GIỚI THIỆU
Giới thiệu
Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, đóng vai trò quan trọng 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.
Trong 20 năm qua, sản lượng điện ở Việt Nam đã tăng trưởng mạnh mẽ với mức trung bình khoảng 12 – 13% mỗi năm, gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP Để thực hiện mục tiêu “dân giàu, nước mạnh” và tránh tụt hậu, ngành điện sẽ phải đối mặt với nhiều thách thức lớn trong những thập niên tới Để đáp ứng các yêu cầu này, ngành điện cần dự báo chính xác nhu cầu điện năng của nền kinh tế và từ đó phát triển năng lực cung ứng.
Nếu nhu cầu điện tiếp tục phát triển với tốc độ cao 14-15%/năm như những năm gần đây, dự kiến đến năm 2010, nhu cầu sẽ đạt 90.000 GWh, gấp đôi so với năm 2005 Theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, nếu GDP duy trì tăng trưởng trung bình 7,1%/năm, nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ đạt khoảng 200.000 GWh.
Dự báo sản lượng điện năm 2030 sẽ đạt 327.000 GWh, trong khi sản lượng điện nội địa chỉ đạt 208.000 GWh, dẫn đến tình trạng thiếu hụt điện nghiêm trọng từ 20-30% mỗi năm Nếu Tập đoàn Điện lực đúng trong dự báo, chúng ta sẽ phải nhập khẩu điện với giá cao gấp 2-3 lần so với sản xuất trong nước, hoặc nền kinh tế sẽ trì trệ và đời sống người dân bị ảnh hưởng nặng nề.
Hiện nay, chúng ta đang phải đối mặt với tình trạng thiếu điện, không chỉ riêng trong các năm 2015 hay 2020 Từ năm 2005, người dân tại hai trung tâm chính trị và kinh tế của đất nước đã phải chịu cảnh cắt điện luân phiên, gây khó khăn cho sinh hoạt và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống kinh tế.
Việt Nam hiện vẫn còn khoảng 4,5 triệu người, đặc biệt là các hộ dân ở vùng sâu, vùng xa và hải đảo, chưa được tiếp cận điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện, dự kiến đến năm 2020 sẽ còn hơn 1.000 xã, trong tổng số hơn 9.000 xã, vẫn chưa có điện.
Khoảng 500.000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người tại Tây Nguyên vẫn chưa được tiếp cận lưới điện quốc gia Điều này gây khó khăn cho đồng bào dân tộc thiểu số trong việc bơm nước tưới cây và đáp ứng nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.
Các đồn biên phòng xa xôi trên những đỉnh núi Tây Bắc, các chiến sĩ ngoài đảo, nhà dàn, và những tàu cá trên biển đều cần điện để phục vụ cho sinh hoạt và đảm bảo an ninh quốc phòng.
Theo dự báo của các nhà khoa học, trữ lượng than và dầu khí sẽ cạn kiệt trong 30 năm tới, khiến nhiều quốc gia nỗ lực phát triển năng lượng tái tạo để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió đang được chú trọng khai thác, với sự khởi xướng của Tổ chức Năng lượng Gió Châu Âu (EWEA) nhằm phát triển điện gió trong thế kỷ 21 Việt Nam cũng đang xây dựng chiến lược để khai thác nguồn năng lượng này, vì vậy, việc nghiên cứu và phân tích hệ thống khai thác năng lượng gió là rất cần thiết.
Có thể nhận thấy rằng, tỷ suất tăng trưởng của toàn thế giới về các dạng năng lượng điện từ những năm 1990 – 2000 như sau:
Tỷ suất tăng trưởng của năng lượng mới vượt trội so với năng lượng truyền thống, với điện gió ghi nhận mức tăng trưởng cao nhất.
Theo thống kê của Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC), Châu Âu dẫn đầu thế giới về khai thác năng lượng gió, với tổng công suất lắp đặt đạt khoảng 82 GW vào năm 2010, chiếm 55% tổng công suất toàn cầu.
Bắc Mỹ là khu vực lớn thứ hai về tổng công suất lắp đặt 31,6 GW vào năm
2010 Trong đó: Mỹ là thị trường quan trọng nhất trong khu vực này với công suất lắp đặt dự đoán trung bình 3,5 GW/năm
Châu Á đã vượt qua mọi dự đoán với sự tăng trưởng mạnh mẽ, đặc biệt là từ Trung Quốc, đạt tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm cao nhất là 28,3% Tổng công suất của khu vực này đã tăng từ 10,7 GW vào năm 2006 lên 29 GW vào năm 2010.
Năm 2010, khu vực Châu Mỹ La Tinh và vùng Caribê ghi nhận 296 MW công suất lắp đặt mới, với Braxin dẫn đầu, theo sau là Mêhico Ngoài ra, một số dự án phát triển nhỏ hơn cũng sẽ được triển khai tại các nước Trung Mỹ.
Khu vực Thái Bình Dương với sự phát triển của năng lượng điện gió ở Ôxtraylia với 1
GW được lắp đặt trong giai đoạn 2007-2010
Hình 1.1 Công suất lắp đặt trên thế giới 2001 – 2010
Theo báo cáo năng lượng gió toàn cầu năm 2010, năng lượng gió dự kiến sẽ chiếm 12% nguồn cung điện toàn cầu vào năm 2020 với công suất đạt 1000 GW, giúp giảm phát thải 1,5 tỷ tấn CO2 mỗi năm Đến năm 2030, điện gió có thể chiếm 22% nguồn cung năng lượng toàn cầu, tương đương với 34 tỷ tấn CO2 giảm phát thải hàng năm Tổng thư ký Steve Sawyer (GWEC) nhấn mạnh rằng năng lượng gió có tiềm năng lớn trong việc sản xuất điện và giảm khí thải nhà kính Tuy nhiên, để hiện thực hóa tiềm năng này, cần có những cam kết mạnh mẽ từ các chính phủ Công nghệ năng lượng gió cung cấp giải pháp khả thi cho các thách thức hiện tại và góp phần vào cuộc cách mạng đáp ứng nhu cầu năng lượng.
Ngành công nghiệp năng lượng điện gió dự kiến sẽ tạo ra hơn 3 triệu việc làm trước năm 2030, tăng từ khoảng 600.000 việc làm hiện tại Sự tăng trưởng chủ yếu diễn ra ở các quốc gia đang phát triển, với dự báo rằng đến năm 2030, khoảng một nửa số tuabin gió toàn cầu sẽ được lắp đặt tại các quốc gia này cùng với các nền kinh tế mới, tiềm năng.
Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn bao gồm 6 chương
Chương 2 – Tổng quan các nghiên cứu và phân tích của các loại máy phát điện gió Chương 3 – Hệ thống điện gió
Chương 4 – Nghiên cứu và phân tích các loại máy phát điện gió
Chương 5 – Mô phỏng và các kết quả
Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển tương lai
Kết luận
Với nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao tại Việt Nam, việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo trở nên cấp thiết Để khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này, nghiên cứu và phân tích mô hình các loại máy phát điện gió là mục tiêu chính của đề tài.
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
Giới thiệu
Hệ thống phát điện gió đã được khai thác và phát triển từ lâu, với máy phát điện gió là một trong những thành phần quan trọng nhất Các máy phát điện gió đã trải qua quá trình nghiên cứu, thiết kế và hiện nay được đưa vào khai thác và vận hành rộng rãi.
- 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 bên trong (Interior permanent magnet synchronous generator – IPMSG)
- Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên ngoài (Surface permanent magnet synchronous generator - SPMSG).
Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện
Vào năm 2001, J G Slootweg, H Polinder và W L Kling đã phát triển 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, đồng thời trình bày các bộ điều khiển liên quan đến tốc độ rotor, góc cánh tuabin và điện áp đầu cực của máy phát.
