Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống điện mặt trời hydro làm việc độc lập

Ranganathan, “Variable-speed wind power generation using doubly fed wound rotor induction machine-a comparison with alternative schemes,” – Máy phát điện gió tốc độ thay đổi dùng máy điệ

-

PHAN XUÂN HUY

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI – HYDRO

LÀM VIỆC ĐỘC LẬP

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,

Ngày tháng năm

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN XUÂN HUY Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 06-07-1979 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành : Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện MSHV: 01806485

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống điện mặt trời –

hydrogen hoạt động độc lập

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Xây dựng mô hình và mô phỏng Mtalab hoạt động của hệ thống điện mặt trời – hydrogen hoạt động độc lập

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ………

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ………

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung :

Hiện nay (Số liệu thống kê năm 2008) nhu cầu về năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng ngày một tăng cao, những nước tăng nhanh nhất về nhu cầu năng lượng là các nước đang phát triển, nhu cầu về năng lượng điện tại các nước này thường tăng 15% một năm hoặc hơn thế nữa Một vấn đề lớn hiện nay là các nguồn năng lượng hóa thạch được sử dụng chính trong việc cung cấp năng lượng của thế giới hiện nay đang cạn kiệt đến mức báo động và tiến tới sẽ cạn kiệt hẳn vào vài thập niên tới

Hình 1.1 : Các nguồn cung cấp điện ( số liệu năm 2004) Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng không xa lạ gì và cũng đã xuất hiện rất lâu, nhưng thời gian gần đây mới được quan tâm và phát triển đúng mức Vì sao trước đây chúng ta không quan tâm hay ít quan tâm tới năng lượng tái tạo? Câu trả lời là thời gian trước đây ( vài thập niên trước) năng lượng hóa thạch còn dồi dào và giá cả thấp trong khi công nghệ để phát triển về năng lượng tái tạo chưa cao và giá thành sản xuất cao Nhưng hiện nay tình trạng đã khác công nghệ ngày

Other**

0.8%

Hydro 16.1%

Non-Renew Waste 0.3%

Gas

19.6%

Coal 39.8%

Oil

6.7%

Renew able Combustible

s and Waste 1.0%

Nuclear 15.7%

Renew ables 17.9%

càng phát triển giúp cho việc sử dụng năng lượng tái tạo dễ dàng hơn và chi phí hợp lý hơn

Hình 1.2 : Nhu cầu năng lượng thế giới Lợi thế rất lớn của năng lượng tái tạo là có thể tái sinh vì thế gần như không cạn kiệt như các nguồn năng lượng hóa thạch Mặt khác mặt tích cực nữa là nó ít gây ô nhiễm môi trường, không như các nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm nghiêm trọng tới khí quyển trái đất và hậu quả là thiên tai ngày càng trầm trọng

Để giải quyết vấn đề cạn kiệt năng lượng hóa thạch và nhu cầu ngày năng lượng tăng nhanh chóng mặt của thế giới, có 2 giải pháp chính được đưa ra :

9 Sử dụng hợp lý và hạn chế xây dựng mới đối với các nguồn năng lượng hóa thạch Thực ra điều này đã được áp dụng khi những khảo sát cho thấy các nguồn năng lượng hóa thạch có xu hướng cạn kiệt, nhưng với đà phát triển như hiện nay thì việc hạn chế xem như cũng đã muộn, nếu tiết kiệm tối đa thì cũng chỉ một thế kỷ nữa có thể chúng ta không còn nó nữa Vấn đề là trong thời gian này chúng ta đã kiếm được các nguồn năng lượng thay thế chưa và ứng dụng nó để thay thế được các nguồn truyền thống chưa?

9 Chuyển dần việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch sang nguồn năng lượng tái tạo bằng cách thay thế hoặc xây dựng mới các nguồn mới là năng

lượng tái tạo, hạn chế tối đa xây dựng nguồn mới sử dụng nhiên liệu hóa thạch Một lợi thế rất lớn của năng lượng tái tạo nữa là nó thường là các nguồn DG (distributed generation) nên khá gần phụ tải người sử dụng nên

có thể giảm được chi phí truyền tải hoặc là thấp ( nếu có) Như đã nói ở trên nguồn năng lượng tái tạo trên toàn thế giới là vô cùng lớn, vấn đề ở chỗ là

ta chưa khai thác hết tiềm năng vốn có của nó

Năng lượng tái tạo (Renewable energy) có một số nguồn chính như sau :

9 Sinh khối (biomass)

9 Gió (wind)

9 Thủy điện (hydropower)

9 Quang điện (photovotalic)

9 Năng lượng mặt trời (solar)

9 Pin nhiên liệu (Fuelcell)

9 Địa nhiệt (geothermal)

9 Thủy triều/sóng đại dương (ocean wave)

Trong các nguồn năng lượng tái tạo đã nêu trên thì năng lượng gió hiện nay được phát triển mạnh nhất Sau khi thu thập hơn 8.000 tài liệu về gió trên mọi lục địa, nhà nghiên cứu Christina Archer và Mark Jacobson thuộc ĐH Stanford (Mỹ)

đã tạo ra một bộ bản đồ về năng lượng gió của thế giới Bản đồ tiết lộ gió có thể tạo ra 72 TW điện năng, gấp 40 lần tổng sản lượng điện mà mọi quốc gia trên thế giới sử dụng trong năm 2000 Nếu con người khai thác chỉ 20% tổng số này, nó sẽ thoả mãn mọi nhu cầu năng lượng của thế giới Năng lượng gió xây đựng tương đối dễ, công suất lớn và giá thành rẻ có thể cạnh tranh trực tiếp với các nguồn năng lượng hóa thạch hiện nay Bên cạnh những ưu điểm vượt trội của năng lượng gió thì nó cũng có khá nhiều nhược điểm như các nguồn năng lượng khác, như vị trí xây đựng thích hợp ( thường là các khu vực vắng người hay các vùng bờ biển và

có tốc độ gió tương đối cao) Một vấn đề khá quan trọng là năng lượng gió tương đối khó điều khiển, thường không liên tục và tạo ra một số ảnh hưởng về chất lượng điện năng không tốt đối với lưới

EVN dự báo, đến năm 2020, nhu cầu điện của VN sẽ vào khoảng 200.000 GWh, khả năng từ các nguồn điện truyền thống chỉ đạt mức 165.000 GWh Tỉ lệ thiếu hụt điện có thể lên tới 20% - 30% mỗi năm Việc đầu tư vào sản xuất năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió, là điều cần phải làm

