Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1. Khái niệm cơ bản về năng lượng gió
2.1.3. Số cánh quạt của turbine
Dựa trên nguyên tắc vật lý và khí động lực học, những nghiên cứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho turbine đã được thực hiện từ nhiều thập niên trước ở nhiều nước trên thế giới. Diện tích quét gió phụ thuộc vào bề mặt cũng như chiều dài cánh quạt nên trên nguyên tắc, số cánh quạt của turbine không là yếu tố quyết định cơ bản về công suất. Turbine gió trục ngang có thể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh quạt.
Trên phương diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao, nhưng trên phương diện cơ học thì khi turbine hoạt động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhược điểm cơ bản như tần số rung của turbine điện gió sẽ mất ổn định, ảnh hưởng đến những chi tiết khác.
Turbine điện gió một cánh được đưa vào hoạt động từ những năm 1985 với công suất từ 25 đến 1000 KW. Ưu điểm của turbine gió một cánh là giảm được trọng lượng so với turbine gió hai hoặc ba cánh, số vòng quay nhanh, có thể lên đến 49 vòng/phút nên tạo được công suất khá cao và giá thành thấp. Tuy nhiên, sự phân bố lực của một cánh vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống sẽ giảm đi rất nhiều, bên cạnh đó, turbine điện gió một cánh khi hoạt động sẽ phát sinh tiếng ồn cao.
Trên lý thuyết thì số cánh quạt của turbine gió không là yếu tố quyết định về công suất nhưng trên thực tế, turbine điện gió hai cánh có thể đạt công suất cao hơn turbine gió một cánh khoảng 10%.
Hệ số tốc độ đầu cánh TSR (Tip speed Ratio) đạt đến 10 – 12 trong khi turbine điện gió 3 cánh chỉ đạt khoảng 6 – 8.
Tuy nhiên, turbine điện gió hai cánh cũng có nhược điểm là vì hoạt động với số vòng quay nhanh, tần số rung của turbine mất ổn định, ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống.
Sự phân bố lực của cánh quạt vào trục, thùng và thân trụ tùy thuộc vào vị trí của cánh quạt, khi cánh quạt ở vị trí thẳng đứng, tần số rung của cánh thấp, nhưng khi cánh quạt ở vị trí nằm ngang thì tần số rung của hệ thống tăng lên nên turbine gió dễ bị dao động và phát sinh tiếng ồn.
Turbine điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên hoạt động ổn định hơn turbine gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3 – 4% so với điện gió hai cánh. Ngoài ra, độ
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
13
rung hệ thống ít bị xáo động nên hạn chế được những ảnh hưởng cơ tác động đến những chi tiết khác trong turbine.
Trong hai thập niên vừa qua, vì yếu tố kinh tế cũng như kỹ thuật, turbine điện gió trục ngang ba cánh đã dần thay thế tất cả những loại turbine khác.
Việc nâng số cánh quạt của turbine gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa 1 – 2% so với turbine điện gió ba cánh nên những turbine loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế.
Hình 2.4: Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt
Phần lớn turbine gió hiện nay trên thế giới được thiết kế theo loại trục ngang và có công suất từ vài kW đến 10MW.
= vtop/v Trong đó:
Vtop: tốc độ gió tại đầu cánh (m/s)
V: tốc độ gió (m/s).
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
14
a) b) c)
Hình 2.5: một số loại turbine gió.
a) Turbine điện gió hai cánh lắp đặt trên biển.
b) Turbine điện gió trục ngang ba cánh – 1987
c) Turbine điện gió trục ngang 4 cánh (thử nghiệm) – 1942.
2.1.4. Những nguyên tắc điều khiển hệ thống máy phát.
Vì tốc độ gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suất ổn định, tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một tốc độ gió nhất định. Để đạt được yêu cầu này, hệ thống rotor phải có những chức năng tự điều chỉnh theo tốc độ và hướng gió và tự ngưng hoạt động bằng những hệ thống phanh để đảm bảo an toàn.
Stall control – điều chỉnh dòng gió thổi trượt vào cánh quạt.
Trước đây, điều chỉnh hệ thống Rotor thường theo nguyên tắc điều chỉnh tình trạng gió trượt của cánh quạt (Stall control – pasive hoặc active), trong thập niên vừa qua, việc điều chỉnh này được thực hiện bằng phương thức chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt (Pitch control)
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
15
Hình 2.6: Phân bố lực trên cánh quạt.
Pitch control – điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt.
Việc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh số vòng quay của hệ thống Rotor. Tốc độ gió luôn thay đổi nên việc điều chỉnh, tăng hoặc hạn chế cơ năng từ dòng gió là yếu tố quan trọng để turbine gió hoạt động lâu dài và ổn định.
Khi dòng gió có tốc độ thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt diện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu. Khi tốc độ gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió để tiếp tục hoạt động. Khi tốc độ gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góc không đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho turbine.
a) b)
hình 2.7: a) hệ thống Rotor hoạt động, cánh quạt quay chỉnh mặt đón gió tối ưu (00) ở tốc độ gió từ 4 đến 11m/s.
b) Hệ thống Rotor hoạt động, mặt cánh quạt chỉnh góc đón gió từ 0 – 900 ở tốc độ gió từ 12 – 25 m/s.
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
16
Yaw control – chỉnh Turbine theo hướng gió.
Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa. Turbine gió muốn đạt được hiệu quả về công suất cũng phải chỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những turbine điện gió trục ngang. Phương pháp chỉnh turbine theo hướng gió gồm hai loại: phương pháp chỉnh thụ động và phương pháp chỉnh tích cực.
Trong phương pháp chỉnh thụ động, hệ thống cánh quạt khi quay sẽ tùy theo hướng gió và quay đến vị trí có hướng gió mạnh nhất nhờ đuôi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Necelle. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể áp dụng được đối với những turbine gió có trọng lượng thấp, công suất từ 5 đến 20 kW và đường kính cánh quạt khoảng 10 m.
Hầu hết turbine điện gió cỡ trung và lớn hiện nay đều áp dụng phương pháp chỉnh turbine gió theo hướng tích cực, với phương pháp này, việc quay hệ thống rotor về hướng gió thổi được thực hiện bằng những động cơ thủy lực hoặc động cơ điện và được gọi là động cơ góc phương vị.
2.1.5. Hộp số.
Hệ thống cánh quạt của turbine gió có tốc độ thấp, thông thường từ 3.5 đến 22 vòng/phút. Những turbine điện gió loại hai cánh cũng chỉ hoạt động tối đa đến tốc độ số vòng quay 49 vòng/phút. Tốc độ số vòng quay của máy phát điện (ngoại trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông thường từ 900 đến 2000 vòng/phút.
Để chuyển tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor lên cao, hộp số được lắp đặt sau trục chính của Rotor. Hộp số có chức năng chuyển tốc độ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc độ có số vòng quay cao của máy phát điện.
Tỷ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, ví dụ, tốc độ số vòng quay của hệ thống rotor là 10 vòng/phút thì tốc độ chuyển đổi sau hộp số là 1000 vòng/phút.
Tuy nhiên, hộp số có nhược điểm là có nhiều chi tiết cơ hoạt động với tốc độ cao nên việc bảo trì cần thực hiện thường xuyên. Hộp số dễ hư hại vì trục quay dễ bị cong do trọng lượng hệ thống cánh quạt cao, ổ lăn dễ bị hư hại và một yếu tố quan trọng là tốc độ gió luôn thay đổi. Ngoài ra, vì hoạt động với tốc độ cao, cơ năng một phần chuyển qua nhiệt năng nên hộp số phải bôi trơn và làm mát bằng dầu. Khi nhiệt độ tăng cao, turbine gió phải ngưng hoạt động.
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
17
Hình 2.8 : Nguyên tắc hộp số kết hợp 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh răng trụ.
2.2. Máy phát điện.
Hầu hết mô hình các máy phát điện gió đều đã được nghiên cứu và thử nghiệm. Tuy nhiên, thiết kế thương mại để phát điện phổ biến hiện nay là turbine gió trục ngang, ba cánh quạt, đón gió mặt trước. Một số lượng lớn máy phát điện gió hoạt động ở tốc độ biến đổi trong khi nó nhỏ hơn, đơn giản hơn máy phát điện gió có tốc độ gió cố định. Mẫu turbine máy phát điện gió hiện nay sử dụng cánh quạt hướng gió ba cánh, mặc dù các loại hai cánh và một cánh quạt được sử dụng trong thương mại trước đó.
Máy phát điện gió hiện nay được chia thành hai loại chính:
Máy phát điện gió có tốc độ cố định.
Máy phát điện gió có tốc độ thay đổi.
2.2.1. Máy phát điện gió có tốc độ cố định.
Turbine gió có tốc độ cố định là thiết bị điện có cấu trúc khá đơn giản, bao gồm bộ cánh quạt khí động học kéo một trục quay có tốc độ thấp, hộp số, trục quay tốc độ cao và máy phát điện cảm ứng (thường là máy phát điện
Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
18
không đồng bộ. Bên cạnh đó, bộ khởi động mềm, tụ bù và máy biến áp cũng cần được trang bị cho hệ thống. Bộ tụ bù dùng để cung cấp công suất phản kháng cho máy phát điện. Bộ khởi động mềm dùng để tăng từ thông từ từ và qua đó giảm dòng thoáng qua trong suốt quá trình từ hóa của máy phát điện.
Hình 2.9: Turbine tốc độ gió cố định với SCIG.
Dải thay đổi tốc độ của cấu hình kiểu này là (1-2)%. Hiện có một số turbine gió dựa trên cấu hình SCIG nhưng tăng điện trở của rotor nên dải tốc độ có thể thay đổi 2-3%. Nhưng dù sao với cấu hình trên đều hoạt động ở tốc độ không đổi và không phù hợp cho loại turbine gió có công suất cao hoặc turbine gió đặt những nơi có tốc độ gió thay đổi.
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.