VẬN HÀNH VÀ ỔN ĐỊNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
3.2. Ổn định máy phát điện gió trong lưới phân phối
3.2.2. Ổn định trong lưới phân phối khi có máy phát điện gió
3.2.2.1. Mô hình các phần tử của DG gió loại phổ biến hiện nay (Doubly-fed induction generator-DFIG)
Với những ưu điểm nổi trội nên phổ biến hiện nay người ta sử dụng loại máy phát cảm ứng nối kép (Doubly-fed induction generator – DFIG).
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý của Máy phát điện gió loại DFIG
DFIG bao gồm một máy phát cảm ứng rotor dây quấn và một bộ đổi điện AC/DC/AC. Bộ đổi điện gồm hai thành phần: Bộ biến tần phía roto (Crotor) và bộ biến tần phía lưới (Cgrid). Crotor và Cgrid là các bộ biến tần nguồn áp sử dụng linh kiện điện tử công suất chuyển mạch (IGBTs). Một tụ điện được nối phía DC như một nguồn áp DC. Một bộ cuộn cảm sử dụng để nối Cgrid với lưới. Cuộn dây rotor ba pha được nối với Crotor bằng các vành trượt và chổi than. Cuộn stator nối trực tiếp với lưới điện 50Hz. Năng lượng mà turbine gió hấp thụ được chuyển thành năng lượng điện bằng máy phát cảm ứng và nó được chuyển lên lưới qua các cuộn dây stato và roto. Hệ thống điều khiển thực hiện điều khiển góc mở cánh quạt của turbine và điều khiển Crotor và Cgrid bằng các tín hiệu điện áp Vr và Vgc để điều khiển công suất của turbine gió, điện áp bus DC và công suất phản kháng hoặc
Các phương trình cơ bản
Pm: Công suất cơ Turbine gió thu được đưa đến đầu trục rotor máy phát.
Ps: Công suất điện từ đưa ra từ stato.
Pr: Công suất điện từ đưa ra từ roto.
Pgc: Công suất điện từ đưa ra từ bộ biến tần phía lưới (DC/AC) Qs: Công suất phản kháng đưa ra từ stato
Qr: Công suất phản kháng đưa ra từ rotor
Qgc: Công suất phản kháng đưa ra từ bộ biến tần phía lưới (DC/AC) Tm: Mooment cơ cung cấp cho roto
Tem: Mooment điện từ của máy phát ωr: Vận tốc quay của rotor
ωs: Vận tốc quay của từ thông khe hở không khí của máy phát.
J: Hệ số quán tính.
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý dòng công suất của DFIG
Công suất cơ và công suất điện từ stato được tính:
Pm = Tm * ωr
Pem = Tem * ωs
Tổn thất khi qua máy phát:
em
r Tm T
dt
J dω = −
Đối với trạng thái bền vững ở tốc độ cố định với tổn thất thấp nhất thì:
Tm = Tem và Pm = Ps + Pr Ta có thể viết:
Pr = Pm - Ps = Tm.ωr- Tm.ωs= -sPs
Hay: Pr = -sPs
Trong đó: s là độ trượt của máy phát
s r
s s
ω ω ω −
=
Nói chung trị tuyệt đổi độ trượt s luôn nhỏ hơn 1 vì vậy giá trị của Pr nhỏ hơn nhiều so với Ps. Trong chế độ máy phát Tm là dương, khi đó ωs là dương và điện áp của hệ thống có tần số là hằng số không đổi, Pr là một hàm số theo độ trượt s và Pr là dương nếu s âm (tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ) và nó âm khi độ trượt dương (tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ). Khi hoạt động ở chế độ quá đồng bộ, Pr được đưa đến bus DC và có khuynh hướng làm tăng điện áp DC. Khi hoạt động ở chế độ dưới đồng bộ, Pr được lấy ra khỏi bus DC và có khuynh hướng làm giảm điện áp DC. Bộ Cgrid được dùng để phát hoặc hấp thụ năng lượng Pgc để giữ điện áp DC là hằng số. Trong trạng thái ổn định, tổn thất của bộ đổi điện AC/DC/AC là nhỏ thì Pgc gần bằng với Pr và tốc độ của turbine gió xác định công suất Pr được phát ra hay hấp thụ bằng bộ Crotor. Sự điều khiển công suất sẽ được giải thích như
Thành phần điện áp AC được phát ra bởi Crotor là dương khi tốc độ dưới đồng bộ và âm khi tốc độ trên đồng bộ. Tần số của điện áp này có giá trị bằng tích của tần số lưới và độ trượt máy phát. Cgrid và Crotor có khả năng phát ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng và có thể được dùng để điều khiển công suất phản kháng hoặc điện áp tại điểm nối với lưới.
Hệ thống điều khiển biến tần phía rotor (Crotor)
Bộ biến tần phía rotor được sử dụng để điều khiển công suất ra của turbine gió và điện áp (hoặc công suất phản kháng) đưa tới lưới.
Điều khiển công suất
Công suất được điều khiển để xác định trước đặc tính công suất – tốc độ, chỉ rõ đặc điểm tự hiệu chỉnh.
Để đường cong ABCD chồng lên trên đặc tính công suất cơ của turbine đạt được ở những tốc độ gió khác nhau. Tốc độ thực tế của turbine ωr được đo lường và công suất cơ tương ứng của đặc tính tự hiệu chỉnh được dùng như công suất tham chiếu cho vòng lặp điều khiển công suất. Đặc tính tự hiệu chỉnh được xác định bởi bốn điểm A, B, C, D, từ tốc độ bằng zero đến tốc độ tại điểm A, công suất tham chiếu là zero. Giữa điểm A và B đường đặc tính tự hiệu chỉnh là đường thẳng, tốc độ tại điểm B phải lớn hơn tốc độ tại điểm A. Giữa điểm B và điểm C đặc tính tự hiệu chỉnh là quỹ tích của công suất lớn nhất của turbine. Đặc tính tự hiệu chỉnh là một đường chạy từ điểm C đến điểm D. Công suất ở điểm D là 1pu và tốc độ ở điểm D phải lớn hơn tốc độ ở điểm C, từ D trở đi công suất tham chiếu là không đổi điều bằng 1pu.
Hình 3.8. Đường đặc tính điều chỉnh của DFIG và đường đặc tính tốc độ gió Đặc điểm chung của vòng lặp điều khiển công suất được miêu tả như Hình 3.9. Công suất điện thực tế ở ngõ ra đo được ở điểm nối của turbine với lưới được cộng với tổng tổn thất công suất (do cơ học hay điện) và được so sánh với công suất tham chiếu có được từ đặc tính tự hiệu chỉnh. Bộ điều khiển tỷ lệ (PI) được dùng để giảm độ sai lệch công suất xuống zero. Ngõ ra của bộ điều khiển này là dòng điện tham chiếu rotor Iqr-ref mà nó phải được đưa vào rotor bằng bộ Crotor (AC/DC). Đây là thành phần dòng điện mà nó tạo ra moment điện từ Tem. Thành phần dòng Iqr thực của dòng điện thứ tự thuận được so sánh với Iqr-ref và sai lệch được giảm đến zero bằng bộ điều khiển (PI). Ngõ ra của bộ điều khiển này là điện áp Vqr được tạo ra bởi Crotor. Bộ điều chỉnh dòng được hỗ trợ bởi dạng tín hiệu hồi tiếp Vqr.
Sơ đồ hệ thống điều khiển biến tần phía roto (Crotor)
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần phía rotor Crotor
Hình 3.10. Mô hình toàn bộ điều khiển công suất phản kháng và điện áp Điện áp hoặc công suất phản kháng tại điểm nối với lưới được điều khiển bằng dòng phản kháng trong Crotor.
Khi turbine gió hoạt động theo phương thức điều chỉnh điện áp, nó thực hiện theo đường đặc tính V-I như sau:
Hình 3.11. Đường đặc tính V-I của turbine gió
Với điều kiện dòng phản kháng bị chặn trong khoảng giá trị dòng lớn nhất (- Imax, Imax) của tỉ lệ biến đổi, điện áp được điều chỉnh tại giá trị điện áp tham chiếu Vref. Tuy nhiên, điện áp rơi được sử dụng bình thường (thông thường giữa 1% đến 4% của công suất phản kháng ra lớn nhất), và đặc tính đặc tinh V-I có độ dốc như trong hình vẽ. Trong phương thức điêu chỉnh điện áp, đặc tính V-I được mô tả bởi công thức sau:
V = Vref + Xs.I
Trong đó: V: Thành phần điện áp thứ tự thuận (pu)
I: Dòng phản kháng (pu/Pnom) (I>0 chỉ dòng cảm ứng).
