Đồ án tổng quan về tình hình phát triển phong điện trên thế giới và việt nam

3.2.2.1 tuốc bin gió có tốc độ không đổi — có định Fixed-speed wind turbines Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn cài đặt các tua-bin gió là hoạt động ở tốc độ có định.Điều đó có nghĩ

LOI MO DAU

Nhân loại đang bước vào thập niên đầu của thế kỷ XXI Thiếu hụt năng lượng và vấn nạn ô nhiễm môi trường đang là những mối đe dọa sự phát triển bền vững của ngôi nhà chung “trai dat” cla chung

ta Ngay cả nguồn thủy điện tưởng như vô hại đến môi trường thì nay người ta đã phải quan tâm đến những hậu quả nghiêm trọng là làm mất cân bằng sinh thái Do vậy, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời là hướng đi quan trọng trong quy hoạch phát triển năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia

Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và

là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh té

Khi mức sống của người dân càng cao, trình độ sản xuất của nên kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng ngày càng lớn, và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với hầu hết mọi quốc gia Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh

tế từ sau Đổi Mới làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển kịp thời Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ thiếu điện vân sẽ còn là nôi lo thường trực của ngành điện lực Việt Nam cũng như của các doanh nghiệp và người dân cả nước Với giá dầu lên cao, xấp xỉ 140 đô la một thùng, năng lượng trở thành một vấn đề cấp bách cho mọi quốc gia, từ nước phát triển cho tới những nước đang phát triển Giá dầu lên kéo theo giá các năng lượng khác như khí đốt, than cũng tăng Thêm vào đó là vấn đề môi trường Than hay dầu khí thải nhiều hóa chất ô nhiễm, làm nóng quả

đất Điển hình 2 năm trước ngay tại Bắc Kinh ta có thấy rõ được ảnh

hưởng của hóa chất thải đối môi trường sống của con người tại đây Nẵng lượng rẻ từ dầu khí đã đẩy mạnh cách mạng sản xuất của nhân loại trong trăm năm nay Nhưng nguồn năng lượng này đang có xu hướng giảm Theo ước tính, trữ lượng dầu sẽ hết trong 100 năm nữa Tìm nguồn năng lượng mới nhất là một nguồn năng lượng tái tạo đã trở thành một giấc mơ cần biến thành hiện thực, một nhu cầu, một bài toán cho nhân loại Trong các nguồn năng lượng tái tạo

này, cho đến nay, chỉ có thủy điện là đáng kể Trong những nguồn còn lại: điện gió, điện mặt trời, trái đất, biomass cho đến nay tiềm năng lớn là zấng fượïnng gió Nó được xem như dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sạch, vô tận và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường Nội dung dưới đây chúng em nghiên cứu về tiềm năng, công nghệ sản xuất và quy hoạch năng lượng gió trên thế giới và ở Việt Nam Bên cạnh đó đưa ra những ưu

và nhược điểm trong xây dựng ngưồn năng lượng sinh khối

Với sự giúp đỡ tận tình và những chỉ dẫn chỉ tiết từ thầy: " " chúng

em mạn phép được đưa ra đồ án môn học ` tìm hiểu về nguồn năng lượng tái tạo Phong điện” Do trình độ chuyên môn còn hạn hẹp nên tài liệu còn nhiều thiếu sót , kính mong thầy ” " Và các bạn chỉ dẫn

và đóng góp thêm, chân thành cảm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện:

Quy Nhơn, 20/11/2011

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

PHAN 1: TONG QUAN VE NANG LUQNG GIO

1 Sự hình thành năng lượng gió

2 Vật lí học về năng lượng gió

3 Sứ dụng năng lượng gió

4 Sản xuất điện từ năng lượng gió

Khuyến khích sứ dụng năng lượng gió

Thóng kê

Công suất định mức lắp đặt trên Thế Giới

Công suất định mức lắp đặt tại Áo

Công suất định mức lắp đặt tại Đức

Công suất định mức lắp đặt tại Pháp

PHAN 2: LICH SU TUABIN GIO

PHAN 3: MAY PHAT DIEN VA ĐIỆN TỬ CÔNG SUAT CHO TUABIN GIO

3.1 Giới thiệu

3.2 Công nghệ tiên tiến

3.2.1/Téng quan vé cấu hình tuabin gió

3.2.1.1/ Tuabin gid toc do cô định

3.2.1.2/ Tuabin gió tôc độ biên đôi

3.2.1/ Tống quan về các loại điều khiến điện năng

3.2.3/ Máy phát điện hiện đại

3.2.3.1 Loại A: tôc độ 00 ¢ dinh

3.2.3.2 Loại B: thay đôi tốc độ hạn chế

3.2.3.3 Loại C: thay đổi tốc độ với bộ chuyển đi tần số từng phần 3.2.3.4 Loại D: Biến tốc với bộ chuyên đồi tần số đầy đủ tỉ lệ

3.2.4 Điện tử công suất hiện đại

3.2.5 Xâm nhập thị trường hiện đại

3.3 Các loại máy phát điện

3.3.1 Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng)

3.3.1.1 Máy phát điện cảm ứng lôngsóc

3.3.1.2 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quân

3.3.2.1 Máy phát điện đông bộ rotor dây quân

3.3.2.1 Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn

3.3.3 Các loại máy phát điện khác

3.3.3.2 Các máy phát điện từ hóa chuyên đôi

3.3.3.3 Máy phát điện ngang dòng

3.4 Các loại điện tử công suât

3.4.1 Khởi động mềm

3.4.2 Bộ tụ

3.4.3 Bộ chỉnh lưu và bộ biến điện - nghịch lưu

3.4.4 Chuyên đôi tần sô - biên tan

3.5 Giải pháp điện tử công suât trong các trang trại gió

3.6 Kêt luận

PHAN 4: PHONG DIEN TAI VIET NAM

Tình hình cung cầu tại Việt Nam

Một số lựa chọn chính sách của Việt Nam

Giá thành cúa phong điện, liệu có đắt như định kiến

Những lợi ích về môi trường và xã hội cúa phong điện

Tiềm năng phong điện tại Việt Nam

Đề xuất một khu vực xây dựng phong điện tại Việt Nam

Lời kết

PHAN 5: MOT VAI DU AN PHONG DIEN TIEU BIEU

1 Phat trién phong dién tai Binh Dinh

2 Phát triển phong điện tại Bình Thuận

3 Đọc thêm

3.3 Trạm phát điện kêt hợp năng lượng gió và mặt trời

PHAN 1: TONG QUAN VE NANG LUONG GIO

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyền trong bầu khí quyền

Trai Dat Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng Mặt Trời Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên

và đã được biết đến từ thời kì Cổ đại

1 Sự hình thành năng lượng gió

Bức xạ Mặt Trời chiều xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyền,

nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị

che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì

thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đắt di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phăng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Ban dé vận tốc gió theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Dat nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyền vào một vùng áp thấp ngược với

chiều kim đồng hỗ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán câu thì chiêu hướng ngược lại

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biễn hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

2.Vật lý học về năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyền động với vận tốc v Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian / là:

m= pV =p-Avt=p-arvt

với p là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.Vì thê động năng E (kin) và công suất P của gió là:

suất tổn tại trong gió được gọi là hệ số Betz (xem Định luật Betz), do Albert Betz tìm ra

vào năm 1926

Có thê giải thích một cách dé hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gid, gió sẽ chậm lại Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải không đổi nên luông gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết điện mặt cắt ngang Chính vì lý do này mà biến đồi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua một tuốc bin gió là điều không thể được Trường hợp này đồng nghĩa với việc

là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng yên

3.Sử dụng năng lượng gió

Cối xay gió Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay Con người đã dùng năng lượng gió đê di chuyên thuyên buôm hay khinh khí câu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng đê tạo công cơ học nhờ vào các côi xay gió

Ý tưởng dùng năng lượng gió dé san xuat điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện

và máy phát điện Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đồi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện đề sản xuất năng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chê tạo đặc biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm côi xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguôn khác được đây mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại

4 Sản xuất điện từ năng lượng gió

Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguôn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nói mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc

sản xuất điện có thể được điều hòa một phan Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy

phát điện có bơm trữ đê bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước đề vận hành tuốc bin khi không đủ gió Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao

Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thôi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu câu dùng điện (Đọc thêm thông tin trong bài tuốc bin gió)

Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió Cánh quạt gió sẽ được truyện động trực tiệp dé quay máy nén khí Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào các turbine dé quay may phat điện Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ồn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình, và người

ta sẽ đễ dàng điêu khiên cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra), hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí luân phiên để đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi I bình đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác

sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào)

Nếu cộng tất cả các chỉ phí bên ngoài (kế cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải các chât độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguôn năng lượng rẻ tiên nhât

4.1/ khuyến khích sử dụng năng lượng gió

Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào đường lối chính trị, thí dụ như thông qua việc hoàn trả thuế (PTC tại Hoa Kỳ), các mô hình hạn ngạch hay đấu thầu (thí dụ như tại Anh, Ý) hay thông qua các hệ thống giá tối thiểu (thí

dụ như Đức, Tây Ban Nha, Áo, Pháp, Bồ Đào Nha, Hy lạp) Hệ thống giá tối thiểu ngày càng phổ biến và đã đạt được một giá điện bình quân thấp hơn trước, khi công suất các nhà máy lắp đặt cao hơn

Trên nhiều thị trường điện, năng lượng gió phải cạnh tranh với các nhà máy điện mà một phần đáng kể đã được khấu hao toàn bộ từ lâu, bên cạnh đó công nghệ này còn tương đối mới Vì thế mà tại Đức có đền bù giá giảm dần theo thời gian từ những nhà cung câp năng lượng thông thường dưới hình thức Luật năng lượng tái sinh, tạo điều kiện cho ngành công nghiệp trẻ này phát triển Bộ luật này quy định giá tối thiểu mà các doanh nghiệp vận hành lưới điện phải trả cho các nhà máy sản xuất điện từ năng lượng tái sinh Mức giá được ấn định giảm dần theo thời gian Ngược với việc trợ giá (thí dụ như cho

than đá Đức) việc khuyến khích này không xuất phát từ tiền thuế, các doanh nghiệp vận

hành lưới điện có trách nhiệm phải mua với một giá cao hơn

Bên cạnh việc phá hoại phong cảnh tự nhiên những người chống năng lượng gió cũng đưa ra thêm các lý do khác như thiêu khả năng trữ năng lượng và chi phí cao hơn trong việc mở rộng mạng lưới tải điện cũng như cho năng lượng điêu chỉnh

4.2/ Thống kê

Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là những quốc gia sur dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới

4.2.1/ Công suất định mức lắp đặt trên thế giới

Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dân dau về công suât của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách

Xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triên năng

lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ băng quyêt tâm chính trị Nhờ vào

đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triên tại 3 quôc gia này Công nghệ Đức (bên

cạnh các phát triên mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thị trường

nhiêu hơn trong những năm vừa qua

Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện,

trong đó Mỹ với 5244 MW,

Tây Ban Nha 3522MW,

Trung Quốc 3449 MW,

An D6 1730 MW Năm 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gid lên 94.112 MW Công suất này có thê thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng

Sốthứtự Quốcgia Công suất(MW)

4.2.2/ Công suất định mức lắp đặt tại Áo

Tại Áo hiện nay có 424 tuốc bin gió với công suất tông cộng là 606 MW trong mạng lưới điện (số liệu vào cuối năm 2004) Công suất này tương ứng với nhu cầu tiêu thụ điện trung bình của khoảng 350.000 gia đình Trọng tâm sử dụng năng lượng gió tại Áo là 2 tiểu bang Niederösterreich và Burgenland Trang trại gió cao nhất thê giới được lắp đặt ở

độ cao 1.900 m trên mực nước biên tại tiêu bang Stelermark vào năm 2002 Trang trại gió này bao gồm 11 tuốc bin gió với công suất tông cộng là 19,25 MW

Nguén: IG Windkraft Osterreich

4.2.3/ Công suất định mức lắp đặt tại Đức

Trong năm 2004, với 25 000 GWh, lần đầu tiên tại Đức sản xuất điện từ năng lượng gió

đã vượt qua được nguồn cung cấp điện từ năng lượng tái sinh khác được sử dụng nhiêu nhất cho đến thời điểm này là thủy điện với 20.900 GWh

Công suất định mức lắp đặt tại Đức theo tiểu bang:

4.2.4/ Công suất định mức lắp đặt tại Pháp

PHẢN 2: Lịch sử Tuốc bin gió

Tuốc bin gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành co nang May nang lugng này ‹ có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đồi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió

Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lầy gió Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện dé hợp với bình ắc qui và cuối cùng là I chiếc may déi dién (inverter) dé chuyền điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng

Máy phát điện tuốc bin gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực đo kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của tuốc bin gió

Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện

năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi đề có được nguồn điện

phù hợp Việc sử dụng äc quy đề lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy và sau

đó chuyên đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chỉ phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên

có ưu điểm là ổn định đâu ra

Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thông rất nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra đề xoay động cơ

vận hành máy phát điện Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình

này đang xả thì các bình khác đang được nạp bởi cánh quạt gió Điện sẽ được ồn dịnh liên tục

Hiện nay có 2 kiểu turbine phổ biến,đó là loại trục ngang và loại trục đứng Trục ngang

là loại truyền thống như hình trên, còn trục đứng là loại công nghệ mới, luôn quay ôn định với mọi chiều gió

Trang tài liệu của Charles F Brush năm 1888

Cối xay gió đã được sử dụng ở Ba Tư (Iran ngày nay) vào đầu năm 200 TCN [2] Bánh xe gió của Heron tại Alexandria đánh dấu một trong những trường hợp được biết đến đầu tiên của máy chạy bằng sức gió trong lịch sử.[3][4]Tuy nhiên, việc chiếc cối xay

Afghanistan và Iran, từ thế kỷ thứ 7.[5] Những thân cối xay gió là những trục dọc, và có

cánh hình chữ nhật

Các tài liệu đầu tiên về hệ thống để phát điện bằng sức gió được lập vào năm 1887 do

một người Scotland tén la James Blyth, để tạo ra năng lượng chiếu sáng cho ngôi nhà trong kỳ nghỉ của mình Ông đã xây dựng một trục thăng đứng chắc chắn với 10 mét

chiều cao và 4 cánh quạt

Dane Poul La Cour đến xung quanh bật của thế kỷ bởi các nghiên cứu có hệ thống - trong số những thứ khác, được thiết kế khí động học trong hầm gió airfoils - khái niệm về

tốc độ cánh quạt mà cánh quạt chỉ đủ đề khai thác năng lượng gió trên toàn bộ diện tích

cánh quạt

Năm 1920, Albert Bates về các nguyên tắc vật lý mà vẫn còn được sử dụng ngày hôm nay đề tận dụng lợi thế của năng lượng gió là tối ưu: giảm tốc độ của lưu lượng dòng chảy để chỉ một phần ba tốc độ gió, đồng đều trên diện tích cánh quạt, được thực hiện bởi

bề ngoài giảm chiều sâu của cánh quạt

Các thăng bằng hàng không cải thiện dạng hình trong những năm 50 và 60, cho phép lướt và tỷ lệ trên 50 cực kỳ nhanh chóng chạy với chỉ một lưỡi cánh quạt duy nhât Cánh

quạt với hơn hai lá được coi là lạc hậu

Theo kế hoạch của Đức tuốc bin với hai lá GROWIAN là một dự án lớn đã được lên

và đưa xuống đề đưa các khái niệm của Đan Mạch của các hệ thông mạnh mẽ của quyền lực trung nhiều Nó cũng có một số lượng lớn ở Hoa Kỳ xuất khâu một hệ thống không

đông bộ, một hoặc hai tôc độ cô định và ba cánh quạt cứng Kê từ đó, Đan Mạch là nước

có tỷ trọng lớn nhất của thế hệ năng lượng gió

Modern HAWT Gwomw@Dasrleus VAWVT

iH

thể họ đang hoạt động trong gió thực sự Chúng được quay cùng một tốc độ (toán học),

30 vòng/phút

PHẢN 3:Máy phát điện và điện tử

cong suat cho tu6c bin gió

(Generators and Power Electronics for Wind Turbines)

Anca D Hansen

3.1/ Giới thiệu

Ngày nay, tua-bin gió trên thị trường là sự hòa trộn và so khớp với một loạt các đôi mới công nghệ đã được thử nghiệm cho cả máy phát điện và điện tử công suất Chương này trình bày trạng thái hiện tại của máy phát điện và thiết bị điện tử công suất trong các loại

tuabin gió Nó mô tả các loại cũ và mới của các máy phát điện và các thiết bị điện tử

công suất dựa trên các khía cạnh kỹ thuật và xu hướng thị trường

3.2 Công nghệ tiên tiến

(_ State-of-the-art Technologies )

Phần này sẽ mô tả tình trạng hiện tại về máy phát điện và điện tử công suất cho các tua-bin gió Đề cung câp một bức tranh hoàn chỉnh, đâu tiên chúng tôi sẽ mô tả văn tắt câu hình điêu khiên điện năng phô biên của các tua bín gió

3.2.1 Tông quan về các cấu hình tuốc bin gió

Tua-bin gió có thê hoạt động với một tôc độ cô định hoặc tôc độ biên đôi

3.2.2.1 tuốc bin gió có tốc độ không đổi — có định

( Fixed-speed wind turbines )

Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn cài đặt các tua-bin gió là hoạt động ở tốc độ có định.Điều đó có nghĩa là bất kì tốc độ gió nào, tốc độ cánh quạt của tuabin gió là có định

và xác định bởi tần số của lưới điện cung cấp, tỷ số truyền và thiết kế máy phát điện Đặc trưng của tua-bin gió tốc độ cố định là chúng được trang bị máy phát điện cảm ứng (rotor lồng sóc hoặc rôto quấn dây) kết nói trực tiếp với lưới điện, với một phần: mêm khởi động và bộ tụ dé giảm mức tiêu hao công suât phản kháng.Chúng được thiết

kế đề đạt được hiệu quả tối đa tại một tốc độ gió cụ thể Đề tăng cường sản xuất

điện, máy phát điện của một số tua-bin gió có tốc độ có định có hai bộ dây: một là sử

dụng tôc độ gió thâp (thường là 8 điện cực) và tôc độ gió trung bình ,cao (thường 4-

6 điện cục)

Tua bin gió có tốc độ cố định có lợi thế là đơn giản, mạnh mẽ và đáng tin cậy

và cũng đã được kiểm chứng Và tốn thất điện năng của nó là thấp Nhược điểm của nó là không kiểm soát được tiêu thụ công suất phản kháng, ứng suất cơ học và chất lượng

tiếp tục truyền như các biến động trong mô-men xoắn cơ khí và sau đó là sự biến động của điện năng trên lưới điện Trong trường hợp lưới yếu, dao động năng lượng cũng có thể dẫn đến các biến động điện áp lớn, điều này sẽ cho kết quả rã lưới(Larsson, 2000) 3.2.1.2 tuabin gió tốc độ biến đổi

(Variable-speed wind turbines )

Trong những năm qua tua-bin gió có tốc độ thay đổi đã trở thành loại ưu thé trong

số các tua-bin gió được cài đặt

Tua-bin gió biến tốc được thiết kế đề đạt được tối đa hiệu quả khí động học trên một phạm vi rộng của tốc độ gió Với hoạt động biến tốc nó có thể liên tục thích ứng (tăng tốc hay giảm tốc) tốc độ quay của tuabin gió với tốc độ gid v Bang cach nay, tốc

độ đầu tỷ lệ được giữ không đổi ở một giá trị được xác định trước tương ứng với hệ

số công suất tối đa Trái ngược với một hệ thống tốc độ có định, một hệ thống biến tốc giữ mô-men xoắn máy phát điện tương đối ổn định và các thay đôi gió được hấp thu bởi những thay đổi trong tốc độ máy phát điện

Hệ thống điện của một tua-bin gió có tốc độ thay đồi phức tạp hơn một tuabin

gió tôc độ cố định Nó thường được trang bị với máy phát điện cảm ứng hoặc máy phát

chuyền đồi điện năng kiểm soát tốc độ máy phát điện, đó là, dao động năng lượng gây ra bởi sự thay đổi gió được hấp thu chủ yếu bởi những thay đổi tốc độ trong rotor máy phát điện và cực từ trong rotor tua-bin gió

