Tài liệu Nghiên cứu và phân tích mô hình máy phát điện gió

i 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 giúp 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 (Ký và ghi rõ họ tên) Lưu Tuấn Kiệt ii LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài Luận văn, em được sự chỉ dẫn tận tình của quý Thầy, Cô Bộ môn tham gia giảng dạy lớp chuyên ngành thiết bị mạng và nhà máy điện, Phòng quản lý khoa học công nghệ nghành Thiết bị điện trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS. Huỳnh Châu Duy, người đã giúp đỡ hướng dẫn tận tình và định hướng đề tài để em hoàn thành được luận văn này. Điều này đã giúp em hoàn thành được luận văn đúng tiến độ và tiếp thu được nhũng kiến thức quý giá. LƯU TUẤN KIỆT iii TÓM TẮT Do sự gia tăng khí thải gây ra từ hiệu ứng nhà kính, năng lượng tái tạo được chú ý nhiều hơn. Gió là một dạng năng lượng tái tạo. Đó là một nguồn năng lượng sạch và phong phú, nó có thể sản xuất điện hầu như không có khí thải, các khí gây ô nhiễm. Máy phát điện cảm ứng, máy phát điện cảm ứng nguồn kép và máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là loại máy phát điện, được sử dụng rộng rãi cho các dạng điện gió, đặc biệt là ở vùng sâu vùng xa. Mỗi máy phát điện có một số ưu điểm và khuyết điểm riêng. Luận án này nghiên cứu các dạng máy phát. Mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng Matlab / Simulink trong luận văn này. iv Abstract Due to an increase in greenhouse gas emissions, more attention is being given to renewable energy. Wind is a renewable energy. It is a clean and abundant resource that can produce electricity virtually with no emission of pollutant gases. Induction generators, doubly-fed induction generators and permanent magnet synchronous generators are generator types, widely used for wind powered electric generation, especially in remote and isolated areas. Each generator has some advantanges and disadvantanges. This thesis researches for each generator. The simulation is implemented using Matlab/Simulink in this thesis. v vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. ii TÓM TẮT ....................................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................................... iv MỤC LỤC ....................................................................................................................... v DANH TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................ viii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH ..................................... x CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ..................................................................................... 1 1.1. Giới thiệu .................................................................................................... 2 1.2. Cấu trúc của luận văn .................................................................................13 1.3. Kết luận .....................................................................................................13 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ ..............................................................................................................14 2.1. Giới thiệu ..................................................................................................15 2.2. Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện ..............................15 2.3. Kết luận .....................................................................................................18 2.4. Tài liệu tham khảo ......................................................................................18 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ....................................................................20 3.1.Giới thiệu ...................................................................................................21 3.2. Sự hình thành gió trong tự nhiên ............................................................... 21 3.3. Năng lượng gió ......................................................................................... 21 3.4. Sự phân bố vận tốc gió .............................................................................. 22 3.5. Sự chuyển đổi nãng lượng gió và hiệu suất rotor 3.6. Ðường cong công suất tuabin gió .............................................................. 26 3.7. Các mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió ............................................ 27 3.7.1. Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới .......... 27 3.7.2. Mô hình hệ thống điện gió không lưu trữ và nối lưới ..................... 28 vii 3.7.3. Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới ........................... 29 3.7.4. Mô hình hệ thống điện gió có lưu trữ, máy phát dự phòng và không nối lưới ................................................................................................... 30 3.8. Tuabin gió ................................................................................................. 31 3.8.1. Cấu tạo của tuabin gió ................................................................... 31 3.8.2. Các loại tuabin gió ......................................................................... 33 3.8.3. Trụ tháp ......................................................................................... 34 3.8.4. Máy phát điện ................................................................................ 