Năm 2001, B Rabelo và W Hofmann đã giới thiệu mô hình máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn nguồn kép và các chiến lược điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển vector Chiến lược điều khiển bám tốc độ tối ưu giúp giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện gió Kết quả mô phỏng cho thấy máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là 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 tổn thất trong hệ thống phát điện gió.
Để kết nối hệ thống điện gió vào lưới điện hiện tại, cần thiết phải có các mô hình toán chính xác cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống tuabin gió J B Ekanayake, L Holdsworth, X Wu và N Jenkins đã phát triển mô hình này, bao gồm cả các mô hình cho bộ biến đổi, hệ thống điều khiển và bảo vệ máy phát.
Năm 2003, A Tapia, G Tapia, J X Ostolaza và J R Saenz đã công bố kết quả mô phỏng và thực nghiệm về một hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép được kết nối với lưới điện Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát mô hình máy điện trong các điều kiện vận hành trên và dưới tốc độ đồng bộ.
Năm 2004, Z X Fang, X D Ping và L Y Bing đã giới thiệu mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong khung hệ tọa độ 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 cho thấy bộ điều khiển được đề xuất có hiệu quả rõ rệt.
Năm 2002, T Nakamura và các cộng sự 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 sử dụng công nghệ theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) để tối đa hóa công suất phát, đồng thời điều khiển hiệu suất của máy phát Moment của máy phát được điều chỉnh theo tốc độ máy phát, giúp duy trì công suất của tuabin gió ở mức tối đa mà không cần đo lường tốc độ gió Ngoài ra, các chiến lược này còn 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 việc sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội cho hệ thống phát điện gió với tốc độ biến đổi Hệ thống này 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 tuabin gió và giảm thiểu tổn thất theo chiến lược bám điểm công suất cực đại.
Năm 2006, S Morimoto, H Kato, M Sanada và Y Takeda đã đề xuất một chiến lược điều khiển tối ưu hóa công suất phát cho hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Nghiên cứu này chuyển đổi phương pháp điều khiển bộ biến đổi từ chiến lược điều khiển sin PWM sang sóng vuông trong vùng tốc độ cao nhằm tăng cường 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 nhằm tối ưu hóa công suất phát của hệ thống điện gió Trong nghiên cứu, mô-men của máy phát được điều khiển theo tốc độ, trong khi vectơ dòng điện được điều chỉnh để giảm thiểu tổn thất công suất và tối đa hóa công suất phát thông qua điều khiển độ rộng xung sóng vuông ở các vùng tốc độ cao Đáng chú ý, 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 tập trung vào hiện tượng bảo hòa mạch từ, và để loại bỏ ảnh hưởng của sự phi tuyến, họ áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp cho tín hiệu vào và ra, nhằm thiết kế bộ điều khiển dòng điện phi tuyến hiệu suất cao.
Năm 2005, L Wang và S S Chen đã giới thiệu các nghiên cứu và ứng dụng của máy phát điện không đồng bộ tự kích thích trong hệ thống điện phát điện gió.
Vào 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, trong đó điện áp và tần số của máy phát thay đổi theo tốc độ gió Để đáp ứng nhu cầu phụ tải, cần một nguồn 3 pha với điện áp và tần số ổn định, điều này được thực hiện thông qua bộ biến đổi công suất điều biến độ rộng xung Các tác giả đã nghiên cứu mô hình máy điện cảm ứng 3 pha cùng với các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu 3 pha.
Năm 2003, D Seyoum, M F Rahman và C Grantham đã giới thiệu một mô hình hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ, được kích thích bằng bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung Nghiên cứu còn trình bày một hệ thống điều khiển nhằm duy trì điện áp DC ổn định bằng cách điều chỉnh từ thông của máy phát không đồng bộ theo sự thay đổi tốc độ rotor.
Kết luận
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang trở thành lựa chọn phổ biến cho tuabin gió công suất nhỏ với tốc độ biến đổi, nhờ vào cấu trúc đơn giản và khả năng điều khiển dễ dàng Trong khi đó, đối với các hệ thống phát điện gió có công suất lớn hơn, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được sử dụng rộng rãi.
Tài liệu tham khảo
The dynamic modeling of wind turbines equipped with doubly fed induction generators has been explored by Slootweg, Polinder, and Kling in their 2001 IEEE Conference paper, highlighting the complexities of such systems (pp 644-649) Additionally, Rabelo and Hofmann presented research on optimal active and reactive power control for MW class wind turbines utilizing doubly fed induction generators at the IEEE PEDS Conference, emphasizing the importance of efficient power management in these technologies (pp 53-58).
[2.3] J B Ekanayake, L Holdsworth, X Wu, N Jenkins, “Dynamic modeling of doubly fed induction generator wind turbines”, IEEE Transactions on Power Systems, vol 18, no 2, pp 803-809, 2003
[2.4] A Tapia, G Tapia, J X Ostolaza and J R Saenz, “Modeling and control of a wind turbine driven doubly fed induction generator”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 18, no 2, pp 194-204, 2003
[2.5] Z X Fang, X D Ping and L Y Bing, “Predictive functional control of a doubly fed induction generator for variable speed wind turbines”, Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation, pp 3315-3319, 2004
[2.6] T Nakamura, S Morimoto, M Sanada, Y Takeda, “Optimum control of IPMSG for wind generation system”, IEEE Conference, pp 1435-1440, 2002
[2.7] S Morimoto, H Nakayama, M Sanada and Y Takeda, “Sensorless output maximization control for variable speed wind generation system using IPMSG”, IEEE
[2.8] S Morimoto, H Kato, M Sanada and Y Takeda, “Output maximization control for wind generation system with interior permanent magnet synchronous generator”,
[2.9] I Kawabe, S Morimoto and M Sanada, “Output maximization control of wind generation system applying square-wave operation and sensorless control”, IEEE Conference 2007, pp 203-209, 2007
[2.10] W Qiao, L Qu and R G Harley, “Control of IPM synchronous generator for maximum wind power generation considering magnetic saturation”, IEEE Conference
[2.11] L Wang and S S Chan, “Switching DC excitation system on harmonic current amplification of self-excited wind induction generators”, IEEE Conference 2005, pp
In recent studies, L Wang, H W Chen, and D J Lee (2008) presented a DSP-based power converter designed specifically for wind induction generators, highlighting advancements in renewable energy technology Additionally, D Seyoum, M F Rahman, and C Grantham (2003) focused on terminal voltage control for isolated induction generators driven by wind turbines, utilizing stator-oriented field control methods to enhance efficiency These contributions underscore the ongoing innovation in wind energy systems and their control mechanisms.
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
Giới thiệu
Để hiểu và phân tích nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió, cần tìm hiểu các vấn đề liên quan đến năng lượng gió Việc nghiên cứu các thành phần cấu thành hệ thống điện gió, bao gồm tuabin gió, bộ chỉnh lưu, nghịch lưu và bộ điều khiển, cũng rất quan trọng Các vấn đề này sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.
Sự hình thành gió trong tự nhiên
Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí Mặt ban đêm không nhận được bức xạ mặt trời, trong khi các vùng gần xích đạo nhận được nhiều hơn so với các cực Sự khác biệt về nhiệt độ này tạo ra sự khác nhau về áp suất, 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 sự xoáy không khí mà còn ảnh hưởng đến các dòng không khí theo mùa do trục quay của nó nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời.
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 [3.1]:
: mật độ không khí (kg/m 3 ), ở điều kiện chuẩn có giá trị 1,293 kg/m 3
A r : 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 tuân theo quy luật lũy thừa bậc ba, như được thể hiện 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 nhất định 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 qua hàm mật độ xác suất, trong đó hàm Weibull là một trong những hàm phổ biến nhất Phân bố Weibull được thể hiện bằng công thức [3.2].
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:
3.5 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor
Công suất cơ từ gió được tạo ra 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 vd.
C p : 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 khai thác từ năng lượng gió.
Hình 3.1 Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết
Nếu rotor quay quá chậm, gió sẽ dễ dàng 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 trong điều kiện vận tốc gió nhất định.
Hiệu suất rotor được thể hiện qua tỷ số (Tip speed ratio), là tỷ lệ giữa vận tốc tiếp tuyến tại 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)
R b : bán kính của cánh quạt tuabin (m)
Hiệu suất của rotor không chỉ phụ thuộc vào mà còn vào góc pitch (rad) của cánh quạt tuabin 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 3.4.
Hệ số C p là một hàm phi tuyến phức tạp, và các nhà chế tạo thường cung cấp giá trị C p cho từng loại tuabin dưới dạng hàm của tỷ số và góc .
Biểu thức xấp xỉ hiệu suất rotor được cho bởi:
Hình 3.2 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin
Hình 3.3 Đường cong hiệu suất rotor Cp(, )
Hình 3.4 Góc pitch của cánh quạt tuabin
3.6 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 hiểu rõ các thông số liên quan là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động 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 mức mà tại đó công suất đầu ra đạt giá trị thiết kế Khi vận tốc gió tăng, công suất đầu ra cũng tăng theo, tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Nếu 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 (V c-out) là ngưỡng tốc độ gió mà khi đạt đến, 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 giảm 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 tuabin qua việc thay đổi góc quay của cánh quạt Hầu hết tuabin gió tốc độ thay đổi đều sử dụng bộ điều khiển góc pitch Ở tốc độ gió định mức, tuabin cần tối đa hóa công suất bằng cách điều chỉnh góc pitch để thu nhận năng lượng hiệu quả nhất.
Khi gió đạt tốc độ định mức, góc pitch cần được điều chỉnh để giữ công suất cơ ở mức định mức Đối với các tuabin gió có hệ thống điều khiển góc pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục theo dõi công suất đầu ra Nếu công suất đầu ra vượt quá mức cho phép, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu để điều chỉnh cơ cấu xoay cánh quạt nhằm giảm bớt công suất, đồng thời 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
3.7 Các mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió
3.7.1 Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới
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 bộ điều khiển, cung cấp trực tiếp đến tải mà không cần thiết bị lưu trữ Hệ thống này tiết kiệm chi phí đầu tư, thường được áp dụng ở những vùng có mật độ gió ổn định quanh năm Đây là mô hình năng lượng điện gió có mức đầu tư thấp nhất.
3.7.2 Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và nối lưới
Các mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió
3.7.1 Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới
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 vùng có mật độ gió ổn định quanh năm, và là mô hình có mức đầu tư thấp nhất trong các loại hình 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 giảm thiểu việc sử dụng ắc quy và chi phí bảo trì, mà còn 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
Kết nối hệ thống điện gió vào lưới điện mang lại hai lợi ích quan trọng: hộ tiêu thụ không bị giới hạn công suất tiêu thụ và có khả năng trả lại năng lượng gió thừa vào lưới điện.
Hệ thống máy phát điện gió
Hệ thống máy phát điện gió
Công tơ điện lưới điện cho phép hộ tiêu thụ duy trì sử dụng điện ngay cả khi mất điện nhờ vào nguồn năng lượng lưu trữ trong ắc-quy và hệ thống phát điện tuabin gió Hệ thống này đảm bảo tính ổn định và liên tục hơn so với các mô hình khác, mặc dù hộ tiêu thụ cần đầu tư thêm cho phần lưu trữ ắc-quy Hệ thống điện gió có thể hoạt động hiệu quả ở những khu vực có năng lượng gió không đều, cho phép hộ tiêu thụ linh hoạt sử dụng điện từ ắc-quy hoặc từ lưới điện khi cần thiết.
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 thường sử dụng ắc-quy và được lựa chọn vì chi phí nối lưới cao Tuy nhiên, hộ tiêu thụ sẽ bị giới hạn công suất do kích thước của nguồn phát, vì vậy cần có kế hoạch sử dụng điện hợp lý.
Mô hình này yêu cầu đầu tư chi phí lớn do việc sử dụng hệ thống lưu trữ ắc quy và máy phát điện dự phòng Tuy nhiên, nó mang lại sự ổn định cao và đảm bảo tính liên tục trong cung cấp điện Hệ thống này rất phù hợp cho các khu vực xa lưới điện quốc gia, có tiềm năng gió, và những nơi cần nguồn điện liên tục.
Hình 3.9 Hệ thống điện gió có lưu trữ, có máy phát dự phòng và không nối lưới
Hệ thống máy phát điện gió
Tải nhiệt Hệ thống đo đếm Ắc-quy
Máy phát điện dự phòng
Tuabin gió
3.8.1 Cấu tạo của tuabin gió
Cấu tạo tuabin gió bao gồm các thành phần chính sau:
Cánh quạt có vai trò quan trọng trong việc hứng gió, tạo ra chuyển động quay để làm quay trục rotor và giúp máy phát điện sản xuất điện năng Bộ điều khiển góc pitch trên cánh quạt cho phép cánh quạt xoay tối đa 45 độ, 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 là thiết bị quan trọng giúp thay đổi tỷ số truyền động trong hệ thống tuabin gió, vì cánh quạt rotor 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 trục quay trước khi đưa vào máy phát, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống.
- 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
Hình 3.10 Các thành phần chính của tuabin gió
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
Tuabin gió được chia thành hai loại:
Các tuabin điện gió trục đứng không bị ảnh hưởng bởi hướng gió, tuy nhiên, chúng cần được tính toán kỹ lưỡng về trục quay 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 hiệu quả khi cánh quạt được 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 ít hơn chỉ bằng một nửa so với trụ tháp hình ống, khiến chúng trở nên nhẹ và tiết kiệm chi phí hơn.
Lực tác dụng lên móng trụ tháp phân bố đều, dẫn đến việc móng trụ tháp nhỏ hơn so với móng trụ tháp hình ống, từ đó giúp giảm chi phí đầu tư.
- 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 được cấu tạo từ nhiều ống có kích thước từ 10 đến 20m ghép lại với nhau, bao gồm các loại như trụ tháp giàn, trụ tháp hình ống và trụ tháp kiểu dây chằng.
- 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 có bốn sợi cáp được đặt đều với độ dốc khoảng 45 độ, giúp hỗ trợ cấu trúc Loại trụ này thường được sử dụng cho các máy phát điện tuabin gió có công suất nhỏ.
Máy phát điện đóng vai trò thiết yếu 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 tốc độ 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
Máy phát điện tuabin gió hoạt động hiệu quả trong điều kiện tốc độ tuabin thay đổi Khi hệ thống điện gió kết nối vào lưới điện, cần thiết phải sử dụng các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu để điều khiển các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện, tần số và hệ số công suất.
… của máy phát điện tuabin gió đồng bộ với hệ thống điện góp phần đảm bảo được tính ổn định của 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
Bộ chỉnh lưu không điều khiển sử dụng điốt nổi bật với đặc điểm đơn giản, chi phí thấp và ít tổn hao Tuy nhiên, nhược điểm của nó là không thể điều khiển điện áp và dòng điện của máy phát Sơ đồ bộ chỉnh lưu này được minh họa trong hình 3.14.
Hình 3.16 Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt
Máy phát điện đồng bộ
Cuộn dây DC b Bộ chỉnh lưu cưỡng bức
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 3.15
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
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 ở hình 3.16
Hình 3.18 Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên
Máy phát điện không đồng bộ
Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên Điện áp DC
Máy biến áp 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 ảnh hưởng bởi độ bền cơ khí, vì vận tốc gió lớn chỉ xuất hiện trong một số giờ nhất định trong năm Do đó, thiết kế tuabin gió với công suất cực đại không phải là lựa chọn kinh tế, mà việc điều chỉnh công suất cho phù hợp là cần thiết.
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)
Hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới điện
Trong quá trình hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới, dòng điện khởi động thường cao và cần được giới hạn bằng dòng điện định mức Để hạn chế dòng khởi động, thường áp dụng hai phương pháp khác nhau.
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 nguồn năng lượng gió, cần nghiên cứu và tìm hiểu chi tiết từng thành phần của hệ thống.
Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện là một phần tử quan trọng trong hệ thống điện gió, đóng vai trò thiết yếu trong lưới điện Nội dung này sẽ được nghiên cứu và phân tích sâu hơn trong các chương tiếp theo.
Tài liệu tham khảo
[3.1] H J Wagner and J Mathur, Introduction to wind energy systems: Basics, Technology and Operation, Springer, 2009
[3.2] T Burton, D Sharpe, N Jenkin and E Bossanyi, Wind energy handbook, Wiley,
In the field of wind energy, significant research has been conducted on the dynamic modeling and power control of wind turbines equipped with doubly fed induction generators (DFIG) Notably, Slootweg, Polinder, and Kling (2001) presented a comprehensive dynamic model of a wind turbine utilizing DFIG technology at an IEEE Conference, highlighting its operational characteristics Additionally, Rabelo and Hofmann (2001) focused on optimizing both active and reactive power control in MW-class wind turbines featuring DFIGs, contributing valuable insights at the IEEE PEDS Conference.
[3.5] J B Ekanayake, L Holdsworth, X Wu and N Jenkins, “Dynamic modeling of doubly fed induction generator wind turbines”, IEEE Transactions on Power Systems, vol 18, no 2, pp 803-809, 2003
[3.6] A Tapia, G Tapia, J X Ostolaza and J R Saenz, “Modeling and control of a wind turbine driven doubly fed induction generator”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 18, no 2, pp 194-204, 2003
[3.7] Z X Fang, X D Ping and L Y Bing, “Predictive functional control of a doubly fed induction generator for variable speed wind turbines”, Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation, pp 3315-3319, 2004
[3.8] T Nakamura, S Morimoto, M Sanada and Y Takeda, “Optimum control of IPMSG for wind generation system”, IEEE Conference, pp 1435-1440, 2002
[3.9] S Morimoto, H Nakayama, M Sanada and Y Takeda, “Sensorless output maximization control for variable speed wind generation system using IPMSG”, IEEE
[3.10] S Morimoto, H Kato, M Sanada and Y Takeda, “Output maximization control for wind generation system with interior permanent magnet synchronous generator”,
[3.11] I Kawabe, S Morimoto and M Sanada, “Output maximization control of wind generation system applying square-wave operation and sensorless control”, IEEE Conference 2007, pp 203-209, 2007
[3.12] W Qiao, L Qu and R G Harley, “Control of IPM synchronous generator for maximum wind power generation considering magnetic saturation”, IEEE Conference
[3.13] L Wang and S S Chan, “Switching DC excitation system on harmonic current amplification of self-excited wind induction generators”, IEEE Conference 2005, pp
In recent years, significant advancements have been made in the field of wind energy conversion systems Notably, L Wang, H W Chen, and D J Lee presented a DSP-based power converter for wind induction generators at the IEEE Conference in 2008, highlighting innovative methods for enhancing efficiency (Wang et al., 2008) Additionally, D Seyoum, M F Rahman, and C Grantham focused on terminal voltage control for isolated induction generators driven by wind turbines, utilizing stator-oriented field control techniques, as discussed in their 2003 IEEE Conference paper (Seyoum et al., 2003) These studies contribute to the ongoing development of reliable and efficient wind energy technologies.
NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH
