Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi công suất dùng trong năng lượng gió

Tìm hiểu kỹ thuật điều khiển định hướng tựa theo trường véctơ từ thông stator và kỹ thuật điều khiển định hướng theo véctơ điện áp máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu – mô hình của hệ thố

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

PHẠM THỊ LỆ DIỄM

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DÙNG TRONG

NĂNG LƯỢNG GIÓ

Chuyên ngành : Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện – K2007

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009

Trang 2

LUẬN VĂN ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ ………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC

SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng …… năm 2009

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

TP.HCM, ngày……tháng…… năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : PHẠM THỊ LỆ DIỄM Phái: Nữ

Ngày sinh : 16/03/1971 Nơi sinh: Sài Gòn

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và Nhà máy điện MSHV : 01807269

CÔNG SUẤT DÙNG TRONG NĂNG LƯỢNG GIÓ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

1 Tìm hiểu hệ thống chuyển đổi năng lượng gió – các loại máy phát và các kiểu mô hình hệ thống năng lượng gió

2 Tìm hiểu các bộ biến đổi công suất sử dụng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

3 Tìm hiểu phương pháp điều chế các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng gió để cung cấp điện năng đảm bảo chất lượng

4 Tìm hiểu kỹ thuật điều khiển định hướng tựa theo trường véctơ từ thông stator và kỹ thuật điều khiển định hướng theo véctơ điện áp máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu – mô hình của hệ thống năng lượng gió với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu và các bộ biến đổi công suất được điều khiển định hướng theo trường véctơ từ thông stator và định hướng theo véctơ điện áp

5 Mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink - Kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/02/2009

IV NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/07/2009

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ

PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ TS VŨ PHAN TÚ

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua

Ngày……tháng……năm 2009

Trang 4

Lời cảm ơn

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tơi

đã hồn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình Để cĩ thành quả này, tơi đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ Thầy Cơ, gia đình, và bạn bè

Tơi xin trân trọng bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn tơi thực hiện hồn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cơ trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã trang bị cho tơi một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cơ Bộ mơn Hệ Thống Điện & Cung Cấp Điện đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tơi rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn này

Tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn

bè đã giúp đỡ cho tơi rất nhiều, đã tạo cho tơi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hồn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009

Học viên Phạm Thị Lệ Diễm

Trang 5

Luận văn thạc sĩ CBHD PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

TÓM TẮT

− Đề tài này trình bày các vấn đề về việc thực hiện điều khiển bộ biến đổi công

suất dùng trong hệ thống năng lượng gió Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ

nghịch lưu phía lưới của hệ thống máy phát nam châm vĩnh cửu Bộ nghịch lưu

này được điều khiển bằng hai phương pháp: điều khiển định hướng theo véctơ từ

thông stator và định hướng theo véctơ điện áp kết hợp với kỹ thuật điều chế

SPWM Bộ biến đổi công suất phía lưới có vai trò điều chỉnh điện áp DC cũng

như điều chỉnh hệ số công suất đầu vào hệ thống

− Hệ thống điều khiển được xây dựng trong hệ trục tọa độ rotor dq0, định hướng

theo véctơ từ thông stator hay véctơ điện áp cho phép có thể điều khiển độc lập

hai thành phần trên hai trục d và q của véctơ dòng điện stator để điều chỉnh điện

áp nguồn trên tải và công suất phản kháng Đối vối bộ nghịch lưu phía lưới, cả

hai phương pháp điều khiển thực hiện để duy trì điện áp nguồn dc-link không

đổi bất kể sự thay đổi thông số phía máy phát do ảnh hưởng tốc độ gió

− Mô phỏng được thực hiện và kết quả cho thấy phương pháp điều khiển SFOC

cho chất lượng không tốt đối với điện áp nguồn dc trên tải Đối với phương pháp

VOC điều khiển để thành phần dòng điện trên trục q Iq luôn bằng 0, kết quả mô

phỏng cho chất lượng tốt với điện áp nguồn dc trên tải, hệ số công suất

Trang 6

HVTH Phạm Thị Lệ Diễm

2.1 Các khối chức năng của hệ thống năng lượng gió 11

Trang 7

Trang 8

3.2.3 Hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng 53

4.2.5.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Inverter –

S )

63

4.2.5.5 Bộ biến đổi đa bậc (Multilevel Converter) 70

Trang 9

4.3.3 Kỹ thuật điều chế không gian vector (Space Vector PWM) 77

5.1.2 Nguyên lý làm việc của các bộ biến đổi công suất pwm với 84

Trang 10

CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU

1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

− Năng lượng là vấn đề quan trọng sống cịn đối sự tồn tại và phát triển của mọi quốc

gia trên thế giới Hàng thế kỷ nay chúng ta phát triển dựa trên nguồn năng lượng

khống sản như than đá, dầu mỏ, khí đốt … và đã thu được các thành tựu to lớn về

đời sống, kinh tế, kỹ thuật Tuy nhiên các nguồn năng lượng khống sản là hữu hạn

và ngày càng cạn kiệt, tình hình giá dầu ngày càng leo thang trong thời điểm hiện

nay là một minh chứng cho điều này Do đĩ việc nghiên cứu phát triển các năng

lượng mới là yêu cầu cấp thiết được đề ra hiện nay và năng lượng mặt gió là một

trong những dạng năng lượng đáng quan tâm và nghiên cứu

− Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng cĩ xét đến khía cạnh

bảo vệ mơi trường và tính kinh tế, lĩnh vực biến đổi năng lượng giĩ đang thu hút

được rất nhiều sự quan tâm như một nguồn năng lượng mới thích hợp (Renewable

Energy), là nguồn năng lượng sơ cấp vơ hạn Hơn nữa, năng lượng giĩ được xem

như nguồn năng lượng sạch, khơng thải các loại khí gây hiệu ứng nhà kính Mặc dù

ảnh hưởng đến cảnh quan và phát ra tiếng ồn, song nếu xét tổng thể thì tác động

của sự chuyển đổi năng lượng giĩ đến mơi trường sinh thái hầu như khơng đáng kể

so với những dạng năng lượng khác [2] Đứng trước thực tiễn nguồn năng lượng

hĩa thạch (dầu mỏ, than đá) ngày dần cạn kiệt và nguồn năng lượng thủy điện cũng

cĩ giới hạn, năng lượng giĩ được xem như một trong những dạng năng lượng thay

thế trong tương lai nằm trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia

cĩ tiềm năng về năng lượng giĩ trên thế giới

− Ở thời điểm hiện tại, năng lượng giĩ chỉ chiếm một tỷ lệ 0.6% của tổng nhu cầu

năng lượng điện của thế giới Thế nhưng, tổng cơng suất lắp đặt trên tồn thế giới

đã gia tăng với tốc độ bình quân hơn 28%/năm trong hơn một thập kỷ qua, lĩnh vực

biến đổi năng lượng giĩ đang được coi là lĩnh vực cĩ tốc độ phát triển nhanh nhất

Dẫn đầu nhĩm các quốc gia phát triển về năng lượng giĩ là Đức với tỷ lệ đĩng gĩp

của năng lượng giĩ chiếm hơn 5% tổng nhu cầu điện năng, Tây Ban Nha là 8% và

Đan Mạch xấp xỉ 20% {TL [6] – chương 2}

− Bên cạnh đĩ, cùng với sự phát triển khơng ngừng về kỹ thuật và cơng nghệ đã gĩp

phần thúc đNy sự phát triển nhanh chĩng của lĩnh vực biến đổi năng lượng giĩ, gia

tăng cơng suất lắp đặt trên mỗi tuabin, giảm chi phí đầu tư và do đĩ giảm đáng kể

giá thành trên mỗi đơn vị điện năng được tạo ra

Trang 11

− Sự biến đổi năng lượng giĩ được thực hiện bởi tổ hợp tuabin giĩ và máy phát, cĩ

thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Cĩ nhiều lý do cho việc sử dụng

hệ thống biến đổi năng lượng giĩ tốc độ thay đổi, trong đĩ quan trọng nhất là phạm

vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu cơng suất nhận được từ giĩ, giảm

ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí khi cĩ sự thay đổi tốc độ giĩ đột ngột và khả

năng điều khiển cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng

− Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng giĩ trang bị máy phát đồng bộ nam

châm vĩnh cửu, turbine gió có thể được điều kiển trực tiếp và có ưu điểm là

không cần sử dụng hộp số truyền động

Hình 1.1 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với máy phát đồng bộ nam châm

vĩnh cửu kết nối lưới thông qua bộ Boost chopper [1]

− Trong hệ thống năng lượng gió với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu như

trên, stator máy phát dược nối với bộ chỉnh lưu không điều khiển và bộ boost

chopper với vai trò điều khiển moment điện từ Bộ biến đổi công suất phía lưới

có vai trò điều chỉnh điện áp DC cũng như điều chỉnh hệ số công suất đầu vào

hệ thống Một nhược điểm của cấu trúc này là việc sử dụng bộ chỉnh lưu không

điều khiển làm tăng và méo dạng biên độ dòng điện đầu ra của máy phát Vì

vậy, cấu trúc này chỉ được ứng dụng cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng

gió nhỏ phát công suất thấp hơn 50kW

Trang 12

Hình 1.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với máy phát đồng bộ nam châm

vĩnh cửu kết nối lưới thông qua các bộ biến đổi công suất PWM [1]

− Trong hệ thống này, bộ chỉnh lưu không điều khiển được thay thế bằng bộ chỉnh

lưu PWM và hệ thống nối với lưới thông qua bộ nghịch lưu PWM Một ưu điểm

của cấu trúc này là sử dụng kỹ thuật điều khiển vectơ đối với máy phát để có

thể đạt được điểm làm việc tối ưu sao cho tổn thất công suất trong máy phát và

các bộ biến đổi công suất thấp nhất Tuy nhiên, điều đó còn phụ thuộc vào sự

thay đổi thông số máy phát theo nhiệt độ và tần số Nhược điểm chính của cấu

trúc hệ thống này là chi phí của nam châm vĩnh cửu làm tăng chi phí máy phát

Ngoài ra còn phải kể đến tính khử từ của vật liệu nam châm vĩnh cửu và nó

không cho phép điều chỉnh hệ số công suất của máy phát

− Trong những năm gần đây, với sự phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất,

các bộ biến đổi không điều khiển, có điều khiển một pha hay ba pha được sử

dụng trong hệ thống năng lượng gió ngày càng nhiều Tuy nhiên, các bộ biến

đổi công suất trong hệ thống cũng tác động đến quá trình vận hành của hệ

thống, chẳng hạn sự suy giảm hệ số công suất hệ thống, làm tăng độ méo dạng

dòng điện máy phát và hệ thống, giảm tính ổn định đặc tính động của hệ thống

Đối với các hệ thống hiện đại, các bộ biến đổi công suất back-to-back làm việc

trong cả bốn góc phần tư được sử dụng rộng rải bởi vì kỹ thuật điều chế PWM

được ứng dụng để làm giảm độ méo dạng do thành phần dòng điện họa tần và

do đó làm giảm mức độ dao động moment của máy phát, tăng tính ổn định của

hệ thống có thể điều khiển, cũng như cải thiện đặc tính động của hệ thống

Trang 13

− Trong bất kỳ cấu trúc nào của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đều yêu cầu

trang bị hệ thống điều khiển để giới hạn ứng suất cơ học, chẳng hạn điều chỉnh

stall hay pitch ứng dụng cho các hệ thống năng lượng gió phát công suất từ trung

bình đến cao và điều khiển furling cho các hệ thống năng lượng gió nhỏ Công

suất phát ra được tối ưu bởi sự điều khiển tốc độ quay trên trục turbine bằng kỹ

thuật điều khiển vectơ Trong các hệ thống hiện đại, các bộ biến đổi công suất ở

cả hai phía máy phát và lưới thường được điều khiển bằng phương pháp định

hướng theo trường (Field orientation Control – FOC) Trong những năm gần đây,

kỹ thuật điều khiển FOC đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng cơng

nghiệp, kể cả lĩnh vực truyền động điện Sự quan tâm đối với kỹ thuật điều khiển

này vì về bản chất thì đây là phương pháp điều khiển phi tuyến, cĩ tính ổn định và

bền vững cao đối với nhiễu hoặc do sự thay đổi tham số mơ hìnhtheo điều kiện làm

việc Tuy nhiên, vẫn còn một số mặt hạn chế cần khắc phục: làm giảm các

thông số không ổn định của máy phát bằng kỹ thuật điều khiển FOC, điều khiển

công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống năng lượng gio để hổ trợ cho

quá trình vận hành của hệ thống trog trường hợp sự cố và dao động điện áp

1.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

− Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, kỹ thuật điều chế PWM kết hợp với phương

pháp điều khiển định hướng theo từ thông stator (SFOC) và điều khiển định

hướng theo điện áp lưới (VOC) ứng dụng để điều khiển các bộ biến đổi công

suất dùng trong hệ thống năng lượng gió với máy phát nam châm vĩnh cửu

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

− Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:

• Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế, phương pháp điều khiển định hướng theo từ

thông stator và điện áp lưới

• Xây dựng giải thuật điều khiển bộ biến đổi công suất dùng trong hệ thống

năng lượng gió với máy phát nam châm vĩnh cửu

• Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi cĩ sự thay

đổi tham số mơ hình

• So sánh kết quả đạt được giữa các phương pháp điều khiển

Trang 14

1.3 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN

Nội dung của luận văn cĩ thể được phác thảo vắn tắt bao gồm các chương như sau:

Chương 2: Tìm hiểu tổng quan về năng lượng giĩ, các khối chức năng và các yếu

tố liên quan đến chế độ vận hành của hệ thống năng lượng gió

Chương 3: Mô hình toán học các loại máy phát dùng trong hệ thống năng lượng

gió, các cấu hình hệ thống năng lượng gió

Chương 4: các bộ biến đổi công suất dùng trong hệ thống năng lượng gió và các

kỹ thuật điều chế PWM

Chương 5: Xây dựng giải thuật điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới trong hệ

thống trubine gió với máy phát nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp SFOC và

VOC

Chương 6: Trình bày sơ đồ và kết quả mơ phỏng, nhận xét kết quả và kết luận Thảo

luận và đề xuất hướng phát triển của đề tài

Phần mềm Matlab/Simulink 7.04 được sử dụng trong luận văn này để xây

dựng giải thuật điều khiển và mơ phỏng kết quả.

Trang 15

CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

− Kỹ thuật năng lượng gió dựa trên các thông số vật lý như áp suất khí quyển để

phát ra điện năng Động năng của gió được hình thành gián tiếp từ năng lượng

mặt trời, do có sự thay đổi nhiệt độ bất thường giữa các vùng khác nhau trên trái

đất, kết quả của sự di chuyển một khối lượng lớn không khí được xem như một

dạng năng lượng tái tạo Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió được phân làm ba

phần: khí động học, cơ và điện Năng lượng gió được biến đổi thành năng lượng

cơ bởi turbine với các cánh quạt Thông thường, hệ thống turbine gió bao gồm

cả hộp truyền động cơ khí để làm tương thích tốc độ turbine và máy phát, và hệ

thống điều khiển góc pitch của các cánh quạt để điều chỉnh lượng công suất

nhận từ năng lượng gió Máy phát điện sẽ biến đổi năng lượng cơ từ turbine

thành năng lượng điện Máy phát điện có thể sử dụng máy phát đồng bộ hay

không đồng bộ Như vậy, quá trình chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng

điện được thực hiện bởi sự kết hợp: hệ thống turbine gió và máy phát điện [1]

Hình 2.1 Sơ đồ chung của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với ba trạng thái

năng lượng : khí động học, cơ và điện [1]

2.1 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

− Hệ thống máy phát điện gió hiện nay yêu cầu cao hơn là có thể điều khiển rotor

của trubine gió Để đáp ứng được yêu cầu đó, hệ thống cần có thêm một số khối

chức năng tạo thành một cấu trúc hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có thể

điều chỉnh công suất và chất lượng điện năng phát ra

Hình 2.2 Cấu trúc tổng thể của một mô hình turbine gió, gồm mô hình khí động

học, cơ khí, điện, và các hệ thống điều khiển [12]

Trang 16

− Các khối chức năng của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió điển hình như

sau:

∗ Tháp gió

∗ Turbine gió với hai hay ba cánh quạt

∗ Bộ phận cơ khí điều chỉnh sự di chuyển trái phải của turbine gió

∗ Hộp truyền động cơ khí

∗ Máy phát điện trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

∗ Cảm biến tốc độ và bộ phận điều khiển

− Các hệ thống chuyển đổi năng lượng hiện đại ngày nay được bổ sung thêm các

khối chưc năng như sau :

∗ Bộ biến đổi điện tử công suất

∗ Các bộ điều khiển điện tử kết hợp với máy tính

∗ Bộ dự trữ nguồn dự phòng để hoàn tiện cho hệ thống năng lượng gió làm

việc độc lập

∗ Thiết bị truyền tải để kết nối với lưới điện

Hình 2.3 Các khối chức năng của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió điển

hình [8]

Hình 2.4 Vị trí của các khối chức năng trong hệ thống năng lượng gió [10]

Trang 17

− Do moment quán tính của rotor lớn, Việc thiết kế hệ thống turbine gió cần phải

xét đến các chế độ khởi động, điều khiển tốc độ trong suốt thời gian vận hành,

và ngừng hoạt động khi cần thiết Đối với wind farm có nhiều hệ thống turbine

gió, Mỗi turbine phải có hệ thống điều khiển và bảo vệ riêng

2.1.1 Tháp gió

− Tháp gió dùng để hổ trợ cho vỏ máy chứa các thiết bị, các cánh quạt rotor của

turbine và bên trong chứa các trục cơ khí, máy phát điện, các bộ phận truyền

động và các bộ điều khiển Đối với turbine trung bình và lớn, chiều cao tháp lớn

hơn đường kính cánh quạt Cấu trúc của tháp gió có thể là ống bằng thép hay

bêtông Khi thiết kế cấu trúc tháp gió, chúng ta cần quan tâm đến các tần số

cộng hưởng của rotor, vỏ máy (nacelle), do các tần số dao động của gió

2.1.2 Turbine gió

− Turbine gió được chia làm hai loại : rotor vận hành theo rục dọc và theo trục

ngang

Các dạng turbine gió có rotor vận hành theo trục dọc : Savonius rotor,

Darrieur rotor và H rotor Ưu, nhược điểm của dạng này :

+ Cấu trúc và các sự lắp ráp các bộ phận đơn giản

+ Máy phát điện, hộp số và các bộ biến đổi công suất có thể được lắp đặt

trên mặt đất

+ Công việc bảo dưỡng đơn giản hơn so với rotor vận hành theo trục ngang

+ Rotor không cần định hướng theo hướng gió, do đó phù hợp với những

vùng có hướng gió thay đổi nhiều

+ Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống năng lượng dạng này không cao

+ Tốc độ gió gần mặt đất thấp và có nhiều yếu tố gây nhiễu, do đó dễ gây ra

tác động không tốt trên các cánh quạt rotor

+ Do momen khởi động thấp, khi tốc độ gió tăng cao cần phải điều khiển

công suất phát ra để bảo vệ cho máy phát Tuy vậy, không dễ điều khiển

độ dốc rotor để tránh bớt gió như hệ thống năng lượng gió với rotor vận

hành theo trục ngang [4]

Hình 2.5 Turbine gió với rotor vận hành theo trục dọc [5]

Trang 18

Các dạng turbine gió có rotor vận hành theo trục ngang :

Hình 2.6 Turbine gió vận hành theo trục ngang với dạng cánh quạt đặt trước

(a) và sau gió (b) [7]

+ Hầu hết các hệ thống turbine gió hiện nay sử dụng turbine có rotor vận

hành theo trục ngang Với hai dạng Upwind HAWT và Downwind HAWT như trên, mỗi dạng đều có ưu và nhược điểm riêng của chúng

+ Dạng Downwind HAWT có ưu điểm là có thể để cho sức gió điều

chỉnh sự di chuyển sang phải hay trái của cánh quạt rotor một cách tự nhiên theo hướng gió Tuy nhiên, do cánh quạt rotor được lắp đặt ở phía sau tháp gió, cánh quạt rotor sẽ bị chắn gió bởi tháp Hiệu ứng chắn gió có thể làm cho cánh quạt bị cong khi tốc độ gió giảm, và có thể làm cho cánh quạt không chỉ bị hư hỏng mà còn làm tăng độ ồn của cánh quạt và giảm công suất phát ra

+ Dạng Upwind HAWT cần có một hệ thống điều khiển sự di chuyển

sang phải hay trái rất phức tạp để giử cho cánh quạt rotor ở vị trí trực diện với hướng gió Tuy nhiên, hệ thống làm việc rất êm và phát ra công suất cao hơn [7]

− Số cánh quạt của turbine gió : Các hệ thống năng lượng gió hiện đại, turbine có

hai hay ba cánh quạt Số cánh quạt của turbine phụ thuộc vào một số hệ số quan

trọng sau đây :

+ Hệ số công suất

+ Hệ số TSR

+ Chi phí

+ Trọng lượng của toàn bộ các thiết bị lắp đặt trong vỏ turbine (Nacelle)

+ Cấu trúc động lực học

+ Thiết bị hạn chế sự di chuyển trái

− Công suất turbine : Công suất một turbine gió có thể từ vài kW đối với loại

turbine làm việc độc lập, đến vài MW đối với các hệ thống turbine gió kết nối

làm việc cùng với lưới điện Phương pháp để đánh giá công suất định mức của

turbine gió không được thống nhất trên toàn thế giới Khó khăn phát sinh do

Trang 19

công suất phát ra của hệ thống turbine gió phụ thuộc vào bình phương đường

kính rotor, và lập phương tốc độ gió Vì vậy, với rotor có đường kính cho trước,

công suất sẽ khác nhau khi tốc độ gió thay đổi Trước đây turbine được thiết kế

với một giá trị công suất đặc biệt phát ra của hệ thống vận hành ở bất kỳ tốc độ

gió nào Thông số công suất định mức đặc trưng (Specific Rated Capacity –

SRC) được dùng như một thông số tương đối để tham khảo khi thiết kế turbine

Nó được định nghĩa như sau :

â á ù ù đ ä ù

ä í ù ï ù [2]

