Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng, đối với các thế hệ máy phát điện gió công suất lớn thì máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là phù hợp.. Hofmann Với nhu cầu kết
Giới thiệu chung
Giới thiệu
Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống sinh hoạt và hoạt động sản xuất của nhân loại Khi mức sống và nhu cầu phát triển kinh tế ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng điện cũng tăng theo để đáp ứng yêu cầu của xã hội Điều này đặt ra thách thức lớn cho nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam, trong việc đảm bảo nguồn cung năng lượng điện ổn định, bền vững và phù hợp với sự phát triển bền vững của đất nước.
Các dự báo phát triển kinh tế xã hội chủ nghĩa trong giai đoạn đến năm
Dự báo 2050 dựa trên các nghiên cứu liên tục trong những năm qua nhằm đánh giá sự phát triển, xác định các điều kiện thuận lợi hoặc khó khăn trước mắt và trong tương lai Ba kịch bản chính được đề xuất để dự đoán tương lai, phản ánh các yếu tố tác động đến sự phát triển kinh tế và xã hội Việc phân tích các kịch bản này giúp đưa ra các chiến lược phù hợp, nâng cao khả năng thích ứng của các quốc gia trước các thay đổi lớn trong tương lai.
- Kịch bản tăng trưởng cao
- Kịch bản tăng trưởng thấp
- Kịch bản tăng trưởng cơ sở
1.1.1 Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng nhanh
Tỷ lệ tăng trưởng theo kịch bản tăng trưởng nhanh được thể hiện như Bảng 1.1
Bảng 1.1 Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng nhanh
Nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy hải sản 2,2 2,2
Công nghiệp và xây dựng 9,3 9,1
1.1.2 Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng chậm
Tỷ lệ tăng trưởng theo kịch bản tăng trưởng chậm được thể hiện như Bảng 1.2
Bảng 1.2 Kịch bản tỷ lệ tăng trưởng chậm
Nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy hải sản 2,0 2,0
Công nghiệp và xây dựng 7,5 7,4
Dịch vụ 8,0 8,0 c Kịch bản cơ sở
Tỷ lệ tăng trưởng theo kịch bản cơ sở được thể hiện như Bảng 1.3
Bảng 1.3 Kịch bản cơ sở
Nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy hải sản 2,2 2,2
Công nghiệp và xây dựng 8,6 8,1
Nhìn chung, giai đoạn 2016 - 2020 sẽ là giai đoạn phát triển nhanh, ngay cả trong kịch bản tăng trưởng chậm
Chiến lược công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng trưởng cao là nền tảng để thực hiện mục tiêu “dân giàu, nước mạnh” và tránh nguy cơ tụt hậu Ngành điện đóng vai trò then chốt, phải vượt qua các thách thức lớn trong tương lai để cung cấp nguồn điện ổn định và phát triển Để đáp ứng yêu cầu này, ngành điện cần nâng cao khả năng dự báo nhu cầu tiêu thụ điện năng của nền kinh tế, từ đó lập kế hoạch chiến lược và phát triển năng lực cung ứng phù hợp, đảm bảo sự phát triển bền vững và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế.
Theo Quyết định 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Tổng sơ đồ VII về quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030, việc phát triển nguồn điện phải đảm bảo đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế của đất nước Đồng thời, Quyết định 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030, nhằm cập nhật và phù hợp với những thay đổi trong bối cảnh phát triển kinh tế – xã hội Các chính sách này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc mở rộng và đa dạng hóa nguồn điện để đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng.
- xã hội của cả nước khoảng 330 - 362 tỷ kWh trong năm 2020 và khoảng 695 -
Theo Quyết định 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 của Thủ Tướng Chính phủ, ngành năng lượng Việt Nam đã đặt mục tiêu ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện Mục tiêu cụ thể là nâng tỷ lệ điện năng từ nguồn năng lượng tái tạo lên 4,5% vào năm 2020 và đạt 6% vào năm 2030, góp phần thúc đẩy ngành năng lượng bền vững của quốc gia.
Dự báo về quy hoạch phát triển nguồn điện gió tại Việt Nam đặt mục tiêu nâng công suất từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020 và khoảng 6.200 MW vào năm 2030 Điện năng sản xuất từ nguồn điện gió dự kiến chiếm tỷ lệ tăng từ 0,7% vào năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng sạch.
Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vượt trội so với các nước láng giềng như Lào, Campuchia và Thái Lan Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam ước tính vào khoảng 513.360 MW, gấp 6 lần tổng công suất dự báo của ngành điện năm 2020 Các khu vực ven biển, cao nguyên miền nam trung bộ và miền nam Việt Nam là những địa phương hứa hẹn nhất để phát triển dự án điện gió Ngoài ra, khoảng 8,6% diện tích lãnh thổ Việt Nam có mức tiềm năng gió từ “cao” đến “rất cao”, phù hợp cho việc triển khai các tuabin gió cỡ lớn với tốc độ gió trên 7,0 m/s.
Hiện nay, căn cứ vào tốc độ gió, bảng cấp gió được sử dụng phổ biến trên thế giới là bảng cấp gió Beaufor với 17 cấp, Bảng 1.4
Tốc độ gió Áp suất gió trung bình (kg/m 2 ) Đặc điểm của gió m/s km/h
Vùng biển đảo có tiềm năng năng lượng gió lớn, góp phần vào phát triển nguồn năng lượng sạch cho quốc gia Tuy nhiên, đó mới chỉ là tiềm năng lý thuyết, với tiềm năng có thể khai thác thực tế và tiềm năng kinh tế kỹ thuật sẽ thấp hơn nhiều Nguồn năng lượng gió này vẫn là một nguồn năng lượng tiềm năng đáng kể, có thể được khai thác để bổ sung cho hệ thống điện quốc gia và thay thế dần các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.
Chính phủ Việt Nam đã ban hành Quyết định số 37/QĐ-TTg ngày 29 tháng 6 năm 2011, nhằm thúc đẩy phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam thông qua các cơ chế hỗ trợ phù hợp Quyết định này xác định mức giá mua điện gió cố định, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà đầu tư phát triển nguồn năng lượng tái tạo Việc thiết lập chính sách rõ ràng về giá điện gió đóng vai trò quan trọng trong việc khuyến khích các dự án điện gió mới và thúc đẩy năng lượng sạch tại Việt Nam.
Giá điện sinh hoạt hiện là 1.614 đồng/kWh (chưa gồm thuế giá trị gia tăng), tương đương khoảng 7,8 US cents/kWh Trong mức giá này, đã bao gồm khoản trợ cấp 207 đồng/kWh (≈ 1,0 US cent/kWh) do Chính phủ Việt Nam cung cấp thông qua Quỹ Bảo vệ Môi trường Việt Nam, nhằm thúc đẩy sử dụng năng lượng sạch và bảo vệ môi trường.
Hình 1.1 Tiềm năng gió biển của Việt Nam
Dù năng lượng gió ngày càng phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong ngành năng lượng, nhưng do phải phụ thuộc vào điều kiện môi trường như đã đề cập, nó không thể trở thành nguồn năng lượng chủ đạo trong hệ thống năng lượng quốc gia.
Khả năng kết hợp giữa điện gió và thủy điện tích năng mở ra nhiều cơ hội cho Việt Nam trong việc đa dạng hóa nguồn năng lượng Việc kết hợp này giúp tối ưu hóa nguồn năng lượng, kết hợp các nguồn năng lượng truyền thống với các nguồn tái tạo phù hợp về chi phí Đồng thời, nó tận dụng được thế mạnh và hạn chế của từng loại năng lượng, tạo nên sự bổ sung lẫn nhau để nâng cao hiệu quả phát điện và đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước.
Khác với điện hạt nhân đòi hỏi quy trình kỹ thuật và giám sát nghiêm ngặt, việc xây dựng điện gió không yêu cầu các quy trình khắt khe này Các chuyên gia về điện gió nhận định rằng, dựa trên kinh nghiệm phát triển thành công tại các quốc gia khác và lợi thế địa lý của Việt Nam, năng lượng điện gió hoàn toàn có khả năng đóng góp đáng kể vào sự phát triển kinh tế của đất nước.
Điện gió tận dụng nguồn năng lượng vô tận từ gió, không hạn chế về quy mô đầu tư, giúp giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường và hạn chế hiện tượng mưa axít do khí thải SO2 Nguồn năng lượng này là nguyên liệu sạch, không gây ô nhiễm không khí và nước Với đặc điểm phân tán và gần khu dân cư, điện gió còn giúp giảm chi phí truyền tải Ngoài ra, phát triển năng lượng gió đóng vai trò quan trọng trong việc đa dạng hóa nguồn năng lượng, giảm phụ thuộc vào các nguồn chính và nâng cao an ninh năng lượng quốc gia.
Điện gió có nhược điểm lớn nhất là sự phụ thuộc mạnh mẽ vào điều kiện thời tiết, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất năng lượng Ngoài ra, các tuabin gió thường gây tiếng ồn khi hoạt động, gây ảnh hưởng đến môi trường sống xung quanh Hơn nữa, chúng có thể làm phá vỡ cảnh quan tự nhiên và gây nhiễu sóng vô tuyến, ảnh hưởng đến tín hiệu truyền thông.
Tính cấp thiết của đề tài
Các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện, nhiệt điện đang đối mặt với áp lực cạn kiệt nguồn năng lượng sơ cấp như nước và nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến việc cần tăng cường nghiên cứu, khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học do tính khả thi và lợi ích về môi trường Máy phát điện gió là thành phần không thể thiếu trong hệ thống điện gió, đóng vai trò quan trọng trong chuyển đổi năng lượng thành điện năng Do đó, nghiên cứu về các loại máy phát điện gió mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong quá trình phát triển năng lượng sạch và bền vững.
Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ tập trung vào các loại máy phát điện gió khác nhau, đặc trưng bởi các đặc điểm kỹ thuật và hiệu suất hoạt động, để xác định loại phù hợp nhất cho hệ thống điện gió Những loại máy này được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện gió, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của nguồn năng lượng tái tạo Việc phân tích các đặc điểm của từng loại máy phát điện gió sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống và tăng cường khả năng vận hành ổn định, bền vững trong điều kiện thực tế.
- Máy phát điện không đồng bộ (Induction generator);
- Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly-fed induction generator);
- Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous generator)
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Máy phát điện gió
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán cho các loại máy phát điện gió khác nhau trong hệ thống điện gió
Mô phỏng và phân tích các loại máy phát điện gió khác nhau là yếu tố quyết định trong việc tối ưu hóa hệ thống điện gió phù hợp với điều kiện môi trường tự nhiên đa dạng Việc này giúp đánh giá hiệu suất hoạt động của các loại máy phát điện gió dưới các điều kiện thời tiết khác nhau, từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp để nâng cao năng suất và độ bền của hệ thống Phân tích này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất điện gió, giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa chi phí vận hành.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Mô hình và mô phỏng các loại máy phát điện gió” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Tổng quan tình hình nghiên cứu, khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió trên thế giới và tại Việt Nam
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến các loại máy phát khác nhau trong hệ thống điện gió
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán cho các loại máy phát điện gió khác nhau trong hệ thống điện gió
- Mô phỏng và phân tích các loại máy phát điện gió khác nhau trong hệ thống điện gió.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về năng lượng gió, hệ thống điện gió và máy phát điện gió
- Xây dựng mô hình toán cho các loại máy phát điện gió khác nhau
- Mô phỏng vận hành các loại máy phát điện gió trong các điều kiện gió khác nhau.
Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn bao gồm: 5 chương
Chương 2 – Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện gió
Chương 3 – Cơ sở lý thuyết hệ thống điện gió
Chương 4 – Phân tích máy phát điện gió
Chương 5 – Mô phỏng máy phát điện gió
Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển tương lai
Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện gió
Giới thiệu
Hệ thống điện gió đã được khai thác và phát triển từ rất lâu, góp phần vào năng lượng sạch và bền vững Máy phát điện gió đóng vai trò là thành phần quan trọng trong hệ thống này, chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng hiệu quả Các máy phát điện gió đã được nghiên cứu, thiết kế và đưa vào khai thác sử dụng phổ biến, giúp tăng cường năng lượng tái tạo và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
- Máy phát điện không đồng bộ (Induction generator, IG);
- Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly-fed induction generator, DFIG);
- Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu (Permanent magnetic synchronous generator, PMSG).
Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện gió
2.2.1 Các nghiên cứu nước ngoài
Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối của hệ thống máy phát điện không đồng bộ nguồn kép rotor dây quấn kết hợp với bộ biến đổi nguồn áp back to back Hệ thống này được nghiên cứu bởi J G Slootweg, H Polinder và W L Kling để cung cấp nguồn điện cho cuộn dây rotor Sơ đồ mô tả cách các thành phần liên kết chặt chẽ nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của máy phát điện trong các ứng dụng năng lượng tái tạo và truyền tải điện Các nghiên cứu này giúp nâng cao khả năng kiểm soát và độ tin cậy của hệ thống máy phát điện không đồng bộ trong các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện đại.
Năm 2001, J G Slootweg, H Polinder và W L Kling đã giới thiệu mô hình toán của một máy phát điện gió không đồng bộ rotor dây quấn nguồn kép với bộ biến đổi nguồn áp Các bộ điều khiển của tốc độ rotor, góc cánh tuabin, và điện áp đầu cực máy phát cũng được nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hình 2.2 Bộ điều khiển góc pitch trong nghiên cứu của J G Slootweg, H
Hình 2.3 Bộ điều khiển điện áp đầu cực máy phát điện gió trong nghiên cứu của J G Slootweg, H Polinder và W L Kling
Năm 2001, B Rabelo và W Hofmann đã giới thiệu mô hình máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn nguồn kép cùng với các chiến lược điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển vector, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Chiến lược điều khiển bám tốc độ tối ưu được phát triển để giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống phát điện gió.
Các kết quả mô phỏng cho thấy máy phát điện không đồng bộ nguồn kép phù hợp cho các thế hệ máy phát điện gió công suất lớn So với máy phát đồng bộ, máy không đồng bộ có kích thước nhỏ gọn hơn và cho phép thực hiện các chiến lược điều khiển chính xác hơn Việc sử dụng loại máy phát này cũng giúp giảm tổn thất của hệ thống phát điện gió, nâng cao hiệu suất vận hành.
Hình 2.4 Sơ đồ kết nối của stator và rotor máy phát điện không đồng bộ nguồn kép với lưới điện trong nghiên cứu của B Rabelo và W Hofmann
Việc kết nối hệ thống điện gió vào lưới điện đang vận hành đòi hỏi các mô hình toán chính xác của các máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống tuabin gió Các mô hình này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả vận hành và tính ổn định của hệ thống điện gió, giúp tối ưu hóa quá trình tích hợp vào lưới điện quốc gia Nghiên cứu của J B Ekanayake, L Holdsworth, và X đã góp phần nâng cao độ chính xác của các mô hình này, từ đó hỗ trợ kỹ thuật lưới điện trong việc thích nghi với sự phát triển của năng lượng tái tạo.
Wu, N Jenkins đã giới thiệu mô hình toán này, cùng với các mô hình của các bộ biến đổi, hệ thống điều khiển và bảo vệ máy phát [5]
Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng thể cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong nghiên cứu của A Tapia, G Tapia, J X Ostolaza và J R
Năm 2003, A Tapia, G Tapia, J X Ostolaza và J R Saenz đã trình bày các kết quả mô phỏng và thực nghiệm về hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép kết nối lưới Mô hình máy điện trong nghiên cứu này đã được khảo sát dưới các điều kiện vận hành trên và dưới tốc độ đồng bộ, góp phần mở rộng hiểu biết về hiệu suất và khả năng vận hành của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.
Hình 2.6 Cấu trúc của các tuabin gió tốc độ biến đổi trong nghiên cứu của Z
Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển công suất của máy phát điện gió DFIG trong nghiên cứu của Z X Fang, X D Ping và L Y Bing
Năm 2004, Z X Fang, X D Ping và L Y Bing đã giới thiệu mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong khung hệ tọa độ tham chiếu d-q, đồng bộ với từ thông stator Trong nghiên cứu này, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được điều khiển bằng phương pháp dự báo, cho thấy hiệu quả vượt trội so với bộ điều khiển PI truyền thống về độ chính xác, độ nhạy và độ bền vững Các kết quả mô phỏng chứng minh rõ ràng hiệu quả của bộ điều khiển dự báo đề xuất.
Năm 2002, T Nakamura, S Morimoto, M Sanada, Y Takeda đã giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống phát điện gió Chiến lược này giúp cực đại công suất phát bằng cách điều khiển máy phát theo phương pháp bám điểm công suất cực đại (MPPT) và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Moment của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu được điều chỉnh phù hợp với tốc độ quay của máy, giúp duy trì công suất của tuabin gió ở điểm công suất cực đại mà không cần đo lường tốc độ gió trực tiếp Đồng thời, các chiến lược điều khiển này còn giúp giảm thiểu tổn thất của hệ thống máy phát, nâng cao hiệu quả vận hành và tuổi thọ của các thiết bị trong hệ thống phát điện gió.
Năm 2003, các nghiên cứu của S Morimoto, H Nakayama, M Sanada và Y Takeda đã đề xuất sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội cho hệ thống phát điện gió tốc độ biến đổi Họ đã tối ưu hóa điều khiển vectơ dòng điện phần ứng của máy phát dựa trên tốc độ của hệ thống để cực đại hóa công suất phát và giảm thiểu tổn thất, theo chiến lược bám điểm công suất cực đại.
Năm 2006, các nhà nghiên cứu S Morimoto, H Kato, M Sanada và Y Takeda đã đề xuất một chiến lược điều khiển tối đa công suất phát của hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội bộ Trong nghiên cứu này, phương pháp điều khiển bộ biến đổi đã được chuyển từ chiến lược điều khiển sine PWM sang sóng vuông ở vùng tốc độ cao nhằm tăng công suất phát điện Các kết quả thực nghiệm đã xác nhận tính hiệu quả của chiến lược điều khiển mới đề xuất.
Năm 2007, các nhà nghiên cứu I Kawabe, S Morimoto và M Sanada đã tiến hành nghiên cứu về máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong, tập trung vào chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của hệ thống phát điện gió Họ điều khiển mô-men của máy phát dựa trên tốc độ máy để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Ngoài ra, vectơ dòng điện của máy phát được điều chỉnh nhằm giảm thiểu tổn thất công suất và tối đa hóa công suất phát, thông qua kỹ thuật điều biến độ rộng xung sóng vuông trong các vùng gió có tốc độ cao Đặc biệt, nghiên cứu này đạt được thành công mà không cần sử dụng cảm biến tốc độ gió hay cảm biến vị trí, giảm thiểu chi phí và độ phức tạp của hệ thống.
Năm 2007, W Qiao, L Qu và R G Harley đã tiến hành nghiên cứu về máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhằm tối đa hóa công suất phát và giảm thiểu tổn thất trong hệ thống Trong nghiên cứu này, các lĩnh vực liên quan đến bảo hòa mạch từ đã được phân tích kỹ lưỡng, đồng thời, kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp tín hiệu đầu vào và đầu ra đã được áp dụng để loại bỏ ảnh hưởng của phi tuyến, từ đó thiết kế bộ điều khiển dòng điện phi tuyến hiệu suất cao.
Năm 2005, L Wang và S S Chen đã công bố các nghiên cứu về ứng dụng máy phát điện không đồng bộ tự kích thích trong hệ thống điện gió Các nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống phát điện gió sử dụng công nghệ máy phát không đồng bộ tự kích thích Đây là một bước tiến quan trọng trong phát triển năng lượng tái tạo, góp phần tối ưu hóa hiệu quả sản xuất điện từ nguồn năng lượng gió.
Năm 2008, L Wang, H W Chen và D J Lee đã giới thiệu máy phát điện không đồng bộ tự kích thích dùng cho hệ thống điện gió, vận hành độc lập với khả năng chịu biến đổi điện áp và tần số do sự thay đổi ngẫu nhiên của tốc độ gió Máy phát này thích hợp cho hệ thống phát điện gió tự cung tự cấp, giúp duy trì hoạt động ổn định dù điều kiện thời tiết thay đổi không ngừng Việc sử dụng máy phát không đồng bộ tự kích thích giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động trong các điều kiện gió biến động, nâng cao độ tin cậy của hệ thống năng lượng gió độc lập.
Hệ thống điện 3 pha với điện áp và tần số giữ cố định nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải một cách ổn định Điều này được thực hiện thông qua bộ biến đổi công suất điều biến độ rộng xung (PWM), giúp kiểm soát hiệu quả các tham số điện áp và dòng điện Các nghiên cứu đã tập trung xây dựng các mô hình máy điện cảm ứng 3 pha, cùng với mô hình các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu 3 pha để tối ưu hóa quá trình điều khiển và chuyển đổi năng lượng.
Kết luận
Dựa trên các phân tích từ các tác giả khác nhau, có thể thấy rằng trong các hệ thống phát điện gió công suất lớn, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được sử dụng phổ biến để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu phù hợp cho các tuabin gió công suất nhỏ có tốc độ biến đổi, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng cung cấp năng lượng tái tạo Với cấu tạo đơn giản và dễ điều khiển, loại máy phát này ngày càng trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp năng lượng gió Việc sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các hệ thống tuabin gió có tốc độ thay đổi linh hoạt.
Cơ sở lý thuyết hệ thống điện gió
Giới thiệu
Để hiểu rõ và phân tích nguyên lý hoạt động cũng như điều khiển các loại máy phát điện gió, việc nghiên cứu về năng lượng gió là rất cần thiết Ngoài ra, tìm hiểu về các thành phần cấu tạo của hệ thống điện gió như tuabin gió, các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu và bộ điều khiển giúp xây dựng hệ thống hiệu quả hơn Những vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo của bài viết.
Sự hình thành gió trong tự nhiên
Bức xạ mặt trời không đều phân bố trên bề mặt Trái Đất, gây ra nhiệt độ khác nhau giữa các vùng Mặt đất có ban ngày nhận ánh sáng mặt trời, trong khi mặt đêm bị che khuất, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất Các vùng gần xích đạo nhận nhiều bức xạ hơn các cực, góp phần hình thành các luồng gió di chuyển từ vùng có áp suất cao đến áp suất thấp Sự khác biệt về nhiệt độ giữa xích đạo và cực cũng như giữa ban ngày và ban đêm là nguyên nhân chính tạo ra các gió trong khí quyển Trái Đất.
Trái Đất quay tròn góp phần vào việc tạo ra các xoáy khí quyển Ngoài ra, trục quay nghiêng của Trái Đất so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời gây ra các mùa trong năm và ảnh hưởng đến các dòng không khí theo mùa.
Ngoài các yếu tố trên gió còn bị ảnh hưởng bởi cấu tạo của địa hình của từng đia phương.
Năng lượng gió
Năng lượng gió trung bình của một hệ thống điện gió với khoảng thời gian khảo sát, T p được biểu diễn như sau [19]:
: Mật độ không khí (kg/m 3 ), ở điều kiện chuẩn có giá trị 1,293 kg/m 3 ;
Ar: Diện tích quét của cánh turbin (m 2 ); v: Vận tốc gió (m/s).
Sự phân bố vận tốc gió
Mối quan hệ giữa công suất và vận tốc gió theo lũy thừa bậc ba được mô tả trong phương trình (3.2) Vận tốc gió là yếu tố then chốt để đánh giá tiềm năng năng lượng gió của một khu vực Tuy nhiên, vận tốc gió luôn biến đổi do ảnh hưởng của điều kiện thời tiết và địa hình của khu vực đó.
Vận tốc gió trung bình được xác định để ước lượng năng lượng gió tiềm năng từ một khu vực cụ thể, vì vận tốc gió thường biến đổi theo mùa và có chu kỳ lặp lại hàng năm Do đó, việc tính toán vận tốc gió trung bình trong vòng một năm là cần thiết để đưa ra dự báo chính xác về năng lượng gió có thể khai thác.
Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bằng hàm mật độ xác suất, trong đó hàm Weibull là một trong những hàm phổ biến nhất để phân tích đặc điểm của gió Phân bố Weibull cung cấp khả năng mô tả chính xác sự phân bổ của vận tốc gió, giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư hiểu rõ hơn về tần suất và biến động của gió trong các dự án năng lượng gió và các ứng dụng môi trường Hàm Weibull được biểu diễn bởi công thức đặc trưng, là công cụ quan trọng trong phân tích dữ liệu gió để tối ưu hóa thiết kế và vận hành các hệ thống liên quan đến năng lượng gió.
Trong đó: k > 0 và c > 0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ
Vì thế, vận tốc gió trung bình có thể được biểu diễn như sau:
Vận tốc gió trung bình được viết lại như sau:
Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor
Công suất cơ đạt được từ gió qua tuabin chính là sự khác biệt giữa động năng của gió trước cánh quạt với vận tốc v và động năng của gió sau tuabin có vận tốc vd, thể hiện hiệu quả chuyển đổi năng lượng của hệ thống Hiểu rõ quá trình này giúp tối ưu hóa công suất và hiệu suất của các tuabin gió Việc tính toán công suất dựa trên tốc độ gió ban đầu và sau khi qua tuabin là yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện từ năng lượng gió.
Cp: Hiệu suất của tuabin (hệ số công suất của tuabin)
: Tỷ số của tốc độ gió sau cánh quạt và tốc độ gió vào cánh quạt v v d
Hệ số công suất lớn nhất được xác định như sau:
Hệ số công suất cực đại:
Theo lý thuyết, hệ số công suất Cp không thể vượt quá 59,3%, còn gọi là giới hạn Betz, để xác định mức công suất tối đa có thể lấy được từ năng lượng gió.
Hình 3.1 Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết
Rotor quay quá chậm khiến gió dễ dàng xuyên qua mà không tác động đáng kể lên cánh quạt, trong khi rotor quay quá nhanh sẽ tạo ra tác dụng như một bức tường chắn, làm giảm hiệu suất rotor gần như bằng không Do đó, hiệu suất của rotor không chỉ phụ thuộc vào vận tốc gió ban đầu mà còn bị ảnh hưởng bởi tốc độ của máy phát.
Hiệu suất rotor thường được biểu diễn qua chỉ số tỷ số tip speed ratio (λ), đo lường bằng tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và tốc độ gió thổi vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt Chỉ số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống turbine gió, giúp xác định điểm tối đa năng lượng mà cánh quạt có thể khai thác từ gió Việc hiểu rõ và điều chỉnh λ phù hợp là yếu tố then chốt để nâng cao công suất và hiệu quả vận hành của turbine gió.
T : Tốc độ quay của tuabin (rotor) (rad/s);
Rb: Bán kính của cánh quạt tuabin (m)
Hiệu suất của rotor không chỉ phụ thuộc vào hệ số công suất (λ), mà còn chịu ảnh hưởng bởi góc pitch của cánh quạt tuabin, ký hiệu là β (rad), xoay quanh trục chính của nó Hầu hết các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đều được trang bị thiết bị điều khiển pitch để tối ưu hóa hiệu suất.
đối với mỗi loại tuabin như là hàm của và góc
Biểu thức xấp xỉ hiệu suất rotor được cho bởi:
Hình 3.2 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin
Hình 3.3 Đường cong hiệu suất rotor Cp(, )
Cô ng su ất đ ầu ra tu ab in (p u)
Hình 3.4 Góc pitch của cánh quạt tuabin
Đường cong công suất tuabin gió
Đường cong công suất là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất của các loại tuabin gió, phản ánh mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra của thiết bị (Hình 3.5) Việc hiểu rõ đường cong này giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành và lựa chọn tuabin phù hợp với điều kiện gió từng khu vực Đồng thời, cần phân biệt các thông số liên quan như tốc độ gió tối thiểu, tốc độ gió danh định và tốc độ gió tối đa để đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn của hệ thống quái gió.
- Vận tốc gió Cut-in (Vc-in): là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng lực ma sát và tạo ra công suất
Vận tốc gió định mức (Vdm) là mức vận tốc gió khi công suất đầu ra của hệ thống đạt tới công suất định mức đã được thiết kế Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo tỷ lệ lũy thừa ba của vận tốc gió, đảm bảo hiệu quả tối ưu cho hệ thống Tuy nhiên, khi vận tốc gió vượt quá Vdm, cần điều chỉnh để hệ thống tuabin giảm công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát, đảm bảo hoạt động an toàn và bền bỉ.
Vận tốc gió Cut-out (Vc-out) là mức tốc độ gió khi hệ thống tuabin phải ngừng hoạt động để đảm bảo an toàn cho máy phát và các cấu trúc khí khác, ngăn chặn tình trạng hư hỏng do gió quá mạnh Khi gió đạt đến ngưỡng Vc-out, công suất phát ra của hệ thống trở về bằng không, giúp bảo vệ thiết bị khỏi các tác động tiêu cực của gió vượt quá khả năng chịu đựng Việc xác định chính xác Vc-out là rất quan trọng trong thiết kế và vận hành turbine gió nhằm tối đa hóa hiệu suất đồng thời đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Mặt cắt của cánh quạt Mặt phẳng quay
Hình 3.5 Đường cong công suất của tuabin gió
Khi gió đạt vận tốc cao, cần hạn chế công suất của tuabin bằng cách điều chỉnh góc pitch, phương pháp phổ biến nhất để kiểm soát công suất của tuabin Hầu hết các tuabin gió có khả năng điều chỉnh tốc độ đều được trang bị bộ điều khiển góc pitch để thay đổi góc quạt quanh trục, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Trong điều kiện gió dưới tốc độ định mức, tuabin cần tạo ra công suất lớn nhất có thể bằng cách điều chỉnh góc pitch nhằm cực đại hóa lượng năng lượng nhận được từ gió.
Khi gió đạt tốc độ định mức, góc pitch của tuabin cần được điều chỉnh để giới hạn công suất cơ bằng công suất định mức, đảm bảo hiệu quả vận hành an toàn Hệ thống điều khiển góc pitch liên tục giám sát công suất đầu ra của tuabin, phát tín hiệu điều chỉnh cánh quạt khi công suất vượt quá giới hạn Bộ điều khiển sẽ xoay cánh quạt để giảm công suất khi gió mạnh và điều chỉnh ngược lại khi tốc độ gió giảm, giúp duy trì hoạt động ổn định và tối ưu.
Miền hiệu suất rotor cực đại
Miền phát công suất định mức và giảm hiệu suất rotor
Cô ng su ất p há t
Các mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió
Hình 3.6 Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới
Năng lượng gió được biến đổi thành điện năng qua tuabin, sau đó được điều khiển và cung cấp trực tiếp đến tải mà không qua các thiết bị lưu trữ Hệ thống này giúp giảm thiểu chi phí đầu tư nhờ không cần thiết bị lưu trữ, thích hợp cho những vùng có gió ổn định quanh năm Đây là mô hình năng lượng điện gió có chi phí đầu tư thấp nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao.
3.7.2 Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và nối lưới
Việc kết nối hệ thống điện gió trực tiếp vào lưới điện mà không cần lưu trữ như ắc quy là giải pháp tiết kiệm chi phí, thân thiện với môi trường và hiệu quả nhất Mô hình này giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và loại bỏ việc sử dụng ắc quy, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường Hệ thống này phù hợp với những khu vực có mật độ gió ổn định và đều, đảm bảo hiệu suất phát điện tối ưu.
Hệ thống máy phát điện tuabin gió
Hình 3.7 Hệ thống điện gió không có lưu trữ và nối lưới
3.7.3 Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới
Hình 3.8 Hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới
Hệ thống máy phát điện gió
Hệ thống máy phát điện gió
Hệ thống công tơ điện mới không giới hạn công suất tiêu thụ và cho phép trả lại năng lượng gió thừa vào lưới điện, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo Trong trường hợp mất điện, các hộ tiêu thụ vẫn có thể dùng điện từ nguồn lưu trữ trong ắc-quy và hệ thống phát điện tuabin gió, đảm bảo sự liên tục và ổn định trong cung cấp điện Mô hình này giúp tăng tính ổn định của hệ thống điện so với các hệ thống truyền thống, tuy nhiên, người dùng cần đầu tư thêm chi phí cho hệ thống lưu trữ ắc-quy Công nghệ điện gió này lý tưởng cho các khu vực có nguồn năng lượng gió không đều, cho phép hộ tiêu thụ linh hoạt sử dụng điện từ ắc-quy hoặc lưới điện tùy vào điều kiện nhiên liệu gió.
3.7.4 Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ, máy phát dự phòng và không nối lưới
Hệ thống điện gió không nối lưới chủ yếu sử dụng ắc-quy để lưu trữ năng lượng, nhằm giảm thiểu chi phí lắp đặt hệ thống nối lưới phức tạp và đắt đỏ Tuy nhiên, do không kết nối trực tiếp với lưới điện quốc gia, công suất tiêu thụ của các hộ dân bị giới hạn bởi kích thước của nguồn phát điện gió Vì vậy, các hộ tiêu thụ cần lên kế hoạch sử dụng điện một cách hợp lý để tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống năng lượng tái tạo này.
Hình 3.9 Hệ thống điện gió có lưu trữ, có máy phát dự phòng và không nối lưới
Mô hình này đòi hỏi mức đầu tư chi phí lớn hơn so với các mô hình khác do requiring hệ thống lưu trữ ắc quy và máy phát điện dự phòng, nhằm đảm bảo độ tin cậy và liên tục của hệ thống năng lượng.
Hệ thống máy phát điện gió Bộ điều khiển sạc
Tải nhiệt Hệ thống đo đếm Ắc-quy
Máy phát điện dự phòng là giải pháp ổn định trong cung cấp điện, đặc biệt phù hợp cho các khu vực xa lưới điện quốc gia hoặc có tiềm năng gió Hệ thống này đảm bảo nguồn điện liên tục, giúp duy trì hoạt động của các công trình, doanh nghiệp, và hộ gia đình trong những nơi có điều kiện khó khăn về nguồn điện Sử dụng máy phát điện dự phòng là cách tối ưu để đảm bảo an toàn và không gián đoạn trong cung cấp điện, đặc biệt tại các khu vực cần sự ổn định cao.
Tuabin gió
3.8.1 Cấu tạo của tuabin gió
Cấu tạo tuabin gió bao gồm các thành phần chính sau:
Hình 3.10 Các thành phần chính của tuabin gió
Cánh quạt đóng vai trò quan trọng trong việc hứng gió để tạo chuyển động quay, qua đó quay trục rotor và dẫn đến quá trình phát điện hiệu quả Bộ điều khiển góc pitch nằm trên cánh quạt, giúp điều chỉnh góc xoay tối đa 45 độ nhằm tối ưu hoá công suất phát ra từ turbine gió.
- Trục truyền đồng tốc độ thấp: có chức năng truyền động công suất gió đến hộp số
Hộp số trong turbine gió đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tỷ số truyền động, giúp cánh quạt rotor quay với tốc độ chậm phù hợp với thiết kế của hệ thống Nhờ có hộp số, tốc độ quay của rotor được tăng lên để phù hợp với yêu cầu hoạt động của máy phát điện, đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống điện gió Việc sử dụng hộp số đảm bảo rằng máy phát có thể vận hành ở tốc độ cao hơn, từ đó tạo ra năng lượng điện hiệu quả và ổn định hơn.
