Tài liệu Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) bằng phương pháp DPC

Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi rotor được nối thông qua một

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS VÕ VIẾT CƯỜNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 12 tháng 3 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PGS TS Trần Thu Hà

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày tháng 01 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THẾ LUÂN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/04/1984 Nơi sinh: Đức Trọng-Lâm Đồng Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1341830023

I- TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

(DFIG) BẰNG PHƯƠNG PHÁP DPC

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng hệ thống điều khiển DFIG dùng phương pháp điều khiển trực tiếp Công suất (DPC);

- Mô phỏng hệ thống điều khiển P, Q độc lập DFIG dùng phương pháp DPC với mô hình máy điện trong hệ qui chiếu quay trên phần mền Matlab/Simulink;

- Dựa vào kết quả FOC s n có để so sánh với DPC và r t ra kết luận

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18 / 8 /2014

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/12/2015

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VÕ VIẾT CƯỜNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự gi p đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

NGUYỄN THẾ LUÂN

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của TS.VÕ VIẾT CƯỜNG, tôi đã hoàn thành luận văn đ ng thời gian quy định Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS

VÕ VIẾT CƯỜNG, thầy là người tận tâm hết lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình và góp ý tận tình gi p cho bài luận văn của tôi được hoàn chỉnh

Tôi cũng xin chân thành cám ơn Qúy thầy cô giảng viên trường Đại Học Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, gi p tôi học tập

và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường

Ngoài ra, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau Đại Học trường Đại Học Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã

gi p đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ, gi p đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ thuật điện” đã đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2016

Người thực hiện

NGUYỄN THẾ LUÂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Năng lượng gió ngày càng được khai thác nhiều, trong đó việc điều khiển tubin gió để hòa lưới đang đặt ra những vấn đề cần nghiên cứu Mục tiêu của đề tài này là:

- Xây dựng hệ thống điều khiển DFIG dùng phương pháp điều khiển trực tiếp Công suất (DPC)

- Mô phỏng hệ thống điều khiển P, Q độc lập DFIG dùng phương pháp DPC với mô hình máy điện trong hệ quy chiếu quay trên phần mềm Matlab/Simulnk Họat động của mô hình được kiểm chứng thông qua việc thay đổi tốc độ gió

Kết quả cho thấy:

- Cả hai phương pháp điều khiển FOC và DPC đều đáp ứng tốt trong điều khiển độc lập công suất máy điện gió DFIG Tuy nhiên phương pháp DPC vượt trội hơn về khả năng đáp ứng các đại lượng điều khiển nhanh hơn, bám sát vào các giá trị điều khiển theo yêu cầu

- Khi tốc độ gió thay đổi nhanh, mạnh khả năng điều khiển DPC vẫn đáp ứng tốt

iv

ABSTRACT

Wind energy is increasingly exploited, including wind turbine to the control grid is posing problems to study The objective of this project is:

- Improving control systems DFIG using Direct Power Control (DPC)

- The simulation is based on MATLAB/SIMULINK

Activities of the model is verified through the wind speed changes

The results show:

- Both control methods FOC and DPC are responsive control in independent power control of DFIG wind power However DPC method excels in the ability to meet the quantities faster control, stick to the command values on request

- When the wind changes speed fast, strong ability to control DPC remains responsive

DANH MỤC KÝ HIỆU – TỪ VIẾT TẮT

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65m) 7

Bảng 6.1: Bảng lựa chọn vector điện áp trong DTC [24] 44

Bảng 6.2: Bảng lựa chọn vector điện áp trong DPC.[24] 46

Bảng 6.3: Thông số máy phát gió DFIG 2.3MW 50

Bảng 6.4: Thông số điều khiển đầu vào 50

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13 3

Hình 2.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện năm 1988 4

Hình 2.3 Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m 6

Hình 2.4 : Gió mạnh vào tháng 12 đến tháng 2 năm sau là sự bổ sung hữu ích cho các tháng thiếu nước của các thủy điện Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001 8

Hình 2.5 Các tổ máy 1.5MW đầu tiên của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận 9

Hình 3.1 Chi tiết buồng chứa của hệ thống phát điện gió 12

Hình 3.2 Thống kê các Phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ 14

Hình 3.3 Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy đồng bộ 15

Hình 3.4 Máy phát cảm ứng tự kích từ 15

Hình 3.5 Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện 16

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 16

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG 17

Hình 3.8 Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo 18

Hình 3.9 Sơ đồ các khối chức năng trong hệ thống năng lượng gió.[15] 18

Hình 3.10 Điểm làm việc của hệ thống tuabin gió [19] 20

Hình 3.11 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi 21

Hình 3.12 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi trang bị máy phát đồng bộ (không dùng hộp số truyền động) 22

Hình 3.13 Cấu tr c của hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIG [14] 22 Hình 4.1 Nguyên lý vector không gian 25

Hình 4.2 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc, 27

Hình 4.3 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq [8] 28

Hình 4.4: Mối liên hệ giữa trục tọa độ và dq 29

Hình 4.5 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y 30

viii

Hình 4.6: Sơ đồ tương đương RL của Stator và Rotor 30

Hình 4.7 Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục  31

Hình 4.8 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq 32

Hình 5.1 Mô hình điều khiển DFIG 34

Hình 5.2 Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới [19] 35

Hình 5.3 Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) máy điện DFIG 37

Hình 5.4 Sơ đồ điều khiển DFIG theo VOC 39

Hình 5.5: Sơ đồ khối điều khiển RSC [19] 40

Hình 6.1 Điều khiển trực tiếp moment và từ thông của động cơ không đồng bộ [24] 42

Hình 6.2 Vị trí của các sector khi từ thông stator quay quanh trục 43

Hình 6.3 Các vector điện áp khi thay đổi từ thông và moment trong các sector [11; 24] 43

Hình 6.4a Sơ đồ tổng quát sử dụng DPC cho hệ thống DFIG.[24] 45

Hình 6.4b: Vector điện áp và điều khiển từ thông sử dụng các vector điện áp 45

Hình 6.5 Mô hình mô phỏng máy điện gió DFIG_DPC [24] 47

Hình 6.6 Mô hình mô phỏng Converter 48

Hình 6.7 Mô hình mô phỏng Rotor Side Converter 48

Hình 6.8 Khối lựa chọn sector [24] 49

Hình 6.9: Vận tốc rotor 51

Hình 6.10 Điện áp DC-link và điện áp DC-link lệnh 1500V 51

Hình 6.11 Dòng Điện rotor 52

Hình 6.12 Dòng Điện rotor khi P, Q thay đổi lệnh 52

Hình 6.13 Dòng Điện Stator 53

Hình 6.14 Dòng Điện stator khi P, Q thay đổi lệnh 53

Hình 6.15 Công suất tác dụng stator thực và lệnh 54

Hình 6.16 Công suất tác dụng stator thực và lệnh khi giá trị lệnh thay đổi 54

Hình 6.17 Công suất phản kháng stator thực và lệnh 55

Hình 6.18 Công suất phản kháng stator thực và lệnh khi giá trị lệnh thay đổi 55

Hình 6.19 Công suất phản kháng stator thực và lệnh 56

Hình 6.20 Mo-men khi giá trị lệnh thay đổi 56

Hình 6.21 Dòng điện stator trong hệ qui chiếu abc 57

Hình 6.22 Dòng điện rotor trong hệ qui chiếu abc 58

Hình 6.23 Vận tốc rotor 59

Hình 6.24 Moment 59

Hình 6.25 Công suất tác dụng 60

Hình 6.26 Công suất phản kháng sator 60

Hình 6.27 Tốc độ gió 62

Hình 6.28 Công suất tác dụng 63

Hình 6.29 Công suất tác dụng tại thời điểm 21-32 giây 63

Hình 6.30 Công suất phản kháng 64

Hình 6.31 Công suất phản kháng tại thời điểm 21-32 giây 64

Hình 6.32 Tốc độ rotor 65

Hình 6.33 Dòng điện stator 65

Hình 6.34 Dòng điện rotor 66

x

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT iv

DANH MỤC KÝ HIỆU – TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH vii

MỤC LỤC x

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của nghiên cứu 1

1.3 Mục tiêu của đề tài 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Kết quả đạt được 2

1.6 Tính mới của đề tài 2

1.7 Nội dung của luận văn 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 3

2.1 Giới thiệu về năng lượng gió 3

2.1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió 3

2.1.2 Tài nguyên năng lượng gió ở Việt Nam 5

2.1.3 Dự án đầu tư sản xuất điện từ năng lượng gió 9

2.2 Đóng góp của tác giả 9

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 11

3.1 Giới thiệu 11

3.2 Cấu tạo của hệ thống phát điện gió 11

3.2.1 Tháp đỡ 12

3.2.2 Cánh quạt tuabin 12

3.2.3 Bộ phận điều hướng 13

3.2.4 Bộ phận điều khiển tốc độ 13

3.3 Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió 14

3.3.1 Máy phát điện đồng bộ 14

3.3.2 Máy phát điện cảm ứng 15

3.3.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 16

3.3.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 17

3.3.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 17

3.4 Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 18

3.4.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi 19

3.4.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi 21

3.4.3 Hệ thống máy phát điện gió – DFIG 22

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP –DFIG 24

4.1 Giới thiệu 24

4.2 Vector không gian và các phép biến đổi 24

4.3 Biểu diễn công suất theo vector không gian 26

4.4 Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và  27

4.5 Mô hình toán của máy phát điện gió DFIG 29

4.5.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh  31

4.5.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq 32

CHƯƠNG 5: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DFIG 34

5.1 Giới thiệu 34

5.2 Điều khiển converter phía lưới (Grid Side Control – GSC) 35

5.3 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp trực tiếp mômen (DTC) 36 5.4 Điều khiển RSC theo định hướng vector điện áp (VOC) 39

5.5 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp FOC 39

5.6 Nhận xét 41

CHƯƠNG 6: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG SU T TÁC DỤNG VÀ CÔNG SU T PHẢN KHÁNG CỦA DFIG DÙNG PHƯƠNG PHÁP DPC 42

6.1 Khái Quát 42

6.2 Mô hình điều khiển DFIG bằng phương pháp DPC 42

6.2.1 Mô hình điều khiển DFIG_DPC 42

6.2.2 Mô phỏng DFIG_DPC trên matlap/Simulink 46

xii

6.3 Kết quả 49

6.4 Nhận Xét 56

6.5 So Sánh kết quả mô phỏng điều khiển DFIG FOC và DFIG_DPC 57

6.6 So sánh điều khiển P, Q độc lập khi tốc độ gió thay đổi lớn 62

CHƯƠNG 7: TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 67

7.1 Kết luận 67

7.2 Hướng phát triển đề tài 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới ngày càng tăng, trong khi nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ,than đá) ngày càng cạn kiệt và nguồn năng lượng thủy điện cũng có giới hạn, thì các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, đang được quan tâm và nghiên cứu nhiều nơi trên thế giới Bởi vì các nguồn năng lượng tái tạo không những là nguồn năng lượng vô hạn mà còn giúp bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế Trong đó, lĩnh vực biến đổi năng lượng gió đang thu h t rất nhiều sự quan tâm như một nguồn năng lượng sạch vô hạn, không thải ra các loại khí gây hiệu ứng nhà kính và thực sự có hiệu quả kinh tế cao Do đó, năng lượng gió được xem như một trong những dạng năng lượng thay thế trong tương lai không xa và nằm trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió trên thế giới trong đó có Việt Nam

Đối với cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió trang bị máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi rotor được nối thông qua một bộ biến đổi công suất, máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên phía rotor Ưu điểm nổi bật của hệ thống này

là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi khoảng 20%-30% tổng công suất phát Có nghĩa là làm giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát và tiết kiệm được chi phí cho các linh kiện điện tử có công suất định mức nhỏ hơn Do đó, DFIG được xem là giải pháp thích hợp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi

Ngày nay, DFIG được dùng rất phổ biến trong ngành công nghiệp biến đổi năng lượng gió với công suất tuabin có thể đạt tới 5MW

1.2 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Trong các phương pháp điều khiển DFIG, phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) là phương pháp tiêu biểu trong việc điều khiển hệ thống phi tuyến, nó cho phép ta điều khiển độc lập công suất tác dụng, công suất phản kháng Trong luận văn này sẽ trình bày phương pháp trên và so sánh với kết quả của

2

phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) đã có s n, để từ đó r t ra kết luận

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Xây dựng hệ thống điều khiển DFIG dùng phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC)

- Mô phỏng hệ thống điều khiển P, Q độc lập DFIG dùng phương pháp DPC với mô hình máy điện trong hệ quy chiếu quay trên phần mềm Matlab/Simulink

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tư liệu lý thuyết trên nền tảng khoa học đã được chứng minh

- Xây dựng mô phỏng điều khiển độc lập P, Q của DFIG dùng phương pháp DPC với mô hình máy điện trong hệ qui chiếu quay trên phần mềm Matlab/ Simulink

1.5 Kết quả đạt được

Mô hình điều khiển đề xuất được minh chứng đem lại nhiều ưu điểm khi điều khiển DFIG

1.6 Tính mới của đề tài

- Áp dụng phương pháp DPC vào điều khiển độc lập P,Q của DFIG;

- Dựa vào kết quả FOC để so sánh với DPC và r t ra kết luận.;

- So sánh điều khiển P, Q độc lập khi tốc độ gió thay đổi lớn

1.7 Nội dung của luận văn

Nội dung luận văn gồm 7 chương như sau:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan về năng lượng gió

Chương 3: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Chương 4: Mô hình toán học điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn DFIG

kép-Chương 5: Các phương pháp điều khiền độc lập công suất của DFIG

Chương 6: Điều khiển độc lập P,Q của DFIG dùng phương pháp DPC

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 Giới thiệu về năng lượng gió

2.1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió gi p quay các cối xay bột, gi p các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm gi p đưa các con thuyền di chuyển

Theo những tài liệu cổ còn giữ lại, thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau Công Nguyên tại Ba Tư (lrac ngày nay) Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, chẳng hạn như mô hình cánh gió lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng

Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu tr c có các cánh đón gió quay theo phương ngang, ch ng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió, do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư

Hình 2.1 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13

4

Năm 1888, Charles F Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, 0hio, có đặc điểm là:

* Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m;

* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục máy phát;

* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/ph t;

* Công suất phát định mức là 12kW

Hình 2.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện năm 1988

Vào những năm 1980, tại thị trường California: Thị trường ứng dụng cho các máy phát điện sức gió chỉ thật sự phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 thuộc thế kỷ 20, khi mà cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra Thời gian sau đó, California nổi lên như một địa điểm thu h t các dự án lắp đặt các máy phát điện sức gió của rất nhiều các nhà sản xuất Mỹ, Đan Mạch, Anh, Đức, Nhật Bản, Hà Lan Trong 6 năm, 15.000 máy phát điện sức gió đã được lắp đặt

Từ năm 1990 đến nay: Sau năm 1990, các nước như: Đức, Anh, Hà Lan, Tây Ban Nha, Thụy Điển nổi lên như là những thị trường đầy tiềm năng Sự phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió ở đây không phải xuất phát từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ mà từ những yêu cầu phải bảo vệ môi trường tại các nước đó Các chính phủ x c tiến việc tài trợ cho các dự án nghiên cứu năng lượng mới gồm cả năng lượng gió, cộng thêm sự phát triển của thị trường California trước đó đã tạo c hích mới Nhiều máy phát tiếp tục được áp đặt với dải công suất ngày càng lớn, lên đến hàng chục MW Năm 1990, công suất máy phát lắp đặt chỉ ở mức 200kW nhưng

đến năm 2003 đã lên đến 5MW Kéo theo công suất của một vườn phát điện sức gió tăng vọt, năm 2000 công suất chỉ vào khoảng vài chục MW nhưng đến năm 2003 đã lên đến vài trăm MW

2.1.2 Tài nguyên năng lượng gió ở Việt Nam

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa

Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó

có Việt Nam (Bảng 2) Như vậy, Ngân hàng Thế giới đã giúp cho Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể 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% (Bảng 2)

6

Hình 2.3 Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001 (Màu vàng, đỏ có tốc độ gió trên

7m/s)

Bảng 2.1: Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65m)

< 6m/s

Trung Binh 6-7 m/s

Tốt 7-8 m/s

Rất tốt 8-9 m/s

Lý tưởng

Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn

200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế

là cả một câu chuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc ch ng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam Khi xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn, thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Khi so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió (Hình 2.3) Đây quả thật là một ưu đãi dành cho Việt Nam mà ch ng ta còn thờ ơ chưa nghĩ đến cách tận dụng

8

Hình 2.4 : Gió mạnh vào tháng 12 đến tháng 2 năm sau là sự bổ sung hữu ích cho các tháng thiếu nước của các thủy điện Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia

2001

2.1.3 Dự án đầu tư sản xuất điện từ năng lượng gió

Tiềm năng điện gió ở Việt Nam (ước tính là 110GW) và đang tích cực đầu tư vào lĩnh vực này Thị trường phong điện Việt Nam vì thế mà trở nên nhộn nhịp trong thời gian gần đây Điển hình nhất là công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam REVN (do Viện năng lượng góp vốn và quản lý) Công ty được thành lập năm

2004, vốn điều lệ là 10 tỷ đồng, có lợi thế hơn hẳn các công ty trong nước khác là

sở hữu đội ngũ chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng, các mối quan hệ trong nước, quốc tế sâu rộng Công ty đã đầu tư nhà máy phong điện đầu tiên ở tỉnh Bình Thuận với công suất 120MW

Hình 2.5 Các tổ máy 1.5MW đầu tiên của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận

Nhà máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại-Du lịch Công Lý (Cà Mau) làm chủ đầu tư, được xây dựng tại khu vực ven biển thuộc

ấp Biển Đông A, xã Vĩnh Trạch Đông, thị xã Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu Dự án được xây dựng trên diện tích 500 ha, công suất thiết kế 99 MW, điện năng sản xuất 310 triệu KWh/năm, vốn đầu tư 4.500 tỷ đồng (Một số nhà phân tích cho rằng đầu tư

dự án điện gió, doanh nghiệp sẽ có lợi ích kép nhờ vào Du lịch và Địa ốc, do diện tích triển khai rộng, vị trí địa lý thuận lợi và cảnh quan đẹp)

Công ty CP Năng lượng Thương Tín (51% cổ phần sở hữu bởi Công ty CP Địa ốc Sài Gòn Thương Tín) thì đang đầu tư Nhà máy điện gió Phước Dân với công suất 50MW – tại các xã Phước Hậu, Phước Thái, Phước Hữu và thị trấn Phước Dân

ở Lợi Hải (huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận) có công suất 50-70 MW, vốn đầu tư

từ 100-140 triệu USD Lãnh đạo công ty cho biết “Để dự án này có lợi nhuận, doanh nghiệp phải bán được 7cent USD/kWh”

Ngoài ra còn có dự án liên danh EAB Viet Wind Power Co.,Ltd, (tập đoàn EAB Đức) cũng đầu tư khoảng 1.500 tỷ vào nhà máy điện gió Phước Hữu Tập đoàn EAB còn liên kết với công ty Trasesco của Việt Nam để đầu tư một số dự án khác ở Sóc Trăng

Hiện nay, ngành điện nước ta đang phụ thuộc nhiều vào thủy điện, với hơn 34% lượng điện được sản xuất ở Việt Nam là từ các nguồn thủy điện (lớn và trung bình) [7] Đây là nguyên nhân chính dẫn đến việc thiếu điện trong mùa khô khi các

hồ thủy điện giảm mức nước đáng kể, nhiều hồ còn bị xuống tới gần mức chết Hy vọng rằng các dự án phong điện nói trên và các dự án sắp tới, sẽ góp phần đảm bảo

an ninh năng lượng quốc gia, làm nền tảng cho phát triển kinh tế bền vững

2.2 Đóng góp của tác giả:

Trong các năm qua điều khiển DFIG_DPC đã được thực hiện nhiều ở các luận văn thạc sỹ như: Võ Xuân Hải năm 2009 “Điều khiển định hướng từ thông máy điện gió không đồng bộ nguồn kép_Nghiên cứu điều khiển tốc độ và công suất của DFIG”, Tôn Long Đại năm 2011 “Điều khiển DFIG_Nghiên cứu điều khiển tốc

độ và công suất của DFIG_DPC”

Tuy nhiên việc xem xét trong môi trường gió ổn định và chưa đánh giá cụ thể trong môi trường gió thay đổi lớn Vì vậy luận này được thực hiện nhẳm khắc phục các hạn chế nêu trên của các luận văn trước

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

3.1 Giới thiệu

Máy phát điện và bộ biến đổi công suất là thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng gió Một số loại máy phát điện thường được sử dụng trong hệ thống tuabin gió trước đây là: máy điện cảm ứng rotor lồng sóc, rotor dây quấn, máy điện không đồng bộ với bộ kích từ Các loại máy phát điện này phù hợp cho giải pháp kết nối trực tiếp với lưới điện và làm việc với tốc độ không đổi Với sự phát triển không ngừng của kĩ thuật điều khiển, các loại máy phát sử dụng trong hệ thống năng lượng gió hiện đại ngày càng đa dạng hơn Mục tiêu của chương này là tìm hiểu các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống năng lượng gió và các kiểu

mô hình hệ thống tương ứng với các dạng máy phát điện này

3.2 Cấu tạo của hệ thống phát điện gió

Một hệ thống phát điện gió gồm có nhiều phần hoạt động song song với nhau Cấu tạo có thể khác biệt tùy theo quy mô lớn nhỏ, tối thiểu phải có các bộ phận sau:

 Tháp đỡ

 Tuabin gió có 2 hay 3 cánh quạt

 Bộ phận điều hướng đón gió

 Cơ cấu truyền động cơ khí

 Máy phát điện

 Bộ phận điều khiển và các cảm biến tốc độ Trong hệ thống hiện đại, người ta thêm vào các phần sau:

 Điện tử công suất

 Bộ phận điều khiển với sử hỗ trợ của máy tính

 Bình trữ điện để đáp ứng cho tải trong trường hợp làm việc độc lập

 Đường truyền kết nối với mạng lưới khu vực

Vì rotor có moment quán tính lớn, đã tạo ra những thách thức lớn trong vấn

đề thiết kế liên quan đến quá trình khởi động, điều khiển tốc độ trong vận hành, cũng như dừng tuabin khi cần thiết Phải dùng đến dòng điện xoáy hay phanh hãm

12

để dừng tuabin khi khẩn cấp, l c bảo dưỡng định kỳ Thông thường mỗi tuabin có

hệ thống điều khiển riêng và được đặt ở một khoảng cách an toàn

3.2.1 Tháp đỡ

Hình 3.1 Chi tiết buồng chứa của hệ thống phát điện gió

Tháp đỡ dùng để nâng tuabin và buồng chứa các hệ thống truyền động cơ khí, máy phát điện, bộ phận điều hướng…Chiều cao của tháp phải cao hơn đường kính của cánh quạt rotor Trước đây, chiều cao của tháp từ 20m đến 50m Vấn đề chính trong thiết kế là cấu tr c động lực học Cần tránh mọi tần số cộng hưởng của tháp, rotor và buồng chứa; sự rung động- kết quả của chu kỳ mỏi dưới sự tác động của dao động tốc độ gió Bên cạnh vấn đề nghiên cứu để phát triển chiều cao của tháp, người ta còn ch trọng đến việc khai thác các khía cạnh lắp đặt hệ thống ở ngoài khơi

3.2.2 Cánh quạt tuabin

Cánh tuabin được làm từ gỗ nén, sợi thủy tinh hay các vòng oxy ghép lại Ngày nay, một tuabin gió hiện đại thường có 2 hoặc 3 cánh quạt Khó khăn về cơ khí luôn song hành trong thiết kế vì những lực ly tâm và lý thuyết mỏi dưới sự rung động liên tục Ngoài ra giới hạn cơ khí tối thiểu để chống chọi với những cơn gió lớn đi kèm với việc điều khiển để bảo vệ những cánh quạt, máy phát khi làm việc quá tải hay quá nhiệt Vấn đề quan trọng trong thiết kế là đạt hệ số công suất cực đại, cánh quạt to hay nhỏ sẽ đem lại sự khác biệt lớn trong tiếp nhận và chuyển đổi

năng lượng cơ Cả mối quan hệ về trọng lượng với tháp đỡ, chiều dài cánh quạt với chiều cao của tháp cũng phải quan tâm Mặt khác, tương ứng với công suất nhận được thì giá thành trong lắp đặt sẽ phải tính toán để đạt mức tối ưu

3.2.3 Bộ phận điều hướng

Bộ phận điều hướng điều chỉnh hướng rotor liên tục theo chiều gió Nó có thể đơn giản là cánh quạt đuôi, hay phức tạp hơn trên những tháp hiện đại Sự trượt theo mệnh lệnh có sự giám sát giải thuật điều khiển thích hợp Những cánh quạt quay với moment lớn ở trên cao trong thời gian chuyển hướng thường dẫn đến tiếng

ồn Sự trượt quá nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép, cho nên phải được kiểm soát liên tục

3.2.4 Bộ phận điều khiển tốc độ

Trong 25 năm qua, công nghệ tuabin gió đã thay đổi một cách đáng kể Những tuabin lớn ngày nay được lắp đặt đều hướng đến điều khiển tốc độ dựa trên sự kết hợp điều khiển cơ khí và điện tử công suất tự động Những máy nhỏ thì điều khiển đơn giản bằng tay, chi phí năng lượng thấp Các phương pháp điều khiển tốc độ rơi vào những loại sau:

 Không điều khiển: trong trường hợp này tuabin và máy điện được thiết kế để

s n sàng chống chọi mọi cơn gió lớn

 Điều khiển nghiêng, lệch hướng: trục rotor được điều khiển lệch hướng gió khi tốc độ gió vượt ra khỏi giới hạn cho phép khi thiết kế

 Điều khiển xoay cánh quạt: thay đổi góc của cánh quạt trên trục tuabin tương ứng với sự thay đổi tốc độ gió

 Lẫn tránh cơn gió: trong phương pháp này, khi tốc độ gió vượt ra khỏi tốc độ cho phép, những cánh quạt được di chuyển vào vị trí an toàn

14

Hình 3.2 Thống kê các Phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ

3.3 Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió

3.3.1 Máy phát điện đồng bộ

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

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

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

 Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho

hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió

Hình 3.3 Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy đồng bộ

3.3.2 Máy phát điện cảm ứng

Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén Máy điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện Trong các hệ thống kết hợp nhiều dạng năng lượng khác nhau, công suất phản kháng được cung cấp từ các máy phát đồng bộ hay máy phát Diesel Trong hệ thống năng lượng gió, tụ điện cố định được dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng

Hình 3.4 Máy phát cảm ứng tự kích từ

Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ

cố định, vì vậy ch ng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ Máy phát cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục máy phát hay nhận năng lượng Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức Khi làm việc như một động cơ, rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường, và động cơ cảm ứng sẽ nhận năng lượng để làm quay trục rotor Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của ch ng được nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng

16

bộ bằng động cơ sơ cấp Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió với stator được nối với lưới điện và rotor được quay bởi tuabin gió

Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên

Hình 3.5 Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện

Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở rotor

3.3.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

Máy điện cảm ứng rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator – SCIG) là một máy điện rất phổ biến do có cấu tr c đơn giản Dây quấn stator được nối với phụ tải hay nguồn kích từ Rotor lồng sóc được cách điện và có điện trở lớn nhằm tránh cho rotor bị rung động Đối với tình trạng lưới điện không ổn định, có thể gây ra các sự cố quá nhiệt, moment dao động trên máy phát

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

3.3.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Đối với máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, các bộ dây quấn rotor có thể được nối với vành trượt và chổi theo phương pháp cổ điển, hoặc thông qua bộ biến đổi công suất Hệ thống năng lượng gió trang bị máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn cùng với các bộ biến đổi công suất, việc điều khiển ngõ ra dễ hơn hệ thống dùng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Công suất phần ứng trên stator được điều khiển bởi lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi công suất Tuy nhiên, chi phí máy phát cảm ứng rotor dây quấn cao hơn máy phát rotor lồng sóc

3.3.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

Đối với hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được xem là giải pháp tốt nhất hiện nay Bộ biến đổi điện tử công suất chỉ điều chỉnh 20 30% tổng công suất, do đó tổn hao và chi phí của các

bộ biến đổi công suất có thể giảm Cấu tr c máy phát điện DFIG tương tự máy phát điện cảm ứng dây quấn Mạch stator của máy phát DFIG được nối trực tiếp với lưới trong khi mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trượt như hình 3.7

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG

Máy phát điện gió nguồn kép DFIG là máy phát điện mà cực stator và rotor

có thể phát công suất Khi máy điện làm việc như máy phát, hướng công suất trong máy thể hiện như hình bên dưới, ở đó công suất vào là công suất cơ nhận từ turbin gió

Công suất truyền đến lưới là tổng công suất stator Ps và rotor Pr

18

Hình 3.8 Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ w o

Máy phát có thể vận hành dưới tốc độ đồng bộ: P r < 0, P s> 0 hoặc

vận hành trên tốc độ đồng bộ: P r > 0, P s > 0

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG bao gồm các mục tiêu:

 Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát điện và lưới điện

 Điều khiển tối ưu các điểm vận hành của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận được từ gió

3.4 Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Mục này mô tả các thành phần chính và các đặc tính của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Với mục đích điều khiển định hướng, hệ thống năng lượng gió có thể được tổ chức theo bốn khối chức năng: khối khí động học, cơ học, điện và khối điều khiển độ dốc của tuabin

Hình 3.9 Sơ đồ các khối chức năng trong hệ thống năng lượng gió.[15]

Hệ thống tuabin có thể làm việc với tốc độ cố định hoặc làm việc với tốc độ thay đổi Đối với hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi, máy phát điện

Góc PITCH Điều

khiển

Điều khiển

Nguồn máy phát

cảm ứng được nối trực tiếp với lưới, tần số của hệ thống không đổi và cũng không thể điều khiển Do đó, khi tốc độ gió thay đổi sẽ gây ra sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện Đối với hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi, việc điều khiển tốc độ rotor được thực hiện bởi các thiết bị điện tử công suất, nhờ đó có thể giảm sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió gây ra Tốc độ quay của tuabin gió khá thấp, do đó phải được điều chỉnh theo tần số lưới điện Có thể thực hiện việc điều chỉnh này bằng hai cách: sử dụng hộp số truyền động hoặc thay đổi số đôi cực của máy phát điện Sự thay đổi số đôi cực để thiết lập tốc độ cơ của máy phát theo giá trị tần số điện mong muốn, hộp số dùng để điều chỉnh tốc độ rotor của tuabin theo tốc độ cơ của máy phát

Một số cấu tr c điển hình hệ thống tuabin gió:

- Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi sử dụng máy phát điện cảm ứng

- Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc hay máy phát điện đồng bộ

- Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi trang bị máy phát điện đồng

bộ nhiều cực từ hay máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi được trang bị máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG

3.4.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi

Cấu tr c chung của mô hình hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi Cấu hình này đơn giản, chủ yếu sử dụng cho hệ thống tuabin gió có công suất nhỏ hay trung bình

Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi dùng máy phát cảm ứng nối trực tiếp với lưới điện, tốc độ rotor được xác định theo số đôi cực của máy phát hoặc hộp số truyền động Cấu hình hệ thống tuabin gió này thường có hai cấp tốc độ

cố định, được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát điện có công suất định mức và số đôi cực khác nhau hoặc có thể sử dụng một máy phát với hai bộ dây quấn

20

với công suất định mức và số đôi cực khác nhau Với cách này có thể làm tăng năng lượng nhận được từ gió và làm giảm tổn thất từ hóa khi tốc độ gió giảm thấp

Hình 3.10 Điểm làm việc của hệ thống tuabin gió [19]

Máy phát không đồng bộ trong hệ thống này không cần hòa đồng bộ với lưới điện như đối với máy phát đồng bộ Tuy nhiên, đối với các máy phát có công suất lớn có thể gây ra dòng điện khởi động cao làm ảnh hưởng trên lưới điện chính Mạch điều khiển moment khởi động có thể được dùng để hạn chế dòng điện khởi động Khi tốc độ gió tăng cao, rotor của máy phát có thể được điều chỉnh theo phương pháp Stall để hạn chế công suất phát ra, hoặc có thể dùng phương pháp điều khiển độ trượt Máy phát gió không đồng bộ cho phép thay đổi tốc độ 10%, có thể tăng độ trượt để tăng công suất Tuy nhiên, nếu độ trượt tăng cao thì công suất tổn thất lớn và hiệu suất thấp Vì vậy, các hệ thống hiện đại sử dụng máy phát không đồng bộ với độ trượt thay đổi

Nếu tốc độ rotor gần như không thay đổi, máy phát gió không thể đạt được công suất tối ưu khi tốc độ gió thay đổi Nhược điểm chính của máy phát không đồng bộ là tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện hoặc từ các trạm bù được lắp đặt thêm Đối với các hệ thống hiện đại sử dụng bộ biến đổi công suất để bù thành phần phản kháng tốt hơn

Hình 3.11 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi

3.4.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi

Cấu hình chung của hệ thống này được trang bị thêm một số khối chức năng điều khiển do sử dụng loại máy phát khác và có sự khác biệt trong khối điều khiển điện áp Do đó, công suất phản kháng phát ra hay được tiêu thụ bởi hệ thống không

bị ảnh hưởng bởi máy phát điện

Hệ thống được trang bị máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Hộp số truyền động được thiết kế sao cho tốc độ tối đa của rotor sẽ bằng với tốc độ định mức của máy phát Đối với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu,

sẽ được thiết kế với nhiều cực từ để hệ thống không cần dùng hộp số truyền động Máy phát điện được nối lưới thông qua DC – link hoặc bộ biến đổi tần số, vì vậy hệ thống có thể làm việc với máy phát có tần số không phụ thuộc vào tần số lưới điện

Bộ biến đổi công suất dùng trong cấu hình này sẽ điều khiển toàn bộ công suất của

hệ thống Ưu điểm của cấu hình này là có thể linh hoạt điều khiển hệ thống

Sự thay đổi tần số máy phát khác với sự thay đổi tốc độ rotor Do đó có thể thay đổi tốc độ rotor trong một phạm vi rộng để hệ thống làm việc ở tốc độ tối ưu sao cho công suất phát ra cực đại khi tốc độ gió thay đổi Khi tốc độ gió tăng cao, công suất phát ra cần được giới hạn để bảo vệ hệ thống và được thực hiện bằng hai giải pháp: giải pháp thứ nhất là dùng bộ biến đổi công suất để giữ cố định tần số và

do đó tốc độcũng không đổi, sau đó áp dụng điều khiển Stall hệ thống để giới hạn công suất; giải pháp thứ hai là dùng một bộ biến đổi để giới hạn công suất khi tốc

độ gió tăng cao Không có giải pháp nào có thể tránh hoàn toàn rủi ro quá tốc độ trên rotor khi tốc độ gió tăng cao, do đó mỗi hệ thống cơ học cần được lắp đặt bộ

3.4.3 Hệ thống máy phát điện gió – DFIG

Hình 3.13 Cấu trúc của hệ thống làm việc với tốc độ thay đổi sử dụng DFIG [14] Cấu tr c chung của hệ thống làm việc với tốc độ gió thay đổi sử dụng DFIG

- Khối điều chỉnh độ dốc của cánh quạt dựa trên tốc độ thực tế của rotor, do đó tín hiệu ngõ vào của khối điều khiển này là tốc độ rotor

- Khối điều khiển tốc độ rotor xác định điểm làm việc với công suất cần phải cung cấp tuơng ứng với tốc độ rotor Tín hiệu ngõ vào của khối này cũng là tốc độ rotor

- Bộ biến đổi công suất và hệ thống bảo vệ để điều khiển dòng điện rotor của máy phát DFIG dựa trên điểm làm việc tuơng ứng với tốc độ rotor được cho bởi khối

Công suất phát

Tốc

độ

gió

Điều khiển Rotor

Bộ

DC- AC

AC-điều khiển tốc độ rotor, khối AC-điều khiển điện áp và giá trị điện áp thực tế trên các cực

Máy phát không đồng bộ nguồn kép có thể làm việc với tốc độ rotor cao hơn hoặc thấp hơn tốc độ đồng bộ tương ứng với tần số lưới điện Do đó, có thể điều chỉnh lượng công suất phản kháng cần cung cấp cho máy phát Đối với hệ thống tuabin gió dùng máy phát điện không đồng bộ, bộ biến đổi công suất chỉ có thể đưa công suất từ rotor đến lưới điện trong khi đó với hệ thống sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép, bộ biến đổi công suất có thể truyền tải công suất theo hai chiều

từ rotor đến lưới điện và từ lưới điện vào rotor Bộ biến đổi công suất chỉ điều chỉnh (20 – 30%) tổng công suất của hệ thống

24

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ

KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP –DFIG

4.1 Giới thiệu

Đối với máy điện xoay chiều, những hệ thống điều khiển vận tốc (điều khiển U/f không đổi, điều khiển tần số trượt của motor, điều khiển biến áp) không có khả năng tạo sự điều khiển độc lập giữa từ thông và moment lực như trong điều khiển động cơ điện một chiều Do đó ý tưởng về “định hướng từ” hay còn gọi là điều khiển vector được phát minh nhằm biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện một chiều trên phương diện điều khiển Điều đó cũng có nghĩa là điều khiển vector cho phép điều khiển từ thông và moment lực hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng điện

Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng cực nhanh và chính xác của cả từ thông lẫn moment lực trong quá trình quá độ, tương đương những phản ứng ở máy điện một chiều Vì vậy điều khiển định hướng từ đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm qua trong nhiều loại hệ truyền động của động cơ đồng bộ và không đồng bộ

Chương này trình bày mô hình động của đối tượng DFIG, thích hợp cho việc phân tích các đặc tính của máy điện xoay chiều ba pha ở chế độ xác lập lẫn quá độ

Mô hình toán học DFIG được xây dựng trong cả hai hệ trục tọa độ tham chiếu: hệ trục tọa độ tĩnh stator (hệ trục ) và hệ trục tham chiếu quay với tốc độ đồng bộ (hệ trục dq) Hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục  được dùng để xây dựng

sơ đồ mô phỏng, còn hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục dq làm xuất phát điểm để tìm và xây dựng giải thuật điều khiển

Qui ước dấu động cơ được sử dụng trong luận văn này: Dòng điện có giá trị dương khi nhận công suất từ lưới và ngược lại có giá trị âm trong trường hợp phát công suất lên lưới

4.2 Vector không gian và các phép biến đổi

Ý tưởng đằng sau vector không gian là mô phỏng máy điện theo hai pha thay

vì ba pha để đạt sự phân lập tương đối giữa các biến và giảm tính phức tạp của hệ