4.1.1 Lý thuyết
4.1.1.1 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ
Cấu tạo máy phát không đồng bộ gồm hai phần chính: Stato và Roto, chúng cách nhau bởi khe hở không khí.
a. Phần tĩnh (Stato): gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn.
Hình 4.1: Cấu tạo Stato máy phát điện không đồng bộ.
Vỏ máy: dùng để cố định lõi thép và dây quấn chứ không dẫn từ, được làm
bằng gang hay thép hàn lại.
Lõi thép: Lõi thép Stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh
bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy để dẫn từ.
Dây quấn: Dây quấn Stato làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây
điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép.
b. Phần quay (Roto): Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Lõi thép Roto cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục. Trục máy gắn với lõi thép Roto và làm bằng thép tốt, trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi.
36
(Roto ngắn mạch) và Roto dây quấn:
Roto lồng sóc: trong các rãnh của lõi thép Roto đặt các thanh đồng (hoặc
nhôm), các thanh đồng thường đặt nghiêng so với trục, hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng (nhôm), tạo thành lồng sóc.
Roto dây quấn: gồm lõi thép và dây quấn. Trong rãnh lõi thép Roto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn Roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng (vành trượt).
4.1.1.2 Nguyên lý hoạt động
Khi ta cấp nguồn sơ cấp làm quay Roto đồng thời cấp nguồn kích từ xoay chiều vào Roto, khi đó Roto tạo ra từ thông quay biến thiên quét qua các vòng dây trên Stato, trong các vòng dây đó xuất hiện các sức điện động cảm ứng e(t).
Ta có: n1: Tốc độ quay của từ trường n: Tốc độ quay của trục máy phát. Hệ số trượt:
𝑠 = 𝑛1 − 𝑛 𝑛1 < 0
Nhờ từ trường quay, cơ năng nguồn sơ cấp đưa vào Roto được biến thành năng lượng điện từ chuyển từ Roto sang Stato.
37
4.1.2 Máy phát điện không đồng bộ lồng sóc - SCIG
Hình 4.2: Máy phát điện không đồng bộ lồng sóc-Hãng ABB.
a. Single-Speed WECS
38
không đồng bộ Rotor lồng sóc (SCIG) kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua một biến áp. SCIG sử dụng một bộ tụ (Capacitor bank) để bù công suất phản kháng. Để kết nối tốt với lưới điện thường sử dụng một bộ khởi động mềm (SoftStator).
Để khởi động Tua-bin gió SCIG thì bộ khởi động mềm được sử dụng để loại bỏ dòng đỉnh trong cuộn dây máy phát, bộ khởi động này bản chất là bộ điều khiển điện áp AC 3 pha. Nó bao gồm 3 cặp công tắc Thyristor mắc song song. Để khởi động hệ thống thì góc kích thyristor được thay đổi từ từ để điện áp đặt lên máy phát tăng từ từ, từ 0 đến giá trị điện áp lưới, kết quả là dòng khởi động Stato được hạn chế hiệu quả. Một khi quá trình khởi động được thực hiện thì bộ khởi động mềm được ngắt ra khỏi lưới, hệ thống kết nối với lưới thông qua Stator.
b. Two-Speed WECS Operation by Two Generators (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.4: Hệ thống máy phát SCIG 2 cấp tốc độ nối lưới.
Sự hoạt động 2 cấp tốc độ có thể được thực hiện bởi cơ cấu hai máy phát ghép đôi tới 1 trục: một máy phát tốc độ cao (thường là 4 cực) và một máy phát tốc độ thấp (thường là 6 hoặc 8 cực), sự lựa chọn máy phát hoạt động thông qua công tắc S, phụ thuộc vào tốc độ gió. Việc sử dụng hai máy phát 2 tốc độ thì không cần một máy phát đặc chế, hoạt động ở hai cấp tốc độ. Tuy nhiên nó lại cần bộ truyền động dài, phức tạp và yêu cầu đặc biệt ở các khớp nối. Hai máy phát có thể cùng một trục hay hai trục
39
riêng rẻ nhau như hai hình a và b. Do đó, hệ thống này làm tăng giá thành và khối lượng. Vì vậy, ứng dụng này trong thực tế là rất hiếm.