36 3.8.5. Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu ........................................................... 37 3.8.5.1. Bộ chỉnh lưu ..................................................................... 37 3.8.5.2 Bộ nghịch lưu .................................................................... 38 3.8.6. Điều chỉnh tốc độ tuabin gió ........................................................ 39 3.8.6.1. Điều chỉnh giảm tố ........................................................... 39 3.8.6.2. Điều chỉnh theo độ nghiêng cánh tuabin ........................... 40 3.8.7. Các loại hệ thống máy phát điện tuabin gió .................................. 41 3.8.7.1. Hệ thống máy phát tuabin gió tốc độ cố định .................... 41 3.8.7.2. Hệ thống máy phát tuabin gió tốc độ thay đổi .................. 41 3.9. Hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới điện ................................ 43 3.9.1. Bộ khởi động mềm sử dụng thyristor ............................................ 43 3.9.2. Bộ khởi động sử dụng tụ điện ....................................................... 43 3.10. Kết luận ................................................................................................... 43 3.11. Tài liệu tham khảo ................................................................................... 44 CHƯƠNG 4:NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ....... 46 4.1. Giới thiệu ...................................................................................................47 4.2. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ ......................48 4.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ………………………………………………………………………………….49 4.3.1. Giới thiệu .......................................................................................49 4.3.2. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc......................50 viii 4.3.2.1. Phần stator ..............................................................................51 4.3.2.2. Phần rotor ...............................................................................53 4.3.3. Mô tả toán học của máy phát điện không đồng bộ .........................55 4.4. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ....59 4.4.1. Giới thiệu .......................................................................................59 4.4.2. Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...........62 4.5. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong ...........................................................................................................64 4.5.1. Giới thiệu .......................................................................................64 4.5.2. Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong ..................................................................................................64 4.6. Nhận xét và đánh giá .................................................................................66 4.7. Kết luận......................................................................................................68 4.8. Tài liệu tham khảo ......................................................................................68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...........................69 5.1 Giới thiệu ....................................................................................................70 5.2. Mô phỏng hệ thống phát điện gió với máy phát điện không đồng bộ ..........70 5.3. Mô phỏng hệ thống phát điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ............................................................................................................75 5.4. Mô phỏng hệ thống phát điện gió với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ……………………………………………………………………………..77 5.5. Kết quả mô phỏng…………………………………………………………82 5.5.1. Trường hợp sử dụng máy phát điện không đồng bộ……………....82 5.5.2. Trường hợp sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu...84 5.5.3. Trường hợp sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép….86 5.6. Kết luận......................................................................................................88 5.7. Tài liệu tham khảo .....................................................................................88 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI ...................89 6.1. Kết luận......................................................................................................90 ix 6.2. Hướng phát triển tương lai .........................................................................90 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IG: Induction generatorMáy phát điện không đồng bộ. DFIG : Doubly fed induction generator – Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép IPMSG : Interior permanent magnet synchronous generator Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu bên trong SPMSG: Surface permanent magnet synchronous generator Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên ngoài xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tiềm năng gió của các nước Đông Nam Á (độ cao 65m) ......................... 6 Bảng 1.2. Bảng cấp gió Beaufor .............................................................................. 7 Bảng 1.3. Tiềm năng gió Việt nam .......................................................................... 8 xii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1.1. Công suất lắp đặt trên thế giới 2001 – 2010............................................ 4 Hình 1.2. Khu vực Ninh Thuận – Bình Thuận, Tây Nguyên được đánh giá là có tiềm năng ........................................................................................................................ 9 Hình 1.3. Tiềm năng gió biển của Việt Nam ...........................................................10 Hình 1.4. Lắp đặt và khai thác điện gió trên đảo Trường Sa.................................... 11 Hình 1.5. Hệ thống điện gió ....................................................................................12 Hình 3.1. Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết ...............................................24 Hình 3.2. Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin...................25 Hình 3.3. Đường cong hiệu suất rotor Cp ...............................................................25 Hình 3.4. Góc pitch của cánh quạt tuabin ...............................................................26 Hình 3.5. Đường cong công suất của tuabin gió ......................................................27 Hình 3.6. Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới ................................28 Hình 3.7. Hệ thống điện gió không có lưu trữ và nối lưới ......................................29 Hình 3.8. Hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới .................................................29 Hình 3.9. Hệ thống điện gió có lưu trữ, có máy phát dự phòng và không nối lưới...32 Hình 3.10. Các thành phần chính của tuabin gió .....................................................32 Hình 3.11. Hướng nhìn thẳng của tuabin gió ...........................................................33 Hình 3.12. Hướng nhìn nghiên của tuabin gió.........................................................33 Hình 3.13. Các dạng tuabin gió trục đứng...............................................................34 Hình 3.14. Các dạng tuabin gió trục ngang .............................................................34 Hình 3.15. Các loại trụ tháp ....................................................................................35 Hình 3.16. Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt .....................................................................37 Hình 3.17. Bộ chỉnh lưu cưỡng bức ........................................................................38 Hình 3.18. Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên ....................................................38 xiii Hình 3.19. Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưởng bức.................................................39 Hình 3.20. Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh giảm tốc 41 Hình 3.21. Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh theo độ nghiêng cánh tuabin………………………………………………………………..42 Hình 3.22. Hệ thống máy phát tuabin gió tốc độ cố định ........................................42 Hình 3.23. Hệ thống sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn ...........43 Hình 3.24. Hệ thống sử dụng con chạy điều chỉnh điện trở rotor ............................43 Hình 3.25. Hệ thống điều chỉnh tốc độ với biên độ điều chỉnh rộng ........................43 Hình 4.1a. Mặt cắt các máy điện .............................................................................47 Hình 4.1b Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện ................................................................48 Hình 4.2. Máy phát điện không đồng bộ 1,5 kW.....................................................49 Hình 4.3. Kết cấu máy phát điện không đồng bộ.....................................................50 Hình 4.4. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc ..............................50 Hình 4.5. Vỏ máy ...................................................................................................51 Hình 4.6. Cấu tạo lõi thép stator .............................................................................51 Hình 4.7. Dây quấn stator ......................................................................................53 Hình 4.8. Sơ đồ khai triển dây quấn stator ..............................................................53 Hình 4.9. Lõi thép rotor ..........................................................................................53 Hình 4.10. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn ...................54 Hình 4.11. Thanh dẫn của rotor lồng sóc.................................................................54 Hình 4.12. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ ..................56 Hình 4.13. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ57 Hình 4.14 Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...............................................................................................................60 Hình 4.15 Các chế độ vận hành máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ............. 62 Hình 4.16. Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong .......................................................................................................................65 xiv Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điện với máy phát điện không đồng bộ ...........................70 Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng cho một hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ ...........................................................................................................................70 hình 5.3 khối tuabin gió được mô tả như sau ..........................................................71 Hình 5.4. Hộp thoại khai báo thông số cho tuabin gió .............................................71 Hình 5.5. Các đặc tính công suất của tuabin gió ............................................. …….72 Hình 5.6. Hộp thoại khai báo thiết lập vận tốc cho tuabin gió…………………….. 72 Hình 5.7. Hộp thoại khai báo thông số cho máy phát điện không đồng bộ………..73 Hình 5.8. Hộp thoại khai báo thông số cho đường dây……………………... ........ 74 Hình 5.9. Hộp thoại khai báo thông số cho máy biến áp ....................................... 74 Hình 5.10. Sơ đồ hệ thống điện với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu... 75 Hình 5.11. Sơ đồ mô phỏng cho một hệ thống điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .............................................................................................. 76 Hình 5.12. Hộp thoại khai báo thông số cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ....................................................................................................................... 76 Hình 5.13. Sơ đồ hệ thống điện với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...... 78 Hình 5.14. Sơ đồ mô phỏng cho một hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ............................................................................................... 78 Hình 5.15. Hộp thoại khai báo các thông số cho tuabin gió................................... 78 Hình 5.16. Đặc tính công suất của tuabin gió ....................................................... 78 Hình 5.17. Hộp thoại khai báo các thông số cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ............................................................................................................. 79 Hình 5.18. Hộp thoại khai báo các thông số cho máy biến áp 575V/22kV, 2 MVA ............................................................................................................................ 79 Hình 5.19. Hộp thoại khai báo thông số cho đường dây truyền tải 10 km ............. 80 Hình 5.20. Hộp thoại khai báo thông số cho đường dây truyền tải 20 km ............. 80 xv Hình 5.21. Hộp thoại khai báo các thông số cho máy biến áp 110kV/22kV, 46MVA ............................................................................................................................. 81 Hình 5.22. Hộp thoại khai báo thông số cho nguồn hệ thống điện ......................... 81 Hình 5.23. Vận tốc gió mô phỏng cho trường hợp 1 ............................................. 83 Hình 5.24. Điện áp dây, Vab(đvtđ) sau khi qua các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu của hệ thống điện gió .................................................................................................. 83 Hình 5.25. Điện áp dây, Vab(V) sau khi qua các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu của hệ thống điện gió khi được phóng đại........................................................................ 84 Hình 5.26. Điện áp và cường độ dòng điện pha A, [Va (đvtđ), Ia (đvtđ)] tại thanh cái B1 và sau máy biến áp ...........................................................................................84 Hình 5.27. Điện áp và cường độ dòng điện pha A, [Va (đvtđ), Ia (đvtđ)] tại thanh cái B1 và sau máy biến áp khi được phóng đại .............................................................84 Hình 5.28. Công suất tác dụng, P (kW) và công suất phản kháng, Q (kVAr) phát ra của hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ.........................................85 Hình 5.29. Điện áp dây, Vab(đvtđ) sau khi qua các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu của hệ thống điện gió ...................................................................................................85 Hình 5.30. Điện áp dây, Vab(V) sau khi qua các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu của hệ thống điện gió khi được phóng đại..........................................................................85 Hình 5.31. Điện áp và cường độ dòng điện pha A, [Va (đvtđ), Ia (đvtđ)] tại thanh cái B1 và sau máy biến áp ...............................................................................................................................86 Hình 5.32. Điện áp và cường độ dòng điện pha A, [Va (đvtđ), Ia (đvtđ)] tại thanh cái B1 và sau máy biến áp khi được phóng đại…………………………………. 86 Hình 5.33. Công suất tác dụng, P (kW) và công suất phản kháng, Q (kVAr) phát ra của hệ thống điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ....................86 Hình 5.34. Các đặc tuyến của mô phỏng hệ thống điện gió máy phát điện nguồn kép khi được kết nối lưới điện .......................................................................................87 Hình 5.35. Các đặc tuyến của hệ thống tuabin gió với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ...............................................................................................................88 Chương 1 GIỚI THIỆU Việt Nam nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với trên 3000 km bờ biển. Đây là một thuận lợi cơ bản để phát triển điện gió. 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 theo mùa. Các khu vực có thể phát triển điện gió trải đều trên toàn bộ lãnh thổ với các ảnh hưởng của các chế độ gió khác nhau. Luận văn này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu và phân tích các loại máy phát điện đang được sử dụng và khai thác trong hệ thống điện gió. Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Máy phát điện gió Hình 1.1. Hệ thống điện gió Chương 2 TỔNG QUANCÁC NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 2.1. Giới thiệu Hệ thống phát điện gió đã được con người khai thác và phát triển từ rất lâu. Máy phát điện gió là một trong các thành phần quan trọng của hệ thống này. Các máy phát điện gió đã được nghiên cứu thiết kế và đưa vào khai thác vận hành phổ biến bao gồm: - Máy phát điện không đồng bộ (Induction generator). - Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly fed induction generator - DFIG). -Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu bên trong (Interior permanent magnet synchronous generator–IPMSG). -Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên ngoài (Surface permanent magnet synchronous generatorSPMSG). 2.2. Tổng quan các nghiên cứu và phân tích máy phát điện gió Năm 2001, J. G. Slootweg, H. Polinder và W. L. Kling [2.1] đã giới thiệu mô hình toán của một máy phát điện gió không đồng bộ rotor dây quấn nguồn kép với một bộ biến đổi nguồn áp. Năm 2001, B. Rabelo và W. Hofmann [2.2] đã giới thiệu một mô hình máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn nguồn kép và các chiến lược điều khiển của nó dựa trên phương pháp điều khiển vector. Năm 2003, A. Tapia, G. Tapia, J. X. Ostolaza and J. R. Saenz [2.4] đã trình bày các kết quả mô phỏng và thực nghiệm của một hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép được nối lưới. Năm 2004, Z. X. Fang, X. D. Ping and L. Y. Bing [2.5] đã giới thiệu một mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép trong khung hệ tọa độ tham chiếu d-q mà được đồng bộ với từ thông stator. Năm 2002, T. Nakamura, S. Morimoto, M. Sanada, Y. Takeda [2.6], đã giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội trong hệ thống phát điện gió. Năm 2003, S. Morimoto, H. Nakayama, M. Sanada and Y. Takeda [2.7], đã đề xuất để sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội cho hệ thống phát điện gió tốc độ biến đổi. Năm 2006, S. Morimoto, H. Kato, M. Sanada and Y. Takeda [2.7], tiếp tục đề xuất một chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của một hệ thống phát điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội. Năm 2007, I. Kawabe, S. Morimoto and M. Sanada [2.9], đã nghiên cứu máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của hệ thống phát điện gió. Năm 2007, W. Qiao, L. Qu và R. G. Harley [2.10], đã thực hiện các nghiên cứu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong để cực đại công suất phát và cực tiểu các tổn thất. . Năm 2005, L. Wang và S. S. Chen [2.11], đã giới thiệu các nghiên cứu và ứng dụng máy phát điện không đồng bộ tự kích thích cho một hệ thống điện phát điện gió. Tương tự, năm 2008, L. Wang, H. W. Chen và D. J. Lee [2.12], đã giới thiệu máy phát điện không đồng bộ tự kích được sử dụng cho hệ thống phát điện gió mà được vận hành độc lập. Năm 2003, D. Seyoum, M. F. Rahman, C. Grantham [2.13], đã giới thiệu một mô hình hệ thống điện gió với máy phát điện không đồng bộ được kích thích bằng việc sử dụng bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung. Nghiên cứu cũng giới thiệu một hệ thống điều khiển để duy trì điện áp DC tại một giá trị không đổi bằng việc thay đổi từ thông của máy phát không đồng bộ khi tốc độ rotor thay đổi. Chương 3 HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 3.1. Giới thiệu Để có thể hiểu rõ, cũng như có thể phân tích nguyên lý hoạt động và điều khiển cho các loại máy phát điện gió đã được giới thiệu. 3.2. Sự hình thành gió trong tự nhiên Có thể nhận thấy rằng, bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự chênh lệch về nhiệt độ. Điều này đẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. 3.3. Năng lượng gió Năng lượng gió trung bình của một hệ thống điện gió với khoảng thời gian khảo sát, Tp được biểu diễn như sau [3.1]: Tp E w   Pw dt (3.1) 0 Pw  1 Ar v 3 2 (3.2) Trong đó:  : mật độ không khí (kg/m3), ở điều kiện chuẩn  có giá trị 1,293 kg/m3 Ar: diện tích quét của cánh turbin (m2 ) v: vận tốc gió (m/s) 3.4. Sự phân bố vận tốc gió Mối quan hệ giữa công suất và vận tốc gió theo lũy thừa bậc ba, phương trình (3.2). Vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lượng gió tiềm năng thu được ở một vùng nào đó. Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Một trong những hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió là hàm Weibull. Phân bố Weibull được biểu diễn bởi [3.2]: k v f v     c c k 1 e v   c k ,0  v   (3.3) Trong đó: k > 0 và c > 0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ. Vì thế, vận tốc gió trung bình có thể được biểu diễn như sau:   vk  v  v   vf v dv     0 0 c c Đặt v x  c k 1 e v   c k dv (3.4) k Vận tốc gió trung bình được viết lại như sau: 1 v c  k x c 1 x e dx    k 0 k k (3.5) Trong đó:  : hàm gamma    y    e  x x y 1 dx (3.6) 0 Trong đó: y  1  1 k 3.5. Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor Công suất cơ đạt được từ gió thông qua tuabin chính là sự khác nhau giữa động năng tích trữ của gió ở trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió sau tuabin có vận tốc vd [3.2]. PR  1 Ar v 3C p 2 (3.7) Trong đó: Cp: hiệu suất của tuabin (hệ số công suất của tuabin) Cp  1 1    1   2 2   (3.8) Trong đó:  : tỷ số của tốc độ gió sau cánh quạt và tốc độ gió vào cánh quạt   vd v (3.9) Hệ số công suất lớn nhất được xác định như sau: dC p  d   vd v 1 1    2   1   2  0 2    1 3 (3.10) (3.11) Hệ số công suất cực đại: Cp  1  1  1  16  59,3% 1  1  2   2  3  3  27 Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số,  (Tip speed ratio), được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.   T Rb v (3.12)  T : tốc độ quay của tuabin (rotor) (rad/s) Rb: bán kính của cánh quạt tuabin (m) Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào  mà còn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt tuabin,  (rad) xoay quanh trục của chính nó. Hầu hết, các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có trang bị thiết bị điều khiển pitch như hình 3.4. Cp nói chung là một hàm phi tuyến và khá phức tạp, nhà chế tạo thường cho giá trị Cp đối với mỗi loại tuabin như là hàm của  và góc . Biểu thức xấp xỉ hiệu suất rotor được cho bởi: Trong đó: (3.13) Công suất đầu ra tuabin (pu) 22 , 5 i Tốc độ tuabin (pu) Hình 3.1. Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin Hiệu suất rotor, Cp Trong đó:  116   C p  ,    0,22  0,4   5 e  i  1 1 0,035   3 i   0,08   1 Hình 3.3. Đường cong hiệu suất rotor Cp(, ) Mặt cắt của cánh quạt Mặt phẳng quay Hình 3.4. Góc pitch của cánh quạt tuabin 3.6. Đường cong công suất tuabin gió Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió là đường cong công suất. 3.7. Các mô hình sản xuất điện từ năng lượng gió - Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới - Hệ thống điện gió không lưu trữ và nối lưới - Hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới - Hệ thống điện gió có lưu trữ, máy phát dự phòng và không nối lưới 3.8. Tuabin gió 3.8.1. Cấu tạo của tuabin gió Cấu tạo tuabin gió bao gồm các thành phần chính sau: Hình 3.10. Các thành phần chính của tuabin gió 3.8.2. Các loại tuabin gió: - Trục đứng. - Trục ngang. 3.8.3. Trụ tháp: có chức năng đỡ toàn bộ kết cấu chính của hệ thống tuabin gió. Thông thường, có 3 loại trụ tháp: - Trụ tháp giàn - Trụ tháp hình ống - Trụ tháp kiểu dây chằng 3.8.4. Máy phát điện Máy phát điện là một trong những thành phần quan trọng nhất của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Khác so với các máy phát điện thông thường, máy phát điện của một tuabin gió phải hoạt động dưới điều kiện công suất thay đổi liên tục do vận tốc gió luôn thay đổi. - Với những máy phát điện tuabin gió có công suất nhỏ từ vài W đến vài kW thì sử dụng máy phát điện DC. - Với những máy phát điện tuabin gió có công suất lớn hơn thì máy phát điện AC một pha hoặc ba pha có thể được sử dụng. - Với những dự án năng lượng gió lớn kết nối vào lưới điện thì máy phát điện AC ba pha được sử dụng. Đối với máy phát điện AC, có hai loại máy phát điện được sử dung: - Máy phát điện không đồng bộ. - Máy phát điện đồng bộ. Các nghiên cứu và phân tích chi tiết về vấn đề này sẽ được trình bày trong chương kế tiếp. 3.8.5. Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu Có hai loại bộ chỉnh lưu được sử dụng phổ biến: - Bộ chỉnh lưu không điều khiển sử dụng điốt. - Bộ chỉnh lưu cưởng bức sử dụng IGBT. Có hai dạng bộ nghịch lưu được sử dụng phổ biến bao gồm: 3.8.6. Điều chỉnh tốc độ tuabin gió Khả năng làm việc của tuabin gió bị hạn chế bởi độ bền về mặt cơ khí. Vận tốc gió lớn tại bất kỳ nơi nào chỉ xảy ra khoảng vài giờ trong một năm. 3.8.7. Các loại hệ thống máy phát điện tuabin gió Về cơ bản, hệ thống máy phát điện tua bin gió có thể chia thành hai nhóm chính như sau: - Hệ thống máy phát tua bin gió tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine). - Hệ thống máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi (Variable speed wind turbine). 3.9. Hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới điện Trong quá trình hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới, dòng điện khởi động cao. Trong trường hợp này, dòng điện này cần được giới hạn bằng dòng điện định mức Chương 4 NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 4.1 Giới thiệu Máy phát là thành phần quan trọng của hệ thống biến đổi năng lượng gió. Có những loại máy phát khác nhau được sử dụng với tuabin gió. Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có thể là [4.1]: - Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ. - Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc - Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. - Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. 4.2. Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ Đối với tuabin gió tốc độ cố định, máy phát điện 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. Hộp số Lưới điện Tuabin gió Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc Hình 4.1 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện 4.3. Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi được trang bị một bộ biến đổi công suất mà được đặt giữa stator máy phát và lưới điện. Tốc độ của từ trường quay máy phát điện không đồng bộ: NS  60 f (vòng/phút) p (4.1) Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor và cảm ứng trong rotor sức điện động, e: e   d dt (4.2) Sự tương tác dòng điện rotor và từ thông tạo ra một moment với độ lớn của moment được xác định như sau: T  K  I 2 cos  2 (4.3) Hệ số trượt, s: s Ns  Nr Ns Điện trở stator quy đổi về rotor: (4.4)