Tải bản đầy đủ

Luan van Dieu khien va on dinh may phat dien gió

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ
MÁY PHÁT GIÓ

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1.1 Giới thiệu về năng lượng gió
Theo đánh giá, có từ 1 – 3 % trong tổng số năng lượng từ mặt trời đi vào trái
đất là năng lượng gió. Nếu chúng ta không quan tâm, năng lượng gió này chuyển
đổi thành nhiệt dưới dạng ma sát rồi khuếch tán hoàn toàn vào bề mặt trái đất và khí
quyển. Turbine gió là máy biến đổi động năng của gió thành điện năng. Đó là nguồn
năng lượng vô tận, phân bố rộng rãi và sạch.

Hình 1.1: Tuabin gió
Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng có xét đến khía
cạnh bảo vệ môi trường và tính kinh tế, lĩnh vực biến đổi năng lượng gió đang thu
hút được rất nhiều sự quan tâm như một nguồn năng lượng mới thích hợp
(Renewable Energy). Hơn nữa, năng lượng gió được xem như nguồn năng lượng

Trang 4



sạch, không thải các loại khí gây hiệu ứng nhà kính. Mặc dù ảnh hưởng đến cảnh
quan và phát ra tiếng ồn, song nếu xét tổng thể thì tác động của sự chuyển đổi năng
lượng gió đến môi trường sinh thái hầu như không đáng kể so với những dạng năng
lượng khác. Đứng trước thực tiễn nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá)
ngày dần cạn kiệt và nguồn năng lượng thủy điện cũng có giới hạn, năng lượng gió
được xem như một trong những dạng năng lượng thay thế trong tương lai nằm trong
chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió
trên thế giới.
Ở thời điểm hiện tại, năng lượng gió chỉ chiếm một tỷ lệ 0.6% của tổng nhu
cầu năng lượng điện của thế giới. Thế nhưng, tổng công suất lắp đặt trên toàn thế
giới đã gia tăng với tốc độ bình quân hơn 28%/năm trong hơn một thập kỷ qua, lĩnh
vực biến đổi năng lượng gió đang được coi là lĩnh vực có tốc độ phát triển nhanh
nhất.
Dẫn đầu nhóm các quốc gia phát triển về năng lượng gió là Đức với tỷ lệ
đóng góp của năng lượng gió chiếm hơn 5% tổng nhu cầu điện năng, Tây Ban Nha
là 8% và Đan Mạch xấp xỉ 20%.
Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển không ngừng về kỹ thuật và công nghệ
đã góp phần thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực biến đổi năng lượng
gió, gia tăng công suất lắp đặt trên mỗi tuabin, giảm chi phí đầu tư và do đó giảm
đáng kể giá thành trên mỗi đơn vị điện năng được tạo ra.
Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy
phát, có thể làm việc ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi. Có nhiều lý do cho việc
sử dụng hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, trong đó quan trọng nhất
là phạm vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu công suất nhận được từ
gió, giảm ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí khi có sự thay đổi tốc độ gió đột ngột
và khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng.
1.1.2 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam
Với điều kiện địa lý thiên nhiên của nước ta với hơn 2000km bờ biển, có chế
độ gió mùa quanh năm. Các nhà nghiên cứu năng lượng, các nhà khoa học qua khảo

Trang 5


sát, kiểm định, đối sánh đã tìm ra được những vị trí tối ưu để đặt các nhà máy phát
điện năng lượng gió với qui mô khá lớn tại Việt Nam.


Tốc độ gió, cấp gió


Một trong các thông số đặc trưng của gió là tốc độ gió, thường ký hiệu là V

(đơn vị m/s hoặc km/h).
Căn cứ vào tốc độ gió người ta chia các cấp và bảng cấp gió được phổ biến
sử dụng trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho (Beaufor) với 12 cấp.
Bảng 1.1 Bảng cấp gió Beaufor
Cấp gió
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Tốc độ gió
m/s
0,0 ÷ 0,2
0,3 ÷ 1,5
1,6 ÷ 3,3
3,4 ÷ 5,4
5,5 ÷ 7,9
8,0 ÷ 10,7
10,8 ÷ 13,8
13,9 ÷ 17,1
17,2 ÷ 20,7
20,8 ÷ 24,4
24,5 ÷ 28,4
28,5 ÷ 32,6
32,7 ÷ 36,9

Áp suất gió trung Đặc điểm
Km/h
0,0 ÷ 1,0
1÷5
6 ÷ 11
12 ÷ 19
20 ÷ 28
29 ÷ 38
39 ÷ 49
50 ÷ 61
62 ÷ 74
75 ÷ 88
89 ÷ 102
113 ÷ 117
118 ÷ 133

bình kg/m2
0
0,2
0,9
2,2
4,5
7,8
12,5
18,8
27,0
37,5
51,1
69,4
89,0

của gió
Lặng gió
Gió êm
Gió nhẹ
Gió yếu
Gió vừa
Gió mát
Gió hơi lạnh
Gió mạnh
Gió rất mạnh
Gió bão
Bão
Bão mạnh
Bão rất mạnh

Trong thiên nhiên gió thường xuyên thay đổi tốc độ, vì vậy để đánh giá được
tiềm năng từng vùng người ta sử dụng các thông số gió trung bình V tb, tốc độ gió
cực đại Vmax và tần suất xuất hiện các tốc độ gió gọi tắt là tần suất tốc độ gió.


Chế độ gió ở Việt Nam
Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua các số liệu về gió của

Cục Khí tượng Thủy văn.
Bảng 1.2 Tiềm năng gió Việt Nam
Địa phương

Tốc độ trung

Trang 6

Mật độ công

Mật độ năng


Pha Đin
Lạng Sơn
Đảo Cô Tô
Bãi Cháy
Hà Nội
Bạch Long Vĩ

bình Vtb(m/s)

suất gió(W/m2)

3,2
2,7
4,4
3,3
2,5
7,3

64,0
24,2
119,0

lượng năm (E =
kWh/m2)
751,1
379,2
1.317,9
562
212,4
4.487,0

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8 đến 23 độ vĩ Bắc thuộc
khu vực nhiệt đới gió mùa.
Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc và gió Đông Nam với tốc độ
gió trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6 m/s (ở độ cao 10 ÷ 12m). Tại các đảo
xa tốc độ gió tới 6 ÷ 8m/s. Như vậy, tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc
Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả.
Còn ở vùng đồng bằng tốc độ gió nhỏ hơn 3 ÷ 4m/s, do đó việc sử dụng động
cơ gió chắc sẽ không đạt hiệu quả.
Ở các vùng núi tốc độ gió còn thấp hơn trừ một vài vùng núi cao và những nơi
có địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hút gió.
Theo số liệu của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng gió của một số nước vùng
Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam (trên độ cao 65m) rất khả quan, lớn hơn so với
các nước lân cận như Căm Pu Chia, Lào Thái Lan.
Theo số liệu này tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360MW,
lớn hơn 200 lần công suất Nhà máy Thuỷ điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất
dự báo của ngành điện vào năm 2020.
Tuy nhiên, đây mới chỉ là tiềm năng lý thuyết. Tiềm năng có thể khai thác
được và tiềm năng kinh tế kỹ thuật sẽ nhỏ hơn nhiều. Song đây sẽ là một nguồn
năng lượng tiềm năng đáng kể có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia,
thay thế cho các nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt.
1.2 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT GIÓ

1.2.1 Các phần chính của máy phát gió

Trang 7


Một hệ thống máy phát điện turbine gió thông thường có các thành phần như
sau:

Hình 1.2 Cấu tạo của Máy phát điện turbine gió.
Dưới đây là các thành phần chính của máy phát điện gió mà hầu hết các
hệ thống đều có:
•Cánh (Blade) - Cánh rôto là các thành phần chính của turbine dùng để bắt năng
lượng gió, và chuyền đổ năng lượng này thành năng lượng cơ làm quay trục
turbine. Việc thay đổi góc pitch của cánh có thể làm tối ưu năng lượng thu được từ
gió.
•Hub - Là điểm tâm nơi các cánh gắn vào, và gắn liền với trục tốc độ thấp (low
speed shaft) .
•Hộp số (Gear box) - Chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục tốc độ
cao.
•Phanh (Brake) - Có cơ cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm và dừng hẳn tất
cả các thành phần của turbine trong quá trình công nhân sửa chữa, duy tu. Ở các

Trang 8


turbine cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập.
•Máy phát (Generator) - Máy phát được nối vào trục tốc độ cao, là bộ phận
chính chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở ngõ ra.
•Máy đo tốc độ và hướng gió ( Anemometer and Wind vane) - Hai thiết bị này
dùng để xác định vận tốc gió và chiều gió.
•Bộ xoay hướng gió (Yaw drive) - Có nhiệm vụ xoay cánh luôn luôn hướng vuông
góc với luồng gió.
•Bộ điều khiển (Controller) - Là một hệ thống máy tính có thể giám sát và điều
khiển hoạt động turbine, chẵn hạn khi gió đổi hướng hệ thống này sẽ điều chỉnh để
xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc chiều gió, hoặc thay đổi góc pitch để năng
lượng thu được luôn tối ưu. Khi có gió bão hoặc sự cố hệ thống sẽ cho dừng hoạt
động toàn bộ hệ thống để đảm bảo an toàn.
•Tháp (Tower) - Là trụ chính chống đỡ toàn bộ hệ thống.
•Nacelle- Là thùng chứa toàn bộ các thành phần hệ thống trừ cánh.
1.2.2 Turbine gió
Turbine gió có thể chia làm hai lọai khác nhau.
 Lọai turbine gió có tốc độ cố định .
Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn lắp đặt turbine gió họat động ở tốc độ
cố định. Điều này nghĩa là bất chấp tốc độ gió, tốc độ rôto của turbin gió được giữ
cố định và tần số cung cấp cho lưới được giữ cố định.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của turbine gió lọai tốc độ cố định.