Những lợi thế của tua-bin gió có tốc độ thay đổi là nắm bắt được sự tăng năng lượng, cải thiện chất lượng điện và giảm áp lực cơ khí trên các tua-bin gió.Nhược điểm là gây tổn thất trong phần điện tử công suat, sử dụng nhiều bộ phận hơn và tăng chi phí thiết

bị vì là các thiết bị điện tử công suất

Việc giới thiệu các loại tuabin gió có tốc độ thay đồi làm tăng số lượng ứng dụng của các loại máy phát điện và cũng giới thiệu một vài sự kêt hợp của các loại máy

phát điện và các loại chuyên đồi điện năng

3.2.2 Tổng quan về các loại điều khiển điện năng

( Overview of power control concepts)

Tắt cả các tua-bin gió được thiết kế với một số loại điều khiển điện năng Có nhiều cách

khác nhau đề kiểm soát sức động lực học trên các rôtor tua-bin gió và do đó hạn chế sức

mạnh của gió khi gió lớn đề tránh hỏng hóc cho tuabin gió

Phương pháp điều khiển hiệu quả nhất và rẻ tiền nhất là điều khiển trạng thái thất tốc- the stall control (điều khiển thụ động), nơi mà các cánh quạt được bắt vít vào trung tâm ở

một góc cố định Thiết kế khí động lực học rotor làm cho rotor thất tốc (mất điện) khi tốc

độ gió vượt quá một mức nhất định Như vậy,lực khí động học trên các cánh quạt bị hạn

chế Kiểm soát lực khí động học chậm gây ra những biến động năng lượng ít hơn so với việc điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt Một số hạn chế của phương pháp này là hiệu quả thấp hơn ở tốc độ gió thấp, không có hỗ trợ khởi động và sự thay đổi lớn trong ôn định điện do sự thay đôi trong tỷ trọng không khí và tần số lưới điện (cho một ví dụ, hãy xem Chương 15)

Một loại hình điều khiển khác là điều khiển góc nghiêng- pitch control (điều khiển chủ động),ở đó những cánh quạt có thể tạo ra sản lượng điện đầu ra cao hay thấp,tương ứng Nói chung, những ưu điểm của loại hình điều khiến này là điều khiển điện tốt, hỗ trợ khởi động và dừng khẩn cấp Từ một điểm điện cho thấy, kiểm soát năng lượng tốt có nghĩa là ở tôc độ gió cao, giá trị trung bình của sản lượng điện được giữ gân với công © suất định mức của máy phát điện Một số nhược điểm là sự phức tạp phát sinh từ cơ cầu truyền động ở các góc nghiêng và dao động năng lượng cao hơn ở tốc độ gió cao Năng lượng chỉ là tức thời, bởi vì cơn gió giật và tốc độ hạn chế của cơ câu truyền động góc nghiêng, đao động xung quanh giá trị trung bình của điện năng

Cách điều khiển thứ 3 có thể là điều khiển trạng thái thất tốc chủ động- the active stall control Như tên ngụ ý, sự thất tốc của những cánh quạt được điều khiển 1 cách chủ động bằng góc nghiêng của cánh quạt Ở tốc độ gió thấp cánh quạt nghiêng giống như loại tuabin gió điều khiến góc nghiêng, để đạt được hiệu quả tối đa Ở tốc độ gió cao,cánh quạt đi vàotrạng thái thất tốc bằng cách xoay nhẹ vào hướng đối diện với tua-bin điều

khiển góc nghiêng Hoạt động của các trạng thái thất tốc tuabin gió đạt được sự hạn chế

năng lượng l1 cách trơn tru, không có dao động năng lượng cao như trong trường hợp của tua-bin gió điều khiển góc nghiêng Loại điều khiển này có lợi thế là có thể bù đấp sự thay đổi về tỷ trọng không khí Sự kết hợp với cơ chế thay đôi góc nghiêng làm cho nó

dễ dàng hơn khi thực hiện điểm đừng khân cấp và khởi động tua-bin gió

3.2.3 Máy phát điện hiện đại

( State-of-the-art generators )

Trong phan sau day, cấu hình tua-bin gió ứng dụng phố biến nhất được phân

loại hai khả năng là điều khiển tốc độ và điều khién năng lượng Áp dụng điều khiển

tốc độ như một tiêu chuẩn, tua-bin gió có bốn loại khác nhau , như minh họa trong

Bang3.1 cho thay sự kết hợp không được sử dụng trong ngành công nghiệp tua-

bin gió hiện nay (ví dụ như loạiB0)

Hình 3.1 cấu hình gió tuabin tiêu biểu

Lưu ÿ:

SCIG = squirrel cage induction generator( máy phát điện lồng sóc cảm ứng),

WRIG = wound rotor induction generator (may phat dién cam img rotor dây quan), PMSG = permanent magnet synchronous generator (may phat dién đồng bộ nam

châm vĩnh cửu);

'WRSG = wound rotor synchronous generator( máy phát điện đồng bộ rotor day quan) Các dòng nét đứt xung quanh hộp số Loại D cấu hình cho thấy rằng có thể có hay không có hộp sô

Trong chương này, chúng tôi sẽ xem xét chủ yếu là các loại tua bin gió tiêu chuẩn, được mô tả trong hình 3.1 và Bảng 3.1 Các thiết kế tua bin gió khác sẽ không được thảo

luận Vì vậy, chỉ có cấu hình tuabin gió điển hình và ưu điểm cũng như nhược điểm của

nó sẽ được trình bày thảo luận sau đây

động

Bat kì nguyên tắc điều khiển năng lượng trong một tua-bin gió có định nào cũng là tốc

độ gió biến động được chuyền đổi thành các dao động cơ khí và do đó thành dao động năng lượng điện Trong trường hợp của một mạng lưới yếu, chúng có thể tạo ra biến động điện áp tại các điểm kết nói Vì những dao động điện áp, tuabin gió tốc độ có định

sẽ lây lượng công suất phản kháng khác nhau từ các lưới điện (trừ khi có một bộ tụ điện), làm tăng các biến động điện áp và ton hao dòng Vì vậy, những hạn chế chính của loại này là nó không hỗ trợ bat kỳ điều khiển tốc độ nào, nó đòi hỏi một mạng lưới cứng và

kết cấu cơ khí của nó phải có khả năng chịu lực cơ học cao

Tắt cả ba phiên bản (loại A0, Loại A1 Loại A2) của tuabin gió tốc độ có định

Loại A được sử dụng trong ngành công nghiệp tua-bin gió, và nó có thê được mô tả như sau

Loại A0: Điều khiển độ thất tốc

(_ stall control )

Đây là loại thông thường được áp dụng bởi nhiều nhà chế tạo tuabin gió của Đan Mạch trong những năm 1980 và năm 1990 (tức là khi ngược gió điều chỉnh độ thất tốc bởi ba cánh tua bin gió) Nó rất phé | bién vi giá tương đối thấp của nó, đơn giản và hiệu quả Tua-bin gió điều khiển thất tốc không thể thực hiện hỗ trợ khởi động, mà ngụ ý rằng điện

áp của tuabin không thể được kiểm soát trong mạng lưới

Loại A1: Điều khiển góc nghiêng

(_ pitch control ) Loại này cũng có mặt trên thị trường Các ưu điểm chính của một tuabin Loại A1

là nó tạo điều kiện thuận lợi điều khiển năng lượng, điều khiển khởi động và dừng khẩn cấp Tuy nhiên mặt hạn chế chính của nó là ở tốc độ gió cao, thậm chí biến đổi nhỏ trong tốc độ gió cũng dẫn đến thay đôi lớn trong sản lượng điện Cơ chế góc nghiêng là không phù hợp để tránh những dao động năng lượng Bằng cách nghiêng cánh quạt, các biến đồi chậm trong gió có thê được bù lại, nhưng điều này là không thể trong trường hợp của cơn gió giật

Loại A2: Điều khiển thất tốc chủ động

(active stall control )

Loại này gần đây đã trở nên phổ biến Cấu hình này về cơ bản duy trì tất cá các đặc tính chất lượng điện của hệ thống thất tốc quy định Những cải tiền trong ứng dụng tốt hơn của hệ thông tổng thể, như một kết quả ứng dụng của điều khiến that toc chủ động Các khớp nói linh hoạt của cánh quạt trung tâm cũng tạo điều kiện dừng khẩn cấp và khởi động Một nhược điểm là mức giá cao hơn phát sinh từ cơ chế lắp đặt và bộ điều khiển

của nó

Như minh họa trong hình 3.1 và Bảng 3.1, loại biến tốc được sử dụng bởi tất cả ba cầu

hình, loại B, loại C và D Do cân nhắc loại giới hạn năng lượng, các loại biến tốc được sử dụng trong thực tế hiện nay chỉ cùng với cơ chế góc nghiêng nhanh Tốc độ thay đồi thất tốc hoặc sự thay đôi tốc độ thất tốc chủ động dé điều khiển tuabin gió không bao hàm ở đây như là có khả năng nó thiếu điện dung đề giảm nhanh chóng năng lượng Nếu các

tuabin gió đang chạy ở tốc độ tối đa và có một cơn gió mạnh, mô-men xoắn khí động học

đạt độ tới hạn cao và có thé gay ra tinh huéng mat ôn định Do đó, như minh họa trong

bảng 3.1 Loại B0, Loại B2, Loại C0, Loại C2, Loại D2 ,Loại D0 không được sử dụng

trong ngành công nghiệp tua-bin gió hiện nay

3.2.3.2 Loại B: thay đối tốc độ hạn chế

Cau hinh này tương ứng với tuabin gió hạn chế biến đổi tốc độ bằng sự thay đổi điện

tro rotor may phát điện, được gọi là OptiSlip.Sử dụng một máy phát điện cam tng rotor

dây quấn (WRIG) và đã được sử dụng bởi các nhà sản xuất Đan Mạch Vestas kề từ giữa những năm 1990 Máy phát điện trực tiếp kết nối với lưới điện Một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng Kết nói lưới điện tốt hơn đạt được bằng cách sử dụng một phần mêm khởi động Các tính năng độc đáo của loại này là nó có thê thay đồi điện trở rotor boi một công cụ chuyền đồi quang học điều khiển gắn trên trục cánh quạt Vi vay, điện trở rotor là kiểm soát hoàn toàn Khớp nói quang học này giúp loại bỏ sự cần thiết cho vòng trượt tốn kém cần chối than và bảo trì Điện trở rotor có thé được thay đổi và do

đó kiểm soát độ trượt Bằng cách này, sản lượng điện trong hệ thống được kiểm soát

Phạm vi của điều khiển tốc độ động phụ thuộc vào dải biến đồi điện trở rotor Thông

thường, phạm vi tốc độ là 0-10% so với tốc độ đồng bộ Năng lượng đến từ các đơn vị chuyển đổi năng lượng bên ngoài là mat đi do sự mắt nhiệt

Wallace va Oliver (1998) trình bày một loại thay thế bằng cách sử dụng các thành phần thụ động thay vì bộ chuyên đôi điện tử công suất Điều này đạt được độ trược 10%, nhưng nó không hỗ trợ điều khiển độ trược

3.2.3.3 Loại C: thay đối tốc độ với bộ chuyển đối tần số từng phần

¢ variable speed with partial scale JSrequenc ‘y converter )

Cấu hình này giông loại máy phát điện cảm ứng 2 lần (DFIG), tương ứng với giới hạn biến đồi tốc độ của tuabin gió là sô vòng dây rotor của máy phát điện cảm ứng (WRIG)

và một phân tỉ lệ tần số chuyền đồi (đánh giá khoảng 30% công suất định mức) trên mạch

rotor (phần 4, trong Chương 2 cho thấy vỏ bọc của một tuabin Loại C) Phần tỉ lệ tần số

chuyền đổi thực hiện bù công suất phản kháng và kết nói lưới điện tối ưu hơn Nó có một phạm vi rộng lớn hơn của điêu khiên tốc độ động so với các OptiSlip_„ tùy thuộc vào kích thước của bộ chuyền đồi tần số

_ Thông thường, phạm vi tốc độ bao gồm tốc độ đồng bộ 30% đến 40% Tần số chuyên

đôi nhỏ hơn làm cho khái niệm này hập dân đôi với quan điêm kinh tê Hạn chê chính của

nó là việc sử dụng các vòng trượt và phải được bảo vệ trong trường hợp sự cô lưới điện

3.2.3.4 Loại D: Biến tốc với bộ chuyến đổi tần số đầy đú tí lệ

( variable speed with full- -scale frequency | converter )

Cau hình này tương ứng với tuabin gió tốc độ bién đổi đầy đủ, với các máy phát điện kết nối với lưới điện thông qua một công cụ chuyển đôi tần số đầy đủ tỉ lệ Bộ chuyên đồi tần số thực hiện đền bù công suất phản kháng và kết nói lưới điện tối ưu hơn Máy phát điện có thê được kích thích bằng điện (dây quan rotor máy phát điện đồng bộ (WRSG) hoặc WRIG) hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu [nam châm vĩnh cửu máy phát điện đồng bộ (PMSG)]

Một số tuabin gió tốc độ biến đổi có thể không có hộp số (xem các đường nét đút hộp

số trong hình 3.1) Trong những trường hợp này, máy phát điện nhiều cực truyền động: trực tiếp được sử dụng với một phạm vi lớn, (nhìn phần 3, tại ví dụ Chương 2) Các tuốc bin gió công ty Enercon, Made và Lagerwey là những ví dụ của các nhà sản xuất sử dụng cấu hình này

3.2.4 Điện tử công suất hiện đại

( State-of-the-art power electronics )

Sự thay đổi tốc độ tua bin gió đòi hỏi một hệ thống điện tử công suất có khá năng điều chỉnh tần số máy phát điện và điện áp lưới điện Cường độ dòng điện trong điện tử

công suất nhỏ nên nó là lý do tại sao nó lại hấp dẫn để sử dụng các thiết bị điện tử trong

các tua-bin gió trong tương lai: Bảng 3.2 minh họa

Bảng 3.2 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng thiết bị điện tử công suất trong hệ

thông tuabin gió

điểm

Truyén dong không bánh răng

Giảm tiêng ôn

- Nguồn công suất phản kháng cục

Điện tứ công suất có hai tính năng cơ bản:

Điều khiến tần số: Điện tử công suất thực sự có thể áp dụng dé tốc độ thay đổi, và do

đó nó được xem là một điểm quan trọng đối với tuabin gió Tính năng này kết quả làm cho tua-bin gió đạt được những lợi ích trực tiếp sau đây: (1) tối ưu năng lượng hoạt động, (2) giảm tải trên ô bánh răng và ô đĩa, cũng như tốc độ gió biến đổi được hấp thụ bởi các thay đổi tốc độ rotor (3) kiểm soát tải, cũng như có thể tránh được tồn hao tải, (4) một giải pháp thực tế cho các tua-bin gió gearless(không bánh răng),cũng như bộ chuyên đổi điện hoạt động như một hộp số điện; và (5) giảm tạo ra tiếng ôn ở tốc độ gió thấp Đối với các tua bin gió, những nhược điểm của thiết bị điện tử công suất là những tồn thất điện năng và chi phí gia tăng cho các thiết bị bổ sung

Tính chất điện áp: Điện tử công suất cung cấp khả năng cho các trang trại gió trở thành một phân hoạt động trong hệ thông điện (S ensen et al, 2000.) Đôi với lưới điện,

điều nảy tạo một số lợi thế: (1) công suất phản kháng và tác dụng của một trang trại gió là điều khiển được, (2) bộ chuyền đổi năng lượng trong một trang trại gió có thể được sử dụng như một nguôn công suất phản kháng cục bộ (ví dụ như trong trường hợp lưới điện yếu); (3)trang trại gió có ảnh hưởng tích cực vào sự ôn định mạng lưới, và (4) bộ chuyên đổi điện áp giúp nâng cao chất lượng điện của trang trại gió bằng cách giảm các mức độ mắp mô cũng như nó lọc ra các sóng hài thấp và hạn chế các dòng mạch ngắn Liên quan

Điện tử công suất bao gồm các thiết bị như khởi động mềm (và các bộ tụ điện), chỉnh

lưu, bộ biên đôi điện và bộ chuyên đôi tân sô Có một loạt lý thuyêt thiệt kê khác nhau

đê chỉnh lưu, biên đôi điện và chuyên đôi tân sô (Novotny và Lipo, 1996)

Các thành phần cơ bản của bộ chuyền đồi điện áp là điốt (van không kiểm soát được) và chuyền mạch điện tử (van kiểm soát), chăng hạn như thyristors thường hoặc đóng ngắt được và transistor Diodes cho dòng đi qua theo 1 hướng nhất đỉnh và không cho phép dòng đi qua theo chiều ngược lại Thiết bị chuyên mạch điện tử cho phép lựa chọn thời điểm chính xác khi các điót bắt dau dan dong (Mohan, Undeland va Robbins, 1989) Thyristor thông thường được đóng và sẽ chặn chỉ khi dòng bằng 0 (tức là khi hướng dòng điện là đảo ngược), trong khi thyristors đóng ngất được và transistor có thể tự do sử dụng các công đề gián đoạn dòng điện Được biết đến rộng rãi nhất thyristors đóng ngắt được

và transistor như là thyristors công đóng-ngắt được(GTO- gate turn-off thyristors), thyristors công mạch tích hop (IGCTs- integrated gate commutated thyristors),

transistor tiép giáp lưỡng cực (BJTs- bipolar Junction transistors), transistor higu ứng trường với chất ban dan oxit kim loai (MOSFETs- meta/ oxide semiconductor field effect transistors) va transistor cong cach dién ludng cuc (IGBTs- insulated gate bipolar transistors) Bang 3.3 so sánh các đặc điểm và xép hang của năm trong số các thiết bị chuyên mạch Các giá trị điện áp, dòng điện và điện áp đầu ra là điện áp tối đa

Chuyên đôi tân sô xác định phạm vi tân sô hoạt động

Thyristors thông thường có thể điều khiển công suất tác dụng, trong khi thyristors đóng ngắt được và transistor có thê điêu khiên cả hai công suât phản kháng và tác dụng (đê

biệt thém chi tiét, Mohan, Undeland va Robbins, 1989)

Ngày nay, hệ thống máy phát điện tua bin g1ó có tốc độ thay đôi có thể sử dụng nhiều loại bộ chuyên đổi khác nhau Chúng có những tính chất như chuyên đổi lưới mạch hoặc chuyển đổi tự mạch (Heier, 1998) Các loại phổ biến của lưới điện-mạch chuyển đổi

là thyristor

Nó là giá rẻ và đáng tin cậy, nhưng nó tiêu thụ công suất phản kháng và tạo các dòng hài rất khó dé loc ra Mạch tự chuyền đôi điển hình bao gồm của một trong hai thyristors GTO hoặc transistor Tự mạch chuyên đổi thú vị bởi vì nó có tần số chuyên mạch cao Hài có thê được lọc ra dễ dàng hơn và do đó độ nhiễu của nó vào mạng có thê được giảm đến mức thấp Ngày nay, các transistor phô biến nhất là IGBT Như minh họa trong Bảng 4.3, tần số chuyên đổi điển hình của một IGBT nằm trong khoảng 2 đến 20kHz Ngược

lại, tần số chuyền đổi GTO không thể cao hơn IkHz, do đó nó không phải là một lựa chọn tôt trong tương lai

Tự mạch chuyền đồi là hoặc chuyền đổi nguồn điện áp (VSCs) hoặc chuyền đôi nguồn

Bảng 3.3 Thiết bị chuyển mạch: giá trị cao nhất và đặc điểm

Hinh 3.2 Cac loai chuyền đổi năng lượng tự-mạch cho tua-bin gió: (a)bộ chuyền đôi nguồn dòng và (b)bộ chuyên đổi nguôn điện áp Sao chép từ S Heier năm 1998,mạng lưới tích hợp hệ thông chuyên đổi năng lượng gió, bởi John Wiley & Sons Ltd

Nguồn VSCs va CSCS tuong đối dễ xác định chuyên đồi sang dạng sóng điện áp và dạng sóng dòng điện, tương ứng, các thiết bị đầu cuối của máy phát điện và lưới điện Trong trường hợp của VSC, điện áp (dạng DC) được giữ ồn định bởi một tụ điện lớn Trong một CSC, nó ngược lại, dòng điện (dạng DC) được giữ ôn định bởi một cuộn cảm lớn Nó phải được nhân mạnh rang nguồn điện áp chuyền đổi và nguồn chuyên đôi dòng

điện là những khái niệm khác nhau Chúng có thê được thực hiện bằng nhiều cách: sáu bước, xung điều chế biên độ (PAM) hoặc điều chế độ rộng xung (PWM) Bằng cách sử dụng kỹ thuật PWM, các sóng hài tần số thấp được loại bỏ và tần số của sóng hài bậc cao đâu tiên nằm ở khoảng chuyên đổi tần số của các biến tần hoặc bộ chỉnh lưu

3.2.5 Xâm nhập thị trường hiện đại

(State-of-the-art market penetration )

Bang 4.4 chứa một danh sach top-10 nha cung cap hang dau thé gidi tuabin gid cho nam 2002 (BTM tu van AP, nam 2003.) Bang này bao gôm hai tua-bin gió lớn nhất (tức

là mới nhất) được sản xuất bởi top-10 nhà sản xuất hàng đầu Các cầu hình được áp dụng, cách điều khiến, loại máy phát điện, điện áp máy phát điện và máy phát điện hoặc phạm

vi tốc độ Totor cho mỗi tua-bin gió đã được đánh giá bằng cách sử dụng các dữ liệu công khai có sẵn trên Internet hoặc dựa trên thư email với các nhà sản xuất

Công ty Đan Mạch Vestas Wind Systerms A / S là nhà sản xuất tua-bin gió lớn nhất trên thế giới, tiếp sau là nhà sản xuất Đức Enercon Đan Mạch NEG Micon và Tây Ban Nha Gamesa đang ở vị trí thứ ba và thứ tư tương ứng Tất cả các nhà sản xuất top-10 san xuất tua-bin gió trong khoảng megawatt Đối với thời gian đầu ,loại tuabin gió hấp dẫn nhất dường như là tuabin gió có tốc độ thay đổi bằng điều khiển góc nghiêng Trong số các nhà cung cấp hàng đầu, nhà sản xuât Đan Mạch Bonus thường xuyên sử dụng cách thất tốc chủ động đề tốc độ có định Tất cả các nhà sản xuất khác sản xuất ít nhất một trong hai tua-bin gió lớn nhất của mình dựa trên loại tốc độ thay đôi Các loại máy phát điện được sử dụng phô biến nhất là máy phát điện cảm ứng (WRIG và SCIG) Chỉ có hai nhà sản xuất, Enercon và Made, sử dụng máy phát điện đồng bộ Tất cả các nhà sản xuất hàng đầu sử dụng biến áp tăng áp đề nôi máy phát điện vào lưới điện Chỉ có một, Enercon, cung cấp một tua-bin gió thay đồi tốc độ không hộp số

So sánh Bảng 3.4 với phân tích của LH Hansen ct al (2001), có một xu hướng rõ ràng đối với cấu hình sử dụng một DFIG (loại C1) với biến tốc và điều khiển thay đôi góc nghiêng Chúng tôi muôn minh họa cho xu hướng này bằng cách tìm kiếm tại thị phần cụ thé và do đó thực hiện nghiên cứu thị trường chỉ tiết về thâm nhập thị trường của các loại tua bin gió khác nhau 1998-2002 Các phân tích được dựa trên dữ liệu thị trường nhà cung cập cung cấp bởi BTM tư vấn AP Và đánh giá loại của từng loại tuabin gió các nhà cung cap riêng lẻ được xem xét trong vòng 5 năm Thông tin này đã được thu thập từ thông tin Internet điều tra xử lý trên tông số khoảng loại 90 tuabin gió từ 13 nhà sản xuất khác nhau nằm trong những nhà cung cấp hàng dau tua-bin gid tir nam 1998 va 2002: Vestas (Dan Mach), Gamesa (Tay Ban Nha), Enercon (Duc), NEG Micon (Dan Mach), Bonus (Dan Mach), Nordex (Đức và Đan Mạch), GE-Wind/Enron (Mỹ),

Ecotechnia (Tây Ban Nha), Suzlon (Ấn Ðộ), Dewind (Đức), Repower (Duc), Mitsubishi (Nhat Ban) va Made (Tay Ban Nha) Trinh bay bang 3,5

Bảng 3.4 các loại được áp dụng bởi các nhà sản xuất top-10 tua-bin gió (được lắp đặt

trong năm 2002), trong đó có hai tua-bin gió lớn nhât (tức là mới nhât) từ mỗi nhà sản

tốc độ

Vestas,Denmark:

Phạm vi tốc độ máy phát:905- 1915rpm

Loai B1 | Góc nghiêng giới hạn | Điện áp máy phát WRIG: 690V

1980rpm

Phạm vi tốc độ rotor:15.3-16.8rpm

Enercon, Germany:

Phạm vi tốc độ máy phát và rotor: 8-13rpm

Phạm vi tốc độ máy phát và rotor: I0-12rpm

NEG Micon,

Denmark:

Pham vi téc độ máy phát:756- 1103rpm

Phạm vi tốc độ rotor:12-17.5rpm

va 1503.6rpm Hai rotor toc d6: 12rpm va 18rpm Gamesa, Spain:

1900rpm Phạm vi tốc độ rotor:7.5-13.5rpm

tốc độ

GE Wind, USA:

Tốc độ thay đôi WRIG (loại DFIG ) :3,3kV/690V

Phạm vi tốc độ rotor:7.5-13.5rpm

Phạm vi tốc d6 may phat:1000- 1800rpm

Pham vi téc dé may phat:1000- 2000rpm

Bonus, Denmark:

Tốc độ thay đổi Hai máy phát tốc độ: 1000rpm và

1500rpm Hai rotor toc d6: 1 1rpm va 17rpm Bonus 76, 2MW Loai A2 | Góc nghiêng tôi đa | Dién ap máy phát SCIG:690V

1500rpm Hai rotor tốc độ: l lrpm và 17rpm

Nordex, Germany:

Phạm vi tốc độ rotor: 10.9-19 lrpm Phạm vi tốc độ máy phát:700- 1300rpm

LoạiCI | Góc nghiêng giới hạn | Điện áp máy phát WRIG (loại

Phạm vi tốc độ rotor:9.9-17.3rpm

Phạm vi tốc độ máy phat:1000- 1800rpm

Made AE-90, 2MW | Loai D1 age Tài da Í Điện áp máy phát WRSG: 1000V

1495rppm_

Pham vi toc d6 rotor:7.4-14.8rpm

Meet Loai AO | That téc co dinh Điện áp máy phát SCIG:690V Hai máy phát tốc độ: 1010rpm và

tốc độ Repower,

Phạm vi tốc độ rotor: 10-12rpm

Phạm vi tốc độ máy phát: :900- 1800rpm

LoạiCI | Góc nghiêng giới hạn | Điện áp máy phát WRIG (loại

Pham vi tốc do rotor:9.6-17.3rpm

Pham vi tốc độ máy phát: :1000- 1800rpm

Ecotecnia, Spain:

Pham vi tốc d6 rotor:10-19rpm Phạm vi tốc độ máy phát: :1000-

1518rpm Hai rotor tốc độ: 12.4rpm và 18.6rpm

“cho dinh nghia loai may phat, trong bang 3.1 va phan 3.2.3

kết qua, cho thay được khả năng lắp đặt bởi 13 nhà cung cấp mỗi năm tương ứng hơn 90% tổng công suất lắp đặt trong những năm qua Điều này làm cho phân tích này rất

đáng tin cậy Những dữ liệu này bao gôm khoảng 76% công suất trên toàn thế giới tích

lũy được lắp đặt vào cuối năm 2002 do đó nó rất toàn diện và thực tế

Bang 3.5 trình bày một cái nhìn tổng quan chỉ tiết về thị phần của từng loại tuabin gió từ 1998-2002 Ta thấy ro rang rang thi phan cua loai tuabin gid tốc độ cố định (loại A) giảm trong giai đoạn này, với loại DFIG (loại C) trở thành loại chỉ phối Loại tốc độ thay đồi

toàn diện(loại D) tăng nhẹ thị phần của nó, do đó trở thành loại quan trọng thứ ba trong

năm 2001 và 2002

Bang 3.5 Thị trường thế giới các loại tua-bin gió nắm giữ từ năm 1998 và 2002

1998 1999 2000 2001 2002 Type A 39.6 40.8 39.0 31.1 27.8 Type B 17.8 17.1 17.2 15.4 5.1 Type C 26.5 28.1 28.2 36.3 46.8 Type D 16.1 14.0 15.6 17.2 20.3 Tông số lắp đặt 2349 3788 4381 7058 7248

Vị trí thị trường của loại OptiSlip (loại B) là gần như không đổi trong suốt

ba năm đầu của thời kỳ này phân tích, nhưng trong hai năm qua, nó giảm, chia sẻ thị trường với Loại C Từ xu hướng mô tả trong Bảng 4.5, loại B có khả năng mắt thị trường

của nó hoàn toàn Điều này chủ yeu la do pham vi tốc độ biến đồi của loại B là hạn chế

hơn nhiều so với phạm vi tốc độ biến đổi của loại C

Bang 3.5 cting cung cap thông tin về tổng công suất lắp đặt hàng năm của 13 nhà cung câp Nó cho thấy rằng cài đặt tông công suất vào năm 2002 đã ba lần vào năm 1998, chủ yêu là do gia tăng các tuabin gió được đánh giá cao

3.3/ Các loại máy phát điện

Về cơ bản, một tua bin gió có thê được trang bị với bất kỳ loại máy phát điện ba pha Ngày nay, đê cho dòng điện tương thích với lưới điện có thể được đáp ứng bằng cách kết nôi bộ chuyển đồi tần số, ngay cả khi máy phát điện cung cấp dòng điện xoay chiều (AC) của tần số biến đổi hoặc dòng điện một chiéu (DC) Khai quát một số máy phát điện có thê được sử dụng trong tua-bin gió:

- Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng):

+ Máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG);

+ máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG):

máy phát điện cảm ứng OptiSlip (OSIG) (tuabin gió hạn chế biến đổi tốc độ

bằng sự thay đôi điện trở rotor máy phát điện),

máy phát điện cảm ứng (DFIG)

+ máy phát điện rotor dây quân (WRSG);

+ máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMSG)

- Các loại tiềm năng khác:

- Máy phát điện cao áp (HVG);

- máy phát điện chuyền đôi từ hóa(SRG);

- máy phát điện ngang dòng (TFG)

Trong phần này, chúng tôi sẽ tóm tắt các đặc tính chủ yếu của các loại máy phát điện

chung Đê phân tích chi tiêt các loại máy phát điện, xem các tài liệu tiêu chuân vê lĩnh

vực này (Heier, năm 1998; Krause, Wasynczuk và Sudhoff, 2002)

3.3.1 Máy phát điện không đồng bộ (cảm ứng)

Các máy phát điện phổ biến nhất được sử dụng trong các tua-bin gió là máy phát điện

cảm ứng Nó có nhiều ưu điểm, chang hạn như độ chắc chắn và tính cơ khí đơn giản, và

nó được sản xuất hàng loạt, vì thế nó cũng có một mức giá thấp Nhược điểm chính là

stator của nó cần dòng từ hóa phan kháng Các máy phát điện không đồng bộ không có nam châm vĩnh cửu và không được kích thích độc lập Vì vậy, nó đã nhận được dòng kích thích từ một nguồn khác và tiêu thụ công suất phản kháng Công suất phản kháng có thể được cung cấp bởi lưới điện hoặc bằng một hệ thống điện điện tử Từ trường của máy

phát điện được thành lập chỉ khi nó được kết nói với lưới điện

Trong trường hợp dòng kích thích xoay chiều, từ trường quay ở một tốc độ được xác

định do số lượng cực trong các cuộn dây và tần số dòng điện, tốc độ đồng bộ Vì vậy, nếu cánh quạt quay với tốc độ vượt quá tốc độ đồng bộ, một điện trường được cảm ứng giữa

rotor và chuyên động tương đối của stator (trượt), gây ra một dòng điện trong cuộn dây rotor Sự tương tác từ trường liên kết của rotor với stator tạo mô-men tác động lên rotor Các rotor của một máy phát điện cảm ứng có thê được thiết kế như là ngắn mạch (rotor

lồng sóc) hoặc như là rotor cuộn cảm ứng

3.3.1.1 Máy phát điện cảm ứng lồng sóc

( Squirrel cage induction generator )

Cho đến nay, các SCIG có được sự lựa chọn phổ biến vì tính đơn giản cơ học, hiệu quả sử dụng cao và các yêu câu bảo trì thâp (cho một danh sách liên quan đên SCIGs, LH

A) Các máy phát điện và các cánh quạt tua-bin gió được kết hợp thông qua hộp số, vì các rotor tối ưu và phạm vi tốc độ máy phát điện khác nhau

Tuabin gió dựa trên một SCIG thường được trang bị với một cơ chế khởi động mềm

và một hệ thống cho đền bù công suất phản kháng, như SCIGs tiêu thụ công suất phản kháng SCIGs có một đặc tính tốc độ mô-men xoắn déc va do đó sự biến động của năng lượng gió được truyền đi trực tiếp vào lưới điện Những quá độ này là đặc biệt quan trọng trong kết nồi mạng lưới các tua-bin gió, nơi dòng điện có thể tăng lên đến 7-8 lần dòng

nghiêm trọng Vì vậy, các kết nối của các SCIG lưới điện được thực hiện từng bước đề hạn chế dòng này

Trong quá trình hoạt động bình thường và kết nối trực tiếp với một mạng điện AC ồn định, SCIG là rất mạnh mẽ và ồn định Độ trược thay đôi và táng nếu tái trọng ngày càng tăng Vấn đề chính là, bởi vì dòng từ hóa cung câp từ lưới điện đến cuộn dây stato, hệ sô công suất tải đầy đủ là tương đối thấp Điều này đã được đặt trong mối quan hệ với thực

tế là hầu hết các tiện ích phân phối điện phạt khách hàng công nghiệp có tải với các yếu

tố điện năng thấp Rõ ràng, thé hệ một sô máy phát điện công suất thấp có thể khong được phép sử dụng ở đây Hệ số công suất quá tháp được bù đắp bằng cách nồi các tụ điện song song với máy phát điện

Trong SCIGs có một mối quan hệ duy nhất giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng, thiết bị đầu cuối điện áp và tốc độ rotor Điều này có nghĩa rằng khi gió lớn, tua- bin gió có thê tạo ra nhiều công suất tác dụng chỉ khi máy phát điện thu hút nhiều công suất phản kháng hơn Đối với một SCIG, số lượng công suất phản kháng tiêu thụ là không thê kiểm soát được bởi vì nó thay đôi theo hướng điều kiện gió Nếu không có bất

kỳ thành phần điện nào cung cấp công suất phản kháng, công suất phản kháng cho máy phát điện phải được lay trực tiệp từ lưới điện Công suât phản kháng cung cập bởi lưới điện gây ra tăng tốn thất truyền tải và trong những tình huống nhất định, có thể làm cho lưới điện không ổn định Bộ tụ điện hoặc bộ chuyền đồi điện tử hiện đại có thể được sử dụng đề giảm tiêu thụ công : suất phản kháng Những bát lợi chính là sự qus độ điện áp xảy ra trong quá trình chuyền đồi trong

Trong trường hợp lỗi, SCIGs mà không có bất kỳ hệ thống đền bù công suất phản

Vournas, 1998) Cac rotor tua- bin gió có thể tăng toc độ (độ trược tăng), ví dụ, khi một lỗi xảy ra, tạo ra sự mắt cân đối giữa các mô-men xoắn cơ học và điện áp Vì vậy, khi lỗi được xóa bỏ, SCIGs rút ra một sô lượng lớn công suất phản kháng từ lưới điện, dan đến làm giảm hơn nữa trong điện áp SCIGs có thể được sử dụng trong cả hai tuabin gió tốc

độ cô định (loại A) và trong các tua-bin gió tốc độ thay đôi đầy đủ (loại D) Trong trường hợp thứ hai,bộ chuyên đồi tần số điện của động cơ được chuyên đổi sang tần số có định bang cách sử dụng một công cụ chuyền đồi năng lượng đầy tải hai chiều

3.3.1.2 Máy phát điện cám ứng rotor dây quấn

Trong trường hợp aWRIG, các đặc tính điện của rotor có thể được điều khiển từ bên ngoài, và do đó điện áp rotor có thê được đưa vào Các cuộn dây của dây quan rotor được kết nói bên ngoài thông qua các vòng trượt và chối than hoặc bằng thiết bị điện điện

tử, mà có thê có hoặc không có yêu cầu các vòng trượt và chéi than Bang cach su dung thiết bị điện tử điện, năng lượng có thể được lấy ra hoặc đưa vào dòng ngăn mạch rotor

và máy phát điện có thể được từ hóa từ dòng ngắn mạch rotor hoặc dòng ngắn mạch stator Điều đó cũng có thể xảy ra nhờ phục hồi năng lượng trượt từ dòng ngăn mạch rotor va nap vao tir dau ra của stator Những bắt lợi của WRIG là nó đắt tiền hơn và không phải là mạnh mẽ như SCIG Các ngành công nghiệp tuabin gió sử dụng phô biến nhất là các cấu hình WRIG sau đây: (1) máy phát điện cảm ứng OptiSlip_ (OSIG), được

sử dụng trong các khái niệm loại B và (2) loại máy phát điện hai lân cảm ứng (DFIG) ,

được sử dụng trong cấu hình Loại C (xem hình 3.1)

OptiSlip cảm ứng máy phát điện

Cac tinh nang OptiSlip_ da được giới thiệu bởi các nha san xuat Dan Mach Vestas dé giảm thiểu tải trên các tuabin gió trong những cơn gió giật Các tính năng OptiSlip_ cho phép máy phát điện có sự thay đổi độ trược (phạm vi hẹp) và lựa chọn độ trược tối ưu, kết quả là những biến động nhỏ hơn trong kiểm soát mô-men xoắn và công suất dau ra

Thay đồi độ trược là một cách rất đơn giản, đáng tin cậy và chi phí hiệu quả dé dat duoc

giảm tải so với các giải pháp phức tap hơn như tua-bin gió có tốc độ thay đồi bằng cách

sử dụng chuyên đồi tỉ lệ đầy đủ

OSIGs là WRIGs với một sự thay đôi điện trở ngoài rotor gắn liền với cuộn dây rotor (xem hình 3.1) Độ trượt của máy phát điện được thay đổi bằng cách thay đôi tổng trở rotor bang phương tiện của một công cụ chuyển đổi, được găn trên trục cánh quạt Bộ chuyền đôi này là bộ điều khiến quang học,điều đó có nghĩa rằng không có vòng trượt là cần thiết Stato của máy phát điện được kết nói trực tiếp vào lưới điện Những lợi thé của loại máy phát điện này là câu trúc liên kết mạch điện đơn giản, không cân các vòng trược

và hoạt động một phạm vi tốc độ được cải thiện so với các SCIG Đề một mở rộng nhất

định, loại này có thể làm giảm tải trọng cơ học và dao động năng lượng gây ra bởi cơn

gió giật Tuy nhiên, nó vẫn đòi hỏi một hệ thống bù công suất phản kháng Những khó

khăn là: (1) phạm vi tốc độ thường được giới hạn 0-10%, vì nó phụ thuộc vào biên độ

thay đổi điện trở rotor (2) chỉ điều khiển công suất phan kháng và tác dụng là rất nhỏ, và (3) độ trược mắt đi khi điện trở giảm

Doubly-fed induction generator( máy phát điện cảm ứng 2 lan)

Như mô tả trong Bảng 3.5, loại DEIG là một lựa chọn thú vị với sự phát triển của thị

trường Các DFIG bao gồm một WRIG với cuộn đây stato kết nói trực tiếp với lưới ba pha tần số không đổi và với các cuộn dây rotor gắn kết hai chiều qua lại công cụ chuyển đổi nguồn điện áp IGBT

Thuật ngit" doubly fed” dé cap dén mot thyc té rằng điện áp trén stato được nhận từ

lưới điện và điện áp trên rotor tạo ra bởi bộ chuyền đổi điện (power converter Hé

thống này cho phép hoạt động tốc độ thay đồi trên một phạm vi lớn, nhưng hạn chế biên

độ Chuyên đôi bù đấp sự khác biệt giữa tần số cơ khí và điện bằng cách đưa một dòng rotor với một tần số biến đối Cả hai trong hoạt động bình thường và lỗi hành vi của máy phát điện là như vậy, chỉ phối bởi các công cụ chuyên đồi năng lượng và bộ điều khiển

nó

Bộ chuyền đổi năng lượng bao gồm hai bộ chuyên đổi, chuyển đổi phía rotor và chuyển đối phía lưới điện, và được điều khiến độc lập với nhau Nó vượt ra ngoài phạm vi của chương này để đi vào chỉ tiết liên quan đến sự kiểm soát của các bộ chuyển đồi (dé biết thêm chỉ tiết, xem Leonhard, năm 1980, Mohan, Undeland và Robbins, năm 1989; Pena, Clare và Asher, 1996) Ý tưởng chính là bộ chuyển đôi phía rotor là điều khiển công suất phản kháng và tác dụng bằng cách điều khiển các thành phần dòng điện rotor, trong khi

bộ chuyên đối phía đường dây điều khiển điện áp DC và đảm bảo bộ chuyền đồi họat động liên kết( không tiêu thụ công suất phản kháng )

Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động của bộ truyền động, điện được đưa vào hoặc lay ta

khdi rotor: trong trudng hop siéu d6ng b6 (oversynchronous), no chay tit cac rotor thông qua bộ chuyền đổi tới lưới điện, trong khi nó chảy theo hướng ngược lại trong trường hợp cộng hưởng dưới đồng b6( swbsynchronous) Trong cả hai trường hợp subsynchronous va

oversynchronous stato đưa điện vào lưới điện

DFIG có một số lợi thế Nó có khả năng dé kiểm soát công suất phản kháng và

tách riêng công suất phan kháng và tác dụng điều khiển bằng bộ kích từ độc lập DFIG không nhất thiết phải được từ hóa từ ( magnefised )lưới điện, nó cũng có thê được từ hóa

từ dòng ngắn mạch rotor Nó cũng có khả năng tạo ra công suất phản kháng có thể được ccaaps từ các stato bằng bộ chuyên đồi phía lưới Tuy nhiên, bộ chuyền đổi phía lưới thường hoạt động bằng điện áp riêng và không tham gia vào việc trao đồi công suất phản kháng giữa các tua-bin và lưới điện Trong trường hợp của một mạng lưới yêu ( không ôn định), nơi mà các điện áp có thể đao động, DFIG có thé được ra lệnh sản xuất hoặc hâp

thụ một lượng công suất phản kháng lên hoặc xuống từ lưới điện, với mục đích kiểm soát điện áp

Kích thước của bộ chuyên đồi không liên quan với tông điện áp của máy phát điện

nhưng liên quan đến lựa chọn phạm vi tốc độ và do đó liên quan đến độ trượt Do đó, chi

phí cho bộ chuyền đồi tăng lên khi phạm vi tốc độ xung quanh tốc độ đồng bộ trở nên

rộng hơn Việc lựa chọn phạm vi tốc độ là dựa trên sự tối ưu hóa kinh tế của chỉ phí đầu

tư và hiệu quả tăng lên Một nhược điểm của DEIG là nhu cầu không thể tránh khỏi vòng

trượt (slip rings)

3.3.2 Các máy phát điện đồng bộ

( The synchronous generator )

Các máy phát điện đồng bộ đắt tiền và máy móc phức tạp hơn So với một máy phát điện cảm ứng có kích thước tương tự Tuy nhiên, nó có một lợi thế rõ ràng so với các máy phát điện cảm ứng, cụ thể là, nó không cần dòng từ hóa phản kháng (reactive

magnetising curent).

Từ trường trong các máy phát điện đồng bộ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng thường nam châm hoặc với một cuộn dây thông thường Nêu máy phát điện đông bộ có

phù hợp với sô lượng cực ( nhiêu cuộn WRSG hoặc nhiêu cuộn PMSG), nó có thê sử

dung 6 đĩa trực tiếp các ứng dụng mà không có bất kỳ hộp sé nao(gearbox)

Khi cơ cấu đồng bộ có lẽ là phù hợp nhất đề điều khiển tổng điện áp cũng như kết nói với lưới điện thông qua một công cụ chuyên đồi năng lượng điện tử Bộ chuyên đổi có hai mục tiêu chính: (1) hoạt động như một bộ đệm năng lượng cho các dao động năng lượng gây ra bởi vốn năng lượng gió giật và cho cac ngan mach (transients) đến từ phía lưới, và (2) dé kiểm soát từ tính và tránh các vấn đề còn lại đồng bộ với tần số lưới Áp dụng một máy phát điện như vậy cho phép biến tốc độ hoạt động của tua-bin gió

Hai loại cổ điển của máy phát điện đồng bộ thường được sử dụng trong công nghiệp tua-bin gió: (1) máy phát điện đông bộ rotor dây quân (WRSG) và (2)

máy phát điện đông bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)

3.3.2.1 Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn

( Wound rotor synchronous generator )

định hiệu suất và hiệu suất lỗi cũng đã được công bố các tài liệu trong vô số nghiên cứu các giấy tờ trong những năm qua, (xem LH Hansen và cộng sự, 2001.)

Các cuộn dây stato WRSGs kết nối trực tiếp vào lưới điện và do đó tốc độ quay là cố

định đúng tần số của lưới điện cung cấp Các cuộn dây rôto được kích thích với dòng băng cách sử dụng các vòng trượt và chối than hoặc với một kích thích không chồi than với một bộ chỉnh lưu quay (rotating rectifier) Không giống như các máy phát điện cảm ứng, máy phát điện đồng bộ không cần thêm bát kỳ hệ thông bù công suất phan khang nào Các cuộn dây réto, thông qua đó dòng điện trực tiếp, tạo ra các trường kích thích,

quay với tốc độ đồng bộ Tốc độ của máy phát điện đồng bộ được xác định bởi tần số của

các trường quay và số cap cuc cua rotor

Các nhà sản xuất tuabin gió Enercon và Lagerwey sử dụng loại tuabin gió

Loại D (xem hình 3.1) với một WRSG nhiều cực (tốc độ thấp) và không hộp số Nó có lợi thế là không cần một hộp số Nhưng giá mà phải trả cho một thiết kế không hộp số là một máy phát điện lớn và nặng và một công cụ chuyên đổi điện áp tỷ lệ tự nhiên//! scale) dé xử lý điện áp đầy ( /i!! power) của hệ thông Các nhà sản xuất tuabin gió Made cũng áp dụng các tuabin gió Loại D, nhưng với bốn cực (tốc độ cao) WRSG và một hộp

số (xem Bảng 3.4)

3.3.2.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cứu

( Permanent magnet synchronous generator )

Nhiều bài báo nghiên cứu đã đề nghị áp dụng PMSGs trong tua-bin gió

bởi vì đc tính tự kích thích của nó, cho phép hoạt động ở công suất cao và hiệu quả cao, (xem Alatalo năm 1996)

Trong cơ cau (PM) nam châm vĩnh cửu, hiệu quả cao hơn cư cầu cảm ứng,cũng như kích thích không cân được cung cấp từ bất kỳ nguôn năng lượng nào Tuy nhiên, các vật liệu được sử dụng để sản xuất nam châm vĩnh cửu là đắt, và nó rất khó đề làm việc trong quá trình sản xuất Ngoài ra, việc sử dụng bộ kích thích PM đòi hỏi phải sử dụng một công cụ chuyền đổi điện tỷ lệ tự nhiên(full-scale) để điều chỉnh điện áp và tần số điện áp của máy phát điện và tần số truyền tương ứng Đây là một khoản chi phí gia tang Tuy nhiên, lợi ích năng lượng có thê được tạo ra ở bất kỳ tốc độ để phù hợp với điều kiện dòng Stator của PMSGs là đây quấn, và rotor được cung cấp với một hệ thông cực nam châm vĩnh cửu và có thể là cực lỗi (salient poles )hoặc có thê là cực ân (cylindrical poles) Cực lồi là phổ biến hơn trong máy tốc độ chậm và có thê là phiên bản hữu ích nhất để ứng dụng cho máy phát điện gió Loại máy phát đồng bộ tốc độ tháp điển hình của loại cực lồi và nó có nhiều cực

Sự khác nhau về cấu trúc liên kết của các động cơ PM được trình bày trong tài liệu Loại

phổ biến nhất là radial flux machine (đống cơ theo hướng bán kính), động cơ ngang trục

và đọc trục Mô tả chỉ tiết của tất cả các loại được đưa ra trong Alatalo (1996) Bản chất đồng bộ của PMSG có thé gay ra van dé trong quá trình khởi động, đồng bộ hóa

và điện áp điều chỉnh Nó không dé dàng cung cấp một điện áp không đôi (Mitcham Grum, 1998) Các hoạt động đồng bộ cũng gây ra một đường đặc tính không trơn(stiff performance) trong trường hợp mạch ngắn bên ngoài, và nếu tốc độ gió không 6n định

Mot bat lợi của PMSGs là vật liệu từ tính nhạy cảm với nhiệt độ, ví dụ, các nam châm có thé bi mat pham chất từ của nó ở nhiệt độ cao Do đó, nhiệt độ rotor của PMSG phải được giám sát và một hệ thống làm mát được đề xuất Ví du về các nhà sản xuất tuabin

gió sử dụng loại cấu hình D với PMSGs Lagerwey, WinWind và Multibrid

3.3.3 Các loại máy phát điện khác

Trong phần sau đây, chúng tôi sẽ trình bày ngắn gọn các loại máy phát điện là các loại

có thê có trong tương lai trong ngành công nghiệp tua-bin gió

3.3.3.1 Máy phát điện cao áp

( Highvoltage generator )

Thông thường nhất, máy phát điện tuabin gió hoạt động tại 690V (xem Bảng 3.4) và

do đó nó đòi hỏi một biến áp trong vỏ bọc động cơ hoặc ở dưới cùng của tháp Chính động lực tăng điện áp của máy phát điện là đề giảm dòng điện và do đó làm giảm tồn that

và ton hao nhiệt Điều này có thể dẫn đến giảm kích thước của máy phát điện và tăng hiệu quả của tuabin gió, đặc biệt là ở tải cao hơn Nếu điện áp của máy phù hợp với điện

áp lưới điện, việc kết nói với lưới điện sẻ không cần biến áp

HVGs được sản xuất như máy phát điện đồng bộ,và như máy phát điện không đồng bộ.HVGs là máy phát điện điện áp xoay chiêu thú vị cho các tua-bin gió công suât lớn quá 3MW Những khó khăn chủ yêu là chi phí cao của toàn bộ hệ thông, nó không chắc

chắn về lợi ích dài hạn và yêu cầu an toàn, trong đó có nhiều phức tạp hơn so với các máy điện áp thấp Giá của HVG, các thiết bị điện tử và thiết bị phụ trợ, chăng hạn như bộ chuyền mạch(switchgears), tăng đáng kế với kích thước của máy phát điện Giá có thé giảm trong tương lai nếu số lượng của tuabin gió với HVGs tăng dang ké

Cho đến nay, chỉ có rất Ít nguyên mẫu tua-bin gió đã được thiết kế bởi các tiện ích hoặc các nhà sản xuất lớn của thiết bị dién da 4p dung HVGs: TJ eborg, voi 2MW ap dụng một máy phát điện cảm ứng với một điện áp đầu ra là 10 kV, và Growian, với 3MVW, sử dụng một DFIG với một điện áp đầu ra là 6,3 kV Các công ty khác nhau có khởi xướng, với thành công không lớn, dự án nghiên cứu khác nhau trên HVG tua-bin gió, trong vài năm qua Lagerwey, là | vi du, da bat dau san xuất hàng loạt loại LW72

tua-bin AMW có một máy phát điện đồng bộ với một điện áp đầu ra của 4 kV

Trái ngược với những gì đã được dự kiến, loại Windformer / ABB 3MW chưa được

thành công Tuy nhiên, hiện nay không có nhiều tua bin gió thương mại có sẵn với HVGs Thay vì sử dụng HVGs, xu hướng đã được thay đồi theo hướng di chuyền biến áp vào vỏ bọc động cơ

3.3.3.2 Các máy phát điện từ hóa chuyến đổi

(The switched reluctance generator)

Động cơ SRG đã xuất hiện trong những năm qua thì rất thiết thực và co cấu cơ khí đơn giản, hiệu quả cao, chỉ phí giảm và nó tạo điều kiện để loại bỏ các hộp số

(Kazmierkowski, Krishnan và Blaabjerg, năm 2002) Nó rat hap dẫn cho các ứng dụng hàng không vũ trụ vì nó có khả năng tiếp tục hoạt động tại giảm các đầu ra trong sự hiển thị của lỗi trong máy phát điện riêng của nó Khảo sát của các thuộc tính tích cực và tiêu cực của SRGs nằm trong LH Hansen et al (2001) Các tài liệu về SRGs liên quan đến tua-bin gió là không đáng kể, và nhiều nghiên cứu vẫn còn phải được thực hiện trước khi SRG được đưa ra ứng dụng trong gió tua-bin

SRG là một máy phát điện đồng bộ với cầu trúc gấp đôi cực lồi, cực lồi trên stator và cả

rotor Kích thích của từ trường được cung cấp bởi dòng stato giống như cách nó được cung cấp trong máy phát điện cảm ứng SRG được coi là kém hơn so với máy PMSG bởi

vì mật độ điện năng thấp hơn SRG đòi hỏi một công cụ chuyền đồi điện áp tỉ lệ tự

nhién( full-scale power converter )đề hoạt động như một máy phát điện nối lưới Hơn

nữa, SRG có hiệu quả thấp hơn so với một PMSG và điện áp là thấp hơn so với máy phát điện không đồng bộ (Kazmierkowski, Krishnan và Blaabjerg, năm 2002)

3.3.3.3 Máy phát điện ngang dòng

(Transverse flux generator)

Cấu trúc liên kết máy TFG là khá mới, nhưng có vẻ thú vị Tuy nhiên, nhiều

nghiên cứu là cân thiệt trước khi các máy TFG được điêu chỉnh đề nó có thê được sử

dụng như một máy phát điện năng lượng gió

Nguyên tắc ngang dòng (TF) có thé được áp dụng cho một loạt các loại máy Nó có thé được sử dụng trong máy phát điện nam châm vĩnh cửu và trong máy phát điện từ trở , ví dụ.Động cơ sẻ kế thừa những đặc điểm chung của các loại máy khác để được áp dụng ,

nhưng sẽ có những đặc điểm khác bị ảnh hưởng bởi thiết kế TF Tỷ lệ chịu mô-men xoắn cao cho môi kg vật liệu tác động có vẻ rât hâp dân (Dubois, Polinder và Fereira, 2000) Bản chất của hoạt động của nó giống 1 động cơ đồng bộ, và nó sẽ thực hiện các chức năng theo nguyên tắc một cách tương tự như với bất kỳ máy PM nào khác Nó có thể bao gôm một sô lượng rất lớn Các cực, điều đó có thể làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trực tiếp không dùng hộp sé Tuy nhién, TFG có rò rỉ điện cảm tương đối lớn Trong máy phát điện từ trở có thể tạo ra hệ số công suất rất thấp lúc hoạt động bình thường, và dòng ngắn mạch là không đủ lớn đề tác động bộ phận bảo vệ Vấn đề tương tự sẻ liên quan đến máy phát điện PM, nhưng ở PM sẽ không nghiêm trọng như vậy

Một bat lợi của TFG là số lượng lớn các bộ phận riêng lẻ nên nó đòi hỏi sử dụng một

công nghệ lắp ghép Với sự tiên bộ của công nghệ năng lượng, tình trạng này sẻ được cải

thiện

3.4 Các loại điện tử công suât

(Power Electronic Concepts)

Điện tử công suất là một ngành công nghệ phát triển nhanh Các linh kiện có thể xử

lý ở dòng điện định mức và điện áp định mức cao hơn, làm giảm tồn thất điện và các thiết

bị trở nên đáng tin cậy Các thiết bị này cũng rất dé dang đề điều khiển với một bộ khuếch đại điện áp tỉ lệ MV (megascale) Tỷ lệ giá / năng lượng vẫn đang giảm, và chuyền , đổi điện áp đang ngày càng trở nên hấp dẫn hơn như một phương tiện dé cải thiện hiệu suất của tua-bin gió Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày các công cụ chuyển đôi điện áp cấu trúc liên kết được sử dụng phô biến nhất trong các ứng dụng tua-bin gió, bao gồm cả ưu điểm và nhược điềm của nó

3.4.1 Khới động mềm

(Soft-starter)

Khoi dong mềm là một bộ phận điện đơn giản và rẻ tiền được sử dụng tua-bin gió tốc

độ có định trong quá trình kết nôi vào lưới điện (xem hình 3.1 loại A và B) Các chức

năng khởi động mềm là giảm tăng cao dòng điện, do đó hạn chế các rối loạn lưới điện

Nếu không có một khởi động mềm, khi dòng điện cao điểm có thể lên đến 7-8 lần dòng

định mức, có thể gây ra rối loạn điện áp trên lưới điện nghiêm trọng

Khởi động mềm có chứa hai thyristors như các thiết bị chuyển mạch trong từng pha

Nó kết nối nói tiếp với các pha Các kết nối của máy phát điện với lưới điện được xác định trước trong chu kì thời gian điện áp lưới, đạt được bằng cách điều chỉnh góc mở (_) của thyristors Mối quan hệ giữa góc mở (_ firing angle) và khuếch đại các kết quá của các phần khởi động mềm là rất phi tuyến và bồ sung tính năng hệ số điện áp của các yêu

tố kết nối Sau khi mở dòng, các thyristors có thê bỏ qua đề giảm các tốn thất của toàn bộ

hệ thông

3.4.2 Bộ tụ

(Capacitor bank)

Bộ tụ điện được sử dụng trong các tuabin gió tốc độ có định hoặc giới hạn tốc độ thay

đổi (xem Hình 3.1 Các loại A và B) Đây là một thành phần điện cung cắp công suất phản kháng cho các máy phát điện cảm ứng Do đó, công suất phản kháng hấp thụ bởi máy

phát điện từ lưới điện được giảm

Các máy phát điện tua-bin gió có thé phái bù tải trọng động(load dynamic), ở đó

một số lượng nhất định tụ điện được kết nối hoặc ngắt kết nói liên tục, tùy thuộc

theo nhu câu công suât phản kháng trung bình của máy phát điện trong khoảng thời gian

định sẵn

Các bộ tụ điện thường được gắn ở dưới cùng của tháp hoặc các vỏ bọc động cơ

(Ví dụ: ở phía trên của tuabin gió) Họ có thê là tải nặng và bị hư hại trong trường hợp quá áp trên lưới điện và do đó có thê làm tăng chi phí bảo trì hệ thông

3.4.3 Bộ chỉnh lưu và bộ biến điện - nghịch lưu

(Rectifiers and inverters)

Một công cụ chuyên đổi tần số truyền thống, còn được gọi là một 6 dia (hay bộ truyền động) tôc độ có thê điêu chỉnh, bao gôm:

một bộ chỉnh lưu (như bộ chuyền đổi AC-DC) đề chuyền đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều, trong khi năng lượng chảy vào hệ thống DC;

lưu trữ năng lượng (tụ);

một biến điện (DC-AC với tần số và điện áp kiểm soát) đề chuyển đổi dòng điện DC thành dòng điện xoay chiều, trong khi năng lượng dòng chảy phía AC

Điết có thể chỉ được sử dụng trong chế độ chỉnh lưu, trong khi chuyền mạch điện tử

có thê được sử dụng trong chỉnh lưu cũng như ở chê độ nghịch lưu

Các giải pháp chỉnh lưu phô biến nhất là chỉnh lưu diode, vì đơn giản của nó, chỉ phí thấp và tôn thất tháp Nó có đặc tính phi tuyến, và do đó, nó sẽ tạo ra các dòng hài

(Kazmierkowski, Krishnan va Blaabjerg, 2002) Một khó khăn nữa là nó chỉ cho phép một dòng điện một chiều, nó không thê điều khiên điện áp hoặc dòng điện máy phát điện

Vì vậy, nó chỉ có thể được sử dụng với một máy phát điện có thể điều khiển điện áp và

bộ nghịch lưu (ví dụ như một IGBT) có thê điều khiển dòng điện

Thyristor giải pháp dựa trên bộ biến đôi điện là một loại van giá rẻ, ít tổn thất và, như tên của nó cho thấy, nó cần được kết nói với lưới điện đề có thể hoạt động Thật không may, nó tiêu thụ công suất pản kháng và tạo ra sóng hài bậc cao ) (Heier nam 1998) Nhu cau ngay cang cao ve chất lượng điện lam cho thyristor it hap dẫn hơn so với các lọai khác, chăng hạn như các loại van GTO và IGBTs Các lợi thế của GTO là nó có thể

lai, do sự phát triên nhanh của IGBTs.Nhược điểm của GTOs là mạch điều khiên của van GTO phức tạp

Các máy phát điện và bộ chỉnh lưu phải được lựa chọn một cách thích hợp (tức là giải