Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2 Các thông số liên quan đến máy phát điện dùng trong turbine gió
2.2.1 Các thông số cơ bản máy điện không đồng bộ:
Máy điện không đồng bộ dùng truyền động cho tải cơ, tốc độ quay rotor nhỏ hơn so với tốc độ từ trường. Tốc độ từ trường: p f n1 60 (vòng/phút) (2.1) p : là số đôi cực. f : là tần số làm việc (Hz) Độ trượt: 1 1 n n n s (2.2)
13 n: là tốc độ quay của rotor (vịng/phút)
2.2.2 Đặc tính cơ của máy điện khơng đồng bộ.
− Khi 0 < n < n1 hay 0 < s < 1 máy điện làm việc ở chế độ động cơ.
− Khi n < 0 hay s > 1 máy điện làm việc ở chế độ hãm ngược.
− Khi n > n1 hay s < 0 rotor của máy điện có tốc độ lớn hơn tốc độ từ trường (nhờ động cơ sơ cấp gắn đồng trục), máy điện làm việc ở chế độ máy phát điện không đồng bộ. Moment điện từ sinh ra ngược với chiều quay của rotor có tác dụng hãm, máy điện chuyển cơ năng thành điện năng. Máy điện cung cấp công suất tác dụng cho lưới điện.
Hình 2. 14 Đặt tính moment quay của máy điện khơng đồng bộ
2.2.3 Các công thức cơ bản của máy phát điện gió khơng đồng bộ.
Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2)..V2, trong đó (kg/m3) là mật độ khơng khí. Cơng suất gió xun qua khu vực diện tích A với tốc độ gió trung bình V là: 3 1 . . 2 v P AV
Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm:
3 1 . 2 p T o W AV dt
2.3 Mơ hình và ngun lý vận hành của turbine gió. 2.3.1 Mơ hình của turbine gió nguồn kép DFIG.
14
Hình 2. 15 Sơ đồ kết nối hệ thống máy phát điều khiển nguồn kép DFIG
2.3.2 Nguyên lý làm việc của turbine gió.
Năng lượng gió thổi vào cánh turbine làm quay turbine. Trục turbine được nối với hộp số để tăng tỉ số truyền để ổn định cho rotor máy phát. Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu tốc độ gió để thay đổi góc quay của cánh quạt, sao cho nhận được năng lượng gió qua cánh turbine là lớn nhất. Vận tốc góc truyền từ hộp số vào máy phát điện, vào hệ thống điều khiển để hệ thống điều khiển máy phát đưa công suất ngõ ra đạt giá trị danh định.
Khi hệ thống đã hoà đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát hoạt động hai chế độ:
− Khi gió thổi vào cánh turbine quay ứng với tần số thấp hơn tần số của lưới điện. Đây là chế độ làm việc dưới đồng bộ (sub – synchronous) máy điện lấy năng lượng từ lưới qua stator.
− Khi gió thổi vào cánh turbine quay ứng với tần số cao hơn tần số của lưới điện. Đây là chế độ làm việc quá đồng bộ (super – synchronous) máy điện đưa năng lượng đến lưới qua rotor.
2.4 Phương pháp điều khiển và các mơ hình hệ thống turbine gió. 2.4.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định. 2.4.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định.
15
Hình 2. 16 Mơ hình máy phát không đồng bộ
Ưu điểm:
− Cấu tạo đơn giản.
− Chi phí thấp.
Nhược điểm:
− Không điều khiển bù công suất phản kháng.
− Cơng suất phát ra phụ thuộc vào năng lượng gió nhận được.
− Khi năng lượng gió là lớn, thay đổi đột ngột như giơng, bảo sẽ ảnh hưởng đến hệ thống cơ của turbine gió. Lưới điện mất ổn định.
2.4.2 Phương pháp điều khiển tu bin gió thay đổi tốc độ.
Loại này thiết kế để đạt hiệu quả cực đại về phương diện khí động học. Chúng đáp ứng được sự thay đổi của tốc độ gió [12-13].
Hình 2. 17 Mơ hình máy phát khơng đồng bộ điều khiển điện trở rotor (loại B) Dao động công suất ngõ ra sẽ giảm khi có sự thay đổi hệ số trượt. Hệ số trượt trong máy phát thường duy trì nhỏ, do đó tốc độ thay đổi khoảng 1 2% giữa lúc có tải và khơng tải.
16
Hình 2. 18 Đường đặc tính moment theo độ trượt s, thay đổi điện trở rotor. Mơ hình máy phát điện gió đồng bộ với DC – link converter. Hệ thống có thể vận Mơ hình máy phát điện gió đồng bộ với DC – link converter. Hệ thống có thể vận hành máy phát điện ở một tần số độc lập với tần số nguồn điện. Thay đổi tần số máy phát điện làm thay đổi tốc độ máy phát điện [12-13].
Mơ hình máy phát điện gió khơng đồng bộ nguồn kép DFIG. Khi hệ thống đã hoà đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát hoạt động hai chế độ.
Khi turbine gió quay với tần số thấp hơn tần số của lưới điện. Đây là chế độ làm việc dưới đồng bộ máy điện lấy năng lượng từ lưới qua stator.
Khi turbine gió quay ứng với tần số cao hơn tần số của lưới điện. Đây là chế độ làm việc trên đồng bộ máy điện đưa năng lượng đến lưới qua rotor.
17
Hình 2. 20 Mơ hình máy phát điện gió có điều khiển tốc độ
Ưu điểm:
− Tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng cơ điện
− Giảm tác động cơ lên turbine khi có thay đổi tốc độ gió
− Nâng cao chất lượng điện năng
Nhược điểm:
− Cấu tạo phức tạp
− Giá thành cao
− Tổn hao một phần cơng suất qua các bộ điều khiển, đóng ngắt cơng suất lớn nhưng hiện nay công nghệ ngày càng phát triển nên các vấn đề trên đã được hạn chế và cải thiện được hiệu suất làm việc.
2.4.3 Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió
Trạm điện gió gồm nhiều turbine liên kết với nhau, tuỳ thuộc vào công suất của trạm điện gió mà số lượng và cơng suất turbine gió sẽ khác nhau. Cơng suất mỗi turbine trung bình 1.5 MW. Các hệ thống lưới liên kết nhau qua hệ thống truyền tải DC hoặc AC.
18 tránh sự mất ổn định của hệ thống.
2.5 Tình hình phát triển năng lượng gió trong những năm gần đây. 2.5.1 Tình hình phát triển năng lượng gió ngồi nước. 2.5.1 Tình hình phát triển năng lượng gió ngồi nước.
Trong vấn đề thay thế dần cho các nguồn năng lượng truyền thống, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là hai nguồn năng lượng được phát triển nhiều hơn cả. Các chính phủ đã có nhiều chính sách về thuế, trợ giá để khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng này. Thống kê về tổng công suất lắp đặt được thực hiện bởi cộng đồng năng lượng gió tồn cầu-GWEC (Global wind energy council-http://www.gwec.net/ ) được thể hiện trong hình 2.2 cho thấy sự tăng trưởng liên tục qua từng năm của tổng cung năng lượng gió trên tồn thế giới.
Sự phát triển năng lượng gió thay thế dần cho các nguồn năng lượng hố thạch không chỉ diễn ra tại các nền kinh tế phát triển mà tại nhiều quốc gia đang phát triển, việc phát triển năng lượng gió cũng được đâu tư tương xứng. Hình 2.22 thể hiện thống kê tổng cơng suất lắp đặt các nhà máy năng lượng gió tại một số quốc gia tiêu biểu tính đến năm 2013. Qua biểu đồ cho thấy Trung Quốc, một nước đang phát triển, cũng tích cực khai thác nguồn năng lượng vô tận này cho nhu cầu năng lượng trong nước.
19
Hình 2. 22 Biểu đồ tổng cơng suất lắp đặt của các nhà máy điện gió
Hình 2. 23 Thống kê cơng suất lắp đặt nhà máy điện gió tại một số quốc gia Nhìn chung, sự tăng trưởng và phát triển các nhà máy năng lượng gió trên tồn thế giới là nhu cầu tất yếu nhằm bù đắp cho sự thiếu hụt nhu cầu điện năng khi phải hạn chế phát triển các nhà máy điện truyền thống và sự gia tăng nhu cầu sử dụng điện năng của con người trong đời sống và sản xuất. Sự phát triển này luôn tăng bởi nguồn năng lượng gió chưa được khác thác trên thế giới vẫn cịn rất lớn.
20
được mơ tả trong hình 2.24 với tổng cơng suất lắp đặt lên tới hơn 33 GW và còn nhiều các dự án đang xác tiến hay đang trong giai đoạn xây dựng. Ưu điểm của các cánh đồng gió ngồi khơi là khơng phải giải phóng mặt bằng, cơng suất gió lớn, có thể xây dựng cụm trụ gió tập trung.
21
Hình 2. 24 Sơ đồ bố trí các trang trại gió tại Anh Quốc
Theo thống kê của GWEC, tính đến hết năm 2016, tổng cơng suất lắp đặt các nhà máy gió xa bờ trên toàn thế giới đạt hơn 487 GW. Bảng thống kê chi tiết tổng công suất lắp đặt theo thứ tự công suất tổng của một số nước trên thế giới được thể hiện trong hình 2.25. Qua kết quả thu được có thể thấy các nước phát triển mạnh về gió là các nước có thường tiếp giáp với các đại dương lớn, có mật độ và tốc độ gió lớn như Anh quốc, Mỹ, Đan Mạch… rất phù hợp trong phát triển các nhà máy gió ngồi khơi.
22
Hình 2. 25 thống kê các nước có tổng cơng suất lắp đặt nhà máy điện gió cao nhất thế giới
2.5.3 Tình trạng hoạt động của một số dự án phong điện của Việt Nam
Trước sự tác động ngày càng rõ rệt của sự nóng lên tồn cầu, thực trạng ơ nhiễm mơi trường và giá cả ngày càng đắt đỏ của các nguồn ngun liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá, khí ga…). Việt Nam đã dần quan tâm và tích cực đầu tư cho các nguồn năng lượng tái tạo. Gió và năng lượng mặt trời là hai lĩnh vực được quang tâm nhất hiện nay, trong đó một số dự án năng lượng gió có cơng suất vừa và nhỏ đã được đầu tư xây dựng. Ngoài các dự án lớn về năng lượng gió đang được xúc tiến đầu tư, một số nhà máy điện gió đã đưa vào vận hành như: Nhà máy phong điện Tuy Phong 1, Nhà máy phong điện Phú Quý, Dự án phong điện Bạc Liêu, Dự án phong điện Bạch Long vĩ……….
2.5.3.1 Nhà máy phong điện 1 Bình Thuận (REVN)
Dự án Phong điện 1 - Bình Thuận ở hình 2.26 là dự án điện gió có quy mơ lớn đầu tiên tại Việt Nam do Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư. Theo quy hoạch vào năm 2015 toàn bộ dự án sẽ hoàn thành và đi vào hoạt động với 80 turbine, tổng cơng suất là 120 MW. Diện tích chiếm đất (1500 ha) của dự án chủ yếu được quy hoạch trên vùng đất bạc màu, chỉ có cây bụi và rẫy dưa tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận.
23
Hình 2. 26 Dự án điện gió phong điện 1 Bình Thuận
Giai đoạn 1 của dự án đã hoàn thành vào tháng 5 năm 2011 gồm 20 turbine gió mỗi turbine có cơng suất 1,5 MW (FL MD 77) với chiều cao cột 85m, đường kính cánh quạt 77m, tổng trọng lượng turbine là 89,4 tấn, cột tháp là 165 tấn. Toàn bộ thiết bị do Fuhrlaender của Đức cung cấp và được Công ty Fuhrlaender Việt Nam lắp đặt. Tổng mức đầu tư giai đoạn một là gần 820 tỷ đồng. Với 20 turbine gió vận hành ổn định, sản lượng điện phát vào lưới điện quốc gia vào khoảng 100 triệu kWh/năm.
2.5.3.2 Nhà máy phong điện Phú Quý (PVN)
Dự án nhà máy phong điện Phú Quý được xây dựng nhằm bổ sung nguồn và liên kết nguồn diesel hiện hữu để cung cấp điện cho phụ tải của toàn huyện đảo Phú Qúy tỉnh Bình Thuận có những đặc điểm như sau:
Hình 2. 27 Cơng trình phong điện huyện đảo Phú Q
− Vị trí: Nhà máy phong điện đặt ở phía Bắc đảo Phú Quý - tỉnh Bình Thuận
− Tổng cơng suất: 6MW (3turbine x 2MW)
24
tốc gió.
Phương pháp này được đề xuất trong nghiên cứu [24] bởi Wei Qiao và các cộng sự. Bài báo đề xuất phương pháp ước lượng vận tốc gió trong vấn đề cơng suất cực đại cho các máy phát điện gió tốc độ thay đổi khơng cảm biến. Một thiết kế đặc biệt của của thuật toán được trang bị trong các máy phát DFIG được đề xuất trong bài báo.
Hình 2. 28 Ước lượng vận tốc gió dựa trên mạng thần kinh nhân tạo
Dựa trên các thơng số có được từ cơng suất cơ, vận tốc rotor và góc beta, một mạng thần kinh nhânh tạo hình tia kiểu Gausse được đề xuất trong nhận dạng vận tốc gió. Cách thức bám theo điểm MPPT được thể hiện chi tiết như trong hình 2.29.
25
Hướng nghiên cứu của bài báo rất khả quang khi ước lượng được vận tốc gió trong các mô phỏng và thực tế. Tuy nhiên, việc phân bố gió thường khơng đều tại các nơi trên vùng quét của các cánh quạt gió nên việc cơng suất cực đại được suy ra từ vận tốc gió thường khơng được chính xác. Đây cũng là một hạn chế trong phương pháp được đề xuất.
2.6.1 Điều khiển công suất hằng số cho máy phát DFIG với bộ lưu trữ năng lượng dùng siêu tụ.
Tác giả Liyan Qu và cộng sự đã đề xuất một phương pháp điều khiển công suất hằng số cho máy phát DFIG bằng cách sử dụng siêu tụ trong nghiên cứu [25]. Trong nghiên cứu này, một bộ siêu tụ được mắc song sóng với bus DCgiữa hai bộ nghịch lưu back-to-back. Bộ siêu tụ có nhiệm vụ điều hịa luồng cơng suất đi vào và đi ra của bộ điều khiển cơng suất phía lưới và bộ điều khiển cơng suất phía rotor. Cấu hình làm việc của phương pháp được đề xuất được thể hiện trong hình 2.30.
Hình 2. 30 Cấu hình của DFIG được trong bị siêu tụ ESS
Với cấu trúc như trong đề xuất, công suất tác dụng ngõ ra được giữa ổn định hơn khi có sự thay đổi vận tốc gió trong mơi trường hoạt động. Kết quả thu được trong bài báo chứng tỏ được hệ thống vận hành ổn định hơn khi không được trang bị các siêu tụ. Tuy nhiên, chi phí cho một bộ tụ cơng suất lớn như vậy là khá cao nên vấn đề ứng dụng trong thực tế cho giải pháp này cần có sự cân nhắc hợp lý bởi nhiều yếu tố kinh tế kỹ thuật.
26
Hình 2. 31 Sơ đồ đơn tuyến của hệ thống điện có máy phát DFIG và STATCOM
Hình 2. 32 Sơ đồ tổng quan hệ thống điện có DFIG và STATCOM
Hệ thống được thực hiện trên bộ mô phỏng thời gian thực (Real Time Digital Simulator - RTDS) với mục tiêu mô phỏng sự cố ngắn mạch lưới điện. Trong suốt thời gian sự cố ngắn mạch, bộ điều khiển phía lưới được khóa lại và sẽ khởi động lại khi sự cố được loại trừ và điện áp tại nút kết nối được phục hồi lại nhanh chóng. Mơ phỏng thời gian thực chỉ ra rằng STATCOM cung cấp một hỗ trợ điện áp động, điện áp điểm
27
kết nối được phục hồi nhanh hơn thời gian thời gian sự cố ngắn mạch trên lưới điện, và vì thể máy phát gió duy trì được hoạt động của nó trong khi nếu khơng có STATCOM thì DFIG sẽ bị ngắt khỏi lưới điện và khơng thể duy trì hoạt động sau sự cố bị loại trừ. Tuy nhiên, việc trang bị một DFIG đòi hỏi phải tốn thêm một khoảng chi phí khơng nhỏ. Do đó, cần có sự cân nhắc thật kỹ của người thiết kế trong các hoàn cảnh cụ thể để quyết định có áp dụng phương pháp được đề xuất hay khơng.
2.7 Hướng nghiên cứu của luận văn
Sau q trình thu thập số liệu và các thơng tin liên quan đến lĩnh vực năng lượng gió và tiềm năng phát triển năng lượng gió trong và ngồi nước, nhận thấy xu hướng phát triển năng lượng gió hiện nay là xây dựng các cánh đồng gió lớn với các trụ gió có cơng suất trên 1 MW để nâng cao tỉ suất đầu tư, giảm giá thành sản xuất điện gió, có thể thâm nhập nhiều hơn vào tỉ trọng năng lượng điện hiện nay.
Trong xu thế đó, việc yêu cầu phải có một bộ điều khiển linh hoạt, hoạt động tốt tại các vùng vận tốc gió khác nhau là rất quang trọng bởi sự thay đổi vận tốc gió liên tục trong mơi trường tự nhiên. Luận văn hướng tới việc xây dựng một giải thuật điều khiển linh hoạt theo điều kiện gió tại các vùng làm việc khác nhau nhằm góp phần nâng