Máy phát điện và điện năng cho
tuốc bin gió
Anca D. Hansen
4.1Giới thiệu
Ngày nay, tua-bin gió trên thị trường hòa trộn và so khớp với một loạt các khái niệm
sáng tạo với các công nghệ đã được chứng minh cho cả hai máy phát điện và điện tử công
suất. Chương này trình bày từ một điểm điện xem trạng thái hiện tại của máy phát điện và
năng lượng thiết bị điện tử trong các khái niệm tuabin gió. Nó mô tả các khái niệm cổ điển
và mới của các máy phát điện và các thiết bị điện tử điện dựa trên các khía cạnh kỹ thuật
và xu hướng thị trường.
4.2 Công nghệ tiên tiến
Phần này sẽ mô tả tình trạng hiện tại về máy phát điện và điện tử năng lượng cho các tua-
bin gió. Để cung cấp một bức tranh hoàn chỉnh, chúng tôi đầu tiên sẽ mô tả vắn tắt kiểm
soát quyền lực phổ biến cấu trúc liên kết các tua bin gió
4.2.1 tổng quan về cấu trúc tuốc bin gió
Tua-bin gió có thể hoạt động với một tốc độ cố định hoặc tốc độ biến đổi.
4.2.2.1 tuốc bin gió có tốc độ không đổi
Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn cài đặt các tua-bin gió là hoạt động ở tốc độ cố
định.Điều đó có nghĩa là bất kì tốc độ gió nào, tốc độ cánh quạt của tuabin gió là cố định
và xác định bởi tần số của lưới điện cung cấp, tỷ số truyền và thiết kế máy phát điện.
Đó là đặc trưng của tua-bin gió tốc độ cố định mà chúng được trang bị máy phát điện
cảm ứng (rotor lồng sóc hoặc rôto quấn dây) kết nối trực tiếp với lưới điện, với một phần
mềm khởi động và bộ tụ để giảm mức tiêu hao công suất phản kháng.Chúng được thiết
kế để đạt được hiệu quả tối đa tại một tốc độ gió cụ thể. Để tăng cường sản xuất điện, máy
phát điện của một số tua-bin gió có tốc độ cố định có hai bộ dây: một là sử dụng tốc độ
gió thấp (thường là 8 điện cực) và tốc độ gió trung bình ,cao (thường 4-6 điện cực).
Tua bin gió có tốc độ cố định có lợi thế là đơn giản, mạnh mẽ và đáng tin cậy và cũng đã
được kiểm chứng. Và tổn thất điện năng của nó là thấp. Nhược điểm của nó là không kiểm
soát được tiêu thụ công suất phản kháng, ứng suất cơ học và chất lượng điện năng bị giới
hạn. Do hoạt động tốc độ cố định , tất cả các biến động ở tốc độ gió tiếp
tục truyền như các biến động trong mô-men xoắn cơ khí và sau đó là sự biến động của

phương pháp điều khiển hiệu quả nhất và rẻ tiền nhất là điều khiển trạng thái thất tốc (thụ
động điều khiển), nơi mà các cánh quạt được bắt vít vào trung tâm ở một góc cố
định. Thiết kế khí động lực học rotor làm cho rotor thất tốc (mất điện) khi tốc độ gió vượt
quá một mức nhất định. Như vậy,lực khí động học trên các cánh quạt bị hạn chế. Kiểm
soát lực khí động học chậm gây ra những biến động năng lượng ít hơn so với việc điều
chỉnh góc nghiêng cánh quạt. Một số hạn chế của phương pháp này là hiệu quả thấp hơn ở
tốc độ gió thấp, không có hỗ trợ khởi động và sự thay đổi lớn trong ổn định điện do sự
thay đổi trong tỷ trọng không khí và tần số lưới điện (cho một ví dụ, hãy xem Chương 15).
Một loại hình điều khiển khác là điều khiển độ cao (điều khiển chủ động),ở đó những
cánh quạt có thể tạo ra sản lượng điện đầu ra cao hay thấp,tương ứng. Nói chung, những
ưu điểm của loại hình điều khiển này là điều khiển điện tốt, hỗ trợ khởi động và dừng
khẩn cấp. Từ một điểm điện cho thấy, kiểm soát năng lượng tốt có nghĩa là ở tốc độ gió
cao, giá trị trung bình của sản lượng điện được giữ gần với công suất định mức của máy
phát điện. Một số nhược điểm là sự phức tạp phát sinh từ cơ cấu truyền động ở độ cao và
dao động năng lượng cao hơn ở tốc độ gió cao. Năng lượng chỉ là tức thời, bởi vì cơn gió
giật và tốc độ hạn chế của cơ cấu truyền động ở độ cao, dao động xung quanh giá trị trung
bình của điện năng.
Cách điều khiển thứ 3 có thể là điều khiển trạng thái thất tốc chủ động. Như tên ngụ ý, sự
thất tốc của những cánh quạt được điều khiển 1 cách chủ động bằng góc nghiêng của cánh
quạt. Ở tốc độ gió thấp cánh quạt nghêng giống như loại tuabin gió điều khiển góc
nghiêng, để đạt được hiệu quả tối đa. Ở tốc độ gió cao,cánh quạt đi vàotrạng thái thất tốc
bằng cách xoay nhẹ vào hướng đối diện với tua-bin điều khiển góc nghiêng. hoạt động của
các trạng thái thất tốc tuabin gió đạt được sự hạn chế năng lượng 1 cách trơn tru, không có
dao động năng lượng cao như trong trường hợp của tua-bin gió điều khiển góc nghiêng.
Loại điều khiển này có lợi thế là có thể bù đắp sự thay đổi về tỷ trọng không khí. Sự kết
hợp với cơ chếthay đổi góc nghiêng làm cho nó dễ dàng hơn khi thực hiện điểm dừng khẩn
cấp và khởi động tua-bin gió
4.2.3 Máy phát điện hiện đại
Trong phần sau đây, phổ biến nhất ứng dụng cấu hình tua-bin gió được phân loại
cả hai khả năng là điều khiển tốc độ và điều khiển năng lượng .

