Trong hệ thống điện tuabin gió, tuabin gió có thể được vận hành ở tốc độ cố định (thơng thường có một sự thay đổi nhỏ, trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi.
Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và
do đó khơng có khả năng hấp thu cơng suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống tuabin gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện.
Đối với tuabin gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi các thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có thể được hạn chế. Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với tuabin gió tốc độ cố định.
Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có thể là : Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ.
Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện khơng đồng bộ rotor lồng sóc Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
4.2. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện khơng đồng bộ
Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát điện khơng đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện.
Thông thường, hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định làm việc ở hai tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức và số cặp cực khác nhau. Điều này sẽ cho phép tăng cơng suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.
40
Mặc dù, hệ thống này có cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao nhưng nó cũng bao gồm các nhược điểm chính như sau:
Khơng thể điều khiển công suất tối ưu.
Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột.
Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên khơng có khả năng điều khiển tích cực.
Hình 4.2. Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện khơng đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện
4.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện khơng đồng bộ rotor lồng sóc 4.3.1. Giới thiệu
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi được trang bị một bộ biến đổi công suất mà được đặt giữa stator máy phát và lưới điện. Trong hệ thống này, máy phát điện có thể là máy phát khơng đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát điện đồng bộ. Với cấu hình này,
có thể điều khiển tối ưu cơng suất nhận được từ gió, nhưng do phải biến đổi tồn bộ cơng suất phát ra nên tổn hao là lớn và cần đầu tư chi phí cho bộ biến đổi cơng suất.
Hình 4.3. Kết cấu máy phát điện khơng đồng bộ
Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc bao gồm 2 bộ phận chủ yếu là stator và rotor cách nhau bởi khe hở khơng khí. Ngồi ra, máy phát điện cịn có vỏ máy, trục máy và nắp máy. Trục làm bằng thép, trên đó có gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn quạt gió để làm mát máy dọc trục.
42 Trong đó:
1 – lõi thép stator. 2 – dây quấn stator. 3 – nắp máy. 4 – ổ bi. 5 – trục máy. 6 – hộp đầu cực. 7 – lõi thép rotor. 8 – thân máy. 9 – quạt làm mát. 10 – hộp quạt. 4.3.1.1. Phần stator
Phần stator bao gồm hai bộ phận chính là: lõi thép và dây quấn. Ngồi ra, cịn có vỏ máy và nắp máy.
a. Vỏ máy
Vỏ máy được sử dụng để cố định lõi sắt và dây quấn chứ không dùng là mạch dẫn từ. Vỏ máy thường làm bằng gang. Đối với máy công suất lớn (>1000kW) dùng thép tấm hàn lại.
b. Lõi thép stator
Để dẫn từ, lõi thép stator có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi thép được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm. Khi đường kính ngồi > 990 mm thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ép lại thành khối tròn. Để giảm tổn hao do dịng điện xốy, các lá thép kỹ thuật điện đều phủ sơn cách điện.
Hình 4.6. Cấu tạo lõi thép stator
c. Dây quấn stator
Dây quấn stator thường được làm bằng các dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các rảnh của lõi thép. Hình 4.7 biểu diễn sơ đồ khai triển dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh của một máy phát điện không đồng bộ. Dây quấn pha A được đặt trong các rãnh 1, 4, 7 và 10; pha B được đặt trong các rãnh 3, 6, 9 và 12 và pha C được đặt trong các rãnh 5, 8, 11 và 2. Dòng điện xoay chiều 3 pha chạy trong dây quấn 3 pha stator sẽ tạo nên từ trường quay.
44
Hình 4.7. Cấu tạo dây quấn stator
Hình 4.8. Sơ đồ khai triển dây quấn stator
4.3.1.2. Phần rotor
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
a. Lõi thép
Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator, ghép lại, ở giữa có dập lổ để lắp trục. Vì tổn hao trong lõi sắt rotor rất nhỏ nên không
cần dùng thép kỹ thuật điện. Nhưng để lợi dụng, thép kỹ thuật điện sau khi dập lá thép stator, người ta ép lõi thép rotor. Lõi thép rotor được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên giá đỡ rotor. Phía ngồi lá thép có dập rãnh để đặt dây quấn.
Hình 4.9. Lõi thép rotor
b. Dây quấn rotor
Có 2 loại:
Loại rotor kiểu dây quấn:
Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator. Dây quấn 3 pha của rotor thường đấu hình sao, cịn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thơng qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngồi. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.
46 Loại rotor kiểu lồng sóc:
Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay bằng nhôm dài ra lõi thép và được nối tắt lại ở 2 đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Dây quấn kiểu lồng sóc khơng cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện đặc tính mở máy, rãnh rotor có thể dùng dạng rãnh sâu hoặc dạng rãnh kép.
Hình 4.11. Thanh dẫn của rotor lồng sóc
c. Trục máy
Trục máy điện mang rotor quay trong lòng stator. Trục máy điện tùy theo kích thước có thể chế tạo từ thép cacbon C5 đến C45. Trên trục của rotor có lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió.
4.3.2. Mơ tả tốn học của máy phát điện không đồng bộ Tốc độ của từ trường quay máy phát điện khơng đồng bộ:
𝑁𝑠 =60𝑓
𝑝 (𝑣ị𝑛𝑔
𝑝ℎú𝑡) (4.3)
Trong đó:
p: là số cặp cực từ
Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor và cảm ứng trong rotor sức điện động, e:
𝑒 = −𝑑𝜃 𝑑𝑡
Sự tương tác dịng điện rotor và từ thơng tạo ra một moment với độ lớn của moment được xác định như sau:
𝑇 = 𝐾∅𝐼2𝑐𝑜𝑠𝜑2 (4.4)
Trong đó:
K: là hệ số tỷ lệ máy phát : là độ lớn từ thông (Wb)
I2: là độ lớn dòng điện phần ứng
: là góc lệch pha giữa áp và dịng của rotor Hệ số trượt, s:
𝑆 = 𝑁𝑠−𝑁𝑟
𝑁𝑠 (4.5)
Nr : là tốc độ quay của rotor Ns : là tốc độ từ trường quay
Điện trở stator quy đổi về rotor: 𝑅1 = 𝑅21−𝑆
𝑆 (4.6)
48 𝑃𝑒𝑚 = 3𝐼22𝑅21−𝑠 𝑠 (4.7) Moment quay: 𝑇𝑒𝑚 =𝑃𝑒𝑚 𝜔 (4.8) Trong đó: :là tốc độ góc của rotor =2πNs(1−s) 60 (4.9)
Khi đó: moment của rotor được viết lại như sau: 𝑇𝑒𝑚 = 180
2𝜋𝑁𝑠𝐼22 𝑅2
𝑠 (4.10)
Khi s < 0, thì tốc độ của rotor máy phát điện lớn hơn tốc độ từ trường quay. Sơ đồ tương đương thay thế của máy phát điện không đồng bộ của hệ tọa độ d-q trong khung tham chiếu đồng bộ được biểu diễn trong hình 4.13.
a) Sơ đồ mạch tương đương trục d
b) Sơ đồ mạch tương đương trục q
Hình 4.13. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ Phương trình điện áp của máy phát điện không đồng bộ trong hệ tọa độ d-q được biểu diễn như sau :
𝑣𝑑𝑠 = 𝑖𝑑𝑠𝑅𝑠− 𝜔𝑒𝑞𝑠 +𝑑𝑑𝑠
