Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trương Nhật Tiên NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÁI NGUYÊN 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trương Nhật Tiên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

PHÒNG ĐÀO TẠO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS. Ngô Đức Minh

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Trương Nhật Tiên, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá

2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy

cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS.

Ngô Đức Minh. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là

“Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo”.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự

hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã

được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng

bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn

trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014 Học viên Trương Nhật Tiên

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình

hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp

năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển

mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các

dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, điện mặt

trời, V.V... Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác

nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia,

mạng điện thông minh...Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được

quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các dạng nguồn

này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định. Tính kinh tế của hệ thống

còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay, đứng trước

sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong

phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi

hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng

quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các

tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống

(mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng). Đặc biệt, trong

bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch,

các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ

biến đổi và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ

nguồn.

Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một

phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đồng thời

nâng hiệu quả khai thác trong điều kiện làm việc thực tế có nhiều thay đổi.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, lựa chọn một loại bộ biến

đổi điển tử công suất điển hình kiểu biến tần 4 Q để áp dụng cho hệ nguồn

iii

điện sử dụng năng lượng tái tạo máy phát điện sức gió và pin Mặt trời. Xây

dựng mô hình hệ nguồn điện sưc gió và pin Mặt trời.

Nội dung nghiên cứu được bố cục thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về biến tần 4Q

Chương 2: Nghiên sử dụng năng lượng tái tạo:

- Năng lượng gió

- Năng lượng Mặt trời

Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng hệ thống

Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện luận văn, mặc dù gặp rất

nhiều khó khăn về vấn đề chuyên môn. Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình

của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh đã giúp tôi hoàn hoàn thành luận văn với

kết quả mong muốn đạt được. Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể

tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và

nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn.

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức

Minh cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

– Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn

thành luận văn này.

Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014

Học viên

Trương Nhật Tiên

MỤC LỤC

Chương 1 ...................................................................................................... 1

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ ...................................... 1

1.1. Giới thiệu chung ................................................................................ 1 1.2. Biến tần 4 góc phần tư ....................................................................... 6 1.2.1. Chỉnh lưu PWM............................................................................ 6

1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM: ................................. 6

1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM: ............................ 8

1.2.2. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM ..................... 11

1.3. Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ........ 12 1.4. Mô tả toán học và điều khiển chỉnh lưu PWM ............................. 14 1.4.1. Mô tả dòng điện và điện áp nguồn .............................................. 14

1.4.2. Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM ........................................ 15

1.4.3. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên abc . 16

1.4.4. Mô toán học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β .................... 17

1.4.5. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q ...... 18

1.4.6. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC ............................... 21

1.4.7. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC............................... 24

1.3. Kết luận chương 1............................................................................ 27 Chương 2 .................................................................................................... 28

NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ............................................... 28

2.1. Tổng quan về năng lượng và tái tạo ............................................... 28 2.2. Máy phát điện sức gió ...................................................................... 29 2.2.1. Lịch sử phát triển của năng lượng gió ......................................... 29

2.2.2. Các loại turbine gió ..................................................................... 32

2.2.3. Tính toán công suất của gió ........................................................ 35

2.2.4. Máy phát điện turbine gió ........................................................... 39

2.2.4.1. Các máy phát đồng bộ .......................................................... 39

2.2.4.2. Máy phát không đồng bộ cảm ứng ....................................... 40

2.2.5. Công suất trung bình của gió ...................................................... 47

2.2.5.1. Biểu đồ gió gián đoạn .......................................................... 48

2.2.6. Các dự đoán đơn giản của năng lượng gió .................................. 52

2.2.6.1. Năng lượng hàng năng sử dụng hiệu suất turbine gió trung

bình .................................................................................................. 53

2.2.6.2. Các cánh đồng gió ................................................................ 54

2.2.7. Một số cấu trúc điển hình hệ thống Wind Turbine ...................... 58

2.3. Pin lượng Mặt trời ........................................................................... 61 2.3.1. Năng lương Mặt trời ................................................................... 61

2.3.2. Mô hình nguồn điện pin Mặt trời ................................................ 63

2.3.2.1. Bộ biến đổi DC/DC .............................................................. 64

2.3.3. Vấn đề tích trữ năng lượng ......................................................... 72

2.3.4. Hoạt động của pin Mặt trời ......................................................... 75

2.3.5. Tìm điểm làm việc cực đại theo thuật toán P&O ......................... 80

2.4. Kết luận chương 2............................................................................ 86 Chương 3 ................................................................................................. 87 MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ........................................ 87 3.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống ............................................................ 87 3.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ thống máy phát điện dị bộ nguồn kép [6Q].......................................................................................................... 89 3.2.1. Giới thiệu chung ......................................................................... 89

3.2.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ DFIG ................................................ 91

3.3. Kết luận chương 3............................................................................ 98 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................. 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 100

HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1. 1. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng ............................ 1

Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng ........................... 2

Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư .............................. 6

Hình 1. 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM ...................................................... 7

Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều. ............................... 8

Hình 1. 6. Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM 9

Hình 1. 7. Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM.......................... 11

Hình 1. 8. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM. ............................. 13

Hình 1. 9. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM. .................... 14

Hình 1. 10. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên ............ 17

Hình 1. 11. Mô hình bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β ................. 18

Hình 1. 12. Mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q. ................... 19

Hình 1.13. Đồ thị véctơ mô tả dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai

chiều phụ thuộc vào hướng iL ............................................................... 20

Hình 1. 14. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC. ........................... 21

Hình 1. 15. Biểu diễn các sector cho phương pháp điều khiển DPC ............. 22

Hình 1. 16. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào ................ 23

Hình 1. 17. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo ... 24

Hình 1. 18. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC. .......................... 24

Hình 1. 19. Sơ đồ véc tơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ

chỉnh lưu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q ......................... 25

Hình 2. 1. Biểu đồ phát triển điện gió đã lắp đặt tăng 25% mỗi năm 31

Hình 2. 2. Tổng dung lượng đã lắp đặt ở các quốc gia năm 2002 ................. 31

Hình 2. 3. Tổng dung lượng gió đã lắp đặt ở Mỹ năm 1999 và 2002 ............ 32

Hình 2. 4. Một số Turbine gió điển hình ....................................................... 33 Hình 2. 5. Công suất gió trên mỗi m2 diện tích mặt cắt ở 150 và 1 atm ......... 37

Hình 2. 6. Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus .............................................. 38

Hình 2. 7. Máy phát đồng bộ 3 pha............................................................... 40

Hình 2. 8. Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm ............................ 41

Hình 2. 9. Mô hình máy phát điện cảm ứng .................................................. 42

Hình 2. 10. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau

được bao quanh nó một điện trường quay ............................................. 43

Hình 2. 11. Mô tả nguyên lý máy phát.......................................................... 44

Hình 2. 12. Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng .............. 45

Hình 2. 13. Máy phát cảm kháng từ kích từ. Các tục ngoài cộng hưởng với

điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng ................................. 47

Hình 2. 14. Một ví dụ về dữ liệu hiện trường và lịch sử dữ liệu gió theo giờ 50

Hình 2. 15. Tác động của khoảng cách tháp và kích thước ô của turbine gió 55

Hình 2. 16. Khoảng cách tối ưu của các tháp ................................................ 56

Hình 2. 17. Cấu trúc cơ bản của hệ thống turbine gió ................................... 58

Hình 2. 18. Hệ thống dùng máy phát cảm ứng (IG) không có điện tử công

suất. ...................................................................................................... 59

Hình 2. 19. Hệ thống DFIG cùng với modul điện tử công suất ..................... 60

Hình 2. 20. Cấu hình đồng bộ điện tử công suất ........................................... 61

Hình 2. 21. Sự phát triển của năng lượng điện Mặt trời ................................ 62

Hình 2. 22. Mô hình khai thác năng lượng từ nguồn PV ............................... 63

Hình 2. 23. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck.............................................. 65

Hình 2. 24. Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck ....................... 66

Hình 2. 25. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost...................................................... 68

Hình 2. 26. Dạng sóng dòng điện của mạch Boost ....................................... 69

Hình 2. 27. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost ......................................... 69

Hình 2. 28. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha .......................................................... 71

Hình 2. 29. Mô hình một nửa biến tần 4Q dùng cho nguồn PV .................... 72

Hình 2. 30. Tổ hợp nguồn pin Mặt trời ......................................................... 75

Hình 2. 31. Hình vẽ và sơ đồ mạch điện thay thế một PV cell ...................... 76

Hình 2. 32. Đặc tính V-I của một PV cell ..................................................... 76

Hình 2. 33. Ghép nối tiếp PV cell ................................................................. 77

Hình 2. 34. Ghép song song PV cell ............................................................. 77

Hình 2. 35. Một Array pin Mặt trời .............................................................. 77

Hình 2. 36. Mô hình mạch điện nguồn PV Array ......................................... 78

Hình 2. 37. Đặc tính V-I và P-V với điểm MPP ........................................... 78

Hình 2. 38. Đặc tính V-I thay đổi theo mức chiếu xạ .................................... 79

Hình 2. 39. Đặc tính thực tế của PV Array ................................................... 79

Hình 2. 40. Đường đặc tính I-V khi thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ ... 80

Hình 2. 41. Đặc tính P-V khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi ............. 80

Hình 2. 42. Phương pháp tìm điểm làm việc cực đại P&O ........................... 83

Hình 2. 43. Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O ........................................ 84

Hình 3. 1. Sơ đồ máy phát điện xoay chiều 3 pha 87

Hình 3. 2. Mô hình DFIG với Biến tần 4 Q .................................................. 87

Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống nguồn điện pin Mặt trời và máy điện sức gió một

chiều ..................................................................................................... 88

Hình 3. 4 Cấu trúc hệ thống nguồn pin Mặt trời ........................................... 88

Hình 3. 5. Phạm vi hoạt động của DFIG và dòng chảy năng lượng ở chế độ

MP........................................................................................................ 90

Hình 3. 6. Cấu trúc mô phỏng hệ DFIG-4Q .................................................. 92

Hình 3. 7. Tốc độ rotor ................................................................................. 93

Hình 3. 8. Công suất phát ra từ DFIG ........................................................... 94

Hình 3. 9. Điện áp trên Stator (điện áp lưới) ................................................. 95

Hình 3. 10. Dòng điện Stator phát vào lưới .................................................. 95

Hình 3. 11. Điều khiển tần số dòng điện rotor thay đổi khi tốc độ rotor thay

đổi ........................................................................................................ 96

Hình 3. 12. Dòng điện 3 pha giữa lưới và bộ biến đổi B1 ............................. 97

Hình 3. 13. Tách riêng một pha dòng điện giữa lưới và bộ biến đổi B1 ........ 97

Bảng 1. 1. Bảng chuyển mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều

khiển DPC. ........................................................................................... 22

Bảng 2. 1. Tốc độ gió trung bình

Bảng 2. 2. Bảng tổng kết đặc điểm của thuật toán P&O ............................... 85

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

1.1. Giới thiệu chung

Kể từ khi lý thuyết điều khiển/điều chỉnh phát triển và khẳng định thế

mạnh được các thế mạnh của nó một cách vững chắc, thì các bộ biến đổi cũng

đồng thời cũng được phát triển cùng nhịp độ để đáp ứng nhu cầu thực tế. Hơn

nữa kỹ thuật vi điện tử/vi xử lý được phát triển như vũ bão, công nghệ chế tạo

các thiết bị điện tử công suất đạt được trị số ngày càng cao cả về dòng và áp

với giá thành ngày càng hạ. Việc ứng dụng các bộ biến đổi để điều chỉnh

dòng năng lượng theo hai chiều thuận nghịch không những chỉ được ứng

dụng trong truyền động điện mà còn phát triển mạnh mẽ làm phần tử ghép nối

giữa các nguồn điện với lưới, hình 1.1 và hình 1.2. Để làm được điều này bộ

biến đổi tích cực đã khẳng định có nhiều phẩm chất tiến bộ hơn hẳn những bộ

biến đổi truyền thống, thời kỳ đầu. Đối tượng ta đang nói tới, đó là bộ biến

PWMCON. 1

PWMCON. 2

U2 , f2

đổi PWM. [1],[2]

Udc

chÕ ®é ®éng c¬

U1 , f1

chÕ ®é h·m t¸i sinh

CL MC NL U1 , f1

NL MC CL U1 , f1

Hình 1. 1. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng

Công suất của các Bộ biến đổi PWM có thể đạt từ vài trăm W đến hàng

MW được ứng dụng điều khiển cho các động cơ không đồng bộ 3 pha hay

động cơ đồng bộ 3 pha.

Trong truyền động điện, xuất hiện chế độ hãm tái sinh, năng lượng đổi

chiều qua bộ biến đổi trả về lưới, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong

một số hệ truyền động có chế độ đảo chiều thường xuyên như: thang máy nhà

cao tầng, dây chuyền đóng gói tự động, cầu trục... hay các truyền động trong

giao thông vận tải. ở chế độ hãm tái sinh, năng lượng thừa sẽ được phát trả về

lưới, nếu lớn thì điện áp có thể dâng rất cao. Để không gây hỏng thiết bị hay

báo lỗi quá trình thì bộ biến đổi phải luôn kịp thời chuyển năng lượng dư thừa

PWMCON. 1

PWMCON. 2

U2 , f2

U1 , f1

Udc

về lưới một cách hoàn hảo.

U1 , f1

U2 , f2

NL MC CL

Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng Nghiên cứu các quá trình đổi chiều dòng công suất qua bộ biến đổi để có

thể thu hồi năng lượng từ đối tượng điều khiển (động cơ) trả về nguồn ở chế

độ hãm, tương tự như vậy ta có thể đề xuất hướng nghiên cứu quá trình trao

đổi công suất giữa hai nguồn công suất cục bộ và xác định các chiến lược điều

khiển.

Trong hệ thống điện hiện nay, việc phát triển các nhà máy điện công suất

lớn có tính chất truyền thống đang làm cho các nguồn năng lượng sơ cấp ngày

một cạn kiệt và gây nhiều tác hại đến môi trường, môi sinh dưới nhiều hình

thức ảnh hưởng khác nhau. Để khắc phục điều này, nhiều tổ chức quốc tế

đang đang khuyến khích sản xuất năng lượng điện theo công nghệ sạch, quy

mô vừa và nhỏ, không gây tác động làm thay đổi các điều kiện tự nhiên như

các thủy điện nhỏ, phong điện, điện Mặt trời...vv. Như vậy vấn đề huy động

công suất từ các nguồn phát nhỏ, cục bộ cho lưới điện chung là bài toán được

đề cập tới của hướng nghiên cứu.

Điều ta vừa nói tới là bộ biến đổi có thể truyền đạt năng lượng xoay

chiều theo hai hướng được ứng dụng trong hai lĩnh vực khác nhau:

1. Trong lĩnh vực thứ nhất - truyền động điện, quá trình hoàn trả năng

lượng về lưới chỉ xảy ra khi hãm tái sinh, quá trình này là không liên tục, có

chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, có quá trình quá độ, năng lượng trung bình của một

lần hãm không lớn. Tuy nhiên dòng công suất trả về lưới cũng đòi hỏi chất

lượng càng cao càng tốt để nâng cao hiệu quả cho việc thu hồi năng lượng,

hình 1.1.

2. Trong lĩnh vực thứ hai - trao đổi công suất giữa các nguồn cục bộ hay

với lưới, quá trình xảy ra với thời gian kéo dài, liên tục, hình 1.2. Dòng năng

lượng qua bộ biến đổi có công suất có thể rất lớn và phải đạt được các chỉ tiêu

mong muốn đặt trước.

Hệ thống này thể hiện một số ưu điểm như sau:

 Khả năng hãm tái sinh: Như ta đã biết, một động cơ có thể hoạt động

ở cả chế độ động cơ và máy phát. Khi máy điện chuyển sang chế độ hãm tái

sinh, tức là hoạt động như một máy phát, năng lượng thừa sẽ được phát trả về

làm dâng cao điện áp trên tụ điện một chiều. Trong một số trường hợp, năng

lượng này là nhỏ và có thể được tự tiêu tán trong mạch điện một chiều. Trong

quá trình hãm này, nếu không tiêu tán kịp thời, năng lượng này có thể gây quá

áp trong mạch một chiều khiến cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các

tụ điện một chiều. Nhất là với các ứng dụng yêu cầu đảo chiều, tăng tốc và

giảm tốc thường xuyên thì khả năng hãm là rất cần thiết, ví dụ như các thang

máy, các máy điện công suất lớn, các dây chuyền đóng gói,... Thông thường,

khi năng lượng hãm lớn (khoảng 10% năng lượng làm việc định mức của hệ

thống) thì cần phải tính đến các việc bổ sung các mạch hãm cho hệ thống.

