Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1. Khái niệm cơ bản về năng lượng gió
2.2.2. Máy phát điện hoạt động ở tốc độ thay đổi
Kích thước của turbine ngày càng lớn hơn, công nghệ này đã chuyển từ tốc độ cố định sang tốc độ thay đổi. Bộ điều khiển hệ thống bên trong sự phát triển này là bộ phận chủ yếu để đảm bảo các yêu cầu kết nối với lưới và giảm tải cơ khí trong điều kiện vận hành ở tốc độ thay đổi. Hiện tại, turbine tốc độ thay đổi phổ biến nhất hai loại sau:
Máy phát điện gió nguồn kép (DFIG).
Máy phát điện gió với bộ chuyển đổi công suất toàn phần (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoặc máy phát điện cảm ứng).
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
19
Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG).
Hình 2.10: Cấu hình Turbine gió với DFIG.
Một cấu hình cơ bản của một turbine gió DFIG được thể hiện như hình 2.10 . Từ năm 1996, phần lớn turbine gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. Một hệ thống DFIG có thể cung cấp năng lượng cho lưới điện thông qua stator và rotor, trong khi rotor cũng có thể tiêu thụ năng lượng.
Điều này phụ thuộc vào tốc độ quay của máy phát điện. Nếu các máy phát điện hoạt động trên tốc độ đồng bộ, công suất sẽ được chuyển từ rotor sang lưới (hình 2.11b); nếu các máy phát điện hoạt động dưới tốc độ đồng bộ, rotor sẽ hấp thu năng lượng từ lưới thông qua bộ chuyển đổi công suất (hình 2.11b).
a) b)
Hình 2.11: Dòng chảy công suất trong máy phát điện gió DFIG.
DFIG sử dụng một máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn với các vòng trượt để đưa dòng điện vào hoặc ra cuộn dây rotor. Máy phát điện này được thiết kế nối thêm với bộ biến tần để điều chỉnh dòng điện nên có thể hoạt động với tốc độ số vòng quay khác nhau, một phần dòng điện khoảng từ 20 – 40% được chuyển qua bộ biến tần để phù hợp với tần số và công suất quy định. Với cấu hình này nó có thể mở rộng được phạm vi tốc độ hoạt động của turbine gió mà không ảnh hưởng đến hiệu suất. Lý do điều khiển tốc độ mà không mất hiệu suất là do một lượng công suất cấp ngược về lưới qua bộ converter thay vì tiêu tán trên điện trở của rotor.
Pmech Pstator
Protor
Pelec
Stator
Rotor Power
converter
Stator
Rotor
Pmech Pstator
Protor
Pelec
Power converter
DC AC AC
DC
DC link
rotor
stator
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
20
Công suất định mức của bộ biến đổi công suất là s.Pđm . Trong đó: s là hệ số trượt và Pđm : là công suất định mức của máy phát.
Hệ số trượt có thể âm hoặc dương do vậy công suất rotor có thể âm hoặc dương. Ví dụ, nếu lượng công suất của bộ converter là 10% lượng công suất của máy phát, dải điều khiển tốc độ là từ 90% đến 110% tốc độ đồng bộ.
Nghĩa là khi turbine gió đạt 110% thì s= - 0,1 và công suất từ rotor cấp lên lưới. Ngược lại khi tốc độ turbine gió là 90% thì hệ số trượt là s = + 0,1 nên 10% công suất từ lưới sẽ cung cấp cho rotor qua bộ converter.
Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép không chổi than (BDFIG).
Hình 2.12: Turbine gió không đồng bộ nguồn kép không chổi than (BDFIG) Cấu hình của DFIG đều sử dụng máy phát không đồng bộ rotor dây quấn nên việc kết nối đến rotor qua cổ góp và chổi quét. Vành trượt và chổi quét là nguyên nhân gây ra vấn đề cơ khí và tổn thất về điện. Để giải quyết vấn đề trên một giải pháp được thay thế là Brushless Doubly Fed Induction Generator (BDFIG) như thể hiện trên hình 2.12. Trong sơ đồ này cuộn dây stator cuộn dây chính được nối trực tiếp lên lưới, và cuộn dây phụ 03 được nối lên lưới thông qua bộ chuyển đổi PE. Bằng cách điều khiển thích hợp cuộn dây phụ nó có thể điều khiển máy phát điện không đồng bộ ở mọi tốc độ khác nhau. Trong cấu hình này sự phân chia công suất phát được xử lý trong bộ converter.
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
21
Máy phát điện công suất chuyển đổi toàn phần.
Hình 2.13: Turbine gió có bộ chuyển đổi công suất toàn phần.
Loại cấu hình của turbine gió có bộ biến đổi toàn phần được thể hiện trong hình 2.13. Loại turbine này có thể hoặc không thể bao gồm hộp số và một số loại các máy phát điện có thể được sử dụng như máy phát điện cảm ứng, máy phát đồng bộ rotor dây quấn, máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Do toàn bộ công suất từ turbine đều đi qua bộ chuyển đổi công suất nên hoạt động của máy phát điện là có hiệu quả cách ly với lưới điện. Tần số của máy phát điện gió có thể thay đổi khi tốc độ gió thay đổi, trong khi đó, tần số lưới điện không đổi, do đó, nó cho phép hoạt động trong điều kiện thay đổi tốc độ của turbine gió.
Bộ chuyển đổi công suất có thể được sắp xếp theo nhiều cách khác nhau, ví dụ, bộ chuyển đổi phía máy phát có thể là chỉnh lưu Diode hoặc chuyển đổi nguồn áp PWM; bộ chuyển đổi phía lưới thường là loại chuyển đổi nguồn áp PWM. Việc kiểm soát hoạt động của máy phát điện và dòng công suất vào lưới điện phụ thuộc nhiều vào loại sắp xếp bộ chuyển đổi công suất. Bộ chuyển đổi công suất nối lưới có tác dụng duy trì điện áp Bus DC thường xuyên với moment của máy phát điện điều khiển từ bộ chuyển đổi công suất phía Rotor.
Trong cấu hình máy phát điện đồng bộ ở hình 2.13 cần bộ chuyển đổi điện tử công suất cung cấp cho dòng kích từ qua vòng trượt. Thuận lợi của việc sử dụng máy phát đồng bộ là không cần hộp số trong cấu hình turbine gió.
Để kéo trực tiếp máy phát cần phải có bán kính lớn để tạo ra môment lớn.
Không thể sử dụng máy phát điện không đồng bộ trong cấu hình không có hộp số do tổn thất kích từ rất là lớn trong những máy điện lớn do có khe hở không khí lớn. Tuy nhiên máy phát điện đồng bộ có thể kéo trực tiếp turbine
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
22
gió không cần hộp số và rotor có cấu trúc là cuộn dây kích từ hay nam châm vĩnh cửu.
Nhận thấy với cấu hình DFIG được sử dụng nhiều trong những năm trước đây, và sau đó là mô hình vận hành với tốc độ không thay đổi và tiếp theo là mô hình SG và cuối cùng là WRIG. Nhưng ngay nay chiều hướng lại thay đổi do các vấn đề khó khăn trước đây đã được giải quyết như điều khiển các bộ điện tử công suất, giá thành các bộ PE giảm, giá thành nam châm vĩnh cửu giảm và có khả năng lưu từ lớn và lâu dài.
Thực tế trên thị trường thế giới hiện nay 02 mô hình DFIG và PMSG đang chiếm lĩnh. Trong đó PMSG có một số ưu điểm so với mô hình DFIG là hiệu suất cao hơn, có khả năng điều khiển dễ dàng hơn, không cần cấp nguồn vô công cho máy phát, kích thước lại nhỏ gọn so với DFIG cùng công suất và không cần hộp số trong cấu hình. Tuy nhiên, khối lượng của PMSG lớn hơn DFIG rất nhiều, đồng thời để sản xuất PMSG cần một lượng lớn nam châm vĩnh cửu nên giá thành cao. Hiện nay, sau 10 năm phát triển PMSG, hãng GE đã quay lại phát triển dòng sản phẩm DFIG vì những nhược điểm của PMSG.