1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN MINH TUẤN PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 2 Hà Nội - Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN MINH TUẤN PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Cán bộ hướng dẫn chính: Đại tá, Tiến sĩ: Nguyễn Ngọc Hòa Cán bộ chấm phản biện 1: ...................................................... 4 Cán bộ chấm phản biện 2: ....................................................... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày ... tháng ... năm 2015 5 Tôi xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Minh Tuấn MỞ ĐẦU Dân số thế giới tăng với tốc độ chóng mặt và đi kèm theo đó nhu cầu sử dụng năng lượng của con người tất yếu sẽ tăng cao. Do mức tiêu thụ quá lớn và tăng quá nhanh nên nguồn năng lượng hiện có ngày càng cạn kiệt. 6 Ở Việt Nam tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm, tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế. Và theo dự báo của Tổng công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện trong nước của chúng ta cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030). Điều này nói lên, nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới cỡ 30% mỗi năm. Đứng trước thách thức thiếu hụt điện mà không nằm ngoài xu thế chung của toàn cầu, chính phủ đã đưa ra nhiều giải pháp như: tăng giá điện (dự kiến tăng 20%); đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách: thứ nhất là mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống, thứ hai là phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo, giải pháp này là quan trọng hơn rất nhiều so với giải pháp đầu. Một điều đáng lưu ý là trong hàng loạt giải pháp phát triển nguồn điện để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế (như nhập khẩu điện, phát triển thủy điện, hay điện hạt nhân), dường như Việt Nam còn bỏ quên điện sức gió, một nguồn điện mà trong mấy năm trở lại đây có tốc độ phát triển cao nhất trên thị trường điện thế giới, hơn nữa giá thành điện gió ngày càng rẻ và rất thân thiện với môi trường. Theo số liệu nghiên cứu của tổ chức phát triển năng lượng gió Châu Á, trên lãnh thổ Việt Nam, các vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió như là: Sơn Hải (Ninh Thuận), vùng đồi cát ở độ cao 60 - 100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) và khu vực Bán đảo Phương Mai (Bình Định). Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam 7 lên đến 98% với vận tốc trung bình 6 - 7m/s, tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3 - 3,5 MW. Thực tế là người dân khu vực Ninh Thuận cũng đã tự chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng. Hơn thế nữa tại Ninh Phước-Ninh Thuận đã khởi công xây dựng giai đoạn 1 với 4 trụ tuabin gió với công suất 6 MW và sẽ thực hiện giai đoạn 2 còn lại với 16 trụ tuabin gió của dự án với tổng công suất là 30 MW. Tại Bình Định dự án nhà máy phong điện Phương Mai 3 với tổng công suất 21 MW. Khi các nhà máy phong điện được đưa vào vận hành có hiệu quả thì công việc “điều khiển” toàn bộ hệ thống hết sức quan trọng, vấn đề là làm sao đảm bảo chất lượng điện áp, tránh quá tải cơ học và thu nhận công suất một cách hiệu quả nhất. Các bộ phận như là: hệ thống khí động học, hệ thống cơ, hệ thống điện, hệ thống điều khiển pitch cũng như bộ phận kết nối lưới phải được phối kết hợp một cách chặt chẽ, linh hoạt và có độ chính xác cao. Chính vì vậy luận văn này tập trung vào việc tìm hiểu cấu tạo, phân tích và mô phỏng các hệ thống điều khiển trạm điện gió. Đây là những kiến thức làm cơ sở lựa chọn tuabin gió phù hợp với những điều kiện thay đổi của gió, cũng như áp dụng trong khai thác và vận hành các dự án phát điện sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 1.1 Năng lượng gió và sự phát triển của công nghiệp điện gió 1.1.1 Khái niệm về năng lượng gió 8 Tia nắng mặt trời chiếu vào mặt đất thay đổi không đồng đều làm nhiệt độ trong bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau, trái đất luôn quay trong quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày và đêm. Chính vì sự thay đổi nhiệt độ của khí quyển làm không khí chuyển động. Sự chuyển động của không khí được gọi là gió. Ngoài ra vào ban đêm, một nửa bề mặt của trái đất bị che khuất không nhận được tia nắng mặt trời, nửa bề mặt kia là ban ngày nên cường độ tia nắng cao hơn, thêm vào đó nhiệt độ ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và đường xích đạo cũng như nhiệt độ ở biển và trên đất liền luôn khác nhau. Từ sự quay quanh trục của trái đất nên không khí chuyển động xoáy theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi phát sinh những vùng áp cao và áp thấp. Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền ngũ cốc hoặc cho một tổ máy phát để biến đổi tiếp từ năng lượng cơ thành năng lượng điện. 1.1.2 Quá trình phát triển của công nghiệp điện gió Quá trình phát triển của việc sử dụng năng lượng gió nhằm sản xuất ra điện năng như một ngành công nghiệp đã được bắt đầu vào những năm 70 của thế kỷ 20 với những thí nghiệm đầu tiên. Tuy nhiên sự phát triển bùng nổ của lĩnh vực này đã diễn ra vào những năm 80. Trong khoảng thời gian này người ta bắt đầu tài trợ cho những nghiên cứu sử dụng năng lượng gió để tạo ra năng lượng điện. Về sử dụng năng lượng điện gió đã bắt đầu trước hết ở Đức và hiện nay là trên phạm vi quốc tế. Dưới tác động của luật cung ứng điện ra đời vào năm 1991 (ở Đức), cho đến cuối năm 2003 có đến khoảng 2/3 thiết bị sử dụng năng lượng gió ở Châu Âu được lắp đặt ở Cộng Hòa Liên Bang Đức. Từ 9 thời điểm đó, ở Đức có nhiều thiết bị WEA (Wind Energy Association) với công suất lắp đặt vào khoảng 20.261 MW. Hiện nay ở Đức năng lượng điện gió đáp ứng được 5,7% tổng năng lượng tiêu thụ. 1.1.3 Hiện trạng sử dụng điện gió trên thế giới Thị trường năng lượng điện gió toàn cầu đã và đang được phát triển nhanh chóng hơn tất cả các năng lượng tái tạo khác. Tổng công suất của toàn thế giới vào thời điểm năm 1995 khoảng 4800MW và cho đến năm 2005 tăng gấp hơn 12 lần đạt 59000MW. Thị trường quốc tế ước tính về doanh thu năm 2006 đạt trên 13 tỷ Euro và 18 tỷ Euro vào năm 2007, thu hút khoảng 15000 nhân công trên thế giói. Sự thành công của điện gió đã kéo theo sự quan tâm của các nhà đầu tư từ các tổ chức tài chính và ngành cung cấp năng lượng truyền thống Năm 2005 lĩnh vực điện sử dụng năng lượng gió đã đưa vào sử dụng các hệ thống với tổng công suất lên đến 11531 MW ở hơn 30 nước, đạt mức tăng trưởng 40% năm và 24% kể từ khi phát triển. Tính đến năm 2005 tổng công suất các trạm điện gió trên toàn thế giới đạt khoảng 59084 MW. Năng lượng gió hiện tại là nguồn cung cấp năng lượng ở hơn 50 nước trên thế giới. Trong số này quốc gia có công suất lắp đặt điện gió lớn nhất vào năm 2005 là Đức (18428 MW), xếp sau là Tây Ban Nha (10027 MW), Mỹ (9148 MW), Ấn Độ (4430 MW) và Đan Mạch (3122 MW). + Châu Âu: Liên minh Châu Âu hiện đang dẫn đầu thế giới về sử dụng năng lượng gió với công suất lắp đặt 40500 MW tính đến năm 2005 chiếm 69% tổng năng lượng gió toàn cầu. Mục tiêu tổng thể cho toàn Châu Âu là năng lượng tái tạo sẽ đóng góp 21% lượng điện năng tiêu thụ. Mục tiêu hiện tại của EWEA (Cơ quan năng lượng gió Châu Âu ) là đạt công suất điện gió khoảng 75000 MW tại Châu Âu vào năm 2010, 180000 MW vào năm 2020 và 10 300000 MW vào năm 2030. Quốc gia đứng đầu Châu Âu về năng lượng gió là Đức. Điện gió hiện đáp ứng được 5,7% lượng điện tiêu thụ tại Đức với công suất lắp đặt lên đến 18428 MW vào cuối năm 2005. Điện gió tại Tây Ban Nha cũng phát triển mạnh mẽ từ những năm giữa của thập niên 1990. Năm 2007 một loạt các động cơ gió với công suất 1764 MW đã được đưa vào sử dụng tăng 20% so với năm 2004. + Khu vực Bắc Mỹ: Năm 2005 gần 1/4 công suất lắp đặt điện gió mới của thế giới tập trung ở Bắc Mỹ, nâng tổng công suất của khu vực này tăng lên ở mức xếp thứ 37. Điện sản xuất từ gió tăng lên mạnh mẽ ở cả 2 quốc gia Mỹ và Canada. Cơ quan năng lượng điện gió Mỹ (Amerrican Wind Energy Association – AWEA) ước tính điện sản xuất từ gió sẽ đóng góp khoảng 6% vào điện lưới nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện tại Mỹ vào năm 2020. Ở Canada công suất điện gió của nước này đã tăng một cách ấn tượng đạt 54% trong năm 2005, hiện tại tổng công suất đạt 683 MW. + Châu Úc: Australia rất chú trọng vào tài nguyên gió nên đã tạo ra số lượng trạm điện gió khổng lồ trên khắp các vùng miền và đặc biệt chiếm ưu thế tại những vùng trang trại. Tốc độ tăng trưởng của điện gió đã tăng gấp đôi vào năm 2005, với 328 MW bổ sung thêm, đã nâng tổng công suất điện gió lên 708 MW. Cũng trong thời gian này các dự án với công suất lên tới 6000 MW đang ở trong giai đoạn dự án tiền khả thi. Sự khuyến khích của nhà nước cho năng lượng gió thông qua “ Mục tiêu cấp bách của năng lượng tái tạo” trong đó nêu rõ sản lượng điện được sản xuất do năng lượng tái tạo vào năm 2010 phải đạt 9500 GWh, đáp ứng khoảng 1% lượng điện năng tiêu thụ của Australia. Hiệp hội năng lượng gió của Úc (Wind Energy Association Auswind) đang vận động tăng lượng đóng góp này lên 10% vào năm 2010. Nền công nghiệp tin 11 tưởng rằng với 600 MW điện gió lắp mới hàng năm thì năng lượng tái tạo của Úc sẽ phát triển mạnh và duy trì các cơ sở sản xuất động cơ gió. • Châu Phi: Việc phát triển mạnh mẽ tiềm năng gió ở Châu Phi được phân bố chủ yếu ở hai miền Bắc và Nam do vận tốc gió tại dải nối hai miền rất thấp. Ở miền Bắc điện gió được phát triển ở Marocco với công suất 64 MW đã được hoàn thành và theo kế hoạch của quốc gia tính đến 2015 thì sẽ triển khai tiếp 600 MW điện gió nữa. Trong khi đó tại Tunisia đang mong đợi dự án 60 MW đầu tiên trở thành hiện thực. Trong khu vực này nước đạt thành quả nhất trong ngành điện gió là Ai Cập. Tại đây một số trang trại điện gió qui mô lớn đã được xây dựng trên diện tích thiết kế 80 km 2 tại Zafarana thuộc vịnh Suez. Hầu hết các dự án này được hoàn thành với sự hỗ trợ của các tổ chức cứu trợ thuộc chính phủ của các nước Châu Âu. Trên vùng diện tích lớn hơn 700 km 2 ở Gabal El-Zayt đã được xác định mốc chỉ giới cho trang trại gió 3000 MW. Địa điểm này rất thích hợp do tốc độ gió trung bình đạt tới 10,5 m/s. Với tổng công suất điện gió hiện tại là 145 MW các nhà quản lý năng lượng tái tạo của Ai Cập đang dự kiến nâng con số này lên 850 MW vào năm 2010 và kỳ vọng tới giai đoạn 2020 - 2025 sẽ đạt 2750 MW. Ở miền Nam, Nam Phi đã lắp đặt một trạm nhỏ đầu tiên vào năm 2002 còn các dự án lớn đang chờ sự hậu thuẫn của thị trường. • Châu Á: Vùng lục địa Châu Á đang phát triển mạnh nguồn điện gió sinh hoạt gia đình với số thiết bị lắp đặt chiếm tới 19% tổng số động cơ gió năm 2005. Với tốc độ tăng trưởng hơn 46% đã nâng công suất điện gió của Châu Á đạt gần 7000 MW. Thị trường điện gió Châu Á tập trung chủ yếu ở Ấn Độ nơi chiếm tới 4430 MW trong đó số động cơ mới lắp đặt khoảng 1430 MW. Con số này đã 12 đẩy Ấn Độ lên vị trí số thứ 4 trong bảng xếp hạng các nước phát triển điện gió trên thế giới. Tập đoàn sản xuất động cơ gió của Ấn Độ (Indian Wind Tuabin Manufacturers Association - IWTMA) thông báo trong vòng 3 năm tới mỗi năm có khoảng 1500 đến 1800 MW động cơ gió đã được đặt hàng. Chính phủ Ấn Độ đã khuyến khích và hỗ trợ ngành năng lượng gió thông qua việc miễn giảm thuế. Viện nghiên cứu khí tượng Trung Quốc (Chinese Meteorology Reseach Institute) ước tính tiềm năng xây dựng các trạm điện gió trong đất liền của Trung Quốc có thể đạt khoảng 253 GW và trong tương lai hơn 750 GW sẽ được triển khai trong các dự án ngoài khơi. Trang trại điện gió đầu tiên của Trung Quốc được hoàn thành năm 1986 dưới dạng một dự án trình diễn. Nhưng chỉ đến cuối năm 2005 tổng số động cơ gió được lắp đặt tại lục địa Trung Quốc đã lên đến 1260 MW thể hiện tốc độ tăng trưởng đạt đến 60%. Cho đến nay những chính sách của chính phủ Trung Quốc đang khuyến khích địa phương hóa các nhà máy sản xuất động cơ gió, nhờ đó giảm được chi phí giúp cho điện gió