TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Năng lượng gió đang trở thành một nguồn năng lượng tự nhiên quan trọng cho nhu cầu năng lượng toàn cầu trong tương lai Để tối ưu hóa tiềm năng của năng lượng gió, cần cải tiến công nghệ và nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng, từ đó giảm giá thành và cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác Hình ảnh các trang trại gió quy mô lớn tại Tuy Phong, Bình Thuận, Việt Nam và Hà Lan minh chứng cho sự phát triển của nguồn năng lượng này.
Hình 1.1: Cánh đồng điện gió Tuy Phong - Bình Thuận
Hình 1.2: Tuabin gió tại Hà Lan
Hiện nay, năng lượng điện gió đang trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, với mức tăng trưởng vượt trội so với các nguồn năng lượng khác Đây là nguồn năng lượng tiềm năng và đang được chú trọng phát triển, đặc biệt ở nhiều quốc gia như Đức, nơi đã triển khai các dự án quy mô lớn.
Hà Lan, Mỹ, Anh … và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (CEA) với
Bốnteen quốc gia, bao gồm Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, Ý, Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh và Mỹ, đã hợp tác nghiên cứu và trao đổi kinh nghiệm về phát triển năng lượng điện gió Tính đến năm 1995, các quốc gia này đã lắp đặt khoảng 25.000 tuabin, với tổng công suất đạt 3.500 MW và sản xuất hàng năm khoảng 6 triệu MWh Năng lượng điện gió hiện đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất trên thế giới, đặc biệt tại châu Âu, nơi chiếm tới 70% tổng công suất toàn cầu.
Theo BTM consult[1] năng lượng gió cho đén nay đã đạt mức tích lũy trên toàn thế giới là 200 GW và gần 40 GW đã được lắp đặt vào năm 2010,
Điện gió đang trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng toàn cầu, với tỷ lệ chiếm 1,8% tổng sản lượng điện thế giới Dự đoán đến năm 2019, tỷ lệ này sẽ tăng lên hơn 8% tương đương 1 TW Trung Quốc hiện là thị trường lớn nhất cho năng lượng điện gió, dẫn đầu trong sự phát triển này từ năm 2010.
EU và Mỹ hiện đang chiếm một phần ba tổng thị trường điện gió toàn cầu Hình 1.3 dưới đây minh họa năng lực lắp đặt năng lượng gió trên toàn thế giới.
Hình 1.3: Năng lực lắp đặt năng lượng gió toàn cầu từ năm 1996 đến 2010
Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn trong phát triển điện gió, với 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá là phù hợp cho các trạm điện gió cỡ lớn Thêm vào đó, 41% diện tích nông thôn có khả năng phát triển trạm điện gió cỡ nhỏ Những số liệu này khẳng định tiềm năng phát triển nguồn năng lượng tái tạo, vô tận và thân thiện với môi trường tại Việt Nam.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TUABIN GIÓ
1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống tuabin gió
Hệ thống tuabin gió đã trở thành một phần quan trọng trong năng lượng tái tạo, đặc biệt phổ biến ở châu Âu, Mỹ và các quốc gia công nghiệp phát triển Đức hiện đang dẫn đầu toàn cầu trong lĩnh vực này, khẳng định vị thế tiên phong trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ năng lượng gió.
Công nghệ phong điện hiện nay chủ yếu bao gồm hai loại trạm: trục ngang và trục đứng Trạm phong điện trục ngang có thiết kế giống như cối xay gió châu Âu cổ điển, với máy phát điện nằm trên tháp cao và rotor ở giữa kết nối với tua bin ba cánh Trong khi đó, trạm phong điện trục đứng sử dụng máy phát điện với rotor nằm ngoài, giúp nó hoạt động hiệu quả hơn với mọi hướng gió Loại trạm này có cấu trúc đơn giản, dễ dàng vận chuyển và lắp đặt, đồng thời độ bền cao và bảo trì dễ dàng Mặc dù mới xuất hiện trong vài năm gần đây, trạm phong điện trục đứng đã nhanh chóng được áp dụng rộng rãi.
Hiện nay, máy phát phong điện có công suất đa dạng, từ 1 kW đến hàng chục ngàn kW Các trạm phong điện có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng điện quốc gia Trạm độc lập cần bộ nạp, ắc-quy và bộ đổi điện để tích trữ điện khi không sử dụng, trong khi trạm nối mạng không cần thiết bị này Các trạm phong điện bắt đầu phát điện khi tốc độ gió đạt 3 m/s (11 km/h) và sẽ tự ngừng hoạt động khi gió vượt quá mức an toàn.
Tốc độ gió hiệu quả cho các hệ thống máy phát điện gió dao động từ 10 m/s đến 17 m/s, tùy thuộc vào từng thiết bị cụ thể Hình 1.4 dưới đây minh họa mô hình tham khảo của một hệ thống máy phát điện gió với các thành phần cơ bản.
Hình 1.4: Mô hình hệ thống tuabin gió điển hình
Cánh gió: Các tuabin gió hiện đại thường được thiết kế với hai hoặc ba cánh gió Khi gió thổi qua các cánh quạt, nó tạo ra lực làm cho các cánh quạt chuyển động và quay, từ đó sản sinh ra năng lượng.
Thiết bị yaw có hai chức năng quan trọng: đầu tiên, khi tốc độ gió thấp hơn giới hạn thiết kế, nó giúp rotor luôn hướng về phía nguồn gió dù hướng gió có thay đổi Thứ hai, khi tốc độ gió vượt quá giới hạn thiết kế, đặc biệt trong điều kiện gió bão, thiết bị này sẽ dịch chuyển rotor ra khỏi hướng gió bão để bảo vệ hệ thống.
Cánh gió có khả năng lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ của rôto, giúp tối ưu hóa quá trình tạo ra điện Để duy trì hiệu suất, cánh được thiết kế với độ nghiêng nhất định, đảm bảo rôto quay ở tốc độ lý tưởng, không quá cao cũng không quá thấp, ngay cả trong điều kiện gió biến đổi.
Chong chóng gió (vane): Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tuabin phản ứng phù hợp với tốc độ gió cụ thể
Bộ đo tốc độ gió (anemometer): Đo tốc độ gió rồi chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển
Phanh hãm là hệ thống phanh dạng đĩa, hoạt động như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực, nhằm dừng roto trong các tình huống khẩn cấp bằng điện, sức nước hoặc động cơ.
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, mức cần thiết cho hầu hết các máy phát điện Tốc độ quay này là yêu cầu thiết yếu để sản xuất điện năng Bộ bánh răng này có giá trị cao và là một phần thiết yếu của động cơ và tuabin gió, trong khi các máy phát có tốc độ thấp hơn không cần đến bộ phận này.
Máy phát điện thường sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) hoặc máy phát điện không đồng bộ (DFIG) để tạo ra điện năng xoay chiều.
Tháp gió được thiết kế từ thép phiến hoặc các thanh thép chéo, đảm bảo kết cấu vững chắc và khả năng chịu va đập cũng như ăn mòn Chiều cao của tháp tỷ lệ thuận với tốc độ gió, vì vậy, tuabin càng được lắp đặt cao thì càng thu được nhiều năng lượng và sản xuất điện hiệu quả hơn Việc nâng tuabin lên cao giúp chúng tiếp cận với các luồng gió mạnh hơn, tránh được những cản trở từ địa hình như đồi núi, nhà cửa và cây cối gần mặt đất.
