VẬN HÀNH VÀ ỔN ĐỊNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
3.1.1.1. Máy phát điện gió độc lập
Một hệ thống gió độc lập đơn giản sử dụng một máy phát điện có tốc độ không đổi trình bày trong Hình 3.1 đối với một hệ thống gió nhỏ cung cấp cho phụ tải cục bộ, máy phát điện DC nam châm vĩnh cửu tạo ra một hệ thống gió đơn giản và dễ dàng vận hành hơn. Nói một cách khác khi cần sử dụng công suất điện AC người ta sẽ sử dụng máy phát điện không đồng bộ. Máy phát điện tự kích từ bởi các tụ điện mắc song song với đầu cực máy phát. Tần số được điều khiển bằng cách điều khiển tốc độ tua bin, ắc quy được nạp bởi bộ chỉnh lưu AC/DC và máy phát ra thông qua bộ nghịch lưu DC/AC.
Hình 3.1. Máy phát điện gió độc lập.
Hệ thống điện gió độc lập thường được sử dụng cung cấp điện cho các nông trại. Ở nước Đức có nhiều hệ thống điện gió lắp đặt ở các nông trại thuộc sở hữu của chủ nông trại hoặc bởi một tổ chức.
Sự vận hành trạng thái xác lập của máy phát điện được xác định bởi lý thuyết và phân tích đã trình bày trong phần trước. Hệ số công suất của tải có ảnh hưởng lớn đến cả vận hành chế độ xác lập và chế độ quá độ của máy phát điện không đồng bộ. Hệ số công suất phụ tải có thể là 1, sớm pha hay trễ pha phụ thuộc vào phụ tải là thuần trở, cảm kháng hay dung kháng. Hầu hết phụ tải có tính cảm kháng với hệ số công suất là 0.9 và trễ pha. Không giống như máy phát điện đồng bộ, hệ số công suất và dòng điện ngõ ra của máy phát điện không đồng bộ đối với một tải cho trước được xác định bởi các thông số máy phát điện. Vì vậy, khi máy phát điện không đồng bộ cung cấp cho tải nào đó, dòng điện cùng pha nào đó và dòng điện lệch pha 90 độ nào đó. Dòng điện lệch pha 90 độ được cung cấp bởi bộ tụ bù nối vào đầu cực máy phát. Vì vậy, máy phát điện không đồng bộ không thích hợp cung cấp cho tải có hệ số công suất thấp.
Đặc tính quá độ của hệ thống độc lập, máy phát không đồng bộ tự kích từ còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nữa. Người ta sử dụng mô hình trục d-q tổng
quát của máy phát điện để tính toán quá độ. Mô phỏng máy tính sử dụng mô hình trục d-q chỉ ra đặc tính quá độ tổng quát như sau:
- Dưới điều kiện mất tự kích từ đột ngột do cắt bộ tụ, phụ tải cảm kháng và điện trở làm cho điện áp ở đầu cực nhanh chóng đạt đến trạng thái xác lập bằng zero. Tải dung kháng giữ được một khoảng thời gian dài hơn trước khi điện áp đầu cực giảm xuống zero.
- Dưới điều kiện máy phát điện mang tải đột ngột. Tải cảm kháng và điện trở làm cho máy phát rơi áp đột ngột, trong khi tải điện dung ảnh hưởng ít lên điện áp đầu cực máy phát.
- Dưới điều kiện mất tải cảm kháng và điện trở đột ngột, điện áp đầu cực nhanh chóng tăng lên đến giá trị trạng thái xác lập.
Để khắc phục những vấn đề không ổn định chỉ ra ở trên, máy phát điện không đồng bộ độc lập phải luôn luôn mang tải tối thiểu nào đó hoặc cần thiết thì cách ly nếu không mang tải hoặc thường xuyên kết nối vào đầu cực khi có tải.
3.1.1.2. Hệ thống ghép với Diesel
Để đáp ứng nhu cầu phụ tải tại mọi thời điểm, giải pháp tốt nhất là sử dụng hệ thống ghép, tức là hệ thống sử dụng nhiều hơn một nguồn công suất. Hầu hết các hệ thống ghép sử dụng tua bin gió với máy phát điện diesel bởi vì diesel có thể cung cấp nhiều công suất trong trường hợp thiếu nguồn do lúc giảm công suất phát điện gió. Trong một vài hệ thống ghép, ắc quy có thể đáp ứng được sự thay đổi tải hàng ngày hay sử thay đổi ngắn hạn còn máy phát diesel đảm nhận sự thay đổi dài hạn. Ví dụ, máy phát điện diesel được sử dụng trong trường hợp điều kiện thời tiết xấu nhất như là u ám hoặc không có gió kéo dài hàng ngày hoặc hàng tuần.
Hình 3.2. Hệ thống điện gió ghép diesel
Hình trên trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống ghép ắc quy/ diesel/ gió.
Bộ điều khiển và bộ chuyển đầu nối nguồn công suất vào lưới điện (PCCU) là vị trí trung tâm để quản lý đấu nối của hầu hết các bộ phận hệ thống. Bộ điều khiển PCCU có các bộ phận chính như sau:
- Máy nạp ắc quy và bộ điều khiển xả điện
- Các máy cắt bảo vệ và công tắc chuyển đổi nguồn.
- Đồng hồ đo trào lưu công suất.
- Bộ điều khiển chế độ.
Toàn bộ hệ thống phải được thiết kế cho một phạm vi vận hành rộng để điều chỉnh các đặc tính của máy phát điện diesel, máy phát điện gió và ắc quy. Khi cần thiết, chuyển sang chế độ điều chỉnh của máy phát được thực hiện bởi bộ điều khiển chế độ, vì chế độ điều khiển chế độ là bộ điều khiển và theo dõi trung tâm của các hệ thống ghép. Bộ điều khiển chế độ bao gồm một máy tính xử lý và phần mềm cho việc chọn nguồn phát, quản lý ắc quy và quản lý sa thải phụ tải. Bộ điều khiển chế độ thực hiện các chức năng sau:
- Điều khiển và theo dõi tính sẵn sàng và trạng thái của hệ thống.
- Theo dõi và điều khiển trạng thái nạp ắc quy.
- Khởi động máy phát diesel khi cần thiết và cách ly khi không cần thiết
- Sa thải các phụ tải có tính ưu tiên thấp cho phù hợp với việc cài đặt thứ tự ưu
• Nguyên lý làm việc của hệ thống ghép diesel/ gió
Trong thời gian điện gió có đủ công suất để cung cấp cho tải tiêu thụ thì máy phát diesel được cách ly bằng một bộ li hợp và ngừng máy để tiết kiệm nguyên liệu. Trong thời gian đó lưới điện chỉ được cung cấp bằng điện gió (tức là nguồn điện gió chiếm 100%) và động cơ diesel dự phòng phải được làm nóng trước nhằm đáp ứng cho việc khởi động nhanh khi cần thiết. Khi tải tăng hoặc điện gió giảm xuống, máy phát diesel sẽ tự động khởi động để bổ sung công suất cấp cho phụ tải.
Tần số lưới được duy trì bởi một điều khiển nhanh bằng việc cân bằng công suất giữa công suất điện gió thay đổi, tải giả và khách hàng tiêu thụ. Trong thời gian điện gió chiếm 100% công suất tần số được điều khiển bằng bộ tiêu thụ năng lượng gió dư ở tải giả động (phụ tải được điều khiển động dùng để hấp thụ công suất dư).
Điện áp lưới được duy trì bởi một điều chỉnh điện áp tự động (AVR) của máy phát điện đồng bộ cũng như cung cấp công suất phản kháng cho máy phát cảm ứng turbin gió.
• Vận hành hệ thống ghép diesel/ gió cho một khu vực cụ thể
Giả định một khu vực xa xôi được cấp điện bằng hệ thống ghép diesel/ gió, khu vực này đặc tính về tốc độ gió trong những khoảng thời gian cụ thể như sau:
Tiêu thụ khách hàng:
Thời gian về đêm lượng tiêu thụ công suất thấp. Từ 4 đến 8 giờ sự tiêu thụ tăng lên xấp xỉ 80% công suất tiêu thụ cực đại. Vào thời gian giữa ngày tiêu thụ xấp xỉ 50% công suất cực đại và tiếp tục tăng đến tải đỉnh vào buổi tối khoảng 19 giờ.
Tốc độ gió/ công suất:
Trong đêm tốc độ gió quá thấp cho tua bin gió hoạt động. Trong buổi sáng tốc độ gió tăng lên và khoảng 5 giờ sáng tua bin gió bắt đầu vận hành. Việc sản
xuất công suất điện gió cực đại đạt đến khoảng 14 giờ. Trong buổi chiều và buổi tối tốc độ gió giảm và việc sản xuất công suất điện gió dần dần giảm xuống.
Máy phát diesel:
Trong đêm và buổi sáng máy phát diesel cung cấp công suất cho lưới điện.
Trong thời gian từ 10 giờ đến khoảng 16 giờ động cơ diesel ngừng hẳn do có đủ công suất điện gió cấp cho khách hàng tiêu thụ. Trong buổi chiều và buổi tối máy phát diesel lại cung cấp công suất cho lưới điện.
• Việc vận hành hệ thống ghép diesel/ gió có thể tổng quát hóa như sau:
Trong cả ngày việc sản xuất điện gió và tiêu thụ của khách hàng thay đổi phụ thuộc lẫn nhau. Vì vậy, cân bằng công suất hệ thống diesel/ gió phải được hiệu chỉnh. Điều này được thực hiện bởi bộ điều chỉnh tự động điện áp và tần số của máy phát điện diesel và phụ tải giả.
Sự vận hành hệ thống ghép diesel/ gió có thể được chia thành chế độ a, b, c và d.
- Chế độ a: sự tiêu thụ công suất hoàn thành được cung cấp bởi máy phát diesel do không có gió. Trong trường hợp này điện áp được điều chỉnh bởi bộ điều áp (AVR) máy phát diesel.
- Chế độ b: sự tiêu thụ công suất một phần được cung cấp bởi điện gió và một phần được cung cấp bởi máy phát diesel. Sự thâm nhập của điện gió tăng lên trong thời gian này. Trong trường hợp này điện áp được điều chỉnh bởi bộ điều áp máy phát diesel.
- Chế độ c: sự tiêu thụ công suất hoàn toàn được cung cấp bởi tua bin gió và động cơ diesel được cách ly ra khỏi máy phát điện và ngừng hoạt động. Điện gió dư thừa (tức là công suất vượt qua công suất tiêu thụ phụ tải) được tiêu thụ bởi tải giả, vì vậy vẫn duy trì cân bằng công suất trong hệ thống. Trong trường hợp này
điện áp được điều chỉnh bởi bộ AVR của máy phát đồng bộ diesel hoạt động như là máy bù đồng bộ và tần số được điều chỉnh bằng việc thay đổi công suất của tải giả.
- Chế độ d: khi tiêu thụ công suất vượt quá công suất phát của các tua bin gió, lúc này động cơ diesel sẽ được khởi động bổ sung công suất cho điện gió. Trong trường hợp này điện áp và tần số được điều khiển giống như trường hợp b.
Trên cơ sở những dữ liệu xác định đối với tốc độ gió và công suất tiêu thụ hàng ngày, người ta có thể dự báo được khả năng sự thâm nhập điện gió trong hệ thống và việc tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ diesel.