Xs: Độ dốc hoặc trở kháng rơi (pu/ PMm).
Pnom: Công suất định mức của bộ chuyển đổi danh nghĩa trong khối.
Khi turbine hoạt động trong phương thức điều chỉnh var, công suất phản kháng tại điểm nối với lưới được giữ không đổi bởi bộ điều chỉnh var.
Ngõ ra của phương thức điều chỉnh điện áp hoặc điều chỉnh var là dòng tham chiếu lọc trục Idr-ref phải được đưa vào rotor bởi Crotor. Giống như điều chỉnh dòng
thứ tự thuận đến giá trị tham chiếu của nó. Ngõ ra của điều chỉnh này là điện áp dọc trục Vdr được tạo ra bởi Crotor. Điều chỉnh dòng được hỗ trợ bởi dạng tín hiệu hồi tiếp Vdr.
Vdr và Vqr là thành phần dọc trục và ngang trục của điện áp Vr. Lưu ý: độ lớn của dòng điện tham chiếu rotor: Ir_ref = Idr2 _ref +Iqr2_ref
Giá trị lớn nhất của dòng điện này được giới hạn đến 1pu. Khi Idr-ref và Iqr-ref
lớn hơn 1pu thì thành phần Iqr-ref sẽ bị giảm xuống để đưa trở lại giá trị 1pu.
Hệ thống điều khiển biến tần phía lưới (Cgrid)
Bộ biến tần Cgrid được sử dụng để điều chỉnh điện áp một chiều. Hơn nữa còn cho phép sử dụng biến tần Cgrid để phát hoặc hấp thụ công suất phản kháng.
Hệ thống điều khiển bao gồm:
- Hệ thống đo đạc đo thành phần dọc trục và ngang trục của dòng điện thứ tự thuận AC để điều khiển như điện áp một chiều (Vdc).
- Vòng điều khiển ngoài gồm một bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Ngõ ra của bộ điều khiển điện áp một chiều là dòng tham chiếu Idgc-ref cho điều khiển dòng điện (Idgc = là dòng điện phase của điện áp lưới để điều khiển dòng công suất phản kháng).
- Vòng điều khiển trong gồm một bộ điều chỉnh dòng điện. Bộ điều chỉnh dòng điều khiển biên độ và phase của điện áp được phát ra bởi bộ biến biến tần Cgrid (Vgc) từ Idgc-ref được tạo ra bởi bộ điều chỉnh điện áp một chiều và dòng tham chiếu danh nghĩa Iq-ref. Bộ điều khiển dòng được hỗ trợ bởi dạng tín hiệu hồi tiếp dự báo điện áp ra của Cgrid.
Biên độ của dòng tham chiếu của bộ biến tần phía lưới được tính:
Igc_ref = Idgc2 _ref +Iq2_ref
Giá trị lớn nhất của dòng điện này bị giới hạn đến giá trị xác định bởi bộ biến tần công suất lớn nhất tại điện áp định mức. Khi Idgc-ref và Iq-ref đều là giá trị biên độ lớn hơn thành phần Iq-ref giá trị lớn nhất này được giảm để đưa trở lại giá trị biên độ đến giá trị lớn nhất.
Sơ đồ hệ thống điều khiển biến tần phía lưới (Cgrid)
Hình 3.12. Mô hình toàn hệ thống điều khiển biến tần phía lưới.
Hệ thống điều khiển góc mở cánh turbine gió
Góc mở cánh turbine được giữ không đổi bằng zero độ cho đến khi tốc độ chạm đến điểm D của đường đặc tính điều chỉnh. Vượt qua điểm D góc mở cánh tương ứng với độ lệch tốc độ so với tốc độ tại điểm D.
Sơ đồ hệ thống điều khiển góc mở cánh turbine gió:
Hình 3.13. Mô hình toàn hệ thống điều khiển góc mở cánh turbine gió