Luận văn Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THỊ HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒNS K C 0 0 3 9 5 9 KÉP (DFIG) NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 7 9 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ TỐNG THỊ HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2012
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỐNG THỊ HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2012
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: TỐNG THỊ HIẾU Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 04/05/1984 Nơi sinh: Hải Dƣơng Quê quán: Cộng hòa, Nam Sách, Hải Dƣơng Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: P805 - CC Hoàng Long - Dĩ An - Bình Dƣơng E-mail:tonghieu8@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2003 đến 06/ 2008 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Bách Khoa Hà Nội Ngành học: Tự động hóa – XNCN. Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục. Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 05/06/2008, Đại Học Bách Khoa Hà Nội Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Phan Cung 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2011 đến 11/ 2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ phạm kỹ thuật TP. HCM Ngành học: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện Tên luận văn: Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG). Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. TS. Quyền Huy Ánh i
5. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2008 - 2010 Công ty CEVT Nhân viên thiết kế Trƣờng ĐH Kinh tế - Kỹ thuật 2010 - 2012 Giảng viên Bình Dƣơng ii
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 11 năm 2012 Tống Thị Hiếu iii
7. CẢM TẠ Tôi thực sự muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS. TS. Quyền Huy Ánh Trƣởng Khoa Điện – Điện tử trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Thầy đã tận tình hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành cuốn luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã truyền đạt, trang bị những kiến thức và các phƣơng pháp nghiên cứu cho tôi trong quá trình học tập tại trƣờng. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè đã động viên, giúp đỡ và đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! iv
8. TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. HCM – 11/2012 Năng lƣợng gió là nguồn năng lƣợng tái tạo đáng tin cậy và phát triển nhất. Sự đóng góp của các nhà máy điện gió trong tổng các nhà máy điện đƣợc lắp đặc ngày càng tăng trên toàn thế giới. Hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) với tốc độ và góc bƣớc răng có thể thay đổi đƣợc là hệ thống tuabin gió phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện gió. Hệ thống có khả năng vận hành độc lập hoặc nối với lƣới. Nghiên cứu về hệ thống tuabin gió - DFIG thực sự cần thiết để tối ƣu hóa quá trình sản xuất điện năng từ gió và dự đoán chính xác kết quả của quá trình đó. Luận văn thực hiện nghiên cứu về hệ thống tuabin gió – DFIG nối với lƣới trong môi trƣờng Matlab/Simulink với khả năng điều chỉnh độc lập công suất tác dụng, công suất phản kháng và khả năng điều chỉnh điện áp của hệ thống nhờ khả năng phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. v
9. AN ABSTRACT OF A THESIS STUDY OF A DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR (DFIG) BASED WIND TURBINE SYSTEM University of Technical Education Ho Chi Minh City – 11/2012 Wind power is the most reliable and developed renewable energy source. The share of wind power with respect to total installed power capacity is increasing worldwide. The Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbine with variable-speed variable-pitch control scheme is the most popular wind power generator in the wind power industry. This machine can be operated either in grid connected or standalone mode. A thorough understanding of the modeling, control, and dynamic as well as the steady state analysis of this machine in both operation modes is necessary to optimally extract the power from the wind and accurately predict its performance. In this thesis, a detailed electromechanical model of a DFIG-based wind turbine connected to power grid is developed in the Matlab/Simulink environment. It has ability to control reactive power and decouple control of active and reactive power by independently controlling the rotor excitation current. It has the capability for generating or absorbing reactive power and could be use to control the reactive power or the voltage at the grid terminals. vi
10. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao để tài Xác nhận của GVHD Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt luận văn v Mục lục vii Danh sách các từ viết tắt xi Danh sách các hình vẽ x Phần mở đầu 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan chung về hệ thống tuabin gió 3 1.1.1. Tuabin gió 3 1.1.2. Cấu tạo tuabin gió 4 1.1.3. Phạm vi hoạt động của tuabin gió 6 1.1.4. Các loại máy phát điện tuabin gió 7 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 9 1.3. Mục đích nghiên cứu 11 1.4. Đối tƣợng nghiên cứu 11 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11 1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu 12 1.7. Phƣơng pháp nghiên cứu 12 1.8. Đề cƣơng luận văn 12 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1. Chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ abc↔훂훃↔dq 13 2.1.1. Mô hình MĐKĐB trong hệ tọa độ 훂훃 14 2.1.2. Hệ qui chiếu quay đồng bộ dq 15 vii
11. 2.1.3. Mối quan hệ của các đại lƣợng trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ dq 16 2.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 16 2.2.1. Bộ nghịch lƣu 1 pha 17 2.2.2. Bộ nghịch lƣu 3 pha 18 2.3. Bộ điều khiển PI (Proportional Integral Controller) 19 Chƣơng 3. HỆ THỐNG TUABIN GIÓ – DFIG 22 3.1. Giới thiệu chung 22 3.2. Các thành phần chính của hệ thống tuabin gió - DFIG 22 3.2.1. Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) 23 3.2.1.1. Cấu tạo DFIG 23 3.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của DFIG 23 3.2.1.3. Dòng công suất của DFIG 26 3.2.1.4. Mô hình DFIG 28 3.2.2. Bộ biến đổi AC/DC/AC 31 3.2.2.1. Bộ biến đổi phía rotor (RSC) 32 3.2.2.2. Bộ biến dổi phía lƣới (GSC) 32 3.2.3. Hệ truyền động 32 3.2.4. Tuabin gió 35 3.2.5. Hệ thống điều khiển 36 3.2.6. Hệ thống bảo vệ 37 3.3. Phạm vi hoạt động 37 3.4. Các mô hình vận hành hệ thống 38 3.4.1. Mô hình 1 - Dịch chuyển điểm công suất cực đại 38 3.4.2. Mô hình 2 - Điều khiển góc bƣớc răng 40 3.4.3. Mô hình 3 - Điều chỉnh công suất. 41 Chƣơng 4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ - DFIG 42 4.1. Giới thiệu chung 42 4.2. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía rotor (RSC) 42 4.3. Hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía phía lƣới (GSC) 48 viii
12. 4.4. Bộ điều khiển góc bƣớc răng 50 Chƣơng 5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ – DFIG 52 5.1. Giới thiệu chung 52 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió - DFIG nối với lƣới 52 5.2.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió - DFIG 54 5.2.2. Sơ đồ mô phỏng tuabin gió 55 5.2.3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin gió - DFIG 56 5.2.4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển RSC 57 5.2.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển GSC 58 5.2.6. Hệ thống bảo vệ tuabin gió - DFIG 59 5.2.7. Sơ đồ biến đổi dữ liệu phía tuabin gió 60 5.2.8. Sơ đồ biến đổi dữ liệu phía lƣới 61 5.3. Kết quả mô phỏng 61 5.3.1. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió - DFIG khi tốc độ gió thay đổi 61 5.3.2. Khi lƣới 120 kV bị sụt áp 66 5.3.3. Khi lƣới 120 kV bị vọt áp 70 5.3.4. Khi lƣới 25 kV bị sự cố chạm đất một pha 74 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 77 6.1. Kết luận 77 6.2. Hƣớng phát triển của đề tài trong tƣơng lai 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 81 ix
13. DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT o DFIG (Doubly Fed Induction Generator) - Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. o AC – Dòng điện xoay chiều. o DC – Dòng điện xoay chiều. o BBĐ – Bộ biến đổi. o BĐK – Bộ điều khiển o MĐ KĐB - Máy điện không đồng bộ. o PWM (Pulse Width Modulation) - Kỹ thuật điều chế độ rộng xung. o PI (Proportional Integral Controller) - Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân o RSC (Rotor Side Converter) - Bộ biến đổi phía rotor. o GSC (Grid Side Converter) - Bộ biến đổi phía lƣới. o MPPT(Maximum Power Point Tracking) - Đƣờng di chuyển điểm công suất cực đại. x
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1. Sơ đồ khối của các thành phần trong hệ thống tuabin gió nối với lƣới 1 Hình 1.2. Tuabin gió trục ngang (a) và tuabin gió trục đứng (b) . 3 Hình 1.3. Các bộ phận chính của hệ thống tuabin gió trục ngang . 5 Hình 1.4. Biểu đồ công suất của tuabin gió có tốc độ thay đổi đƣợc . 7 Hình 1.5. Tuabin gió có tốc độ cố định 7 Hình 1.6. Tuabin gió có tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp với lƣới .8 Hình 1.7. Tuabin gió có tốc độ thay đổi sử dụng DFIG 9 Hình 2.1. Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của MĐKĐB ba pha .13 Hình 2.2. Vector không gian điện áp stator u s trong hệ tọa độ αβ . 14 Hình 2.3. Hệ trục tọa độ dq . . . 15 Hình 2.4. Điều chế độ rộng xung bộ nghịch lƣu 1 pha . 17 Hình 2.5. Điều chế độ rộng xung bộ nghịch lƣu 3 pha . 18 Hình 2.6. Bộ điều khiển PI . . . . .20 Hình 3.1. Các thành phần chính của hệ thống tuabin gió – DFIG . . 23 Hình 3.2. Sự tƣơng tác giữa tốc độ quay của rotor với tần số từ trƣờng quay tạo bởi dòng điện trong dây quấn rotor của DFIG .25 Hình 3.3. Dòng công suất trong hệ thống tuabin gió - DFIG 26 Hình 3.4. Hƣớng dòng công suất tác dụng của stator và rotor DFIG ở các tốc độ rotor khác nhau . 28 Hình 3.5. Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng của DFIG 29 Hình 3.6. Bộ biến đổi AC/DC/AC trong DFIG 31 Hình 3.7. Mô hình hệ truyền động hai khối (a) và một khối (b) .33 Hình 3.8. Đƣờng cong đặc tính tuabin gió Cp = f(λ, β) 36 Hình 3.9. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống tuabin gió – DFIG 37 Hình 3.10. Công suất cơ đầu ra của tuabin gió theo tốc độ quay của rotor 39 Hình 3.11. Góc bƣớc răng thay đổi theo tốc độ gió .40 Hình 4.1. Đƣờng đặc tính công suất của tuabin gió – DFIG 43 xi
15. Hình 4.2. Đặc tính V – I của tuabin .45 Hình 4.3. Bộ điều khiển dòng điện . 47 Hình 4.4. Sơ đồ khối bộ điều khiển RSC 48 Hình 4.5. Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng của bộ lọc RL .49 Hình 4.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển GSC . 50 Hình 4.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển bƣớc răng . 51 Hình 5.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió – DFIG nối với lƣới . 53 Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống tuabin gió – DFIG . 54 Hình 5.3. Sơ đồ mô phỏng tuabin gió 55 Hình 5.4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin gió – DFIG 56 Hình 5.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển RSC . 57 Hình 5.6. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển GSC . 58 Hình 5.7. Hệ thống bảo vệ hệ thống tuabin gió – DFIG .59 Hình 5.8. Sơ đồ biến đổi dữ liệu phía tuabin gió 60 Hình 5.9. Sơ đồ biến đổi dữ liệu phía lƣới .61 Hình 5.10. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió – DFIG khi tốc độ gió thay đổi ứng với mô hình điều chỉnh công suất phản kháng . 62 Hình 5.11. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió – DFIG khi tốc độ gió thay đổi ứng với mô hình điều chỉnh điện áp 63 Hình 5.12. Điện áp lƣới và của nhà máy khi tốc độ gió thay đổi ứng với mô hình điều chỉnh công suất phản kháng 65 Hình 5.13. Điện áp lƣới và của nhà máy khi tốc độ gió thay đổi ứng với mô hình điều chỉnh điện áp 66 Hình 5.14. Điện áp lƣới và nhà máy khi có sụt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh công suất phản kháng 67 Hình 5.15. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió - DFIG khi có sụt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh công suất phản kháng 68 Hình 5.16. Điện áp lƣới và nhà máy khi có sụt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh điện áp 69 xii
