CHƢƠNG 4 : MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
4.1. Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng) (Asynchronous (induction)
4.1.2. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn – WRIG
( 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 thông qua một bộ biến đổi công 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 cơng suất cũng thấp hơn.
Các máy phát điện không 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 không 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 không 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 công suất phát, điều này có nghĩa tổn hao trong thiết bị điện tử cơng 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 công 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 quá dòng 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 dòng 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 cơng suất IGBT (Transistor có cực điều khiển cách ly – Insulated Gate Bipolar Transistor – IGBT). Khi đã hòa đồng bộ với lƣới điện dịng 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 biến thế và vào lƣới điện
Hình 4.11: Nguyên tắc của hệ thống đổi tần.
- Mạch chỉnh lƣu AC-DC: đây là khâu dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều và trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng sơ đồ cầu. Nếu là bộ chỉnh lƣu một pha thì ngƣời ta sử dụng sơ dố cầu 1 pha, còn nếu là bộ biến tần 3 pha thì ngƣời ta sử dụng sơ đồ cầu 3 pha. Bộ chỉnh lƣu có thể dùng diode (chỉnh lƣu không điều khiển), hoặc thyristo hoặc transistor (thƣờng là IGBT- Transistor có cực điều
lựa bộ chỉnh lƣu đó là loại gì. Nếu trong hệ thống phải sử dụng cầu chỉnh lƣu làm việc đƣợc trong chế độ ngịch lƣu thì bắt buộc phải dùng thyristo hoặc transistor công suất. Bộ chỉnh lƣu sẽ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều để cung cấp năng lƣợng cho lƣới điện 1 chiều DC link.
- Bộ lọc: vì sau chỉnh lƣu thì chất lƣợng điện áp một chiều trên mạch DC là không “đẹp” nên ngƣời ta thƣờng phải sử dụng một mạch lọc để nâng cao chất lƣợng cho lƣới DC. Mạch lọc ở đây có thể sử dụng loại mạch lọc tĩnh kinh điển. Tuy nhiên trong thực tế do yêu cầu điều khiển nên đa số trong đó sử dụng loại mạch lọc tích cực và cũng sử dụng các linh kiện và thiết bị cùng loại (hoặc là thyristo hoặc transistor nhƣ mạch chỉnh lƣu và nghịch lƣu). Mạch một chiều này có ý nghĩa vơ cùng quan trọng trong điều khiển vì nó vừa là nơi tích trữ năng lƣợng vừa là khâu trung gian phục vụ cho yêu cầu từ 2 phía. Độ lớn của điện áp mạch một chiều thể hiện công suất và khả năng tạo nên ổn định cho biến tần.
- Mạch nghich lƣu DC-AC: đây là mạch biến đổi từ năng lƣợng một chiều thành xoay chiều với tần số đầu vào theo yêu cầu của điều khiển. Cũng nhƣ mạch chỉnh lƣu mạch nghịch lƣu ngƣời ta phải sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất để tạo nên hệ thống. Có thể sử dụng thyristo hoặc là transistor nhƣng không thể sử dụng các diode thuần túy. Nghịch lƣu trong biến tần gián tiếp hoạt động trong chế độ độc lập vì vậy nó hồn tồn phải đƣợc thiết kế điều khiển đƣợc. Chất lƣợng đầu ra là dạng sóng của điện áp, ngƣời ta mong muốn sóng điện áp sẽ càng gần sinus càng tốt. Chính vì yêu cầu này mà vấn đề chọn lựa thiết bị rất quan trọng. Không thể tùy tiện thiết kế và tính tốn lựa chọn điện tử cơng suất. Cũng nhƣ khâu chỉnh lƣu khâu nghịch lƣu này cũng phải làm việc trong chế độ chỉnh lƣu, vì vậy nếu sử dụng transistor IGBT thì trong mạch không thể quên các diode công suất ghép song song để làm nhiệm vụ chỉnh lƣu khi cần thiết.
Bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC): Loại máy này đƣợc trang bị với hai bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) giống hệt nhau. Những bộ biến đổi này thƣờng sử dụng linh kiện bán dẫn công suất (IGBT) trong thiết kế của chúng.
Sự kích thích nguồn AC đƣợc cung cấp thông qua bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía lƣới và bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) phía rotor. Bộ biến đổi nguồn
điện áp (VSC) phía lƣới đƣợc kết nối mạng lƣới điện AC. Các bộ biến đổi phía rotor đƣợc kết nối với cuộn dây rotor. Bộ biến đổi nguồn điện áp phía lƣới (VSC) và phía stator đƣợc kết nối với lƣới điện AC phía máy tăng thế để nâng điện áp đến cấp độ điện áp cao nhƣ lƣới điện mong muốn.
Các bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) cho phép độ rộng biên độ của máy điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIM) điều chỉnh tốc độ thay đổi. Nếu biên độ tốc độ làm việc nhỏ, khi đó cơng suất nhỏ nên đƣợc điều khiển bằng bộ biến đổi công suất hai chiều đƣợc kết nối với rotor. Nếu tốc độ thay đổi đƣợc điều khiển trong khoảng +/_ 30%, khi đó bộ biến đổi phải có một định mức sắp sỉ gần 30% của định mức máy phát điện. Do đó yêu cầu định mức bộ biến đổi là nhỏ đáng kể hơn tổng công suất của máy phát điện nhƣng nó cịn phù thuộc thuộc vào phạm vi tốc độ thay đổi đƣợc chọn lựa và sau đó là cơng suất trƣợt. Cho nên, kích cỡ và chi phí của bộ biến đổi cơng suất tăng khi phạm vi tốc độ xung quanh tốc độ đồng bộ tăng.
f. Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của hệ thống DFIG trong trạng thái ổn định với bộ converter phía rotor.
Hình 4.12: Sơ đồ mạch tương đương DFIG trạng thái ổn định với converter phía rotor.
Để tìm hiểu trạng thái ổn định của DFIG, bộ chuyển đổi phía Roto đƣợc mơ phỏng bởi một trở kháng tƣơng đƣơng. Mạch tƣơng đƣơng đƣợc thành lập dựa vào lý thuyết máy điện và bằng cách thêm vào trở kháng Converter tƣơng đƣơng. Trở kháng Converter tƣơng đƣơng đƣợc xác định bởi:
eq eq eq eq sl eq
Trong đó, sl là tần số góc trƣợt và Leqlà điện cảm tƣơng đƣơng của của RSC.
Chú ý rằng, tần số dòng rotor trong cuộn dây rotor chảy vào converter là sl không phải là s. Để thống nhất trở kháng tƣơng đƣơng converter thành dạng ổn định với
s thì Zeq đƣợc chia với hệ số trƣợt 𝑠, ta đƣợc: eq eq eq eq s eq Z R jX R j L s s s s Trong đó: sl ss