Một nguyên tắc quan trọng khi lắp đặt tuabin gió là đảm bảo đáy cánh rotor cách các vật cản ít nhất 9m và nằm trong phạm vi đường kính 90m của tháp Việc đầu tư vào việc tăng chiều cao của tháp có thể mang lại lợi ích lớn cho sản xuất điện Cụ thể, việc nâng chiều cao tháp từ 18m lên 33m cho máy phát 10kW chỉ tăng tổng chi phí hệ thống khoảng 10%, nhưng có thể làm tăng sản lượng điện lên tới 29%.
1.2.2 Giới thiệu các bộ phận trong hệ thống tuabin gió[1]
1.2.2.1 Máy phát điện trong hệ thống tuabin gió a Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSG) [2]
Để tuabin gió hoạt động hiệu quả, hệ thống rotor cần tự điều chỉnh theo sự thay đổi của tốc độ và hướng gió Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) đáp ứng tốt yêu cầu này nhờ vào từ thông ổn định từ hệ thống nam châm vĩnh cửu trên rotor Với khả năng hoạt động ở tốc độ vòng quay thấp nhưng vẫn sản xuất điện năng cao, PMSG mang lại nhiều ưu điểm cho tuabin gió Chính vì lý do này, PMSG đang ngày càng được ưa chuộng trong các hệ thống tuabin gió hiện nay.
- Cấu tạo chung của máy điện đồng bộ:
Máy phát điện đồng bộ sử dụng cực từ được tạo ra từ nam châm vĩnh cửu với hợp kim đặc biệt, có độ từ dư cao từ 0,5 đến 1,5 T Cực từ có hình dạng lồi và được đặt trên rôto, với khoảng cách giữa các cực được đổ nhôm kín, tạo thành một khối trụ Khi sử dụng làm động cơ điện, cần thiết phải lắp đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc, do việc gia công rãnh trên hợp kim nam châm gặp khó khăn Thông thường, lồng sóc được chế tạo tương tự như động cơ không đồng bộ, với hai đĩa nam châm ở hai đầu, tuy nhiên, cấu trúc này tiêu tốn nhiều vật liệu hơn và thường được sản xuất với công suất từ 30 đến 40 W Nếu sử dụng như máy phát điện mà không có dây quấn mở máy, công suất có thể đạt được cao hơn.
Động cơ đồng bộ, đặc biệt là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có công suất từ 5 đến 10 KW, thậm chí lên tới 100 KW Đây là loại máy điện xoay chiều với phần cảm nằm ở roto và phần ứng là hệ thống quấn ba pha ở stator Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, phần cảm được kích thích bằng các phiến nam châm được bố trí trên hoặc dưới bề mặt roto, thường được làm từ vật liệu đất hiếm như samariu-cobalt (SmCo5).
BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG
THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CỦA HỆ THỐNG TUABIN GIÓ
Sự phát triển của thiết bị chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các bộ biến đổi năng lượng cao cho tuabin gió Các module sử dụng IGBT là một trong những lựa chọn chính trong lĩnh vực này.
Công nghệ IGBT đã được chứng minh là tăng cường độ tin cậy và hỗ trợ sự phát triển của bộ biến đổi công suất trung bình trong các hệ thống điện năng cao, như dầu khí và gas Tuy nhiên, ứng dụng của công nghệ này trong ngành công nghiệp tuabin gió vẫn hạn chế do chi phí Công nghệ mô-đun đã ghi nhận những ứng dụng tiềm năng và giảm thiểu các vấn đề gắn kết Đặc biệt, độ tin cậy và độ dốc do chu kỳ tuần hoàn nhiệt của dây nối trong mô đun đang được cải tiến liên tục, với việc sử dụng các loại giấy bạc thay vì dây dẫn, giúp giảm 35% trọng lượng thiết bị.
2.1.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Transistor cách ly điều khiển (IGBT) là linh kiện bán dẫn công suất 3 cực, được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp ưu điểm của MOSFET với khả năng đóng cắt nhanh và transistor thông thường với khả năng chịu tải lớn Là phần tử điều khiển bằng điện áp, IGBT yêu cầu công suất điều khiển rất nhỏ Hình 2.1 minh họa kí hiệu IGBT trên bản vẽ kỹ thuật.
Hình 2.1: Kí hiệu của IGBT
Cấu trúc bán dẫn của IGBT tương tự như MOSFET, nhưng có thêm lớp nối với collector, tạo ra cấu trúc p-n-p giữa emitter và collector, khác với cấu trúc n-n của MOSFET Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
Hình 2.2: Cấu trúc IGBT điển hình
Hình 2.3: Mạch tương tương của IGBT
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển Uge > 0, kênh dẫn sẽ được hình thành với các điện tử mang điện, tương tự như trong cấu trúc Mosfet Các điện tử này di chuyển về phía colector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p, tương tự như quá trình giữa bazo và colector trong transistor thông thường, tạo ra dòng colector.
Kết nối giữa bộ chỉnh lưu và nghịch lưu trong bộ biến đổi nguồn sử dụng một tụ điện để lưu trữ điện áp một chiều Qua đó, có thể tạo ra một giàn tụ điện lưu trữ điện áp đã chỉnh lưu Mặc dù một tụ điện có khả năng trữ điện tích lớn, việc sắp xếp chúng theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ gia tăng điện dung tổng thể của hệ thống.
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động phổ biến, bao gồm hai bản cực song song với khả năng cách điện một chiều, nhưng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp Hình 2.4 minh họa ký hiệu của tụ điện trong các bản vẽ kỹ thuật điện.
Hình 2.4: Kí hiệu của tụ điện
Tụ điện được cấu tạo bởi hai bản cực kim loại cách điện với nhau, ở giữa là môi trường điện môi không dẫn điện Môi trường này có thể là không khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, hoặc thuỷ tinh Tên gọi của tụ điện sẽ phụ thuộc vào loại lớp cách điện giữa hai bản cực Hình 2.3 minh họa cấu tạo của một tụ điện điển hình.
Tụ điện là một linh kiện điện tử có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường bằng cách lưu trữ electron Nó có thể phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện, thể hiện tính chất phóng nạp đặc trưng của tụ điện.
Diode là một linh kiện chỉ cho phép dòng điện chạy qua nó theo một chiều nhất định, chiều người lại thì dòng điện không thể đi qua.
Diode là linh kiện điện tử được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc, bao gồm hai cực là Anốt và Katốt Diode cho phép dòng điện chỉ đi theo một chiều từ Anốt sang Katốt, với khả năng cản trở dòng điện theo chiều ngược lại (từ Katốt sang Anốt) rất lớn Nhờ vào đặc tính này, diode được sử dụng như một van một chiều trong các mạch điện.
Hình 2.6: Kí hiệu, đường đặc tính, hình dạng của Diode
Diode, với tính chất dẫn điện một chiều, thường được ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu, chuyển đổi nguồn xoay chiều thành một chiều Ngoài ra, diode còn được sử dụng trong các mạch tách sóng và mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động hiệu quả.
BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN MỘT LỚP[1]
2.2.1 Bộ biến đổi nguồn đơn hướng
Hiện nay, xu hướng sử dụng máy phát đồng bộ vĩnh cửu (PMSG) trong các tuabin gió công suất lớn đang gia tăng Để loại bỏ công suất phản kháng không cần thiết từ máy phát và dòng điện năng từ PMSG tới lưới điện, bộ chỉnh lưu diode đơn giản là giải pháp tiết kiệm chi phí được áp dụng cho bộ biến đổi phía máy phát Tuy nhiên, việc sử dụng diode chỉnh lưu, dù là nhiều pha hay 12-xung tần số thấp, có thể dẫn đến hiện tượng cộng hưởng trục Ngoài ra, các giải pháp chỉnh lưu bán tự động cũng có thể được triển khai.
