Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện turbin gió

Vì vậy đối với hệ thống máy phát điện gió công suất lớn, người ta thường thay đổi từ thông trong hệ thống kích từ của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn.. Chế độ làm việc như máy phát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

DƯƠNG VĂN KHUÔN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

M u nhãn đĩa CD-ROM:

-

DƯƠNG VĂN KHUÔN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014

-

DƯƠNG VĂN KHUÔN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH

TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TURBIN GIÓ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Hùng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 18 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

2 TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1

3 TS Nguyễn Minh Tâm Phản biện 2

5 TS Võ Hoàng Duy Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: Dương Văn Khuôn Giới tính: Nam

Sinh ngày: 19/05/1982 Nơi sinh: Kiên Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830014

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN TUABIN GIÓ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng bộ điều khiển hệ thống kích từ nhằm mục đích xác định mô hình toán học và chỉ định một chiến lược điều khiển dựa trên mô hình này sao cho tần số và đáp ứng ngõ ra của hệ thống điều khiển là tốt nhất

- Mô phỏng trên Matlab-Simulink để kiểm nghiệm sự đúng đắn của thuật toán nêu ra

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/01/2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, theo tôi được biết

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện

Dương Văn Khuôn

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, xin chân thành cám ơn thầy TS NGUYỄN HÙNG, người đã

tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Xin cám ơn các Thầy Cô đã cho em nền tản kiến thức – tri thức quí báu

Xin cám ơn anh Lê Hoàng Hải nhà máy điện gió Bạc Liêu đã cung cấp tài liệu điện gió rất hữu ích để em tham khảo các thông số kỹ thuật

Xin cám ơn trường Đại Học Công Nghệ Tp HCM, Khoa Cơ – Điện – Điện

Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, Tập thể lớp 12SMĐ11, đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này

Xin cám ơn cơ quan và các đồng nghiệp đã giúp đỡ cho em năng cao trình độ chuyên môn

Cuối cùng, Xin cám ơn Ba Mẹ, Người đã nuôi con khôn lớn, cho con đủ nghị lực và trí khôn

Học viên thực hiện

Dương Văn Khuôn

TÓM TẮT

Nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió, đang và

đã là vấn đề nóng trong nghiên cứu nhà máy điện gió Các công trình nghiên cứu trong và ngòai nước đã thực hiện rất nhiều Tuy nhiên, khi nguồn gió không ổn định

để tuabin gió phát ra công suất ổn định là bài toán khó trong thiết kế hệ thống kích

từ cho máy phát điện tuabin gió Xây dựng thuật toán và mô phỏng mạch kích từ ở chế độ xác lập là trọng tâm của luận văn này Trên nền cơ sở lý thuyết, thiết kế điều khiển bộ kích từ Từ kết qủa mô phỏng, sẽ có cái nhìn tổng thể về mô hình thiết kế kích từ cho turbbine gió

Nội dung Luận văn thực hiện gồm 5 chương, được tóm tắt như sau:

Nội dung chương 0, 1 giới thiệu về công nghệ sản xuất điện gió và các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió

Nội dung chương 2 xây dựng mô hình toán học cho máy phát điện cảm ứng

rotor dây quấn trong hệ thống năng lượng gió

Nội dung chương 3 là ứng dụng matlab/simulink mô phỏng cho máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Cuối cùng chương 4 kết luận và hướng phát triển đề tài

Researching and designing for excitation system of wind turbine genenrator, that still is hot for studing of Wind plant.This project are studuing very much in the world However, when wind source are unstable in order to wind turbine emit stable power, that is going difficult problems for design a excitation system of wind turbine genenrator The proposed algorithm and sumulink for exciter at steady state, this is focal point of this thesis Based on theoretics and designs of exciter control From result of sumulink will have a overview of the model of the proposed and designed a excitation system of genenrator

This thesis content include 5 chapter, as follows:

Chapter 0, 1: Introduce to wind power energy product technology and wind generator styles of wind energy systems

