Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió dfig dùng kỹ thuật trượt...

Tài liệu Nghiên cứu điều khiển máy phát điện gió dfig dùng kỹ thuật trượt

.PDF
59
504
110

Mô tả:

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Ngày nay, kinh tế thế giới ngày càng phát triển, kéo theo sự mở rộng của các vùng công nghiệp sản xuất, dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng cao, chất lượng cung cấp điện càng phải ổn định. Trong khi đó, dù ngành điện cũng có những bước tiến vượt bậc,không ngừng thay đổi các phương thức vận hành sao cho việc sản xuất, cung cấp điện năng ngày càng hiệu quả. Tuy nhiên ngành điện đang vấp phải khó khăn đó là các nguồn nhiên liệu chính để phát điện - năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt; khí thải CO2 từ nền công nghiệp, từ hệ thống nhiệt điện là nguyên nhân chính tạo hiệu ứng nhà kính gây hiện tượng nóng lên toàn cầu.Chính vì thế nhu cầu cấp thiết hiện nay là phải có mô hình lưới điện được tối ưu cả về tính tin cậy cung cấp điện và kích thích nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường.Trong đó năng lượng gió là một nguồn năng lượng đáng được xem xét. Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng luợng từ mặt trời dến trái đất vào khoảng 173.000 tỉ KW, còn năng luợng gió vào khoảng 3.500 tỉ KW. Chỉ có đến 1-2% năng luợng đuợc chuyển thành gió (gấp 50 đến 100 lần của toàn bộ năng lượng được chuyển hoá từ mặt trời của toàn bộ cây cối trên toàn trái đất). Trong khi đó, tiềm năng dể khai thác sản sinh ra điện theo phương pháp truyền thống như thủy điện, nhiệt điện dã dần cạn kiệt. Riêng tại Việt Nam một phần nguồn năng luợng điện rất lớn được khai thác từ thủy điện, tuy nhiên theo báo cáo từ các Hội thảo Khoa Học gần đây cho thấy, tiềm năng này sẽ không còn trong vòng vài mươi năm nữa. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây bài toán về môi truờng toàn cầu đuợc đưa vào trong tất cả các ngành công nghiệp, chúng ta phải tìm mọi cách dể hạn chế đến mức thấp nhất những yếu tố có ảnh huởng xấu tới môi truờng nhu cacbon oxít, oxít nitơ, oxít lưu huỳnh,…Ðứng truớc tình thế này thì năng lượng gió là nguồn năng lượng đáng được xem xét. 2 Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lượng gió càng trở nên rõ rệt. So với các nguồn năng lượng gây ô nhiễm (ví dụ như ở nhà máy nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi sử dụng năng lượng gió, người dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa màu hay tái định cư, và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏe doônhiễm. Ngoài ra với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư, năng lượng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải. 1.1.1 Tình hình năng lượng gió trên thế giới và nhu cầu phát triển: Nhận thức giá trị của nguồn năng lượng này từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX một số nước đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo turbine gió phát điện. Đầu thập kỷ 90 năng lượng gió đã bắt đầu phát triển mạnh, thị trường thế giới về lắp đặt các turbine gió phát triển nhanh chóng. Năm 2010 công suất lắp đặt turbine gió trên toàn thế giới đạt 21 GW. Với tốc độ tăng trưởng như vậy tới năm 2020 năng lượng từ sức gió sẽ đáp ứng 12% nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới và đến những năm 20302040 tổng công suất năng lượng gió sẽ đạt đến con số 3 triệu MW cung cấp 20% nhu cầu năng lượng điện trên toàn thế giới.Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ ngày nay các trạm phát điện năng lượng gió rất đa dạng từ công suất nhỏ (vài trăm W) phục vụ nạp ắc quy đến công suất lớn (hàng MW). Hiện nay công suất của các trạm phát điện năng lượng gió đã đạt đến con số 5MW, đây là một bước tiến vượt bậc của khoa học và công nghệ. Các trạm phát điện năng lượng gió không chỉ được xây dựng trên đất liền mà đã được xây dựng trên biển, điều này cho thấy rằng năng lượng gió rất được các nước quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Trong sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo turbine gió phát điện phải kể đến sự đóng góp quan trọng của các công ty chế tạo, sản xuất turbine gió hàng đầu thế giới Negmicon A/S, Vestas A/S(Đan Mạch), Nordex, Enercon (CHLB Đức), Gamesa (Tây Ban Nha), Zond systems Inc (Hoa Kỳ). Châu Mỹ:  Mỹ: cho đến năm 2002 đã lắp đặt được 4685 MW 3  Canada: phần lớn sử dụng thủy điện, nhưng với nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng mà nguồn thủy điện lại có hạn nên việc sử dụng năng lượng gió là giải pháp khả thi để bổ sung cho sự thiếu hụt này  Các nước Mỹ Latinh: đây là các nước có tiềm năng to lớn về năng lượng gió, nhiều nhất là ở Brazil và Argentina. Nhưng trở ngại là thiếu cơ sở hạ tầng về lưới điện cao áp để phát triển nguồn năng lượng dồi dào này. Châu Âu:  Đan Mạch: năm 1999 Đan Mạch là quốc gia có ngành công nghiệp năng lượng gió phát triển nhất thế giới. Trong những năm qua Chính Phủ đã tài trợ khai thác nguồn năng lượng xanh và hiện nay năng lượng gió chiếm 11% lượng điện tiêu thụ ở nước này.  Đức: là quốc gia có số lượng máy phát điện gió dẫn đầu thế giới. Hiện chính phủ Đức đang áp dụng giá mua năng lượng mới cho các nguồn năng lượng có thể tái tạo. Đạo luật này nhằm tăng thành phần các nguồn năng lượng có thể tái tạo trong tổng thể các nguồn năng lượng tại Đức.  Tây Ban Nha : ở Tây Ban Nha có nang luợng sức gió rất khả quan, trong những nam qua tốc dộ phát triển nang luợng sức gió ở dây rất cao và hứa hẹn sẽ còn tang trong tuong lai. Với tiềm năng lớn về tài nguyên gió trên một diện tích rộng của đất nuớc, ngành công nghiệp khai thác năng luợng sức gióở Tây Ban Nha dã và dang có những dóng góp tích cực và ổn dịnh cho ngành diện quốc gia. Cho dến năm 2002 dã lắp đặt được 4.830MW. Có thể dự báo rằng Tây Ban Nha sẽ lên vị trí dẫn dầu về ngành công nghiệp nang luợng gió trong vòng vài năm nữa. Châu Á:  Ấn Độ là một trong những nước đứng đầu thế giới về phát triển năng lượng gió. Năm 2004 Ấn Độ đứng thứ 3 thế giới chỉ sau CHLB Đức và Tây Ban Nha. Nếu lấy năm 2000 làm mốc khi đó chỉ có 1220 MW thì đến tháng 03/2005 công suất lắp đặt đạt mức 3595 MW, công suất điện gió đã tăng lên gấp 3 lần. 5 1.1.2 Tình hình năng lượng gió trên thế giới và nhà máy phát điện gió ở Việt Nam: Nuớc ta nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa, với bờ biển dài nên rấtthuận lợi cho việc phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển Ðông Việt Nam và các vùng biển lân cận, cho thấy gió ở biển Ðông khá mạnh và thay đổi theo mùa. Trong chương trình đánh giá về năng lượng Châu Á, Ngân hàng Châu Á đã có khảo sát chi tiết về năng luợng gió khu vực Ðông Nam Á,trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất ước đạt 513.360MW xấp xỉ 200 lầncông suất nhà máy thủy điện Sơn La. Ở nuớc ta chỉ có một số nơi đuợc đề xuất xây dựng nhà máyđiện gió như là Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Trị, các vùng cao nguyên TâyNguyên, các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là 2 tỉnh Bình Thuậnvà Ninh Thuận. Theonghiên cứu của Ngân hàng Thế Giới, có 2 vùng là tiềm năngnhất dể phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát 60-100mphía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió ở vùng này không những có tốc độ gió trung bình lớn từ 7-9m/s, gió có xu thế ổn định và có ít bão. Ðây là diều kiệnrất thuận lợi dể phát triển năng lượng gió. Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ giónam và đông nam lên đến 98% với tốc độ gió trung bình lên dến 6-7m/s ứng với tốcđộ gió này có thể xây dựng các trạm điện có công suất từ 3-3,5MW. Thực tế thìnguời dân ở khu vực này cũng chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng. 6 Bảng 1.2 Tiềm năng về năng luợng gió của Ðông Nam Á (Ngân hàng Thế giới) 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Nuớc ta không phải là nuớc giàu tài nguyên năng luợng. Trong vòng 20 năm tới, nếu không tìm kiếm duợc những nguồn tài nguyên mới, đặc biệt có trữ lượng lớn thì Việt Nam sẽ đứng truớc nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên năng lượng. Chính vì vậy, những giải pháp để đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia đã và đang được Chính phủ đặc biệt quan tâm. Hiện nay, đã có một số giải pháp được tính đến như: nhập khẩu điện, nhiên liệu (than, khí đốt…), phát triển những nguồn năng luợng sẵn có như: gió, thuỷđiện, nhiệt điện và cả điện nguyên tử… Việc phát triển phổ biến năng lượng gió ở nuớc ta là một yêu cầu hết sức cần thiết nhằm giải quyết nhu cầu cung cấp điện cho đồng bào các vùng xa, vùng sâu, hẻo lánh.Do đó, việc phát triển các nguồn năng luợng mới và tái tạo, trong đó có năng luợng gió để phục vụ nhu cầu tại chỗ là hết sức cần thiết. 7 1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ÐỀ TÀI 1.3.1 Ðối tượng nghiên cứu Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DIFG (Doubly Fed Induction Generator). 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:  Mô hình hóa máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG.  Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng,công suất phản kháng trao đổi giữa stator DFIG và luới điện bằng phương pháp điều khiển trượt.  Ðánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự thay đổi tham số mô hình.  So sánh kết quả đạt được với các phương pháp thiết kế khác. 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu tổng quan về năng lượng gió, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang được áp dụng trên thế giới. Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống DFIG. Trình bày mô hình toán học DFIG trong các hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh aßvà hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq .Trình bày tóm tắt cơ sở toán học của phương pháp điều khiển truợt (Sliding mode control). Xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator DFIG bằng phương pháp truợt.Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả và kết luận. Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng trong luận văn này để mô hình hóa DFIG, xây dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng kết quả. 8 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NĂNG LUỢNG GIÓ 2.1.1 Năng lượng gió Xuất phát điểm từ công thức quen thuộc để tính năng lượng tích trữ trong gió: Pw = rv 3 (2.1) Trong đó: ρ– mật độ không khí [ kg/ m3 ], ở điều kiện chuẩn ρ có giá trị 1.293 kg/m3 Ar – diện tích quét của cánh quạt tuabin [m2 ] v – vận tốc gió [m/s ] Năng lượng trong gió tính được bằng cách nhân biểu thức (2.1) với khoảng thời gian Tp (thuờng là một năm). Năng lượng trung bình = ½ ρ Ar ∫ dt (2.2) 2.1.2 Sự phân bố vận tốc gió Từ (2.1) hoặc (2.2),ta thấy rằng mối quan hệ giữa công suất và vận tốc gió theo lũy thừa bậc ba, vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lượng gió tiềm năng thu được ở một vùng nào đó. Tuy nhiên, vận tốc gió luôn thay đổi theo điều kiện thời tiết và điều kiện địa hình. Vận tốc gió trung bình phải được xác định để ước tính năng lượng kỳ vọng nhận được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có khuynh huớng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó. Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể được xác định cho khoảng thời gian một năm.Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Một trong những hàm mật độ xác suất duợc sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió là hàm Weibull .Phân bố Weibull duợc biểu diễn bởi hàm số: f(v) = (2.3) 10 2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor Năng luợng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió PR bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng (năng lượng kinetic) tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc vd . PR = ρ Ar v3 Cp [W] (2.8) Trong đó, Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn được gọi ngắn gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính: Cp= (1+ γ)(1+ γ2) (2.9) là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt và tốc độ gió di vào cánh quạt γ (2.10) Ðể tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (2.9) theo =0.593, ứng với giá trị và tính được Cp,max . Giá trị lý thuyết Cp,max chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59.3% năng lượng từ gió, đây còn được biết đến như là giới hạn Betz (Albert Betz’s Law). Ðường cong hiệu suất rotor được cho ở hình 2.2. Một thuận lợi của công thức lý thuyết (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từ gió. Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát. 13 chế tạo thuờng cho giá trị Cp đối với mỗi loại tuabin như là hàm của λ và góc ß. Một công thức xấp xỉ thuờng được sử dụng của đường cong hiệu suất rotor được cho bởi công thức (2.12) và có dạng đồ thị như hình 2.5. Cp (λ, β) = 0.22 ( Giá trị λi duợc cho bởi quan hệ: – 0.4 β – 5) = (2.12) - Hình 2.5 Ðuờng cong hiệu suất rotor Cp= (λ,ß) 2.1.4 Ðuờng cong công suất tuabin gió Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió chính là đường cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra, thuờng được gọi là đường cong công suất lý tuởng có dạng như hình 2.6. Trong đó, cần phân biệt các thông số:  Vận tốc gió Cut-in ( VC ): Là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và tạo ra công suất (net power).  Vận tốc gió định mức ( VR ): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt dến giá trị VR , công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết 14 kế.Khi lớn hơn VR thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin luợt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát.  Vận tốc gió Cut-out ( VF ): Khi tốc dộ gió tiếp tục tăng và đạt đến nguỡng VF thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, trong truờng hợp này công suất phát ra bằng không. Hình 2.6 Ðuờng cong công suất lý tuởng của tubin gió Khi vận tốc gió lớn, cần phải hạn chế công suất đưa vào tuabin - điều khiển cơ(aerodynamic power control). Trong đó, điều khiển pitch là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi tuabin bằng cách thay đổi góc quay của cánh quạt quanh trục của nó. Hầu hết các tuabin gió tốc độ thay đổi được trang bị bộ điều khiển pitch. Khi dưới tốc độ gió định mức, tuabin cần sản sinh ra công suất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhận được. Trên tốc độ gió định mức, góc pitch cần được điều chỉnh một cách tương tự để giới hạn công suất cơ bằng công suất định mức. Ðối với tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục kiểm tra công suất đầu ra của tuabin. Khi công suất đầu ra quá lớn, bộ điều 15 khiển pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay (pitch) cánh quạt nhằm luợt bớt công suất và xoay cánh quạt theo chiều nguợc lại khi tốc độ gió giảm. 2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát Như đã trình bày ở Mục 2.1.3, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể, phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin. Vì lý do kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần đạt được sản lượng điện năng hàng năm tối đa, để làm được như vậy thì trong vận hành cần phải liên tục thay đổi tốc độ rotor theo từng tốc độ gió để cho λ luôn bằng với giá trị yêu cầu tạo ra Cp cực đại. Theo lý thuyết cung như vận hành trong thực tế cho thấy khi làm việc với tốc độ rotor được điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm công suất cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20 – 30% sản luợng điện năng so với vận hành ở tốc độ cố định [2]. 2.2 CÁC CẤU HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ÐỔI NANG LUỢNG GIÓ Tuabin gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thuờng trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Ðối 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 luới điện nên hầu như không thể điều khiển và do dó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống tuabin gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh huởng đến chất lượng điện năng của lưới diện. Ðối với tuabin 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 luợng điện năng do bị ảnh huởng bởi tuabin gió có thể được cải thiện hơn so với tuabin 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 16 cặp cực từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số luới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc máy phát. Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng luợng gió sau đây được đề cập:  Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ.  Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ.  Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía. 2.2.1 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định Ðối với tuabin 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 luới điện như hình 2.7. Hình 2.7 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ cố định Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thuờng 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 thuờng cho phép làm việc trong phạm vi độ truợt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hon. 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. 17  Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực (Active control). 2.2.2 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến 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 được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chiphí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên. Hình 2.8 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát 2.2.3 Hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc dộ thay đổi sử dụng DFIG Hệ thống bao gồm tuabin gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới diện, trong khi đó rotor được nối thông qua một bộ biến dổi công suất như hình 2.9. 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 bộcông suất phát, thêm vào đó chi phí dầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấphơn. 18 Hình 2.9 Hệ thống biến đổi năng lượng gió được trang bị với DFIG 2.3 MÁY PHÁT ÐIỆN GIÓ CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA DFIG Ðối với hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, DFIG được xem như giải pháp tốt nhất và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Như dã đề cập ở phần truớc, lý do bộ biến dổi công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 – 30% tổng công suất phát, điều này có nghĩa tổn hao trong thiết bị điện tử công suất nhỏ hơn so với cấu hình mà bộ converter phải biến đổi toàn bộ công suất phát. Thêm vào dó, chi phí đầu tư cho thiết bị điện tử công suất cũng thấp hơn. 2.3.1 Máy phát không dồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG DFIG là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có mạch stator được kết nối trực tiếp với lưới diện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất thông qua vành trượt như hình 2.10. Bộ biến đổi công suất gồm hai converter; converter phía máy phát RSC (Rotor Side Converter) và converter phía luới GSC (Grid Side Converter), duợc kết nối theo kiểu “back-to-back”. Một tụ diện dc-link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng luợng. 20 Ðể đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến dổi công suất ở cả hai phía máy phát RSC và phía luới GSC (hình 2.7) đều phải là nghịch lưu có khả năng diều khiển dòng công suất theo hai chiều (bi-directional). Hình 2.11 Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức PQ, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều này ngược với máy điện không đồng bộ thông thuờng). Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa DFIG và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất thực. Bộ converter phía máy phát RSC cho ta các thuận lợi sau:  Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về luới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (trong truờng hợp luới yếu).  Có thể hoàn toàn kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp luới.  Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng,cũng như điều khiển mômen, tốc độ máy phát hoặc diều khiển hệ số công suất đầu cực stator. Trong khi đó, mục đích chính của bộ converter phía lưới GSC là để giữ cho điện áp dc-link không đổi. 2.3.2 Sơ dồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập: Sơ đồ tương đương của DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho ở hình 2.12. Sơ đồ này chỉ thích hợp cho các phân tích và tính toán ở trạng thái xác lập, 21 dây quấn nối Y. Trong truờng hợp dây quấn Δ có thể qui đổi về mô hình tương đương Y, phương pháp jω được sử dụng cho các tính toán. Hình 2.12 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập Ðể ý rằng nếu điện áp rotor Vr được nối ngắn mạch thì mạch điện tương đương DFIG trở về mạch điện tương đương nguyên thủy của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc. Các phương trình điện áp: Vs = Rs Is + j ωs Lls Is + j ωs Lm (Is + Ir + IRm ) = (Rr /s) Ir + jωs Llr Ir + j ωs Lm (Is +Ir +IRm ) (2.13) 0 = Rm IRm + jωsLm (Is+Ir+IRm ) Trong đó: Vs điện áp stator Rs điện trở stator Vr điện áp rotor Rr điện trở rotor Is dòng stator Rm điện trở từ hóa Ir dòng rotor Lls điện cảm tản stator IRmdòng điện từ hóa Llr điện cảm tản rotor ωS tốc độ đồng bộ Lm điện cảm từ hóa ωr tốc độ rotor ωsl tốc độ truợt s hệ số trượt s= (ωsl – ωr)/ ωS = ωsl/ ωS (2.14) Từ thông khe hở không khí, stator và rotor lần luợt: Ψm = Lm (Is +Ir +IRm) Ψs = LlsIs + Lm (Is +Ir +IRm) =LlsIs + Ψm (2.15) 22 Ψr = LlrIr + Lm (Is + Ir +IRm) = LlrIr + Ψm Thông qua một số phép biến đổi, ta được: Vs =Rs Is + jωsψs Vr /s = Ir +jωsψr (2.16) 0= RmIRm + jωsψm Tổn hao và mômen điện từ được tính theo các biểu thức: Pth = 3 (Rs |Is2| +Rr |Ir2| +Rm |IRm2| (2.17) Te = 3p Im [ψm Ir*] (2.18) 2.3.3 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG Ðể khảo sát sự phân bố công suất giữa các cuộn dây của DFIG, công suất biểu kiến cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor phải được xác dịnh. Công suất biểu kiến cuộn stator Ss và rotor Sr có thể được tính theo: Ss =3VsI*S =3RS |Is|2 +3jωSLls|Is|2 +3jωS ψmI*s (2.19) Ss = 3Vr I*r =3 Rr |Ir|2 +3jωsLlr|Ir|2 +3jωs ψmI*r Với giả thiết bỏ qua các tổn hao đồng trong mạch stator, rotor và tổn hao sắt từ, công suất tác dụng của cuộn stator và rotor duợc tính gần đúng: Ps =Re [Ss] = 3Rs |Is|2 +3Rm |IRm| + 3ωsIm [ψmI*r] Pr =Re [Sr] = 3Rr |Ir|2 - 3ωsIm [ψmI*r] 3ωsIm[ψmI*r] (2.20) - 3ωsIm[ψmI*r] Từ các biểu thức trên, công suất có được xác dịnh bằng tổng công suất tác dụng củacả hai cuộn stator và rotor. Pm = 3ωSIm[ψmI*r] – 3sωsIm[ψmI*r]=3ωslIm[ψmI*r] Suy ra: Ps = Pm , Pr = - Pm (2.21) (2.22) Từ đây ta rút ra nhận xét, sự phân bố công suất tác dụng giữa các cuộn dây stator và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số truợt. Công suất qua mạch rotor (qua bộ biến đổi công suất) ngược dấu và xấp xỉ bằng công suất cuộn stator nhân với hệ số truợt Pr =-sPS, còn được gọi là công suất trượt. Ta có sơ đồ phân bố 23 công suất như hình 2.13. Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rotor có thể đi theo hai chiều:  Từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor Pr < 0 ở chế dộ duới đồng bộ  Và ngược lại từ mạch rotor qua bộ biến đổi công suất đến luới Pr > 0 ở chế dộ trên đồng bộ. Trong cả hai truờng hợp trên, mạch stator đều phát công suất về luới Ps >0 .Như vậy, khi hệ thống biến đổi năng luợng gió cho phép vận hành trong phạm vi thay đổi tốc độ Δω=± %30 quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong phạm vi s =± 0.3, thì công suất định mức của bộ biến đổi công suất chỉ cần được thiết kế bằng % 20-30 công suất định mức của máy phát. Ðịnh mức của bộ biến đổi công suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ được chọn, chi phí cho bộ biến đổi công suất vì thế tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi tốc độ cho phép tăng hay giảm. Hình 2.13 Sự phân bố công suất giữa các cuộn dây DFIG không tổn hao 2.4 HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ TRANG BỊ DFIG Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc thay dổi DFIG bao gồm các mục tiêu: điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và luới điện, diều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận từ gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào nhằm tránh quá tải cho máy phát khi tốc dộ gió 25 khiển DFIG. Vì thế, nó cung cấp tín hiệu điều khiển ßref trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng Pref cho kênh điều khiển DFIG. Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 2.14 đòi hỏi thông tin các tín hiệu đo lường: công suất tác dụng Ps ref và công suất phản kháng Qs mea (tại điểm M đầu cực stator hoặc trên luới điện), điện áp Udc mea trên dc-link, dòng diện qua bộ lọc if mea (tại điểm N), tốc độ máy phát ωr mea và dòng diện rotor irmea. Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:  Giá trị điều khiển công suất tác dụng Ps ref thông tin này được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin gió.  Giá trị điều khiển công suất phản kháng Qs ref , giá này có thể được gán bởi nguời vận hành. Chẳng hạn, trong truờng hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát công suất kháng dể hỗ trợ điện áp luới.  Giá trị diều khiển diện áp dc-link Udc ref được quyết dịnh bởi kích cỡ của bộ converter, tỷ số điện áp stator - rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi công suất. Kênh điều khiển tuabin tạo ra hai tín hiệu điều khiển:  Giá trị điều khiển công suất tác dụng Ps ref là tín hiệu đặt (setpoint) cho kênh điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy phát ω mea r và công suất đo lường Ps mea tại điểm M. Ví dụ, khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển bằng cách hiệu chỉnh vận tốc máy phát dể tuabin nhận được công suất tối đa từ gió.  Giá trị điều khiển ß ref được đưa trực tiếp đến cánh quạt tuabin, bộ chấp hành góc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiển công suất. Giá trị này được tạo ra dựa trên thông tin công suất đo luờng Psmea và công suất định mức Pn ref (thuờng là giá trị danh định của tuabin được cho bởi nhà chế tạo). Khi tốc dộ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn Pn ref , kênh điều khiển tuabin sẽ giữ góc pitch trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều khiển Ps ref cho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau 26 đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ cho công suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin. Trong truờng hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ ra lệnh cho khâu chấp hành góc pitch hiệu chỉnh giá trị ß để lượt bớt công suất và ra lệnh cho kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển Ps ref bằng giá trị định mức Pn ref , kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi được định truớc. 2.5 VẬN HÀNH CÔNG SUẤT TUABIN GIÓ Ở khía cạnh kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần phải tính đến khả năng khai thác tối đa năng lượng từ gió, vì công suất phát ra tỷ lệ thuận trực tiếp với hiệu suất rotor, hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại tuabin. Do dó, tốc độ quay của máy phát cần phải được diều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì λ tối ưu. 2.5.1 Vận hành công suất cực đại Trong thực tế, các hệ thống biến đổi năng lượng gió thường được vận hành theo hai chế độ, chế độ thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số và chế dộ vận hành thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất. Thuận lợi của chế dộ vận hành thứ nhất là luới điện duợc cấp một luợng công suất không đổi, tuy nhiên năng luợng từ gió không được sử dụng hiệu quả. Ở chế dộ vận hành thứ hai, tối ưu hóa năng luợng nhận được từ gió trong một phạm vị thay đổi tốc độ làm việc cho phép, chế độ vận hành này thường được áp dụng cho các tuabin công suất lớn, tuy nhiên dòng công suất đưa lên lưới thay dổi. Có hai cách thực hiện diều khiển tối uu công suất đầu ra của máy phát điện gió 2.5.1.1 Ðiều khiển tối ưu Tip - Speed - Ratio Theo cách này, tốc dộ gió được đo lường liên tục. Trên cơ sở dữ liệu gió đo được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu λ theo từng giá trị tốc độ gió và
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan