Mô phỏng hoạt Động của máy phát Điện gió pmsg dưới Điều kiện Điện Áp lưới mất cân bằng

Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn mới và thiết bị điều khiển thì việc sử dụng máy phát điện gió dùng PMSG ngày càng rộng rãi hơn.. Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Khái quát chung về năng lượng gió

Hiện nay, sự phát triển công nghiệp và hiện đại hóa khiến nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, đòi hỏi nguồn năng lượng phù hợp nhưng không gây ảnh hưởng đến môi trường và cảnh quan thiên nhiên Các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang ngày càng cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường và góp phần vào hiệu ứng nhà kính Do đó, việc tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch là rất cần thiết để giảm tác động tiêu cực này, đồng thời tăng cường phát triển kinh tế và đảm bảo an ninh chính trị quốc gia Việt Nam đã có quan điểm rõ ràng về chính sách sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng tái sinh, trong đó có năng lượng gió Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên phong phú, được ưu tiên đầu tư phát triển, với nhiều dự án quy mô vừa và nhỏ đã được triển khai Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch, có tiềm năng lớn, bắt đầu từ những nhà máy đầu tiên ở Mỹ từ năm 1890, và hiện nay công nghệ điện gió đang phát triển mạnh mẽ, dự đoán sẽ chiếm phần lớn thị trường năng lượng toàn cầu trong tương lai gần.

Năng lượng điện gió mang lại nhiều lợi ích như chi phí sản xuất thấp và không tổn thất năng lượng trong quá trình vận hành, giúp cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác như than đá và khí đốt Các nhà máy điện gió không gây ô nhiễm môi trường, góp phần tạo cảnh quan du lịch hấp dẫn và môi trường thân thiện Chúng còn tạo điều kiện cho hoạt động nông nghiệp và công nghiệp phát triển gần khu vực nhà máy Hầu hết các nhà máy điện gió được xây dựng ở đồng bằng, nông thôn, miền núi, hải đảo, từ đó tạo công ăn việc làm cho người dân địa phương Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả và an toàn, việc khảo sát kỹ lưỡng và giám sát xây dựng đúng kỹ thuật là rất quan trọng trong quá trình phát triển và vận hành nhà máy điện gió.

Chương 1: Tổng quan về năng lượng gió

Tình hình phát triển năng lượng gió

1.2.1 Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới

Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng tiềm năng và đang phát triển mạnh trong thời gian gần đây Nhiều quốc gia như Đức đã mở rộng quy mô sản xuất điện gió lớn, góp phần thúc đẩy chuyển đổi năng lượng sạch và giảm phát thải khí nhà kính Công nghệ điện gió ngày càng tiến bộ giúp nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng rộng rãi trong các khu vực khác nhau Việc đầu tư vào năng lượng gió không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế lâu dài cho các quốc gia.

Các quốc gia như Hà Lan, Mỹ, Anh đã thành lập Cơ quan Năng lượng Quốc tế (CEA) với sự hợp tác của 14 quốc gia thành viên để nghiên cứu và chia sẻ kinh nghiệm về phát triển năng lượng điện gió Các thành viên bao gồm Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, Ý, Nhật Bản, Hà Lan, New Zealand và Thụy Đây là bước đi quan trọng thúc đẩy sự hợp tác quốc tế trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và chuyển đổi sang năng lượng sạch.

Năm 1995, các nước thành viên đã vận hành khoảng 25.000 tuabin gió kết nối với lưới điện quốc gia Tổng công suất của các tuabin này đạt 3.500MW, sản xuất khoảng 6 triệu MWh điện hàng năm Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất thế giới, trong đó châu Âu chiếm tới 70% tổng công suất này, góp phần quan trọng vào chiến lược chuyển đổi năng lượng sạch và bền vững.

Theo số liệu thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức gió trên thế giới đang liên tục tăng: năm 1994 là 3.527,5 MW, năm 1995 là 4.770

Vào năm 1996, tổng công suất lưới điện là 6.000 MW, tăng lên 7.500 MW vào năm 1997, và hiện nay đã vượt 10.000 MW Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch và bền vững, giúp các nhà sản xuất và tiêu dùng yên tâm về nguồn tài nguyên này, đồng thời gần như không gây tác động tiêu cực đến môi trường (theo số liệu năm 2002) Trên thế giới, năng lượng gió có tiềm năng rất lớn và phân bố rộng khắp các quốc gia, với khả năng khai thác lên tới 53.000 TWh mỗi năm, đủ để vượt xa nhu cầu điện toàn cầu trong tương lai.

Năm 2020, theo khảo sát hàng năm của Viện Năng lượng Quốc tế, nhu cầu tiêu thụ điện toàn cầu đạt 25.800 TWh Trong đó, năng lượng điện gió dự kiến chiếm khoảng 12% tổng nguồn năng lượng điện tiêu thụ.

1.2.2 Tình hình phát triển năng lượng gió ở Việt Nam

Việt Nam nằm ở khu vực Đông Nam Á với chiều dài đất nước hơn 2000 km, có đường bờ biển kéo dài từ duyên hải miền Trung tới Nam Trung Bộ, mang nguồn năng lượng gió phong phú từ biển (Hình 1.1) Vùng duyên hải miền Trung bị chia cắt bởi các dãy núi cao từ 1000 đến 1500 mét, chủ yếu tập trung vào hoạt động nông nghiệp và chăn nuôi, nhưng mật độ dân số tương đối đông trong khi các nhà máy thuỷ điện và nhiệt điện còn hạn chế, gây thiếu điện đặc biệt vào mùa khô Khí hậu Việt Nam đặc trưng bởi khí hậu nhiệt đới ẩm, mưa nhiều, chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc và Tây Nam, trong đó duyên hải miền Trung nổi bật với 4 mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông cùng lượng mưa đáng kể.

Vùng duyên hải miền trung của Việt Nam có tốc độ gió trung bình hàng năm từ 8 đến 10 m/giây, nhờ vào bờ biển dài mang lại lượng gió quanh năm Nghiên cứu tốc độ gió được thực hiện ở các độ cao khác nhau, chủ yếu là 30 m và 65 m, để đánh giá tiềm năng khai thác năng lượng gió trong khu vực Với điều kiện gió tương đối lớn, khu vực này có tiềm năng phát triển các dự án điện gió phù hợp và bền vững.

Các dãy núi ở miền trung và miền nam Việt Nam nằm ở vị trí đặc biệt, tạo thành những rào chắn liên tiếp đón nhận gió mùa theo mùa; từ tháng 10 đến tháng 5, gió đến từ hướng Đông Bắc, trong khi từ tháng 6 đến tháng 9, gió thổi từ hướng Tây Nam Tại độ cao 65 mét, tốc độ gió và công suất điện thu được rất ấn tượng, đặc biệt dọc theo miền trung Việt Nam, nơi có lượng gió phong phú, tốc độ gió khá mạnh và phù hợp cho các dự án năng lượng gió.

Bảng 1.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65 m

Tốc độ gió ở độ cao 30 mét phù hợp cho các tuabin nhỏ có công suất thấp, thích hợp với những khu vực có tốc độ gió vừa và chậm, đặc biệt khi không thể sử dụng các tuabin lớn Gió mạnh xuất hiện quanh năm, nhưng ở các vùng khác nhau như phía tây dãy Trường Sơn ở Việt Nam, nơi có gió mạnh chủ yếu vào mùa đông và mùa hè Gió mùa Đông Bắc cũng ảnh hưởng đến miền Nam Việt Nam, tạo ra các cơn gió mạnh ở vùng ven biển theo hướng Đông Bắc, gây ra vùng áp suất thấp phía bắc và tây của dãy Trường Sơn Khu vực sông Mê Kông đến TP.Hồ Chí Minh có tốc độ gió khoảng 7-7,5 m/s, là điều kiện lý tưởng để phát triển năng lượng điện gió do gần trung tâm tiêu thụ điện lớn Ngoài ra, các dãy núi phía nam của miền Trung và vùng tây nguyên rộng lớn, đặc biệt khu vực biên giới Campuchia, cũng có tốc độ gió từ 7-7,5 m/s, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nguồn năng lượng gió tại các khu vực như Pleiku và Buôn Ma Thuột.