Chapter 2: Building mathematical models for coil-rotor inductive genenrator of wind energy systems

Chapter 3: Apply Matlab/Sumulink for coil-rotor inductive genenrator Chapter 4: Conclusion and expansion of thesis

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH SÁCH KÝ HIỆU – VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC BẢNG xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU 1

0.1 Đặt vấn đề 2

0.2 Giới thiệu đề tài 3

0.3 Phạm vi nghiên cứu 4

0.3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

0.3.2 Phạm vi nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 5 1.1 Tổng quát 6

1.1.1 Gió 6

1.1.2 Tốc độ và hướng gió 7

1.1.3 Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió 9

1.1.4 Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số 12

1.2 Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió 12

1.2.1 Máy phát điện đồng bộ 12

1.2.2 Máy phát điện cảm ứng 13

1.2.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 15

1.2.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 16

1.2.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 16

1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 17

1.3.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 18

1.3.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất 19

1.3.3 Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất 20

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTOR DÂY QUẤN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 21

2.1 Mô hình toán của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 22

2.1.1 Các phương trình cơ bản 22

2.1.2 Bộ biến đổi 26

2.2 Tính toán và lựa chọn các thông số 28

2.2.1 Tính toán mạch kích từ ở chế độ xác lập 28

2.2.2 Tính toán thông số bộ biến tần 32

2.2.3 Phương pháp điều khiển cho mô hình 34

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTO DÂY QUẤN 37

3.1 Khái niệm chung của Matlab và Simulink 38

3.2 Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập 40

3.2.1.Thông số 40

3.2.2 Sơ đồ mô phỏng 40

3.2.3 Các khối công suất trong máy phát điện gió 41

3.2.4 Kết quả mô phỏng 43

3.2.4.1 Trường hợp ở tốc gió 5m/s 43

3.2.4.2 Trường hợp ở tốc gió 6m/s 46

3.2.4.3 Trường hợp ở tốc gió 7m/s 49

3.2.4.4 Trường hợp ở tốc gió 8m/s 52

3.3 Thống kê kết quả 54

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 55

4.1 Kết luận 56

4.2 Hướng phát triển đề tài 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BCN Biến đổi chức năng

ĐKTĐ Điều kiện ổn định cần thiết của hệ thống

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió 9 Bảng 2.1: Bảng kết quả các hệ số 31 Bảng 3.1: Thống kê kết quả mô phỏng turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập 54

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo 6

Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét 8

Hình 1.3: Tuabin đón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor) 10

Hình 1.4: Kích thước và công suất những loại tuabin điện gió đã được sản xuất hàng loạt tính đến năm 2012 10

Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi trụ 6 –7,5MW 11

Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ 11

Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số 12

Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ 13

Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ 14

Hình 1.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện 15

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 15

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG 16

Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo 17

Hình 1.14: Turbine gió cố định 19

Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi 20

Hình 1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi bằng điện tử công suất 20

Hình 2.1: Mô hình chuyển đổi hệ tọa độ dq → αβ 28

Hình 2.2: Mô hình điều khiển PID 36

Hình 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển PI ứng dụng vào máy điện động cảm ứng rotor dây quấn 36

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng hệ thống tuabin gió hoạt động ở chế độ xác lập 40

Hình 3.2: Sơ đồ khối tuabin gió 41

Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phát 41

Hình 3.4: Sơ đồ khối chỉnh lưu 42

Hình 3.5: Sơ đồ khối nghịch lưu 42

Hình 3.6: Sơ đồ khối hồi tiếp điều khiển từ thông 43

Hình 3.7: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 5m/s 43

Hình 3.8: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 5m/s 44

Hình 3.9: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 5m/s 44

Hình 3.10: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 5m/s 45

Hình 3.11: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 5m/s 45

Hình 3.12: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 6m/s 46

Hình 3.13: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 6m/s 47

Hình 3.14: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 6m/s 47

Hình 3.15: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 6m/s 48

Hình 3.16: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 6m/s 48

Hình 3.17: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 7m/s 49

Hình 3.18: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 7m/s 50

Hình 3.19: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 7m/s 50

Hình 3.20: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 7m/s 51

Hình 3.21: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 7m/s 51

Hình 3.22: Đồ thị điện áp ngõ ra của máy phát ở tốc gió 8m/s 52

Hình 3.23: Đồ thị điện áp 1 chiều ở tốc gió 8m/s 52

Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng điện áp ngõ ra khi không tải ở tốc gió 8m/s 53

Hình 3.25: Đồ thị điện áp điều khiển và sóng mang ở tốc gió 8m/s 53

Hình 3.26: Đồ thị dạng sóng dòng ở tốc gió 8m/s 54

0.1 Đặt vấn đề

Trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về Phong điện, năng lượng gió được xem như là nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn Ưu điểm của năng lượng gió là dễ khai thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và chi phí vận hành tương đối thấp Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai, công nghệ phải ngày càng hoàn thiện, năng suất chuyển đổi gió thành điện ngày càng cao

Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để tuabin vận hành tối ưu với vận tốc gió nhất định thì hệ thống turbin và máy phát điện phải có chức năng tự điều chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió Tuy nhiên đối với hệ thống máy phát điện công suất lớn thì việc điều chỉnh này rất khó khăn Vì vậy đối với hệ thống máy phát điện gió công suất lớn, người ta thường thay đổi từ thông trong hệ thống kích từ của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Chính vì lẽ đó, ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứu điều khiển máy phát điện cảm ứng và DFIG, và gần đây nhất là luận văn Thạc Sĩ Võ Xuân Hải (2009); Phạm Trung Hiếu (2011); Tôn Long Đại (2011); Nguyễn Anh Hùng (2012) v.v…

- Nghiên cứu điều khiển máy phát điện cảm ứng và DFIG đã được các nhà khoa học như Jeong –Ik Jang (2006); Lie Xu (2007); Jiabing Hu (2007) Muarli M.Baggu (2007); Lingling Fan (2009); Yi Zhou, Paul Bauer (2009); Sol-Bin Lee (2010) và Van-Tung Phan (2010)

Nhưng đa phần xây dựng mô hình điều khiển điện áp của máy phát để điều chỉnh kích từ nên dẫn đến tần số và công suất của máy phát chưa được tối ưu Chưa

có kết hợp các phương pháp chung lại với nhau

Ngày này có nhiều phương pháp điều chỉnh kích từ của máy phát điện trong

hệ thống máy phát điện gió Nhưng có thể tóm tắt sử dụng 4 giá trị hồi tiếp cơ bản

về để so sánh giá trị chuẩn do chúng ta đặt để điều khiển từ thông trong máy phát điện như sau:

- Tốc độ gió, tốc độ tuabin, tốc độ máy phát

- Momen tuabin, momen máy phát

- Công suất tuabin, công suất máy phát

- Điện áp máy phát, điện áp kết nối lưới

Nếu sử dụng riêng lẻ từng trường hợp thì khó điều chỉnh kích từ Dẫn đến khó điều chỉnh tần số, điện áp và công suất ra của máy phát

Do đó, nguyên tắc muốn ổn định giá trị nào thì chúng lấy giá trị đó hồi tiếp

về để điều khiển, ví dụ chúng ta muốn ổn định điện áp và công suất phát ra thì ta đặt cảm biến tốc độ và đo công suất ngõ ra của máy phát, khi qua bộ biến đổi để có dòng điện so sánh với dòng điện chuẩn điều khiển từ thông máy phát

Tuy nhiên vấn đề quan trọng trong hệ thống máy phát điện gió là việc kết nối lưới, vì vậy ổn định tần số và điện áp ra của máy phát là quan trọng nhất Chính vì thế đề tài “nghiên cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió” sẽ đi sâu vào việc điều khiển từ thông của máy phát để ổn định điện áp và tần số ngõ ra của máy phát điện gió