16. Hình 5.17. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió - DFIG khi có sụt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh điện áp 70 Hình 5.18. Điện áp lƣới và nhà máy khi có vọt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh công suất phản kháng .71 Hình 5.19. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió - DFIG khi có vọt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh công suất phản kháng . 72 Hình 5.20. Điện áp lƣới và nhà máy khi có vọt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh điện áp 73 Hình 5.21. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió - DFIG khi có vọt áp trên lƣới 120kV với mô hình điều chỉnh điện áp 74 Hình 5.22. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió – DFIG khi có sự cố chạm đất một pha trên lƣới 25kV với mô hình điều chỉnh công suất phản kháng . .75 Hình 5.23. Đáp ứng của hệ thống tuabin gió – DFIG khi có sự cố chạm đất một pha trên lƣới 25kV với mô hình điều chỉnh điện áp .76 xiii
17. Phần mở đầu PHẦN MỞ ĐẦU Ngành công nghiệp điện trên thế giới chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt điện và thủy điện, đã mang đến cho nhân loại nền văn minh điện, nhƣng cũng đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trƣờng trái đất. Năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và việc đốt cháy nhiên liệu gốc hóa thạch (than đá, dầu khí), đã trở thành nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất gây ra biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Còn công nghệ điện hạt nhân lại không an toàn và gây ra những hiểm họa phóng xạ nhƣ sự cố nổ nhà máy điện hạt nhân ở Checnobƣn (1986), Fukishima (2010) và để lại hậu quả lâu dài cho môi trƣờng. Vì vậy, Thế kỷ 21 với chiến lƣợc phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là thời kỳ phát triển “kinh tế xanh”, “năng lƣợng xanh” đã bắt đầu chứng kiến những công nghệ sản xuất điện từ các nguồn năng lƣợng tái tạo vô tận trong tự nhiên hay luôn phát sinh cùng đời sống con ngƣời nhƣ các nguồn năng lƣợng: mặt trời, gió, sinh khối, sóng biển, thủy triều, địa nhiệt và nhiệt biển. Sử dụng năng lƣợng tái tạo sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng nhƣ là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So sánh với các nguồn năng lƣợng khác, năng lƣợng tái tạo có nhiều ƣu điểm hơn vì tránh đƣợc các hậu quả có hại đến môi trƣờng. Theo thống kê của Tổ chức Năng lƣợng Quốc tế (IEA) thì năm 2004, tổng công suất của các nguồn năng lƣợng tái tạo trên toàn thế giới là 160 GW (không kể thủy điện lớn), chiếm 4% tổng công suất các nhà máy điện trên toàn cầu, tƣơng đƣơng 1/5 tổng công suất các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới, trong đó các nƣớc đang phát triển chiếm 44%, tức là 70 GW. Phổ biến và có hiệu quả nhất hiện nay trên thế giới là sử dụng năng lƣợng gió để phát điện. Tuy nhiên, nó cũng đòi hỏi vốn đầu tƣ khá cao và lệ thuộc vào tự nhiên. Hiện nhiều quốc gia nhƣ Đức, Trung Quốc, Hà Lan, Tây Ban Nha, Đan Mạch, đang đi đầu trong lĩnh vực này. Theo thống kê, tổng công suất điện gió đƣợc lắp đặt trên toàn cầu năm 2007 là 94.100 MW, đến tháng 3/2008 đạt con số kỷ lục là 100.000MW. 1
18. Phần mở đầu Những nghiên cứu ứng dụng tổng hợp và công nghệ điện gió nối với lƣới điện chính cũng nhƣ dự trữ năng lƣợng gió dƣới một dạng khác đang đƣợc tiến hành nhiều nơi, kể cả Việt Nam. Tại Việt Nam: Theo Tài liệu “Bản đồ Năng Lƣợng Gió Khu Vực Đông Nam Á” công bố vào năm 2001, Việt Nam có một tiềm năng vô cùng lớn cho việc khai triển điện gió thƣơng mại. Tiềm năng điện gió qui mô lớn đƣợc đánh giá có công suất lý thuyết lên đến 120-160 GW, với phần lớn các tiềm năng khai thác nằm dọc ở khu vực bờ biển Đông - Đông Nam. Chính vì những lý do trên nên vấn đề nghiên cứu về hệ thống điện gió đang đƣợc rất nhiều nhà khoa học quan tâm đặc biệt là hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) sử dụng bộ biến đổi công suất AC/DC/AC với ƣu điểm có khả năng điều chỉnh độc lập công suất phản kháng và công suất tác dụng, có khả năng tự điều chỉnh đƣợc điện áp đầu ra theo giá trị mong muốn đồng thời tổn thất công suất của bộ biến đổi rất thấp. 2
19. Chương 1. Tổng quan Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung về hệ thống tuabin gió Hệ thống tuabin gió là hệ thống sử dụng năng lƣợng cơ học từ gió để biến đổi thành điện năng cung cấp cho các phụ tải điện. Hệ thống tuabin gió gồm các khối thành phần cơ bản: khối động học, khối cơ năng và khối điện năng đƣợc trình bày ở hình 1.1[Theo tài liệu tham khảo số 9]. Khối Khối cơ Khối điện động học năng năng Gió Tuabin Hộp số Máy phát điện BBĐ ĐTCS Lƣới Hình 1.1. Sơ đồ khối của các thành phần trong hệ thống tuabin gió nối với lưới 1.1.1. Tuabin gió Theo hình dạng và cấu tạo bên ngoài, tuabin gió gồm hai loại là tuabin trục ngang và tuabin trục đứng (xem hình 1.2(a) và 1.2(b)). a) b) Hình 1.2. Tuabin gió trục ngang (a) và tuabin gió trục đứng (b) 3
20. Chương 1. Tổng quan + Tuabin gió kiểu trục đứng có các cánh quay quanh một trục thẳng đứng. Nó có ƣu điểm là nhận gió từ mọi hƣớng nên không cần hệ thống điều hƣớng, hộp số và các thiết bị máy phát đƣợc đặt trong trụ của tuabin. Tuy nhiên, tuabin trục đứng lại có một số nhƣợc điểm cũng là lý do vì sao nó ít đƣợc sử dụng: o Hiệu suất khí động học giảm do có nhiều bề mặt cánh úp vào phía trục. o Khi quay nếu các cánh gió đều mở thì một bên có tác dụng hứng gió làm tuabin quay, bên còn lại cản gió làm giảm tốc độ quay của tuabin. o Giá đỡ thƣờng ở mức chuẩn nên nó không cho phép có hộp số với những tuabin trục đứng lớn bởi vì sức nặng và giá của trục truyền tải rất cao. + Tuabin gió kiểu trục ngang, có các cánh quay quanh một trục nằm ngang theo hƣớng gió. Hầu hết các tuabin lớn trong cánh đồng gió hiện đại là các tuabin trục ngang vì chúng phù hợp hơn với việc khai thác nhiều năng lƣợng gió. Tuabin gió kiểu trục ngang có loại 2 hoặc 3 cánh quạt. Ngày nay loại 3 cánh quạt đƣợc sử dụng rộng rãi. 1.1.2. Cấu tạo tuabin gió Cấu tạo chung của tuabin gió trục ngang đƣợc trình bày ở hình 1.3. Trong đó: - Cánh quạt (Blade), gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động quay. - Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục cánh quạt. - Bƣớc răng (Pitch) có nhiệm vụ giúp cánh quạt của tuabin có thể đƣợc xoay hoặc làm nghiêng một góc để giữ cho rotor quay với tốc độ hợp lý nhất nhằm đạt hiệu suất sinh điện cao nhất và bảo vệ cánh quạt, rotor trong điều kiện gió quá lớn. - Bộ hãm (phanh - Brake), dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp (thƣờng là khi tốc độ gió quá lớn có thể gây quá nhiệt cho hệ thống máy phát điện). Hệ thống hãm có thể điều khiển bằng điện, bằng sức nƣớc hoặc bằng động cơ. 4
21. Chương 1. Tổng quan - Trục quay tốc độ thấp (Low speed shaft) truyền cơ năng từ cánh quạt tuabin tới hộp số. - Trục quay tốc độ cao (High speed shaft) để quay rotor của máy phát điện. Bƣớc răng Trục quay tốc độ thấp Rotor Hộp số Máy phát điện Thiết bị đo tốc độ gió Hƣớng gió Bộ điều khiển Bộ hãm (phanh) Bộ điều chỉnh hƣớng gió Thiết bị đo Động cơ điều hƣớng gió chỉnh hƣớng gió Vỏ Trục quay tốc Cánh quạt Trụ đỡ độ cao Hình 1.3. Các bộ phận chính của hệ thống tuabin gió trục ngang - Hộp số (Gear box) có bánh răng, đƣợc nối giữa trục tốc độ thấp với trục tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1200 đến 1500 vòng/phút. - Máy phát điện (Generator), nhận cơ năng từ trục quay tốc độ cao để biến thành điện năng cung cấp cho các phụ tải điện. - Bộ điều khiển (Controller), có chức năng điều khiển hoạt động của tuabin gió. Bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống tuabin gió rất đa dạng nhƣ điều khiển bƣớc răng, điều khiển hƣớng gió hay điều khiển dừng. Bộ điều khiển sẽ khởi động máy phát ở tốc độ gió khoảng 12 km/h đến 22 km/h và dừng máy phát khi tốc độ gió đạt 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng. 5