Tình hình phát tri ển phong điệ n trên th ế gi ớ i và Vi ệ t Nam
Năng lượ ng gió
Gió là luồng không khí di chuyển trên quy mô lớn, tạo thành những khối không khí lớn trên bề mặt Trái Đất Trong không gian vũ trụ, gió mặt trời được hiểu là sự di chuyển của các khí và hạt tích điện từ mặt trời vào không gian.
Năng lượng gió, một dạng động năng của không khí trong bầu khí quyển, là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời Việc khai thác năng lượng gió đã tồn tại từ lâu, trở thành một trong những phương pháp lấy năng lượng từ thiên nhiên từ thời kỳ Cổ đại.
Năng lượng gió được hình thành từ sự không đồng đều của bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí.
Một nửa bề mặt Trái Đất vào ban đêm không nhận được bức xạ mặt trời, dẫn đến sự khác biệt về nhiệt độ và áp suất không khí giữa xích đạo và hai cực Sự chênh lệch này, kết hợp với sự di động của không khí giữa ban ngày và ban đêm, tạo ra gió Ngoài ra, sự xoay tròn của Trái Đất và độ nghiêng của trục quay so với mặt phẳng quỹ đạo cũng góp phần hình thành các dòng không khí theo mùa.
Gió hình thành do sự chênh lệch áp suất khí quyển, khi không khí di chuyển từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp, tạo ra các cơn gió với tốc độ khác nhau Hiệu ứng Coriolis, do sự quay của Trái Đất, ảnh hưởng đến hướng di chuyển của không khí, khiến cho gió không đi thẳng mà hình thành các cơn gió xoáy với chiều xoáy khác nhau ở Bắc bán cầu và Nam bán cầu.
Từ góc độ vũ trụ, không khí ở Bắc bán cầu di chuyển vào vùng áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và thoát ra khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ.
Trên Nam bán cầu, gió chịu ảnh hưởng bởi địa hình và sự khác biệt về nhiệt dung giữa nước và đất Ban ngày, đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo ra áp suất khác biệt, dẫn đến gió từ biển hoặc hồ thổi vào đất liền Ngược lại, vào ban đêm, đất nguội đi nhanh hơn nước, gây ra hiệu ứng gió ngược lại Năng lượng gió mang lại nhiều ưu điểm, góp phần vào phát triển bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Năng lượng gió đang trở thành một nguồn năng lượng cạnh tranh, với chi phí ngày càng giảm và có khả năng so sánh với các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện và năng lượng mặt trời Đặc biệt, năng lượng gió không thải ra khí CO2, góp phần bảo vệ môi trường.
Năng lượng gió là nguồn tài nguyên miễn phí và có thể dự đoán được, trong khi giá của dầu, khí thiên nhiên, than đá và các loại nhiên liệu khác thường dao động và khó có thể dự đoán.
Việc xây dựng nhanh chóng một nhà máy điện gió mang lại ý nghĩa quan trọng cho các quốc gia đang đối mặt với tình trạng thiếu điện, như Việt Nam hiện nay.
Năng lượng gió là nguồn tài nguyên vô tận và không bị kiểm soát bởi bất kỳ tổ chức nào, cho phép mọi cá nhân và tổ chức đều có quyền khai thác và sử dụng.
Gió là nguồn năng lượng sạch, không tiêu tốn nhiên liệu và không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy điện truyền thống Việc lựa chọn địa điểm cho các trang trại gió cũng dễ dàng hơn, đồng thời tiết kiệm diện tích xây dựng so với các nhà máy thủy điện, vốn chỉ có thể xây dựng gần các dòng nước mạnh và cần diện tích lớn cho hồ chứa Hơn nữa, các turbine gió có thể tái chế lên đến 80% sau khi hết tuổi thọ hoạt động.
Các trạm điện gió có thể được lắp đặt gần khu vực tiêu thụ điện, giúp tiết kiệm chi phí xây dựng đường dây tải điện Tuy nhiên, năng lượng gió cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Ngoài những ưu điểm đã trình bày ở trên thì năng lượng gió cũng có những nhược điểm của mình
Một trong những nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên, dẫn đến tính không ổn định Mặc dù công nghệ turbine gió đang tiến bộ và chi phí sản xuất ngày càng giảm, nhưng đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng này vẫn cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống.
Gió là nguồn năng lượng tự nhiên nhưng không thể đáp ứng đủ nhu cầu của con người, vì chúng ta không thể kiểm soát được nguồn gió Hơn nữa, năng lượng gió không thể lưu trữ một cách hiệu quả, và việc chuyển đổi năng lượng thừa qua các bình điện dự trữ thường tốn kém và không kinh tế.
Tình hình phát tri ển năng lượ ng gió trên th ế gi ớ i
Năng lượng gió đã được khai thác từ hàng trăm năm qua, từ việc điều khiển thuyền buồm đến khinh khí cầu, và sử dụng trong các cối xay gió để tạo ra công cơ học Ý tưởng sản xuất điện từ năng lượng gió xuất hiện sau các phát minh về điện và máy phát điện Ban đầu, cối xay gió chỉ được cải tiến nhẹ, chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học, nhưng sau này đã được thay thế bằng turbine gió, không còn sử dụng thiết bị nghiền Kể từ sau các cuộc khủng hoảng dầu vào thập niên 1970, nghiên cứu và sản xuất năng lượng gió đã trở thành một lĩnh vực quan trọng.
13 lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các turbine gió hiện đại
Nhu cầu về năng lượng toàn cầu cùng với các tiến bộ khoa học và công nghệ, cũng như các ưu đãi từ chính phủ, đang thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió Năng lượng gió có khả năng cung cấp nguồn năng lượng lớn và góp phần giảm rủi ro trong danh mục đầu tư năng lượng Chính sách của các quốc gia hiện nay tạo ra động lực mới cho sự phát triển năng lượng gió, nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất điện.
Trong vài thập kỷ qua, năng lượng gió đã trở thành nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất, với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm khoảng 30% trong 10 năm qua Đến cuối năm 2014, công suất phát điện toàn cầu từ các nhà máy điện gió đã đạt 369.553MW, tăng từ 47.620MW vào năm 2004 Năm 2015, công suất này tiếp tục tăng lên 432,42GW, tăng 17% so với năm 2014, đánh dấu lần đầu tiên công suất điện gió vượt qua công suất phát điện nguyên tử với 382,55GW.
Theo Hiệp hội Năng lượng gió thế giới (WWEA), điện gió hiện là nguồn năng lượng chủ yếu trong quá trình chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo Trung Quốc dẫn đầu thế giới về công suất phát điện gió với 145,01 GW, theo sau là Mỹ với 74,47 GW, Đức với 44,95 GW, Ấn Độ với 25,09 GW và Tây Ban Nha với 23,03 GW.
Hình 1.1: Thống kê công suất lắp đặt nhà máy điện gió 1997-2014
Tình hình phát tri ển điệ n gió ở Vi ệ t Nam
Việt Nam, với hơn 3000 km đường bờ biển và nằm trong khu vực gió mùa, có tiềm năng lớn để khai thác năng lượng gió hiệu quả Nghiên cứu cho thấy việc phát triển các dự án điện gió quy mô lớn ở nước ta là hoàn toàn khả thi.
Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới (World Bank, 2001) đã chỉ ra rằng Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất trong khu vực Đông Nam Á, với các khu vực ven biển và cao nguyên miền nam Trung Bộ và Nam Bộ hứa hẹn nhiều cơ hội phát triển Năm 2007, EVN đã tiến hành nghiên cứu để xác định các vùng thích hợp cho phát triển điện gió, trong đó Trung Bộ, đặc biệt là hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, được đánh giá là có tiềm năng gió lớn nhất Miền Nam Trung Bộ, với Ninh Thuận và Bình Thuận, cũng được xác định là vùng có tiềm năng đáng kể Sự quan tâm đến điện gió tại Việt Nam bắt đầu gia tăng mạnh mẽ từ giai đoạn 2011-2012.
Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định 37 nhằm hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam Theo số liệu của EVN, tính đến tháng 9/2012, cả nước có 77 dự án điện gió quy mô công nghiệp đăng ký tại 18 tỉnh thành, với tổng công suất trên 7.200 MW Tuy nhiên, sau giai đoạn bùng nổ đăng ký, số lượng dự án thực tế đã giảm xuống còn 48 vào cuối năm 2013, và hiện nay chỉ còn chưa đầy 40 dự án, trong đó chỉ 10% được triển khai Đến đầu năm 2016, Bình Thuận chỉ có hai dự án khai thác là nhà máy điện gió Tuy Phong (30MW) và nhà máy Phong điện Phú Quý (6MW), cùng với dự án điện gió Phú Lạc (24MW) dự kiến đưa vào khai thác cuối năm 2016.
Bạc Liêu hiện đang vận hành dự án điện gió với công suất 16,5 MW, đánh dấu bước tiến quan trọng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo tại Việt Nam Đây là một trong những dự án điện gió đáng chú ý nhất đang được triển khai trên toàn quốc tính đến thời điểm hiện tại.
Rõ ràng, con số bốn nhà máy điện gió đang được triển khai và khai thác
(chiếm 10% tổng số dự án đăng ký trên toàn quốc) là rất khiêm tốn với tiềm năng điện gió tại Việt Nam và chưa đáp ứng được kỳ vọng
Mục tiêu của Việt Nam là nâng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong tổng nguồn cung cấp điện lên 4,5% vào năm 2020 và 6% vào năm 2030 Cụ thể, công suất điện gió dự kiến đạt 1.000 MW vào năm 2020 và 6.200 MW vào năm 2030.
Nguyên lý chuy ển đổi năng lượ ng c ủ a h ệ phong điệ n[1,2,3]
Hệ thống phong điện khác biệt so với các máy phát điện truyền thống như thủy điện và nhiệt điện, bởi vì quá trình chuyển đổi năng lượng gió thành công suất cơ của turbine gió và công suất điện phát ra phụ thuộc vào nhiều thông số của năng lượng gió Những thông số này thay đổi liên tục theo thời gian, từ phút đến giờ và ngày, theo một hàm ngẫu nhiên.
*Quá trình chuyển hóa phong năng thành điện năng:
Một cột không khí có vận tốc gió vw và chiều dài dl quét qua diện tích S của turbine, với khối lượng riêng ρ, sẽ tạo ra năng lượng dE theo lý thuyết động lực học, được thể hiện qua một phương trình cụ thể.
Hình 1.2: Nguyên lý chuyển hóa phong năng thành điện năng.
Nếu xét hệ quy chiếu thời gian có thể viết dl=vwdt, khi đó về lý thuyết công suất của gió đi qua tiết diện S có thể viết:
Công suất của gió được tính bằng công thức PP = 1/2 ρ S v³, tuy nhiên, công suất thực tế mà turbine gió hấp thụ để chuyển đổi thành điện năng chỉ chiếm một phần của công suất này Do đó, khi khảo sát hệ thống điện gió, chúng ta cần hiểu rõ các khái niệm cơ bản liên quan đến hiệu suất và khả năng chuyển đổi năng lượng của turbine.
Hệ số vận tốc quy đổi (tip – speed ratio) là một chỉ số quan trọng của turbine gió, được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến tại đầu cánh turbine (ωRw) và vận tốc tức thời của gió (vw).
𝑤𝑤 (1-3) Trong đó: vw: vận tốc gió (m/s) ω: Tốc độ quay của turbine (rad/s) R: Bán kính của turbine (m)
Hình 1.3: Tốc độ gió và tốc độ tiếp tuyến trong sơ đồ trục quay turbine
• Hệ số công suất của turbine (power coefficient): Hệ số công suất của turbine
Cp là tỷ số giữa công suất hấp thụ của turbine trên công suất toàn phần của gió quét qua turbine:
Pm: Công suất hấp thụ của turbine, công suất cơ (W)
Diện tích quét của turbine gió (m²) và khối lượng riêng của không khí (kg/m³) là hai yếu tố quan trọng trong việc tính toán hiệu suất của turbine Khối lượng riêng của không khí, thường xấp xỉ bằng 1 kg/m³, có thể thay đổi tùy thuộc vào độ cao lắp đặt của turbine.
Từ (1-4), công suất của một turbine gió được xác định theo phương trình:
Hệ số công suất Cp của các loại cấu trúc turbine khác nhau có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào vận tốc quy đổi λ Theo lý thuyết giới hạn Betz, giá trị cực đại của hệ số công suất cho bất kỳ turbine nào luôn nhỏ hơn 0.5926.
Phương trình động học của turbine theo công thức kinh điển:
Mm: Momen do turbine sinh ra, momen cơ.
Mc: Momen tải, momen của máy phát
Khi đó công suất cực đại được viết theo công thức:
Trong đó: Hệ số tối ưu: 𝐾𝐾 𝑜𝑜𝑝𝑝𝑑𝑑 = 1 2 𝜌𝜌𝜌𝜌𝐶𝐶 𝜆𝜆 𝑝𝑝.𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝜔𝜔 5
Tốc độ rotor tối ưu: 𝜔𝜔 𝑟𝑟.𝑜𝑜𝑝𝑝𝑑𝑑 = 𝜆𝜆 𝑜𝑜𝑝𝑝𝑜𝑜 𝜔𝜔 𝑣𝑣 𝑤𝑤 (1-9)
T ổ ng quan v ề h ệ phong điệ n s ử d ụng PMSG(Máy phát điện đồ ng b ộ nam châm vĩnh cử u)
T ổ ng quan v ề h ệ th ố ng
a) Yêu cầu đối với hệ thống:
Trạm điện sức gió được xây dựng phải đáp ứng được các yêu cầu hoạt động và vận hành như:
Hệ thống làm việc độc lập nhưng vẫn cho phép con người can thiệp khi cần thiết
Cấu trúc lắp đặt của hệ thống phải đảm bảo thuận lợi cho việc bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, sửa chữa, phòng chống thiên tai (bão, lũ,…).
Do điều kiện năng lượng gió đầu vào của trạm phát điện luôn biến động và công suất tiêu thụ phía phụ tải đầu ra không ổn định, hệ thống cần phải có khả năng điều chỉnh để xử lý những thay đổi trong năng lượng thu và phát Điều này nhằm duy trì sự cân bằng năng lượng hiệu quả.
Hệ thống này có khả năng tích trữ hoặc bù đắp năng lượng khi năng lượng đầu vào vượt quá hoặc thấp hơn so với công suất tiêu thụ của phụ tải.
Nếu công suất tiêu thụvượt quá lượng cung cấp đầu vào và khảnăng bù đắp, hệ thống có biện pháp kỹ thuật đảm bảo không bịrã lưới điện
Khi công suất tiêu thụ thấp hơn năng lượng thu được, dẫn đến tình trạng năng lượng dư thừa không thể tích trữ, hệ thống cần áp dụng giải pháp để tiêu hao lượng năng lượng thừa này Nguyên lý hoạt động của hệ thống sẽ giúp quản lý và điều chỉnh năng lượng một cách hiệu quả.
Turbine gió hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản, khi năng lượng gió làm quay cánh quạt rotor Rotor kết nối với trục chính, từ đó chuyển động quay của trục chính sẽ kích hoạt máy phát điện để sản xuất năng lượng điện Để tối ưu hóa việc thu thập năng lượng gió, các turbine thường được lắp đặt ở độ cao 30m, nơi có tốc độ gió nhanh hơn và ít bị ảnh hưởng bởi các luồng gió bất thường.
Turbine gió có khả năng cung cấp điện cho các hộ gia đình và công trình xây dựng, đồng thời có thể kết nối với mạng điện để phân phối điện năng rộng rãi hơn Điện được truyền qua hệ thống dây dẫn đến các nhà ở, cơ sở kinh doanh, và trường học.
C ấ u trúc chung c ủ a h ệ th ống điệ n gió công su ấ t nh ỏ
Máy phát điện gió, hay trạm phong điện, đã trở nên phổ biến ở châu Âu, châu Mỹ và các quốc gia công nghiệp phát triển Hầu hết các trạm này sử dụng thiết kế trục ngang, với máy phát điện có trục quay nằm ngang và rotor ở giữa, kết nối với turbine ba cánh để thu nhận gió Các máy phát điện được lắp đặt trên tháp cao hình côn, mang lại vẻ hiện đại và thanh thoát, tương tự như những cối xay gió của châu Âu từ nhiều thế kỷ trước.
Trạm phong điện trục đứng được thiết kế với máy phát điện có trục quay thẳng đứng và rotor nằm ngoài, kết hợp với các cánh đón gió theo phương thẳng đứng Loại trạm này có khả năng hoạt động hiệu quả với mọi hướng gió, mang lại hiệu suất cao hơn Với cấu trúc đơn giản và kích thước nhỏ gọn, việc vận chuyển và lắp ráp trở nên dễ dàng, đồng thời đảm bảo độ bền cao và bảo trì đơn giản Mặc dù mới xuất hiện trong vài năm gần đây, trạm phong điện trục đứng đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều địa phương.
Hiện nay, máy phát phong điện có công suất đa dạng, từ 1 kW đến hàng chục nghìn kW Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng điện quốc gia Đối với các trạm độc lập, cần trang bị bộ nạp, ắc quy và bộ đổi điện để lưu trữ điện khi sản xuất vượt nhu cầu Khi không có gió, điện năng được sử dụng từ ắc quy Ngược lại, các trạm nối với mạng điện quốc gia không yêu cầu bộ nạp và ắc quy.
Các trạm phong điện hoạt động hiệu quả khi tốc độ gió từ 10m/s đến 17m/s, tùy thuộc vào từng thiết bị Chúng có khả năng phát điện khi tốc độ gió đạt từ 3m/s (11km/h) và sẽ tự ngừng hoạt động khi tốc độ gió vượt quá 25m/s (90km/h).
Mô hình tham khảo của một hệ thống máy phát điện sức gió gồm các thành phần cơ bản sau:
Cánh gió của turbine gió hiện đại thường được thiết kế với hai hoặc ba cánh, giúp tối ưu hóa hiệu suất Khi gió thổi qua các cánh quạt, chúng sẽ chuyển động và quay, tạo ra năng lượng.
Cánh gió được điều chỉnh bằng cách lật hoặc xoay để kiểm soát tốc độ của rotor Chúng được thiết kế với độ nghiêng hợp lý nhằm duy trì tốc độ quay của rotor trong điều kiện gió, đảm bảo không quá cao hoặc quá thấp, từ đó tối ưu hóa hiệu suất tạo ra điện.
Thiết bị Yaw đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hướng rotor của tuabin gió Khi tốc độ gió thấp hơn mức giới hạn thiết kế, thiết bị này giúp giữ rotor luôn đối diện với nguồn gió, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Ngược lại, khi tốc độ gió vượt quá giới hạn thiết kế, đặc biệt trong điều kiện gió bão, thiết bị Yaw sẽ tự động dịch rotor ra khỏi hướng gió mạnh, bảo vệ tuabin khỏi hư hỏng.
• Chong chóng gió (vane): Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho turbine phản ứng phù hợp với tốc độ gió cụ thể
• Bộđo tốc độgió (anemometer): Đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến bộđiều khiển
Phanh hãm là một hệ thống phanh dạng đĩa, được sử dụng như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực, nhằm dừng rotor trong các tình huống khẩn cấp bằng điện, sức nước hoặc động cơ.
Hình 1.4: Mô hình của một trạm phát điện gió
Hộp số là bộ phận quan trọng nằm giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao, giúp tăng tốc độ quay từ 20-60 vòng/phút lên khoảng 1200-1500 vòng/phút, tốc độ cần thiết để các máy phát điện hoạt động hiệu quả Bộ bánh răng này có chi phí cao và là một phần thiết yếu của động cơ và turbine gió Đối với các máy phát có tốc độ thấp hơn, hộp số không phải là yếu tố cần thiết.
Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi cơ năng thành điện năng, thường sử dụng máy tự cảm ứng để sản xuất điện xoay chiều Nó được kết nối với hộp số qua khớp giãn nở và được lắp trên khung vỏ có nệm cao su giãn nở, đồng thời gắn nối cơ học bằng bulong và ecu.
Tháp gió được thiết kế từ thép phiến hoặc thanh thép chéo, đảm bảo độ bền và khả năng chịu va đập, ăn mòn Chiều cao của tháp có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất năng lượng, vì turbine càng cao thì khả năng thu năng lượng từ gió càng lớn Tháp giúp turbine vượt qua các chướng ngại vật gần mặt đất, như đồi núi và cây cối, với nguyên tắc lắp đặt là đáy cánh rotor phải cách xa vật cản tối thiểu 9m trong phạm vi đường kính 90m Đầu tư vào việc tăng chiều cao tháp là hợp lý, vì chỉ cần tăng chiều cao từ 18m lên 33m cho máy phát 10kW sẽ chỉ tốn thêm 10% chi phí, nhưng có thể tăng sản lượng điện lên đến 29%.
Có hai loại tháp cơ bản cho hệ thống điện gió: tháp tự đứng và tháp giăng cáp Tháp giăng cáp thường được sử dụng cho hộ gia đình do giá thành rẻ và dễ lắp đặt, bao gồm các phần giàn khung, ống và cáp Tuy nhiên, hệ thống giăng cáp yêu cầu không gian lắp đặt đủ lớn, với bán kính treo bằng 1/2 hoặc 3/4 chiều cao tháp Mặc dù tháp có thể nghiêng xuống dễ dàng và có giá cao hơn, nhưng chúng giúp khách hàng dễ bảo trì, đặc biệt cho các turbine nhẹ, thường là 5kW hoặc nhỏ hơn Ngoài ra, tháp có thể hạ xuống mặt đất trong điều kiện thời tiết xấu như giông bão.
Việc gắn turbine trên nóc mái nhà không được khuyến khích do 22 lực rung tác động đến kết cấu của tòa nhà Điều này có thể gây ra tiếng ồn và ảnh hưởng tiêu cực đến sự bền vững của cấu trúc.
Turbine – Cánh qu ạ t
Thực tế hiện nay có rất nhiều loại turbine gió và mỗi loại có nhiều kích thước khác nhau Thông thường người ta chia làm hai dạng chính:
1) Turbine có trục nằm ngang
2) Turbine có trục nằm dọc
Hầu hết các turbine gió hiện nay đều có dạng trục nằm ngang, với kích thước trực tiếp liên quan đến công suất của chúng Hệ thống cánh được thiết kế tối ưu để thu hút nhiều năng lượng gió hơn, được chế tạo từ nguyên liệu tổng hợp có khả năng chịu đựng cơn gió mạnh và thay đổi hướng đột ngột Hình dáng khí động học của turbine gió giúp chúng hoạt động hiệu quả trong các quá trình quay, chuyển động và dừng khẩn cấp nhờ vào hệ thống phanh điều khiển thông minh.
Tr ạm điề u khi ển
Hệ thống điều khiển turbine gió tối ưu hóa năng lượng sản xuất bằng cách điều chỉnh góc cánh theo điều kiện gió thay đổi, giúp giảm thiểu hư hại Hệ thống này sử dụng bánh răng để kiểm soát góc cánh, so sánh công suất phát ra với năng lượng gió hiện tại, từ đó điều chỉnh góc cánh để tối đa hóa hiệu suất phát điện.
Bánh răng quay góc cánh được điều khiển bởi hệ thống điện–thủy lực, mang lại nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, sức mạnh và tính đơn giản Việc điều chỉnh góc cánh chính xác giúp tối ưu hóa khai thác năng lượng gió, đồng thời đảm bảo tính an toàn và hiệu quả kỹ thuật Bộ điều chỉnh góc cánh bằng bánh răng còn hoạt động như hệ thống phanh hãm thông thường, với khả năng quay cánh đến 88 độ ở tốc độ 5,7 độ/giây, đặc biệt hiệu quả trong chế độ hãm khẩn cấp.
23 thống thủy lực này sẽ sử dụng thêm các van khuếch đại khác đểquay cánh đến vị trí cánh quay ngửa ra với tốc độ 15 o /s
Các turbine gió truyền thống hoạt động theo chế độ “dừng – điều khiển” và thường vận hành ở tốc độ gần cố định của gió Để sản xuất điện năng, các cánh quạt cần đạt một tốc độ gió tối thiểu và sẽ dừng lại nếu tốc độ gió vượt quá giới hạn cho phép Chẳng hạn, với động cơ gió 150kW, tốc độ gió tối ưu cho hoạt động của cánh quạt nằm trong khoảng 5-25m/s.
Rotor turbine trục ngang với 3 cánh được điều khiển công suất bằng bộ điều khiển góc cánh hướng, bánh răng và bộ biến đổi tốc độ vô cấp, giúp rotor máy phát điện luôn duy trì tốc độ tối ưu Cánh và may ơ được kết nối bằng gối cầu, cho phép cánh tự quay quanh trục Gối đỡ có mặt trong cố định vào cánh và mặt ngoài vào may ơ Trục rotor nghiêng lên trên một góc 5 độ so với phương nằm ngang và 0 độ với hướng gió, với chiều quay của rotor theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ hướng gió.
H ệ th ống định hướ ng
Turbine gió được trang bị hệ thống định vị chủ động, giúp định hướng rotor trên đỉnh tháp Hệ thống này kết nối tháp với cấu trúc vỏ của turbine gió thông qua gối đỡ Gối đỡ được cố định vào tháp bằng bulong, tách biệt với bánh răng mà động cơ bánh răng định hướng tác động Bên trong tháp, có một đĩa lắp đặt các hệ thống hãm phanh vòng ngoài, được gắn chắc chắn vào gối đỡ và kết cấu vỏ của turbine gió.
Các con quay gió được đặt ở vỏ sẽ cung cấp điều khiển bằng các tín hiệu
Turbine gió sẽ được định vị để hướng về phía gió, với tần số cánh gió từ 70-120 vòng/phút Nếu không thẳng hàng với hướng gió, năm bộ phanh vị trí sẽ được kích hoạt để hỗ trợ hai động cơ bánh răng điều chỉnh vị trí của turbine Hệ thống phanh hãm định hướng sẽ triệt tiêu momen xoắn cục bộ, mang lại sự linh hoạt và an toàn cho hệ thống.
K ế t lu ận chương
Trong chương 1, chúng ta đã tổng quan về tình hình lắp đặt và sử dụng turbine điện gió trên toàn cầu và tại Việt Nam Bên cạnh đó, chúng ta cũng đã tìm hiểu cấu trúc cơ bản và chức năng của từng thành phần trong hệ thống turbine gió Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điện gió là một ý tưởng mới, phù hợp với xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật và nhu cầu năng lượng mới hiện nay Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu vào hệ thống điều khiển và chức năng của các thành phần trong đó.
CHƯƠNG 2: HỆĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SỬ DỤNG PLC
Hệ thống điều khiển turbine gió bao gồm nhiều cảm biến và thiết bị truyền động, cùng với một hệ thống tích hợp phần cứng và phần mềm Hệ thống này xử lý tín hiệu đầu vào từ các cảm biến và tạo ra tín hiệu đầu ra cho các thiết bị truyền động Các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều chỉnh hoạt động của turbine gió.
- Một cảm biến đo tốc độ gió
- Một cảm biến đo hướng gió
- Một bộ cảm biến điện
- Một cảm biến vịtrí bước răng.
- Các chuyển mạch có giới hạn khác nhau
- Cảm biến nhiệt và mức dầu
- Cảm biến áp suất thủy lực
- Các công tắc hành trình, nút ấn…
Các thiết bị truyền động bao gồm truyền động thủy lực, truyền động bước điện, bộ điều khiển mô men máy phát, công tắc tơ máy phát, công tắc kích hoạt phanh trục và động cơ Yaw.
Hệ thống xử lý tín hiệu đầu vào và phát tín hiệu đầu ra thường bao gồm một máy tính hoặc bộ điều khiển vi xử lý, thực hiện chức năng điều khiển cần thiết cho việc vận hành turbine Đồng thời, hệ thống này cần có một hệ thống an toàn nối cứng với độ tin cậy cao, có khả năng ghi đè lên bộ điều khiển bình thường để đưa turbine về trạng thái an toàn khi xảy ra sự cố nghiêm trọng.
Ch ức năng củ a b ộ điề u khi ể n turbine gió[4]
Điề u khi ể n giám sát
Điều khiển giám sát là phương pháp chuyển đổi trạng thái hoạt động của các turbine, cho phép chúng chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác một cách hiệu quả Các trạng thái hoạt động này đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành của turbine.
- Stand-by, Chếđộ chờ, đó là khi turbine có thể chạy nếu điều kiện bên ngoài cho phép
- Start-up, Chếđộ khởi động
- Power production, Chếđộ sản sinh điện năng.
- Stopped with fault, Chếđộ dừng khi có lỗi
Bộ điều khiển giám sát có khả năng hình dung và chia nhỏ các trạng thái khác nhau, đồng thời quyết định thời điểm chuyển đổi giữa các trạng thái Nó thực hiện các điều khiển theo trình tự cần thiết và kiểm tra xem mỗi giai đoạn đã hoàn thành trước khi tiến tới bước tiếp theo Nếu bất kỳ giai đoạn nào không hoàn thành trong thời gian quy định hoặc phát hiện lỗi, bộ điều khiển sẽ thay đổi để ngừng chế độ đó.
Điề u khi ể n vòng kín
Bộ điều khiển vòng kín là hệ thống phần mềm tự động điều chỉnh hoạt động của turbine, duy trì nó trên các đường cong tác động đã được xác định trước Các ví dụ về các vòng điều khiển này bao gồm nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành công nghiệp năng lượng.