Ma Thuột có tốc độ gió lên đến 7 m/s, phù hợp để khai thác năng lượng gió Các khu vực miền biển phía Nam của vùng duyên hải miền Trung trên các đỉnh núi cao từ 1600-2000 m có lượng gió lớn và tốc độ gió từ 8,5 - 9,5 m/s, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt các hệ thống tuabin gió công suất lớn Các đỉnh núi phía tây của Quỳ Nhơn và Tuy Hòa, cao từ 1000-1200 m, cũng có tốc độ gió khá lớn từ 8-8,5 m/s, tận dụng tối đa nguồn năng lượng gió tự nhiên Các vùng ven biển miền Trung có lợi thế lớn về nguồn năng lượng gió, phù hợp để phát triển các dự án điện gió quy mô lớn Khu vực phía Bắc của vùng duyên hải miền Trung, với dãy Trường Sơn chạy dài theo biên giới Việt Nam - Lào, cao tới 1800 m và có tiềm năng gió lớn, mở ra nhiều cơ hội phát triển năng lượng tái tạo.

Khu vực phía Bắc của tỉnh Thừa Thiên Huế có độ gió tương đối lớn, đạt 8,5 - 9,5 m/s, rất phù hợp để đặt các tuabin gió nhỏ ở độ cao 30 m với tốc độ gió khoảng 5 - 6 m/s Khu vực phía Bắc Việt Nam, gần Hải Phòng, có điều kiện gió khá tốt, với vận tốc đạt khoảng 7 m/s, trong khi đỉnh núi biên giới Việt Nam - Lào và vùng núi Tây Nam thành phố Vinh có tốc độ gió từ 8 - 9 m/s Ngoài ra, ở phía Bắc Trung Quốc tiếp giáp và phía Bắc Đông Bắc Hải Phòng, tốc độ gió có thể đạt tới 7 - 8 m/s, cho thấy nhiều khu vực ở Việt Nam có điều kiện khí hậu, lượng gió và tốc độ gió phù hợp để xây dựng nhà máy điện gió, góp phần phát triển nguồn năng lượng sạch phục vụ nhu cầu điện của quốc gia.

Hình 1.1: Phân bố tốc độ trung bình trên đất liền của Việt Nam

Các dạng máy phát thường dùng cho máy phát điện gió

1.3.1 Máy phát không đồng bộ rôto lồng

Máy phát không đồng bộ rôto lồng sóc (SCIG) là loại máy phát sử dụng phần quay làm việc với điện xoay chiều dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rôto khác với tốc độ quay của từ trường Đặc điểm nổi bật của SCIG là cấu tạo đơn giản, ít hư hỏng và chi phí bảo trì thấp Hiện nay, nhiều hệ thống điện gió nối lưới trực tiếp vẫn đang sử dụng máy phát SCIG để vận hành hiệu quả và tiết kiệm chi phí bảo trì Gần đây, máy phát điện cảm ứng đang trở thành lựa chọn phổ biến trong các hệ thống năng lượng tái tạo nhờ vào những ưu điểm về độ bền và hiệu suất.

Máy phát điện dạng rôto lồng sóc (SCIG) được sử dụng phổ biến ở các vùng xa không có điện lưới quốc gia, tận dụng nguồn năng lượng gió và khí biogas để tạo ra điện năng Các máy phát này thường hoạt động ở một tốc độ cố định, nhưng một số loại SCIG 2 tốc độ cho phép thay đổi số cặp cực để hoạt động ở 2 tốc độ khác nhau, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Hiện nay, máy phát điện gió SCIG mới nhất có công suất 3.5 MW, được sử dụng cho tuabin gió ngoài khơi, phục vụ các công trình biển xa bờ và tàu đánh bắt hải sản xa bờ.

Việc vận hành máy phát điện gió SCIG gặp nhiều bất lợi do sử dụng rotor lồng sóc, gây tiêu hao công suất phản kháng truyền từ lưới vào hệ thống Hệ thống này không thể điều chỉnh công suất phản kháng, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động và ổn định của hệ thống điện gió Tuy nhiên, máy phát SCIG vẫn là lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng năng lượng sạch do cấu trúc đơn giản và chi phí vận hành thấp Để tối ưu hóa hiệu quả, cần xem xét các công nghệ cải tiến nhằm giảm tiêu hao công suất phản kháng và nâng cao khả năng điều chỉnh của máy phát điện gió.

Việc sử dụng tụ bù công suất phản kháng là cần thiết để cải thiện hệ thống điện Khi khởi động máy phát, dòng khởi động lớn do dòng từ hóa có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến lưới điện yếu, do đó người ta thường sử dụng bộ khởi động mềm (soft starter) để giảm thiểu tác động này Tốc độ hoạt động của hệ thống có phạm vi rất hẹp, khiến khó thay đổi tỷ số tốc độ đầu cánh nhằm duy trì hiệu suất thu nhận năng lượng, đặc biệt khi tốc độ gió thay đổi gây ra áp lực lớn lên các cơ cấu cơ khí và làm tăng sự mòn Ngoài ra, dao động tốc độ gió còn gây ra dao động công suất trên lưới, ảnh hưởng đến ổn định của hệ thống điện.

Hình 1.2: Sơ đồ máy phát điện gió roto lồng sóc

1.3.2 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Máy phát 2 nguồn cấp DFIG sử dụng bộ chuyển đổi điện để cung cấp dòng điện có tần số phù hợp, qua bộ chổi than vào roto, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong hệ thống phát điện gió DFIg là loại máy phát phổ biến hiện nay nhờ vào nhiều ưu điểm phù hợp cho việc sản xuất điện gió, như khả năng kiểm soát công suất và nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng Trong hệ thống này, stato của DFIG kết nối trực tiếp với lưới điện, trong khi mạch rotor nối với bộ biến đổi công suất qua vành trượt, giúp điều chỉnh tốc độ và công suất hiệu quả Tuy nhiên, do giới hạn về số cực, các máy phát điện gió dùng SCIG thường cần phải sử dụng hộp số để phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.

DFIG có khả năng điều chỉnh tốc độ quay rôto để tối ưu hóa công suất theo từng tốc độ gió, giúp vận hành máy phát hiệu quả hơn Bộ biến đổi điện cho rôto, chiếm khoảng 30% công suất toàn máy, giúp giảm chi phí hệ thống Khi tốc độ gió thấp hơn mức định mức, công suất từ lưới được truyền qua bộ biến đổi để giảm tốc độ quay rotor mà không làm thay đổi tần số điện áp trên stato Ngược lại, khi tốc độ rotor vượt mức định mức, công suất sẽ đi qua bộ chuyển đổi để phát lên lưới, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và hiệu quả.

Hình 1.3: Sơ đồ máy phát DFIG

1.3.3 Máy phát roto dây quấn

Các loại máy phát sử dụng rôto dây quấn (WRIG) thường được kết hợp trong các hệ thống như máy phát không đồng bộ có điện trở nối với mạch rôto hoặc sử dụng bộ chuyển đổi điện thay cho điện trở nối roto Máy phát không đồng bộ rôto dây quấn có ưu điểm là dòng khởi động lớn giống như máy phát rôto lồng sóc, nhưng lại không thể điều chỉnh công suất phản kháng, đòi hỏi phải sử dụng bộ khởi động mềm và tụ bù để cải thiện hiệu suất Ngoài ra, máy phát này còn cho phép thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng hơn, từ 0% đến 10%, giúp điều chỉnh công suất đầu ra linh hoạt hơn so với roto lồng sóc.

Máy phát đồng bộ roto dây quấn có thể kết nối trực tiếp với lưới điện và điều chỉnh từ thông để thay đổi điện áp phát ra, giúp điều chỉnh công suất phản kháng để hỗ trợ lưới Khi kết nối với lưới, hệ thống điều khiển điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt và dòng kích từ để điện áp và pha phù hợp, giảm thiểu dòng khởi động và không cần dùng khởi động mềm Tuy nhiên, hoạt động ở tốc độ đồng bộ cố định có thể dẫn đến một số hạn chế về hiệu suất.

Máy phát đồng bộ Đoàn Công Danh 8 có hiệu suất nhận gió cao, tuy nhiên nó cũng gây dao động công suất và áp lực cơ khí lớn lên các bộ phận truyền động bên trong Một lợi ích chính của loại máy phát này là không cần tụ bù công suất phản kháng như các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc, bởi vì máy phát đồng bộ rotor dây quấn có khả năng phát ra công suất phản kháng và điều chỉnh mức độ phù hợp.

Hình 1.4: Sơ đồ máy phát điện gió roto dây quấn nối với điện trở phụ

Hình 1.5: Sơ đồ máy phát điện gió dùng roto dây quấn nối với bộ chuyển đổi

1.3.4 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) có hiệu suất cao hơn so với máy điện cảm ứng và không cần cung cấp nguồn năng lượng để kích thích Tuy nhiên, vật liệu dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu có chi phí đắt đỏ và gặp khó khăn trong quá trình sản xuất PMSG không cần bộ phận kích từ nhờ từ thông đã sẵn có từ các nam châm vĩnh cửu dán trên rotor Khi máy phát quay, điện áp đã xuất hiện tại các cực nối ra của máy, giúp nó phù hợp cho các hệ thống phát điện chạy bằng năng lượng gió Ngoài ra, việc sử dụng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu yêu cầu thiết bị chuyển đổi năng lượng phù hợp để tối ưu hóa hoạt động của máy phát.

SVTH: Đoàn Công Danh 9 lượng đúng tỷ lệ để điều chỉnh điện áp và tần số của máy phát điện và tần số truyền dẫn tương ứng

PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) có đặc điểm là tuabin máy phát kết nối trực tiếp với tuabin gió, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện gió Stato của PMSG gồm dây quấn và roto được trang bị hệ thống cực nam châm vĩnh cửu, có thể là cực lồi hoặc cực ẩn để phù hợp với các mục tiêu thiết kế khác nhau Để đảm bảo khả năng điều chỉnh tốc độ quay của máy phát, stato được kết nối với bộ chuyển đổi (Hình 1.6), có chức năng chuyển đổi điện áp và tần số không ổn định của máy phát thành các thông số phù hợp với lưới điện.

Hình 1.6: Sơ đồ máy phát điện gió PMSG nối với bộ chuyển đổi điện

Nội dung đề tài

Ngành công nghiệp điện gió hiện nay đang ngày càng phát triển toàn cầu, đặc biệt chú trọng đến các vấn đề liên quan đến năng lượng gió bền vững Trong hệ thống điện gió, máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) là loại máy phát truyền thống đã được sử dụng từ lâu, ưu điểm nổi bật là loại bỏ hộp số và nâng cao hiệu quả hoạt động Tuy nhiên, với số cặp cực lớn, máy phát PMSG có chi phí cao, đòi hỏi dự toán kỹ lưỡng khi sử dụng Việc này thường mang lại lợi ích rõ rệt hơn trong các dự án điện gió ngoài khơi, nơi việc bảo trì và sửa chữa gặp nhiều khó khăn hơn so với đất liền Ngoài ra, thiết kế và tính toán hệ thống điều khiển đóng vai trò cực kỳ quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và tối ưu của hệ thống máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu.

Trong việc điều khiển máy phát PMSG, việc bảo vệ máy phát khi xảy ra sự cố là非常 quan trọng Các dao động lớn trong lưới điện, như sụt áp do ngắn mạch, có thể gây ra sụt áp trên diện rộng và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thống điện Nếu các máy phát điện gió tự ngắt khỏi hệ thống khi gặp sự cố, điện áp lưới sẽ giảm mạnh, gây gián đoạn và ảnh hưởng đến công suất của toàn bộ lưới điện Do đó, việc mô phỏng hoạt động của máy phát điện gió PMSG giúp nâng cao khả năng dự đoán và thiết lập các biện pháp bảo vệ hiệu quả hơn trong hệ thống truyền tải năng lượng gió.

SVTH: Đoàn Công Danh 10 dưới điều kiện điện áp lưới mất cân bằng” sẽ tìm hiểu và mô phỏng máy phát khi có sự cố mất cân bằng

Nội dung luận văn bao gồm:

Chương 1: Giới thiệu chung về năng lượng gió: giới thiệu về tình hình năng lượng gió hiện nay và một số loại máy phát điện gió cơ bản

Chương 2: Máy phát điện gió PMSG: giới thiệu về các thành phần của máy phát điện gió công suất lớn thường gặp, mô hình toán học máy phát PMSG và các bộ chuyển đổi thường dùng cho máy phát PMSG

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển máy phát điện gió PMSG khi có sự cố mất cân bằng điện áp: bao gồm bộ chỉnh lưu phía máy phát và bộ nghịch lưu nối lưới khi có sự cố mất cân bằng điện áp, sau đó thiết kế hệ thống bằng phần mềm PSIM

Chương 4: Kết quả mô phỏng: mô phỏng và đưa ra kết quả, phân tính nhận xét kết quả

Chương 5: Kết luận và kiến nghị.

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG

Cấu tạo cơ bản của một tuabin gió

Hiện nay trên thế giới có nhiều loại tuabin gió đa dạng về kiểu dáng và kích thước, từ những loại chỉ có một cánh đến những loại có nhiều cánh với hình dạng phong phú (Hình 2.1) Các dạng tuabin này phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau, góp phần thúc đẩy năng lượng sạch và bền vững Patents on various designs highlight ongoing innovation trong công nghệ tuabin gió, giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của các hệ thống năng lượng gió.

Hình 2.1 trình bày các dạng hình dạng của các loại tuabin gió, trong đó phổ biến nhất là hai loại chính: tuabin gió điều khiển và không điều khiển được Mỗi loại tuabin gió có những đặc điểm riêng biệt phù hợp với các ứng dụng khác nhau, như đã được mô tả chi tiết trong bảng 2.1 Tuabin gió điều khiển cho phép điều chỉnh góc cánh quạt nhằm tối ưu hiệu suất hoạt động, trong khi loại không điều khiển có thiết kế cố định, phù hợp với các điều kiện gió ổn định Việc lựa chọn loại tuabin phù hợp quan trọng để tối đa hóa hiệu quả năng lượng tái tạo từ gió, góp phần thúc đẩy sự phát triển của năng lượng sạch.

Chương 2: Tìm hiểu về máy phát điện gió PMSG

Bảng 2.1: Phân loại tuabin gió

Loại tuabin Loại không điều khiển được Loại điều khiển được

Cấu tạo Đơn giản không có cơ cấu điều chỉnh cánh

Phức tạp có cơ cấu điều chỉnh cánh và các thành phần liên quan

Tính năng Công suất giảm khi quá ngưỡng vận tốc đo của gió

Công suất không thây đổi khi vận tốc gió quá ngưỡng Điều khiển công suất

Hình dáng của cánh điều khiển công suất sau ngưỡng Điều khiển cơ bằng cách thay đổi góc của cánh

Phản ứng trực tiếp từ mọi thay đổi của chế độ gió

Phản ứng với thời gian trễ nhất định sau khi có gió mạnh tác động lên bề mặt cánh

Dễ dàng , số bộ phận của cơ cấu ít

Phức tạp cần thiết bảo trì máy điều tốc và các bộ phận áp dầu

Tuabin gió là một thiết bị cơ khí khá đơn giản, cấu tạo cũng không phức tạp

Cơ chế hoạt động của turbine gió bắt đầu từ việc luồng không khí chuyển động tạo lực đẩy làm quay cánh quạt, sinh ra lực cơ học dọc theo trục của tuabin Các bộ phận chuyển động của máy phát điện sẽ quay cùng trục của tuabin để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng tái tạo phục vụ đời sống, giúp giảm chi phí tiền điện Động năng của gió được chuyển đổi thành lực đẩy cơ học qua cánh quạt gió, được gắn trên bộ roto hub, trong đó có bộ điều chỉnh góc lệch cánh để tối ưu hiệu suất Roto hub kết nối với trục chính, có thể qua hộp số tăng tốc để phù hợp với tốc độ hoạt động của máy phát, hoặc trực tiếp nối với máy phát nếu không sử dụng hộp số, từ đó tạo ra nguồn năng lượng sạch và bền vững cho cuộc sống hàng ngày.

Ngoài các bộ phận chính liên quan đến quá trình chuyển đổi năng lượng, còn có các thành phần phụ trợ có vai trò quan trọng trong cảm biến và điều khiển hệ thống để vận hành an toàn và tối ưu hiệu suất Các bộ phận này bao gồm cột đỡ, hệ thống điều chỉnh góc lệch cánh và góc đón gió, cảm biến gió, phanh roto và bộ điều khiển [3].

