưu điểm chính của DFIG là vận hành được ở nhiều cấp tốc độ khác nhau từ đó tối ưu được công suất thu được từ gió, sử dụng bộ biến đổi công suất thấp thường chỉ bằng cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, từ đó tiết kiệm được chi phí đầu tư. Nhưng hạn chế thường gặp của DFIG là các vấn đề liên quan đến hộp số.
2.2.3 Máy phát điện đồng bộ xoay chiều
Việc vận hành của SG cùng với bộ chuyển đổi công suất mang lại rất nhiều lợi ích, ví dụ như có thể điều chỉnh điện áp thông qua bộ chuyển đổi lưới (grid side converter). Một ưu điểm nữa là các nhiễu động của lưới điện và turbine gió được cô lập với nhau nên SG không có nguy cơ mất đồng bộ. Hơn nữa, nhờ có bộ chuyển đổi công suất mà không cần sử dụng thiết bị khởi động và hòa đồng bộ (power electronic converter). Ưu điểm duy nhất của IG so với SG là chỉ cần bộ chuyển đổi có công suất nhỏ hơn công suất của hệ thống phát điện, tuy nhiên gần đây giá thành của các linh kiện điện tử ngày càng giảm, nên hệ thống phát điện gió sử dụng SG ngày càng chiếm ưu thế.
Máy phát điện WRSG có ưu điểm chính so với máy phát điện PMSG là nó có thể tạo ra công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp. Vì vậy nó có thể kiểm soát hệ số công suất theo tải. Tuy nhiên WRSG đã không còn phổ biến trong sản xuất turbine gió do việc truyền động giữa turbine gió và máy phát phải thông qua hộp số, có nhược điểm là gây ra sự tổn hao và mài mòn cơ khí trong hộp bánh răng, kích thước toàn hệ thống lớn, giá thành cao, hiệu suất thấp, tạo ra tiếng ồn lớn khi hệ thống làm việc. Ngoài ra máy phát rotor dây quấn còn có hệ thống vành trượt chổi than làm cho tính tin cậy kém, khối lượng bảo trì lớn.
Hình 2.14: Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn
Vì vậy sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu truyền động trực tiếp chính là biện pháp hữu hiệu để khắc phục các nhược điểm trên. Loại máy phát này dùng kiểu kích từ vĩnh cửu nên loại bỏ được tổn hao kích từ, nâng cao hiệu suất, không sử dụng vành trượt và chổi than nên đảm bảo tính tin cậy của hệ thống, giảm thiểu chi phí bảo trì. Khi vận hành máy không cần hấp thụ công suất phản kháng từ lưới để tạo ra từ trường nên có thể cải hiện hệ số công suất lưới điện. Hơn thế nữa việc lựa chọn phương thức truyền động trực tiếp từ turbine gió đến máy phát sẽ loại bỏ được hộp số nâng cao hiệu suất và tính tin cậy của máy, giảm bớt khâu bảo dưỡng thiết bị, giảm được sự ô nhiễm tiếng ồn của hệ thống phát điện dùng năng lượng gió gây ra.
2.3 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
2.3.1 Máy phát điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ của rotor bằng với tốc độ của từ trường quay. Dây quấn stator được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rotor được kích từ bằng dòng điện một chiều. Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi.
Máy điện đồng bộ thường được dùng làm máy phát trong hệ thống điện với cơ năng được cung cấp bằng một động cơ sơ cấp (các loại turbine, động cơ kéo...). Công suất của máy phát có thể lên đến 1000 MVA hay lớn hơn, và các máy phát thường làm việc song song với nhau trong hệ thống.
đồng bộ (động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải), dùng để cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp cho lưới điện.
Cấu tạo phần tĩnh:
- Nếu phần cảm nằm ở stator thì lá thép có dạng như ở hình 2.15, cuộn dây kích từ được quấn quanh cực từ.
- Nếu stator đóng vai trò làm phần ứng thì mạch từ gồm các lá thép điện kỹ thuật ghép lại với nhau, phía trong có đặt các rãnh để đặt cuộn dây
Hình 2.15: Lõi thép phần cảm ở stator - Nếu rotor là phần cảm thì chia làm hai loại:
+ Rotor cực ẩn: lõi thép là một khối thép rèn hình trụ, mặt ngoài phay thành các rãnh để đặt cuộn dây kích từ. Cực từ rotor của máy cực ẩn không lộ ra rõ rệt. Cuộn dây kích từ đặt đều trên 2/3 chu vi rotor. Với cấu tạo như trên, rotor cực ẩn có độ bền cơ học rất cao, dây quấn kích từ rất vững chắc do đó các loại máy đồng bộ có tốc độ từ 1500 v/ph trở lên đều được chế tạo với rotor cực ẩn, mặc dù chế tạo phức tạp và khó khăn hơn rotor cực lồi.
+ Rotor cực lồi: lõi thép gồm những lá thép điện kỹ thuật ghép với nhau, các cực từ hiện ra rõ rệt. Phía ngoài cực từ là mỏm cực, có tác dụng làm cho cường độ từ cảm phân bổ dọc theo stator rất giống hình sin. Dây quấn kích thích quấn trên các cực từ hai đầu cuộn dây nối với hai vành trượt qua 2 chổi than tới nguồn điện một chiều bên ngoài.
Hình 2.17: Rotor cực từ lồi Nguyên lý hoạt động:
Đưa nguồn một chiều vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rotor, từ trường đó sẽ cắt dây quấn phần ứng stator và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin có trị hiệu dụng là:
E0= 4,44f.w1 .kdq.ϕ0 (2.1) Trong đó E0, w1, kdq, ϕ0 lần lượt là sức điện động pha, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn, từ thông cực từ rotor.
Nếu rotor có p đôi cực, khi rotor quay được một vòng, sức điện động phần ứng sẽ biến thiên theo chu kỳ. Do đó tần số f của sức điện động các pha lệch nhau 120o
Stato r
Lõi thép rotor
2.3.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Ở máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu các nam châm được gắn chặt trên lõi thép rotor. Không gian giữa các nam châm được lấp đầy bằng các lá thép hình đặc biệt, các bộ phận đó tạo ra một dòng điện đóng cho từ trường. Nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng rộng rãi để thay thế các cuộn kích từ trong các máy đồng bộ, với những ưu điểm là thiết kế rotor không cần cuộn dây kích thích, vành trượt và bộ kích từ máy phát có thể giúp tránh gây nhiệt trong các cánh quạt và giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Hình 2.18: Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
PMSG được chia thành các cấu trúc liên kết khác nhau tùy thuộc vào sự sắp xếp nam châm trên rotor. Cấu trúc thường thấy của PMSG là các nam châm được gắn trên bề mặt của rotor, được gọi là Surface Mounted Permanent Magnet. Các nam châm được dán lên bề mặt rotor để chịu được lực ly tâm. Ngoài ra còn có cấu trúc nam châm được đặt bên trong rotor và do đó nó được gọi là máy nam châm nội bộ Interior Permanent Magnet. Các nam châm được bố trí theo hướng xuyên tâm cũng như hướng theo đường vòng. Chiều dày của cầu sắt giữa các nam châm phải được thiết kế cẩn thận để tránh bão hòa. Ưu điểm chính của quá trình này là các vật liệu từ tính yếu như ferrite có thể được sử dụng. Một ưu điểm nữa là bảo vệ từ tính
ngược ngược lại để tiếp cận nam châm. Cấu trúc này được đề xuất cho các ứng dụng tốc độ cao do sức mạnh cơ học của rotor chống lại lực ly tâm.
CHƯƠNG III
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TURBINE GIÓ VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỮU
3.1 Turbine gió
Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng gió, bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, như vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu, độ cao trên mặt đất và địa hình bề mặt. Các turbine gió tương tác với gió, hấp thụ một phần năng lượng động học của gió và biến nó thành năng lượng sử dụng được. Năng lượng động học trong không khí của một vật thể khối lượng m vận chuyển với tốc độ v bằng:
ke=12m.v2
(3.1) Trong đó: m là tốc độ dòng chảy trong một giây
Đối với một dòng chảy qua một khu vực ngang A tốc độ dòng chảy là:
m=ρ . A .v (3.2) Trong đó: m là mật độ không khí
Khi không khí đi qua khu vực A, năng lượng trong không khí có thể được ước tính là:
Pwind=12. ρ. A .v3
(3.3) Trong đó v là vận tốc gió (m/s)
Trong các trường hợp thực tế, turbine gió sẽ luôn có một hệ số công suất nhỏ hơn hệ số Betz. Công suất thu được từ gió cho mục đích mô phỏng được đưa ra bởi:
Trong đó
Pm là công suất cơ
λ là tỷ lệ tốc độ đầu cánh
β là góc lật cánh
Hệ số công suất không phải là một giá trị tĩnh, công thức cơ bản về hệ số công suất sử dụng cho mục đích mô phỏng có thể được định nghĩa như là một hàm của tỷ lệ tốc độ đầu cánh và góc lật cánh như sau:
Cp(λ ,β)=c1.(c2 λi−c3. β−c4).e −c5 λi +c6. λ (3.5) 1 λi=λ−0,081 β−0,035β3+1 (3.6) Trong đó các giá trị c1, c2, c3, c4, c5 và c6 tương ứng là 0.5176, 116, 0.4, 5, 21 và 0.0068.
Tỷ lệ tốc độ đầu cánh được thể hiện bằng công thức sau: λ=tốc độđầu cánh
tốc độgió = r .ωr
vWind (3.7) Trong đó: r là bán kính khu vực được bao phủ bởi các cánh quạt, ωr là tốc độ góc của rotor, vw là vận tốc gió
Moment cơ của turbine gió được biểu diễn bởi công thức (3.8): τw=Pm
ωr (3.8)
Trong đó: τw: là moment cơ sản sinh ra bởi turbine ωr: là tốc độ của rotor
Các máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống phát điện gió trực tiếp để chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
Một mô hình toán học của PMSG là điều kiện tiên quyết cho việc thiết kế các thuật toán điều khiển máy cũng như phân tích các đặc tính trạng thái ổn định và năng động của các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Trước khi phát triển mô hình toán học của PMSM, một số giả định quan trọng cần được thực hiện:
1. Các hiệu ứng giảm chấn trong nam châm và trong rotor là không đáng kể; 2. Các hiệu ứng bão hòa từ bị bỏ qua;
3. Các tổn thất dòng xoáy và trễ được bỏ qua
4. Lực điện động ngược (EMF) gây ra trong cuộn dây stato là hình sin 5. Các cuộn dây stato được phân bố sin theo hình sin dọc theo khoảng trống.
Khi máy phát điện được kết hợp trực tiếp với rotor tuabin gió, tần số góc của máy phát điện được bắt nguồn từ tốc độ rotor cơ học ωr và số cực của máy phát điện
np. fe=np 2 .fr=np 2 . ωr 2π (3.9)
Trong đó: fe và fr là tần số góc điện và rotor (Hz) của PMSG, và ωe là tần số góc điện của máy phát.
Hệ thống bao gồm một PMSG và một công cụ chuyển đổi năng lượng. Trong phân tích hệ thống điện, sự phân bố liên kết từ thông xung quanh khoảng trống của máy phát đồng bộ được giả thiết là hình sin. Do đó, sự phân bố liên kết thông lượng từ thông với cuộn dây stato là hình sin, và sau đó lực điện động cũng là hình sin. Trong thực tế, điện áp cảm ứng được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu được biểu diễn như sau:
Eg=2π feѱm=ωeѱm (3.10) Trong đó: ѱm :là độ liên kết thông lượng từ thông của cuộn dây stato.
Mối quan hệ trạng thái điện áp đầu cuối của PMSM với dòng pha và độ liên kết thông lượng từ thông pha do các PMs và dòng stato như sau:
Vas=RsIas+
dt λas
Vbs=RsIbs+dtd λbs (3.11)
Vas=RsIcs+dtd λcs
Trong đó:
-Vas, Vbs, Vcs là điện áp stator ba pha tức thời a, b và c -Ias, Ibs, Ics là các dòng stator ba pha tức thời a, b, c. -Rs là điện trở cuộn dây stator trên mỗi pha.
- λas, λbs, λcs là các liên kết thông lượng từ thông tức thời từ các dòng AC ba pha và các PMs
Để đơn giản hóa việc phân tích các mô hình máy móc đồng bộ, việc chuyển đổi dq0 của Park's là cần thiết và được giới thiệu lần đầu tiên bởi R. H. Park vào năm 1929 . Mô hình được tham chiếu sang hệ dq quay đồng bộ với rôto, trong đó trục d thẳng hàng với trục nam châm và trục q là trục giao với trục d, thường được sử dụng để phân tích bộ đồng bộ PM. Trong các hệ thống ba pha PMSMs, các đại lượng pha bao gồm điện áp stator, dòng stato và các liên kết thông lượng từ thông,