Loại máy phát điện nào phù hợp cho việc sản xuất điện gió?
Nhiệm vụ cốt lõi của tuabin gió là chuyển đổi năng lượng cơ học liên tục thay đổi theo tốc độ gió thành năng lượng điện có thể kết nối với lưới điện một cách hiệu quả và ổn định. Do đó, máy phát điện phù hợp cho sản xuất điện gió không phải là những mẫu thông thường, chúng phải có đặc điểm thích ứng với dải tốc độ gió rộng, chịu được tải trọng phức tạp và dễ dàng điều khiển bằng lưới điện. Ngành công nghiệp điện gió hiện đại chủ yếu xoay quanh ba hướng công nghệ, mỗi hướng đều có những ưu điểm riêng và phù hợp với các kịch bản khác nhau.
1. Máy phát điện không đồng bộ hai cấp nguồn: trụ cột một thời của ngành công nghiệp.
Từ lâu, máy phát điện không đồng bộ hai cấp đã là xu hướng chủ đạo tuyệt đối trên thị trường điện gió. Nguyên lý hoạt động của nó rất thông minh: rôto của máy phát được kết nối với bộ chuyển đổi tần số nhỏ hơn thông qua vòng trượt và chổi than, trong khi stato được kết nối trực tiếp với lưới điện.
Ưu điểm lớn nhất của thiết kế này là hiệu quả kinh tế. Vì bộ biến tần chỉ cần xử lý khoảng một phần ba công suất trong mạch rôto, nên chi phí thiết bị thấp hơn và tổn thất năng lượng cũng nhỏ. Ngoài ra, với công nghệ cực kỳ hoàn thiện và chuỗi công nghiệp khép kín, nó đã trở thành lựa chọn phổ biến cho điện gió trên bờ, đặc biệt là các tổ máy công suất megawatt, trong hai thập kỷ qua.
Tuy nhiên, những nhược điểm của nó ngày càng trở nên rõ rệt hơn cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp. Chổi than và vòng trượt là các bộ phận tiếp xúc cơ khí cần được bảo trì thường xuyên trong môi trường hoạt động khắc nghiệt của các trang trại điện gió và là những điểm tiềm ẩn gây hỏng hóc. Ngoài ra, do stato được kết nối trực tiếp với lưới điện, khả năng chịu đựng sự dao động điện áp trong lưới (tức là "khả năng chịu đựng điện áp thấp") của nó tương đối yếu.
2. Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp nam châm vĩnh cửu: một mô hình về độ tin cậy
Công nghệ truyền động trực tiếp áp dụng một phương pháp hoàn toàn khác. Nó loại bỏ hoàn toàn hộp số tốc độ cao, cho phép tuabin gió trực tiếp dẫn động máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhiều cực. Do tốc độ thấp, tần số dòng điện phát ra biến đổi rất lớn, vì vậy toàn bộ năng lượng điện phải được xử lý bởi bộ biến tần toàn công suất trước khi được truyền tải vào lưới điện.
Kế hoạch này mang lại những lợi thế mang tính cách mạng. Việc loại bỏ hộp số có tỷ lệ hỏng hóc cao nhất giúp cải thiện đáng kể độ tin cậy và khả năng bảo trì của thiết bị, đặc biệt phù hợp với các trang trại điện gió ngoài khơi khó tiếp cận. Nam châm vĩnh cửu cung cấp từ trường mà không có tổn thất kích thích, dẫn đến hiệu suất cao hơn. Quan trọng hơn, bộ chuyển đổi tần số toàn công suất hoạt động như một "tường lửa", cách ly hoàn hảo máy phát điện khỏi lưới điện, giúp tuabin gió cực kỳ ít nhạy cảm với sự dao động của lưới điện và có khả năng chủ động hỗ trợ lưới điện, mang lại chất lượng điện năng tuyệt vời.
Thách thức nằm ở chỗ cần phải tạo ra một máy phát điện có đường kính rất lớn và nhiều cực để tạo ra đủ tần số điện ở tốc độ thấp, dẫn đến kích thước và trọng lượng khổng lồ, gây khó khăn cho việc vận chuyển và nâng hạ. Trong khi đó, nó dựa vào vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm, dẫn đến chi phí cao hơn.
3. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tốc độ trung bình (truyền động bán trực tiếp): công nghệ được ưa chuộng hiện nay
Để cân bằng giữa độ tin cậy của hệ thống truyền động trực tiếp và tính nhỏ gọn của các cấu trúc truyền thống, các giải pháp "truyền động bán trực tiếp" hoặc "truyền động tốc độ trung bình" đã xuất hiện và nhanh chóng trở thành lựa chọn chủ đạo cho các tuabin gió lớn, đặc biệt là các mẫu ngoài khơi.
Nó giữ lại một hộp số tốc độ trung bình đơn giản và chắc chắn (thường chỉ có một bánh răng hành tinh), giúp tăng tốc độ tuabin gió lên mức vừa phải, dẫn động máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhỏ gọn, và cuối cùng kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi tần số toàn công suất.
Đây có thể được gọi là "sự kết hợp vàng". Nó giúp giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của máy phát điện với hộp số đơn giản, giải quyết vấn đề vận chuyển của các thiết bị truyền động trực tiếp, đồng thời vẫn duy trì hiệu suất cao của động cơ nam châm vĩnh cửu và khả năng tương thích lưới điện tuyệt vời của bộ chuyển đổi tần số toàn công suất. Độ tin cậy của nó cao hơn nhiều so với các hệ thống cấp nguồn kép truyền thống. Mặc dù việc tích hợp công nghệ khó khăn và chi phí ban đầu không thấp, nhưng những lợi ích mang lại là rất đáng kể về chi phí điện năng trong toàn bộ vòng đời sản phẩm.
Tóm tắt và xu hướng
Nhìn chung, con đường phát triển công nghệ của tua bin gió khá rõ ràng:
Máy phát điện không đồng bộ hai cấp vẫn còn sức sống mạnh mẽ ở một số thị trường trên bờ cụ thể nhờ vào sự trưởng thành và tính kinh tế của chúng.
Máy phát điện đồng bộ dẫn động trực tiếp nam châm vĩnh cửu chiếm vị trí vững chắc trên biển và các khu vực có tốc độ gió thấp nhờ độ tin cậy vượt trội.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tốc độ trung bình đã tích hợp thành công những ưu điểm của hai loại máy phát điện trước đó, trở thành sản phẩm dẫn đầu tuyệt đối về công nghệ trong phát triển điện gió quy mô lớn và ngoài khơi hiện nay, đại diện cho hướng đi tương lai của ngành công nghiệp này.
Việc lựa chọn máy phát điện về cơ bản là tìm kiếm sự cân bằng tối ưu giữa chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành và bảo trì, hiệu suất phát điện và yêu cầu kết nối lưới điện. Khi các tuabin gió ngày càng lớn hơn và được lắp đặt ngoài khơi, yêu cầu về độ tin cậy và khả năng hỗ trợ lưới điện trở nên rất cao. Đây cũng là lý do cơ bản tại sao công nghệ máy phát điện nam châm vĩnh cửu kết hợp với bộ chuyển đổi tần số toàn công suất lại được ưa chuộng.