0.2 Giới thiệu đề tài

Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội ta Ở bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn luôn được coi là nghành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh tế Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng một cách đặc biệt Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của nghành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng được nâng cao nên cần phải phát triển xây dựng các nhà máy phát điện tận dụng các nguồn tài nguyên vốn có như năng lượng mặt trời, năng lượng gió Trong đó, vấn

đề đáng quan tâm là hiệu suất và chất lượng điện năng

Máy phát điện rotor dây quấn đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống điện, nơi mà tính ổn định luôn được đòi hỏi cao Trong đó, vấn đề đáng quan tâm là hiệu suất và chất lượng điện năng Bộ điều khiển ổn định điện áp máy phát quan trọng nhất là bộ điều khiển kích từ đi vào máy phát Vì thế, đề tài của em “nghiên

cứu thiêt kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió’’ sẽ đi sâu vào tính toán,

thiết kế bộ kích từ cho nhà máy phát điện gió

0.3 Phạm vi nghiên cứu

0.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát điện rotor dây quấn được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WECS (Wind Energy - Conversion System)

0.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào các giải thuật điều khiển máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn Và ba giải thuật được trình bày trong luận văn này là:

- Điều khiển tốc độ của tuabin gió

- Điều khiển định hướng từ thông stator (Stator Flux Orient Control – SFOC) với khâu điều chỉnh PI-anti_Winup

- Điều khiển tần số và điện áp ngõ ra của máy phát ổn định

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG

LƯỢNG GIÓ

1.1 Tổng quát

1.1.1 Gió

1.1.2 Tốc độ và hướng gió

1.1.3 Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió

1.1.4 Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số 1.2 Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió

1.2.1 Máy phát điện đồng bộ

1.2.2 Máy phát điện cảm ứng

1.2.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

1.2.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

2.2.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

1.3.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

1.3.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất

1.3.3 Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất

Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp

Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng tây ứng với góc 2700

Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort (Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft Biểu đồ này đầu tiên được đưa

ra để đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông

hồ, biển…

Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét

Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010 Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam Bản đồ phân bố tốc độ gió được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’ Kết quả mô phỏng được trình bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của tuabincho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và

sự xáo động gió trong năm

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn

tuabintheo loại

(IEC)

I

(vùng có gió mạnh)

II

(vùng có gió khá mạnh)

III

(vùng có gió trung bình)

IV

(vùng có gió yếu) Tốc độ gió tiêu biểu

của 50 năm v REF

1.1.3 Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió

Công nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus và loại trụng ngang Tuabin điện gió trục đứng có hệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại tuabin điện gió này thường được sản xuất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW Trước kia một số tuabin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), phương pháp này có nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió được thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi Phần lớn những tuabin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up wind rotor)

Hình 1.3: Tuabinđón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor) Cho đến nay, phần lớn những tuabin lắp đặt trên thế giới sử dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truyền đến máy phát điện

Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu được sản xuất và đưa vào thị trường Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ thống rotor

Công nghệ này trong những năm 90 không phát triển vì giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm tăng nên công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh

Hình 1.4: Kích thước và công suất những lọai tuabin điện gió đã được sản xuất

hàng loạt tính đến năm 2012

Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tuabin, được gọi là “Khái Niệm Đan Mạch” Trong công nghệ này tuabin hoạt động với một tốc độ nhất định để giữ tần số điện phù hợp với lưới điện

Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức,

công suất mỗi trụ 6 –7,5MW

Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ

1.1.4 Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

1.2 Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió [2][9]

1.2.1 Máy phát điện đồng bộ

Như chúng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định theo số cực từ và tần số của lưới điện Vì vậy, các cánh quạt tuabin và máy phát phải được nối với nhau thông qua hộp truyền động cơ khí để có thể quay với tốc độ đồng bộ

Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ có ưu điểm: khi kết nối với lưới điện, hệ thống này không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng Vì vậy chất lượng điện năng phát ra tốt hơn

Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho mạch kích từ Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh ra hai vấn đề bất lợi cho

- Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho

hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió

Hình 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ

1.2.2 Máy phát điện cảm ứng

Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén Máy

điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện Trong các hệ thống kết hợp nhiều dạng năng lượng khác nhau, công suất phản kháng được cung cấp từ các máy phát đồng bộ hay máy phát Diesel Trong hệ thống năng lượng gió, tụ điện cố định được dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng

Hình 1.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ

cố định, vì vậy chúng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ Máy phát cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục máy phát hay nhận năng lượng

Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức Khi làm việc như một động cơ, rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường, và động cơ cảm ứng sẽ nhận năng lượng để làm quay trục rotor

Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của chúng được nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ bằng động cơ sơ cấp Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió với stator được nối với lưới điện và rotor được quay bởi tuabin gió

Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên

Hình 1.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện

Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở rotor

1.2.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

Máy điện cảm ứng rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator – SCIG) là một máy điện rất phổ biến do có cấu trúc đơn giản Dây quấn stator được nối với phụ tải hay nguồn kích từ Rotor lồng sóc được cách điện và có điện trở lớn nhằm tránh cho rotor bị rung động Đối với tình trạng lưới điện không ổn định, có thể gây ra các sự cố quá nhiệt, moment dao động trên máy phát

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

1.2.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Đối với máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, các bộ dây quấn rotor có thể được nối với vành trượt và chổi theo phương pháp cổ điển, hoặc thông qua bộ biến đổi công suất Hệ thống năng lượng gió trang bị máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn cùng với các bộ biến đổi công suất, việc điều khiển ngõ ra dễ hơn hệ thống dùng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Công suất phần ứng trên stator được điều khiển bởi lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi công suất Tuy nhiên, chi phí máy phát cảm ứng rotor dây quấn cao hơn máy phát rotor lồng sóc

1.2.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

Đối với hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (± 30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được xem là giải pháp tốt nhất hiện nay Bộ biến đổi điện tử công suất chỉ điều chỉnh 20 ÷ 30% tổng công suất, do đó tổn hao và chi phí của các

bộ biến đổi công suất có thể giảm Cấu trúc máy phát điện DFIG tương tự máy phát điện cảm ứng dây quấn Mạch stator của máy phát DFIG được nối trực tiếp với lưới trong khi mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trượt như hình:

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG Máy phát điện gió nguồn kép DFIG là máy phát điện mà cực stator và rotor

có thể phát công suất Khi máy điện làm việc như máy phát, hướng công suất trong

máy thể hiện như hình bên dưới, ở đó công suất vào là công suất cơ nhận từ turbin gió

Công suất truyền đến lưới là tổng công suất stator Ps và rotor Pr

Ps Ps

Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo

Máy phát có thể vận hành dưới tốc độ đồng bộ: Pr < 0, Ps> 0 hoặc vận hành trên tốc độ đồng bộ: Pr > 0, Ps> 0

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG bao gồm các mục tiêu:

- Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát điện và lưới điện

- Điều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận được từ gió

1.3 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió [5], [10], [11]

Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi Đối với tuabin gió tốc độ

cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió Vì vậy, đối với

hệ thống turbine gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với

turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện

Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế

Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi turbine gió có thể được cải thiện hơn so với turbine gió tốc độ cố định Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của turbine theo vận tốc máy phát

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề cập:

- Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía

1.3.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện như hình 1.14

Hình 1.14: turbine gió cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức và số cặp cực khác nhau Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này

có 3 nhược điểm chính:

- 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

- Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control)

1.3.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát đồng bộ (SG) Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận

được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên

Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi

1.3.3 Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất

Hệ thống bao gồm turbine gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn được nối thông qua một bộ biến đổi công suất back to back như hình 1.14 Ngày nay, cấu hình này trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn

bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể

so với cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết

bị biến đổi công suất cũng thấp hơn

Hình1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi điện tử công suất

2.2.1.1 Xác định momen của tuabin

2.2.1.2 Xác định điện áp ra của máy phát

2.2.2 Tính toán thông số bộ biến tần