Hình biểu diễn mơ hình đơn giản DFIG để giúp phân tích đơn giản cách thức khởi động máy phát DFIG trong Tua-bin điện gió. Có 2 thiết bị đóng cắt SW1 và SW2 với SW1 là thiết bị đóng cắt mạch Stato với lƣới, SW2 là thiết bị đóng cắt phía Roto. Trong thực tế thiết bị đóng cắt cơ điện thƣờng đƣợc sử dụng vì tổn thất cơng suất ít hơn so với thiết bị đóng cắt solict-state. Góc pitch của cánh quạt có thể đƣợc thay đổi trong suốt quá trình khởi động và sẽ đƣợc giữ tại vị trí tối ƣu trong điều kiện hoạt động bình thƣờng, khi tốc độ gió q cao thì góc pitch cánh quạt đƣợc điều chỉnh tối đa để không phát ra công suất. Phƣơng thức khởi động đƣợc thực hiện chia thành các bƣớc:
Trong giai đoạn ban đầu với tốc độ gió thấp dƣới tốc độ cắt, khi đó SW1 và SW2 mở. Cả mạch Roto và Stato không đƣợc nối với lƣới. Cánh quạt Tua-bin hƣớng dọc theo chiều gió và khơng có moment nào đƣợc phát ra. Hệ thống trong trạng thái dừng.
Bƣớc 2: Gia tốc cho Tua-bin/máy phát và điện áp đƣợc tạo ra:
Khi tốc độ gió đạt trên tốc độ cắt thì góc quay cánh quạt đƣợc điều chỉnh để cung cấp moment khởi động và tua-bin bắt đầu quay. SW2 trong mạch rotor đƣợc đóng và bộ biến đổi công suất Power converter đƣợc “năng lƣợng hóa” từ lƣới. Converter phía rotor đƣợc điều khiển và cung cấp dịng kích từ tới DFIG. Một điện áp cảm ứng trong stator đƣợc kiểm tra để cho đƣợc đồng bộ với lƣới. Khi đó khơng có cơng suất đƣợc tạo ra hay chuyển tới lƣới.
Bƣớc 3: Đồng bộ tần số và điện áp với lƣới:
Trong quá trình gia tốc tốc độ Roto, cả điện áp Stato và tần số đƣợc điều khiển đầy đủ bởi converter phía rotor. Khi gia tốc máy phát tới một tốc độ mà tốc độ đó đã đƣợc cài đặt liên quan tới tốc độ gió đƣợc đo lƣờng; điện áp stator, tần số, thứ tự pha đƣợc điều chỉnh để phù hợp với lƣới. Khi đồng bộ đã đƣợc thực hiện, SW1 đƣợc đóng lại và hệ thống DFIG đƣợc nối tới lƣới.
Bƣớc 4: Công suất phát ra và góc pitch tối ƣu:
Khi DFIG đƣợc kết nối lƣới, moment và công suất truyền tăng từ 0 lên giá trị cực đại liên quan tới tốc độ gió đƣợc đo lƣờng. Khi đó góc pitch tối ƣu, tại đó hiệu suất năng lƣợng gió đƣợc chuyển hóa là cao nhất.
Quá trình khởi động đã đƣợc thực hiện.
j. Ƣu và nhƣợc điểm của DFIG.
Từ năm 1996 đến nay, phần lớn Tua-bin điện gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép. Máy phát điện này đƣợc thiết kế thêm bộ đổi tần để điều chỉnh dịng điện nên có thể hoạt động với tốc độ số vòng quay khác nhau, một phần dòng điện khoảng 20 đến 40% đƣợc chuyển qua bộ phận đổi tần để phù hợp với tần số và công suất điện quy định. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là ít gây thất thốt điện, có cấu hình nhỏ nên đƣợc sử dụng phổ biến, thay thế máy phát điện không đồng bộ thơng thƣờng,
điện gió sử dụng hộp số ngày nay đều sử dụng loại này. Thuật ngữ “doubly fed” có nghĩa là điện áp trên Stato đƣợc nhận từ lƣới điện và điện áp trên Rotor tạo ra bởi bộ chuyển đổi điện (power converter). Hệ thống này cho phép hoạt động tốc độ thay đổi trên một phạm vi lớn. Trong đó bộ chuyển đổi phía Rotor là điều khiển cơng suất phản kháng và tác dụng bằng cách điều khiển các thành phần dòng điện Rotor, trong khi bộ chuyển đối phía đƣờng dây điều khiển điện áp DC và đảm bảo bộ chuyển đổi họat động liên kết (khơng tiêu thụ cơng suất phản kháng). DFIG có một số lợi thế. Nó có khả năng kiểm sốt cơng suất phản kháng và tách riêng công suất phản kháng và công suất tác dụng. DFIG không nhất thiết phải đƣợc từ hóa từ (magnetised) từ lƣới điện, nó cũng có thể đƣợc từ hóa từ dịng ngắn mạch Rotor cho nên khơng phụ thuộc vào lƣới khi kích từ. Trong trƣờng hợp của một mạng lƣới yếu (không ổn định), nơi mà các điện áp có thể dao động, DFIG có thể đƣợc ra lệnh sản xuất hoặc hấp thụ một lƣợng công suất phản kháng lên hoặc xuống từ lƣới điện, với mục đích kiểm sốt điện áp. Chi phí cho bộ chuyển đổi tăng lên khi phạm vi tốc độ xung quanh tốc độ đồng bộ trở nên rộng hơn. Một nhƣợc điểm của DFIG là nhu cầu không thể tránh khỏi vịng trƣợt (slip rings) cần phải bảo trì thƣờng xuyên.
