Máy phát điện và năng lượng cho tuốc bin gió

Máy phát điện và điện năng cho

tuốc bin gió

Anca D. Hansen

4.1Giới thiệu

Ngày nay, tua-bin gió trên thị trường hòa trộn và so khớp với một loạt các khái niệm

sáng tạo với các công nghệ đã được chứng minh cho cả hai máy phát điện và điện tử công

suất. Chương này trình bày từ một điểm điện xem trạng thái hiện tại của máy phát điện và

năng lượng thiết bị điện tử trong các khái niệm tuabin gió. Nó mô tả các khái niệm cổ điển

và mới của các máy phát điện và các thiết bị điện tử điện dựa trên các khía cạnh kỹ thuật

và xu hướng thị trường.

4.2 Công nghệ tiên tiến

Phần này sẽ mô tả tình trạng hiện tại về máy phát điện và điện tử năng lượng cho các tua￾bin gió. Để cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh, chúng tôi đầu tiên sẽ mô tả vắn tắt kiểm

soát quyền lực phổ biến cấu trúc liên kết các tua bin gió

4.2.1 tổng quan về cấu trúc tuốc bin gió

Tua-bin gió có thể hoạt động với một tốc độ cố định hoặc tốc độ biến đổi.

4.2.2.1 tuốc bin gió có tốc độ không đổi

Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn cài đặt các tua-bin gió là hoạt động ở tốc độ cố

định.Điều đó có nghĩa là bất kì tốc độ gió nào, tốc độ cánh quạt của tuabin gió là cố định

và xác định bởi tần số của lưới điện cung cấp, tỷ số truyền và thiết kế máy phát điện.

Đó là đặc trưng của tua-bin gió tốc độ cố định mà chúng được trang bị máy phát điện

cảm ứng (rotor lồng sóc hoặc rôto quấn dây) kết nối trực tiếp với lưới điện, với một phần

mềm khởi động và bộ tụ để giảm mức tiêu hao công suất phản kháng.Chúng được thiết

kế để đạt được hiệu quả tối đa tại một tốc độ gió cụ thể. Để tăng cường sản xuất điện, máy

phát điện của một số tua-bin gió có tốc độ cố định có hai bộ dây: một là sử dụng tốc độ

gió thấp (thường là 8 điện cực) và tốc độ gió trung bình ,cao (thường 4-6 điện cực).

Tua bin gió có tốc độ cố định có lợi thế là đơn giản, mạnh mẽ và đáng tin cậy và cũng đã

được kiểm chứng. Và tổn thất điện năng của nó là thấp. Nhược điểm của nó là không kiểm

soát được tiêu thụ công suất phản kháng, ứng suất cơ học và chất lượng điện năng bị giới

hạn. Do hoạt động tốc độ cố định , tất cả các biến động ở tốc độ gió tiếp

tục truyền như các biến động trong mô-men xoắn cơ khí và sau đó là sự biến động của

năng lượng điện trên lưới điện. Trong trường hợp lưới yếu, dao động năng lượng cũng có

thể dẫn đến các biến động điện áp lớn, điều này, lần lượt, sẽ cho kết quả mất đường

dây quan trọng (Larsson, 2000).

4.2.1.2 tuabin gió tốc độ biến đổi

Trong những năm qua tua-bin gió có tốc độ thay đổi đã trở thành loại ưu thế trong

số các tua-bin gió được cài đặt.

Tua-bin gió biến tốc được thiết kế để đạt được tối đa hiệu quả khí động học trên một

phạm vi rộng của tốc độ gió. Với hoạt động biến tốc nó có thể liên tục thích ứng (tăng

tốc hay giảm tốc) tốc độ quay của tuabin gió với tốc độ gió v. Bằng cách này, tốc

độ đầu tỷ lệ được giữ không đổi ở một giá trị được xác định trước tương ứng với hệ

số công suất tối đa .Trái ngược với một hệ thống tốc độ cố định, một hệ thống biến tốc

giữ mô-men xoắn máy phát điện tương đối ổn định và các thay đổi gió được hấp thu bởi

những thay đổi trong tốc độ máy phát điện.

Hệ thống điện của một tua-bin gió có tốc độ thay đổi phức tạp hơn một tuabin

gió tốc độ cố định. Nó thường được trang bị với máy phát điện cảm ứng hoặc máy phát

điện đồng bộ và kết nối với lưới điện thông qua một công cụ chuyển đổi năng lượng. Việc

chuyển đổi năng lượng kiểm soát tốc độ máy phát điện, đó là, dao động năng lượng gây ra

bởi sự thay đổi gió được hấp thu chủ yếu bởi những thay đổi tốc độ trong rotor máy phát

điện và cực từ trong rotor tua-bin gió.

Những lợi thế của tua-bin gió có tốc độ thay đổi là nắm bắt được sự tăng năng lượng,

cải thiện chất lượng điện và giảm áp lực cơ khí trên các tua-bin gió.Nhược điểm là gây

tổn thất trong phần điện tử công suất, sử dụng nhiều bộ phận hơn và

tăng chi phí thiết bị vì là các thiết bị điện tử công suất.

Việc giới thiệu các loại tuabin gió có tốc độ thay đổi làm tăng số lượng ứng dụng của các

loại máy phát điện và cũng giới thiệu một vài bậc tự do trong sự kết hợp của các loại máy

phát điện và các loại công cụ chuyển đổi điện

4.2.2 Tổng quan về khái niệm điều khiển điện năng

Tất cả các tua-bin gió được thiết kế với một số loại điều khiển điện năng. Có nhiều cách

khác nhau để kiểm soát sức động lực học trên các rôtor tua-bin gió và do đó hạn chế sức

mạnh của gió khi gió lớn để tránh hỏng hóc cho tuabin gió.

phương pháp điều khiển hiệu quả nhất và rẻ tiền nhất là điều khiển trạng thái thất tốc (thụ

động điều khiển), nơi mà các cánh quạt được bắt vít vào trung tâm ở một góc cố

định. Thiết kế khí động lực học rotor làm cho rotor thất tốc (mất điện) khi tốc độ gió vượt

quá một mức nhất định. Như vậy,lực khí động học trên các cánh quạt bị hạn chế. Kiểm

soát lực khí động học chậm gây ra những biến động năng lượng ít hơn so với việc điều

chỉnh góc nghiêng cánh quạt. Một số hạn chế của phương pháp này là hiệu quả thấp hơn ở

tốc độ gió thấp, không có hỗ trợ khởi động và sự thay đổi lớn trong ổn định điện do sự

thay đổi trong tỷ trọng không khí và tần số lưới điện (cho một ví dụ, hãy xem Chương 15).

Một loại hình điều khiển khác là điều khiển độ cao (điều khiển chủ động),ở đó những

cánh quạt có thể tạo ra sản lượng điện đầu ra cao hay thấp,tương ứng. Nói chung, những

ưu điểm của loại hình điều khiển này là điều khiển điện tốt, hỗ trợ khởi động và dừng

khẩn cấp. Từ một điểm điện cho thấy, kiểm soát năng lượng tốt có nghĩa là ở tốc độ gió

cao, giá trị trung bình của sản lượng điện được giữ gần với công suất định mức của máy

phát điện. Một số nhược điểm là sự phức tạp phát sinh từ cơ cấu truyền động ở độ cao và

dao động năng lượng cao hơn ở tốc độ gió cao. Năng lượng chỉ là tức thời, bởi vì cơn gió

giật và tốc độ hạn chế của cơ cấu truyền động ở độ cao, dao động xung quanh giá trị trung

bình của điện năng.

Cách điều khiển thứ 3 có thể là điều khiển trạng thái thất tốc chủ động. Như tên ngụ ý, sự

thất tốc của những cánh quạt được điều khiển 1 cách chủ động bằng góc nghiêng của cánh

quạt. Ở tốc độ gió thấp cánh quạt nghêng giống như loại tuabin gió điều khiển góc

nghiêng, để đạt được hiệu quả tối đa. Ở tốc độ gió cao,cánh quạt đi vàotrạng thái thất tốc