a. Tua-bin điện gió với chân đế trên nền biển.
Tùy theo những yếu tố nhƣ độ sâu của nền biển, dòng chảy của nƣớc biển, chiều cao của sóng, đặc tính của nền biển tại địa điểm lắp đặt tua-bin điện gió mà việc thiết kế và xây dựng chân đế có những phƣơng thức khác nhau, những dạng chân đế hiện nay gồm:
• Chân đế trọng lực (Gravity). • Chân đế thùng (Brucket). • Chân đế đơn (Monopile).
• Đế tháp 3 chân (Tripod) và Đế tháp lƣới (Jacket). • Chân đế kết hợp.
• Chân đế nhiều cọc (Multipiles) và chân đế nổi (Floating).
Hình 3.41: Chân đế trọng lực (Gravity). Chân đế thùng (Brucket). Chân đế đơn (Monopile) và sơ đồ đóng chân đế trên nền biển.
Hình 3.42: Đế tháp nhiều chân (multipod) và đế tháp lưới (jacket).
Hình 3.44: Loại chân đế và độ sâu của nền biển.
b. Tua-bin điện gió nổi ngồi khơi.
Việc xây dựng và lắp đặt chân đế cho tua-bin điện gió trên biển tại những nơi có nền biển sâu hơn 50 mét thƣờng rất phức tạp và chi phí cao.
Dựa theo kinh nghiệm xây dựng dàn khoan dầu nổi trên biển, một số nhà sản xuất tua-bin điện gió và viện nghiên cứu thử nghiệm phƣơng pháp xây dựng dàn đế nổi đƣợc gắn với những dây cáp thép và những cọc đóng trên nền biển.
Tuy nhiên vì lực tác động của tua-bin điện gió khác biệt với những dàn khoan dầu nên phƣơng pháp này hiện nay còn gặp một số trở ngại.
Năm 2009, Tập đòan Năng lƣợng Na-Uy Statoil-Hydro hợp tác với nhà sản xuất tua-bin điện gió Siemens thử nghiệm cơng trình điện gió nổi ngịai khơi Hywind tại vùng biển Åmøy Fjord gần thành phố Stavanger - Nauy
Chân đế nổi của cơng trình này gồm một ống bê-tông đƣợc giữ nổi bằng phao và đƣợc gắn với ba dây cáp nối với những mảng bê-tông đặt dƣới nền biển ở độ sâu 220 mét.
Dàn nổi này giữ một tua-bin điện gió Siemens SWT-2.3-82 với cơng suất 2,3 MW, đƣờng kính cánh quạt là 82 mét, độ cao tâm cánh quạt là 65 mét, tổng cộng trọng lƣợng hệ thống là 5.200 tấn và có hệ thống giữ cân bằng ở những tình trạng sóng khác nhau.
Hình 3.45: Tua-bin điện gió nổi Hywind.
Hình 3.46: Tua-bin điện gió thử nghiệm (study). 10MW Aerogenerator X © Wind Power Ltd & Grimshaw - 2010 / GB. H 130 mét L 270m.
CHƢƠNG 4: MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIĨ. ĐIỆN GIĨ.
Máy phát điện có chức năng chuyển cơ năng thành điện năng. Phần lớn máy phát điện trong Tua-bin điện gió tạo ra dịng điện xoay chiều ba pha, tƣơng tự nhƣ những máy phát điện thơng thƣờng. Tùy theo loại Tua-bin điện gió mà máy phát điện có cơng suất và điện thế khác nhau nhƣ:
12 V, 24 V, 48 V: Tua-bin điện gió dƣới 2KW. 120 đến 240 V: Tua-bin điện gió từ 1,5 đến 10KW. 400 V: Tua-bin điện gió đến 600KW.
400 V: Tua-bin điện gió trên 1 KW khơng có hộp số. 690 V: Tua-bin điện gió trên 600KW.
Máy phát điện trong Tua-bin điện gió có cơng suất thay đổi và thƣờng chỉ đạt đƣợc cơng suất thiết kế khi tốc độ gió từ 12 đến 15m/s. Khi tốc độ gió lên trên 25m/s, hệ thống Roto quay nhanh sẽ làm hƣ máy phát, vì thế tốc độ số vòng quay của hệ thống Roto phải đƣợc hạn chế lại. Những máy phát điện thơng thƣờng có tần số điện là 50Hz hoặc tại Mỹ là 60Hz, số vòng quay của máy phát điện thông thƣờng khoảng 1500rpm.
Trên lý thuyết, hầu hết mọi máy phát điện đều có thể sử dụng trong Tua-bin điện gió nhƣng phải đáp ứng tất cả những yêu cầu kỹ thuật của lƣới điện. Vì tình trạng gió khơng ổn định nên hiệu điện thế và tần số không phù hợp, nói chung là chất lƣợng điện ln mất ổn định nên dòng điện xoay chiều phải chuyển qua dòng một chiều. Máy phát điện một chiều kích từ song song có ý nghĩa quan trọng trong lịch sử Tua- bin điện gió, chúng đƣợc lắp đặt vào những Tua-bin gió phát điện đầu tiên. Ngày nay, máy phát điện một chiều kích từ song song cũng sử dụng trong các Tua-bin gió nhỏ. Máy phát điện một chiều có ƣu điểm là có thể sử dụng cho mọi tốc độ số vòng quay của hệ thống Roto nhƣng có cấu trúc phức tạp và địi hỏi phải thƣờng xuyên đƣợc bảo trì, việc bảo trì tốn kém và giá thành cao.
a. Cấu tạo.
Cấu tạo máy phát không đồng bộ gồm hai phần chính: Stato và Roto, chúng cách nhau bởi khe hở khơng khí.
Phần tĩnh (Stato): gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn.
Hình 4.1: Cấu tạo stator của máy phát điện không đồng bộ.
Vỏ máy: dùng để cố định lõi thép và dây quấn chứ không dẫn từ, đƣợc làm bằng gang hay thép hàn lại.
Lõi thép: Lõi thép Stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện đƣợc dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hƣớng trục. Lõi thép đƣợc ép vào trong vỏ máy để dẫn từ.
Dây quấn: Dây quấn Stato làm bằng dây dẫn điện đƣợc bọc cách điện (dây điện từ) đƣợc đặt trong các rãnh của lõi thép.
Phần quay (Rotor): Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Lõi thép Rotor cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện đƣợc dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hƣớng trục. Trục máy gắn với lõi thép rotor và làm bằng thép tốt, trục đƣợc đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi.
Dây quấn: Rotor của máy điện không đồng bộ thƣờng có hai kiểu: Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) và rotor dây quấn:
Rotor lồng sóc: trong các rãnh của lõi thép rotor đặt các thanh đồng (hoặc nhôm), các thanh đồng thƣờng đặt nghiêng so với trục, hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vịng đồng (nhơm), tạo thành lồng sóc.
Hình 4.2: Cấu tạo rotor lồng sóc của máy phát điện không đồng bộ.
Roto dây quấn: gồm lõi thép và dây quấn. Trong rãnh lõi thép Roto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn Roto thƣờng nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng (vành trƣợt).
Hình 4.3: Cấu tạo rotor dây quấn của máy phát điện không đồng bộ.
b. Nguyên lý hoạt động.
Máy phát điện hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ và kích thích bởi chuyển động quay. Nếu bây giờ stator vẫn nối với lƣới điện, nhƣng trục rotor không nối với máy công cụ mà nối với một động cơ sơ cấp kéo rotor quay với tốc độ n lớn hơn tốc độ từ trƣờng quay n1 và cùng chiều với n1. Khi đó rotor tạo ra từ thơng quay biến thiên quét qua các vòng dây trên stator, trong các vịng dây đó xuất hiện các sức điện động cảm ứng e(t). Hệ số trƣợt: 1 1 0 n n s n Trong đó:
n: tốc độ quay của trục máy phát.
Nhờ từ trƣờng quay, cơ năng nguồn sơ cấp đƣa vào rotor đƣợc biến thành năng lƣợng điện từ chuyển từ rotor sang stator.
Các máy phát điện phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong các tia-bin gió là máy phát điện cảm ứng. Nó có nhiều ƣu điểm, chẳng hạn nhƣ độ chắc chắn và tính cơ khí đơn giản và nó đƣợc sản xuất hàng loạt, vì thế nó cũng có một mức giá thấp. Nhƣợc điểm chính là stator của nó cần dùng từ hóa phản kháng. Các máy phát điện khơng đồng bộ khơng có nam châm vĩnh cửu và khơng đƣợc kích thích độc lập. Vì vậy, nó đã nhận đƣợc dịng kích thích từ một nguồn khác và tiêu thụ cơng 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 thành lập chỉ khi nó đƣợc kết nối với lƣới điện.
Trong trƣờng hợp dịng 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 rotor và chuyển động tƣơng đối của stator (trƣợt), gây ra một dòng điện trong cuộn dây rotor. Sự tƣơng tác từ trƣờng liên kết của rotor với stator tạo mô men tác động lên rotor.
4.1.1. Máy phát điện cảm ứng lồng sóc – SCIG ( Squirrel cage induction generator ).
Hình 4.4: Máy phát điện khơng đồng bộ lồng sóc - Hãng ABB.
Hình 4.5: Hệ thống máy phát SCIG một cấp tốc độ nối lưới.
Cấu hình này biểu thị các Tua-bin gió tốc độ cố định với một máy phát điện khơng đồng bộ Rotor lồng sóc (SCIG) kết nối trực tiếp với lƣới điện thông qua một biến áp. SCIG sử dụng một bộ tụ (Capacitor bank) để bù công suất phản kháng. Để kết nối tốt với lƣới điện thƣờng sử dụng một bộ khởi động mềm (SoftStator).
Để khởi động Tua-bin gió SCIG thì bộ khởi động mềm đƣợc sử dụng để loại bỏ dòng đỉnh trong cuộn dây máy phát, bộ khởi động này bản chất là bộ điều khiển điện áp AC 3 pha. Nó bao gồm 3 cặp công tắc Thyristor mắc song song. Để khởi động hệ thống thì góc kích thyristor đƣợc thay đổi từ từ để điện áp đặt lên máy phát tăng từ từ, từ 0 đến giá trị điện áp lƣới, kết quả là dòng khởi động Stato đƣợc hạn chế hiệu quả. Một khi quá trình khởi động đƣợc thực hiện thì bộ khởi động mềm đƣợc ngắt ra khỏi lƣới, hệ thống kết nối với lƣới thông qua stator.
Sự hoạt động 2 cấp tốc độ có thể đƣợc thực hiện bởi cơ cấu hai máy phát ghép đôi tới 1 trục: một máy phát tốc độ cao (thƣờng là 4 cực) và một máy phát tốc độ thấp (thƣờng là 6 hoặc 8 cực), sự lựa chọn máy phát hoạt động thông qua công tắc S, phụ thuộc vào tốc độ gió. Việc sử dụng hai máy phát 2 tốc độ thì khơng cần một máy phát đặc chế, hoạt động ở hai cấp tốc độ. Tuy nhiên nó lại cần bộ truyền động dài, phức tạp và yêu cầu đặc biệt ở các khớp nối. Hai máy phát có thể cùng một trục hay hai trục riêng rẻ nhau nhƣ hai hình a và b. Do đó, hệ thống này làm tăng giá thành và khối lƣợng. Vì vậy, ứng dụng này trong thực tế là rất hiếm.
a. Khởi động SCIG với Softstarter.
Khi tốc độ gió cao hơn tốc độ gió ngƣỡng cắt dƣới của hệ thống, góc pitch của cánh quạt gió đƣợc thay đổi một lƣợng nhỏ và một lƣợng nhỏ của momen đƣợc tạo ra để gia tốc cho Tua-bin và máy phát điện, mặc dù máy phát quay trong suốt quá trình gia tốc nhƣng khơng có điện áp Stato đƣợc cảm ứng vì thiếu dịng từ hố để tạo ra từ thơng, cái mà rất cần để tạo ra điện áp Stato máy phát. Khi tốc độ Roto gần sát với tốc độ đồng bộ thì máy phát đƣợc kết nối tới lƣới bởi cơng tắc chính (Main Switch). Ngay cùng một thời điểm đó, bộ khởi động mềm (Soft starter) đƣợc kích hoạt với một góc kích cụ thể, khi đó một lƣợng điện áp rất thấp đƣợc tạo ra và một dòng điện nhỏ bắt đầu chạy qua Stato. Sau đó góc kích đƣợc giảm từ giá trị cụ thể xuống 0 độ, khi đó điện áp lƣới đƣợc áp vào máy phát. So với sự kết nối trực tiếp tới lƣới thì việc sử dụng bộ khởi động mềm giúp giảm dòng đỉnh khi khởi động xuống một lƣợng đáng kể mà lý do chính là sự tăng điện áp Stato một cách từ từ. Khi dòng đỉnh giảm thì momen dao động thực sự đƣợc loại bỏ, giúp giảm đƣợc tác động cơ học xấu đến bộ truyền động, tăng tuổi thọ hệ thống và giảm chi phí bảo trì. Tại thời điểm đạt đƣợc tốc độ đồng bộ thì bộ phận đóng ngắt Bypass Switch đƣợc đóng lại và hệ thống đƣợc khởi động hoàn tất, hệ thống bắt đầu thu năng lƣợng tƣ gió. Để tạo đƣợc cơng suất từ gió thì góc pitch cánh quạt đƣợc điều chỉnh từ vị trí khởi động tới vị trí tối ƣu. Khi đó hệ thống hoạt động ở trạng thái ổn định và phát công suất vào lƣới.
b. Ƣu và nhƣợc điểm.
