Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ - Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió. - Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam. - Mục tiêu của đề tài. - Nhiệm vụ và giới thiệu giới hạn của đề tài.
- Phương pháp nghiên cứu. Chương 2: - Cấu trúc tổng quan của hệ thống phát điện gió. - Tổng quan về DFIG. - Tổng quan về bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu.
Chương 3: - Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh 𝛼𝛽. - Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh d-q. - Điều khiển công suất DFIG. Chương 4: GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 4 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT - Tổng quan.
- Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội. - Hệ thống điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG. - Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép. - Mô hình máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây.
Chương 5: - Chế độ làm việc bình thường của hệ thống phát điện gió. - Chế độ làm việc lúc ngắn mạch của hệ thống phát điện gió. Chương 6: - Kết luận. - Hướng phát triển cảu đề tài.
GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 5 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 2.1 Cấu trúc tổng quan của hệ thống phát điện gió Hệ thống phát điện gió gồm các thành phần cơ bản sau: − Cánh tuabin: Các tuabin gió hiện tại thường có hai đến ba cánh. Gió thổi qua các cánh quạt làm cho các cánh chuyển động quay. − Góc Pitch: Cánh tuabin được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ nhờ vào sự điều chỉnh góc pitch. Cánh quạt được điều chỉnh để giữ cho rotor quay với tốc độ không quá cao hoặc không quá thấp để phát công suất điện.
− Thiết bị điều khiển Yaw control: Khi tốc độ gió quá nhỏ so với tốc độ giới hạn, nó sẽ giữ cho rotor đối diện với nguồn gió. Khi tốc độ gió vượt quá giới hạn, đặc biệt khi có bão, nó sẽ điều khiển các tuabin ra khỏi hướng có bão. − Đồng hồ đo tốc độ và hướng gió: Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tuabin thích hợp với tốc độ gió cụ thể. − Phanh hãm: phanh hãm đĩa được dùng như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực để dừng rotor trong các trường hợp khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
− Hộp số: hộp số được đặt ở giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao để gia tăng tốc độ quay từ 20 vòng đến 60 vòng trên phút đến 1200 đến 1500 vòng trên phút, đây là tốc độ quay phù hợp cho các máy phát để sản xuất ra điện. − Máy phát: Thường dùng các máy phát đồng bộ hoặc không đồng bộ để phát điện xoay chiều GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 6 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT − Tháp: Tháp được làm từ thép phiến hoặc từ các thanh thép bắt chéo nhau với kết cấu vững chắc và chịu va đập cơ học tốt và có tính đàn hồi hợp lý. Có hai loại tháp cơ bản: loai tự đứng và loại giăng cáp. Tháp loại giăng cáp có giá trị rẻ hơn, có thể bao gồm các phần giàn khung ống và cáp Các hệ thống treo dễ lắp đặt hơn hệ thống tự đứng.1 Tuabin – Cánh quạt Thông thường người ta chia tuabin làm hai loại: − Tuabin có trục nằm ngang − Tuabin có trục nằm đứng Hầu hết các tuabin thường được sử dụng hiện nay là tuabin nằm ngang cho công suất lớn.
Kích thước tuabin gió có ảnh hưởng trực tiếp tới công suất của tuabin. Hệ thống cánh của tuabin gió được thiết kế để bắt nhiều năng lượng hơn từ gió. Chúng được làm từ nguyên liệu tổng hợp cho phép chịu được những cơn gió lớn có cường độ cao, chuyển động và dừng khẩn cấp trong các trường hợp đặc biệt nhờ hệ thống phanh hãm thông qua hệ thống điều khiển.2 Trạm điều khiển Để điều khiển tuabin thay đổi theo điều kiện của gió, liên tục tối ưu hóa sức mạnh sản sinh trong khi tối giản hư hại. Hệ thống điều khiển thực hiện việc điều khiển góc cánh bằng bánh răng đây là hệ thống điều khiển công suất.
Bánh răng quay góc cánh thường được điều khiển bằng hệ thống điều khiển điện thủy lực.3 Rotor tuabin Đối với rotor loại trục ngang có 3 cánh, công suất phát được điều khiển bằng bộ điều khiển góc cánh, bánh răng và bộ biến đổi tốc độ, cho phép rotor máy phát điện quay luôn luôn ở tốc độ tối ưu.4 Máy phát điện GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 7 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT Chức năng của máy phát là chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Nó được lắp trên khung có bộ nện cao su giãn nở và được gắn nối cơ học bằng bulong-ecu.5 Các công thức liên quan đến hệ thống phát điện gió ▪ Công suất gió: 1 Pw = 𝜌𝐴𝑣 3 (2.1) 2 Trong đó: Pw: Công suất gió (KW) 𝜌 mật độ không khí (kg/m3) A: diện tích quét của cánh rotor (m2) V: vận tốc gió (m/s) Công suất phía rotor: 1 Pb = Pw.2) 2 Trong đó: Pb: công suất phía rotor (KW) Pw: công suất gió (KW) Cp: Hiệu suất cánh quạt turbine Đường cong hiệu suất turbine gió: Hình 2. 1: Đường cong hiệu suất turbine GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 8 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT ▪ Ảnh hưởng của nhiệt độ lên mật độ gió PV = nRT (2.4) 𝑅𝑇 Trong đò: P: áp suất (atm) V: thể tích (m3) n: hằng số mol (mol) R: hằng số khí lý tưởng = 8.mol-1 T: nhiệt độ (K) ▪ Ảnh hưởng của độ cao lên mật độ gió: −4 P = Po.5) Trong đó: H: là độ cao (m) P: áp suất (atm) Po: áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn (1atm) GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 9 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT 2.2 Tổng quan về DFIG: 2.1 Cấu tạo của máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly-fed induction Generators) DFIG: Máy phát điện nguồn kép thực chất là máy điện không đồng bộ dây quấn. Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sử dụng DFIG thì stato của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện và roto nối với bộ chuyển đổi công suất thông qua vành trượt.
Một tụ điện DC link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng. 2: Cấu tạo của DFIG Vành trượt đặt ở đầu của rotor có nhiện vụ đưa dòng điện một ngoài. Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu rotor để bảo vệ dòng điện ngắn mạch và tránh quá điện áp trong mạch. Khi xảy ra tình trang quá dòng thiết bị crowbar ngắn mạch ở đầu cực rotor thông qua điện trở làm ngừng hoạt đông bộ điều khiển RSC và GSC cho phép DFIG làm việc như một máy phát điện không đồng bộ thông thường, lúc này tiêu thụ điện năng từ lưới.
Bộ converter phía máy phát (RSC) có các ưu điểm sau: GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 10 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT + Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới và khả năng tự điều chỉnh điện áp trong trường hợp lưới yếu. + Có khả năng hoàn toàn tự kích từ DFIG thông qua rotor độc lập với điệp áp lưới. + Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Nhiệm vụ của bộ converter ở phía lưới (GSC) là giữ cho điện áp ở DC link không đổi.
Máy phát DFIG có ưu điểm là có thể làm việc với tốc độ rotor thay đổi khoảng ± ∆𝜔𝑟𝑚𝑎𝑥 so với tốc độ đồng bộ 𝜔1 .3 thể hiện đặc tính momen tốc độ máy. 3 : Đặc tính momen, tốc độ làm việc của máy phát DFIG GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 11 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT 2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát DFIG Khi ta sử dụng 1 lực vào tubine quay, thông qua hộp số và trục truyền động làm rotor quay. Khi đã đạt đến tốc độ trên đồng bộ(n2>n1), thì máy phát DFIG sẽ tạo ra 60𝑓 dòng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. (tốc độ từ trường quay là: n1 = ) 𝑝 Cuộn dây stator của máy phát DFIG phát điện trực tiếp vào lưới điện tương tự như các máy phát điện không đồng bộ.
Sự khác biệt là phần rotor được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi năng lượng. Vì vậy, trong hệ thống DFIG, năng lượng cấp cho lưới điện không chỉ bởi stato, mà còn bởi rotor. Do đó, hệ thống này được gọi là “máy phát điên cảm ứng nguồn kép”. Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu VSC (voltage source converter) ở phía rotor có biên độ và tần số thay đổi.
Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát có thể mô tả thành hai trường hợp: + Khi momen quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, gọi là tốc độ vận hành dưới đồng bộ. trường hợp này máy phát lấy năng lượng từ lưới qua rotor. + Khi momen quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, gọi là tốc độ vận hành trên đồng bộ. Trường hợp này máy phát hoàn toàn năng lượng về lưới qua rotor và stator.
Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở 2 chế độ trên, thì bộ biến đổi công suất cả 2 phía (phía máy phát: RSC và phía lưới: GSC phải có khả năng điều khiển dòng công xuất theo 2 chiều). Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư có măt phẳng dp, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng lên lưới (điều này ngược lại với máy điện thông thường). Công suất phản kháng giữa DFIG và lưới điện có thể điều khiển độc lập với công xuất tác dụng. Máy điện thường hoạt động như động cơ trước và khi đạt tốc độ nhất định (tốc độ trên đồng bộ), máy sẽ phát ngược công xuất vào lưới.
GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 12 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT + Chế độ vận hành thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số: điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát DFIG và lưới điện thông qua rotor, góp phần ổn định hệ thống điện. Thuận lợi của chế độ vận hành thứ nhất là lưới được cung cấp 1 nguồn năng lượng không đổi, tuy nhiên năng lượng lại không được sử dụng 1 cách hiệu quả. + Chế độ vận hành thứ 2 là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất: điều khiển công suất tác dụng bám các điểm vận hành tối ưu của tubine, nhằm tối ưu công suất thực nhận được hoặc để hạn chế công suất đầu vào. Tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ quá lớn và tránh lãng phí công suất.
Thuận lợi của chế độ vận hành thứ hai là tối ưu hóa năng lượng biến đổi trong 1 khoảng thay đổi tốc độ rộng.
