Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện turbin gió

5

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ
VÀ CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1. Tổng quát
1.1.1. Gió
1.1.2. Tốc độ và hướng gió
1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió
1.1.4. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số
1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió
1.2.1. Máy phát điện đồng bộ
1.2.2. Máy phát điện cảm ứng
1.2.3. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc
1.2.4. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
2.2.5. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)
1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định
1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất
1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất


6

1.1. Tổng quát [1]

Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo
1.1.1. Gió
Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ
trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong

quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.
Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động. Sự chuyển
động của không khí được gọi là gió.
Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận
được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn,
thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như
nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau.


7

Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo
những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí
quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp.
1.1.2. Tốc độ và hướng gió
Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên
giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ.
• 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s
• 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph
• 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph
• 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s
Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió được
biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm
mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ.
Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 180 0, hướng
tây ứng với góc 2700.
Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort.
(Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiên được đưa
ra để đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông
hồ, biển…

8

Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét
Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ
công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010.
Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam. Bản đồ phân bố tốc độ gió
được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’. Kết quả mô phỏng được trình
bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km.
Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió. Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC
(International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của
tuabincho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và
sự xáo động gió trong năm.


9

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió
Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió
Tiêu chuẩn

I

II

III

IV

tuabintheo loại

(vùng có

(vùng có

(vùng có

(vùng có

(IEC)
Tốc độ gió tiêu biểu

gió mạnh)
50 m/s

gió khá mạnh)
42,5 m/s

gió trung bình)
37,5 m/s

gió yếu)
30 m/s

của 50 năm v REF
Tốc độgió trung

10 m/s

8,5 m/s

7,5 m/s

6 m/s

70 m/s

59,5 m/s

52,5 m/s

42 m/s

52,5 m/s

44,6 m/s

39,4 m/s

31,5 m/s

bình trong năm v
TB
Tốc độgió cao nhất
trong 50 năm 1.4v
REF
Tốc độgió cao nhất
trong 1 năm
1.05vREF

1.1.3. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió
Công nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus và loại
trụng ngang. Tuabin điện gió trục đứng có hệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình
giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại tuabin điện gió này thường được
sản xuất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW. Trước kia một số
tuabin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind
rotor), phương pháp này có nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió
thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt. Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió được
thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi. Phần
lớn những tuabin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up
wind rotor).


10

Hình 1.3: Tuabinđón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor)
Cho đến nay, phần lớn những tuabin lắp đặt trên thế giới sử dụng hộp số để
chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truyền đến máy phát điện.
Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu
được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử
dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực
tiếp với hệ thống rotor.
Công nghệ này trong những năm 90 không phát triển vì giá thành vật liệu nam
châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao. Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm
tăng nên công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh.

Hình 1.4: Kích thước và công suất những lọai tuabin điện gió đã được sản xuất
hàng loạt tính đến năm 2012

11

Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tuabin, được gọi là “Khái Niệm
Đan Mạch”. Trong công nghệ này tuabin hoạt động với một tốc độ nhất định để giữ
tần số điện phù hợp với lưới điện.

Hình 1.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức,
công suất mỗi trụ 6 –7,5MW

Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ


12

1.1.4. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số

Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số
1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió [2][9]
1.2.1. Máy phát điện đồng bộ
Như chúng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định
theo số cực từ và tần số của lưới điện. Vì vậy, các cánh quạt 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.


13

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

Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho
mạch kích từ. Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh ra hai vấn đề bất lợi cho
hệ thống:
- Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới
điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích từ.
- Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một
chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp.
- Do máy phát điện làm việc với tốc độ 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 1.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ
1.2.2. 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


14

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 1.9: 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 chúng 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 chúng được
nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn
tốc độ đồng 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.


15

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

Hình 1.10: 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.
1.2.3. 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 trúc 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 1.11: Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

16

1.2.4. 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.
1.2.5. 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 trúc 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:

Hình 1.12: 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


17

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 .

Ps
a)w < wo

Ps
b)w > wo

Hình 1.13: Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ wo
Máy phát có thể vận hành dưới tốc độ đồng bộ: Pr < 0, Ps> 0 hoặc vận hành
trên tốc độ đồng bộ: Pr > 0, Ps> 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 bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công
suất thực nhận được từ gió.
1.3. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió [5], [10], [11]
Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi
thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với tuabin gió tốc độ
cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc
được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó
không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với
hệ thống turbine gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao
động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với


18

turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử
công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể
được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công

suất gây nên bởi hệ thống làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện.
Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi
thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ
gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao
động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được
hạn chế.
Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi turbine gió có thể được
cải thiện hơn so với turbine gió tốc độ cố định. Vì tốc độ quay của tuabin gió khá
thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo
hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát. Số cặp cực từ
thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ
quay của turbine theo vận tốc máy phát.
Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây
được đề cập:
- Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ.
- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc
hoặc máy phát đồng bộ.
- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai
phía.
1.3.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định
Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc
được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi
lưới điện như hình 1.14.


19

Hình 1.14: turbine gió cố định
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai
tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định

mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây
với định mức và số cặp cực khác nhau. Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công
suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát
không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ
trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.
Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này
có 3 nhược điểm chính:
- Không thể điều khiển công suất tối ưu.
- Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi
tốc độ thay đổi đột ngột.
- Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control).
1.3.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất
Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa
stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc
máy phát đồng bộ (SG). Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận


20

được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng
như chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên.

Hình 1.15: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi
1.3.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất
Hệ thống bao gồm turbine gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía
DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn được
nối thông qua một bộ biến đổi công suất back to back như hình 1.14. Ngày nay, cấu
hình này trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn
bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể
so với cấu hình biến đổi toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết

bị biến đổi công suất cũng thấp hơn.

Hình1.16: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi điện tử công suất