Bộ biến đổi nguồn đơn hướng được sử dụng trong hệ thống tuabin gió với máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) giúp điều chỉnh tốc độ biến thiên của gió và ổn định điện áp.
Bộ biến đổi tăng DC-DC có thể được tích hợp vào liên kết DC hoặc điều khiển điện áp DC thông qua rotor kích thích Đối với các nguồn điện có công suất trong khoảng MW, việc thực hiện bộ biến đổi yêu cầu sử dụng một số phần tử hoặc áp dụng giải pháp ba cấp.
Hình 2.8 mô tả bộ biến đổi năng lượng hoàn chỉnh cho tuabin gió với máy phát điện nam châm vĩnh cửu, sử dụng hai bộ biến đổi nguồn hiện tại kết nối back-to-back Giải pháp này tận dụng độ tự cảm của cáp dài trong trang trại gió khi sử dụng nguồn DC phân phối hoặc khi bộ biến đổi máy phát được đặt trong vỏ bọc, trong khi bộ biến đổi lưới nằm ở dưới cùng của WTS Biến tần nguồn áp là cần thiết trong cấu trúc liên kết của Hình 2.7 do việc sử dụng lưu trữ DC điện dung.
Việc sử dụng biến tần nguồn áp hiện tại ở phía lưới là cần thiết trong cấu trúc liên kết như Hình 2.8, do lưu trữ được thực hiện thông qua cảm ứng.
2.2.2 Bộ biến đổi nguồn 2 mức ( 2L-BTB)
Bộ biến đổi nguồn điện áp điều chế độ rộng xung hai mức (2L-PWM-VSC) là cấu trúc phổ biến nhất trong các hệ thống tuabin gió, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối máy phát điện với lưới điện Công nghệ này đã được thiết lập tốt và có kiến thức rộng lớn trong lĩnh vực Hai bộ 2L-PWM-VSC thường được cấu hình theo dạng back-to-back (2L-BTB), với một máy biến áp ở phía lưới, như minh họa trong Hình 2.9.
Hình 2.9: Bộ biến đổi nguồn 2 cấp back-to-back cho hệ thống tuabin gió (2L-BTB)
Giải pháp 2L-BTB mang lại lợi thế kỹ thuật với cấu trúc đơn giản và ít thành phần, giúp tăng cường hiệu suất mạnh mẽ và đáng tin cậy, điều này đã được chứng minh thực tế Tuy nhiên, khi công suất và điện áp của tuabin gió tăng lên, bộ biến đổi 2L-BTB có thể gặp phải tổn thất chuyển mạch lớn và hiệu suất thấp hơn ở mức MW và điện áp MV Để đáp ứng yêu cầu về công suất và điện áp của tuabin gió, các thiết bị chuyển mạch cần được thiết kế kết nối song song hoặc theo chuỗi, điều này có thể làm giảm tính đơn giản và độ tin cậy của bộ biến đổi điện.
Một thách thức trong giải pháp 2L-BTB là điện áp đầu ra hai cấp, đòi hỏi bộ lọc đầu ra lớn để kiểm soát độ dốc điện áp và giảm thiểu sóng hài bậc cao (THD) Cấu trúc liên kết 2L-BTB hiện đang được sử dụng trong các bộ biến đổi của tua bin gió với DFIG.
2.2.3 Bộ biến đổi nguồn đa mức[1]
Công suất điện của tuabin gió đang tăng lên, thậm chí đạt 10 MW, khiến cho giải pháp 2L-BTB truyền thống khó đạt hiệu suất chấp nhận được với thiết bị chuyển mạch hiện có Với nhiều mức điện áp đầu ra, biên độ điện áp cao hơn và công suất lớn hơn, cấu trúc liên kết biến đổi đa cấp trở thành lựa chọn phổ biến trong ứng dụng tuabin gió Bộ biến đổi đa cấp được phân loại thành ba loại: cấu trúc kẹp diode trung tính, cấu trúc kẹp tụ điện bay và cấu trúc tế bào biến đổi tầng Để tiết kiệm chi phí, các bộ biến đổi đa cấp chủ yếu được áp dụng cho tuabin gió có công suất từ 3 MW đến 7 MW Một số giải pháp đa cấp sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
2.2.3.1 Cấu trúc kẹp diode trung tính(3L NPC BTB)
Cấu trúc liên kết kẹp ba điểm trung tính (3L NPC BTB) là một trong những bộ biến đổi đa cấp phổ biến nhất trên thị trường Nó thường được thiết kế theo cấu trúc back-to-back trong các tuabin gió, như minh họa trong hình 2.10.
Hình 2.10: Bộ biến đổi nguồn cấu trúc liên kết kẹp ba điểm trung tính
Bộ biến đổi 3L-NPC cung cấp điện áp đầu ra cao hơn so với 2L-BTB, cho phép giảm kích thước bộ lọc Nó cũng có khả năng xuất biên độ điện áp kép nhờ vào các thiết bị chuyển mạch có cùng mức điện áp Tuy nhiên, biến động điện áp trung điểm của bus DC là nhược điểm chính của BTB 3L-NPC, mặc dù đã được cải thiện thông qua việc kiểm soát trạng thái biến đổi dự phòng Một vấn đề quan trọng khác là sự phân bố tổn thất không đồng đều giữa các thiết bị chuyển mạch bên ngoài và bên trong trong một cánh tay chuyển mạch, có thể ảnh hưởng đến khả năng biến đổi trong thiết kế thực tế.
2.2.3.2 Cấu trúc liên kết back to back cầu H (3L-HB BTB)
Giải pháp BTB 3L-HB bao gồm hai bộ biến đổi cầu H cấu hình back-to-back, cho hiệu suất đầu ra tương tự như BTB 3L-NPC nhưng không đồng đều Giải pháp này loại bỏ mất phân phối và điốt kẹp, đồng thời cho phép sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị chuyển mạch và công suất thiết kế cao hơn.
Hình 2.11: Bộ biến đổi back-to-back ba cấp cầu H cho hệ thống tua bin gió
Hệ thống 3L-HB BTB sử dụng chỉ một nửa điện áp bus DC so với BTB 3L-NPC, điều này dẫn đến việc giảm số lượng kết nối chuỗi tụ và loại bỏ điểm giữa trong bus DC, từ đó kích thước của tụ liên kết DC có thể được giảm thiểu thêm.
Cấu trúc cuộn quanh trong máy phát và máy biến áp của BTB 3L-HB giúp đạt được sự cách ly giữa các pha, mang lại ưu điểm là cho phép hoạt động độc lập của từng pha và khả năng thứ lỗi khi một hoặc hai pha không hoạt động Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu chiều dài cáp đôi để kết nối, dẫn đến chi phí cao hơn và tổn thất điện cảm trong cáp, tạo ra những hạn chế đáng kể Cần nghiên cứu thêm về tác động của tổn thất năng lượng và trọng lượng của máy phát điện và máy biến áp để cải thiện những nhược điểm này.
2.2.3.3 Cấu trúc liên kết back to back 5 mức cầu H (5L-HB BTB)
Bộ biến đổi BTB 5L-HB bao gồm hai bộ biến đổi cầu H, sử dụng cánh tay chuyển mạch 3L-NPC, như thể hiện trong Hình 2.12 Đây là phiên bản mở rộng của 3L-HB BTB và đáp ứng các yêu cầu đặc biệt cho máy phát điện cũng như máy biến áp mở.
Hình 2.12: Bộ biến đổi back-to-back năm cấp cầu H cho tua bin gió(5L-HB BTB)
BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN ĐA LỚP
Bộ biến đổi cầu H (cascaded H-bridge - CHB) hiện là một trong những ô biến đổi tầng được thương mại hóa phổ biến nhất Đặc điểm nổi bật của CHB là yêu cầu một liên kết DC riêng biệt cho mỗi ô, như được minh họa trong Hình 2.14.