Năng lượng hãm này có thể phát trả về lưới hoặc được tiêu tán bằng các

phương pháp khác nhau: điện trở hãm,...

Một trong các biện pháp hiệu quả nhất ứng dụng bộ biến đổi PWM phía

lưới để hệ thống có thể làm việc trong cả 4 góc phần tư và cho phép phát trả

năng lượng về lưới.

 Đặc tính động học tốt hơn: Khả năng hoạt động ở cả 4 góc phần tư

cho phép hệ thống có được đặc tính động học rất tốt so với các hệ thống cũ

trước đây. Khả năng phát trả năng lượng hãm tái sinh về lưới đã cho phép hệ

thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh hơn so với các hệ thống cũ, cho

phép tốc độ thay đổi với gia tốc lớn hơn.

 Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn: Trong hoạt động của

biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc tối thiểu phải bằng

biên độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho động cơ. Điều này đảm

bảo cho biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng mô men đủ nhanh.

Ngoài ra nó còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có

thể.

Bằng việc điều khiển bộ biến đổi PWM phía lưới, ta có thể điều khiển

được điện áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên (Udc>Uo). Lúc

này bộ PWM phía lưới sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp

cho điện áp một chiều (đó là ưu điểm nổi trội của bộ chỉnh lưu tích cực). Khả

năng này khiến cho hệ thống sẽ ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như

các trường hợp sụt giảm của điện áp lưới. Nếu điều khiển tốt điện áp một

chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất

lượng điện áp ra bằng phẳng so với các hệ thống cũ (phương pháp chỉnh lưu

PWM).

 Khả năng điều chỉnh hệ số công suất ở phía lưới: Bộ PWM phía lưới

cho phép ta điêu chỉnh được hệ số công suất phía lưới, như vậy nó có thể hoạt

động như một bộ bù công suất phản kháng. Thông thường, người ta mong

muốn đạt được hệ số công suất xấp xỉ bằng 1. Trong các hệ thống cũ dùng

mạch nắn 6 điốt và một bộ nghịch lưu PWM, người ta cũng có thể đạt được

hệ số công suất bằng 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị

hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng hai bộ

biến đổi PWM.

 Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện phía lưới: Ta đã biết là không

thể có một bộ nghịch lưu nào cung cấp cho ta một dòng điện hoàn toàn hình

sin, vì vậy dòng điện lưới sẽ luôn bị méo dạng nhất định. Dòng điện lưới sẽ

chỉ gần giống hình sin và chứa rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số

của tần số chuyển mạch. Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu điốt còn tạo ra

các sóng hài lẻ bậc thấp. Các sóng hài lẻ bậc thấp này có thể gây ra các hiện

tượng như : làm phát nóng các biến áp, lỗi cho động cơ, hỏng tụ điện... Như

vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao hơn,

các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng hơn so với các sóng hài

bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ.

Nhờ có những ưu điểm nổi bật đã kể trên, biến tần 4Q đã được ứng dụng

rất phổ biến cho những hệ truyền động điện hiện đại. Đặc biệt những năm gần

đây biến tần 4Q là đang trở thành đề tài nghiên cứu ứng dụng cho phân phối

công suất giữa các nguồn điện cục bộ.

1.2. Biến tần 4 góc phần tư

Để thực hiện quá trình điều tiết năng lượng giữa lưới và phụ tải ta có thể

sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Ví dụ, khi sử dụng 2 bộ PWM tựa

lưng vào nhau thì việc điều chỉnh dòng công suất có thể được thực hiện bằng

cách thay đổi tần số hoặc thay đổi điện áp. Tuỳ thuộc vào quá trình điều chỉnh

cũng như vai trò cụ thể của các bộ PWM ở sự biến đổi năng lượng đó mà ta

có các phương pháp điều khiển khác nhau .

Quá trình năng lượng có thể được mô tả khi tải là động cơ như hình 1.3

+ M

- M

Bộ PWM phía lưới LV ở chế độ nghịch lưu

Bộ PWM phía lưới LV ở chế độ chỉnh lưu

Máy điện LV ở chế độ máy phát

Máy điện LV ở chế độ động cơ

+ n

Bộ PWM phía động cơ LV ở chế độ chỉnh lưu

Bộ PWM phía động cơ LV ở chế độ nghịch lưu

Góc II

Góc I

Góc IV

Góc III

- M

+ M

Bộ PWM phía lưới LV ở chế độ chỉnh lưu

Bộ PWM phía lưới LV ở chế độ nghịch lưu

Máy điện LV ở chế độ máy phát

Máy điện LV ở chế độ động cơ

- n

Bộ PWM phía động cơ LV ở chế độ nghịch lưu

Bộ PWM phía động cơ LV ở chế độ chỉnh lưu

Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư

1.2.1. Chỉnh lưu PWM

1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM:

Cấu trúc cơ bản chỉnh lưu PWM được mô tả trên hình 1.4

UA IA

C

Tải

Hình 1. 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM

UC IC

Cấu trúc phổ biến này có các ưu điểm là sử dụng các module ba pha số

lượng van nhỏ nên có thể giảm giá thành, năng lượng có khả năng chảy hai

chiều.

Cấu trúc này có triển vọng nên đang được phát triển. Trong hệ thống

phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi AC/DC/AC, năng lượng xoay

chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM.

Nó cho hệ số công suất bằng cos =1 và dòng điện chứa ít thành phần sóng

hài bậc cao. Các bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại

cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động

cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều

sang một chiều, hoạt động đa truyền động, v.v....

Hơn nữa, biến đổi AC/DC/AC mang lại một số điểm sau:

- Động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn mà không cần giảm từ

trường (bởi sự duy trì điện áp đường truyền một chiều trên điện áp

đỉnh của nguồn cấp).

- Về lý thuyết, giảm được 1/3 điện áp so sánh với cấu hình quy ước do

điều khiển đồng thời chỉnh lưu và nghịch lưu.

- Phản ứng của bộ điều khiển điện áp có thể được cải tiến bởi tín hiệu

đưa đến từ tải dẫn đến giảm đến mức tối thiểu điện dung 1 chiều,

trong khi việc duy trì được điện áp một chiều dưới giới hạn cho phép

thay đổi tải.

C

M

Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều.

1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM:

Trên sơ đồ hình 1.4, bộ chỉnh lưu PWM được cấu tạo là một cầu chỉnh

lưu 3 pha chuyển mạch hoàn toàn dùng các thiết bị bán dẫn công suất như

IGBT hay GTO,... các diode mắc song song ngược với van chuyển mạch, tụ

một chiều C, đầu vào chỉnh lưu (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có

lắp thêm cuộn cảm L. Giá trị cuộn cảm L được tính chọn thích hợp kết hợp

với tụ C và phương thức điều chế PWM đóng ngắt các van để dâng cao thế

năng phần một chiều lớn hơn thế năng phần xoay chiều, nhờ đó có được điện

áp một chiều lớn hơn so với chỉnh lưu tự nhiên.

Để có chế độ làm việc bốn góc phần tư đảm bảo công suất trao đổi hai

chiều giữa lưới và tải, vì dấu của điện áp một chiều là cố định nên dòng điện

chỉnh lưu Id phải thay đổi được dấu. Ta gọi Id có dấu (+) khi nó có chiều

hướng về tải và ngược lại có dấu (-) khi chiều của nó hướng về lưới, khi đó

công suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về

lưới Pd = Ud.Id < 0.

Để thực hiện được nguyên lý làm việc như trên, bộ chỉnh lưu cần có điều

kiện:

- Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.

- Do khóa đóng cắt hai chiều IGBT và diode ngược kết hợp mạch vòng

dao động L-C tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0.

Nguyên lý làm việc chỉnh lưu PWM được giới thiệu dựa trên sơ đồ thay

thế một pha và đồ thị véc tơ như trên hình 1.6.a,b,c,d





R.iL UL L.iL L

US iL iL jL.iL UL US R.iL

a) b)

R.iL

iL UL US

>0 jL.iL j jL.iL US iL <0

R.iL UL

Hình 1. 6. Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM

c) d)

Hình 1.5.a: là sơ đồ thay thế, trong đó UL là điện áp một pha nguồn xoay

chiều, Us là điện áp tải (mạch một chiều) được quy đổi về nguồn xoay chiều

(điểm a).

Hình 1.6.b: là giản đồ véc tơ tổng quát

Hình 1.6c: khi điều khiển chỉnh lưu PWM để véc tơ dòng điện trùng

với véc tơ điện áp lưới thì cos = 1 và công suất Pd > 0;

Hình 1.6d: khi véc tơ dòng điện ngược với véctơ thì cos = -1 và

công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh).

Như vậy, sử dụng chỉnh lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép

thực hiện trao đổi công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có

thể điều chỉnh được giá trị hệ số công suất cos theo mong muốn cho từng

ứng dụng thực tế.

Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động:

 Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu PWM: Vdcmin>VCL tự nhiên

(thường ít nhất là 20%).

 Có cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới.

 Điều khiển chỉnh lưu theo luật điều khiển PWM

Quá trình làm việc của chỉnh lưu PWM yêu cầu một giá trị điện áp một

chiều nhỏ nhất. Thông thường, có thể xác định bằng điện áp dây lớn nhất:

* (1.1) Vdcmin>VLN(rms)* = 2,45* VLN(rms)

Ta có biểu thức điện áp

(1.2) udc>

Biểu thức trên chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp nguồn và điện áp một

chiều đầu ra, dòng điện (tải) và cảm kháng.

Cuộn cảm phải được lựa chọn phù hợp, bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho

dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở

kháng đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện,

nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi

trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều

chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới

hạn bởi điện áp 1 chiều. Kết quả là, dòng điện lớn(công suất lớn) qua cảm

kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Vì vậy, sau khi

biến đổi phương trình (1.1) độ tự cảm lớn nhất xác định:

L< . (1.3)

1.2.2. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM

Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưu

PWM có thể điều khiển được cả biên độ và pha để thu được dòng điện lưới

hình sin với hệ số công suất bằng 1.

Điện áp bộ biến đổi cầu có thể được đặc trưng bởi 8 trạng thái chuyển

mạch, hình 1.7. Trong đó: 6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0 được mô tả

bởi phương trình:

Hình 1. 7. Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM.

Với k =0.....5 (1.4)

1.3. Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM [7]

Qua những nghiên cứu về bộ chỉnh lưu PWM, ta có thể thấy nó khắc

phục được các nhược điểm của những bộ chỉnh lưu cũ:

- Có thể trả năng lượng về lưới.

- Giảm sóng điều hoà bậc cao.

- Tăng hệ số công suất cos φ.

Hiện tại, có nhiều cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu PWM, chúng được

phân loại dựa trên hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển

dựa trên từ thông ảo.

- Điều khiển dựa trên điện áp là ước lượng điện áp lưới và sẽ được

điều khiển bằng dòng điện hay công suất. Điện áp lưới nếu điều

khiển bằng dòng điện thì gọi là phương pháp VOC (Voltage Oriented

Control), theo công suất là phương pháp DPC (Direct Power

Control). Trước hết cần ước lượng điện áp lưới bằng cách cộng điện

áp đặt đầu vào bộ chỉnh lưu với điện áp rơi trên cuộn cảm. Sau đó,

dựa trên điện áp lưới đã ước lượng được sẽ tiến hành điều khiển bằng

dòng điện (VOC) hay theo công suất (DPC).

+ Cấu trúc điều khiển VOC (Voltage Oriented Control) sử dụng

mạch vòng điều khiển dòng điện là cấu trúc đã được phát triển và

rất phổ biến. Cấu trúc này dựa trên việc chuyển đổi giữa hệ trục

toạ độ cố định α – β và hệ trục toạ độ quay động bộ d – q.

Phương pháp này đẳm bảo đáp ứng tức thời nhanh và hiệu suất

tĩnh cao thông qua các mạch vòng điều khiển dòng điện bên

trong.

+ Cấu trúc điều khiển DPC (Direct Power Control) dựa trên các

mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản

kháng tức thời. Trong cấu trúc DPC, không có mạch vòng điều

khiển dòng điện và không có khối điều chế PWM vì các trạng

thái chuyển mạch của bộ biến đổi được chọn bởi bảng chuyển

mạch dựa trên sự sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị điều

khiển của công suất tác dụng và công suất phản kháng. Do đó,

một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trúc DPC là phải ước

lượng nhanh và chính xác công suất tác dụng và công suất phản

kháng.

- Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phương pháp điều khiển mà ta

phải ước lượng từ thông ảo của lưới bằng việc áp dụng phương pháp

điều khiển từ thông stator của động cơ không đồng bộ cho lưới điện.

Sau đó, ta tiến hành điều khiển bằng mạch vòng dòng điện (VFOC)

hay điều khiển theo công suất (VF-DPC).

VFOC tương tự như VOC, còn VF-DPC cũng tương tự như DPC.

Chúng chỉ khác nhau ở chỗ điều khiển dựa trên điện áp hay dựa trên từ thông

ảo.

Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM có thể được mô tả như

Hình 1. 8. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM.

giẩn đồ trên hình 1.8:

1.4. Mô tả toán học và điều khiển chỉnh lưu PWM

Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lưu PWM thể hiện trên hình

Hình 1. 9. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM.

1.9

1.4.1. Mô tả dòng điện và điện áp nguồn

Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha:

(1.5a)

(1.5b)

(1.5c)

(1.6a)

(1.6b)

(1.6c)

Trong đó: Em(Im) và  là biên độ điện áp(dòng điện) pha và tần số góc

tương ứng, với giả thiết:

(1.7) ia+ib+ic=0

Hay có thể viết trong hệ α-β. Khi đó điện áp đầu vào trong hệ toạ độ α-β

được biểu diễn bởi:

(1.8a)

(1.8b)

Và điện áp đầu vào trong hệ toạ độ quay d-q được biểu diễn:

(1.9)

1.4.2. Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM

Từ các trạng thái van trên hình 1.7, điện áp dây đầu vào chỉnh lưu

PWM có thể mô tả như sau:

(1.10a)

(1.10b)

(1.10c)

và điện áp pha được tính như sau:

(1.11a)

(1.11b)

(1.11c)

Trong đó:

(1.12a)

(1.12b)

(1.12c)

fa, fb, fc nhận các giá trị : 0; 1/3; 2/3

1.4.3. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên abc

Từ hình 1.6b, phương trình điện áp được viết như sau:

(1.13)

(1.14)

(1.15)

Ngoài ra dòng điện:

(1.16)

Cuối cùng, thu được sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ 3 pha

như hình sau:

Hình 1. 10. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên

1.4.4. Mô toán học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β

Phương trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh α-β tìm được bằng cách

áp dụng phương trình:

(1.17)

Vào các phương trình (1.15), (1.16)

(1.18)

và

(1.19)

Trong đó: (1.20)

Từ đây có được mô hình cấu trúc chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tĩnh

Hình 1. 11. Mô hình bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β

α-β như trên hình 1.11

1.4.5. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q

Các phương trình trong hệ toạ độ d-q có được bằng cách biến đổi

phương trình:

(1.21)

Ta được

(1.21a)

(1.21b)

(1.22)

Với:

Từ đố mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ d-q được mô tả như

Hình 1. 12. Mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q.

trên hình 1.12

Trong thực tế, có thể bỏ qua điện trở R, bởi vì điện áp rơi trên R nhỏ

hơn nhiều so với điện áp rơi trên cuộn dây. Các phương trình (1.17), (1.18),

(1.21) có thể viết đơn giản:

(1.23)

(1.24)

(1.25)

(1.26)

(1.27)

Công suất tác dụng và công suất phản kháng từ nguồn xác định bởi:

(1.28)

(1.29)

Trong hệ toạ độ d-q:

(1.30)

(1.31)

Nếu giả sử hệ số công suất bằng 1 ta có:

chiều phụ thuộc vào hướng iL

Hình 1.13. Đồ thị véctơ mô tả dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai

Hình 1. 14. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC.

1.4.6. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC

Công suất phản kháng qref (được đặt là 0 cho trường hợp hệ số công

suất bằng 1) và công suất tác dụng pref (lấy từ bộ điều khiển điện áp PI-DC)

được so sánh lần lượt với giá trị ước lượng p và q trong bộ điều khiển công

suất tác dụng và công suất phản kháng và công suất tác dụng trễ của bộ điều

khiển.

Tín hiệu số hoá đầu ra của bộ điều khiển được định nghĩa là:

dq=1 với q

dq=0 với q>qref +Hq

và tương tự công suất tác dụng:

dp=1 với q

dp=0 với q>qref +Hp

Trong đó Hp và Hq là những dải trễ

Các biến số hoá dp và dq với vị trí vector hiệu điện thế Ul= arctg

(UL/UL) hoặc vị trí vector từ thông l=arctg (L/  L) hình thành 1 từ kỹ

thuật số có thể tra được trong bảng tương ứng với vector hiệu điện thế trong

bảng chuyển mạch.

Vùng vị trí của vector hiệu điện thế và từ thông được chia thành 12

sector, hình 1.15 và các sector được biểu diễn dưới dạng số như sau:

Hình 1. 15. Biểu diễn các sector cho phương pháp điều khiển DPC

với n=1,2....12

Sau khi đã xác định được vị trí từ thông ảo thuộc sector nào, ta sẽ lựa

chọn trạng thái đóng cắt tối ưu cho các van của mạch cầu chỉnh lưu nhờ vào

Bảng 1. 1. Bảng chuyển mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển DPC.

dp dq Sector

Sector

101

100

110

010

011

001

110

111

010

000

011

111

001

000

101

111

100

000

101

100

110

010

011

001

101

100

110

010

011

001

101

100

bảng chuyển mạch (Switshing Table):

Ước lượng từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -:

Dựa vào điện áp một chiều đo được Udc và các trạng thái chuyển mạch

của bộ biến đổi Sa, Sb, Sc điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu có thể ước lượng

như sau:

(1.32a)

(1.32b)

Các thành phần của từ thông ảo được tính toán trong hệ toạ độ cố

định (α - β):

(1.33 a)

(1.33b)

Ước lượng công suất tức thời dựa vào từ thông ảo:

(1.34a)

Hình 1. 16. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào

(1.34b)

Ước lượng từ thông ảo Công thức 1.33 a, b

Ước lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời Công thức 1.34 a, b

Hình 1. 17. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo

Hình 1. 18. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC.

1.4.7. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC

Đặc điểm của phương pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín

hiệu trong hai hệ trục toạ độ là hệ trục toạ độ tĩnh - và hệ trục toạ độ quay

d-q. Các giá trị đo được trong hệ trục toạ độ tự nhiên đầu tiên được biến đổi

sang hệ trục toạ độ tĩnh - sau đó được biến đổi sang hệ trục toạ độ quay d-q

như trên sơ đồ khối.

Công thức biến đổi từ hệ toạ độ - sang hệ toạ độ d-q là

(1.35)

Trong cả hai hệ trục toạ độ véc tơ điện áp UL được xác định như sau

(1.36)

Trong hệ toạ độ quay d-q dòng điện lưới iL được chia làm hai thành

phần là iLd (thành phần dọc trục) và iLq (thành phần ngang trục) trong đó iLd

xác định hướng dòng của công suất tác dụng và iLq xác định công suất phản

kháng. Nhờ đó mà công suất tác dụng cũng như phản kháng có thể điều khiển

một cách độc lập. Hệ số công suất bằng một khi véc tơ dòng điện lưới iL trùng

pha với véc tơ điện áp lưới uL. Đặt trục d của hệ trục toạ độ quay trùng với

trục 

trục q

trục d (quay)

trục  (cố định)

Hình 1. 19. Sơ đồ véc tơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ chỉnh

lưu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q

véc tơ điện áp lưới thì có thể có được mô hình động lực học đơn giản.

Công thức tính điện áp lưới trong hệ trục d-q như sau:

(1.37)

(1.38)

Theo hình 1.19 thì dòng điện ngang trục iLq được đặt bằng 0 để có được

hệ số công suất bằng 1 và dòng điện dọc trục iLd được đặt bởi bộ điều khiển

điện áp một chiều và điều khiển dòng công suất tác dụng giữa người cấp và

điện áp một chiều trung gian. Giả sử điện trở đầu vào coi như vô cùng bé so

với điện cảm đầu vào thì công thức có thể tối giản thành:

(1.39)

(1.40)

Nếu dòng điện ngang trục iLq đạt được giá trị 0 thì công thức sau đúng:

(1.41)

(1.42)

Bộ điều khiển dòng điện có thể sử dụng bộ PI, tuy nhiên bộ điều khiển

PI không đáp ứng được đặc tính động đặc biệt là khi sử dụng công thức (1.39)

và (1.40) vì vậy để đáp ứng được đặc tính động học của dòng điện thì cần tách

riêng từng dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu ra để điều khiển.

(1.43)

(1.44)

Trong đó  là tín hiệu ra của bộ điều khiển dòng điện

(1.45)

(1.46)

Tín hiệu đầu ra bộ PI sau khi được biến đổi từ dq sang  được sử

Bộ điều khiển dòng điện PI

Bộ điều khiển điện áp PI

Bộ điều khiển dòng điện PI

dụng làm tín hiệu đóng cắt cấp cho bộ điều chế véc tơ không gian

1.3. Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 đã giới thiệu tổng quan về biến tần bốn góc phần tư,

Từ mô hình mạch lực với phần tử chính là 2 bộ biến đổi PWM tựa lưng với

nhau thông qua khối một chiều trung gian có khả năng điều khiển dòng công

suất qua lại theo hai chiều AC/DC/AC thuận nghịch. Các mô tả toán học làm

cơ sở cho thiết kế hệ điều khiển theo các phương pháp khác nhau.

Từ đây, cho ta sự lựa chọn biến tần 4 Q áp dụng cho mô hình nguồn điện

sử dụng năng lượng tái tạo như Máy điện sức gió, hay pin Mặt trời...Với mỗi

dạng nguồn ta có một phương thức kết nối và điều khiển riêng.

Chương 2

NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

2.1. Tổng quan về năng lượng và tái tạo

Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ

những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên

tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng

từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong

các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình

này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa:

hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như

năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong

thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong

năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các

quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.

Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu

và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng

lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các

công nghệ sử dụng NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng

Mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn

đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới.

Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới

trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm

dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành

tựu đáng kể. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt

khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải…

nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc

khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn.

Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại

hiệu quả to lớn. Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là

mô hình tất yếu của một tương lai gần.

Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế

giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự

nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa

vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió,

năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật

phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt,

khí Mêtan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học. Tuy nhiên, ở Việt

Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến

các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa

nhiệt và năng thủy triều sóng biển...Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn

chỉ đề cấp tới hai dạng năng lượng tái tạo, đó là năng lượng gió và năng lượng

Mặt trời được ứng dụng dưới dạng máy phát điện sức gió và pin Mặt trời.

2.2. Máy phát điện sức gió [6]

2.2.1. Lịch sử phát triển của năng lượng gió

Năng lượng gió được khai thác từ hàng nghìn năm nay trong nhiều lĩnh

vực như lái tàu thủy, nghiền hạt, bơm nước và chạy máy móc. Turbine gió

đầu tiên trên thế giới được sử dụng để phát ra điện năng là do Dane, Poul La

Cour sáng tạo nên vào năm 1891. Nó được quan tâm đặc biệt bởi vì La Cour

đã sử dụng điện năng phát ra bởi những turbine của mình để điện phân nước,

tạo ra Hidro cho khí ga chiếu sáng trong trường học ở địa phương. Có thể nói

rằng, phát minh của La Cour đã đi trước hàng trăm năm so với tầm nhìn ở thế

kỷ hai mươi về năng lượng mặt trời và năng lượng gió trong việc tạo ra Hidro

bằng cách điện phân để phát điện ở pin nhiên liệu.

Tại Mỹ, hệ thống điện gió đầu tiên được xây dựng vào cuối những năm

1890, sau đó vào những năm 1930 và 1940, hàng trăm nghìn turbine nhỏ đã

được sử dụng ở các vùng nông thôn nơi mà điện lưới chưa đến được. Vào

năm 1946, một hệ thống điện gió lớn nhất đã được xây dựng và đi vào vận

hành tại Grandpa’s Knob, Vermont được thiết kế để tạo ra 1250kW từ 1

turbine có đường kính 175feet, 2 cánh trụ, chịu được sức gió 115 dặm mỗi giờ

trước khi nó gặp trục trặc lớn vào năm 1945 chỉ với tốc độ gió 25mph (1 trong

các cánh 8 tấn bị vỡ và bay đi 750 feet.

Kết quả là niềm tin vào các hệ thống năng lượng gió giảm sút trong khi

điện lưới mở rộng và trở nên tin cậy hơn nhiều và giá thành điện năng cũng

thấp hơn. Những bất ngờ về dầu mỏ vào những năm 1970 với việc giá năng

lượng tăng cao đã dẫn đến các hệ thống năng lượng thay đổi, kích thích

những mối quan tâm về năng lượng tái tạo từ gió. Trong khoảng 1 thập kỷ sau

đó, rất nhiều các nhà sản xuất đã lắp đặt hàng nghìn các turbine gió mới (hầu

hết là ở California). Trong khi nhiều máy hoạt động kém hơn dự tính, các

chính sách thuế và các hỗ trợ khác để rút ngắn thời gian đã yêu cầu phải sử

dụng các công nghệ tốt nhất. Năng lượng gió bùng nổ ở California khá ngắn

ngủi và khi chính sách thuế kết thúc vào giữa những năm 1980, việc lắp đặt

các máy móc mới ở Mỹ đã dừng lại gần như hoàn toàn trong 1 thập kỷ. Sự

suy giảm đột ngột của thị trường đã phá hủy diện rộng nền công nghiệp này

cho đến những năm đầu 1990.

Phát triển công nghệ turbine gió được tiếp đặc biệt ở Đan mạch, Đức,

Tây ban nha và những quốc gia này đã sẵn sàng khi việc kinh doanh bùng nổ

vào giữa những năm 1990. Như trên hình 2.1, dung lượng đã lắp đặt toàn cầu

của turbine gió đã tăng hơn 25% mỗi năm.

Hình 2. 1. Biểu đồ phát triển điện gió đã lắp đặt tăng 25% mỗi năm

Trên hình 2.2 thể hiện dung lượng gió đã lắp đăt trên thế giới. Như năm

2003, dẫn đầu thế giới là Đức và sau đó là Tây Ban nha, Mỹ, Đan Mạch, Ấn

Độ. Ở Mỹ, California tiếp tục lắp đặt mới như hình 2.3, Texas tiếp cận nhanh

để lấp khoảng trống. Một số lượng lớn turbine đã được lắp đặt dọc theo sông

Gorge Columbia ở Pacific Northwest và các Bang Greet Plains đã tạo ra sự

phát triển tốt trên thực tế.

Hình 2. 2. Tổng dung lượng đã lắp đặt ở các quốc gia năm 2002

Hình 2. 3. Tổng dung lượng gió đã lắp đặt ở Mỹ năm 1999 và 2002

2.2.2. Các loại turbine gió

Hầu hết các turbine gió đầu tiên được sử dụng để nghiền bột và được

đặt tên là “máy chong chóng”. Nói chặt chẽ, gọi một máy bơm nước hoặc

phát điện chong chóng là nhầm lẫn. Thay vì, mọi người đang sử dụng chính

xác hơn, nhưng vụng về hơn như “Wind-driven generator”, “wind generator”,

“wind turbine”, “wind-turbine generator” (WTG), và “wind energy

conversion system” (WECS). Với mục đích của chúng ta, “wind turbine” là

đủ mặc dù còn phải sử dụng các thành phần khác nữa như tháp, bộ phát,… và

những thành phần này không phải là 1 phần của turbine.

Một cách để phân loại turbine gió là theo trục mà cánh turbine quay.

Hầu hết là theo trục ngang (HAWT) nhưng cũng có một số cánh quay quanh

trục đứng (VAWT). Hình 2.4 cho thấy một số ví dụ của hai loại này.

Hình 2. 4. Một số Turbine gió điển hình

(a),(b) hoặc máy điện xuôi gió

Chỉ máy điện trục đứng rotor Darrieus là có thành công về thương mại

và được đặt tên theo nhà phát minh người Pháp - kỹ sư G.M. Darrieus phát

triển các turbine những năm 1920. Hình dạng của các cánh tạo nên bởi việc

giữ một sợi dây cáp ở cả hai đầu và quay nó quanh 1 trục đứng. Sự phát triển

của các turbine này, bao gồm 500kW, đường kính máy 34m, được thực hiện

trong những năm 1980 bởi các phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Mỹ. Một

công ty Mỹ, FloWind, sản xuất và lắp đặt một số turbine gió này trước khi

thương mại hóa vào năm 1997.

Ưu điểm thứ nhất của máy điện trục dọc như rotor Darrieus là chúng

không cần bất kỳ loại điều khiển lắc ngang nào để giữ chúng đúng với hướng

gió. Ưu điểm thứ hai là phần nặng nhất của máy (chứa thân máy bao bọc phát

điện, hộp số và các phần tử cơ khí khác) có thể được trên nền đất để cso thể

dễ dàng sửa chữa. Khi phần tử nặng nhất không được đặt trên đỉnh tháp, bản

thân tháp không cần thiết phải có cấu trúc khỏe như HAWT. Tháp có thể nhẹ

hơn nữa khi các dây cáp néo được sử dụng (tốt cho các tháp đặt trên nền đất

nhưng không tốt cho việc lắp đặt ngoài biển). Các cánh của rotor Darrieus,

khi chúng quay tròn, hầu như luôn luôn ở trạng thái kéo hoàn toàn, điều này

có nghĩa là chúng có thể có trọng lượng nhẹ và rẻ hơn bởi vì chúng không

phải giữ sự linh động với các cánh trên trục ngang của máy.

Có một số nhược điểm của turbine trục đứng, đầu tiên là các cánh của

chúng khá gần mặt đất nên tốc độ gió thấp hơn. Công suất gió tăng lên theo

vận tốc khối vì vậy có thể xem xét nên để các cánh cao hơn tương ứng với tốc

độ gió cao hơn. Gió gần mặt đất không chỉ chậm hơn mà còn hỗn loạn hơn có

thể làm tăng nhiễu với các turbine VAWT. Cuối cùng, tốc độ gió chậm thì các

rotor Darrieus có ít lực xoắn; ở tốc độ gió cao hơn, khi công suất đầu ra phải

được điều khiển để bảo vệ máy phát, chúng không thể được chế tạo để vượt

quá mức gió dễ dàng như các cánh điều khiển ăn khớp trên HAWT.

Trong khi hầu hết các turbine gió là dạng trục ngang, vẫn có một số

tranh luận xem turbine gió đặt cao hay thấp là tốt hơn. Đặt thấp có ưu điểm là

tự gió sẽ điều khiển lắc ngang (hướng trái-phải) vì vậy nó tự định hướng theo

tự nhiên một cách chính xác theo hướng gió. Chúng có chút vấn đề về các

hiệu ứng màn che của tháp. Mỗi khi một cánh quay phía sau tháp, nó gặp phải

vấn đề suy giảm sức gió có thể làm cho cánh uốn cong. Sự uốn cong này

không chỉ có thể dẫn tới hỏng cánh vì liên quan đến sức bền vật liệu, và cũng

làm tăng độ ồn cánh và giảm công suất đầu ra.

Việc đặt turbine cao hơn, mặt khác yêu cầu hệ thống điều khiển lắc

ngang phức tạp để giữ các cánh đối diện với hướng gió. Turbine đặt cao hơn

hoạt động êm hơn và nhận được nhiều công suất hơn. Hầu hết các turbine gió

hiện đại đều là loại đặt cao.

Yếu tố thiết kế nền tảng được lựa chọn cho turbine gió có liên quan đến

số lượng các cánh quay. Có thể hầu hết họ turbine với đa số mọi người là

nhiều cánh như máy bơm nước chong chóng như vẫn thường nhìn thấy ở trên

các cánh đồng. Các máy này khá khác nhau từ thiết kế đế phát điện. Với máy

bơm nước, máy chong chóng phải cung cấp lực xoắn khởi đầu lớn để khắc

phục trọng lượng và lực ma sát của cần bơm để di chuyển lên hoặc xuống.

Chúng cũng phải hoạt động ở tốc độ gió thấp để đủ cung cấp cho máy bơm

nước liên tục trong năm. Thiết kế nhiều cánh sẽ làm cho diện tích tiếp xúc với

gió nhằm thu được cả lực xoắn lớn và tốc độ thấp.

Turbine gió với nhiều cánh hoạt động với tốc độ quay chậm hơn nhiều

so với loại ít cánh. Khi rpm của turbine tăng lên, luồng xoáy được tạo nên bởi

một cánh ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh mà nó cuốn theo. Khi số cánh ít

hơn, turbine có thể quay nhanh hơn trước khi nhiễu này trở nên quá nhiều. Và

trục quay nhanh hơn có nghĩa là máy phát có thể có kích thước nhỏ hơn.

Hầu hết các turbine gió châu Âu hiện đại có 3 cánh rotor trong khi các

turbine của Mỹ lại hướng tới chỉ có 2 cánh. Turbine 3 cánh vận hành êm ái

hơn bởi vì xung động của nhiễu tháp và sự biến thiên của tốc độ gió tăng dần

theo độ cao được truyền từ rotor tới trụ chuyển động. Chúng cũng yên tĩnh

hơn. Cánh thứ 3 cũng làm tăng chi phí và trọng lượng của turbine. Rotor 3

cánh cũng khó nâng lên cao để ghép với thân trong quá trình xây dựng hoặc

thay thế cánh.

2.2.3. Tính toán công suất của gió

Xét 1 khối gió với trọng lượng m chuyển động với tốc độ v. Năng

lượng động học K.E được cho bởi mối quan hệ sau:

(2.1)

Khi công suất là năng lượng tính trong mỗi đơn vị thời gian, công suất

được biểu diễn theo khối lượng không khí với vận tốc v qua diện tích A được

tính như sau: năng lượng năng lượng Công suất chạy qua diện tích A = thời gian

( )v2

khối lượng

thời gian , chạy qua diện tích A, là Khối lượng dòng lưu thông định mức là

hàm phụ thuộc mật độ không khí , tốc độ v và diện tích mặt cắt A:

(2.2) = Khối lượng qua A Thời gian

Kết hợp hai công thức trên ta có:

= (2.3)

Trong hệ đơn vị S.I:

- P là công suất gió (watt), -  là mật độ không khí (kg/m3 ở 150C và 1 atm, =1,225 kg/m3), - A là diện tích mặt cắt mà gió chạy qua (m2),

- v là tốc độ gió chuyển qua A (m/s) (1 m/s = 2,237 mph).

Đồ thị của P và bảng các giá trị được cho trên hình 2.5. Chú ý rằng công suất được tính trên mỗi m2 mặt cắt, một số lượng mà được gọi là công

suất đặc biệt hay mật độ công suất.

Hình 2. 5. Công suất gió trên mỗi m2 diện tích mặt cắt ở 150 và 1 atm

Chú ý rằng công suất gió tăng theo mũ 3 của tốc độ gió. Điều này có

nghĩa là khi tốc độ gió tăng gấp đôi thì công suất tăng gấp 8 lần. Nhìn từ khía

cạnh khác thì năng lượng tính trong 1 giờ tại 20mph gió sẽ tương đương với

tính trong 8h tại 10mph và cũng tương đương với tính trong 64 giờ (hơn 2,5

ngày) ở 5mph gió. Chúng ta sẽ thấy rằng hầu hết các turbine không hoạt động

ở tốc độ gió thấp và (2.3) nhắc ta rằng tổn thất năng lượng có thể bỏ qua

được.

Phương trình (2.3) cũng chỉ ra rằng công suất gió tỉ lệ với diện tích quét

của rotor turbine. Với turbine trục ngang, diện tích A=(/4)D2, vì vậy công

suất gió tỉ lệ với bình phương đường kính cánh. Đường kính tăng gấp đôi thì

công suất tăng gấp 4. Chi phí của turbine tăng theo tỉ lệ đường kính trong khi

công suất tỉ lệ với bình phương đường kính, vì vậy máy càng lớn càng có hiệu

hơn về chi phí.

Diện tích quyét của trục dọc rotor Darrieus phức tạp hơn một chút.

Tính xấp xỉ khoảng 2/3 diện tích của một hình chữ nhật với bề rộng bằng

chiều rộng rotor lớn nhất và chiều dài tính theo chiều dọc tới các cánh như

hình 2.6

Hình 2. 6. Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus

Mối quan hệ phi tuyến đã biết giữa công suất và gió, chúng ta không

thể chỉ sử dụng tốc độ gió trung bình trong phương trình (2.3) để dự đoán

tổng năng lượng gió hữu ích như ví dụ minh họa dưới đây.

Ví dụ 2.1. Không sử dụng tốc độ gió trung bình so sánh năng lượng tại

150C, áp suất 1 atm chứa trong 1m2 trong các trường hợp sau:

a. 100 giờ tại tốc độ gió 6m/s (13,4mph)

b. 50 giờ tại 3m/s kết hợp 50 giờ tại 9m/s (trung bình tốc độ gió là 6m/s)

Giải:

a. Với tốc độ gió ổn định 6m/s, chúng ta có năng lượng xác định từ (6.4) như

Năng lượng (6 m/s) =

(2.4)

b. với 50 giờ tại 9m/s chứa:

Năng lượng (3 m/s) = (2.5)

và 50 giờ tại 9m/s chứa

Năng lượng (9 m/s) = (2.6)

Tổng là: 827 + 22,326 =23,152 Wh

Ví dụ 2.1 phản ánh sự không chính xác của việc sử dụng tốc độ gió

trung bình trong phương trình (2.3). Trong khi cả hai tốc độ gió này đều là tốc

độ gió trung bình giống nhau, kết hợp của 9m/s và 3m/s (trung bình 6m/s) tạo

nên nhiều năng lượng hơn tốc độ gió trung bình 6m/s khoảng 75%.

2.2.4. Máy phát điện turbine gió

Chức năng của các cánh là để chuyển động năng của gió thành công

suất quay trên trục để quay máy phát và tạo ra điện năng. Máy phát bao gồm 1

rotor quay quanh 1 stator. Điện năng được tạo ra khi dây dẫn có điện trường

đi qua, cắt ngang qua dây dẫn và phát điện dòng áp. Với công suất nhỏ, các

turbine nạp ắc quy sử dụng máy phát dc, các máy phát kết nối lưới sử dụng

máy phát ac.

2.2.4.1. Các máy phát đồng bộ

Các máy phát đồng bộ được quay ở tốc độ cho trước được xác định bởi

1 số cực và tần số theo yêu cầu. Điện trường của chúng được tạo ra trên rotor.

Trong khi các máy phát đồng bộ cỡ nhỏ có thể tạo nên điện trường cần thiết

với rotor nam châm vĩnh cửu, hầu hết các turbine gió sử dụng các máy phát

phát đồng bộ tạo nên điện trường bằng cách chạy trực tiếp dòng điện qua

cuộn dây quấn quanh lõi rotor.

Thực tế rằng rotor máy phát đồng bộ cần dòng điện 1 chiều cho từ

trường liên hệ giữa các phần. Đầu tiên, dc phải được cung cấp từ mạch chỉnh

lưu, được xem như phần kích từ, cần thiết để chuyển ac từ lưới điện thành dc

cho rotor. Thứ hai, dòng điện dc này cần để tạo nên sự quay rotor thông qua

chổi chan. Phải duy trì việc thay thế chổi than và vệ sinh cổ góp cho các máy

phát đồng bộ. Hình 2.7 cho thấy một hệ thống cơ bản cho 1 turbine gió với 1

máy phát đồng bộ, chú ý rằng máy phát và các cánh được kết nối với nhau

thông qua 1 hộp số để điều chỉnh tốc độ khi cần thiết. Dòng điện một chiều

vào bộ kích từ.

cho cuộn dây rotor, các cổ góp và chổi than để truyền dòng điện từ rotor

Hình 2. 7. Máy phát đồng bộ 3 pha

2.2.4.2. Máy phát không đồng bộ cảm ứng

Hầu hết các turbine gió trên thế giới sử dụng các máy phát cảm ứng

nhiều hơn các máy đồng bộ. Ngược với 1 máy phát đồng bộ (hoặc motor), các

máy phát cảm ứng không quay ở 1 tốc độ cố định, vì vậy chúng thường được

mô tả như các máy phát không đồng bộ. Trong khi các máy phát cảm ứng

không phổ biến trong hệ thống điện, motor cảm ứng đa số là motor tròn –

chiếm đến gần như 1/3 tất cả điện năng toàn thế giới. Thực tế, 1 máy điện

cảm ứng có thể hoạt động như 1 motor hoặc máy phát, phụ thuộc vào việc lắp

đặt để phát điện hay tiêu thụ điện. Khi là 1 rotor , rotor quay chậm hơn một

chút so với tốc độ đồng bộ được thiết lập bởi từ trường cuộn dây và cố gắng

bắt kịp với công suất trên trục quay. Khi là 1 máy phát, các cánh turbine quay

rotor nhanh hơn 1 chút so với tốc độ đồng bộ và năng lượng được gửi tới các

cuộn dây stator.

Ưu điểm chính của các máy phát không đồng bộ cảm ứng là các rotor

không yêu cầu kích từ, chổi than và cổ góp như máy phát đồng bộ. Chúng

thực hiện việc bằng bằng cách tạo nên điện trường cần thiết trên stator. Điều

này có nghĩa là chúng ít phức tạp hơn và rẻ hơn và yêu cầu bảo dưỡng ít hơn.

Các máy phát cảm ứng cũng tốt hơn với các thiết bị cơ khí trong quá trình vận

hành.

Điện trường quay : Để hiểu về cách 1 máy phát điện hoặc 1 motor làm

việc, chugns ta cần phải giới thiệu về mô hình điện trường quay. Bắt đầu bằng

cách tưởng tượng cuộn dây đặt trong stator của máy điện 3 pha như hình 2.13

Hình 2. 8. Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm

Trong đó, dòng điện dương chạy từ A đến A’ tạo nên từ thông A được

biểu diễn bởi 1 mũi tên đậm hướng xuống dưới. Dòng điện âm (từ A’ đến A)

tạo nên từ thông được biểu diễn bởi mũi tên nét đứt hướng lên trên các cuộn

dây này bao gồm các cuộn dây bằng đồng quấn theo chiều dài của stator từ

trong ra ngoài. Chúng ta sẽ công nhận rằng dòng điện dương trong pha nào thì

sẽ chạy từ cực này đến cực khác (ví dụ iA chạy từ A đến A’). Khi dòng điện

trong 1 pha là dương, tạo nên điện trường được vẽ mũi tên đậm ; khi nó là âm,

biểu thị bởi 1 mũi tên nét đứt. Và nhớ quy ước mũi tên : “+” từ cuối ở cuối

cuộn dây có nghĩa là dòng điện chạy vào, trong khi 1 dấu chấm nghĩa là dòng

điện chạy ra.

Xét điện trường tạo nên bởi các dòng điện 3 pha chạy qua stator. Trong

hình 2.9a, đồng hộ dừng ở t=0, tại điểm iA đạt đến giá trị dương cực đại và

iB, iC đạt âm và bằng biên độ. Luồng điện trường cho mỗi pha của dòng điện 3

pha đã được chỉ ra, tổng của chúng là 1 mũi tên hướng xuống.

Hình 2. 9. Mô hình máy phát điện cảm ứng

Hình (a) Ở t = 0, iA đạt cực đại dương trong khi iB và iC đều âm và

bằng nhau. Vector tổng của từ thông hướng thẳng xuống dưới;

Hình (b) Ở t=/3, các vector từ thông quay 600 theo chiều thuận của

kim đồng hồ, sau đó, dừng đồng hồ ở t=/3 = 600. bây giờ iA=iB và đều

dương trong khi iC đạt giá trị âm cực đại như hình 2.9b. Tổng của chúng quay 1 góc 600. Chúng ta có thể tiếp tục thực hiện tăng giá trị t và xét tiếp kết quả

đến hết vòng tròn. Đây là 1 mô hình quan trọng cho máy phát điện cảm: với

các dòng điện 3 pha chạy qua stator, 1 điện trường quay được tạo nên bên

trong máy phát. Điện trường quay ở tốc độ đồng bộ NS được xác định bởi tần

số của dòng điện f và số cực p. Đó là NS=120f/p như trường hợp 1 máy phát

đồng bộ.

Rotor lồng sóc: Một máyphát điện cảm 3 pha phải được cung cấp từ với

dòng điện xoay chiều 3 pha chạy qua stator, tạo nên điện trường quay mô tả ở

trên. Rotor của nhiều máy phát điện cảm (và rotor) bao gồm một số thanh

bằng đồng hoặc nhôm được gắn cùng nhau ở các đầu mút, tạo nên 1 cái lồng

trông giống lồng nuôi động vật gặm nhấm. Chúng được gọi là rotor lồng sóc

nhưng bây giờ chúng chỉ được gọi là rotor lồng. Lồng được bao bọc trong 1

lõi kim loại bao gồm các lá thép cách nhau 0,5mm. Các lá thép là để điều

khiển tổn thất dòng điện xoáy 9xem mục 1.8.2). Hình 2.10 chỉ ra mối quan hệ

cơ bản giữa stator và rotor được xem như 1 cặp điện trường (trong stator)

quay quanh lồng (rotor).

Hình 2. 10. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau

được bao quanh nó một điện trường quay

Để hiểu về sự quay điện trường stator tác động đến lồng rotor, xem

hình 2.11a.

Hình 2. 11. Mô tả nguyên lý máy phát

Hình (a) điện trường stator di chuyển hướng sang phải trong khi cuộn

dẫn rotor lồng sóc là cố định.

Hình (b) Điều này tương đương với điện trường stator là cố định trong

khi cuộn dẫn di chuyển sang trái, cắt đường từ thông. Cuộn dẫn tạo nên 1 lực

là cho rotor bắt nhịp được với điện trường quay của stator điện trường quay

stator hướng sang phải, trong khi cuộn dẫn trong lồng rotor là cố định.

Nhìn từ khía cạnh khác, từ trường stator có thể được xem như cố định

và quan hệ với nó, cuộn dẫn xuất hiện sang trái, cắt qua day dẫn của luồng

điện trường như hình 2.11b. Định luật Faraday về điện trường cảm ứng cứ khi

dây dẫn cắt qua, 1 emf sẽ phát triển dọc theo dây dẫn và có dòng điện chạy

qua nó. Thực tế, rotor lồng có các thanh dẫn dày với điện trở rất nhỏ, vì vậy

dòng điện chạy qua rất dễ dạng. Dòng điện rotor đó được gọi là iR trên hình

2.11b sẽ tạo nên bản thân nó điện trường ôm bao quanh dây dẫn. Điện trường

của rotor sẽ tương tác với điện trường stator, tạo nên 1 lực lái lồng dây sang

phải. Nói cách khác, rotor quay theo cùng hướng mà stator quay.

Máy điện cảm ứng như 1 motor: Bởi vì dễ hiểu 1 motor cảm ứng hơn

1 máy phát cảm ứng, chúng ta sẽ bắt đầu với nó. Điện trường quay trong

stator của máy điện cảm ứng gây nên rotor để quay cùng hướng. Đó là, máy

điện là motor – một motor điện cảm. Chú ý rằng không có những mối liên hệ

về điện với rotor; không có cổ góp hoặc chổi than. Khi rotor tiếp cận tốc độ

đồng bộ của điện trường quay, liên hệ hướng giữa chúng trở nên nhỏ hơn và ít

lực hơn tác động vào rotor. Nếu rotor có thể chuyển đến tốc độ đồng bộ,

chúng sẽ không liên hệ với hướng, không có dòng điện cảm ứng trong cuộn

dây lồng sóc và không có lực phát triển để giữ rotor tiếp tục quay. Bởi vì luôn

có lực ma sát để khắc phục, máy điện cảm ứng vận hành như 1 motor quay ở

định mức chậm hơn tốc độ đồng bộ được xác định bởi stator. Sự sai lệch tốc

được gọi là độ trượt xác định theo biểu thức toán học sau:

s = (2.7)

với s là độ trượt rotor, NS là tốc độ không tải đồng bộ = 120f/p rpm,

trong đó f là tần số và p là số cực và NR là tốc độ rotor.

Khi tải đặt lên motor tăng, rotor giảm tốc độ xuống, tăng độ trượt cho

đến khi đủ lực xoắn đủ đáp ứng yêu cầu. Thực tế, với hầu hết motor cảm ứng,

độ trượt tăng gần như tuyến tính với lực xoắn trong dải sử dụng của độ trượt

cho phép. Có 1 điểm, tuy nhiên, khi tải kéo xuống, còn gọi “lực kéo xuống”

và tăng độ trượt để tương thích với tải và rotor dừng lại, hình 2.12.

Hình 2. 12. Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng

Nếu rotor được kéo quay theo hướng ngược lại so với điện trường

stator, máy điện cảm ứng hoạt động như 1 cái phanh.

Ví dụ 2.2. Độ trượt cho 1 motor cảm ứng:

Một motor cảm ứng 4 cực đạt công suất định mức khi độ trượt là 4%.

Tốc độ rotor tại công suất cực đại là bao nhiêu?

Tốc độ không tải đồng bộ của motor 60Hz, 4 cực là;

N (2.8)

Từ (6.28) tại độ trượt 4%, tốc độ rotor sẽ là:

(2.9)

Máy điện cảm ứng hoạt động như 1 máy phát. Khi stator được cung

cấp dòng điện kích từ 3 pha và trục được kết nối tới 1 turbine gió và hộp số,

máy điện sẽ bắt đầu hoạt động bởi việc kéo theo tốc độ đồng bộ của nó. Khi

tốc độ gió đủ để kéo theo trục máy phát tới vượt quá tốc độ đồng bộ, máy

điện cảm ứng tự động trở thành máy phát phát điện năng vào cuộn dây stator.

Nó có thể có 1 máy phát cảm ứng cung cấp cho bản thân nó 1 dòng điện kích

từ bởi các tụ điện ngoài cho phép phát công suất mà không có lưới điện.

Mô hình cơ bản cho 1 máy phát tự kích từ là để tạo ra điều kiện cộng

hưởng giữa cuộn cảm ở trong của điện trường cuộn dây trong stator và các tụ

điện ngoài. Một tụ điện và 1 cuộn cảm mắc song tạo nên các dao động điện

từ; chúng có 1 tần số cộng hưởng tại vị trí mà chúng sẽ tự phát dao động nếu

cho trước độ dịch chuyển theo hướng đó. Độ dịch chuyển được cho bởi điện

trường tàn dư trong rotor. Tần số dao động, và tạo nên tần số kích thích, phụ

thuộc vào kích cỡ của các tụ ngoài, cung cấp 1 phương pháp để điều khiển tốc

độ turbine gió. Trong hình 2.13, 1 pha, tự kích thích, máy phát cảm ứng được

vẽ với tụ ngoài.

Hình 2. 13. Máy phát cảm kháng từ kích từ. Các tục ngoài cộng hưởng với

điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng

Làm thế nào mà 1 máy phát cảm ứng quay? Hệ số trượt được sử dụng

cho các ứng dụng motor cảm ứng, ngoại trừ độ trượt sẽ là 1 số âm bởi vì rotor

quay nhanh hơn so với tốc độ đồng bộ. Với các máy phát cảm ứng kết nối

lưới, độ trượt thường không vượt quá 1%. Điều này có nghĩa là với ví dụ máy

pháp 2 cực, 60Hz và tốc độ đồng bộ 3600 rpm sẽ có:

(2.10)

Một điều chú ý hơn với máy phát cảm ứng là chúng có thể chống shock

được gây ra bởi các thay đổi nhanh với tốc độ gió. Khi tốc độ gió đột nhiên

thay đổi, độ trượt tăng hoặc giảm theo giúp hấp thụ shock đến thiết bị cơ khí

của turbine gió.

2.2.5. Công suất trung bình của gió

Biểu diễn các phương trình cho công suất gió và được mô tả các thành

phần cần thiết của hệ thống turbine gió, đây là lúc đưa vào việc xác định bao

nhiêu năng lượng có thể thu được từ 1 turbine gió trong các chế độ gió khác

nhau.

Quan hệ lập phương giữa công suất gió và vận tốc gió cho ta thấy rằng

chúng ta không thể xác định công suất trung bình của gió bằng cách thế đơn

giản tốc độ gió trung bình vào (2.4). Ta đã thấy trong ví dụ 2.1. Chúng ta có

thể bắt đầu khám phá ra điều quan trọng này từ đặc tính phi tuyến của gió

bằng cách viết lại (2.4) ở dạng giá trị trung bình:

(2.11)

Nói cách khác, chúng ta cần tìm giá trị trung bình của lập phương vận

tốc. Điều này có thể làm được thông qua công tác thống kê.

2.2.5.1. Biểu đồ gió gián đoạn

Chúng ta sẽ phải sử dụng toán học và thống kê đối với các khu vực

mới. Để làm được điều này, chúng ta sẽ bắt đầu với 1 số mô hình đơn giản

bao gồm các hàm gián đoạn tốc độ gió và sau đó chúng ta có thể chuyển đến

các hàm liên tiếp.

Chúng ta hiểu gì về trung bình của các đại lượng? Giả thiết, ví dụ, ta

thu thập dữ liệu gió tại 1 địa điểm và sau đó muốn biết làm thế nào để chỉ ra

giá trị trung bình của tốc độ gió trong thời gian khảo sát. Tốc độ gió trung

bình được có thể được tính trên tổng số mét, kilomet, hoặc dặm mà gió chạy

qua vị trí đó, được phân chia bởi tổng thời gian xét. Giả thiết, ví dụ, thời gian

xét 10h, có 3h không có gió, 3h có tốc độ 5mph và 4h có tốc độ 10mph. Tốc

= 3 h. 0 mile/hr + 3 h.5 mile/h +4 h.10 mile/h 3+ 3 + 4 h độ gió trung bình sẽ là tốc độ gió tổng giờ

55 mile

= (2.12) 10h

Nhóm lại các đại lượng trong (6.30), chúng ta cũng có 30% thời gian

không có gió, 30% thời gian ở tốc độ 5mph, 40% thời gian ở tốc độ 10mph:

(2.13)

Chúng ta có thể viết (6.30) và (6.31) ở dạng tổng quát hơn như sau

(2.14)

Cuối cùng nếu gió bình thường, chúng ta có thể nói khả năng không có

gió 0.3, khả năng có 5mph là 0.3 và khả năng có 10mph là 0.4. Hãy mô tả giá

trị trung bình ở dạng:

[ . xác suất ] (2.15)

Chúng ta biết từ (6.29) rằng giá trị công suất trung bình quan tâm không phải là giá trị trung bình của v mà là v3. Quá trình tính trung bình được

chính xác hóa tương tự như ví dụ đơn giản trên:

hay

[ xác suất ( )] (2.17)

Hình 2. 14. Một ví dụ về dữ liệu hiện trường và lịch sử dữ liệu gió theo giờ

Giả thiết rằng chúng ta có 1 máy đo gió tổng hợp dữ liệu các giờ trong

năm theo dạng 1 m/s (0.5 to 1.5 m/s), at 2 m/s (1.5 to 2.5 m/s), và tiếp tục

tương tự. Một ví dụ về bảng dữ liệu trên hình 2.14

Ví dụ 2.3. Công suất trung bình của gió

Sử dụng dữ liệu đã cho trên hình 2.14, tính tốc độ gió trung bình và công suất trung bình của gió (W/m2). Giả sử rằng mật độ không khí tiêu chuẩn là 1.225kg/m3. So sánh kết quả với những gì đã thu được nếu công suất

trung bình được tính sai lệch theo tốc độ gió trung bình.

Giải:

Chúng ta cần phải thiết lập một bảng dữ liệu để xác định tốc độ gió trung bình v và giá trị trung bình của v3. Hãy làm ví dụ tính toán với bảng dữ

liệu tính với 805 h/yr tại 8m/s:

Xác suất giờ hàng năm tại 8m/s= (2.19)

Xác suất giờ tại 8 m/s = 8m/s 0.0919 = 0.375 (2.20)

( )3. Xác suất giờ tại 8 m/s = 83 0.0919 = 47.05 (2.21)

Phần còn lại của bảng dữ liệu là để xác định công suất gió trung bình sử

dụng (2.11) như sau:

Bảng 2. 1. Tốc độ gió trung bình

Tốc độ gió

Số giờ có

Xác

suất

Xác

3 Xác

mỗi năm

mỗi giờ có

(m/s)

suất mỗi giờ

suất có

có

0.0027

0.000

0.00

276

0.0315

0.032

0.03

527

0.0602

0.120

0.48

729

0.0832

0.250

2.25

869

0.0992

0.397

6.35

941

0.1074

0.537

125

13.43

946

0.1080

0.648

216

23.33

896

0.1023

0.716

343

35.08

805

0.0919

0.735

512

47.05

690

0.0788

0.709

729

57.42

565

0.0645

0.645

1,000

64.50

444

0.0507

0.558

1,331

67.46

335

0.0382

0.459

1,728

66.08

243

0.027

0.361

2,197

60.94

170

0.0194

0.272

2,744

53.25

114

0.0130

0.195

3,375

43.92

0.0084

0.135

4,096

34.60

0.0053

0.089

4,913

25.80

0.0032

0.058

5,832

18.64

0.0018

0.035

6,859

12.53

0.0010

0.021

8,000

8.22

0.0006

0.012

9,261

5.29

0.0003

0.008

10,648

3.65

0.0001

0.003

12,167

1.39

0.0001

0.003

13,824

1.58

0.000

15,625

0.00

1.000

7.0

Tổng

8760

653.24

[ . (Xác suất mỗi giờ có ) ] = 7.0 m/s (2.22)

Giá trị trung bình của v3 là:

[ ( Xác suất mỗi giờ có )] = 653.24 (2.23)

Công suất trung bình của gió là:

0.5 653.24 = 400 W/m2 (2.24)

Nếu chúng ta có công suất không chính xác sử dụng tốc độ gió trung

bình ở 7m/s là:

(2.25)

Trong ví dụ trên, tỉ số của công suất gió trung bình được tính chính xác

avg và khi vận tốc trung bình là 400-210 = 1.9. Công suất chính xác

sử dụng v3

là gấp 2 lần so với công suất tính theo tốc độ gió trung bình,

2.2.6. Các dự đoán đơn giản của năng lượng gió

Bao nhiêu năng lượng gió có thể thu được và được chuyển thành điện

năng? Câu trả lời phụ thuộc vào 1 số hệ số, bao gồm các đặc tính của máy

điện (rotor, hộp số, máy phát, tháp, điều khiển), đất (địa hình, ghồ ghề bề mặt,

chướng ngại vật) và tất nhiên trạng thái gió (tốc độ, thời gian, sự dự đoán). Nó

cũng phụ thuộc vào mục đích của câu hỏi. Bạn là 1 nhà hoạch định năng

lượng đang cố gắng dự đoán xây dựng để đáp ứng phụ tải trong 1 khu vực có

đặt turbine gió hay bạn quan tâm đến hoạt động của turbien gió hơn các loại

khác? Một số dự báo năng lượng có thể được tạo nên với các tính toán phía

sau và những người khác yêu cầu mở rộng hoạt động turbine gió và dữ liệu

gió của khu vực đó.

2.2.6.1. Năng lượng hàng năng sử dụng hiệu suất turbine gió trung bình

Giả thiết rằng mật độ công suất gió đã được tính toán ở 1 vị trí. Nếu

chúng ta đưa ra giả thiết của hiệu suất chuyển đổi tổng thể thành điện năng

bởi turbine gió, chúng ta cso thể dự đoán được năng lượng phát ra hàng năm.

Chúng ta luôn biết rằng hiệu suất cao nhất có thể cho bản thân rotor là 59.3%.

Trong các điều kiện tối ưu, 1 rotor hiện đại sẽ phát ra khoảng 3/4 tiềm năng.

Để giữ việc chế ngữ máy phát, tuy nhiên, rotor phải tràn ra một trong hầu hết

gió tốc độ cao và các gió tốc độ thấp được loại bỏ khi chúng quá chậm để

khắc phục ma sát và tổn thất máy phát. Như ví dụ 6.7 đưa ra, hộp số và máy

phát phát ra khoảng 2/3 công suất trục được tạo ra bởi rotor. Kết hợp tất cả

các hệ số này đưa ra cho ta công suất điện thu được khoảng 30%.

Ví dụ 2.4 Năng lượng phát ra hàng năm của 1 turbine gió

Giả thiết rằng 1 turbine gió NEG Micon 750/48 (máy phát 750 kW,

rotor 48m) được gắn trên 1 tháp 50m ở 1 khu vực với tốc độ gió trung bình

5m/s ở độ cao 10m. Giả sử mật độ không khí tiêu chuẩn, thống kê Rayleigh,

độ ghồ ghề bề mặt Class 1, và hiệu suất tổng thể 30%, dự đoán năng lượng

nhận được hàng năm (kWh/năm).

Giải:

Chúng ta cần tính công suất trung bình của gió ở 50m. Bởi vì độ ghồ

ghề đã cho phù hợp hơn hệ số ma sát , chúng ta cần sử dụng (2.16) để dự

đoán tốc độ gió ở 50m. Chúng ta tính chiều dài ghồ ghề z cho Class 1 là 0.03.

Tốc độ gió trung bình ở 50m là

(2.26)

Công suất trung bình của gió ở 50m là

(2.27)

Bởi vì máy điện 48m thu thập 30% của năng lượng gió, trong 1 năm

với 8760h, năng lượng phát ra sẽ là:

Năng lượng =

(2.27)

2.2.6.2. Các cánh đồng gió

Trừ khi nó là 1 turbine gió đơn lẻ cho 1 vị trí đặc biệt, như 1 ngôi nhà

không có điện lưới, hầu như thường là khi 1 nơi gió tốt được tìm thấy, nó sẽ

được lắp đặt 1 số lượng lớn turbine gió và nơi đó được gọi là cánh đồng gió

hoặc công viên gió. Hiển nhiên tạo nên các lợi ích từ việc tập hợp nhiều

turbine gió cùng nhau ở 1 địa điểm có gió. Chi phí phát triển giảm, kết nối

vào lưới truyền tải đơn giản, chuyển môn hóa cho việc vận hành, bảo dưỡng.

Vậy thì làm thế nào nhiều turbine gió có thể được lắp đặt ở tại 1 địa

điểm cho trước? Như đã biết, gió chậm như một số năng lượng được tạo ra

bởi 1 rotor, làm giảm công suất khả dụng đến gió ra máy điện. Tuy nhiên, khi

có khoảng cách, tốc độ gió khôi phục lại. Các nghiên cứu lý thuyết của các ô

vuông, khoảng trống như nhau cho thấy việc giảm chất lượng khi các turbine

gió được đặt quá gần nhau. Với mỗi nghiên cứu như vậy, hình 2.28 chỉ ra dàn

hiệu quả như vậy (được dự đoán đầu ra bởi việc phân chia công suất sẽ tạo

nên nếu không có sự giao thoa) như 1 hàm của khoảng trống tháp được biểu

thị qua đường kính rotor. Tham số là 1 số turbine ở trong các dàn như nhau.

Đó là, ví dụ, dàn 2x2 bao gồm 4 turbine gió bằng với khoảng trống trong 1

đơn vị diện tích, trong khi 1 dàn 8x8 là 64 turbine trên một đơn vị diện tích.

Dàn càng lớn, sự giao thoa càng nhiều, vì vậy hiệu suất càng giảm.

Hình 2.15 chỉ ra sự giao thoa của rotor đặt cách nhau 9 lần đường kính

ít hơn khoảng 20% so với 16 turbine cách nhau 6 lần đường kính. Một diện

tích dàn sẽ không phải là vuông, như trường hợp trong hình 2.15, nhưng là

hình chữ nhật chỉ với 1 số hàng dài vuông góc với hướng gió chính, với mỗi

hàng đó có nhiều turbine. Kinh nghiệm cho thấy hiệu suất không đồng đều

với các tháp có dạng hình chữ nhật. Được khuyến cáo khoảng cách 3-5 lần

đường kính phân chia các tháp trong 1 hàng và 5-9 lần giữa các hàng. Sự xê

dịch của 1 hàng của các tháp sau tháp khác được cho trên hình 2.16.

Hình 2. 15. Tác động của khoảng cách tháp và kích thước ô của turbine gió

Hình 2. 16. Khoảng cách tối ưu của các tháp

Ví dụ 2.5. Tiềm năng năng lượng cho 1 cánh đồng gió

Giả thiết rằng 1 cánh đồng gió có khoảng cách giữa các thap trong hàng

gấp 4 lần đường kính rotor và khoảng cách giữa các hàng là 7 lần đường kính

rotor (4Dx7D). Giả sử rằng hiệu suất turbine gió là 30% và hiệu suất mỗi dàn

là 80%.

a. Tính sản lượng điện năng hàng năm trên mỗi đơn vị diện tích trong khu vực có 400W/m2 gió với độ cao 50m, gió Class 4.

b. Giả sử rằng bản thân turbine gió thuê đất 100$ mỗi cánh đồng. Chi phí thuê

đất trên mỗi kWh phát ra là bao nhiêu?

Giải:

a. Khi hình vẽ đã chỉ ra, diện tích đất bị chiếm bởi 1 turbine gió là 4Dx7D

= 25D2, với D là đường kính rotor. Diện tích rotor là (/4)D2. Năng

lượng được tạo ra trên mỗi đơn vị diện tích đất là

Năng lượng Tua bin gió m2 cánh quạt

Diện tích đất m2 đất Tua bin gió

(

)

(

)

(2.28)

)

400 (

m2 cánh quat

Năng lượng

( 2.29) Diện tích đất

b. Ở 4047m2 mỗi cánh đồng, năng lượng hàng năm được tạo ra là

Năng lượng

Diện tích đất

(2.30)

vì vậy chi phí thuê đất là

$100

Giá đất acre. yr

95,461kWh kWh acre. yr

=$0.00105/kWh = 0.1 /kWh

(2.31)

Tính toán thuê đất trong ví dụ trên cho thấy 1 điều quan trọng. Các

cánh đồng gió là hoàn toàn phù hợp với trồng trọt thông thường, đặt biệt là

chăn nuôi gia súc và doanh thu cộng thêm của nông dân có thể nhận được bởi

việc cho thuê đất thành công viên gió và thường giá trị hơn vụ mùa được thu

hoạch trên cùng mảnh đất đó. Kết quả, chủ trang trại và nông dân trởi thành

thành phần có lợi nhất của điện gió.

2.2.7. Một số cấu trúc điển hình hệ thống Wind Turbine

Trên hình 2.17 mô tả cấu trúc cơ bản của hệ thống Wind Turbine WT

gồm 2 phần: phần cơ và phần điện.

Hình 2. 17. Cấu trúc cơ bản của hệ thống turbine gió

Phần cơ là hệ thống turbine cánh quạt quay quanh trục turbine khi có

gió thổi. Tạo ra cơ năng từ động năng của gió.

Phần điện là bộ biển đổi công suất, có tác dụng biến đổi chất lượng điện

từ máy phát điện thành điện năng có những yêu cầu về chất lượng để nối tải

tiêu thụ hoặc hòa lưới điện.

Phần cơ và phần điện trong hệ thống WT được nối với nhau qua một

máy phát điện. Máy phát điện biến đổi cơ năng sinh ra từ động năng của gió

thành điện năng.

Công nghệ turbine gió hiện đại về cơ bản có có thể chia thành ba loại :

- Hệ thống không có điện tử công suất.

- Hệ thống cùng với các phần điện tử công suất.

- Hệ thống đầy đủ giao diện điện tử công suất cho turbine gió.

Hệ thống turbine gió không có điện tử công suất sử dụng một máy phát

điện cảm ứng. Các turbine gió quay trục rotor của máy phát điện cảm ứng

được ghép nối trực tiếp với lưới mà không sử dụng bất kỳ một giao diện điện

tử công suất nào. Turbine gió phải hoạt động ở một tốc độ không đổi và điều

chỉnh tốc độ rotor bằng cách điều khiển góc cánh quạt của turbine gió. Máy

phát điện cảm ứng đỏi hỏi công suất phản kháng để hoạt động có thể được

cung cấp từ lưới hoặc từ các tụ điện ghép nối với các cực của máy phát.

Những máy này không thể cung cấp công suất phản kháng và thường yêu cầu

một khởi động mềm để giảm dòng khởi động trong quá trình khởi động. Trên

hình 2.18 thể hiện cấu hình cơ bản của thiết kế này.

Hình 2. 18. Hệ thống dùng máy phát cảm ứng (IG) không có điện tử công

suất.

Một bộ biến đổi công suất trung bình cùng với một máy phát rotor dây

quấn gọi là máy phát đôi (DFIG) như Hình 1.19. Một bộ biến đổi công suất

được ghép nối với rotor thông qua các vành trượt để điều khiển dòng rotor.

Thiết kế này cho phép turbine gió có tỷ số tốc độ hoạt động thay đổi. Nếu

máy phát chạy với tốc độ siêu đồng bộ thì năng lượng được phân phối cả

rotor và stator, nhưng phương pháp này chi phí cao hơn phương pháp cổ điển,

lợi ích của phương pháp này là cung cấp và bù được công suất phản kháng và

năng lượng thu được từ các turbine gió tăng lên. Lắp ráp này cho phép cuộn

dây stator nhỏ hơn bình thường khoảng 25% cùng với việc ghép các thiết bị

điện tử công suất.

Hình 2. 19. Hệ thống DFIG cùng với modul điện tử công suất

Dạng thứ 3 của việc thiết kế turbine gió thể hiện như ở Hình 1.20. Hệ

thống sử dụng đầy đủ các thiết bị điện tử công suất cho giao diện của turbine

gió vào lưới. Hệ thống phát điện sử dụng máy phát đồng bộ thông thông

thường hoặc máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu để chuyển đổi năng

lượng gió tới đầu ra có điện áp, tần số thay đổi cùng với sự thay đổi của tốc

độ. Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu sau đó được sử dụng để chuyển đổi đầy

đủ năng lượng danh định của máy tới năng lượng tương thích với hệ thống

lưới. Cấu trúc này sẽ gây tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi,

nhưng nó sẽ cung cấp bổ sung khuếch đại năng lượng nhờ phẩm chất kỹ thuật

của nó. Thiết kế này cho phép turbine gió hoạt động ở chế độ tốc độ thay đổi,

cho phép thu được nhiều năng lượng gió hơn.

Hình 2. 20. Cấu hình đồng bộ điện tử công suất

Trường hợp với các máy phát công suất nhỏ, cấu trúc trên thêm bộ boost

DC-DC vào để tạo ra điện áp một chiều có giá trị thích hợp trước khi đưa vào

bộ nghịch lưu. DIODE có tác dụng tác động nhanh nhằm cách ly lưới với máy

phát. Cấu trúc trên do có bộ boost DC-DC nên bị hạn chế chỉ dung cho hệ

thống công suất nhỏ.

2.3. Pin lượng Mặt trời

2.3.1. Năng lương Mặt trời

Năng lượng Mặt trời có thể được khai thác dưới nhiều dạng khác nhau

như nhiệt dùng để đung nóng nước, phát điện... Trong đó, nhà máy nhiệt điện

Mặt trời sử dụng các tấm gương tập trung năng lượng Mặt trời về một tháp

thu nhiệt chỉ xây dựng được ở những nơi có nhiều bức xạ Mặt trời, diện tích

lớn nên không được coi là nguồn phân tán. Pin Mặt trời với công suất nhỏ, dễ

lắp đặt đã và đang hứa hẹn là nguồn năng lượng tái tạo đầy tiềm năng. Hình

2.21 cho thấy sự phát triển của nguồn pin Mặt trời.

Hình 2. 21. Sự phát triển của năng lượng điện Mặt trời

Trong 5 năm gần đây, đà tăng trưởng của nguồn PV diễn ra rất nhanh,

gấp đến gần 15 lần và Đức là quốc gia đứng số 1 thế giới về tỷ trọng. Điều

này thể hiện sự quan tâm của các quốc gia phát triển trên thế giới đến vấn đề

khai thác nguồn năng lượng Mặt trời.

Việt Nam có bức xạ Mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng

dao động từ (1600 - 2600) giờ/năm, đặc biệt là khu vực phía Nam. Việt Nam

hiện có trên 100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng

Mặt trời. Tính trung bình toàn quốc thì bức xạ Mặt trời dao động từ (3,8 - 5,2) kWh/m2/ngày. Tiềm năng điện Mặt trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam (bức xạ dao động từ (4,0 - 5,9) kWh/m2/ngày). Tại miền Bắc, bức xạ Mặt trời dao động khá lớn, từ (2,4 - 5,6) kWh/m2/ngày,

trong đó vùng Đông Bắc trong đó có Đồng bằng sông Hồng có tiềm năng thấp

nhất, với thời tiết thay đổi đáng kể theo mùa. Theo các tính toán gần đây, tiềm

năng kỹ thuật cho các hệ hấp thu nhiệt Mặt trời để đun nước là 42,2 PJ, tiềm

năng hệ điện Mặt trời tập trung/hòa mạng (intergrated PV system) là 1.799

MW và tiền năng lắp đặt các hệ điện Mặt trờicục bộ/gia đình (SHS: solar

home sytem) là 300.000 hộ gia đình, tương đương với công suất là 20 MW.

Như đã phân tích, nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn tại

Việt Nam cũng như trên thế giới. Trong đó, nguồn năng lượng từ pin Mặt trời

đã có những bước phát triển vượt bậc nhờ sự quan tâm của các nhà khoa học

trên toàn thế giới về nâng cao chất lượng pin, công nghệ điện tử công suất và

sự đầu tư về kinh tế của các quốc gia. Vì vậy, nội dung luận văn sẽ tập trung

nghiên cứu vấn đề khai thác, vận hành nguồn pin Mặt trời.

Như vậy, để khai thác được năng lượng từ các tấm pin Mặt trời, điều

quan trọng là phải tìm hiểu được đặc điểm cấu tạo để nắm được lý do tại sao

các tấm pin Mặt trời lại có thể phát được điện năng cũng như đặc điểm vận

hành của chúng.

2.3.2. Mô hình nguồn điện pin Mặt trời

Nguồn PV được khai thác dưới dạng có kết nối lưới hoặc đáp ứng trực

tiếp cho phụ tải (một chiều, xoay chiều) mà không kết nối lưới. Sơ đồ hình

2.22 mô tả cấu trúc khai thác năng lượng của nguồn PV.

Hình 2. 22. Mô hình khai thác năng lượng từ nguồn PV

Các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ PV có thể được phân biệt

thành 2 loại chính:

- Biến đổi DC/DC (biến đổi một chiều/một chiều) có nhiệm vụ điều

chỉnh chế độ làm việc cho nguồn PV cũng như đảm bảo điện áp đầu ra bộ

biến đổi theo đúng yêu cầu của hệ;

- Biến đổi DC/AC (biến đổi một chiều/xoay chiều) có nhiệm vụ tạo

được điện áp ra dạng sin chất lượng cao đáp ứng yêu cầu về tiêu chuẩn chất

lượng điện năng.

2.3.2.1. Bộ biến đổi DC/DC

Trong hệ thống pin Mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ

với thuật toán dò tìm điểm là việc cực đại (Maximum Power Point Trackes

viết tắt là MPPT). MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn

điện áp vào lấy từ nguồn pin Mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn

nhất phù hợp với tải.

Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại

không cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao

kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều

ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường

được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử. Phổ biến

nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu và flyback. Trong nhiều thiết bị quang

điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều

lý do an toàn. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly.

Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều. Các loại

bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (Buck)

- Bộ tăng áp (boost)

- Bộ đảo dấu điện áp (Buck – boost).

- Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cuk

Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tuỳ thuộc

vào yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của khối (Aray) pin Mặt trời.

Bộ giảm áp Buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu

mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít

thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.

Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường

độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra

cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC.

Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp.

1- Mạch Buck:

Cấu trúc cơ bản của một bộ Buck được mô tả trên hình 2.23. Trong đó

khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch

Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy.

Khóa transitor được đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được

xác định theo công thức sau:

Hình 2. 23. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều

được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời

gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ

đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng

lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Điot khép kín mạch. Như vậy cuộn kháng

và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì

mạch khi khóa K đóng. Nguyên lý làm việc của Buck được làm rõ hơn trên

các đồ thị hình 2.24

Hình 2. 24. Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck

Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt

của khóa: Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lượng thu

từ nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời

gian K khóa bằng năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K

khóa.

Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau:

Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời

gian khóa đóng mở được duy trì.

Do:

nên khi K mở (ton):

khi K khóa (toff):

Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực

đại của dòng điện được tính như sau:

Trong đó: Io là dòng tải = Vout/Rtải = giá trị trung bình của dòng điện

cảm ứng.

Từ các công thức trên suy ra:

Vout = Vin.D

Từ đây cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển

hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp

ắc quy làm chuẩn. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp

điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton. Do đó, bộ biến đổi này còn được

biết đến như là bộ điều chế xung PWM.

Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin Mặt trời nhất vì nhiều ưu

điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin Mặt trời. Bộ Buck có cấu trúc đơn

giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất, bộ Buck còn thường được dùng để nạp

ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dòng điện vào không liên tục vì khoá điện

tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt.

Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy.

Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của

khóa điện tử. Bộ Buck có thể làm việc làm việc tại điểm MPP trong hầu hết

điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ. Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính

xác khi điẻm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện

nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp. Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm

việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp.

2- Mạch Boost:

Hình 2. 25. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

Tương tự như bộ Buck, cấu trúc của Boost như trên hình 2.25. Hoạt

động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L. Chuyển mạch K đóng

mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng,

khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải.

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện

áp ra. Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều. Khóa K đóng,

dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số làm việc D của khóa K,

điện áp ra được tính theo:

Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên

tục để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo.

Hình 2. 26. Dạng sóng dòng điện của mạch Boost

3- Mạch Buck – Boost và Bộ điều khiển phóng ắc quy

Hình 2. 27. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Vì vậy mạch Boost

chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm

điện áp vào. Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost

vừa có thể tăng và giảm điện áp vào.

Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện

cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy

trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điot phân cực thuận. Tùy

vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ

hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của

điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm

sẽ giảm dần theo thời gian.

Ta có công thức:

Công thức này cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp

vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D.

Khi D = 0.5 thì Vin = Vout

Khi D < 0.5 thì Vin > Vout

Khi D > 0.5 thì Vin < Vout

Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của cả ba bộ biến đổi trên

đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi

nào trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng.

4- Bộ biến đổi DC/AC

Hệ PV độc lập công suất nhỏ sử dụng cho các hộ gia đình thường sử

dụng các bộ biến đổi loại nguồn áp 1 pha, hình 2.28

Hình 2. 28. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha

Trên sơ đồ. khóa điện tử S1 và S2 được điều khiển chu kỳ đóng cắt

theo một luật nhất định để tạo ra điện áp xoay chiều. Điện áp rơi trên mỗi tụ là

Vdc/2. Lf và Cf có nhiệm vụ lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao tại đầu ra

của bộ biến đổi và tạo điện áp xoay chiều có tần số mong muốn. Máy biến áp

có nhiệm vụ tạo ra điện áp xoay chiều phù hợp với yêu cầu của tải, đồng thời

đảm nhiệm vai trò cách ly giữa nguồn 1 chiều với tải.

Các loại bộ biến đổi này có thể ngăn chặn thành phần dòng điện sóng

hài và điều chỉnh hệ số công suất để nâng cao chất lượng điện

Ưu điểm:. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu có số khóa điện tử ít

hơn 1 nửa so với bộ biến đổi DC/AC 1 pha hình cầu nên có cấu trúc đơn giản

và rẻ hơn.

Cấu trúc bộ biến đổi DC-AC dùng biến áp thông thường có nhược

điểm, do sử dụng biến áp thông thường nên kích thước thường lớn, tổn hao

trên biến áp khá lớn, và hiện tại giá thành biến áp cũng không nhỏ.

Đối với hệ nguồn pin Mặt trời công suất lớn cấp cho phụ tải động lực

sẽ sử dụng các bộ DC/AC 3 pha xoay chiều. Tiến bộ nhất đó là các nghịch lưu

sử dụng cấu hình của chỉnh lưu tích cực điều khiển theo phương pháp PWM-

SVM. Hay nói cách khác nếu sử dụng biến tần 4 Q thì đó chính là bộ biến đổi

phía bên phải B2 như hình 2.29.

Hình 2. 29. Mô hình một nửa biến tần 4Q dùng cho nguồn PV

Khi đó nguồn một chiều từ phía pin Mặt trời sau khi qua khối DC/DC

đã được MPPT đưa trực tiếp khối một chiều trung gian trên tụ DC linh.

Trường hợp hệ nguồn có kho trữ năng lượng ắc quy (song song với tụ DC) thì

B2 có tính năng làm việc thuận nghịch:

- DC/AC làm nhiệm vụ nghịch lưu cấp điện cho phía lưới;

- AC/DC làm nhiệm vụ chỉnh lưu nạp điện cho ắc quy khi lưới dư

thừa công suất.

2.3.3. Vấn đề tích trữ năng lượng

Tích trữ năng lượng trong hệ thống PV có vai trò đáp ứng được cho yêu

cầu của phụ tải trong những khoảng thời gian không có bức xạ Mặt trời (ban

đêm). Năng lượng sẽ được tích trữ vào kho năng lượng (ắc quy, siêu tụ). Tuy

nhiên, siêu tụ có giá thành cao và chỉ vận hành trong một giới hạn điện áp

nhất định nên không phổ biến. Luận văn sẽ nghiên cứu một số đặc điểm của

kho tích trữ năng lượng là ắc quy thông dụng loại Ắc quy chì - axit.

Ắc quy chì - axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực

âm là chì xốp Pb, dung dịch dùng là axit sulfuric H2SO4. Khi nối cực ắc quy

với mạch tải dung dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4.

Trong quá trình làm việc của ắc quy, có nhiều phản ứng hoá học xảy ra.

Trong quá trình nạp, sunfat chì ở cực dương biến đổi thành chì điôxit. Còn

khi ắc quy phóng hết điện, các chất tích cực trên điện cực dương PbO2 và trên

điện cực âm Pb biến thành PbSO4, Còn axit sunfuric H2SO4 biến hết thành

nước.. Trong một ắc quy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung

dịch chứa khoảng 36% tỉ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại là nước.

Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch so với mật độ nước gọi là tỷ

trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng của ắc quy, xác định

điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi ắc quy phóng hết. Điểm nhiệt độ hoá

rắn của dung dịch lại xác định khả năng làm việc của ắc quy tại các môi

trường nhiệt độ khác nhau. ở môi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ

trọng đặc trưng của ắc quy phải cao. Tỷ trọng đặc trưng khi ắc quy nạp đầy thường trong phạm vi 1,250 đến 1,280 ở nhiệt độ 27oC, nghĩa là mật độ dung

dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến 1,28 lần. Khi ắc quy phóng hết điện, tỷ trọng

đặc trưng sẽ giảm dần về 1. Điện áp định mức của một ngăn ắc quy chì là

khoảng 2,1 V.

Loại ắc quy này có tuổi thọ cao, dung lượng lớn. Ắc quy chì - axit được

sử dụng phổ biến trong hệ quang điện làm việc độc lập vì nó có giá thành hợp

lý, tính tiện dụng và khả năng lưu giữ điện năng từ vài tiếng đồng hồ đến vài

ngày.

Dung lượng ắc quy được đo bằng Ampe – giờ (Ah), xác định năng

lượng điện mà ắc quy phóng ra với một giá trị dòng điện nhất định trong một

khoảng thời gian nhất định. Khoảng thời gian thường dùng để xác định dung

lượng là 5 giờ, 10 giờ và 20 giờ. Tương ứng có ký hiệu dung lượng là C5,

C10, C20. Giá trị dòng điện đo được khi xác định dung lượng thường bằng

10% hoặc 20%C

Ví dụ: ắc quy có dung lượng C = 100Ah sẽ cung cấp cho tải 10A trong

10 h hoặc 20A trong 5h

Ắc quy có một số đặc điểm chính sau:

Chế độ nạp bình thường có thể bắt đầu bất cứ lúc nào, với dòng nạp

nào, miễn là không làm cho điện áp ắc quy vượt quá mức điện áp sinh hơi.

Chế độ nạp bình thường đem lại 80 đến 90% dung lượng ắc quy.

Chế độ nạp hoàn thiện bắt đầu khi ắc quy đã nạp gần đầy, phần lớn các

chất tích cực trong ắc quy đã trở về dạng ban đầu của nó. Khi đó sẽ cần phải

tăng giá trị điện áp nạp và dòng điện sẽ suy giảm dần về đến không.

Chế độ nạp cân bằng được sử dụng theo chu kỳ, sau vài tuần đến 2

tháng, với mục đích là làm cho các ngăn ắc quy có độ đồng đều. Chế độ này

yêu cầu điện áp nạp cao hơn so với nạp hoàn thiện và dòng điện nạp phải

được giữ ổn định, trong vài giờ. Thông thường, sau khi ắc quy phóng kiệt

cũng cần đến chế độ nạp này.

Độ sâu phóng điện: thể hiện bởi tỷ lệ phần trăm năng lượng điện đã cấp

cho tải bên ngoài so với dung lượng ắc quy. Độ sâu phóng điện, với một giá

trị dòng phóng nào đó, bị hạn chế bởi điện áp ngưỡng thấp nhất, thường chỉ

cho phép đến 15 – 25% dung lượng ắc quy.

Mức độ tự phóng điện: Khi ắc quy ở chế độ hở mạch dung lượng ắc

quy bị suy giảm chậm do dòng rò phía cực hoặc do cấu tạo của bản thân trong

ắc quy. Mức độ tự phóng của ắc quy tăng theo nhiệt độ, có thể đạt đến 10 đến

15%.

Việc lựa chọn ắc quy cho hệ PV có thể dựa vào những tiêu chí sau đây:

- Phóng sâu (phóng sâu khoảng 70 đến 80%)

- Dòng điện nạp/phóng thấp.

- Thời gian nạp và thời gian phóng.

- Độ ổn định khi nạp hay phóng.

- Thời gian tự phóng.

- Tuổi thọ

- Yêu cầu bảo trì

- Hiệu quả lưu giữ năng lượng.

- Giá thành thấp.

Các nhà sản xuất ắc quy thường chú trọng vào số chu kỳ phóng nạp

hoàn chỉnh cũng như khả năng phóng sâu của ắc quy. Mặc dù điều này có thể

giúp tính toán được tuổi thọ của ắc quy (ắc quy chì - axit) trong các hệ thống

thông thường như nguồn cấp năng lượng liên tục hay các phương tiện sử dụng

điện, nhưng đối với những hệ năng lượng mới vẫn có thể có những tính toán

sai sót về tuổi thọ của ắc quy. Trong hệ PV, hai vấn đề thường quyết định tuổi

thọ của ắc quy là việc nạp chưa đầy và việc nạp thấp trong thời gian dài của

ắc quy.

2.3.4. Hoạt động của pin Mặt trời [6]

Một bộ nguồn pin Mặt trời thông thường được tổ hợp theo nguyên tắc

sau: phần tử nhỏ nhất là tế bào quang điện hay còn gọi là PV cell được ghép

thành module như một đơn vị sản phẩm để từ đó các module ghép thành một

bộ nguồn mà thường gọi là Array thùy theo mỗi thiết kế cụ thể, hình 2.30.

Hình 2. 30. Tổ hợp nguồn pin Mặt trời

Một PV cell có thể được mô tả thông qua sơ đồ như hình 2.31, biểu

thức toán và đặc tính như sau:

Hình 2. 31. Hình vẽ và sơ đồ mạch điện thay thế một PV cell

viết phương trình dòng điện theo luật Kirchhoff :

Và đặc tính V-I biểu diễn trên hình 2.32

Hình 2. 32. Đặc tính V-I của một PV cell

Trong đó, đường đặc tính 1 đại diện cho một PV cell lý tưởng còn thực

tế PV cell chỉ có thể chế tạo được tương ứng với đặc tính 2 phản ánh trung

thực sự ảnh hưởng của các thành phần điện trở song song Rp và nối tiếp Rs.

Từ các PV cell sẽ thực hiện các nguyên tắc ghép nối để tạo module:

- Ghép nối tiếp để tăng áp, hình 2.33;

- Ghép song song để tăng công suất (tăng dòng), hình 2.34

Hình 2. 33. Ghép nối tiếp PV cell

Hình 2. 34. Ghép song song PV cell

Từ module tổ hợp hai cách ghép để được một Array (bộ nguồn) mong

muốn. Trên hình 2.35 diễn tả một bộ nguồn gồm hai mạch song song, mỗi

mạch được tạo bởi 3 module nối tiếp

Hình 2. 35. Một Array pin Mặt trời

Xét một mạch điện, trong đó một Array cấp điện cho một phụ tải R với

đặc tính V-I và đặc tính P-V như trên hình 2.36

Hình 2. 36. Mô hình mạch điện nguồn PV Array

Nếu tải R thay đổi, điểm làm việc sẽ trượt trên đường đặc tính V-I. Tại

một điểm làm việc trên đặc tính tương ứng với một giá trị công suất P=V.I đại

diện cho sự cân bằng giữa công suất phát ra từ Array và công suất tiêu thụ

trên tải R. Thực tế cũng như lý thuyết cho thấy mỗi đặc tính luôn tồn tại một

điểm có giá trị công suất cực đại (maximum power point – MPP). Chân lý này

định hướng cho việc khai thác năng lực của Array với sự lựa chọn điểm làm

việc MPP để đạt được hiệu quả cao nhất cho hệ thống, hình 2.37

Hình 2. 37. Đặc tính V-I và P-V với điểm MPP

Trong thực tế làm việc, tổng cường độ chiếu xạ của Mặt trời mà PV

Array nhận được là không cố định, thay đổi theo giờ trong ngày và nhiều yếu

tố khác như thời tiết, đám mây...làm ảnh hưởng tới công suất phát của PV

Array. Với mỗi mức chiếu xạ PV Array nhận được sẽ có các đặc tính V-I

tương ứng, hình 2.38

Hình 2. 38. Đặc tính V-I thay đổi theo mức chiếu xạ

Như vậy, hệ nguồn PV Array không thể thiết lập cố định một điểm làm

việc tốt nhất, phụ tải phải chấp nhận một đáp ứng công suất thay đổi mặc dù

đó là công suất tại MPP.

Mặt khác, khi các module trong Array nhận được cường độ chiếu xạ

không đều nhau thì đặc tính V-I (đường 1) và đặc tính P-V (đường 2) sẽ bị

biến dạng khác với trường hợp lý tưởng đã xét ở trên, hình 2.39. Tất nhiên khi

này việc dò tìm MPP sẽ phải có thuật toán phức tạp hơn.

Hình 2. 39. Đặc tính thực tế của PV Array

2.3.5. Tìm điểm làm việc cực đại theo thuật toán P&O

Như đã nói ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP định trên

đường đặc tính I – V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức

xạ thay đổi. Chẳng hạn, hình 2.38 thể hiện các cặp đường đặc tính I-V 1000W/m2, 600 W/m2, 300W/m2 ở hai nhiệt độ 3000K và 3300K (tương ứng ở nhiệt độ 250C và 550C). Nhận thấy rằng khi nhiệt độ tăng thì điện áp hở mạch

giảm và công suất phát ra cực đại giảm theo. Tương tự, khi cường độ bức xạ

giảm thì công suất phát ra cũng giảm theo do đường đặc tính I-V đã thấp hơn.

Hình 2. 40. Đường đặc tính I-V khi thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ

Hình 2. 41. Đặc tính P-V khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi

Việc nâng cao hay giảm thấp của đường cong P-V trên hình 2.41 cho

thấy rằng công suất phát ra có thể được điều chỉnh theo điện áp đặt vào tấm

Mặt trời. nếu điện áp đặt vào ở đúng điểm MPP thì điểm làm việc của tấm pin

Mặt trời sẽ rơi đúng vào đỉnh của parabol tương ứng công suất phát ra là lớn

nhất. Vấn đề là phải có biện pháp để tìm được các điểm MPP này khi điều

kiện vận hành thực tế vì nó luôn biến động. Do đó, yêu cầu phải có một thuật

toán thực sự để tìm ra điểm làm việc cực đại, thuật toán này là trung tâm của

bộ điều khiển và được gọi là bộ theo dõi điểm làm việc cực đại MPPT

(Maximum Power Point Trackers).

Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV,

được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy pin Mặt

trời. Nó được đặt trong bộ điều khiển bộ biến đổi DC/DC.

Các thuật toán MPPT điều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều

tham số, thường là các tham số như dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra

của bộ DC/DC. Các thuật toán này được so sánh dựa theo các tiêu chí như

hiệu quả định điểm làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử

dụng, độ phức tạp của hệ thống, tốc độ biến đổi…

Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng

dụng trên nhiều hệ thống. Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc của các

pin Mặt trời cứ 30 giây một lần bằng cách tách pin Mặt trời ra khỏi mạch

trong một khoảng thời gian ngắn. Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được

điều chỉnh lên 76% của Voc. Tỷ lệ % này phụ thuộc vào loại pin Mặt trời sử

dụng. Việc thực hiện phương pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi

phí mặc dù hiệu quả MPPT là thấp (từ 73% đến 91%). Phương pháp tính toán

cũng có thể dự đoán vị trí của điểm MPP, tuy nhiên trong thực tế, phương

pháp này làm việc không hiệu quả vì nó không theo được những thay đổi vật

lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên ngoài khác như bóng của các

vật cản … Hơn nữa, một nhật xạ kế đo cường độ bức xạ có giá thành rất đắt.

Các thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch có thể cho

hiệu quả cao hơn, nên các thuật toán này được sử dụng phổ biến hơn cho

MPPT. Trong khuôn khổ của luận văn này, em chỉ phân tích phương pháp

MPPT được ứng dụng rộng rãi, đó là phương pháp P&O (Perturb and

Observe)

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất

nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này

xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công

suất lớn nhất. Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến

thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu sự

biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều

hướng thay đổi ngược lại. Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác

định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung

a) Điểm làm việc cực đại

quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó.

b) Xu hướng chuyển dịch điểm vận hành

Hình 2. 42. Phương pháp tìm điểm làm việc cực đại P&O

Lưu đồ thuật toán được thiết lập như trên hình 2.43

Hình 2. 43. Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O

Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc

biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định. Vấn đề này có

thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O là sẽ so sánh

các tham số trong hai chu kỳ trước. Một cách khác để giải quyết việc hao hụt

công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi

điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong

việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn.

Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được

chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi.

Đặc điểm của phương pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản

nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao

động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng. Phương pháp

này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.

Bảng 2. 2. Bảng tổng kết đặc điểm của thuật toán P&O

Thông số đo Ưu điểm Nhược điểm

Sử dụng nhiều phép lặp; điểm Đơn giản, dễ dàng thực làm việc dao động quanh MPP VPV, IPV hiện, có thể sử dụng cho (2 cảm biến) khi có sự thay đổi nhanh của hệ PV lớn thời tiết.

Giới hạn chính của MPPT là không tác động gì đến tín hiệu ra trong khi

xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất. Nó không thể cùng một lúc tác

động lên tín hiệu vào và tín hiệu ra. Vì vậy, nếu hệ thống cần điện áp ra ổn

định thì phải sử dụng đến ắc quy để duy trì điện áp ổn định.

Một nhược điểm khác của MPPT nữa là: việc xác định điểm làm việc

có công suất tối ưu sẽ dừng lại nếu như tải không thể tiêu thụ hết lượng công

suất sinh ra. Đối với hệ PV làm việc độc lập có tải bị giới hạn bởi dòng và áp

lớn nhất thì phương pháp MPPT sẽ dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm

MPP và gây tổn hao công suất. Với hệ này, việc xác định chính xác dung

lượng của tải là rất quan trọng để có thể tận dụng được hết dung lượng của

các pin Mặt trời. Ngược lại, hệ PV làm việc với lưới luôn xác định điểm làm

việc có công suất lớn nhất vì nếu thừa công suất hệ thống có thể bơm vào lưới

điện để tăng lợi nhuận.

Tuy nhiên, hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC thực tế dùng trong MPPT

không bao giờ đạt được 100%. Hiệu suất tăng lên từ phương pháp MPPT là

rất lớn nhưng hệ thống pin Mặt trời cũng cần phải tính đến tổn hao công suất

do bộ biến đổi DC/DC gây ra. Cũng phải cân nhắc giữa hiệu suất và giá

thành. Việc phân tích tính kinh tế giữa hệ thống pin Mặt trời với các hệ thống

cung cấp điện khác cũng như việc tìm ra các cách thức khác để nâng cao hiệu

suất cho hệ thống pin Mặt trời (chẳng hạn như dùng máy theo dõi Mặt trời)

cũng là việc làm cần thiết.

2.4. Kết luận chương 2

Nội dung chương 2 đã giới thiệu tổng quan về năng lương tái tạo nói

chung và 2 dạng được quan tâm đến trong nội dung luận văn là năng lượng

gió và năng lượng Mặt trời. Các nghiên cứu cơ bản để xây dựng cấu trúc cho

hệ nguồn máy phát điện sức gió và pin Mặt trời kết hợp với các bộ biến đổi

điện tử công suất mà cụ thể là bộ biến đổi kiểu biến tần 4 Q đã nghiên cứu

trong chương 1.

Chương 3

MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

3.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống

Dựa trên cơ sở phân tích trong chương 2, bước tiếp theo là xây dựng

mô hình mô phỏng hệ thống. Từ kết quả phân tích về về biến tần 4Q và hai

dạng nguồn năng lượng tái tạo là pin Mặt trời và máy điện sức gió công suất

nhỏ ta có những lựa chọn khác nhau. Trường hợp tổng quát máy phát điện sức

gió sử dụng máy phát điện xoay chiều 3 pha thì sơ đồ có thể thiết lập như trên

hình 3.1

Hình 3. 1. Sơ đồ máy phát điện xoay chiều 3 pha

Trường hợp đối với máy phát dị bộ nguồn kép (DFIG) có công suất

khá lớn thì biến tần 4Q có thể được phối hợp với máy phát theo cấu trúc như

trên hình 3.2

Hình 3. 2. Mô hình DFIG với Biến tần 4 Q

Trường hợp sử dụng máy phát điện một chiều công suất nhỏ ta có thể

áp dụng một cấu trúc đơn giản hơn. Khi đó đầu ra máy phát cũng như nguồn

điện pin Mặt trời sẽ bỏ qua bộ biến đổi B1 mà kết nối với khối một chiều

trung gian, sơ đồ chỉ sử dụng một bộ biến đổi B2 của biến tần 4Q như sơ đồ

trên hình 3.3a,b

b) Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống nguồn điện pin Mặt trời và máy điện sức gió một chiều

Trường hợp riêng với PV Array ta có thể thiết lập một cấu đơn giản như

trên hình 3.4

Hình 3. 4 Cấu trúc hệ thống nguồn pin Mặt trời

Khi đó trong cấu hình của biến tần 4Q chỉ xét đến một bộ biến đổi B2.

Tất nhiên là B2 vẫn đảm bảo có đủ cả hai chức năng là:

- Nghịch lưu DC/AC cấp điện cho tải xoay chiều 3 pha và có thể hòa

lưới;

- Chỉnh lưu khi cần thiết nạp điện cho ắc quy nếu lưới dư công suất về

đêm tối.

Như vậy, mỗi trường hợp sẽ lựa chọn một phương thức điều khiển sao

cho phù hợp. Trong các mô hình trên Battery được xem như một kho lưu trữ

điện năng nếu cần thiết.

Qua nội dung phân tích trên, hoạt động của một biến tần 4Q cùng với hai

dạng nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo có thể được lựa chọn như sau:

- Đối với máy phát điện sức gió chọn mô hình như trên hình 3.2;

- Đối với nguồn điện pin Mặt trời chọn mô hình như trên hình 3.4.

Tuy nhiên, nội dung luận văn được giới hạn lại chỉ mô phỏng đại diện

mô hình biến tần 4 Q áp dụng cho máy phát điện sức gió.

3.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ thống máy phát điện dị bộ nguồn kép

[3],[4],[8]

3.2.1. Giới thiệu chung

Máy điện dị bộ ba pha rotor ruột quấn (DFIG) là dạng máy điện quen

biết do có khả năng đưa nguồn nuôi ba pha tới máy từ cả hai phía stator và

rotor nên thường gọi đó là máy điện dị bộ nguồn kép.

Ngày nay. DFIG đang được quan tâm nhờ phạm vi ứng dụng mới: máy

phát (MP) trong các hệ thống phát điện chạy sức gió với dải công suất từ vài

chục kW đến vài MW. Lý do rất đơn giản: để điều khiển/điều chỉnh dòng

năng lượng qua MP, ta chỉ phải sử dụng biến tần có công suất cỡ bằng 1/3

công suất MP tác động trực tiếp qua hệ thống vành góp vào rotor. Điều này

cho phép giảm giá thành hệ thống một cách đáng kể. Ngoài ra, DFIG có khả

năng hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi khá rộng, cho phép tận

dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió.

Hình 3. 5. Phạm vi hoạt động của DFIG và dòng chảy năng lượng ở chế độ

a) Các phạm vi hoạt động

b) Dòng năng lượng MP ở phạm vi dưới đồng bộ

c) Dòng năng lượng MP ở phạm vi trên đồng bộ

Nhờ khả năng nuôi từ phía rotor, DFIG cho phép thực hiện đơn giản

bốn chế độ vận hành như hình 3.5 a). Hoàn toàn độc lập với tốc độ quay cơ

học (trên hoặc dưới đồng bộ), việc máy hoạt động ở chế độ động cơ hay máy

phát chỉ phụ thuộc vào dấu cho trước của mômen mM. Theo hình 3.5 a), máy

điện sẽ hoạt động ở chế độ máy phát, nếu mômen mang dấu âm. Ta đã biết,

kích cỡ của mM đặc trưng cho kích cỡ của công suất phát ra (ở chế độ máy

phát) hoặc công suất lấy vào (ở chế độ động cơ) của DFIG và việc điều

khiển/điều chỉnh công suất đó (ví dụ: thông qua mômen) không được phép

ảnh hưởng đến hệ số công suất (HSCS) cos đã đặt cho thiết bị.

Bằng một biến tần không chỉ có khả năng lấy mà còn có khả năng hoàn

năng lượng trả lại lưới, DFIG có thể được vận hành ở hai chế độ: trên hoặc

dưới đồng bộ. Ở cả hai chế độ đó, máy cung cấp năng lượng lên lưới ở phía

stator. Phía rotor, máy:

- lấy năng lượng từ lưới ở chế độ dưới đồng bộ (hình 3.5b) và

- hoàn năng lượng trở lại lưới ở chế độ trên đồng bộ (hình 3.5c).

Về nguyên tắc: bộ biến đổi B1 trên thực tế không chỉ có nhiệm vụ

chỉnh lưu theo nghĩa thông thường: lấy năng lượng từ lưới, mà còn có nhiệm

vụ hoàn năng (từ mạch một chiều) trở lại lưới (ba pha). Vì vậy, về cấu trúc

mạch điện tử công suất, B1 hoàn toàn giống như cụm B2, việc đặt tên như

trên chỉ có ý nghĩa tượng trưng. Cụm B1 có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện

áp mạch một chiều trung gian UDC, điều chỉnh cos và qua đó có thể giữ vai

trò bù công suất vô công, một nhiệm vụ thường được giải quyết bằng tụ bù

đắt tiền và thiếu chính xác.

3.2.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ DFIG

Từ [6Q] và kết hợp Matlab – Simulik ta có mô hình mô phỏng hệ DFIG

và biến tần 4Q (viết tắt là DFIG-4Q) như trên hình 3.6 a,b

Hình 3. 6. Cấu trúc mô phỏng hệ DFIG-4Q

Cấu trúc hệ thống giữa DFIG và lưới điện được mô tả trên sơ đồ hình

3.6a gồm hợp bộ máy phát điện nguồn kép và turbine sức gió kết nối với lưới

đồng thời cấp điện cho một tải 3 pha 500 KW. Máy phát với biến tần 4Q gồm

hai bộ biến đổi Grid-Converter (B1) và Rotor-converter (B2) được điều khiển

từ riêng biệt từ hai bộ điều khiển Uctrl-Grid và Uctrl-Rotor.

Giả thiết hệ thống hoạt động trong điều kiện tốc độ gió thay đổi theo

kịch bản *:

Time (s) 0 1 3 5 10

Wind Speed (Wm) 8 4 4 10 10

Tốc độ gió thay đổi làm cho tốc độ rotor thay đổi nên B2 phải được

điều khiển để chỉnh tần số dòng rotor cho phù hợp đảm bảo điện áp mạch

stator máy phát luôn ổn định tần số định mức. Kết quả mô phỏng thu được thể

hiện trên các đồ thị từ hình 3.7 – hình 3.13.

Hình 3. 7. Tốc độ rotor

Trên hình 3.7: Khi tốc độ gió thay đổi theo kịch bản * làm tốc độ rotor

của DFIG giảm từ tốc độ trên đồng bộ (0s - 2.44s) xuống dưới đồng bộ (2.44s

– 11.2s) rồi lại tăng lên trên đồng bộ (11.2s – 20s). Tương ứng, công suất của

DFIG phát ra cũng thay đổi theo như trên hình 3.8a,b.

a) Công suất DFIG thay đổi theo tốc độ gió (tốc độ rotor)

b) Công suất DFIG thay đổi theo kịch bản *

Hình 3. 8. Công suất phát ra từ DFIG

Trên hình 3.9 và 3.10 cho thấy trong suốt quá trình mà tốc độ rotor thay

đổi thì điện áp và dòng điện do DFIG phát ra trên mạch stator vẫn đảm bảo

sin tuyệt đối. Điều này có được do hệ điều khiển của bộ biến đổi B2 của biến

tần 4Q thực hiện.

Hình 3. 9. Điện áp trên Stator (điện áp lưới)

Hình 3. 10. Dòng điện Stator phát vào lưới

Trên hình 3.11a,b cho thấy trong khoảng thời gian khảo sát, tốc độ

rotor thay nên tần số dòng điện mạch rotor cũng phải thay đổi (nguyên lý cơ

bản của DFIG) để đảm bảo ổn định tần số cho dòng và áp mach stator). Khi

rotor quay ở tốc độ đồng bộ thì dòng rotor sẽ xuy biến về thành dòng một

chiều, điều này cũng có thấy tại các thời điểm tốc độ rotor thay đổi qua tốc độ

đồng bộ.

Hình 3. 11. Điều khiển tần số dòng điện rotor thay đổi khi tốc độ rotor thay

a) Dòng điện rotor đổi chiều hai lần theo lịch bản *

b) Dòng điện rotor suy biến thành 1 chiều ở thời điểm tốc độ đồng bộ

đổi

Trên hình 3.12, nếu quan sát kỹ sẽ thấy khi tốc độ rotor từ trên đồng bộ

(DFIG phát công suất vào lưới từ cả hai phía sator và rotor) giảm xuống dưới

đồng bộ thì dòng điện phía bộ biến đổi B1 đã đổi chiều, tương ứng DFIG

chuyển chế độ, mạch rotor đang phát công suất vào lưới sang chế độ nhận

năng lượng về từ lưới chỉ riêng làm nhiệm vụ cho kích từ. Điều này được thấy

rõ hơn trên hình 3.13 khi so sánh thấy góc pha của dòng điện thay đổi 180 độ

trong khi đó góc pha điện áp được giữ nguyên.

Hình 3. 12. Dòng điện 3 pha giữa lưới và bộ biến đổi B1

Hình 3. 13. Tách riêng một pha dòng điện giữa lưới và bộ biến đổi B1

3.3. Kết luận chương 3

Từ các nghiên cứu lý thuyết trong chương 1 và chương 2, nội dung

chương 3 đã xây dựng mô hình đặc trưng cho nội dung nghiên cứu của đề tài

và lựa chọn mô phỏng đại diện cho một hệ thống máy phát điện sức gió có sự

tham gia tích cực của biến tần 4Q. Nghiên cứu đã tham khảo những tài liệu

thiết yếu và tin cậy cho việc xây dựng cấu trúc mô phỏng.

Kết quả mô phỏng thu được một cách chọn lọc nhằm làm sáng tỏ khả

năng đặc biệt hệ biến tần 4Q. Các bộ biến đổi B1 và B2 đã thực hiện tốt chức

năng giúp cho DFIG phát công suất trong điều kiện năng lượng đầu vào (tốc

độ gió thay đổi)

- Giữ vững tần số hòa lưới cả hai phía stator và rotor

- Khi tốc độ rotor trên đồng bộ, DFIG phát công suất cả hai phía

stator và rotor

- Khi tốc độ rotor dưới đồng bộ, biến tần 4Q chỉ có nhiệm vụ kích từ

đồng thời tăng khả năng phát công suất cho mạch stator của DFIC.

KẾT LUẬN CHUNG

Luận văn đã tập trung nghiên cứu vào một lĩnh vực mới, góp một tiếng

nói đồng tình cho xu thế phát triển các nguồn năng lượng sạch trên toàn Cầu

nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Trong đó, hai dạng năng lượng có tiềm

năng lớn nhất đó là năng lượng gió và năng lượng Mặt trời có nhiều ưu thế

phát triển nhất trong hiện tại và tương lai. Tuy nhiên, vấn đề phát triển khai

thác năng lượng tái tạo chỉ có thể dựa trên nền tảng của các bộ biến đổi điện

tử công suất.

Nội dung trình bày của luận văn theo một bố cục lô gic theo 3 chương

từ tổng quan đến cụ thể cho một mô hình thực tế về dạng nguồn điện sử dụng

năng lượng gió và năng lượng Mặt trời. Từ cơ sở lý thuyết đến các tính toán

và mô phỏng kết quả trong Matlab-Simulink đã khẳng định độ tin cậy của

luận văn. Luận văn có thể được xem như một tài liệu tham khảo cho sinh viên

ngành điện khi học và nghiên cứu về lĩnh vực năng lượng tái tạo hay các dạng

mạng điện phân tán, mạng cục bộ…

Được sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức Minh cùng

với sự giúp đỡ của bạn b đồng nghiệp và bản thân tác giả đã rất cố gắng hoàn

thành luận văn. Nhưng do trình độ còn hạn chế, thời gian nghiên cứu chưa

nhiều và nhiệm vụ của luận văn liên quan đến lĩnh vực khá rộng, nên luận văn

không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế tác giả rất mong nhận được sự

đóng góp của các thầy, cô, bạn b đồng nghiệp.

100

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng việt

[1] Ngô Đức Minh, Ứng dụng chỉnh lưu BESS trong mạng điện cục bộ nguồn thủy điện công suất nhỏ, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, năm 2009-2010.

[2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất

NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

[3] Nguyễn Phùng Quang Truyền động điện thông minh. NXB Khoa học và

Kỹ thuật, năm 2004.

[4] Nguyễn Phùng Quang. “Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa mômen và hệ số công suất”. Báo cáo khoa học tại (VICA3). năm 1998.

Tài liệu tiếng Anh

[5] By Alejandro Montenegro Leon, Advanced Power Electruaoinic For

[6] Gilbert M. Masters, Renewable and Efficient Electric Power Systems,

[7] M. Sc. Mariusz Malinowski, Three - Phase PWM Rectifiers, Copyright

Warsaw, Poland - 2001.

[8] Matlab R2008b

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trương Nhật Tiên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

PHÒNG ĐÀO TẠO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS. Ngô Đức Minh

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – 2014

LỜI CAM ĐOAN

LỜI NÓI ĐẦU

MỤC LỤC

Chương 1 ...................................................................................................... 1

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ ...................................... 1

1.3. Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ........ 12 1.4. Mô tả toán học và điều khiển chỉnh lưu PWM ............................. 14 1.4.1. Mô tả dòng điện và điện áp nguồn .............................................. 14

1.3. Kết luận chương 1............................................................................ 27 Chương 2 .................................................................................................... 28

NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ............................................... 28

2.3. Pin lượng Mặt trời ........................................................................... 61 2.3.1. Năng lương Mặt trời ................................................................... 61

3.3. Kết luận chương 3............................................................................ 98 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................. 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 100

HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

+ M

- M

+ n

+ n

Góc II

Góc I

Góc IV

Góc III

- M

+ M

- n

- n

C

Tải

C

M

Chương 2

NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Tốc độ gió

Số giờ có

Xác

suất

Xác

3

3

Xác

mỗi năm

mỗi giờ có

(m/s)

suất mỗi giờ

suất có

có

(

)

(

)

)

400 (

Chương 3

MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo