Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ

ần cứng sử dụng là phần tử khả trình Simatic S7-200 của hãng Simens. Một thiết bị điều khiển, chẩn đoán và giám sát từ xa (hình 3.2) đã được tích hợp thêm (kết nối với bộ điều khiển hệ thống thông qua modem của S7-200 và đường dây điện thoại) cho phép thực hiện được các chức năng quan trọng như: chẩn đoán hệ thống, phát hiện lỗi, cập nhật phần mềm v.v… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Hình 3.2. Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát điện sức gió 3.1.2 Cấp điều khiển hiện trường Trong hệ thống phát điện sức gió, cấp điều khiển hiện trường là một bộ điều khiển do Phòng Thí nghiệm trọng điểm Tự động hoá thiết kế, chế tạo, được tích hợp dựa trên vi xử lý tín hiệu số TMS 320F2812 của hãng Texas Instrument. Bên cạnh card điều khiển (hình 3.3) là 3 module được thiết kế để giải quyết 3 bài toán điều khiển cấp hiện trường như: Hình 3.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường * Điều khiển nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh ổn định điện áp ra phía tải tiêu thụ (220V/50Hz) Bộ điều khiển hiện trường Thiết bị cấp trường Hệ thống điều khiển giám sát tại chỗ Modem Hệ thống điều khiển giám sát từ xa M o d em Thiết bị điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu Card điều khiển Module nghịch lưu Module nạp acqui Module điện trở đốt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 * Điều khiển điện trở đốt, đáp ứng yêu cầu năng lượng dư thừa khi năng lực tiêu thụ đầu ra của tải nhỏ hơn so với năng lượng phía đầu vào. * Điều khiển nạp ăc-quy, phục vụ việc tích trữ năng lượng, đảm bảo sự cân bằng về năng lượng thu và nhận của trạm phát điện sức gió. a. Card điều khiển Các thông số kỹ thuật cơ bản của card điều khiển (hình 3.4) + 256 Kword Flash EPROM + 64 Kword SRAM + 8 Kbyte EEPROM, loại SPI + 12 kênh PWM với mức tín hiệu đưa ra là 0-5V + 3 đầu vào số 24V DC + 1 cổng truyền thông RS485 + 1 cổng truyền thông RS232 + 4 đầu vào số cách ly quang; 16 kênh đầu vào tương tự, phạm vi tín hiệu vào yêu cầu là 0-5V DC b. Module nghịch lưu Thành phần chính là các van bán dẫn cho phép thực hiện đóng cắt với tần số cao, trong đó tín hiệu điều khiển được xác định căn cứ theo thuật toán điều khiển và điều chế vector không gian nạp trong card điều khiển. Do hệ thống được lắp đặt ở những nơi không có lưới điện quốc gia, do đó nó là nguồn cung cấp điện duy nhất trong hệ thống lưới phụ tải, có đặc điểm là thành phần điện trở và điện cảm phụ tải biến thiên một cách ngẫu nhiên theo nhu cầu sinh hoạt của khu dân cư. Và như vậy phần điều khiển điện áp ra cung cấp sẽ phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật sau: + Thứ nhất, biên độ và tần số điện áp cung cấp phải đảm bảo giữ ổn định (220V/50Hz). Trong đó, yêu cầu về biên độ được ưu tiên, tần số được phép biến thiên trong một phạm vi nhất định. + Thứ hai, hệ số công suất phát phải tuân theo những thay đổi của phụ tải tiêu thụ.Lý tưởng là: Hệ thống có khả năng bù để sao cho hệ số cosφ là tốt nhất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Đây chính là động lực của giải pháp bù và là nguyên nhân đưa đến đăng ký sở hữu trí tuệ của giải pháp này. + Thứ ba, công suất phát phải đáp ứng được yêu cầu của phụ tải tiêu thụ. Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc rất nhiều vào nguồn năng lượng gió và khả năng tích luỹ của hệ thống lưu điện. Đây là các nhiệm vụ của bài toán điều khiển nghịch lưu – bài toán điều chỉnh ổn định điện áp ra. Hình 3.4. Cấu trúc phần cứng card điều khiển c. Module nạp ăc-quy Trong hệ thống, bộ phận ắc-quy được sử dụng để điều phối quá trình thu và phát năng lượng. Nếu năng lượng thu về từ máy phát lớn hơn năng lượng tiêu thụ của lưới bộ phận ắc-quy rơi vào chế độ nạp và sẽ ngừng khi được nạp đầy. Khi năng lượng thu được nhỏ hơn năng lượng tiêu thụ, ắc-quy sẽ chuyển sang chế độ phát, đưa năng lượng ra mạch một chiều bù đắp vào phần thiếu hụt. Tuy nhiên ắc-quy sẽ chỉ làm việc trong chế độ phát cho đến khi năng lượng dự trữ trong nó tụt giảm xuống đến nhỏ hơn mức năng lượng giới hạn. Cấu trúc phần cứng của bộ phận ắc-quy trong hệ thống bao gồm: PWM outputs QEP inputs Set-up GPT/EVx EEPROM (SPI) PLC Comm. (RS485) Keyboard /Display Comm. (RS232) P4 P7 P8 P6 P2 P5 P9 J1 J7 J8 J9 J11 J12 Analog Inputs (ADC) Boot mode Module Trung tâm Power Supply Flash ROM 512Kx16 (Zone 2) SRAM 8Kx16 (Zone 1) Peripheral (Zone 0) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 + Các phần tử ắc-quy 12V mắc thành mạng ắc-quy. + Mạch điều khiển nạp, phóng ắc-quy, tương ứng với hai chế độ làm việc là chế độ nạp và chế độ xả d. Module điện trở hãm Đây là module phần cứng được thiết kế để giải quyết tình huống năng lượng từ phía máy phát đưa đến mạch một chiều đã bắt đầu vượt quá năng lượng từ mạch một chiều đưa ra ngoài lưới tiêu thụ, gây ra sự mất cân bằng về năng lượng thu phát hệ thống. Khi phát hiện ra trạng thái mất cân bằng năng lượng bộ phận điện trở đốt sẽ hoạt động và thực hiện tiêu hao bớt năng lượng trong mạch một chiều, một mặt giúp làm triệt tiêu sự mất cân bằng năng lượng trong hệ thống. Măt khác góp phần làm tăng mômen cản đối với máy phát, một tác động cần thiết khi xảy ra các cơn gió mạnh kéo dài. Bài toán điều khiển này chỉ được hoạt động khi việc nạp ắc-quy không làm giảm bớt được sự chênh lệch nói trên. Giải pháp này được xây dựng dựa trên các phần tử phần cứng sau: + Bể nước với hệ thống dẫn nước vào và xả nước ra. Hình 3.5. Cấu trúc của Module điện trở hãm Cảm biến đo mức trên Cảm biến đo mức dưới Mức nước Van nạp Van xả Điện trở đốt Van công suất Tín hiệu điều khiển Mạch một chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 + Bộ điện trở đốt, với nhiệm vụ tiêu tán năng lượng một chiều trên nó. + Van bán dẫn công suất, làm nhiệm vụ điều khiển cường độ dòng điện một chiều chảy qua điện trở đốt. + Hai phần tử cảm biến đo mức nước. Bài toán điều khiển điện trở hãm khi đó được chia làm hai phần: +Thứ nhất là bài toán điều khiển cường độ dòng điện một chiều chảy qua điện trở, ở đây tác động đến cường độ dòng điện cũng sẽ gián tiếp tác động đến mức năng lượng sẽ bị tiêu hao trên điện trở đốt. + Thứ hai là bài toán điều khiển mức nước, đảm bảo duy trì mức nước trong phạm vi cho phép, nằm giữa hai vị trí cảm biến báo mức. 3.1.3 Cấp điều khiển hệ thống Thiết bị sử dụng là thiết bị điều khiển khả trình PLC loại Simatic S7-200 của hãng Siemens. Bên cạnh vai trò thu nhập dữ liệu về thông số làm việc của hệ thống (trạng thái hoạt động của các phần tử điện trở đốt, ắc-quy,biến tần,các thông số điện như dòng,áp và tần số v.v….), thiết bị còn thực hiện các bài toán điều khiển Master: + bài toán khởi động, + bài toán cung cấp điện và + bài toán giao tiếp từ xa. Ở cấp điều khiển hệ thống, các chế độ làm việc được thiết lập căn cứ trên hiện trạng hoạt động của hệ thống và các lệnh điều khiển đưa xuống bộ điều khiển hiện trường.  Bài toán cung cấp điện Trong các bài toán trên, bài toán cung cấp điện cũng giữ một vai trò quan trọng. Phía phụ tải ghép nối với hệ thống phát điện sức gió theo các nhánh (hình 3.1), mỗi nhánh sẽ được gán mức ưu tiên khác nhau. Khi mức độ tiêu thụ phía phụ tải tăng lên trong khi năng lượng đầu vào và năng lượng dự trữ trong ắc-quy không thể đáp ứng được, thiết bị điều khiển cấp cao sẽ thực hiện cắt bớt các nhánh phụ tải có mức ưu tiên thấp để giảm công suất tiêu thụ đến mức tái lập sự cân bằng năng lượng trong hệ thống. Khi năng lượng dự trữ trong ắc-qui tụt xuống dưới mức cho Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 phép, thiết bị điều khiển sẽ cắt toàn bộ tải tiêu thụ cho đến khi năg lượng tích trữ được khôi phục trở lại.  Bài toán điều khiển, chuẩn đoán và giám sát từ xa Hệ thống máy phát điện sức gió hoạt động như một trạm phát điện độc lập với mạng lưới phụ tải riêng. Với đặc điểm như vậy, bài toán điều khiển, chẩn đoán và giám sát từ xa là rất cần thiết, nó cho phép đảm bảo hệ thống có thể vận hành trong tầm kiểm soát, các lỗi có thể xảy ra cho hệ thống sẽ được nhanh chóng phát hiện và xử lý kịp thời. Bên cạnh đó giải pháp sẽ giúp thực hiện thu thập các thông tin về quá trình hoạt động của hệ thống, tạo nguồn cơ sở dữ liệu cho các công việc bảo dưỡng, sửa chữa, đánh giá. Quá trình xử lý dữ liệu sẽ tách được những tham số đặc trưng cho các tình huống sự cố. Các tham số sau đó được khâu phân loại lỗi tiếp tục xử lý để nhận biết hệ thống có lỗi hay không và vị trí lỗi ở đâu trước khi đưa ra cảnh báo cần thiết. Điều này còn đặc biệt có ý nghĩa khi lắp đặt trạm tại những khu vực hẻo lánh xa xôi. Một số chẩn đoán đã được thực hiện trong trạm phát điện sức gió về: + Sự mất cân bằng của rotor máy phát do mòn trục, mòn hộp số, ngắn mạch các pha của máy phát. + Các bộ biến đổi điện chỉnh lưu, nghịch lưu (sự hở mạch hoặc ngắn mạch ). +Chuẩn đoán lỗi của máy biến áp. Tất cả các chuẩn đoán đều dựa trên công tác phân tích các số liệu về dòng, áp thu thập được từ xa. 3.2. Nghiên cứu về hệ thống Turbine gió 3.2.1. Mô tả Turbine Cụm Turbine WESTWIND là loại Tubine gió ngang,có trục nằm ngang, truyền động trực tiếp (không dùng hộp số) từ Turbine tới máy phát, được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống nạp ăc-quy hay hệ thống cung cấp năng lượng ở chế độ ốc đảo (độc lập, không hoà với lưới). Cấu tạo tổng thể của Turbine được minh hoạ trong hình 3.6 dưới đây.  Hệ thống Rotor (Rotor System) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Hình 3.6. Các thành phần chính của Turbine WESTWIND Hệ thống rotor bao gồm ba cánh được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu cacbon /sợi thuỷ tinh/epoxy. Ba cánh có nhiệm vụ chuyển năng lượng gió thành momen quay truyền trực tiếp tới máy phát điện. Các cánh được nhà sản xuất thiết kế bảo đảm tính linh hoạt, mềm dẻo trong suốt tuổi đời cánh bằng cách giảm các tác động ở cả hai điều kiện thông thường và khắc nghiệt. Cụm cánh đã được xử lý cân bằng động một cách kĩ lưỡng trước khi xuất xưởng nhằm bảo đảm vận hành êm Turbine. Các cánh đã được sơn phủ hai lớp bảo vệ chống thấm, chống ăn mòn bền vững. Đầu nhọn của cánh được bọc bảo vệ. Một cơ chế lật góc cánh thụ động (passive pitch, hoạt động nhờ lực li tâm) sẽ hạn chế tốc độ quay tối đa của rotor. Lực đảo góc cánh trở lại vị trí ban đầu sẽ do ba lò xo tạo nên, và đây là một thiết kế mang đặc thù tự bảo vệ ( tốc độ quay sẽ bị hạn chế ở mức thấp khi lò xo đã yếu đi hoặc thậm chí đã hư hỏng).  Thân Turbine (Mainframe or nacelle) Về cấu trúc cơ học, thân turbine thực chất là khung đỡ cơ học của toàn bộ turbine gió. Đó là nơi lắp và bảo vệ các vành góp điện, nơi lắp đặt máy phát điện, Đuôi Turbine Rotor Máy phát Thân Turbine Cáp phía trên Hãm đuôi Vành góp và thanh quét Hệ thống trượt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 nơi chứa cơ chế gập đuôi và là điểm gá lắp bộ cánh. Thân turbine chế tạo bằng thép và trước hết được bảo vệ nhờ lớp mạ, sau đó ủ nóng, và cuối cùng là lớp sơn phủ bằng bột đặc biệt. Nắp kiểm tra ở thân turbine cho phép dễ dàng tiếp cận các vành góp và thanh quét để thực hiện công tác bảo dưỡng.  Vành góp và thanh quét (Slip rings and brushes) Hệ thống vành góp và thanh quét hình 3.7 là nơi ghép nối giữa máy phát và cáp điện chạy dọc theo thân cột xuống mặt đất, cho phép turbine quay tự do hướng theo chiều gió mà không gây nên xoắn cáp. Để tăng độ tin cậy, cáp điện được nối với hai bộ thanh quét. Tuổi thọ ước tính của các thanh quét xấp xỉ là 20 năm. Thanh quét dưới cùng có nhiệm vụ tiếp địa còn ba thanh quét trên dẫn dòng máy phát. Hình 3.7. Hệ thống vành ghóp và thanh quét lấy điện (nằm trong thân Turbine) 3.2.2. Vận hành turbine Rotor của turbine WESTWIND bắt đầu quay (xuất phát từ trạng thái đứng yên) khi gió đạt tốc độ vượt 2,5(m/s). Đối với hệ thống thuần tuý nạp Ăc-quy, hệ thống sẽ bắt đầu nạp ở tốc độ gió chính xác nào, điều này hoàn toàn phụ thuộc trạng thái tích điện có sẵn của Ăc-quy. Đối với hệ thống có hoà lưới, tốc độ bắt đầu phát (cut-in wind speed) phụ thuộc vào chế độ đặt của nghịch lưu. Ngược lại, nếu rotor giảm tốc độ quay xuống tương ứng với tốc độ gió 2(m/s), ở trạng thái này điện áp ra của hệ thống sẽ không đủ để cung cấp tiêu thụ. Trong phạm vi các giới hạn của hệ, công suất ra tỷ lệ thuận trực tiếp với tốc Các hộp chổi than bị mòn đằng sau dây cáp Cáp dẫn hướng Cáp nối máy phát Hệ thống cổ góp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 độ quay của rotor. Vì lẽ ấy, khi tốc độ quay của rotor tăng cùng với mức tăng của tốc độ gió, hệ thống sẽ có khả năng cung cấp được nhiều năng lượng hơn. Công suất ra sẽ tăng rất nhanh so với mức tăng của tốc độ gió, vì năng lượng trong gió tỷ lệ với số mũ 3 của tốc độ gió. Ví dụ: Nếu tốc độ gió tăng từ 5(m/s) lên 10(m/s), tăng với hệ số 2, năng lượng trong gió sẽ tăng lên 8 lần (23=8). Hệ quả của tương quan kể trên giữa tốc độ gió và công suất phát: Ta sẽ chỉ thu được rất ít năng lượng khi gió nhẹ. Ở mức trung bình, tốc độ gió nằm trong dải 5.5-9(m/s) sẽ là dải chính cung cấp năng lượng. Một hệ quả khác của quan hệ mũ 3 của năng lượng gió, đó là: Khi gió mạnh, gió thường xuyên chứa nhiều năng lượng hơn khả năng tiêu thụ của hệ.  Gió mạnh-bảo vệ quá tốc độ (high wind-overspeed protection) Khi gió mạnh (tốc độ lớn hơn 16m/s) hệ thống bảo vệ quá tốc sẽ tự động tác động để bảo vệ turbine bằng 2 cách: Giới hạn tốc độ gió to và/ hay lật cánh rotor. Hình 3.8. Hệ thống lò xo lật cánh khi tốc độ gió quá lớn Hệ thống bảo vệ quá tốc bao gồm 2 hệ thống con độc lập và do đó có độ tin cậy rất cao. Khi tốc độ gió mạnh (>16m/s) hệ thống gập đuôi hình 3.9 sẽ tác động, quay rotor khỏi hướng đón gió trực diện, nhờ đó giảm diện tích hứng gió của 3 cánh và giảm năng lượng thu từ gió. Nếu turbine đang mang tải (mạch điện đang có tiêu thụ), momen máy phát sẽ có xu hướng hãm tốc độ quay cánh xuống ứng năng lượng lấy vào sau khi gập đuôi. Một trường hợp hiếm xảy ra là hệ thống gập đuôi không tác động, khi ấy tốc độ quay sẽ tăng và do đó kích hoạt hệ thống lật cánh thụ động Thanh luồn quá tốc độ Móc lò xo từ cạnh trên của đuôi và đặt lên giá đỡ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 (passive pitch system, Hình 3.8). Hệ thống đó lật cánh nghiêng đi một góc tối đa là 30 0 và tạo nên một sức cản khí động học nhằm giới hạn cánh ở tốc độ quay an toàn là 160(v/p) Khi đã gập đuôi , công suất ra của turbine sẽ giảm mạnh, dẫn đến việc phát điện hoặc sẽ ngừng lại trở nên ngắt quãng. Khi tốc độ gió ở trong khoảng 16-20 (m/s), việc đuôi có thể lặp đi lặp lại động tác gập hay duỗi là hoàn toàn bình thường.  Gập đuôi bằng tay (Manual furling) Có thể thực hiện gập đuôi turbine bằng tay nhờ một dây cáp kéo đơn giản. Thông thường, cáp đó được nối với một tời quay ở chân cột tháp. Khi quay tời, cáp đó sẽ kéo gập đuôi, cưỡng bức rotor quay lệch khỏi hướng gió chính, làm giảm công suất phát ra.  Quy trình gập đuôi (Furling procedure) Hình 3.9. Đuôi Turbine có thể tự gập khi gió mạnh khi gió mạnh hay gập bằng tay Tháp phát điện sức gió 20(KW) được chế tạo với một tời kéo gập đuôi gắn ở chân cột. Khi tác động, thân đuôi sẽ bị lệch đi một vị trí gần vuông góc hình 3.8 so với Turbine. Khi quay tời, cần theo dõi kĩ thân đuôi (tail boom) và ngừng quay khi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 thân đuôi đã đạt vị trí cần thiết. Hãy nới lỏng tời tại vị trí cuối cùng này. Chiều dài cáp nối tới tời gập đuôi cần phải được đo cắt chính xác để có thể gập đuôi được một góc gần 800. Sau khi nới tời, thân đuôi sẽ duỗi thẳng trở lại so với thân Turbine, và cáp phải ở trạng thái không hề bị xoắn. 3.3. Nghiên cứu về máy phát điện sử dụng năng lượng gió 3.3.1. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ a. Khái quát về máy phát không đồng bộ Trong các hệ thống phát điện chạy sức gió (PĐCSG) có hai loại máy phát không đồng bộ (KĐB) được sử dụng:  Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), còn được gọi là không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG). Máy phát KĐB-RDQ có stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía rotor được nối với lưới qua thiết bị diều khiển hình 3.10a. Hệ thống ăc-quy kích từ chỉ cần thiết khi hệ thống máy phát hoạt động ở chế độ ốc đảo, không hoà với lưới điện.  Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel- Cage Induction Generator: SCIG). Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát KĐB-RLS có stator nối với lưới qua thiết bị điều khiển Hình 3.10b. Tại đây, hệ thống ăc-quy kích từ Hình 3.10. Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ: Cụm ăc-quy kích từ chỉ cần thiết khi vận hành ở chế độ ốc đảo Hộp số KĐB RDQ Hộp số KĐB RLS NL phía MP NL phía lưới NL phía MP NL phía lưới Ăc-quy kích từ (chế độ ốc đảo) Ăc-quy kích từ (chế độ ốc đảo) a, b, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 cũng chỉ cần thiết khi máy phát hoạt động ở chế độ ốc đảo. Dễ dàng chỉ ra các ưu nhược điểm của hai hệ thống trên:  Do thiết bị điều khiển của KĐB-RDQ nằm ở phía rotor nên công suất chỉ còn bằng cỡ 1/3 của công suất máy phát. Dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều so với KĐB-RLS là loại cần thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, và do đó có công suất bằng chính công suất của hệ thống máy phát.  Tuy vậy, nhờ có thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, loại KĐB-RLS dễ điều khiển hơn rất nhiều so với KDB-RDQ. Đặc biệt là trong những trường hợp có sự cố về phía lưới. Hình 3.11. Đặc tính công suất có thể khai thác được từ gió với các tốc độ khác nhau: Cần điều khiển máy phát sao cho luôn đạt mức tối đa Trong một thời gian khá dài – khi mà kỹ thuật điều khiển còn phát triển chưa đầy đủ - vẫn tồn tại hệ thống PĐCSG có tốc độ quay cố định, khiến cho khả năng khai thác năng lượng từ nguồn gió rất hạn chế. Lớp đặc tính của tốc độ gió Hình 3.11 đã chỉ ra rõ ràng: Mỗi tốc độ gió đều có một điểm công suất tối đa ta cần khai 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 12m/s Tốc độ quay n/nN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 thác, tạo thành đường “công suất tối ưu”. Để hệ thống có thể khai thác năng lượng tốt nhất, ta cần điều khiển Turbine sao cho tốc độ quay của máy phát luôn bám sát điểm “maximum” đó, dẫn đến các chế độ vận hành trên (oversynchronous, n/nN>1) hoặc dưới đồng bộ (subsynchronous, n/nN<1). Tuy nhiên, vấn đề điều khiển Turbine thường được đặt ra với các hệ thống công suất lớn - rất lớn (vài trăm kW trở lên). Hệ thống điều khiển (ĐK) hệ thống máy phát hình 3.10 bao gồm:  ĐK nghịch lưu (NL) phía máy phát (MP).  ĐK nghịch lưu phía dưới (lưới phụ tải khi vận hành ở chế độ ốc đảo, lưới quốc gia ở chế độ hoà đồng bộ) Và phải giải quyết được các vấn đề sau đây:  Đối với NL phía MP: vấn đề ĐK cách ly (decoupling control) công suất hữu công P và công suất vô công Q, ĐK hoà đồng bộ. Đặc biệt, khi lưới xảy ra sự cố (sập lưới quốc gia, lưới mất cân pha nghiêm trọng), khi ấy MP phải có khả năng cung cấp công suất vô công Q giúp lưới trụ vững qua giai đoạn sự cố.  Đối với NL phía lưới: vấn đề cần giải quyết là ĐK hệ số công suất cos, kết hợp với lọc thông minh chặn nhiễu phát lên lưới. b. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor dây quấn * Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ Hình 3.12. Phạm vi hoạt động của máy phát KĐB-RDQ (a) với dòng năng lượng chảy ở chế độ MP thuộc phạm vi dưới (b) và trên đồng hồ (c) a, b, c, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 Nhờ khả năng cấp nguồn từ phía rotor, máy điện KĐB-RDQ cho phép đơn giản bốn chế độ vận hành như hình 3.12a. 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 momen mM . Theo hình 3.12a, 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 máy điện KĐB-RDQ 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 dưới, máy địên KĐB-RDQ có thể 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 3.12b)  Hoàn năng lượng trả lại dưới ở chế độ trên đồng bộ (Hình 3.12c) Hình 3.13. Khái quát cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng máy phát loại KĐB-RDQ Máy đóng ngắt NL phía lưới NL phía máy phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 Về nguyên tắc, biến tần hình 3.13 bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch lưu phía máy phát (NLMP). Nhiệm vụ chủ chốt của cụm NLMP là thực hiện điều chỉnh/cách ly có hiệu quả hai đại lượng mM và cos, điều chỉnh hoà đồng bộ với lưới cho MP cũng như điều chỉnh tách MP ra khỏi lưới khi cần thiết. Tuy nhiên, hai nội dung sau không phải là đối tượng của đề tài này. Cụm NLPL trên thực tế không chỉ có nhiệm vụ chỉnh lưu theo nghĩa thông thường: lấy năng lượng từ lưới, cụm còn có nhiệm vụ hoàn năng lượng (từ mạch DC) trở lại lưới (ba pha). Cụm NLPL có nhiệm vụ đìều 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. 3.3.2. Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu a. Khái quát về máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu Nếu trong trường hợp máy phát (MP) loại KĐB hình 3.10 ta phải tạo từ thông Rotor (kích từ) trước khi khai thác năng lượng từ sức gió. Hình 3.14. Máy phát đồng hồ kích thích vĩnh cửu có thể được sử dụng theo 1 trong 2 phương án: a) Điện áp MP được chỉnh lưu đơn giản; b) Điện áp MP được chỉnh lưu có ĐK tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ NL và MP. Hộp số ĐB- KTVC Hộp số ĐB- KTVC CL NL phía lưới NL phía lưới NL phía MP a, b, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ ắc-quy tạo dòng kích từ ban đầu (trường hợp vận hành ở chế độ ốc đảo). Trường hợp máy phát đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC) lại hoàn toàn khác: Từ thông đã tồn tại sẵn sàng nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt rotor. Vì vậy, chỉ cần MP quay là tại các cực nối ra của MP đã xuất hiện điện áp và MP có thể được sử dụng trong các hệ thống PĐCSG theo một trong hai phương án sau:  Sử dụng khâu chỉnh lưu (CL) đơn giản ở phía máy phát như hình 3.14a.  Sử dụng một khâu nghịch lưu phía máy phát (NLMP) như hình 3.14b. Khi sử dụng hai phương án ở hình 3.14 ta cần phải phân biệt giữa các cỡ công suất và chế độ vận hành hệ thống PĐCSG:  Công suất cỡ lớn (>50kw): Ở cỡ công suất này, hệ thống PĐCSG bao giờ cũng được thiết kế phục vụ cho chế độ vận hành có hoà lưới. Nghĩa là: Khả năng tiêu thụ P luôn đảm bảo, đồng thời năng lượng do Turbine lấy vào từ nguồn gió có thể ĐK chủ động được ( nhờ hệ thống ĐK góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, hình 3.11). Do đó ta có thể sử dụng 1 trong 2 phương án, chọn phương án nào còn chủ yếu phụ thuộc vào khả năng đầu tư.  Công suất cỡ nhỏ (<50kw): Ở cỡ công suất này, hệ thống PĐCSG cũng có thể được thiết kế phục vụ cho chế độ vận hành có hoà lưới, nhưng phần nhiếu nhằm vào chế độ vận hành độc lập (chế độ ốc đảo, không hoà lưới điện quốc gia). Đồng thời, Turbine cỡ này không có hệ thống ĐK góc cánh chủ động (bằng động cơ địên), mà chỉ có hệ thống lật cánh thụ động phục vụ mục đích bảo vệ an toàn khi gió lớn. Điều này dẫn đến một thực tế: Ta không thể ĐK dòng năng lượng vào và dòng năng lượng tiêu thụ lại lúc mạnh lúc yếu. Do đó, để khắc phục ta sẽ phải có giải pháp thích hợp. b. Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất nhỏ, vận hành ở chế độ ốc đảo Như trên ta đã phân tích: Trong trường hợp này ta buộc phải tiêu thụ toàn bộ năng lượng mà Turbine thu nhập được từ gió (nhằm tạo tác dụng phanh hãm an toàn cho Turbine), và do đó phải sử dụng phương án CL đơn giản ở hình 3.14a.Việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 chọn phương án hình 3.14b (phương án cho phép ĐK dòng năng lượng lấy vào nhờ NLMP) sẽ là một sự lãng phí. Cấu trúc hình 3.14a sẽ phài được bổ sung thêm như hình 3.15a. Hình 3.15. a) Hệ thống PĐCSG dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với bộ CL đơn giản nên phải có thêm mạch tải giả (Dump Load); b) Sơ đồ chi tiết của mạch tải giả. Trong trường hợp mất cân bằng giữa năng lượng do Turbine lấy vào và năng lượng tiêu thụ phía phụ tải, khiến cho:  Tốc độ quay của Turbine có nguy cơ tăng cao  Điện áp UDC của mạch DC trung gian (Bus Voltage) tăng nguy hiểm cho các van. Khi ấy DSP sẽ kích hoạt mạch tải giả để lấy lại sự cân bằng cần thiết, bảo đảm an toàn cho Turbine và các van bán dẫn. Đại lượng cần được ĐK ổn định chính là điện áp UDC của mạch DC trung gian. Sơ đồ của mạch tải giả (Hình 3.15b) đã được đề cập đến ở hình 4.3. Việc ĐK điện trở tải giả được thực hiên theo nguyên lý điều chế bề rộng xung (Pulse Width Modulation) đơn giản với vòng DC kiểu 2 điểm, cài đặt trên DSP. Sơ đồ mạch lực của hệ thống ở hình 4.1 được bổ xung thêm ở hình 3.16. Việc ĐK phía máy phát lúc này quy về ĐK phối hợp hoạt động với các bộ phận như hệ thống lưu điện, mạch tải giả và NL nuôi lưới phụ tải thực (hình 3.16) do PLC S7-200 của Siemens đảm nhiệm thuộc về nhiệm vụ ĐL cấp hiện trường Hộp số ĐB- KTVC CL NL phía lưới Tải giả Do DSP điều khiển Bus điện áp a, b, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 Hình 3.16. Hệ thống PĐCSG với dàn ắc-quy (có độ ĐK nạp) và mạch tải giả sen giữa CL và NL. (mục b và c của 3.1.1). Nhiệm vụ đó được thực hiện trên cơ sở các nguyên tắc sau:  Dòng tải cua MP bao gồm: 1. dòng chảy về phía NL để cung cấp cho tải hữu ích, và 2. dòng nạp ắc-quy. Cần ĐK phân bố dòng tải đó sao cho có thể tận dụng toàn bộ năng lượng từ MP đưa tới (cân bằng giữa năng lượng cung và năng lượng cầu).  Khi giữa năng lượng cung và cầu mất cân bằng, dẫn đến UDC tăng (Khâu đo UDC sẽ phát hiện điều này), tải giả sẽ được kích hoạt để ĐK giữ ổn định cho UDC. Cấu trúc của hệ thống PĐCSG sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ được minh hoạ dễ hiểu ở hình 3.17 dưới đây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 Hình 3.17. Khái quat cấu trúc hệ thống PĐCSG sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ như hệ thống đề tài KC.06.20CN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 CHƢƠNG IV. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG SỨC GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ Ở VÙNG NÚI VIỆT NAM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 4.1. Thiết kế máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 1,5kW Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu được thiết kế sẵn sàng để phục vụ cho quá trình tự chế tạo sau này tại Việt Nam. Tuy nhiên, cần phải nói rõ ràng là bản thiết kế này mới chỉ đủ cho việc chế tạo thủ công đơn chiếc. Để đưa vào sản xuất hàng loạt còn phải thực hiện thiết kế quy trình công nghệ phù hợp với quy mô sản xuất lớn. Các tham số mục tiêu cần đạt của thiết kế chính là các tham số được cho trong bảng 4.1. 4.2.1. Xác định các kích thước cơ bản Trong mục này, bản tính toán đưa ra các kích thước cơ bản về mặt điện từ để cấu thành nên một máy phát điện với công suất như đã định a. Các kích thước chính của mạch từ - Điện áp pha: Để quấn và lồng dây được thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình tam giác. Uf = Ud = 220V (4.1) - Dòng điện: Với cos = 0,95 chọn sơ bộ theo kiểu máy Id = A4 95,0.220.3 10.5,1 cosU3 P 3   (4.2) If = A3,2 3 4 3 Id  (4.3) - Công suất tính toán: P’ = ke.Pđm = 1,07.1,5 = 1,605kW (4.4) - Chọn sơ bộ bước răng Stator: t = 1,0 cm - Bước cực của máy: Ở đây chọn số rãnh của một pha dưới một cực q = 1  = tmq = 1,0.3.1 = 3cm (4.5) - Đường kính ngoài của Stator: Ds = cm39,34 14,3 36.3p2.    (4.6) - Chiều dài lõi thép: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 l = n.D.B.A.k.k. P.10.1,6 2 sds '7  (4.7) Sơ bộ chọn hệ số bước cực  = 0,92 chọn hệ số sóng của đường cong từ trường ks = 1,1 chọn hệ số dây quấn Stator kd = 1 chọn mật độ từ thông khe hở không khí B = 0,4T chọn tải đường A = 272A/cm l = 240.39,34.4,0.272.1.1,1.92,0 605,1.10.1,6 2 7=3,13cm Chọn l = 4cm. Đây cũng chính là chiều dài lõi thép Stator và nam châm vĩnh cửu. b. Dây quấn, rãnh Stator và khe hở không khí - Số rãnh Stator: Z1 = 2mp1.q1= 2.3.18.1 = 108 (4.8) - Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh: ur1 = 3,2 1.1.272 I aAt 1 1  = 118 (4.9) chọn số mạch nhanhsong song a = 1. - Số vòng dây nối tiếp của một pha: w1 = 1 118.1.18 a uqp 1r11  = 2124 (4.10) - Tiết diện và đường kính dây quấn: Sơ bộ chọn mật độ dòng điện J = 1,2A/mm 2 . Từ đó ta tính được tiết diện cần thiết: s = 2,1 3,2 J I  = 1,917mm 2 (4.11) chọn dây 0,3/0,35 chập 6 để thuận tiện cho việc quấn và lồng dây. Tiết diện thực của dây quấn là 1,92mm2 - Từ thông khe hở không khí:  = 4 1ds e 10.03,5 2124.1.1,1.50.4 220.07,1 wkfk4 Uk  Wb (4.12) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 - Mật độ từ thông khe hở không khí: B = 4.3.92,0 10.10.03,5 l.. 10. 44 1 4      = 0,4T (4.13) - Kích thước rãnh: Rãnh có tiết diện như sau S =             2 d h 2 dd 8 dd 1 12 21 2 2 2 1 (4.14) =    4,12 2 6,12 8 6,12 22    = 24,89mm 2 Hình 4.2. Kích thước rãnh lồng dây - Bề rộng răng Stator:   1 1 141s' 1z d Z dh2D b    (4.15) =     2 108 22,0.29,343 7,92mm    2 1 1241s'' 1z d Z hh2D b    (4.16) =      6,1 108 132,029,343 7,63mm R 3,5 2,5 R 2,8 0,2 26,5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 2 63,792,7 2 bb b '' 1z ' 1z 1z     = 7,77mm - Chọn khe hở không khí:  = 0,9mm - Chọn chiều cao gông Stator: hg1 = 20mm  Dts = Ds – 2hg2 – 2hr1 + 2d 3 2 (4.17) = 343,9 – 2.20 – 2.21,2 + 6,1. 3 2 = 262,56mm c. Kích thước Rotor Rotor là phần nằm phía ngoài, gắn trực tiếp với hệ thống tuabin gió. Các kích thước tính toán dưới đây đảm bảo cho phần điện từ của máy phát điện. Hình 4.3. Kích thước thanh nam châm - Bề rộng mặt cực từ: Với m = 0,92 ta có bm = m . = 0,92.3 = 2,76cm (4.18) - Đường kính trong của Rotor: Dtr = Ds + 2 = 343,9 + 2.0,9 = 345,7mm (4.19) - Đường kính gắn nam châm sơ bộ: Ở đây ta chọn sơ bộ bề dày thanh nam châm là 10,2mm 10 0 -0,5  3 4 5 ,7  3 6 6 ,1 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 ' trD = Dtr + 2lnc = 345,7 + 2.10,2 = 366,1mm (4.20) - Đường kính ngoài lõi sắt Rotor: Chọn sơ bộ bề dày vỏ máy (đồng thời là mạch dẫn từ) là 10mm Dnr = ' trD +2hg2 = 366,1 + 2.10 = 386,1mm (4.21) 4.2.2. Tính toán mạch từ - Hệ số khe hở không khí: Vật liệu được dùng để chế tạo lõi thép Stator là thép kỹ thuật điện loại 2211. k1 =  .t t 1 1 (4.22) trong đó  =     9,0/7,15 9,0/7,1 /b5 /b 2 41 2 41     = 0,517  k1 = 09,0.517,01 1  = 1,049 k2 = 1  k = k1 k2 = 1,049.1 = 1,049 - Sức từ động khe hở không khí: F = 1,6.B.k..10 4 = 1,6.0,4.1,049.0,09.10 4 = 604,2A (4.23) - Mật độ từ thông răng Stator: BZ1 = T559,0 92,0.777,0 1.4,0 k.l.b t.l.B c11z 11  (4.24)  Hz1 = 1,09A/cm hz1 = hr1 - 3 d 2 = 21,2 - 3 6,1 = 20,67mm (4.25)  FZ1 = 2.HZ1. hz1 = 2.1,09.2,067 = 4,5A - Hệ số bão hoà: Kz =    F FF 1Z =   2,604 5,42,604 1,007 (4.26) - Mật độ từ thông gông Stator: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Bg1 =    92,0.4.2.2 10.10.03,5 k.l.h.2 10. 44 c11g 4 0,68T ( .27)  Hg1 = 1A/cm Lg1 =     cm455,2 18.2 212,2.239,3414,3 p2 hh2D 1g1rs     (4.28) Fg1 = Hg1.Lg1 = 1.2,455 = 2,455A - Mật độ từ thông gông Rotor: Bg2 =    92,0.76,6.0,1.2 10.10.03,5 k.l.h.2 10. 44 c22g 4 0,4T (4.29)  Hg1 = 0,45A/cm Lg2 =     cm28,3 18.2 161,3814,3 p2 hD 2gnr     (4.30) Fg2 = Hg2.Lg2 = 0,45.3,28 = 1,476A - Tổng sức từ động mạch từ: F = F + FZ1 + Fg1 + Fg2 (4.31) = 604,2 + 4,5 + 2,455 + 1,476 = 612,631A - Hệ số bão hoà toàn mạch: K = 0139,1 2,604 631,612 F F   (4.32) - Chiều dài phần đầu nối dây quấn sơ bộ: Với dây quấn bước đủ: y = 3 36 108 p2 Z1  (4.33) Ta có: y =     cm814,2 108 3.12,239,3414,3 Z yhD 1 1rs     (4.34) kdn = 0,3; p = 1  Ldn = kdn.y + 2p = 0,3.2,814 + 2 = 2,844cm - Chiều dài trung bình nửa vòng dây quấn: Ltb = L1 + Ldn = 4 + 2,844 = 6,844cm (4.35) - Chiều dài dây quấn một pha: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 L1 = 2.Ltb.w1.10 -2 = 2.6,844.2124.10 -2 = 290,73m (4.36) - Điện trở tác dụng của dây quấn Stator: r1 = 75.  957,0 32,1.1.5 73,290 . 46 1 s.a.n L 111 1 (4.37) 220 3,2 .957,0 U I rr 1 1 1 * 1  = 0,01 - Hệ số từ dẫn rãnh Stator: r = ' 41 412411 k b h b h b2 b 785,0k b3 h         (4.38)  = 1; k = 'k  = 1 h1 = hr1 – 0,1d2 – 2c’ = 21,2 – 0,1.1,6 – 2.0,2 = 20,64mm h2 = -( 'c2 2 d1  ) = -( )2,0.2 2 2  = - 0,6mm b = d1 = 2mm h41 = 0,2mm b41 = 1,7mm  r = 617,31. 7,1 2,0 2 6,0 2.2 7,1 785,01. 2.3 64,20          - Hệ số từ dẫn tạp Stator: t = 0 (hệ số này lấy tương đối tương đương máy đồng bộ cực tròn do ghép liền nam châm vĩnh cửu) - Hệ số từ tản phần đầu nối: dn = 0,34    ..64,0L l q dn 1 (4.39) = 0,34. .64,0844,2( 4 1  1.3) = 0,07 - Hệ số từ dẫn tổng: 1 = r + t + dn = 3,617 + 0 + 0,07 = 3,687 (4.40) - Điện kháng tản dây quấn Stator: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 x = 0,158.               687,3 1.18 4 100 2124 . 100 50 .158,0 q.p l 100 w 100 f 2 1 11 2 11 = 29,2 (4.41) *x = x. 220 3,2 .2,29 U I 1 1  = 0,3 - Điện kháng phần ứng: x1 = p kw kk l mf4 I E dq 2 0u      (4.42) = 4.3.50. 18 1.2124 . 0009,0.0139,1.049,1.14,3 04,0.03,0.10.14,3.4 27 = 75,4 788,0 220 3,2 .4,75 U I xx 1 1 1 * 1  - Sức từ động do phản ứng phần ứng gây nên: Fu = A7,3663,2. 18 1.2124 . 14,3 2.3 I p wk2m u dq   (4.43) - Kiểm nghiệm lại hệ số ke: ke =  2*2*u** x)rU(E   (4.44) =  22 3,0)01,01(  = 1,05 Hệ số này không sai khác mấy so với giả thiết ban đầu nên kết quả tính toán có thể chấp nhận được. - Phương trình cân bằng điện áp của máy phát ở chế độ định mức (chế độ danh định): U * = * u * u * u * u * u * 0 rI)xx(JIE   (4.45)  * u * u * u * u * u ** 0 rI)xx(JIUE   = 1 + j.1.(0,788 + 0,3) + 1.0,01 = 1,01 + j1,088  484,1088,101,1E 22*0  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65  E0 = 220. * 0E = 220.1,484 = 326,48V Trong đó: * uI = 1 - Từ thông khe hở không khí lúc không tải: E0 = 4.ks.kd.f.w. (4.46)   = 3 ds 0 10.7,0 2124.50.1.1,1.4 48,326 w.f.k.k.4 E  Wb - Mật độ từ thông khe hở không khí lúc không tải: B0 = T634,0 4.3.92,0 10.10.7,0 l.. 10. 43 1 4      (4.47) - Lựa chọn nam châm vĩnh cửu: Loại nam châm N38, xem thông số theo bảng 4.1 dưới đây: T T NC Độ từ dư Sức kháng từ Nội KT (BH) max t0 kGs T kOe kA/m kOe kA/m MGOe kJ/m 0C No m Min Nom Min Nom Min No m Min No m Mi n No m Min 1 N38 12,6 12,2 1,26 1,22 11,5 10,8 915 860 12 955 38 36 303 287 80 2 N38M 12,6 12,2 1,26 1,22 11,5 10,8 915 860 12 955 38 36 303 287 100 3 N38H 12,6 12,2 1,26 1,22 11,5 10,8 915 860 12 955 38 36 303 287 120 4 N38UH 12,6 12,2 1,26 1,22 11,5 10,8 915 860 12 955 38 36 303 287 200 Bảng 4.1. Tham số nam châm N38 của Công ty NINBO (Trung Quốc) Đây là loại nam châm thông dụng với giá thành khá hợp lý. Cũng có thể sử dụng các loại nam châm khác có chất lượng cao hơn (tra cứu thông qua Website: - Kích thước nam châm vĩnh cửu: Để tạo ra từ thông khe hở không khí theo yêu cầu của máy, kích thước tối thiểu của một miếng nam châm phải là: + Chiều dài: lnc = l = 40mm + Bề rộng cung: nc    = 0,92.300 = 276mm + Bề dày tính toán: btt = 18,175mm Đây là giá trị tính toán nam châm theo phần mềm tính toán của hãng. Ngoài Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 ra ta cần thêm hệ số dự trữ phòng sự lão hoá của nam châm theo thời gian trong quá trình vận hành. Vậy ta chọn: bnc = k.kgh.kdt.btt = 1,0139.1,0025.1,1.18,175 = 20,32mm (4.48) k : Hệ số bão hoà mạch từ kgh: Hệ số hiệu chỉnh do việc tăng từ trở khi ghép nam châm với Rotor kdt: Hệ sốdự trữ Mật độ từ thông tính toán ứng với giá trị bnc  Btt = 0,6T. Mật độ từ thông thực: B0t  59,0 0025,1.0139,1 6,0 k.k B gh tt   T (4.49) Từ thông thực trong khe hở không khí khi mới chế tạo: Wb10.65,0 10 59,0.4.3.92,0 10 B.l.. 3 44 t01 0      (4.50) 4.2.3. Tổn hao ở chế độ làm việc định mức - Trọng lượng răng Stator: GZ1 = Fe.Z1.bz1.hz1.l1.kc.10 -3 (4.51) = 7,8.108.0,777.2,067.4.0,92.10 -3 = 4,978kg - Trọng lượng gông từ Stator: G = Fe.l1.Lg1.hg1.2p.kc.10 -3 (4.52) = 7,8.4.2,455.2.36.0,92.10 -3 = 5,073kg - Tổn hao sắt trong lõi sắt Stator: + Tổn hao trong răng: PFeZ1 = kgcz.p1/50. 3,12 1z 50 f .B       .GFez1.10 -3 (4.53) = 1,7.1,56.0,559 2 .1.4,978.10 -3 = 0,004kW + Tổn hao trong gông: PFeg1 = kgcg.p1/50. 3,12 1g 50 f .B       .GFeg1.10 -3 (4.54) = 1,3.1,56.0,68 2 .1.5,073.10 -3 = 0,0047kW Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 - Tổn hao cơ: Pcơ = 3,68.p. 100 l . 40 v 1 3 2       (4.55) Trong đó v2 = 59,4 6000 .240.61,36.14,3 6000 n.D.    Pcơ = 3,68.18.       100 4 . 40 59,4 3 0,02kW - Tổn hao trên bề mặt cực từ: Pbm = 0,5.2p...l1.k0. 32105,11 10. 10 tB 10000 n.Z              (4.56) Trong đó B0 = B0(k1 - 1) = 0,634(1,049 - 1) = 0,031T  Pbm = 0,5.36.0,92.3.4.6. 325,1 10. 10 1.031,0 10000 240.108              = 0,000047kW - Tổn hao phụ khi có tải: Pf = 0,005. 3 .U.I.cos.10 -3 (4.57) = 0,005. 3 .220.4.0,95.10 -3 = 0,0072kW - Tổn hao đồng trên dây quấn Stator: PCu1 = m.I 2 .r1.10 -3 (4.58) = 3.2,3 2 .0,957.10 -3 = 0,015kW - Tổn hao lúc tải định mức: P = PCu1 + PFeg1 + PFez1 + Pcơ + Pbm + Pf (4.59) = 0,015 + 0,0047 + 0,004 + 0,02 + 0,000047 + 0,0072 = 0,05kW - Hiệu suất:  = 1- dmdmdm1 I.U.3 05,0 1 P P   = 0,99 (4.60) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 4.2.4. Các dặc tính làm việc của máy phát điện a. Quan hệ giữa sức điện động không tải (điện áp) với tốc độ máy phát ở từ thông và dòng tải định mức - Quan hệ giữa sức điện động không tải với tốc độ: E0 = 4.ks.kd.f.w. = 4.ks.kd. 60 n.p .w. (4.61) = 310.65,0.2124. 60 n.18 .1.1,1.4  = 1,822.n (V) - Quan hệ giữa điện kháng tản với tốc độ: xu = 0,158.        1 11 2 11 . q.p l . 100 w . 100 f (4.62) = 0,158. 687,3. 1.18 4 . 100 2124 . 100.60 n 2       = 9,733.10 -3 .n () - Quan hệ giữa điện kháng phần ứng với tốc độ: xu = dq 20dq 2 0u k.w. .k.k. l.. . 60 n .m.4 p k.w . .k.k. l.. f.m.4 I E           (4.63) = 4.3. 1.2124. 0009,0.0139,1.049,1. 04,0.03,0.10.4 . 60 n . 2 7    = 0,452.n () + Điện trở của dây quấn phần ứng: ru = 0,957 + Dòng điện tải: Giả sử dòng điện tải được giữ ở định mức khi tốc độ thay đổi thì  I = 2,3A - Quan hệ giữa điện áp và tốc độ (khi từ thông và dòng ở giá trị định mức) U =   uu 2 uu 2 u 2 0 r.IxxIE   (4.64) =   957,0.3,2n.009733,0n.452,03,2n.822,1 222  = 0,833.n - 2,2 (V) 4.2.5. Tính toán độ tăng nhiệt Phần này sẽ phục vụ tính toán kiểm tra lại khi thiết kế kết cấu hoàn thiện trên bản vẽ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 a. Độ tăng nhiệt của cuộn dây Stator - Độ tăng nhiệt ở phần cách điện Stator: s = C tJA i tssss    = C1,32 045,3.01,0.6020 04,0.1.42,5.43,271 0 (4.65) Trong đó: As = 43,271 39,34.14,3 3,2.2124.3.2 D .w.Im2 1   (4.66) Js = 2 2 c 2 mm/A42,5 6. 4 3,0.14,3 3,2 n 4 d. I   (4.67) ts = 1cm + Chiều dày cách điện rãnh ở 1 phía: ts = 0,04cm + Chu vi rãnh Stator: C = 4,12.2 2 d. 2 d. 21          = 30,452mm = 3,045cm (4.68) + Với dây quấn chọn cấp cách điện B:  = 6020cm 2 /mm 2 ; i = 0,01W/grad.cm - Độ tăng nhiệt phần đầu nối cuộn dây Stator với nhiệt độ môi trường: C78,23 10.295,14 34,0q 0 3 v s s       (4.69) Trong đó: qs = 2ss cm/W34,0 6020 42,5.43,271.4,1J.A.4,1   (4.70) v = 3.10 -3 .(1 + 0,1V) = 3.10 -3 .         6000 Dn. .1,01 (4.71) = 3.10 -3 .        6000 240.39,34.14,3 .1,01 = 14,295.10 -3 - Độ tăng nhiệt mặt ngoài Stator so với môi trường:  = C78,30 10.295,14 44,0q 0 3 v s    (4.72) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Trong đó qs = 4.39,34.14,3 50.5,060 6020 42,5.43,271 l.D. P.5,0PJ.A fFess      (4.73) = 0,44 - Độ tăng nhiệt trung bình của cuộn dây Stator:     C78,79 4 844,2.78,234.78,301,32 L L.L. 0 tb dnss stb       (4.74) 4.2.6. Chỉ tiêu tiêu hao vật tư - Khối lượng tôn Silic: + Khối lượng tinh: GFe =              l..k.S.Z 4 DD. ccr 2 ts 2 ns (4.75)   4,0.8,7.92,0.10.89,24.108 4 6256,2439,3.14,3 4 22           = 10,39kg + Khối lượng tôn phôi cần thiết để gia công: GFeph = (Dns + 0,05) 2 .l.kc.1,07.c (4.76) = (3,439 + 0,05) 2 .0,4.0,92.1,07.7,82 = 37,48kg Trong đó: Z = 108 là số rãnh Stator Sr = 24,89mm 2 là tiết diện rãnh Stator kc = 0,92 là hệ số ép chặt c = 7,8kg/dm 3 là khối lượng riêng của tôn Silic 1,07 là hệ số dự trữ - Khối lượng dây đồng: + Chiều dài dây đồng: Ld = 3.Lf.1,1 = 3.290,73.1,1 = 959,4m (4.77) + Khối lượng dây đồng: GCu = Ld.S.Cu = 440.1,917.10 -4 .8,9 = 7,5kg (4.78) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 - Khối lượng nam châm: + Kích thước nam châm quy đổi: a x b x l = 45,8 x 21,5 x 40mm + Khối lượng của một cực nam châm: Gnc = a.b.l.nc = 0,458.0,215.0,4.6 = 0,23kg (4.79) + Tổng khối lượng của nam châm: GNC = 2p.Gnc = 36.0,23 = 8,28kg (4.80) - Khối lượng tôn Silic sử dụng trên một đơn vị công suất: gFe = kW/kg92,6 5,1 39,10 P GFe  (4.81) - Khối lượng dây đồng sử dụng trên một đơn vị công suất: gCu = kW/kg5 5,1 5,7 P GCu  (4.82) - Khối lượng nam châm sử dụng trên một đơn vị công suất: gnc = kW/kg52,5 5,1 28,8 P GNC  (4.83) 4.2.7. Tổng kết các số liệu thiết kế - Số liệu dự kiến ghi trên nhãn máy: + Kiểu máy: BK – MPGN 1,5/2,8 + Công suất: 1,5kW + Điện áp: 0 – 220V + Tốc độ: 0 – 240vg/ph f = 0 – 50Hz + Dòng điện 5A + Số pha: 3 + Kiểu đấu dây: Tam giác - Tổng kết các số liệu thiết kế: Cho trong bảng 4.2 dưới đây TT Số liệu Đơn vị Thông số Ghi chú 1 Công suất danh định kW 1,5 2 Điện áp V 0 - 230 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 3 Dòng điện định mức A 5 4 Điện trở Stator ở 750C  0,957 5 Điện kháng Stator  Xem phần 4.2.2 6 Tổn hao thép kW 0,0087 Tính ở chế độ f = 50Hz 7 Tổn hao đồng kW 0,015 8 Tổn hao phụ kW 0,0072 9 Tổn hao cơ kW 0,02 10 Hiệu suất % 99 11 Tốc độ quay vg/ph 0 - 240 12 Độ tăng nhiệt 0C 79,78 13 Khối lượng tôn Silic kg 10,39 14 Khối lượng dây đồng kg 7,5 15 Khối lượng nam châm kg 8,28 Bảng 4.2. Các số liệu thiết kế của máy phát ĐB-KTVC 1,5kW H ìn h 3 .1 . S ơ đ ồ k h ố i h ệ th ố n g p h á t đ iệ n s ứ c g ió Gió tới Phanh tay Điều khiển phanh Cảm biến tốc độ gió Điện trở đốt Chỉnh lưu Pri-charge Bộ điều khiển nạp Acqui Nghịch lưu Biến áp 3 pha Y/Y0 230/380 S6 S7 S8 S9 Phụ tải 1 Phụ tải 2 Phụ tải 3 Phụ tải 4 S5 S4 S3 S2 S1 CLI CLII CL RL Đường dây điện thoại Modem Simatic S7-200 SM241 3 3 3 = = = OS SG DSP BĐKHT BĐKCT H ìn h 4 .1 . M ô h ìn h t rạ m p h á t đ iệ n s ử d ụ n g s ứ c g ió c ô n g s u ấ t n h ỏ Gió tới Phanh tay Điều khiển phanh Cảm biến tốc độ gió Điện trở đốt Chỉnh lưu Pri-charge Bộ điều khiển nạp Acqui Nghịch lưu Biến áp 3 pha Y/Y0 230/380 S3 S4 Phụ tải 1 Phụ tải 2 S2 S5 S1 CL RL Simatic S7-200 SM241 3 3 = = SG DSP BĐKHT BĐKCT Máy tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Nguồn năng lượng lượng tái tạo từ gió là một nguồn năng lượng sạch, hơn nữa yêu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, đồng thời tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ ở những vùng chưa có điện lưới quốc gia là một vấn đề mang tính thời sự và có ý nghĩa, đặc biệt là trong giai đoạn hiện nay nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần và khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo phục vụ nhu cầu năng lượng. Để dễ theo dõi, bản luận văn đã được bố cục thành các chương với đầy đủ nội dung được đề cập đến đã giải quyết được những vấn đề sau đây:  Nghiên cứu về các nguồn và các công nghệ sử dụng năng lượng mới và tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam.  Đánh giá tiềm năng và thực trạng ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam: - Tốc độ gió, cấp gió - Chế độ gió ở Việt Nam - Sản xuất điện năng từ năng lượng gió ở Việt Nam  Xây dựng cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió: - Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió - Mô tả cấu tạo và sự vận hành của Turbine - Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ và điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu  Thiết kế hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ - Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ - Thiết kế tính toán máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 1,5kW Bản luận văn này đã hoàn thành tốt nhiệm vụ đặt ra, theo đúng các yêu cầu về nội dung và chất lượng. Tuy nhiên đây mới chỉ dừng lại ở các kết quả nghiên cứu - thiết kế, chưa có chế tạo thử. Máy phát thiết kế chưa được ứng dụng trong hệ thống phát điện chạy sức gió thực tế nên chưa có kết quả đánh giá nhưng hy vọng đây cũng là một tài liệu tích cực cho quá trình nghiên cứu thiết kế phục vụ chế tạo máy phát điện chạy ức gió công suất nhỏ sau này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 2. Kiến nghị Sau quá trình thực hiện đề tài, tác giả cũng xin đề xuất một số vấn đề sau đây:  Tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài để đề tài thực sự có ý nghĩa về mặt thực tiễn, có khả năng ứng dụng cao.  Có chính sách đầu tư thoả đáng cho lĩnh vực nghiên cứu và thực hiện các dự án về ứng dụng các nguồn năng lượng mới tái tạo, đặc biệt là ứng dụng năng lượng gió để phát điện.  Mở rộng nghiên cứu những đề tài nghiên cứu, thiết kế những hệ thống phát điện lai ghép giữa sức gió với các nguồn năng lượng tái tạo khác ở cỡ công suất vừa và nhỏ như: Nguồn năng lượng mặt trời, thuỷ điện nhỏ ...vv.  Sử dụng tổng hợp các thuật toán phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật Backstepping, điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS.TS.Đặng Đình Thống, Cơ sở năng lượng mới và tái tạo, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà nội 2006. [2]. PGS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang, Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30KW phù hợp với điều kiện Việt Nam, Đại học Bách Khoa Hà Nội 2007 [3]. Dang Dinh Thong, Solar Photovoltaic (PV) system for Truong Sa Island, Center of energy study, Indian Institute of Technology, New Delhi, 12-1991, India. [4]. Đặng Đình Thống, Trần Hồng Quân, Ứng dụng các nguồn năng lượng thiên nhiên cho viễn thông, Hà Nội tháng 02 năm 1996 [5]. Renewable Energies, Innovation for the future, Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety, Bonn, May 2004 [6]. Y. Marfaing, The photovoltaic effect, Physical Principles, apApplications and Trends, ediction du centre national de la recherche scientificque, Paris, 1978. [7]. James & James Publisher, Planning and Installing Photovoltaic Systems, a guide for installers, achitects and enginneers, 8-12 Camden High Street, London, OJH, UK 2005.