Chƣơng 3 HỆ THỐNG TUABIN GIĨ – DFIG
3.2. Các thành phần chính của hệ thống tuabin giĩ DFIG
3.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của DFIG
Với máy phát điện đồng bộ, để làm việc đƣợc thì ta cần cĩ động cơ sơ cấp kéo rotor của máy phát quay trƣớc đồng thời cấp nguồn kích từ DC cho cuộn dây rotor. Máy phát biến đổi cơng suất cơ trên trục thành cơng suất điện để cung cấp cho lƣới thơng qua dây quấn stator. Khi cĩ động cơ sơ cấp kéo trục của máy phát quay kéo theo rotor của máy phát cũng quay, từ trƣờng tĩnh đƣợc tạo bởi dịng điện DC cấp vào cuộn dây rotor máy phát cũng quay với cùng tốc độ quay của rotor (nr). Kết quả, sinh ra từ trƣờng cắt qua các cuộn dây của stator, trong các cuộn dây của stator xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Mối quan hệ giữa tần số fs của điện áp xoay chiều cảm ứng trong dây quấn stator máy phát và tốc độ quay của rotor (nr) đƣợc thể hiện qua phƣơng trình:
r p s n .n f 120 (3.1)
Trong đĩ: np là số cực của máy phát điện.
Hình 3.1. Các thành phần chính của hệ thống tuabin giĩ - DFIG
Lƣới Giĩ Hộp
số
Bộ điều khiển và bảo vệ hệ thống Cơng suất Rotor GSC
MBA
C Bộ lọc Cơng suất Stator
RSC Tuabin
Từ phƣơng trình (3.1) ta nhận thấy rằng, khi tốc độ quay của rotor máy phát (nr) bằng với tốc độ quay đồng bộ của máy phát (ns) thì tần số của điện áp cảm ứng qua dây quấn stator máy phát (fs) bằng với tần số (flƣới) của mạng lƣới.
Nguyên lý làm việc của DFIG tƣơng tự nhƣ máy phát điện đồng bộ chỉ khác ở chỗ từ trƣờng tạo bởi dịng điện trong rotor khơng phải là tĩnh mà là từ trƣờng quay (vì nĩ đƣợc tạo bởi dịng điện xoay chiều 3 pha) với tốc độ nΦ,rotor tỷ lệ với tần số dịng điện cấp vào cuộn dây rotor. Điều đĩ cĩ nghĩa là từ trƣờng quay cắt qua cuộn dây stator khơng chỉ quay do sự quay của rotor máy phát mà cịn do tác dụng quay bởi dịng điện AC cấp vào cuộn dây rotor. Do đĩ, trong DFIG, cả tốc độ quay của rotor (nr) và tần số của dịng điện cấp cho rotor (fr) xác định tốc độ quay của từ trƣờng cắt qua dây quấn stator (nΦ, stator) cảm ứng trong cuộn dây stator một sức điện động xoay chiều với tần số (fs).
Khi từ trƣờng tạo ra bởi rotor quay cùng chiều với rotor máy phát, tốc độ rotor nr và tốc độ nΦ,rotor của từ trƣờng quay do rotor sinh ra (tỷ lệ với fr) cộng lại với nhau (hình 3.2a). Tần số fs của điện áp cảm ứng trong dây quấn stator của máy phát do đĩ đƣợc tính theo phƣơng trình (3.2): r p s r n .n f f 120 (3.2)
Trong đĩ: fr là tần số dịng điện cấp vào cuộn dây rotor DFIG, đơn vị là hertz (Hz). Khi từ trƣờng tạo ra bởi rotor quay ngƣợc chiều với rotor máy phát, tốc độ rotor nr và tốc độ nΦ,rotor của từ trƣờng quay do rotor sinh ra (tỷ lệ với fr) trừ đi cho nhau (hình 3.2b). Tần số fs của điện áp cảm ứng trong dây quấn stator của máy phát do đĩ đƣợc tính theo phƣơng trình (3.3): r p s r n .n f f 120 (3.3)
Chương 3. Hệ thống tuabin giĩ - DFIG
Nĩi tĩm lại, tần số fs của điện áp xoay chiều cảm ứng trên dây quấn stator của DFIG tỷ lệ với tốc độ nΦ,stator của từ trƣờng quay sinh ra do dịng điện trong dây quấn stator. Tốc độ nΦ,stator phụ thuộc vào tốc độ quay rotor nr (do cơng suất cơ trên trục rotor) và tần số fr của dịng xoay chiều cấp vào rotor máy phát.
Lý do đầu tiên để sử dụng DFIG là khả năng phát điện áp 3 pha với tần số fs là hằng số, tần số fs đƣợc duy trì bằng tần số lƣới mặc dù tốc độ rotor nr luơn thay đổi do sự dao động cơng suất cơ của động cơ sơ cấp (ví dụ nhƣ tốc độ của tuabin giĩ). Để đạt đƣợc mục đích trên, tần số fr của dịng điện cấp vào dây quấn rotor của DFIG phải liên tục đƣợc điều chỉnh tƣơng ứng với sự thay đổi tốc độ của rotor để duy trì tần số dịng xoay chiều đầu ra của DFIG.
Tần số fr của dịng điện xoay chiều cần thiết để cấp nguồn cho cuộn dây rotor của DFIG nhằm duy trì tần số đầu ra fs bằng với tần số flƣới phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor máy phát và đƣợc tính theo phƣơng trình sau:
r p r luoi n .n f f 120 (3.4)
Hình 3.2. Sự tương tác giữa tốc độ quay của rotor với tần số từ trường quay
tạo bởi dịng điện trong dây quấn rotor của DFIG
a. Từ trƣờng tạo ra bởi rotor quay cùng chiều với rotor máy phát
b. Từ trƣờng tạo ra bởi rotor quay ngƣợc chiều với rotor máy phát
Từ phƣơng trình (3.4), nếu tốc độ quay của DFIG bằng tốc độ đồng bộ ns, tần số fr sẽ bằng 0 Hz. DFIG hoạt động nhƣ máy phát điện đồng bộ.
Khi tốc độ quay của rotor nr giảm dƣới tốc độ đồng bộ (nr < ns), tần số fr cần phải tăng tƣơng ứng và cùng cực tính để đảm bảo thứ tự pha của dịng điện xoay chiều 3 pha cấp cho dây quấn rotor tạo ra từ trƣờng quay cùng chiều với tốc độ quay của rotor nhƣ minh họa trong hình 3.2a.
Khi tốc độ quay của rotor nr tăng trên tốc độ đồng bộ (nr > ns), tần số fr cần phải tăng tƣơng ứng và ngƣợc cực tính để đảm bảo thứ tự pha của dịng điện xoay chiều 3 pha cấp cho dây quấn rotor tạo ra từ trƣờng quay ngƣợc chiều với tốc độ quay của rotor nhƣ minh họa trong hình 3.2b.