Tài liệu Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------o0o------------------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG TRẠM PHÁT PHONG ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ BÙI THANH TÙNG THÁI NGUYÊN 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG TRẠM PHÁT PHONG ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ Học viên : Bùi Thanh Tùng Người HD Khoa Học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn THÁI NGUYÊN 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 11 năm 2011 Tác giả luận văn Bùi Thanh Tùng LỜI CÁM ƠN Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng cao. Năng lượng tái tạo còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Một trong những vấn đề cần phải được giải quyết, đó là năng lượng gió không ổn định và mang tính chu kỳ. Năng lượng gió thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là không gian và thời gian. Chính vì thế việc nhanh chóng điều tra, đánh giá để xác định các số liệu về tốc độ gió ở một khu vực cụ thể là việc làm rất cần thiết và quan trọng đối với công tác nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sử dụng năng lượng gió. Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung: “Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng như sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài. Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn tương đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh và có ý nghĩa hơn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa sau đại học Trường Đại học KTCN Thái Nguyên, và đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn khoa học GSTS. Nguyễn Văn Liễn đã trang bị kiến thức, dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian qua. Thái nguyên, ngày 25 tháng 11 năm 2011 Học viên Bùi Thanh Tùng Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TĂT 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4 TỔNG QUAN 5 1. Tính cấp thiết của đề tài 5 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6 3. Phương pháp nghiên cứu 6 4. Nội dung luận văn 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH VÀ PHONG 8 ĐIỆN 1.1. Các nguồn và công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo. 8 1.2. Hệ thống năng lượng gió. 10 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB-KTVC 17 2.1. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). 17 2.2. Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB- 20 KTVC CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DÙNG TRONG TRẠM PHÁT PHONG ĐIỆN CÔNG SUẤT NHỎ 22 3.1. Bộ chỉnh lưu AC-DC sơ đồ cầu 3 pha không điều khiển. 22 3.2. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter). 23 3.2.1. Mô hình toán học bộ biến đổi DC-DC tăng áp. 3.2.2.Thiết kế bộ điều khiển tuyến tính hóa chính xác và phản hồi HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 1 23 28 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ trạng thái gán điểm cực cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp 3.3. Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck converter) 32 3.4. Bộ biến đổi DC-DC tăng giảm áp, liên kết DC-bus và ắc-quy 34 3.5. Bộ biến đổi DC-AC 36 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN MATLAB & 38 SIMULINK 4.1. Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp 39 4.2. Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hạ áp 43 4.3. Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 PHỤ LỤC 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 2 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT NLMT Năng lượng mặt trời NLG Năng lượng gió TL -HL Thượng lưu và hạ lưu NLM & TT Năng lượng mới và tái tạo NLTT Năng lượng tái tạo PĐCSG Phát điện chạy sức gió KĐB Không đồng bộ KĐB - RDQ Không đồng bộ rotor dây quấn DFIG Máy phát không đồng bộ nguồn kép KĐB - RLS Không đồng bộ rotor lồng sóc ĐK Điều khiển NL Nghịch lưu MP Máy phát DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiều AC-DC Bộ biến đổi xoay chiều- một chiều NLPL Nghịch lưu phía lưới NLMP Nghịch lưu máy phát ĐB - KTVC Đồng bộ kích thích vĩnh cửu CL Chỉnh lưu SG Máy phát sức gió tạo năng lượng xoay chiều PMSG Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu MDBNK Tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 3 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang 14 Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ cố định 15 Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp 16 giữa stator và lưới Hình 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC) 16 Hình 2.1 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản 20 Hình 2.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều 20 khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát Hình 2.3 Cấu trúc chung của hệ thống Hình 3.1 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng áp Hình 3.2 Mạch tương đương khi T1 dẫn, D2 tự khóa Hình 3.3 Mạch tương đương khi T1 khóa, D2 dẫn Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác Hình 3.5 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC giảm áp Hình 3.6 Mạch tương đương của bộ buck Hình 3.7 Cấu trúc bộ biến đổi DC-DC tăng giảm áp Hình 3.8 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha Hình 3.9 Sơ đồ ghép ba nghịch lưu một pha thành nghịch lưu ba pha Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp Hình 4.2 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy Hình 4.4 Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC giảm áp, nạp điện cho ăc-quy Hình 4.5 Mô phỏng khối DC-AC, gồm 3 nghịch lưu một pha ghép lại Hình 4.6 Dòng điện tải Hình 4.7 Mô phỏng điện áp HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 4 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn 21 24 24 25 32 33 33 34 35 36 39 40 42 43 45 46 47 Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của để tài: Các bộ biến đổi điện là vấn đề kinh điển, tuy nhiên để nâng cao chất lượng điện áp và độ ổn định cũng như khắc phục tính phi tuyến của điện áp là vấn đề thời sự. Ở Việt Nam hiện nay có khá nhiều nhà máy phong điện với công suất khác nhau, việc nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng điện áp như một nhu cầu quan trọng trong hệ thống điện. Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia. Nó có ý nghĩa rất quan trọng song song với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sản xuất, công nghiệp, du lịch,... Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lên ngày một rõ rệt. Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khá mạnh mẽ và rộng khắp. Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyền buồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV. Hơn thế nữa từ vài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên liệu khai thác được từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khối lượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá thạch. Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại được nhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị và quy mô ứng dụng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra hệ thống phát điện. Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ” mang tính cấp thiết và có ý nghĩa rất quan trọng điều kiện tình hình kinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay. HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 5 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ. Phong điện thường xuyên làm việc ở vùng tốc độ không ổn định, điện áp có tính phi tuyến. - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả dự kiến giúp nâng cao chất lượng điện áp trong trạm phát phong điện và khai thác vận hành, cải tiến các thiết bị hiện có. 3. Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết được những vấn đề của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: - Tổng hợp đánh giá về các nguồn năng lượng mới và tái tạo, hiện trạng về ứng dụng các nguồn NLM & TT trên thế giới và ở Việt Nam. - Phân tích tiềm năng về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam để đưa ra biện pháp sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả nhất. - Xây dựng mô hình và mô phỏng trong hệ thống. 4. Nội dung nghiên cứu: Bản luận văn được chia làm 4 chương với nội dung như sau: Chương 1 Tổng quan về năng lượng sạch và phong điện Nghiên cứu về các nguồn năng lượng mới và tái tạo và hệ thống năng lượng gió. Chương 2 Nghiên cứu về máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu và hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC - Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. - Nghiên cứu về hệ thống hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC Chương 3 Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi dùng trong trạm phát phong điện công suất nhỏ HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 6 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ - Cầu ba pha chỉnh lưu không điều khiển - Bộ biến đổi DC-DC - Bộ biến đổi AC-DC - Bộ biến đổi DC-DC tăng giảm áp Chương 4 mô phỏng các bộ biến đổi trên Mat lap & Simulink - Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng áp - Mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hạ áp - Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 7 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SẠCH VÀ PHONG ĐIỆN 1.1. Các nguồn năng lượng mới và tái tạo. 1.1.1. Nguồn năng lượng mặt trời. Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của sự sống trên trái đất. Có thể nói đây là nguồn năng lượng rất phong phú mà thiên nhiên đã ban tặng cho chúng ta. Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. 1.1.2. Nguồn năng lượng gió. Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu. 1.1.3. Nguồn năng lượng thuỷ điện nhỏ. Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm năng về năng lượng (gọi là thuỷ năng). Thông thường nguồn thuỷ năng phụ thuộc vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua. Nguồn thuỷ năng có thể phân bố đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối. Để tập trung năng lượng của dòng chảy, nghĩa là để tạo được độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu người ta sử dụng một số phương pháp kiểu trạm thuỷ điện như: Phương pháp tập trung năng lượng bằng đập ngăn, phương pháp tập trung năng lượng bằng đường dẫn và phương pháp tổng hợp tập trung năng lượng dòng chảy. 1.1.4. Nguồn năng lượng sinh khối. Sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát triển trên cạn cũng như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 8 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ phê..., các loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm.... Sinh khối là nguồn năng lượng đầu tiên của loài người và mặc dù ngày nay các nguồn năng lượng hoá thạch như: tha đá, dầu mỏ, khí đốt là các nguồn năng lượng chính nhưng sinh khối vẫn còn được sử dụng với một khối lượng và tỉ lệ khá lớn, nhất là ở các nước đang phát triển. Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh. Nó tồn tại và phát triển được trên hành tinh chúng ta là nhờ có ánh sáng mặt trời. Các loại thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các khoáng chất, nước và các nguyên tố vô cơ khác thành các chất hữu cơ. Phản ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật. Nếu kể đến cả sản phẩm oxy của phản ứng quang hợp ta có thể nói rằng sinh khối nói chung và thực vật nói riêng có ý nghĩa quyết định đối với sự sống trên hành tinh chúng ta. Năng lượng sinh khối hoàn toàn có thể thay thế các nguồn năng lượng hoá thạch đang bị khai thác cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề. 1.1.5. Nguồn năng lượng địa nhiệt. Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên ở trong lòng quả đất, dưới một lớp vỏ không khí không dày lắm, nhiệt độ lên đến 10000 C đến hơn 40000 C. Còn ở lớp trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 150 C, dưới lớp đó là một lớp có nhiệt độ bình quân là 5400 C, còn tại lớp lõi trong nhiệt độ bình quân là 70000 C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini (Pa), Urani (U)...vv, năng lượng do các phản ứng phóng xạ được tích tụ trong lòng quả đất hàng triệu năm với một lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp suất cao. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm) ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời. Dưới tầng Thường ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng. Theo đánh giá của các chuyên gia, có khoảng 10% diện tích vỏ quả đất có chữa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng của nó. Các nguồn này có thể cung cấp cho nhân loại một nguồn năng lượng rất lớn. 1.1.6. Nguồn năng lượng đại dương. Nguồn năng lượng này được chia thành 3 loại chính: Năng lượng thuỷ triều, năng lượng nhiệt đại dương và năng lượng sóng biển. Tiềm năng là vô cùng to lớn, gió thổi trên một khoảng không gian bao la trên các đại dương sẽ tạo HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 9 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ ra sóng biển dữ dội, liên tục và mang theo một nguồn năng lượng có thể nói là vô tận. Thuỷ triều là kết quả giữa lực hút của mặt trời, mặt trăng với quả đất và do sự chuyển động của quả đất xung quanh mặt trời, cũng như sự quay xung quanh trục nghiêng của quả đất. Với năng lượng nhiệt đại dương có thể xem như một nhà máy nhiệt hoạt động với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng sâu tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng một loại nhiên liệu nào cả. Nhiệt độ đại dương không biến đổi nhiều từ ban ngày sang ban đêm và vì vậy có thể coi là nguồn nhiệt rất ổn định. tuy nhiên có thể sẽ thay đổi theo mùa và phụ thuộc vào khoảng cách đến xích đạo. Cuối cùng là năng lượng sóng biển, đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. 1.2. Hệ thống năng lượng gió. 1.2.1. Đặt vấn đề. Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió ngày càng tăng ở mỗi quốc gia trên toàn thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, vì: - Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường. - Nhu cầu ngày càng lớn về điện năng trên toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, đòi hỏi phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng. - Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng dụng nhằm phát triển lĩnh vực tái tạo năng lượng gió ở nước ta phát triển mạnh hơn nữa. HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 10 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các tuốc bin gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều tuốc bin gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền, hoặc được xây dựng trên các vùng biển “offshore”. Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên tới hàng chục MW. 1.2.2. Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió. 1.2.2.1. Khái niệm về năng lượng gió. Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện. Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện. 1.2.2.2. Cấu tạo tuabin phong điện. Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại: - Một loại theo trục đứng ( giống như máy bay trực thăng.) - Một loại theo trục ngang. HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 11 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi. Ngày nay tuabin gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi. Tuabin gió trục ngang gồm các phần chính sau đây: - Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. - Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay. - Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ. - Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng. - Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió. - Generator: Máy phát (Phát ra điện) - High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao - Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp . HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 12 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ - Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc. - Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện. - Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục. - Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn. - Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng tuabin gió. - Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió. - Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định được hướng gió. HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 13 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ Hình 1.1 Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang 1.2.2.3. Công suất tuabin gió. Dãy công suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài MW. Để có dãy công suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm nhưng tuabin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện. Các tuabin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình. Viễn thông hoặc bơm nước đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin và hệ thống quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này. 1.2.2.4. Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió. Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một tuabin gió làm việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện. Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện. Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở tốc độ 30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường. Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn. Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi. Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới. Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió. HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 14 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ Gearbox IG Soft starter Transformer Capacitor bank Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ cố định Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định. Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép (MDBNK). Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ. Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Các hệ thống phát điện HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 15 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Nghiên cứu thiết kế các bộ biến đổi trong trạm phát phong điện công suất nhỏ turbine gió công suất nhỏ và vừa hiện nay vẫn sử dụng phổ biến loại turbine tốc độ thay đổi sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) Gear Box NLMF NLPL = ~ SG Grid = ~ Hình 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC) CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB-KTVC. 2.1. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). 2.1.1. Khái niệm chung. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanet Magnet Synchhronous Generator) là máy phát điện đồng bộ có công suất nhỏ, tuy nhiên điểm khác biệt của nó với các máy phát đồng bộ thông thường là ở phần cảm (roto ) từ thông được tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu mà không dùng cuộn dây kích từ. Máy phát điện đồng bộ hoạt động duy nhất ở tốc độ đồng bộ, tốc độ không đổi này được xác định bằng số đôi cực và tần số điện áp của cuộn dây phần ứng. Máy điện đồng bộ được gọi là máy đồng bộ bởi vì tốc độ của chung tỷ lệ bậc nhất với tần số điện áp của cuộn dây stato. HV: Bùi Thanh Tùng K12-TĐH 16 HDKH: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn