Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió, góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Dương Văn Khuôn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Kích Từ Cho Máy Phát Điện Tuabin Gió
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CHƯƠNG 0: MỞ ĐẦU
• 0.1. Giới thiệu đề tài
• 0.2. Phạm vi nghiên cứu
• 0.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 0.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 1.1. Tốc độ và hướng gió
• 1.2. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió
• 1.3. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hộp số
• 1.4. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió
• 1.4.1. Máy phát điện đồng bộ
• 1.4.2. Máy phát điện cảm ứng
• 1.4.2.1. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc
• 1.4.2.2. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
• 1.4.3. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)
• 1.5. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
• 1.5.1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định
• 1.5.2. Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi toàn bộ công suất
• 1.5.3. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTOR DÂY QUẤN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 2.1. Mô hình toán của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn
• 2.2. Các phương trình cơ bản
• 2.3. Bộ biến đổi
• 2.4. Tính toán và lựa chọn các thông số
• 2.5. Tính toán mạch kích từ ở chế độ xác lập
• 2.6. Tính toán thông số bộ biến tần
• 2.7. Phương pháp điều khiển cho mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG ROTOR DÂY QUẤN
• 3.1. Khái niệm chung của Matlab và Simulink
• 3.2. Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy điện cảm ứng rotor dây quấn hoạt động ở chế độ xác lập
• 3.3. Các khối công suất trong máy phát điện gió
• 3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.4.1. Trường hợp ở tốc gió 5m/s
• 3.4.2. Trường hợp ở tốc gió 6m/s
• 3.4.3. Trường hợp ở tốc gió 7m/s
• 3.4.4. Trường hợp ở tốc gió 8m/s
• 3.4.5. Thống kê kết quả
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 4.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió

Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ năng lượng tái tạo. Hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất của máy phát điện mà còn đảm bảo tính ổn định trong quá trình vận hành. Việc thiết kế một hệ thống kích từ hiệu quả sẽ giúp cải thiện khả năng chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng, từ đó nâng cao hiệu suất của máy phát điện. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa hệ thống kích từ có thể làm giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống kích từ trong máy phát điện gió

Hệ thống kích từ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh từ thông của máy phát điện. Điều này giúp duy trì điện áp ổn định và cải thiện hiệu suất phát điện. Hệ thống kích từ cũng giúp máy phát điện hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện gió khác nhau.

1.2. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió

Có nhiều loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống năng lượng gió, bao gồm máy phát điện đồng bộ, máy phát điện cảm ứng và máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG). Mỗi loại máy phát có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng điều chỉnh của hệ thống.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện gió

Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió là sự biến đổi không ổn định của nguồn gió. Khi tốc độ gió thay đổi, máy phát điện cần phải điều chỉnh từ thông để duy trì điện áp và tần số ổn định. Điều này đòi hỏi một hệ thống điều khiển thông minh và linh hoạt. Ngoài ra, việc kết nối lưới điện cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét để đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

2.1. Sự biến đổi của nguồn gió và ảnh hưởng đến hiệu suất

Nguồn gió không ổn định có thể dẫn đến sự thay đổi đột ngột trong công suất phát điện. Điều này yêu cầu hệ thống kích từ phải có khả năng phản ứng nhanh chóng để điều chỉnh từ thông, đảm bảo điện áp và tần số luôn ổn định.

2.2. Thách thức trong việc kết nối lưới điện

Kết nối lưới điện với máy phát điện gió là một thách thức lớn. Hệ thống kích từ cần phải đảm bảo rằng điện áp và tần số phát ra phù hợp với yêu cầu của lưới điện, tránh gây ra sự cố cho hệ thống điện.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió

Để thiết kế một hệ thống kích từ hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại. Các phương pháp này bao gồm điều khiển từ thông, điều khiển điện áp và điều khiển tần số. Việc sử dụng mô hình toán học để mô phỏng và kiểm tra các thuật toán điều khiển là rất cần thiết. MATLAB-Simulink là một công cụ hữu ích trong việc mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống kích từ.

3.1. Mô hình toán học cho hệ thống kích từ

Mô hình toán học giúp xác định các thông số cần thiết cho hệ thống kích từ. Việc xây dựng mô hình chính xác sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

3.2. Ứng dụng MATLAB Simulink trong mô phỏng

MATLAB-Simulink cho phép mô phỏng các kịch bản khác nhau trong quá trình hoạt động của máy phát điện. Điều này giúp kiểm tra tính khả thi của các thuật toán điều khiển trước khi triển khai thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống kích từ trong máy phát điện gió

Hệ thống kích từ được thiết kế hiệu quả không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của máy phát điện mà còn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các nhà máy điện gió hiện nay đang áp dụng các công nghệ mới để tối ưu hóa hệ thống kích từ, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành. Việc áp dụng các giải pháp công nghệ tiên tiến sẽ giúp tăng cường khả năng cạnh tranh của năng lượng gió trên thị trường năng lượng.

4.1. Tăng cường hiệu suất phát điện

Hệ thống kích từ hiệu quả giúp tăng cường hiệu suất phát điện, từ đó giảm thiểu tổn thất năng lượng. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

4.2. Giảm thiểu chi phí vận hành

Việc tối ưu hóa hệ thống kích từ giúp giảm thiểu chi phí vận hành cho các nhà máy điện gió. Điều này làm cho năng lượng gió trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn trong bối cảnh giá năng lượng ngày càng tăng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ

Nghiên cứu thiết kế hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa hệ thống kích từ có thể mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất và chi phí. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến các phương pháp điều khiển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng sạch.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ kích từ

Công nghệ kích từ đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến mới. Các nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các giải pháp tối ưu hơn để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

5.2. Tương lai của năng lượng gió

Năng lượng gió sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng sạch. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống kích từ sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió được xem là nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn với tiềm năng phát triển lớn trên toàn cầu, trong đó Việt Nam cũng sở hữu nhiều vùng có tốc độ gió trung bình từ 6 đến 10 m/s ở độ cao 80 mét, phù hợp cho phát triển điện gió. Tuy nhiên, đặc điểm biến động không ổn định của tốc độ gió gây khó khăn trong việc duy trì công suất và tần số ổn định của máy phát điện tuabin gió. Đặc biệt, hệ thống kích từ cho máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh từ thông nhằm ổn định điện áp và tần số đầu ra.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và xây dựng bộ điều khiển hệ thống kích từ cho máy phát điện tuabin gió, nhằm xác định mô hình toán học chính xác và phát triển chiến lược điều khiển dựa trên mô hình này để tối ưu hóa tần số và đáp ứng ngõ ra của hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, mô phỏng trên nền Matlab-Simulink để kiểm chứng hiệu quả thuật toán điều khiển.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích mô hình toán học máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, thiết kế bộ điều khiển PI cho hệ thống kích từ, và mô phỏng các trường hợp vận hành ở các tốc độ gió từ 5 đến 8 m/s. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và chất lượng điện năng của các nhà máy điện gió, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình toán học máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn: Sử dụng hệ tọa độ d-q để biểu diễn các phương trình điện áp, dòng điện và từ thông trong stator và rotor, bao gồm các phương trình vi phân mô tả động lực học của máy phát. Các tham số như điện trở stator, điện cảm dọc trục d và q, số đôi cực, moment quán tính được xác định cụ thể.

• Lý thuyết điều khiển PID/PI: Bộ điều khiển PI được áp dụng để điều chỉnh dòng kích từ nhằm ổn định điện áp và tần số đầu ra. Hàm truyền và phương trình vi phân của bộ điều khiển được sử dụng để thiết kế và tinh chỉnh các hệ số KP, KI thông qua phương pháp thử – sai trên Matlab.

• Mô hình biến đổi hệ tọa độ abc ↔ αβ ↔ d-q: Giúp chuyển đổi các đại lượng điện từ hệ ba pha sang hệ tọa độ thuận tiện cho việc điều khiển và phân tích.

• Mô hình bộ biến đổi điện tử công suất: Bao gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha IGBT lý tưởng và bộ nghịch lưu 3 pha, xác định điện áp DC trên tụ lọc và điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu trong chế độ điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: từ thông stator và rotor, moment điện từ, tốc độ góc rotor, moment quán tính, hệ số điều khiển PI, và các thông số kỹ thuật của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu kỹ thuật, số liệu thực tế từ nhà máy điện gió Bạc Liêu, và các mô hình toán học được xây dựng dựa trên các tham số kỹ thuật tiêu chuẩn của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học: Phương trình trạng thái của máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn được thiết lập trên hệ tọa độ d-q, bao gồm các phương trình vi phân mô tả dòng điện và từ thông.

• Thiết kế bộ điều khiển PI: Các hệ số KP, KI được xác định bằng phương pháp thử – sai trên phần mềm Matlab nhằm đảm bảo hệ thống có đáp ứng nhanh, ổn định và sai số tĩnh bằng không.

• Mô phỏng trên Matlab-Simulink: Mô phỏng các trường hợp vận hành ở tốc độ gió 5, 6, 7 và 8 m/s để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển kích từ trong việc ổn định điện áp và tần số đầu ra.

• Phân tích kết quả mô phỏng: So sánh các biểu đồ điện áp, dòng điện và tần số ngõ ra để đánh giá độ ổn định và hiệu suất của hệ thống.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 6/2013 đến tháng 1/2014, với cỡ mẫu mô phỏng đa dạng các điều kiện vận hành thực tế nhằm đảm bảo tính tổng quát và khả năng ứng dụng của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn được xây dựng chính xác với các tham số kỹ thuật như điện trở stator Rs = 0,00189 Ω, điện cảm dọc trục Ld = Lq = 0,0038 H, số đôi cực p = 4, moment quán tính J = 205,465 kg·m². Mô hình cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính điện áp và dòng điện của máy phát.

2. Bộ điều khiển PI thiết kế hiệu quả trong việc ổn định điện áp và tần số. Qua mô phỏng ở các tốc độ gió 5 m/s đến 8 m/s, điện áp đầu ra duy trì ổn định quanh giá trị 690 V với sai số nhỏ, tần số giữ ở mức 50 Hz ± 0,5 Hz. Ví dụ, tại tốc độ gió 6 m/s, điện áp ngõ ra dao động trong khoảng 685-695 V, tần số ổn định ở 50 Hz.

3. Mô phỏng cho thấy hệ thống kích từ có khả năng điều chỉnh nhanh chóng và chính xác khi có sự thay đổi đột ngột của tốc độ gió. Thời gian đáp ứng của hệ thống dưới 0,2 giây, giúp giảm thiểu dao động công suất và điện áp gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

4. So sánh với các phương pháp điều khiển truyền thống, bộ điều khiển PI kết hợp mô hình toán học chi tiết giúp cải thiện hiệu suất điều khiển, giảm tổn hao và tăng độ bền của máy phát điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển là do việc xây dựng mô hình toán học chi tiết dựa trên hệ tọa độ d-q, cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng điện từ trong máy phát. Việc áp dụng bộ điều khiển PI với các hệ số được tinh chỉnh phù hợp giúp hệ thống phản ứng nhanh với biến đổi tải và tốc độ gió.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp ngõ ra, dòng điện và tần số theo thời gian, minh họa sự ổn định và đáp ứng nhanh của hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào điều khiển điện áp, nghiên cứu này đã kết hợp điều khiển tần số và điện áp, nâng cao chất lượng điện năng.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp một giải pháp thiết kế hệ thống kích từ hiệu quả cho máy phát điện tuabin gió, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các nhà máy điện gió, đặc biệt trong điều kiện biến động gió phức tạp tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển PI trong các nhà máy điện gió sử dụng máy phát cảm ứng rotor dây quấn nhằm ổn định điện áp và tần số đầu ra, giảm thiểu sự cố và tổn hao thiết bị. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các đơn vị vận hành nhà máy điện gió.

2. Nâng cao công tác đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì hệ thống kích từ để đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý kịp thời các sự cố phát sinh. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trung tâm đào tạo và công ty điện lực.

3. Phát triển phần mềm mô phỏng và giám sát trực tuyến dựa trên mô hình toán học đã xây dựng để theo dõi và điều chỉnh hệ thống kích từ trong thời gian thực, nâng cao khả năng tự động hóa. Thời gian: 12-18 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng các thuật toán điều khiển nâng cao như điều khiển thích nghi hoặc điều khiển mờ để cải thiện hơn nữa hiệu suất điều khiển trong điều kiện gió biến động mạnh. Thời gian: 18-24 tháng, chủ thể: các nhóm nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy điện gió: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và điều khiển hệ thống kích từ, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình toán học máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn và ứng dụng điều khiển PI trong hệ thống điện gió.

3. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý dự án năng lượng tái tạo: Hiểu rõ các giải pháp kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu suất nhà máy điện gió, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phù hợp.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và phần mềm điều khiển: Tham khảo để phát triển các sản phẩm điều khiển và giám sát hệ thống kích từ phù hợp với yêu cầu thực tế của ngành điện gió.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần thiết kế hệ thống kích từ riêng cho máy phát điện tuabin gió?
   Máy phát điện tuabin gió hoạt động trong điều kiện gió biến động, cần hệ thống kích từ điều chỉnh từ thông để ổn định điện áp và tần số đầu ra, đảm bảo chất lượng điện năng và bảo vệ thiết bị.

2. Mô hình toán học máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn có điểm gì đặc biệt?
   Mô hình sử dụng hệ tọa độ d-q giúp biểu diễn chính xác các đại lượng điện từ trong máy phát, từ đó thiết kế bộ điều khiển hiệu quả hơn so với mô hình truyền thống.

3. Bộ điều khiển PI được áp dụng như thế nào trong hệ thống kích từ?
   Bộ điều khiển PI điều chỉnh dòng kích từ dựa trên sai số giữa giá trị đo được và giá trị đặt, giúp ổn định điện áp và tần số đầu ra với đáp ứng nhanh và sai số tĩnh bằng không.

4. Mô phỏng trên Matlab-Simulink có vai trò gì trong nghiên cứu?
   Mô phỏng giúp kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình và thuật toán điều khiển trong các điều kiện vận hành khác nhau, từ đó đánh giá hiệu quả và điều chỉnh thiết kế.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả có thể được triển khai trong các nhà máy điện gió bằng cách tích hợp bộ điều khiển PI vào hệ thống kích từ, đồng thời đào tạo nhân sự vận hành và bảo trì để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học chi tiết cho máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn trong hệ thống tuabin gió, với các tham số kỹ thuật cụ thể và chính xác.
• Thiết kế bộ điều khiển PI hiệu quả giúp ổn định điện áp và tần số đầu ra, đáp ứng nhanh với biến đổi tốc độ gió từ 5 đến 8 m/s.
• Mô phỏng trên Matlab-Simulink chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp điều khiển kích từ trong thực tế.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng điện năng và hiệu suất vận hành của các nhà máy điện gió tại Việt Nam.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm ứng dụng điều khiển thích nghi, phát triển phần mềm giám sát và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Các đơn vị vận hành và nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế bộ điều khiển PI, đồng thời mở rộng nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của hệ thống kích từ trong ngành điện gió.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 1. Tốc độ và hướng gió 1. Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió 1. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số 1.

Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió 1. Máy phát điện đồng bộ 1. Máy phát điện cảm ứng 1. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 1.

Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 2. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 1. Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 1. Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 1.

Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất 1. Hệ thống turbine gió thay đổi biến đổi một phần công suất 6 1. Tổng quát [1] Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo 1. Gió Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày, đêm.

Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động. Sự chuyển động của không khí được gọi là gió. Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất, bị che khuất không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau. 7 Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp.

Tốc độ và hướng gió Đơn vị của tốc độ gió được tính theo kilomet trên giờ (km/h) hoặc mét trên giây (m/s) hoặc knot (kn: hải lý trên giờ) hoặc Mile trên giờ (mph) tại Mỹ. • 1 kn = 1 sm/h = 1,852 km/h = 0,514 m/s • 1 m/s = 3,6 km/h = 1,944 kn = 2,237 mph • 1 km/h = 0,540 kn = 0,278 m/s = 0,621 mph • 1 mph = 1,609344 km/h = 0,8690 kn = 0,447 m/s Hướng gió là hướng mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Hướng gió được biểu thị bằng phương vị đông, tây, nam, bắc hoặc theo góc là lấy hướng bắc làm mốc ở vị trí 00 hoặc 3600 và tính theo chiều kim đồng hồ. Như vậy hướng đông ứng với góc 900, hướng nam ứng với góc 1800, hướng tây ứng với góc 2700.

Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió như cấp gió Beaufort. (Francis Beaufort 1806) và được viết tắt là bft. Biểu đồ này đầu tiên được đưa ra để đánh giá ảnh hưởng của gió cho thuyền buồm và việc vận chuyển trên sông hồ, biển… 8 Hình 1.2: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 mét được thực hiện từ Bộ công thương, TrueWind Solutions LCC (Mỹ) và Ngân hàng thế giới năm 2010. Đây là tài liệu đánh giá tiềm năng gió tại Việt Nam.

Bản đồ phân bố tốc độ gió được thực hiện với phần mềm mô phỏng ‘MesoMap’. Kết quả mô phỏng được trình bày trên bản đồ hiển thị tốc độ gió trung bình theo màu với độ phân giải là 1 km. Tiêu chuẩn lớp gió cho tuabin điện gió. Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) đưa ra những Tiêu chuẩn lớp gió của tuabincho những vùng có tiềm năng gió ít hoặc nhiều theo tốc độ gió trung bình và sự xáo động gió trong năm.1: Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn Lớp gió cho tuabin điện gió Tiêu chuẩn I II III IV tuabintheo loại (vùng có (vùng có (vùng có (vùng có (IEC) gió mạnh) gió khá mạnh) gió trung bình) gió yếu) Tốc độ gió tiêu biểu 50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s 30 m/s của 50 năm v REF Tốc độgió trung 10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s 6 m/s bình trong năm v TB Tốc độgió cao nhất 70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s 42 m/s trong 50 năm 1.4v REF Tốc độgió cao nhất 52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s 31,5 m/s trong 1 năm 1.

Sự phát triển của công nghệ tuabin điện gió Công nghệ điện gió gồm hai loại: loại trục đứng Savonius, Darieus và loại trụng ngang. Tuabin điện gió trục đứng có hệ số công suất thấp nhưng vì cấu hình giản dị, dễ thiết kế và dễ sản xuất nên những loại tuabin điện gió này thường được sản xuất cho những nơi cần công suất khoảng từ 5 đến 20kW. Trước kia một số tuabin điện gió trục ngang được thiết kế có hướng đón gió từ phía sau (down wind rotor), phương pháp này có nhiều nhược điểm như dòng gió luôn bị xáo động do gió thổi vào thân trụ rồi mới đến cánh quạt. Từ khoảng năm 1995 tuabin điện gió được thiết kế với nguyên tắc đón gió từ phía sau không còn được sử dụng rộng rãi.

Phần lớn những tuabin điện gió hiện nay được thiết kế có hướng đón gió từ phía trước (up wind rotor).3: Tuabinđón gió từ phía sau và phía trước (down wind rotor) Cho đến nay, phần lớn những tuabin lắp đặt trên thế giới sử dụng hộp số để chuyển tốc độ số vòng quay của cánh quạt lên cao và truyền đến máy phát điện. Từ năm 1993 công nghiệp điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu được sản xuất và đưa vào thị trường. Nguyên tắc của loại máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ thống rotor. Công nghệ này trong những năm 90 không phát triển vì giá thành vật liệu nam châm vĩnh cửu từ đất hiếm rất cao.

Những năm vừa qua việc khai thác đất hiếm tăng nên công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu phát triển nhanh.4: Kích thước và công suất những lọai tuabin điện gió đã được sản xuất hàng loạt tính đến năm 2012 11 Vào đầu những năm 80, khái niệm công nghệ tuabin, được gọi là “Khái Niệm Đan Mạch”. Trong công nghệ này tuabin hoạt động với một tốc độ nhất định để giữ tần số điện phù hợp với lưới điện.5: Cánh đồng điện gió trên đất liền tại Aurich CHLB Đức, công suất mỗi trụ 6 –7,5MW Hình 1.6: Trang trại điện gió tại Mỹ 12 1. Nguyên tắc kỹ thuật cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số Hình 1.7: Cấu hình tuabin điện gió trục ngang dùng hợp số 1. Các loại máy phát điện trong hệ thống năng lượng gió [2][9] 1.

Máy phát điện đồng bộ Như chúng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định theo số cực từ và tần số của lưới điện. Vì vậy, các cánh quạt tuabin và máy phát phải được nối với nhau thông qua hộp truyền động cơ khí để có thể quay với tốc độ đồng bộ. 13 Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ có ưu điểm: khi kết nối với lưới điện, hệ thống này không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng. Vì vậy chất lượng điện năng phát ra tốt hơn.

Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho mạch kích từ. Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh ra hai vấn đề bất lợi cho hệ thống: - Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích từ. - Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp. - Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió.8: Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy phát điện đồng bộ 1.

Máy phát điện cảm ứng Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát cảm ứng. Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén. Máy 14 điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện. Trong các hệ thống kết hợp nhiều dạng năng lượng khác nhau, công suất phản kháng được cung cấp từ các máy phát đồng bộ hay máy phát Diesel.

Trong hệ thống năng lượng gió, tụ điện cố định được dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng.9: Máy phát cảm ứng tự kích từ Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ cố định, vì vậy chúng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ. Máy phát cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục máy phát hay nhận năng lượng. Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức. Khi làm việc như một động cơ, rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường, và động cơ cảm ứng sẽ nhận năng lượng để làm quay trục rotor.

Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của chúng được nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ bằng động cơ sơ cấp. Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm. Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió với stator được nối với lưới điện và rotor được quay bởi tuabin gió. 15 Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên.10: Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện.

Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc. Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở rotor. Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc Máy điện cảm ứng rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator – SCIG) là một máy điện rất phổ biến do có cấu trúc đơn giản.

Dây quấn stator được nối với phụ tải hay nguồn kích từ.