Mô hình hóa và điều khiển mppt máy phát điện gió pmsg có kết nối lưới

Trong các loại máy phát điện gió hiện nay, loại máy phát PMSG mang những ưu điểm nổi bật như: cơ cấu không hộp số, loại bỏ hệ thống kích từ DC, kiểm soát toàn bộ hệ thống để khai thác tố

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồ Phạm Huy Ánh

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………

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG THẮNG MSHV: 12186022

Ngày, tháng, năm sinh: 10 – 01 – 1989 Nơi sinh: Nghệ An Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện Mã số : 605250

I TÊN ĐỀ TÀI:

Mô hình hóa và điều khiển MPPT máy phát điện gió PMSG có kết nối lưới

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Giới thiệu về năng lượng gió trên thế giới và tại Việt Nam

 Tìm hiểu về máy phát điện gió PMSG

 Mô hình hóa máy phát điện gió PMSG sử dụng phần mềm Matlab/Simulink

 Thiết lập bộ điều khiển để máy phát PMSG bám điểm công suất cực đại theo đường cong cho trước

 Kết nối với lưới điện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS HỒ PHẠM HUY ÁNH

Tp HCM, ngày tháng năm 20

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS HỒ PHẠM HUY ÁNH, Người đã từng bước giúp đỡ em hoàn thành luận văn này Xin cảm ơn các Thầy Cô trong khoa Điện-Điện tử trường ĐH Bách Khoa HCM đã cho em những nền tảng kiến thức – tri thức quý báu

Xin cảm ơn các anh chị khóa trước đã có những công trình hữu ích giúp tôi tham khảo cho luận văn này Xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp

đỡ tôi bằng nhiều cách khác nhau để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Xin Cám ơn Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM; Khoa Điện- Điện Tử; Phòng Quản Lý Sau Đại Học, Tập thể anh chị em lớp Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa

Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian thực hiện đề tài nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong Thầy hướng dẫn, các quý thầy cô, cùng các bạn đọc góp ý để luận văn ngày càng được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng….năm……… Học viên thực hiện

Nguyễn Quang Thắng

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi nghiên cứu và tổng hợp Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn đã thể hiện được tính cấp thiết của vấn đề đang được quan tâm hiện nay, đó là nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên) đã và đang gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường sống của toàn nhân loại trên Trái Đất

Luận văn đã giới thiệu về tình hình năng lượng trên thế giới hiện nay cũng như của Việt Nam, qua đó để có cái nhìn khái quát hơn về nguồn năng lượng, năng lượng hóa thạch chỉ có thể khai thác với trữ lượng có hạn trong tương lai không xa, và đang tập trung hướng đến các nguồn năng lượng mới, nổi bật nhất là nguồn năng lượng gió Đối với lĩnh vực năng lượng tái tạo, mà đặc biệt là năng lượng gió không phải là vấn

đề mới của thế giới, nhưng đối với Việt Nam chúng ta đây là lĩnh vực thực sự mới chỉ được quan tâm và ứng dụng trong những năm gần đây Dựa trên phân tích những ưu-khuyết điểm cũng như tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam đã được các chuyên gia trong và ngoài nước đánh giá với tiềm năng rất lớn Đó là thuận lợi để chúng ta xây dựng nền công nghiệp điện gió trong tương lai, nhưng cần phải có những bước đột phá trong lĩnh vực này để khai thác hết tiềm năng của nó đem lại

Đề tài cũng đã khái quát chung về năng lượng gió, giới thiệu về turbine gió, phân loại và cấu tạo chính của turbine gió trục ngang hiện nay Trong các loại máy phát điện gió hiện nay, loại máy phát PMSG mang những ưu điểm nổi bật như: cơ cấu không hộp số, loại bỏ hệ thống kích từ DC, kiểm soát toàn bộ hệ thống để khai thác tối đa năng lượng gió và giao tiếp lưới, dễ dàng vượt qua lỗi (Fault ride through) và hỗ trợ lưới điện, đề tài cũng trình bày mô hình toán và cấu trúc điều khiển cho hệ thống turbine gió PMSG Điều khiển MPPT cho hệ thống turbine gió để công suất nhận được là tối ưu ứng với mỗi vận tốc gió

Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống turbine gió sử dụng máy phát PMSG trên phần mềm Matlab/Simulink, và kết nối lưới Mô phỏng cho ra kết quả tốt, đáp ứng yều cầu đề ra

ABSTRACT

This thesis presents the urgency of the issues of concern today, which is an energy source to replace fossil energy sources (oil, coal, natural gas) has been causing pollution environmental serious of all human life on Earth

This thesis introduce the energy situation in the world today as well as in Vietnam, to have an overview about energy, fossil fuels can exhaust in the near future, and is focused towards new energy sources, special wind energy

In the field of renewable energy, wind energy is not a new issue of the world,

At Vietnam, this is an field really only be interested and applications in those years recently Based on the analysis advantage-disadvantage as well as wind energy potential in Vietnam has been evaluated by experts with great potential It is convenient for us to build wind energy industry in the future, but need a breakthrough

in this field in order to exploit the full potential it offers

The theme also overview of wind energy, wind turbine introduction, classification and structure of the horizontal axis wind turbine Among the wind turbine, PMSG generator brings outstanding advantages such as gearless structure, eliminating DC excitation system, control the entire system for maximum exploitation

of wind energy and communication network, fault ride through and support grid The thesis presents mathematical modeling and control structure for PMSG wind turbine system MPPT control for wind turbine system to get optimal power for each wind speed

Modeling and simulation PMSG wind turbine system using Matlab / Simulink software, and connect to grid Simulation for good results, meet the requirements

MỤC LỤC

CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU 13

1 Đặt vấn đề 13

2 Giới thiệu đề tài 14

3 Mục tiêu nghiên cứu 15

4 Phạm vi nghiên cứu 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 17

1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới 17

1.2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam 18

1.3 Tìm hiểu về các turbine gió 20

1.4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió: 21

1.5 Cấu tạo của turbine gió 21

1.6 Hệ thống phát điện gió điển hình 27

1.6.1 Máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng sóc 28

1.6.2 Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn 29

1.6.3 Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép 30

1.6.4 Máy phát điện đồng bộ tự kích 32

1.6.5 Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu 33

1.7 So sánh giữa các loại máy phát điện gió 35

1.8 Một số yêu cầu khi kết nối lưới điện cho máy phát điện gió 36

1.9 Hiện trạng và xu hướng phát triển kỹ thuật phát điện gió 38

1.10 Cấu hình hệ thống và nguyên lí hoạt động của máy phát điện gió PMSG 39

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG 42

2.1 Phương trình toán của mạch điện sau chuyển đổi máy phát điện gió PMSG 42

2.1.1 Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ abc 42

2.1.2 Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ dq 43

2.2 Công suất và mômen của máy phát điện gió PMSG 44

CHƯƠNG 3: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 47

3.1 Giới thiệu về IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 47

3.2 Bộ biến đổi công suất 49

3.3 Phân loại 49

3.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM) 50

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BÀI TOÁN MPPT 55

4.1 Điều khiển góc cắt 55

4.2 Phương pháp tìm kiếm giá trị đỉnh (Hill Climb Search – HCS) 58

4.3 Tỉ số bờ rìa cánh quạt trên tốc độ (Tip Speed Ratio - TSR ratio) 58

4.4 Giá trị công suất nhận được (Power Signal Feedback - PSF) 59

4.5 Kết luận: 60

CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP 64

5.1 Các cấu trúc điều khiển 64

5.2 Bộ biến đổi phía máy phát (Machine–Side Converter–MSC) 65

5.2.1 Nguyên lý 66

5.2.2 Sơ đồ điều khiển 69

5.3 Bộ biến đổi phía lưới (Grid–Side Converter–GSC) 70

5.3.1 Nguyên lý 70

5.3.2 Sơ đồ điều khiển 74

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG ĐƯỢC KẾT NỐI LƯỚI 78

6.1 Mô phỏng máy phát điện gió PMSG 1.5 MW: 78

6.2 Khối điều khiển 82

6.3 Khối lọc tín hiệu và đo lường (Filtering and measurements): 82

6.4 Khối PLL (phase-locked loop): 83

6.5 Khối tính công suất thực và công suất kháng 85

6.6 Khối chuyển hệ tọa độ (DQ transformation) 86

6.7 Khối biến đổi phía lưới (Grid-Side Converter Control System) 88

6.8 Khối biến đổi phía máy phát (Machine Side Converter Control System) 88

6.9 Khối tính toán momen điều khiển 91

6.10 Khối turbine gió như sau 92

6.11 Kết quả mô phỏng 94

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 102

7.1 Nhận xét về định hướng lấy công suất tối ưu 102

7.2 Những thuận lợi, khó khăn và định hướng trong việc phát triển điện gió tại

Việt Nam 103

7.3 Kết luận về đề tài và hướng phát triển tương lai 104

7.4 Lời kết 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

u Điện áp

i Dòng điện

a,b,c Trong hệ tọa độ abc

,

  Trong hệ tọa độ Stator

d, q Trong hệ tọa độ Rotor

p

C Hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió

 Tỉ số bờ rìa cánh quạt trên tốc độ

DFIG Máy phát điện KĐB kích từ kép (Doubly Fed Induction Generator)

WRIG Máy phát điện KĐB kiểu dây quấn (Wound Rotor Induction Generator) EESG Máy phát điện ĐB tự kích (Electrically Excited Sychrous Generator) MPPT Maximum Power Point Tracking - Bám điểm công suất cực đại

FOC Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control)

VOC Điều khiển định hướng theo điện áp (Voltage Oriented Control)

PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse With Modulation)

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Công suất gió trên thế giới trong thời gian 1996-2008

Hình 1.2 Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80m (tài liệu Điện gió)

Hình 1.3: Cấu trúc của một turbine gió

Hình 1.4: Kết cấu của một máy phát điện gió

Hình 1.5: Đường cong hiệu suất rotor

Hình 1.6: Đặc tính quan hệ Cp= f(λ) của turbine gió

Hình 1.7: Đường đặc tính Công suất – Tốc độ góc của Turbine gió

Hình 1.8: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG

Hình 1.9: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG

Hình 1.10: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG

Hình 1.11: Turbine gió tốc độ biến đổi sử dụng bộ bộ biến đổi tần số tỉ lệ cho nguồn kích từ

Hình 1.12: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát EESG

Hình 1.13: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát PMSG

Hình 1.14: Hệ thống các loại turbine gió

Hình 1.15: Sơ đồ tổng thể máy phát điện gió PMSG

Hình 1.16: Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện trong máy phát turbine gió PMSG

Hình 1.17: Hệ thống nghịch lưu công suất của máy phát điện gió PMSG

Hình 2.1: Hình ảnh mặt cắt của một máy phát PMSG 2 cực

Hình 2.2:Sơ đồ mạch tương đương của một PMSG trong hệ tọa độ dq

Hình 3.1: Ký hiệu và mạch tương đương của IGBT

Hình 3.2: Sơ đồ cho phương pháp Sin-PWM

Hình 3.3 Giản đồ xung của phương pháp Sin-PWM

Hình 3.4 Bộ nghịch lưu 3 pha

Hình 3.5 Các dạng sóng của bộ nghịch lưu khi điều chế Sin-PWM

Hình 4.1 : Quan hệ giữa công suất cơ và công suất máy phát, điểm cực đại C p

Hình 4.2: Các vùng vận hành cho điều chỉnh góc cắt của turbine gió

Hình 4.3: Đồ thị cho phương pháp tìm kiếm giá trị đỉnh HCS

Hình 4.4: Đường cong công suất cực đại của turbine gió (màu đỏ) và các đươ ̀ ng cong đặc tính của công suất turbine gió ở các vận tốc gió khác nhau

Hình 4.5: Sơ đồ khối phương pháp PSF

Hình 4.6: MPPT dựa trên đường cong đặc tính công suất P-s

Hình 4.7:Các vùng hoạt động PMSG dựa trên vận tốc gió

Hình 4.8: Cấu hình cho hệ thống điều khiển máy phát điện gió PMSG

Hình 5.1: Cấu trúc của hệ thống máy phát điện gió PMSG

Hình 5.2: Hệ thống turbine gió PMSG truyền động trực tiếp

Hình 5.3: Đặc tính công suất của turbine - tốc độ gió

Hình 5.4: Đặc tính hệ số công suất

Hình 5.5: Giản đồ cho phương pháp FOC

Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển Generator-side Converter

Hình 5.7: Cấu trúc của hệ thống máy phát PMSG kết nối lưới

Hình 5.8: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC

Hình 5.9: Giản đồ vector VOC, biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trong các hệ trục tọa độ   và d-q

Hình 5.10: Điều khiển tách dòng điện đầu vào bộ PWM

Hình 5.11: Sơ đồ điều khiển Grid-side converter

Hình 5.12: Sơ đồ tổng thể hệ thống

Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng máy phát điện gió PMSG 1,5 MW trong hệ thống điện Hình 6.2: Sơ đồ mô phỏng máy phát điện gió PMSG 1.5MW

Hình 6.3: Khối điều khiển hệ thống

Hình 6.4: Khối lọc tín hiệu và đo lường

Hình 6.5: Khối lọc thông thấp

Hình 6.6: Sơ đồ cho hệ thống kiểm soát PLL

Hình 6.7: Khối PLL (phase-locked loop)

Hình 6.8: Chi tiết bên trong khối PLL

Hình 6.9: Khối tính công suất thực và công suất kháng

Hình 6.10: Chi tiết bên trong khối tính công suất thực và kháng

Hình 6.11: Khối chuyển hệ tọa độ abcdq0

Hình 6.12: Chi tiết bên trong khối chuyển hệ tọa độ abcdq0

Hình 6.13: Khối chuyển hệ tọa độ abc  dq

Hình 6.14: Chi tiết bên trong khối chuyển hệ tọa đô abc dq

Hình 6.15: Khối điều khiển bộ biến đổi phía lưới

Hình 6.16: Chi tiết bên trong khối điều khiển phía lưới

Hình 6.17: Khối điều khiển bộ biến đổi phía máy phát

Hình 6.18: Chi tiết bên trong khối điều khiển phía máy phát

Hình 6.19: Khối kiểm soát điện áp DC

Hình 6.20: Khối điều khiển mômen

Hình 6.21: Khối Turbine gió

Hình 6.22: Chi tiết bên trong khối turbine gió

Hình 6.23: Đặc tính C p& ứng với các giá trị góc pitch 

Hình 6.24: Đặc tính công suất-Tốc độ gió

Hình 6.25: Khối điều khiển góc pitch

Hình 6.26: Khối tạo lỗi cho hệ thống

Hình 6.27: Biều đồ vận tốc gió

Hình 6.28: Điện áp DC của hệ thống

Hình 6.29: Công suất thực và công suất kháng

Hình 6.30: Tốc độ rotor của máy phát

Hình 6.31: Dòng điện trục d và trục q của máy phát

Hình 6.32: Mômen của máy phát

Hình 6.33: Biểu đồ vận tốc gió, tốc độ rotor và công suất khi tốc độ gió thay đổi Hình 6.34: Điện áp thanh cái và góc pha trong trường hợp lưới bị sự cố

Hình 6.35: Công suất P, Q trong trường hợp lưới bị sự cố

Hình 6.36: Điện áp DC trong trường hợp lưới bị sự cố

Hình 7.1: Đường đặc tính bám công suất đỉnh lý thuyết của mô hình máy phát gió cho bởi các vận tốc gió khác nhau

CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Thế kỷ 20 đã trải qua với bao tiến bộ vượt bậc của loài người Một thế kỷ trong

đó con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàn những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, giúp đáp ứng những nhu cầu không ngừng của con người Nhưng bên cạnh sự phát triển và tiến bộ đó thì con người cũng phải đối mặt với những mặt trái của sự phát triển không bền vững của kinh tế thế giới Môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt, áp lực công việc ngày càng lớn với mỗi người và hàng loạt những mặt trái khác Trong thế kỷ 21 con người phải đối diện với một loạt các thách thức mang tính toàn cầu, chẳng hạn như: năng lượng, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế,…vv Trong đó vấn đề năng lượng vẫn là vấn đề được xem là quan trọng nhất và cấp thiết nhất trong thế kỷ 21 Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng là những mối họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột Năng lượng hóa thạch không đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càng phình

to làm kinh tế trì trệ, dẫn đến những cuộc khủng hoảng, và suy thoái kinh tế Bất ổn chính trị rất có thể sẽ xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới Bên cạnh đó việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về môi trường nảy sinh Trái đất có thể ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên tai ngày càng mạnh hơn và khó lường hơn, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến vấn đề lương thực Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh chấp, không kiểm soát

Từ những vấn đề trên, để duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác là chúng ta phải tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Chúng ta – những con người thế kỷ 21 – phải thực hiện một loạt những hành động nhưng quan trọng nhất vẫn là tìm ra một nguồn năng lượng có thể thay thế cho năng lượng hóa thạch, để đáp ứng cho nhu cầu của thế giới

Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối và những nguồn năng lượng khác Bằng những tiến bộ khoa học kỹ thuật, và xu hướng tất yếu của thế

giới, các năng lượng tái sinh đang được nghiên cứu và sử dụng ngày càng nhiều Với việc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng (xét đến yếu tố bảo vệ môi trường

và tính kinh tế), những nguồn năng lượng sạch đã và đang được thế giới quan tâm nhiều hơn, và là một trong những lựa chọn cho ngành năng lượng thay thế trong tương lai Nguồn năng lượng sạch đang được quan tâm như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều…Tất cả những loại năng lượng sạch này góp phần rất lớn vào việc thay đổi cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái sinh quan trọng nhất đang và sẽ đóng góp ngày càng lớn vào sản lượng năng lượng của thế giới

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 dồi dào 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, tăng cường hơn nữa hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện

2 Giới thiệu đề tài

Với dân số 87 triệu người, nếu mức độ tăng trưởng GDP của Việt Nam duy trì vào khỏang 7.1 %/mỗi năm, thì nhu cầu điện cần thiết sẽ là 200.000 GWh vào năm

2020 và 327.000 GWh vào năm 2030 Trong khi đó thì sản lượng điện truyền thống

sử dụng ước lượng vào khoảng 165.000GWh và 208.000GWh cho những năm này Thế nên sẽ có sự thiếu hụt về mức độ điện tiêu dùng và những nguồn năng lương khác – trong đó có điện gió- trở thành cần thiết để lấp vào lỗ hổng năng lượng trên.Tại Việt Nam, tình trạng thiếu hụt điện vẫn diễn ra nhiều năm qua Các dự án xây dựng nguồn cấp không theo kịp nhu cầu tiêu thụ điện gia tăng quá nhanh, tại một quốc gia đang phát triển như Việt Nam Trong khi nguồn điện năng chủ yếu của nước ta là thủy điện

và nhiệt điện (than, khí và dầu)

Việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới là một trong những thách thức cho chính Việt Nam Hiện nay, giải pháp được các nước phát triển sử dụng và phát triển là

"Điện gió" - một nguồn năng lượng an toàn, hiệu quả và dồi dào

Do đó luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về máy phát điện gió nói chung,

cấu tạo turbine gió và định hướng như sau: “ Mô hình hóa và điều khiển MPPT máy phát điện gió PMSG có kết nối lưới”

3 Mục tiêu nghiên cứu

Định hướng của đề tài nghiên cứu điều khiển trên mô hình các máy phát điện gió PMSG và điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng trên cơ sở đó định lướng lấy công suất tối ưu để hòa vào lưới điện Do đó đề tài sẽ tham khảo một số luận văn của các tác giả nước ngoài mới cập nhật gần đây nhằm có những thông tin mới nhất Đồng thời tham khảo các luận văn trong nước, các tài liệu giáo khoa của các thầy cô trường Đại học Bách Khoa TPHCM Sau đó mô phỏng trên công cụ Matlab cho ra một định hướng điều khiển tốt cho các máy phát điện gió PMSG

- Định hướng lấy công suất tối ưu cho PMSG được kết nối lưới

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới

1 2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam

1 3 Tìm hiểu về các loại turbine gió

1 4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió

1 5 Cấu tạo của turbine gió

1 6 Hệ thống phát điện gió điển hình

1.7 So sánh giữa các loại máy phát điện gió

1.8 Một số yêu cầu khi kết nối lưới điện cho máy phát điện gió

1.9 Hiện trạng và xu hướng phát triển kỹ thuật phát điện gió

1.10 Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió

PMSG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới

Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và năng lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúp giảm

và 11% tại Tây Ban Nha Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió nhất thế giới với công suất nhảy vọt từ 6GW vào năm 2004 lên đến 35GW vào 2009 và điện gió chiếm 2.4% tộng

số điện tiêu dùng Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triễn nhanh về nguồn năng lượng sạch này với 22.5GW (Trung Quốc, 2009) và 10.9 25GW (Ấn Độ , 2009)

Hình 1.1 : Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996-2011

Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, riêng ở châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha, năng lượng gió phát triển liên tục trong nhiều năm qua là nhờ sự nâng đỡ của chính phủ sở tại Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua

1.2 Giới thiệu tiềm năng điện gió tại Việt Nam

Theo các báo cáo của Đại học Harvard (Mỹ), tiềm năng điện gió trên thế giới là rất lớn có thể tạo ra công suất điện nhiều gấp 40 lần điện năng tiêu thụ hiện nay Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới (The World Bank Asia Alternative Energy Program) đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận (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)

Hình 1.2: Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80m

Một nghiên cứu thực hiện của tổ chức năng lượng Greenpeace EG và Hiệp hội năng lượng gió của Đức BWE, phối hợp cùng với các nhà nghiên cứu từ Quỹ Xanh Đức (Green Budget Germany, GBG) thực hiện công bố vào 8/2012, cho rằng cần phải tính phí môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng vào giá thành điện sản xuất Theo

đó nghiên cứu có xét đến các chi phí phụ (hỗ trợ từ ngân sách, tác động tới môi trường

và nguy cơ hạt nhân) thì giá thủy điện 7,6 cent một KWh, giá điện gió là 8,1 cent một KWh, điện khí 9 cent một KWh, nhiệt điện từ than bùn và than đá (15,6 và 14,8 cent một KWh) và điện hạt nhân 16,4 cent một KWh (nếu tính các chi phí khác, giá điện hạt nhân 42,2 cent một KWh ) Từ đó có thể thấy điện gió là nguồn điện “xanh” rẻ trên thế giới hiện nay

Sự chênh lệch giữa giá điện gió và các năng lương truyền thống (thủy điện, điện gió) không lớn đối với nước phát triển Nhưng đối với các nước đang phát triển, phụ thuộc công nghệ như Việt Nam, việc đầu tư phát triển điện gió khá khó khăn do chi phí cơ sở hạ tầng, lưới điện; chưa làm chủ được công nghệ, phụ thuộc nhiều vào nước ngoài Do đó, giá điện gió khi bán ra tương đối cao (ví dụ như điện gió Bạc Liêu

đề nghị giá bán 12 UScents một kWh cho EVN trong 4 năm đầu) Ở đây chưa xét tới chi phí môi trường, tài nguyên Trong khi giá điện EVN mua từ công ty tư nhân 700đ/KWh (3,33 cent một KWh)

Đa phần trang thiết bị điện gió có kích thước lớn dẫn đến khó khăn trong việc vận chuyển Nhiều nơi có tiềm năng điện gió rất cao nhưng việc chuyển vận thiết bị gặp trở ngại được do đường sá khó chịu được trong tải lớn Việc thiếu nguồn đầu tư, thiếu thông tin chưa đầy đủ về tiềm năng gió,do đó ngành công nghiệp điện gió tại Việt Nam chưa phát triển Các nhà đầu tư chưa mạnh dạn đầu tư, sợ lỗ do thiếu cơ chế, chính sách hợp lý giá mua của Nhà nước

Chính vì vậy, Chính phủ cần ban hành các chính sách thích hợp khuyến khích đầu tư điện gió vào Việt Nam; trợ giá, hỗ trợ các doanh nghiệp Việt Nam phát triển điện gió Chúng ta cần nghiên cứu và xây dựng các turbine điện gió nội địa, từng bước phát triển và làm chủ công nghệ; khuyến khích người dân sử dụng điện gió Mặt khác, chúng ta nên xây dựng cơ chế để đảm bảo công bằng sân chơi cho năng lượng gió; tăng cường nghiên cứu khoa học về các ngành năng lượng mới; xây dựng các trang trại điện gió ngoài biển, tận dụng tốt không gian và lượng gió

1.3 Tìm hiểu về các turbine gió

Các kiểu turbine gió hiện nay được chia thành hai loại:

- Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng

- Một loại theo trục ngang.Các loại turbine gió trục ngang là loại phổ biến có thể có 2 hoặc 3 cánh quạt

Turbine gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng

về chiều gió đang thổi Ngày nay, turbine gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi

Công suất các loại turbine gió:

Dãy công suất turbine gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài MW

Để có dãy công suất turbine gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm những turbine với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện

Các turbine gió loại nhỏ có công suất dưới 50 kW thì được sử dụng trong các gia đình,viễn thông hoặc bơm nước Đôi khi các loại tải này cũng sử dụng các nguồn

là máy phát điện diezen, pin và hệ thống quang điện Kết hợp các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này

Nguyên lý hoạt động của các turbine gió:

Các turbine gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 trục gọi là turbine Mà turbine được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục rotor của máy phát để tạo ra năng lượng điện

Các turbine gió được đặt trên trụ cao để thu được nhiều năng lượng gió hơn Ở

độ cao 30 mét so với mặt đất thì các turbine gió có những thuận lợi như: tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường

Các turbine gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc công trình xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn

Nhìn từ phía ngoài vào một trang trại gió gồm nhiều turbine gió có thể thấy được một nhóm các turbine làm việc như một nhà máy điện Các máy biến áp và các đường dây truyền tải sẽ chuyển năng lượng đến các hộ tiêu thụ Điện được truyền qua dây dẫn phân phối từ các nhà dân, các cơ sở kinh doanh, các trường học …

1.4 Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió:

a Những thuận lợi:

- Năng lượng gió là nhiên liệu sinh ra bởi gió, vì vậy nó là nguồn nhiên liệu sạch Năng lượng gió không gây ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt điện dựa vào sự đốt cháy nhiên liệu than hoặc khí ga

- Năng lượng gió có ở nhiều vùng Do đó nguồn cung cấp năng lượng gió của đất nước thì rất phong phú

- Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tái tạo lại được mà giá cả lại thấp do khoa học tiên tiến ngày nay Khoảng 4 đến 6 cent/kWh.Điều đó còn tuỳ thuộc vào nguồn gió, tài chính của công trình và đặc điểm của công trình

- Turbine gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì vậy đó là một điều kiện kinh tế cho các vùng nông thôn, là nơi tốt nhất về gió mà có thể tìm thấy Những người nông dân và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ bởi vì turbine gió chỉ sử dụng một phần nhỏ đất trồng của họ, chủ đầu tư năng lượng gió chỉ phải trả tiền bồi thường cho những nông dân và chủ các trang trại mà có đất sử dụng việc lắp đặt các turbine gió

b Những khó khăn

- Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở một giá cơ bản Điều đó còn phụ thuộc vào nơi có gió mạnh như thế nào.Vì thế nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liêu khác

- Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không liên tục và nó không luôn luôn có khi cần có điện Năng lượng gió không thể dự trữ được và không phải tất cả năng lượng gió có thể khai thác được tại thời điểm mà có nhu cầu về điện

- Những nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí xa xôi cách thành phố, nhưng những nơi đó lại cần điện

1.5 Cấu tạo của turbine gió

Các bộ phận chủ yếu của hệ thống phát điện gió điển hình gồm: Turbine gió (bao gồm cánh gió và trục), hộp số (tăng tốc), máy phát điện (MFĐ), thiết bị điều hướng gió, tháp đỡ v.v : được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3: Cấu trúc của một turbine gió

1 Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt làm cho các cánh quạt chuyển động và quay

2 Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục

3 Pitch: Góc cắt đƣợc điều chỉnh nhờ các bánh răng hoặc cơ cấu thủy lực Cánh đƣợc xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện

4 Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng thủy lực hoặc bằng động cơ

5 Low - speed shaft: Trục nối với cánh quạt quay tốc độ thấp

6 Gear box: Hộp số Gồm các bánh răng đƣợc nối từ trục có tốc độ thấp tới trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến

1500 vòng/ phút Ở tốc độ này là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền làm bằng hợp kim, nó là một phần của bộ động cơ và turbine gió

8 Controller: Bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 2 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng

9 Anemometer: Phong kế: đây là bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển

10 Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng turbine gió

11 Nacelle: Vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake

Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng

để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

12 High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát điện ở tốc độ cao

13 Yaw drive: Bánh lái Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

14 Yaw motor: Động cơ cung cấp điện cho bánh lái định được hướng gió

15 Tower: Trụ đỡ Nacelle Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn

Do tổ máy phát điện gió có quán tính chuyển động lớn nên tốc độ quay của turbine gió được thiết kế ở tốc độ thấp, thường từ 20~30r/min nên để đạt được yêu cầu tốc độ quay của MFĐ từ 1000~1500r/min thì giữa turbine gió và MFĐ có lắp thêm hộp số tăng tốc; turbine gió có 2 loại là loại trục ngang và loại trục đứng Turbine gió trục ngang khi hoạt động yêu cầu bánh công tác turbine gió phải luôn hướng về phía hướng gió, bánh gió có thể đặt ở phía trước hoặc phía sau tháp đỡ Hiện nay đại bộ phận hệ thống phát điện gió là loại trục ngang, bánh gió ở phía trước tháp

đỡ và có 3 cánh; thiết bị điều hướng đồng thời vừa làm nhiệm vụ điều chỉnh turbine gió theo hướng gió để thu được phong năng nhiều nhất, vừa có tác dụng giảm thiểu mômen xoắn ảnh hưởng đến tháp đỡ

Hình 1.4: Kết cấu của một máy phát điện gió

Nguyên lí làm việc

Vai trò của turbine gió là chuyển hóa hữu hiệu động năng của không khí thành

cơ năng trên trục quay của turbine, đây là thành phần quan trọng nhằm chuyển đổi NLG thành điện năng và ảnh hưởng trực tiếp đến công suất (CS) phát của hệ thống phong điện Với mật độ không khí là ρ , vận tốc gió là v, bán kính của bánh xe gió là

R , tiết diện chứa bánh công tác của turbine gió là A ( 2

số đặc trưng cho tính chất này của turbine gió được gọi là hiệu suất sử dụng NLG, nếu

ký hiệu là Cp thì Cp<1 và được xác định theo biểu thức:

Hệ số Cp phụ thuộc vào cấu trúc hình học của turbine và được xác định theo biểu thức:

1160.5176( 0.4 5) i 0.0068

m R v

27

P

C   

(1.6)Hiệu suất C P còn được thể hiện qua công thức:

2

1(1 )(1 )2

p

C  b b với 2

1

V b V

 (1.7)

(V V1, 2 lần lượt là vận tốc gió trước và sau cánh quạt)

Đường cong biểu diễn hiệu suất rotor như sau:

Hình 1.5 : Đường cong hiệu suất rotor Thực nghiệm cho thấy, trong điều kiện vận hành tốt nhất, các hệ thống turbine gió hiện đại chỉ có thể đạt được 80% của giới hạn trên, tức là từ 45%-50% công suất gió đầu vào có thể được chuyển thành cơ năng làm quay rotor turbine

Kết hợp công thức (1) và (3) ta được CS phát của turbine gió xác định theo công thức:

CS của turbine luôn đạt giá trị cực đại tương ứng với sự thay đổi của tốc độ gió, quá trình điều khiển thực hiện điều này được gọi là điều khiển bám sát công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking, viết tắt là MPPT) Đây chính là mục tiêu cơ bản khi thực hiện điều khiển hệ thống phát điện gió có tốc độ biến thiên Trên hình 1.7 thể hiện đường đặc tính Công suất–Tốc độ góc của turbine gió ở các giá trị tốc độ gió khác nhau

Hình 1.6: Đặc tính quan hệ Cp= f(λ) của turbine gió

Hình 1.7: Đường đặc tính Công suất – Tốc độ góc của Turbine gió

1.6 Hệ thống phát điện gió điển hình

Tùy theo cấu tạo, tính chất làm việc và mục đích sử dụng người ta có nhiều cách phân loại hệ thống phát điện gió Theo cấu tạo turbine gió ta có loại máy phát điện gió turbine trục đứng, trục ngang; theo công suất ta có loại công suất nhỏ, trung bình và lớn; theo tính chất làm việc ta có loại biến tốc hoặc loại có tốc độ không đổi; theo hình thức làm việc ta có loại làm việc độc lập, loại hòa mạng v.v Luận văn thực hiện phân loại hệ thống phát điện gió theo loại máy phát điện dùng trong hệ thống

1.6.1 Máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng sóc

Máy phát điện không đồng bộ(KĐB) lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator, gọi tắt là SCIG) là một dạng máy phát điện cảm ứng, có kết cấu đơn giản, chắc chắn nên được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy phong điện Kết cấu của hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG được thể hiện như hình 4 Trong hệ thống giữa máy phát và turbine gió có hộp tăng tốc nhiều cấp để điều chỉnh tốc độ, còn dây quấn stator của máy phát điện được kết nối với lưới điện Hệ thống này chỉ vận hành trong vùng rất hẹp ở tốc độ lân cận với tốc độ đồng bộ, nên gọi là hệ thống phong điện có tốc độ không đổi Khi tốc độ quay máy phát điện được truyền động bởi turbine gió có tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ thì mô men điện từ có hướng ngược lại với mô men quay, máy phát sẽ phát điện, biến cơ năng thành điện năng Khi máy điện

dị bộ phát ra một lượng công suất tác dụng thì đồng thời nó cũng tiêu thụ một lượng công suất phản kháng tương ứng từ lưới điện Vì vậy cần phải lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng song song với máy phát nhằm giảm tổn hao trên đường dây Khi hệ thống phong điện này hoạt động độc lập thì cần phải đảm bảo được yêu cầu tự kích của hệ thống máy phát Trong những năm gần đây, nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống phong điện khi tốc độ gió thấp người ta thường sử dụng máy phát điện KĐB ba pha hai cấp tốc độ, tương ứng với chế độ 4 cực và 6 cực (như máy phát điện NEG MICON 750kW có công suât 750kW/1 tổ máy)

Hình 1.8: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG SCIG có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, chắc chắn và về cơ bản là không cần bảo trì, giá thành thấp, độ tin cậy cao, thích hợp với quy mô sản xuất lớn, dễ kết nối

với lưới điện v.v nên được sử dụng rất rộng rãi Tuy nhiên nó có nhược điểm là: tốc độ quay của động cơ không điều chỉnh được và có giá trị gần như không đổi nên hiệu quả sử dụng năng lượng gió thấp; có hộp số tăng tốc nhiều cấp, trong khi hộp số

có giá thành cao, độ tin cậy thấp; khi vận hành dòng kích thích của máy phát cũng được cung cấp từ phía cuộn dây stator của máy, điều này làm cho máy phát điện không thể tham gia vào quá trình điều khiển điện áp lưới điện; trong hệ thống cần mắc thêm tụ bù, yêu cầu phải có một hệ thống lưới vô cùng lớn và cơ cấu cơ khí phải có khả năng chịu được ứng suất cơ cao do các cơn gió giật gây ra

1.6.2 Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn

Máy phát điện KĐB kiểu dây quấn (Wound Rotor Induction Generator, gọi tắt

là WRIG) có thể thông qua các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh điện trở mạch rotor trong khoảng từ giá trị nhỏ nhất (điện trở cuộn dây rotor) đến giá trị lớn nhất (điện trở cuộn dây rotor mắc nối tiếp với điện trở bên ngoài), điều này đồng nghĩa với việc chúng ta có thể vận hành ổn định máy phát KĐB rotor dây quấn ở chế độ máy phát với độ trượt s trong khoảng 0,6% ~10% Như vậy, mặc dù WRIG không thể hoàn toàn vận hành thực hiện quá trình biến tốc, nhưng tốc độ của nó cũng có thể được điều chỉnh trong một phạm nhất định So với SCIG thì WRIG có ưu điểm là có thể điều chỉnh được tốc độ máy phát trong một phạm vi nhỏ Tuy nhiên trong hệ thống phát điện gió vẫn có hộp số Kết cấu của hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG được thể hiện như hình 1.9

Hình 1.9: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG

Turbine dạng này bị hạn chế trong việc điều khiển để đáp ứng với sự thay đổi tốc độ gió,việc điều khiển này chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi giá trị điện trở mạch rotor, dạng này được gọi là OptiSlip (Vestas TM)

Dạng này sử dụng rotor không đồng bộ kiểu dây quấn để làm máy phát điện (WRIG) và nó đã được sử dụng trong hệ thống điện tại Vestas - Đan Mạch kể từ giữa

những năm 1990

1.6.3 Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép

Máy phát điện KĐB kích từ kép (Doubly Fed Induction Generator, gọi tắt là DFIG) được nghiên cứu sử dụng trong hệ thống phong điện có tốc độ thay đổi từ năm

1990 Đến nay thì đây là loại máy chính được sử dụng trong hệ thống phát điện gió công suât lớn, cỡ mêgawoát Kết cấu của nó tương tự như máy phát KĐB kiểu dây quấn, cuộn dây stator của máy phát được kết nối trực tiếp với lưới điện, còn dòng điện kích từ 3 pha tần số thấp cung cấp cho cuộn dây rotor được lấy từ bộ biến dòng

có điều chỉnh, kết cấu của hệ thống phong điện sử dụng máy phát DFIG được thể hiện trên hình 1.10

Hình 1.10: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG

Nếu so với máy phát điện gió dùng máy phát KĐB kiểu dây quấn có bộ điều chỉnh điện trở mạch rotor để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ quay máy phát thì hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG không bị tiêu tốn năng lượng do tổn hao trên mạch điện trở phụ, mà nó lại còn thông qua bộ biến đổi công suất để đưa dòng điện rotor lên lưới Trong thực tế, máy phát DFIG có phạm vi điều chỉnh tốc độ tốc khoảng 30% (so với tốc độ đồng bộ) Điều đặc biệt nữa là máy phát này vẫn có thể

vận hành ở chế độ máy phát khi tốc độ quay của rotor thấp hơn tốc độ đồng bộ(vận hành dưới đồng bộ) Ở máy phát này thì cuộn dây stato liên tục phát công suất lên lưới trong quá trình vận hành, còn dòng công suất của cuộn dây rotor lại có chiều được quyết định bởi hệ số trượt của máy phát có dấu dương hay âm

Ưu điểm của DFIG: đây là máy phát điện có tần số không đổi khi tốc độ gió thay đổi; hệ số công suất có thể điều chỉnh được; đồng thời có thể điều chỉnh được cường độ dòng điện của rotor cũng như kiểm soát được công suất phát; giảm được chi phí khi phải lựa chọn bộ biến đổi có công suất lớn (máy phát DFIG chỉ có một phần công suất của máy phát đi qua bộ biến biến đổi công suất) Trong thực tế do dòng kích

từ của rotor máy phát DFIG sử dụng dòng xoay chiều có tần số, biên độ, góc pha có thể điều chỉnh được nên việc liên kết giữa máy phát với hệ thống điện lực rất dễ dàng

và còn được gọi là “kết nối linh hoạt”

Nhược điểm của DFIG: thiết kế chế tạo và điều khiển khi vận hành máy phát phức tạp, phạm vi thay đổi tốc độ vẫn hẹp; khi tốc độ gió thấp thì công suất phát cũng thấp và vẫn cần phải sử dụng bộ hộp số tăng tốc

Hiện nay trên thị trường có nhiều công ty đã chế tạo và đưa ra thị trường hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG như Vestas, Gamesa, Repower, Dewind,… Công ty Repower đã đưa ra tổ máy có công suất tới 5MW; công ty Dewind đã đưa ra

tổ máy loại D6 (công suất định mức 1250kW, khởi động và làm việc từ vận tốc gió 2,5m/s tới 28m/s)

Hình 1.11: Turbine gió tốc độ biến đổi sử dụng bộ bộ biến đổi tần số tỉ lệ cho nguồn kích từ Stator máy phát được kết nối trực tiếp vào lưới điện, trong khi bộ biến đổi tần

số tỉ lệ riêng thì điều khiển tần số nguồn cấp rotor, nhằm điều khiển tần số từ trường rotor Công suất định mức của bộ biến đổi tần số tỉ lệ riêng này phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh tốc độ (thường là ± 30% so với tốc độ đồng bộ) Ngoài ra, bộ biến đổi này

góp phần thực hiện bù công suất phản kháng cho máy phát tải điểm kết nối với lưới điện, nhằm nâng cao độ ổn định cho hệ thống lưới điện Việc thực hiện điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng

Khi vận hành trên đồng bộ (hệ số trượt s < 0) máy phát sẽ phát năng lượng theo

cả hai phía: Rotor và Stator

Khi vận hạnh dưới chế độ đồng bộ (hệ số trượt s > 0) máy phát sẽ phát năng lượng lên lưới thông qua phía stator và phía rotor lấy năng lượng từ lưới

Phạm vi điều chỉnh tốc độ rotor là rất rộng và được gọi là dạng độ trượt đa chiều OptiSlip Lưu ý, cần xét kỹ đến năng lượng tổn hao trong cuộn dây rotor dạng OptiSlip này vì tổn hao đó có thể gây quá nhiệt cho mạch rotor (đặc biệt khi máy phát quay trên đồng bộ thì nguồn kích lại phải là thứ tự nghịch nên tổn thất sinh ra lớn) Việc thay đổi tần số nguồn rotor là rất mịn, nhờ đó dạng turbine này có lợi thế về mặt kinh tế Hơn nữa, nhờ điện tử công suất đã cho phép các turbine gió góp phần tăng mức ổn định cho lưới điện Tuy nhiên, dạng turbine này vẫn tồn tại các hạn chế

đó là sử dụng vòng trượt để cấp nguồn cho mạch rotor, và khó khăn trong bảo vệ khi xảy ra sự cố ngoài lưới

1.6.4 Máy phát điện đồng bộ tự kích

Trong hệ thống phát điện gió hiện nay thì máy phát điện ĐB được sử dụng rất rộng rãi do có thể vận hành khi turbine gió thay đổi tốc độ Dòng điện xoay chiều ở đầu ra máy phát có tần số thay đổi sẽ được đưa tới bộ chỉnh lưu, sau đó dòng 1 chiều sau chỉnh lưu lại được đưa tới bộ nghịch lưu để chuyển thành dòng xoay chiều có tần

số đã được điều chỉnh theo yêu cầu trước khi được đưa lên lưới điện phân phối Máy phát điện ĐB có 2 loại là máy phát điện ĐB tự kích và máy phát điện ĐB từ trường vĩnh cửu Máy phát điện ĐB tự kích (Electrically Excited Sychrous Generator, gọi tắt

là EESG) có kết cấu stator tương tự như những máy phát điện cảm ứng, còn trên rotor đặt cuộn dây kích thích nhằm tự kích cho máy phát Trong hệ thống phát điện gió sử dụng EESG thì phần quay của máy phát được nối trực tiếp với turbine gió mà không cần phải nối qua bộ hộp số tăng tốc Kết cấu của hệ thống phong điện sử dụng máy phát EESG được thể hiện trên hình 1.12

Hình 1.12: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát EESG

Ưu điểm của máy phát EESG là vận hành với phạm vi thay đổi tốc độ rộng Khi hoạt động có thể cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện hoặc cho phụ tải Hiện nay loại máy này được coi là sản phẩm chủ đạo được chú trọng phát triển trong

hệ thống phát điện gió truyền động trực tiếp Nổi bật cho dòng sản phẩm này là máy phát do công ty Enercon chế tạo Máy phát EESG có nhược điểm là có cuộn dây kích thích được đặt trên rotor của máy phát, hay nói cách khác nó cần phải có thiết bị tự kích và thiết bị điều chỉnh dòng kích thích; kích thước và trọng lượng máy phát lớn; cấu trúc máy phát và hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành cao

1.6.5 Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu

Máy phát điện ĐB từ trường vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generator, gọi tắt là PMSG) có cấu trúc của stator máy phát tương tự với máy phát điện ĐB bình thường khác, còn rotor của nó là nam châm cấu vĩnh cửu Do không có cuộn dây kích thích nên không có tổn hao do đó nó có hiệu suât cao Nếu so sánh PMSG với EESG thì máy phát PMSG ưu điểm là hiệu suất cao hơn; không có tổn hao trên cuộn dây kích thích, mức độ phát nóng thấp hơn, trọng lượng nhẹ hơn; đặc biệt là không có hệ thống chổi than – vành trượt nên làm việc tin cậy hơn Nhưng máy PMSG có nhược điểm là vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu có giá thành cao, khó khăn trong gia công cơ khí và khá nhạy cảm, dễ bị khử từ với nhiệt độ cao Trong những năm gần đây tính năng và giá thành vật liệu từ của nam châm vĩnh cửu đã được

cải thiện nhiều nên việc nghiên cứu ứng dụng máy phát PMSG trong hệ thống phát điện gió ngày càng đƣợc chú trọng Hai công ty Harakosan và Mitsubishi đã sản xuất thành công MFĐ PMSG CS 2 MW ứng dụng trong hệ thống phong điện Kết cấu hệ thống phong điện sử dụng PMSG đƣợc thể hiện trên hình 1.13

Hình 1.13: Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát PMSG

Từ những phân tích trên ở trên có thể nhận thấy mỗi loại hệ thống phát điện gió đều có những ƣu nhƣợc điểm riêng, bên cạnh việc tiếp tục nghiên cứu để phát huy ƣu điểm và khắc phục nhƣợc điểm của chúng là rất cần thiết, thì việc nghiên cứu để nâng cao CS, hiệu suất cũng nhƣ vận hành hệ thống an toàn khi hòa mạng là rất thiết thực

Hình 1.14: Hệ thống các loại turbine gió

1.7 So sánh giữa các loại máy phát điện gió

Dưới đây là bảng so sánh giữa các loại máy phát điện dựa trên một số yếu tố, qua đó ta thấy được ưu điểm cũng như nhược điểm của mỗi loại, từ đó chúng ta biết

áp dụng vào trong mỗi trường hợp cụ thể

TT

Máy phát điện gió loại SCIG, PMSG (nối lưới gián tiếp)

Máy phát điện gió loại DFIG (nối lưới trực tiếp)

Tương đối thấp

Thiết bị điện tử công suất nằm ở phía rotor (xen giữa rootor và lưới) nên

có công suất cỡ bằng 1/3 công suất máy phát

Giá thành toàn hệ thống của máy phát điện gió loại DFIG rẻ hơn so với loại SCIG

Toàn dải tốc độ gió

Thiết bị điện tử công suất nằm xen giữa stator và lưới nên tốc độ đồng bộ không do lưới quyết định

Dải tốc độ gió bị giới hạn

Stator nối trực tiếp với lưới nên tốc độ đồng bộ

là do tần số lưới quyết định, và DFIG chỉ có thể hoạt động trong phạm vi 33% xung quanh tốc độ đồng bộ

Khả năng tận dụng năng lượng gió của máy phát điện gió loại DFIG kém hơn so với loại SCIG & PMSG

Khá phức tạp

Stator nối trực tiếp với lưới nên việc điều khiển máy phát rất phụ thuộc lưới, đặc biệt khi lưới bị

sự cố Khó đáp ứng yêu cầu ride-through

Khả năng điều khiển máy phát của loại DFIG phức tạp hơn loại SCIG & PMSG

và khó đáp ứng yêu cầu ride-through hơn

Rất nên

Điều khiển không quá khó (do được bám lưới cứng) mà giá thành rất thấp

Nên sử dụng loại DFIG để hòa lưới quốc gia

Không nên

Điều khiển rất khó (vì không có lưới cứng đề bám) nên khó bảo đảm ổn định ngắn hạn và dài hạn

Đặc biệt khó khăn khi phải vận hành với lưới công suất nhỏ

Nên sử dụng loại SCIG & PMSG để sử dụng hòa lưới độc lập (ngoài đảo)

Sự khác biệt giữa hệ thống có nối lưới và không nối lưới

TT Hòa lưới quốc gia Không hòa lưới quốc gia

1 Lưới quốc gia là lưới cứng (công suất

3 Không cần phát Q Bắt buộc phải phát Q

4 Cần khả năng ride-through Bắt buộc phải có khả năng ride-through

5 Không cần hệ thống phụ trợ Cần phải có hệ thống phụ trợ (diesel tải thấp, tải

giả, kho điện,…)

6 Cần SCADA (điều khiển giám sát) để

điều độ lưới Bắt buộc phải có SCADA để điều độ lưới

1.8 Một số yêu cầu khi kết nối lưới điện cho máy phát điện gió

Một số nước châu Âu vào thời điểm này những thông tin về lưới điện được cung cấp cho hệ thống các turbine gió Những thông số này phản ánh trong hầu hết các trường hợp, turbine gió phát công suất vào lưới điện hoặc một dự phòng cho tương lai Các yêu cầu về năng lượng gió bao gồm một dãi rộng của các cấp điện áp từ điện áp trung thế đến cao thế Những quy định về vị trí turbine gió được tạo ra để trang trại gió hoạt động như một nhà máy điện thông thường hòa lưới vào mạng lưới điện Những yêu cầu này có tập trung vào khả năng điều khiển công suất, chất lượng điện năng, khả năng vượt qua sự cố và hỗ trợ của lưới điện trong suốt quá trình nhiễu loạn mạng lưới

a Điều khiển công suất tác dụng

Tùy theo yêu cầu, các tua-bin gió phải điều khiển công suất tác dụng vào điểm nối chung (PCC) nằm trong phạm vi cho trước Công suất tác dụng thông thường điều khiển dựa trên tần số của hệ thống Vì vậy với tốc độ gió nhỏ hơn định mức, công suất phân phối đến lưới bị giảm đi khi tần số lưới điện tăng trên 50Hz

Đối với hệ thống điện Việt Nam tần số vận hành của hệ thống là (50 0.2  )Hz, khi hệ thống turbine gió vận hành độc lập, nhu cầu điều chỉnh công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải là quan trọng Trong một trường hợp khác, khi hệ thống được kết nối với lưới điện quốc gia, thì yêu cầu điều chỉnh công suất tác dụng của hệ thống cũng không kém phần quan trọng Ngoài ra tốc độ thay đổi của tần số cũng là một yêu cầu đối với các nhà máy điện nói chung khi kết nối đến hệ thống điện

b Điều khiển công suất phản kháng và ổn định điện áp

Điều khiển công suất phản khánh liên quan đến vấn đề điều khiển điện áp, do

đó nó có vai trò quan trọng trong điều kiện vận hành bình thường cũng như sự cố

Công suất phản kháng thường được điều khiển trong một phạm vi nhất định Các quy định lưới điện đưa ra nhiều kiểu điều khiển khác nhau đảm bảo ổn định điện

áp và hệ số công suất

c Chất lượng điện năng

Vấn đề chất lượng điện năng được chú trọng một cách đặc biệt đối với các tua bin gió khi nối với lưới trung thế Tuy nhiên, có vài quy định về lưới điện, ví dụ ở Đan Mạch và Ai-len cũng có những yêu cầu với cấp truyền tải

Chủ yếu là hai tiêu chuẩn được sử dụng để xác định các thông số chất lượng điện năng cụ thể là: IEC 61000-xx và EN 50160 Giá trị cụ thể được đưa ra cho sự thay đổi điện áp nhanh chóng, mức độ nghiêm trọng của ngắn mạch thoáng qua, mức

độ nghiêm trọng ngắn mạch dài hạn và độ méo sóng hài tổng Do đó cần có các phương thức khử bỏ độ méo sóng hài điện áp, nâng cao chất lượng điện năng, ổn định tần số, điện áp lưới dựa trên các tiêu chuẩn hoặc được đưa ra Trong một số trường hợp ví dụ xác định mức độ tùy chỉnh tương thích với sóng hài Ngoài ra chất lượng điện năng còn xét đến các sóng hài nội bộ trong turbine gió

d Khả năng vượt qua sự cố

Tất cả các quy định lưới điện đều yêu cầu khả năng vượt qua sự cố của tua-bin gió Điện áp mô tả được đưa ra cụ thể độ lớn điện áp cũng như khoảng thời gian trống Một trong những vấn đề là tính toán của điện áp trong tất cả các trường hợp ngắn mạch bất đối xứng không được đưa ra rõ ràng trong quy định lưới điện

Quy định lưới điện Ireland có những đòi hỏi khắt khe trong suốt quá trình sự cố trong khi Đan Mạch có thời gian thời gian ngắn mạch thấp nhất với chỉ 100 ms Tuy nhiên, quy định lưới điện Đan Mạch yêu cầu các turbine gió sẽ duy trì kết nối với hệ thống điện trong suốt thời gian lỗi là một thách thức với kỹ thuật

Yêu cầu này là tương đối khó khăn để đáp ứng bởi sự hạn chế của một số turbine gió ví dụ turbine gió nối trực tiếp với lưới qua máy phát điện cảm ứng lồng sóc (WT Loại A) Trong trường hợp đó thêm phần cứng đã được cộng thêm

1.9 Hiện trạng và xu hướng phát triển kỹ thuật phát điện gió

Giáo sư người Đan mạch Poulla Cour là tác giả đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu phát điện từ NLG Năm 1891, Ông đã nghiên cứu chế tạo thành công loại MFĐ gió 4 cánh dùng trong phòng thí nghiệm Những năm đầu thế kỷ 20, Đan mạch

đã có hệ thống phong điện CS nhỏ, phát điện áp một chiều ứng dụng trong thực tế Năm 1931, tác giả người Liên Xô cũ Balaclave là người đầu tiên trên thế giới chế tạo được hệ thống phát điện gió có CS 100kW Năm 1957, Đan Mạch chế tạo thành công

tổ MFĐ gió dùng máy phát dị bộ, có đường kính bánh công tác của turbine gió 24m,

CS định mức 200kW Năm 1983, công ty Boeing của Mỹ đã đưa ra sản phẩm tổ MFĐ gió MOD-5b có đường kính bánh công tác của turbine gió 98m, CS định mức 3200kW Từ năm 1990 đến nay thì đã có rất nhiều sản phẩm của nhiều công ty trên thế giới đưa ra thị trường tổ MFĐ gió có CS lên đến hàng MW

Nhìn chung, những năm gần đây việc nghiên cứu và ứng dụng NLG để phát điện diễn ra rất nhộn nhịp và sôi động, có thể coi là vấn đề thời sự ở nhiều nước như Trung Quốc, Ấn Độ và trong tương lai chắc chắn vẫn còn được tiếp tục nhiên cứu Những nội dung được quan tâm hàng đầu có thể kể đến là: (1) Tăng công suất của hệ thống; (2) Hướng từ hệ thống có tần số, tốc độ quay, góc pitch cố định tới hệ thống

có tần số cố định còn tốc độ quay, góc pitch thay đổi; (3) Nghiên cứu và phát triển các dự án phong điện quy mô lớn ngoài hải đảo hoặc ven biển, nơi vừa có tiềm năng

đất liền; (4) Nghiên cứu phát triển hệ thống có hộp số thành hệ thống truyền động trực tiếp không cần hộp số hoặc bán trực tiếp; (5) Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật hòa mạng: ứng dụng bộ biến dòng truyền tải toàn bộ công suất; nghiên cứu vượt qua chế

độ điện áp thấp; (6) Áp dụng kỹ thuật điều khiển thông minh trong điều khiển bám sát công suất cực đại để nâng cao tính tin cậy, ổn định v.v

1.10 Cấu hình hệ thống và nguyên lí hoạt động của máy phát điện gió PMSG

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất và hứa hẹn

sẽ là nguồn năng lượng sạch trong tương lai gần Trong các máy phát điện khác nhau

để chuyển đổi năng lượng gió, loại máy phát Permanent Magnet Synchronuos Generator (PMSG) thu hút sự chú ý hơn cả do nó có tốc độ biến thiên linh hoạt, hiệu quả năng lượng cao hơn, cải thiện được chất lượng điện năng

Hình 1.15: Sơ đồ tổng thể máy phát điện gió PMSG Tua bin gió nhận năng lượng từ gió bằng phương tiện của khí động học, được thiết kế dạng cánh quạt và chuyển năng lượng gió sang năng lượng quay cơ học với số cánh quạt là 03 cánh Khi tốc độ gió tại đầu lưỡi thấp hơn một nửa tốc độ của tốc độ định mức thì cánh quạt sẽ xoay theo hướng tương tác tích cực với tác dụng của gió để tăng diện tích hứng gió của cánh quạt

Đối với máy phát turbine gió có công suất lớn (MW) tốc độ quay của turbine thường là 10-15 vòng/phút Cách hiệu quả nhất để chuyển đổi lực mô-men xoắn có tốc

độ thấp sang lực mô-men xoắn có tốc độ cao là sử dụng một thiết bị hộp số, tốc độ sau khi được chuyển đổi được đưa vào một máy phát điện có tốc độ tiêu chuẩn và ổn định thông qua trục truyền