- Điều khiển bước cánh để điều tiết sản lượng điện của turbine với mức tốc độ gió trên ngưỡng cho phép
- Điều khiển bước cánh để theo một đường tốc độ định trước trong quá trình khởi động hoặc tắt máy của turbine
- Điều khiển momen của máy phát để điều chỉnh tốc độ quay của turbine có tốc độ gió thay đổi
- Điều khiển động cơ Yaw để hạn chế tối đa các lỗi theo dõi Yaw
Một số vòng điều khiển yêu cầu phản ứng nhanh để ngăn chặn turbine lệch khỏi đường cong vận hành chính xác Việc thiết kế bộ điều khiển cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hiệu suất tốt mà không ảnh hưởng xấu đến các khía cạnh khác trong quá trình hoạt động của turbine.
H ệ th ố ng an toàn
Cần thiết phải nhận thức rõ sự khác biệt giữa hệ thống an toàn và hệ thống điều khiển bình thường của turbine, vì điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.
Chức năng của hệ thống là đảm bảo an toàn cho turbine khi xảy ra sự cố nghiêm trọng, bằng cách đưa turbine về chế độ dừng thông qua phanh tác dụng.
Bộ điều khiển giám sát turbine gió cần đảm bảo khả năng khởi động và dừng an toàn trong mọi điều kiện dự đoán, bao gồm gió mạnh, sự cố lưới điện và các lỗi khác Hệ thống an toàn hoạt động như một bản sao lưu cho hệ thống điều khiển chính, tự động chiếm quyền nếu hệ thống chính không thực hiện được chức năng Ngoài ra, nó cũng có thể được kích hoạt thông qua nút dừng khẩn cấp.
Hệ thống an toàn phải độc lập với hệ thống điều khiển chính và được thiết kế với độ an toàn cao Thay vì sử dụng máy tính hoặc vi xử lý logic, hệ thống an toàn thường bao gồm mạch an toàn nối cứng và rơ-le tiếp điểm thường mở Khi tất cả tiếp điểm hoạt động bình thường, rơ-le được giữ đóng Nếu có bất kỳ tiếp điểm nào bị mất, hệ thống an toàn sẽ kích hoạt, thực hiện các biện pháp đảm bảo an toàn như ngắt kết nối tất cả hệ thống điện và cho phép lò xo tác động vào trục phanh hãm tiến.
Hệ thống an toàn có thể bị ngắt bởi một trong các cách sau:
Khi rotor đạt đến tốc độ tối đa, vượt quá giới hạn tốc độ của phần cứng, điều này sẽ dẫn đến việc bộ điều khiển giám sát tự động tắt máy Giới hạn tốc độ phần cứng thường cao hơn giới hạn quá tốc độ phần mềm, do đó, việc theo dõi và kiểm soát tốc độ rotor là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
- Cảm biến rung động nhả, điều này có thể chứng tỏ rằng một sự phá hỏng cấu trúc lớn có thể xảy ra
Bộ điều khiển định thời giám sát hết hiệu lực cần phải được trang bị một bộ định thời giám sát, có chức năng thiết lập lại mỗi bước thời gian điều khiển Nếu không có bộ định thời này, hiệu quả hoạt động của bộ điều khiển sẽ bị ảnh hưởng.
28 được thiết lập lại trong thời gian này, điều này chỉ ra rằng bộđiều khiển bị lỗi và hệ thống an toàn nên tắt các turbine
- Nút dừng khẩn cấp ép buộc bởi người vận hành
- Các lỗi khác chỉ ra rằng bộđiều khiển chính có thể không có khả năng kiểm soát turbine.
Điề u khi ể n vòng kín: Các v ấn đề và m ụ c tiêu
Điề u khi ể n Pitch
Điều khiển pitch là phương pháp phổ biến nhất để điều chỉnh điện khí động học do turbine quay tạo ra, và nó cũng có ảnh hưởng đáng kể đến tất cả các tải khí động học phát sinh từ rotor.
Dưới tốc độ gió định mức, turbine thường không cần điều chỉnh bước răng vì mục tiêu là tối đa hóa năng lượng sản xuất Tải khí động học ở mức này thường thấp hơn so với khi đạt tốc độ định mức, do đó việc điều chỉnh pitch không cần thiết Tuy nhiên, để duy trì hiệu suất tối ưu của turbine, bước răng cần được điều chỉnh một cách nhẹ nhàng khi tốc độ gió thay đổi Một số turbine thực hiện điều chỉnh này từ từ, chỉ một vài độ dưới định mức, dựa trên tín hiệu đo gió trung bình hoặc tín hiệu năng lượng đầu ra.
Điều khiển pitch là một phương pháp hiệu quả để điều tiết điện khí động học và tải trọng rotor ở tốc độ gió định mức, nhằm hạn chế thiết kế không vượt quá giá trị giới hạn Để đạt được sự điều chỉnh tốt, hệ thống điều khiển pitch cần phản ứng nhanh chóng với các điều kiện thay đổi Hành động điều khiển mạnh mẽ này cần được thiết kế cẩn thận vì nó ảnh hưởng lớn đến động lực của turbine.
Một trong những tác động mạnh nhất đến tháp là từ động lực của nó Khi cánh nghiêng để điều chỉnh momen khí động học, lực đẩy khí động trên rotor thay đổi đáng kể, dẫn đến chấn động và rung lắc của tháp Khi gió tăng, góc nghiêng cũng tăng để duy trì momen không đổi, nhưng lực đẩy rotor lại giảm Điều này cho phép tháp lệch theo hướng gió giảm, trong khi đỉnh tháp di chuyển ngược chiều với tốc độ gió.
Sự tăng rotor tạo ra một momen khí động học lớn hơn, dẫn đến hiện tượng nghiêng nhiều hơn Nếu điều khiển pitch được điều chỉnh quá cao, phản hồi dương có thể gây ra mất ổn định Do đó, việc chú trọng vào động lực học của tháp là rất quan trọng khi thiết kế bộ điều khiển pitch.
Điề u khi ể n gi ả m t ố c
Nhiều turbine được thiết kế để giảm tốc trong gió mạnh mà không cần hoạt động của thiết bị truyền động bước răng, mặc dù có thể cần biện pháp phanh khí động học trong trường hợp khẩn cấp Để đạt được điều chỉnh giảm tốc độ gió hợp lý, turbine cần hoạt động gần với sự sụt tốc hơn là điều chỉnh bước răng, dẫn đến hiệu quả khí động học thấp hơn Tuy nhiên, turbine biến đổi tốc độ có thể cải thiện nhược điểm này bằng cách thay đổi tốc độ rotor dưới định mức để duy trì hệ số công suất đỉnh Để giảm tốc trong gió mạnh, tốc độ rotor phải được hạn chế, trong khi turbine tốc độ cố định được kiềm chế bởi máy phát điện Tại turbine biến đổi tốc độ, momen máy phát được điều chỉnh để phù hợp với momen khí động học, cho phép rotor chậm lại trong gió mạnh Mặc dù vậy, khi gió mạnh tác động, momen tải cần tăng lên để phù hợp với momen gió, điều này làm giảm một trong những ưu điểm chính của turbine biến đổi tốc độ là kiểm soát momen và công suất đỉnh một cách mịn màng.
Điề u khi ể n momen máy phát
Momen của máy phát điện được tạo ra bởi tốc độ và công suất của rotor turbine Khi momen khí động học thay đổi, tốc độ rotor cũng sẽ thay đổi một cách nhỏ, dẫn đến sự điều chỉnh momen máy phát để phù hợp với momen khí động học Do đó, việc kiểm soát momen máy phát không thể thực hiện một cách linh hoạt.
Khi đặt một bộ biến tần giữa máy phát và mạng lưới, tốc độ của máy phát có thể được điều chỉnh linh hoạt Bộ biến tần giúp duy trì mô-men máy phát liên tục hoặc điều chỉnh năng lượng đầu ra khi tốc độ gió vượt quá mức định mức Dưới mức định mức, mô-men có thể được kiểm soát theo bất kỳ giá trị mong muốn nào.
Có nhiều phương pháp để đạt được hoạt động thay đổi tốc độ, đặc biệt với hệ thống DFIG Một trong những cách là kết nối stator máy phát vào lưới điện qua bộ biến tần, đồng thời tính toán toàn bộ năng lượng đầu ra của turbine Lắp ráp có thể bao gồm máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, trong đó stator kết nối trực tiếp với lưới và rotor kết nối qua vành trượt và biến tần Điều này cho phép bộ biến tần chỉ cần xử lý một phần nhỏ tổng năng lượng, mặc dù phần này có thể lớn hơn, mở rộng phạm vi tốc độ đạt được.
Điề u khi ển hướ ng tr ụ (Yaw)
Các turbine, dù hoạt động ngược gió hay theo chiều gió, thường ổn định ở yaw, nghĩa là nếu vỏ động cơ tách biệt với yaw, turbine vẫn sẽ hướng về hướng gió Tuy nhiên, để đạt được điểm năng lượng tối đa, cần có điều khiển cho góc vỏ động cơ Do đó, một bộ truyền động yaw thường được yêu cầu để khởi động, tháo cáp treo và theo dõi hoạt động trục yaw Trục yaw độc lập có lợi thế là không tạo ra momen trục ở vòng bi yaw, nhưng vẫn cần một số chống rung yaw để đảm bảo có momen tại ổ bi.
Trong thực tế, hầu hết các turbine đều sử dụng hoạt động điều khiển yaw
Tín hiệu lỗi yaw từ cánh gió được sử dụng để tính toán tín hiệu đáp ứng cho các thiết bị truyền động yaw, thường chỉ là lệnh xoay trụ với tỉ lệ cố định nhỏ hoặc hướng khác Các tín hiệu cánh yaw cần được lấy trung bình, đặc biệt cho các turbine hướng gió có cánh ở phía sau rotor Do sự phản ứng chậm chạp của hệ thống điều khiển yaw, việc sử dụng bộ điều khiển dead-band là hợp lý Động cơ yaw sẽ được kích hoạt khi lỗi yaw trung bình vượt qua một ngưỡng nhất định và sẽ tắt sau một khoảng thời gian hoặc khi vỏ động cơ đã xoay qua một góc độ cụ thể.
Các thuật toán điều khiển phức tạp hơn có thể được áp dụng, nhưng hoạt động điều khiển thường diễn ra chậm và không cần thiết kế đặc biệt Một trường hợp ngoại lệ là điều khiển yaw trong điều kiện gió mạnh, yêu cầu đánh giá nhanh chóng và dẫn đến tải yaw lớn cùng với tải khí động học bất đối xứng trên rotor Phương pháp điều chỉnh điện năng trong trường hợp này sẽ không phù hợp với turbine có tốc độ cố định.
Ảnh hưở ng c ủa điề u khi ể n trên các t ả i
Việc điều chỉnh năng lượng trong hệ thống điện gió là rất quan trọng để duy trì sự cân bằng giữa năng lượng phát ra và phụ tải, đòi hỏi một bộ điều khiển tối ưu Thiết kế bộ điều khiển cần dựa trên tính toán công suất tải, nhằm tránh tình trạng quá tải cho hệ thống điện gió và không phát công suất vượt quá mức tải, gây sự cố Do đó, trong hệ thống điện gió độc lập luôn có bộ xả tải (dumpload) và hệ thống tích trữ năng lượng, thường sử dụng ắc quy (battery) Sơ đồ khối của một hệ thống máy phát đồng bộ vĩnh cửu (PMSG) làm việc độc lập và nối lưới được thể hiện rõ ràng trong hình 2.1.
32 a) Hệ làm việc độc lập b) Hệ nối lưới
Hình 2.1: Cấu trúc hệphong điện sử dụng PMSG.
Xác đị nh m ục tiêu điề u khi ể n
Mục tiêu chính của bộ điều khiển vòng kín thường rất đơn giản, như trong trường hợp bộ điều khiển pitch, nhằm hạn chế công suất hoặc tốc độ rotor trong điều kiện gió mạnh Ngoài ra, có thể có nhiều mục tiêu chính khác, chẳng hạn như việc sử dụng điều khiển pitch và mô-men để tối ưu hóa năng lượng trong điều kiện gió thấp.
Khi thiết kế các thuật toán điều khiển, việc xem xét ảnh hưởng của bộ điều khiển đến tải trọng cơ cấu và rung động là rất quan trọng Do đó, cần có một mô tả đầy đủ hơn về các mục tiêu điều khiển pitch để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
- Đểđiều chỉnh momen khí động học ở tốc độ gió trên định mức
- Để giảm thiểu đỉnh trong momen hộp số
- Để tránh hoạt động bước răng quá mức
- Để giảm thiểu tải cơ sở tháp càng nhiều càng tốt bằng cách kiểm soát độ rung tháp
- Để tránh làm trầm trọng thêm trục và gốc cánh tải
Trong quá trình thiết kế điều khiển, việc xác định các mục tiêu xung đột là rất quan trọng, vì chúng thường yêu cầu sự thỏa hiệp hoặc tối ưu hóa Để đạt được điều này, cần xác định số lượng mục tiêu khác nhau, tuy nhiên, điều này có thể gặp khó khăn do các tải trọng khác nhau ảnh hưởng đến chi phí và độ tin cậy của các thành phần Sự cân bằng giữa các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo hiệu quả trong thiết kế.
Việc cân nhắc giữa năng lượng thu được và chi phí thành phần là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào chế độ gió, lãi suất chiết khấu và dự đoán giá bán điện trong tương lai Do đó, việc đưa ra quyết định là cần thiết để thiết kế một bộ điều khiển hiệu quả và chấp nhận được.
B ộ điề u khi ể n PI và PID
Bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân (PI) là một thuật toán phổ biến trong việc kiểm soát các thiết bị và quy trình Thuật toán này hoạt động dựa trên hai thành phần chính: tỉ lệ để kiểm soát lỗi, tức là sự khác biệt giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế, và tỉ lệ tích phân để điều chỉnh kiểm soát lỗi Thành phần tích phân đảm bảo rằng trong trạng thái ổn định, kiểm soát lỗi sẽ tiến gần về 0; nếu không, nó sẽ làm tăng cường độ kiểm soát Các thành phần tỉ lệ giúp thuật toán phản ứng nhanh chóng với những biến đổi trong số lượng cần kiểm soát.
Bộ điều khiển PID là một công cụ quan trọng trong việc kiểm soát tỉ lệ và đánh giá sự thay đổi của kiểm soát lỗi Trong ngữ cảnh của toán tử Laplace s, bộ điều khiển PID có thể được coi như một toán tử vi phân, với mối quan hệ giữa tín hiệu đo x và tín hiệu điều khiển y được thể hiện rõ ràng.
𝑑𝑑 � 𝑥𝑥 (2-1) Trong đó: 𝐾𝐾 𝑝𝑝 , 𝐾𝐾 𝑖𝑖 và 𝐾𝐾 𝑑𝑑 là những thành phần tỉ lệ, tích phân và đạo hàm tương ứng
Biểu thức mẫu số thực chất là một bộ lọc thông thấp, giúp ngăn chặn sự tăng vô hạn của thuật toán theo tần số Điều này đảm bảo rằng thuật toán có thể phản ứng nhanh chóng với nhiễu tín hiệu Khi đặt 𝐾𝐾𝑑𝑑 = 0, hệ thống sẽ chuyển thành bộ điều khiển PI.
Các phương pháp điề u khi ể n máy phát[6,7,8,9]
Phương pháp điề u khi ển máy phát không đồ ng b ộ
a) Khái quát vềmáy phát không đồng bộ:
Trong các hệ thống phát điện chạy sức gió có hai loại máy phát không đồng bộđược sử dụng:
Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), hay còn gọi là máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG), có cấu trúc với stator kết nối trực tiếp vào lưới điện, trong khi rotor được liên kết với lưới qua thiết bị điều khiển Hệ thống ắc quy kích từ chỉ cần thiết khi máy phát hoạt động độc lập, không hòa với lưới điện.
- Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage Induction
Máy phát điện SCIG khác với máy phát không đồng bộ rotor dây quấn ở chỗ máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc có stato được kết nối với lưới qua thiết bị điều khiển Hệ thống ắc quy kích từ chỉ cần thiết khi máy phát hoạt động ở chế độ độc lập.
Dễ dàng chỉ ra các ưu nhược điểm của hệ DFIG và SCIG:
Do thiết bị điều khiển của máy phát không đồng bộ rotor dây quấn nằm ở phía rotor, công suất của máy phát chỉ đạt khoảng 1/3 so với công suất tối đa Dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới, dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều so với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc, loại máy phát cần thiết bị điều khiển giữa stator và lưới, do đó có công suất tương đương với công suất của hệ thống máy phát.
Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc dễ dàng điều khiển hơn so với máy phát không đồng bộ rotor dây quấn nhờ vào thiết bị điều khiển giữa stator và lưới Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống xảy ra sự cố từ phía lưới.
Hình 2.2: Đặc tính công suất có thể hấp thụ từ gió với các tốc độ khác nhau
Trong thời gian dài, hệ thống phát điện gió với tốc độ quay cố định đã hạn chế khả năng khai thác năng lượng gió do kỹ thuật điều khiển chưa phát triển đầy đủ Mỗi tốc độ gió có một điểm công suất cực đại cần được khai thác, tạo thành đường công suất tối ưu (MPPT) Để tối ưu hóa năng lượng, cần điều khiển turbine sao cho tốc độ quay của máy phát bám sát điểm cực đại này, dẫn đến các chế độ vận hành đồng bộ hoặc không đồng bộ Tuy nhiên, vấn đề điều khiển turbine thường chỉ được đặt ra trong các hệ thống có công suất lớn, từ vài trăm kW trở lên Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (DFIG) là một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này.
Hình 2.3: Phạm vi hoạt động của máy phát DFIG (a); với dòng năng lượng chảy ở chếđộ máy phát thuộc phạm vi dưới đồng bộ(b); và trên đồng bộ (c)
Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn có khả năng cấp nguồn từ phía rotor, cho phép hoạt động ở bốn chế độ khác nhau Chế độ hoạt động của máy hoàn toàn độc lập với tốc độ quay cơ học, và chỉ phụ thuộc vào dấu của momen mM Cụ thể, máy sẽ hoạt động ở chế độ máy phát khi momen có dấu âm, và độ lớn của momen sẽ xác định công suất phát ra trong chế độ này.
Công suất lấy vào của máy điện không đồng bộ rotor dây quấn trong chế độ động cơ không được phép ảnh hưởng đến hệ số công suất cosφ đã được thiết lập cho thiết bị Việc điều khiển và điều chỉnh công suất này cần được thực hiện mà không làm thay đổi hệ số công suất đã định.
Biến tần không chỉ có khả năng lấy năng lượng mà còn có thể hoàn trả năng lượng vào lưới Máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể hoạt động ở hai chế độ: trên đồng bộ và dưới đồng bộ Trong cả hai chế độ này, máy cung cấp năng lượng cho lưới từ phía stator Ở phía rotor, máy
- Lấy năng lượng từlưới ở chếđộdưới đồng bộ (hình 2.3b)
Máy phát DFIG có khả năng hoàn năng lượng trả lại lưới điện trong chế độ đồng bộ, với stator kết nối trực tiếp và rotor nối qua bộ biến đổi điện tử công suất Máy phát có thể cung cấp năng lượng cho lưới với tốc độ đồng bộ hoặc dưới đồng bộ, nhờ vào việc điều chỉnh hệ số trượt thông qua bộ biến đổi Ưu điểm của hệ thống này là chỉ một phần năng lượng sinh ra cần đi qua bộ biến đổi, cho phép công suất của bộ biến đổi chỉ khoảng 30% so với công suất của turbine gió, đồng thời cho phép tốc độ rotor thay đổi trong khoảng ±30% so với tốc độ tiêu chuẩn Việc điều khiển công suất tác dụng của bộ biến đổi giúp thay đổi tốc độ quay của máy phát, từ đó điều chỉnh tốc độ rotor của turbine gió.
Hình 2.4: Hệ thống phong điện sử dụng DFIG
Hệ thống DFIG, như minh họa trong hình 2.4, bao gồm bộ biến đổi "Back to back" với hai bộ biến đổi hai chiều kết nối chung qua DC bus Một bộ biến đổi kết nối với rotor và bộ còn lại kết nối với lưới điện Các bộ biến đổi điện tử công suất này cho phép các máy phát hoạt động với tốc độ thay đổi linh hoạt.
Việc điều khiển cả công suất tác dụng và công suất phản kháng đưa tới lưới điện giúp tối ưu hóa hoạt động trong trạng thái ổn định, cải thiện chất lượng điện áp và góc pha Đồng thời, các sóng hài phát sinh từ bộ biến đổi trong khoảng vài kHz cần được giảm thiểu bằng cách sử dụng các bộ lọc phù hợp.
Hệ DFIG nổi bật với phản ứng linh hoạt và khả năng điều khiển vượt trội so với hệ thống SCIG, đồng thời không yêu cầu các hệ thống phụ trợ như bộ khởi động mềm và bộ bù công suất phản kháng.
Hình 2.5: Khái quát hệ thống sử dụng máy phát DFIG
Biến tần hình 2.5 bao gồm hai cụm chính: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch lưu phía máy phát (NLMP) Cụm NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh hiệu quả hai đại lượng mM và cosφ, đồng thời hòa đồng bộ với lưới cho máy phát và tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết Trong khi đó, cụm NLPL không chỉ thực hiện chức năng chỉnh lưu thông thường mà còn hoàn năng lượng từ mạch DC trở lại lưới ba pha, đồng thời điều chỉnh ổn định điện áp của mạch một chiều trung.
Gian UDC 38 có khả năng điều chỉnh hệ số công suất cosφ, giúp bù công suất vô công một cách hiệu quả hơn so với việc sử dụng tụ bù đắt tiền và không chính xác Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) cũng được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất.