c. Khởi động SCIG với Softstarter
Khi tốc độ gió cao hơn tốc độ gió ngưỡng cắt dưới của hệ thống, góc pitch của cánh quạt gió được thay đổi một lượng nhỏ và một lượng nhỏ của momen được tạo ra để gia tốc cho Tua-bin và máy phát điện, mặc dù máy phát quay trong suốt quá trình gia tốc nhưng không có điện áp Stato được cảm ứng vì thiếu dòng từ hoá để tạo ra từ thông, cái mà rất cần để tạo ra điện áp Stato máy phát. Khi tốc độ Roto gần sát với tốc độ đồng bộ thì máy phát được kết nối tới lưới bởi công tắc chính (Main Switch). Ngay cùng một thời điểm đó, bộ khởi động mềm (Soft starter) được kích hoạt với một góc kích cụ thể, khi đó một lượng điện áp rất thấp được tạo ra và một dòng điện nhỏ bắt đầu chạy qua Stato. Sau đó góc kích được giảm từ giá trị cụ thể xuống 0 độ, khi đó điện áp lưới được áp vào máy phát. So với sự kết nối trực tiếp tới lưới thì việc sử dụng bộ khởi động mềm giúp giảm dòng đỉnh khi khởi động xuống một lượng đáng kể mà lý do chính là sự tăng điện áp Stato một cách từ từ. Khi dòng đỉnh giảm thì momen dao động thực sự được loại bỏ, giúp giảm được tác động cơ học xấu đến bộ truyền động, tăng tuổi thọ hệ thống và giảm chi phí bảo trì. Tại thời điểm đạt được tốc độ đồng bộ thì bộ phận đóng ngắt Bypass Switch được đóng lại và hệ thống được khởi động hoàn tất, hệ thống bắt đầu thu năng lượng tư gió. Để tạo được công suất từ gió thì góc pitch cánh quạt được điều chỉnh từ vị trí khởi động tới vị trí tối ưu. Khi đó hệ thống hoạt động ở trạng thái ổn định và phát công suất vào lưới.
40
Hình 4.6: Gía trị dòng đỉnh khi khởi động SCIG khi kết nối lưới gián tiếp thông qua bộ khởi động mềm.
d. Ưu và nhược điểm
Máy phát SCIG thường được sử dụng trong hệ thống năng lượng gió với tốc độ không đổi. Công suất máy phát nằm trong dải từ vài KW đến vài MW. Trong trường hợp của một mạng lưới điện yếu, SCIG có thể tạo ra biến động điện áp tại các điểm kết nối. Vì những dao động điện áp, Tua-bin gió tốc độ cố định sẽ lấy lượng công suất phản kháng từ lưới điện (trừ khi có một bộ tụ điện), làm tăng các biến động điện áp và tổn hao dòng. SCIGs có một đặc tính tốc độ mô-men xoắn dốc và do đó sự biến động của năng lượng gió được truyền đi trực tiếp vào lưới điện. Những quá độ này là đặc biệt quan trọng trong kết nối mạng lưới các Tua-bin gió, nơi dòng điện có thể tăng lên đến 7-8 lần dòng định mức. Trong một mạng lưới yếu, khi dòng tăng cao có thể gây ra rối loạn điện áp nghiêm trọng. Vì vậy, nhược điểm của loại này là không thể điều chỉnh được tốc độ, hệ số công suất thấp. Nó đòi hỏi một mạng lưới cứng và kết cấu cơ khí của nó phải có khả năng chịu lực cơ học cao bởi hộp số và máy phát hoạt động ở tốc độ số vòng quay nhanh. Vì vậy, máy phát điện này được sử dụng cho các Tua-bin gió tốc độ không đổi. Cho đến nay, các SCIG có được sự lựa chọn phổ biến vì tính đơn giản cơ học, hiệu quả sử dụng cao và các yêu cầu bảo trì thấp.
41
4.1.3 Máy phát điện không đồng bộ Roto dây quấn
Trong công nghiệp điện gió, máy phát điện không đồng bộ Roto dây quấn gồm hai loại chính:
4.1.3.1 Máy phát điện cảm ứng optislip - OSIG
Hình 4.7: Hệ thống OSIG nối lưới.
Hình 4.7 thể hiện cấu hình đơn giản của WRIG với điện trở bên trong Roto được điều khiển bởi bộ converter. Gía trị điện trở được thay đổi bởi bộ converter bao gồm cầu diode và một bộ IGBT.
Với những giá trị khác nhau của giá trị điện trở thì máy phát sẽ hoạt động ở những điểm khác nhau. Điều này cho thấy một dải tốc độ vừa phải thường ít hơn 10% tốc độ định mức máy phát.