¾ Những lợi ích về môi trường và xã hội của điện gió

Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội Để xây dựng một nhà máy thủy điện lớn cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nước Ngoài ra, việc

di dân cũng như việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai những người dân xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài toán khó đối với các nhà hoạch định chính sách Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các đập nước tại Việt Nam cũng không còn nhiều Song hành với các nhà máy điện hạt nhân là nguy cơ gây ảnh hưởng lâu dài đến cuộc sống của người dân xung quanh nhà máy Các bài học về rò rỉ hạt nhân cộng thêm chi phí đầu tư cho công nghệ, kĩ thuật quá lớn khiến càng ngày càng có nhiều

sự ngần ngại khi sử dụng loại năng lượng này Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thì luôn là những thủ phạm gây ô nhiễm nặng nề, ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe người dân Hơn thế nguồn nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao

Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lượng gió càng trở nên rõ rệt So với các nguồn năng lượng gây ô nhiễm (ví dụ như ở nhà máy nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi sử dụng năng lượng gió, người dân không phải chịu thiệt hại

do thất thu hoa mầu hay tái định cư, và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y

tế và chăm sóc sức khỏe do ô nhiễm

Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải Hơn nữa, việc phát triển năng lượng gió ở cần

một lực lượng lao động là các kỹ sư kỹ thuật vận hành và giám sát lớn hơn các loại hình khác, vì vậy giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ năng cao

Tại các nước Châu Âu, các nhà máy điện gió không cần đầu tư vào đất đai để xây dựng các trạm tourbin mà thuê ngay đất của nông dân Giá thuê đất (khoảng 20% giá thành vận hành thường xuyên) giúp mang lại một nguồn thu nhập ổn định cho nông dân, trong khi diện tích canh tác bị ảnh hưởng không nhiều

Cuối cùng, năng lượng gió giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng, là một điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hay một số ít nguồn năng lượng chủ yếu; và chính điều này giúp phân tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng

1.2 Tình hình sử dụng nguồn năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới

Năng lượng gió đã được các nước phát triển quan tâm từ những thập kỷ 70 nhưng đến thập kỷ 90 nó mới bắt đầu bước vào giai đoạn phát triển mạnh, đặt biệt trong những năm gần đây nó đặt biệt được quan tâm và được các nước đầu tư mạnh mẽ

Kinh phí đầu tư cho 1 MW điện gió vào cuối thế kỷ 20 là 1 triệu USD Theo

tổ chức năng lượng gió châu Âu, dự kiến đầu tư cho các năm 2001-2006 khoảng 688.000 USD/MW; từ 2007-2011: 571.000 USD; từ 2011-2017: 496.000 USD; từ 2018-2020: 455.000 USD

Hình 1.3 : Biểu đồ công suất turbine gió được lắp đặt trên thế giới năm

2006 và 2007 Châu Âu vẫn là châu lục phát triển về năng lượng gió đứng đầu trên thế giới, điển hình là các nước Đức, Tây Ban Nha, Đan Mạch … Nước Đức đứng đầu với khoảng 22.3 GW vào cuối năm 2007 với hơn 19460 turbine gió, Tây ban nha đứng thứ hai với khoảng 15.2 GW vào cuối năm 2007, đứng thứ ba là Đan Mạch với tổng dung lượng lắp đặt thấp hơn hẳn vào khoảng 3.2 GW vào cuối năm 2007 và thêm một số nước cũng đang gia tăng công suất lắp đặt hàng năm như Ý, Pháp, Hà Lan … Nước Đức đi đầu trong phát triển năng lượng gió dự kiến đến năm 2030 sẽ nâng tổng dung lượng công suất lắp đặt lên 125 GW

Châu Mỹ là châu lục có mức phát triển năng lượng gió đứng thứ hai sau châu

Âu Đứng đầu châu lục này là nước Mỹ với tổng công suất lắp đặt khoảng 16.8

GW vào cuối năm 2007, sau Mỹ là Canada với tổng công suất lắp đặt khoảng 1.9

GW, và một số nước có công suất lắp đặt tương đối nhỏ như Brazil, Mexico …

Châu Á là châu lục có tốc độ phát triển năng lượng gió nhanh nhất hiện nay

Với tổng công suất lắp đặt vào khoảng 6050 MW vào cuối năm 2007 Trung Quốc

là quốc gia có tốc độ phát triển về năng lượng gió cao nhất trên thế giới Nhưng

Trung Quốc không phải là quốc gia dẫn đầu châu Á về công suất lắp đặt, với 8

GW tổng công suất lắp đặt vào cuối năm 2007 và đứng đầu châu Á về công suất

lắp đặt Bên cạnh đó còn có một số quốc gia khác như Nhật Bản (1538 MW), Đài

Loan (282 MW), Hàn Quốc (191 MW) …

Châu Phi là châu lục có mức độ phát triển năng lượng gió thấp nhất thế giới

Với khoảng 310 MW tổng công suất lắp đặt vào cuối năm 2007 Ai Cập là nước

đứng đầu châu Phi về năng lượng gió Bên cạnh đó còn có một số nước khác như

Morocco …

Châu Đại Dương là châu lục nhỏ nhưng năng lượng gió cũng tương đối phát

triển, với tổng công suất lắp đặt 824 MW vào cuối năm 2007 Australia là quốc gia

đứng đầu châu lục này và sau đó là New Zealand với 322 MW

Công suất turbine gió lắp đặt

Bảng : Chi tiết về công suất turbine gió lắp đặt một số nước có nghành năng lượng

gió phát triển trên thế giới ( số liệu tham khảo từ Wikipedia)

1.2.2 Tình hình phát triển năng lượng gió tại Việt Nam

Nước Việt Nam ta có bờ biển đài ( trên 3000 Km) vá nhiều hải đảo khá

thuận lợi trong việc phát triển năng lượng gió Hiện có rất nhiều công ty nước

ngoài vào tìm hiểu thị trường điện gió ở nước ta, chỉ riêng Ninh Thuận đã có 8

công ty, Bình Thuận có 6 công ty Điện gió có thể góp thêm cho ngành điện 12%

tổng lượng điện tiêu thụ

Rest of Africa & Middle East 31 31

World total (MW) 59,091 74,223 93,849

Ngân hàng Thế giới (WB) đánh giá so với một số nước trong vùng Đông Nam Á, tiềm năng gió của Việt Nam rất khả quan Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ tốt đến rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2% Ở độ cao 65 m, tiềm năng điện gió của Việt Nam là 513.360 MW, so với Nhà máy Thủy điện Sơn La, có công suất 2.400 MW, con số này gấp hơn 200 lần Cũng theo WB, hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60-100 m phía Tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Theo GS-TS Lê Danh Liên, Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng mới - Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, các tỉnh Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Trị, các tỉnh ở Tây Nguyên và ven biển đồng bằng sông Cửu Long cũng là những khu vực có nhiều tiềm năng phát triển năng lượng gió Với tiềm năng như trên, PGS-TS Nguyễn Bội Khuê, chuyên gia nghiên cứu

về điện gió, khẳng định: “Theo kế hoạch phát triển điện gió của thế giới, đến năm

2020 năng lượng gió sẽ chiếm 12% tổng lượng điện tiêu thụ Ở VN điều này hoàn toàn có thể thực hiện được” Ông tính toán, để đạt được tỉ lệ 12%, VN cần đầu tư khoảng 82,317 tỉ đồng, chỉ gần gấp đôi so với tổng kinh phí đầu tư cho Nhà máy Thủy điện Sơn La

Theo bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của tổ chức Khí tượng thế giới (1981) và bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của khu vực Đông Nam Á, do tổ chức True Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của Ngân hàng Thế giới, xuất bản năm 2001, cho thấy: Khu vục ven biển tự Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía bắc trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7.0; 8.0

và 9.0 m/giây, có thể phát điện với công suất lớn (nối lưới điện quốc gia), hầu hết ven biển còn lại trên lãnh thổ, một số nơi, vùng núi trong đất liền tốc độ gió đạt

từ 5.0 đến 6.0 m/giây, có thể khai thác gió kết hợp Diesel để tạo nguồn điện độc lập cung cấp cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa

Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió không trải đều trên toàn bộ lãnh thổ Với ảnh hưởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau Nếu ở phía bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đông

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

Quảng Trị Ở phần phía nam đèo Hải Vân, mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam, và các vùng tiềm năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long, và đặc biệt là khu vực ven biển của hai tỉnh Bình

Thuận, Ninh Thuận

Theo nghiên cứu của NHTG, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở

độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Gió vùng này không những có vận tốc trung bình lớn, còn có một thuận lợi là số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển năng lượng gió Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3 - 3,5 MW Thực tế là người dân khu vực Ninh Thuận cũng đã tự chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng Ở

cả hai khu vực này dân cư thưa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng dân tộc đặc biệt khó khăn của Việt Nam

Tại Việt Nam, năm 2004 đầu tư cho đảo Bạch Long Vĩ 800 kW điện gió +

414 kW Diesel hết 938.150 USD Đầu tư cho điện gió không lớn so với đầu tư cho các nhà máy điện khác tại Việt Nam: Nhà máy nhiệt điện Uông Bí: 890.000 USD/MW, Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình 2 gần 1 triệu USD/MW, Nhà máy nhiệt điện khí Phú Mỹ 3: 627.784 USD/MW, Nhà máy thủy điện Ngòi Thác (Lào Cai)

800 nghìn USD/MW, thủy điện Đại Ninh: 1,45 triệu USD/MW

Thử lấy một ví dụ cụ thể để so sánh giá thành của điện gió và thủy điện Nhà máy thủy điện Sơn La với 6 tổ máy, tổng công suất thiết kế là 2400 MW, được dự kiến xây dựng trong 7 năm với tổng mức đầu tư là 2,4 tỷ USD Giá thành khi phát điện (chưa tính đến chi phí môi trường) là 70 USD/MWh Như vậy để có được 1

KW công suất cần đầu tư 1.000 USD trong 7 năm Trong khi đó theo thời giá năm

2003 đầu tư cho 1 KW điện gió ở nhiều nước Châu Âu cũng vào khoảng 1.000 USD Đáng lưu ý là giá thành này giảm đều hàng năm do cải tiến công nghệ Nếu thời gian sử dụng trung bình của mỗi trạm điện gió là 20 năm thì chi phí khấu hao cho một KWh điện gió là sẽ 14 USD Cộng thêm chi phí thường xuyên thì tổng chi phí quản lý và vận hành sẽ nằm trong khoảng 48 – 60 USD/MWh - tương đương với thủy điện, vốn được coi là nguồn năng lượng rẻ và hiệu quả Theo dự đoán, đến năm 2020 giá thành điện gió sẽ giảm đáng kể, chỉ khoảng 600 USD/KW, khi

ấy chi phí quản lý và vận hành sẽ giảm đáng kể, chỉ còn khoảng 30 USD/MWh Tổng công ty Điện lực Việt Nam đầu tư 142 tỷ đồng xây dựng hệ thống điện gió Diesel tại đảo Phú Quý (Bình Thuận) Hiện có ba phương án xây dựng điện gió: Phương Mai I-30 MW đang triển khai xây đựng; Phương Mai II-36 MW và Phương Mai III-50 MW đang triển khai dự án khả thi Trước đây, có dự án xây dựng điện gió với công suất 30 MW dưới dạng BOT tại Khánh Hòa và dự án đầu

tư của Công ty Grabowski, với kinh phí 200 triệu USD tại Bình Định, nhưng rất tiếc cả hai dự án này không thành công, có thể do hai nơi này không có số liệu đo trục tiếp ở độ cao 60 m

Hội đồng Quản trị Nhà máy Phong điện (sản xuất điện bằng sức gió) Phương Mai sau một thời gian chuẩn bị đã công bố kết quả đấu thầu thiết bị xây dựng nhà máy do nhà thầu Vestas của Đan Mạch trúng thầu, và ngay sau đó ban quản lý dự

án đã tiếp tục triển khai các bước tiếp theo để xây dựng nhà máy phong điện giai đoạn 1 Theo kế hoạch đệ trình lên UBND tỉnh, thì bắt đầu tháng 7/2004 nhà máy chính thức triển khai thi công phần hạ tầng kỹ thuật, đến cuối tháng 4/2005 hoàn thành thi công giai đoạn 1 và cho vận hành 2 tổ máy đầu tiên

UBND tỉnh Bình Định cũng vừa tiếp tục có chủ trương cho Công ty GGP (CHLB Đức) triển khai xây dựng Nhà máy Phong điện Phương Mai 2 Theo dự kiến của Công ty GGP, phía nhà thầu mới này sẽ đầu tư Nhà máy Phong điện Phương Mai 2 với tổng công suất dự kiến là 200MW

Vào trung tuần tháng 4/2005, Văn phòng UBND tỉnh Bình Định cho biết, Công ty Đầu tư và Phát triển Phong điện miền Trung (thuộc Công ty Xây lắp Điện 3) đã chính thức đầu tư vào dự án Phong điện Phương Mai 3 trị giá trên 820 tỉ đồng; nhà máy sẽ được xây dựng trên cồn cát ven biển Khu Công nghiệp Nhơn Hội (Tp Quy Nhơn), tiếp giáp với Nhà máy Phong điện Phương Mai 1 Dự kiến công suất Nhà máy Phong điện 3 là 50,4MW, gồm 28 tổ máy 1.890 KW, mỗi năm sản xuất từ 150 đến 170 triệu KWh điện Toàn bộ thiết bị được mua từ nguồn vốn của Unibank (Đan Mạch) do Quỹ Hỗ trợ Phát triển quốc tế của Chính phủ Đan Mạch (DANIDA) tài trợ 100% vốn Chủ đầu tư sẽ thực hiện và quản lý vận hành

dự án theo hình thức kinh doanh Nhà máy Điện độc lập (IPP) Nhà máy này sẽ nằm trong hệ thống điện quốc gia, bán điện cho lưới điện quốc gia thông qua hợp đồng mua bán điện với Tổng công ty Điện lực Việt Nam với giá khoảng 4,5 US cent/KWh Việc xây dựng Nhà máy Phong điện Phương Mai 3 có ý nghĩa lớn trong việc tăng sản lượng điện cho lưới điện quốc gia, đồng thời tạo điểm du lịch mới vùng ven biển Tp Quy Nhơn

Dự án Nhà máy Điện gió Tu Bông – Khánh Hòa 1 đặt gần chân đèo Cả, thuộc khu vực Tu Bông, huyện Vạn Ninh, tỉnh Khánh Hòa

Mới đây 04/7/2007, UBND tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu đã chấp thuận đề nghị của một đoàn Aerogie.plus (Thuỵ Sĩ ) về việc triển khai nghiên cứu và chuẩn bị các thủ tục để thực hiện lập dự án điện gió tại huyện Côn Đảo Theo kế hoạch xây dựng nhà máy điện gió công suất 7MW với vốn đầu tư ước tính khoảng 19 triệu đô

la Mỹ Theo Aerogie.plus, các chuyên gia Thụy Sĩ đã quyết định chọn mũi Chim Chim để lập dự án xây dựng một nhà máy điện gió Khi nhu cầu sử dụng điện ở Côn Đảo gia tăng, Aerogie.plus cam kết sẽ mở rộng dự án tại các khu vực khác, trong đó có mũi Cá Mập với công suất khoảng 12MW nhằm đảm bảo đảm cho Côn Đảo phát triển bền vững Các chuyên gia về môi trường cho biết, khác với sản xuất điện bằng dầu diesel như hiện nay tại Côn Đảo, sử dụng điện gió không ảnh hưởng đến môi trường và giảm hiệu ứng khí thải CO2, phù hợp với hướng phát triển du lịch sinh thái của Côn Đảo Đồng thời tháp gió tạo cảnh quan đẹp, lôi cuốn khách du lịch đến đảo tham quan và là giải pháp an toàn cho tàu thuyền đi lại vào

ban đêm, khi trên tháp gió cao 80m được lắp đặt ngọn đèn biển Ngoài ra còn có thể dùng năng lượng dư thừa trong mùa gió mạnh vào việc xử lý nước tinh khiết,

xử lý nước thải, rác thải… Hơn nữa, theo cam kết của chủ đầu tư, giá bán điện gió

ổn định và hoàn toàn có thể cạnh tranh được với điện diesel tại Côn Đảo, sau 25 năm khai thác chủ đầu tư sẽ chuyển giao công nghệ cho chính quyền địa phương tiếp tục vận hành

Mới đây 01/2008 tỉnh Bình Thuận vừa cấp giấy chứng nhận đầu tư cho

Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) thực hiện dự án xây dựng công trình Nhà máy Phong điện 1 – Bình Thuận tại xã Bình Thạnh Đây là nhà

máy phát điện độc lập nhằm sử dụng năng lượng gió để phát điện phục vụ cho sản xuất và đời sống Trong giai đoạn 1, nhà máy có công suất 30MW, tổng vốn đầu tư 817,35 tỷ đồng

Ngày 29/5/2008, trong khuôn khổ chương trình phát triển điện gió và an ninh năng lượng, Tập đoàn Fuhrlaender (CHLB Ðức) - một trong 10 tập đoàn sản xuất thiết bị điện gió hàng đầu thế giới do Chủ tịch J.Fuhrlaender dẫn đầu đến Việt Nam làm việc với Công ty TNHH Thiên Năng (thuộc Tổng công ty Tân An Bình)

và một số tập đoàn tại Việt Nam để thảo luận về việc triển khai đầu tư xây dựng nhà máy chế tạo turbine điện gió tại miền trung, nhằm mục tiêu cung cấp turbine điện gió cho thị trường Việt Nam và xuất khẩu sang thị trường Mỹ, EU Dự kiến nhà máy sẽ được triển khai xây dựng trong năm 2009, với sản lượng hằng năm là

250 tổ máy, mỗi tổ máy từ 1,5 đến 2,5 MW Việt Nam đã nhập 20 tổ máy của tập đoàn Fuhrlaender và đến cuối năm sẽ nhập thêm 25 tổ máy nữa, nhằm tận dụng nguồn năng lượng gió khá lớn ở các tỉnh miền trung để phát điện

Một trong những khó khăn lớn là EVN không đồng ý mua điện với giá 0,05 USD/KWh, mà chỉ đồng ý mua với giá 0,04 USD/KWh

Theo PGS-TS Nguyễn Bội Khuê, hiện nay có rất nhiều công ty nước ngoài vào tìm hiểu thị trường điện gió ở nước ta, chỉ riêng Ninh Thuận đã có 8 công ty, Bình Thuận có 6 công ty nhưng đến nay hầu hết chưa có dấu hiệu khả quan nào PGS-TS Nguyễn Bội Khuê nhận định nguyên nhân lớn nhất khiến các nhà máy

điện gió ở VN chưa ra đời là do giá điện gió 0,04 USD/KWh EVN chấp nhận mua

là quá thấp, trong khi giá ở Đan Mạch là 8 xu euro/KWh, ở Đức là 9 xu euro/KWh (gấp 3 lần) khiến các nhà đầu tư gặp khó khăn Thêm nữa, các số liệu thông tin về tốc độ gió, năng lượng gió của ta chưa chuẩn xác, theo số liệu của khí tượng thủy văn chỉ có 2-3 m/giây, trong khi số liệu của WB khảo sát lớn hơn nhiều, có nơi lên tới 10 m/giây như ở đảo Phú Quý, Côn Đảo Ngoài ra, ta chưa đánh giá đúng tiềm năng năng lượng gió ở VN, cụ thể trong kế hoạch phát triển năng lượng chưa hề đề cập tới năng lượng gió Một nguyên nhân quan trọng khác là chúng ta chưa có trường đào tạo nhân lực về điện gió nên rất thiếu cán bộ am hiểu về lĩnh vực này

1.3 Những đề tài liên quan

[1] O Carlson, J Hylander, and K Thorborg, “Survey of variable speed operation

of wind turbines” – “khảo sát hoạt động của turbine gió tốc độ thay đổi” : theo bài báo này thì năng lượng turbine gió tốc độ thay đổi (variable-speed) sản xuất ra tăng từ 2-6% so với turbine gió tốc độ không đổi (fix-speed)

[2] D S Zinger and E Muljadi, “Annualized wind energy improvement using variable speeds” - Tăng năng lượng gió sản xuất hàng năm bằng cách dùng turbine gió tốc độ thay đổi : theo bài báo này thì năng lượng gió tăng hàng năm khoảng 39% nếu dùng turbine gió tốc độ thay đổi so với turbine gió tốc độ không đổi

[3] P Mutschler and R Hoffmann, “Comparison of wind turbines regarding their energy generation” – “ so sánh turbine gió về vấn đề phát năng lượng” : theo như bài biết thì năng lượng phát của turbine gió tốc độ thay đổi lợi hơn turbine gió tốc

độ không đổi từ 3-28% tùy vào địa điểm đặt và bán kính rotor thiết kế

[4] Datta, R and V T Ranganathan, “Variable-speed wind power generation using doubly fed wound rotor induction machine-a comparison with alternative schemes,” – Máy phát điện gió tốc độ thay đổi dùng máy điện không đồng bộ rotor dây quấn cấp điện từ hai phía – so sánh với sơ đồ thay thế : theo bài viết này thì năng lượng thu được có thể tăng thêm nếu dùng máy phát không đồng bộ cấp điện

hệ thống DFIG có thể tăng thêm 20% so với turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy điện không đồng bộ lồng sóc và 60% so với turbine gió tốc độ không đổi

[5] Papadopoulos, Papathanassiou “Investigation of the flicker emission by grid

connected windturbines” – Turbine gió kết nối với lưới có thể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới Một trong những ảnh hưởng quan trọng của nó lên điện

áp lưới là hiện tượng trồi sụt điện áp (flicker), bài báo này khảo sát mức độ ảnh hưởng của flicker lên lưới khi kết nối với turbine gió dùng các công cụ mô phỏng trên máy tính

[6] Ladakakos, Ioannides “Assessment of wind turbines impact on the power

quality of autonomous weak grids” – Turbine gió tác động lên chất lượng điện năng của lưới công suất thấp, tác giả khảo sát biên độ sự biến đổi của tần số, điện

áp, trồi sụt điện áp (flicker) và họa tần

…

1.4 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới và tại Việt Nam, tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam

- Tìm hiểu sâu hơn cấu trúc, nguyên lý hoạt động của turbine gió tốc độ cố định, turbine gió tốc độ thay đổi và đặt biệt là turbine gió tốc độ thay đổi có máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG)

- Mô hình toán turbine gió tốc độ thay đổi có máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG) và các thiết bị trong hệ thống turbine gió có liên quan

- Mô phỏng hệ thống turbine gió DFIG kết nối với lưới điện, xét những ảnh hưởng của hệ thống turbine gió khi kết nối lưới điện như công suất, điện áp, tần số, chất lượng điện năng, ổn định hệ thống …

- Nếu có thể nhận xét và so sánh kết quả với khi chạy một số chương trình

mô phỏng turbine gió chuyên dụng

Chương 2

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 Năng lượng gió

Từ 5000 năm trước Thiên chúa(TC), loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy các tàu trên sông Nile ở Ai Cập Vào khoảng 200 năm trước TC, người Trung Hoa đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền Trong lúc đó người

Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì

và các loại hạt Hiện nay năng lượng gió được dùng trong nghành công nghiệp điện, thực ra năng lượng gió đã được dùng để tạo ra điện từ rất sớm ( thế kỷ 19) nhưng nó thực sự phát triển trong thế kỷ 20 và đặt biệt mạnh mẽ ở thế kỷ 21 với hầu như tất cả các châu lục trên thế giới

2.2 Chuyển đổi năng lượng từ gió

Trong phần này sẽ mô tả những đặc tính của gió, vấn đề được quan tâm trong luận văn này Đầu tiên là sự phân phối gió, xác suất để có được cơn gió có tốc độ trung bình Sự phân phối gió có thể dùng để xác định kỳ vọng một đại lượng, chẳng hạn như lượng công suất sản phát ra từ turbine gió Sau đó mô tả phương pháp điều khiển được sức mạnh khí động học Cuối cùng là chuyển đổi khí động học đặc trưng bằng đường đặc tính Cp( λ,β)

2.2.1 Phân phối gió

Hàm mật độ xác suất thường được sử dụng nhất để mô tả tốc độ gió là hàm Weilbull Phân bố Weibull được mô tả như hàm mật độ xác suất bên dưới :

2.1 Với

k là tham số hình dáng

c là tham số tỷ lệ

w là tốc độ gió

Vậy tốc độ gió trung bình được tính như sau :

2.2 Với Γ là hàm gamma Euler’s :

2.3 Nếu tham số hình dạng là 2, phân bố Weibull được biết như là phân bố Rayleigh Với phân bố Rayleigh thì hệ số tỷ lệ c có thể tìm được từ tốc độ gió trung bình ( k = 2, Γ(

2

1) = π )

c = w

π

2

2.4Hàm mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh được vẽ trên hình 2.1 Các tốc đô gió trung bình trong hình là 5.4 m/s, 6.8 m/s và 8.2 m/s

Hình 2.1 : Mật độ xác suất với phân bố Rayleigh Tốc độ gió trung bình là 5.4 m/s (đường liền nét), 6.8 m/s (đường gãy khúc) và 8.2 m/s ( đường chấm chấm)

2.2.2 Điều khiển sức mạnh khí động học của gió

Khi tốc độ gió cao thì vấn đề cần thiết là phải giới hạn lượng công suất tới turbine gió đó chính là vấn đề điều khiển sức mạnh khí động học Thường có ba cách chính để điều khiển sức mạnh khí động học là điều khiển stall (giảm tốc), pitch (độ nghiêng) và active stall (giảm tốc tích cực)

Điều khiển stall bao gồm thiết kế sao cho cánh quạt turbine giảm tốc khi tốc

độ gió cao và không yêu cầu bộ truyền động điều chỉnh độ nghiêng

Điều khiển pitch là phương pháp điều khiển chung nhất để điều khiển sức mạnh khí động học cung cấp cho turbine gió, cho những turbine gió công suất lớn mới hơn Hầu hết tất cả turbine gió có tốc độ thay đổi đều sử dụng điều khiển pitch Khi dưới tốc độ định mức thì turbine phải sản xuất được nhiều công suất nhất có thể, dùng phương pháp điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt để có thể thu được lượng công suất lớn nhất

Khi tốc độ gió trên tốc độ định mức thì góc nghiêng cánh quạt được điều khiển để giảm công suất sao cho nó bằng công suất định mức Để giới hạn sức mạnh của gió khi tốc độ gió cao, góc nghiêng cánh quạt được điều khiển sao cho giảm tiếp xúc trực tiếp giữa cánh quạt và hướng gió Ta cũng có thể tăng góc mà gió đập vào theo hướng giảm để giới hạn sức mạnh khí động học Phương pháp này có thể dùng để tinh chỉnh lượng công suất ở tốc độ gió cao của turbine gió tốc

độ không đổi (fix-speed) Phương pháp điều khiển này được biết đến như là điêu khiển active stall hay combi stall

+ w là tốc độ gió + Ωr là tốc độ rotor (phía tốc độ thấp của hộp số) + rr là bán kính cánh quạt rotor

+ ρ là mật độ (tỷ trọng) không khí + Ar là điện tích quét bởi rotor

Trong hình 2.2 là một ví dụ của đường cong Cp(λ,β) và công suất trục như

là một hàm của tốc độ gió cho tốc độ định mức rotor Trong hình 2.2b đường cong liền nét tương ứng với góc nghiêng β không đổi, đường nét đứt tương ứng với β thay đổi (active stall)

Hình 2.2 : a) hệ số cộng suất Cp là hàm của tỷ số tốc độ đầu mút λ (tip speed ratio) b) Công suất cơ như là hàm của tốc độ gió tại tốc đô định mức rotor ( đường liền nét là góc nghiêng không đổi như là điều khiển stall và đường đứt nét là active stall)

Hình 2.3 cho ta ví dụ cho thấy công suất cơ bắt nguồn từ đường cong

Cp(λ,β) như thế nào và tốc độ rotor thay đổi với tốc độ gió ở turbine gió tốc độ thay đổi (variable-speed).Tốc độ rotor trong vùng thay đổi tốc độ được điều khiển

để giữ tối ưu tỷ số tốc độ đầu mút λ (tip speed ratio), nghĩa là công suất Cp được giữ tối đa trong thời gian dài có thể hoặc tốc độ rotor dưới tốc độ định mức Như

đã lưu ý trước đây góc nghiêng cánh quạt khi tốc độ gió cao sẽ được điều khiển để giới hạn lượng công suất vào turbine gió khi turbine gió đạt công suất định mức Như ta thấy trên hình 2.3b turbine trong ví dụ này đã đạt được tốc độ định mức, 1 p.u tạ tốc độ gió gần 13 m/s Chú ý rằng có thể tối ưu bán kính rotor của turbine gió để phù hợp với nhiều nơi và nhiều tốc độ gió trung bình khác nhau Ví dụ nếu bán kính rotor rr tăng lên thì công suất đầu ra của turbine gió cũng sẽ tăng lên phù

tốc độ gió thấp, lien quan trên hình 2.3b Tuy nhiên nến tăng bán kính rotor thì đồng nghĩa với việc khi tốc độ gió cao thì phải giới hạn công suất ra nhiều hơn bằng cách điều khiển pitch chẳng hạn vì thế công suất danh định của máy phát không được vượt quá Tuy nhiên có sự cân bằng giữa bán kính rotor và tốc độ danh định của máy phát Lựa chọn này được mở rộng hơn phụ thuộc vào tốc độ gió trung bình từng nơi

Hình 2.3 : Đặt tính của turbine gió tốc độ thay đổi

a) Tốc độ rotor như là một hàm của tốc độ gió b) Công suất cơ như là một hàm của tốc độ gió

2.3 Hệ thống turbine gió

Turbine gió có thể vận hành với tốc độ không đổi (fix-speed thực ra tốc độ thay đổi trong khoảng 1%) hoặc tốc độ thay đổi (variable-speed) Với turbine gió tốc độ không đổi, Máy phát ( máy phát không đồng bộ) được kết nối trực tiếp với lưới Từ đó tốc đô hầu như không đổi với tần số lưới, hầu như không cần điều khiển, hầu như không lưu trữ được những nhiễu loạn của gió dưới dạng năng lượng quay Bởi vậy với turbine gió tốc độ không đổi thì những nhiễu loạn của gió

sẽ có kết quả là công suất biến đổi, như vậy nó sẽ tác động lên chất lượng điện năng của lưới

Với turbine gió tốc độ thay đổi (variable-speed), máy phát sẽ được điều khiển bằng các thiết bị điện tử công suất, nó có thể điều khiển được tốc độ rotor Với kiểu này những dao động công suất bởi sự thay đổi của gió sẽ có thể nhiều hay

ít hấp thu hơn bởi việc thay đổi tốc độ rotor và như vậy những biến đổi công suất bắt nguồn từ sự chuyển đổi năng lượng gió và hệ truyền động có thể giảm bớt Do

đó chất lượng điện năng tác động lên lưới bởi turbine gió có thể được cải thiện so với turbine gió tốc độ không đổi

Tốc độ quay của turbine gió khá thấp và phải được điều chỉnh cho bằng tần

số lưới điện Để làm được điều này có hai cách : dùng hộp số (gear-box) hay thay đổi số đôi cực (pole pairs) của máy phát Số đôi cực tạo ra tốc độ cơ học của máy phát theo tần số lưới và hộp số điều chỉnh tốc độ rotor của turbine tới tốc độ cơ học của máy phát

Trong phần này những hệ thống turbine gió sau sẽ được trình bày :

1 Cấu tạo chính turbine gió

2 Turbine gió tốc độ không đổi với máy phát không đồng bộ

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

4 Turbine gió tốc độ thay đổi máy phát đồng bộ đa cực (multiple-pole) hoặc máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu đa cực

5 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp điện từ hai phía (doubly-fed induction generator – DFIG)

2.3.1 Cấu tạo chính turbine gió

Cấu tạo turbine gió bao gồm các thành phần chính sau :

Hình : Cấu tạo turbine gió

™ Rotor Blade : cánh quạt rotor có tác dụng hứng gió tạo chuyển động quay để quay trục rotor tới máy phát giúp máy phát phát ra điện Khâu điều khiển pitch cũng nằm trên cánh quạt rotor, nó giúp cánh quạt có thể xoay tối đa 45o để tối ưu lượng công suất phát ra

™ Gearbox : hộp số giúp thay đổi tỷ số truyền động vì cánh quạt rotor turbine gió quay với tốc độ rất chậm mà máy phát ta cần tốc độ cao hơn đo đó ta dùng hộp số để tăng tốc trục quay khi đưa vào máy phát

™ Main Bearing : ổ trục chính tác dụng giữ cố định trục rotor và chuyển độn xoay nhờ ổ bi

™ Rotor Shaft : trục rotor tác dụng truyền công suất cơ đến máy phát thông qua nhiều thiết bị

™ Wind Sensor : cảm biến gió tác dụng đo tốc độ gió

™ Disk Brake : thắng đĩa tác dụng hảm turbine khi cần thiết

™ Nacelle Frame : bệ đỡ vỏ bọc

™ High speed shaft : trục tốc độ cao tác dụng làm quay máy phát với tốc độ cao hơn nhiều so với trục rotor

2.3.2 Turbine gió tốc độ không đổi

Với turbine gió tốc độ không đổi, máy phát không đồng bộ kết nối trực tiếp với lưới điện như hình 2.4

Hình 2.4 : Turbine gió tốc độ không đổi với máy phát không đồng bộ

Tốc độ rotor của turbine gió tốc độ không đổi xác định theo nguyên tắc hộp

số và số đôi cực của máy phát Turbine gió tốc độ không đổi thường có hai tốc độ

cố định Điều này làm được bởi việc sử dụng hai máy phát khác nhau về định mức

và số đôi cực, hoặc một máy phát có hai cuộn dây khác thông số về định mức và đôi cực Điều này dẫn tới tăng sức mạnh khí động học lấy được ngang bằng với giảm tổn hao từ hoá khi tốc độ gió thấp Hệ thống này (một hay hai tốc độ) là hệ thống truyền thống, khái niệm được dùng bởi những nhà sản xuất của Đan Mạch vào những năm 1980s và 1990s

2.3.3 Turbine gió tốc độ thay đổi

Hệ thống được trình bày trên hình 2.5 bao gồm turbine gió với bộ chuyển đổi kết nối với stator máy phát Máy phát có thể là máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay máy phát đồng bộ

Hình 2.5 : Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát đồng bộ/ không đồng bộ Hộp số được thiết kế nhằm tối đa tốc độ rotor tương ứng với tốc độ định mức của máy phát Máy phát đồng bộ hay máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

có thể được thiết kế đa cực với ngụ ý không cần hộp số như trên hình 2.6 Từ việc toàn bộ công suất hệ thống qua bộ chuyển đổi/ máy phát được dùng cho ứng dụng khác, một đặt điểm tốt của hệ thống này là phát triển tốt và điều khiển linh hoạt Máy phát đồng bộ đa cực như là máy phát turbine gió đã được sản xuất thành công bởi Enercon

Hình 2.6 : Turbine gió tốc độ thay đổi hệ truyền động trực tiếp (direct-driven)

(không hộp số gear-less) với máy phát đồng bộ

2.3.4 Turbine gió tốc độ thay đổi cấp điện từ hai phía (DFIG)

Hệ thống này được trình bày trên hình 2.7 gồm turbine gió với máy phát điện không đồng bộ cấp điện từ hai phía (DFIG) Điều này có nghĩa là stator kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi cuộn dây rotor kết nối thông qua vành trượt tới

bộ biến đổi Hệ thống này hiện nay trở nên rất phổ biến với máy phát turbine gió tốc độ thay đổi được

Hình 2.7 : Turbine gió tốc độ thay đổi máy phát không đồng bộ cấp điện từ hai

phía

Sự thật là bộ biến đổi điện tử công suất chỉ xử lý phần nhỏ công suất 30%) của tổng công suất Bởi vậy tổn hao trên bộ biến đổi điện tử công suất có thể giảm đi đáng kể so với những hệ thống mà bộ biến đổi điện tử công suất phải xử lý toàn bộ công suất Ngoài ra chi phí của bộ biến đổi sẽ thấp hơn

(20-Tồn tại một thay đổi của phương pháp DFIG là dùng để điều khiển điện trở ngoài rotor (so sánh với khôi phục công suất trượt) Một trong những hạn chế của phương pháp này là năng lượng không cần thiết phân tán trong điện trở ngoài rotor

và không thể điều khiển được công suất kháng

Các nhà sản xuất turbine gió máy phát không đồng bộ cấp điện từ hai phía : DeWind, GE Wind Energy, Nordex và Vestas

2.4 Hệ thống máy phát không đồng bộ cấp điện từ hai phía (DFIG) cho turbine gió

Những hệ thống tốc độ thay đổi với giới hạn cùng thay đổi tốc độ, ví dụ như

±30% của tốc độ đồng bộ, DFIG là giải pháp thích hợp Như đã nêu trước đây lý

do để chọn DFIG là bộ biến đổi điện tử công suất chỉ phải xử lý một lượng công suất nhỏ (20-30%) của toàn bộ hệ thống Bởi vậy tổn hao trên bộ biến đổi điện tử công suất có thể giảm đi đáng kể so với những hệ thống mà bộ biến đổi điện tử công suất phải xử lý toàn bộ công suất Ngoài ra chi phí của bộ biến đổi sẽ thấp hơn Mạch điện stator của DFIG kết nối trực tiếp với lưới trong khi mạch điện rotor kết nối thông qua vành trượt, xem hình 2.8

Hình 2.8 : giải pháp máy phátkhông đồng bộ cấp điện từ hai phía

Hình ảnh nhiều chi tiết hơn của hệ thống DFIG với bộ biến đổi đấu lưng (back-to-back) có thể xem trên hình 2.9 Bộ biến đổi đấu lưng bao gồm hai bộ biến đổi, bộ biến đổi phía máy phát và bộ biến đổi bên lưới Giữa hai bộ biến đổi được đặt một bộ tụ liên kết DC như là thiết bị trữ năng lượng mục đích để giữ điện áp

DC nhấp nhô thấp hơn Với phía bộ biến đổi của máy phát có thể điều khiển

trong khi mục đích chính của bô biến đổi phía lưới điện là giữ điện áp không đổi Đặc tính tốc độ-moment của hệ thống DFIG có thể xem trên hình 2.10 Như ta thấy trên hình, DFIG có thể vận hành ở cả chế độ máy phát và động cơ với biên độ dao động tốc độ rotor trong khoảng ± max

2.4.1 Mạch điện tương đương của DFIG

Mạch điện tương đương của DFIG bao gồm tổn hao từ hoá có thể thấy trên hình 2.11 Mạch tương đương này đúng cho tương đương một pha đấu Υ và tính toán cho trạng thái xác định Trong trường hợp DIFG đấu Δ máy điện vẫn có thể được biểu diễn bởi mạch tương đương Υ Trong phần này jω được chấp nhận dung

để tính toán Chú ý nếu điện áp rotor Vr trong hình 2.11 ngắn mạch thì mạch tương đương của DFIG trở thành mạch tương đương bình thường cho máy không đồng

bộ rotor lồng sóc Áp dụng định luật áp Kirchhoff’s cho mạch trong hình 2.11 ta được :

+ Vs điện áp stator + Vr điện áp rotor + Is đòng điện stator + Ir dòng điện rotor + IRm dòng từ hóa trên điện trở + ω1 tần số stator

+ s hệ số trược + Rs điện trở stator + Rr điện trở rotor + Rm điện trở từ hóa + Lrλ điện kháng tản rotor + Lsλ Điện kháng tản stator + Lm điện kháng từ hóa

Với ωr là tốc độ rotor và ω2 là tần số trược Hơn nữa từ thông khe hở không khí, từ thông stator và từ thông rotor được xác định như sau :

Ψm = Lm(Is + Ir + IRm) 2.11

Ψs = LsλIs + Lm(Is + Ir + IRm) = LsλIs + Ψm 2.12

Ψr = Lrλ + Lm(Is + Ir + IRm) = LrλIr + Ψm 2.13 Những công thức mô tả mạch tương đương như 2.7-2.9 có thể viết lại như sau :

Vs = RsIs + jω1Ψs 2.14

s

R s

0 = RmIRm + jω1Ψm 2.16 Tổn hao trên điện trở của máy phát không đồng bộ là :

Ploss = 3(Rs|Is|2 + Rr|Ir|2 + Rm|IRm|2) 2.17

Và ta có moment điện cơ Te :

Te = 3npIm[ΨmIr*] = 3npIm[ΨrIr*] 2.18 Với np là số đôi cực bảng 2.1 cho ta một số đại lượng phổ biến của máy điện không đồng bộ trong đơn vị tương đối (p.u)

Bảng 2.1 : Những thông số phổ biến của máy điện không đồng bộ

4kW

Máy TB 100kW

Máy lớn 800kW Điện trở rotor và stator

0.01 0.3 3.5

0.01 0.3 4.0

Ps = Re[Ss] = 3Rs|Is|2 + 3Rm|IRm|2 + 3ω1Im[ΨmIr*] ≈ 3ω1Im[ΨmIr*] 2.23

Pr = Re[Sr] = 3Rr|Ir|2 - 3ω1sIm[ΨmIr*] ≈ - 3ω1sIm[ΨmIr*] 2.24 Xấp xỉ như trên vì đã bỏ qua tổn hao trên điện trở và tổn hao từ hóa Từ những biểu thức trên ta có thể xác định được công suất cơ tổng của stator và rotor như sau :

Pmech = 3ω1Im[ΨmIr*] - 3ω1sIm[ΨmIr*] = 3ωrIm[ΨmIr*] 2.25

Khi chia Pmech cho tốc độ cơ rotor ωm = ωr/np ta được moment cơ như công thức 2.18 hơn nữa điều này có nghĩa là Ps ≈ Pmech/(1-s) Trên hình 2.12 ta có thể thấy được hệ thống DFIG lý tưởng (lossless)

Hình 2.12 : Dòng công suất trong hệ thống DFIG lý tưởng

Trong hình có thể thấy được cách phân chia công suất cơ giữa stator và rotor và nó phụ thuộc vào độ trược : Pr = -sPs Như đã đề cập trước đó, bộ biến đổi rotor có thể chuyển đổi phần nhỏ của công suất danh định DFIG nếu tốc độ trược lớn nhất là thấp

Một ví dụ về sự phụ thuộc của công suất stator và rotor như thế nào vào tốc

độ trược được đưa ra trong bảng 2.2

Bảng 2.2 : ví dụ về dòng công suất trong hệ thống DFIG với độ trượt khác nhau

Có thể thấy trong bảng rằng công suất đi qua bộ biến đổi được cung cấp bởi công suất cơ thì lớn hơn với độ trượt đương (ωr < ω1) Điều này liên quan đến hệ

số 1/(1-s) trong biểu thức của công suất rotor Tuy nhiên với turbine gió, trường hợp không có trong bảng 2.2 Với turbine gió trong điều kiện bình thường ở công

suất cơ thấp thì độ trượt đương còn ở công suất cơ cao thì độ trượt âm như ta thấy trên hình 2.13

Hình 2.13 : Đặc tính phổ biến của turbine gió DFIG tốc độ thay đổi

a) Độ trượt là hàm của tốc độ gió

b) Công suất cơ ( chấm chấm), công suất rotor (liền nét) và công suất stator ( gạch gạch) là hàm của tốc độ gió

Hình trên thật sự giống như hình 2.3 but công suất stator và rotor của hệ thống DFIG được đưa ra và thay thế cho tốc độ rotor cánh quạt là độ trược Trong hình giả thiết tỷ số của hộp số được đặt sao cho tương ứng với giá trị trung bình của dải tốc độ rotor với tốc độ đồng bộ của DFIG Hơn nữa với turbine gió trong hình 2.13 công suất lớn nhất của stator chỉ bằng 0.7 công suất danh định

2.4.3 Tỷ lệ vòng stator-to-rotor ( stator-to-rotor turns ratio)

Từ tổn hao trên bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào giá trị đòng điện chạy qua, thật quan trọng khi có tỷ lệ vòng stator-to-rotor của DFIG để cực tiểu hóa dòng rotor mà không vượt quá điện áp rotor cao nhất cho phép.Trong hình 2.14 một máy biến áp được đặt giữa rotor và bộ biến đổi Máy biến áp làm nổi rõ và chỉ

ra tỷ lệ vòng stator-to-rotor nhưng nó không tồn tại trong thực

Hình 2.14 : Máy biến áp ảo với tỷ lệ vòng stator-to-rotor

Ví dụ nếu tỷ lệ vòng stator-to-rotor ns/nr = 0.4, dòng rotor nhỏ hơn khoảng 0.4 lần so với dòng stator nếu bỏ qua dòng từ hóa Hơn nữa nếu độ trược của DFIG

là 30%, thì điện áp rotor VRrotor = s/(ns/nr)Vs = 0.3/0.4Vs = 0.75Vs tức là 75% điện

áp stator, bỏ qua phần dự trữ điều khiển động

2.4.4 Giảm thiểu tổn hao từ hóa

Trong hệ truyền động máy điện không đồng bộ stator được cung cấp bởi

bộ biến đổi nghĩa là có thể giảm được tổn hao của máy bằng cách dùng các mức từ thông thích ứng Khi tài thấp thì có thể giảm mức từ thông, nghĩa là tổn hao từ hóa

sẽ thấp xuống làm tăng hiệu suất Tuy nhiên trong hệ thống DFIG thì stator được kết nối với lưới và như vậy mức từ thông gần như nối với điện áp stator Tuy nhiên trong hệ thống DFIG thì ta cũng có ít nhất 2 phương pháp để giảm tổn hao từ hóa :

™ Ngắn mạch stator của máy phát không đồng bộ tại tốc độ gió thấp, chuyển toàn bộ công suất của turbine qua bộ biến đổi Cơ cấu này xem như là ngắn mạch DFIG

™ Kết nối stator Δ khi tốc độ gió cao và nối Υ khi tốc độ gió thấp xem như

là kết nối Υ-Δ DFIG

Chi tiết hai hệ thống trên như sau :

¾ Ngắn mạch DFIG (short-circuited DFIG)

Hình 2.15 là sơ đồ ngắn mạch DFIG Có thể thấy được hai công tắc S1 và S2 Công tắc S2 để ngắt kết nối turbine với lưới và công tắc S1 dùng để ngắn mạch stator của DFIG Giờ đây turbine có thể vận hành như máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc, ngoại trừ là bộ biến đổi kết nối vào mạch rotor thay vì mạch stator Nghĩa là trong điều kiện vận hành này DFIG có thể được điều khiển như là máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thông thường Lập tức khi tốc độ gió thấp thì mức từ thông cũng sẽ giảm xuống

Hình 2.15 : Phương pháp “ngắn mạch DFIG”

¾ Kết nối Υ-Δ DFIG

Hình 2.16 cho thấy kết nối Υ-Δ DFIG Như trên hình, một thiết bị để chuyển đổi kết nối Υ và Δ được nối vào giữa mạch stator và lưới Trước khi đổi nối Υ sang Δ công suất của turbine được giảm xuống 0 và công tắc S1 ngắt kết nối stator và lưới Sau đó mạch stator kết nối Δ và tubine được đồng bộ vào lưới