kỹ thuật năng lượng gió khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lượng trong gió; turbine gió; hệ máy phát gió làm việc với lưới điện

Nguyễn Hữu Phúc Hình 2.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh thể hiện vận tốc gió trung bình 5.4m/s nét liền, 6.8m/s nét đứt và 8.2m/s nét chấm 2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ VĂN KHÁNH

KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC

VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG

TRONG GIÓ; TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ

LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 1 1 2

Trang 2

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ VĂN KHÁNH

KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC VẤN

ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ; TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC

VỚI LƯỚI ĐIỆN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013

Trang 3

Hướng dẫn khoa học:

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013

Trang 4

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Ngày tháng năm

Trang 5

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 11

2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát 16

2.2.2 Khí động học Turbin gió trục ngang 19

2.3 Hệ thống máy phát gió làm việc với lưới điện biến đổi hoàn toàn tốc đô

2.3.3 Máy phát động bộ kích điện đối bằng nam châm vĩnh cữu 27

3.1.2 Biểu diển công suất theo véctơ không gian 35

3.1.3 Phép biến biến đổi giữa đại lượng ba pha abc và αβ 36 3.1.4 Phép biến biến đổi giữa đại lượng αβ và dq 37

3.2 Mô hình toán học hệ thống máy phát gió làm việc với lưới điện biến đổi hoàn toàn tốc độ trên turbine gió với máy phát đồng bộ (FRC-GS) 39

3.2.1 Điều khiển Tuabin gió và hoạt động đánh giá các đặc tính động 39

Trang 6

2

Chương 4 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỔ HỢP TURBIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU VỚI BỘ CHUYỂN ĐỔI HOÀN

4.3.1 Khái quát về thành phần turbine gió trong PSCAD 64

4.4.1 Khái quát về thành phần điều chỉnh turbine gió trong PSCAD 68

4.5.1 Khái quát về các thành phần máy phát điện đồng bộ trong PSCAD 70 4.5.2 Các thông số của máy phát điện đồng bộ 72

4.6 Nguồn và chuyển đổi tần số 73

4.6.1 Bộ chỉnh lưu 73

Trang 7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CÁC TỪ VIẾT TẮT

FRC-SG Fully Rated Converter- Synchronous Generator

PG-RE Real Power Generator-Rectifier

QG-RE Reactive Power Generator-Rectifier

PG-IN Real Power Generator-Invecter

QG-IN Reactive Power Generator-Invecter

PG-TOTAL Real Power Generator Total

QG-TOTAL Reactive Power Generator Total

Chỉ số trên

s, e hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq

ref, ∗ giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt

Chỉ số dưới

n,b giá trị danh định, trị cơ bản

KÝ HIỆU

v as , v bs , v cs , v ar , v br , v cr điện áp pha stator và rotor

i as , i bs , i cs , i ar , i br , i cr dòng điện stator và rotor

Trang 8

4

ψ as , ψ bs , ψ cs , ψ ar , ψ br , ψ cr từ thông stator và rotor

v αs , v βs , v αr , v βr điện áp stator và rotor theo trục α,β

i αs , i βs , i αr , i βr dòng stator và rotor theo trục α,β

ψ αs , ψ βs , ψ αr , ψ βr từ thông stator và rotor theo trục α,β

v ds , v qs , v dr , v qr điện áp stator và rotor theo trục d,q

i ds , i qs , i dr , i qr dòng stator và rotor theo trục d,q

ψ ds ,ψ qs ,ψ dr ,ψ qr từ thông stator và rotor theo trục d,q

ω s ,ω r tốc độ đồng bộ và rotor [elec.rad/s ]

ω sl ,s vận tốc trượt và độ trượt

θ s ,θ r góc vị trí stator và rotor [elec.rad ]

T e ,T m mômen điện từ và mômen cơ

P s ,Q s công suất tác dụng, phản kháng phía stator

τ s , τ r thời hằng stator và rotor

σ, f hệ số tản tổng và hệ số ma sát [N.m.s/rad ]

v,v d,v vận tốc gió trước, sau cánh quạt và trung bình

R b ,A r bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin

p, C ρ mật độ không khí và hiệu suất rotor

λ, β Tip - speed - ratio và góc pitch

Trang 9

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1.1 Tình hình cung - cầu điện năng ở Việt Nam

Tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện ở Việt Nam trong 20 năm

trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăng

trưởng GDP của nền kinh tế Chiến lược công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng

trưởng cao để thực hiện „dân giàu, nước mạnh“ và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp

tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thập

niên tới Để hoàn thành được những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng

dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triển

năng lực cung ứng của mình

Việc ước lượng nhu cầu về điện không hề đơn giản, bởi vì nhu cầu về điện là

nhu cầu dẫn xuất Chẳng hạn như nhu cầu về điện sinh hoạt tăng cao trong mùa hè

là do các hộ gia đình có nhu cầu điều hòa không khí, đá và nước mát Tương tự như

vậy, các công ty sản xuất cần điện là do điện có thể được kết hợp với các yếu tố đầu

vào khác (như lao động, nguyên vật liệu v.v.) để sản xuất ra các sản phẩm cuối

cùng Nói cách khác, chúng ta không thể ước lượng nhu cầu về điện một cách trực

tiếp mà phải thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc ước lượng nhu cầu của các

sản phẩm cuối cùng Nhu cầu này, đến lượt nó, lại phụ thuộc vào nhiều biến số kinh

tế và xã hội khác

Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng

GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của

Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000

GWh Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì

sản lượng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh

(năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030) Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị

Trang 10

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi

năm Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực trở thành hiện thực thì hoặc là

chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nước,

hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào đình trệ, còn đời sống của

người dân sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Không phải đợi đến năm 2010 hay 2020, ngay trong thời điểm hiện tại chúng

ta cũng đã được “nếm mùi” thiếu điện Trong những năm gần đây, người dân ở hai

trung tâm chính trị và kinh tế của đất nước chịu cảnh cắt điện luôn phiên gây nhiều

khó khăn cho sinh hoạt và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống kinh tế

1.1.2 Những lợi ích về môi trường và xã hội của điện gió

Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây

ảnh hưởng xấu về mặt xã hội Để xây dựng một nhà máy thủy điện lớn cần phải

nghiên cứu kỹ lưỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nước Ngoài ra, việc di dân

cũng như việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai

những người dân xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài toán khó đối

với các nhà hoạch định chính sách Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các

đập nước tại Việt Nam cũng không còn nhiều

Song hành với các nhà máy điện hạt nhân là nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài

đến cuộc sống của người dân xung quanh nhà máy Các bài học về rò rỉ hạt nhân

cộng thêm chi phí đầu tư cho công nghệ, kỹ thuật quá lớn khiến càng ngày càng có

nhiều sự ngần ngại khi sử dụng loại năng lượng này

Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thì luôn là những thủ phạm gây

ô nhiễm nặng nề, ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe người dân Hơn thế

nguồn nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao

Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh

những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lượng gió

càng trở nên rõ rệt So với các nguồn năng lượng gây ô nhiễm (ví dụ như ở nhà máy

nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi

Trang 11

sử dụng năng lượng gió, người dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa màu

hay tái định cư và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏe

do ô nhiễm

Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng gió giúp

tiết kiệm chi phí truyền tải Hơn nữa, việc phát triển năng lượng gió ở cần một lực

lượng lao động là các kỹ sư kỹ thuật vận hành và giám sát lớn hơn các loại hình

khác, vì vậy giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ năng cao

Tại các nước Châu Âu, các nhà máy điện gió không cần đầu tư vào đất đai để

xây dựng các trạm turbin mà thuê ngay đất của nông dân Giá thuê đất (khoảng 20%

giá thành vận hành thường xuyên) giúp mang lại một nguồn thu nhập ổn định cho

nông dân, trong khi diện tích canh tác bị ảnh hưởng không nhiều

Cuối cùng, năng lượng gió giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng, là một

điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hay một số ít nguồn năng lượng

chủ yếu và chính điều này giúp phân tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng

1.1.3 Tiềm năng điện gió của Việt Nam

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một

thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình trong

vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá

mạnh và thay đổi nhiều theo mùa

Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế

giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó

có Việt Nam Như vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan

trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể Theo tính toán của

nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn

nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong khi

Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ tốt đến rất

tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở

Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2% Tổng tiềm năng điện gió của Việt

Trang 12

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La,

và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Tất nhiên, để

chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ

thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhưng điều

đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về

năng lượng gió ở Việt Nam

Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát

triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông

thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh con số này với các nước láng

giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có

thể phát triển năng lượng gió Đây quả thật là một ưu đãi dành cho Việt Nam mà

chúng ta còn thờ ơ chưa nghĩ đến cách tận dụng

Cho đến nay Việt Nam còn một số trở ngại lớn làm chậm bước việc xây

dựng, phát triển sản xuất điện gió

 Chưa có chính sách (luật) và các quy định (dưới luật) về trợ giá cho việc mua

điện từ nguồn năng lượng gió; chưa đủ sức hấp dẫn các nhà đầu tư

 Vẫn còn thiếu các dịch vụ và khả năng tài chính để nhà đầu tư có thể vay vốn

từ ngân hàng hoặc từ các tổ chức tài chính cho việc xây dựng và phát triển điện gió

 Chương trình qui hoạch và chính sách của chính quyền địa phương và trung

ương nên thật minh bạch, rõ ràng, tránh tình trạng chỏi nhau, để xảy ra tình trạng

“trống đánh xuôi - kèn thổi ngược”

 Thiếu kiến thức và năng lực kỹ thuật để thực hiện một công trình điện gió

hoàn chỉnh, cũng như các kỹ thuật cơ bản và dịch vụ bảo quản, bảo trì, điều hành và

quản lý… sau lắp đặt Tại các trường đại học, trung cấp dạy nghề chưa có bộ môn

giảng dạy về kỹ thuật và công nghệ điện gió

 Quá trình, xây dựng các trạm đo gió (wind measuring station) để thu thập,

thống kê và phân tích đầy đủ các số liệu về gió chỉ mới đang từng bước thực hiện

Trang 13

Việt Nam chưa có một lộ trình, định hướng (roadmap) và qua đó một chương

trình cơ bản (masterplan) về sự phân bố những nguồn năng lượng chính (hóa thạch,

năng lượng tái tạo, hạt nhân ) sử dụng trong tương lai và nhất là biện pháp, bước

