bên trong
4.5.1. Giới thiệu
Trong phạm vi của một hệ thống điện gió thì hệ thống máy phát điện gió với tốc độ tuabin gió thay đổi dành được nhiều quan tâm và nghiên cứu hơn hệ thống với vận tốc tuabin gió không đổi. Trong hệ thống phát điện gió này, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu được triển khai sử dụng rộng rãi hơn. Đặc biệt, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong có thểđạt được một hiệu suất cao nhờ vào việc sử dụng mô-ment từ trở [4.4].
4.5.2. Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong trong
Các sơ đồ tương đương trục d và q của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với hệ tọa độ d-q được quay đồng bộ dưới tốc độ góc, . Mô hình này bao gồm các ảnh hưởng của tổn thất đồng và tổn thất sắt [4.4].
Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong được biểu diễn như sau:
q q d d d a d L i dt di L i R v (4.38) a q q q a d d q dt di L i R i L v (4.39) Trong đó: id, iq: là dòng điện phần ứng trục d và q vd, vq: là điện áp stator trục d và q : là vận tốc góc rotor Ra: là điện trở phần ứng a: là từ thông phần ứng Ld, Lq: là từ cảm trục d và q
a) Sơ đồtương đương trục d
b) Sơ đồ tương đương trục q
Hình 4.16. Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong
Môment của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong:
a q d q d q g p i L L i i T 0 0 0 (4.40) Trong đó: p: là số cặp cực
Tổn thất đồng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
2 2 q d a c R i i P (4.41)
Tổn thất sắt của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
c oq q a od d i R i L i L P 2 2 (4.42) vd id Ra i0d icd v0d Rc Lqioq - + vq iq Ra Rc icq i0q Ldiod - + a + - v0q
Tổng tổn thất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
i c
l P P
P (4.43)
Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
l out out P P P (4.44) 4.6. Nhận xét và đánh giá
Các phân tích cho thấy rằng ưu điểm của hệ thống với vận tốc không đổi là sự đơn giản. Vì vậy, giá thành của hệ thống này có xu hướng thấp hơn các loại khác có vận tốc biến thiên. Tuy nhiên, trong hệ thống với vận tốc không đổi, tiếng ồn có thể là một vấn đề, vì mức độ tiếng ồn liên quan mật thiết đến vận tốc của cánh tuabin. Vấn đề này có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng máy phát điện có số cặp cực có thể thay đổi được và cho phép tuabin vận hành với vận tốc quay thấp hơn khi tốc độ gió thấp.
Ưu điểm của hệ thống vận tốc biến thiên là có thể sản xuất nhiều năng lượng hơn với chếđộ vận tốc gió không đổi. Mặc dù hiệu quả về điện năng giảm vì sự tiêu hao năng lượng điện là đáng kể trong hệ thống vận tốc biến thiên, nhưng vẫn có được hiệu quả vềđộng lực học dựa vào hệ thống vận tốc biến thiên. Hiệu quả về động lực học vượt trội hơn so với sự thiệt hại về hiệu quảđiện năng, kết quả chung là hiệu suất năng lượng sẽcao hơn. Ngoài ra, hệ thống này cũng có ứng suất về cơ năng ít hơn, vì rotor hoạt động như một bánh đà (chứa năng lượng tạm thời như một bộ hoãn xung), giảm thiểu sự biến thiên của bộ truyền động momen xoắn. Vì vậy, vấn đề về tiếng ồn cũng được giảm thiểu, vì tuabin vận hành với tốc độ thấp khi có ít gió.
Khuyết điểm của hệ thống phát điện với vận tốc biến thiên là chi phí đắt hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống phát điện với vận tốc biến thiên cũng có thể tiết kiệm được phần lớn các chi phí hệ thống phụ của tuabin. Chẳng hạn như, thiết bị gọn nhẹ có thểđược lắp ráp ởngoài khơi và có thể hạn chế việc gia tăng thất thoát.
Trong các hệ thống điện năng lượng gió đã được trình bày, một số hệ thống tuabin gió làm việc độc lập sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Trong khi đó, hầu hết các hệ thống tuabin gió hiện đại kết nối với lưới điện sử dụng máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện không đồng bộ.
Máy phát điện đồng bộ phức tạp và chi phí cao hơn máy phát không đồng bộ nhưng chúng cung cấp điện áp và tần số đạt chất lượng tốt hơn và có thể phân phối công suất phản kháng cho lưới điện. Tuy nhiên, các máy phát này thực chất không tự khởi động, công suất phát ra không phẳng và yêu cầu điều khiển phức tạp hơn khi hòa vào lưới điện, vì tần số phát ra (hay tốc độ máy phát) phải tương thích một cánh chính xác với tần sốlưới điện trước khi thực hiện việc hòa lưới.
Máy phát điện không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp hơn máy phát điện đồng bộ và có thể kết nối hay ngắt ra khỏi lưới điện một cách dễ dàng. Máy phát điện không đồng bộ phát ra công suất phẳng. Tuy nhiên, phải bù công suất phản kháng cho chúng bởi lưới điện hoặc các bộ biến đổi công suất. Ngoài ra, các máy phát điện không đồng bộ có thể phát ra điện áp và tần số không ổn định trên lưới điện. Các tác hại này có thểđược giải quyết nhanh chóng với chi phí thấp bằng các bộ biến đổi công suất. Vì vậy, máy phát điện không đồng bộ là dạng máy phát phổ biến trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
Bên cạnh các loại máy phát trên, một số dạng máy phát điện khác tuy không phổ biến nhưng cũng được sử dụng trong hệ thống điện năng lượng gió như máy phát nam châm vĩnh cửu. Loại máy phát này sản sinh ra điện áp và tần số xoay chiều dao động. Vì vậy, cần phải được chuyển đổi thành tín hiệu DC hoặc phải dùng bộ biến đổi công suất đểổn định điện áp và tần số. Với sự hỗ trợ của thiết bị biến đổi công suất, máy phát điện nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn máy phát điện không đồng bộ hoặc máy phát đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ hoặc nam châm vĩnh cửu tự kích từ thường được điều khiển trực tiếp với số cực đủđể rotor máy phát điện có thể quay với tốc độ bằng tốc độ của turbin gió, trừ khi trong hệ thống sử dụng hộp số truyền động chuyển đổi tốc độ. Các loại máy phát này thường được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi công suất.
Hầu hết các tuabin trước đây chỉ làm việc với một tốc độ cố định. Đối với những tuabin hiện đại, đặc biệt là những tuabin lớn, có thể vận hành với tốc độ thay đổi trong một khoảng giá trị cốđịnh và có một sốưu điểm như sau :
- Hiệu suất khí động học của rotor ở tốc độ gió thấp đến trung bình có thểđược hoàn thiện bằng cách thay đổi tốc độ quay của rotor để giữ cho tuabin vận hành với tỷ số tốc độđầu cánh tối ưu và cực đại hệ số công suất. Với tốc độ gió cao, các cánh quạt sẽđược điều khiển để giới hạn công suất cực đại phát ra. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hệ thống phụ tải động có thểđược giảm bớt do quán tính của rotor khi giảm tốc độtrong điều kiện gió giật.
- Tuabin có thể làm việc với các chế độ khác nhau: chếđộ làm việc ở hiệu suất tối ưu để cực đại công suất nhận được khi tốc độ gió thấp và chế độ làm việc nhằm để làm giảm hư hỏng hệ thống.
4.7. Kết luận
Các vấn đề liên quan đến các hệ thống điện năng lượng gió đã được trình bày. Đặc biệt, các phân tích chi tiết cho lần lượt các dạng máy phát điện được sử dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cũng đã được trình bày như: máy phát điện đồng bộ, máy phát điện không đồng bộ, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép và máy phát điện nam châm vĩnh cữu. Các kết quả mô phỏng và đánh giá cho từng loại máy phát này sẽđược thực hiện trong chương kế tiếp.
4.7. Tài liệu tham khảo
[4.1] T. Burton, D. Sharpe, N. Jenkin and E. Bossanyi, Wind energy handbook, Wiley, 2001.
[4.2] A. G. Abo-Khalil, “Model-based optimal efficiency control of induction generators for wind power systems”, IEEE Conference 2011, pp. 191-197, 2011. [4.3] J. G. Slootweg, H. Polinder, and W. L. Kling, “Dynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator”, IEEE Conference 2001, pp. 644-649. [4.4] T. Nakamura, S. Morimoto, M. Sanada, and Y. Takeda, “Optimum control of IPMSG for wind generation system”, IEEE Conference 2002, pp. 1435-1440.
[4.5] S. Yang, X. Zhang, C. Zhang, Z. Xie, and F. Li, “Sensorless control for PMSG in direct-drive wind turbines”, 2nd IEEE International Symposium on Power Electronics
for Distributed Generation Systems, 2010, pp. 81-84, 2010.
[4.6] H. Haraguchi, S. Morimoto, and M. Sanada, “Suitable design of a PMSG for a large-scale wind power generator”, IEEE Conference 2009, pp. 2447-2452, 2009.
Chương 5
5.1 Giới thiệu
Các nghiên cứu và phân tích cho từng hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ, máy phát điện đồng bộ và máy phát điện không đồng bộ nguồn kép đã được thực hiện trong các chương trước.
Các mô phỏng sẽđược thực hiện trong chương này nhằm làm rõ hơn các vấn đề lý thuyết mà đã được tìm hiểu và nghiên cứu. Bên cạnh đó, các so sánh, phân tích và đánh giá giữa các mô phỏng cũng sẽđược thực hiện trong chương này tương ứng với các điều kiện gió khác nhau.
Phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink được sử dụng cho các mô phỏng trong luận văn này.
5.2. Mô phỏng hệ thống phát điện gió với máy phát điện không đồng bộ
Xét một hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ như hình 5.1. Khi ấy, sơ đồ mô phỏng cho hệ thống này được mô tảnhư hình 5.2.
Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điện với máy phát điện không đồng bộ
~
Hệ thống điện tuabin gió với máy phát điện
không đồng bộ 1,5 MW; 240 V 0,1.10-3; 20H Máy biến áp 240/600 V 500 kVA 600 V 1 MVA Đường dây
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng cho một hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ
Trong sơ đồ mô phỏng, hình 5.2, khối tuabin gió được mô tảnhư sau, hình 5.3:
Các thông số của tuabin gió bao gồm:
- Công suất cơ ngõ ra của tuabin gió: Pcơtuabin = 1,5 MW
- Công suất điện định mức của tuabin gió: Pđiệntuabin = 1,5/0,9 MVA - Tốc độgió định mức: vgióđm = 9 m/s
Các thông sốnày được khai báo cho tuabin gió thông qua hộp thoại như sau, hình 5.4.
Hình 5.4. Hộp thoại khai báo thông số cho tuabin gió
Hình 5.5. Các đặc tính công suất của tuabin gió
Vận tốc gió được thiết lập cho tuabin gió thông qua hộp thoại hình 5.6. Trong hộp thoại này cho thấy rằng tốc độ gió là v = 8 (m/s) với t (0, 2s) và v = 11 (m/s) với t (2s, tkhao sat): (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 5.6. Hộp thoại khai báo thiết lập vận tốc cho tuabin gió
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc được sử dụng trong hệ thống điện gió bao gồm các thông sốnhư sau:
- Công suất định mức, P = 1,5 MW - Điện áp định mức, U = 575 V - Tần sốđịnh mức, f = 50 Hz
- Điện trở stator, Rs = 0,004843 (đvtđ) - Điện cảm stator, Ls= 0,1248 (đvtđ) - Điện trở rotor, Rr= 0,004843 (đvtđ) - Điện cảm rotor, Lr = 0,1248 (đvtđ) - Điện cảm tương hổ, Lm= 6,77 (đvtđ) - Hệ số quán tính, j = 5,04 (kg.m2) - Hệ số ma sát, f = 0,01 (N.m.s) - Số cặp cực, p = 3
Các thông số này được khai báo cho máy phát điện không đồng bộ thông qua hộp thoại như hình 5.7.
