CHƢƠNG 4 : MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ
4.1. Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng) (Asynchronous (induction)
4.1.1. Máy phát điện cảm ứng lồng sóc – SCIG ( Squirrel cage induction
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 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 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.