4.2. Máy phát điện đồng bộ (Synchronous generator). a. Cấu tạo. a. Cấu tạo.
Gồm các thành phần: stator, rotor, bộ kích từ.
- Stator: cịn đƣợc gọi là phần ứng, giống nhƣ stator của máy phát không đồng bộ, bao gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép đƣợc làm bằng vật liệu sắt từ tốt, nghĩa là có từ trở nhỏ và điện trở suất lớn. Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều ba pha, 3 bộ dây quấn lệch vị trí khơng gian 1200 điện.
Hình 4.19: Dây quần stator máy phát đồng bộ đang được thi cơng.
- Rotor: cịn đƣợc goi là phần cảm. Là một nam châm điện gồm lõi thép và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trƣờng cho máy, nguồn kích thích vào dây quấn kích thích là nguồn một chiều, với máy nhỏ là nam châm vĩnh cửu. Bao gồm Roto cực lồi và Roto cực ẩn.
Rotor cực lồi: dây quấn trên các cực từ đƣợc quấn tập trung
Hình 4.20: Cấu tạo rotor cực lồi của máy phát điện đồng bộ.
Kết cấu của rotor cực lồi, 2p = 4 rotor chƣa đƣợc đóng vào trục, trên rotor đã có quấn dây quấn kích thích.
Hình 4.21: Hình dạng của rotor cực từ ẩn, rotor chưa được quấn dây.
- Bộ kích từ: Muốn tạo thành từ trƣờng kích thích một chiều trên phần cảm chúng ta cần cấp dòng một chiều vào dây quấn phần cảm đƣợc lắp trên Rotor. Khi Rotor đƣợc kéo quay bởi động cơ sơ cấp, để tránh tình trạng các dây nối bị xoắn, dịng một chiều đƣợc cấp vào Rotor thơng qua hệ thống vành trƣợt và chổi than. Bộ nguồn kích thích có các dạng sau:
Máy phát một chiều: đa số là máy phát điện một chiều kích thích song song, có cơng suất khoảng 0.3 đến 2% công suất máy.
Bộ kích từ dùng chỉnh lƣu: điện áp 3 pha của máy phát đồng bộ (ban đầu đƣợc sinh ra do từ dƣ) đƣợc chỉnh lƣu thành dòng 1 chiều.
b. Nguyên lý hoạt động.
Khi động cơ sơ cấp quay, kéo Roto máy phát đồng bộ và máy phát một chiều quay theo tới tốc độ định mức, máy phát kích thích thành lập đƣợc điện áp và cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn phần cảm (Roto) máy phát đồng bộ do đó phần cảm trở thành nam châm điện. Do Roto quay nên từ trƣờng phần cảm cắt các thanh dẫn dây quấn phần ứng (Stato) làm cảm ứng trong dây quấn sức điện động hình sin, nếu phần cảm máy phát có p đơi cực từ, tốc độ quay rotor là n thì tần số sức điện động cảm ứng là:
.
60
n p
Khi phần ứng cung cấp điện cho tải, dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trƣờng quay với tốc độ:
n1 60.f n p
Ta thấy tốc độ từ trƣờng quay n1 bằng tốc độ quay của Roto n, nên gọi là máy phát điện đồng bộ.
4.2.1. Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn – WRSG (Wound Roto Synchronous Generator.). Generator.).
WRSG là sức kéo chính của ngành cơng nghiệp năng lƣợng điện. Các cuộn dây Stato của WRSG kết nối trực tiếp vào lƣới điện và do đó tốc độ quay là cố định đúng tần số của lƣới điện cung cấp. Các cuộn dây rotor đƣợc kích thích với dịng bằng cách sử dụng các vịng trƣợt và chổi than hoặc với một kích thích khơng chổi than với một bộ chỉnh lƣu quay. Không giống nhƣ các máy phát điện cảm ứng, máy phát điện đồng bộ không cần thêm bất kỳ hệ thống bù công suất phản kháng nào. Các cuộn dây Roto, thông qua đó dịng điện trực tiếp tạo ra các trƣờng kích thích, quay với tốc độ đồng bộ. Tốc độ của máy phát điện đồng bộ đƣợc xác định bởi tần số của các trƣờng quay và số cặp cực của rotor. Nó có lợi thế là khơng cần một hộp số.
4.2.2. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu – PMSG (Permanent magnet synchronous generator). generator).
Trong cơng nghiệp điện gió, máy phát điện nam châm vĩnh cửu đƣợc áp dụng trong tua-bin điện gió từ năm 1993. Loại máy phát điện này hiện nay gồm 3 loại: - Máy phát điện nam châm vĩnh cửu với tốc độ cao (High speed PM generators – HS PMG) hoạt động với tốc độ từ 1000 đến 2000 v/p, loại máy phát điện này thƣờng đƣợc thiết kế hoạt động sau hộp số nhƣ những máy phát điện thơng thƣờng. Máy phát có điện thế từ 690 V đến 3300 V và ứng dụng trong những tua-bin điện gió với cơng suất đến 7 MW.
- Máy phát điện nam châm vĩnh cửu với tốc độ trung bình (Medium speed PM generators – MS PMG) hoạt động khoảng từ 100 đến 500, thông thƣờng là 400 v/p, loại máy phát điện này thƣờng đƣợc thiết kế kết hợp với hộp số tốc độ thấp trong nội
vi máy phát điện. Điện thế của máy phát có thể từ 690 V đến 3300 V và đƣợc ứng dụng trong những tua-bin điện gió với cơng suất đến 7 MW hoặc cao hơn.
- Máy phát điện nam châm vĩnh cửu với tốc độ thấp (Low speed PM generators – HS PMG) hoạt động khoảng từ 5 đến 30 v/p, điện thế từ 690 V đến 3300 V và đƣợc ứng dụng trong những tua-bin điện gió với cơng suất đến 10 MW hoặc cao hơn. Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và đƣợc gắn trực tiếp với hệ thống rotor nhƣ trong tua-bin điện gió Enercon hoặc đơi khi cũng ở phía sau rotor nhƣ tua-bin ScanWind – GE 4,1- 113 vì thế cịn đƣợc gọi là máy phát điện vịng (Annular Generator).
Hình 4.23: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Avantis.
Sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, hộp số và máy phát điện thông thƣờng cuả tua-bin điện gió đƣợc thay thế bằng những mảng nam châm quay vòng từ cơ năng của hệ thống cánh quạt. Với nguyên tắc thiết kế giản dị này, máy phát điện họat động với tốc độ số vòng quay rất thấp nhƣng nguồn điện năng sản xuất cao. Những ƣu điểm cơ bản khác là máy phát điện không cần bôi trơn bằng dầu, thời gian bảo trì ngắn, độ bền cao và độ ồn phát sinh cũng thấp.
Nam châm vĩnh cửu đƣợc cấu tạo từ các các hợp chất của các nguyên tố đất hiếm (rare earth) và kim loại chuyển tiếp có khả năng giữ từ tính cao và là nguồn tạo ra từ trƣờng nhƣ chất Samarium - Cobalt, Neodym (Nd), Dysprosium (Dy) hoặc Terbium (Tb).
Hình 4.24: Cuộn dây đồng trong bộ phận tĩnh Stator.
Cảm ứng điện từ sảy ra trong những cuộn dây đồng của bộ phận tĩnh Stator nhờ những lớp nam châm vĩnh cửu đặt tại vòng quay rotor. Khi rotor quay, nguồn từ trƣờng làm chuyển động những nguyên tử electron và phát sinh ra dòng điện. Trong máy phát điện đồng bộ kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, hai bộ phận chính là bộ phận quay (Rotor) và bộ phận tĩnh (Stator).
Hình 4.25: Rotor máy phát điện và phận lõi Stator - Tua-bin Avantis.
Nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu.
Trong nguyên tắc kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, cơng suất tua-bin điện gió chỉ điều khiển đƣợc theo tốc độ số vịng quay của rotor và có ƣu điểm là khơng cần một nguồn điện từ bên ngồi. Với ngun tắc này tua-bin điện gió đạt đƣợc hệ số cơng suất cao, tuy nhiên nhƣợc điểm chính là cần thêm bộ phận điều chỉnh thất thốt về cơng suất truyền dẫn và cơng suất của tua-bin điện gió.
Hình 4.26: Ngun tắc kích thích từ dịng điện ngồi.
Trong ngun tắc kích thích từ dịng điện ngồi, máy phát điện chỉ khởi động đƣợc khi có một dịng điện từ bên ngồi kích họat. Ƣu điểm của nguyên tắc này là việc điều chỉnh công suất của tua-bin dễ thực hiện theo dịng điện kích hoạt, nhƣợc điểm là thiết kế phức tạp và bắt buộc phải có một dịng điện từ bên ngồi thì máy phát điện mới hoạt động đƣợc.
Hình 4.37: Ngun tắc tự kích thích.
Trong ngun tắc tự kích thích, nguồn từ trƣờng trong máy phát điện sẽ tự kích thích nhờ dịng điện xoay chiều đƣợc chuyển qua điện một chiều. Ƣu điểm của nguyên tắc tự kích thích là khơng cần thêm một nguồn điện ngồi nhƣng vẫn có thể điều chỉnh đƣợc cơng suất của tua-bin, nhƣợc điểm của nguyên tắc này là hiệu số cơng suất của máy phát điện thấp và có thiết kế phức tạp.
Hình 4.28: Cấu trúc tua-bin Vensys sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích bởi nam châm vĩnh cửu.
Hình 4.29: Cấu trúc tua-bin Enercon sử dụng máy điện nam châm vĩnh cửu - kích thích từ dịng điện ngồi.
Hình 4.30: Máy phát điện nam châm vĩnh cửu trong tua-bin Enercon E70 .
4.3. Các loại máy phát điện khác.
4.3.1. Máy phát điện cao áp – HVG (Highvoltage generator).
Thơng thƣờng, máy phát điện Tua-bin điện gió có điện áp là 690V và do đó nó địi hỏi một biến áp trên thùng Nacelle hoặc ở dƣới chân của tháp gió. Việc tăng điện áp của máy phát điện là để giảm dịng điện và do đó làm giảm tổn thất và tổn hao nhiệt. Điều này có thể dẫn đến giảm kích thƣớc của máy phát điện và tăng hiệu quả của Tua-bin gió, đặc biệt là ở tải cao hơn. Nếu điện áp của máy phù hợp với điện áp lƣới điện, việc kết nối với lƣới điện sẽ không cần biến áp. HVG đƣợc sản xuất nhƣ máy phát điện đồng bộ và nhƣ máy phát điện không đồng bộ. HVG là máy phát điện
điện áp xoay chiều thích hợp cho các Tua-bin gió cơng suất lớn hơn 3MW. Những khó khăn chủ yếu là chi phí cao của tồn bộ hệ thống, nó khơng chắc chắn về lợi ích dài hạn và yêu cầu an tồn, trong đó có nhiều phức tạp hơn so với các máy điện áp thấp. Giá của HVG, các thiết bị điện tử và thiết bị phụ trợ, chẳng hạn nhƣ bộ chuyển mạch (switchgears), tăng đáng kể với kích thƣớc của máy phát điện. Giá có thể giảm trong tƣơng lai nếu số lƣợng của Tua-bin gió với HVG tăng đáng kể.
Cho đến nay, chỉ có rất ít ngun mẫu Tua-bin gió đã đƣợc thiết kế. Các cơng ty khác nhau có khởi xƣớng, với thành cơng khơng lớn trong các dự án nghiên cứu khác nhau trên Tua-bin gió HVG trong vài năm qua. Lagerwey đã bắt đầu sản xuất hàng loạt loại LW72 Tua bin 2MW với một máy phát điện đồng bộ với một điện áp đầu ra là 4 kV. Trái ngƣợc với những gì đã đƣợc dự kiến, loại Windformer/ABB 3MW chƣa đƣợc thành cơng. Tuy nhiên, hiện nay khơng có nhiều tua-bin gió thƣơng mại có sẵn với HVG. Thay vì sử dụng HVG, xu hƣớng đã đƣợc thay đôit theo hƣớng di chuyển biến áp vào vỏ bọc động cơ.
4.3.2. Máy phát điện từ hóa chuyển đổi – TWRG (The switched reluctance generator).
Động cơ SRG đã xuất hiện trong những năm qua rất thiết thực và cơ cấu cơ khí đơn giản, hiệu quả cao, chi phí giảm và nó tạo điều kiện để loại bỏ các hộp số (Kazmierkowski, Krishnan và Blaabjerg, năm 2002). Nó rất hấp dẫn cho các ứng dụng hàng khơng vũ trụ vì có khả năng tiếp tục hoạt động khi giảm các đầu ra trong sự hiển thị lỗi trong máy phát điện riêng của nó. Khảo sát các thuộc tính tích cực và tiêu cực của SRG nằm trong LH Hansen et al (2001). Các tài liệu về SRG liên quan đến tua-bin