Tua-bin gió loại này biến đổi tốc độ bằng sự thay đổi giá trị điện trở Rotor máy phát điện, được gọi là OptiSlip. Sử dụng một máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng) Rotor dây quấn (WRIG) và đã được sử dụng bởi các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas kể từ giữa những năm 1990. Máy phát điện trực tiếp kết nối với lưới điện. Một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng. Kết nối lưới điện tốt hơn đạt được bằng cách sử dụng một bộ khởi động mềm.
42
Vestas để giảm thiểu tải trên các Tua-bin gió trong những cơn gió tốc độ lớn. Các tính năng OptiSlip cho phép máy phát điện có sự thay đổi độ trượt (phạm vi hẹp) và lựa chọn độ trượt tối ưu, kết quả là tạo ra được những thay đổi nhỏ trong kiểm soát mô- men xoắn và công suất đầu ra. Phạm vi của điều khiển tốc độ phụ thuộc vào dải biến đổi điện trở Rotor. Stato của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện. Những lợi thế của loại máy phát điện này là cấu trúc liên kết mạch điện đơn giản, hoạt động một phạm vi tốc độ được cải thiện so với các SCIG, loại này có thể làm giảm tải trọng cơ học và dao động năng lượng gây ra bởi cơn gió giật. Tuy nhiên, nó vẫn đòi hỏi một hệ thống bù công suất phản kháng. Những nhược điểm là: phạm vi tốc độ thường được giới hạn 0-10%, vì nó phụ thuộc vào biên độ thay đổi điện trở.
43
4.1.3.2 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép - DFIG
Hình 4.8: Máy phát điện DFIG trong Tua-bin gió-Hãng ABB.
a. Cấu tạo
44
biến đổi Converter.
Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng, Stato máy phát được kết nối trực tiếp tới lưới và Roto nối với bộ biến đổi công suất thông qua vành trượt. Một tụ điện DC Link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng. Thiết bị Crowbar được trang bị ở đầu cực Roto để bảo vệ quá dòng và quá điện áp trong mạch một chiều. Khi xảy ra tình trạng quá dòng, thiết bị Crowbar sẽ ngắn mạch đầu cực Roto thông qua điện trở Crowbar, ngưng hoạt động của bộ Converter và cho phép máy phát điện hoạt động như một máy phát điện không đồng bộ thông thường. Trong thực tế, điện áp định mức của Roto thường nhỏ hơn điện áp định mức Stato nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới là máy biến áp 3 cuộn dây. Bộ Converter phía Roto (RSC) có các ưu điểm sau:
Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới.
Có khả năng hoàn toàn tự kích từ DFIG thông qua mạch Roto, độc lập với điện
áp lưới. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khả năng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng độc lập với nhau.
Trong khi đó nhiệm vụ chính của bộ Converter phía lưới (GSC) là giữ cho điện
áp phát DC Link không đổi.
b. Sơ đồ mạch tương đương của hệ thống DFIG trong trạng thái ổn định với bộ Converter phía Roto bộ Converter phía Roto
45
Để tìm hiểu trạng thái ổn định của DFIG, bộ chuyển đổi phía Roto được mô phỏng bởi một trở kháng tương đương. Mạch tương đương được thành lập dựa vào lý thuyết máy điện và bằng cách thêm vào trở kháng Converter tương đương. Trở kháng Converter tương đương được xác định bởi:
𝑍𝑒𝑞
⃗⃗⃗⃗⃗⃗ =𝑅𝑒𝑞+ j𝑋𝑒𝑞 = 𝑅𝑒𝑞 + j𝜔𝑠𝑙𝐿𝑒𝑞
Trong đó, 𝜔𝑠𝑙 là tần số góc trượt và 𝐿𝑒𝑞 là điện cảm tương đương của của RSC.
