12.4.13
Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuấn, Trương Xuân Hùng, Phí Kim Phúc
Phòng thí nghiệm trọng điểm Tự động hóa
Phạm Trung Kiên
Bộ môn Điều khiển tự động - ĐH Bách Khoa Hà Nội

1. Tổng quan về hệ thống

Trạm điện sức gió được xây dựng đáp ứng yêu cầu về hoạt động và vận hành sau:

Hệ thống làm việc độc lập nhưng vẫn cho phép có sự can thiệp của con người khi có yêu cầu.
Cấu trúc lắp đặt của hệ thống đảm bảo thuận lợi cho công tác bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, phòng chống thiên tai: bão, lũ.
Trong điều kiện năng lượng gió đầu vào của trạm phát điện luôn biến động theo thời gian còn công suất tiêu thụ phía phụ tải đầu ra cũng không ổn định, thì hệ thống phải có khả năng xử lý những thay đổi trong năng lượng thu và phát, nhằm duy trì sự cân bằng về năng lượng. Như vậy

hệ thống thực hiện tích trữ hoặc bù đắp năng lượng trong điều kiện năng lượng đầu vào nhiều hơn hoặc ít hơn công suất tiêu thụ phía phụ tải;
nếu công suất tiêu thụ vượt quá lượng cung cấp đầu vào và khả năng bù đắp, hệ thống có biện pháp kỹ thuật đảm bảo không bị rã lưới tiêu thụ;
khi công suất tiêu thụ quá nhỏ còn năng lượng thu được từ đầu vào quá lớn vượt quá lượng có thể tích trữ lại, hệ thống có giải pháp tiêu hao nguồn năng lượng dư thừa.
Căn cứ theo những yêu cầu vận hành và các bài toán kỹ thuật cần phải có, hệ thống phát điện sức gió có cấu trúc được thiết kế như Hình 1.
 
  Hình 1: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống phát điện sức gió

Nguyên tắc hoạt động của trạm phát điện

Năng lượng gió sẽ được chuyển hóa thành điện năng và được lấy ra ở phía stator của máy phát. Hai bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng xoay chiều thành năng lượng một chiều và đưa vào mạch một chiều. Chỉnh lưu phụ sẽ hoạt động tại thời điểm khởi động hệ thống, nhiệm vụ của nó là nạp tụ lọc . Chỉnh lưu chính sẽ bắt đầu hoạt động sau đó một khoảng thời gian.

Nối với mạch một chiều có các bộ phận điện trở hãm, nghịch lưu, mạch nạp acquy và acquy, chúng được tích hợp để phục vụ các bài toán kỹ thuật cho hệ thống. Khi đó dòng năng lượng một chiều sẽ được điều khiển cung cấp cho phụ tải thông qua nhánh phần tử nghịch lưu, hoặc nạp vào trong bộ phận acquy, hoặc đưa tới điện trở hãm. Hoạt động của chúng được điều khiển bởi một bộ điều khiển hiện trường được tích hợp trong hệ thống.

Thông qua các thiết bị đóng cắt S1, S2,… bộ điều khiển hệ thống (S7-200) sẽ thiết lập các chế độ hoạt động: khởi động, cấp điện phụ tải, cắt tải,v.v…

Phân cấp điều khiển trong hệ thống

Phần điều khiển trong hệ thống được chia thành hai cấp căn cứ theo mục đích hoạt động:

Cấp điều khiển hiện trường, thực hiện các bài toán điều khiển cấp thấp (bài toán điều chỉnh ổn định điện áp ra, bài toán nạp acquy, bài toán tiêu hao năng lượng dư thừa dùng điện trở hãm) can thiệp trực tiếp đến các phần tử của hệ thống, nó gồm một bộ điều khiển chính, xây dựng dựa trên phần tử TMS320F2812, và các module phụ trợ.
Cấp điều khiển hệ thống, thực hiện các bài toán điều khiển cấp cao: thiết lập chế độ hoạt động, phân bố phụ tải tiêu thụ, giám sát hoạt động của hệ thống, tham gia thực hiện bài toán điều khiển và giám sát từ xa…, phần cứng sử dụng là phần tử PLC S7-200 của hãng Siemens.
Một thiết bị điều khiển và giám sát từ xa có thể được tích hợp thêm (kết nối với bộ điều khiển hệ thống thông qua đường dây điện thoại) cho phép thực hiện được các chức năng cao cấp như: chẩn đoán hệ thống, phát hiện lỗi, cập nhật phần mềm v.v…
Hình 2: Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển trạm phát điện sức gió


2. Tuabin

Tuabin-máy phát là phần quan trọng trong hệ thống, ảnh hưởng quyết định đến khả năng hoạt động hiệu quả của toàn bộ hệ thống. Trong điều kiện Việt Nam chưa sản xuất được do ngân sách hạn chế, chúng tôi đã mua tuabin-máy phát của hãng WestWind – Úc. Tuabin sử dụng loại 3 cánh, thích hợp với dải tốc độ gió 3 ¸ 16 m/s, với hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao (so với loại nhiều cánh) đồng thời ít gây tiếng ồn (so với loại tuabin hai cánh). Máy phát sử dụng loại đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, nhiều đôi cực. Việc sử dụng loại động cơ này sẽ cho phép máy phát được nối trực tiếp vào trục quay của cánh mà không cần sử dụng hộp số, do đó sẽ:

  • giảm tiếng ổn do hoạt động của hộp số;
  • tăng hiệu suất chuyển hóa năng lượng;
  • giảm chi phí bảo dưỡng.

Các thông số làm việc của tuabin gió:

  • tốc độ gió hoạt động, lớn hơn 2,5m/s;
  • tốc độ gió danh định 14 m/s;
  • tốc độ gió giới hạn trên 16 m/s;
  • tốc độ quay của cánh gió 0 ¸ 160 vòng/phút.

Hình 3: Các bộ phận của tuabin gió

Ngoài chức năng chuyển hóa năng lượng, loại tuabin này còn cung cấp thêm cho người sử dụng các chế độ bảo vệ phần tử khi hoạt động. Điều đáng nói ở đây, các cơ cấu bảo vệ đều được thực hiện hoàn toàn bằng cơ khí và hoạt động tự động không cần tác động của con người.

Cơ cấu tự động điều chỉnh góc nghiêng cánh

Hoạt động theo nguyên lý lực ly tâm (sẽ được sinh ra khi tuabin quay), cơ cấu này sẽ tự động điều chỉnh góc nghiêng của cánh nhằm hạn chế tốc độ quay của tuabin ứng với vùng tốc độ gió lớn. Khi vận tốc quay của tuabin nhỏ thì lực ly tâm nhỏ hơn lực căng của lò xo, lò xo giữ cho góc nghiêng của cánh ở giá trị bình thường. Khi vận tốc quay của tuabin đạt đến một giá trị nhất định khi đó lực ly tâm bắt đầu lớn hơn lực lò xo và cánh bắt đầu xoay làm giảm tác động của gió lên cánh dẫn đến giảm tốc độ quay của tuabin.

Hình 4: Cơ cấu tự động điều chỉnh góc nghiêng cánh

Cơ cấu gập đuôi, dừng hoạt động của tuabin

Cơ cấu này có nhiệm vụ điều chỉnh sự tác động của gió lên bộ cánh của tuabin thông qua việc điều chỉnh hướng của tuabin so với hướng gió. Chỉ bằng sự kết hợp giữa lực tác động lên cánh, lực tác động lên đuôi và trọng lực của đuôi cơ cấu đã có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Nếu vận tốc gió lớn hướng tuabin sẽ được điều chỉnh lệch với hướng gió. Khi vận tốc gió giảm đi hướng tuabin lại được đưa về theo hướng gió.

Hình 5: Minh họa cơ chế tự gập đuôi

3. Cột đỡ
Hình 6: Cột đỡ

Do đặc thù của địa điểm lắp đặt hệ thống là những vùng sâu, vùng xa, gặp khó khăn trong việc đưa các thiết bị hỗ trợ lắp đặt tới. Phòng Thí nghiệm đã phối hợp với Trung tâm Công nghệ Cơ khí - Viện Công nghệ nghiên cứu, thiết kế cấu trúc cột đỡ:

thân cột được chia thành từng đoạn tháo rời, dễ dàng cho công tác vận chuyển và lắp đặt. Độ cao cột có thể là 24m hoặc 30m;
sử dụng cơ cấu tay đòn, cáp căng, việc dựng cột được thực hiện với một nhóm người nhỏ (4 – 5 người) và không yêu cầu các thiết bị cẩu, trục.
Với hệ thống cột này người vận hành chỉ mất 45 phút để hạ turbin xuống đất khi cần có yêu cầu và mất khoảng một giờ để dựng turbin lên vị trí làm việc.

4. 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 hóa thiết kế, chế tạo, được tích hợp dựa trên vi xử lý tín hiệu số TMS320F2812 của hãng Texas Instruments. Bên cạnh card điều khiển (Hình 7) là 3 module được thiết kế để giải quyết 3 bài toán điều khiển cấp hiện trường như:

điều khiển nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh ổn định điện áp ra phía tải tiêu thụ (220V /50Hz);
điều khiển điện trở đốt, đáp ứng yêu cầu tiêu thụ năng lượng dư thừa khi năng lực tiêu thụ đầu ra của tải nhỏ hơn so với năng lượng thu được phía đầu vào;
điều khiển nạp acquy, phục vụ việc tích trữ năng lượng, đảm bảo sự cân bằng về năng lượng thu và nhận của trạm phát điện sức gió.
Hình 7: Cấu trúc bộ điều khiển hiện trường

Card điều khiển

Các thông số kỹ thuật của card điều khiển:


  • 256 Kword Flash EPROM;
  • 64Kword SRAM;
  • 8Kbyte EEPROM, loại SPI;
  • 12 kênh PWM với mức tín hiệu đưa ra là 0 ¸ 5V;
  • 3 đầu vào số 24VDC;
  • 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 ¸ 5VDC.

Hình 8: Cấu trúc phần cứng card điều khiển

Module nghịch lưu

Hình 9: 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 vectơ 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);

+ thứ hai, hệ số công suất phát phải tuân theo những thay đổi của phụ tải tiêu thụ;

+ thứ ba, công suất phát phải đáp ứng được yêu cầu của phụ tải tiêu thụ.

Đây là các nhiệm vụ của bài toán điều khiển nghịch lưu - bài toán điều chỉnh ổn định điện áp ra.



Module nạp acquy

Trong hệ thống, bộ phận acquy 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 acquy rơi vào chế độ nạp và sẽ ngừng khi được nạp đầy. Khi năng lượng thu được nhỏ hơn năng lượng tiêu thụ, acquy sẽ chuyển sang chế độ phát, đưa năng lượng ra mạch một chiều bù đắp vào phần thiếu hụt. Tuy nhiên acquy 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 acquy trong hệ thống bao gồm:

  • các phần tử acquy 12V mắc thành mạng acquy;
  • mạch điều khiển nạp, phóng acquy, tương ứng với hai chế độ làm việc là chế độ nạp và chế độ xả.


Module điện trở đốt

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, giúp làm triệt tiêu sự mất cân bằng năng lượng trong hệ thống. Bài toán điều khiển này chỉ được hoạt động khi việc nạp acquy không làm giảm bớt được sự chênh lệch ở 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;
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.
Hình 10: Cấu trúc của module điện trở đốt

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 đốt, 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.


5. Cấp điều khiển hệ thống

Thiết bị sử dụng là PLC S7-200 của hãng Siemens. Bên cạnh vai trò thu thập dữ liệu về thông số làm việc của hệ thống (trạng thái hoạt động của các phần tử điện trở đốt, acquy… các thông số điện: dòng điện, điện áp, tần số…), thiết bị còn thực hiện các bài toán điều khiển cấp cao:

  • bài toán khởi động;
  • bài toán cung cấp điện;
  • bài toán giao tiếp từ xa.
  • Tại cấp điều khiển hệ thống, các chế độ làm việc được thiết lập căn cứ theo hiện trạng hoạt động của hệ thống và các lệnh điều khiển đưa xuống bộ điều khiển hiện trường.

Hình 11: Ví dụ một lưu đồ được thực hiện

Bài toán cung cấp điện

Phía phụ tải ghép nối với hệ thống phát điện sức gió theo các nhánh (Hình 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 năg lượng dữ trữ trong acquy 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 acquy tụt xuống dưới mức cho phép, thiết bị điều khiển sẽ cắt toàn bộ tải tiêu thụ cho đến khi năng lượng tích trữ được khôi phục trở lại.

6. Điều khiển 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 chẩn đoán, điều khiển 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 cẩn thiết.

Một số chẩn đoán đã được thực hiện trong trạm phát điện sức gió:

  • 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);
  • chẩn đoán lỗi của máy biến áp.


7. Kết luận

Đến cuối năm 2005, công việc thiết kế, chế tạo các bộ phận trong hệ thống phát điện sức gió đã cơ bản hoàn thành. Từ cuối 2006, hệ thống đã được lắp đặt tại Tam Kỳ, Quảng Nam trong và liên tục vận hành với độ tin cậy cao.

Tác giả và sản phẩm thiết kế tại Quảng Nam. Ảnh:khanhquang.vn

Độc giả có nhu cầu liên hệ, xin theo địa chỉ: Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ cao - Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; phòng 206, nhà HiTech, số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội; điện thoại: (04-4) 8683518; email: info@hi-tech.com.vn.

Chú thích: Đây là bài viết đăng trên Tạp chí “Tự động hóa ngày nay” đầu năm 2006, được chỉnh sửa lại chút ít ở mục “Kết luận”.

Tải bài báo gốc tại đây