Máy phát SCIG thƣờng đƣợc sử dụng trong hệ thống năng lƣợng gió với tốc độ khơng đổi. Cơng suất máy phát nằm trong dải từ vài KW đến vài MW. Trong trƣờng
hợp của một mạng lƣới điện yếu, SCIG có thể tạo ra biến động điện áp tại các điểm kết nối. Vì những dao động điện áp, Tua-bin gió tốc độ cố định sẽ lấy lƣợng công suất phản kháng từ lƣới điện (trừ khi có một bộ tụ điện), làm tăng các biến động điện áp và tổn hao dòng. SCIGs có một đặc tính tốc độ mơ-men xoắn dốc và do đó sự biến động của năng lƣợng gió đƣợc truyền đi trực tiếp vào lƣới điện. Những quá độ này là đặc biệt quan trọng trong kết nối mạng lƣới các Tua-bin gió, nơi dịng điện có thể tăng lên đến 7-8 lần dịng định mức. Trong một mạng lƣới yếu, khi dịng tăng cao có thể gây ra rối loạn điện áp nghiêm trọng. Vì vậy, nhƣợc điểm của loại này là không thể điều chỉnh đƣợc tốc độ, hệ số cơng suất thấp. Nó địi hỏi một mạng lƣới cứng và kết cấu cơ khí của nó phải có khả năng chịu lực cơ học cao bởi hộp số và máy phát hoạt động ở tốc độ số vịng quay nhanh. Vì vậy, máy phát điện này đƣợc sử dụng cho các Tua-bin gió tốc độ khơng đổi. Cho đến nay, các SCIG có đƣợc sự lựa chọn phổ biến vì tính đơn giản cơ học, hiệu quả sử dụng cao và các yêu cầu bảo trì thấp.
4.1.2. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn – WRIG. ( Wound rotor induction generator ). ( Wound rotor induction generator ).
Trong máy phát WRIG các đặc tính điện của rotor có thể đƣợc điều khiển từ bên ngồi, và do đó điện áp rotor có thể đƣợc đƣa vào. Các cuộn dây của dây quấn rotor đƣợc kết nối bên ngồi thơng qua các vòng trƣợt và chổi than hoặc bằng thiết bị điện tử, mà có thể có hoặc khơng có u cầu các vịng trƣợt và chổi than. Bằng cách sử dụng thiết bị điện tử điện, năng lƣợng có thể đƣợc lấy ra hoặc đƣa vào dịng ngắn mạch rotor và máy phát điện có thể đƣợc từ hóa từ dịng ngắn mạch rotor hoặc dịng ngắn mạch stator. Điều đó cũng có thể xảy ra nhờ phục hồi năng lƣợng trƣợt từ dòng ngắn mạch rotor và nạp vào từ đầu ra của stator.
Hình 4.7: Hệ thống OSIG nối lưới.
Cấu hình đơn giản của WRIG với điện trở bên trong rotor đƣợc điều khiển bởi bộ converter. Gía trị điện trở đƣợc thay đổi bởi bộ converter bao gồm cầu diode và một bộ IGBT. Với những giá trị khác nhau của giá trị điện trở thì máy phát sẽ hoạt động ở những điểm khác nhau. Điều này cho thấy một dải tốc độ vừa phải thƣờng ít hơn 10% tốc độ định mức máy phát. Tua-bin gió loại này biến đổi tốc độ bằng sự thay đổi giá trị điện trở rotor máy phát điện, đƣợc gọi là OptiSlip. Sử dụng một máy phát điện không đồng bộ (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 hơn đạt đƣợc bằng cách sử dụng một bộ khởi động mềm.
Các tính năng OptiSlip đã đƣợc giới thiệu bởi các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas để giảm thiểu tải trên các tua-bin 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 đƣợc những thay đổi nhỏ trong kiểm sốt momen xoắn và cơng suất đầu ra. Thay đổi độ trƣợt là một cách rất đơn giản, đáng tin