50 𝑣𝑞𝑠 = 𝑖𝑞𝑠𝑅𝑠+ 𝜔𝑒𝑑𝑠+𝑑𝑠 𝑑𝑡 (4.12) 0 = 𝑖𝑑𝑟𝑅𝑟 + (𝜔𝑒 − 𝜔𝑟)𝑞𝑟+𝑑𝑑𝑟 𝑑𝑡 (4.13) 0 = 𝑖𝑞𝑟𝑅𝑟 + (𝜔𝑒 − 𝜔𝑟)𝑑𝑟+𝑑𝑞𝑟 𝑑𝑡 (4.14) 0 = 𝑖𝑑𝑓𝑒𝑅𝑓𝑒+ 𝜔𝑒𝑞𝑠 −𝑑𝑑𝑚 𝑑𝑡 (4.15) 0 = 𝑖𝑞𝑓𝑒𝑅𝑓𝑒+ 𝜔𝑒𝑑𝑠 −𝑑𝑞𝑚 𝑑𝑡 (4.16) Trong đó: 𝑣𝑑𝑠 và 𝑣𝑞𝑠: là điện áp stator các trục d và q
𝑖𝑑𝑓𝑒và 𝑖𝑞𝑓𝑒: là dòng điện các trục d và q qua điện trở Rfe 𝑖𝑑𝑚và 𝑖𝑞𝑚: là dịng điện từ hóa các trục d và q 𝑑𝑠 và𝑞𝑠 : là từ thông stator các trục d và q 𝑑𝑚 và 𝑞𝑚 Các thành phần dòng điện stator trục d và q: 𝑖𝑑𝑠 = 𝑖𝑑𝑚+ 𝑖𝑑𝑓𝑒 − 𝑖𝑑𝑟 (4.17) 𝑖𝑞𝑠 = 𝑖𝑞𝑚+ 𝑖𝑞𝑓𝑒− 𝑖𝑞𝑟 (4.18)
Phương trình mơment máy phát khơng đồng bộ: 𝑇𝑒 =3 2 𝑝 2(𝑞𝑠𝑖𝑑𝑠−𝑑𝑠𝑖𝑑𝑠) (4.19) Trong đó: p: là số cặp cực
𝑃𝑖𝑛 = 𝑇𝑒𝜔𝑚 = 2
𝑝𝑇𝑒𝜔𝑟 (4.20)
Bỏ qua các tổn thất cơ và các tổn thất khác, tổn thất của máy phát điện không đồng bộ bao gồm: Tổn thất đồng stator:𝑖𝑑𝑠2 𝑅𝑠+ 𝑖𝑞𝑠2 𝑅𝑠 (4.21) Tổn thất đồng rotor:𝑖𝑑𝑟2 𝑅𝑟 + 𝑖𝑞𝑟2 𝑅𝑟 (4.22) Tổn thất sắt stator: 𝐾ℎ𝜔𝑒𝑟2+ 𝐾𝑒𝜔𝑒2𝑟2 (4.23) Tổn thất sắt rotor:𝐾ℎ𝜔𝑠𝑙𝑟2+ 𝐾𝑒𝜔𝑠𝑙2𝑟2 (4.24) Trong đó: Rs: là điện trở stator Rr: là điện trở rotor Rfe: là điện trở tổn thất sắt
ids, iqs: là dòng điện stator các trục d và q e: là tần số góc stator
r: là tần số góc rotor sl: là tần số góc trượt : là từ thông rotor
Kh và Ke: là các hệ số thất từ trễ và dịng điện xốy
Tuy nhiên, tổn thất sắt rotor thông thường được bỏ qua do tần số trượt rất nhỏ trong điều kiện làm việc bình thường.
4.4. Mơ hình tốn học máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Các sơ đồ tương đương trục d và q của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với hệ tọa độ d-q được quay đồng bộ dưới tốc độ góc, . Mơ hình này bao gồm các ảnh hưởng của tổn thất đồng và tổn thất sắt .
52
Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong được biểu diễn như sau:
𝑣𝑑 = 𝑅𝑎𝑖𝑑+ 𝐿𝑑𝑑𝑖𝑑
𝑑𝑡 − 𝜔𝐿𝑞𝑖𝑞 (4.30)
𝑣𝑞 = 𝜔𝐿𝑑𝑖𝑑+ 𝑅𝑎𝑖𝑞 + 𝐿𝑞𝑑𝑖𝑞
𝑑𝑡 + 𝜔𝑎 (4.31)
Trong đó:
id, iq: là dòng điện phần ứng trục d và q vd, vq: là điện áp stator trục d và q : là vận tốc góc rotor
Ra: là điện trở phần ứng a: là từ thông phần ứng 𝐿𝑑, 𝐿𝑞: là từ cảm trục d và q
a) Sơ đồ tương đương trục d
c) Sơ đồ tương đương trục q
Môment của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong:
𝑇𝑔 = −𝑝[𝑎𝑖𝑜𝑞+ (𝐿𝑑− 𝐿𝑞)𝑖0𝑑𝑖0𝑞] (4.32) Trong đó:
p: là số cặp cực
Tổn thất đồng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
𝑃𝑐 = 𝑅𝑎(𝑖𝑑2+ 𝑖𝑞2) (4.33)
Tổn thất sắt của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
𝑃𝑖 =𝜔√(𝐿𝑑𝑖0𝑑+𝑎)
2
+(𝐿𝑞𝑖0𝑞)2
𝑅𝑐 (4.34)
Tổng tổn thất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
𝑃𝑙 = 𝑃𝑖+ 𝑃𝑐 (4.35)
Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: = 𝑃𝑜𝑢𝑡
54
CHƯƠNG 5
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO PMSG
5.
5.1. Phương pháp điều khiển MPPT cho PMSG dựa trên WECS
Công suất được sản xuất bởi một tuabin gió được đưa ra bởi:
𝑃𝑚 = 0.5𝜋𝜌𝐶𝑝(,)𝑅2𝜗𝑤3 (5.1) Trong đó: R: bán kính tuabin 𝜗𝑤: tốc độ gió. 𝜌 :mật độ gió. 𝐶𝑝 : hệ số công suất. :tỷ lệ tốc độ đầu vào. : góc pictch. = 𝜔𝑟𝑅/𝜗𝑊 (5.2) 𝜔𝑟:tốc độ góc quay tuabin
Phương trình động năng của tuabin gió được cho là
𝑑𝜔𝑟 𝑑𝑡 =1 𝐽[𝑇𝑚− 𝑇𝐿 − 𝐹𝜔𝑟] (5.3) Trong đó: J: qn tính hệ thống F:là hệ số ma sát nhớt
𝑇𝑚là mô-men xoắn được phát triển bởi các tua-bin
𝑇𝐿là mô men do tải mà trong trường hợp này là các mô-men xoắn máy phát điện. Các mục tiêu công suất tối ưu từ một tuabin gió có thể được viết như:
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐾𝑜𝑢𝑡𝜔𝑟_𝑜𝑝𝑡3 (5.4) Trong đó: 𝐾𝑜𝑝𝑡 =0.5𝜋𝜌𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥𝑅5 𝑜𝑝𝑡3 (5.5) 𝜔𝑜𝑝𝑡 =𝑜𝑝𝑡 𝜗𝑤 𝑅
Cho thấy công suất tuabin cơ khí như là một hàm của tốc độ cánh quạt ở tốc độ gió khác nhau. Cơng suất cho một tốc độ nhất định của gió là tối đa giá trị nhất định của tốc độ cánh quạt, được gọi là tốc độ quạt tối ưu 𝜔𝑜𝑝𝑡.Đây là tốc độ tương ứng với tỷ lệ tốc độ đầu tối ưu 𝑜𝑝𝑡 Để có cơng suất tối đa có thể, tuabin nên ln luôn hoạt động ở 𝑜𝑝𝑡 .
Điều này có thể bằng cách kiểm sốt tốc độ quay của tuabin, do đó nó ln ln quay với tốc độ tối ưu của vịng xoay.
Hình 5.1. Cơng suất cơ học tuabin như là một hàm của tốc độ rotor cho tốc độ gió khác nhau
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được ưa thích hơn và nhiều hơn nữa trong việc phát triển mẫu thiết kế mới vì hiệu quả cao hơn, mật độ năng lượng cao, tính khả
56
dụng của nam châm vĩnh cửu năng lượng cao,vật liệu ở giá hợp lý và khả năng của tuabin đường kính nhỏ hơn trong các ứng dụng trực tiếp điều dẫn. Hiện nay, nhiều nghiên cứu những nỗ lực được đạo diễn hướng tới thiết kế của WECS đó là đáng tin cậy, có hao mịn thấp, nhỏ gọn, hiệu quả, có tiếng ồn thấp và chi phí bảo trì; như vậy một WECS là có thể thực hiện trong các hình thức của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió PMSG.
Các phương pháp MPPT để kiểm sốt hiện nay có 3 phương pháp được đề xuất. Phương pháp kiểm soát tỷ lệ tốc độ (TSR):
Tính tốn Một tốc độ gió dựa trên điều khiển TSR được đề xuất trong để theo dõi các điểm cơng suất đỉnh. Tốc độ gió được ước tính sử dụng mạng nơron, và hơn nữa, bằng cách sử dụng tốc độ gió ước tính và kiến thức về tối ưu TSR, lệnh tốc độ rotor tối ưu được tính. Lệnh tốc độ tối ưu tạo ra được áp dụng cho các vòng điều khiển tốc độ của hệ thống kiểm