BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM NGUYỄN VĂN TIỆP MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành Kỹ thuật điện Mã số ngành 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, t[.]
Giới thiệu chung
Giới thiệu
Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống và sản xuất của con người Khi mức sống và nhu cầu sản xuất gia tăng, nhu cầu về năng lượng điện cũng tăng theo, tạo ra thách thức lớn cho nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam.
Các dự báo phát triển kinh tế xã hội chủ nghĩa trong giai đoạn đến năm
Bài viết năm 2050 dựa trên việc kế thừa các nghiên cứu trước đây, xem xét tình trạng phát triển qua các năm và đánh giá các điều kiện khó khăn hoặc thuận lợi trong tương lai Ba kịch bản được mô tả chi tiết trong nội dung.
- 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 tăng trưởng cao nhằm thực hiện mục tiêu “dân giàu, nước mạnh” sẽ đặt ra nhiều thách thức cho ngành điện trong những thập niên tới Để đáp ứng những yêu cầu này, ngành điện cần dự báo chính xác nhu cầu điện năng của nền kinh tế và từ đó hoạch định, phát triển năng lực cung ứng phù hợp.
Theo Quyết định 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 và Quyết định 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016 của Thủ Tướng Chính Phủ, Tổng sơ đồ VII đã được phê duyệt nhằm quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020, có xét đến năm 2030 Việc phát triển nguồn điện tối thiểu phải đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế.
- 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, mục tiêu là ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, với tỷ lệ điện năng từ nguồn này dự kiến đạt 4,5% vào năm 2020 và 6% vào năm 2030.
Quy hoạch phát triển nguồn điện gió đặt mục tiêu nâng tổng công suất từ mức hiện tại lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020 và 6.200 MW vào năm 2030 Dự kiến, điện năng sản xuất từ nguồn điện gió sẽ tăng từ 0,7% vào năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.
Theo 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 Ước tính, tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam đạt khoảng 513.360 MW, gấp 6 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Các khu vực ven biển và cao nguyên miền nam trung bộ là những nơi hứa hẹn nhất cho phát triển điện gió Khoảng 8,6% tổng diện tích lãnh thổ Việt Nam có tiềm năng gió từ “cao” đến “rất cao”, phù hợp cho việc triển khai tuabin gió cỡ lớn với tốc độ gió lớn hơn 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
Tiềm năng năng lượng gió ở vùng biển đảo rất lớn, như thể hiện trong Hình 1.1 Tuy nhiên, đây chỉ là tiềm năng lý thuyết; tiềm năng có thể khai thác và tiềm năng kinh tế kỹ thuật sẽ thấp hơn nhiều Nguồn năng lượng này có thể trở thành một bổ sung quan trọng cho nguồn điện quốc gia, giúp thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Chính phủ Việt Nam đã ban hành Quyết định số 37/QĐ-TTg vào ngày 29 tháng 6 năm 2011, nhằm hỗ trợ phát triển các dự án điện gió Quyết định này quy định mức giá điện gió mà Bên mua điện sẽ thanh toán, góp phần thúc đẩy năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
Giá điện hiện tại là 1.614 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng), tương đương 7,8 US cents/kWh Trong mức giá này đã bao gồm khoản trợ cấp 207 đồng/kWh (khoảng 1,0 US cent/kWh) từ Chính phủ thông qua Quỹ Bảo vệ Môi trường Việt Nam.
Hình 1.1 Tiềm năng gió biển của Việt Nam
Mặc dù năng lượng gió ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng, nhưng do phụ thuộc vào các điều kiện môi trường, nó không thể trở thành nguồn năng lượng chủ lực.
Khả năng kết hợp giữa điện gió và thủy điện tích năng mở ra cơ hội cho Việt Nam trong việc đa dạng hóa nguồn năng lượng Việc kết hợp các nguồn năng lượng truyền thống với năng lượng tái tạo giúp tối ưu hóa chi phí Đồng thời, việc khai thác thế mạnh và hạn chế của từng nguồn năng lượng sẽ tạo ra sự bổ sung lẫn nhau, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.
Khác với điện hạt nhân, việc xây lắp điện gió không yêu cầu quy trình kỹ thuật và giám sát nghiêm ngặt Các chuyên gia cho rằng, với kinh nghiệm phát triển điện gió thành công trên thế giới và lợi thế địa lý của Việt Nam, năng lượng điện gió hoàn toàn có thể phát triển và đóng góp vào sự phát triển chung của nền kinh tế.
Điện gió là nguồn năng lượng vô tận, không bị hạn chế về quy mô đầu tư, và là nguyên liệu sạch, không gây ô nhiễm không khí và nước Việc sử dụng điện gió có khả năng giảm đáng kể lượng khí CO2 và hạn chế hiện tượng mưa axít do khí thải SO2 Với đặc trưng phân tán gần khu dân cư, điện gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải Hơn nữa, điện gió còn tạo cơ hội đa dạng hóa nguồn năng lượng, giảm phụ thuộc vào một số nguồn chính, từ đó giảm rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng.
