Thiết kế bộ biến đổi đa tầng điện áp cải thiện chất lượng điện, nâng cao độ tin cậy và giảm khối lượng của hệ thống tuabin gió công suất lớn

Các bộ biến đổi công suất đa mức ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất và phân phối điện năng, năng lượng mới, công nghệ sản xuất tàu điện, máy bay, tàu thủy, hàng không vũ trụ…. Trong công nghệ sản xuất điện gió, nhiều mô hình điện tử công suất từ đơn giản đến phức tạp đã được nghiên cứu, ứng dụng và thương mại hóa. Công suất của các bộ biến đổi công suất này tỉ lệ với công suất của tuabin gió. Đối với năng lượng gió các tuabin gió cỡ nhỏ, hoặc một cụm nhỏ các tuabin gió cỡ nhỏ thường được nối với lưới phân phối điện áp thấp. Ngược lại một trang trại gió gồm hàng trăm tuabin gió thì công suất lên tới cỡ hàng GW, lúc này điện năng sản xuất ra lại được nối vào lưới truyền tải trung áp đối với hầu hết các trang trại gió hoặc nối lưới cao áp hay là siêu cao áp đối với các trang trại gió trên biển . Chính vì vậy việc nối lưới của nguồn năng lượng gió công suất lớn đặt ra rất nhiều vấn đề kĩ thuật cần giải quyết để đảm bảo chất lượng điện năng cũng như tính ổn định của hệ thống. Hiện nay rất nhiều các trường đại học, các trung tâm thí nghiệm thuộc các trường hay thuộc các hãng sản xuất thiết bị…ở nhiều nước phát triển như Anh, Pháp, Mỹ, Nhật, Trung Quốc rất quan tâm tập trung nghiên cứu các vấn đề này.

Các kết quả nghiên cứu trên thế giới được công bố tính đến thời điểm này liên quan đến ứng dụng của các bộ biến đổi đa mức trong hệ thống điện gió gồm các sơ đồ sau đây :

– Sơ đồ chặn điôt ba mức đối xứng nhau (Three level Neutral-Point Diode Clamped Back-To-Back Topology – 3L-NPC BTB): Sơ đồ ba mức điện áp này là một trong những sơ đồ được thương mại hóa phổ biến nhất. Nhược điểm chính của sơ đồ này là dao động thế năng của điểm giữa ở sơ đồ.

– Sơ đồ cầu H ba mức đối xứng (Three-Level H-Bridge Back-to-Back Topology – 3L-HB BTB): sơ đồ này có hiệu suất cao hơn, được thiết kế ở mức điện áp cao hơn. Tuy nhiên nhược điểm là sự cách ly pha đòi hỏi gấp đôi số lượng cáp kết nối máy phát và máy biến áp, làm tăng giá thành, tổn thất.

– Sơ đồ cầu H năm mức đối xứng (Five-Level H-Bridge Back-to-Back Topology -5L-HB BTB) : sơ đồ này có ưu điểm là giảm kích thước của bộ lọc đầu ra và làm giảm dòng điện qua các van bán dẫn từ đó làm giảm tiết diện cáp. Tuy nhiên so với sơ đồ 3L H-Bridge BTB thì sơ đồ 5L H-Bridge BTB cần nhiều hơn số lượng van bán dẫn và điều đó có thể làm giảm đi độ tin cậy của hệ thống và làm phức tạp hơn phương pháp điều khiển.

– Sơ đồ chặn điôt ba mức  phía máy phát và cầu H năm mức phía lưới (Three-Level Neutral-Point Diode Clamped Topology for Generator Side and Five-Level H-Bridge Topology for Grid Side -3L-NPC + 5L-HB) : sơ đồ này thì các pha phía máy phát không cần cách ly, do đó độ dài đường cáp phía máy phát được giảm đi một nửa, nhưng sơ đồ mất đi khả năng chịu lỗi (fault tolerant). Nó có số lượng van bán dẫn ít hơn so với sơ đồ 5L-HB BTB, nhưng lại dễ có sự mất cân bằng về tổn thất giữa các van.

Để khắc phục các nhược điểm đã nêu ở trên của giải pháp kỹ thuật đã biết, được sự đồng ý của Viện hàn lâm KHCN VN, các nhà khoa học của Viện Khoa học năng lượng – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng với một số chuyên gia Trường Đại học Điện lực Hà Nội, đã tiến hành đề tài “Thiết kế bộ biến đổi đa tầng điện áp cải thiện chất lượng điện, nâng cao độ tin cậy và giảm khối lượng của hệ thống tuabin gió công suất lớn” thuộc chương trình hỗ trợ cán bộ khoa học trẻ của Viện Hàn lâm. Đề tài này thực hiện thiết kế bộ biến đổi công suất năm mức trong hệ thống điện gió tốc độ thay đổi nối lưới nhằm mục đích giảm khối lượng của điện cảm phía máy phát, giảm kích thước bộ lọc phía máy phát và phía lưới; Nâng cao độ tin cậy của hệ thống; Nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống.

Hệ thống bộ biến đổi công suất đề xuất bao gồm hai bộ biến đổi: bộ biến đổi năm mức AC/DC phía máy phát bao gồm hai điôt chỉnh lưu và bốn cặp van bán dẫn điôt và IGBT có nhiệm vụ tạo ra điện áp bus một chiều tổng VDC và bộ biến đổi năm mức DC/AC bao gồm 10 van bán dẫn IGBT có nhiệm vụ chuyển nguồn áp một chiều VDC thành nguồn xoay chiều phía lưới. Với sơ đồ cấu trúc như mô tả ở hình 2, hoạt động của sơ đồ sẽ đảm bảo khả năng cung cấp điện liên tục trong trường hợp hoạt động bình thường và sự cố, qua đó nâng cao được độ tin cậy của hệ thống, sơ đồ cũng đảm bảo cung cấp điện áp năm mức một pha và 9 mức ba pha để qua đó nâng cao chất lượng điện năng, giảm kích thước bộ lọc.

Hình 1: Sơ đồ bộ biến đổi công suất 5 mức trong hệ thống điện gió.

Hình 2: Điều khiển bộ biến đổi năm mức bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

Hình 3: Các tín hiệu dòng áp của bộ chỉnh lưu 5 mức một pha khi không dùng bộ lọc phía máy phát.

Hình 4 : Mô phỏng hoạt động trong các chế độ làm việc bình thường và sự cố của một pha sơ đồ 5 mức/ pha khi không dùng bộ lọc phía máy phát.

Hình 5 : Dòng điện và điện áp xoay chiều của bộ nghịch lưu 5 mức (9 mức điện áp dây) thông thường khi không có lọc phía lưới.

Đề tài được tiến hành trong thời gian từ 01/2015-12/2016, do ThS. Nguyễn Ngọc Bách làm chủ nhiệm, và đã được Hội đồng KHCN cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đánh giá đạt loại Khá tại phiên họp nghiệm thu vào ngày 8 tháng 03 năm 2017.

Trên cơ sở đối chiếu với mục tiêu chính của đề tài là: (1) Tài liệu thiết kế Hệ thống điện tử công suất mới cho hệ thống phát điện gió có nhiều tính năng nổi trội; (2) Tài liệu thiết kế bộ điều khiển hoạt động của hệ thống; (3) Mô hình mô phỏng bằng phần mềm PSIM do hãng Powersim Inc. sản xuất; (4) Thành lập nhóm nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. Hội đồng  đánh giá cao kết quả nghiên cứu đã đạt được, cụ thể như sau:

• Về mặt khoa học:
– Hệ thống được thiết kế đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra bao gồm điện áp, tần số, độ tin cậy cao đủ điệu kiện đấu nối vào lưới điện quốc gia.
– Thuật toán điều khiển tin cậy, hiệu quả, đáp ứng được hoạt động phức tạp của hệ thống.
– Kết quả mô hình hóa, mô phỏng trên phần mềm PSIM đảm bảo sát với mô hình bộ điện tử công suất, cũng như hệ thống phát điện gió trong thực tế.
– Các sản phẩm đã đăng ký đều hoàn thành.
• Về mặt ứng dụng
Kết quả KHCN của đề tài là tiền đề để thí nghiệm, phát triển các hệ thống điện tử công suất cũng như hệ thống điện gió. Ngoài bài toán nâng cao công suất của hệ tuabin gió – máy phát điện – bộ biến đổi điện tử công suất, thì bài toán chất lượng điện năng cũng được đặt ra và tính toán. Kết quả có được không chỉ nâng cao nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực điện gió, mà còn là tiền đề để đưa vào sử dụng, lắp đặt các thế hệ tuabin gió đời mới.
Ngoài ra, đề tài cũng đã công bố 01 bài báo trên tạp chí trong nước và góp phần đào tạo 01 Thạc sĩ và hỗ trợ đào tạo 01 NCS.

Nguồn tin: ThS. Nguyễn Ngọc Bách – Chủ nhiệm đề tài.