Mô hình hóa và điều khiển hệ thống máy phát điện gió luận văn thạc sĩ

Và với tổng công suất điện gió hiện đang hoạt động là khoảng 159.2 MW vẫn là một con số rất khiêm tốn so với tiềm năng năng lượng của nước ta [4] Vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒNG NAI – NĂM 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

ĐỒNG NAI – NĂM 2019

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Đồng Nai và các Anh, Chị, Em đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tham gia Khóa học

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu nhà trường, quý Thầy Cô Khoa Sau đại học, Khoa Cơ điện Trường Đại học Lạc Hồng đã luôn nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

Trong quá trình làm luận văn vẫn còn một số hạn chế nên rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và các Anh, Chi, Em đồng nghiệp, bạn bè để nội dung đề tài ngày càng hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Đồng nai, tháng 11 năm 2019 Học viên thực hiện

Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS , người Thầy của tôi, đã luôn quan tâm và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này Xin cảm ơn Thầy đã cung cấp cho em nguồn tài liệu tham khảo quý báu

và tạo điều kiện tốt nhất về môi trường học tập nghiên cứu và trao đổi kinh nghiệm với các anh em học viên tại Phòng thí nghiệm Hệ thống năng lượng Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh từ khi mới bắt đầu cho đến khi hoàn thành luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng tất cả kết quả cũng như số liệu mô phỏng trong đề tài

do chính bản thân tôi thực hiện Nội dung luận văn do chính bản thân tôi biên soạn, các tham khảo tài liệu đều có nguồn trích dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật nếu nội dung, số liệu

và kết quả trong luận văn là ngụy tạo hoặc đạo văn

Đồng nai, tháng 11 năm 2019 Học viên thực hiện

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn dựa vào mô hình toán của tua – bin gió, máy phát PMSG để xây dựng

mô hình mô phỏng Matlab Simulink, đồng thời kết hợp với bộ biến đổi công suất gồm có bộ tăng áp DC – DC và bộ nghịch lưu Đối với bộ tăng áp DC – DC, nhiệm

vụ điều khiển là thực hiện dò tìm công suất cực đại MPPT Đầu ra của bộ MPPT sẽ điều khiển khóa bán dẫn để đạt được công suất cực đại đẩy qua bên phía bộ nghịch lưu Nhiệm vụ của bộ nghịch lưu là giữ mức điện áp DC – link ổn định bằng việc đẩy hết công suất tác dụng lên lưới, đồng thời bộ nghịch lưu có khả năng điều khiển công suất phản kháng Q Để thực hiện được mục đích trên, phương pháp điều khiển

sử dụng là điều khiển định hướng điện áp lưới VOC kết hợp với phương pháp điều khiển sóng mang Tính hữu hiệu của phương pháp được đánh giá qua kết quả mô phỏng

MỤC LỤC

1.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 3

1.3.4 Đặc tính công suất của tua – bin gió 19 1.3.5 Các phương pháp điều khiển tua – bin gió 20 1.3.6 Vận hành công suất tua – bin gió 24

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 31

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 48

3.1.2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha và mạch biến đổi tăng áp DC – DC 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

AC Alternative Current Dòng điện xoay chiều

EVN Electricity of VietNam Ngành điện lực của Việt Nam GSC Grid Side Converter Bộ nghịch lưu nối lưới

HAWT Horizontal Axis Wind Turbine Tua – bin gió trục quay nằm ngang

IG Induction Generator Máy phát điện cảm ứng

Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

SG Synchronous Generator Máy phát điện đồng bộ

VAWT Vertical Axis Wind Turbine Tua – bin gió trục quay thẳng đứng VOC Voltage Oriented Control Điều khiển định hướng điện áp WECS

Wind Energy Conversion

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Trạng thái áp nghịch lưu dùng sóng mang 42 Bảng 2.2 Trạng thái áp nghịch lưu dùng véc tơ không gian 44

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống biến đổi năng lượng gió cơ bản 3 Hình 1.2 Cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió 4 Hình 1.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định 5 Hình 1.4 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi 6

Hình 1.8 Sơ đồ nối lưới của một nông trại gió 9 Hình 1.9 Một số hình ảnh nhà máy điện gió ở Việt Nam 11 Hình 1.10 Một số hình ảnh cánh đồng gió ở các nước 13 Hình 1.11 Tua – bin gió trục quay thẳng đứng 14

Hình 1.13 Cấu trúc các dạng cánh quạt tua – bin gió 16

Hình 1.15 Đường cong công suất lý tưởng của tua – bin gió 19 Hình 1.16 Nguyên lý của phương pháp điều khiển Passive Stall 21 Hình 1.17 Nguyên lý của phương pháp điều khiển Active Stall 22 Hình 1.18 Nguyên lý của phương pháp điều khiển góc Pitch 23 Hình 1.19 Đặc tính công suất của các phương pháp điều khiển tua

Hình 2.2 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tua

Hình 2.3 Sơ đồ của máy phát đồng bộ trên hệ trục dq 35 Hình 2.4 Mô hình đơn giản của máy phát đồng bộ 36

Hình 2.6 Sơ đồ dạng sóng mạch chỉnh lưu cầu ba pha 37

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu NPC 3 bậc 41 Hình 2.10 Sơ đồ phát xung PWM dùng sóng mang 41 Hình 2.11 Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế

Hình 2.12 Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế

Hình 2.13 Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng

Hình 2.15 Giản đồ véc tơ điện áp bộ nghịch lưu 3 bậc NPC 45 Hình 2.16 Phương pháp điều khiển định hướng điện áp VOC 46 Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng tua – bin và máy phát PMSG 48 Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng bộ chỉnh lưu và bộ biến đổi tăng áp DC

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng khối MATLAB Function 1 49 Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu NPC nối lưới 50 Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng khối MATLAB Function 50

Hình 3.8 Điện áp DC liên kết và điện áp DC liên kết tham chiếu 56

Hình 3.10 Công suất tác dụng và công suất phản kháng 57 Hình 3.11 Dòng điện lưới trên hệ trục d – q 58

Hình 3.12 Công suất tác dụng đưa vào lưới điện 58 Hình 3.13 Công suất phản kháng và công suất phản kháng tham

Hình 3.14a Dòng và áp pha trong trường hợp Unity PE 59 Hình 3.14b Dòng và áp pha trong trường hợp Leading PE 60 Hình 3.14c Dòng và áp pha trong trường hợp Lagging PE 60 Hình 3.15a Dòng ba pha trong trường hợp Unity PE 61 Hình 3.15b Dòng ba pha trong trường hợp Leading PE 61 Hình 3.15c Dòng ba pha trong trường hợp Lagging PE 61 Hình 3.16a Phổ tần số dòng pha A cho trường hợp Unity Power

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hiện nay, ngành công nghiệp của các nước trên thế giới đang phát triển với tốc

độ rất nhanh Nhu cầu sử dụng điện năng vì thế ngày càng tăng cao Việc cung cấp

đủ nguồn năng lượng điện với tiêu chí đảm bảo chất lượng điện năng, không gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề rất quan trọng và cần thiết Ở nước ta, cùng với sự phát triển chung của các ngành kinh tế, ngành điện lực Việt Nam (EVN) đã ngày càng được quan tâm và đầu tư phát triển hơn để có thể đáp ứng đủ nhu cầu cung cấp và sử dụng điện năng trong cả nước

Cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác như thủy điện, nhiệt điện, năng lượng mặt trời,… điện gió là nguồn năng lượng điện đang được hướng tới và kỳ vọng

là nguồn điện tương lai của Việt Nam Với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt là không bao giờ bị cạn kiệt, năng lượng gió được coi là năng lượng xanh vô cùng dồi dào, phong phú và có

ở khắp mọi nơi Ở Việt Nam, với những lợi thế về địa hình, khí hậu,… thiên nhiên đã

ban tặng cho đất nước chúng ta một nguồn năng lượng gió dồi dào Vì vậy, điện gió

là mục tiêu khai thác hiệu quả và đưa vào sử dụng hòa cùng hệ thống lưới điện quốc gia là điều mà ngành điện lực nước ta nói riêng cũng như đất nước Việt Nam nói chung luôn luôn hướng đến

1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Lịch sử phát triển của ngành điện gió đã có từ những năm cuối thế kỷ XIX Nhưng cho đến năm 1980, năng lượng gió mới bắt đầu thật sự được quan tâm mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế về kỹ thuật và một số yếu tố ảnh hưởng khác Tuy vậy, ở các nước Châu Âu, đặc biệt là các nước Đan Mạch, Đức và Tây Ban Nha vẫn liên tục cải tiến những kỹ thuật mới trong thiết kế, lắp đặt tua – bin gió (WT), nhờ đó đã tạo ra hiện tượng bùng nổ năng lượng gió trong những kể từ năm 1990 [2] Và cho đến nay, trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió là ngành có công nghệ phát triển nhanh nhất Trong thập kỷ qua, năng lượng gió toàn cầu đã tăng nhanh và là đối thủ quan trọng đối với các nguồn năng lượng truyền thống Công nghệ điện gió đã ngày càng được các quốc gia quan tâm khai thác và đầu tư với những dự án lớn lên

đến hàng chục triệu USD và công suất lên đến hàng trăm GW Nguồn năng lượng xanh và sạch này đã thật sự bắt đầu có sự cạnh tranh trên thị trường thế giới

Với lợi thế là đất nước có hơn 3000km bờ biển chạy dọc theo chiều dài hình chữ

S, từ Bắc vào Nam, Việt Nam chúng ta cần quan tâm phát triển và quy hoạch nguồn năng lượng phong phú này không những trên đất liền mà còn ở trên biển góp phần phát triển nền kinh tế, kỹ thuật, du lịch của nước nhà Trong một nghiên cứu của Ngân hàng thế giới (WB) cho thấy 8.6% diện tích đất liền của Việt Nam rất giàu tiềm năng, thuận lợi cho việc lắp đặt các tua – bin gió lớn Trong khi đó con số tương ứng của các nước như Lào là 2.9%, Thái Lan là 0.2% và Cambodia là 0.2% Việt Nam cũng

là nước có tiềm năng điện gió lớn nhất Đông Nam Á với tổng tiềm năng điện gió ước tính đạt 513.000 MW, cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện vào năm 2020

và lớn hơn rất nhiều so với tiềm năng của các nước trong khu vực như Lào (182.252 MW), Thái Lan (152.392 MW) và Cambodia (26.000 MW)

Riêng ở Việt Nam, tính đến nay, đã có rất nhiều dự án điện gió lớn tại một số tỉnh như Ninh Thuận, Bình Thuận, Cà Mau, Bạc Liêu,… và một số đảo như Phú Quốc, Trường Sa, Côn Đảo, Phú Quý,… đi vào hoạt động với công suất từ nhỏ, vừa và lớn,

từ vài MW lên đến hàng chục MW Cụ thể là Phú Quý (6 MW), Phú Lạc (24 MW), Tuy Phong (30 MW), Bạc Liêu (99.2 MW) Và còn khoảng gần 100 dự án điện gió đăng ký đầu tư tại Việt Nam với tổng công suất hơn 7.000 MW Những dự án này sẽ nâng tổng công suất lên 800 MW vào năm 2020, khoảng 2.000 MW vào năm 2025

và khoảng 6.000 MW vào năm 2030 Và với tổng công suất điện gió hiện đang hoạt động là khoảng 159.2 MW vẫn là một con số rất khiêm tốn so với tiềm năng năng lượng của nước ta [4]

Vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện gió

là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay Tham khảo một số tài liệu, chúng ta thường thấy dù các nhà nghiên cứu có lựa chọn các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng mục đích chung vẫn là phải đảm bảo chất lượng và sự ổn định của nguồn điện khi cung cấp cho các phụ tải Bên cạnh đó, việc hòa lưới hệ thống biến đổi năng lượng gió (WECS) vào hệ thống năng lượng điện quốc gia còn gặp nhiều khó khăn do việc

xử lý các tín hiệu gây nhiễu, các sóng hài bậc cao chưa được tối ưu sẽ làm ảnh hưởng

không nhỏ đến chất lượng điện năng hay nói cách khác là rất khó có thể đảm bảo các yêu cầu khắt khe trong hệ thống cung cấp và truyền tải điện năng Có rất nhiều phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện gió nhưng để tìm hiểu, nghiên cứu và quyết định lựa chọn một phương pháp thích hợp và tối ưu nhất, đảm bảo cả tính kinh tế, kỹ thuật, địa lý,… vẫn luôn là một bài toán khó đối với các nhà nghiên cứu Riêng ở Việt Nam chúng ta hiện nay, với những yếu tố thuận lợi về khí hậu, địa hình, …thì việc phát triển nền công nghiệp điện gió là điều đáng được quan tâm Vì vậy, khi quyết định chọn bất kỳ một phương pháp điều khiển nào chúng ta cũng cần phải hiểu rõ để phát huy hết tất cả các ưu điểm và hạn chế các khuyết điểm của phương pháp Có như vậy chúng ta mới xây dựng được một hệ thống điều khiển và cung cấp nguồn năng lượng xanh và sạch tối ưu nhất góp phần nâng cao đời sống kinh tế của xã hội toàn cầu nói chung và ở Việt nam nói riêng

1.2 Một số hệ thống biến đổi năng lượng gió

Hệ thống WECS cơ bản được chia làm hai phần gồm: Năng lượng cơ và năng

lượng điện như hình 1.1 [5] Thông qua bộ chuyển đổi năng lượng thì cơ năng sẽ được

chuyển đổi thành điện năng Sau đó, tín hiệu điện năng sẽ được kết nối lưới thông qua

bộ điều khiển và biến đổi công suất [7] Các hệ thống WECS này được gọi chung là tua – bin gió

Gearbox

electronics

Supply grid Wind

power

Mechanical power

Electrical power

Power conversion

& power control

Power transmission

Power conversion Power conversion & power control

Power transmission

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống biến đổi năng lượng gió cơ bản

Mỗi hệ thống WT đều có những ưu khuyết điểm riêng khi được đưa vào vận hành hoặc trong quá trình lắp đặt, sửa chữa bảo hành Tuy nhiên, khi WT sử dụng chức năng hoạt động của động cơ đồng bộ hoặc không đồng bộ làm việc ở chế độ máy phát điện, tất cả đều tuân theo nguyên tắc chung là phải đảm bảo công suất hoạt

động của WT là tối ưu cũng như các thông số kỹ thuật của hệ thống WT phải đảm bảo đủ điều kiện kết nối lưới Đồng thời, trong quá trình vận hành của hệ thống WT phải có qui trình đóng ngắt lưới kịp thời khi xảy ra sự cố nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện

Hình 1.2 Cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió

Mô hình WECS thường được chia làm hai loại: WT tốc độ cố định và WT tốc

độ thay đổi

Đối với WT tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện,

do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển Do đó hệ thống WT sẽ không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió Vì vậy, đối với hệ thống WT tốc độ cố định khi điều kiện tốc độ gió

có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Bên cạnh đó, vì tốc độ quay của WT khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách là sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số sẽ điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát Những phương pháp này sẽ góp phần không nhỏ trong việc đảm

bảo công suất đầu ra của WT cũng như chất lượng điện năng của hệ thống Mặc dù

có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, nhưng mô hình này lại có những nhược điểm như sau: không thể điều khiển công suất tối ưu, do tốc độ rotor được giữ

cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột, do tần số

và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển

tích cực Hình 1.3 mô tả một hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định sử dụng

máy phát điện đồng bộ Hệ thống được kết nối lưới thông qua bộ tụ

Gear - box

Pitch

Grid Soft

starter IG

Transformer

Capacitor bank

Hình 1.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định

Đối với WT tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi những thiết

bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió

có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi WT tốc độ thay đổi có thể được cải thiện hơn so với WT tốc độ cố định

Hình 1.4 mô tả hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi Hệ thống này

được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là loại IG hoặc loại SG Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên

Gear - box

Pitch

Grid IG

Transformer

Power electronic converter

DC AC

AC DC

Hình 1.4 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi

1.3 Tua – bin gió

1.3.1 Sự phát triển của tua – bin gió

Tua – bin gió (WT) đầu tiên được người Hồi giáo phát minh vào năm 634, dùng

để thoát nước, xay bột nên có tên gọi là cối xay gió Vào cuối thế kỉ XIX, các nhà khoa học đã sử dụng cối xay gió để sản xuất điện Một trong những phát minh đầu tiên có thể nhắc đến chính là cối xay gió 12 kW DC Tuy nhiên cho tới gần cuối thế

kỉ XIX, những năm 1980, thì năng lượng gió mới bắt đầu thật sự được quan tâm Và sau hơn 20 năm ngành công nghiệp điện gió đã dần dần góp phần không nhỏ vào việc phát triển hệ thống điện và cung cấp năng lượng điện cho một số quốc gia trên thế giới

Hình 1.5 Cấu tạo bên trong của tua – bin gió

Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, các nhà khoa học đã tính toán thiết kế và đưa vào sử dụng những nguyên liệu tổng hợp để thiết kế ra những hệ

thống WT có công suất lớn hơn từ vài KW đến vài MW Tất cả đều đảm bảo được các yêu cầu về tính thiết kế cũng như thi công và vận hành trong những điều kiện môi

trường làm việc trên đất liền cũng như ngoài khơi Hình 1.5 mô tả cấu tạo bên trong của một tua – bin gió và Hình 1.6 là hình ảnh thực tế của một trạm phong điện

Hình 1.6 Một trạm phong điện trong thực tế

Kích thước cánh quạt của WT tỉ lệ thuận với công suất của WT Ban đầu, WT với chiều dài cánh quạt là 15m với công suất tạo ra gần 50KW Hiện nay, sau hơn 20 năm, công nghệ không ngừng phát triển, cánh quạt của WT lớn nhất mà người ta chế tạo ra được có chiều dài là 145m gần bằng với chiều dài của một chiếc máy bay BOEING 747 với công suất tạo ra gần 10 MW Điều đó đã khẳng định rằng ngành điện gió đã và đang phát triển rất mạnh trên nhiều quốc gia Đồng thời đây cũng là ngành mà cả thế giới đang hướng tới trong tương lai gần

Hình 1.7 cho chúng ta thấy công suất và kích thước cũng như chiều cao của WT

đã thay đổi rất lớn kể từ năm 1980 cho đến năm 2012 [7]

Hình 1.7 Kích thước của tua – bin gió (φ:bán kính; H: chiều cao)

Các WT có công suất nhỏ dưới 300 KW thường được lắp đặt cho hộ dân, bù điện cho các xí nghiệp hoặc kết hợp với các nguồn năng lượng điện khác như năng lượng mặt trời, nhà máy gió với động cơ DIESEL, … để tạo thành một hệ thống phân phối điện độc lập nhằm cung cấp điện cho những vùng sâu vùng xa, các hòn đảo,…

Do nguồn năng lượng gió là không liên tục và việc nối lưới khó khăn và chi phí rất cao, nên các hệ thống điện gió độc lập chỉ chiếm một phần nhỏ so với tổng công suất lắp đặt điện gió trên thế giới Phần lớn các WT sẽ được vận hành trên các cánh đồng gió hay còn gọi là nông trại gió hoặc công viên gió Đó là những địa điểm có nguồn gió ưu đãi, được lắp đặt một số lượng lớn WT nhằm giảm chi phí lắp đặt, giảm chi phí kết nối khi truyền tải cũng như rất thuận tiện cho việc bảo quản và vận hành [2]

Do điện áp ngõ ra của máy phát chỉ lên đến vài trăm Vôn nên cần có máy biến

áp để nâng điện áp lên trên 10 KV Sau đó sẽ đưa về trạm biến áp để tiếp tục tăng điện

áp sao cho phù hợp các điều kiện hòa lưới điện Hiện nay, để đáp ứng tính kinh tế, các nước thường chọn phương án sử dụng loại WT có công suất lớn do chi phí sản xuất và lắp đặt sẽ giảm hơn so với việc sử dụng nhiều WT nhỏ có cùng tổng công

suất Hình 1.8 là sơ đồ nối lưới của một nông trại gió Điện áp sau máy phát rất thấp,

khoảng vài trăm Vôn (690V) sẽ được nâng lên hàng chục KV (35KV) qua máy biến

áp trước khi cung cấp cho trạm biến áp Tại đây, điện áp sẽ tiếp tục được tăng lên mức điện áp cao hơn để hòa với hệ thống lưới điện

Hình 1.8 Sơ đồ nối lưới của một nông trại gió

Các cánh đồng gió thường được đặt ở đất liền do dễ thi công, lắp ráp, bảo trì và gần lưới điện Nhưng một vấn đề được đặt ra là sức gió không mạnh và ổn định bằng ngoài khơi, mặt bằng thi công trên đất liền ngày càng gặp khó khăn nên những dự án điện gió ngoài khơi đã được tính đến Năng lượng gió sẽ đạt được nhiều hơn, các vấn

đề về tiếng ồn, cảnh quan sẽ bị ảnh hưởng không đáng kể khi chúng ta lắp đặt WT ngoài khơi Đây cũng chính là những điều kiện cần thiết cho việc phát triển công nghệ

WT ngoài khơi của các nước trên thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng Hiện nay, các nước khu vực Châu Âu đã lắp đặt tổng cộng được 1.5 GW công suất gió ngoài khơi góp phần đưa tổng sản lượng điện gió hàng năm lên đến 16 GW Theo báo cáo thống kê của Hiệp hội năng lượng tái tạo toàn cầu IREN, năm 2016 tỷ trọng công suất điện gió mới nhất toàn cầu hiện đang chiếm tổng 9% với tổng các nguồn điện hiện có Với các quốc gia thì tổng đứng đầu là Trung Quốc chiếm 34%, Mỹ 17%, Đức 10%, sau đó đến Ấn độ 6%, Tây Ban Nha 5%, Vương quốc Anh, Canada đều 3%, Pháp, Italia, Brazil đều 2%, còn Thuỵ Điển, Đan Mạch, Thổ Nhĩ kỳ, Ba Lan đều 1%

Hình 1.9 là hình ảnh một số nhà máy điện gió ở Việt Nam, các nhà máy điện gió

đầu tiên đã được đầu tư xây dựng và đi vào hoạt động trên đất liền ở các tỉnh miền Trung như Ninh Thuận, Bình Thuận và trên biển như ở Bạc Liêu,…

Cánh đồng điện gió Tuy Phong – Bình Thuận

Cánh đồng điện gió ven biển Bạc Liêu

Cánh đồng điện gió ở Đảo Phú Quý

Hình 1.9 Một số hình ảnh nhà máy điện gió ở Việt Nam

Hình 1.10 là một số hình ảnh nông trang gió ở các nước có ngành công nghiệp

điện gió phát triển mạnh như: Đức, Mỹ, Pháp, Trung Quốc,…

Cánh đồng điện gió ở Đức

Cánh đồng điện gió ở Pháp

Cánh đồng điện gió trên biển ở Mỹ

Cánh đồng điện gió ở Trung Quốc

Hình 1.10 Một số hình ảnh cánh đồng gió ở các nước

1.3.2 Phân loại tua – bin gió

Trên thị trường có rất nhiều loại WT và mỗi loại có hình dáng, kích thước và công suất khác nhau Thông thường, người ta phân loại dựa vào chiều của trục mà các cánh tua – bin quay quanh Hầu hết các WT hiện nay đang được sử dụng có dạng trục nằm ngang (HAWT), chỉ có một số ít có trục quay thẳng đứng (VAWT) Mỗi loại đều có những ưu khuyết điểm khác nhau khi sử dụng

Hệ thống tua – bin gió VAWT có ưu điểm lớn nhất là không cần điều khiển cánh quạt theo hướng gió vì cánh quạt nằm dọc theo trục chính đứng Hệ thống truyền động

và máy phát được bố trí dưới mặt đất nên thuận tiện cho việc vận hành và bảo trì Trụ tháp và các cánh quạt được thiết kế gọn nhẹ và đơn giản Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống Nhưng hạn chế do cánh quạt gần mặt đất, nơi tốc độ gió thấp nên mô – men khởi động kém ảnh hưởng đến công suất đầu ra Gió sát mặt đất thường bị hiện tượng cuốn quần sẽ làm gia tăng các ứng suất có hại lên tua – bin gió Quan trọng nhất là khi tốc độ gió lớn, công suất đầu ra

tăng cao, tua – bin gió sẽ làm ảnh hưởng đến máy phá Hình 1.11 là các dạng VAWT

loại trục quay thẳng đứng [5]

(b) Rotor

Wind

direction

(a)

Generator and gearbox

Wind direction

Guy wire

Tower

Rotor

(a) Musgrove WT (b) Derries WT

Hình 1.11 Tua – bin gió trục quay thẳng đứng

Đối với tua – bin gió HAWT có Rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang, được chia làm hai loại là kết cấu chọn hướng gió thổi trước và kết cấu chọn hướng gió thổi sau Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra những ưu khuyết điểm của kết cấu chọn hướng gió thổi sau là có thể tự động điều khiển trái phải để đạt góc đón gió tối

đa nhưng do cánh quạt có vị trí ngay sau trụ tháp luôn bị gió tác động yếu đi sẽ làm các cánh quạt bị vênh không những dẫn đến cánh quạt sẽ bị mỏi cơ mà còn gây nhiều tiếng ồn và làm giảm đáng kể công suất đầu ra

Vì vậy, hiện nay các tua – bin gió trục quay nằm ngang hầu hết đều dùng loại hướng gió thổi trước Đồng thời kết hợp với các bộ điều khiển để sao cho cánh quạt luôn vuông góc với hướng gió Đặc biệt, khi gió quá mạnh, cần giảm công suất đầu

ra để bảo vệ cho máy phát trong hệ thống điện gió, thì tua – bin gió trục quay ngang

có thể dùng nguyên lý điều khiển lên xuống trục tua – bin để tăng giảm công suất đầu

ra Đây là ưu điểm lớn nhất của hệ thống HAWT Hình 1.12 mô tả hai dạng HAWT

[5]

Wind

direction

Wind direction

(a) Hướng gió thổi trước (b) Hướng gió thổi sau

Hình 1.12 Tua – bin gió trục quay nằm ngang

Thiết kế khí động học của cánh quạt tua – bin có ảnh hưởng không nhỏ đến năng lượng khai thác được từ gió Số lượng cánh quạt cũng rất được quan tâm khi thiết kế tua – bin gió HAWT Khác với những cối xay gió sử dụng nhiều cánh quạt, tua – bin gió dùng để phát điện cần có những tiêu chí thiết kế khác Các WT có số lượng cánh quạt là 1 cánh quạt hoặc 2 cánh quạt thường sẽ tạo được tốc độ xoay cao hơn nên thiết

kế hệ thống truyền động yêu cầu hộp số với tỷ số bánh răng ít hơn, khi đó tổn thất năng lượng sẽ giảm đáng kể Nhưng một điều đáng lưu ý là khi tốc độ xoay của cánh quạt càng cao thì tiếng ồn sẽ càng lớn Điều này sẽ ảnh hưởng không nhỏ đối với các khu vực đông dân cư ở gần cánh đồng điện gió

Tuy nhiên, thực tế cho thấy trong ngành công nghiệp điện gió, các nước thường loại sử dụng loại tua – bin có 3 cánh quạt vì có hiệu suất cao nhất dù giá thành chế tạo cao và khối lượng lớn hơn so với cấu trúc khác [5] Các cánh quạt gió thường có hình dáng như: cánh buồm, mái chèo, hình chén, … đều được dùng để thu năng lượng gió để tạo ra mômen quay trục tua bin

Hiện nay, để đảm bảo sự cân đối giữa sức bền và trọng lượng của cánh quạt, người

ta thường sử dụng nhôm, sợi thủy tinh hoặc sợi các – bon tổng hợp để chế tạo cánh

quạt gió Hình 1.13 mô tả cấu trúc của các dạng WT

(a) Một cánh quạt (b) Hai cánh quạt (c) Ba cánh quạt

Hình 1.13 Cấu trúc các dạng cánh quạt tua – bin gió

Hiện nay, ở Châu Âu, các tua – bin gió trục quay nằm ngang HAWT thường có

số cánh quạt là ba Nhưng ở Mỹ lại có xu hướng giảm số cánh quạt còn hai Lý thuyết chứng minh, cấu trúc ba cánh quạt quay êm hơn nhưng giá thành chế tạo cao hơn và khối lượng lớn hơn so với cấu trúc hai cánh quạt

Ngược lại, loại tua – bin gió trục quay ngang có số cánh quạt là ba cũng gặp nhiều khó khăn hơn khi chế tạo, lắp đặt, cân chỉnh hoặc thay thế so với loại tua – bin gió trục quay ngang có số cánh quạt là hai [2]

1.3.3 Cấu tạo của tua – bin gió

Cấu tạo chung của một tua – bin gió HAWT gồm những thành phần như hình

1.14 sau:

Thiết bị Yaw

Thiết bị

Chong chóng gió

Bộ đo tốc độ gió Hộp số

Phanh hãm

Cánh gió

Hình 1.14 Cấu tạo của tua – bin gió

Cánh gió (Blades): Cánh quạt tua – bin gió

Rotor: Rotor của tua – bin gió bao gồm các cánh quạt và trục

Thiết bị Pitch: Cánh gió được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ của Rotor nhằm

giữ cho tốc độ Rotor quay trong gió được ổn định

Phanh hãm (Brake): Phanh hãm dạng đĩa, được dùng như phanh cơ khí, phanh

điện hoặc phanh thủy lực để dừng Rotor trong các tình huống khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ Các WT không được thiết kế chịu đựng tốc độ qúa cao Như vậy, cần có các thiết bị hãm tốc độ để đảm bảo an toàn cho WT

Trục truyền động tốc độ thấp (Low-speed shaft): Trục truyền động của máy phát

ở tốc độ thấp

Hộp số (Gear box): Hộp số được đặt giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao để

gia tăng tốc độ quay vì đây là yêu cầu của hầu hết các máy phát để sản xuất ra điện

Bộ bánh răng này rất đắt tiền và là một phần của động cơ và WT Các máy phát có tốc độ thấp hơn thì không cần bộ này

Máy phát (Generator): Máy phát thường dùng các máy phát tự cảm ứng để phát

điện năng xoay chiều

Bộ điều khiển (Controlle)r: Bộ điều khiển sẽ điều khiển động cơ khởi động và

dừng động cơ

Bộ đo tốc độ gió (Anemometer): Bộ đo tốc độ gió đo rồi chuyển dữ liệu đến bộ

điều khiển

Chong chóng gió (Wind vane): Chong chóng gió phát hiện hướng gió và kết hợp

với thiết bị Yaw để giữ cho tốc độ của tua – bin phù hợp với tốc độ gió

Vỏ của tua – bin (Nacelle): Vỏ của WT bao gồm Rotor của tua – bin gió và vỏ

bọc ngoài, toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ Vỏ được sử dụng để bảo vệ các chi tiết trong vỏ

Trục truyền động tốc độ cao (High-speed shaft): Trục truyền động của máy phát

ở tốc độ cao

Yaw drive: Có hai chức năng khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ giới hạn theo thiết kế

giữ cho Rotor đối diện với nguồn gió khi hướng gió thay đổi Nhưng khi tốc độ gió vượt qua giới hạn theo thiết kế đặc biệt là khi có gió bão, Yaw dịch Rotor ra khỏi hướng bão

Yaw motor: Động cơ hỗ trợ truyền động trệch giúp WT xoay theo hướng gió

Tháp (Tower): Tháp được làm từ thép phiến hoặc các thanh thép bắt chéo nhau

với kết cấu vững vàng và chịu va đập cơ học, ăn mòn và có tính đàn hồi hợp lý Tốc

độ gió tỷ lệ với độ cao nên tháp càng cao thì tua – bin càng lấy được nhiều năng lượng và sản sinh ra được càng nhiều điện năng Trong suốt giai đoạn tốc độ gió quá cao, WT sẽ ngừng hoạt động để bảo đảm an toàn Tương tự, trong trường hợp lưới

điện bị sự cố hoặc máy phát không liên kết được với phụ tải thì WT sẽ tăng tốc nhanh chóng, việc này dẫn đến tua – bin sẽ quay quá tốc độ cho phép trong vài giây

Đặc tính công suất của WT được xác định bằng đồ thị đường cong công suất, là

đồ thị phản ánh mối quan hệ giữa năng lượng cơ của WT và tốc độ gió Đồ thị được

vẽ và đảm bảo tính chính xác bởi nhà sản xuất Hiệp hội năng lượng thế giới (IEA)

đã phát triển các đề xuất ý tưởng trong việc xác định đồ thị công suất Các ý tưởng này tiếp tục được cải thiện và hoàn thành nhờ Cộng đồng điện quốc tế (IEC) Theo tiêu chuẩn, IEC61400-12 được xem là tiêu chuẩn để đo và xác định đồ thị đường cong công suất

Trong hình 1.15, đồ thị cho ta biết đặt tính công suất của tua – bin được chia thành

3 vùng tốc độ: tốc độ ngắt dưới (Cut – in), tốc độ định mức và tốc độ ngắt trên (Cut –

out) Trong đó P M là công suất cơ được tạo ra từ tua – bin và v w là tốc độ gió

Miền phát công suất định mức

Không làm việcMiền hiệu suất rotor cực đại

Hình 1.15 Đường cong công suất lý tưởng của tubin gió (khi β = 0 độ )

Vận tốc gió Cut – in (V C ): còn gọi là tốc độ ngắt dưới chính là vận tốc gió tối thiểu

cần có để thắng ma sát và tạo ra công suất hay nói cách khác đó chính là tốc độ tối thiểu để tua – bin bắt đầu hoạt động Năng lượng thu được trên cánh quạt cần phải

lớn hơn năng lượng tổn thất trên tua – bin khi đó tua – bin mới hoạt động

Vận tốc gió định mức (V r ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng

theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt đến giá trị

Vr, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế Lúc này, hệ thống WT thu được năng lượng ổn định, có nghĩa là công suất đầu ra đạt định mức Khi lớn hơn

Vr thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tua – bin giảm bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát

Vận tốc gió Cut – out (V f ): còn gọi là tốc độ ngắt trên là khi tốc độ gió tiếp tục

tăng và đạt đến ngưỡng Vf thì hệ thống WT cần phải được ngưng hoạt động để bảo

vệ máy phát trước các ảnh hưởng của gió và các cấu trúc cơ khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không

Như vậy, WT sẽ bắt đầu khai thác năng lượng khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ ngắt dưới (cut – in) và sẽ dừng vận hành khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ cắt trên (cut – out) Trên lý thuyết thì có sự chuyển đổi đột ngột khi chuyển từ đường cong bậc 3 sang đường thẳng khi vận hành ở vận tốc cao hơn định mức Nhưng trên thực tế thì không

có điểm này mà chuyển đổi từ từ chứ không đột ngột Công suất mà hệ thống WT khai thác được sẽ tỉ lệ theo bậc 3 của tốc độ gió cho đến khi tốc độ gió đạt đến tốc độ định mức Để cung cấp năng lượng điện gió ổn định cho lưới điện ở các trường hợp tốc độ gió khác nhau thì máy phát cần phải được điều khiển với các giá trị tốc độ vận hành khác nhau Như tốc độ gió tăng lên trên tốc độ định mức, cơ chế điều khiển khí động học của cánh quạt được yêu cầu phải điều khiển công suất khai thác được luôn giữ ở mức định mức

1.3.5 Các phương pháp điều khiển tua – bin gió

Có nhiều phương pháp điều khiển WT khác nhau, mỗi phương pháp đều có những

ưu nhược điểm và ứng dụng cụ thể khác nhau, điển hình là 4 phương pháp sau đây:

Pitch Angle Control, Stall Control, Power Electronic Control,Yaw Control

Như đã nói ở trên, chúng ta biết nguyên tắc khí động học của tua – bin tương tự như của máy bay Cánh quạt quay được trong gió là do khối khí thổi qua bề mặt mà

không tiếp xúc trực tiếp nhanh hơn ở bề mặt tiếp xúc trực tiếp với gió Nhờ đó tạo nên lực nâng cánh quạt kéo nó quay Góc tiếp xúc là một đại lượng quan trọng để xác định lực và momen xoắn được tạo ra Do đó, nó có ảnh hưởng đến việc điều khiển năng lượng khai thác được Chúng ta có 3 phương pháp khí động học để điều khiển

được năng lượng thu được từ các tua – bin lớn: Passive Stall, Active Stall và Pitch

Passive Stall Control: trong phương pháp điều khiển Passive Stall, các cánh quạt

của tua – bin được cố định trên trục của rotor góc tiếp xúc tối ưu (định mức) Khi tốc

độ gió dưới hoặc bằng tốc độ định mức, cánh quạt tua – bin với góc tiếp xúc tối ưu sẽ khai thác được tối đa năng lượng từ gió Với tốc độ vượt quá tốc độ định mức, gió mạnh sẽ làm sự mất cân bằng ở bề mặt mà không tiếp xúc trực tiếp với gió Kết quả

là lực nâng sẽ giảm và thậm chí có thể bị triệt tiêu nếu như tốc độ gió tiếp tục tăng, làm chậm tốc độ quay của cánh quạt Hiện tượng này gọi là Stall Hiện tượng Stall không có lợi trong hàng không, nhưng nó lại là một phương pháp hữu ích để giới hạn năng lượng khai thác để bảo vệ tua – bin

Hình 1.16 Nguyên lý của phương pháp điều khiển Passive Stall

Hình 1.16 mô tả nguyên lý của điều khiển bằng phương pháp Passive Stall, trong

đó lực nâng sinh ra từ tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức được gọi là Fw,stall, nhỏ hơn lực nâng định mức Fw,rate Cánh quạt cần phải được thiết kế có đặc tính khí động đảm bảo hiện tượng Stall chỉ diễn ra khi tốc độ gió vượt quá tốc độ định mức Để đảm bảo rằng cánh quạt xảy ra hiện tượng Stall một cách từ từ mà không đột ngột, các cánh

quạt tua – bin lớn thường được xoắn dọc theo trục dọc một vài độ Điều khiển bằng phương pháp Passive Stall không cần cơ chế Pitch phức tạp, nhưng cánh quạt yêu cầu

thiết kế phức tạp Passive Stall không thể giữ cho năng lượng khai thác được P M ở một giá trị không đổi được, công suất thu được có khi sẽ vượt qua công suất điện mức

ở một số tốc độ gió

Active Stall Control: Trong tua – bin sử dụng phương pháp Active Stall, hiện

tượng Stall có thể diễn ra không chỉ ở tốc độ gió lớn, mà còn có tăng góc α của cánh quạt Vì thế, Active Stall tua – bin có cánh quạt điều chỉnh bằng cơ chế điều khiển Pitch Khi tốc độ gió vượt qua vượt qua giá trị định mức, cánh quạt được điều chỉnh

để giảm công suất khai thác Công suất gió có thể giữ được ở mức độ trung bình bằng cách điều chỉnh góc α

Hình 1.17 Nguyên lý của phương pháp điều khiển Active Stall

Hình 1.17 mô tả nguyên lý hoạt động của Active Stall Khi cánh quạt được mở

hoàn toàn trước gió thì cánh quạt sẽ mất sự tương tác với gió và làm cho rotor dừng lại Cơ chế vận hành này được sử dụng khi mà tốc độ gió lớn hơn tốc độ Cut – out để dừng tua – bin và bảo vệ chúng khỏi bị hỏng Với cơ chế điều khiển Active Stall,

chúng ta có thể giữ được năng lượng thu được luôn ở định mức cho dù tốc độ gió có tăng vượt quá tốc độ định mức Active Stall có thể điều khiển cho tua – bin lên đến khoảng vài MW

Pitch Control: Tương tự như cơ chế của Active Stall, cơ chế điều khiển Pitch

của tua – bin gió cũng điều chỉnh cánh quạt dọc theo trục của nó Khi tốc gió vượt quá tốc độ định mức, cơ chế Pitch sẽ điều chỉnh làm giảm góc α, xoay phần lưỡi cánh quạ (pitching) dần dần ra khỏi gió Khi đó áp lực mặt trước và mặt sau của cánh quạt giảm, dẫn đến giảm lực nâng của cánh quạt

Hình 1.18 Nguyên lý của phương pháp điều khiển góc Pitch

Nguyên lý vận hành của cơ chế Pitch được mô tả như trong hình 1.18 Khi tốc độ

gió nhỏ hơn tốc độ định mức, cánh quạt được đặt góc α được giữ nguyên ở giá trị tối

ưu, gọi là αR khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ định mức, góc α của cánh quạt sẽ được giảm để làm giảm lực nâng, Fw,pitch Khi cánh quạt ở chế độ Fully Pitch, khi đó lưỡi của cánh quạt thẳng hàng với vận tốc gió và lực nâng sẽ bị triệt tiêu

Cả 2 phương pháp điều khiển Pitch và Active Stall đều dựa trên hoạt động xoay của cánh quạt nhưng điều khiển góc Pitch thì xoay cánh quạt để phần lưỡi dần dần ra khỏi gió, từ đó làm giảm lực nâng, trong khi phương pháp Active Stall lại điều chỉnh

phần lưỡi cánh quạt đối diện với hướng gió để gây ra sự mất cân bằng từ đó làm giảm lực nâng

Hình 1.19 mô tả các đặc tính công suất của 3 phương pháp điều khiển tua – bin

gió đã trình bày ở phần trên Công nghệ Passive Stall thường được sử dụng trong các tua – bin tốc độ không đổi giai đoạn đầu Công nghệ này được phát triển thành công nghệ Active Stall Hệ thống điều khiển góc Pitch đáp ứng nhanh hơn hệ thống Active Stall và khả năng điều khiển tốt hơn Hiện nay đa số các tua – bin đều được sử dụng

hệ thống điều khiển góc Pitch

Hình 1.19 Đặc tính công suất của các phương pháp điều khiển tua – bin gió

1.3.6 Vận hành công suất tua – bin gió

Khi xét về khía cạnh kinh tế, thiết kế và vận hành WECS cần phải tính đến khả năng khai thác tối đa năng lượng từ gió, vì công suất phát ra tỷ lệ thuận trực tiếp với hiệu suất rotor, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ (Tip - Speed - Ratio)

cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại WT Do đó, tốc độ quay của máy phát cần phải được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì

λ tối ưu

Vận hành công suất cực đại: trong thực tế, các hệ thống biến đổi năng lượng gió

WECS thường được vận hành theo hai chế độ, chế độ thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số và chế độ vận hành thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất Thuận lợi của chế độ vận hành thứ nhất là lưới điện được cấp một lượng công suất không đổi, tuy nhiên năng lượng từ gió không được sử dụng hiệu quả Ở chế độ vận hành thứ hai, tối ưu hóa năng lượng nhận được từ gió trong một phạm vị thay đổi tốc

độ làm việc cho phép, chế độ vận hành này thường được áp dụng cho các tuabin công suất lớn, tuy nhiên công suất đưa lên lưới thay đổi Có hai cách thực hiện điều khiển tối ưu công suất đầu ra của máy phát điện gió như sau:

Điều khiển tối ưu λ (Tip - Speed – Ratio): theo cách này, tốc độ gió được đo lường

liên tục Trên cơ sở dữ liệu gió đo được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu

λ theo từng giá trị tốc độ gió và do đó có thể đạt công suất đầu ra tối ưu

Điều khiển bám công suất đỉnh: nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị

của công suất P theo ω Thuận lợi của phương pháp này là không yêu cầu xác định

tốc độ gió Theo nguyên lý này, tốc độ rotor được tăng hoặc giảm với các số gia nhỏ,

công suất đầu ra được đo lường liên tục, trên cơ sở đó tính toán tỷ số ΔP/Δω Nếu tỷ

số này dương, nghĩa là có thể nhận thêm công suất từ gió bằng cách tăng tốc độ của rotor Mặt khác, nếu tỷ số này âm, công suất phát sẽ giảm nếu ta thay đổi tốc độ Tốc

độ của rotor được duy trì sao cho ΔP /Δω gần giá trị 0 Tóm lại, để tối ưu công suất

nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải được điều chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào Cả hai chiến lược này đều nhằm mục đích đạt được tương quan P − Cp

tối ưu (mối quan hệ giũa công suất gió và hiệu suất cánh quạt tua – bin)

Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng: máy phát điện

gió cấp nguồn từ hai phía được điều khiển trong hệ trục tham chiếu dq định hướng theo véc tơ điện áp lưới, với trục d trùng với vị trị của véc tơ điện áp Theo cách này,

ta có thể điều khiển độc lập giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng

1.4 Máy phát điện trong hệ thống điện gió

Máy phát là bộ phận chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện Hệ thống biến đổi năng lượng gió WECS không ngừng phát triển dẫn đến sự phát triển nhanh của tua – bin gió cũng như các loại máy phát sử dụng trong hệ thống điện gió Tùy

thuộc vào cấu trúc và nguyên lý vận hành, máy phát điện có thể được chia thành 2 loại chính: máy phát không đồng bộ (IGs) và máy phát đồng bộ (SGs)

Máy phát đồng bộ (SGs) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện gió với công suất từ khoảng vài KW đến vài MW, có thể được phân loại thành 2 loại chính là: máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) và máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) Cả 2 loại đều được sử dụng trong các hệ thống điện gió với công suất tối đa khoảng 7.5MW PMSG có hiệu suất và mật độ năng lượng cao hơn so với WRSG Máy phát đồng bộ rất thích hợp cho tua – bin truyền động trực tiếp Gần đây, các nhà sản xuất đang hướng tới tua – bin gió được truyền động trực tiếp với PMSG Có 2 loại PMSG được sử dụng trong ngành công nghiệp điện gió là: nam châm cực lồi và cực ẩn Máy phát điện cảm ứng lồng sóc có cấu tạo đơn giản và bền trong công trình

Nó tương đối rẻ và ít yêu cầu bảo trì Các hệ thống điện gió truyền thống nối lưới trực tiếp hiện nay đều sử dụng chúng, và chúng chỉ hoạt động ở tốc độ gió không đổi Trên thị trường vẫn có một số loại máy phát 2 cấp tốc độ, trong đó có một cuộn dây có thể được nối vào để thay đổi số cực cho phép chúng có thể vận hành ở 2 tốc độ khác nhau

Hình 1.20 Phân loại một số máy phát điện thường dùng trong tua – bin gió lớn

Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu: trong PMSG, từ trường rotor tạo ra bởi

nam châm vĩnh cửu, vì thế những máy phát loại này không cần chổi quét Bởi vì không cần cuộn dây ở rotor, mật độ công suất cao nên có thể giảm được kích thước

và khối lượng của máy phát Thêm vào đó không có sự tổn hao ở cuộn dây rotor, giảm được áp lực về nhiệt cho rotor Tuy nhiên chúng cũng có những bất lợi là chi phát đầu

tư đắt hơn và dễ bị hỏng Phụ thuộc cách gắn các cực trên rotor mà người ta phân loại