Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hòa lưới

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu về hệ thống năng lượng gió : Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổi công suất.. Sử dụng máy phát điện cảm ứng lồng sóc SCIG làm phương tiện để chuyển đổi nă

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

iii

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS - TS Phan Quốc Dũng

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyền ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG

BỘ ROTOR LỒNG SÓC HÒA LƯỚI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hệ thống năng lượng gió : Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổi công suất

- Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió : PMSG, DFIG, SCIG

- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió

- Các phương pháp điều khiển tốc độ máy điện không đồng bộ

- Tìm hiểu hệ thống điện gió sử dụng máy phát SCIG hòa lưới

- Mô phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên PLECS

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/01/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS-TS Phan Quốc Dũng

Tp HCM, ngày 02 tháng 06 năm 2019

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Họ tên học viên:

Ngày, tháng, năm sinh:

Chuyên ngành:

ĐOÀN QUỐC ĐẠT 09/10/1991

Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1570382 Nơi sinh: Tiền Giang

Mã số: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

5

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phan Quốc Dũng, người đã hết

lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn khoa Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi tôi thực hiện đề tài này

Điện-Tp Hồ Chi Minh, ngày 02 tháng 06 năm 2019

Học viên

6

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Các nguồn năng lượng tái phát hiển đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới do giá nhiên liệu hóa thạch tăng vọt Sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo được coi là quan họng trong việc cải thiện an ninh năng lượng bằng cách giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính trước mối quan khí hậu nóng lên toàn cầu Các nguồn năng lượng tái tạo là các nguồn năng lượng tự nhiên không thể cạn kiệt, ví dụ: gió, mặt trời, địa nhiệt, sinh khối và thủy điện nhỏ Trong các nguồn năng lượng tái tạo này, điện gió đang phát triển rất nhanh và các tuabin gió hiện đại hoạt động hiệu quả, đáng tin cậy và sản xuất điện với chi phí hợp lý có nhiều tiềm năng phát triển ở Việt Nam Sử dụng máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG) làm phương tiện để chuyển đổi năng lượng cơ học của tuabin gió thành năng lượng điện có một loạt lợi thế, làm cho

nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cỡ nhỏ và trung bình (WECS) Một SCIG có chi phí sản xuất thấp với cấu trúc mạnh mẽ so với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PM) Ngoài ra, nó đòi hỏi một chi phí bảo trì thấp so với một máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRIG) hoặc một máy phát cảm ứng

2 cuộn dây (DFIG) Nghiên cứu để trích xuất công suất cực đại của năng lượng gió và đảm bảo các điều kiện khắt khe của lưới điện truyền thống là 2 yếu tố thiết yếu để dạng năng lượng này trở nên càng hấp dẫn hơn và giá thành rẽ hơn cũng như thâm nhập nhiều hơn trong lưới điện quốc gia

Trên cơ sở các vấn đề đặt ra, nội dung nghiên cứu được chia thành 5 chương, chương 1 giới thiệu tổng quan, chương 2 tìm hiểu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, chương

3 trình bày các vấn đề nghiên cứu trong đề tài, chương 4 thiết kế hệ thống điện gió SCIG hòa lưới trên nền PLECS, trình bày kết quả mô phỏng và cuối cùng chương 5 trình bày kết luận và hướng phát triển đề tài

ABSTRACT

Renewable energy sources have attracted worldwide attention due to soaring fossil fuel prices The development of renewable energy sources is considered important in improving energy security by reducing dependence on fossil fuels and reducing greenhouse gas emissions in the face of global warming climate Renewable energy sources are natural sources of energy that cannot be exhausted, such as wind, solar, geothermal, biomass and small hydroelectricity In these renewable energy sources, wind power is growing very fast and modem wind turbines operate efficiently, reliably and produce electricity at a reasonable cost with great potential for development in Vietnam Using the Squirrel Cagee Induction Generator (SCIG) as a means to convert the wind turbine's mechanical energy into electrical energy has a number of advantages, making it an attractive option for the conversion system Small and medium wind energy (WECS) A SCIG has a low production cost with a strong structure compared to a permanent magnet synchronous transmitter (PM) In addition, it requhes a low maintenance cost compared to a Wound Rotor Induction Generator (WRIG) or a Doubly fed induction generator (DFIG) Research to extract the maximum power of wind power and ensure the strict conditions of the traditional grid are two essential factors for this form of energy to become more and more attractive and cost-effective as well as more penetration in the national grid

Based on the issues raised, the research content is divided into 5 chapters, chapter 1 introduces the overview, chapter 2 learns about wind energy conversion system, chapter

3 presents research issues in the topic In chapter 4, the design of SCIG wind power system harmonizes on PLECS platform, presents simulation results and finally chapter

5 presents the conclusion and direction of study developing

viii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG

MÁY PHÁT SCIG HÒA LƯỚI” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, duới

sụ huớng dẫn của PGS TS Phan Quốc Dũng, các số liệu và kết quả thục nghiệm hoàn toàn trung thục Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của nguời khác, mọi sụ tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng

Học viên cao học

IX

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ vi

LỜI CAM ĐOAN viii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA xi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xiv

DANH MỤC BẢNG BIÊU XV CHUƠNG1: MỞ ĐẦU 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

CHUÔNG 2: HỆ THỐNG CHUYÊN ĐÔI NĂNG LUỢNG GIÓ 5

2.1 TÔNG QUAN 5

2.2 HỆ THỐNG CHUYÊN ĐÔI NĂNG LUỢNG GIÓ 7

2.2.1 Tổng quan 7

2.2.2 Turbine gió và năng lượng gió: 10

2.3 MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ÚNG ROTOR LỒNG SÓC (SCIG) 14

2.3.1 Máy điện không đồng bộ: 15

2.3.2 Điều khiển tốc độ máy điện không đồng bộ bằng phương pháp định hướng từ thông (FOC) 31

CHUÔNG 3: CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI 36

3.1 TÔNG QUAN 36

3.2 ĐIỀU KHIÊN MPPT 38

3.3 ĐIỀU KHIÊN HÒA LUỚI 43

3.4 ĐIỀU KHIÊN KHỞI ĐỘNG MÁY PHÁT GIÓ SCIG [36] 47

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SCIG HÒA LƯỚI TRÊN NỀNPLECS 50

X

4.1 GIỚI THIỆU PLECS [37] 50

4.1.1 PLECS Standalone 52

4.1.2 PLECS Blockset 53

4.2 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VỚI PLECS STAND ALONE 55

4.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG SCIG TRÊN NỀN PLECS 64

4.3.1 Sơ đồ khối tổng quan 64

4.3.2 Xây dựng mô hình các khối trong mô phỏng 66

4.3.3 Giải thuật điều khiển 74

4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 79

4.4.1 Tốc độ gió giảm 6m/s - 5m/s 80

4.4.2 Tốc độ gió tăng 6m/s - 6.5m/s 92

4.4.3 Đánh giá hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở các tốc độ gió khác nhau: 94 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 98

5.1 KẾT LUẬN 98

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

11

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới 2

Hình 2.1 Cấu trúc WECS 7

Hình 2.2 Các thành phần chính của WECS 7

Hình 2.3 Một số turbine gió nguyên thủy 10

Hình 2.4 Turbine gió trục ngang 11

Hình 2.5 Turbine gió trục đứng 12

Hình 2.6 Minh họa năng lượng gió từ khối khí m 13

Hình 2.7 Máy phát không đồng bộ hạ áp hãng VEM 14

Hình 2.8 Mô hình động cơ KĐB 15

Hình 2.9 Hệ trục tọa độ abc và hệ tọa độ a0 18

Hình 2.10 Vector sức từ động khi 0 = Cữt =0 (trên) và 60° (dưới) 19

Hình 2.11 Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator 19

Hình 2.12 Vec-tơ dòng stator trên hệ tọa độ cố định a0 và hệ tọa độ quay dq

:

24 Hình 2.13 FOCcơbản 31

Hình 2.14 FOC Trực tiếp 32

Hình 2.15 FOC Gián tiếp 33

Hình 3.1 Sơ đồ khối điểu khiển MPPT TSR 39

Hình 3.2 Sơ đồ khối điểu khiển MPPT OTC 40

Hình 3.3 Đồ thị Tm-O)m 41

Hình 3.4 Sơ đồ khối điểu khiển MPPT PSF 41

Hình 3.5 Đặt tính công suất và moment của turbine gió 42

Hình 3.6 Partial - Scale BTB 2L-VSCs trong WECs 45

Hình 3.7 Parallel BTB 2L-VSCs trong WECs 46

Hình 3.8 Parallel BTB 2L-VSCs với tụ DC link torongWECs 47

Hình 3.9 Quy trình khởi động hệ thống WECS sử dụng SCIG với tụ DC link

49

Hình 4.1 PLECS 51

Hình 4.2 PLECS Standalone 52

Hình 4.3 PLECS Blockset 54

Hình 4.4 Thư viện trong PLECS - Library Browser 56

Hình 4.5 PLECS Search Bar 57

Hình 4.6 New PLECS model 58

Hình 4.7 Cửa sổ thông số mô phỏng (a: cài đặt slover, b: lệnh khởi tạo)

Error! Bookmark not defined Hình 4.8 SCOPE 62

Hình 4.9 Xuất đồ thị mô phỏng Error! Bookmark not defined Hình 4.10 Cấu trúc hệ thống WECS với SCIG 64

Hình 4.11 Điều khiển phía máy phát 65

Hình 4.12 Điều khiển phía hòa lưới 66

Hình 4.13 Mô hình cánh turbine gió 67

Hình 4.14 Mô hình cánh turbine gió 68

Hình 4.15 Mô hình máy phát SCIG 70

Hình 4.16 Bộ biến đổi công suất phía máy phát 71

Hình 4.17 Chọn khóa bán dẫn cho mạch chỉnh lưu 72

Hình 4.18 Mạch lọc và lưới điện 73

Hình 4.19 Sơ đồ mô phỏng trên PLECS 74

Hình 4.20 Điều khiển phía máy phát 75

Hình 4.21 Điều khiển chuyển trục xác định góc pha, từ thông 76

Hình 4.22 Điều khiển dòng trục d 77

Hình 4.23 Điều khiển dòng trục q 77

Hình 4.24 Điều khiển phía lưới điện 78

Hình 4.25 Điều khiển khởi động 79

Hình 4.26 Mô phỏng tốc độ gió giảm 80

xii

xiii

Hình 4.27 Tín hiệu điều khiển khởi động 81

Hình 4.28 Điện áp Vdc 82

Hình 4.29 Vdc trong giai đoạn khởi động và tốc độ gió giảm 83

Hình 4.30 Dòng điện stator trên trục dq 85

Hình 4.31 Tốc độ máy phát wr (rad/s) 86

Hình 4.32 Công suất đầu vào và đầu ra 87

Hình 4.33 Dòng điện trực dq phía luới điện 88

Hình 4.34 Dòng điện lưới i a bc_grid 89

Hình 4.35 Dạng sóng dòng điện lưới phóng to 90

Hình 4.36 Fourier spectrum ia grid 91

Hình 4.37 Công suất Pin - Pout khi gió tăng 92

Hình 4.38 Dòng điện stator trên trục dq khi gió tăng 93

Hình 4.39 Dòng điện trực dq phía lưới điện khi gió tăng 94

Hình 4.40 Đáp ứng công suất Pin và Pout ở các tốc độ gió khảo sát 96

Hình 4.41 Dòng điện trực dq phía lưới điện khi gió tăng 97

XIV

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

SCIG Squirrel Cagee Induction Generator

FOC Field Oriented Control

THD Total Harmonic Distortion

DSP Digital Signal Processor

p&o Perturbation and observation

15

DANH MỤC BẢNG BIỂU

•

Bảng 4.1 Thông số máy phát SCIG 110 kw 69

Bảng 4.2 Thông số sơ đồ hình T của SCIG 69

Bảng 4.3 Thông số mach lọc 72

Bảng 4.4 Kết quả mô phỏng ở các tốc độ gió khác nhau 95

để làm tăng sự thâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo này vào cơ cấu năng lượng điện nước ta

Trang trại gió truyền thống chỉ bao gồm máy phát cảm ứng rotor lồng sóc tốc độ không đổi (SCIG) phát điện lên lưới AC thông qua một máy biến áp cách ly Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thấp, cũng như hộp số 3 cấp nặng nề, dễ hư hõng khiến cho sơ đồ phát điện này kém hiệu quả hơn Hơn nữa để cung cấp dòng kích từ, SCIG cần phải được cung cấp công suất phản kháng từ lưới điện, điều này ảnh hưởng đến chất lượng của lưới điện Do đó sơ đồ này dần được thay thế bằng các sơ đồ khác (hình 1.1) Những năm gần đây, hệ thống turbine gió đã phát triển nhanh chống trên thế giới

So với kiểu turbine có tốc độ cố định thì kiểu turbine có tốc độ có thể thay đổi được mang nhiều thuận lợi như có thể vận hành ở điểm công suất cực đại ở các vùng gió không cố định, cải thiện được hiệu suất và năng suất máy phát Vì thế kiểu turbine loại này được sự quan tâm càng nhiều trong công nghiệp năng lượng gió Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi thì không tuyến tính và các thông số luôn thay đổi, đòi hỏi bộ điều khiển phải hoạt động hiệu quả và tin cậy để thu được công suất tối đa và đáp ứng các yêu cầu hòa lưới Đối

với một hệ thống điện gió cỡ trung bình và nhỏ thì máy phát SCIG với một turbine gió thay đổi được tốc độ là một sự lựa chọn hấp dẫn, bởi với chi phí sản xuất thấp, vận hành tin cậy so với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) Ngoài ra, SCIG ít đòi hỏi bảo trì hơn so với các máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) và máy phát cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), nên đề tài đã chọn máy phát SCIG cho hệ thống điện gió hòa lưới

Hình 1.1 Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐÈ TÀI

Hiệu suất của WECS có tầm quan họng lớn để cung cấp năng lượng thu thu được tối

đa từ gió Khả năng thay đổi tốc độ của tuabin gió cho phép vận hành với hiệu suất khí động học tối đa và cũng cung cấp một nhiễu loạn mô-men xoắn tối thiểu trong mạch lái Ngoài điều khiển tỷ lệ tốc độ đầu cần có máy đo gió để đo tốc độ gió, một số sơ đồ điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) đã được báo cáo trong tài liệu kỹ thuật, chủ yếu dựa trên điều khiển mô-men xoắn tối ưu [1], điều khiển tìm kiếm [ 2], điều khiển logic mờ [3] và phương pháp điều khiển mạng thần kinh [4], Ngoài ra, một thuật toán điều khiển theo dõi nhanh đã được trình bày 2

LCL

3

trong [5], sơ đồ dựa trên logic mờ thích nghi đã được đề xuất trong [6] và [7] và bộ điều khiển MPPT với điều khiển bù thích ứng đã được đề xuất bong [8] Cuối cùng, một thuật toán MPPT cho WECS với bộ tạo cảm ứng được cấp nguồn gấp đôi, tận dụng công suất quán tính của rôto đã được trình bày trong [9]

Ngoài kiểm soát MPPT, hiệu quả của toàn bộ WECS có thể được cải thiện bằng cách tăng hiệu suất của máy phát điện Điều này có thể đạt được thông qua điều khiển từ thông liên kết (flux-linkage) máy phát bằng cách điều chỉnh dòng điện stato trục d Một phương pháp điều khiển logic mờ đã được trình bày trong [10] và các kỹ thuật điều khiển tìm kiếm đã được đề xuất trong [11] và [12] Sơ đồ điều khiển WECS của bộ điều khiển “minimum ohmic loss controller” SCIG kết hợp với tìm kiếm hoặc bộ điều khiển MPPT logic mờ đã được trình bày trong [13] Các phương pháp kiểm soát hiệu quả tối ưu dựa trên mô hình cho một SCIG đã được đề xuất trong [14]; tuy nhiên, trong [14] việc đo tốc độ gió chính xác là bắt buộc Một thiết kế điện dung được tối ưu hóa cho DC link của bộ chuyển đổi back-to-back để phát điện tua bin gió đã được trình bày trong [15-19]

Từ những nghiên cứu trên, có thể kết luận rằng cần có một giải thuật điều khiển để đạt hiệu quả cao về năng lượng, chất lượng điện năng đầu ra và về chi phí cho WECS với SCIG có đáp ứng động nhanh và có thể dễ dàng thực hiện Đó cũng là mục tiêu hướng đến của đề tài

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật và kiểm chứng bằng

mô phỏng

Nội dung nghiên cứu:

- Nguyên cứu lý thuyết: Năng lượng gió, điều khiển MPPT trong hệ thống điện gió, hòa lưới và khởi động máy phát gió

- Mô phỏng: tìm hiểu phần mềm PLECS với khả năng mô phỏng nhanh các hệ

4 thống điện tử công suất để kiểm chứng hiệu quả của giải thuật điều khiển.

5

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG

LƯỢNG GIÓ

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện trên thế giới ngày càng tăng, trong khi các nguồn

năng lượng truyền thống đang cạn kiệt nhanh chóng với mức chi phí tăng và gây ô

nhiễm môi trường Để đáp ứng những thách thức này, sự chú ý đã tập trung vào các

nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, pin nhiên liệu, v.v Năng lượng gió là một

nguồn năng lượng xanh tái tạo quan trọng, có mặt khắp nơi, thân thiện với môi trường

và có sẵn miễn phí Hơn nữa, năng lượng gió được đặc trưng bởi độ tin cậy cao và hiệu

suất cao Nhờ tất cả các tính năng này, công suất phát điện gió đã tăng nhanh, với mức

tăng trưởng trung bình hàng năm khoảng 30%, trên thế giới, trong thập kỷ qua

Năng lượng điện được tạo ra từ gió bằng cách sử dụng tuabin gió và máy phát điện Hệ

thống có thể được sử dụng cho tải độc lập hoặc đưa vào mạng điện thông qua bộ chuyển

đổi công suất phù hợp Tuabin gió hoạt động ở tốc độ cố định hoặc thay đổi Một máy

phát điện với tuabin gió có tốc độ cố định thường sử dụng một máy phát điện cảm ứng

lồng sóc (SCIG) để chuyển đổi năng lượng cơ học từ tuabin gió thành năng lượng điện

(Hình 2.la) Máy phát được kết nối trực tiếp với mạng điện Hệ thống hoạt động gần

như ở tốc độ không đổi ngay cả khi tốc độ gió thay đổi Cấu trúc liên kết này là đơn

giản, ít tốn kém và hiệu quả Nhưng, nó thu được mức năng lượng thấp, tổn hao cơ học

và chất lượng năng lượng điện năng đầu ra không tốt

Máy phát điện tua bin gió tốc độ thay đổi (hình 2 lb) có hiệu suất chuyển đổi năng

lượng cao từ gió qua một phạm vi tốc độ gió rộng hơn, cùng với chất lượng điện năng

tốt hơn Ngoài ra sơ đồ này có khả năng điều chỉnh hệ số công suất, bằng cách tiêu thụ

hoặc sản xuất công suất phản kháng, và đảm bảo ứng suất cơ học thấp

6

hơn Bộ chuyển đổi điện tử công suất được kết hợp giữa máy điện và hệ thống điện như trong hình Hầu hết các nhà sản xuất tuabin gió lớn đang phát triển các tuabin gió quy

mô megawatt mới dựa trên hoạt động tốc độ thay đổi với điều khiển pitch control

b Tốc độ thay đổi của WECS với SCIG/SG

a Tốc độ cố định của SCIG WECS

• WRSG *

Hình 2.2 Các thành phần chính của WECS

Mechanical Components: Động năng của gió trước tiên được chuyển đổi thành năng

lượng cơ học với sự trợ giúp của các cánh quạt tuabin Đối với các tuabin gió

công suất lớn, thiết kế ba cánh là hiệu quả và phổ biến nhất [21] Hiệu suất chuyển đổi năng lượng động học sang cơ học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng của cánh quạt, góc của cánh quạt, tốc độ gió, mật độ không khí, v.v Tốc độ và hướng gió được

đo với sự trợ giúp của các cảm biến, và một ổ ngáp được sử dụng để di chuyển các cánh quạt cùng với vỏ bọc hướng về phía gió để lấy năng lượng tối đa có thể Khi tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, góc của các cánh quạt được thay đổi sao cho công suất điện

bị giới hạn ở giá trị định mức Tua bin gió cỡ MW thường chạy ở tốc độ rất thấp (thường

là 6-20 vòng/phút) và mô-men xoắn cao

Electrical Components: Một máy phát điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng

cơ học quay thành năng lượng điện Trong 30 năm qua, nhiều máy phát điện như máy phát điện cảm ứng lồng sóc (SCIG), máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG), máy phát điện cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) và máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) đã được phát triển cho tuabin gió [22] Thế hệ đầu tiên của tuabin gió được dựa trên máy phát SCIG, nhưng các tuabin thế hệ hiện tại kết hợp cả máy phát điện cảm ứng và đồng bộ Các máy phát cảm ứng (IG) thường hoạt động ở tốc độ quay cao, trong khi các máy phát đồng bộ (SG) có thể hoạt động ở tốc độ thấp, trung bình hoặc cao [23] Để đạt được tốc độ hoạt động thấp hơn, máy phát điện cần được trang bị một số lượng cực lớn, đây là một giải pháp khả thi với máy SG Khi cung cấp số lượng cực lớn, bán kính stato trở nên lớn hơn 6 lần và nặng hơn 4,5 lần so với các máy phát điện cảm ứng dựa trên hộp số ba cấp [24], Điện

áp đầu ra của máy phát và tần số thay đổi theo tốc độ gió Máy phát có thể được ghép trực tiếp vào lưới hoặc nó có thể được giao tiếp thông qua bộ chuyển đổi điện tử công suất Bằng cách sắp xếp các thiết bị chuyển đổi năng lượng theo các cách khác nhau,

có thể với các phần tử liên kết dc như tụ điện hoặc cuộn cảm, nhiều cấu trúc liên kết chuyển đổi nguồn có thể được lấy Các bộ chuyển đổi điện tử công suất này có thể được kết hợp với các máy phát điện để tạo thành một loạt các cấu hình WECS Một lần nữa bằng cách kết nối các tuabin gió theo cách khác nhau, có thể thu được các cấu hình 8

9

trang trại gió khác nhau Các sóng hài là không thể tránh khỏi khi sử dụng các bộ biến đổi công suất và để giải quyết vấn đề này, các bộ lọc sóng hài được sử dụng trong các bộ biến đổi phía máy phát và lưới điện Bộ lọc sóng hài ở phía máy phát điện giúp giảm méo sóng hài của dòng điện và điện áp Điều này dẫn đến việc giảm tổn thất sóng hài phát sinh trong lõi của máy phát điện và cuộn dây Bộ lọc sóng hài trong bộ chuyển đổi phía lưới giúp đáp ứng các yêu cầu sóng hài nghiêm ngặt được chỉ định bởi các Grid Code Đầu ra của

bộ lọc sóng hài phía lưới được kết nối với lưới ba pha (hoặc tải) thông qua một máy biến

áp tăng áp, thiết bị chuyển mạch điện và CB Bằng cách vận hành bộ chuyển đổi điện tử công suất ở mức điện áp điểm tải, có thể không sử dụng máy biến áp

Control System: Hệ thống tuabin gió cũng bao gồm một số hệ thống điều khiển Slave

cho các bộ phận cơ/điện và hệ thống điều khiển Master để đạt được hiệu suất động và ổn định mong muốn cho WECS Bộ điều khiển thường theo dõi các biến khác nhau như tốc

độ gió, hướng gió, điện áp/dòng máy phát, điện áp liên kết bộ lọc/dc nếu có, điện áp và dòng điện lưới, và điều chỉnh trạng thái vận hành của hệ thống hoặc các biến ở giá trị tham chiếu hoặc trong bộ ranh giới [25] Ví dụ, khi tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức,

hệ thống điều khiển Master sẽ khởi động hệ thống điều khiển thụ động, chủ động hoặc Pitch control để đáp ứng và thay đổi góc của các cánh quạt sao cho công suất đầu ra của tuabin không bao giờ vượt quá giá trị định mức [26] Các hệ thống điều khiển có các chức năng hạn chế trong các thế hệ tuabin gió đầu tiên, và bây giờ chúng thực hiện một số lượng lớn các chức năng liên quan đến hoạt động của tuabin, máy phát và bộ chuyển đổi công suất, hòa lưới, tiêu chuẩn bảo vệ và vận hành hang trại gió, v.v Các hệ thống điều khiển thường được triển khai bằng máy tính, vi điều khiển, bộ xử lý tín hiệu số (DSP) hoặc FPGA Với các nền tảng điều khiển hiện đại, các lệnh điều khiển có thể được thực hiện rất nhanh (trong vòng chưa đến 100 micro giây) và lặp đi lặp lại

2.2.2 Turbine gió và nãng lượng gió:

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo dồi dào nhất trên trái đất, con người đã sử dụng năng lượng gió trong công việc hàng ngày từ rất lâu đời trong lịch

sử, ví dụ như gió dùng để tạo lực xay ngũ cốc và đó là lý do tại sao chúng ta vẫn nói về

10

"cối xay gió", mặc dù hiện nay chúng hầu như không được sử dụng để nghiền hạt nữa Hình 2.3 hiển thị một số cối xay gió nguyên thủy được sử dụng bởi các nền văn minh sơ khai của loài người

Hình 2.3 Một sổ turbine gió nguyên thủy

Có thể thấy rằng hầu hết các cối xay gió lâu đời nhất thế giới đều có trục quay thẳng đứng Thiết kế ban đầu (Hình 2.3 (a) - (c)) rất đơn giản, họ dùng thảm bện hoặc cánh buồm được

để tạo ra lực cản và do đó để xoay các cối xay gió về trục trung tâm cối xay gió trục dọc

có một lợi thế đó là chúng độc lập với hướng gió Phiên bản mới hơn của các nhà máy trục dọc được phát triển ở Pháp và Ý, tương ứng hình d và e Trong hình 2.3 (d), cối xay được gắn trực tiếp vào trục truyền động thẳng đứng mà không có bất kỳ bánh răng trung gian hoặc cơ chế nào khác để chuyển hướng chuyển động quay Hình 2.3 (e) cho thấy một trong những cối xay gió tiên tiến được tạo ra bởi Fausto Veranzio ở Ý [27] Có thể thấy rằng cối xay gió này được thiết kế với các cánh quạt hình cốc giúp cải thiện hiệu quả của thiết bị Veranzio cũng đã phát triển một cơ chế truyền động cho các cối xay gió của mình, cho phép cối xay chạy ở tốc độ cao hơn nhiều, mặc dù các cánh quạt được thiết kế cho tỷ

lệ tốc độ đầu thấp [27] Các cối xay gió trục ngang là một phát minh tương đối mới hơn

11

các cối xay gió trục dọc Một trong những tuabin gió trục ngang đầu tiên phổ biến nhất là các nhà máy tháp, được thể hiện trong Hình 2.4

Hình 2.4 Turbine gió trục ngang

Có ba cách để phân loại tuabin gió: (i) trên cơ sở định hướng trục quay (dọc hoặc ngang), (ii) trên cơ sở thành phần của lực khí động học (nâng hoặc kéo) cung cấp năng lượng cho tuabin gió và (iii) trên cơ sở năng lực tạo ra năng lượng (vi mô, nhỏ, trung bình hoặc lớn) Khi phân loại trên cơ sở định hướng của trục quay, về cơ bản có 2 loại turbine: Tua bin gió trục dọc (Vertical Axis Wind Turbines - VAWT) và Tua bin gió trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbines - HAWTs) Đúng như tên gọi, rôto của VAWT quay vuông góc với mặt đất trong khi của HAWT quay song song với mặt đất Điều này đã được giải thích trong phần trước rằng hầu hết

12

các tuabin gió ban đầu đều là trục thẳng đứng vì chúng tuơng đối đơn giản để chế tạo (đặc biệt là cho mục đích xay xát) và chúng cũng không yêu cầu bất kỳ cơ chế nào để tự định huớng theo huớng gió Hiện tại, có ba thiết kế phổ biến nhất của VAWT: (a) Savonius VAWT, (b) Curved-blade Darrieus VAWT và (c) Stright- blade VAWT [27] (Hình 2.5) Trong đó, tua bin Savonius là loại có lục kéo trong khi tua bin Darrieus là loại lục nâng

Tua bin trục đứng thuờng có hiệu suất kém (loại savonius hiệu suất duới 25%) và đó là lý

do tại sao chúng không thành công về mặt thuơng mại nhung có một số lợi thế nhu xây dụng đơn giản với chi phí thấp, chấp nhận gió từ mọi huớng, tiếng ồn thấp Hiện nay, tuabin gió trục ngang (HAWTs) là phổ biến nhất trong số tất cả các thiết kế tuabin Điều này chủ yếu là vì HAWT thuờng có hiệu suất cao hơn nhiều so với VAWT

Thục tế, năng luợng gió có thể đuợc coi là động năng của một số luợng lớn hạt không khí với tổng khối luợng m (kg), di chuyển với một tốc độ gió vw (m/s) (hình 2.6) Giả sử rằng tất cả các hạt không khí di chuyển với cùng tốc độ và huớng đến chạm vào cánh của trubine

Hình 2.5

13

Hình 2.6 Minh họa năng lượng gió từ khối khí m

Năng lượng tích trữ có sẳn trong gió dưới dạng động năng E được tính bởi công

(2.3)

Từ (2.3) ta có thể tính công suất của gió truyền tới turbine:

m

14

Trong đó Pwind là công suất tích trữ trong gió Từ công thức (2.4) có thể nhận thấy rằng công suất gió tỉ lệ thuận với lập phương của vận tốc gió, có nghĩa là chỉ cần một

sự gia tăng nhỏ của tốc độ gió cũng dẫn đến sự gia tăng lớn ở công suất gió

2.3 MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTOR LỒNG SÓC (SCIG)

Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG) (hình 2.7) là một lựa chọn hấp dẫn cho

hệ thống năng lượng gió bời vì nó không tốn nhiều chi phí đầu tư như hệ thống PMSG

và chi phí bảo trì thấp hơn so với máy phát WRSG Máy điện không đồng bộ có thể vận hành ở cả 2 chế độ động cơ và máy phát, trong đó động cơ được sử dụng rộng rải truyền động trong công nghiệp Phần sau đây sẽ tìm hiểu tổng quan về máy điện không đồng bộ, mô hình toán và các nguyên lý điều khiển tốc độ máy điện không đồng bộ Các phân tích ở đây ta xét trường hợp máy điện không đồng bộ vận hành ở chế độ động

cơ

Hình 2.7 Máy phái không đồng bộ hạ áp hãng VEM

(2.4)

và dòng điện tải khi biết được nguồn điện áp cấp cho stator Các tổn hao trong lõi từ có thể đơn giản hóa bằng cách xét đến ảnh hưởng đó khi thiết lập giá trị điện trở các cuộn dây

_ _

Độ trượt tại đó momen đạt cực đại:

^=±^+(xs + x'r)2

Quan hệ giữa các đại lượng cơ bản

Dòng điện rotor đã qui về stator:

17

Công suất phản kháng của động cơ: Q - 3U lpha I m0 + 31'2 (X 1 + X 2 ) (2.18)

Mồ hình toán ở chế độ quá độ:

Với sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập thì có thể cho phép

ta tính toán các đại lượng cơ bản như dòng stator, moment với vận tốc cố định, nguồn cung cấp có dạng sin và cân bằng Sơ đồ này không dùng được khi phân tích hạng thái vận hành quá độ của động cơ

Mô hình động của động cơ trong hệ trục tọa độ tĩnh stator và hệ trục tọa độ quay rotor dựa trên khái niệm về các đại lượng vector của máy điện xoay chiều Mô hình cho phép phân tích đặc tính của động cơ ở chế độ quá độ lẫn xác lập và khi động cơ được cấp từ một nguồn áp có dạng bất kỳ

18

- f: đại lượng mô tả hệ từ thông (hệ trục dq quay đồng bộ với vecto từ thông)

- s: đại lượng mô tả trên hệ tọa độ a0 cố định với stator

- r: đại lượng mô tả trên hệ tọa độ a0 cố định với rotor

Chỉ số viết bên phải phía dưới:

- s: đại lượng mạch stator

- r: đại lượng mạch rotor

Hình 2.9 Hệ trục tọa độ abc và hệ tọa độ a/ỉ

19

Hình 2.10 Vector súc từ động khỉ 0 = (ot=0 (trên) và 60° (dưới)

Chọn trục thực là a và trục ảo là p, vector từ động tổng F/ được biểu diễn như sau:

Hình 2.11 Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator

(2.19)

Ai'

Khái niệm vector không gian có thể mở rộng cho các đại lượng khác như dòng điện, điện áp, từ thông

- Vecto không gian dòng stator: z^z^+z^+z;^240” (2.21)

- Vecto không gian điện áp stator: V/ = +KX120” +vjy240’ (2.22)

Phương trình vi phân cơ bản:

Động cơ không đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao về cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng nên ta

phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong khi mô hình hoá động cơ

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa

- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm được xem là không đổi

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây quấn stator:

(2.20)

- (t), u sb (t), u sc (t) : điện áp trên ba cuộn dây pha của stator

■ ờ) ’ ^ỉ> (t) ’ (t) : từ thông móc vòng trên ba dây quấn stator

- R s : điện trở của cuộn dây pha stator

Biểu diễn điện áp theo dạng vectơ không gian:

22

- i-s (t) :vectơ dòng stator được quan sát trên hệ tọa độ stator

- y/(t) :vectơ từ thông stator được quan sát trên hệ tọa độ stator

Tương tự như đối với cuộn dây stator, ta thu được phương trình điện áp của mạch rotor khi quan sát trên hệ rotor (rotor ngắn mạch)

Trong đó:

- u r : vectơ điện áp rotor

- ỉ r (í) : vectơ dòng rotor

- T' (í) : vectơ từ thông rotor

- R r : điện hở rotor đã tính quy đổi về stator

- õ : vectơ không (vectơ có môdul bằng không)

Chỉ số “r” ở hên chỉ các vectơ của phương trình (2.31) được biểu diễn trong hệ tọa độ

cố định rotor

Các cuộn dây của động cơ có các giá trị điện cảm sau:

: hỗ cảm giữa rotor và stator

: điện kháng tản của dây quân stator

: điện kháng tản của dây quân rotor

(2.33) Đối với động cơ không đồng bộ là một hệ điện cơ nên ta có phương trình cơ:

(2.34) p dt

Với: j : Moment quán tính cơ

P: Số đôi cực của động cơ

Q : Tốc độ góc của rotor

M T : Moment tải

Me: Moment điện từ

« =|z>(;EÍ) = -|í>(;ĩ;T) (2.35)

Phương trình toán trên hệ tọa độ stator:

Ta hình dung có một hệ trục tọa độ mới quay với tốc độ ú) k , việc chuyển đổi các đại lượng

này về hệ trục mới được thực hiện bằng cách áp dụng công thức chuyển đổi trục tọa độ

a của hệ tọa độ stator

Thay (2.36), (2.37), (2.39) vào phương trình (2.28) ta thu được phương trình tổng quát cho điện áp stator

Áp dụng công thức chuyển hệ toạ độ, ta có :

(2.37) (2.38)

(2.46b)

Từ phương trình (2.45) và (2.46), ta có:

(2.48) Thay iy và vào (2.43), (2.44) đồng thời sử dụng các tham số ơ, Ts, Tr

(2.40)

(2.46a)

(2.47)