Trang 9


Turbine gió có tốc độ cố định sử dụng cho máy phát cảm ứng (rôto lồng sóc
hoặc rôto dây quấn) được nối trực tiếp với lưới, bằng một bộ khởi động mềm và
một dãy tụ để bù công suất phản kháng. Chúng được thiết kế để đạt được hiệu quả
cao nhất cho mỗi đặc tính riêng của tốc độ gió.
Loại turbine gió có tốc độ cố định có lợi thế là đơn giản, vững chắc, an tòan
và phần điện có giá thành hạ, đã được thử nghiệm tốt. Bất lợi là không có khả năng
điều khiển sự tiêu thụ công suất phản kháng, giới hạn về điều chỉnh chất lượng điện
năng, không sử dụng hết được công suất của gió khi tốc độ gió lớn.
 Lọai turbine gió có tốc độ thay đổi .
Cuối những năm 90 turbine gió có tốc độ thay đổi trở lên chiếm ưu thế trong
lĩnh vực turbine gió.

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của turbine gió lọai tốc độ biến đổi.
Turbine gió có tốc độ thay đổi được thiết kế để đạt được hiệu suất khí động
lực lớn nhất trong phạm vi rộng của tốc độ gió. Với tốc độ thay đổi, nó có thể đáp
ứng liên tục (tăng tốc hoặc giảm tốc) tốc độ quay ω của turbine gió ứng với tốc độ
của gió ν . Hệ thống điện có turbine gió tốc độ thay đổi được ứng dụng rộng rãi hơn
hệ thống turbine gió có tốc độ cố định. Nó sử dụng máy phát không đồng bộ (máy
phát cảm ứng) nối với lưới qua bộ biến đổi điện tử công suất. Bộ biến đổi điện tử
công suất điều khiển tốc độ máy phát qua bộ điều tốc.
Lợi ích của turbine gió có tốc độ thay đổi là gia tăng năng lượng thu được từ
gió, cải thiện chất lượng điện năng và giảm dao động cơ khí trong turbine gió. Bất
lợi là có tổn thất trong bộ biến tần điện tử công suất, sử dụng nhiều thiết bị hơn và
tăng giá thành đầu tư.
1.2.3 Máy phát gió

Trang 10


Máy phát gió gồm có 1 rotor lấy năng lượng từ gió chuyển thành năng lượng
cơ và 1 máy phát điện có nhiệm vụ chuyển năng lượng cơ thành năng lượng điện.
Có 3 loại máy phát gió thường được sử dụng là:
• Constant (fix) speed induction generator wind turbine with squirrel cage
induction generator (CSIG): tuabin gió tốc độ không đổi với máy phát không
đồng bộ rotor lồng sóc.

variable speed wind turbine with doubly-fed (wound rotor) induction
generator (DFIG): tuabin gió tốc độ thay đổi với với máy phát điện không
đồng bộ rotor dây quấn.

variable speed wind turbine with direct-drive synchronous generator
(DDSG): tuabin gió thay đổi tốc độ với máy phát đồng bộ truyền động trực
tiếp.
Được chia thành 2 dạng chính :
• Fixed speed with squirrel cage induction generator (Fix Speed).
• Variable speed gồm: double fed induction generator (DFIG) và convert
driven synchronous generator.
Bản báo cáo năng lượng gió năng 2005 cho thấy năm 2004 ở Đức, 92%
tubine được lắp đặt là variable speed DFIG (50%) và convert driven synchrorous
generator (40%). Lý do chọn DFIG nhiều như thế là vì sự khả năng điều khiển tốt
nhất của nó so với các loại khác. Bộ điểu chỉnh slip và pitch cho phép máy phát
điều chỉnh năng lượng điện cho phù hợp và góp phần phục hồi lại trạng thái hoạt
động bình thường.Mặc khác, kích thước bộ chuyển đổi năng lượng điện giảm tới
30-50% .
A-Máy phát gió dạng fix speed:
(Fix speed induction generator wind turbine with squirrel cage induction generator
(CSIG)):
Sử dụng máy phát cảm ứng nên cấu tạo khác với máy phát đồng bộ, nó
không có cuộn kích từ để tạo từ trường cho máy. Do đó, máy phát gió Fix Speed
phải có nguồn cung cấp ngoài. Moment điện từ bên trong động cơ cảm ứng:

Trang 11


Te=KsU2
Với : K: hằng số phụ thuộc vào các thông số của máy
s: độ trượt của máy
U: điện áp tua bin gió
Phương trình vi phân :
J

Với

dw
=Tm - Te
dt

J: moment quán tính của khối lượng quay
Tm: moment xoắn cơ học của rotor
ω: tốc độ rotor
Từ phương trình trên ta thấy, Tm được giữ không đổi và bất kì sự thay đổi nào

của Te cũng dẫn tới trạng thái sự cố. Khi sự cố được cắt, điện áp của hệ thống được
phục hồi và từ trường bên trong khe hở không khí được lắp đầy. Chính điều này tạo
nên dòng khởi động lớn được bơm vào lưới điện từ máy phát, gây ra sự sụt áp giữa
máy phát gió Fix Speed và trạm điện, cuối cùng dẫn tới sự giảm áp tại máy phát gió.
Nếu năng lượng từ trường cao hơn moment cơ thì tốc độ rotor buộc phải giảm
xuống và máy phát sau đó sẽ hoạt động lại trạng thái bình thường sau một vài nhiễu
loạn. Để tránh điều này xảy ra cần phải có thời gian cắt tối đa cho máy phát gió Fix
Speed.
Khi có ngắn mạch điện áp của máy phát sẽ rớt xuống. Điện năng của máy phát
sẽ tỉ lệ với điện áp cuối. Do đó, điện áp thấp chỉ có 1 lượng nhỏ điện năng được đưa
vào lưới. Tuy nhiên năng lượng cơ vẫn tiếp tục được cung cấp từ gió, do sự mất cân
bằng giữa năng lượng cơ và điện năng tạo ra nên máy phát tăng tốc. Khi sự cố được
khắc phục máy phát Fix Speed sẽ hút 1 lượng lớn công suất phản kháng từ lưới vì
nó đang có tốc độ quay cao và làm cho điện áp hồi phục tương đối chậm sau khi sự
cố được khắc phục.
Tuy nhiên, khi điện áp đầu cực máy phát thấp, năng lượng điện phát ra tại
thời điểm đó thấp hơn khi máy phát ở điện áp định mức. Nếu rotor tăng tốc nhanh
hơn sự phục hồi của điện áp, thì tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên càng nhiều,

Trang 12


dẫn đến giảm điện và do đó dẫn đến một tình huống xấu hơn trong sự cân bằng giữa
công suất cơ và công suất điện từ. Cuối cùng, điện áp tại tua bin gió sẽ rơi về không
và nó phải được ngắt kết nối với lưới điện để phục hồi điện áp lưới.
Bản thân các tuabin gió sẽ bị ngắt bởi sự bảo vệ điện áp hoặc ngắt kết nối
bằng do bảo vệ quá tốc độ tùy thuộc vào thiết kế và các thiết lập của hệ thống bảo
vệ. Nó chỉ có thể được nối lại sau khi phục hồi điện áp lưới, điều đó có thể mất vài
phút. Đặc biệt nếu hệ thống bảo vệ khác cũng đã được kích hoạt trong khi bị nhiễu,
trong trường hợp này, các tuabin gió có thể không ổn định. Việc xác định hành vi
của điện áp và phục hồi trong thời gian yêu cầu phụ thuộc vào tốc độ gió trên thực
tế, đặc điểm tuốc bin gió, cấu trúc liên kết mạng và thiết lập hệ thống bảo vệ.

Hình 1.5: Lưới đã nối máy phát cảm ứng rotor lồng sóc
Rotor được nối tới máy phát cảm ứng rotor lồng sóc thông qua hộp số. hộp số
rất cần thiết bởi tốc độ quay của tuabin và máy phát là khác nhau. Máy phát được
nối trực tiếp vào lưới. Các thay đổi của tốc độ rotor là rất nhỏ bởi vì các thay đổi tốc
độ đã được chuyển đổi trong hệ thống khớp trượt của hộp số để cố định tốc độ
tuabin. Bởi vì sự dao động của tốc độ nhỏ nên tuabin thường được xem là hoạt động
ở tốc độ cố định.
Công suất phát ra từ máy phát điện gió cần được giới hạn bởi vì máy phát có
thể bị quá tải hoặc moment có thể bị vượt quá giới hạn cho phép dẫn đến tốc độ

Trang 13


rotor không ổn định. Góc mở của cánh turbine được điều khiển để giới hạn công
suất ra bằng với giá trị định mức của máy phát cảm ứng khi tốc độ gió cao, bảo vệ
máy phát và ổn định tốc độ rotor.

Hình 1..6: Biểu đồ sự thể hiện phụ thuộc giữa công suất tác dụng và công suất
phản kháng với độ trượt và điện áp.
Từ hình 1.6 ta có thể kết luận chỉ có 1 giá trị công suất phản kháng sẽ tìm
được công suất tác dụng và điện áp ngõ ra. Tuy nhiên Fix Speed không cho phép
điều khiển điện áp. Để điều khiển được điện áp cần phải thêm những kĩ thuật để
điều khiển công suất phản kháng của máy phát như là: điện dung tĩnh (STATCONs)
hoặc bù công suất tĩnh (SVCs).

