TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên quan trọng mà nhân loại đang chú trọng cho nhu cầu năng lượng tương lai Hiện tại, năng lượng gió hứa hẹn sẽ đóng góp lớn vào hệ thống năng lượng toàn cầu, tuy nhiên, để phát triển nguồn năng lượng này, cần cải thiện công nghệ và tối ưu hóa quy trình chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng với hiệu suất cao Điều này sẽ giúp giảm giá thành và tăng khả năng cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác Hình 1.1 và 1.2 minh họa các trang trại gió quy mô lớn tại Tuy Phong, Bình Thuận, Việt Nam và tại Hà Lan.
Hình 1.1: Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận
Hình 1.2: Tuabin gió tại Hà Lan
Hiện nay, năng lượng điện gió đang trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, với mức tăng trưởng vượt trội so với các nguồn năng lượng khác Đây là nguồn năng lượng tiềm năng, được nhiều quốc gia, đặc biệt là Đức, đầu tư phát triển quy mô lớn trong thời gian gần đây.
Hà Lan, Mỹ, Anh … và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (CEA) với
Bốn mươi bốn nước thành viên đã hợp tác nghiên cứu và trao đổi thông tin về phát triển năng lượng điện gió, bao gồm Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, Ý, Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh và Mỹ Tính đến năm 1995, các nước này đã lắp đặt khoảng 25,000 tuabin kết nối với lưới điện, với tổng công suất đạt 3,500 MW và sản xuất hàng năm khoảng 6 triệu MWh Năng lượng điện gió hiện đang là nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất trên toàn cầu, đặc biệt ở châu Âu, nơi chiếm tới 70% tổng công suất.
Theo BTM consult[1] năng lượng gió cho đén nay đã đạt mức tích lũy trên toàn thế giới là 200 GW và gần 40 GW đã được lắp đặt vào năm 2010,
Điện gió đang trở thành một yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng toàn cầu, với tỷ lệ chiếm 1,8% tổng sản lượng điện thế giới và dự đoán sẽ tăng lên hơn 8% hoặc 1 TW vào năm 2019 Trung Quốc hiện là thị trường lớn nhất trong lĩnh vực điện gió tính đến năm 2010.
EU và Mỹ hiện đang chiếm một phần ba tổng thị trường điện gió toàn cầu Hình 1.3 dưới đây minh họa năng lực lắp đặt năng lượng gió trên toàn thế giới.
Hình 1.3: Năng lực lắp đặt năng lượng gió toàn cầu từ năm 1996 đến 2010
Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng gió lớn, với 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá là lý tưởng cho việc xây dựng các trạm điện gió lớn Thêm vào đó, 41% diện tích nông thôn cũng có khả năng phát triển trạm điện gió nhỏ Những con số này khẳng định tiềm năng phát triển nguồn năng lượng tái tạo, vô tận và thân thiện với môi trường của đất nước.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ
1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống tuabin gió
Hệ thống tuabin gió đã được áp dụng rộng rãi ở châu Âu, Mỹ và các quốc gia công nghiệp phát triển khác, với Đức đang dẫn đầu trong lĩnh vực này.
Có hai loại công nghệ phong điện chính: trạm phong điện trục ngang và trạm phong điện trục đứng Trạm phong điện trục ngang có thiết kế giống như cối xay gió châu Âu cổ điển, với máy phát điện nằm trên tháp cao hình côn và rotor ở giữa kết nối với tua bin ba cánh Trong khi đó, trạm phong điện trục đứng sở hữu thiết kế đơn giản hơn với rotor nằm ngoài và cánh đón gió thẳng đứng, cho phép hoạt động hiệu quả với mọi hướng gió Loại trạm này mới xuất hiện trong vài năm gần đây nhưng đã nhanh chóng được áp dụng rộng rãi nhờ vào độ bền cao và dễ dàng trong việc vận chuyển và bảo trì.
Hiện nay, máy phát phong điện có công suất đa dạng từ 1 kW đến hàng chục nghìn kW, hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng điện quốc gia Các trạm độc lập yêu cầu bộ nạp, ắc-quy và bộ đổi điện để lưu trữ điện khi không sử dụng, trong khi các trạm nối mạng không cần các thiết bị này Các trạm phong điện có khả năng phát điện khi tốc độ gió đạt từ 3 m/s (11 km/h) và sẽ tự động ngừng hoạt động khi tốc độ gió vượt quá ngưỡng an toàn.
Tốc độ gió hiệu quả cho các thiết bị phong điện dao động từ 10 m/s đến 17 m/s, với tốc độ tối đa đạt 25 m/s (90 km/h) Hình 1.4 dưới đây minh họa mô hình tham khảo của một hệ thống máy phát sức gió, bao gồm các thành phần cơ bản cần thiết.
Hình 1.4: Mô hình hệ thống tuabin gió điển hình
Cánh gió của tuabin gió hiện đại thường có hai hoặc ba cánh, giúp gió thổi qua và tạo ra chuyển động quay cho các cánh quạt.
Thiết bị yaw có hai chức năng chính: đầu tiên, nó giữ cho roto luôn hướng về nguồn gió khi tốc độ gió thấp hơn giới hạn thiết kế, giúp tối ưu hóa hiệu suất Thứ hai, khi tốc độ gió vượt quá giới hạn, đặc biệt trong điều kiện bão, thiết bị này sẽ tự động dịch chuyển rotor ra khỏi hướng gió bão, bảo vệ thiết bị khỏi hư hại.
Cánh gió có thể được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ của rôto, giúp tối ưu hóa quá trình tạo ra điện Việc tiện hoặc làm nghiêng cánh gió một cách hợp lý giữ cho rôto quay với tốc độ ổn định, không quá cao hay quá thấp, từ đó đảm bảo hiệu suất tối ưu trong việc chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng.
Chong chóng gió (vane): Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tuabin phản ứng phù hợp với tốc độ gió cụ thể
Bộ đo tốc độ gió (anemometer): Đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển
Phanh hãm là loại phanh dạng đĩa, được sử dụng như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực, nhằm dừng roto trong các tình huống khẩn cấp bằng điện, sức nước hoặc động cơ.
Hộp số (gear box) là thiết bị quan trọng nằm giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao, giúp tăng tốc độ quay từ 20-60 vòng/phút lên 1200-1500 vòng/phút, đáp ứng yêu cầu của hầu hết các máy phát điện Đây là tốc độ cần thiết để sản xuất điện năng Bộ bánh răng này có chi phí cao và là một phần không thể thiếu của động cơ và tuabin gió, trong khi các máy phát có tốc độ thấp hơn không cần sử dụng bộ này.
Máy phát điện thường sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) hoặc máy phát điện không đồng bộ (DFIG) để sản xuất điện năng xoay chiều.
Tháp được cấu tạo từ thép phiến hoặc các thanh thép chéo, mang lại độ bền vững và khả năng chịu va đập, ăn mòn Khi cao hơn, tháp giúp tuabin tiếp cận tốc độ gió lớn hơn, từ đó tăng cường năng lượng và sản xuất điện hiệu quả hơn Việc lắp đặt tuabin trên tháp cao còn giúp tránh các luồng xoáy không khí gần mặt đất do vật cản như đồi núi, nhà cửa và cây cối gây ra.
Lắp đặt tuabin gió trên tháp cần đảm bảo đáy cánh rotor cách các vật cản ít nhất 9m và nằm trong phạm vi đường kính 90m của tháp Việc đầu tư tăng chiều cao tháp có thể mang lại lợi ích lớn cho sản xuất điện Cụ thể, nâng chiều cao tháp từ 18m lên 33m cho máy phát 10kW chỉ tăng tổng chi phí hệ thống 10%, nhưng có khả năng tăng lượng điện sản xuất lên đến 29%.
1.2.2 Giới thiệu các bộ phận trong hệ thống tuabin gió[1]
1.2.2.1 Máy phát điện trong hệ thống tuabin gió a Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG) [2]
Để tuabin gió hoạt động tối ưu theo tốc độ gió thay đổi, hệ thống rotor cần tự điều chỉnh theo vận tốc và hướng gió Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) đáp ứng tốt yêu cầu này nhờ vào từ thông luôn sẵn có từ hệ thống nam châm vĩnh cửu trên rotor Với khả năng hoạt động ở tốc độ vòng quay thấp nhưng vẫn sản xuất nguồn điện năng cao, PMSG mang lại nhiều ưu điểm cho tuabin gió Chính vì vậy, công nghệ máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang ngày càng được ưa chuộng trong các hệ thống tuabin gió hiện nay.