Hình 5.7. Hộp thoại khai báo thông sốcho máy phát điện không đồng bộ
Hệ thống điện gió được kết nối với hệ thống điện thông qua lưới điện bao gồm đường dây và máy biến áp.
Trong đó, các thông số của đường dây bao gồm: - Điện trở của đường dây: Rđd = 0,1 x 10-3 () - Điện cảm của đường dây: Lđd = 20 x 10-6 (H)
Hình 5.8. Hộp thoại khai báo thông sốcho đường dây
Các thông số của máy biến áp bao gồm:
- Công suất máy biến áp, SMBA = 500 kVA - Tần số máy biến áp, f = 50 Hz
- Cuộn dây sơ cấp đấu sao, nối đất với điện áp cuộn dây, U1 = 600 V - Cuộn dây thứ cấp đấu tam giác với điện áp cuộn dây, U2 = 240 V
Các thông số này được khai báo cho máy biến áp thông qua hộp thoại, hình 5.9 như sau:
5.3. Mô phỏng hệ thống phát điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cửu
Xét một hệ thống điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu như hình 5.10. Khi ấy, sơ đồ mô phỏng cho hệ thống này được mô tảnhư hình 5.11.
Hình 5.10. Sơ đồ hệ thống điện với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 5.11. Sơ đồ mô phỏng cho một hệ thống điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Có thể nhận thấy rằng các khối mô phỏng trong sơ đồ này được giữ lại tương tự như khi thực hiện các mô phỏng cho một hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ. Máy phát không đồng bộ được thay thế bằng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
~
Hệ thống điện tuabin gió với máy phát điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu 1,5 MW; 240 V 0,1.10-3; 20H Máy biến áp 240/600 V 500 kVA 600 V 1 MVA Đường dây
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong hệ thống điện gió này bao gồm các thông sốnhư sau:
- Công suất định mức, P = 1,5 MW - Điện áp định mức, U = 575 V - Tần sốđịnh mức, f = 50 Hz - Điện trở, R = 2,8750 () - Điện cảm dọc trục, Ld = 8,5 (mH) - Điện cảm ngang trục, Lq = 8,5 (mH)
- Từthông được cảm ứng bởi các nam châm, = 0,175 - Hệ số quán tính, j = 0,8 x 10-3 (kg.m2)
- Hệ số ma sát, f = 0 (N.m.s) - Số cặp cực, p = 4
Các thông sốnày được khai báo cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông qua hộp thoại như hình 5.12.
Hình 5.12. Hộp thoại khai báo thông sốcho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
5.4. Mô phỏng hệ thống phát điện gió với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép kép
Xét một hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép như hình 5.13. Khi ấy, sơ đồ mô phỏng cho hệ thống này được mô tảnhư hình 5.14.
Hình 5.13. Sơ đồ hệ thống điện với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 5.14. Sơ đồ mô phỏng cho một hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Trong mô phỏng này, các thông số của tuabin gió được khai báo trong hộp thoại, hình 5.15 như sau:
~
Hệ thống điện tuabin gió với máy phát điện không
đồng bộ nguồn kép 1,5 MW; 575 V Máy biến áp 22kV/110kV 47 MVA Hệ thống điện 110kV 2500 MVA Đường dây Máy biến áp 575V/22kV 2 MVA
Hình 5.15. Hộp thoại khai báo các thông số cho tuabin gió
Trong trường hợp này, đặc tính công suất của tuabin gió được biểu diễn như hình 5.16.