Trang 14


B-Máy phát cảm ứng nối kép (doubly fed induction generator)

Hình 1.7: Mô hình DFIG
Máy phát cảm ứng nối kép DFIG gồm có một máy phát cảm ứng rotor dây
quấn (WRIG) có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới phân phối 3 pha có tần
số cố định và cuộn dây rotor được nối với lưới qua bộ biến tần đối lưng thuận
nghịch sử dụng linh kiện điện tử đóng cắt IGBT, bộ chuyển đổi điện áp này tách rồi
giữa tần số cơ và tần số lưới điện, cho nên tuabin gió có thể thay đổi tốc độ. Hộp số
để nối rotor tới máy phát, bởi tốc độ trong rotor và máy phát khác nhau.
Cơ cấu này cho phép kết nối giữa máy phát và lưới với một tần số cố định
cho dù tốc độ của turbine thay đổi. Thuận lợi cơ bản của phương pháp này là khi gió
lớn có thể cho phép rotor quay nhanh hơn.
Thuật ngữ “doubly fed” nói đến yếu tố điện áp trên stator được cung cấp từ
lưới và điện áp trên rotor được cảm ứng từ bộ biến đổi công suất. Hệ thống này cho
phép vận hành với sự thay đổi tốc độ lớn.
Bộ biến tần công suất gồm có hai bộ biến tần: bộ biến tần phía rotor và bộ
biến tần phía lưới, chúng được điều khiển độc lập với nhau. Bộ biến tần phía rotor
điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng bằng cách điều khiển các

Trang 15


thành phần của dòng điện rotor, bộ biến tần phía rotor điều khiển điện áp liên kết
DC và bảo đảm họat động biến tần tại hệ số công suất đơn vị bằng 1 (Q = 0).
Tùy thuộc vào điều kiện họat động của bộ truyền động, công suất được đưa
vào hay lấy ra từ rotor: trong tình trạng quá đồng bộ công suất đi từ rotor qua biến
tần đến lưới, ngược lại công suất sẽ có chiều ngược lại trong tình trạng dưới đồng
bộ.

Hình 1.8: Dòng công suất trong DFIG
DFIG có nhiều lợi ích nó có khả năng điều khiển công suất phản kháng (tách
rời điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng) bằng cách điều khiển
độc lập dòng điện kích từ rotor. DFIG không cần được từ hóa bằng nguồn công suất
của lưới, nó cũng có thể được từ hóa từ mạch rotor, và có khả năng phát ra công
suất phản kháng và chuyển đến stator qua bộ biến tần phía lưới.
Phần lớn trong các hệ thống, trục của rotor và máy phát được ghép lại với
nhau thông qua một hộp số. Và trong các turbine gió truyền động trực tiếp, rotor
được ghép trực tiếp với máy phát. Trong hầu hết các hệ thống, máy phát được ghép
vào mạng điện thông qua 1 máy biến áp hoặc 1 bộ chuyển đổi năng lượng điện.
Trong DFIG, cuộn stator của máy phát được ghép trực tiếp vào lưới điện, cuộn rotor
được nối vào BVSC (back to back voltage source converter).

Trang 16


Trong quá khứ, bộ chuyển đổi nối vào rotor bao gồm bộ chỉnh lưu và chuyển
đổi điện áp bằng các cầu thyristor. Tuy nhiên kỹ thuật này đã lỗi thời, ngày nay sử
dụng BVSC, với các ưu điểm là có thể điều khiển tốc độ và điều khiển điện áp. Các
bộ điều khiển trong hệ thống DFIG là :
• Speed controller: ảnh hưởng đến tốc độ của rotor bằng cách điều khiển
moment cơ của máy phát.
• Pitch angle controller: cũng điều khiển tốc độ rotor , nhưng nó chỉ làm việc
khi speed controller không làm việc nữa khi gặp trường hợp tốc độ gió cao.
Trong trường hợp gió cao, không cho công suất quá lớn qua qua rotor (vì quá
tải), nó sẽ chỉnh lại góc của các cánh quạt rotor để giảm năng lượng lấy từ
gió.
• Terminal voltage controller: là điểm nổi bật không thể thiếu trong các wind
turbine ngày nay.
Cấu tạo của DFIG cũng giống như fix speed wind turbines, không có cuộn
trường để tạo trường trong khe hở không khí của máy, và phải có nguồn gắn ngoài.
Khi có sự cố xảy ra, dẫn đến ngay lập tức ngắt kết nối tuabin gió để bảo vệ
thiết bị điện tử. Điều này thì không mong muốn khi sử dụng năng lượng gió ở là
nguồn cung cấp chính năng lượng vì vậy tuabin gió phải kết nối lưới khi điện áp
giảm hoặc với kết nối ngay lập tức khi sự cố được cắt. Dẫn đến yêu cầu phải sửa đổi
bộ biến đổi năng lượng của DFIG khi máy phát gió được sử dụng vào hệ thống
mạng lớn và kết nối với mạng điện ở cấp điện áp vừa và cao.
Khi sự cố được cắt, điện áp hệ thống phục hồi và từ trường trong khe hở
không khí được lắp đầy. Nhưng DFIG sử dụng bộ chuyển đổi AC-AC toàn phần nối
vào cuộn rotor nên có một số đặc điểm đáng chú ý như sau: sử dụng riêng biệt 2 bộ
điều khiển P và Q để tăng hiệu quả của hệ thống, và bộ chuyển đổi năng lượng của
rotor chỉ cần điều khiển 1 phần (20-30%) của toàn năng lượng mà vẫn điều khiển
được toàn bộ máy phát. Nhờ bộ chuyển đổi rotor mà sau khi cắt sự cố, dòng khởi
động giảm xuống. Tốc độ rotor được điều khiển bởi bộ chuyển đổi. DFIG cũng góp

Trang 17


phần tăng giới hạn ổn định của lưới so với fix speed wind turbine khi xét ở cùng
điều kiện.

Rotor-Side Converter Control System

Grid-Side Converter Control System

Pitch Control System

Trang 18


Hình 1.9: Sơ đồ các bộ điều khiển DFIG.

C-Máy phát đồng bộ
Biến tần
US

IS

U C IC

Lưới

~
Hình 1.10: Máy phát điện đồng bộ truyền động
trực tiếp

Rotor được nối thẳng tới máy phát không qua hộp số. Máy phát đồng bộ là
một máy phát riêng có số cực từ lớn trong trường hợp tần số cơ thấp cần một máy
phát riêng để máy phát có khối lượng có thể chấp nhận được để có công suất đạt
định mức yêu cầu. Cuộn dây stator của máy phát đuợc nối tới bộ chuyển đổi điện áp
nguồn. Moment máy phát được điều khiển bởi sự thay đổi các dòng điện stator
thông qua việc điều khiển điện áp bộ chuyển đổi phía máy phát. Khi sử dụng bộ
chỉnh lưu diode máy phát được điều khiển gián tiếp bằng việc điều khiển điện áp
DC liên kết sử dụng bộ chuyển đổi điện áp phía lưới.
Bởi vì điện áp trên trên bộ chuyển đổi điện áp tự thay đổi, công suất phản
kháng có thể được phát hay tiêu thụ bộ chuyển đổi phía lưới. Vì vậy dòng điện của
bộ chuyển đổi phía lưới được điểu khiển để công suất thật của máy phát chuyển
đến lưới (gần) bằng điện áp chuẩn. Giống như tuabin sử dụng với máy pháy cảm
ứng nối kép (DFIG) có thể điều khiển cả công suất tác dụng và công suất phản
kháng.
Ở tốc độ gió cao công suất máy phát được giới hạn lại để bảo vệ máy phát và
bộ chuyển đổi do sự cân bằng công suất giưa công suất cơ và công suất điện. Điều
này dẫn đến tăng tốc rotor, cần phải giới hạn tốc độ này lại bằng cách điều khiển
góc quay của cánh quạt.

Trang 19


Là 1 máy phát đồng bộ cực cao được thiết kế cho tốc độ thấp. Để có thể vận
hành ở nhiều tốc độ, máy phát đồng bộ được nối vào mạng điện thông qua 1 bộ
chuyển đổi tần số toàn tải. Máy phát đồng bộ không hút Q từ mạng điện trong suốt
sự cố và sau khi sự cố được cắt. Tuabin gió có thể duy trì sự ổn định điện áp trong
thời gian ngắn là nhờ bộ chuyển đổi grid-side góp phần điều khiển Q và V của hệ
thống.

Hình 1.11: Các bộ điều khiển của DDSG.
Nhận xét
Các tuabin gió thường không tham gia vào việc kiểm soát điện áp, tần số và
nếu nhiễu xảy ra, các tuabin gió được ngắt khỏi lưới và được kết nối lại khi đã khôi
phục lại hoạt động bình thường. Vì vậy, tuy có sự hiện diện của tuabin gió, nhưng
tần số và điện áp được bảo đảm bởi sự điều khiển của các nhà máy điện lớn giống
như trong trường hợp không có bất kỳ tuabin gió nào. Điều này mang đến tính khả

Trang 20


thi do việc gia nhập thị trường điện gió còn thấp. Tuy nhiên, xu hướng mới hiện nay
là tăng lượng điện tạo ra từ sức gió. Do đó, sự phát triển của các tuabin gió vào các
hệ thống năng lượng điện sẽ tăng, nó có thể bắt đầu ảnh hưởng đến hoạt động tổng
thể của hệ thống điện và vì vậy sẽ không còn việc chỉ có thể hoạt động bằng cách
kiểm soát các nhà máy điện quy mô lớn. Do đó, việc nghiên cứu hoạt động của các
tua bin gió trong một hệ thống năng lượng điện và sự tương tác của nó với các trang
thiết bị phát điện và với các tải trọng là rất quan trọng. Trong luận văn này, chỉ
nghiên cứu điển hình với máy phát gió dạng Fix Speed.

Trang 21


Chương 2
TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH HTĐ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG
2.1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1.1 Định nghĩa ổn định hệ thống
Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong
thực tế. Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các kích động bên ngoài. Một chế độ
thỏa mãn điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu
đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá hủy.
Các kích động đối với hệ thống điện được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ
và các kích động lớn.
a. Ổn định tĩnh
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sư biến đổi của
thiết bị điều chỉnh…Các kích động này tác dụng lên rotor của máy phát, phá
hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị tác
động. Chế độ xác lập muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động
nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các
kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục
sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói hệ thống có ổn định tĩnh.
Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực
tế.
b. Ổn định động
Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độ
khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện,
biến đổi của phụ tải và các sự cố ngắn mạch… Các kích động lớn tác động
làm cho công suất cân bằng Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập
tương ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các
kích động này mà chế độ xác lập không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định
động của hệ thống.

Trang 22


Như vậy ổn định động là điều kiện để chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu
dài.
c. Ổn định tổng quát
Khi một chế độ nào đó của hệ thống điện chịu một kích động nhỏ hoặc lớn,
nếu hệ thống điện có tính ổn định tĩnh hoặc ổn định động thì sự cần bằng
công suất tác dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ
vững. Trong quá trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song
độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số được xem như không đổi. Vì vậy đặc
trưng quá trình dao động rotor của máy phát khi chưa mất ổn định là tốc độ
góc của chúng và vẫn giữ giá trị đồng bộ ⍵ = ⍵0 chế độ vẫn là chế độ đồng
bộ.
Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá hủy, tốc độ góc của rotor bị
lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượt
s.

ω − ω0
ω0
Trong đó
+ ω tốc độ góc tức thời của máy phát
+ ω0 tốc độ đồng bộ
Khi hệ thống rơi vào chế độ không đồng bộ công suất và các thông số khác
s=

dao động rất mạnh với biên độ lớn. Chế độ không đồng bộ kéo dài sẽ dẫn
đến
- Hệ thống tan rã hoàn toàn, các máy phát bị cắt khỏi lưới và ngừng làm
việc.
d. Ổn định điện áp
Ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi. Sự biến đổi
điện áp này có thể làm cho cân bằng công suất tác dụng và công suất phản
kháng bị phá hoại dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ
ngừng làm việc. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này
mà chế độ làm việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn định
điện áp.
 Hệ thống được coi là mất ổn định khi sự cố xảy ra hệ thống không thể hội tụ
về một điểm nào đó. Phổ biến nhất của sự mất ổn định là mất ổn định tổng quát và

Trang 23


mất ổn định điện áp. Trong trường hợp đầu tiên, tốc độ rotor của máy phát không
trở về tốc độ danh định sau khi bị sự cố, mà vẫn tiếp tục tăng lên, dẫn đến việc máy
phát bị ngắt do quá tốc độ giới hạn. Trong trường hợp thứ hai, điện áp đường dây
khác giá trị danh nghĩa, nhưng vẫn tiếp tục giảm, cuối cùng dẫn đến việc máy phát
điện ngắt và rơi tải để bảo vệ khi quá áp.
 Hệ thống hoạt động có thể ổn định sau khi sự cố xảy ra nhưng không thể trở
như thời điểm trước khi xảy ra sự cố. Trong trường hợp khác, chẳng hạn như việc
ngắt ra khỏi lưới một máy phát điện hoặc hoặc thay đổi công suất tải thì điểm hoạt
động ổn định mới khác với các điểm hoạt động ổn định ban đầu.
2.1.2 Mục tiêu khảo sát ổn định
Như đã trình bày ở trên, một chế độ xác lập muốn tồn tại được trong thực tế cần
phải có 2 điều kiện:
-

Có sự cân bằng công suất.
Có chế độ ổn định, trước hết là ổn định tĩnh và ổn định phụ tải vì các kích
động nhỏ xảy ra thường xuyên.

Việc đảm bảo ổn định động và ổn định tổng quát đảm bảo cho chế độ làm
việc lâu dài.
Trong thiết kế và vận hành hệ thống, các chế độ phải thỏa mãn về yêu cầu chất
lượng điện năng, độ tin cậy, kinh tế, ổn định tĩnh phải được bảo đảm vô điều kiện,
còn ổn định động và ổn định tổng quát được bảo đảm trong những điều kiện nhất
định.
Mục tiêu khảo sát ổn định của hệ thống là:
-

Xét khả năng ổn định của các chế độ vận hành có thể xảy ra đối với hệ
thống điện, được thiết kế, quy hoạch cũng như vận hành. Nếu khả năng
đó không đủ yêu cầu thì phải thực hiện biện pháp tăng cường nó sao cho

-

hệ thống không mất ổn định khi rơi vào chế độ đó.
Khả năng ổn định của hệ thống điện được biễu diễn bằng độ dự trữ ổn
định, đây là đại lượng phản ánh sự so sánh giữa chế độ được xét ổn định
và chế độ giới hạn ổn định, tức là chế độ nào đó thì trước hết phải tính

được giới hạn ổn định của hệ thống..
2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG HTĐ

Trang 24


2.2.1 Phương pháp tích phân số :
Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến để nghiên cứu ổn định động
HTĐ. Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ phương trình vi
phân phi tuyến QTQĐ có thể xác định được đường cong biến thiên góc lệch δ trên
cơ sở đó đánh giá được ổn định động.
Ưu điểm : Tính vạn năng đối với các loại đối với các loại mô hình và cấu trúc
HTĐ.
Nhược điểm :
Đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, hạn chế mất hiệu quả
ứng dụng trong các bài toán ứng dụng nhanh.
Độ chính xác thấp khi tính QTQĐ trong thời gian dài.
Khó phân tích kết quả.
Ví dụ trường hợp xét ổn định HTĐ khi bị cắt đột ngột 1 đường dây như hình vẽ :
δ

Không ổn định


ổn định

Kết quả tính toán bằng phương pháp tích phân số là các trị số của các góc lệch
δ(t) ởPnhững
thời điểm khác nhau. Nếu tính toán với thời gian đủ dài, ở thời điểm có
0
δ(t) < 2π ta nói QTQĐ ổn định.
2.2.2 Phương pháp diện tích :
t

Trang 25


Giả sử P0 = PT = const
Ta có diện tích hãm tốc được tính
δm

Fht max = − ∫ ( P0 − PEII ) d δ = Fcde
δ 0II

Diện tích tăng tốc được tính
Ftt =

δ 0II

∫ ( P − P ) dδ = F
0

II
E

abc

δ 0I

Hệ ổn định khi : Fht max > Ftt
Hệ không ổn định khi Fht max < Ftt
Đối với HTĐ đơn giản xét theo mô hình đơn giản hóa QTQĐ phương pháp
diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả. Trong phạm vi có thể (với các phép biến
đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ) người ta thường sử dụng tối đa ưu điểm của
phương pháp này.
2.2.3 Phương pháp tiếp cận số :
Để nghiên cứu, phân tích đáp ứng của lưới phân phối có sử dụng nguồn phân
bố, chúng ta cần phải nghiên cứu kĩ mô hình của nguồn phân bố, mô hình tải,…

Trang 26


thông qua những phương trình toán học đặc trưng cho nó. Những phương trình toán
học đó thường có dạng sau:
g

x(t ) = f (t , x(t ), u (t ))

Trong đó:
t

: thời gian

x(t)

: là những biến trạng thái theo thời gian như tần số, góc

rotor, tốc độ rotor, điện áp…
u(t)

: là các tác nhân đầu vào như dòng điện, điện áp, công

f

: là hàm số (có thể tuyến tính hoặc phi tuyến) mô tả mối

suất…

quan hệ giữa các biến đầu vào u(t), các biến trạng thái x(t).
Việc giải quyết những phương trình toán học này sẽ giúp chúng ta xác định
được tình trạng của lưới điện khi xảy ra những sự cố; từ đó giúp cho việc phân tích,
nghiên cứu đáp ứng của lưới điện một cách rõ ràng.
Để giải những phương trình vi phân trên, chúng ta có thể sử dụng phương
pháp tiếp cận số, trong đó bao gồm những phương pháp Euler,Runge-Kutta…
Phương pháp tiếp cận số, như đã nói ở trên, được sử dụng để giải những
phương trình vi phân bậc cao, hoặc những phương trình vi phân không tuyến tính.
Đây là phương pháp được áp dụng hầu hết trong những ứng dụng dành cho máy vi
tính để giải phương trình vi phân.
Một hệ thống điện có thể được biễu diễn bằng phương trình đặc trưng:
g

x(t ) = f (t , x(t ), u (t ))

Trang 27

(1.1)


Từ phương trình đặc trưng, ta có thể tính toán được giá trị của x tại thời điểm
t(t>=t0)

t

x(t)=x0+
x0

∫ f (τ , x(τ ), u (τ ))dτ

t0

: giá trị của biến x tại thời điểm t=t0

t

Tích phân ∫ f (τ , x(τ ), u (τ ))dτ được tính bằng cách sử dụng phương pháp gần
t0

đúng bằng cách chia nhỏ khoảng thời gian (t 0,t) thành n khoảng thời gian nhỏ bằng
nhau có độ dài bằng h.
Từ đó:

t-t0 =n.h

Tại thời điểm t=t0 ta có được các giá trị đầu của x, từ đó ta sử dụng phương
pháp đệ quy để tính các giá trị ở những thời gian tiếp theo.
Phương pháp đệ quy:
x(tk +1 ) = x (tk ) +

tk +1



f (τ , x(τ ), u (τ ))dτ ;

tk +1 − tk = h

tk

tk +1



f (τ , x(τ ), u (τ ))dτ được tính gần đúng bằng cách sử dụng những phương

tk

pháp tính gần đúng. Dưới đây là một số phương pháp thường được sử dụng hiện
nay:
2.2.3.1Phương pháp Euler:
Xét hàm số y=f(x) với x ϵ[x0,X] .
Chia [x0,X] thành n đoạn nhỏ
xi= x0+i.h với i=1,2,…
h=

X − x0
n

Trang 28


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×