chương 1 Sự phát triển năng lượng sạch (năng lượng tái tạo) nói chung và năng lượng gió nói riêng được đánh giá là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội, năng lượng gió giúp phân tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng. Từ việc tìm hiểu về tiềm năng gió trên địa bàn ven biển tỉnh Ninh Bình cho thấy sức gió cả bốn mùa không chênh lệch nhau nhiều, vì vậy nếu sử năng lượng gió để phát điện thì nguồn năng lượng này khá ổn định và sẽ góp phần cải tạo môi trường. Vì vậy đề tài sẽ nghiên cứu một phần trong cấu trúc tổng thể của hệ thống phát điện sức gió để góp phần vào việc phát triển loại hình năng lượng này trên địa bàn tỉnh Ninh Bình. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 19 Luận văn thạc sỹ CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ ỨNG DỤNG VÀO VÙNG VEN BIỂN TỈNH NINH BÌNH 2.
Khái quát về hệ thống năng lượng gió và lựa chọn đối tượng điều khiển Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các turbine gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình 2. Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng trăm MW. Do đặc thù thời tiết ở Việt nam làm cho lưới điện dễ mất ổn định, dễ xẩy ra sự cố nên đề tài quan tâm nhiều đến xây dựng thuật toán điều khiển đảm bảo công suất phát ra của hệ thống được lớn nhất, bám lưới khi xảy ra sự cố.1: Hình ảnh một hệ thống điện gió trên biển (Wind farm) Hiện nay các nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MF) điện sức gió với 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có những ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mô Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 20 Luận văn thạc sỹ men xoắn lớn nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí thấp và có tốc độ gió nhỏ dẫn đến thường có công suất vừa và nhỏ.
Với turbine kiểu trục ngang sẽ khắc phục được nhược điểm trên của turbine trục đứng nhưng nhược điểm là chi phí xây dựng lắp đặt cao. Chính vì vậy tùy vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp. Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sức gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy phát điện sức gió hiện nay như hình 2. Hệ thống phát điện sức gió Máy phát một chiều Máy phát xoay chiều Máy phát xoay chiều 1 pha Máy phát xoay chiều 3 pha Máy phát đồng bộ kích Máy phát không thích vĩnh cửu (hình 1.3) đồng bộ Máy phát không Máy phát không đồng đồng bộ 3 pha bộ 3 pha nguồn kép rotor lồng sóc (hình 2.2: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tế Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lòng sóc như hình 3.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 21 Luận văn thạc sỹ Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép như hình 2. Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MDBNK) đang được quan tâm nghiên cứu vì một số những đặc điểm sau: Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 22 Luận văn thạc sỹ - Từ hình 2.4 cho thấy thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện như vậy sẽ hạ được giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác [13]. - Có ý nghĩa về mặt khoa học vì nó khó điều khiển. - Ngoài ra MDBNK có thể hoạt động với dải tốc độ trong phạm vi khá rộng cỡ 30% tốc độ đồng bộ, cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió vốn hay thay đổi trong phạm vi rộng.
Tuy nhiên cần lưu ý khi hệ thống làm việc không được để xảy ra MDBNK chạy ở tốc độ đồng bộ bằng cách điều khiển cánh turbine làm lệch tốc độ đồng bộ (vì nếu làm việc ở chế độ đồng bộ các đại lượng dòng, áp trong rotor lúc đó trở thành đại lượng 1 chiều sẽ gây nguy hiểm phá hỏng thiết bị). Nguyên lý hoạt động của MDBNK được mô tả trên sơ đồ hình 1. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 23 Luận văn thạc sỹ Với ý nghĩa về mặt khoa học và kinh tế, kỹ thuật như trên, hiện nay đã có nhiều nghiên cứu đưa ra các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MDBNK với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến, được thể hiện như hình 2.6 cho thấy, có rất nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu để điều khiển máy phát điện sức gió dùng máy điện không đồng bộ ba pha nguồn kép. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Qua tìm hiểu về các hệ thống phát điện sức gió sử dụng các loại máy phát khác nhau, có thể thấy máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép có một số ưu thế, đặc biệt là công suất thiết bị biến đổi là nhỏ nhất (chỉ cỡ 1/3 công suất của máy phát). Với lý do đó, tác giả quyết định lựa chọn hệ thống hệ thống phát điện sức gió dùng MDBNK để thiết kế điều khiển. Nguyên lý điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MDBNK Hiện nay nguyên lý điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MDBNK, có hai loại: Hệ thống sử dụng Crowbar (hình 2.7) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 2.8): Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 24 Luận văn thạc sỹ Hình 2.7: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng Crowbar Hình 2.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 25 Luận văn thạc sỹ Các hệ thống này được điều khiển dựa trên các điều khiển thành phần: - Điều khiển turbine. - Điều khiển vector.
- Điều khiển crowbar hoặc stator switch. Điều khiển turbine - Công suất của turbine gió Công suất của turbine gió được tính theo công thức [7], [12], [17], [18]: 1 Ptb tb Rcg2 vgm 3 Ctb (2.1) 2 Trong đó: tb là mật độ không khí (kg/m3); Rcg là bán kính của cánh gió (m); vgm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s); Ctb là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hình học của turbine gió và được xác định theo biểu thức: Ctb f ( p ,tb ) (2.2) Với p là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của cánh gió và được gọi là góc pitch, tb là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc quay của turbine tb và tốc độ gió vgm: tb( t ) Rcg tb (2.3) vgm( t ) Cần lưu ý, theo tài liệu số [12] thì giá trị cực đại của Ctb là 0,593 và còn được gọi là giới hạn Betz.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc vào cấu trúc của turbine gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của turbine. Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước thì công suất của một turbine gió còn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa. - Phương pháp điều khiển Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì công suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 26 Luận văn thạc sỹ turbine là cực đại, khi đó cần phải đảm bảo giá trị của hệ số Ctb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió lớn nhất cho phép.
Ứng với tốc độ gió mà ở đó công suất của máy phát đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine. Ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của turbine thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho turbine không quay. Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục rotor của MDBNK thông qua một hộp số) phải được thể hiện ở công thức (2.9 biểu diễn mối quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau.9: Quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau Trên hình 1.9 với đường đặc tính công suất tối ưu của turbine được thể hiện bằng nét đậm và được diễn giải như sau [12]: - Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của turbine gió được điều chỉnh sao cho Ctb đạt được giá trị tối ưu để công suất biến đổi từ năng lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất. Vùng làm việc như vậy gọi là vùng công suất tối ưu.
- Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc độ gió vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của turbine ứng với Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện sức gió tại khu vực ven biển tỉnh Ninh Bình Trang 27 Luận văn thạc sỹ từng tốc độ gió sao cho Ctb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc pitch để giữ cho công suất cơ trên trục của turbine là hằng số.