36 biến đổi Đặc điểm này có thể liên quan đến một máy biến áp phức tạp ở phía máy phát, dẫn đến trọng lượng và thể tích lớn hơn
Hình 2.14: Bộ biến đổi back-to back-back của cầu H có các bộ tua bin gió với biến áp tần số trung bình (S − S)
Bộ biến đổi back-to-back CHB trong hình 2.15 là một cấu trúc hiệu quả, sử dụng bộ biến đổi DC/DC với máy biến áp tần số trung bình hoạt động từ kHz đến hàng chục kHz, giúp giảm kích thước máy biến áp Nhờ vào cấu trúc tầng, hệ thống này có khả năng kết nối trực tiếp với lưới điện truyền tải.
(10 kV – 20 kV) với chất lượng điện áp đầu ra cao, thiết kế có bộ lọc và khả năng dự phòng khi gặp sự cố
Hình 2.15 minh họa cách kết nối hàng loạt bộ biến đổi nguồn qua cầu nối biến đổi lưới chung và liên kết MVDC, kết hợp với các bộ biến đổi tăng cường Đây là một phương pháp được Semikron ưu tiên, nhằm gia tăng sức mạnh thông qua cấu trúc đa lõi, cho phép kết nối hiệu quả hơn.
Trong một hệ thống bus MVDC, 37 bộ biến đổi lưới được kết nối song song, cho phép sử dụng các mô-đun điện áp thấp tiêu chuẩn cho ứng dụng MVDC Điều này mang lại lợi ích lớn trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.
Hình 2.16: Kết nối song song của các bộ biến đổi nguồn trong đó các tín hiệu
Giải pháp kết nối song song các tế bào ở phía máy phát và lưới điện trong tuabin gió 4-5 MW được Gamesa áp dụng, đồng thời Siemens cũng đã triển khai giải pháp tương tự trong một số tuabin gió MW của họ.
Hình 2.17: Kết nối song song từ của bộ biến đổi nguồn ở phía máy phát và kết nối chuỗi ở phía lưới (MP −S)
Hình 2.17 minh họa giải pháp cho một hệ thống WTS biến áp cao với công suất lớn, trong đó các cuộn dây của máy phát điện được liên kết với bộ biến đổi AC/DC được sắp xếp theo chuỗi ở phía lưới.
Hình 2.18: Kết nối chuỗi các bộ biến đổi ma trận với sự song song từ tính ở phía lưới(S − MP)
Hình 2.18 minh họa một bộ biến đổi năng lượng với kết nối loạt các bộ biến đổi ma trận, trong đó nguồn cấp dữ liệu đầu ra từ một số cuộn dây của máy biến áp dẫn đến cấu hình song song Tất cả các cấu trúc liên kết đều có khả năng chịu lỗi và sử dụng số lượng thành phần cao hơn Sự khác biệt chính nằm ở yêu cầu đối với máy phát và máy biến áp, như được trình bày trong Bảng II.
Bảng II: Bảng so sánh các giải pháp đa lớp của bộ biến đổi cho hệ thống tuabin gió
Tiêu chuẩn Open winding Tiêu chuẩn Open winding
BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI TỪ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO[3]
Sự gia tăng các nguồn năng lượng tái tạo và máy phát điện phân phối yêu cầu các chiến lược mới để vận hành và quản lý lưới điện, nhằm duy trì và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cũng như chất lượng lưới điện Tự do hoá lưới điện làm cho cơ cấu quản lý trở nên quan trọng hơn trong kinh doanh năng lượng điện Công nghệ điện-điện tử đóng vai trò then chốt trong việc phân phối và hòa lưới các nguồn năng lượng tái tạo, với sự phát triển nhanh chóng trong các ứng dụng cho hệ thống lưới Trong những năm gần đây, công nghệ điện-điện tử trong hệ thống tuabin gió đã phát triển mạnh mẽ nhờ vào hai yếu tố chính: sự tiến bộ của thiết bị chuyển mạch bán dẫn cho phép chuyển đổi nhanh chóng và điều khiển công suất lớn, cùng với việc ứng dụng máy tính thời gian thực trong bộ điều khiển để thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp Những yếu tố này đã góp phần tạo ra các bộ chuyển đổi hiệu quả với chi phí hợp lý.
Dưới đây là một số hệ thống điện tử công suất nối lưới cho tuabin gió được sử dụng phổ biến hiện nay:
Hình 2.19: Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(PMSG) và bộ biến tần nguồn áp 3 phaVSI
Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG kết hợp với bộ biến tần nguồn áp VSI, trong đó stator của máy phát được kết nối với lưới thông qua bộ mạch điều khiển công suất Mạch điều khiển này bao gồm bộ nghịch lưu phía máy phát với 6 IGBT và 6 diode, cùng với bộ nghịch lưu phía lưới cũng sử dụng 6 IGBT.
Diode nghịch lưu phía máy phát điện có vai trò điều chỉnh hòa đồng bộ và tách máy phát điện khỏi lưới khi cần thiết Nghịch lưu phía lưới giúp duy trì ổn định điện áp của mạch một chiều trung gian Kết nối giữa bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được thực hiện thông qua một tụ điện lưu trữ điện áp một chiều Tuyến dẫn một chiều bao gồm một giàn tụ điện đã được chỉnh lưu, cho phép lưu trữ điện tích lớn Việc sắp xếp các tụ điện theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ làm tăng điện dung tổng thể của hệ thống.
Hệ thống tuabin gió trong hình 2.20 sử dụng máy phát không đồng bộ DFIG và bộ biến tần nguồn áp 3 pha VSI Stato của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện, trong khi rotor kết nối qua mạch điều khiển công suất cho phép dòng năng lượng di chuyển hai chiều Hệ thống hoạt động ở hai chế độ: trên đồng bộ và dưới đồng bộ Trong cả hai chế độ, stato phát công suất lên lưới, trong khi rotor hấp thụ năng lượng khi ở chế độ lưới đồng bộ và phát năng lượng khi ở chế độ trên đồng bộ.
Hình 2.21: Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát PMSG và bộ biến tần 3 pha
Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG và bộ biến tần nguồn áp, trong đó bộ chỉnh lưu là cầu diode 3 pha với 6 diode Mạch nghịch lưu sử dụng transistor IGBT, bao gồm 6 transistor T1, T2, T3, T4, T5, T6 nối theo sơ đồ cầu, với các diode song song bảo vệ các transistor khỏi điện áp ngược Các transistor T1, T3, T5 được nối chung cực colectơ ở phía dương, trong khi T2, T4, T6 nối chung cực emitơ về phía âm của nguồn điện một chiều U_d Bộ biến tần gián tiếp PWM sử dụng transistor IGBT, tạo ra điện áp ra trên tải tương ứng với điện áp điều khiển trên cực cửa của transistor, dẫn đến điện áp ra có dạng xung hình chữ nhật với các độ rộng khác nhau.
Trong chương 2, tôi đã nghiên cứu các bộ biến đổi nguồn điện trong hệ thống tuabin gió, bao gồm bộ biến đổi nguồn đơn hướng, bộ biến đổi nguồn 2 mức (2L-BTB), bộ biến đổi nguồn đa mức và một số hệ thống điển hình sử dụng bộ biến đổi công suất nối lưới từ nguồn năng lượng tái tạo Những bộ biến đổi công suất này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện áp và ổn định tần số khi hòa vào lưới điện, góp phần nâng cao hiệu suất của hệ thống điện tử công suất trong tuabin gió.