Trong giai đoạn đầu phát triển của hệ thống phong điện, việc kết nối máy phát trực tiếp với lưới điện thông qua máy phát đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) được ưa chuộng Phương pháp này cho phép hoạt động ở tốc độ gần như cố định và công suất đầu ra được điều chỉnh bằng cách kiểm soát diện tích mặt đón gió hoặc góc nghiêng cánh Ưu điểm của turbine gió SCIG bao gồm tính đơn giản, chi phí xây dựng và lắp đặt thấp, cũng như không cần thiết bị hòa đồng bộ với lưới Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Phương pháp điề u khi ển máy phát điện đồ ng b ộ nam châm vĩnh cử u (Permanent Magnet Synchronous Generator – PMSG)
a) Khái quát về máy phát đồng bộnam châm vĩnh cửu:
Máy điện đồng bộ là loại máy điện xoay chiều mà tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trường Dây quấn stator kết nối với lưới điện xoay chiều, trong khi dây quấn rotor được kích từ bằng dòng điện một chiều Trong chế độ xác lập, tốc độ quay của rotor luôn ổn định bất kể sự thay đổi của tải.
Máy điện đồng bộ thường được sử dụng làm máy phát trong hệ thống điện, với nguồn năng lượng được cung cấp từ các động cơ sơ cấp như turbine hoặc động cơ kéo Nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu tương tự như máy điện đồng bộ, nhưng điểm khác biệt là cuộn kích từ trên rotor được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) đã được sử dụng từ những năm 1960, chủ yếu cho các động cơ có công suất nhỏ Nguyên lý hoạt động của PMSG là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp với nhiều cực trong một vòng khung, được gắn trực tiếp với hệ thống rotor, như trong các turbine điện gió của Avantis và Enercon.
Vensys hoặc đôi khi cũng có ởphía sau rotor như trong turbine điện gió Scanwind
Hệ thống rotor truyền năng lượng trực tiếp đến máy phát, loại bỏ nhu cầu sử dụng hộp số như các hệ thống cũ Tốc độ vòng quay và công suất của máy phát phụ thuộc vào số cặp cực, do đó máy phát điện nam châm vĩnh cửu thường có đường kính lớn để đạt công suất thiết kế Với tốc độ vòng quay thấp nhưng sản xuất điện năng cao, hệ thống này giảm thiểu mài mòn các chi tiết cơ, giảm trọng lượng, tăng độ bền và giảm tiếng ồn so với turbine có hộp số Ngoài ra, máy phát điện không cần nguồn điện kích từ, không cần bôi trơn bằng dầu và thời gian bảo trì cũng ngắn hơn.
Hình 2.8: Rotor và stator của turbine Avantis
41 b) Phương pháp điều khiển cơ bản hệ thống sử dụng PMSG:
Hệ thống sử dụng máy phát đồng bộ vĩnh cửu (PMSG) đang phát triển mạnh mẽ nhờ khả năng khai thác triệt để năng lượng gió và hiệu suất cao khi kết nối trực tiếp với trục turbine mà không cần hộp tốc độ Điện áp xoay chiều được phát ra từ máy phát thông qua bộ biến đổi AC-AC để phù hợp với điện áp lưới Tuy nhiên, tần số và điện áp của PMSG phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor, do đó bộ biến đổi trong hệ thống cần điều chỉnh để cung cấp điện áp và tần số ổn định cho lưới điện.
Hệ thống PMSG có thểđược sử dụng các cấu hình như trong hình 2.9
Sơ đồ cơ bản của hệ thống PMSG sử dụng bộ chỉnh lưu 3 pha diode cho thấy điện áp một chiều Vdc tỷ lệ với điện áp ra của máy phát và tốc độ quay của rotor Bộ biến đổi phía lưới thực chất là bộ nghịch lưu 3 pha sử dụng các thiết bị bán dẫn điều khiển như Transistor, MOSFET và IGBT Điện áp xoay chiều 3 pha đầu ra được kết nối qua máy biến áp vào lưới, với tần số và giá trị điện áp xoay chiều được điều khiển cố định theo lưới thông qua khối nghịch lưu điều khiển độ rộng xung PWM.
So với hình a), điện áp xoay chiều PMSG sau khi qua bộ chỉnh lưu diode được đưa đến bộ băm áp một chiều (chopper) trước khi vào bộ nghịch lưu Điện áp Vdc sau bộ băm áp một chiều được điều khiển bởi bộ điều khiển phía máy phát (Generation side control), giữ giá trị điện áp gần như không đổi, giúp đơn giản hóa việc điều khiển bộ nghịch lưu khi điện áp đầu ra của nghịch lưu bằng điện áp lưới.
Bộ chỉnh lưu diode trong hình 2.9c đã được thay thế bằng bộ chỉnh lưu tích cực có điều khiển, gọi là bộ biến đổi phía máy phát Điều này cho phép điện áp Vdc được điều chỉnh theo biến thiên của điện áp máy phát, từ đó cải thiện hiệu suất làm việc của bộ nghịch lưu và bộ biến đổi phía lưới, giúp ổn định giá trị điện áp và tần số.
42 Hình 2.9: Các cấu hình cơ bản hệphong điện sử dụng PMSG: a) CL 3 pha dùng diode; b) CL 3 pha dùng diode và Chopper; c) CL tích cực
Hình 2.10: Sơ đồ bộ chỉnh lưu tích cực sử dụng IGBT
Trong sơ đồ chỉnh lưu tích cực, thuật ngữ "tích cực" chỉ ra rằng các bộ chỉnh lưu này có khả năng điều khiển dòng nạp tụ về biên độ, tần số và góc pha Nhờ đó, chúng cho phép bộ biến đổi hoạt động với hiệu suất truyền tải tối ưu, đạt hệ số công suất bằng một Hơn nữa, các bộ chỉnh lưu tích cực hỗ trợ hai chiều truyền tải công suất với chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu (BRB – Bi-Directional Reverse Blocking) Việc điều khiển các IGBT được thực hiện thông qua các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) theo các luật điều khiển hiện đại, như điều biến độ rộng xung theo vector không gian (SVPWM).
Sơ đồ sử dụng phần tử điện tử công suất hiện đại BRB-IGBT trong bộ AC-
AC được thể hiện trên hình 2.11, có công suất cũng như dòng điện được điều khiển
2 chiều cho phép điều khiển truyền công suất từ máy phát đến nguồn hoặc ngược lại Điều khiển các van BRB-IGBT sử dụng DSP theo SVPWM
Sơ đồ bộ biến đổi AC-AC sử dụng BRB-IGBT cho phép điều khiển máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ, hoạt động hiệu quả trong chế độ độc lập.
Hệ thống PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) sử dụng bộ chỉnh lưu đơn giản cần có mạch tải giả để duy trì sự cân bằng năng lượng Khi có sự mất cân bằng giữa năng lượng mà turbine thu được và năng lượng tiêu thụ từ phụ tải, điều này có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống.
- Tốc độ quay của turbine có nguy cơ tăng cao.
- Điện áp UDC của mạch DC trung gian (Bus Voltage) tăng nguy hiểm cho các van
Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) sẽ kích hoạt mạch tải giả nhằm khôi phục sự cân bằng cần thiết, đảm bảo an toàn cho turbine và các thiết bị liên quan.
45 van bán dẫn Đại lượng cần được điều khiển ổn định chính là điện áp UDC của mạch
DC trung gian được sử dụng trong sơ đồ mạch tải giả như hình 2.12b Việc điều khiển điện trở tải giả được thực hiện thông qua nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation), giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng điện tử.
Modulation) với vòng DC kiểu 2 điểm, cài đặt trên DSP.