Điện gió có nhược điểm lớn là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, và khi hoạt động, các tuabin gió thường gây ra tiếng ồn, có thể làm ảnh hưởng đến cảnh quan tự nhiên và tín hiệu sóng vô tuyến.
Tính cấp thiết của đề tài
Các nguồn điện truyền thống như thủy điện và nhiệt điện đang đối mặt với áp lực từ sự cạn kiệt năng lượng sơ cấp Để giảm bớt gánh nặng này, việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng tái tạo là rất quan trọng Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Máy phát điện gió là một thành phần thiết yếu trong hệ thống điện gió, do đó, nghiên cứu các loại máy phát điện gió trở thành một hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ tập trung vào các loại máy phát điện gió phổ biến trong hệ thống điện gió.
- 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
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 trong hệ thống điện gió là cần thiết để hiểu rõ hiệu suất của chúng dưới các điều kiện môi trường tự nhiên khác nhau Việc này giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành, từ đó nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió.
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 lâu, với máy phát điện gió là một trong những thành phần quan trọng Các máy phát điện gió đã trải qua quá trình nghiên cứu, thiết kế và hiện đang được vận hành phổ biến.
- 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 minh họa sơ đồ khối kết nối máy phát điện không đồng bộ nguồn kép với rotor dây quấn, sử dụng bộ biến đổi nguồn áp back to back để cung cấp điện cho cuộn dây rotor, theo nghiên cứu của J G Slootweg, H Polinder và W L Kling.
Vào năm 2001, J G Slootweg, H Polinder và W L Kling đã phát triển một mô hình toán học cho máy phát điện gió không đồng bộ rotor dây quấn nguồn kép, kết hợp với bộ biến đổi nguồn áp Họ cũng giới thiệu các bộ điều khiển cho tốc độ rotor, góc cánh tuabin và điện áp đầu cực của máy phát.
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 Chiến lược điều khiển bám tốc độ tối ưu được phát triển nhằm giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu suất của hệ thống phát điện gió.
Kết quả mô phỏng trong nghiên cứu cho thấy máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là lựa chọn phù hợp cho các thế hệ máy phát điện gió công suất lớn So với máy phát điện đồng bộ, máy phát điện không đồng bộ có kích thước nhỏ hơn và cho phép thực hiện các chiến lược điều khiển chính xác hơn, đồng thời giảm thiểu tổn thất trong hệ thống phát điện gió.
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
Để kết nối hệ thống điện gió với hệ thống điện hiện tại, cần thiết phải có các mô hình toán chính xác cho các máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống điện tuabin gió.
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 kết quả mô phỏng và thực nghiệm về hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép nối lưới Nghiên cứu này khảo sát mô hình máy điện trong các điều kiện vận hành trên và dưới tốc độ đồng bộ.
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
Vào năm 2004, Z X Fang, X D Ping và L Y Bing đã giới thiệu một 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 Nghiên cứu này so sánh hiệu quả của bộ điều khiển hàm dự báo với bộ điều khiển PI truyền thống về các sai số, độ nhạy và tính bền vững Kết quả mô phỏng đã chứng minh hiệu quả vượt trội của bộ điều khiển được đề xuất.
Vào năm 2002, T Nakamura, S Morimoto, M Sanada, và 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 nhằm tối đa hóa công suất phát bằng cách sử dụng điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) và điều khiển hiệu suất cực đại Moment của máy phát điện được điều chỉnh theo tốc độ máy phát, giúp duy trì công suất của tuabin gió ổn định tại điểm công suất cực đại mà không cần đo lường tốc độ gió Đồng thời, các chiến lược điều khiển này cũng giúp giảm thiểu tổn thất cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Năm 2003, 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 vectơ dòng điện phần ứng của máy phát dựa vào tốc độ của máy phát, nhằm tối đa hóa công suất phát của hệ thống tuabin gió và giảm thiểu tổn thất theo chiến lược bám điểm công suất cực đại.
Vào năm 2006, S Morimoto, H Kato, M Sanada và Y Takeda đã đề xuất một chiến lược điều khiển nhằm tối đa hóa công suất phát của hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Nghiên cứu này đã chuyển đổi phương pháp điều khiển bộ biến đổi từ chiến lược điều khiển sin PWM sang sóng vuông trong vùng tốc độ cao để gia tăng công suất phát Kết quả thực nghiệm đã chứng minh tính hiệu quả của chiến lược điều khiển này.
Năm 2007, I Kawabe, S Morimoto và M Sanada đã nghiên cứu máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của hệ thống phát điện gió Mô-ment của máy phát được điều khiển dựa vào tốc độ máy phát, trong khi vectơ dòng điện được điều chỉnh để giảm thiểu tổn thất công suất và tối đa hóa công suất phát Nghiên cứu này sử dụng phương pháp điều khiển điều biến độ rộng xung sóng vuông trong các vùng có tốc độ cao, và đặc biệt, các kết quả đạt được mà không cần cảm biến tốc độ gió và vị trí.
Năm 2007, W Qiao, L Qu và R G Harley đã nghiên cứu máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhằm tối đa hóa công suất phát và giảm thiểu tổn thất Nghiên cứu này tập trung vào hiện tượng bảo hòa mạch từ, đồng thời áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa để loại bỏ ảnh hưởng của sự phi tuyến trong thiết kế bộ điều khiển dòng điện phi tuyến hiệu suất cao.
Năm 2005, L Wang và S S Chen đã giới thiệu nghiên cứu và ứng dụng máy phát điện không đồng bộ tự kích thích trong hệ thống điện phát điện gió.
Năm 2008, L Wang, H W Chen và D J Lee đã giới thiệu máy phát điện không đồng bộ tự kích cho hệ thống phát điện gió độc lập Điện áp và tần số của máy phát biến đổi do sự thay đổi ngẫu nhiên của tốc độ gió.
Điện áp và tần số không đổi là yêu cầu cần thiết để cung cấp cho nhu cầu phụ tải trong hệ thống 3 pha Để đạt được điều này, một bộ biến đổi công suất điều biến độ rộng xung được sử dụng Nghiên cứu của các tác giả tập trung vào việc trình bày các mô hình máy điện cảm ứng 3 pha cùng với các mô hình bộ chỉnh lưu và nghịch lưu 3 pha.
Kết luận
Dựa trên các phân tích từ nhiều tác giả, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ngày càng trở nên phổ biến trong các hệ thống phát điện gió, đặc biệt là đối với dãy công suất lớn hơn.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là lựa chọn lý tưởng cho tuabin gió công suất nhỏ với tốc độ biến đổi Với cấu tạo đơn giản và khả năng điều khiển dễ dàng, loại máy phát điện này ngày càng trở nên phổ biến trong thời gian gần đây.
Cơ sở lý thuyết hệ thống điện gió
Giới thiệu
Để hiểu và phân tích nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió, cần tìm hiểu về năng lượng gió và các thành phần của hệ thống điện gió, bao gồm tuabin gió, bộ chỉnh lưu, nghịch lưu và bộ điều khiển Những vấn đề này sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.
Sự hình thành gió trong tự nhiên
Bức xạ mặt trời không đồng đều trên bề mặt trái đất dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ trong khí quyển, nước và không khí Mặt ban đêm không nhận được bức xạ mặt trời, trong khi các vùng gần xích đạo nhận nhiều hơn so với các cực Sự khác biệt về nhiệt độ này tạo ra áp suất không khí khác nhau, khiến cho không khí giữa xích đạo và hai cực, cũng như giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm, di động và hình thành gió.
Trái Đất xoay tròn không chỉ tạo ra hiện tượng xoáy không khí mà còn do trục quay nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời, dẫn đến sự hình thành 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 được mô tả theo lũy thừa bậc ba trong phương trình (3.2) Vận tốc gió là yếu tố quan trọng để đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại một khu vực cụ thể Tuy nhiên, vận tốc gió thường xuyên biến đổi do ảnh hưởng của điều kiện thời tiết và địa hình.
Để ước tính năng lượng kỳ vọng từ một khu vực cụ thể, cần xác định vận tốc gió trung bình, vì vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có xu hướng lặp lại theo chu kỳ hàng năm Do đó, vận tốc gió trung bình có thể được tính toán cho khoảng thời gian một năm.
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 Phân bố Weibull được biểu diễn bởi:
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 thu được từ gió qua tuabin là sự chênh lệch giữa động năng của gió trước cánh quạt với vận tốc \$v\$ và động năng của gió sau tuabin với vận tốc \$v_d\$.
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 Cp không thể vượt quá 59,3%, được gọi là giới hạn Betz, nhằm chỉ ra giới hạn công suất tối đa có thể thu được từ gió.
Hình 3.1 Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết
Nếu rotor quay quá chậm, gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh, cánh quạt sẽ hoạt động như một bức tường chắn, khiến vận tốc gió phía sau gần như bằng không, dẫn đến hiệu suất rotor gần bằng không Do đó, hiệu suất rotor phụ thuộc vào tốc độ máy phát, bên cạnh vận tốc gió đã cho.
Hiệu suất rotor được thể hiện qua tỷ số tốc độ đầu cánh (tip speed ratio), được định nghĩa là tỷ lệ giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.
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 tỷ số đường kính cánh quạt () mà còn bị ảnh hưởng bởi góc pitch () của cánh quạt tuabin, xoay quanh trục của nó Hầu hết các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện nay đều được trang bị thiết bị điều khiển pitch, như thể hiện trong Hình 3.2.
Cp là một hàm phi tuyến phức tạp, và các nhà chế tạo thường cung cấp giá trị Cp cho từng loại tuabin dưới dạng hàm của $\lambda$ và góc $\beta$.
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 s uất đầu ra t ua bi n (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 tuabin gió, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra Việc phân biệt các thông số trong đường cong này là cần thiết để hiểu rõ hơn về hiệu suất của tuabin.