một phần mềm khởi động.
Bất kì nguyên tắc điều khiển năng lượng trong một tua-bin gió cố định nào cũng là tốc độ
gió biến động được chuyển đổi thành các dao động cơ khí và do đó thành dao động năng
lượng điện. Trong trường hợp của một mạng lưới yếu, chúng có thể tạo ra biến động điện
áp tại các điểm kết nối. Vì những dao động điện áp, tuabin gió tốc độ cố định sẽ lấy lượng
công suất phản kháng khác nhau từ các lưới điện (trừ khi có một bộ tụ điện), làm tăng các
biến động điện áp và tổn hao dòng. Vì vậy, những hạn chế chính của khái niệm này là nó
không hỗ trợ bất kỳ điều khiển tốc độ nào, nó đòi hỏi một mạng lưới cứng và kết cấu cơ
khí của nó phải có khả năng chịu lực cơ học cao.
Tất cả ba phiên bản (loại A0, Loại A1 Loại A2) của tuabin gió tốc độ cố định
Loại A được sử dụng trong ngành công nghiệp tua-bin gió, và họ có thể được mô tả như
sau.
Loại A0: Điều khiển độ thất tốc
Đây là loại thông thường được áp dụng bởi nhiều nhà chế tạo tuabin gió của Đan Mạch
trong những năm 1980 và năm 1990 (tức là khi ngược gió điều chỉnh độ thất tốc bởi ba
cánh tua bin gió). Nó rất phổ biến vì giá tương đối thấp của nó, đơn giản và hiệu quả. Tua-
bin gió điều khiểnthất tốc không thể thực hiện hỗ trợ khởi động, mà ngụ ý rằng sức mạnh
của tuabin không thể được kiểm soát trong mạng lưới.
Loại A1: Điều khiển góc nghiêng
Loại này cũng có mặt trên thị trường. Các ưu điểm chính của một tuabin Loại A1
là nó tạo điều kiện thuận lợi điều khiển năng lượng, điều khiển khởi động và dừng khẩn
cấp. Tuy nhiên mặt hạn chế chính của nó là ở tốc độ gió cao, thậm chí biến đổi nhỏ trong
tốc độ gió cũng dẫn đến thay đổi lớn trong sản lượng điện. Cơ chế góc nghiêng là không
phù hợp để tránh những dao động năng lượng. Bố trí cánh quạt, các biến đổi chậm trong
gió có thể được bù lại, nhưng điều này là không thể trong trường hợp của cơn gió giật.
Loại A2: Điều khiển thất tốc chủ động
Loại này gần đây đã trở nên phổ biến. Cấu hình này về cơ bản duy trì tất cả các đặc
tính chất lượng điện của hệ thống thất tốc quy định. Những cải tiến trong ứng dụng tốt hơn
của hệ thống tổng thể, như một kết quả ứng dụng của điều khiển thất tốc chủ động. Các
khớp nối linh hoạt của cánh quạt trung tâm cũng tạo điều kiện dừng khẩn cấp và khởi

tương ứng giới hạn biến đổi tốc độ của tuabin gió với vòng dây rotor máy phát điện cảm
ứng (WRIG) và một phần tỉ lệ tần số chuyển đổi (đánh giá khoảng 30% công suất định
mức) trên mạch rotor (phần 4, trong Chương 2 cho thấy vỏ bọc của một tuabin Loại C).
Phần tỉ lệ tần số chuyển đổi thực hiện bù công suất phản kháng và kết nối lưới điện tối ưu
hơn. Nó có một phạm vi rộng lớn hơn của điều khiển tốc độ động so với các OptiSlip_, tùy
thuộc vào kích thước của bộ chuyển đổi tần số.
Thông thường, phạm vi tốc độ bao gồm tốc độ đồng bộ _40% đến þ30%. Tần số
chuyển đổi nhỏ hơn làm cho khái niệm này hấp dẫn đối với quan điểm kinh tế. Hạn chế
chính của nó là việc sử dụng các vòng trượt và bảo vệ trong trường hợp sự cố lưới điện.
4.2.3.4 Loại D: Biến tốc với bộ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ
Cấu hình này tương ứng với tuabin gió tốc độ biến đổi đầy đủ, với các máy phát điện kết
nối với lưới điện thông qua một công cụ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ. Bộ chuyển đổi tần
số thực hiện đền bù công suất phản kháng và kết nối lưới điện tối ưu hơn. Máy phát điện
có thể được kích thích bằng điện [dây quấn rotor máy phát điện đồng bộ (WRSG) hoặc
WRIG) hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu [nam châm vĩnh cửu máy phát điện đồng bộ
(PMSG)].
Một số tuabin gió tốc độ biến đổi đầy đủ không có hộp số (xem các đường nét đứt hộp số
trong hình 4.1). Trong những trường hợp này, điều khiển trực tiếp nhiều cực máy phát điện
với một đường kính lớn được sử dụng, (nhìn phần 3, tại ví dụ Chương 2). Các tuốc bin gió
công ty Enercon, Made và Lagerwey là những ví dụ của các nhà sản xuất sử dụng cấu hình
này.
4.2.4 Điện tử công suất hiện đại
Sự thay đổi tốc độ tua bin gió đòi hỏi một hệ thống điện tử công suất có khả năng
điều chỉnh tần số máy phát điện và điện áp lưới điện. Cường độ dòng điện trong điện tử
công suất nhỏ nên nó là lý do tại sao nó lại hấp dẫn để sử dụng các thiết bị điện tử trong
các tua-bin gió trong tương lai: Bảng 4.2 minh họa
Bảng 4.2 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng thiết bị điện tử công suất trong hệ
thống tuabin gió
Tính chất Điện tử công suất Ưu điểm Nhược điểm
Điều khiển tần số

đổi tốc độ rotor (3) kiểm soát tải, cũng như có thể tránh được tổn hao tải, (4) một giải pháp
thực tế cho các tua-bin gió gearless(không bánh răng),cũng như bộ chuyển đổi điện hoạt
động như một hộp số điện; và (5) giảm tạo ra tiếng ồn ở tốc độ gió thấp. Đối với các tua
bin gió, những nhược điểm của thiết bị điện tử công suất là những tổn thất điện năng và chi
phí gia tăng cho các thiết bị bổ sung.
. Đặc điểm nhà máy điện: Điện tử công suất cung cấp khả năng cho các trang trại gió
trở thành một phần hoạt động trong hệ thống điện (S ensen et al, 2000.). Dối với lưới điện,
kết quả này sở hữu một số lợi thế: (1) công suất phản kháng và tác dụng của một trang trại
gió là điều khiển được, (2) bộ chuyển đổi năng lượng trong một trang trại gió có thể được
sử dụng như một nguồn công suất phản kháng địa phương (ví dụ như trong trường hợp
lưới điện yếu); (3)trang trại gió có ảnh hưởng tích cực vào sự ổn định mạng lưới, và (4) bộ
chuyển đổi điện áp giúp nâng cao chất lượng điện của trang trại gió bằng cách giảm các
mức độ mấp mô cũng như nó lọc ra các sóng hài thấp và hạn chế các dòng mạch ngắn.
Liên quan tới lưới điện , điện tử công suất có nhược điểm tạo ra hài bậc cao hòa vào lưới
điện.
Điện tử công suất bao gồm các thiết bị như khởi động mềm (và các bộ tụ điện), chỉnh
lưu, biến tần và bộ chuyển đổi tần số. Có một loạt lý thuyết thiết kế khác nhau để chỉnh
lưu, biến tần và chuyển đổi tần số (Novotny và Lipo, 1996).
Các thành phần cơ bản của bộ chuyển đổi năng lượng là điốt (van không kiểm soát được)
và chuyển mạch điện tử (van kiểm soát), chẳng hạn như thyristors thường hoặc đóng ngắt
được và transistor. Diodes cho dòng đi qua theo 1 hướng nhất đinh và khong cho phép
dòng đi qua theo chều ngược lại. Thiết bị chuyển mạch điện tử cho phép lựa chọn thời
điểm chính xác khi các điốt bắt đầu dẫn dòng (Mohan, Undeland và Robbins, 1989).
Thyristor thông thường được đóng và sẽ chặn chỉ khi dòng bằng 0 (tức là khi hướng dòng
điện là đảo ngược), trong khi thyristors đóng ngắt được và transistor có thể tự do sử dụng
các cổng làm gián đoạn dòng điện. Được biết đến rộng rãi nhất thyristors đóng ngắt được
và transistor cổng đóng-ngắt (GTO) thyristors, thyristors cổng mạch tích hợp (IGCTs),
transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJTs), transistor với chất bán dẫn oxit kim loại hiệu ứng
trường (MOSFETs) và transistor cổng cách điện lưỡng cực (IGBTs) . Bảng 4.3 so sánh các
đặc điểm và xếp hạng của năm trong số các thiết bị chuyển mạch. Các giá trị điện áp, dòng

(Khz) 0.2-1 1-3 0.5-5 5-100 2-20
Yêu cầu điều khiển cao Thấp Trung bình Thấp Thấp
α
điện áp đầu ra cực đại
β
phạm

vi hoạt động
chú ý: GTO=gate turn-off thyristor; IGCT=integrated gate commutated thyristor;
BJT=bipolar junction transistor; MOSFET=metal oxide semiconductor field effect
transistor; IGBT=insulated gate bipolar transistor.Nguồn: L. H. Hansen et al., 2001.
Hình 4.2 Các loại chuyển đổi năng lượng tự-mạch cho tua-bin gió: (a)một mã nguồn
hiện tại chuyển đổi và (b)một công cụ chuyển đổi nguồn điện áp. Sao chép từ S. Heier năm
1998,mạng lưới tích hợp hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, bởi John Wiley & Sons.
Ltd
Nguồn VSCs và CSCS tương đối dễ xác định chuyển đổi sang dạng sóng điện áp và dạng
sóng dòng điện, tương ứng, các thiết bị đầu cuối của máy phát điện và lưới điện. Trong
trường hợp của VSC, điện áp (dạng DC) được giữ ổn định bởi một tụ điện lớn. Trong một
CSC, nó ngược lại, dòng điện (dạng DC) được giữ ổn định bởi một cuộn cảm lớn. Nó phải
được nhấn mạnh rằng nguồn điện áp chuyển đổi và nguồn chuyển đổi dòng điện là những
khái niệm khác nhau. Chúng có thể được thực hiện bằng nhiều cách: sáu bước, xung điều
chế biên độ (PAM) hoặc điều chế độ rộng xung (PWM). Bằng cách sử dụng kỹ thuật
PWM, các sóng hài tần số thấp được loại bỏ và tần số của sóng hài bậc cao đầu tiên nằm ở
khoảng chuyển đổi tần số của các biến tần hoặc bộ chỉnh lưu.
4.2.5 Xâm nhập thị trường hiện đại
Bảng 4.4 chứa một danh sách top-10 nhà cung cấp hàng đầu thế giới tuabin gió cho năm
2002 (BTM tư vấn AP, năm 2003.). Bảng này bao gồm hai tua-bin gió lớn nhất (tức là mới
nhất) được sản xuất bởi top-10 nhà sản xuất hàng đầu. Các cấu hình được áp dụng, cách
điều khiển, loại máy phát điện, điện áp máy phát điện và máy phát điện hoặc phạm vi tốc
độ rotor cho mỗi tua-bin gió đã được đánh giá bằng cách sử dụng các dữ liệu công khai có

Loại
α
Tính năng điều khiển
năng lượng và tốc độ
Bình luận
Vestas,Denmark:
V80, 2.0MW
V80, 1.8MW
Loại C1 Góc nghiêng giới hạn
Tốc độ thay đổi
Điện áp máy phát WRIG (loại
DFIG ) : 690V
Phạm vi tốc độ máy phát:905-
1915rpm
Phạm vi tốc độ rotor:9-19rpm
Loại B1 Góc nghiêng giới hạn
Tốc độ thay đổi
Điện áp máy phát WRIG: 690V
Phạm vi tốc độ máy phát:1800-
1980rpm
Phạm vi tốc độ rotor:15.3-16.8rpm
Enercon, Germany:
E112, 4.5MW
E66, 2MW
Loại D1 Góc nghiêng tối đa
Tốc độ thay đổi
Điện áp máy phát điện có nhiều
WRIG: 440V
Phạm vi tốc độ máy phát và rotor:
8-13rpm

Phạm vi tốc độ máy phát:900-
1900rpm
Phạm vi tốc độ rotor:7.5-13.5rpm
Loại B1 Góc nghiêng giới hạn
Tốc độ thay đổi
Điện áp máy phát WRIG(loại
optislip): 690V
Phạm vi tốc độ máy phát:1818-
1944rpm
Phạm vi tốc độ rotor:15.1-16.1rpm