đi cụ thể để thực hiện chương trình này

1.1.4 Đề xuất một khu vực xây dựng điện gió cho Việt Nam

Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió không trải đều

trên toàn bộ lãnh thổ Với ảnh hưởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau

Nếu ở phía bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đông bắc,

trong đó các khu vực giàu tiềm năng nhất là Quảng Ninh, Quảng Bình, và Quảng

Trị Ở phần phía nam đèo Hải Vân, mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam, và

các vùng tiềm năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh ven biển đồng

bằng sông Cửu Long, và đặc biệt là khu vực ven biển của hai tỉnh Bình Thuận, Ninh

Thuận

Theo nghiên cứu của NHTG, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu tiềm

năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở

độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Gió vùng này không

những có vận tốc trung bình lớn, còn có một thuận lợi là số lượng các cơn bão khu

vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển năng

lượng gió Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98%

với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công

suất 3 - 3,5 MW Thực tế là người dân khu vực Ninh Thuận cũng đã tự chế tạo một

số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng Ở cả hai khu vực này dân cư

thưa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng dân tộc đặc biệt khó

khăn của Việt Nam

Mặc dù có nhiều thuận lợi như đã nêu trên, nhưng khi nói đến năng lượng

gió, chúng ta cần phải lưu ý một số đặc điểm riêng để có thể phát triển nó một cách

có hiệu quả nhất Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều

kiện thời tiết và chế độ gió Vì vậy khi thiết kế, cần nghiên cứu hết sức nghiêm túc

chế độ gió, địa hình cũng như loại gió không có các dòng rối vốn ảnh hưởng không

Trang 14

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc tốt đến máy phát Cũng vì lý do phụ thuộc trên, năng lượng gió tuy ngày càng hữu

dụng nhưng không thể là loại năng lượng chủ lực Tuy nhiên, khả năng kết hợp giữa

điện gió và thủy điện tích năng lại mở ra cơ hội cho chúng ta phát triển năng lượng

ở các khu vực như Tây Nguyên vốn có lợi thế ở cả hai loại hình này Một điểm cần

lưu ý nữa là các trạm điện gió sẽ gây ô nhiễm tiếng ồn trong khi vận hành cũng như

phá vỡ cảnh quan tự nhiên và có thể ảnh hưởng đến tín hiệu của các sóng vô tuyến

Do đó, khi xây dựng các khu điện gió cần tính toán khoảng cách hợp lý đến các khu

dân cư, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực

1.1.5 Kết luận

Nhằm đáp ứng mục tiêu tăng trưởng đầy tham vọng, trong trung hạn Việt

Nam cần tiếp tục khai thác các nguồn năng lượng truyền thống Về dài hạn, Việt

Nam cần xây dựng chiến lược và lộ trình phát triển các nguồn năng lượng mới

Trong chiến lược này, chi phí kinh tế (bao gồm cả chi chí trong và chi chí ngoài về

môi trường, xã hội) cần phải được phân tích một cách kỹ lưỡng, có tính đến những

phát triển mới về mặt công nghệ, cũng như trữ lượng và biến động giá của các

nguồn năng lượng thay thế Trong các nguồn năng lượng mới này, năng lượng gió

nổi lên như một lựa chọn xứng đáng, và vì vậy cần được đánh giá một cách đầy đủ

Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lượng gió Việc không đầu tư

nghiên cứu và phát triển điện gió sẽ là một sự lãng phí rất lớn trong khi nguy cơ

thiếu điện luôn thường trực, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng kinh tế và năng lực

cạnh tranh quốc gia Trong khi đó, hiện nay chiến lược quốc gia về điện dường như

mới chỉ quan tâm tới thủy điện lớn và điện hạt nhân - những nguồn năng lượng có

mức đầu tư ban đầu rất lớn và ẩn chứa nhiều rủi ro về cả mặt môi trường và xã hội

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển

đổi hoàn toàn công suất định mức Mô phỏng trên phần mềm Pscad

Trang 15

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều

khiển FRC-SG (Fully Rated Converter- Synchronous Generator) được ứng dụng

trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WILEY (Wind Energy Generation

Modelling and Control)

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các

vấn đề như sau:

- Mô hình hóa tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu

với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức

- Mô phỏng trên Pscad

- Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự

thay đổi tham số mô hình So sánh kết quả đạt được với các phương pháp khác

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra bằng mô phỏng

1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

- Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan

- Tìm hiểu về tổng quan về năng lượng gió

- Tìm hiểu các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang áp dụng trên

thế giới và so sánh ưu nhược điểm của các cấu hình này

- Chất lượng điều khiển và tính điều khiển của luật điều khiển

- Mô phỏng bằng Pscad Nhận xét kết quả

1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Có thể được ứng dụng vào thực tế trong ngành điện sử dụng năng lượng gió

Trang 16

- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên

cứu sau này

1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật năng lượng gió: khảo sát các vấn đề

liên quan đến năng lượng trong gió; Tuabin gió; hệ máy phát gió làm việc với lưới

điện Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống máy phát điện đồng bộ biến đổi

hoàn toàn tốc độ trên Tuabin gió (FRC-SG: Fully Rated Converter- Synchronous

Generator)

Chương 3: Trình bày mô hình toán học FRC-SG trong hệ trục tọa độ tham

chiếu đồng bộ dq

Chương 4: Điều khiển tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm

vĩnh cữu với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức (FRC-SG)

Chương 5: Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả và kết

luận Thảo luận và đề xuất hướng phát triển của đề tài

Phần mềm Pscad được sử dụng trong luận văn này để mô hình phỏng tổ

hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi

hoàn toàn công suất định mức

Trang 17

Chương này trình bày khái quát về kỹ thuật năng lượng gió: khảo sát các vấn

đề liên quan đến năng lượng trong gió; Tuabin gió; hệ máy phát gió làm việc với

lưới điện Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống máy phát điện cảm ứng tốc độ

cố định (FSIG: Fixed-speed Induction Generator) và máy phát điện đồng bộ biến

đổi hoàn toàn tốc độ trên Tuabin gió (FRC-SG: Fully Rated

Converter-Synchronous Generator)

2.1 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ

2.1.1 Năng lượng gió

Năng lượng tích trữ trong gió được tính theo công thức:

 W v A

 là mật độ không khí [kg/m3], ở điều kiện chuẩn  có giá trị 1.293 kg/m3

Ar là diện tích quét của cánh quạt turbin [m2]

 là vận tốc gió [m/s]

2.1.2 Sự phân bố vận tốc gió

Từ (2.1) ta thấy vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lượng gió

tiềm năng thu được ở một vùng nào đó

Phải xác định được vận tốc gió trung bình để ước tính năng lượng kỳ vọng

nhận được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có

khuynh hướng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó Vì vậy, vận tốc gió trung bình có

thể được xác định cho khoảng thời gian một năm

Trang 18

Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất Một

trong những hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió

là hàm Weibull [9], [10] Phân bố Weibull được biểu diễn bởi:

 

k

c v k

e c

v c

k v f

1 0

1

k k

c dx e x k

c dv e c

v c

vk dv

v vf

dx x e

Mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ c và vận tốc gió trung bình v theo phân bố

Rayleigh

v c



2

Hàm mật độ xác suất của vận tốc gió theo phân bố Rayleigh (xem Hình 2.1)

với vận tốc gió trung bình lần lượt 5.4m/s, 6.8m/s và 8.2m/s

Trang 19

Hình 2.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh thể hiện vận tốc gió trung

bình 5.4m/s (nét liền), 6.8m/s (nét đứt) và 8.2m/s (nét chấm)

2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor

Năng lượng thực tế lấy được từ gió bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác

nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt và động năng của gió

đằng sau cánh quạt

 W C v A

v



Để tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (2.8) theo γ và tính được

C p,max = 0.593 , ứng với giá trị

3

1





Trang 20

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc Giá trị lý thuyết C p,max chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59.3% năng

lượng từ gió, đây còn được biết đến như là giới hạn Betz (Albert Betz’s Law)

Đường cong hiệu suất rotor (xem Hình 2.2)

Hình 2.2 Đường cong hiệu suất rotor lý thuyết

Một thuận lợi của công thức lý thuyết (2.8) là chỉ ra giới hạn công suất có thể

nhận được từ gió Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa

hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối

quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát

Như vậy, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà

không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh

quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt bằng

không, hệ quả là hiệu suất rotor bằng không Do đó, với một vận tốc gió cho trước

thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát (xem Hình 2.3)

Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số λ (Tip - Speed - Ratio), được

định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi

theo hướng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt

Trang 21

v b R T



 ( 2.9)

T

 là tốc độ quay của turbin [rad /s ] và R b là bán kính của cánh quạt gió [m]

Hình 2.3 Công suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ turbin

Hình 2.4 Góc pitch của cánh quạt gió

Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào λ mà còn phụ thuộc

vào góc pitch β[rad], vì vậy hầu hết các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió có

Trang 22

trang bị thiết bị điều khiển pitch (xem Hình 2.4) C p nói chung là một hàm phi tuyến

và khá phức tạp, nhà chế tạo thường cho giá trị C p đối với mỗi loại tuabin như là

hàm của λ và góc β Một công thức xấp xỉ [12] thường được sử dụng của đường

cong hiệu suất rotor được cho bởi công thức (2.10) và có dạng đồ thị (Hình 2.5)

Hình 2.5 Đường cong hiệu suất rotor C p ( λ,β )

C

i p

54.0

11622.0,

1 1

2.1.4 Đường cong công suất tuabin gió

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbin gió

chính là đường cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất

đầu ra, thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng (xem Hình 2.6) Trong

đó, cần phân biệt các thông số:

- Vận tốc gió Cut-in (V C ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và

tạo ra công suất (net power)

Trang 23

- Vận tốc gió định mức (V R ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng

tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió đạt

đến giá trị V R, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế

Khi vận tốc gió lớn hơn V Rthì cần phải điều chỉnh để hệ thống turbin lượt bớt

công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát

- Vận tốc gió Cut-out (V F ): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng VF

thì hệ thống turbin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu

trúc cơ khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không

Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào turbin - điều khiển cơ

(aerodynamic power control) Trong đó, điều khiển pitch là phương pháp phổ biến

nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi turbin bằng cách thay đổi góc quay của

cánh quạt quanh trục của nó Hầu hết các turbin gió tốc độ thay đổi được trang bị bộ

điều khiển pitch Khi dưới tốc độ gió định mức, turbin cần sản sinh ra công suất lớn

nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhận được

Trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần được điều chỉnh một cách tương tự để giới

hạn công suất cơ bằng công suất định mức

Hình 2.6 Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió

Trang 24

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc Đối với turbin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽ liên

tục kiểm tra công suất đầu ra của turbin Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều khiển

pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm lƣợc bớt công

suất và xoay cánh quạt theo chiều ngƣợc lại khi tốc độ gió giảm

2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát

Nhƣ đã trình bày, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể, phụ

thuộc vào thiết kế động học của từng loại turbin Vì lý do kinh tế, thiết kế và vận

hành hệ thống biến đổi năng lƣợng gió cần đạt đƣợc sản lƣợng điện năng hàng năm

tối đa, do đó trong vận hành cần phải liên tục thay đổi tốc độ rotor theo từng tốc độ

gió để cho λ luôn bằng với giá trị yêu cầu tạo ra C p cực đại

Theo lý thuyết cũng nhƣ vận hành trong thực tế cho thấy khi làm việc với tốc

độ rotor đƣợc điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm công

suất cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20 – 30% sản lƣợng điện năng so với vận hành ở tốc

độ cố định

2.2 TURBIN GIÓ

2.2.1 Giới thiê ̣u Turbin gió

Về cơ bản có thể chia loại tubin gió theo nhiều hình thức khác nhau: theo cấu

tạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt Tuy nhiên có thể chia tubine

gió theo 2 loại cơ bản sau đây: Tubine gió trục ngang và tubine gió trục đứng

2.2.1.1 Turbin gió trục ngang (HAWT)

Hình 2.7 Turbine gió trục ngang

Trang 25

 Đây loại turbin gió phổ biến trên thị trường

- Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW

- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s

- Chiều cao cột chống turbin 6m ( loại công suất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn)

- Số cánh quạt 2-3 cánh quạt

- Bán kính cánh quạt từ 3m - 45m

- Số vòng quay cánh quạt 20 – 40vòng/phút

 Môt số đặc điểm của turbin gió trục ngang :

- Đây là loại turbin gió có hiệu suất cao nhất

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau

- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao

- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc quay

nhất đinh nên chỉ thích hợp cho nhưng nơi có vận tốc gió ổn định

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo turbin gió tru ̣c ngang

Trang 26

2.2.1.2 Turbin gió trục đứng (VAWTs)

Hình 2.9 Turbine gió trục đứng

 Đây là loại turbin mới phát triển trong thời gian gần đây

- Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s

- Chiều cao turbin dưới 30m

- Số cánh quạt 2 - 4 cánh

- Bán kính cánh quạt dưới 10m

 Đặc điểm của turbin gió trục đứng:

- Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng

- Turbin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khí nên có thể

lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định

- Tuy nhiên hiệu suất của tubin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt

động ở cùng 1 vận tốc gió

Trang 27

2.2.2 Khí động học Turbin gió trục ngang

2.2.2.1 Khái niệm hoạt động thực của rotor

Hình 2.10 Sự thay đổi áp suất và vận tốc gió qua turbine

Đây là sơ đồ miêu tả các biến đổi của dòng chảy khi đi qua đĩa rotor Với

các thông số ∞, 𝑑, 𝑤 lần lượt đặc trưng cho dòng chảy ở xa vô cùng phía trước

rotor, tại rotor, và xa vô cùng ở phía sau rotor

Xét định luật bảo toàn khối lượng cho dòng chảy qua rotor tại 3 tiết diện ở

xa vô cùng phía trước, phía sau và ngay tại rotor:

ρ.A∞.U∞= ρ.Ad.Ud= ρ.Aw.UwĐặt

U d = U ∞ (1-α) ( 2.11)

Thay vào biểu thức trên ta được:

A ∞ U ∞ = (1-α).A d U ∞ ( 2.12)

Ta thấy rằng với rotor có diện tích 𝐴𝑑 thì tương ứng với phần diện tích

A∞= (1-α).Ad của dòng không khí là trao đổi năng lượng với rotor Hệ số 𝑎 được

gọi là hệ số thu hẹp của dòng chảy Đây là 1 hệ số đặc trưng cho sự trao đổi năng

lượng giữa dòng không khí và rotor

Trang 28

2.2.2.2 Thuyết động lượng và hệ số công suất của rotor

Do mặt trước và mặt sau rotor có bước nhảy về áp suất nên suất hiện lực và

lực này la nguyên nhân thay đổi động lượng của dòng khí qua rotor

Điều này có nghĩa là vận tốc vào rotor và vận tốc ở xa vô cùng phía sau rotor

đều giảm đi 1 lượng 𝑎 𝑈∞

Thay vào biểu thức (2.13) ta có:

𝐹 = 𝑈∞ − 𝑈𝑤 𝜌 𝐴𝑑 𝑈𝑑 = 2 𝜌 𝐴𝑑𝑈∞2𝑎(1 − 𝑎) ( 2.17)

Công suất truyền cho rotor chính là công giãn nở của dòng khí:

𝑃 = 𝐹 𝑈𝑑 = 2 𝜌 𝐴𝑑𝑈∞3𝑎(1 − 𝑎)2 ( 2.18)

Trang 29

Hệ số công suất của rotor là tỷ số giữa công truyền cho rotor và động năng dòng

khí đi qua diện tích quét của rotor trong 1 đơn vị thời gian:

được nhà vật lý người Đức Albert Betz tìm ra vào năm 1926 Với mọi loại turbin

thì đều không thể đạt được hệ số công suất lớn nhất này Không phải sự giới hạn

khi thiết kế mà là dòng chảy của không khí vào turbin bị thu hẹp đi so với dòng

chảy tự do qua bề mặt rotor

Và điều này đã được chứng minh trong thực tế Các turbin gió hiện đại ngày

nay đều có hiệu suất chỉ đạt 30-45%

Trang 30

2.2.4 Lý thuyết phân tố cánh

Lực tác dụng lên phân tố cánh phụ thuộc và 2 yếu tố có thể thay đổi được là

kích thước cánh và góc tấn nhờ sự xác định vận tốc tương đối với cánh Thành phần

vận tốc chuyển động dọc theo bán kính của cánh rotor coi như không đáng kể

Biết được hình dáng phân tố cánh ta có thể xác định được các hệ số lực nâng

và lực cản 𝐶𝑙, 𝐶𝑑 và biến thiên của chúng theo góc tấn

Xét turbin gió quay với vận tốc góc là và vận tốc dòng khí là 𝑈∞

Turbin có N cánh, bán kính R và chiều dài dây cung là c Góc đặt cánh là là

góc giữa đường khí động cánh và mặt phẳng quay của đĩa

Cả 2 yếu tố 𝑐, β đều có thể biến thiên theo bán kính cánh quạt

Tại 1 phân tố cánh r, vận tốc tiếp tuyến của phân tố cánh là Ωr và vận tốc

tiếp tuyến của vết là 𝑎′Ωr Do đó vận tốc tiếp tuyến tương đối của dòng khí với

phân tô cánh là (1 + 𝑎′)Ωr

Trang 31

Tam giác vận tốc cho ta vận tốc tương đối của dòng chảy với phân tố cánh

𝑊 = 𝑈∞2(1 − 𝑎)2 + 𝛺2𝑟2(1 + 𝑎′)2 ( 2.20)

Và góc tới 𝜙 được xác định bởi biểu thức:

sin 𝜙 =𝑈∞ (1 − 𝑎)

𝑊cos 𝜙 = 𝛺𝑟(1 + 𝑎′)

𝑊Góc tấn của phân tố cánh:

𝛼 = 𝜙 − 𝛽 Khi đó lực nâng và lực cản lên phân tố cánh là:

𝐿 = 1

2 𝑊2 𝑐 𝐶𝑙.𝑟

𝐷 =1

2 𝑊2 𝑐 𝐶𝑑.𝑟

2.2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM)

Xem như hệ số dòng chảy a, a’ là không đổi trên diện tích quét của phân tố

Và không có sự tương tác giữa các dòng gần kề nhau

Thành phần lực khí động tác dụng lên N phân tố cánh theo chiều trục quay là:

𝐿 𝑐𝑜𝑠𝜙 +𝐷 𝑠𝑖𝑛𝜙 =1

2 𝑊2 𝑁 𝑐 𝐶𝑙 𝑐𝑜𝑠𝜙 + 𝐶𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜙 𝑟 ( 2.21)

Thành phần lực tác dụng lên N phân tố cánh theo phương tiếp tuyến là:

𝐿 𝑠𝑖𝑛Ф − 𝐷 𝑐𝑜𝑠Ф =1 𝑊2 𝑁 𝑐 𝐶 𝑠𝑖𝑛𝜙 − 𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑟 ( 2.22)

Trang 32

Sự thay đổi động lƣợng theo trục của dòng khí đi qua diện tích quét là:

Do thành phần ∆𝑝.𝑠 ≪ 𝑚 ∆𝑣 nên để tiện cho tính toán ta coi ∆𝑝 𝑠 ≈ 0

Nên biểu thức trên trở thành:

Trang 33

2.3 HỆ THỐNG MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN BIẾN ĐỔI

HOÀN TOÀN TỐC ĐỘ TRÊN TURBIN GIÓ VỚI MÁY ĐỒNG BỘ

(FRC-GS)

Để lắp đầy các thiết bị mã mạng lưới hiện hành, các sản phẩm Tuabin gió đã

được xem xét tới máy phát cảm ứng hay máy phát đồng bộ với bộ biến đồi điện áp

nguồn tới công suất tối đa, biến đổi và điều khiển, vận hành thay đổi tốc độ

Chương này mô tả thành phần chính và đặc tính của những kỹ thuật này và kết quả

hiện hành từ những nghiên cứu gần đây truyền tải trên mô hình động của chúng và

thiết kế điều khiển

Hình 2.11 Cấu hình tiêu biểu của một tuabin gió chuyển đổi kết nối đầy đủ

Cấu hình tiêu biểu của bộ biến đổi tốc độ trên Tuabin gió được cho thấy trên

hình 2.11 Kiểu này của Tuabin gió có thể hoặc không thể có hộp điều tốc và dãy rât

rộng kiểu máy phát điện như máy phát đồng bộ, máy phát đồng bộ thông thường và

máy phát nam châm vĩnh cửu có thể được sữ dụng Vì tất cả các mạng điện từ các

Tuabin gió được truyền thông qua bộ biến đổi nguồn, các đặc tính riêng biệt và đặc

tính động của máy phát điện thực tế được cách ly từ mạng điện Do đó, tần số điện

của máy phát có thể thay đổi như sự thay đổi tốc độ của Tuabin gió, trong khi tần số

mạng lưới được giữ không đổi, cho phép vận hành thay đổi tốc độ Tốc độ của bộ

biến đổi trong các Tuabin này phải tương ứng với tốc độ của máy phát

Bộ biến đổi nguồn có thể được sắp xếp theo nhiều cách khác nhau Trong khi

bộ biến đổi bên phía máy phát có thể là bộ chỉnh lưu Diod hoặc bộ biến đổi điện áp

PWM, bộ biến đổi phía mạng lưới tiêu biểu là bộ biến đổi nguồn áp PWM, phương

Trang 34

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc hướng để điều khiển hoạt động cùa bộ biến đổi nguồn và công suất tới mạng lưới lệ

thuộc rất nhiều vào kiểu của bộ biến đổi trong việc bố trí sữ dụng

2.3.1 Máy phát đồng bộ trên tuabin gió FRC-SG

Trong một Tuabin gió FRC dựa trên máy phát đồng bộ, máy phát có thể

được thực hiện liên quan đến chức năng điện hoặc nó có thể có Rotor nam châm

vĩnh cửu Trong cách bố trí điều khiển trực tiếp, Tuabin và Rotor máy phát được kết

hợp trên trục quay không cần hộp điều tốc và máy phát đặc biệt được thiết kế cho

tốc độ thấp với số cực lớn, máy phát đồng bộ điều khiển trực tiếp Tuabin là xu

hướng rất lớn tới một lượng lớn số cực Tuy nhiên, nếu Tuabin bao gồm hộp điều

tốc, thì máy phát nhỏ hơn với số cực nhò hơn có thể được sữ dụng

2.3.2 Điều khiển trực tiếp máy phát Tuabin gió

Ngày nay, hầu hết tất cả các Tuabin có công suất thấp vài Kw hoặc sữ dụng

nhiều máy phát tiêu chuẩn có tốc độ từ 750-1800 vòng/phút Tốc độ thấp hơn nhiều

tốc độ máy phát, tiêu biểu 20 vòng/phút và 60 vòng/phút Do đó, các Tuabin thông

thường, một hộp điều tốc được sử dụng giữa Tuabin và máy phát Một cách khác là

sữ dụng máy phát cho tốc độ thấp Máy phát có thể được đấu nối trực tiếp với trục

Tuabin Bộ truyền động điều khiển của tuabin gió thông thường và với một máy

phát điều khiển trực tiếp cho thấy trong hình 2.25

Có hai lý do chính cho máy phát điều khiển trực tiếp trong hệ thống Tuabin

gió là tốc độ thấp tạo ra momen định mức rất cao là cần thiết Đây là một khác biệt

rất quan trọng, vì kích thước và tổn thất của máy phát tốc độ thấp lệ thuộc vào

momen định mức hơn là trên công suất định mức của nó Máy phát điều khiển trực

tiếp với công suất 500kw, 30 vòng/phút của Tuabin thì có monmen định mức tương

đương với máy phát Tuabin hơi 50MW, 3000 vòng/phút

Bởi vì momen định mức cao, máy phát điều khiển trức tiếp luôn nặng hơn và

hiệu suất thấp hơn máy phát truyền thống Để tăng hiệu suất và giảm khối lượng của

phần hoạt động này, máy phát điều khiển trực tiếp luôn được thiết kế với đường

Trang 35

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc kính lớn Để giảm khối lượng của Rotor và Stato và giữ tổn thất cuộn dây nhỏ, máy

phát điều khiển trực tiếp cũng luôn được thiết kế với bước cực nhỏ

Hình 2.12 Bộ truyền động điều khiển của tuabin gió thông thường(a) và với một

máy phát điều khiển trực tiếp (b) ( Grauers, 1996)

2.3.3 Máy phát động bộ kích điện đối bằng nam châm vĩnh cữu

Máy phát đồng bộ có khả năng tự kích trên Rotor Kích thích đó có thể đạt

được bằng các dây quấn mạng dòng hoặc nam châm vĩnh cữu Máy phát đồng bộ

Rotor dây quấn có đặc tính mong muốn so với nam châm vĩnh cữu., rỏ ràng một bộ

điều khiển kích từ dòng điện và do đó, điều khiển điện áp ngõ ra của nó độc lập với

dòng điện tải Đặc tính này giải thích tại sao hầu hết máy có tốc độ là hằng số

Mạng lưới thủy điện và máy phát Turbo dùng Rotor dây quấn thay vì dùng Rotor

kích từ nam châm vĩnh cửu Máy phát đồng bộ trong Tuabin gió thì hầu hết được

kết nối tới mạng lưới thông qua bộ biến đổi điện Do đó, ưu điểm của điện áp không

tải có thể điều khiển không giới hạn

Rotor dây quấn thì nặng hơn Rotor nam châm vĩnh cữu và dung tích đồ sộ

hơn Ngoài ra, máy phát đồng bộ kích điện có tổn thất nhiều hơn trong cuộn dây

rotor Mặc dù sẽ có một số tổn thất trong nam châm gây ra bởi dòng điện xoáy trong

khối nam châm, chúng luôn thấp hơn nhiều tổn thất đồng của dây quấn kích từ

Rotor Điều này tăng tổn hao đồng cũng sẽ tăng số lượng cực

2.3.4 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu

Kích từ bằng nam châm vĩnh cửu cho phép tránh dòng điện kích thích hoặc

sự tiêu thụ công suất phản kháng đặc trưng cần thiết bởi máy phát đồng bộ rotor dây

Trang 36

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc quấn và máy điện cảm ứng và nó cũng loại bỏ được vành trượt Trong hình 2.13

trình bày cách bố trí với bộ chỉnh lưu Diod không điều khiển như bộ biến đổi điện

bên phía máy phát điều khiển hoạt động của máy phát Bộ biến đổi PWM-VSC có

thể điều khiển dùng kỹ thuật gốc phụ tải hoặc điều khiển dòng điện được phát triển

trong hệ quy chiếu định hướng điện áp chuẩn dq

Hình 2.13 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu với chỉnh lưu diode

Công suất tham chiếu được xác định bởi đặc tính tốc độ – công suất cực đại

trình bày ở hình 2.14 với tốc độ và công suất giới hạn

Hình 2.14 Đặc tính tốc độ – công suất cực đại

Cấu trúc với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu và hệ thống biến đổi

công suất bao gồm hai bộ biến đổi nguồn điện áp đối xứng được minh họa trong

hình 2.15 Trong sự bố trí này, bộ biến đổi bên phía máy phát điều khiển hoạt động

Trang 37

Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc của máy phát và bộ biến đối phía lưới điều khiển điện áp DC bởi việc xuất công

suất tác dụng tới mạng lưới

Hình 2.15 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ biến đổi nguồn điện

áp đối xứng

2.4 VẬN HÀNH CÔNG SUẤT TUABIN GIÓ

Về kinh tế, khi thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió phải tính

đến khả năng khai thác tối đa năng lượng từ gió, vì công suất phát ra tỷ lệ thuận trực

tiếp với hiệu suất rotor, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể phụ

thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin Do đó, tốc độ quay của máy phát

phải được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì λ tối ưu

2.4.1 Vận hành công suất cực đại

Trong thực tế, các hệ thống biến đổi năng lượng gió thường được vận hành

theo hai chế độ, một là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số, hai là giữ cho công

suất đầu ra lớn nhất Thuận lợi của chế độ vận hành thứ nhất là lưới điện được cấp

một lượng công suất không đổi, tuy nhiên năng lượng từ gió không được sử dụng

hiệu quả Ở chế độ vận hành thứ hai, tối ưu hóa năng lượng nhận được từ gió trong

một phạm vị thay đổi tốc độ làm việc cho phép, chế độ này thường được áp dụng

cho các tuabin công suất lớn, tuy nhiên dòng công suất đưa lên lưới thay đổi

Có hai cách thực hiện điều khiển tối ưu công suất đầu ra máy phát điện gió [15]:

Trang 38

2.4.1.1 Điều khiển tối ưu Tip - Speed - Ratio

Theo cách này, tốc độ gió được đo lường liên tục Trên cơ sở dữ liệu gió đo

được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu λ theo từng giá trị tốc độ gió và

do đó có thể đạt công suất đầu ra tối ưu Quá trình điều khiển được dựa vào đường

cong công suất tuabin

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ

Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn giá trị V C , tuabin gió không làm việc vì công

suất đầu ra không đáng kể để thắng được ma sát của hệ thống truyền động và cũng

để tránh quá dòng cho máy phát

Khi tốc độ gió đầu vào lớn V C và công suất phát ra nhỏ hơn công suất danh

định, tốc độ rotor được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió để giữ

cho λ bằng hằng số tương ứng với giá trị cực đại của C p Vùng làm việc này được

gọi là miền C p cực đại

Trang 39

Hình 2.17 Đường cong công suất tuabin

Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, công suất đầu ra đạt đến giá trị danh định (công

suất định mức theo thiết kế của máy phát) Khi đó, tốc độ rotor được điều chỉnh để

làm việc với λ sao cho C p nhỏ hơn giá trị tối ưu và tuabin gió được vận hành ở công

suất danh định tránh quá tải cho máy phát Vùng làm việc này được gọi là miền

công suất không đổi

Khi tốc độ gió đầu vào tăng lớn hơn V F , tuabin gió được ngắt ra để bảo vệ

máy phát và các bộ phận cơ khí khác

2.4.1.2 Điều khiển bám công suất đỉnh

Nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị của công suất P theo ω, tức là:

Ưu điểm là không yêu cầu xác định tốc độ gió Theo nguyên lý này, tốc độ

rotor được tăng hoặc giảm với các số gia nhỏ, công suất đầu ra được đo lường liên

tục, trên cơ sở đó tính toán tỷ số ΔP /Δω Nếu tỷ số này dương, nghĩa là có thể

nhận thêm công suất từ gió bằng cách tăng tốc độ của rotor Mặt khác, nếu tỷ số này

Trang 40

âm, công suất phát sẽ giảm nếu ta thay đổi tốc độ Tốc độ của rotor được duy trì sao

cho ΔP /Δω gần giá trị 0

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh

Tóm lại, để tối ưu công suất nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải được điều

chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào Cả hai chiến lược này đều nhằm mục

đích đạt được tương quan P−C p tối ưu

Định dạng
Số trang	133
Dung lượng	5,03 MB