Cánh là bộ phận đặc trưng của một máy phát điện gió Cánh còn có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình nhận năng lượng từ gió Cấu tạo của cánh quạt

SVTH: Đoàn Công Danh 13 phụ thuộc vào những quy luật khí động và yêu cầu về sức bền Cánh tuabin gió được cấu tạo từ những vật liệu như composite, sợi thủy tinh, nhôm và sợi cacbon Những vật liệu đòi hỏi đảm bảo được tính bền, độ cứng và trọng lượng nhẹ

Trong các máy phát điện gió công suất lớn thường sử dụng cánh tuabin gồm 3 cánh để tối ưu hiệu suất và độ bền Việc duy trì tốc độ của cánh dưới tốc độ âm thanh là quan trọng để tránh giảm lực nâng, giảm tiếng ồn và hạn chế tác động lực ly tâm lên cánh khi vượt qua tốc độ âm thanh Số lượng cánh càng nhiều giúp giảm tốc độ quay và tăng mômen, nhưng lại làm tăng chi phí và gây nhiễu động không khí do các cánh gần nhau gây ra Trong khi đó, cánh gió nhỏ hơn, như 1 hoặc 2 cánh, cho tốc độ quay cao hơn nhưng dễ gây mất cân bằng lực, ảnh hưởng đến cấu trúc thân cột của tuabin.

Hình 2.2: Cấu trúc khí động lực học của cánh máy phát điện gió

Nguyên lý hoạt động của cánh tuabin gió dựa trên nguyên lý lực đẩy Bernoulli, tương tự như nguyên lý của cánh máy bay Mặt cong của cánh tạo ra sự khác biệt về tốc độ giữa mặt trên và mặt dưới, với mặt trên có tốc độ cao hơn làm giảm áp suất và tạo ra lực đẩy từ dưới lên Công suất của khối không khí di chuyển với tốc độ v_w qua diện tích A liên quan đến vận tốc và diện tích mặt, theo công thức của Borkar và Kulkarni (2015).

P  2  Av (2.1) Trong đó: ρ là tỉ trọng không khí (kg/m 3 )

A là diện tích bề mặt đón gió (m 2 )

Vw là tốc độ gió (m/s)

Trong các tình huống thực tế, turbine gió thường có hệ số công suất thấp hơn hệ số Betz lý thuyết Công suất thu nhận từ gió để phục vụ mục đích mô phỏng được trình bày bởi Barakati (2011), nhấn mạnh rằng hiệu suất của turbine gió phụ thuộc vào nhiều yếu tố thực tế, khiến hệ số công suất thực tế thấp hơn so với lý thuyết Betz.

C p là hệ số chuyển đổi công suất của cánh

Hệ số C p cực đại theo lý thuyết là 0,593 theo định luật Betz, tuy nhiên thực tế hệ số này thường đạt từ 0,2 đến 0,5 tùy thuộc vào loại cánh quạt và chế độ hoạt động Một tuabin gió 3 cánh có đường kính 82m hoạt động ở tốc độ gió 12 m/s, với tỉ lệ khí quyển là 1,225 kg/m³ và hệ số C p = 0,36, sẽ tạo ra công suất gió khoảng 2 MW Để tăng công suất thu được, có thể tăng tốc độ gió, mở rộng diện tích đón gió hoặc nâng cao hệ số chuyển đổi công suất Tuy tốc độ gió không thể điều chỉnh theo ý muốn, nhưng ta có thể chọn vị trí đặt cột thu gió ở nơi có gió mạnh hoặc tăng chiều cao cột để tận dụng gió tốt hơn Khi tăng gấp đôi tốc độ gió, công suất thu được sẽ tăng lên gấp 8 lần Ngoài ra, cũng có thể tăng kích thước cánh quạt bằng cách mở rộng diện tích A = πr², trong đó r là chiều dài cánh.

2.1.2 Hệ thống điều chỉnh góc lệch cánh

Cơ cấu điều chỉnh góc lệch cánh trên tuabin gió lớn cho phép cánh quay quanh trục của chúng để thay đổi góc cắt gió α, giúp tối ưu hóa công suất thu nhận và bảo vệ máy phát Khi tốc độ gió dưới mức định mức, góc đón gió α được điều chỉnh để giảm hệ số C p, duy trì công suất phù hợp với tiêu chuẩn Thông thường, cơ cấu này cho phép cánh quay trong khoảng 20 đến 25 độ để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu Đường đặc tính công suất thể hiện qua ba tốc độ chính: tốc độ bắt đầu, tốc độ định mức và tốc độ cắt; trong đó, ở tốc độ bắt đầu, tuabin bắt đầu hoạt động, còn ở tốc độ định mức, máy phát phát ra công suất tối đa Khi gió đạt tới tốc độ cắt, công suất điện đầu ra không tăng thêm nữa nhờ hệ thống điều chỉnh góc lệch cánh nhằm giới hạn công suất đầu ra, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành của hệ thống.

SVTH: Đoàn Công Danh 15 phát sẽ dừng hoạt động, góc cánh sẽ xoay để không nhận được gió, phanh roto sẽ đóng lại để giữ khóa cánh

Hình 2.3: Đường biểu diễn quan hệ giữa hệ số công suất và công suất phát điện theo tốc độ gió

Hệ số tốc độ đầu cánh là một hệ số rất quan trọng trong vận hành tuabin gió

Hệ số này là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh với tốc độ của gió: w

Trong đó: r là bán kính mặt đón gió hay chiều dài cánh; v wlà tốc độ gió;

 M là tốc độ góc của cánh

Hệ số Cₚ là một hàm số phụ thuộc vào hệ số đầu cánh λ và góc lệch cánh α Khi điều chỉnh góc lệch cánh, hệ số Cₚ thay đổi, giúp tối ưu hoặc giới hạn công suất gió nhận được Hệ số Cₚ đạt giá trị cực đại khi hệ số đầu cánh λ và góc α phù hợp với tốc độ gió, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho turbins Mỗi cấu hình cánh có một tỷ số λ tối ưu gọi là λₒₚₜ, được tính bằng công thức riêng phù hợp.

Từ công thức (2.4) ta thấy rằng để hệ số công suất đạt tối ưu thì tốc độ roto phải được thay đổi theo từng tốc độ gió [4]

Hộp số đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ quay của tuabin, giúp tuabin vận hành hiệu quả ở tốc độ quay thấp Điều này đặc biệt cần thiết vì tốc độ quay của cánh quạt máy phát điện gió công suất lớn thường cao hơn so với mức cần thiết để tạo ra điện năng Nhờ có hộp số, hệ thống có thể tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng gió thành điện, nâng cao hiệu suất vận hành của nhà máy điện gió.

500 kW thường từ 6 – 20 vòng/phút Tuy nhiên, tốc độ quay của máy phát hoạt động thường từ 1000 – 1500 vòng/phút cho hệ thống lưới 50 Hz

Hộp số thường được chế tạo từ các vật liệu cao cấp như hợp kim nhôm, thép không rỉ hoặc sắt đúc nguyên khối để đảm bảo độ bền và chất lượng cao Hiệu suất của hộp số đạt từ 95% đến 98%, giúp tối ưu chức năng truyền động Trong điều kiện thời tiết có gió giật mạnh, lực tác động lớn gây ra momen quay và áp lực lên các răng của hộp số, dẫn đến quá trình mài mòn và giảm tuổi thọ Chính vì vậy, việc bảo trì và sửa chữa định kỳ là cần thiết để duy trì hiệu suất và độ bền của hộp số sau thời gian sử dụng.

2.1.4 Bộ điều chỉnh hướng gió

Bộ điều chỉnh hướng gió giúp quay hướng của tuabin gió phù hợp với hướng gió để tối đa hóa khả năng thu nhận năng lượng Hệ thống này thường sử dụng nhiều động cơ điện để quay trục trụ qua bánh răng nằm trong cột trụ, đảm bảo tuabin luôn hướng theo gió một cách chính xác và hiệu quả.

Hình 2.4: Động cơ điện và bộ bánh răng điều chỉnh hướng gió

Mô hình toán học của của tuabin gió nam châm vĩnh cửu

Thay đổi góc lệch cánh giúp điều chỉnh công suất cơ học mà cánh tuabin gió nhận được từ gió, là phương pháp phổ biến để kiểm soát hoạt động của máy phát điện gió có thể điều chỉnh tốc độ quay Hệ số công suất C_p có thể được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh góc lệch cánh α và tỷ số tốc độ đầu cánh λ, từ đó nâng cao hiệu suất và hiệu quả vận hành của hệ thống điện gió.

Công suất cơ P M mà tuabin gió thu được có giá trị:

T  P  (2.5) Momen cơ mà cánh nhận được:

Công suất điện và momen điện từ của máy phát

 E là hiệu suất của hệ thống điện

 M là hiệu suất của hệ thống cơ khí

 E là tốc độ góc của điện

 M là tốc độ góc của cánh Ở mỗi góc lệch cánh nhất định sẽ có 1 điểm mà ở đó hệ số C p cao nhất, như

Hình 2.6 cho thấy cách điều chỉnh góc lệch cánh để tối ưu hệ số nhận công suất dựa trên đường đặc tính công suất theo tốc độ gió (Hình 2.7) Khi tốc độ gió thấp, góc lệch cánh được điều chỉnh để đạt công suất tối đa, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành của hệ thống Ngược lại, ở tốc độ gió cao hơn mức định mức, góc lệch cánh được tự động điều khiển để duy trì công suất máy phát bằng với công suất định mức, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của thiết bị.

Hệ số công suất không phải là một giá trị cố định mà biến đổi theo điều kiện hoạt động Công thức tính hệ số công suất sử dụng trong mô phỏng dựa trên tỷ lệ tốc độ đầu cánh và góc lệch cánh của tuabin gió Hệ số Cₚ được xác định dựa trên bộ tuabin gió của PSIM, giúp đánh giá hiệu quả năng lượng và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống gió Việc hiểu rõ và tính chính xác hệ số công suất là yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành các nguồn năng lượng tái tạo từ gió.

Tỷ số tốc độ đầu cánh so với tốc độ gió:

là góc lệch cánh của tuabin gió; v w là tốc độ gió; r là độ dài cánh tuabin

'là hệ số được tính theo công thức:

Dựa vào đường đặc tính Cp theo tốc độ gió và hệ số tốc độ đầu cánh, ta có thể thiết kế hệ thống điều khiển dò tìm điểm tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống Việc phân tích chính xác các yếu tố này giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác cao hơn trong vận hành Hệ thống điều khiển tự động dựa trên các thông số này sẽ giúp xác định điểm tối ưu một cách nhanh chóng và chính xác nhất.

Hình 2.6: Đường đặc tính của C p theo góc lệch cánh và tỷ số đầu cánh

Hình 2.8 thể hiện momen cơ của tuabin gió theo từng tốc độ gió, cho thấy rõ mối quan hệ giữa tốc độ gió và mô-men quay của tuabin Với mỗi tốc độ gió, đường đặc tính momen theo tốc độ quay đạt cực đại tại một điểm đỉnh, cho thấy tuabin phát công suất tối đa ở tốc độ quay phù hợp Điều này giúp xác định vùng hoạt động tối ưu của tuabin gió để đảm bảo công suất hiệu quả và ổn định trong các điều kiện gió khác nhau.

Hình 2.7: Đường đặc tính công suất điện của một máy phát điện gió

Hình 2.8: Đường đặc tính momen cơ thu được theo từng tốc độ gió với các giá trị ω

Sử dụng kỹ thuật điều khiển tốc độ đấu cánh giúp xác định điểm công suất cực đại của tuabin gió Với từng tốc độ gió cụ thể, hệ thống điều khiển sẽ tính toán tốc độ quay tham chiếu * theo dạng công thức đã được chứng minh trong nghiên cứu [5], giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của tuabin Quản lý chính xác tốc độ quay dựa trên điều kiện gió nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả vận hành của hệ thống turbine gió.

Công suất ở tốc độ tối ưu tính theo biểu thức:

Trong đó: r là bán kính tuabin;

 opt là tỷ số tốc độ đầu cánh tối ưu.

Mô hình toán học máy phát PMSG

Trong máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu, từ thông roto được sinh ra bởi các nam châm vĩnh cửu, loại bỏ nhu cầu kích từ và chổi than, giúp giảm tổn thất dây quấn roto và nhiệt sinh Điều này làm tăng tỷ lệ công suất trên khối lượng của máy phát, đồng thời cải thiện hiệu suất hoạt động Tuy nhiên, nhược điểm chính của máy phát nam châm vĩnh cửu là chi phí cao do giá thành của nam châm vĩnh cửu và khả năng giảm độ từ hóa do từ trường ngược hoặc nhiệt độ cao Có hai loại roto trong máy phát nam châm vĩnh cửu là roto cực từ ẩn và roto cực từ lồi, mang lại sự đa dạng trong thiết kế và ứng dụng.

Hình 2.9 mô tả cấu tạo của rôto cực từ ẩn và cực từ lồi, trong đó rôto cực từ lồi có các nam châm đặt trên mặt ngoài, dễ thi công và chi phí thấp nhưng chịu lực ly tâm lớn, phù hợp cho các máy phát tốc độ thấp Ngược lại, rôto cực từ ẩn có các nam châm đặt trong lòng rôto giữa các vật liệu sắt từ, có khả năng chịu lực ly tâm cao hơn, thích hợp cho các máy phát hoạt động ở tốc độ cao Để thiết kế bộ điều chỉnh hiệu quả, cần xây dựng mô hình toán học chính xác phản ánh đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh, nhằm phát triển các thuật toán kiểm soát phù hợp Ngoài ra, để đơn giản hóa quá trình điều khiển, người ta thường chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện từ hệ ba pha sang hệ hai pha.

Đoàn Công Danh 22 đề cập đến việc chuyển hệ quy chiếu từ hệ abc sang hệ dq hoặc αβ nhằm đơn giản hóa quá trình theo dõi và tính toán hai pha hơn so với ba pha Khung tham chiếu đồng bộ dq giúp dễ dàng hơn trong việc xác định điện áp v_d và v_q, trong đó điện áp DC trên hệ trục quay đóng vai trò quan trọng trong phân tích các mạch điện xoay chiều Việc chuyển đổi này tạo điều kiện thuận lợi cho các kỹ sư trong quá trình điều khiển và phân tích hệ thống điện, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng kỹ thuật.

Tốc độ quay của trục dq thường được thay thế bằng tốc độ quay của rôto để đơn giản hóa tính toán Các cảm biến L_m được quy đổi thành L_dm và L_qm để phù hợp với hệ quy chiếu dq của dòng điện stato Trong hệ quy chiếu này, dòng điện i_ds và i_qs xuất phát từ stato, phần lớn là của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Sơ đồ mạch tương đương của máy phát PMSG thể hiện rõ các thành phần chính, giúp dễ dàng phân tích và thiết kế hệ thống.

Hình 2.10 trình bày sơ đồ mạch tương đương của máy phát PMSG trong hệ tọa độ dq, giúp phân tích và điều chỉnh các giá trị điện áp hiệu quả Giá trị điện áp v_ds và v_qs của mạch thay thế được biểu diễn qua các tham số như R_s, v_{R_s}, i_d, i_q, giúp tối ưu hóa hiệu suất máy phát Mạch mô phỏng này còn cung cấp các công thức liên quan đến sự biến thiên của điện áp và dòng điện theo thời gian, như v_{R_s} = R_s i_d và v_{R_s} = R_s i_q, góp phần nâng cao khả năng kiểm soát và vận hành của hệ thống.

Công suất điện PE và momen điện từ TE của máy phát:

U s và I s là điện áp (V) và dòng điện dây hiệu dụng stato (A); cosφ là hệ số công suất;

L q và L d : độ tự cảm của máy phát trên trục d và q (H);

R s : điện trở stator (Ω); i q và i d : dòng điện trên trục d và q (A); λ: từ thông của nam châm vĩnh cửu (Wb); ω r là tốc độ góc của rôto;

SVTH: Đoàn Công Danh 23 p: số cặp cực s

 d và  q s là từ thông liên kết cho bởi phương trình: s s r s s d d d q d d

 r là từ thông roto L d và L q là từ thông cảm ứng dq của stato: s s d l dm q l qm

Ta có điện áp và dòng điện stato: s s s s qs qs ds qs d s d r q q d d s r d q r r v R i L i L d i dt v R i L i L d i dt

Công suất của máy phát tính theo hệ quy chiếu dq: s s s s

Trong đó: v ds và v qs là điện áp, i ds và i qs là dòng điện máy phát theo hệ quy chiếu dq.