Công suất turbine là thông tin quan trọng cho biết công suất máy phát, máy biến

áp, thông số đường dây truyền tải và các thông số cần thiết khi kết nối với lưới

điện Thiết kế kỹ thuật yêu cầu phải phù hợp với turbine và đặc tính làm việc

của máy phát, nghĩa là chọn tốc độ định mức của turbine phù hợp với máy

phát.Việc chọn tốc độ định mức của turbine có thể khó khăn do máy phát và

hộp số cơ khí được sản xuất riêng biệt Nếu tốc độ định mức được chọn có giá

trị thấp thì sẽ có một lượng lớn năng lượng gió không được sử dụng Nói cách

khác, nếu tốc độ định mức cao, hiệu suất rotor sẽ giảm

2.1.3 Máy phát điện

− Một số hệ thống turbine gió làm việc độc lập sử dụng máy phát điện nam châm

vĩnh cửu Hầu hết các hệ thống turbine gió hiện đại kết nối với lưới điện dùng

máy phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng Máy phát đồng bộ phức tạp và chi

phí cao hơn máy phát cảm ứng, nhưng chúng cung cấp điện áp và tần số đạt chất

lượng tốt hơn và có thể phân phối công suất phản kháng cho lưới điện Tuy

nhiên, các máy phát này thực chất không tự khởi động (do việc điều khiển pitch

các cánh quạt turbine), công suất phát ra không phẳng, và yêu cầu điều khiển

phức tạp hơn khi hòa nhập vào lưới điện, vì tần số phát ra (hay tốc độ máy phát)

phải tương thích một cánh chính xác với tần số lưới điện trước khi thực hiện việc

hòa mạng Máy phát cảm ứng có cấu trúc đơn giản, chúng có thể được dùng như

một động cơ làm quay turbine, chi phí thấp hơn máy phát đồng bộ và có thể kết

nối hay ngắt ra khỏi lưới điện một cách dễ dàng Máy phát cảm ứng phát ra

công suất phẳng, tuy nhiên phải bù công suất phản kháng cho chúng bởi lưới

điện hoặc các bộ biến đổi công suất, và chúng có thể phát ra điện áp và tần số

không ổn định trên lưới điện Các tác hại này có thể được giải quyết nhanh

chóng với chi phí thấp bằng các bộ biến đổi công suất Vì vậy, máy phát cảm

ứng là dạng phổ biến trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

− Một số dạng máy phát điện khác, tuy không phổ biến, được dùng trong hệ thống

năng lượng gió như máy phát nam châm vĩnh cửu Loại máy phát này sản sinh

ra điện áp và tần số xoay chiều dao động cần phải được chuyển đổi thành tín

hiệu DC hay phải dùng bộ biến đổi công suất để ổn định điện áp và tần số Với

sự hỗ trợ của thiết bị biến đổi công suất, máy phat điện nam châm vĩnh cửu có

Trang 20

hiệu suất cao hơn máy phát cảm ứng hoặc máy phát đồng bộ Máy phát đồng bộ

hoặc nam châm vĩnh cửu tự kích từ thường được điều khiển trực tiếp, với số cực

đủ để rotor may phát có thể quay với tốc độ bằng tốc độ của turbine gió, trừ khi

trong hệ thống sử dụng hộp truyền động chuyển đổi tốc độ Các loại máy phát

này thường được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi công suất

− Hầu hết các turbine trước đây làm việc với chỉ một tốc độ cố định Đối với

những turbine hiện đại, đặc biệt là những turbine lớn, vận hành với tốc độ thay

đổi trong một khoảng giá trị cố định, và có một số ưu điểm như sau :

+ Hiệu suất khí động học của rotor ở tốc độ gió thấp đến trung bình có thể

được hoàn thiện bằng cách thay đổi tốc độ quay của rotor để giữ cho turbine

vận hành với thông số TSR tối ưu, và cực đại hệ số công suất Với tốc độ gió

cao, các cánh quạt sẽ được điều khiển stall hay pitch để giới hạn công suất

cực đại phát ra

+ Hệ thống phụ tải động có thể được giảm bớt do quán tính của rotor khi giảm

tốc độ trong điều kiện gió giật

+ Turbine có thể làm việc với các chế độ khác nhau: chế độ làm việc ở hiệu

suất tối ưu để cực đại công suất nhận được khi tốc độ gió thấp, và chế độ làm

việc nhằm để làm giảm hư hỏng hệ thống

2.1.4 Bộ phận cơ khí điều chỉnh sự di chuyển trái phải của turbine gió

− Các hệ thống turbine gió có trục rotor đặt theo phương ngang cần phải được định

hướng sao cho trục rotor song song với hướng gió để có thể phát ra công suất

cực đại Các hệ thống turbine nhỏ thường sử dụng hệ thống điều khiển thụ động,

chẳng hạn dùng chong chóng gió đặt phía đuôi turbine, trong khi các hệ thống

lớn, trục rotor theo phương ngang và các cánh quạt đặt trước hoặc sau hướng gió

thổi đến, thường kết hợp với hệ thống chủ động điều khiển sự di chuyển trái

phải của rotor bằng cách dùng cảm biến xác định hướng gió và động cơ quay bộ

phận truyền động để đưa rotor vào vị trí có hướng gió mong muốn, và sẽ có

thiết bị hãm để hổ trợ giữ rotor tại vị trí tối ưu

2.1.5 Hộp truyền động cơ khí

− Hộp truyền động cơ khí là một thành phần quan trọng trong hệ thống turbine

gió Máy phát được thiết kế quay với tốc độ rất cao, tốc độ tối ưu của máy phát

khoảng 1000 đến 1500 vòng/phút, tốc độ rotor của một turbine gió điển hình

khoảng 30 đến 50 vòng/phút Vì vậy, hộp truyền động cơ khí được sử dụng để

làm tương thích giữa tốc độ rotor của turbine và tốc độ máy phát Tuy nhiên,

hộp số truyền động có các nhược điểm : chi phí cao lắp đặt và bảo trì cao, gây

tổn hao do ma sát, gây độ ồn lớn Để tránh các nhược điểm trên, ý tưởng hệ

thống turbine gió không sử dụng hộp số truyền động được thiết kế

Trang 21

Hình 2.7 Hộp số truyền động cho turbine nhỏ (150 kW) [3]

− Trong hệ thống năng lượng gió kết nối với lưới điện, các bộ biến đổi công suất

là thành phần quan trọng nhất, là linh hồn của hệ thống khi hòa nhập với mạng

lưới điện Các bộ biến đổi công suất này trước tiên phải đảm bảo hai yêu cầu :

an toàn và cung cấp điện năng đạt chất lượng, các thông số điện áp, dòng điện,

tần số, biên độ phù hợp với lưới điện khi hòa nhập với mạng điện

năng cơ bản sau đây :

+ Điều khiển tần số

theo tần số được thiết kế Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, tần số và

điện áp phát ra sẽ thay đổi theo tóc độ gió Thông qua các bộ biến đổi công

suất, giá trị tần số và điện áp phát ra sẽ được ổn định và đạt giá trị mà hệ thống

yêu cầu Tần số thay đổi trước tiên sẽ được chỉnh lưu thành tín hiệu DC, sau đó

đưa vào bộ nghịch lưu để chuyển thành tín hiệu AC với tần số yêu cầu Các

thành phần chính của bộ biến đổi công suất dùng trong hệ thống năng lượng gió

là : bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống năng lượng gió sử dụng bộ biến đổi công suất để giữ

cho tần số phát ra không đổi [2]

Trang 22

− Có hai loại bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng gió : làm việc độc

lập và kết nối với lưới điện Hai loại này tương đương với nhau, nhưng khác

nhau ở một số chức năng điều khiển Bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng

lượng gió làm việc độc lập sẽ được trang bị thêm bộ dự trữ nguồn điện Khi

turbine gió làm việc song song với một máy phát điện khác, chẳng hạn máy

phát điện diesel, bộ biến đổi công suất sẽ được bổ sung thêm chức năng để có

thể đồng thời cùng làm việc với máy phát diesel và điều khiển bộ dự trữ nguồn

Đối với bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng gió kết nối với lưới

điện, trong quá trình vận hành cần phải quan tâm đến đặc tính thông số điện áp

và tần số trên đường dây phân phối của lưới điện Cả hai loại bộ biến đổi công

suất trong hệ thống năng lượng gió như trên, vấn đề quan trọng cần quan tâm là

hiệu suất chuyển đổi năng lượng

bộ biến đổi công suất dùng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sao cho

hệ thống có thể phát ra công suất cực đại

Hầu hết các nguồn năng lượng điện hiện nay đều được tiêu thụ ngay khi sản

xuất ra Điều này bất lợi cho các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo như gió,

mặt trời, vv Đối với các hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt là các hệ thống

làm việc độc lập, bộ dự trữ nguồn là một thành phần quan trọng góp phần hoàn

thiện cho sự vận hành của hệ thống

2.1.8 Thiết bị truyền tải để kết nối với lưới điện

turbine gió và hệ thống lưới điện

Hình 2.9 Trạm biến thế truyền tải năng lượng trong hệ thống năng lượng gió

[11]

Trang 23

2.1.9 Hệ thống điều khiển giám sát và bảo vệ:

để tích hợp hoạt động của các thành phần trong hệ thống turbine gió và để bảo

vệ máy phát Nói chung, hệ thống điều khiển bao gồm một số cảm biến, một số

bộ khởi động, phần cứng và phần mềm hệ thống xử lý tín hiệu từ các cảm biến

và phát ra tin1 hiệu điều khiển Một hệ thống turbine bao gồm hai phần điều

khiển riêng biệt – phần giám sát điều khiển hoạt động turbine khi làm việc bình

thường, và phần bảo vệ quan trọng hơn phần giám sát Một hệ thống giám sát

thường dựa trên chương trình phần mềm để thực hiện các chức năng điều khiển

turbine, chẳng hạn khởi động/ dừng máy phát hoặc kết nối/ ngắt máy phát ra

khỏi lưới, điều chỉnh cánh turbine, dự đoán để theo dỏi các chế độ làm việc của

máy phát, Hệ thống bảo vệ hoạt động như một hệ thống dự phòng cho hệ

thống giám sát và nó sẽ tiếp nhận vai trò điều khiển từ hệ thống giám sát để

duy trì và bảo vệ chế độ làm việc của turbine Nó nhận tín hiệu từ các cảm

biến, chẳng hạn mức dao động quá cao, tốc độ rotor hay công suất máy phát

vượt quá giới hạn cho phép Hệ thống này phải được thiết kế làm việc với mức

độ an toàn và tin cậy rất cao để đảm bảo turbine luôn trong điều kiện an toàn

2.2 CÁC YẾU TỐ LIÊN QUAN ĐẾN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG

NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.2.1 Năng lượng gió

− Năng lượng PW (Watts) của một khối lượng không khí với mật độ là ρ (Kg/m3),

diện tích tiết diện ngang của khối không khí là A (m2), di chuyển với vận tốc v

(m/s) được xác định như sau : PW ρAv

− Từ biểu thức trên, năng lượng gió tăng hay giảm theo v3 , đồng thời tỷ lệ với

diện tích A khối không khí quét ngang và mật độ không khí ρ Mặt khác, yếu tố

mật độ không khí bị tác động bởi nhiệt độ và áp suất Khi nhiệt độ không khí

càng tăng cao hơn 150C thì tỷ số mật độ KT (tỷ số mật độ không khí ở nhiệt độ T

với mật độ không khí ở nhiệt độ 150C) càng giảm Aùp suất không khí là một

hàm theo thông số độ cao, khi độ cao càng tăng thì áp suất không khí càng giảm

và hệ số hiệu chỉnh mật độ không khí theo độ cao cũng giảm

− Ngoài ra, năng lượng gió hệ thống chuyển đổi nhận được còn bị tác động bởi độ

cao lắp đặt turbine gió Ở độ cao vài trăm mét đầu cách mặt đất, tốc độ gió bị

ảnh hưởng rất nhiều bởi ma sát, do di chuyển trên bề mặt trái đất Đối với

những bề mặt phẳng như mặt biển lặng, sự thay đổi tốc độ gió theo độ cao

không chênh lệch nhiều Tốc độ gió sẽ bị tác động của lực ma sát làm chậm

đáng kể khi di chuyển qua những địa hình như rừng rậm, các đô thị nhà cao

tầng, …

− Có thể biểu diễn tác động của sự gồ ghề của bề mặt trái đất vào tốc độ gió theo

Trang 24

− Để hiểu rỏ hơn về sự vận hành của turbine gió, chúng ta cần quan tâm đến vấn

đề các cánh quạt của turbine làm thế nào nhận năng lượng gió để làm quay

rotor Xét mặt cắt của cánh quạt turbine như hình minh họa sau đây :

Hình 2.10 (a) Lực tác động theo hướng vuông góc và song song hướng gió thổi

đến cánh quạt (b) Sự kết hợp của lực tác động theo hướng gió và sự di chuyển

của cánh quạt [7]

− Khi các cánh quạt của rotor quay, không khí bị khuấy động không chỉ do sức gió

mà còn do sự tác động của các cánh quạt khi chúng quay Trên hình (a), lực tác

động lên cánh quạt turbine nhận được từ năng lượng gió có hai loại : lực tác

động song song với hướng gió thổi (Drag), lực tác động vuông góc với hướng gió

(Lift) Trên hình (b), sự kết hợp lực tác động của gió và sự chuyển động của các

cánh quạt được xem như việc cộng hai vector, kết quả làm cho cánh quạt di

chuyển theo hướng vuông góc với vector tổng (Resulting wind) dọc theo trục

rotor Do đỉnh của cánh quạt di chuyển nhanh hơn các vị trí gần trục rotor, cánh

quạt rotor được thiết kế xoắn theo trục dọc trên cánh của chúng

− Khi xét đến các yếu tố khí động học liên quan đến cánh quạt turbine gió, chúng

ta cần quan tâm đến hai thông số quan trọng : góc giữa trục cánh quạt (Chord

line) và hướng gió gọi là góc tác động (the angle of attack α), và góc điều chỉnh

độ dốc của cánh quạt (Pitch angle β) là góc giữa trục cánh quạt (Chord line) và

mặt phẳng quay (Plane of rotation) – mặt phẳng mà các đỉnh cánh quạt sẽ vẽ

thành vòng tròn trên đó khi rotor quay Góc tác động α là giá trị biến thiên và

nó phụ thuộc vào cả hai thông số tốc độ của cánh quạt và tốc độ của gió Lực

tác động của gió theo hướng vuông góc (lift) có thểå được cải thiện bằng cách

tăng lực tác động theo hướng song song với gió (Drag) Tuy nhiên, nếu giá trị

của góc tác động lớn thì sẽ dẫn đến hiện tượng Stall, khi đó không khí chỉ di

chuyển trên bề mặt cánh quạt và có thể làm hư hỏng cánh quạt Mặt khác, hệ

Trang 25

thống turbine gió có thể phát ra công suất cực đại khi hướng gió thổi đến vuông

góc với mặt phẳng quay Góc Pitch là giá trị không biến thiên và chỉ phụ thuộc

vào sự định hướng của cánh quạt

Hình 2.11 Các thông số khí động học liên quan đến cánh quạt turbine gió [4]

Hình 2.12 Sự tăng góc tác động α có thể gây ra hiện tượng Stall trên cánh

quạt [7]

− Xét thiết bị sử dụng để điều chỉnh lực tác động theo hướng vuông góc với hướng

gió, năng lượng nhận được từ thiết bị này được xác định trong biểu thức sau :

Trong đó :

∗ c là độ dài cánh quạt

∗ Hệ số CL là hàm theo dạng của cánh quạt và góc tác động α

∗ Hệ số CD cũng là hàm theo dạng của cánh quạt và góc tác động α

∗ U là vector tổng của vector vận tốc gió

∗ v là tốc độ của cánh quạt rotor

Trang 26

Hình 2.13 Mô tả cánh quạt di chuyển theo các góc liên quan hướng gió thổi và

bị tác động bởi hai lực vuông góc và song song hướng gió [6]

2.2.3 Năng lượng gió turbine nhận được – hiệu suất rotor và hệ thống turbine

gió

− Turbine gió sẽ nhận được năng lượng cực đại nếu hướng gió vuông góc với mặt

phẳng quay của cánh quạt rotor Nếu hướng gió song song với mặt phẳng quay

của cánh quạt rotor, turbine gió hầu như không nhận được năng lượng gió thổi

qua cánh quạt Sự thay đổi hướng gió có thể gây ra ảnh hưởng không tốt cho

turbine gió Hơn nữa, tốc độ gió thì hầu như không ổân định; nó có thể thay đổi từ

tỉnh lặng cho đến giông bão Hiệu suất của turbine gió bị ảnh hưởng bởi hiệu

suất chuyển đổi năng lượng cơ học từ cánh quạt rotor thành năng lượng điện, và

công suất điện năng phát ra cũng bị ảnh hưởng bởi độ tin cậy của hệ thống

turbine gió

− Khi gió di chuyển qua hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, một phần động năng

trong năng lượng gió được turbine gió tiếp nhận và chuyển đổi thành điện năng

Do chỉ có một phần động năng của năng lượng gió được turbine gió tiếp nhận,

nên tốc độ gió sau khi đi qua turbine khác 0 Công suất nhận được từ cánh quạt

của turbine gió Pb bằng với sự chênh lệch động năng trong năng lượng gió trước

và sau cánh quạt của turbine gió :

Trong đó : là khối lượng của lượng không khí di chuyển qua cánh quạt

turbine Với , v là tốc độ gió trước khi đi qua turbine, vd là tốc độ gió

sau khi đi qua turbine

Trang 27

Hình 2.14 Turbine gió nhận một phần động năng trong năng lượng gió [7]

− Giả sử tốc độ gió đi qua cánh quạt của rotor chỉ bằng trung bình của tốc độ gió ở

trước và sau cánh quạt, và có thể đặt λ Vậy năng lượng nhận được từ cánh

quạt :

Đại lượng trong ngoặc được đặt là Cp : hiệu suất rotor

Vì vậy công suất mà rotor đạt dược :

− Giá trị cực đại của hiệu suất rotor Cp đạt được trong khoảng giá trị của tốc độ

gió mà turbine gió có thể phát ra giá trị công suất cao nhất như trên đường cong

biểu diễn sự phân bố công suất

Hình 2.15 Turbine gió chống lại tốc độ rotor với hai tốc độ gió khác nhau

Hiệu suất rotor có thể đạt cực đại khi :

Trang 28

Tương ứng với khi : λ ⇔ 59.3%

− Vậy theo định luật Betz, hiệu suất rotor đạt cực đại khi tốc độ gió sau khi đi qua

cánh quạt của rotor bằng 1/3 tốc độ gió thổi đến rotor Thực tế, trong điều kiện

vận hành tốt nhất, các cánh quạt của turbine gió có thể đạt được 80% hiệu suất

cực đại của rotor (59.3%), và khoảng (40 ÷ 50)% hiệu suất được chuyển thành

năng lượng để làm quay trục rotor của máy phát Máy phat gió thực tế không

thể đạt được công suất tối đa theo như tính toán lý thuyết Tỷ số công suất thực

tế PT mà turbine gió đạt được với công suất lý tưởng Pid được định nghĩa là hiệu

suất của hệ thống turbine gió :

Hình 2.16 Hiệu suất cánh quạt đạt cực đại khi tốc độ gió khi đã đi qua turbine

bằng 1/3 tốc độ gió thổi đến cánh quạt turbine [7]

− Với một tốc độ gió cho trước, hiệu suất rotor là một hàm theo tốc độ quay của

rotor Nếu rotor quay quá chậm hay quá nhanh, hiệu suất sẽ giảm xuống Có thể

biểu diễn hiệu suất rotor bằng một hàm theo thông số TSR (tip-speed ratio – là

tỷ số tốc độ của đỉnh ngoài của cánh rotor với tốc độ gió)

∗ Trong đó : rpm là tốc độ rotor (vòng/phút); D là đường kính rotor (m); v là tốc

độ gió trước khi đi qua cánh quạt turbine (m/s)

Trang 29

Hình 2.17 Các dạng rotor có số cánh quạt khác nhau đạt hiệu suất cực đại với

tốc độ rotor cao [7]

− Vậy khi tốc độ gió tăng, rotor cũng phải quay với tốc độ cao để giữ cho TSR

không đổi ở mức tối ưu Có ba thuộc tính của hệ thống năng lượng gió liên quan

đến thông số TSR :

Aùp lực ly tâm cơ khí lên cánh quạt mà vật liệu phải chịu đựng tỷ lệ với hệ số

TSR Khi máy phát làm việc với thông số TSR cao thì áp lực càng lớn Vì

vậy, nếu thiết kế với cùng công suất và cùng tốc độ gió, nếu máy phát làm

việc với TSR cao thì cánh quạt rotor cần được thiết kế thon nhỏ hơn

Khả năng khởi động dưới tải của turbine gió tỷ lệ nghịch với TSR Khi tỷ số

này tăng, thì moment khởi động tạo ra bởi cánh quạt rotor giảm

Do TSR có liên quan đến điểm làm việc cực đại của hệ thống, hiệu suất Cp

đạt giá trị cực đại tương ứng với một giá trị TSR thích hợp với thiết kế khí

động học của từng hệ thống turbine gió

− Theo lý thuyết và kinh nghiệm cho thấy, khi turbine làm việc với tốc độ gió

thay đổi thì công suất sẽ tăng từ 20 ÷ 30 % so với khi làm việc với tốc độ không

đổi tuy nhiên chi phí điều khiển cũng tăng

− Tốc độ quay của cánh quạt rotor phụ thuộc vào tốc độ gió Nếu tốc độ gió quá

cao, cánh quạt rotor có thể quay quá nhanh và gây nguy hiểm cho hệ thống Để

tránh sự cố này, hệ thống turbine gió có thể được ngắt ra khỏi lưới điện chung

2.3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CÁNH QUẠT CỦA ROTOR ĐỂ CÔNG SUẤT CỰC

ĐẠI

2.3.1 Tầm quan trọng của sự thay đổi tốc độ rotor

− Như phần trên đã nêu, một hệ thống turbine gió có điểm làm việc tốt nhất khi

thông số TSR của nó nằm trong khoảng 4 ÷ 6, tức là tốc độ đỉnh của cánh quạt

Trang 30

gấp 4 ÷ 6 lần tốc độ gió Hiệu suất rotor cực đại của mỗi hệ thống turbine gió có

thể đạt được tại một giá trị TSR riêng dược thiết kế theo điều kiện khí động lực

đặc biệt của hệ thống đó Theo lý tưởng, để đạt hiệu suất cực đại, tốc độ của

cánh turbine gió cần phải thay đổi khi tốc độ gió thay đổi Hình minh họa sau

đây cho thấy ảnh hưởng của tốc độ rotor đến hiệu suất cánh quạt turbine nếu

không thể điều chỉnh tốc độ rotor, thì hiệu suất cánh quạt turbine gió Cp sẽ thay

đổi khi tốc độ gió thay đổi

Hình 2.18 Hiệu suất cánh quạt được cải thiện khi tốc độ rotor thay đổi theo tốc

độ gió [7]

Hình 2.19 Tốc độ trên trục máy phát khi phát công suất cực đại tương ứng với

các tốc độ gió

− Vậy máy phát cần có một tốc độ quay ổn định để có thể cung cấp cho hệ thống

mạng điện giá trị dòng điện và điện áp đạt chất lượng Do đó, nếu nối hệ thống

turbine gió trực tiếp với lưới điện, phải kèm theo điều kiện tốc độ rotor có thể

thay đổi nhưng tốc độ của máy phát phải ổn định Nếu hệ thống turbine gió

không nối lưới trực tiếp, có thể cho phép tần số phát ra của máy phát điện gió

thay đổi Sau đây là một số phương pháp để điều chỉnh tốc độ quay của rotor :

Trang 31

a Thay đổi số cực của máy phát cảm ứng để thay đổi tốc độ cánh quạt rotor

− Tần số của máy phát không đồng bộ có thể điều khiển bằng cách thay đổi số

cực của máy phát Nếu chúng ta thay đổi số đôi cực, ta có thể cho turbine gió

làm việc trong điều kiện tốc độ gió thay đổi

b Sử dụng hộp số để thay đổi tốc độ cánh quạt rotor

− Một số hệ thống turbine gió có hai hộp số (cho tốc độ gió thấp và tốc độ gió

cao) kèm theo các máy phát riêng biệt

c Sử dụng máy phát cảm ứng có độ trượt thay đổi để thay đổi tốc độ cánh quạt

rotor

− Thông thường máy phát cảm ứng có thể duy trì tốc độ quay của rotor chênh lệch

khoảng 1% tốc độ đồng bộ Độ trượt trong máy phát đóng vai trò như một điện

trở phụ trong mạch dẫn rotor Khi độ trượt thay đổi, điện trở phụ trong mạch

rotor có thể điều chỉnh được, và do đó giá trị của độ trượt có thể tăng lên đến

khoảng 10% Ví dụ máy phát có 4 cực, nếu sử dụng phương pháp thay đổi vành

trượt, tốc độ quay của rotor có thể điều chỉnh trong khoảng 1800 ÷ 2000

(vòng/phút)

2.3.2 Giới hạn công suất phát ra và bảo vệ hệ thống turbine gió trong điều

kiện giông bão

− Một hệ thống turbine gió có thể đạt được điểm làm việc tốt nhất và phát ra công

suất cực đại phụ thuộc vào hiệu suất rotor Với mỗi tốc độ gió cho trước, hiệu

suất rotor đạt cực đại khi giá trị λ = 1/3 Vậy, tốc độ rotor của máy phát phải

được điều chỉnh thay đổi theo vận tốc gió để giữ cho giá trị λ không đổi

2.3.2.1 Vận hành công suất cực đại

− Có hai phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió làm việc với tốc độ gió

thay đổi để phát công suất cực đại :

Duy trì giá trị thông số TSR không đổi : Phương pháp này được thực hiện

dựa trên năng lượng gió turbine nhận được cực đại khi giá trị tối ưu của

thông số TSR được giữ không đổi với mọi giá trị tốc độ gió Theo sơ đồ điều

khiển tối ưu TSR, tốc độ gió được đo lường liên tục và so sánh với tốc độ

đỉnh của cánh quạt rotor Giá trị tối ưu của TSR được lưu trong hệ thống

điều khiển như giá trị chuẩn so với giá trị TSR thực tế tương ứng tốc độ gió

để điều chỉnh tốc độ rotor Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển này có nhược điểm

giá trị tối ưu TSR dần dần thay đổi do bề mặt cánh quạt rotor thay đổi, dẫn

đến khó khăn do phải xác định giá trị tối ưu mới

Trang 32

Hình 2.20 Sơ đồ điều khiển vận hành công suất cực đại theo phương pháp giữ

trị số TSR không đổi [2]

Điều chỉnh theo công suất đỉnh : Phương pháp này thực hiện dựa trên

nguyên lý công suất là một hàm biến thiên theo tốc độ rotor Khi hệ thống

turbine gió đang vận hành ở điểm phát công suất cực đại, nếu tốc độ turbine

tăng hay giảm một lượng nhỏ thì công suất phát ra không thay đổi Do đó

điều kiện cần để đạt công suất cực đại :

Công suất phát ra được đo lường liên tục để đánh giá tỷ số ΔP/Δω Khi tỷ số

này dương, nghĩa là hệ thống nhận thêm công suất do sự tăng tốc độ của

rotor Khi tỷ số này âm, tức là công suất phát ra giảm Tốc độ rotor được

duy trì ở giá trị sao cho tỷ số ΔP/Δω gần bằng 0 Phương pháp này không bị

ảnh hưởng bởi sự thay đổi tốc độ gió và cấu trúc hệ thống turbine gió về

mặt khí động học Vì vậy, phương pháp này được ứng dụng nhiều hơn

Hình 2.21.Sơ đồ điều chỉnh theo công suất đỉnh [2]

2.3.2.2 Giới hạn công suất đỉnh bảo vệ hệ thống turbine gió trong điều

kiện giông bão

− Tất cả các hệ thống turbine gió đều có một số phương pháp điều chỉnh hay giới

hạn giá trị đỉnh công suất phát ra Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió,

Trang 33

máy phát và hệ thống truyền tải thường vận hành với hiệu suất tối đa như đã

được thiết kế, tức là gần với công suất cực đại Hiệu suất này sẽ giảm rất nhanh

khi hệ thống vận hành dưới định mức Thông thường, sự bổ sung năng lượng

bằng cách tăng hiệu suất máy phát và đường dây truyền tải chủ yếu do tốc độ

gió giảm

− Công suất phát ra của hệ thống turbine gió có thể được điều chỉnh theo hai

phương pháp : điều khiển stall và điều khiển pitch

Điều khiển stall : Hiệu ứng stall xảy ra trong trường hợp góc tác động α tăng

khi tốc độ gió tăng, góc pitch không thay đổi Nhược điểm của phương pháp

điều khiển stall là tính khả thi thấp, do đây chỉ là phương pháp điều khiển

thụ động Không dễ đánh giá công suất cực đại của các cánh quạt rotor hiện

đại vì rất khó lập mô hình toán học cho hiệu ứng stall Khó duy trì giá trị cực

dại của công suất phát ra

Hình 2.22 Hiệu ứng stall khi tốc độ gió tăng cao [5]

Điều khiển pitch : là phương pháp điều khiển chủ động Phương pháp này

trực tiếp tăng hay giảm góc pitch, cũng như góc tác động của rotor Cánh

quạt rotor sẽ quay lệch hướng gió khi tốc độ gió tăng cao để giảm góc tác

động và chủ động giảm công suất nhận vào trên các cánh quạt rotor Các hệ

thống năng lượng gió thường dùng động cơ điện để di chuyển cánh quạt

rotor đến vị trí đạt góc pitch mong muốn

Hình 2.23 Các vị trí cánh quạt rotor khi tốc độ gió khác nhau với phương pháp

điều khiển pitch [5]

− Hầu hết các hệ thống turbine gió hiện đại có turbine vận hành theo trục ngang

sử dụng phương pháp điều khiển góc pitch của cánh quạt, một số hoặc toàn bộ

Trang 34

các cánh quạt sẽ quay theo trục dọc để thay đổi góc tác động và giới hạn giá trị

đỉnh của công suất phát ra Một số hệ thống turbine gió được thiết kế với góc

pitch của cánh quạt cố định và việc điều khiển giới hạn giá trị đỉnh công suất

phát ra dựa trên chế độ điều khiển stall của cánh quạt Một số hệ thống turbine

gió loại nhỏ sử dụng chế độ điều khiển stall (cánh quạt ở phía đuôi turbine, thiết

bị điều khiển xếp cánh quạt) để hướng trục cánh quạt rotor lệch hướng gió khi

tốc độ gió tăng

− Trong điều kiện giông bão, máy phát gió sẽ được ngừng hoạt động để bảo vệ,

các cánh quạt rotor sẽ được di chuyển theo hướng lệch với hướng gió để giảm

năng lượng nhận trên cánh quạt và tránh gây hư hỏng hệ thống turbine gió Đối

với hệ thống năng lượng gió sử dụng phương pháp điều khiển stall thường được

bổ sung hệ thống hãm khí động học [4]

2.4 ĐƯỜNG CONG NĂNG LƯỢNG LÝ TƯỞNG CỦA TURBINE GIÓ

− Hầu hết những thông tin kỹ thuật quan trọng của các hệ thống turbine gió thể

hiện ở đường cong năng lượng Hình minh họa sau thể hiện một đường cong

năng lượng lý tưởng

Hình 2.24.Đường cong năng lượng lý tưởng của turbine gió [7]

Hình 2.25 Các đường cong công suất lý tưởng theo từng tốc độ gió

Trang 35

− Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió không phát ra công suất khi tốc độ gió thấp

hơn giá trị VC Khi tốc độ gió đạt giá trị trong khoảng VR và VF thì công suất

phát ra bằng công suất định mức của máy phát, và khi tốc độ gió vượt quá giá trị

VF thì máy phát ngưng hoạt động

− Giá trị tốc độ gió VC (Cut-in windspeed) : là tốc độ gió thấp, không đủ năng

lượng để thắng lực ma sát trong bộ truyền động của turbine, ngay cả khi năng

lượng gió đủ để làm quay máy phát thì công suất phát ra cũng không đủ để bù

cho công suất tiêu hao trên dây quấn máy phát

− Tốc độ gió định mức (Rated windspeed - VR): khi tốc độ gió đạt đến giá trị định

mức VR, máy phát sẽ cung cấp điện năng đạt công suất định mức

− Giá trị tốc độ gió VF (Cut-out or Furling windspeed) : khi tốc độ gió tăng quá

cao thì hệ thống turbine gió có thể bị hư hỏng Ở tốc độ VF, máy phát cần phải

ngưng hoạt động và không phát ra công suất

− Để tăng công suất điện năng nhận được từ turbine gió, các yếu tố đường kính

rotor và công suất định mức của máy phát cần dược quan tâm khi thiết kế hệ

thống chuyển đổi năng lượng Hình minh họa sau biểu diễn mối quan hệ giữa

hai yếu tố trên Khi đường kính rotor tăng, tốc độ gió định mức sẽ giảm Đặc

biệt khi tốc độ gió thấp thì việc tăng đường kính rotor có thể làm tăng công suất

điện năng turbine phát ra Khi tốc độ gió cao, công suất turbine gió cũng tăng

theo để tương ứng với tốc độ gió và tăng công suất điện năng phát ra

Hình 2.26 (a) Tăng đường kính rotor, tốc độ gió định mức giảm (b) Với tốc độ

gió cao, khi tăng công suất máy phát thì tăng công suất định mức phát ra [7]

Trang 36

Luận văn thạc sĩ CBHD.PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

CHƯƠNG 3 – MÔ HÌNH TOÁN HỌC CÁC LOẠI MÁY PHÁT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ – CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

3.1 CÁC LOẠI MÁY PHÁT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

− Trong hệ thống năng lượng gió, máy phát điện là thành phần quan trọng được xem như trái tim, cũng như các bộ biến đổi công suất được xem như linh hồn của hệ thống Một số loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống turbine gió trước đây như máy điện cảm ứng rotor lồng sóc, rotor dây quấn, máy điện không đồng bộ với bộ kích từ Các loại máy phát điện này phù hợp cho giải pháp kết nối trực tiếp với lưới điện và làm việc với tốc độ không đổi Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển, các loại máy phát sử dụng trong hệ thống năng lượng gió hiện đại đa dạng hơn Mục tiêu của chương này là tìm hiểu các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống năng lượng gió, mô hình toán học của chúng và các kiểu mô hình hệ thống tương ứng với các dạng máy phát điện

3.1.1 Máy phát điện đồng bộ

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

Hình 3.1 Hệ thống turbine gió cơ bản sử dụng máy đồng bộ {TL[7] – chương 2]

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

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

Trang 37

Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích từ

Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp

Do máy phát điện làm việc với tốc độ không đổi, dẫn đến không phù hợp cho hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió

3.1.1.1 Mô hình toán học máy điện đồng bộ

Hình 3.2 Sơ đồ máy điện đồng bộ ba pha [4]

− Phương trình điện áp stator trong hệ trục tọa độ cố định abc:

, , , , , , ψ , , , (3.1)

∗ Trong đó: Rs là điện trở cuộn dây stator

− Phương trình điện áp trên hệ trục dq0 gắn liền với trục rotor :

ψ (3.2) ψ (3.3)

Hình 3.3 Sơ đồ chuyển đổi hệ quy chiếu máy điện đồng bộ cực lồi [4]

Trang 38

− Trong hệ trục quy chiếu dq0, từ thông móc vòng stator không phụ thuộc vào góc quay của rotor Do đó, trong điều kiện tuyến tính, hệ phương trình điện áp của máy điện đồng bộ cực lồi được mô tả chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi tốc độ rotor Phương trình điện áp trên pha của máy điện đồng bộ trong hệ quy chiếu dq0 được viết như sau :

ψ

ψ (3.4)

∗ Trong đó :

+ ω - Tốc độ rotor

− Từ thông móc stator trong hệ quy chiếu dq0 có thể được biểu diễn theo các đại lượng dòng điện trong máy điện :

∗ Lưu ý :

+ - Điện cảm đồng bộ theo trục dọc

+ - Điện cảm đồng bộ theo trục ngang

+ 2 - Điện cảm thứ tự không

+ - Hỗ cảm giữa dây quấn kích từ và dây quấn stator + - Hỗ cảm giữa dây quấn cản theo trục dọc và dây quấn stator

+ - Hỗ cảm giữa dây quấn cản theo trục ngang và dây quấn stator

− Điện cảm đồng bộ được biểu diễn như sau :

∗ Trong đó :

+ L - Điện cảm tản stator

+ – Điện cảm từ hóa dọc trục

+ – Điện cảm từ hóa ngang trục

− Phương trình (1.4) được viết lại trong hệ phương trình (3.8):

Trang 39

∗ Trong đó :

+ - Tự cảm của cuộn dây kích từ

+ D, LQ - Tự cảm của các dây quấn cản dọc trục và ngang trục

+ D - Hỗ cảm giữa dây quấn kích từ và dây quấn cản dọc trục

− Dạng ma trận của phương trình điện áp trong hệ quy chiếu chuyển đổi được viết :

00

0

00

0 0

000

0 0

0

00

Trang 40

3.1.1.2 Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 3.4 Hệ thống turbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh

cữu [TL[8] – chương 2]

− Quá trình phân tích máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được thực hiện trong hệ trục dq0, và nam châm vĩnh cửu được thay bằng dây quấn siêu dẫn dọc trục Dòng điện chạy trên dây quấn siêu dẫn If là dòng điện không đổi trong mọi chế độ làm việc của máy điện

Hình 3.5 Sơ đồ máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu với dây quấn cản [4]

Hình 3.6 Sơ đồ mô hình chuyển đổi máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong

hệ trục toa độ dq0 [4]

Định dạng
Số trang	135
Dung lượng	3,7 MB