Wind direction
1.4 Máy phát điện trong hệ thống điện gió
Máy phát là bộ phận chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện. Hệ thống biến đổi năng lượng gió WECS không ngừng phát triển dẫn đến sự phát triển nhanh của tua – bin gió cũng như các loại máy phát sử dụng trong hệ thống điện gió. Tùy
thuộc vào cấu trúc và nguyên lý vận hành, máy phát điện có thể được chia thành 2 loại chính: máy phát không đồng bộ (IGs) và máy phát đồng bộ (SGs).
Máy phát đồng bộ (SGs) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện gió với công suất từ khoảng vài KW đến vài MW, có thể được phân loại thành 2 loại chính là: máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Cả 2 loại đều được sử dụng trong các hệ thống điện gió với công suất tối đa khoảng 7.5MW. PMSG có hiệu suất và mật độ năng lượng cao hơn so với WRSG. Máy phát đồng bộ rất thích hợp cho tua – bin truyền động trực tiếp. Gần đây, các nhà sản xuất đang hướng tới tua – bin gió được truyền động trực tiếp với PMSG. Có 2 loại PMSG được sử dụng trong ngành công nghiệp điện gió là: nam châm cực lồi và cực ẩn. Máy phát điện cảm ứng lồng sóc có cấu tạo đơn giản và bền trong công trình. Nó tương đối rẻ và ít yêu cầu bảo trì. Các hệ thống điện gió truyền thống nối lưới trực tiếp hiện nay đều sử dụng chúng, và chúng chỉ hoạt động ở tốc độ gió không đổi. Trên thị trường vẫn có một số loại máy phát 2 cấp tốc độ, trong đó có một cuộn dây có thể được nối vào để thay đổi số cực cho phép chúng có thể vận hành ở 2 tốc độ khác nhau.
Hình 1.20 Phân loại một số máy phát điện thường dùng trong tua – bin gió lớn Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu: trong PMSG, từ trường rotor tạo ra bởi
nam châm vĩnh cửu, vì thế những máy phát loại này không cần chổi quét. Bởi vì không cần cuộn dây ở rotor, mật độ công suất cao nên có thể giảm được kích thước và khối lượng của máy phát. Thêm vào đó không có sự tổn hao ở cuộn dây rotor, giảm được áp lực về nhiệt cho rotor. Tuy nhiên chúng cũng có những bất lợi là chi phát đầu tư đắt hơn và dễ bị hỏng. Phụ thuộc cách gắn các cực trên rotor mà người ta phân loại
thành cực ẩn và cực lồi. PMSG có cực lồi: các nam châm vĩnh cửu được đặt trên bề mặt của rotor.
Hình 1.21 mô tả máy PMSG cực lồi, trong đó máy phát có 12 cực được bố trí trên bề mặt của lõi rotor, giữa 2 cực được cách nhau bởi khoảng khe hở. Vì độ từ thẩm của các khe hở là gần bằng nhau nên các khe hở không khí phân bố đều giữa lõi rotor và stator phân bố đồng đều quanh bề mặt của rotor. Lợi ích chính của máy phát đồng bộ cực lồi cấu trúc đơn giản và giá tiền rẻ hơn so với PMSG cực ẩn. Tuy nhiên, các nam châm có thể bị tách rời khỏi rotor bởi lực li tâm nếu vận hành ở tốc độ cao. Do đó, các PMSG cực lồi thường được vận hành trong điều kiện tốc độ thấp. Trong WECS truyền động trực tiếp, máy phát đồng bộ được sử dụng thường phải có số cực lớn. PMSG cực lồi có thể có một rotor bên ngoài, trong đó các nam châm vĩnh cửu được gắn ở bề mặt phía trong của rotor. Khi đó, lực ly tâm sẽ giúp cho các nam châm được gắn chặt vào lõi rotor.
Hình 1.21 Máy phát PMSG cực lồi
PMSG cực ẩn, các nam châm vĩnh cửu được ẩn trong bề mặt của rotor như trong
hình 1.22. PMSG cực ẩn có sự khác nhau về loại vật liệu của lõi rotor và nam châm. Cấu hình này cũng làm giảm các hiệu ứng liên quan đến lực li tâm nên loại máy phát này có thể vận hành ở tốc độ cao hơn so với PMSG cực lồi.
Hình 1.22 Máy phát PMSG cực ẩn
Bên cạnh đó, máy phát cảm ứng nguồn kép (DFIG), cũng là một trong các loại máy phát được dùng phổ biến nhất hiện nay trong ngành công nghiệp điện gió. Cuộn dây stator của máy phát DFIG phát điện trực tiếp vào lưới điện tương tự như các máy phát điện không đồng bộ. Sự khác biệt là phần rotor cũng được kết nối với lưới điện thông qua chuyển đổi năng lượng điện tử. Vì vậy, trong hệ thống DFIG, năng lượng cấp cho lưới điện không chỉ bởi stator, mà còn bởi rotor. Do đó, hệ thống này được gọi là "máy phát nguồn kép".