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 cơng 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 thông, 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 dịng 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 hồn 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 không đổi. Công 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 dịng. 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 dòng 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 dòng 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 cậy và chi phí hiệu quả để đạt đƣợc giảm tải so với các biện pháp phức tạp hơn nhƣ tua-bin gió có tốc độ thay đổi bằng cách sử dụng chuyển đổi tỉ lệ đầy đủ. OSIG là
WRIG với một sự thay đổi điện trở ngoài rotor gắn liền với cuộn dây. Độ trƣợt của máy phát điện đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi tổng trở rotor bằng 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 khơng có vịng trƣợt là cần thiết. 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, khơng cần các vịng trƣợt và hoạt động một phạm vi tốc độ đƣợc cải thiện so với các SCIG. Loại này có thể làm giảm tải trọng cơ học và dao động năng lƣợng gây ra bởi cơn gió giật. Tuy nhiên, nó vẫn địi hỏi một hệ thống bù công suất phản kháng. Những nhƣợc điểm là: phạm vi tốc độ thƣờng đƣợc giới hạn 0-10%, vì nó phụ thuộc vào biên độ thay đổi điện trở rotor, chỉ điều khiển công suất phản kháng và tác dụng là rất nhỏ và độ trƣợt mất đi khi điện trở giảm.
4.1.2.2. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép – DFIG (Doubly Fed Induction Generator).
Hình 4.8: Máy phát điện DFIG trong Tua-bin gió-Hãng ABB.
a. Giới thiệu.
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là một hệ thống mà trong đó máy phát điện đƣợc cấp nguồn từ hai phía, có stator đƣợc nối trực tiếp với lƣới điện. Trong khi đó, rotor đƣợc nối thơng qua một bộ biến đổi cơng suất. Ngày nay, cấu hình này trở nên rất phổ biến do nó chỉ phải biến đổi khoảng từ 20 – 30% của tồn bộ cơng suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công
suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình biến đổi tồn bộ cơng suất phát. Mặt khác, chi phí đầu tƣ cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấp hơn.
Các máy phát điện khơng đồng bộ có thể loại bỏ đƣợc những nhƣợc điểm của cả máy điện một chiều và máy điện đồng bộ. Máy phát điện loại này khơng cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dịng điện một chiều để kích thích máy phát. Vì vậy, có thể làm việc một cách tin cậy với giá thành và chi phí bảo dƣỡng thấp. Hơn nữa, các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể đƣợc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của rotor hoặc đƣa thêm hay thu hồi công suất.
Đối với hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió tốc độ thay đổi, máy phát điện khơng đồng bộ nguồn kép đƣợc xem nhƣ giải pháp tốt nhất. Nhƣ đã đƣợc trình bày, lý do bộ biến đổi công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% tổng cơng suất phát, điều này có nghĩa tổn hao trong thiết bị điện tử công suất nhỏ hơn so với cấu hình mà bộ biến đổi phải biến đổi tồn bộ cơng suất phát. Mặt khác, chi phí đầu tƣ cho thiết bị điện tử cơng suất cũng thấp hơn.
b. Cấu tạo.
Hình 4.9: Cấu trúc máy phát điện dị bộ kép nối lưới.
DFIG thực chất là máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn kết hợp với bộ biến đổi công suất thành một hệ thống. Trong hệ thống chuyển đổi năng lƣợng sử dụng DFIG thì stato của máy phát đƣợc kết nối trực tiếp với lƣới và roto nối với bộ biến đổi
công suất thông qua vành trƣợt. Một tụ điện DC Link đƣợc đặt ở giữa hai bộ biến đổi đóng vai trị tích trữ năng lƣợng.
Thiết bị Crowbar đƣợc trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá điện áp trong mạch DC – link. Khi xảy ra tình trạng q dịng thiết bị Crowbar sẽ ngắn mạch đầu cực rotor thông qua điện trở Crowbar, ngƣng hoạt động của bộ Converter và cho phép máy phát điện hoạt động nhƣ một máy phát điện không đồng bộ thông thƣờng, lúc này là tiêu thụ điện năng từ lƣới.
Trong thực tế, điện áp định mức của rotor thƣờng nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stato nên máy biến áp nối giữa DFIG và lƣới điện sẽ có ba cuộn dây. - Bộ Converter phía Roto (RSC - rotor side converter) có các ƣu điểm sau:
+ Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lƣới và khả năng tự điều chỉnh điện áp trong trƣờng hợp lƣới điện yếu.
+ Có khả năng hồn tồn tự kích từ DFIG thơng qua mạch rotor, độc lập với điện áp lƣới.
+ Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng với nhau. Bộ converter phía máy phát RSC cịn điều khiển mơmen, tốc độ máy phát và điều khiển hệ số công suất đầu cực stator.
Trong khi đó nhiệm vụ chính của bộ Converter phía lƣới (GSC - Grid side converter) là giữ cho điện áp phát DC Link không đổi.
c. Nguyên lý hoạt động.
Khi ta tác dụng một lực vào tua-bin quay, thông qua hộp số và trục truyền động làm rotor quay. Khi đã đạt đến tốc độ trên đồng bộ (n2 > n1), thì máy phát DFIG sẽ tạo ra dịng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
Tốc độ từ trƣờng: n1 60f p
Cuộn dây stator của máy phát DFIG phát điện trực tiếp vào lƣới điện tƣơng tự nhƣ các máy phát điện không đồng bộ. Sự khác biệt là phần rotor cũng đƣợc kết nối với lƣới điện thông qua chuyển đổi năng lƣợng điện tử. Vì vậy, trong hệ thống DFIG,
năng lƣợng cấp cho lƣới điện không chỉ bởi stator, mà cịn bởi rotor. Do đó, hệ thống này đƣợc gọi là “máy phát nguồn kép”.
Mạch rotor đƣợc cấp nguồn từ bộ ngịch lƣu nguồn áp VSC (voltage source converter) có biên độ và tần số thay đổi thƣờng sử dụng linh kiện điện tử công suất IGBT (Transistor có cực điều khiển cách ly – Insulated Gate Bipolar Transistor – IGBT). Khi đã hòa đồng bộ với lƣới điện dòng năng lƣợng qua máy phát điện có thể đƣợc mơ phỏng xảy ra 2 trƣờng hợp:
+ Khi momen quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là tốc độ vận hành dƣới đồng bộ (hệ số trƣợt dƣơng). Trƣờng hợp này máy phát lấy năng lƣợng từ lƣới qua rotor.
+ Khi momen quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là tốc độ vận hành trên đồng bộ (hệ số trƣợt âm). Trƣờng hợp này máy phát hoàn toàn bộ năng lƣợng về lƣới cũng qua rotor.
Để đảm bào DFIG vận hành nhƣ máy phát ở hai chế độ trên thì bộ biến đổi cơng suất cả 2 phía (phía máy phát RSC và phía lƣới GSC) đều phải là nghịch lƣu có khả năng điều khiển dịng cơng suất theo 2 chiều.
Máy điện thƣờng hoạt động nhƣ động cơ trƣớc khi đạt tới tốc độ nhất định (tốc độ trên đồng bộ) rồi sau đó mới phát ngƣợc cơng suất về lƣới.
d. Hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển tạo ra những điều khiển nhƣ sau: Điều khiển góc nghiên của cánh quạt, loại điều khiển thƣờng dùng bởi điều khiển góc nghiên khí động học để điều khiển cơng suất gió chiết ra bởi turbine cánh quạt, tín hiệu điện áp điều khiển Vr (điện áp đầu ra của bộ biến đổi nguồn điện áp phía rotor), loại đƣợc dùng để điều khiển bộ biến đổi điện áp phía rotor và tín hiệu điện áp lƣới Vg (điện áp đầu ra của bộ biến đổi nguồn điện áp phía lƣới điện), loại đƣợc dùng để điều khiển bộ biến đổi điện áp phía lƣới điện (điều khiển cơng suất điện). Lần lƣợt bộ biến đổi điện áp phía rotor điều khiển cơng suất của turbine gió, và bộ biến đổi điện áp phía lƣới điện điều khiển điện áp thanh dẫn dc và công suất phản kháng tại các thiết bị đầu cuối lƣới.
Bằng cách thực hiện điều chế độ rộng của xung, nó có thể điều khiển các bộ biến đổi điện áp (VSC) tạo ra một dạng sóng ngõ ra với độ lớn điện áp và góc pha nhƣ mong muốn, đồng thời làm giảm sóng hài bậc thấp.
e. Hệ thống đổi tần.
Trong tua-bin điện gió sử dụng máy phát điện dị bộ kép một phần dòng điện ổn định đƣợc chuyển thẳng vào lƣới điện, phần còn lại khoảng 20% đến 40% đƣợc chuyển qua bộ phận đổi tần để phù hợp với tần số và công suất điện quy định. Hệ thống đổi tần có chức năng chuyển tần số điện và biên độ để đồng bộ với lƣới điện.
Dòng điện từ máy phát điện Dòng điện đến máy