Cánh quạt turbine làm từ gỗ nén, sợi thủy tinh hay các vòng oxy ghép lại. Ngày nay, một turbine gió hiện đại thƣờng có 2 hoặc 3 cánh quạt. Khó khăn về cơ khí song hành trong thiết kế vì những lực ly tâm và lý thuyết mọi sự rung động liên tục. Ngồi ra sự giới hạn của cơ khí tối hiểu để chống chọi với những cơn gió lớn đi kèm với việc điều khiển bảo vệ những cánh quạt, máy phát khi làm việc quá tải hay quá nhiệt. Vấn đề quan trọng trong thiết kế là đặt hệ số công suất cực đại, cánh quạt to hay nhỏ sẽ đem lại sự khác biệt lớn trong tiếp nhận và chuyển đổi năng lƣợng cơ. Cả mối quan hệ về trọng lƣợng với tháp đỡ, chiều dài cánh quạt với chiều cao của tháp cũng phải quan tâm. Mặt khác, tƣơng ứng với công suất nhận đƣợc thì giá thành trong lắp đặt sẽ phải tính tốn để đạt mức tối ƣu.
SVTH: Tô Minh Nguyện 32
2.2.3. Bộ phận điều khiển hƣớng gió (hệ thống yaw)
Bộ phận điều hƣớng điều chỉnh hƣớng turbine liên tục theo chiều gió. Nó có thể đơn giản là cánh quạt đi hay phức tạp hơn trên những tháp hiện đại. Hệ thống yaw sẽ trƣợt theo mệnh lệnh có sự giám sát giải thuật điều khiển thích hợp. Những cánh quạt quay với moment lớn ở trên cao trong thời gian chuyển hƣớng thƣờng dẫn đến tiếng ồn. Sự trƣợt quá nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vƣợt quá giới hạn cho phép, cho nên phải đƣợc kiểm sốt liên tục.
Hình 2.3: Bộ phận điều khiển hướng gió
2.2.4. Hộp số
Hệ thống cánh quạt của turbine điện gió có tốc độ số vịng quay thấp. Tốc độ số vòng quay của máy phát điện (ngoại trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông thƣờng từ 900 đến 2000 vòng trên một phút. Để chuyển tốc độ số vòng quay của hệ thống rotor lên cao, hộp số đƣợc lắp đặt trƣớc trục chính của rotor. Hộp số có chức năng chuyển tốc độ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc độ số vòng quay cao của máy phát điện.
SVTH: Tơ Minh Nguyện 33 Hình 2.4: Hộp số và máy phát điện
2.2.5. Máy phát điện trong tuabin gió
Máy phát điện là một thành phần quan trọng, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của turbine thành điện năng. Trong một hệ thống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại turbine đã đƣợc lựa chọn. Các turbine này đƣợc thiết kế với việc ƣu tiên cho các phƣơng pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió từng vùng. Các máy phát điện ở đây không chỉ đƣợc sử dụng để biến đổi năng lƣợng mà cịn dùng để điều khiển điện áp thơng qua tốc độ quay của turbine.
Turbine đƣợc nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua một trục truyền động, tức là trực tiếp điều khiển máy phát. Loại máy phát này sẽ có tốc độ quay chậm hơn so với các loại máy phát thơng thƣờng. Do đó nó đƣợc thiết kế với số lƣợng điện cực nhiều để đạt đƣợc cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao. Việc điều khiển trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dƣỡng và các chi phí liên quan đến hộp số. Một số nghiên cứu cho thấy hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hƣ hỏng của turbine gió. Hơn nữa, điều khiển trực tiếp làm giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động bởi tần số dao động riêng.
Hộp số
SVTH: Tô Minh Nguyện 34
2.2.6. Bộ phận đo tốc độ gió
Hình 2.5: Bộ phận đo tốc độ gió
Cơng nghệ turbine gió đã thay đổi một cách đáng kể. Những turbine lớn ngày nay đƣợc lắp đặt đều hƣớng đến điều khiển tốc độ dựa trên sự kết hợp điều khiển cơ khí và điện tử cơng suất tự động. Những máy nhỏ thì điều khiển đơn giản bằng tay, chi phí năng lƣợng thấp. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ có những phƣơng pháp sau:
- Không điều khiển: trong trƣờng hợp này tuabin và máy điện đƣợc thiết kế để sẵn sàng chống chọi mọi cơn gió.
- Điều khiển nghiêng, lệch hƣớng: trục rotor đƣợc điều khiển lệch hƣớng gió khi tốc độ gió vƣợt ra khỏi giới hạn cho phép khi thiết kế.
- Điều khiển xoay cánh quạt: thay đổi góc của cánh quạt trên trục turbine tƣơng ứng với thay đổi tốc độ gió.
- Lẫn tránh cơn gió: trong phƣơng pháp này, khi tốc độ gió vƣợt ra khỏi tốc độ cho phép, những cánh quạt đƣợc di chuyển vào vị trí an tồn.
Bộ phận đo tốc độ gió ln cập nhật tốc độ gió và hƣớng gió sau đó chuyển tín hiệu gió đo đƣợc về bộ phận điều khiển để điều chỉnh góc pitch nhằm phát ra cơng suất tối ƣu nhất.
Bộ phận đo tốc độ gió
SVTH: Tơ Minh Nguyện 35
2.3. Thành phần máy phát điện gió
2.3.1. Phân loại cánh quạt turbine gió
2.3.1.1. Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục đứng
Các cối xay gió đầu tiên đƣợc xây dựng dựa trên cấu trúc dọc trục. Loại này chỉ có đƣợc kết hợp trong lắp đặt quy mô nhỏ.
- Ƣu điểm của turbine gió trục đứng là:
+ Dễ dàng bảo trì máy phát điện và hộp số.
+ Nhận gió từ bất kỳ hƣớng nàovà khơng phụ thuộc vào kiểm soát của đi gió.
+ Thiết kế và chế tạo với chi phí thấp. - Nhƣợc điểm của turbine gió trục đứng là:
+ Khơng tự bắt đầu, do đó, u cầu máy phát điện chạy ở chế độ động cơ ban đầu.
+ Hiệu quả thấp.
+ Khó khăn trong việc kiểm soát quá tốc độ.
+ Dao động thành phần trong các mơ-men xoắn khí động học cao.
SVTH: Tơ Minh Nguyện 36
2.3.1.2. Cánh quạt turbine gió bố trí theo trục ngang
Việc thiết kế phổ biến nhất của turbine hiện đại là dựa trên cấu trúc trục nằm ngang. Turbine gió trục ngang đƣợc đặt trên tháp nhƣ hình 2.7. Vai trị của tháp là nâng cao turbine gió ở trên mặt đất để đánh chặn những cơn gió mạnh hơn để khai thác năng lƣợng hơn.
- Ƣu điểm của turbine gió trục nằm ngang: + Hiệu quả cao hơn
+ Khả năng biến thiên góc đón gió các cánh linh động hơn + Chi phí lắp đặt thấp
- Nhƣợc điểm của turbine gió trục nằm ngang:
+ Máy phát điện và hộp số phải đƣợc đặt trên một tháp, do đó hạn chế phục vụ
+ Yêu cầu thiết kế phức tạp hơn
SVTH: Tơ Minh Nguyện 37
2.3.1.3. So sánh cánh quạt turbine bố trí theo trục đứng và cánh quạt turbine bố trí theo trục ngang bố trí theo trục ngang
Turbine gió trục đứng là loại ít phổ biến của turbine gió hiện nay, tuy nhiên nó có ƣu điểm là bình đẳng với mọi hƣớng gió mà khơng cần đi dẫn hƣớng nhƣ loại turbine gió trục ngang. Ngồi ra, turbine gió trục đứng trong q trình vận hành sản xuất điện ít gây tiếng ồn hơn loại trục ngang. Một số nghiên cứu đƣa ra loại turbine trục đứng với bộ cánh thẳng đứng, chúng đƣợc gắn với trục điều khiển thông qua hệ thống cánh tay.
Trục điều khiển thƣờng đƣợc tách ra khỏi tháp đỡ hoặc đƣợc tựa trên hệ thống dây đai và đƣợc nối trực tiếp với rotor của máy phát điện.
Với trục quay thẳng đứng của turbine trục đứng cho phép đặt các máy phát điện ở dƣới chân tháp đỡ, điều này sẽ đơn giản hóa việc lắp đặt, bảo trì, bảo dƣỡng các máy phát đồng thời giúp giảm nhẹ tải trọng của tháp đỡ. Do đó giảm thiểu các chi phí lắp đặt, bảo trì, bảo dƣỡng, và kích thƣớc, trọng lƣợng của máy phát điện khơng cịn là mối lo ngại khi tính tốn thiết kế nữa. Ngồi ra các hệ thống điều khiển turbine gió loại này cũng đƣợc đặt tại mặt đất nên cũng tạo điều kiện cho việc truy cập, lập trình và sửa chữa.
2.3.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lƣợng gió
Trong hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió có rất nhiều máy phát điện đƣợc sử dụng nhƣ:
Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện cảm ứng
Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc
Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.
Đối với hệ thống năng lƣợng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (± 30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép đƣợc xem là giải pháp tốt nhất hiện nay. Bộ biến đổi điện tử cơng suất chỉ điều chỉnh 20 ÷ 30% tổng cơng suất, do đó tổn hao và chi phí của các bộ biến đổi cơng suất có thể giảm. Cấu trúc máy phát điện DFIG tƣơng tự máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn. Mạch stator của máy phát DFIG đƣợc nối trực tiếp
SVTH: Tô Minh Nguyện 38
với lƣới trong khi mạch rotor đƣợc nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trƣợt nhƣ hình 2.8.
Hình 2.8: Máy phát DFIG
Máy phát điện gió nguồn kép DFIG là máy phát điện mà cực stator và rotor có thể phát cơng suất. Khi máy phát điện làm việc nhƣ máy phát, hƣớng công suất trong máy đƣợc đƣa lên lƣới, ở đó cơng suất vào là cơng suất nhận từ turbine gió.
Hệ thống điều khiển turbine gió tốc độ thay đổi DFIG bao gồm các mục tiêu:
Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát điện và lƣới
điện.
Điều khiển bám các điểm vận hành tối ƣu của tuabin nhằm cực đại
cơng suất thực nhận đƣợc từ gió.
2.3.3. Các loại hệ thống turbine gió
2.3.3.1. Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ cố định
Cấu trúc chung của mơ hình hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ khơng đổi. Cấu hình này đơn giản, chủ yếu sử dụng cho hệ thơng turbine gió có cơng suất nhỏ hay trung bình.
Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ khơng đổi dùng máy phát không đồng bộ nối trực tiếp với lƣới điện, tốc độ rotor đƣợc xác định theo số đôi cực của máy phát hoặc hộp số truyền động. Cấu hình hệ thống turbine gió này thƣờng có hai cấp tốc độ cố định, đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát điện có cơng
SVTH: Tơ Minh Nguyện 39
suất định mức và số đôi cực khác nhau. Với cách này có thể làm tăng lƣợng nhận đƣợc từ gió và làm tổn thất từ hóa khi tốc độ gió giảm thấp.
Máy phát khơng đồng bộ trong hệ thống này khơng cần hịa đồng bộ với lƣới điện nhƣ đối với máy phát đồng bộ. Tuy nhiên, đối với các máy phát có cơng suất lớn có thể gây ra dịng điện khởi động cao làm ảnh hƣởng trên lƣới điện chính. Mạch điều kiển moment khởi động có thể đƣợc dùng để hạn chế dòng điện khởi động. Khi tốc độ gió tăng cao, rotor của máy phát có thể đƣợc điều chỉnh theo phƣơng pháp Stall để hạn chế cơng suất phát ra, hoặc có thể dùng phƣơng pháp điều khiển độ trƣợt. Máy phát gió khơng đồng bộ cho phép thay đổi tốc độ 10%, có thể tăng độ trƣợt để tăng cơng suất. Tuy nhiên, nếu độ trƣợt tăng cao thì cơng suất tổn thất lớn và hiệu suất thấp. Vì vậy, các hệ thống điện đại sử dụng máy phát không đồng bộ với độ trƣợt thay đổi.
Nếu tốc độ rotor gần nhƣ không thay đổi, máy phát điện gió khơng thể đạt đƣợc cơng suất tối ƣu khi tốc độ gió thay đổi. Nhƣợc điểm chính của máy phát khơng đồng bộ là tiêu thụ công suất phản kháng từ lƣới điện hoặc từ các trạm bù đƣợc lắp đặt thêm. Đối với các hệ thống hiện đại sử dụng bộ biển đổi công suất để bù thành phần phản kháng tốt hơn.
Hình 2.9: Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ cố định
2.3.3.2. Hệ thống turbine gió hoạt động với tốc độ thay đổi
Cấu hình chung của hệ thông này đƣợc trang bị thêm một số khối chức năng điều khiển do sử dụng loại máy phát khác và có khác biệt trong khối điều khiển điện áp. Do đó, cơng suất phản kháng phát ra hay đƣợc tiêu thụ bởi hệ thống không bị ảnh hƣởng bởi máy phát điện.
SVTH: Tô Minh Nguyện 40
Hệ thống đƣợc trang bị máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng rotor lồng sóc. Hộp số truyền đƣợc thiết kế sao cho tốc độ tối đa của rotor bằng với tốc độ định mức của máy phát. Đối với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu, sẽ đƣợc thiết kế với nhiều cực từ để hệ thống không cần hộp số truyền động. Máy phát điện đƣợc nối lƣới thông qua DC-link hoặc bộ biến đổi tần số, vì vậy hệ thống có thể làm việc với máy phát có tần số khơng phụ thuộc vào tần số lƣới điện. Bộ biến đổi công suất dùng trong cấu hình này sẽ điều khiển tồn bộ cơng suất hệ thống. Ƣu điểm của cấu hình này là có thể linh hoạt điều khiển hệ thống.
Sự thay đổi tần số máy phát khác với sự thay đổi tốc độ rotor. Do đó có thể thay đổi tốc độ rotor trong một phạm vi rộng để hệ thống làm việc ở tốc độ tối ƣu sao cho công suất phát ra cực đại khi tốc độ gió thay đổi. Khi tốc độ gió tăng cao, cơng suất phát ra cần đƣợc giới hạn để bảo vệ hệ thống và đƣợc thực hiện bằng hai giải pháp: Giải pháp thứ nhất là dùng bộ biến đổi công suất để giữ cố định tần số và do tốc độ cũng khơng thay đổi, sau đó áp dụng điều khiển Stall hệ thống để giới hạn công suất; Giải pháp thứ hai là dùng một bộ biến đổi để giới hạn cơng suất khi tốc độ gió tăng cao. Khơng có giải pháp nào để tránh hồn toàn rủi ro quá tốc độ trên rotor khi tốc độgió tăng cao, do đó mỗi hệ thống cơ học cần đƣợc lắp đặt bộ biến đổi hỗ trợ cho việc giới hạn công suất (hệ thống điều khiển độ dốc cánh quạt rotor –pitch).
Hình 2.10: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi với máy phát đồng bộ
SVTH: Tơ Minh Nguyện 41 Hình 2.11: Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi
với máy phát không đồng bộ nguồn kép
2.3.4. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát nguồn kép
Hình 2.12: Cấu trúc của hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIG
Dựa vào tốc độ có thể chia làm 4 loại đƣợc sử dụng rộng rãi: 1. Tốc độ cố định
2. Tốc độ thay đổi nhờ thay đổi điện trở
3. Tốc độ thay đổi nhờ máy phát điện cảm rotor dây quấn 4. Tốc độ thay đổi nhờ máy phát đồng bộ.
SVTH: Tơ Minh Nguyện 42
Máy phát điện cảm rotor dây quấn thực chất là máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG). Hệ thống năng lƣợng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (± 30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng DFIG đƣợc xem là giải pháp tốt nhất hiện nay. Bộ biến đổi điện tử công suất chỉ điều chỉnh 20 † 30% tổng cơng suất, do đó tổn hao và chi phí của các bộ biến đổi cơng suất có thể giảm. Đó cũng là lý do nhà máy điện gió Bạc Liêu sử dụng DFIG trong hệ thống turbine gió với tốc thay đổi.
Cấu trúc của máy phát điện DFIG tƣơng tự nhƣ máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn. Mạch stator của máy phát DFIG đƣợc nối trực tiếp với lƣới trong khi mạch rotor đƣợc nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trƣợt.
Hệ thống máy phát sử dụng năng lƣợng gió dùng DFIG bao gồm máy điện cảm ứng rotor day quấn đƣợc gắn với turbine gió thơng qua trục và hộp số, ba cuộn dây stator của máy phát đƣợc kết nối trực tiếp đến máy biến áp, trong khi đó ba cuộn dây rotor kết nối thông qua bộ biến đổi công suất back-to-back.
Sơ đồ hệ thống máy phát turbine gió nối lƣới, điều khiển hệ thống đƣợc thực hệ thơng qua việc điều khiển dịng của bộ biến đổi cơng suất phía rotor và bộ biến đổi cơng suất phía lƣới, hai bộ biến đổi đƣợc kết nối thông qua tụ DC.
- Bộ biến đổi cơng suất phía rotor (RSC): Điều khiển lƣợng cơng suất