- Cấu tạo chung của máy điện đồng bộ:
Máy phát điện đồng bộ sử dụng cực từ được tạo ra từ nam châm vĩnh cửu làm từ hợp kim đặc biệt với độ từ dư cao (0,5 ÷ 1,5 T) Cực từ có hình dạng lồi và được đặt ở rôto, trong khi khoảng cách giữa các cực được đổ nhôm kín và toàn bộ rôto có dạng hình trụ Khi sử dụng như động cơ điện, cần thiết phải lắp đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc, do việc gia công rãnh trên hợp kim nam châm gặp khó khăn Thường thì lồng sóc được chế tạo tương tự như động cơ không đồng bộ với hai đĩa nam châm ở hai đầu, tuy nhiên cách này tốn nhiều vật liệu hơn và thường có công suất từ 30 đến 40 W Nếu sử dụng như máy phát mà không có dây quấn mở máy, công suất có thể đạt được cao hơn.
Động cơ đồng bộ, đặc biệt là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có công suất từ 5 đến 100 KW Chúng là các máy điện xoay chiều với phần cảm nằm ở roto và phần ứng là hệ thống quấn 3 pha ở stator Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, phần cảm được kích thích bởi các phiến nam châm được bố trí trên hoặc dưới bề mặt roto, thường được làm từ vật liệu đất hiếm như samariu-cobalt (SmCO5).
BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG
THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CỦA HỆ THỐNG TUABIN GIÓ
Sự phát triển của các thiết bị chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của các bộ biến đổi năng lượng cao cho tuabin gió Một trong những lựa chọn hàng đầu hiện nay là sử dụng các module IGBT.
Công nghệ IGBT đã được khoa học chứng minh giúp gia tăng độ tin cậy và hỗ trợ phát triển bộ biến đổi công suất trung bình trong các hệ thống điện năng lượng cao như dầu khí và gas Mặc dù chưa được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tuabin gió do vấn đề chi phí, công nghệ mô-đun đã ghi nhận các ứng dụng với ít vấn đề gắn kết hơn Độ tin cậy là yếu tố quan trọng nhất, với việc cải tiến chu kỳ tuần hoàn nhiệt của dây nối giữa các bộ phận trong mô-đun Việc sử dụng giấy bạc thay vì dây dẫn đã giúp giảm trọng lượng thiết bị lên đến 35%.
2.1.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
IGBT (Transistor cách ly cực điều khiển) là một linh kiện bán dẫn công suất ba cực được phát minh vào năm 1982 bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley Linh kiện này kết hợp ưu điểm của MOSFET với khả năng đóng cắt nhanh và transistor thông thường với khả năng chịu tải lớn Đặc biệt, IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó yêu cầu công suất điều khiển rất nhỏ Hình 2.1 minh họa ký hiệu IGBT trên bản vẽ kỹ thuật.
Hình 2.1: Kí hiệu của IGBT
Cấu trúc bán dẫn của IGBT tương tự như MOSFET nhưng có sự khác biệt ở lớp nối với collector, tạo nên cấu trúc p-n-p giữa emitter và collector, thay vì n-n như ở MOSFET Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor p-n-p, trong đó dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
Hình 2.2: Cấu trúc IGBT điển hình
Hình 2.3: Mạch tương tương của IGBT
Dưới tác động của điện áp điều khiển Uge > 0, kênh dẫn được hình thành với các điện tử mang điện, tương tự như cấu trúc Mosfet Các điện tử này di chuyển về phía colector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p, giống như trong cấu trúc giữa bazo và colector ở transistor thông thường, tạo nên dòng colector.
Kết nối giữa bộ chỉnh lưu và nghịch lưu trong bộ biến đổi nguồn sử dụng một tụ điện để lưu trữ điện áp một chiều Việc tạo ra một giàn tụ điện theo cấu hình tuyến dẫn một chiều giúp tăng điện dung, mặc dù mỗi tụ điện có khả năng trữ một điện tích lớn.
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động phổ biến, bao gồm hai bản cực song song với khả năng cách điện một chiều nhưng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp Hình 2.4 minh họa ký hiệu của tụ điện trong các bản vẽ kỹ thuật điện.
Hình 2.4: Kí hiệu của tụ điện
Tụ điện gồm hai bản cực kim loại cách điện với nhau, và môi trường giữa chúng được gọi là điện môi, là vật liệu không dẫn điện Các loại điện môi có thể bao gồm không khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, và thuỷ tinh Tên gọi của tụ điện sẽ phụ thuộc vào loại vật liệu cách điện sử dụng giữa hai bản cực Hình 2.3 minh họa cấu tạo của một tụ điện điển hình.
Tụ điện có cấu tạo đặc biệt cho phép tích trữ năng lượng điện trường thông qua việc lưu trữ electron Tính chất phóng nạp của tụ điện cho phép nó phóng ra điện tích, tạo ra dòng điện khi cần thiết.
Diode là một linh kiện chỉ cho phép dòng điện chạy qua nó theo một chiều nhất định, chiều người lại thì dòng điện không thể đi qua.
Diode là linh kiện điện tử được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc, bao gồm hai cực Anốt và Katốt Diode cho phép dòng điện chỉ đi theo một chiều từ Anốt sang Katốt, với khả năng cản trở dòng điện theo chiều ngược lại (từ Katốt sang Anốt) rất lớn Do đó, diode hoạt động như một van một chiều trong mạch điện.
Hình 2.6: Kí hiệu, đường đặc tính, hình dạng của Diode
Diode, với tính chất dẫn điện một chiều, thường được ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu để chuyển đổi nguồn xoay chiều thành một chiều, cũng như trong các mạch tách sóng và mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động hiệu quả.
BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN MỘT LỚP[1]
2.2.1 Bộ biến đổi nguồn đơn hướng
Hiện nay, xu hướng sử dụng PMSG trong tuabin gió công suất lớn đang ngày càng phổ biến Để tránh công suất phản kháng trong máy phát và dòng điện từ PMSG tới lưới qua bộ biến đổi điện, việc sử dụng bộ chỉnh lưu diode đơn giản cho bộ biến đổi phía máy phát là một giải pháp tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, việc sử dụng diode chỉnh lưu, ngay cả với nhiều pha hoặc 12-xung tần số thấp, có thể dẫn đến hiện tượng cộng hưởng trục Ngoài ra, các giải pháp chỉnh lưu bán tự động cũng có thể được áp dụng.
Bộ biến đổi nguồn đơn hướng là thiết bị quan trọng trong hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), giúp điều chỉnh tốc độ biến thiên của gió và ổn định điện áp.
Bộ biến đổi tăng DC-DC có thể được tích hợp vào liên kết DC, với điện áp DC điều khiển thông qua rotor kích thích Đối với các nguồn điện có công suất trong phạm vi MW, việc thực hiện bộ biến đổi cần sử dụng một số phần tử hoặc áp dụng giải pháp ba cấp.
Hình 2.8 mô tả bộ biến đổi năng lượng đầy đủ của tuabin gió, sử dụng hai bộ biến đổi nguồn hiện tại kết nối back-to-back Giải pháp này tận dụng độ tự cảm của cáp dài trong trang trại gió, đặc biệt khi nguồn DC phân phối được áp dụng hoặc khi bộ biến đổi máy phát được đặt trong vỏ bọc, trong khi bộ biến đổi lưới nằm ở dưới cùng của WTS Việc sử dụng biến tần nguồn áp cho mặt lưới là cần thiết, đặc biệt trong cấu trúc liên kết như Hình 2.7, khi lưu trữ DC điện dung được sử dụng.
Việc sử dụng biến tần nguồn áp hiện tại ở phía lưới là cần thiết trong cấu trúc liên kết như Hình 2.8, đặc biệt khi lưu trữ dc là cảm ứng.
2.2.2 Bộ biến đổi nguồn 2 mức ( 2L-BTB)
Bộ biến đổi nguồn điện áp điều chế độ rộng xung hai mức (2L-PWM-VSC) là cấu trúc phổ biến nhất trong các hệ thống tuabin gió, đóng vai trò quan trọng như giao diện giữa máy phát điện và lưới điện Công nghệ này đã được thiết lập tốt và có kiến thức rộng lớn trong lĩnh vực Hai bộ 2L-PWM-VSC thường được cấu hình theo dạng back-to-back (2L-BTB) với một máy biến áp ở phía lưới, như minh họa trong Hình 2.9.
Hình 2.9: Bộ biến đổi nguồn 2 cấp back-to-back cho hệ thống tuabin gió (2L-BTB)
Giải pháp 2L-BTB nổi bật với cấu trúc đơn giản và ít thành phần, mang lại hiệu suất mạnh mẽ và đáng tin cậy Tuy nhiên, khi công suất và điện áp của tuabin gió tăng cao, bộ biến đổi 2L-BTB có thể gặp phải tổn thất chuyển mạch lớn và công suất giảm ở mức MW và điện áp MV Để đáp ứng yêu cầu về công suất và điện áp của tuabin gió, các thiết bị chuyển mạch cần được thiết kế kết nối song song hoặc theo chuỗi, điều này có thể làm giảm tính đơn giản và độ tin cậy của bộ biến đổi điện.
Một thách thức trong giải pháp 2L-BTB là điện áp đầu ra hai cấp, đòi hỏi bộ lọc đầu ra lớn để kiểm soát độ dốc điện áp và giảm thiểu sóng hài bậc cao (THD) Cấu trúc liên kết 2L-BTB hiện đang được áp dụng cho bộ biến đổi trong các tua bin gió sử dụng công nghệ DFIG.
2.2.3 Bộ biến đổi nguồn đa mức[1]
Công suất điện của tuabin gió đang gia tăng, với khả năng đạt tới 10 MW, khiến cho các giải pháp truyền thống như 2L-BTB gặp khó khăn trong việc đảm bảo hiệu suất Các cấu trúc liên kết biến đổi đa cấp, với khả năng cung cấp nhiều mức điện áp đầu ra và công suất lớn hơn, đang trở thành lựa chọn phổ biến cho ứng dụng tuabin gió Bộ biến đổi đa cấp được phân loại thành ba loại chính: cấu trúc kẹp diode trung tính, cấu trúc kẹp tụ điện bay và cấu trúc tế bào biến đổi tầng Để tối ưu hóa chi phí, các bộ biến đổi này chủ yếu được áp dụng cho tuabin gió có công suất từ 3 MW đến 7 MW Một số giải pháp đa cấp sẽ được trình bày trong các phần sau.
2.2.3.1 Cấu trúc kẹp diode trung tính(3L NPC BTB)
Cấu trúc liên kết kẹp ba điểm trung tính (3L NPC BTB) là một trong những bộ biến đổi đa cấp phổ biến nhất trên thị trường, thường được cấu hình theo dạng back-to-back trong các tuabin gió.
Hình 2.10: Bộ biến đổi nguồn cấu trúc liên kết kẹp ba điểm trung tính
Bộ biến đổi 3L-NPC có khả năng cung cấp điện áp đầu ra cao hơn so với 2L-BTB, từ đó giúp giảm kích thước bộ lọc Nó cũng có thể xuất biên độ điện áp kép nhờ vào việc sử dụng các thiết bị chuyển mạch cùng mức điện áp Tuy nhiên, nhược điểm của BTB 3L-NPC là sự biến động điện áp trung điểm của bus DC Mặc dù vấn đề này đã được nghiên cứu và cải thiện thông qua kiểm soát trạng thái biến đổi dự phòng, nhưng sự phân bố tổn thất giữa các thiết bị chuyển mạch bên ngoài và bên trong trong một cánh tay chuyển mạch vẫn không đồng đều, có thể ảnh hưởng đến khả năng biến đổi khi thiết kế thực tế.
2.2.3.2 Cấu trúc liên kết back to back cầu H (3L-HB BTB)
Giải pháp BTB 3L-HB bao gồm hai bộ biến đổi cầu H cấu hình back-to-back, cho phép đạt hiệu suất đầu ra tương tự như BTB 3L-NPC nhưng không đồng đều Giải pháp này loại bỏ mất phân phối và điốt kẹp, đồng thời sử dụng thiết bị chuyển mạch hiệu quả hơn và thiết kế công suất cao hơn.
Hình 2.11: Bộ biến đổi back-to-back ba cấp cầu H cho hệ thống tua bin gió
Hệ thống 3L-HB BTB sử dụng chỉ một nửa điện áp bus DC so với BTB 3L-NPC, điều này dẫn đến việc giảm số lượng kết nối chuỗi tụ và loại bỏ điểm giữa trong bus DC, từ đó giúp giảm kích thước của tụ liên kết DC.
Cấu trúc cuộn quanh trong máy phát và máy biến áp của BTB 3L-HB giúp đạt được sự cách ly giữa các pha, mang lại lợi ích cho hoạt động độc lập của từng pha và khả năng thứ lỗi khi một hoặc hai pha không hoạt động Tuy nhiên, điều này cũng yêu cầu chiều dài cáp đôi để kết nối, dẫn đến chi phí cao hơn và tổn thất năng lượng Hơn nữa, điện cảm trong cáp có thể gây ra những hạn chế đáng kể Cần nghiên cứu thêm về tác động của tổn thất năng lượng và trọng lượng của máy phát điện và máy biến áp để cải thiện các nhược điểm này.
2.2.3.3 Cấu trúc liên kết back to back 5 mức cầu H (5L-HB BTB)
Bộ biến đổi BTB 5L-HB bao gồm hai bộ biến đổi cầu H và sử dụng cánh tay chuyển mạch 3L-NPC, như thể hiện trong Hình 2.12 Đây là phiên bản mở rộng của 3L-HB BTB, với các yêu cầu đặc biệt tương tự cho máy phát điện và máy biến áp mở.
Hình 2.12: Bộ biến đổi back-to-back năm cấp cầu H cho tua bin gió(5L-HB BTB)
BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN ĐA LỚP
Bộ biến đổi cầu H (cascaded H-bridge - CHB) là một trong những ô biến đổi tầng được thương mại hóa phổ biến nhất hiện nay Mặc dù có nhiều ưu điểm, CHB yêu cầu một liên kết DC riêng biệt cho mỗi ô, điều này có thể tạo ra những thách thức trong việc thiết kế và triển khai hệ thống.
36 biến đổi Đặc điểm này có thể liên quan đến một máy biến áp phức tạp ở phía máy phát, dẫn đến trọng lượng và thể tích lớn hơn
Hình 2.14: Bộ biến đổi back-to back-back của cầu H có các bộ tua bin gió với biến áp tần số trung bình (S − S)
Bộ biến đổi back-to-back CHB trong hình 2.15 là một bộ biến đổi DC/DC sử dụng máy biến áp tần số trung bình, hoạt động trong khoảng từ kHz đến hàng chục kHz, giúp giảm kích thước máy biến áp Nhờ vào cấu trúc tầng, bộ biến đổi này có thể kết nối trực tiếp với lưới điện truyền tải.
(10 kV – 20 kV) với chất lượng điện áp đầu ra cao, thiết kế có bộ lọc và khả năng dự phòng khi gặp sự cố
Hình 2.15 minh họa cách kết nối hàng loạt bộ biến đổi nguồn thông qua cầu nối biến đổi lưới chung và liên kết MVDC Phương pháp này, được Semikron ưu tiên, nhằm tăng cường sức mạnh bằng cách sử dụng cấu trúc đa lõi, cho phép kết nối các bộ biến tần hai cấp song song với lưới (S − P).
Trong một hệ thống bus MVDC, 37 bộ biến đổi lưới được kết nối song song, cho phép sử dụng các mô-đun điện áp thấp tiêu chuẩn cho ứng dụng MVDC Ưu điểm này giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí trong quá trình triển khai.
Hình 2.16: Kết nối song song của các bộ biến đổi nguồn trong đó các tín hiệu
Giải pháp kết nối song song của các tế bào ở phía máy phát và mặt lưới trong tuabin gió 4-5 MW đã được Gamesa áp dụng, đồng thời cũng được Siemens giới thiệu trong một số tuabin gió MW của họ.
Hình 2.17: Kết nối song song từ của bộ biến đổi nguồn ở phía máy phát và kết nối chuỗi ở phía lưới (MP −S)
Giải pháp cho một hệ thống WTS biến áp cao thế hệ công suất cao được minh họa trong Hình 2.17, trong đó các cuộn dây của máy phát điện được liên kết với bộ biến đổi AC/DC nối theo chuỗi phía lưới.
Hình 2.18: Kết nối chuỗi các bộ biến đổi ma trận với sự song song từ tính ở phía lưới(S − MP)
Hình 2.18 minh họa một bộ biến đổi năng lượng với kết nối loạt các bộ biến đổi ma trận, trong đó nguồn cấp dữ liệu đầu ra từ một số cuộn dây của máy biến áp dẫn đến cấu hình song song từ Tất cả các cấu trúc liên kết đều có khả năng chịu lỗi và sử dụng số lượng thành phần cao hơn Sự khác biệt chính nằm ở yêu cầu đối với máy phát và máy biến áp như được trình bày trong Bảng II.
Bảng II: Bảng so sánh các giải pháp đa lớp của bộ biến đổi cho hệ thống tuabin gió
Tiêu chuẩn Open winding Tiêu chuẩn Open winding
BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI TỪ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO[3]
Sự gia tăng nguồn năng lượng tái tạo và máy phát điện phân phối yêu cầu các chiến lược mới để quản lý lưới điện, nhằm nâng cao độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện Tự do hoá lưới điện đã làm tăng vai trò của quản lý trong ngành năng lượng Công nghệ điện-điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc hòa lưới các nguồn năng lượng tái tạo, với sự phát triển nhanh chóng nhờ vào các thiết bị chuyển mạch bán dẫn và máy tính thời gian thực trong bộ điều khiển Sự kết hợp này đã tạo ra các bộ chuyển đổi hiệu quả và kinh tế, đặc biệt trong hệ thống tuabin gió.
Dưới đây là một số hệ thống điện tử công suất nối lưới cho tuabin gió được sử dụng phổ biến hiện nay:
Hình 2.19: Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(PMSG) và bộ biến tần nguồn áp 3 phaVSI
Hệ thống tuabin gió được mô tả trong hình 2.19 sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) kết hợp với bộ biến tần nguồn áp (VSI) Stator của máy phát được kết nối với lưới điện thông qua bộ mạch điều khiển công suất, trong đó bộ biến tần nguồn áp VSI đóng vai trò quan trọng Mạch điều khiển công suất bao gồm bộ nghịch lưu phía máy phát với 6 IGBT và 6 diode, cùng với bộ nghịch lưu phía lưới cũng sử dụng 6 IGBT.
Diode nghịch lưu phía máy phát điện được sử dụng để điều chỉnh hòa đồng bộ và tách máy phát điện khỏi lưới khi cần thiết Nhiệm vụ của nghịch lưu phía lưới là giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian Giữa bộ chỉnh lưu và nghịch lưu có một tụ điện lưu trữ điện áp một chiều, tạo thành tuyến dẫn một chiều Việc sắp xếp các tụ điện theo cấu hình tuyến dẫn một chiều giúp tăng điện dung của chúng, cho phép trữ một điện tích lớn hơn.
Hệ thống tuabin gió được mô tả trong hình 2.20 sử dụng máy phát DFIG và bộ biến tần nguồn áp VSI Trong hệ thống này, stato của DFIG kết nối trực tiếp với lưới điện, trong khi rotor kết nối qua mạch điều khiển công suất cho phép dòng năng lượng di chuyển hai chiều Động cơ hoạt động trong hai chế độ: chế độ trên đồng bộ và chế độ dưới đồng bộ Ở cả hai chế độ, stato luôn phát công suất lên lưới, trong khi rotor hấp thụ năng lượng trong chế độ đồng bộ và phát năng lượng trong chế độ trên đồng bộ.
Hình 2.21: Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát PMSG và bộ biến tần 3 pha
Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG và bộ biến tần nguồn áp, với bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha gồm 6 diode Mạch nghịch lưu sử dụng transistor IGBT, bao gồm 6 transistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 nối theo sơ đồ cầu Để bảo vệ transistor khỏi điện áp ngược, các diode được mắc song song với transistor Các transistor T1, T3, T5 có chung cực colectơ ở phía dương, trong khi T2, T4, T6 mắc chung cực emitơ về phía âm của nguồn điện một chiều U d Bộ biến tần gián tiếp PWM sử dụng transistor IGBT, dẫn đến điện áp ra trên tải lặp lại điện áp điều khiển trên cực cửa của transistor, tạo ra điện áp ra dạng xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau tương tự như điện áp điều khiển.
Trong chương 2, tôi đã nghiên cứu các bộ biến đổi nguồn điện trong hệ thống tuabin gió, bao gồm bộ biến đổi nguồn đơn hướng, bộ biến đổi nguồn 2 mức (2L-BTB), bộ biến đổi nguồn đa mức, và các hệ thống điển hình sử dụng bộ biến đổi công suất nối lưới từ nguồn năng lượng tái tạo Những bộ biến đổi công suất này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện áp và ổn định tần số khi hòa vào lưới điện trong hệ thống điện tử công suất.