- 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 giá trị mà tại đó công suất đầu ra của tuabin đạt mức tối ưu theo thiết kế Khi vận tốc gió tăng, công suất đầu ra cũng tăng theo lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Tuy nhiên, khi vận tốc gió vượt quá Vdm, cần điều chỉnh hệ thống tuabin để giảm công suất, nhằm tránh quá tải cho máy phát.
Vận tốc gió Cut-out (Vc-out) là ngưỡng mà khi tốc độ gió vượt qua, hệ thống tuabin phải ngừng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, dẫn đến công suất phát ra bằng không.
Mặt cắt của cánh quạt Mặt phẳng quay
Hình 3.5 Đường cong công suất của tuabin gió
Khi gió mạnh, cần hạn chế công suất vào tuabin bằng cách điều khiển cơ Phương pháp phổ biến nhất là điều khiển góc pitch, cho phép điều chỉnh công suất của tuabin bằng cách thay đổi góc quay của cánh quạt Hầu hết các tuabin gió tốc độ thay đổi đều được trang bị bộ điều khiển góc pitch Khi gió dưới tốc độ định mức, tuabin cần tối đa hóa công suất bằng cách điều chỉnh góc pitch để thu được năng lượng tối đa.
Khi đạt tốc độ gió định mức, góc pitch cần được điều chỉnh để giới hạn công suất cơ bằng công suất định mức Đối với tuabin gió có hệ thống điều khiển góc pitch, bộ điều khiển liên tục theo dõi công suất đầu ra Khi công suất đầu ra vượt quá mức cho phép, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu để điều chỉnh cơ cấu xoay cánh quạt, giảm bớt công suất và xoay cánh quạt ngược lại khi tốc độ gió giảm.
Miền hiệu suất rotor cực đại
Miền phát công suất định mức và giảm hiệu suất rotor
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 chuyển đổi thành điện năng qua tuabin và cung cấp trực tiếp đến tải mà không cần thiết bị lưu trữ, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư Hệ thống này thường được áp dụng ở những khu vực có mật độ gió ổn định quanh năm, và là mô hình có mức đầu tư thấp nhất trong các giải pháp năng lượng điện gió.
3.7.2 Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và nối lưới
Kết nối hệ thống điện gió vào lưới điện mà không cần lưu trữ, đặc biệt là ắc quy, là một giải pháp đầu tư hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường Hệ thống này không chỉ loại bỏ việc sử dụng ắc quy, mà còn giảm chi phí bảo trì, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường Mô hình này đặc biệt phù hợp với những khu vực có mật độ gió ổn định và đồng đều.
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
Công tơ điện không giới hạn công suất tiêu thụ và cho phép trả lại năng lượng gió thừa vào lưới điện Khi mất điện, hộ tiêu thụ vẫn có thể sử dụng điện từ nguồn năng lượng lưu trữ trong ắc-quy và hệ thống phát điện tuabin gió, đảm bảo tính ổn định và liên tục hơn so với các mô hình khác Tuy nhiên, hộ tiêu thụ cần đầu tư thêm chi phí cho phần lưu trữ ắc-quy Hệ thống điện gió này phù hợp cho những khu vực có năng lượng gió không đều, cho phép hộ tiêu thụ sử dụng điện từ ắc-quy hoặc lưới điện.
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, thường được lựa chọn do chi phí cao khi nối với lưới điện Tuy nhiên, hộ tiêu thụ sẽ bị giới hạn công suất bởi kích thước của các nguồn phát, vì vậy cần có kế hoạch sử dụng điện hợp lý.
Hình 3.9 Hệ thống điện gió có lưu trữ, có máy phát dự phòng và không nối lưới
Mô hình này yêu cầu một khoản đầu tư chi phí lớn hơn so với các mô hình khác, do cần sử dụng hệ thống lưu trữ ắc quy và máy phát điện dự phòng.
Hệ thống máy phát điện gió Bộ điều khiển sạc
Tải nhiệt Hệ thống đo đếm Ắc-quy
Máy phát điện dự phòng
Mô hình hệ thống này rất ổn định và đảm bảo tính liên tục trong cung cấp điện, đặc biệt phù hợp cho các vùng xa lưới điện quốc gia và những nơi có tiềm năng gió, cần nguồn điện liên tục.
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 có vai trò quan trọng trong việc hứng gió, tạo ra chuyển động quay để quay trục rotor, từ đó giúp máy phát điện sản sinh ra điện năng Bộ điều khiển góc pitch được lắp đặt trên cánh quạt rotor, cho phép cánh quạt xoay tối đa 45 độ nhằm tối ưu hóa công suất phát ra.
- Trục truyền đồng tốc độ thấp: có chức năng truyền động công suất gió đến hộp số
Hộp số đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tỷ số truyền động, vì cánh quạt rotor của tuabin gió quay với tốc độ chậm, trong khi máy phát yêu cầu tốc độ cao hơn Do đó, hộp số được sử dụng để tăng tốc độ trục quay trước khi đưa vào máy phát.
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
- Bộ hãm: có tác dụng hãm tuabin gió khi cần thiết
- 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 không bị ảnh hưởng bởi hướng gió, tuy nhiên, việc tính toán cho trục quay là rất quan trọng Thêm vào đó, công suất của tuabin trục đứng thường không cao.
Tuabin gió trục ngang là loại phổ biến nhất, thường có 2 hoặc 3 cánh quạt Trong đó, tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió, với bề mặt cánh quạt luôn hướng về phía gió.
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
Do đó, để kinh tế và thẩm mỹ, các thiết kế cho tuabin gió thông thường là loại có ba cánh
Ngoài ra, có thể sử dụng loại tuabin gió nhiều cánh để có thể tự khởi động tuabin gió ngay cả khi tốc độ gió thấp
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, làm cho loại trụ này nhẹ hơn và có chi phí thấp hơn.
Lực tác dụng lên móng trụ tháp giàn được phân bố đều, dẫn đến việc móng trụ tháp giàn nhỏ hơn so với móng trụ tháp hình ống, từ đó giúp giảm chi phí đầu tư Các loại trụ tháp bao gồm: trụ tháp giàn, trụ tháp hình ống và trụ tháp kiểu dây chằng.
- 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 bốn sợi cáp được bố trí đều nhau với độ dốc khoảng 45 độ, nhằm hỗ trợ cấu trúc Loại trụ tháp này thường được sử dụng cho các máy phát điện tuabin gió có công suất nhỏ.
Máy phát điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Khác với máy phát điện thông thường, máy phát điện của tuabin gió phải hoạt động hiệu quả dưới điều kiện công suất thay đổi liên tục do vận tốc gió không ổn định Do đó, việc lựa chọn loại máy phát điện phù hợp phụ thuộc vào quy mô của tuabin gió.
- 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
- Với những dự án năng lượng gió lớn kết nối vào lưới điện thì máy phát điện
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 có bộ chỉnh lưu và nghịch lưu khi kết nối vào lưới điện Những thiết bị này giúp điều khiển điện áp, dòng điện, tần số và hệ số công suất của máy phát điện tuabin gió, đảm bảo tính ổn định cho hệ thống điện.
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
Cuộn dây DC có tổn hao, nhưng một hạn chế lớn là không thể điều khiển điện áp và dòng điện của máy phát Sơ đồ bộ chỉnh lưu sử dụng điốt được thể hiện trong Hình 3.16 Bộ chỉnh lưu cưỡng bức là một giải pháp để khắc phục vấn đề này.
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
Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên sử dụng thyristor, một loại linh kiện bán dẫn, mang lại ưu điểm nổi bật là khả năng chịu quá tải của các cổng thyristor.
Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên không chỉ sản xuất dòng điện cơ sở mà còn tạo ra dòng hoạ tần, dẫn đến điện áp hoạ tần trên lưới Để khử hoạ tần, cần sử dụng bộ lọc, và một lợi ích phụ của bộ lọc là tạo ra công suất phản kháng, giúp nâng cao hệ số công suất cho bộ nghịch lưu.
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, cho phép điều chỉnh hệ số công suất hiệu quả Sơ đồ của bộ nghịch lưu này được thể hiện trong Hình 3.19.
Hình 3.19 Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưởng bức
3.8.6 Điều chỉnh tốc độ tuabin gió
Khả năng hoạt động của tuabin gió bị giới hạn bởi độ bền cơ khí, và vận tốc gió lớn chỉ xảy ra trong một vài giờ mỗi năm Vì vậy, từ góc độ kinh tế, việc thiết kế tuabin gió theo công suất cực đại là không cần thiết; thay vào đó, cần điều chỉnh công suất cho phù hợp.
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
Trong chế độ điều chỉnh giảm tốc, tuabin gió được giới hạn tốc độ quay tối đa bằng bộ hãm để bảo vệ độ bền cơ khí Ưu điểm của phương pháp này là nguyên lý hoạt động đơn giản và chi phí đầu tư thấp, nhưng nhược điểm là phát sinh tiếng ồn.
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, cần giới hạn dòng điện khởi động cao bằng dòng điện định mức Thông thường, có hai phương pháp để thực hiện việc hạn chế dòng khởi động này.
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 bao gồm tuabin gió, hộp số, máy phát điện gió và các bộ chuyển đổi, có cấu trúc và nguyên lý hoạt động phức tạp Để khai thác hiệu quả năng lượng gió, cần nghiên cứu chi tiết từng phần tử trong hệ thống Trong số các phần tử này, máy phát điện đóng vai trò quan trọng và sẽ được phân tích trong các chương tiếp theo.
Máy phát điện đồng bộ
Phân tích máy phát điện gió
Giới thiệu
Máy phát là thành phần thiết yếu trong hệ thống biến đổi năng lượng gió, với nhiều loại máy phát khác nhau được sử dụng cho tuabin gió Tuabin gió nhỏ thường sử dụng máy phát DC có công suất từ vài W đến kW, trong khi các hệ thống lớn hơn sử dụng máy phát một hoặc ba pha AC, bao gồm cả máy điện không đồng bộ và máy điện đồng bộ.
Một số tuabin gió sử dụng máy điện đồng bộ hoặc không đồng bộ, với cấu trúc đơn giản như được thể hiện trong Hình 4.1 Cụ thể, hình a) minh họa máy phát điện không đồng bộ, trong khi hình b) thể hiện máy phát điện đồng bộ.
Hình 4.1 Mặt cắt các máy điện
Trong hệ thống điện tuabin gió, tuabin gió có thể hoạt động ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Tuabin gió tốc độ cố định không thể điều khiển và không hấp thu công suất khi có dao động tốc độ gió, dẫn đến sự dao động công suất và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Ngược lại, tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh vận tốc máy phát, giúp hấp thu dao động công suất do thay đổi tốc độ gió và cải thiện chất lượng điện năng so với tuabin gió tốc độ cố định.
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
Tuabin gió tốc độ cố định sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc, được kết nối trực tiếp với lưới điện, với điện áp và tần số của máy phát được xác định bởi lưới điện.
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định hoạt động ở hai tốc độ cố định thông qua việc sử dụng hai máy phát với số cặp cực từ khác nhau hoặc một máy phát với hai cuộn dây khác nhau Điều này giúp tăng công suất thu được từ gió và giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ cho phép hoạt động trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn dẫn đến tổn hao tăng và hiệu suất giảm.
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 sử dụng bộ biến đổi công suất kết nối giữa stator máy phát và lưới điện Trong cấu trúc này, máy phát điện có thể là máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát điện khác.
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng
Lưới điện đồng bộ cho phép tối ưu hóa công suất từ gió, tuy nhiên, việc biến đổi toàn bộ công suất phát ra dẫn đến tổn hao lớn và yêu cầu đầu tư chi phí cho bộ biến đổi công suất.
Máy phát điện không đồng bộ là loại máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Với kết cấu đơn giản, độ bền cao, hiệu suất tốt và chi phí thấp, máy phát điện không đồng bộ được ứng dụng rộng rãi Hiện nay, loại máy này được sử dụng vì nhiều lý do khác nhau.
- Có thể kết nối hay ngắt kết nối với lưới điện một cách dễ dàng
Máy phát điện không đồng bộ có nhược điểm như hệ số công suất cosφ thường không cao và khả năng điều chỉnh tốc độ kém, dẫn đến việc ứng dụng của nó bị hạn chế.
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 bao gồm hai bộ phận chính là stator và rotor, được tách biệt bởi khe hở không khí Ngoài ra, máy còn có vỏ máy, trục máy và nắp máy Trục máy được làm bằng thép, gắn với rotor và ổ bi, trong khi quạt gió được lắp ở cuối trục để làm mát máy dọc theo 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 có chức năng cố định lõi sắt và dây quấn, không được sử dụng làm mạch dẫn từ Thông thường, vỏ máy được chế tạo từ gang, trong khi đối với các máy có công suất lớn hơn 1000kW, người ta sử dụng thép tấm hàn để đảm bảo độ bền và hiệu suất.
Lõi thép stator có dạng hình trụ, được làm từ các lá thép kỹ thuật điện dập rảnh và ghép lại theo hướng trục, nhằm dẫn từ hiệu quả Để giảm tổn hao từ trường quay, lõi thép được ép vào vỏ máy và sử dụng các lá thép dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm Khi đường kính ngoài lớn hơn 990 mm, cần sử dụng các tấm hình rẻ quạt để tạo thành khối tròn Để hạn chế tổn hao do dòng điện xoáy, các lá thép đều được phủ sơn cách điện.
Hình 4.7 Cấu tạo lõi thép stator c Dây quấn stator
Dây quấn stator thường sử dụng dây đồng bọc cách điện, được lắp đặt trong các rảnh của lõi thép Hình 4.7 minh họa sơ đồ dây quấn ba pha trong 12 rảnh của máy phát điện không đồng bộ.
Pha A được đặt trong các rảnh 1, 4, 7 và 10; pha B trong các rảnh 3, 6, 9 và 12; và pha C trong các rảnh 5, 8, 11 và 2 Dòng điện xoay chiều 3 pha trong dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay.
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
Lõi thép rotor được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện lấy từ lõi thép stator, được ghép lại với nhau và có lỗ dập ở giữa để lắp trục Do tổn hao trong lõi sắt rotor rất nhỏ, không cần sử dụng thép kỹ thuật điện Tuy nhiên, để tận dụng, thép kỹ thuật điện sau khi dập lá thép stator sẽ được ép vào lõi thép rotor Lõi thép rotor được ép trực tiếp lên trục máy hoặc giá đỡ rotor, và bên ngoài các lá thép có rãnh dập để đặt dây quấn.
Hình 4.10 Lõi thép rotor b Dây quấn rotor
* Lo ạ i rotor ki ể u dây qu ấ n:
Rotor có dây quấn tương tự như dây quấn stator, với dây quấn 3 pha thường được đấu hình sao Ba đầu dây quấn này được kết nối với vành trượt, thường làm bằng đồng, cố định ở một đầu trục và có thể kết nối với mạch điện bên ngoài thông qua chổi than Trong quá trình hoạt động bình thường, dây quấn rotor sẽ được nối ngắn mạch.
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:
Kết cấu dây quấn rotor khác biệt so với dây quấn stator, với các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt trong rãnh và nối tắt ở hai đầu bằng vành ngắn mạch Cấu trúc này tạo thành lồng sóc, không cần cách điện với lõi sắt Để nâng cao hiệu suất khởi động, rãnh rotor có thể được thiết kế dưới dạng rãnh sâu hoặc rãnh kép.
Hình 4.12 Thanh dẫn của rotor lồng sóc c Trục máy
Trục máy điện chứa rotor quay bên trong stato và được chế tạo từ thép cacbon C5 đến C45 tùy thuộc vào kích thước Trên trục rotor có các thành phần như lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió.
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 tương đương thay thế của máy phát điện không đồng bộ trong hệ tọa độ d-q được thể hiện trong Hình 4.13, bao gồm hai phần: a) Sơ đồ mạch tương đương trục d và b) Sơ đồ mạch tương đương trục q Hình 4.14 minh họa sơ đồ mạch tương đương cho cả hai trục d và q của máy phát điện không 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 d dm i R dt
0 qfe fe s ds d qm i R dt
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các đại lượng quan trọng trong hệ thống điện, bao gồm điện áp stator các trục d và q (vds và vqs), dòng điện qua điện trở Rfe ở các trục d và q (idfe và iqfe), cũng như dòng điện từ hóa tại các trục d và q (idm và iqm).
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 một cấu trúc trong đó máy phát điện 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 ngày càng phổ biến vì chỉ cần biến đổi khoảng 20 – 30% tổng công suất phát, giúp giảm thiểu tổn hao trong thiết bị điện tử công suất Hơn nữa, chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấp hơn, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
Máy phát điện không đồng bộ khắc phục nhược điểm của máy điện một chiều và máy điện đồng bộ, không cần cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích Điều này giúp máy hoạt động tin cậy với chi phí thấp và bảo trì dễ dàng Đặc biệt, máy điện không đồng bộ rotor dây quấn cho phép điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi điện trở của rotor hoặc điều chỉnh công suất Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với tốc độ thay đổi, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là giải pháp tối ưu Bộ biến đổi công suất chỉ cần biến đổi 20 – 30% tổng công suất phát, giảm tổn hao trong thiết bị điện tử và hạ thấp chi phí đầu tư cho thiết bị điện tử công suất.
Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là loại máy phát điện không đồng bộ với rotor dây quấn, trong đó mạch stator được kết nối trực tiếp với lưới điện, còn mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất qua vành trượt Bộ biến đổi công suất bao gồm hai phần: bộ biến đổi phía máy phát (rotor) và bộ biến đổi phía lưới, được kết nối theo kiểu “back-to-back” Giữa hai bộ biến đổi có một tụ điện DC-link, có chức năng tích trữ năng lượng.
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được trang bị thiết bị Crowbar ở đầu cực rotor nhằm bảo vệ quá dòng và tránh quá điện áp trong mạch DC-link Khi xảy ra quá dòng, thiết bị 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, tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới.
Mạch rotor được cung cấp năng lượng từ bộ nghịch lưu nguồn áp (VSC) với biên độ và tần số thay đổi thông qua các IGBT Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, có thể xảy ra hai trường hợp khác nhau.
Gió thổi làm cho cánh quạt tuabin quay với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, dẫn đến chế độ vận hành dưới đồng bộ với hệ số trượt dương, trong đó máy phát điện thu năng lượng từ lưới qua rotor.
Gió thổi làm cánh quạt quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, tạo ra chế độ vận hành trên đồng bộ (hệ số trượt âm) và máy phát năng lượng về lưới qua rotor Để máy phát điện không đồng bộ nguồn kép hoạt động hiệu quả trong hai chế độ này, bộ biến đổi công suất ở cả hai phía máy phát và lưới cần 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 trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức PQ, cho phép phát công suất phản kháng về lưới, điều này khác biệt so với máy điện không đồng bộ thông thường Hơn nữa, công suất phản kháng giữa máy phát điện không đồng bộ nguồn kép và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất thực.
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, cùng với việc điều chỉnh mômen, tốc độ máy phát, hoặc hệ số công suất đầu cực stator, là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
Bộ biến đổi phía lưới có chức năng duy trì điện áp DC-link ổn định, với hai chế độ vận hành chính là chế độ dưới đồng bộ và chế độ trên đồng bộ Hình 4.16 minh họa các chế độ hoạt động của máy 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 ds qs qs ds 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 gió thay đổi đang thu hút nhiều sự quan tâm và nghiên cứu hơn so với hệ thống có vận tốc tuabin gió không đổi Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong hệ thống này, đặc biệt nhờ vào khả năng đạt hiệu suất cao thông qua việc sử dụng mô-ment từ trở.
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 được xây dựng dựa trên hệ tọa độ d-q, với việc quay đồng bộ dưới tốc độ góc.
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;
Lds và Lqs là các đại lượng liên quan đến cảm trục d và q trong máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Sơ đồ tương đương trục d và trục q được thể hiện rõ trong Hình 4.17, giúp minh họa cấu trúc và hoạt động của thiết bị này.
Môment của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong:
e 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 ưu điểm về sự đơn giản và giá thành thấp hơn so với các loại khác Tuy nhiên, tiếng ồn là một vấn đề lớn do mức độ tiếng ồn liên quan đến vận tốc của cánh tuabin Để giảm thiểu vấn đề này, có thể sử dụng máy phát điện với số cặp cực thay đổi, cho phép tuabin hoạt động ở vận tốc thấp hơn khi gió yếu Ngược lại, hệ thống vận tốc biến thiên có khả năng sản xuất nhiều năng lượng hơn trong điều kiện gió không đổi, mặc dù hiệu quả điện năng có thể giảm do tiêu hao năng lượng Tuy nhiên, hiệu quả động lực học của hệ thống này vượt trội hơn, dẫn đến hiệu suất năng lượng cao hơn Hệ thống cũng giảm thiểu ứng suất cơ năng, với rotor hoạt động như một bánh đà, giúp giảm biến thiên của bộ truyền động momen xoắn và tiếng ồn khi tuabin hoạt động ở tốc độ thấp trong điều kiện gió yếu.
Hệ thống phát điện với vận tốc biến thiên có chi phí đầu tư cao hơn, nhưng lại giúp tiết kiệm đáng kể các chi phí hệ thống phụ của tuabin Ví dụ, thiết bị gọn nhẹ có thể được lắp đặt ngoài khơi, từ đó giảm thiểu tình trạng thất thoát năng lượng.
Một số hệ thống tuabin gió độc lập trong các hệ thống điện năng lượng gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu.
Hầu hết các hệ thống tuabin gió hiện đại hiện nay đều kết nối với lưới điện thông qua việc sử dụng máy phát điện đồng bộ hoặc không đồng bộ.
Máy phát điện đồng bộ có chi phí cao hơn máy phát không đồng bộ, nhưng chúng cung cấp điện áp và tần số chất lượng tốt hơn, đồng thời có khả năng phân phối công suất phản kháng cho lưới điện Tuy nhiên, máy phát này không tự khởi động, công suất phát ra không ổn định và yêu cầu điều khiển phức tạp hơn khi hòa vào lưới điện, vì tần số phát ra phải tương thích chính xác với tần số lưới điện.
Máy phát điện không đồng bộ có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp hơn so với máy phát điện đồng bộ, cho phép kết nối và ngắt ra khỏi lưới điện dễ dàng Mặc dù máy phát điện không đồng bộ phát ra công suất phẳng, nhưng cần bù công suất phản kháng từ lưới điện hoặc các bộ biến đổi công suất Hơn nữa, chúng có thể tạo ra điện áp và tần số không ổn định trên lưới điện, nhưng vấn đề này có thể được khắc phục nhanh chóng và tiết kiệm chi phí bằng các bộ biến đổi công suất Do đó, máy phát điện không đồng bộ trở thành lựa chọn phổ biến trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
Ngoài các loại máy phát điện thông dụng, 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, do đó cần phải chuyển đổi thành tín hiệu phù hợp.
Để ổn định điện áp và tần số, cần sử dụng bộ biến đổi công suất cho hệ thống DC Máy phát điện nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn so với máy phát điện không đồng bộ hoặc máy phát đồng bộ nhờ vào thiết bị biến đổi công suất Máy phát điện đồng bộ hoặc nam châm vĩnh cửu tự kích từ thường được điều khiển trực tiếp với số cực phù hợp, cho phép rotor quay với tốc độ tương đương với tốc độ của turbin gió, trừ khi có hộp số truyền động chuyển đổi tốc độ Các loại máy phát này thường được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi công suất.
Các tuabin truyền thống thường hoạt động với tốc độ cố định, trong khi các tuabin hiện đại, đặc biệt là tuabin lớn, có khả năng vận hành với tốc độ thay đổi trong một khoảng giá trị cố định Điều này mang lại nhiều ưu điểm đáng kể.
Hiệu suất khí động học của rotor có thể được cải thiện ở tốc độ gió thấp đến trung bình bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của rotor, nhằm duy trì tuabin hoạt động với tỷ số tốc độ đầu cánh tối ưu và đạt được hệ số công suất cực đại Đối với tốc độ gió cao, các cánh quạt sẽ được điều chỉnh để giới hạn công suất cực đại phát ra.
- 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 hiệu quả với nhiều chế độ khác nhau, bao gồm chế độ tối ưu để đạt công suất tối đa trong điều kiện gió thấp và chế độ giảm thiểu hư hỏng cho hệ thống.
Bài viết đã trình bày các vấn đề liên quan đến hệ thống điện năng lượng gió, bao gồm phân tích chi tiết các loại máy phát điện như máy phát điện đồng bộ, không đồng bộ, không đồng bộ nguồn kép và máy phát điện nam châm vĩnh cửu Kết quả mô phỏng và đánh giá cho từng loại máy phát sẽ được thực hiện trong chương tiếp theo.