TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Năng lượng gió đang trở thành một nguồn năng lượng tự nhiên quan trọng cho nhu cầu tương lai của nhân loại Để phát triển nguồn năng lượng này, cần cải thiện công nghệ và nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện, từ đó giảm giá thành và cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác Hình ảnh về các trang trại gió quy mô lớn tại Tuy Phong, Bình Thuận, Việt Nam và Hà Lan minh chứng cho tiềm năng của năng lượng gió.
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 và đang được chú trọng phát triển trong thời gian gần đây, đặc biệt ở nhiều quốc gia điển hình như Đức.
Hà Lan, Mỹ, Anh … và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (CEA) với
14 quốc gia 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 Bản, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh và Mỹ Tính đến năm 1995, các nước này đã lắp đặt khoảng 25.000 tuabin, 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 tại 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 phần quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng toàn cầu, chiếm 1,8% tổng sản lượng điện thế giới Dự đoán đến năm 2019, tỷ lệ này sẽ tăng lên hơn 8% hoặc 1 TW Trung Quốc là thị trường lớn nhất trong lĩnh vực điện gió vào 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 phù hợp cho các trạm điện gió cỡ lớn và 41% diện tích nông thôn có khả năng phát triển trạm điện gió cỡ nhỏ Những số liệu này chứng tỏ 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 trở thành một phần quan trọng trong sản xuất năng lượng tái tạo tại các quốc gia phát triển như châu Âu và Mỹ Đặc biệt, Đức hiện đang dẫn đầu toàn cầu trong lĩnh vực này, khẳng định vị thế tiên phong trong việc áp dụng công nghệ năng lượng sạch.
Công nghệ phong điện hiện nay chủ yếu bao gồm hai loại trạm: trục ngang và 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 3 cánh Ngược lại, trạm phong điện trục đứng sở hữu máy phát điện có trục quay thẳng đứng, với rotor nằm ngoài và cánh quạt đặt thẳng đứng, cho phép hoạt động hiệu quả với mọi hướng gió Loại trạm trục đứng này có cấu tạo đơn giản, dễ vận chuyển và lắp ráp, đồng thời có độ bền cao và bảo trì dễ dàng, đã được áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây.
Máy phát phong điện hiện có công suất đa dạng, từ 1 kW đến hàng chục ngàn kW, và có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng điện quốc gia Các trạm phong điện độc lập cần trang bị bộ nạp, ắc-quy và bộ đổi điện để lưu trữ điện khi không sử dụng, trong khi các trạm kết nối với mạng điện quốc gia không cần những thiết bị này Các trạm phong điện bắt đầu phát điện khi tốc độ gió đạt 3 m/s (11 km/h) và sẽ tự ngừng hoạt động khi tốc độ gió vượt quá mức cho phép.
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 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 tối ưu hóa hiệu suất Khi gió thổi qua các cánh quạt, nó tạo ra lực làm cho các cánh quạt quay, từ đó chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng.
Thiết bị yaw có hai chức năng chính: giữ cho roto luôn đối diện với nguồn gió khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thiết kế và dịch rotor ra khỏi hướng bão khi tốc độ gió vượt quá giới hạn này.
Cánh gió được điều chỉnh bằng cách lật hoặc xoay để kiểm soát tốc độ của rôto, giúp tạo ra điện hiệu quả Việc tiện hoặc làm nghiêng cánh gió một chút giữ cho rôto quay ở mức tối ưu, không quá cao cũng không quá thấp, đảm bảo sản xuất điện trong điều kiện gió khác nhau.
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, hay còn gọi là phanh dạng đĩa, là thiết bị quan trọng trong hệ thống phanh của xe, hoạt động như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực Chức năng chính của nó là dừng roto trong các tình huống khẩn cấp, sử dụng năng lượng điện, sức nước hoặc động cơ để đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách.
Hộp số là một bộ phận quan trọng nằm giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao, có chức năng tăng tốc độ quay từ 20-60 vòng/phút lên khoảng 1200-1500 vòng/phút, đây là tốc độ cần thiết cho hầu hết các máy phát điện Bộ bánh răng này, mặc dù rất đắt tiền, là phần không thể thiếu của động cơ và tuabin gió, trong khi các máy phát có tốc độ thấp hơn thì không cần sử dụng hộp số 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 chế tạo từ thép phiến hoặc các thanh thép chéo, có cấu trúc vững chắc giúp chịu đựng va đập cơ học và ăn mòn, đồng thời có tính đàn hồi tốt Chiều cao của tháp ảnh hưởng đến tốc độ gió, vì vậy tháp càng cao, tuabin càng thu được nhiều năng lượng và sản xuất điện hiệu quả hơn Việc lắp đặt tuabin trên tháp cao giúp tăng cường khả năng sản xuất điện nhờ vào tốc độ gió lớn hơn ở độ cao, đồng thời tránh được các luồng không khí xoáy gần mặt đất do vật cản như đồi núi, nhà cửa và cây cối.
Lắp đặt tuabin gió trên tháp cần đảm bảo đáy cánh rotor cách các vật cản tối thiểu 9m, nằm trong phạm vi đường kính 90m của tháp Đầu tư vào việc tăng chiều cao tháp có thể mang lại lợi ích lớn cho sản xuất điện Cụ thể, việc 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, hệ thống rotor cần tự điều chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) đáp ứng yêu cầu này nhờ vào từ thông luôn có sẵn từ hệ thống nam châm vĩnh cửu trên rotor Với khả năng hoạt động ở tốc độ vòng quay thấp nhưng sản xuất điện năng cao, PMSG mang lại nhiều ưu điểm cho tuabin gió Do đó, công nghệ máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang ngày càng phổ biến 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 bởi nam châm vĩnh cửu với hợp kim có độ từ dư cao (0,5 ÷ 1,5 T) Cực từ có hình dạng lồi và được đặt ở rôto, với khoảng cách giữa các cực có đổ nhôm kín, tạo thành một khối trụ Khi sử dụng làm 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, lồng sóc thường được chế tạo giống như động cơ không đồng bộ, với hai đĩa nam châm đặt ở hai đầu Kết cấu này tốn nhiều vật liệu hơn và thường được chế tạo với 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 10 KW, thậm chí lên tới 100 KW Đây là loại máy điện xoay chiều với phần cảm nằm ở roto và phần ứng là hệ thống quấn 3 pha tại 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 thiết bị chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các bộ biến đổi năng lượng cao cho tuabin gió Các module IGBT là lựa chọn chính trong quá trình này.
Công nghệ IGBT đã được chứng minh là 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 chi phí, công nghệ mô-đun đã ghi nhận những ứng dụng mới và giảm thiểu vấn đề gắn kết Độ tin cậy và độ dốc do chu kỳ tuần hoàn nhiệt của dây nối trong mô-đun là những yếu tố quan trọng, với các cải tiến liên tục về vật liệu và giải pháp sử dụng giấy bạc thay vì dây dẫn, giúp giảm 35% trọng lượng thiết bị.
2.1.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
IGBT (Transistor cách ly điều khiển bằng điện) là linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982 Linh kiện này kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải lớn của transistor thông thường, đồng thời yêu cầu công suất điều khiển rất nhỏ Hình 2.1 minh họa kí hiệu IGBT trên bản vẽ kỹ thuật.
Hình 2.1: Kí hiệu của IGBT
Cấu trúc bán dẫn của IGBT, như thể hiện trong hình 2.2, tương tự như MOSFET nhưng có sự khác biệt nhờ lớp nối với collector, tạo ra cấu trúc p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc) và collector (tương tự cực máng), thay vì n-n như ở MOSFET Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor p-n-p, với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
Hình 2.2: Cấu trúc IGBT điển hình
Hình 2.3: Mạch tương tương của IGBT
Khi áp dụng điện áp điều khiển Uge > 0, kênh dẫn với các điện tử được hình thành tương tự như trong cấu trúc Mosfet Các điện tử này di chuyển về phía colector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p giữa bazo và colector trong transistor, 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, cho phép tụ điện lưu trữ một điện tích lớn hơn.
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động phổ biến, 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 được cấu tạo bởi hai bản cực kim loại cách điện với nhau, và môi trường giữa chúng gọi là điện môi, là chất không dẫn điện Các loại điện môi có thể bao gồm không khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, và thủy tinh Tên gọi của tụ điện phụ thuộc vào loại lớp cách điện giữa hai bản cực Hình 2.3 minh họa cấu tạo của một tụ điện điển hình.
Tụ điện là thiết bị có khả năng tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện trường bằng cách lưu trữ electron Nó có thể phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện, thể hiện tính chất phóng nạp đặc trưng của tụ điện.
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, gồm hai cực Anốt và Katốt Nó 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
Do tính chất dẫn điện một chiều, diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu, chuyển đổi nguồn xoay chiều thành một chiều, cũng như trong các mạch tách sóng và mạch điều chỉnh 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 máy phát đồng bộ vĩnh cửu (PMSG) trong tuabin gió công suất lớn đang gia tăng 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 giải pháp tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, việc sử dụng diode chỉnh lưu, dù là nhiều pha hay 12-xung tần số thấp, có thể gây ra 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 cho hệ thống tuabin gió sử dụng PMSG giúp điều chỉnh tốc độ biến thiên của gió và ổn định điện áp hiệu quả.
Bộ biến đổi tăng DC-DC có thể được tích hợp vào liên kết DC, với điện áp DC có thể điều khiển thông qua rotor kích thích Đối với nguồn điện trong phạm vi MW, việc thiết kế bộ biến đổi cần sử dụng một số phần tử hoặc áp dụng giải pháp ba cấp.
Hình 2.8 minh họa bộ biến đổi năng lượng đầy đủ cho tuabin gió với máy phát điện nam châm vĩnh cửu, sử dụng hai bộ biến đổi nguồn hiện tại kết nối back-to-back Giải pháp này cho phép khai thác 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 đặt trong vỏ bọc, trong khi bộ biến đổi lưới ở dưới cùng của WTS Việc sử dụng biến tần nguồn áp ở mặt lưới là cần thiết trong cấu trúc liên kết như Hình 2.7, do có sự hiện diện của lưu trữ DC điện dung.
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 điện năng được thực hiện thông qua 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 kiến thức về nó rất phong phú Hai bộ 2L-PWM-VSC thường được cấu hình theo kiểu back-to-back (2L-BTB) và đi kèm với một máy biến áp ở phía lưới, như thể hiện 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 có lợi thế kỹ thuật 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 gia tăng, bộ biến đổi 2L-BTB có thể gặp phải tổn thất chuyển mạch lớn và công suất thấp hơn ở mức MW và điện áp MV Để đạt được công suất và điện áp yêu cầu cho 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 đóng vai trò quan trọng trong bộ biến đổi của các tua bin gió sử dụng DFIG.
2.2.3 Bộ biến đổi nguồn đa mức[1]
Công suất điện của tuabin gió đang tăng lên, thậm chí đạt tới 10 MW, khiến cho giải pháp 2L-BTB truyền thống gặp khó khăn trong việc đạt hiệu suất chấp nhận được Với nhiều mức điện áp đầu ra, biên độ điện áp cao hơn và công suất lớn hơn, các cấu trúc liên kết biến đổi đa cấp đang trở thành lựa chọn phổ biến cho ứng dụng tuabin gió Bộ biến đổi đa cấp được phân loại thành ba loại: cấu trúc kẹp diode trung tính, cấu trúc kẹp tụ điện bay và cấu trúc tế bào biến đổi tầng Để tiết kiệm chi phí, các bộ biến đổi này chủ yếu được sử dụng cho tuabin gió có công suất từ 3 MW đến 7 MW, và một số giải pháp đa cấp sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
2.2.3.1 Cấu trúc kẹp diode trung tính(3L NPC BTB)
Cấu trúc liên kết kẹp ba điểm trung tính là một trong những bộ biến đổi đa cấp phổ biến nhất trên thị trường Nó thường được cấu hình dưới dạng back-to-back trong tuabin gió, được gọi là 3L NPC BTB, như minh họa trong hình 2.10.
Hình 2.10: Bộ biến đổi nguồn cấu trúc liên kết kẹp ba điểm trung tính
Bộ biến đổi 3L-NPC vượt trội hơn 2L-BTB với điện áp đầu ra cao hơn, giúp giảm kích thước bộ lọc Nó cũng có khả năng xuất biên độ điện áp kép nhờ vào các thiết bị chuyển mạch cùng mức điện áp Mặc dù biến động điện áp trung điểm của bus DC là một nhược điểm, nhưng vấn đề này đã được cải thiện thông qua việc kiểm soát trạng thái biến đổi dự phòng Tuy nhiên, sự phân bố tổn thất không đồng đều giữa các thiết bị chuyển mạch bên ngoài và bên trong trong một cánh tay chuyển mạch có thể ảnh hưởng đến khả năng biến đổi trong 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 sử dụng hai bộ biến đổi cầu H cấu hình back-to-back, mang lại hiệu suất đầu ra tương tự như BTB 3L-NPC nhưng không đồng đều và loại bỏ điốt kẹp Việc sử dụng thiết bị chuyển mạch hiệu quả hơn cùng với công suất thiết kế cao hơn có thể đạt được hiệu suất tương tự.
Hình 2.11: Bộ biến đổi back-to-back ba cấp cầu H cho hệ thống tua bin gió
Giải pháp 3L-HB BTB chỉ yêu cầu một nửa điện áp bus DC so với BTB 3L-NPC, dẫn đến việc giảm số lượng kết nối chuỗi tụ và loại bỏ điểm giữa trong bus DC, từ đó kích thước của tụ liên kết DC có thể được giảm thêm.
Cấu trúc cuộn quanh trong máy phát và máy biến áp của BTB 3L-HB giúp đạt được sự cách ly giữa các pha, cho phép hoạt động độc lập của từng pha và khả năng khắc phục khi một hoặc hai pha không hoạt động Tuy nhiên, việc này yêu cầu chiều dài cáp đôi để kết nối, dẫn đến chi phí tăng cao và tổn thất năng lượng Hơn nữa, điện cảm trong cáp có thể gây ra những hạn chế đáng kể Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các vấn đề về tổn thất năng lượng và trọng lượng của máy phát điện và máy biến áp.
2.2.3.3 Cấu trúc liên kết back to back 5 mức cầu H (5L-HB BTB)
Bộ biến đổi BTB 5L-HB gồm hai bộ biến đổi cầu H, sử dụng cánh tay chuyển mạch 3L-NPC, như thể hiện trong Hình 2.12 Đây là phần mở rộng của 3L-HB BTB và đáp ứng các yêu cầu đặc biệt 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) hiện đang là một trong những ô biến đổi tầng được thương mại hóa phổ biến nhất Đặc điểm quan trọng của CHB là nó yêu cầu một liên kết DC riêng biệt cho mỗi ô, như được mô tả trong Hình 2.14.
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 hệ thống DC/DC với máy biến áp tần số trung bình hoạt động từ kHz đến hàng chục kHz, giúp giảm kích thước máy biến áp Nhờ cấu trúc tầng, cấu hình này có khả năng 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, liên kết MVDC và các bộ biến đổi tăng cường Phương pháp này, được Semikron ưu tiên, nhằm tăng cường sức mạnh bằng cách áp dụng cấu trúc đa lõi, thể hiện sự kết nối hiệu quả giữa 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 chính của thiết kế này là tính linh hoạt và hiệu quả trong việc triển khai công nghệ điện năng.
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 cả phía máy phát và mặt lưới trong tuabin gió 4-5 MW được Gamesa áp dụng, đồng thời hãng Siemens cũng đã triển khai giải pháp tương tự 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)
Hình 2.17 minh họa một giải pháp cho hệ thống WTS với biến áp cao thế, trong đó các cuộn dây của máy phát điện được nối với bộ biến đổi AC/DC theo cấu trúc chuỗi ở 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 các bộ biến đổi ma trận kết nối theo dạng chuỗi, 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 được thiết kế để có khả năng chịu lỗi và sử dụng nhiều thành phần hơn Sự khác biệt chính nằm ở yêu cầu đối với máy phát và máy biến áp như đã 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 Sự tự do hóa lưới điện đã làm tăng vai trò của các doanh nghiệp trong ngành năng lượng Công nghệ điện-điện tử trở nên quan trọng trong việc hòa lưới và phân phối năng lượng tái tạo, và đang được áp dụng rộng rãi Trong những năm gần đây, công nghệ này trong hệ thống tuabin gió đã phát triển nhanh chóng nhờ vào sự tiến bộ của thiết bị chuyển mạch bán dẫn và việc áp dụng máy tính thời gian thực trong bộ điều khiển Những yếu tố này đã dẫn đến sự phát triển của các bộ chuyển đổi hiệu quả và kinh tế.
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 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, cụ thể là bộ biến tần nguồn áp VSI 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 điều chỉnh hòa đồng bộ và tách máy phát điện khỏi lưới khi cần thiết, trong khi nghịch lưu phía lưới giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian Kết nối giữa bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được thực hiện qua một tụ điện lưu trữ điện áp một chiều Tuyến dẫn một chiều là một giàn tụ điện đã chỉnh lưu, và việc sắp xếp chúng theo cấu hình này sẽ làm tăng điện dung của tụ điện, cho phép lưu trữ một điện tích lớn hơn.
Hệ thống tuabin gió trong hình 2.20 sử dụng máy phát DFIG kết hợp với bộ biến tần nguồn áp 3 pha VSI Trong hệ thống này, stato của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện, trong khi rotor được kết nối thông qua mạch điều khiển công suất cho phép dòng năng lượng di chuyển theo hai chiều Động cơ hoạt động ở hai chế độ: chế độ trên đồng bộ và chế độ dưới đồng bộ Ở cả hai chế độ, stato phát công suất lên lưới, trong khi rotor hấp thụ năng lượng khi ở 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, trong đó bộ chỉnh lưu là cầu diode 3 pha với 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 chung cực colectơ ở phía dương, trong khi T2, T4, T6 chung cực emitơ về phía âm của nguồn điện một chiều U d Bộ biến tần gián tiếp PWM với transistor IGBT tạo ra điện áp ra trên tải tương ứng với điện áp điều khiển, dẫn đến điện áp ra có dạng xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau.
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), và bộ biến đổi nguồn đa mức Những hệ thống này thường được sử dụng để kết nối công suất từ nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện Các bộ biến đổi công suất đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện áp và ổn định tần số khi hòa vào lưới điện.