Chú ý rằng, tần số dòng Roto trong cuộn dây Roto chảy vào converter là ωslkhông
phải là ωs. Để thống nhất trở kháng tương đương converter thành dạng ổn định với ωs
thì Z⃗⃗⃗⃗⃗⃗ eq được chia với hệ số trượt 𝑠, ta được: Zeq
⃗⃗⃗⃗⃗⃗ /s = Req/s + jXeq/s = Req/s + jωsLeq Trong đó: ωsl = sωs
Ta tính công suất : Pag = 3(VS− IS RS) IS
Từ lý thuyết máy điện không đồng bộ :
Pag = ωsTm p
Trong đó, Tm là momen cơ và p là số cặp cực của máy phát. Ta có:
3(VS− IS RS)IS = ωsTm p IS = VS±√VS 2− 4.RS.ωs.Tm3p 2RS Căn cứ vào hình 4.10, ta xác định : V⃗⃗⃗ r và I⃗⃗ .r Điện áp nhánh từ hóa là: Vm ⃗⃗⃗⃗⃗ = V⃗⃗⃗ − Is ⃗⃗ (Rs S + jωsLls) Trong đó: V⃗⃗⃗ = Vs s < 00 và I⃗⃗ = Is s < 1800
46
m jω
sLm r s m
Điện áp Roto được tính: Vr
⃗⃗⃗ = sV⃗⃗⃗⃗⃗ − Im ⃗⃗ (Rr r + jsωsLlr) từ công thức:
Vr
⃗⃗⃗ /s = V⃗⃗⃗⃗⃗ − Im ⃗⃗ (Rr r/s + jωsLlr)
Sự liên quan giữa Vr và Req, Xeq: V⃗⃗⃗⃗ r
Ir
⃗⃗⃗ = Req+ jXeq
Từ công thức: V⃗⃗⃗⃗ /sr Ir
⃗⃗⃗ = Req/𝑠+ jXeq/𝑠 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mạch tương đương của hình 4.13 có thể được sắp xếp lại như hình 4.14 để tìm cacas giá trị công suất liên quan:
47
Tính toán công suất liên quan trên mạch:
Công suất cơ: Pm = 3Ir2( Rr + Req)1−s s
Công suất Roto: Pr = 3Ir2Req
Công suất tổn hao đồng trên cuộn dây Roto: Pcu,r= 3Ir2Rr
Công suất tổn hao đồng trên cuộn dây Stato: Pcu,s= 3Is2Rs
Công suất Stato. (øs là góc hệ số công suất Stato): Ps=3VsIscos ø𝑠
Pag= 3(Vs - IsRs)
Pg là công suất truyền tới lưới sẽ được trình bày trong mục chế độ hoạt
động của DFIG.
Hiệu suất của máy phát: η = PPg
m
Hình 4.12: Hiệu suất liên quan đến tốc độ quay trong máy phát DFIG.
48
c. Các trạng thái hoạt động của DFIG
Tùy thuộc vào tốc độ của Roto mà máy phát DFIG trong Tua-bin gió hoạt động với 3 trạng thái :
- Trạng thái siêu đồng bộ (Supersynchronous mode)
Hình 4.13: Trạng thái hoạt động trạng thái siêu đồng bộ DFIG.
Trong trạng thái siêu đồng bộ, máy phát hoạt động trên tốc độ đồng bộ ωs. Trong trường hợp này độ trượt s của máy phát sẽ mang giá trị âm.
Hình 4.14: Dòng công suất DFIG trong trạng thái hoạt động siêu đồng bộ.
Trong trường hợp này, Req có giá trị dương, công suất Roto Pr có giá trị dương nghĩa là Req tiêu thụ công suất tương tự với Rr và Rs. Trong thực tế công suất Roto không tiêu tán trong Req mà nó chuyển tới lưới. Giá trị công suất cơ Pm từ trục chuyển tới lưới thông qua cả Roto và Stato. Công suất Roto được chuyển tới lưới thông qua bộ
49
chuyển đổi công suất phía Roto, trong khi đó công suất Stato được chuyển trực tiếp tới lưới.
Khi đó công suất truyền tới lưới: Pg = Ps + Pr = Pm , bỏ qua tổn hao máy phát và bộ chuyển đổi.
- Trạng thái máy phát hoạt động dưới tốc độ đồng bộ (Subsynchronous mode)
Hình 4.15: Trạng thái hoạt động chế độ dưới đồng bộ DFIG.
Trong trường hợp này máy phát hoạt động dưới tốc độ đồng bộ ωs. Trong trường hợp này độ trượt s của máy phát sẽ mang giá trị dương. Khi đó Roto nhận công suất từ lưới thông qua bộ chuyển đổi công suất.
Hình 4.16: Dòng công suất DFIG trong trạng thái hoạt động dưới đồng bộ.
Khi đó, cả công suất cơ và công suất Roto được chuyển tới lưới thông Stato. Trong trường hợp này, giá trị của Pr và Req mang giá trị âm, nghĩa là mạch Roto nhận công suất từ lưới thông qua converter. Gía trị công suất chuyển tới lưới: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
50
Trong trường hợp này máy phát DFIG hoạt động với tốc độ bằng với tốc độ