Mô hình hệ thống vận hành và điều khiển tuabin gió PMSG

Trong hệ thống điều khiển tuabin gió sử dụng máy phát nam châm vĩnh cửu, bộ nghịch lưu đóng vai trò điều chế độ rộng xung nguồn áp để điều khiển Các đại lượng điều khiển được thực hiện trong hệ tọa độ dq và sau đó biến đổi thành các đại lượng ba pha để điều khiển bộ điều khiển độ rộng xung Các bộ biến đổi điện tử công suất giữ vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của toàn bộ hệ thống.

Đoàn Công Danh 24 chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện PMSG giúp điều chỉnh hòa đồng bộ cho máy phát điện và tách máy khỏi lưới khi cần thiết Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới đóng vai trò giữ ổn định điện áp một chiều trung gian và chuyển đổi thành điện áp (AC) để nối lưới hiệu quả.

Bộ chuyển đổi điện của máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu có nhiều loại cấu hình khác nhau, trong đó phổ biến nhất là chỉnh lưu máy phát bằng cầu diot để biến đổi từ dòng xoay chiều AC thành dòng một chiều DC Sau đó, điện áp DC được dẫn qua mạch tăng áp để nâng cao điện áp lên một mức ổn định, phù hợp với yêu cầu hệ thống Trong bài viết này, chúng tôi tập trung giới thiệu về bộ chuyển đổi sử dụng mạch chỉnh lưu tăng áp cầu 3 pha IGBT nhằm tối ưu hiệu suất và độ bền của hệ thống phát điện gió.

Bộ chỉnh lưu mạch cầu IGBT có cấu tạo và quy trình điều khiển phức tạp, đồng thời giá thành cao hơn so với mạch cầu diot do phải sử dụng nhiều thiết bị điện tử công suất Tuy nhiên, đối với máy phát PMSG công suất lớn thì bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ cung cấp khả năng điều khiển dòng điện, từ trường và tốc độ quay roto để vận hành máy phát chính xác và tối ưu [2]

Bộ chỉnh lưu có vai trò chuyển đổi điện áp AC từ máy phát sang điện áp DC ổn định để cấp cho bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu nối lưới sử dụng mạch cầu điều khiển và phương pháp điều chế độ rộng xung PWM nhằm điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng truyền tải lên lưới điện hiệu quả.

Hình 2.11: Sơ đồ điều khiển hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát PMSG

2.4.1 Cấu tạo, nguyên lý bộ chỉnh lưu máy phát

Bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển được xây dựng từ 6 khóa đóng cắt bằng linh kiện bán dẫn, cho phép chuyển đổi trạng thái với tần số cao để tối ưu hiệu suất Công nghệ điều chế độ rộng xung PWM giúp điều chỉnh điện áp và dòng điện theo dạng sóng sine, giảm thiểu sóng hài và nâng cao chất lượng nguồn cung cấp Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào bộ chỉnh lưu nguồn áp 2 cấp, mang lại hiệu suất ổn định và khả năng điều khiển chính xác.

Bộ chỉnh lưu nguồn áp 2 bậc là thiết bị chuyển đổi điện áp từ AC sang DC sử dụng 6 khóa IGBT, trong đó mỗi pha có 2 khóa IGBT hoạt động nhằm đảm bảo hiệu quả chuyển đổi tối ưu Sau quá trình chỉnh lưu, điện áp DC được lọc sạch hơn nhờ vào tụ điện C giúp ổn định đầu ra điện áp Hệ thống này thích hợp trong các ứng dụng cần nguồn điện ổn định, đảm bảo hoạt động liên tục của các thiết bị điện.

Hình 2.12: Cấu trúc khối chỉnh lưu áp 2 bậc có điều khiển

Trong máy phát điện gió PMSG, bộ chỉnh lưu đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh từ trường trong máy phát, giúp duy trì tốc độ quay phù hợp và ổn định điện áp DC đầu ra Công đoạn này thực hiện bằng cách đóng cắt các khóa IGBT theo trình tự và quy luật nhất định, đảm bảo quá trình chuyển đổi năng lượng hiệu quả và ổn định.

Bộ chỉnh lưu nguồn áp có nhược điểm lớn là tiêu thụ công suất nhiều hơn so với bộ chỉnh lưu nguồn dòng, gây tiêu tốn năng lượng không hiệu quả Ngoài ra, việc bảo vệ chống lại các sự cố ngắn mạch cũng gặp nhiều khó khăn hơn, đòi hỏi hệ thống phản ứng nhanh chóng và chính xác Khi sử dụng nguồn áp đa bậc, cần nối tiếp nhiều IGBT để điều khiển, làm tăng độ phức tạp trong quá trình vận hành và kiểm soát hệ thống.

2.4.2 Cấu tạo, nguyên lý bộ nghịch lưu nối lưới

Các bộ inverter đã được dùng rộng rãi trong công nghiệp để chuyển điện áp

Máy phát điện gió PMSG có khả năng điều chỉnh tần số và biên độ dòng điện DC, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành Inverter được kết nối với lưới điện để chuyển đổi công suất DC thành AC, đảm bảo truyền tải điện năng ổn định và hiệu quả từ nguồn gió ra hệ thống điện lưới.

Bộ nghịch lưu nguồn áp 2 bậc sử dụng công nghệ điều khiển bằng PWM để tối ưu hóa hiệu suất Các cấu hình của bộ nghịch lưu, bao gồm nguồn áp 2 bậc hoặc đa bậc, giúp điều chỉnh dòng điện đầu ra một cách chính xác và ổn định hơn Việc lựa chọn bộ nghịch lưu phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về công suất và ứng dụng cụ thể, trong đó bộ nghịch lưu nguồn áp 2 bậc là sự lựa chọn phổ biến nhờ khả năng kiểm soát linh hoạt Công nghệ PWM trong bộ nghịch lưu giúp điều chỉnh tần số và biên độ tín hiệu điện áp, nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng và giảm thiểu tổn thất.

Bộ nghịch lưu nguồn áp 2 bậc có cấu tạo giống với bộ chỉnh lưu nguồn áp 2 bậc, gồm 6 van IGBT và 6 diode mắc song song ngược theo mỗi van, đảm bảo hiệu quả chuyển đổi điện năng Điểm khác biệt chính nằm ở quy trình đóng cắt và trình tự khóa các bán dẫn, cũng như hướng công suất hoạt động, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống nghịch lưu.

Hình 2.13: Sơ đồ khối nghịch lưu nguồn áp 2 bậc

2.4.3 Điều chế độ rộng xung sin (PWM) Điều chế độ rộng xung là thực hiện việc tạo ra các chuỗi xung vuông liên tục để đưa vào chân điều khiển của các van bán dẫn trong nghịch lưu bằng cách so sánh

Trong hệ thống điều khiển công nghiệp, ba điện áp có dạng sóng sin tham chiếu cùng với sóng mang hình tam giác (Hình 2.14) được sử dụng để điều khiển các chuỗi xung Các chuỗi xung này có độ rộng được điều chỉnh để tạo ra điện áp ra tải gần với dạng sóng sin lý tưởng nhất, giúp nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng Chu kỳ đóng mở của các van bán dẫn tương ứng với chu kỳ của các xung điều khiển, đảm bảo quá trình chuyển đổi linh hoạt và chính xác Độ rộng của xung điều khiển được thiết kế sao cho lớn nhất tại đỉnh của sóng sin và nhỏ nhất tại các điểm bằng không của sóng sin, nhằm tối ưu hóa dạng sóng đầu ra Diện tích của mỗi xung xung quanh gần bằng diện tích dưới dạng sóng sin mong muốn giữa hai điểm mở liên tiếp của van bán dẫn, giúp duy trì chất lượng điện áp ra ổn định và phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật.

Hình 2.14: Xung đóng cắt các khóa khi so sánh sóng mang và sóng điều chế

SVTH: Đoàn Công Danh 27 Điện áp ra của bộ chuyển đổi SPWM có thể thay đổi bằng hệ số điều chế biên độ:

V và Vˆ 0 là giá trị điện áp sóng điều chế và sóng mang

Hệ số điều chế tần số:

 f (2.26) Trong đó: f 0 và f control là tần số sóng mang và sóng điều chế

Mô hình PWM đồng bộ xảy ra khi sóng mang được điều chế cùng tần số với sóng điều chế, đảm bảo sự phối hợp chính xác giữa hai tín hiệu Ngược lại, mô hình PWM không đồng bộ giữ sóng mang ở một tần số cố định, không phụ thuộc vào sóng điều chế, khiến quá trình điều khiển đơn giản hơn Tuy nhiên, khi thay đổi tần số sóng điều chế trong mô hình PWM không đồng bộ, sẽ xuất hiện các sóng hài không phải bội số của tần số sóng nguyên bản, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.

Các phép biến đổi abc/dq, abc/𝛂𝛃, 𝛂𝛃/dq

Để thuận tiện cho việc điều khiển và tính toán, người ta thường chuyển các giá trị từ hệ 3 pha (hệ abc 3 vectơ) sang các hệ trục khác như hệ khung tham chiếu tĩnh αβ hoặc hệ khung tham chiếu quay đồng bộ dq Việc chuyển đổi này giúp giảm số lượng vectơ còn 2, từ đó việc tính toán và theo dõi các giá trị sẽ trở nên đơn giản hơn so với hệ 3 pha.

Biến đổi abc/𝛂𝛃, còn gọi là biến đổi Clarke, là phép biến đổi toán học giúp đơn giản hóa phân tích mạch điện 3 pha Hệ αβ là hệ trục tĩnh gồm trục thực xα và trục ảo xβ, lệch nhau 90 độ (Hình 2.17) Giá trị của xα và xβ dùng để biểu diễn dòng điện hoặc điện áp trong hệ trục αβ Khung tham chiếu αβ cố định, không đổi, giúp dễ dàng đặt góc lệch giữa trục α và trục a bằng 0, tối ưu hóa quá trình phân tích mạch điện 3 pha.

Hình 2.17: Các vecto của hệ abc và αβ

Ma trận chuyển đổi từ hệ abc sang αβ:

Ma trận chuyển đổi αβ sang abc:

Khi đặt trục α và trục a trùng nhau và 3 pha abc cân bằng, giá trị được tính như sau:

Phép chuyển đổi abc/dq còn gọi là chuyển đổi Park Biến đổi này chuyển hệ

Hệ thống 3 pha ABC được chuyển đổi sang hệ 2 pha DQ với khung quay tốc độ góc ω giúp đơn giản hóa phân tích Trong đó, giá trị xd trục d và xq trục q có thể biểu diễn dòng điện hoặc điện áp trong khung tham chiếu dq Trục d và q được đặt vuông góc với nhau, tạo thành cơ sở để dễ dàng theo dõi và điều khiển các tham số điện trong hệ thống.

Ma trận chuyển đổi từ hệ abc sang dq:

Ma trận chuyển đổi từ hệ dq sang abc: cos sin

Trong công thức chuyển đổi từ khung abc sang dq, hệ số 3 được sử dụng để đảm bảo giá trị biên độ dq sau chuyển đổi bằng biên độ điện áp 3 pha Góc θ thể hiện góc quay đồng bộ trong quá trình chuyển đổi Dạng sóng của các giá trị trong khung abc sau khi chuyển đổi sẽ được biểu diễn theo khung tham chiếu αβ và dq, như minh họa trong Hình 2.19, giúp phân tích tín hiệu điện một cách chính xác hơn trong các hệ thống truyền tải và điều khiển inverters.

Hình 2.19: Các dạng sóng thu được sau các phép biến đổi

Chuyển đổi 𝛂𝛃0/dq0 là quá trình thực hiện phép biến đổi các thành phần của hệ thống αβ trong khung tham chiếu tĩnh thành các giá trị trong khung tham chiếu quay Quá trình này giúp chuyển đổi giữa các khung tham chiếu để phân tích và xử lý các hệ thống điện tử hoặc cơ học một cách chính xác hơn Việc chuyển đổi này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu phân tích các hệ thống trong khung tham chiếu quay, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các mô phỏng kỹ thuật.

SVTH: Đoàn Công Danh đề cập đến quá trình đồng bộ hóa dq, trong đó chuyển đổi dq sang hệ αβ là bước quan trọng Quá trình này thực hiện phép biến đổi các thành phần của khung tham chiếu quay đồng bộ dq thành các thành phần của hệ αβ, giúp nâng cao hiệu quả trong điều khiển và phân tích hệ thống.

Phép chuyển đổi Park theo hàm cos được áp dụng khi khung quay đặt trùng với trục a của hệ abc tại thời điểm t=0, trong khi phép chuyển đổi Park theo hàm sin được thực hiện khi khung quay vuông góc với trục a cùng thời điểm Hình 2.18 minh họa các vectơ của hệ abc, dq, và αβ được đặt trùng nhau, với trục α trùng với trục a, và khung dq đang quay với tốc độ ω, tạo thành góc ωt tại thời điểm t.

Chọn vị trí của khung quay theo thời gian t là ωt, khung quay trùng với trục a tại t=0, ta được ma trận chuyển từ αβ sang dq:

Chuyển từ hệ dq sang αβ:

Nếu khung quay vuông góc với trục a tại t=0, chuyển đổi αβ/dq có dạng

0 0 sin( ) sin( 2 / 3) sin( 2 / 3) cos( ) cos( 2 / 3) cos( 2 / 3)

Chuyển đổi dq/αβ có dạng:

Hình 2.18: Hệ abc khi chuyển sang hệ αβ và hệ dq

Bộ điều khiển PI, PR

2.6.1 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI

Bộ điều khiển PI là vòng điều khiển có phản hồi thường được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu điều chỉnh liên tục, giúp duy trì hoạt động ổn định Thuật toán của bộ PI dựa trên việc tính toán tín hiệu ra bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu với tín hiệu đầu ra đã được chuyển đổi, từ đó điều chỉnh các thông số phù hợp để cải thiện hiệu quả điều khiển Sơ đồ của bộ điều khiển PI thể hiện rõ các thành phần và mối liên hệ, được trình bày trong Hình 2.19 [9], giúp dễ dàng hình dung quá trình điều chỉnh tự động.

Hình 2.19: Sơ đồ khối của bộ điều khiển

Thuận toán của bộ điều khiển:

I K i  e t dt (2.37) Hàm truyền của bộ điều khiển: i

K p là độ lợi tỷ lệ;

K i là độ lợi tích phân; e(t) là sai số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra

Bộ điều khiển tỷ lệ - cộng hưởng PR (Proportional Response) là thiết bị quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp ngõ ra đạt giá trị mong muốn về biên độ và tần số Nó hoạt động hiệu quả khi đối mặt với tải mất cân bằng hoặc tải phi tuyến, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định Trong thiết kế phần cứng, bộ điều khiển này có đặc điểm nổi bật là ba pha ngõ ra hoàn toàn độc lập, giúp tối ưu hóa khả năng kiểm soát và tăng độ tin cậy của hệ thống điện.

Đoàn Công Danh 34 với nha, do đó điện áp của mỗi pha được điều khiển độc lập nhằm tối ưu hóa hiệu suất và ổn định của hệ thống Sơ đồ của bộ điều khiển PR được thể hiện rõ trong Hình 2.20, giúp người đọc dễ dàng hình dung và áp dụng công nghệ này vào các ứng dụng thực tiễn.

Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển dòng điện bộ điều khiển PR

Trong hệ tọa độ đồng bộ, hàm truyền đạt của bộ điều khiển PI được thể hiện rõ ràng hơn so với hệ tọa độ tĩnh, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển theo chuỗi thành phần theo phương trình [9] Việc chuyển đổi này mang lại lợi ích về khả năng phân tích, điều chỉnh và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điều khiển Áp dụng mô hình trong hệ tọa độ đồng bộ giúp giảm thiểu sai số và cải thiện độ ổn định của bộ điều khiển PI trong các ứng dụng thực tế.

G  s , G PI  ( )s là hàm truyền cho chuỗi thành phần thứ tự thuận và nghịch;

1là tần số góc cơ bản của dòng điện

Từ biểu thức (3.25) ta có hàm truyền tổng hợp của bộ điều khiển cộng hưởng:

Với K P ' , K I ' là độ lợi tỷ lệ và độ lợi cộng hưởng của bộ điều khiển PR Hàm truyền vòng kín của hệ thống:

Tiêu chuẩn nối lưới

Điện gió đang cung cấp công suất ngày càng lớn cho lưới điện, thúc đẩy các quốc gia đưa ra các tiêu chuẩn khắt khe hơn để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành Mỗi quốc gia có quy định riêng về tiêu chuẩn kỹ thuật cho các nhà máy điện gió nối lưới, nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện và tối ưu hóa hiệu suất của dự án Việc thiết lập các tiêu chuẩn chặt chẽ này giúp giảm thiểu rủi ro về kỹ thuật và môi trường, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng gió.

Đoàn Công Danh SVTH được đánh giá cao về độ tin cậy, độ ổn định và tính kinh tế trong hệ thống điện Các tiêu chuẩn mới liên tục được xây dựng và nâng cao nhằm loại bỏ những tác động tiêu cực của năng lượng tái tạo đối với lưới điện Một trong những yêu cầu cốt lõi của tiêu chuẩn là đảm bảo khả năng vượt qua sự cố và kiểm soát công suất phản kháng hiệu quả, góp phần nâng cao độ ổn định và an toàn của hệ thống điện.

2.7.1 Khả năng vượt qua sự cố

Các dao động lớn trong lưới điện như sụt áp do ngắn mạch có thể gây ra sụt áp trên diện rộng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống Nếu các máy phát điện gió tự cắt khỏi hệ thống khi có sự cố, điện áp lưới sẽ giảm mạnh hơn, làm giảm tần số và gây lan rộng sự cố Do đó, tiêu chuẩn mới yêu cầu các máy phát điện gió phải duy trì liên kết với lưới và hỗ trợ điều chỉnh điện áp khi giảm trong phạm vi và thời gian giới hạn, nhằm đảm bảo ổn định và an toàn cho hệ thống điện.

Kiểm soát công suất tác dụng là yếu tố then chốt giúp duy trì sự ổn định của hệ thống điện trong suốt các sự cố thoáng qua Khi công suất có thể giảm hiệu quả trong thời điểm sự cố, tuabin sẽ ngăn chặn quay quá tốc độ, bảo vệ thiết bị và hệ thống Sau khi sự cố kết thúc, việc giảm công suất phản kháng để phù hợp giúp thiết lập lại điện áp lưới, đảm bảo sự cân bằng và ổn định tần số Thông thường, bộ chuyển đổi tạm thời làm giảm công suất tác dụng trong giai đoạn điện áp thấp, từ đó thúc đẩy phát ra công suất phản kháng để duy trì ổn định Việc nhanh chóng khôi phục công suất tác dụng bình thường sau sự cố là cần thiết nhằm duy trì sự ổn định của lưới điện và tránh mất cân bằng hệ thống Hình 2.21 trình bày các đường cong tiêu chuẩn về điện áp tại điểm đấu nối của các nhà máy điện gió trong các tình huống sự cố lưới điện [10].

Hình 2.21: Yêu cầu vượt qua sự cố của một số nước Châu Âu

2.7.2 Khả năng điều khiển công suất phản kháng

Điều khiển công suất phản kháng thường được biểu diễn bằng biểu đồ P-Q, phản ánh sự phụ thuộc của công suất phản kháng vào mức công suất tác dụng của nhà máy phát điện Hình 2.22 trình bày giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng theo tiêu chuẩn của một số quốc gia Châu Âu, giúp xác định phạm vi điều chỉnh phù hợp để đảm bảo ổn định hệ thống điện Việc điều chỉnh công suất phản kháng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng nguồn điện và tối ưu hóa hoạt động của các nhà máy phát điện.

Hình 2.22: Yêu cầu khoảng điều chỉnh công suất phản kháng một số nước

2.7.3 Ảnh hưởng của điện áp lưới mất cân bằng đến hệ thống

Ngắn mạch trong hệ thống điện là hiện tượng các dây dẫn pha chạm nhau hoặc chạm đất trong hệ thống có dây trung tính, gây giảm tổng trở của hệ thống và làm dòng điện tăng đột biến gọi là dòng ngắn mạch Đây là sự cố nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn và hoạt động của hệ thống điện, yêu cầu các biện pháp phòng ngừa và xử lý kịp thời Hiểu rõ nguyên nhân và cách phòng tránh ngắn mạch giúp đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và giảm thiểu thiệt hại.

Tổng trở ngắn mạch là tổng trở trung gian tại điểm ngắn mạch, ảnh hưởng trực tiếp đến độ nguy hiểm của sự cố điện Trị số của tổng trở này phụ thuộc vào độ tiếp xúc, mức độ xuất hiện của hồ quang và chất liệu của vật nối trung gian Trong các trường hợp nguy hiểm nhất, tổng trở bằng 0 dẫn đến hiện tượng ngắn mạch trực tiếp, gây nguy cơ mất an toàn cao trong hệ thống điện.

Cần phân biệt giữa ngắn mạch một pha trong mạng điện có trung tính nối đất trực tiếp và chạm đất một pha trong mạng điện không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang Hiểu rõ sự khác biệt này giúp đảm bảo an toàn hệ thống điện và xử lý sự cố hiệu quả hơn Ngắn mạch một pha trong mạng có trung tính nối đất trực tiếp thường gây ra hậu quả nghiêm trọng và cần được phát hiện nhanh chóng Trong khi đó, chạm đất một pha trong hệ thống không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang có các đặc điểm và cách xử lý khác nhau, ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ thống Việc phân biệt chính xác giúp tối ưu hóa bảo vệ thiết bị và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

Ngắn mạch một pha trong mạng điện có trung tính nối đất trực tiếp là hiện tượng chạm đất của một pha xuống đất, gây ra dòng ngắn mạch qua điểm trung tính với cường độ khá lớn Hiện tượng này có thể gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống điện, đòi hỏi các biện pháp bảo vệ phù hợp để đảm bảo an toàn và ổn định hoạt động của mạng điện Việc hiểu rõ đặc điểm của ngắn mạch một pha giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống điện an toàn, tối ưu hóa khả năng xử lý sự cố khi xảy ra.

Chạm đất một pha trong mạng điện có trung tính không nối đất hoặc nối đất qua cuộn dây dập hồ quang là hiện tượng dòng điện chạy qua rất nhỏ, chủ yếu qua các điện dung ký sinh trở về điểm chạm đất Dòng điện này thường có cường độ rất thấp, không đủ để coi là ngắn mạch, giúp giảm thiểu nguy cơ gây hại cho hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho người vận hành.

Các dạng ngắn mạch trong hệ thống:

Ngắn mạch ba pha đối xứng là sự cố xảy ra đồng thời ở tất cả ba pha của hệ thống điện, và mặc dù hiếm gặp, nhưng đây là dạng ngắn mạch nghiêm trọng nhất gây hậu quả lớn cho thiết bị và hệ thống điện.

Ngắn mạch không đối xứng là tình trạng dòng ngắn mạch mất cân bằng giữa các pha, gồm ngắn mạch 1 pha chạm đất, 2 pha không chạm đất, và 2 pha chạm đất Các sự cố này thường là các sự cố thoáng qua hoặc kéo dài trong hệ thống điện, nguyên nhân chính do cách điện tuổi già, tác động của môi trường như vật nuôi, gió bão, sấm sét hoặc vận hành không đúng quy trình Hậu quả của ngắn mạch gồm gây nóng cục bộ, làm hư hỏng vật liệu cách điện, có thể gây cháy nổ và hỏng hệ thống, ảnh hưởng đến an toàn và vận hành của các thiết bị, động cơ Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp giảm gây nguy hiểm cho hệ thống và thiết bị, đồng thời dòng điện bất đối xứng còn tạo ra sóng hài cao, làm nhiễu sóng từ và giảm chất lượng điện năng Đặc biệt, nếu không tuân thủ các quy định của mã lưới và không sử dụng các thuật toán bảo vệ linh hoạt, các thiết bị kiểm soát có thể hư hỏng hoặc gây rõ ràng về hệ thống điện toàn diện.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Tiêu đề	Mô phỏng hoạt động của máy phát điện gió PMSG dưới điều kiện điện áp lưới mất cân bằng
Tác giả	Đoàn Công Danh
Người hướng dẫn	TS. Quách Ngọc Thịnh
Trường học	Trường Đại Học Cần Thơ
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	Luận văn tốt nghiệp
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	2,59 MB