Ngày nay, các máy phát điện trong tổ hợp phát điện gió đƣợc phát triển rất phong phú, tùy theo công suất từ nhỏ đến lớn. Cấu trúc máy phát ngày càng hiện đại và đa dạng, song về nguyên lý máy phát chủ yếu theo hai dòng chính là máy phát xoay chiều đồng bộ và máy phát xoay chiều không đồng bộ.
Cũng nhƣ các nguồn điện sử dung năng lƣợng tái tạo khác, hoạt động của các máy phát điện turbine gió (WTG) phụ thuộc vào năng lƣợng sơ cấp đầu vào có bản chất là không ổn định. Đối với WTG, công suất tác dụng phát ra tỷ lệ với bình phƣơng tốc độ gió: 3 w Av 2 1 P Trong đó:
- PW là công suất gió (watt),
- là mật độ không khí (kg/m3 ) ở 150Cvà 1 atm, =1,225 kg/m3, - A là diện tích mặt cắt mà gió chạy qua (m2),
- v là tốc độ gió chuyển qua A (m/s) (1 m/s = 2,237 mph).
Trên hình 2.10 [10] , biểu diễn đồ thị đặc tính làm việc của một loại máy phát điện turbine gió. Đây là cơ sở cho nghiên cứu điều khiển công suất tác dụng P(KW) phát ra của DFIG phụ thuộc vào tốc độ gió nhận đƣợc từ đầu vào turbine.
Trong khi đó, các máy phát điện đồng bộ lại đòi hỏi tốc độ rotor là không đổi. Điều này vƣợt quá khả năng của các bộ đổi tốc cơ khí (Gearbox). Một thay đổi căn bản về công nghệ cho WTG là áp dụng các bộ biến đổi điện tử (back-to-back power converter) thay vì các hộp số cơ khí. Với hệ điều khiển hiện đại nhƣ ngày nay, các WTG có thể sử dụng máy phát không đồng bộ luôn có đƣợc điện áp và tần số ổn định (gần nhƣ cố định) trong khi tốc độ gió cũng nhƣ tốc độ quay của rotor thay đổi liên tục trong một phạm vi lớn nhƣ chỉ ra trên hình 2.10.
Đối với WTG công suất nhỏ (Pđm <1MW), bộ biến đổi điện tử thƣờng đƣợc bố trí nối tiếp giữa mạch điện Stator của máy phát với đƣờng dây nối lƣới, nhƣ chỉ ra trên hình 2.11. Trong trƣờng hợp này, bộ biến đổi đóng vai trò nhƣ một biến tần AC/DC/AC truyền đạt toàn bộ công suất của WTG,
Hình 2. 11 Mô hình WTG có bộ biến đổi nối tiếp
Đối với WTG công suất vừa và lớn (Pđm >1MW), bộ biến đổi điện tử thƣờng đƣợc bố trí giữa mạch điện rotor của máy phát với điểm nối chung của mạch stator với đƣờng dây nối lƣới, nhƣ chỉ ra trên hình 2.12. Trong trƣờng hợp này, bộ biến đổi điện tử đóng vai trò chính là điều khiển kích từ, ngoài ra có thêm chức năng phát công suất mạch rotor trong trế độ trên đồng bộ. WTG loại này còn có tên gọi là máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG (doubly-fed induction generator ). Tất nhiên, các ƣu điểm của DFIG càng đƣợc phát huy trong các ứng dụng đối với WTG công suất nhỏ.
Hình 2. 12 Mô hình WTG có bộ biến đổi song song - DFIG
Ngày nay, các hệ thống WTG hiện đại chủ yếu sử dụng ác máy phát DFIG. Bên cạnh khả năng làm việc với dải biến thiên tốc độ xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ƣu điểm quan trọng của các DFIG là có thêm các bộ biến đổi có khả năng làm việc đến khoảng 30% công suất tổng của máy phát, nghĩa là kết cấu phần stator máy phát đã đƣợc giảm nhẹ hơn do một phần công suất đƣợc sinh ra từ cuộn dây rotor đồng thời vừa làm nhiệm vụ kích từ vừa phát công suất về phía lƣới thông qua mạch bộ biến đổi. Chính vì vậy, trong DFIG hệ thống điều khiển ngày càng tiến bộ. Mô hình DFIG trên hình 2.12 có thể đƣợc mô tả rõ hớn về phân bố công suất trong mạch stator và mạch rotỏ nhƣ trên hình 2.13 Wind AC/DC C DFIG Grid
Một chiều năng lượng
Convertor 2 DC/AC Convertor 1 Tốc độ trên đồng bộ Tốc độ dưới đồng bộ Udc Hình 2. 13 Phân bố công suất trong DFIG
DFIG hoàn toàn thích hợp với dải công suất nhỏ từ vài chục kW đến lớn hàng MW và rất lớn đến trên 10 MW, nhằm thích nghi cho các điều kiện áp dụng khác nhau, hình 2.14
Hình 2. 14 DFIG đƣợc chế tạo và áp dụng trong các điều kiện khác nhau Ngày nay, WTG công nghệ mới ra đời có hiệu xuất rất cao, gấp từ 2 đến 6 lần so với turbine thông thƣờng, nhƣng chủ yếu chế tạo với công suất nhỏ dƣới 1MW và đƣợc ứng dụng rất hiệu quả làm các nguồn phân tán trong lƣới điện phân phối. DFIG công suất nhỏ có ƣu điểm nổi bật trong việc tham gia điều hòa công suất phản kháng rất hiệu quả trong lƣới phân phối. Tƣơng đƣơng với nguồn điện pin mặt trời, nguồn phát điện sức gió đƣợc phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới. Theo trang mạng Worldwatch Institute, chuyên nghiên cứu các dữ liệu về môi trƣờng và năng lƣợng, thì trong năm 2011, thế giới đã xây mới các cơ sở sản xuất điện từ năng lƣợng gió nhiều hơn 21% so với năm 2010. Riêng Trung Quốc, trong năm 2011 đã xây mới thêm 41% cơ sở sản xuất điện từ năng lƣợng gió so với năm 2010, con số này tại Mỹ là 17%, Ấn Độ là 7% và Đức là 5%
Điều đặc biệt của DFIG là có thể phát công suất từ phía mạch stator hoặc mạch rotor tùy thuộc vào tốc độ gió và phƣơng thức điều khiển. (khi tốc độ gió lớn làm rotor quay trên tốc độ đồng bộ xác định bởi số đôi cực máy phát, còn khi tốc độ dƣới đồng bộ máy phát chỉ phát công suất từ phía mạch stator nhƣ một máy phát không đồng bộ thông thƣờng). Điều đặc biệt nữa là DFIG luôn tránh làm việc ở chế độ đồng bộ, bởi khi đó dòng kích từ sẽ biến thành dòng một chiều không cân bằng giữa các pha trong mạch rotor. Ở tốc độ trên đồng bộ, dòng kích từ xoay chiều hình thành do đƣợc cảm ứng từ phía stator, ngƣợc lại ở tốc độ dƣới đồng bộ dòng kích từ xoay chiều nhận đƣợc từ phía lƣới qua tổ hợp các bộ biến đổi Converter1 – DC – Converter2, hình 2.10 [11].
Để tần số điện áp đầu cực máy phát luôn cố định là 50 Hz (hoặc 60Hz) một nguyên lý phải đƣợc tôn trọng của DFIG là tần số dòng kích từ xếp chồng với tần số góc của vận tốc rotor là một hằng số để đảm bảo từ trƣờng quét qua các cuộn dây 3 pha stator có tốc độ là hằng. Tuy nhiên mục tiêu quan tâm chính của đề tài đối với DFIG là khai thác tính năng bù công suất nhằm nâng cao chất lƣợng lƣới điện phân
phối. Vấn đề này thì cả máy phát đồng bộ thông thƣờng và DFIG đều có một nguyên tắc chung, đó là:
-Khi năng lƣợng sơ cấp (tốc độ gió) đủ lớn, trên mức trung bình thì máy phát sẽ đƣợc điều chỉnh phát cả 2 thành phần công suất P(KW) và Q(KVAr) theo tỷ lệ thích hợp, phụ thuộc trạng thái lƣới nhằm đáp ứng mục tiêu chính là phát CSTD nhƣng đồng thời phải ổn định điện áp lƣới.
-Khi năng lƣợng sơ cấp (tốc độ gió) quá nhỏ so với mức trung bình thì máy phát đƣợc sử dụng cho mục đích là thu hoặc phát công suất phản kháng nhƣ một máy phát đồng bộ. Phần năng lƣợng sơ cấp ít nhiều cũng đƣợc chuyển thành CSTD góp phần khắc phục các ma sát và mô men cản của hệ thống.
Trên hình 2.10, có hai bộ biến đổi converter 1 và converter 2 nối tựa lƣng vào nhau thông qua khâu DC link trung gian là một tụ điện C theo kiểu back to back. Thông thƣờng điện áp trên tụ Udc có giá trị cao hơn biên độ đỉnh của điện áp lƣới và đƣợc tạo ra bởi converter1 bằng chế độ chỉnh lƣu tích cực và luôn đảm bảo duy trì là một giá trị không đổi. Điều này quyết định các chế độ làm việc của các converter phụ thuộc tốc độ rotor hay cũng là phụ thuộc tốc độ gió, đồng thời Udc có giá trị cao sẽ đảm bảo cho chế độ Inverter tạo ra đƣợc điện áp sin hoàn hảo hơn. Sau đây các mô phỏng trên phần mềm Matblab sẽ làm rõ thêm các tính năng và chế độ hoạt động của các converter trong DFIG.
Những đặc điểm của DFIG trên đây có thể đƣợc chỉ ra thông qua mô phỏng một DFIG cụ thể bằng phần mềm Matlap Simulink nhƣ sau:
Hình 2. 15 Cấu trúc mô phỏng bằng Matlab Simulink của một DFIG Trong đó, các WTG đƣợc tổ hợp dạng WTG – Farmer, bao gồm:
- Số lƣợng WTG và kiểu loại DFIG - Công suất và điện áp: 1,5 MW ; 0,4 kV - Máy biến áp: 2MVA – 0,4/22 kV
- Giả thiết có một kịch bản (*) thay đổi tốc độ gió nhƣ sau:
Thời gian (s) 0 1 3 5 7
Tốc độ gió (m/s) 8 4 4 14 14
Kết quả mô phỏng:
Trong thực tế vận hành, tốc độ gió không ổn định, có thể thay đổi trong phạm vi rộng nên tốc độ rotor và công suất của DFIG cũng thay đổi theo. Từ cấu trúc mô phỏng trên đây cho phép thấy đƣợc hoạt động tích cực của các bộ biến đổi PWM converter1 và converter2 trong các chế độ khác nhau.
1- Tốc độ rotor, các thông số chính trên mạch stator, và tụ DC:
Tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió: tại thời điểm đồng bộ (t = 2.5s, n = 1pu) tốc độ giảm từ trên đồng bộ xuống dƣới đồng bộ và đến khi t = 7,s thì tốc độ lại tăng qua điểm
Kết quả mô phỏng các thông số hành vi của DFIG khi tốc độ gió thay đổi trong khoảng thời gian (0 ÷ 14) s thu đƣợc trên hình 2.16 và hình ảnh phóng to trong khoảng thời gian (0,47 ÷ 0,79)s.
Hình 2. 17 Hình ảnh phóng to trong khoảng thời gian (0,47 ÷ 0,79)s.
2- Tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió:
Tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió: tại thời điểm đồng bộ (t = 2.5s, n = 1pu) tốc độ giảm từ trên đồng bộ xuống dƣới đồng bộ và đến khi t = 7,s thì tốc độ lại tăng qua điểm đồng bộ lên trên trên đồng bộ. Kết quả mô phỏng thu đƣợc trên hình 2.16.
Hình 2. 18 Kết quả mô phỏng tốc độ rotor
3- Điện áp một chiều Udc không thay đổi:
Udc đƣợc tạo ra bởi Converter1 và luôn đƣợc đảm bảo duy trì không đổi tại giá trị đặt Udc = 1200V. Kết quả mô phỏng thu đƣợc trên hình 2.17
Hình 2. 19 Kết quả mô điện áp một chiều trung gian Udc
4- Dòng điện mạch rotor
Theo nguyên lý của máy phát điện xoay chiều nói chung và DFIG nói riêng, ở chế độ đồng bộ dòng kích từ trong rotor là dòng một chiều còn ở các chế độ không đồng bộ (trên hoặc dƣới đồng bộ) thì dòng kích là từ xoay chiều hình sin có tần số tƣơng ứng với từ trƣờng quay nó tạo ra xếp chồng với tốc độ quay của rotor là một giá trị không đổi, đảm bảo cho cuộn dây stator luôn nhận đƣợc một từ trƣờng quay nhƣ chế độ đồng bộ và sản sinh ra sức điện động có tần số định mức 50Hz (60Hz). Kết quả mô phỏng thu đƣợc trên hình 2.18.
Hình 2. 20 Mô phỏng dòng điện pha pha Iabc converter2 – rotor
Tại các thời điểm đồng bộ t = 2,5s và t = 7,2s dòng điện rotor (Iabc converter2 – rotor) xuy biến từ dạng xoay chiều hình sin thành dạng một chiều. Chú ý rằng, chiều công suất trong mạch rotor đƣợc thay đổi theo nguyên tắc thay đổi thứ tự pha abc, điều này đƣợc nhận biết trên đồ thị mô phỏng thông qua màu đặc trƣng của từng pha thay đổi thứ tự khi qua điểm đồng bộ.
Hình 2. 21 Mô phỏng dòng rotor qua điểm đồng bộ t = 2.5s
Hình 2. 22 Mô phỏng dòng rotor qua điểm đồng bộ t = 7,2s
Trong thời gian dƣới đồng bộ, công suất trên mạch kích từ rotor đƣợc nhận từ phía stator (lƣới) qua các bộ biến đổi theo chiều thuận (Converter1 - Udc – Converter2 – Roto). Ngƣợc lại, trong thời gian trên đồng bộ, công suất trên mạch rotor đƣợc phát về phía lƣới theo chiều ngƣợc (Rotor - Converter2 - Udc – Converter1).
Chú ý rằng: chiều công suất trong mạch rotor đƣợc thay đổi theo nguyên tắc thay đổi thứ tự pha abc, điều này đƣợc nhận biết trên đồ thị mô phỏng thông qua màu đặc trƣng của từng pha thay đổi thứ tự khi qua điểm đồng bộ từ hai hình trên.
5- Dòng điện mạch converter1– stator
Tại các thời điểm đồng bộ, dòng điện stator (Iabc) đổi chiều công suất. Do điện áp stator là không thể thay đổi tại điểm kết nối chung với lƣới nên phƣơng thức đổi chiều công suất trong trƣờng hợp này đƣợc converte, thứ tự pha abc giữ nguyên. Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 2.21.
Hình 2. 23 Mô phỏng dòng điện Converter1
Hình 2. 24 Converter1 đổi chiều dòng điện tại t = 2.5s
Hình 2. 25 Converter1 đổi chiều dòng điện tại t = 7,2s
6- Điện áp điều chế từ converter1 và converter2
Các bộ biến đổi converter1 và converter 2 đều có điểm chung là bộ biến đổi hai chiều (AC - DC – AC) làm việc theo nguyên lý PWM. Tuy nhiên, về chức năng là khác nhau nên cũng có những điểm riêng biệt. Cụ thể nghiên cứu trên sơ đồ mô phỏng thu đƣợc các kết quả sau:
-Điện áp phía chỉnh lƣu Udc không thay đổi trong mọi chế độ có tốc độ gió khác nhau.
-Điện áp phía nghịch lƣu có tần số không đổi (50/60)Hz, trong khi giá trị biên độ thay đổi theo năng lƣợng đầu vào (tốc độ rotor). Tuy nhiên, nếu chỉ điều khiển thay đổi biên độ điện áp thì công suất phát ra chủ yếu mang thành phần công suất phản kháng KVAr, còn muốn phát công suất tác dụng KW thì bộ điều khiển phải có khả năng dịch pha vƣợt trƣớc góc pha của điện áp lƣới tại điểm kết nối.
-Trên hình 2.24 và hình 2.25 mô tả điện áp nghịch lƣu đƣợc điều chế kiểu dạng sung SVPWM của pha a, khi DFIG làm việc ở tốc độ gió 14m/s, và 8m/s.
Hình 2. 26 Mô tả điện áp một pha nghịch lƣu trên converter1 đƣợc điều chế kiểu dạng sung SVPWM tại tốc độ gió 14m/s
Hình 2. 27 Mô tả điện áp một pha nghịch lƣu trên converter1 đƣợc điều chế kiểu dạng sung SVPWM tại tốc độ gió 8m/s
Đối với converter2:
Converter2 có nhiêm vụ điều khiển thứ tự các pha dòng điện Iabc khi tốc độ rotor thay đổi qua điểm đồng bộ đồng thời luôn phải tạo đƣợc điện áp phía xoay chiều
(nghịch lƣu) có tần converter2 luôn phải tạo đƣợc điện áp phía xoay chiều (nghịch lƣu) có tần số đồng bộ với điện áp mà rotor cảm ứng đƣợc mà tần sô này thay đổi theo tốc độ gió. Trên hình 2.28 mô phỏng điện áp mạch rotor – converter2 dạng SVPWM khi khởi động DFIG tăng dần lên tốc độ gió 14m/s. Ban đầu, trong khoảng thời gian (1.5÷2)s có tần số và độ rộng sung thấp hơn so với khoảng thời gian (4.5÷5)s khi tốc độ rotor tăng cao hơn, hình 2.29
Hình 2. 28 Mô phỏng điện áp mạch rotor – converter2 khi tốc độ rotor thay đổi, Trong khoảng thời gian (4,5 ÷ 5)s
Hình 2. 29 Mô phỏng điện áp mạch rotor – converter2 khi tốc độ rotor thay đổi, Trong khoảng thời gian (4,5 ÷ 5)s