Hình 3.11 Hướng nhìn thẳng của tuabin gió
Hình 3.12 Hướng nhìn nghiên của tuabin gió
Diện tích quét của cánh tuabin Đường kính rotor
Chiều cao của nấp tuabin gió
Cánh tuabin gió Hộp số và máy phát điện
- Máy phát điện: có chức năng chuyển từ cơ năng thành điện năng
- Trục truyền động tốc độ cao: có chức năng truyền động công suất cơ đến máy phát điện
- Khung: có chức năng bao bọc cho hệ thống tuabin gió
- Trụ tháp: có chức năng đỡ tuabin gió
Tuabin gió được chia thành hai loại:
Các tuabin điện gió trục đứng hoạt động hiệu quả mà không bị ảnh hưởng bởi hướng gió, giúp tối ưu hóa sản lượng điện năng trong nhiều điều kiện thời tiết khác nhau Tuy nhiên, để đạt hiệu suất cao, cần phải tính toán kỹ lưỡng về trục quay, vì khả năng công suất của các tuabin trục đứng thường thấp hơn so với các loại khác.
Các tuabin gió trục ngang là loại phổ biến và thường gặp, gồm 2 hoặc 3 cánh quạt giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động dựa trên hướng của chiều gió, với bề mặt cánh quạt hướng về phía gió đang thổi để tận dụng tối đa năng lượng từ gió Hình 3.13 trình bày các dạng tuabin gió trục đứng, cho thấy sự đa dạng trong thiết kế và ứng dụng của các hệ thống này.
Hình 3.14 Các dạng tuabin gió trục ngang Đối với các tuabin gió loại một và hai cánh có một số vấn đề cần quan tâm:
- Vấn đề cân bằng: đây là vấn đề hết sức khó khăn
- Vấn đề về tốc độ quay: khi tốc độ quay nhanh sẽ tạo ra nhiều dao động bất thường và tiếng ồn
- Vấn đề về thẩm mỹ: thấp
Để tối ưu hóa cả về mặt kinh tế và thẩm mỹ, các thiết kế tuabin gió thường sử dụng loại có ba cánh Tuabin gió này vẫn hoạt động hiệu quả ngay cả khi tốc độ gió thấp, giúp tận dụng tối đa nguồn năng lượng sạch từ gió.
Trụ tháp có chức năng đỡ toàn bộ kết cấu chính của hệ thống tuabin gió Thông thường, có 3 loại trụ tháp:
- Trụ tháp kiểu dây chằng
Hình 3.15 Các loại trụ tháp a Trụ tháp giàn
Trụ tháp giàn có kết cấu gồm nhiều thanh thép liên kết lại với nhau tương tự như kết cấu của cột thép khung đường dây truyền tải điện
Trụ tháp giàn sử dụng vật liệu chỉ bằng một nửa so với trụ tháp hình ống, giúp giảm trọng lượng và tiết kiệm chi phí Nhờ đó, loại trụ tháp này nhẹ hơn, dễ dàng vận chuyển và lắp đặt hơn so với các loại trụ hình ống truyền thống Điều này làm tăng tính kinh tế và hiệu quả trong quá trình thi công và xây dựng.
Lực tác dụng lên móng trụ tháp giàn được phân bố đều, giúp giảm áp lực lên móng Vì vậy, móng trụ tháp giàn thường nhỏ hơn so với móng trụ tháp hình ống, điều này góp phần giảm chi phí đầu tư xây dựng Trong đó, các loại trụ tháp phổ biến bao gồm trụ tháp giàn, trụ tháp hình ống và trụ tháp kiểu dây chằng, phù hợp với từng yêu cầu kỹ thuật và ngân sách dự án.
- Là nơi lý tưởng để chim đậu và làm tổ Vì vậy, làm tăng khả năng gây ra nguy hiểm cho cánh tuabin khi hoạt động
- Gây khó khăn cho công tác bảo trì đặc biệt là trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt b Trụ tháp hình ống
Trụ tháp hình ống có kết cấu gồm nhiều ống có kích thước từ 10 đến 20m ghép lại với nhau
- Thời gian lắp ráp hoàn chỉnh nhanh, từ 2 đến 3 ngày
- Có thể chịu được lực uốn từ mọi hướng do nó có kết cấu dạng tròn
- Chi phí vật liệu cao c Trụ tháp kiểu dây chằng
Trụ tháp kiểu dây chằng là loại trụ tháp có cấu tạo gồm bốn sợi cáp đều nhau, với độ dốc khoảng 45 độ, giúp giữ vững và nâng đỡ trụ tháp Loại trụ tháp này thường được sử dụng cho các máy phát điện tuabin gió có công suất nhỏ, phù hợp với yêu cầu ổn định và an toàn trong vận hành.
Máy phát điện là thành phần then chốt trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, đặc biệt là trong các tuabin gió Khác với các máy phát điện thông thường, máy phát của tuabin gió phải vận hành liên tục dưới điều kiện công suất biến đổi do tốc độ gió luôn thay đổi Vì vậy, việc lựa chọn loại máy phát phù hợp phụ thuộc vào quy mô và công suất của tuabin gió để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
- Với những máy phát điện tuabin gió có công suất nhỏ từ vài W đến vài kW thì sử dụng máy phát điện DC
- Với những máy phát điện tuabin gió có công suất lớn hơn thì máy phát điện
AC một pha hoặc ba pha có thể được sử dụng
AC ba pha được sử dụng Đối với máy phát điện AC, có hai loại máy phát điện được sử dung:
- Máy phát điện không đồng bộ
- Máy phát điện đồng bộ
Các nghiên cứu và phân tích chi tiết về vấn đề này sẽ được trình bày trong chương kế tiếp
3.8.5 Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu
Các máy phát điện tuabin gió hoạt động dưới điều kiện tốc độ tuabin thay đổi, do đó cần các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu khi kết nối vào lưới điện Những thiết bị này giúp điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số và hệ số công suất của máy phát điện tuabin gió, đảm bảo đồng bộ với hệ thống điện Việc này góp phần duy trì sự ổn định của hệ thống điện và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện gió.
Có hai loại bộ chỉnh lưu được sử dụng phổ biến:
- Bộ chỉnh lưu không điều khiển sử dụng điốt
- Bộ chỉnh lưu cưởng bức sử dụng IGBT a Bộ chỉnh lưu không điều khiển sử dụng điốt
Hình 3.16 Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt
Máy phát điện đồng bộ Bộ chỉnh lưu điốt
Cuộn dây DC có nhược điểm là không kiểm soát được điện áp và dòng điện của máy phát, đặc biệt trong các sơ đồ bộ chỉnh lưu sử dụng diode như hình 3.16 Bộ chỉnh lưu cưỡng bức là giải pháp nhằm cải thiện hiệu suất, giúp kiểm soát tốt hơn điện áp và dòng điện trong hệ thống, nâng cao độ ổn định và hiệu quả của nguồn điện DC.
Bộ chỉnh lưu cưỡng bức có khả năng điều khiển được điện áp và dòng điện máy phát Sơ đồ bộ chỉnh lưu cưỡng bức được biểu diễn ở hình 3.17
Hình 3.17 Bộ chỉnh lưu cưỡng bức
Có hai dạng bộ nghịch lưu được sử dụng phổ biến bao gồm: a Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên
Hình 3.18 Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên
Máy phát điện không đồng bộ Điện áp DC
Cổng Thyristor Bộ lọc Máy biến áp điểm của bộ nghịch lưu dạng chuyển mạch tự nhiên là các cổng thyristor có khả năng chịu được quá tải
Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên không chỉ phát sinh dòng điện cơ sở mà còn tạo ra dòng hoạ tần, góp phần hình thành điện áp hoạ tần trên lưới Để giảm thiểu dòng hoạ tần, cần sử dụng bộ lọc, giúp giảm nhiễu và làm sạch sóng điện Một lợi ích phụ của bộ lọc là tạo ra công suất phản kháng, từ đó nâng cao hệ số công suất của bộ nghịch lưu, cải thiện hiệu suất truyền tải điện năng.
Sơ đồ bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên được biểu diễn như Hình 3.18 b Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức
Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức sử dụng linh kiện bán dẫn IGBT có khả năng đóng ngắt linh hoạt, giúp điều chỉnh hệ số công suất hiệu quả Ưu điểm nổi bật của bộ nghịch lưu này là khả năng kiểm soát biến đổi công suất nhờ vào việc đóng ngắt chính xác các linh kiện bán dẫn Sơ đồ mạch của bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức được thể hiện rõ nét qua hình 3.19, minh họa rõ quá trình hoạt động của hệ thống.
Hình 3.19 Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưởng bức
3.8.6 Điều chỉnh tốc độ tuabin gió
Khả năng làm việc của tuabin gió bị giới hạn bởi độ bền cơ khí, khiến chúng không thể hoạt động liên tục với công suất tối đa Vận tốc gió cao chỉ xảy ra trong vài giờ mỗi năm, do đó, thiết kế tuabin gió theo công suất cực đại không mang lại hiệu quả kinh tế Thay vào đó, việc điều chỉnh công suất phù hợp với lưu lượng gió thực tế là giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất và khả năng vận hành của hệ thống năng lượng gió.
Việc điều chỉnh công suất tuabin gió được thực hiện thông qua việc điều chỉnh về mặt khí động học cánh tuabin Có hai dạng điều chỉnh:
- Điều chỉnh giảm tốc (Stall regulation)
- Điều chỉnh theo độ nghiêng cánh tuabin (Pitch regulation)
Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưởng bức Điện áp
Bộ lọc Máy biến áp
Trong chế độ điều chỉnh giảm tốc, tốc độ quay của tuabin gió được giới hạn ở một mức tối đa nhờ bộ hãm nhằm đảm bảo độ bền cơ khí cho tuabin Ưu điểm của phương pháp này là nguyên lý hoạt động đơn giản và chi phí đầu tư thấp Tuy nhiên, nhược điểm lớn của hệ thống là gây ra tiếng ồn khi hoạt động.
Kết cấu chính của máy phát tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh giảm tốc được biểu diễn như Hình 3.20
Hình 3.20 Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh giảm tốc
3.8.6.2 Điều chỉnh theo độ nghiêng cánh tuabin
Hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới điện
Trong quá trình hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới điện, dòng điện khởi động thường có giá trị cao, gây quá tải cho hệ thống Do đó, việc giới hạn dòng điện này bằng dòng điện định mức là cần thiết để đảm bảo an toàn và ổn định Thường thì có hai phương pháp hiệu quả để hạn chế dòng khởi động, giúp bảo vệ các thiết bị và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện gió.
3.9.1 Bộ khởi động mềm sử dụng thyristor
Trong bộ khởi động mềm, góc kích của thyristor được tăng trong suốt quá trình khởi động và dòng điện được giữ dưới dòng điện đỉnh định mức
3.9.2 Bộ khởi động sử dụng tụ điện
Trong phương pháp này, tụ điện được sử dụng để kích từ máy phát điện kiểu cảm ứng.
Kết luận
Hệ thống điện gió gồm các thành phần như tuabin gió, hộp số, máy phát điện gió và các bộ chuyển đổi có cấu tạo phức tạp và nguyên lý hoạt động phức tạp Để khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió, cần phải nghiên cứu chi tiết từng phần tử trong hệ thống này Trong các phần tử cơ bản của hệ thống điện gió, máy phát điện đóng vai trò quan trọng và sẽ được phân tích kỹ hơn trong các chương tiếp theo.
Máy phát điện đồng bộ
Phân tích máy phát điện gió
Giới thiệu
Máy phát đóng vai trò then chốt trong hệ thống biến đổi năng lượng gió, chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng hiệu quả Các loại máy phát khác nhau phù hợp với từng quy mô tuabin gió, trong đó tuabin nhỏ thường sử dụng máy phát DC có công suất từ vài watt đến kilowatt, phù hợp cho các ứng dụng quy mô nhỏ Trong khi đó, hệ thống lớn hơn sử dụng máy phát AC một pha hoặc ba pha, gồm máy điện không đồng bộ hoặc máy điện đồng bộ để tối ưu hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện gió.
Một số tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ hoặc không đồng bộ, với cấu trúc đơn giản như đã trình bày trong Hình 4.1 Máy phát điện không đồng bộ thường được áp dụng trong các hệ thống năng lượng gió nhờ tính dễ lắp đặt và vận hành, trong khi máy phát điện đồng bộ nổi bật với khả năng kiểm soát điện áp và tần số ổn định hơn Cách phân loại này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của tuabin gió và phù hợp với các mục tiêu sử dụng khác nhau trong lĩnh vực năng lượng sạch.
Hình 4.1 Mặt cắt các máy điện
Trong hệ thống điện tuabin gió, có hai loại chính là tuabin gió tốc độ cố định và tuabin gió tốc độ thay đổi Tuabin gió tốc độ cố định thường nối trực tiếp với lưới điện, nhưng không thể điều chỉnh theo dao động gió, gây ra sự dao động công suất và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Trong khi đó, tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh vận tốc máy phát theo biến động của gió, giúp hạn chế dao động công suất và nâng cao chất lượng điện năng Do đó, hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi thích hợp hơn trong việc kiểm soát và tối ưu hóa hiệu quả vận hành, giảm tác động tiêu cực từ dao động gió lên lưới điện.
Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có thể là như sau:
- Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
- Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
Trong hệ thống tuabin gió tốc độ cố định, máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, giúp đảm bảo truyền tải hiệu quả năng lượng gió Điện áp và tần số của máy phát phụ thuộc trực tiếp vào lưới điện, đảm bảo sự ổn định và đồng bộ trong quá trình vận hành Hình 4.2 minh họa hệ thống này, thể hiện mối liên hệ chặt chẽ giữa máy phát và lưới điện để tối ưu hóa hiệu suất phát điện từ năng lượng gió.
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường hoạt động ở hai tốc độ cố định, sử dụng hai máy phát có mức cố định và số cặp cực từ khác nhau để tăng công suất và giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ có thể hoạt động trong phạm vi độ trượt từ 1-2%, bởi vì độ trượt lớn hơn sẽ gây ra tổn hao năng lượng tăng và giảm hiệu suất hoạt động Việc điều chỉnh tốc độ cố định qua hai máy phát hoặc hai cuộn dây khác nhau giúp tối ưu hóa khả năng thu năng lượng gió và nâng cao hiệu quả hệ thống.
Mặc dù, hệ thống này có cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao nhưng nó cũng bao gồm các nhược điểm chính 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 4.2 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện
Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Hình 4.3 Máy phát điện không đồng bộ 1,5 kW
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi được trang bị bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải năng lượng Máy phát điện trong hệ thống này có thể là máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc các loại máy phát khác, đảm bảo hoạt động linh hoạt và ổn định khi điều chỉnh tốc độ gió.
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng
Lưới điện đồng bộ cho phép điều khiển tối ưu công suất thu nhận từ gió, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Tuy nhiên, việc phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể và yêu cầu đầu tư lớn vào các bộ biến đổi công suất để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống điện gió.
Máy phát điện không đồng bộ là loại máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, mang lại hiệu suất cao và khả năng làm việc ổn định Vì kết cấu đơn giản, chắc chắn và có giá thành thấp, dòng máy này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng Hiện nay, máy phát điện không đồng bộ ngày càng phổ biến do độ bền cao, khả năng vận hành liên tục và chi phí bảo trì hợp lý.
- Có thể kết nối hay ngắt kết nối với lưới điện một cách dễ dàng
Máy phát điện không đồng bộ thường gặp nhược điểm về cosφ thấp và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt, dẫn đến hạn chế trong một số ứng dụng.
4.3.2 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Hình 4.4 Kết cấu máy phát điện không đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc gồm hai bộ phận chính là stator và rotor, được ngăn cách bởi khe hở không khí để đảm bảo hoạt động hiệu quả Ngoài ra, máy còn có vỏ máy, trục máy và nắp máy, trong đó trục làm bằng thép, gắn rotor, ổ bi và quạt gió ở cuối trục để làm mát máy dọc trục.
Hình 4.5 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Phần stator bao gồm hai bộ phận chính là: lõi thép và dây quấn Ngoài ra, còn có vỏ máy và nắp máy a Vỏ máy
Vỏ máy được sử dụng để cố định lõi sắt và dây quấn, không phải để làm mạch dẫn từ Thông thường, vỏ máy bằng gang giúp bảo vệ và giữ chắc các thành phần bên trong Đối với các máy có công suất lớn trên 1000kW, vỏ thường được chế tạo từ thép tấm hàn lại nhằm đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực cao hơn.
Lõi thép stator có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dập rảnh bên trong và ghép lại với nhau theo hướng trục để dẫn từ hiệu quả Lõi thép được ép chắc chắn vào vỏ máy, với mục đích giảm tổn thất do từ trường quay đi qua Để giảm tổn hao, các lá thép dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm được ghép thành từng khối, đặc biệt khi đường kính ngoài lớn hơn 990 mm cần dùng tấm hình rẻ quạt ép thành hình tròn Ngoài ra, các lá thép kỹ thuật điện đều được phủ sơn cách điện nhằm làm giảm dòng điện xoáy gây mất năng lượng.
Hình 4.7 Cấu tạo lõi thép stator c Dây quấn stator
Dây quấn stator thường được chế tạo từ dây đồng có lớp cách điện, đặt cố định trong các rảnh của lõi thép để đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy Trong sơ đồ khai triển dây quấn ba pha, các dây quấn được lắp đặt trong 12 rảnh của máy phát điện không đồng bộ, tạo thành hệ thống điện đều và ổn định Việc thiết kế dây quấn pha chính là yếu tố then chốt giúp tối ưu hóa khả năng truyền tải điện năng của máy phát.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 4.9 Sơ đồ khai triển dây quấn stator
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy a Lõi thép
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 4.10 Lõi thép rotor b Dây quấn rotor
* Lo ạ i rotor ki ể u dây qu ấ n:
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 4.11 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn
* Lo ạ i rotor ki ể u l ồ ng sóc:
Dây quấn của loại rotor có kết cấu khác biệt so với dây quấn stator, với các rảnh của rotor chứa thanh dẫn làm bằng đồng hoặc nhôm, dài ra khỏi lõi thép và được kết nối thành một lồng sóc bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm Dây quấn kiểu lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt, giúp giảm tổn thất và tăng độ bền của máy Để cải thiện khả năng mở máy và hiệu suất làm việc, các rãnh của rotor thường được thiết kế dạng sâu hoặc dạng rãnh kép.
Hình 4.12 Thanh dẫn của rotor lồng sóc c Trục máy
Trục máy điện, chịu trách nhiệm quay rotor trong lòng stato, được chế tạo từ các loại thép cacbon từ C5 đến C45 tùy theo kích thước Trên trục rotor, có các thành phần chính như lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió, đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy điện.
4.3.3 Mô tả toán học của máy phát điện không đồng bộ
Tốc độ của từ trường quay máy phát điện không đồng bộ: p
Trong đó: f: Tần số từ trường quay (Hz); p: Số cặp cực từ
Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor và cảm ứng trong rotor sức điện động, e: dt e d (4.2)
Sự tương tác dòng điện rotor và từ thông tạo ra một moment với độ lớn của moment được xác định như sau:
K: Hệ số tỷ lệ máy phát;
: Độ lớn từ thông (Wb);
I2: Độ lớn dòng điện phần ứng;
2 : Góc lệch pha giữa áp và dòng của rotor
Nr: Tốc độ quay của rotor;
Ns: Tốc độ từ trường quay Điện trở stator quy đổi về rotor: s
Công suất ba pha được quy đổi: s
: Tốc độ góc của rotor
Khi ấy, moment của rotor được viết lại như sau: s
(4.9) Đặc tuyến tốc độ moment quay:
Hình 4.13 Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ
Chế độ động cơ Chế độ máy phát
Hệ số trượt, s Tốc độ,
Khi s < 0, thì tốc độ của rotor máy phát điện lớn hơn tốc độ từ trường quay
Sơ đồ mạch tương đương thay thế của máy phát điện không đồng bộ trong hệ tọa độ d-q được trình bày trong Hình 4.13, với các hình vẽ thể hiện sơ đồ mạch tương đương trục d và trục q Hình 4.14 minh họa rõ ràng hơn về sơ đồ mạch tương đương của máy phát điện không đồng bộ theo hệ tọa độ d-q trong khung tham chiếu đồng bộ.
Phương trình điện áp của máy phát điện không đồng bộ trong hệ tọa độ dq được biểu diễn như sau: ds ds ds s s qs v i R d dt
(4.10) qs qs qs s s ds v i R d dt
R s e ds L ls L lr ( e - r ) dr i qr
L m i qm i qfe R fe R r v ds i ds
R s e qs L ls L lr ( e - r ) qr i dr
0 dfe fe s qs dm i R d dt
0 qfe fe s ds qm i R d dt
Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến các dòng điện và điện áp liên quan đến động cơ, bao gồm vds và vqs là điện áp stator trên các trục d và q, giúp nhận biết hiệu quả truyền năng lượng Đồng thời, các dòng điện idfe và iqfe qua điện trở Rfe phản ánh trạng thái tiêu thụ năng lượng qua các trục d và q trong hệ thống Bên cạnh đó, dòng điện idm và iqm thể hiện dòng từ hóa của các trục d và q, đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất của máy.
ds và qs : Từ thông stator các trục d và q;
dm và qm : Từ thông từ hóa các trục d và q
Các thành phần dòng điện stator trục d và q: dr dfe dm ds i i i i (4.16) qr qfe qm qs i i i i (4.17)
Phương trình môment máy phát không đồng bộ:
Bỏ qua các tổn thất cơ và các tổn thất khác, tổn thất của máy phát điện không đồng bộ bao gồm:
- Tổn thất đồng stator: i ds 2 R s i qs 2 R s (4.20)
- Tổn thất đồng rotor: i dr 2 R r i qr 2 R r (4.21)
- Tổn thất sắt rotor: K h sl 2 r K e sl 2 2 r (4.23) Trong đó:
Rfe: Điện trở tổn thất sắt; ids và iqs: Dòng điện stator các trục d và q;
sl : Tần số góc trượt;
Kh và Ke: Các hệ số tổn thất từ trể và dòng điện xoáy;
Tuy nhiên, tổn thất sắt rotor thông thường được bỏ qua do tần số trượt rất nhỏ trong điều kiện làm việc bình thường.
Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là giải pháp hiệu quả trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Máy phát điện này được cấp nguồn từ hai phía, với stator nối trực tiếp vào lưới điện và rotor kết nối qua bộ biến đổi công suất Cấu hình này phổ biến nhờ vào khả năng biến đổi linh hoạt chỉ từ 20-30% công suất, giảm đáng kể tổn hao trong thiết bị điện tử công suất so với các cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát Ngoài ra, chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất thấp hơn, giúp giảm tổng chi phí hệ thống tuabin gió.
Các máy phát điện không đồng bộ vượt trội hơn so với máy điện một chiều và máy điện đồng bộ nhờ khả năng loại bỏ cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích, giúp vận hành tin cậy với chi phí bảo trì thấp Máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor hoặc điều chỉnh công suất; đặc biệt phù hợp cho hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi Bộ biến đổi công suất chỉ xử lý 20–30% tổng công suất phát, giảm tổn thất và chi phí đầu tư cho thiết bị điện tử công suất, làm cho hệ thống trở nên hiệu quả, tiết kiệm hơn so với các cấu hình cần biến đổi toàn bộ công suất.
Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là loại máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn, trong đó mạch stator được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor nối với bộ biến đổi công suất qua vành trượt như hình 4.14 Bộ biến đổi công suất gồm bộ biến đổi phía máy phát (phía rotor) và bộ biến đổi phía lưới, kết nối theo kiểu “back-to-back” Một tụ điện DC-link được đặt giữa hai bộ biến đổi để tích trữ năng lượng, giúp điều chỉnh và ổn định nguồn điện.
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép sử dụng thiết bị Crowbar ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá điện áp trong mạch DC-link Khi xảy ra tình trạng quá dòng, Crowbar sẽ ngắn mạch đầu cực rotor qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ biến đổi và cho phép máy phát điện không đồng bộ nguồn kép hoạt động như một máy phát điện không đồng bộ thông thường Trong trường hợp này, hệ thống sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới để duy trì ổn định hoạt động.
Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter – VSC), sử dụng các IGBT để điều chỉnh biên độ và tần số Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, hệ thống có thể gặp phải hai trường hợp xảy ra.
Gió thổi cánh quạt tuabin quay với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, thể hiện chế độ vận hành dưới đồng bộ với hệ số trượt dương Trong trạng thái này, máy phát điện lấy năng lượng từ lưới thông qua rotor để hoạt động hiệu quả.
Gió thổi cánh quạt quay với tốc độ vượt quá tốc độ đồng bộ, dẫn đến chế độ vận hành trên đồng bộ với hệ số trượt âm Trong trạng thái này, máy phát hoàn toàn truyền lượng năng lượng về lưới thông qua rotor Để đảm bảo máy phát điện không đồng bộ nguồn kép có thể vận hành hiệu quả ở cả hai chế độ, hệ thống biến đổi công suất ở phía máy phát và lưới đều phải là bộ nghịch lưu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều.
Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Bộ biến đổi phía rotor máy phát
Bộ biến đổi phía lưới điện Crowbar
Bộ biến đổi cho phép máy phát điện không đồng bộ nguồn kép hoạt động hiệu quả trong tất cả các góc phần tư của mặt phẳng phức PQ, nhờ đó máy phát có khả năng phát công suất phản kháng về lưới Khác với máy điện không đồng bộ thông thường, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép có thể điều chỉnh công suất phản kháng một cách linh hoạt Ngoài ra, công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và lưới điện có thể được kiểm soát độc lập với công suất thực, mang lại hiệu quả và linh hoạt cao trong vận hành hệ thống điện.
Bộ biến đổi phía máy phát có các khả năng như sau:
- Khả năng điều khiển công suất phản kháng: máy phát điện không đồng bộ nguồn kép có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới
- Khả năng kích từ máy phát điện không đồng bộ nguồn kép thông qua mạch rotor và độc lập với điện áp lưới
Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng giúp tối ưu hóa hoạt động của máy phát Ngoài ra, việc điều chỉnh mômen và tốc độ của máy phát đảm bảo sự ổn định và hiệu suất cao trong quá trình hoạt động Đặc biệt, điều khiển hệ số công suất tại đầu cực stator đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng, giảm thiểu tổn thất năng lượng.
Bộ biến đổi phía lưới đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định điện áp DC-link trong hệ thống Các chế độ vận hành của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép gồm có chế độ dưới đồng bộ và chế độ trên đồng bộ, như thể hiện trong Hình 4.16 Điều này giúp đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả của hệ thống phát điện không đồng bộ nguồn kép.
4.4.2 Mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Phương trình điện áp stator và rotor của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ tọa độ d, q được biểu diễn như sau: dt i d
R v ds s ds s qs ds (4.24) dt i d
( ) dr dr r dr s r qr v R i d dt
( ) qr qr r qr s r dr v R i d dt
Trong đó: qr dr qs ds v v v v , , , : Điện áp stator và rotor trong hệ tọa độ d-q; qr dr qs ds i i i i , , , : Dòng điện stator và rotor trong hệ tọa độ d-q; r s R
R , : Điện trở stator và rotor trong hệ tọa độ d-q;
s : Tần số điện stator; qr dr qs ds
, , , : Từ thông stator và rotor trong hệ tọa độ d-q; s: Hệ số trượt
Phương trình từ thông stator và rotor trong hệ tọa độ d-q:
Lm: Tự cảm tương hổ (H);
Ls, Lr: Tự cảm stator và rotor (H)
m : Tần số cơ của máy phát điện (rad/s)
Công suất tác dụng và phản kháng được phát ra của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép: qr qr dr dr qs qs ds ds i v i v i v i v
P (4.33) qr dr dr qr qs ds ds qs i v i v i v i v
Moment điện của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép: e 3 ds qs qs ds 3 m ds qr qs dr
Moment cơ của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép: e m m T dt
Công suất biểu kiến cuộn stator, S s và rotor, S r :
4.5 Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong
Trong hệ thống điện gió, máy phát điện gió với tốc độ tuabin thay đổi thu hút nhiều sự quan tâm và nghiên cứu hơn so với hệ thống có vận tốc cố định Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được triển khai rộng rãi trong các hệ thống này do khả năng vận hành hiệu quả và độ bền cao Đặc biệt, nhờ việc sử dụng mô-men từ trở, máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu còn có thể đạt hiệu suất vận hành vượt trội, tối ưu hoá khả năng chuyển đổi năng lượng của hệ thống điện gió.
4.5.2 Mô hình toán học của máy phát điện không đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên 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 Điều này giúp mô tả chính xác hoạt động của máy phát điện, tối ưu hóa quá trình vận hành và hiệu suất điện năng Trong thiết kế và phân tích, việc sử dụng hệ tọa độ quay d-q là phương pháp chuẩn, giúp đơn giản hóa các công thức mô tả từ trường và dòng điện trong máy Áp dụng sơ đồ tương đương này có lợi cho việc phân tích các quá trình quá độ, tăng khả năng kiểm soát và ổn định của hệ thống điện.
Mô hình này bao gồm các ảnh hưởng của tổn thất đồng và tổn thất sắt
Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong được biểu diễn như sau: ds ds s ds ds r qs qs v R i L di L i dt
(4.38) qs qs ds ds s qs qs r v L i R i L di
Trong đó: ids, iqs: Dòng điện phần ứng trục d và q; vds, vqs: Điện áp stator trục d và q;
Rs: Điện trở phần ứng;
Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong được biểu diễn qua các cảm ứng từ cảm trục d (Lds) và cảm trục q (Lqs) Trong hình 4.17, phần a trình bày sơ đồ tương đương trục d, còn phần b mô tả sơ đồ tương đương trục q, giúp hiểu rõ đặc điểm hoạt động của máy phát Các sơ đồ này hỗ trợ phân tích điện từ và mạch động của hệ thống nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Môment của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong:
e 3 ds qs qs ds qs
Trong đó: p: Số cặp cực
Tổn thất đồng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Tổn thất sắt của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Tổng tổn thất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: i c l P P
Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu: l out out
Nhận xét và đánh giá
Hệ thống với vận tốc không đổi có lợi thế về độ đơn giản và chi phí thấp, nhưng có thể gặp vấn đề về tiếng ồn liên quan đến tốc độ cánh tuabin Việc sử dụng máy phát điện có số cặp cực thay đổi giúp giảm tiếng ồn bằng cách cho phép tuabin hoạt động ở vận tốc thấp hơn khi gió yếu Trong khi đó, hệ thống vận tốc biến thiên giúp tối đa hóa sản lượng điện năng trong điều kiện gió không đổi, đạt hiệu quả động lực học vượt trội bất chấp tiêu hao năng lượng điện lớn hơn, từ đó tăng hiệu suất tổng thể Ngoài ra, hệ thống này giảm ứng suất cơ năng vì rotor hoạt động như một bánh đà, giúp giảm thiểu biến thiên momen xoắn và tiếng ồn khi tuabin vận hành ở tốc độ thấp trong điều kiện gió yếu.
Hệ thống phát điện với vận tốc biến thiên có chi phí cao hơn, nhưng lại giúp tiết kiệm đáng kể chi phí hệ thống phụ của tuabin Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là thiết bị gọn nhẹ, dễ lắp đặt ngoài khơi, góp phần hạn chế thất thoát năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống phát điện.
Trong các hệ thống điện năng lượng gió, nhiều hệ thống tuabin hoạt động độc lập và sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu để chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng hiệu quả.
Hầu hết các hệ thống tuabin gió hiện đại đều được kết nối với lưới điện thông qua máy phát điện đồng bộ hoặc không đồng bộ, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định.
Máy phát điện đồng bộ phức tạp và đắt hơn so với máy phát không đồng bộ, nhưng lại cung cấp điện áp và tần số chất lượng cao hơn, đồng thời có khả năng phân phối công suất phản kháng cho lưới điện Tuy nhiên, các máy phát này không tự khởi động và yêu cầu điều khiển phức tạp hơn để hòa lưới, vì tần số phát ra (hoặc tốc độ của máy phát) phải phù hợp chính xác với tần số của lưới điện trước khi thực hiện kết nối.
Máy phát điện không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp hơn so với máy phát điện đồng bộ và dễ dàng kết nối hay ngắt khỏi lưới điện Chúng phát ra công suất phẳng nhưng cần bù công suất phản kháng để đảm bảo hoạt động ổn định, điều này thường được thực hiện bằng các bộ biến đổi công suất Tuy nhiên, máy phát điện không đồng bộ có thể gặp phải các vấn đề về điện áp và tần số không ổn định trên lưới, nhưng những vấn đề này có thể nhanh chóng được giải quyết bằng các bộ biến đổi công suất với chi phí thấp Nhờ những ưu điểm này, máy phát điện không đồng bộ là loại máy phổ biến trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
Ngoài các loại máy phát phổ biến, một số loại máy phát điện ít phổ biến hơn như máy phát nam châm vĩnh cửu cũng được sử dụng trong hệ thống điện năng lượng gió Loại máy phát này tạo ra điện áp và tần số xoay chiều dao động, vì vậy cần phải thực hiện quá trình chuyển đổi để phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn.
Máy phát điện nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn so với máy phát đồng bộ hoặc không đồng bộ nhờ vào việc sử dụng bộ biến đổi công suất để ổn định điện áp và tần số Các loại máy phát đồng bộ hoặc nam châm vĩnh cửu tự kích từ thường được điều khiển trực tiếp với số cực phù hợp để rotor quay với tốc độ bằng tốc độ của turbin gió, trừ khi hệ thống sử dụng hộp số truyền động để chuyển đổi tốc độ Để kết nối với lưới điện, các máy phát này thường sử dụng bộ biến đổi công suất nhằm đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.
Các tuabin trước đây thường chỉ hoạt động với tốc độ cố định, nhưng các tuabin hiện đại, đặc biệt là các tuabin lớn, có khả năng vận hành với tốc độ thay đổi trong một phạm vi nhất định, mang lại nhiều lợi ích như tăng hiệu suất và tính linh hoạt trong vận hành.
Hiệu suất khí động học của rotor ở tốc độ gió thấp đến trung bình có thể cải thiện bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của rotor để duy trì tỷ số tốc độ đầu cánh tối ưu và đạt hệ số công suất cực đại Khi tốc độ gió tăng cao, các cánh quạt sẽ được kiểm soát để hạn chế công suất phát tối đa, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn cho hệ thống turbine.
- Hệ thống phụ tải động có thể được giảm bớt do quán tính của rotor khi giảm tốc độ trong điều kiện gió giật
Tuabin hoạt động linh hoạt với các chế độ khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất Trong chế độ làm việc hiệu suất tối ưu, tuabin đạt công suất cao nhất, đặc biệt khi tốc độ gió thấp Đồng thời, còn có chế độ giảm thiểu hư hỏng hệ thống nhằm kéo dài tuổi thọ và đảm bảo hoạt động ổn định của tuabin trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt.
Các vấn đề liên quan đến hệ thống điện năng lượng gió đã được trình bày rõ ràng Các phân tích chi tiết về các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cũng đã được đề cập, bao gồm máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ, máy phát không đồng bộ nguồn kép và máy phát nam châm vĩnh cửu Các kết quả mô phỏng và đánh giá cho từng loại máy phát này sẽ được trình bày trong chương tiếp theo, góp phần nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa hệ thống điện gió.