có thể cạnh tranh với các nhà máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Ngành công nghiệp phát điện của Trung Quốc hiện đang bị thống trị bởi các nhà máy nhiệt điện từ than đá, đây là nguyên nhân của các vấn nạn ô nhiễm không khí và môi trường. Để phát triển nền công nghiệp sản xuất động cơ gió của bản địa, Ủy ban cải cách và phát triển quốc gia (National Development and Reform Commission - NDRC) đã quảng bá cho ý tưởng “Giảm giá thành cho năng lượng gió” (Wind Power Concessions) để phát triển thương mại rộng rãi. Mục tiêu hiện tại của Trung Quốc là đến cuối năm 2010 điện sản xuất từ gió đạt được 5000 MW. Trong một kế hoạch dài hạn đến năm 2020 chính phủ Trung Quốc đã đề xuất nâng tổng công suất điện gió lên 30GW, đưa lượng điện năng được sản suất từ năng lượng gió chiếm khoảng 1,5% tổng sản lượng điện quốc gia. 13 Ngành công nghiệp điện gió của Nhật Bản cũng đang rất phát triển. Với chính sách ưu đãi về giá cho các sản phẩm từ dự án năng lượng tái tạo và những quỹ trợ cấp dành cho các dự án năng lượng sạch. Chính sách này đã tạo đà tăng số trạm điện gió được lắp đặt tại Nhật Bản từ 461 MW vào thời điểm cuối năm 2002 lên hơn 1000 MW tính đến tháng ba năm 2006. Mục tiêu đặt ra của bộ máy chính phủ là nâng công suất điện gió của Nhật Bản lên 3000 MW vào năm 2015. Một trong các yếu tố cản trở kỳ vọng này là sự ràng buộc lỏng lẻo khi đặt ra mục tiêu của RPS và những khó khăn không lường trước khi thực hiện các dự án gió do điều kiện khí hậu biến động và không ổn định đặc biệt tại những vùng núi. Hàn Quốc và Đài Loan cũng bắt đầu phát triển mạnh từ năm 2005 với gần 100 MW động cơ gió được lắp đặt hàng năm. Philippin được đánh giá có tiềm năng gió tốt nhất trong vùng Nam Á, tuy vậy tính đến tháng 12 năm 2005 mới chỉ có một trang trại điện gió 25 MW được hoàn thành tại đây. Chính phủ Philippin đang đặt mục tiêu đạt công suất tối thiểu 417 MW điện gió trong mười năm tới, cùng lúc phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia của Mỹ có cơ sở tại đây dự báo tiềm năng điện gió của nước này có thể lên tới 70000 MW cung cấp sản lượng điện hàng năm hơn 195 tỷ kWh. • Điện gió ngoài khơi: Khả năng cố định được các động cơ gió xuống nền đáy biển đã mở ra một kỷ nguyên mới cho năng lượng gió, đặc biệt tại Bắc Âu nơi các dự án lớn sẽ thuận lợi hơn khi được xây dựng tại các vùng nước nông ven biển. Trang trại điện gió ngoài khơi đầu tiên được xây dựng tại Đan Mạch. Tại đây đã hoàn thành 160 MW trại điện gió tại Horns Rev ở Biển Bắc và 158 MW tại Nysted thuộc biển Bantic. Hai dự án lớn hơn cũng đang được triển khai ở đây. Anh cũng nằm trong các nước dẫn đầu của phong trào điện gió ngoài khơi với tổng công suất 214 MW được tiến hành ở bốn địa điểm và trong 14 tương lai hơn 1000 MW đã được thỏa thuận xây dựng tại 8 địa điểm khác. Một dự án đặc biệt (mỗi trang trại gió hơn 1000 MW) theo kế hoạch được đặt tại 3 vị trí chiến lượt ngoài khơi do chính phủ Anh chỉ định. Một số trang trại điện gió xa bờ khác được xây dựng xung quanh bờ biển Thụy Điển và Ireland với công suất lên đến 680 MW vào cuối năm 2015. Các dự án trong tương lai đã lên kế hoạch hoặc đang triển khai tại vùng bờ biển Hà Lan, Bỉ, Pháp và Tây Ban Nha. Ở Mỹ những trại điện gió xa bờ được tiến hành tại ven Biển phía Nam bang Texas thuộc vịnh Mexico. Quá trình thi công các động cơ gió ngoài khơi thì tốn kém hơn so với dự toán, do vậy một số các dự án vẫn dang dở vì cần đánh giá lại tính toán kinh tế của nó. Một yếu tố được kỳ vọng để xây dựng trang trại điện gió xa bờ đó là sự phát triển thương mại của các động cơ gió thế hệ mới (công suất lớn hơn 5 MW). Một vấn đề khác đã được giải quyết đó là chi phí xây dựng mạng lưới truyền tải điện từ ngoài khơi vào đất liền sẽ được chia sẻ giữa đơn vị triển khai và vùng công nghiệp sẽ sử dụng năng lượng điện gió. 1.1.4 Tình hình sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam Ở nước ta hiện nay các máy phát điện sử dụng sức gió đang còn dừng lại ở dạng nghiên cứu hay chỉ ở công suất nhỏ lẻ phục vụ ở miền vùng núi xa xôi hải đảo … Nhưng đứng trước tình hình khan hiếm nguồn năng lượng, cộng với tiềm năng to lớn về năng lượng gió – đất nước có đường bờ biển dài, lượng gió đều quanh năm …Thì vấn đề phát triển các hệ thống máy phát điện sử dụng sức gió đóng vai trò hết sức quan trọng trong cung cấp điện. Qua kết quả khảo sát thực tế và số liệu từ các trạm Quan trắc khí tượng quốc gia và địa phương đã thống kê được tiềm năng gió ở một số vùng miền trên cả nước (xem bảng 1.1). Bảng 1.1: Tiềm năng gió ở một số vùng miền trên cả nước TT Khu vực, địa phương Vận tốc gió trung bình m/s Ghi chú 15 1 Móng Cái 3,6 2 Than Uyên 2,3 3 Hà Nội 3,2 4 Bãi Cháy 4,1 5 Nam Định 4,6 6 Phú Liên 5,2 7 Thanh Hóa 3,3 8 Bạch Long Vĩ 9,5 9 Vinh 3,7 10 Kỳ Anh 4,,6 11 Quảng Bình 5,0 12 Của Tùng 4,,1 13 Đông Hà 4,1 14 Huế 3,1 15 Đà Nẵng 2,4 16 Quảng Nam 3,2 17 Cù Lao Chàm 5,5 18 Quảng Ngãi 3,1 19 Plây Cu 4,0 20 Qui Nhơn 5,2 21 Tuy Hòa 4,0 22 Buôn Ma Thuột 4,3 23 Liên Khương 4,6 24 Nha Trang 3,1 16 25 Phan Thiết 4,7 26 Vũng Tàu 4,7 27 Tân Sơn Nhất 4,1 28 Phú Quốc 4,6 29 Cao Lãnh 2,8 30 Trường Sa 7,9 1.1.5 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam Việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm 1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan. Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình “Tiến bộ khoa học kỹ thuật nhà nước” về Năng lượng mới và tái tạo đã có một số kết quả về động cơ phát điện chạy bằng sức gió sau: + Máy phát điện PD170-6, công suất 120 W nạp ắcquy của trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. + Máy phát điện PH500, công suất 500 W của trường Đại học bách khoa Hà Nội. + Máy WINDCHARGER, công suất 200 W nạp ắcquy (theo thiết kế của Mỹ) do một số cơ quan cải tiến thiết kế và chế tạo. + Máy phát điện gió công suất 150 W của Trung tâm nghiên cứu SOLALAB Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh 1.1.6 Một số mô hình phát điện gió ở Việt Nam Các máy phát điện sức gió công suất cực nhỏ được sử dụng chủ yếu cho mục đích thắp sáng gia đình, chạy máy thu thanh, thu hình… Do đặc điểm gió không liên tục nên máy phát điện gió thường được dùng để nạp điện cho ắcquy, rồi thông qua bộ rung biến đổi điện một chiều 17 12V hoặc 24V thành điện xoay chiều 220V hoặc sử dụng liên hợp cùng với các thiết bị phát điện khác như Pin Mặt trời hoặc máy phát điện Điêzen. • Mô hình phát điện gió cho hộ gia đình: Mô hình này sử dụng kết hợp máy phát gió công suất 150 - 300 W cùng với dàn năng lượng Mặt trời. Điện phát ra được tích vào ắcquy sau đó thông qua bộ rung biến đổi điện một chiều 12V hoặc 24V thành điện xoay chiều 220V để thắp sáng, chạy máy thu thanh, thu hình và chạy quạt công suất nhỏ. Hình 1.1: Mô hình phát điện gió cho hộ gia đình • Mô hình phát điện gió cho cụm dân cư: Sử dụng kết hợp máy phát gió công suất vài kW cùng với máy phát điện Điêzen. Điện phát ra được phát lên lưới 220V cấp điện cho các hộ gia đình. Nếu dùng với dàn năng lượng Mặt trời cần có hệ thống nạp ắcquy và hệ thống rung để biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều. 18 Phụ tải Dàn Pin mặt trời Đồng hồ đo điện năng Động cơ gió phát điện Kho ắc qui Hình 1.2: Mô hình phát điện gió cho cụm dân cư + Mô hình phát điện gió công nghiệp (công suất lớn): Hình 1.3: Mô hình phát điện gió công nghiệp Cho tới nay nước ta mới xây dựng được hệ thống phát điện gió-điêzen tại huyện đảo Bạch Long Vĩ để cung cấp điện cho cư dân trên đảo. 19 Đây là trạm điện gió lớn nhất được xây dựng ở nước ta cho tới thời điểm hiện tại. + Công suất máy phát điện gió 800 kW. + Công suất máy phát điezen (2 chiếc) 2 x 400 kWA. + Lưới điện 10kV ngầm. + Đầu tư 813 000 USD (không kể phần lưới điện). + Giá bán điện 1200 - 3000 VNĐ/kWh. Hiện tại hệ thống vẫn đang hoạt động bình thường. Tuy nhiên, do còn thiếu kinh nghiệm trong khai thác vận hành nên hệ thống máy phát điện này chưa phát huy hết hiệu quả của nó. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu cung cấp điện năng ngày càng lớn. Và điện gió đang được kỳ vọng như là một trong những nguồn điện của tương lai, xếp hàng sau điện hạt nhân nhưng đứng trước các nguồn điện dùng năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện sinh khối v.v... Việt Nam đã đưa ra mục tiêu nâng tổng công suất nguồn điện gió từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 1.000 MW (tương đương công suất 1 lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2020, và khoảng 6.200 MW (tương đương công suất 6 lò phản ứng hạt nhân) vào năm 2030; tức điện năng sản xuất từ nguồn điện gió sẽ chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030. 1.1.7 Hiện trạng công nghệ năng lượng gió ở Việt Nam Lĩnh vực năng lượng gió ở nước ta chưa phát triển, có thể nói đang ở giai đoạn nghiên cứu ứng dụng. Chưa có đầy đủ số liệu về tiềm năng gió, nhất là trên độ cao lớn hơn 12m. 20 Các động cơ gió nhập của nước ngoài công suất cực nhỏ (< 1 - 5 kW), thường thiết kế với vận tốc gió trung bình 8 - 9m/s. Các động cơ gió có công suất lớn (vài trăm đến 1000 kW) thường thiết kế với vận tốc gió trung bình 12 - 13m/s, còn các động cơ gió công suất lớn thường lắp đặt trên độ cao 50m trở lên. Vì vậy các động cơ gió của nước ngoài nhập vào Việt Nam làm việc không hiệu quả, bởi vì ở độ cao này vận tốc gió trung bình lớn nhất ở nước ta cũng chỉ đạt được trong khoảng 7,3 - 9,7 m/s (tốc độ gió đo được ở Đảo Bạch Long Vĩ). Thực tế chỉ mới lắp đặt được khoảng 1.500 động cơ gió mà chủ yếu cỡ công suất nhỏ hơn 150 W. Động cơ gió công suất 150 W là mẫu hoàn thiện và đang được ứng dụng nhiều nhất cho một số hộ gia đình ở vùng có vận tốc gió trung bình Vtb > 4 m/s. Chất lượng loại này còn chưa ổn định do chế tạo đơn chiếc, nhiều công đoạn thủ công. Giá thành 4 - 4,5 triệu đồng, vận hành đơn giản, tuổi thọ khoảng 10 năm. Động cơ gió công suất lớn hơn 500 W chỉ được chế tạo thử với số lượng không đáng kể. Chất lượng chế tạo chưa cao, không có phương tiện thử khí động học để xác định đặc tính của động cơ gió. Hệ thống điện của thiết bị nói chung chưa hoàn thiện. Động cơ gió nhập ngoại công suất 200 - 500 W (Úc, Mỹ, Trung Quốc…) trọn bộ, chất lượng tốt nhưng số lượng chưa đáng kể: - West Wind 1,8 kW đang hoạt động tốt tại Kon Tum. Động cơ gió 800 kW (Tây Ban Nha) tại Đảo Bạch Long Vĩ đang vận hành. 21 Hình 1.4: Động cơ gió có công suất nhỏ hơn 150W - Động cơ gió 300 kW (Nhật Bản) tại Hải Hậu - Nam Định, đây là trạm năng lượng hỗn hợp thử nghiệm. Hình 1.5: Động cơ gió có công suất 500W nhập ngoại Đó là các động cơ gió hiện đại được chế tạo công nghiệp từ các nước tiên tiến nhưng hiệu quả thì cần phải có thời gian theo dõi để xem xét có phù hợp với chế độ gió và các điều kiện thời tiết ở Việt Nam hay không. Hiện tại ở Việt Nam có nhiều dự án phát điện chạy bằng sức gió nối với lưới điện Quốc gia, nhưng mới chỉ dùng lại ở giai đoạn báo cáo khả thi. Bởi vì các số liệu về gió chưa có đủ độ tin cậy, không có đủ các chính sách và các 22 qui định về mua bán điện gió, ít có các nhà kinh doanh dám mạo hiểm đầu tư vào lĩnh vực này. 1.2 Kết cấu cơ bản của một tuabin điện sức gió Ta có thể mô tả sơ bộ các thành phần chính của một tuabin gió như trên hình 1.6 sau đây. Hình 1.6: Kết cấu cơ bản của trạm điện gió 1.2.1 Rôto + Khái quát chung: Hiện nay ở Châu Âu sử dụng chủ yếu các loại thiết bị WEA với rôto có 3 cánh quạt. Điều này có thể giải thích như sau: - Hiệu suất tác động (tỉ số giữa công suất hữu ích có thể sử dụng được với công suất chi phí) tốt nhất có thể đạt được nhờ vào tốc độ quay nhanh so với tốc độ quay chậm. - Về mặt lý thuyết thì hiệu suất tác động tăng lên cùng với số cánh quạt. Nếu như tăng số cánh quạt từ 2 lên 3 thì hiệu suất tác động tăng lên 3 đến 4%. 23 - Chi phí cho cánh quạt là một trong những yếu tố quyết định liên quan đến chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Đối với các thiết bị WEA có 3 cánh quạt thì chi phí đầu tư cho cánh quạt chiếm vào khoảng 20 đến 30% chi phí toàn bộ thiết bị. Vì vậy các thiết bị WEA 3 cánh quạt là sự kết nối ưu tiên nhờ có hiệu suất tác động và chi phí hợp lý. - Đối với các đặc tính về tải cũng như động học của các thiết bị WEA có 3 cánh quạt thì có thể sễ dàng nhận thấy rằng ở các thiết bị này có một sự phân bố đồng đều hơn về trọng lực cũng như lực khí động học trên toàn bộ chu vi của rôto. + Cánh quạt: Cánh quạt của một thiết bị WEA có công suất từ 2,0 đến 3,0 MW thường có chiều dài từ 40 – 70m. Những cánh quạt này ở mỗi vòng quay sẽ chịu những tải trọng rất khác nhau, nó phụ thuộc vào vận tốc gió. Đối với một thiết bị WEA có chiều cao trục quay là 125m, đường kính rôto khoảng 90m thì vận tốc gió ở các đỉnh cánh quạt phía trên có thể đạt đến 7,6 đến 7,8m/s. Do công suất tỉ lệ với lập phương vận tốc gió nên phần công suất ứng với các đỉnh cánh quạt phía trên là 650 kW trong khi phần công suất ứng với các đỉnh cánh quạt phía dưới là 220 kW. 24 Cánh quạt được cấu tạo từ 2 phần khung là phần hút và phần đẩy. Những phần này được kết nối với nhau thông qua các thanh nối. Các phần khung này được tăng cường bởi các sợi thủy tinh hay sợi cácbon ở nhiều vị trí và được phủ bởi Polyester hoặc nhựa Eboxy. 1.2.2 Bộ phận truyền lực + Khái quát chung: Hầu hết tất cả các nhà sản xuất thiết bị WEA đều sử dụng một hộp số để có thể chuyển đổi chuyển động quay chậm với mômen quay lớn của rôto thành chuyển động quay với tốc độ cao của máy phát. Các thiết bị WEA cỡ lớn (2,0 đến 3,0 MW) có tốc độ vòng quay của rôto vào khoảng 20 vòng/phút. Trong khi đó số vòng quay của máy phát 100 – 1500 vòng/phút. Bộ phận truyền lực bao gồm các bộ phận sau: - Hộp số - Khớp nối - Phanh - Trục quay nhanh kết nối giữa hộp số và máy phát - Máy phát + Hộp số: Trong lĩnh vực máy phát điện sử dụng năng lượng gió, người ta thường dùng hai loại hộp số sau: - Hộp số bánh răng trụ tròn Ở hộp số kiểu này thì một bánh răng lớn được lắp với một trục quay chậm dẫn động sẽ dẫn động một bánh răng nhỏ lắp với trục quay nhanh. Tỷ số truyền động của cặp bánh răng ăn khớp ở đây nhỏ hơn 1:5. - Hộp số kiểu hành tinh. 25 Hộp số kiểu hành tinh có cấu tạo từ 3 loại bánh răng khác nhau. Một bánh răng có răng phía trong được gắn với trục quay chậm và tạo thành khung bên ngoài. Ở trung tâm là một bánh răng nhỏ đóng vai trò như một “hành tinh” trong hệ mặt trời, bánh răng nhỏ này được nối với trục quay nhanh. Bánh răng có răng phía trong và bánh răng nhỏ trung tâm được nối kết với nhau thông qua rất nhiều bánh răng vệ tinh. Do vậy tỉ số truyền có thể đạt tới 1:12. Do trong thực tế cần phải có tỉ số truyền giữa trục quay chậm và trục quay nhanh lên đến 1:100 nên hộp số sẽ có cấu tạo từ nhiều cấp truyền khác nhau. Ở những cấp truyền này sẽ sử dụng cấp truyền bánh răng trụ cũng như cấp truyền kiểu hành tinh. + Trục quay chậm: Trục quay chậm làm nhiệm vụ truyền chuyển động quay của rôto vào hộp số. 26 + Khớp nối: Đối với các thiết bị WEA cỡ nhỏ thì máy phát điện được nối trực tiếp vào hộp số thông qua trục quay nhanh. Tuy nhiên đối với các quá trình truyền lực ở các thiết bị cỡ lớn thì sẽ luôn xuất hiện một sự biến dạng nhất định. Chính vì vậy cần phải có một chi tiết kết nối linh động (khớp nối) giữa hộp số với máy phát. Nhờ vào khớp nối này có thể ngăn cản được hiện tượng căng xoắn cũng như các tải trọng phụ trong quá trình truyền lực. 1.2.3 Bộ phận phanh Các thiết bị WEA có 2 hệ thống phanh hoàn toàn độc lập với nhau. Đối với các thiết bị WEA cỡ lớn thì hệ thống điều chỉnh góc nghiêng của cánh quạt đóng vai trò là hệ thống phanh chính. Với sự trợ giúp của hệ thống điều 27 khiển Pitch (điều khiển góc xoay cánh) thiết bị sẽ tách ra hoàn toàn khỏi hướng gió thổi. Ngoài ra ở trên trục quay của bộ phận truyền lực cũng có một hệ thống phanh đĩa. Hệ thống phanh đĩa này sẽ kích hoạt trong những trường hợp cần dừng hoạt động vì an toàn hay vì lý do khẩn cấp nào đó. 1.2.4 Thân vỏ Với vận tốc gió tăng lên tương ứng với chiều cao so với mặt đất. Ở gần mặt đất cho tới chiều cao khoảng 60m thì sự tăng lên của vận tốc gió chỉ vào khoảng 0,1 – 0,2 m/s, trong khi đó ở chiều cao lớn hơn 80 – 100m thì sự tăng lên của vận tốc vào khoảng 0,2 – 0,4 m/s. Phần thân vỏ của thiết bị WEA có nhiệm vụ nâng đỡ rôto cũng như phần động cơ nhằm giúp cho 2 bộ phận này nằm ở một độ cao mà ở đó tốc độ gió là thuận lới nhất. Sự tăng lên của chiều cao tỷ lệ thuận với sự tăng lên của công suất của thiết bị WEA. Đối với các thiết bị WEA có công suất từ 400 kW – 600 kW về nguyên tắc chiều cao thân phải là 60 – 80m. Đối với các thiết bị WEA có 28 công suất từ 1,5 MW – 2 MW thì chiều cao phần thân vào khoảng 80 – 100m và trong một số trường hợp đặc biệt chiều cao phần thân có thể lên đến 125m. Một số loại thân hiện đang sử dụng trong các nhà máy phát điện bằng sức gió: - Thân được chế tạo từ ống thép hình côn - Thân được chế tạo từ các khung thép - Thân được chế tạo thép kết hợp với bê tông. 1.2.5 Máy phát Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học của rôto thành năng lượng điện. Ở các thiết bị WEA người ta sử dụng cả máy phát đồng bộ và máy phát không đồng bộ. Đối với các thiết bị WEA thì thông thường tạo ra dòng điện với điện áp từ 490V đến 690V. Có nhiều phương án thiết kế máy phát điện chạy bằng sức gió, sử dụng máy phát điện có cấu tạo khác nhau như: máy điện không đồng bộ rôto dây quấn, máy điện không đồng bộ rôto lồng sóc, máy điện không đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu … Với hệ thống sử dụng máy điện đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu, stato của máy phát được nối trực tiếp vào lưới thông qua biến tần gồm: 29 môđun sử dụng van bán dẫn IGBT, môđun phía máy phát đồng bộ và môđun phía lưới và đóng vai trò nghịch lưu. Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý cơ bản của hệ thống điện gió nối lưới Bộ phận điều khiển biến tần sử dụng các bộ vi xử lý, phần giao diện và nguồn cung cấp. Máy tính PC giúp lựa chọn các tham số và quan sát tình trạng làm việc của hệ thống. Khối SPS thể hiện việc cài đặt các Setpoint cho hệ thống được lấy từ PLC. Rôto máy phát được gắn liên động với trục quay của cánh quạt. Khi gió đủ mạnh cánh quạt sẽ quay với một tốc độ cần thiết. Qua hệ thống cơ nối vào hộp số để chuyển đổi thành tốc độ khoảng 1000 - 1500 vòng/phút (tốc độ của máy phát) đặt lên trục của rôto. Từ trường quay của rôto gây nên sức điện động cảm ứng trên stato, sau đó được chuyển vào lưới điện thông qua bộ biến tần tĩnh. Với hệ thống sử dụng máy điện dị bộ, có thể là máy điện dị bộ 3 pha rôto lồng sóc hay rôto dây quấn. Loại máy này xuất phát từ độ tin cậy cao, ưu 30 điểm về kết cấu cơ khí cũng như khả năng quá tải hay hệ số trượt máy phát nằm trong một dải rộng, giá thành thấp hơn máy phát đồng bộ. Những vấn đề gặp phải ở máy điện đồng bộ trong hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió ví dụ như: chi phí chế tạo rôto công suất lớn; từ hóa rôto bằng nguồn một chiều ảnh hưởng đến độ bền của máy phát; không thích hợp với chế độ làm việc biến tốc. Phần nào được khắc phục khi sử dụng loại máy điện không đồng bộ. Hiện nay trong lĩnh vực chế tạo máy phát người ta thường sử dụng máy điện không đồng bộ rôto dây quấn. 1.2.6 Máy biến áp Máy biến áp làm nhiệm vụ biến chuyển dòng điện với điện áp từ 490V đến 690V như đã nói ở trên thành một dòng điện cao thế (điện áp 10 kV cũng như 22 kV). Do vậy sẽ giảm thiểu được sự mất mát điện năng trong quá trình truyền tải điện. 1.3 Các cấu hình hệ thống điện tuabin gió Có hai kiểu cấu hình phát điện hỗn hợp có hệ thống điện gió trong các lưới điện độc lập. Điển hình là, các máy phát cấp năng lượng vào một thanh cái AC chung như được mô tả trên hình 1.7. Một giải pháp thay thế khác là các nguồn điện được ghép lên một thanh cái DC chung, điện năng được biến đổi tiếp bằng bộ đổi điện để cấp cho các phụ tải AC, như trên hình 1.8. Trên hình 1.8 đưa ra ví dụ có hai nguồn, cụ thể là một tuabin gió và một máy phát điêzen. Cấu hình này biểu diễn hai kho tích trữ năng lượng. Kho thứ nhất, là bộ trữ năng điện hóa dài hạn, được thực hiện bằng bộ ắcquy. Kho thứ hai, tác động trong thời gian ngắn hạn, lưu trữ động năng bằng các bánh đà tốc độ cao. Các bộ dự trữ này cho phép dòng công suất đi theo hai chiều. Sự vận hành của hệ thống trên hình 1.8 có thể nêu vắn tắt như sau. Khi tốc độ gió thấp, hệ thống chuyển đổi năng lượng gió phát ra công suất thấp hơn nhu cầu của phụ tải (cục bộ), và động cơ điêzen được khởi động, máy 31 phát đồng bộ bù lại sự thiếu hụt công suất tác dụng. Khi tốc độ gió đủ lớn, động cơ điêzen được dừng lại, và máy phát đồng bộ vận hành như một máy bù công suất phản kháng. Về bánh đà, nó tích lũy động năng khi có gió lớn tạo ra năng lượng vượt quá mức cần thiết. Trong trường hợp không có gió ngắn hạn, bánh đà sẽ cấp công suất vào lưới AC thông qua một máy phát điện xoay chiều. Bộ trữ năng này đóng vai trò như một giải pháp cấp nguồn khi sự cố (khẩn cấp). Hình 1.8: Hệ thống phát điện hỗn hợp ghép AC 32 Trên hình 1.9 là một ví dụ cho hệ thống phát điện hỗn hợp ghép DC. Trong cấu hình này, cũng có thể sử dụng các bộ trữ năng ngắn hạn nào đó. Mỗi một nguồn điện (máy phát tuabin gió, máy phát điêzen, dàn pin mặt trời và các bộ ăcquy) cấp công suất của mình vào thanh cái DC phụ thuộc vào các chế độ vận hành của chúng. Mục đích điều khiển nhằm đảm bảo cho phụ tải điện AC được cung cấp điện liên tục. Phụ thuộc vào chế độ vận hành, tuabin gió có thể được điều khiển để bám điểm công suất cực đại hoặc để hạn chế công suất. Những yêu cầu về độ tin cậy là quan trọng đối với các cấu hình này. Điều khiển cấu hình phát điện hỗn hợp bao quát toàn hệ thống nhằm đáp ứng các yêu cầu chung. Hình 1.9: Hệ thống phát điện hỗn hợp ghép DC 33 1.4 Khái quát về hệ thống điều khiển tuabin gió Điều khiển đóng vai trò ngày càng tăng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) hiện đại. Có rất nhiều công trình nghiên cứu dành riêng cho điều khiển WECS, tất cả các nghiên cứu này đều xuất phát từ ý tưởng là điều khiển có thể và thực sự đã cải thiện đáng kể tất cả các phương diện của WECS. Trong một quá trình bất kỳ, điều khiển có hai mục đích chính là: bảo vệ và tối ưu hóa hoạt động. Hơn thế nữa, khi áp dụng cho WECS, điều khiển trở nên quan trọng hơn trên tất cả các mặt, vì đặc tính chủ yếu của các WECS là chúng phải có khả năng thích ứng với đặc điểm thay đổi nhiều, lúc có lúc không và không đoán trước được của gió. Với mục đích này, như đã nói ở trên, tất cả các WECS có một bộ phận để điều khiển công suất. Các tuabin gió kiểu cản xoáy thụ động với những nguyên nhân về bảo vệ có khả năng giới hạn công suất khí động. Phương pháp này là đơn giản và đảm bảo tính bền vững của phần cứng, nhưng lại dẫn đến các mức tải trọng cơ khí không chấp nhận được. Như vậy, việc điều khiển theo nghĩa này chỉ có một mục đích là bảo vệ các tuabin gió. Cản xoáy chủ động được hiểu là các WECS được trang bị thêm một số phần cứng: các bộ chấp hành điện cơ hoặc thủy lực được sử dụng để dịch chuyển cánh (hoặc một số phần của chúng), các cảm biến và các bộ điều khiển. Tất cả các cấu kiện này đều làm tăng thêm độ phức tạp và nâng cao giá thành vận hành và bảo trì, tuy nhiên chúng lại có thể mở rộng các mục đích điều khiển để làm tăng sự thu nhận công suất (năng lượng) từ gió, cũng như có thể tối ưu hóa sự vận hành các WECS. Các WECS có tốc độ cố định, với điều khiển cản xoáy kiểu thụ động hoặc chủ động, đã chiếm ưu thế trong ngành công nghiệp điện gió suốt một thời gian dài. Nhược điểm chủ yếu của chúng là tính cứng nhắc, vì tốc độ máy 34 phát cố định không đảm bảo được tính điều khiển linh hoạt. Nhược điểm này được khắc phục nhờ sử dụng các WECS trên cơ sở máy phát không đồng bộ nguồn kép và gần đây hơn là với việc ứng dụng các WECS có bộ biến đổi công suất dải rộng. Vận hành với tốc độ thay đổi trở nên khả thi bằng cách kết hợp với các bộ biến đổi điện tử lực. Các hệ thống điều khiển WECS tốc độ thay đổi nói chung bao gồm ba phân hệ điều khiển chính: + điều khiển công suất khí động thông qua điều khiển góc xoay cánh; + vận hành với tốc độ thay đổi và cực đại hóa năng lượng thu nhận được bằng cách điều khiển máy phát; + điều khiển dòng công suất trao đổi với lưới thông qua bộ biến đổi điện tử lực. Hơn nữa, các mục đích cụ thể của mỗi phân hệ điều khiển có thể thay đổi phù hợp với chế độ vận hành như đặc tính trên hình 1.10. Hình 1.10: Đặc tính công suất đầu ra theo tốc độ gió Tuabin gió hoạt động, với động học khác nhau, từ tốc độ gió bắt đầu (cut-in) thường khoảng 3-4 m/s đối với các tuabin gió hiện đại đến tốc độ gió ngừng hoạt động (cut-out) khoảng 25 m/s như được mô tả trên hình 1.10. Công suất đầu ra tính theo phương trình cơ bản tỷ lệ với lập phương tốc độ gió cho đến khi nó đạt đến công suất định mức của tuabin gió. Điều này xảy 35 ra ở tốc độ gió định mức, nó phân chia dải làm việc thành 2 vùng: dưới tốc độ định mức (còn gọi là vùng phụ tải thấp) và vùng đầy tải, khi đó công suất thu nhận phải được khống chế bằng định mức. Khi tốc độ gió nằm trong khoảng tốc độ bắt đầu đến tốc độ định mức (chế độ tải thấp), hệ thống điều khiển bước xoay cánh phần lớn là chưa hoạt động, với hai ngoại lệ: một là, khi hệ thống xoay cánh được sử dụng để hỗ trợ quá trình khởi động, vì các tuabin gió hai hoặc ba cánh có mômen mở máy khá thấp; và hai là, khi tốc độ quay cần được khống chế bởi điều khiển bước xoay cánh tức là khi tốc độ gió đạt đến tốc độ định mức. Hệ thống điều khiển bước xoay cánh là chủ động khi tốc độ gió vượt quá tốc độ gió định mức. Mục đích của nó là giới hạn công suất khí động không vượt quá công suất định mức, còn khi tốc độ gió vượt quá tốc độ ngừng hoạt động, thì dừng hẵn tuabin gió lại. Như vậy, hệ thống điều khiển bước xoay cánh chủ yếu dùng để giảm phụ tải cơ khí tác động lên kết cấu tuabin gió. Trong chế độ non tải, điều khiển máy phát chỉ có điều khiển tích cực và nhằm mục đích cực đại hóa năng lượng thu nhận được từ gió và/hoặc giới hạn tốc độ quay ở giá trị định mức. Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng tốc hoặc giảm tốc độ máy phát theo cách thức sao cho bám theo được tỷ lệ tốc độ đầu mút cánh tối ưu. Khi tốc độ gió định mức, điều khiển máy phát sẽ giới hạn tốc độ quay của máy phát. Như vậy, điều khiển máy phát chủ yếu nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Đôi khi điều này có nghĩa là mômen quay của máy phát thay đổi theo tốc độ gió, và trong một số điều kiện có thể gây nên những ứng suất cơ khí phụ cho hệ thống truyền động. Bởi vậy, việc cực đại hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng thông qua điều khiển máy phát cần phải thực hiện với chú ý rằng có khả năng tăng thêm tải trọng cơ học cho kết cấu cơ khí. 36 Cuối cùng, việc điều khiển các bộ biến đổi điện tử lực nhằm mục đích đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện nghiêm ngặt (tần số, hệ số công suất, các hài bậc cao, độ nhấp nháy, …). Gần đây, khi gia tăng các yêu cầu đối với WECS để duy trì sự kết nối lưới và đảm bảo hỗ trợ lưới một cách tích cực đã đặt ra thêm các mục đích điều khiển đối với các bộ biến đổi điện tử lực. Trong trường hợp lưới gặp sự cố, WECS cần phải duy trì việc nối lưới; do đó chúng phải có khả năng tiếp nhận các phụ tải quan trọng và đột biến, thậm chí còn hỗ trợ lưới về điều khiển điện áp hoặc tần số. Như vậy, điều khiển các bộ biến đổi điện tử lực chủ yếu nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện. Vai trò và các mục đích của điều khiển WECS, như đã trình bày ở trên, có thể được tóm tắt như sau: + Khởi động WECS tại tốc độ ban đầu, dừng nó lại tại tốc độ quá cao và chuyển mạch các bộ điều khiển tương ứng với các điều kiện vận hành cụ thể; + Điều khiển công suất khí động và tốc độ quay khi tốc độ gió vượt quá định mức; + Cực đại hóa công suất thu nhận từ gió trong vùng tải thấp, với chú ý đến các ràng buộc về tốc độ và công suất thu nhận; + Giảm nhẹ các tải trọng thay đổi, nhằm mục đích đảm bảo một mức độ nhất định khả năng hồi phục nhanh của các chi tiết cơ khí, trong tất cả các chế độ vận hành; + Đảm bảo đáp ứng mong muốn đối với những cơn gió mạnh độc lập; + Truyền công suất điện lên lưới ở mức độ được giao đối với một dải rộng các tốc độ gió; + Đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng điện nghiêm ngặt (hệ số công suất, các hài bậc cao, độ nhấp nháy, …); 37 + Bảo vệ an toàn cho WECS, đồng thời đảm bảo sự hỗ trợ tích cực cho lưới điện trong khi có các sự cố lưới điện. Danh sách kể ra ở trên chưa phải đã hết; ta còn có thể hình thành một số mục tiêu điều khiển khác dẫn xuất từ danh sách ở trên. WECS có tốc độ thay đổi là một hệ thống có độ phi tuyến cao thay đổi theo thời gian được kích thích bởi các đầu vào ngẫu nhiên có ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy của nó và dẫn đến những thay đổi không nhỏ trong hành vi động học của hệ thống trên toàn bộ vùng làm việc của nó. Đây là lý do tại sao mà điều khiển các tuabin gió tốc độ thay đổi vẫn đang còn ở trong giai đoạn tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật thích hợp để có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tuabin gió. 1.5 Kết luận chương 1 Xuất phát từ việc thiếu hụt điện năng và nhu cầu tìm nguồn năng lượng mới tái tạo thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống, đã hình thành và phát triển công nghiệp điện gió. Toàn bộ chương 1 đã giới thiệu sự ra đời và quá trình phát triển của hệ thống phát điện chạy bằng sức gió, tổng quan về hiện trạng sử dụng điện gió trên thế giới cũng như quá trình phát triển nguồn năng lượng này ở Việt Nam. Các mô hình, hiện trạng công nghệ, công suất lắp đặt và đặc biệt là việc khảo sát đánh giá tốc độ gió ở Việt Nam cũng đã được trình bày một cách chi tiết. Phần cuối chương trình bày khái quát về các hệ thống điều khiển tuabin gió nói riêng và trạm điện gió nói chung. Từ các phân tích đó cho thấy việc xây dựng các nhà máy điện sử dụng năng lượng gió công suất lớn ở Việt Nam là hợp lý và sẽ mang lại hiệu quả cao, nhằm đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng điện năng hiện nay. Để nhận biết về cơ sở chuyển đổi năng lượng gió, cấu hình và quá trình hoạt động của một dự án phát điện chạy bằng sức gió, những vấn đề này được trình bày ở chương 2 tiếp theo. 38 Chương 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ 2.1 Cơ sở chuyển đổi năng lượng gió 2.1.1 Mô hình thu nhận công suất gió Động năng có trong một khối lượng m của không khí chuyển động với vận tốc V là: 1 W = mV 2 2 (2.1) Khối lượng không khí đi qua một tiết diện A được tính theo công thức sau đây: m = ρ .V . A (2.2) Trong đó: ρ là mật độ không khí (1.22 kg/m3). Vì vậy công suất gió P0 được tính theo công thức: P0 = W = 1 ρ . A.V 3 2 (2.3) Ta thấy rằng công suất tỷ lệ bậc ba với vận tốc gió V , do đó vận tốc chuyển động có ý nghĩa rất lớn đối với thiết bị chạy bằng sức gió. Xét mô hình thu nhận năng lượng gió sau đây: V A2 A1 V1 A V2 Hình 2.1: Lưu lượng gió đi qua ống tiết diện tròn 39 V= Ta có: V1 + V2 2 (2.4) 1 Et = m.V 2 2 (2.5) Et = P = Et1 − Et 2 (2.6) P= 1 ρ . A.(V1 + V2 )(V12 − V22 ) 4 (2.7) Công suất lớn nhất tạo ra được khi V2 = 0 , về mặt vật lý thì không thể xảy ra được. 1 P / P0 = (V1 + V2 )(V12 − V22 ) / V12 2 P / P0 = 1 V  V  1 − ( 2 ) 2 .1 + 2   2 V1   V1  (2.8) (2.9) Đồ thị hàm số P / P0 theo V2 /V1 . Hình 2.2: Đồ thị mô tả công suất tối đa thu được 1 V2 = V1 3 thì P/P0 đạt giá trị lớn nhất là 59% năng Từ đồ thị ta thấy tại lượng gió tổng cộng sản xuất ra điện năng. Việc rút ra những vấn đề trên dựa 40 theo các công trình được công bố từ năm 1922 đến năm 1925 của hai nhà vật lý nổi tiếng là Betz và Gesdz. 2.1.2 Hai loại tuabin gió Một tuabin gió là một máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Nếu cơ năng được máy móc sử dụng trực tiếp, chẳng hạn như máy bơm nước hay nghiền ngũ cốc thì máy được gọi là cối xay gió. Nếu năng lượng cơ sau đó được chuyển đổi thành điện năng, thì máy được gọi là máy phát điện sức gió. Phần lớn các tuabin gió dùng trong ngành điện có công suất từ 100 kW đến vài MW. Tác động của gió lên cánh tuabin có thể phân tích thành các lực kéo và lực nâng như trên hình 2.3. Hình 2.3: Các lực của gió tác động lên cánh tuabin Có hai loại thiết bị chuyển đổi năng lượng gió khác nhau: một loại chủ yếu sử dụng lực nâng khí động và một loại sử dụng lực kéo khí động. Các tuabin tốc độ cao dựa trên các lực nâng để quay cánh. Để phát ra điện từ một tuabin gió, thường cần phải sử dụng trục dẫn động của máy phát hoạt động ở tốc độ khá cao (ví dụ 1500 vòng/phút). Điều này, cùng với hiệu suất khí động cao hơn của các thiết bị dùng lực nâng, có nghĩa là các tuabin dựa trên lực kéo khí động không được sử dụng phổ biến. 41 Dựa theo hướng chiều trục ta có thể phân chia các tuabin gió thành 2 loại là: các tuabin gió trục ngang và các tuabin gió trục đứng. Trên hình 2.4 minh họa cấu hình khác nhau cơ bản giữa hai loại tuabin này. a) b) Hình 2.4: Cấu hình tuabin gió trục ngang (a) và trục đứng (b) Với cấu hình tuabin gió trục ngang, máy phát điện được đặt trên một trụ đỡ cao hình tháp. Máy phát điện sức gió kiểu này mang dáng dấp những cối xay gió ở châu Âu từ những thế kỷ trước, nhưng rất thanh nhã và hiện đại. Lợi thế của loại tuabin trục ngang là nếu tăng chiều cao của trụ đỡ lên mỗi 10 mét thì tốc độ gió có thể tăng 20% và sản lượng điện tăng hơn 34%. Tuy nhiên bất lợi của trạm điện gió sử dụng tuabin trục ngang là: trụ đỡ và cánh dài nên việc vận chuyển khó khăn, chi phí xây dựng trụ đỡ lớn và yêu cầu cánh đón gió cần được xoay theo hướng gió. Với cấu hình tuabin gió trục đứng, máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rôto nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng. Máy 42 phát điện sức gió trục đứng có thể hoạt động với mọi hướng gió nên hiệu quả cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, các bộ phận đều có kích thước không quá lớn nên vận chuyển và lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, duy tu bảo dưỡng đơn giản. Loại này mới xuất hiện khoảng thập niên gần đây nhưng đã được nhiều nơi sử dụng vì lợi thế chính của loại này là các tuabin gió không cần thiết phải quay vào hướng gió, hơn nữa với một cột thẳng đứng, các máy phát điện và hộp đổi tốc có thể đặt gần mặt đất do vậy giảm được kết cấu cho trụ đỡ và dễ dàng cho bảo trì máy phát. Ngoài ra yêu cầu tốc độ gió để khởi động cánh thấp hơn so với trục ngang; hơn nữa khi hoạt động ít gây ra tiếng ồn so với trạm điện trục ngang. Tuy nhiên cũng phải nói tới những bất lợi của loại tuabin trục đứng là hiệu suất phát điện chỉ đạt bằng khoảng 50% so với trục ngang do vậy hiện nay loại tuabin trục ngang vẫn được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. 2.2 Các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 2.2.1 Hệ thống tuabin gió với vận tốc cố định Đây là cấu trúc điều khiển mà tuabin gió sau khi kết nối với hộp số và máy phát điện cảm ứng kiểu lồng sóc thì hệ thống sẽ được nối trực tiếp với lưới điện qua máy biến áp (hình 2.5). Kiểu điều khiển này sử dụng những vị trí cánh gió cố định. Khi vận tốc nhỏ thì tuabin gió sẽ ở vào một vị trí đã đặt trước khi thiết kế nhằm làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng. Mặt khác, khi vận tốc gió lớn đến một giá trị nào đó thì tuabin gió lại được cố định ở một góc quay khác nhằm hạn chế hiệu suất chuyển đổi để bảo vệ các thành phần trong hệ thống. Nhược điểm của cấu trúc điều khiển loại này là cho giới hạn công suất không bằng phẳng và có những dao động công suất lớn. 43 Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống tuabin gió với vận tốc cố định 2.2.2 Hệ thống tuabin gió với vận tốc thay đổi Đây là cấu trúc điều khiển mà tuabin gió sau khi kết nối với hộp số và máy phát điện không đồng bộ kiểu cảm ứng, sẽ tiếp tục kết nối với bộ phận biến đổi điện tử công suất - đây là bộ chuyển đổi từ dòng điện AC sau máy phát, có tần số và điện áp thay đổi liên tục thành dòng điện DC (rectifier) và sau đó biến đổi ngược lại từ DC - AC (inverter) có điện áp và tần số phù hợp để có thể cung cấp lên lưới (hình 2.6). Phương pháp điều khiển này là điều khiển linh động cả cánh gió và trục tuabin. Khi vận tốc gió nhỏ thì cánh gió được điều khiển góc xoay cánh (pitch control) để đạt được hệ số chuyển đổi năng lượng lớn nhất. Điều khiển loại này cho giới hạn công suất phẳng hơn, không có những dao động công suất lớn. Hình 2.6: Cấu trúc hệ thống tuabin gió với vận tốc thay đổi 44 2.2.3 Hệ thống tuabin gió với máy phát nguồn kép DFIG Đây là cấu trúc điều khiển mà tuabin gió sau khi kết nối với hộp số và máy phát điện cảm ứng kiểu rôto dây quấn (doubly fed induction machine) sẽ tiếp tục kết nối với bộ phận biến đổi điện tử công suất thì hệ thống mới được nối với lưới điện qua bộ lọc và máy biến áp (hình 2.7). Điểm đặc biệt của hệ thống tuabin gió với máy phát nguồn kép là bộ phận biến đổi điện tử công suất để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ, điện áp và hệ số công suất cho toàn bộ hệ thống được cấp nguồn qua bộ phận rôto. Đây là phương pháp điều khiển linh hoạt có nhiều ưu điểm như: đạt được hệ số chuyển đổi lớn nhất, cho giới hạn công suất bằng phẳng hơn không có những dao động công suất lớn và độ ổn định tương đối cao, nên thường được sử dụng cho những hệ thống máy phát điện có công suất lớn. Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống tuabin gió với máy phát nguồn kép 2.3 Các phân hệ điều khiển trạm điện gió 2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) mô tả những bộ phận chính và những đặc điểm của một hệ thống năng lượng gió. Với mục tiêu xây dựng mô hình định hướng điều khiển của toàn hệ thống, ta phân biệt bốn hệ thống chính và có liên quan chặt chẽ với nhau: hệ thống khí động học, 45 hệ thống cơ (hệ truyền động), hệ thống điện (máy phát), và hệ thống xoay cánh (Pitch servo) được mô tả như trên hình 2.8. Hệ thống khí động học biến đổi năng lượng gió được khống chế thành năng lượng cơ hữu ích, làm cho cánh tuabin chuyển động quay. Hệ thống cơ thực hiện hai chức năng chính. Chức năng thứ nhất là thực hiện vai trò của bộ truyền động: truyền mômen từ rôto sang máy phát điện. Chức năng thứ hai là nâng đỡ rôto và các thiết bị khác ở trên cao, có khả năng chịu đựng các lực tác động mạnh. Hình 2.8: Sơ đồ khối WECS có tốc độ và góc xoay cánh thay đổi Hệ thống điện thực hiện chuyển đổi công suất cơ trên trục của máy phát thành điện năng. Cuối cùng là phân hệ trợ lực xoay cánh (Pitch servo) gồm các cơ cấu chấp hành thủy lực hay điện cơ, có nhiệm vụ làm quay các cánh (hoặc một phần của chúng) khi có yêu cầu. Với sự phân chia thành các hệ thống như trên, rõ ràng thành phần chính của một hệ thống WECS bao gồm: rôto, hệ thống truyền động và máy phát điện. Trên hình 2.9 mô tả sơ lược một tuabin điện gió trục ngang, trong đó: 46 - Rôto gồm các cánh quạt nơi xảy ra quá trình biến đổi khí động học; cụm may ơ (hub) nối các cánh với trục dẫn động và Pitch servo được đặt bên trong cụm may ơ, nó làm quay các cánh quạt xung quanh trục dọc của chúng. - Hệ thống dẫn động truyền năng lượng cơ học mà rôto thu nhận được đến máy phát điện. Nó bao gồm các trục tốc độ thấp và tốc độ cao, hộp bánh răng đổi tốc và cơ cấu phanh hãm. Hộp đổi tốc làm tăng tốc độ của rôto cho phù hợp với tốc độ làm việc của máy phát, điển hình là từ khoảng 20 - 50 vg/ph đến 1000 - 1500 vg/ph. - Máy phát là một thiết bị biến năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Các đầu cực của nó được nối với lưới điện. Đối với các WECS có tốc độ thay đổi, một bộ biến đổi điện tử công suất được sử dụng làm khâu giao diện giữa lưới điện xoay chiều (AC) với các dây quấn stato và/hoặc dây quấn rôto của máy phát điện. 47 Hình 2.9: Các bộ phận chính của một tuabin điện gió trục ngang 2.3.2 Phân hệ cơ Tuabin gió trục ngang là một phân hệ cơ khí phức tạp và gồm nhiều thiết bị tác động tương hỗ với các mức độ đàn hồi khác nhau. Như bất kỳ một kết cấu đàn hồi nào, một tuabin gió có nhiều chế độ dao động như được mô tả ở trên hình 2.10. Việc thiết kế tuabin và bộ điều khiển cho chúng cần phải được thực hiện một cách cẩn thận. Nếu không như vậy thì các nhiễu loạn có chu kỳ trộn lẫn vào trong các dữ liệu trích mẫu tốc độ quay hay với một giải pháp điều khiển không phù hợp sẽ làm gia tăng một số chế độ dao động, mà kết quả là làm rút ngắn tuổi thọ hoặc làm hỏng hóc các thiết bị. Hình 2.10: Các dạng dao động của tuabin gió trục ngang Đối với việc mô hình hóa WECS, thì bộ phận có nhiều rắc rối nhất đó chính là phân hệ cơ. Tính phức tạp xuất phát từ sự tương tác lẫn nhau của hai 48 kết cấu đàn hồi: bộ truyền động và trụ móng. Mỗi kết cấu được gắn với một khung tham chiếu mà chúng quay tương đối so với nhau. Sự tương tác này dẫn đến các mô hình phi tuyến bậc cao. Ngoài ra, sự phức tạp còn là do các lực tác dụng đến các kết cấu này đều xuất phát từ trường gió 3 chiều. Có nhiều công cụ tính toán khác nhau được thiết lập đặc biệt để mô hình hóa các WECS. Các mô hình nhận được bằng các kỹ thuật này là rất có ích để kiểm chứng các thiết kế tuabin và đánh giá tính năng của các bộ điều khiển. Tuy nhiên chúng thường rất phức tạp đối với các mục đích thiết kế điều khiển. Các mô hình định hướng điều khiển phải đơn giản nhất có thể được, bằng việc nắm bắt các chế độ động được kích thích bởi bộ điều khiển. Các mô hình định hướng điều khiển của WECS nhìn chung đều sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống nhiều vật thể (Multibody System). Kỹ thuật này làm giảm bớt bậc của mô hình nhưng vẫn đúng với bản chất vật lý của hệ thống. Về mặt khái niệm, kết cấu cơ khí được sắp xếp thành một số vật thể cứng và được nối ghép với nhau bằng các mối liên kết mềm. Tổng số các mối liên kết này hoặc các bậc tự do quyết định bậc của mô hình. Thậm chí, với một số ít bậc tự do cũng dẫn tới việc hình thành các mô hình phi tuyến bậc cao. Vì thế, điều quan trọng là chỉ xét đến trong mô hình những bậc tự do nào có liên quan trực tiếp với điều khiển. Một mặt, điều khiển tốc độ tương tác với các chế độ dao động trong mặt phẳng quay, tức là các chế độ xoắn của hệ thống dẫn động và các dao động uốn biên của các cánh. Thông thường, trong mô hình tuabin gió có góc xoay cánh cố định và tốc độ thay đổi, chỉ cần kể đến một vài bậc tự do trong mặt phẳng quay là đủ, bởi vì phần lớn các tần số cộng hưởng nằm ngoài dải thông của bộ điều khiển. Sự đơn giản hóa này đưa tới một mô hình tuyến tính giảm bậc. Mặt khác, điều khiển góc xoay cánh không chỉ ảnh hưởng tới mômen khí động mà còn ảnh hưởng đến các lực tác động. Bởi vậy, dao động uốn cong trụ đỡ theo chiều trục rôto và dao động 49 tịnh tiến cũng cần phải được tính đến đối với trường hợp tuabin gió có góc xoay cánh thay đổi. Mặc dù các mô hình đơn giản có thể không đặc trưng đầy đủ cho hành vi động học của toàn bộ WECS, nhưng ta có thể thu nhận được nhiều điều từ chúng. Cụ thể là, các mô hình đơn giản rất hữu ích cho việc phân tích so sánh các sách lược điều khiển khác nhau và dùng cho việc thiết kế bộ điều khiển, đồng thời các động học chưa được mô hình hóa có thể được xem như là các yếu tố bất định. Bởi lý do này, mà mô hình sẽ được sử dụng trong luận văn chỉ bao gồm dạng dao động thứ nhất của các hệ dẫn động, trụ đỡ và cánh tuabin … a) Mô tả hệ truyền động (hai khối quay) 50 b) Kết cấu tuabin gió Hình 2.11: Mô hình hệ thống cơ của tuabin gió Trên hình 2.11 mô tả sơ đồ của mô hình cơ học. Mô hình này có ba bậc tự do, mà cụ thể là góc xoắn của hệ dẫn động, độ uốn trụ đỡ theo chiều trục và dao động tịnh tiến của cánh tuabin. Hình 2.11a mô tả hệ truyền động, nó được mô hình hóa như hai khối quay cứng liên kết nhau bởi trục mềm. Hình 2.11b đưa ra mô hình kết cấu cơ khí theo công trình nghiên cứu của Bindner. Ở đây giả thiết rằng các cánh dịch chuyển đồng đều và chịu cùng một lực tác động. Với giả thiết này, mô hình của phân hệ cơ khí là tuyến tính 2.3.3 Phân hệ khí động học Phân hệ khí động học biến đổi trường gió 3 chiều thành các lực tập trung tác động lên các cánh rôto. Như quan sát thấy trong sơ đồ khối trên hình 2.3, ta thấy đầu vào của phân hệ khí động học là tốc độ gió V , góc xoay cánh β , các vận tốc quay và vận tốc theo chiều trục của rôto tương ứng là Ω r và 51 . . . yb = yt + rb .ς . Các đầu ra là mômen xoắn Tr và lực đẩy FT . Quan hệ giữa các đại lượng vào ra của phân hệ khí động học được mô tả bởi các phương trình sau đây: FT = 1 ρπR 2 CT (λ , β )Ve2 2 (2.10) Tr = 1 ρπR 3CQ (λ , β )Ve2 2 (2.11) p r = C P (λ , β ) PV = Trong đó: 1 ρπR 2 C P (λ , β )Ve2 2 ρ - mật độ không khí (1.22kg/m3); CT - hệ số lực đẩy; CQ (2.12) - hệ số mômen xoắn; CP - hệ số công suất; CQ và CP thỏa mãn: CQ = C P / λ (2.13) λ - tỷ số tốc độ đầu mút cánh được định nghĩa như sau: λ= Ωr R Ve (2.14) Trong đó tốc độ tương đối thực tế của gió so với tuabin: Ve = V − y b (2.15) Số hạng y b kể tới tốc độ dịch chuyển theo chiều trục của cánh do dao động tịnh tiến và sự uốn cong trụ đỡ. Các đồ thị mô tả mối liên hệ giữa các hệ số CQ , C P với góc xoay cánh β và tỷ số tốc độ đầu mút cánh λ được đưa ra trên hình 2.12. 52 Hình 2.12: Đường cong mô tả sự thay đổi hệ số a), b): theo sự thay đổi góc xoay cánh c): góc xoay cánh không thay đổi CQ và CP 53 Các công thức (2.10) và (2.11) là đúng trong trường hợp gió dừng. Trong thực tế thì gió không dừng, mômen khí động học và lực đẩy tác động trở lại không xảy ra tức thời đối với cơn gió mạnh. Hơn nữa, sự xoáy cản là một hiện tượng rất phức tạp và thường là không dự đoán được. Thực tế này sinh ra một vài yếu tố trễ. Tuy nhiên, các mô hình động học phức tạp hơn không nhất thiết sẽ đảm bảo được các mô tả tin cậy hơn hoạt động của tuabin, bởi vì những mô hình này thường được kiểm chứng dưới các điều kiện không như thực tế. Vì thế, các phương trình với giả thiết luồng gió dừng thường được chấp nhận gần đúng khi phân tích và thiết kế điều khiển. 2.3.4 Phân hệ điện Mặc dù các máy phát đồng bộ hiện đang được sử dụng chủ yếu trong hệ thống điện, nhưng trong các WECS máy phát điện không đồng bộ lại là máy điện được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất. Các tuabin gió hiện đại bao gồm các phần tử điện tử công suất có tính năng tốt đã thay đổi cách sử dụng cơ bản của các máy điện không đồng bộ. Động học của các máy điện, cũng như của các bộ biến đổi điện tử công suất diễn ra nhanh hơn nhiều sơ với các chế độ cơ khí chủ yếu. Vì vậy, một mô hình trạng thái ổn định của máy phát sẽ là đủ cho mục đích nối lưới. Vấn đề kết nối điện năng tạo ra từ năng lượng gió với lưới điện bao gồm 3 hình thức: nối trực tiếp máy phát lên lưới; máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất; máy phát không đồng bộ nguồn kép nối lưới. Máy phát điện cảm ứng rôto lồng sóc SQIG (Squirrel-Cage Induction Generator) được kết nối trực tiếp với lưới điện (hình 2.13) là một cấu hình rất tin cậy, bởi vì nó có kết cấu bền vững của máy điện rôto lồng sóc tiêu chẩn và sự đơn giản của phần điện tử công suất. Đây là cấu hình WECS nối lưới được áp dụng ở nhiều nước như ở Đan Mạch. 54 Hình 2.13: Mô hình máy phát nối trực tiếp với lưới Trong cấu hình kết nối lưới này thì điện áp U s và tần f s trên đầu cực của máy phát phải chịu sự chi phối của lưới điện. Đặc tính mômen–tốc độ xác lập (hay là đặc tính cơ) được cho bởi công thức sau: 3U s2 Rr / s Tg = − . 2ω s ( Rr / s ) 2 + (ωs Lr ) 2 (2.16) Trong đó: ω s = 2πf s là tần số góc dòng điện lưới; Rr , Lr là điện trở và điện cảm của cuộn dây rôto máy phát. Hệ số trượt s được định nghĩa như sau: s= Ωs − Ωg Ωs (2.17) Ω s : là tốc độ quay đồng bộ của máy phát quy về phía tốc độ thấp của hệ truyền động. Nó chịu sự chi phối của tần số lưới điện: Ω s = ( pω s ) / n s p: là số đôi cực của máy phát; ns : tỷ số truyền của bộ đổi tốc. (2.18) Vì vậy với U s và f s không đổi nên sẽ không có sự điều khiển chủ động trên máy phát. Đặc tính mômen của SCIG tiêu chuẩn được mô tả trên hình 2.14. Ta thấy rằng máy điện ở chế độ máy phát khi tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ và ở 55 chế độ động cơ khi tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ. Trong cả hai trường hợp này, hệ số trượt đều biểu diễn phần công suất cơ tiêu hao trên điện trở rôto. Như vậy, nếu hệ số trượt lớn dẫn đến hiệu suất thấp. Bởi vậy, SCIG làm việc ở chế độ hoạt động bình thường với hệ số trượt rất thấp, điển hình khoảng 2%. Do đó, đặc tính mômen phi tuyến có thể xấp xỉ tuyến tính bởi: Tg = Bg (Ω g − Ω s ) trong đó: Bg , (2.19) là độ dốc của đường cong thực tế tại Ω s . Có thể thấy rằng tốc độ của máy phát Ω g trong chế độ bình thường bị khóa theo tần số lưới điện. Bởi lý do này mà các hệ WECS sử dụng phương pháp kết nối trực tiếp đến lưới được xem là các tuabin gió tốc độ cố định. Hình 2.14: Đặc tính mômen của máy điện SCIG Mặc dù kết cấu này rất đơn giản và tin cậy, nhưng cấu hình này không cho phép điều khiển chủ động năng lượng thu nhận từ gió. Ngoài ra, kết nối cứng đến lưới điện xoay chiều đảm bảo sự cản dịu không đáng kể trong các chế độ dao động của hệ truyền động. 56 Sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất đã cho ra đời các bộ biến đổi điện, cho phép điều khiển được nguồn công suất lớn với giá cả hợp lý. Các bộ biến đổi điện này thật sự có ích cho việc cải thiện chất lượng năng lượng điện gió tạo ra. Ngoài ra có thể điều khiển để thu được công suất tối đa của gió khi chưa đạt đến định mức và đảm bảo được độ cản dịu trong chế độ dao động. Bởi những lý do này mà các tuabin gió hiện đại nói chung đều có trang bị các bộ biến đổi điện tử công suất, chúng xử lý toàn bộ hoặc một phần công suất cấp cho lưới điện. Hình 2.15: Mô hình máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất Hình 2.15 là cấu hình tốc độ thay đổi đơn giản nhất. Bộ chuyển đổi tần số được đặt giữa máy phát và lưới điện xoay chiều. Như vậy, WECS hoàn toàn không phụ thuộc vào tần số lưới. Trong cấu hình nối lưới này, bộ biến đổi tần số phải điều khiển toàn bộ năng lượng cấp cho lưới điện. Trên thực tế, công suất của bộ biến đổi này lên đến 120% công suất định mức của máy phát. Đây là hạn chế chủ yếu của cấu hình này. Bộ biến đổi tần số bao gồm hai bộ biến đổi độc lập với nhau và được nối tới một hệ thanh cái DC chung. Bộ biến đổi phía lưới chuyển đổi điện áp 3 pha lưới thành điện áp một chiều DC. Ngoài ra, bộ chuyển đổi này có thể được điều khiển bằng điện áp để phát ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng sao cho công suất biểu kiến không vượt quá công suất định mức của bộ 57 chuyển đổi. Vì vậy, khi công suất tác dụng càng lớn thì khả năng của bộ chuyển đổi để điều khiển công suất phản kháng càng thấp. Đầu vào bộ biến đổi điện phía stato là một điện áp 3 pha với tần số f s và điện áp U s được khử ghép với lưới điện AC. Thông thường, bộ biến đổi này được điều khiển bằng kỹ thuật điều khiển U/ f . Tần số f s được điều khiển khi đồng thời giữ cho tỷ số U f / f s không đổi. Bằng cách đó, tốc độ đồng bộ có thể được thay đổi trong một phạm vi rộng trong khi từ thông trong máy điện được duy trì gần như không đổi. Hình 2.16 mô tả đặc tính mômen của máy điện không đồng bộ được tham số hóa bởi tần số stato f s với giả thiết từ thông stato không đổi. Hình 2.16: Đặc tính mômen máy phát SCIG bị giới hạn bởi fs Ta thấy rằng đặc tính mômen của SCIG được dịch chuyển theo trục x ngược chiều với chiều thay đổi tần số stato. Rõ ràng, biểu thức toán học 58 (2.16) mô tả đặc tính trạng thái xác lập của hệ SCIG và quan hệ tuyến tính hóa (2.19) vẫn giữ nguyên hiệu lực khi giữ cho tỉ số U s / f s không đổi. Trên thực tế, tốc độ đồng bộ của máy phát Ωs, nó chính là tốc độ trục trong điều kiện không tải ( Tg = 0 ), có thể được xem như đầu vào điều khiển cho phân hệ điện. Máy phát được mô tả trong hình 2.17 là máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) với kích từ có tần số thay đổi của mạch rôto. Hình 2.17: Mô hình nối lưới của máy phát không đồng bộ nguồn kép Cuộn dây stato được nối trực tiếp với lưới điện trong khi cuộn dây của rôto thì phải nối thông qua một bộ biến đổi điện có công suất nhỏ hơn công suất định mức của máy phát. Trong thực tế loại cấu hình này chấp nhận một dải rộng các bộ biến đổi tần số bằng phương pháp điều chế rộng xung PWM (Pulse-Width Modulation). Đương nhiên khả năng điều khiển tăng lên với việc sử dụng các bộ biến đổi điện phức tạp hơn. Không phụ thuộc vào bộ đổi điện được sử dụng, ưu điểm chính của cấu hình nối lưới này là bộ thiết bị điện tử công suất chỉ phải điều khiển một phần lượng công suất thu được từ gió, điển hình là vào khoảng 30% công suất định mức. Dải tốc độ quay có thể đạt được liên quan trực tiếp với tỷ số giữa công suất định mức của bộ biến đổi và 59 công suất định mức của máy phát. Mặt khác, hạn chế chủ yếu là độ phức tạp của DFIG do sự có mặt của các cuộn dây rôto, vành trượt và chổi than. Các tuabin gió công suất lớn hiện đại hầu hết đều dựa trên cấu hình nối lưới này với bộ biến đổi tần số bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) mắc giữa các cuộn dây của rôto máy phát với lưới điện xoay chiều. Cấu hình này cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của DFIG phức tạp hơn nhiều so với SCIG. Bởi vì stato được nối trực tiếp với lưới điện, tốc độ đồng bộ không đổi và từ thông cũng hầu như không đổi. Những khác biệt với SCIG tiêu chuẩn là xuất phát từ mạch rôto. Bộ biến đổi tần số gồm một cặp bộ biến đổi công suất nối với nhau thông qua hệ thanh cái DC chung. Một mặt, bộ biến đổi phía lưới điều khiển điện áp thanh cái DC. Thêm vào đó, để điều khiển công suất nhánh rôto, bộ biến đổi phía lưới có thể được điều khiển để tiêu thụ hoặc phát ra công suất phản kháng. Rõ ràng, công suất biểu kiến mà bộ biến đổi có thể làm việc bị giới hạn công suất định mức của nó. Mặt khác, bộ biến đổi phía rôto điều khiển dòng rôto cả về biên độ và pha. Kỹ thuật điều khiển định hướng từ trường rất phù hợp với các yêu cầu điều khiển. Các biến điện từ của máy điện có thể được quy về một khung tham chiếu cố định với từ trường stato quay với tốc độ đồng bộ. Thực tế, các hệ thống dòng điện và điện áp hình sin ba pha có thể được mô tả bằng các véctơ trong khung tham chiếu quay này và có thể được phân tích ra các thành phần trực giao đồng pha và vuông pha với từ trường stato, chúng được gọi là các thành phần dọc trục và ngang trục. Mômen máy phát phụ thuộc vào thành phần ngang trục của dòng điện rôto, trong khi đó công suất phản kháng stato được khống chế bởi thành phần dọc trục của dòng điện rôto. Vì vậy, công suất tác dụng và công suất phản kháng stato có thể được điều khiển độc lập tương ứng bởi thành phần 60 ngang trục và dọc trục của dòng điện rôto. Rõ ràng là, khả năng của bộ biến đổi phía rôto để điều khiển công suất phản kháng stato bị giới hạn bởi công suất biểu kiến của máy phát và các giới hạn dòng điện của các cấu kiện bán dẫn lực trong bộ biến đổi. Như một kết quả của giải pháp điều khiển, đặc tính mômen của DFIG rất giống với đặc tính của SCIG có tốc độ thay đổi, lúc này sự dịch chuyển đặc tính theo trục x là gây bởi sự thay đổi thành phần điện áp phản kháng của rôto. Hơn nữa, tốc độ khi mômen bằng không (còn gọi là tốc độ không tải) được xác định bởi thành phần điện áp này. Với mục đích điều khiển ta có thể chọn tốc độ không tải làm một tín hiệu đặt. Do đó, ta có thể dùng ký hiệu chung tốc độ đồng bộ hay tốc độ không tải là Ω z và xem nó như tín hiệu vào điều khiển cho phân hệ điện cơ. Tương ứng, đặc tính mômen được xấp xỉ bằng quan hệ tuyến tính : T g = B g (Ω g − Ω z ) . (2.20) 2.3.5 Phân hệ pitch servo Mặc dù điều chỉnh cản xoáy thụ động (stall) là một phương án thay thế đơn giản để giới hạn công suất, điều khiển góc xoay cánh lại thường được áp dụng cho những loại tuabin công suất trung bình và lớn. Các bộ điều khiển tuabin gió trước đây dựa vào sự thay đổi dần dần góc xoay cánh. Các cơ cấu chấp hành với các đối trọng cho phép quay các cánh tuabin quanh trục dọc của chúng. Khi kích thước tuabin tăng lên các cơ cấu đơn giản này đã được thay thế bằng những thiết bị thủy lực hoặc thiết bị điện cơ. Với tính linh hoạt cao của các thiết bị này đã cho phép áp dụng các phương pháp điều khiển tin cậy và hiệu quả để giới hạn công suất hoặc tốc độ. Bộ chấp hành xoay cánh (Pitch Servo) là một phân hệ phi tuyến làm quay toàn bộ cánh tuabin, hoặc làm quay một phần của nó. Trong mạch vòng kín, bộ chấp hành xoay cánh có thể được mô hình hoá như một khâu động học 61 bậc nhất với sự bão hòa về biên độ và đạo hàm của tín hiệu đầu ra. Hình 2.18 mô tả sơ đồ khối mô hình bậc nhất của bộ chấp hành điều khiển góc xoay cánh. Hình 2.18: Mô hình bộ chấp hành điều khiển góc xoay cánh Hành vi động học của bộ chấp hành xoay cánh trong vùng làm việc tuyến tính của nó được mô tả bởi phương trình vi phân: . 1 1 β = − β + βd T T (2.21) Trong đó β và β d tương ứng là góc xoay cánh thực tế và góc xoay cánh mong muốn. Giá trị β điển hình nằm trong khoảng 20 đến 300 và thay đổi với tốc độ ±100/s. Bộ điều chỉnh công suất có thể yêu cầu hiệu chỉnh nhanh và rộng đối với góc xoay cánh. Do đó các giới hạn của tốc độ thay đổi và biên độ của góc xoay cánh có ảnh hưởng đáng kể đến các các đặc điểm của bộ điều chỉnh công suất. Vì vậy, để giảm nguy cơ hỏng hóc, trong quá trình hoạt động bình thường của tuabin thì kiểm soát để không đạt tới các giới hạn này. 2.4 Mô hình hóa các phân hệ điều khiển Nhược điểm của động cơ chạy bằng sức gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của tuabin cũng thay đổi theo. Có thể giữ cho tốc độ quay của tuabin ổn định bằng cách xoay cánh tuabin, thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh. 62 Với các máy phát điện gió công suất nhỏ, việc xoay cánh thường hay dùng phương pháp ly tâm của khối lượng quay (các quả văng). Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của tuabine thay đổi, lực ly tâm của vật quay cũng thay đổi. Nếu gió lớn, vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ cấu xoay cánh tuabin làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức độ tăng tốc độ quay của tuabin. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh tuabin tự xoay dần về vị trí ban đầu, để duy trì tốc độ quay của tuabin trong phạm vi cho phép. Kết cấu máy sử dụng lực ly tâm để xoay cánh tuabin tương đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên tốc độ quay của tuabin quá lớn. Qua nghiên cứu động cơ bước, có thể sử dụng nó để xoay cánh tuabin cho máy phát điện gió. Nguyên lý làm việc của hệ thống xoay cánh như sau: Đặt cho trục tuabin gió một giới hạn tốc độ cho phép; khi tốc độ gió lớn hơn quy định, trục tuabin sẽ quay nhanh hơn, bộ phận cảm biến nhận được tín hiệu, chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh với tốc độ quay quy định, phát tín hiệu đến động cơ bước, động cơ xoay cánh tuabin một góc để giảm bề mặt hứng gió; khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay cánh quay trở lại. Bằng cách này, tốc độ quay của trục tuabin được điều chỉnh kịp thời, khoảng dao động của tốc độ quay tương đối nhỏ. Khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh tuabin, thì hiệu suất sử dụng năng lượng gió của tuabin thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh làm quay tuabin. Khi đó gió có tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên trục tuabin hầu như không tăng lên. Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió rất khác nhau về kích thước, hình dạng và dạng năng lượng cuối cùng nhận được. Nói chung hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió có các phần: Bộ góp sức gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị sản sinh năng lượng cuối cùng. 63 Trong hệ thống máy phát điện sức gió, dạng năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ góp gió là tuabin gió; chuyển động sơ cấp là chuyển động quay tròn của trục tuabin; thiết bị sản sinh điện năng là máy phát điện. Để máy phát điện hoạt động tốt, có thể hoà được vào lưới điện quốc gia, chuyển động sơ cấp - chuyển động quay tròn của trục tuabin phải có tốc độ quay hợp lý và ít thay đổi. Hiện nay trong các hệ thống tự động thường sử dụng động cơ bước để thực hiện các chuyển động rời rạc. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, đưa các tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stato, theo thứ tự và tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ nhưng không quay liên tục mà làm việc ở chế độ quay rời rạc, có khả năng cố định rôto ở những vị trí cần thiết. Như vậy có thể sử dụng động cơ bước để thực hiện xoay cánh tuabin đi một góc nhỏ, tương ứng với tín hiệu điều khiển được truyền đến động cơ. Trên hình 2.19 đưa ra sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển xoay cánh tuabin với góc xoay cánh tổng hợp. Hệ thống này cho phép thực hiện các thuật toán đã trình bày ở trên là: duy trì tỷ số tốc độ đầu mút cánh không đổi hay bám công suất đỉnh. 64 Hình 2.19: Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển tạo góc xoay cánh tổng hợp Trong hệ thống này có sử dụng hai cảm biến: cảm biến đo tốc độ góc của tuabin và cảm biến đo tốc độ gió. Để hạn chế nhiễu trong tín hiệu đo tốc độ góc có thể sử dụng một bộ lọc thông thấp. Cơ cấu chấp hành là động cơ bước xoay cánh. Bộ điều khiển dùng vi điều khiển hoặc PLC kết hợp bộ PID (tích hợp hoặc tách riêng). Các tín hiệu vào của bộ điều khiển là: sai lệch tốc độ giữa tốc độ góc thực tế của tuabin và tốc độ góc mong muốn (phụ thuộc vào tốc độ gió), tốc độ gió, và góc xoay cánh tổng hợp. Để thực hiện sơ đồ bám công suất đỉnh cần thêm các khối: Xác định vùng làm việc, Xác định mômen cản điện từ, Giới hạn mômen và tốc độ. Trong các trạm điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ ba pha kích từ bằng nam châm vĩnh cữu, có các khâu biến đổi điện AC/DC/AC và ắcquy, hệ thống điều khiển bám công suất đỉnh được bố trí như trên hình 2.20. 65 Hình 2.20: Sơ đồ trạm điện gió có điều khiển bám công suất đỉnh Khối điều khiển MPPT (Bám Điểm Công suất Đỉnh) dựa trên đánh giá (đo) tần số góc rôto và công suất điện để thay đổi chu kỳ dẫn của khóa phân dòng (điều chế độ rộng xung). Sơ đồ cấu trúc điều khiển bám điểm công suất đỉnh được đưa ra trên hình 2.21. Một ví dụ về sơ đồ nguyên lý mạch như trên hình 2.22. Trong trạm điện sức gió có hai bộ chấp hành điều khiển chính dùng để: + Điều khiển bước xoay cánh: thay đổi hướng cánh để thay đổi các lực khí động; + Điều khiển mômen máy phát cùng với một bộ chuyển đổi điện tử. 66 Hình 2.21: Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất đỉnh Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám điểm công suất đỉnh Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển trạm điện sức gió như trên hình 2.23. Sơ đồ cấu trúc giản lược của hệ thống này như trên hình 2.24. Như đã nói ở trên bộ chấp hành xoay cánh của các tuabin điện gió lớn là một hệ thống cơ thủy lực, nó được sử dụng để xoay các cánh tuabin gió xung quanh trục dọc của chúng. Mô hình bộ chấp hành này mô tả hành vi động học giữa góc xoay cánh yêu cầu (góc đặt) β d từ bộ điều khiển góc xoay cánh với góc xoay cánh thực tế đo được β . 67 Hình 2.23: Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển tuabin gió Như đã nói ở trên bộ chấp hành xoay cánh của các tuabin điện gió lớn là một hệ thống cơ thủy lực, nó được sử dụng để xoay các cánh tuabin gió xung quanh trục dọc của chúng. Mô hình bộ chấp hành này mô tả hành vi động học giữa góc xoay cánh yêu cầu (góc đặt) β d từ bộ điều khiển góc xoay cánh với góc xoay cánh thực tế đo được β . Động học của các cánh tuabin là phi tuyến với các giới hạn bão hòa đặt lên cả độ lớn góc xoay cánh và cả tốc độ thay đổi góc xoay cánh. Sự bão hòa này gây bởi các thành phần tần số cao của phổ tần góc xoay cánh yêu cầu, truyền qua nhiễu đo lường, và các đỉnh phổ gây bởi việc lấy mẫu tốc độ quay. Khi không xét tới những ràng buộc này, động học bộ chấp hành xoay cánh có thể được mô hình hóa đơn giản hơn. Tốc độ thay đổi góc xoay cánh là: β −β β = d τβ (2.22) Từ phương trình trên, hàm truyền của bộ chấp hành xoay cánh là: 68 β 1 = βd τ β s +1 (2.23) trong đó: τ β là hằng số thời gian phụ thuộc vào bộ chấp xoay cánh. Hình 2.24: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tuabin điện gió Các bộ điều khiển ứng dụng trong trạm điện sức gió cũng phát triển theo xu hướng chung của các bộ điều khiển quá trình trong công nghiệp. Theo phương pháp truyền thống thì điển hình là sử dụng bộ điều khiển PID như trên hình 2.25. Hình 2.25: Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID Theo phương pháp hiện đại thì có thể là các bộ điều khiển thích nghi hay điều khiển thông minh; ví dụ bộ điều khiển trượt mờ tự tổ chức có sơ đồ khối như trên hình 2.26 dùng để điều khiển góc xoay cánh tuabin gió. 69 Hình 2.26: Hệ thống điều khiển dùng bộ điều khiển mờ thích nghi 2.5 Kết luận chương 2 Các phân tích hệ thống điều khiển tuabin điện gió trong chương này đã thu được các kết quả sau: 1. Trình bày mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với bốn hệ thống cơ bản: hệ thống cơ, hệ thống khí động học, hệ thống điện và hệ thống pitch servos, nêu lên các chức năng và nhiệm vụ của từng hệ thống. 2. Phân tích các phương pháp điều khiển trong một nhà máy điện gió. Qua đó có thể khẳng định việc điều khiển góc xoay cánh là một giải pháp quan trọng để tuabin gió có thể thích ứng với điều kiện tốc độ gió cao. 3. Đặc điểm chung của cả các phương pháp điều khiển cho thấy: - Ở những vùng tốc độ gió thấp, tốc độ gió tăng thì công suất phát ra tăng theo và luôn thấp hơn công suất hoạt động, - Khi tốc độ gió đạt tới tốc độ gió làm việc, nếu tốc độ gió tăng cao thì công suất phát vẫn gần như không thay đổi, - Khi tốc độ gió tăng lên trên vùng tốc độ làm việc thì công suất phát sẽ bằng 0. 4. Để đảm bảo hiệu suất và các tính năng cần thiết của trạm điện sức gió cần có các phân hệ điều khiển thực hiện theo các thuật toán khác nhau. 70 Chýõng 3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ 3.1 Cấu trúc và thông số của một trạm điện gió cụ thể Một trạm điện gió công suất nhỏ điển hình bao gồm các phần tử chính sau đây: - Tuabin gió và khâu dẫn động - Máy phát điện đồng bộ ba pha kích từ bằng nam châm vĩnh cửu - Chỉnh lưu cầu không điều khiển ba pha - Bộ nạp điện cho ắcquy - Bộ ắcquy trữ năng - Bộ đổi điện một chiều (DC) thành xoay chiều (AC) một pha - Hệ thống điều khiển hướng hay góc xoay cánh (Pitch Angle Control). Trong chương này giới hạn xét việc lập mô hình và mô phỏng hệ thống gồm tuabin gió có hệ thống điều khiển góc xoay cánh, máy phát điện đồng bộ, và phụ tải điện chưa xét đến phần biến đổi điện thứ cấp. Sơ đồ khối chức năng của trạm điện gió được mô tả trên hình 3.1. Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng của trạm điện gió nhỏ 71 Các thông số để mô phỏng trạm điện gió như sau: Thay cho một bộ số liệu nguồn gió thực tế ở đây để ta sử dụng khối phát tín hiệu ngẫu nhiên có phân bố chuẩn với giá trị trung bình và phương sai cho trước. Các thông số khác cho trong các bảng sau: Bảng 3.1: Các dữ liệu mô phỏng gió Tên thông số Số liệu Tốc độ gió trung bình [m/s] 12 Lượng thay đổi gió cực đại [m/s] ±3 Thời gian trích mẫu [s] 0,001 Bảng 3.2: Các thông số cơ điện của trạm điện gió Tên thông số Đường kính rôto tuabin gió [m] Công suất cơ đầu ra định mức của tuabin gió [W] Công suất điện định mức của máy phát điện [W] Tốc độ gió cơ bản [m/s] Công suất cực đại tại tốc độ gió cơ bản (tính theo đơn Số liệu 3,8 2500 2000 12 0.8 vị tương đối) Tốc độ quay định mức (tính theo đơn vị tương đối) Góc xoay cánh để biểu diễn đặc tính công suất β* 1.2 0 Các đường đặc tính công suất tuabin được đưa ra trên hình 3.2. Trên trục hoành biểu diễn tốc độ tuabin (tính theo đơn vị tương đối so với tốc độ định mức của máy phát). Trên trục tung biểu diễn công suất đầu ra của tuabin (tính theo đơn vị tương đối so với công suất cơ đầu ra định mức của tuabin gió). 72 Hình 3.2: Các đặc tính công suất của tuabin (họ đường cong theo tốc độ gió) 3.2 Xây dựng các sơ đồ mô phỏng 3.2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Trong những năm gần đây, MatLab-Simulink trở thành một phần mềm được sử dụng nhiều nhất để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống động học. Các hệ thống tuabin gió là một ví dụ về các hệ thống động học đó. Nó bao gồm nhiều phân hệ với các hằng số thời gian khác nhau: gió, tuabin, máy phát, các bộ biến đổi điện tử lực, máy biến áp và lưới điện. MatLab là một chương trình viết cho máy tính nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty "The MATHWORKS" viết ra. Matlab có hơn 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc nghiên cứu trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: điện, điện tử, tự động, viễn thông, kinh tế, thống kê ... 73 Simulink là một phần mềm mở rộng được tích hợp vào chương trình Matlab (1 Toolbox của Matlab) với mục đích dùng để mô hình hoá, mô phỏng và phân tích các hệ thống động học. Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác. Simulink có một thư viện các khối hàm/chức năng rất phổ biến như các nguồn tín hiệu, các loại hiển thị, các phần tử mạch tuyến tính và phi tuyến, các bộ kết nối ... Người sử dụng cũng có thể tùy biến và tạo ra khối thư viện riêng cho họ. Để mô hình hoá, Simulink cung cấp một giao diện đồ họa thân thiện để sử dụng và xây dựng mô hình bằng các thao tác "nhấp và kéo thả" chuột trên màn hình. Với giao diện đồ họa này ta có thể xây mô hình và khảo sát một cách trực quan. Đây là sự khác xa với các phần mềm trước đó mà người sử dụng phải đưa vào các phương trình vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó. Sau khi xây dựng xong mô hình trên Simulink, ta có thể chạy mô phỏng và có thể theo dõi được kết quả mô phỏng một cách trực quan, các kết quả này được cập nhật cùng với những thay đổi của các tham số được sử dụng trong mô hình. Trong các mục sau trình bày việc xây dựng các sơ đồ mô phỏng trong môi trường MatLab-Simulink và thực hiện mô phỏng ở các tình huống khác nhau. Trước hết là xây dựng sơ đồ mô phỏng dựa trên mô hình tuyến tính hóa của hệ thống và chỉ sử dụng các khối hàm của simulink. Sau đó là xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống có sử dụng các phần tử trong thư viện powerlib. Hệ thống được mô phỏng ở chế độ ổn định tần số dòng điện hay là ổn định tốc độ quay của máy phát khi tốc độ gió thay đổi bằng cơ cấu chấp hành thay đổi góc xoay cánh (pitch control). Bộ điều khiển được sử dụng trong hệ thống là bộ điều khiển PID thông thường. Các thông số bộ điều khiển PID 74 được lựa chọn trên cơ sở thực nghiệm mô phỏng. Chương trình tính toán các hệ số K trong mô hình động học tuyến tính hóa được viết bằng MatLab. 3.2.2 Mô hình hóa động học tuabin gió Sau đây là ký hiệu của và đơn vị đo các đại lượng và thông số được sử dụng trong mục này: Bảng 3.3: Kí hiệu, tên gọi và ý nghĩa của các đại lượng để mô hình hoá động học tuabin gió Ký hiệu β Tên gọi, ý nghĩa Góc xoay cánh đầu ra (độ) Mômen quán tính của tuabin gió (kgm2) Góc cánh tuabin (độ) λ Tỷ số tốc độ đầu mút cánh tuabin VW Tốc độ gió (m/s) Mật độ không khí (kg/m3) CT Hệ số mômen Hệ số công suất Chiều dài cánh tuabin gió (m) Diện tích vùng quét của cánh tuabin gió (m2) Mômen khí động của tuabin gió (N.m) Công suất cơ đầu ra của tuabin gió (W) Hệ số truyền tĩnh của cơ cấu chấp hành (độ/V) Hằng số thời gian của cơ cấu chấp hành (s) βO JT ρ CP R A TW Pm Km τm ωt Tốc độ góc trục quay tuabin gió (rad/s) Các hệ số tuyến tính hóa δ,γ,ζ Tuabin gió được đặc trưng bởi các đường cong không thứ nguyên của hệ số công suất C P như là một hàm số của cả hai biến là tỷ số tốc độ đầu mút λ và góc xoay cánh β . Nhằm mục đích sử dụng triệt để năng lượng gió khả dụng, giá trị của λ cần phải được duy trì tại giá trị tối ưu của nó. Khi đó hệ số công suất tương ứng với giá trị này cũng sẽ cực đại. 75 Tỷ số tốc độ đầu mút cánh λ được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ góc rôto của tuabin gió với tốc độ thẳng của gió tại đầu mút cánh. Nó có thể được biểu diễn như sau: λ = ωt R / VW . (3.1) Trong đó: R là bán kính rôto tuabin gió, VW là tốc độ gió và ωt tốc độ góc cơ của rôto tuabin gió. Công thức đầu ra của tuabin gió có thể được tính toán theo phương trình sau: Pm = 1 ρACPVW3 2 . (3.2) Trong đó: ρ là mật độ không khí, A là diện tích quét của các cánh tuabin gió, và hệ số công suất: C P = ( 0,44 − 0,0167 β ) sin π (λ − 3) − 0,00184 ( λ − 3) β 15 − 0,3β . (3.3) Mômen khí động khả dụng từ tuabin gió cũng có thể được biểu diễn như sau: TW = 1 ρARCT VW2 2 . (3.4) Trong đó: CT là hệ số mômen được cho bởi: CT = C P / λ . Do đó mô men khí động có thể được viết lại như sau: TW   ω R  π  t − 3    VW  ωt R   VW3    = 0,5.ρA ( 0,44 − 0,0167 β ) sin − 0,00184  − 3  β  15 − 0,3β VW    ωt    . (3.5) Động học cơ bản của tuabin gió tốc độ thay đổi được biểu diễn bằng mô hình toán học đơn giản sau đây: J t ω t = TW − Tm . (3.6) 76 Trong đó: J t là mômen quán tính của rôto tuabin tính bằng kg.m 2, ωt là tốc độ góc của trục quay rôto tính bằng rad/s, TW là mô men khí động tính bằng Nm, Tm là mômen cơ cần thiết để quay máy phát tính bằng Nm, nó được giả thiết là một giá trị đặt không đổi. Bởi vì mômen quán tính của máy phát được tuabin dẫn động trực tiếp nói chung ít hơn nhiều so với J t nên có thể bỏ qua nó. Theo cách tiếp cận truyền thống trong thiết kế thường sử dụng các bộ điều khiển tuyến tính như bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân PID (proportional – integral – derivative) đòi hỏi cần phải tuyến tính hóa động học phi tuyến của tuabin xung quanh một điểm vận hành cụ thể. Phương trình (3.6) được tuyến tính hóa bằng cách lựa chọn các điểm Wop ωtop , và β op tương ứng là các giá trị tại điểm vận hành của tốc độ gió, tốc độ góc rôto và góc xoay cánh tuabin. Các điểm vận hành được chọn sao cho hệ thống có độ ổn định khí động bền vững. Mô hình hệ thống tuyến tính hóa quanh điểm làm việc được mô tả bằng phương trình sau: J t ∆ω t = γ∆ωt + ζ∆VW + δ∆β . (3.7) Ở đây: ∆ωt , ∆VW và ∆β biểu diễn các sai lệch so với điểm vận hành đã chọn. Việc lựa chọn điểm vận hành là đặc biệt quan trọng đối với việc ngăn ngừa mất ổn định khí động của một hệ thống cụ thể. Trong trường hợp này điểm vận hành tốc độ góc quay ωtop được lựa chọn theo tốc độ quay mong muốn của máy phát là 750 vòng/phút ( ωtop = 78,54 rad/s). Điểm vận hành góc xoay cánh và tốc độ gió được lấy tương ứng là β op = 9 0 Trong đó các hệ số tuyến tính hóa được cho bởi: + Hệ số thứ nhất: và VWop = 12 m/s. 77 γ= ∂TW ∂ωt = op ∂ ∂  C p ( λ, β )  3 ( J t ω t ) = 1 ρAVWop   = ∂ωt 2 ∂ωt  ωt  op op = K11 + K12 + K13 . (3.8) Trong đó:  KV 3   λop − 3   W   ( 0,44 − 0,0167β op ) × ( πR K11 =  × cos π  VWop 15 − 0,3β op )  Rωtop   15 − 0,3β op   ; 3 KVWop K12 = − Rω 2 top   λop − 3   × ( 0,44 − 0,0167 β op ) × sin π    15 − 0,3β op  ; 3   3β VWop 2 K K13 = −0,00184 ×  β opVWop + 2   R ω top   ; ở đây: λop = Rωtop VWop và K= 1 ρAR 2 . + Hệ số thứ 2: ζ = ∂TW ∂VW = op [ ∂ ( J tω t ) = 1 ρA 1 ∂ C p ( λ , β ) × VW3 ∂VW 2 ωtop ∂VW op = K 21 + K 22 + K 23 . ] = op (3.9) Trong đó: 2  3KVWop   π ( λop − 3)    × sin  K 21 = ( 0,44 − 0,0167 β op ) ×   Rω  top   15 − 0,3β op  ; K 22 3   KVWop    π ( λop − 3)  πλop  ×  = −( 0,44 − 0,0167 β op ) × × cos     Rω  V 2 (15 − 0,3β )  top   Wop op   15 − 0,3β op  ;  9 β opVWop   K 23 = −0,00184 K  2VWop β op −   λ op  . + Hệ số thứ 3: ∂T δ= W ∂β 3 ∂ 1 VWop ∂ = ( J t ω t ) = ρA C p ( λ, β ) ∂β 2 ωtop ∂β op [ op ] = op 78 = K 31 + K 32 + K 33 . (3.10) Trong đó: K 31 = − K 32 = 2 0,0167 KVWop λop K 33 = − 2 0,0167 KVWop λop   λop − 3   × sin π    15 − 0 , 3 β op     ;   λop − 3     λop − 3    × ( 0,44 − 0,0167 β op ) × 0,3π  × cos π   2  15 − 0 , 3 β ( ) 15 − 0 , 3 β       op   op ; 2 0,00184 K ( λop − 3)VWop λop . Dữ liệu đầu vào và các kết quả tính toán các hệ số K và các tham số được đưa ra ở các phụ lục 1 và 2. 3.2.3 Mô hình động học tuabin gió Sau khi lấy biến đổi Laplace, phương trình (3.7) trở thành: J t s∆ωt = γ∆ωt ( s ) + ζ∆VW ( s ) + δ∆β ( s ) Đặt: D= . (3.11) γ J t , ta có thể biểu diễn tốc độ góc quay rôto tuabin gió như sau: ζ  1 δ ∆ωt =  ∆VW ( s ) + ∆β ( s ) Jt  Jt s−D . (3.12) Phương trình (3.12) mô tả mô hình tuyến tính hóa của tuabin gió. Mô hình như vậy được biểu diễn bằng sơ đồ cấu trúc trên hình 3.3. Hai đầu vào của mô hình tuyến tính hóa của tuabin gió: + ∆β (s) : Số gia thay đổi góc xoay cánh tuabin gió; + ∆Vw(s ) : Số gia thay đổi tốc độ gió; Đầu ra của mô hình: + ∆w(s) : Số gia thay đổi tốc độ góc tuabin gió. 79 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc tuabin gió tuyến tính hóa 3.2.4 Mô hình cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành bao gồm một bộ khuếch đại điện áp một chiều có điều khiển và một động cơ chấp hành một chiều. Hàm truyền của hệ truyền động xoay cánh tuabin có thể được mô hình hóa như một khâu quán tính bậc nhất. Khối hàm truyền của cơ cấu này có thể biểu diễn như trên hình 3.4. Hình 3.4: Khối hàm truyền của cơ cấu chấp hành Trong đó: U a (s) và U o (s) là biến đổi Laplace tương ứng của tín hiệu vào và ra của cơ cấu chấp hành, K m là hệ số truyền tĩnh của cơ cấu, còn Tm là hằng số thời gian của động cơ một chiều. Điện áp đầu vào của cơ cấu chấp 0 hành thay đổi trong phạm vi: 0 ÷ 12 V, tương ứng góc xoay cánh thay đổi từ 0 0 đến 60 . Do đó hệ số truyền tĩnh của cơ cấu K m = 5 (độ/V), giá trị của hằng số thời gian Tm được lấy bằng 0,2 giây. 3.2.5 Mô hình của bộ điều khiển Bộ điều khiển PID với đầu vào là sai lệch tốc độ góc rôto so với giá trị đặt và đầu ra là một giá trị điện áp đưa đến đầu vào của bộ khuếch đại điện áp 80 một chiều. Hàm truyền của bộ điều khiển PID với các hệ số khuếch đại tỷ lệ Kp , tích phân K i và vi phân K d như sau: C ( s) = K p + K i / s + K d s . (3.13) Khối hàm truyền của bộ điều khiển được mô tả trên hình 3.5: Hình 3.5: Khối hàm truyền của bộ điều khiển PID Các hệ số khuếch đại của mỗi thành phần có thể được xác đinh theo phương pháp thủ công hoặc sử dụng giao diện thiết kế sisotool của phần mềm MatLab. Ở đây ta lấy các hệ số như sau: K p = 1,5 ; K i = 2,0 ; K d = 0,1 . 3.2.6 Mô hình toàn hệ thống Mô hình đầy đủ của toàn hệ thống được mô tả trên hình 3.6. Đây là một hệ thống điều khiển mạch kín có phản hồi đơn vị. Tín hiệu vào là tốc độ góc đặt của rôto tuabin gió, tốc độ ra là tốc độ góc quay thực tế của nó. Các đầu vào khác xác định điểm vận hành mong muốn và tác động nhiễu loạn (sự thăng giáng ngẫu nhiên của tốc độ gió). Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tuabin gió 81 3.2.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống bằng các khối Simulink Hệ thống được mô phỏng bằng cách sử dụng MATLAB-Simulink. Các đầu vào tốc độ gió đã được sử dụng một khối máy phát ngẫu nhiên trong Simulink với một giá trị trung bình là 12m/s và độ lệch của 3m/s. Các đầu ra của hệ thống ωt đã thu được với sự thay đổi tốc độ gió và đầu ra rôto được đặt với giá trị 78,54 rad/s. Các dữ liêu đầu vào để tính toán mô hình động học tuyến tính hóa của tuabin như sau: ρ = 1,25 kg/m3; A = 45,36 m2; R = 3,8 m; J t = 15 kg.m2; β op = 9 0 Vop = 12 ; m/s; ωtop = 78,54 rad/s. Kết quả tính toán ta có: γ = −247,56 ; ζ = −70,18 ; δ = 32,1 ; D = 16,5 . Sơ đồ mô phỏng simulink của hệ thống điều khiển tốc độ tuabin gió được đưa ra trên hình 3.7. Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ tuabin gió Gió được mô phỏng bằng khối tạo số ngẫu nhiên có phân bố chuẩn với trị số trung bình 12 và phương sai bằng 3 (tương ứng với tốc độ gió trung bình 12 m/s và biên độ thay đổi gió cực đại là 3 m/s). Kết quả mô phỏng luồng gió ngẫu nhiên như trên hình 3.8. 82 Hình 3.8: Tốc độ gió đầu vào Kết quả quan sát tốc độ góc của tuabin gió được đưa ra trên hình 3.9. Hình 3.9: Đáp ứng quá độ của tốc độ góc tuabin gió 83 Thời gian quá độ (với sai lệch so với giá trị xác lập không vượt quá 1,5%) khoảng 4-5 giây. Sai lệch tĩnh (tính theo giá trị trung bình của tốc độ góc tuabin): δ% = 78,54 − 78,49 .100 = 0,06% 78,54 . Như vậy chất lượng động học của hệ thống ổn định tốc độ tuabin gió bằng cách thay đổi góc xoay cánh đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật. 3.3 Xây dựng sơ đồ mô phỏng có sử dụng simpowersystems 3.3.1 Khối mô phỏng tuabin gió Khối mô phỏng tuabin gió được lấy theo đường dẫn sau: SimPowerSystems\Application Libraries\Distributed Resources Library\Wind Generation. Khối này thực hiện mô hình tuabin gió có góc xoay cánh thay đổi được. Hệ số công suất C P của tuabin là tỷ số giữa công suất cơ đầu ra của tuabin với công suất của gió, như đã biết nó là một hàm của tốc độ gió, tốc độ quay tuabin và góc xoay cánh ( β ). Một điều kiện để C P đạt giá trị cực đại là góc β = 0 . Các tham số tùy biến được nhập vào giao diện sau đây (hình 3.10). Từ các giá trị định mức của công suất cơ đầu ra và tốc độ quay định mức của tuabin ta tính được giá trị mômen cơ đầu ra định mức của nó theo công thức: Tđm = 9550 Pđm (kW ) nđm (vg / ph) . Trong trường hợp này thay số ta có: Tđm = 9550 2,5 = 31,83 750 . (3.14) 84 Do đó mômen cơ theo đơn vị có tên của tuabin sẽ bằng tích số của mômen cơ đầu ra theo đơn vị tương đối (pu) của tuabin với mômen định mức vừa tính được ở trên. Hình 3.10: Giao diện nhập các tham số tuabin gió 3.3.2 Khối mô phỏng tuabin gió Khối mô phỏng máy điện đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được lấy ra từ thư viện con các máy điện (Machines) của thư viện Simpowersystem. 85 Khối này thực hiện mô phỏng máy phát điện đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có sức điện động cảm ứng dạng hình sin hay hình thang. Máy có điện áp hình sin được mô hình hóa theo khung tham chiếu rôto d-q, các cuộn dây stato được nối thành hình sao. Nhập cấu hình và các tham số của máy vào các giao diện trên các hình sau đây. Hình 3.11: Giao diện nhập cấu hình máy phát điện kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Trong giao diện nhập cấu hình ta chọn đầu vào cơ học là mômen cơ Tm để phù hợp với đầu ra của tuabin gió. Các thông số chính của máy phát điện đã chọn là: + Điện trở một pha stato: Rs = 0,425 Ω; + Các điện cảm trục dọc và trục ngang: Ld = Lq = 0,0082 H; + Từ thông móc vòng tạo bởi các nam châm: ψ = 0,433 V.s; + Mômen quán tính của máy phát: J G = 0,0003617 kg.m2; + Hệ số ma sát: f ms = 9,444.10 −5 + Số đôi cực từ của máy: p = 4 . N.m.s; 86 Do muốn có tần số dòng điện xoay chiều bằng 50Hz, nên tốc độ quay định mức của máy phát sẽ là: nđm = 60 f 60.50 = = 750 p 4 vg/ph. Hình 3.12: Giao diện nhập các tham số của máy phát điện 3.3.3 Khối mô phỏng phụ tải điện Khối này được lấy từ thư viện các các phần tử (Elements) của Simpowersystems. Nó thực hiện mô phỏng phụ tải nhánh RLC nối tiếp ba pha. Thông số của nhánh được nhập vào giao diện trên hình 3.13. 87 Hình 3.13: Giao diện nhập thông số phụ tải ba pha Trong trường hợp này ta chọn phụ tải thuần trở có giá trị R = 50 Ω. Ngoài ra ta còn sử dụng các khối phụ khác như các khối đo dòng điện, điện áp, các khối đặt các giá trị hằng, các khối hiển thị số và đồ thị, … và cả khối bộ điều khiển PID với hệ số khuếch đại các thành phần như đã mô phỏng ở phần trên. Sơ đồ mô phỏng đầy đủ trạm điện sức gió có bộ điều khiển góc xoay cánh để ổn định tốc độ quay (tần số dòng điện) được đưa ra trên hình 3.14. Trong sơ đồ có 12 tín hiệu đo đầu ra của máy phát điện đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu là: is _ a : Dòng điện pha A is _ b : Dòng điện pha B is _ c : Dòng điện pha C e _ a : Sức điện động pha A e _ b : Sức điện động pha B e _ c : Sức điện động pha C H _ a : Tín hiệu cảm biến Hall pha A wt : H _ b : Tín hiệu cảm biến Hall pha B H _ c : Tín hiệu cảm biến Hall pha C θ : Góc rôto máy phát Te : Mô men điện từ Tốc độ góc rôto Ở chế độ máy phát tốc độ có giá trị dương và mômen điện từ có giá trị âm. 88 Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng trạm điện sức gió có bộ điều khiển PID để ổn định tốc độ quay của tuabin sử dụng simpowersystems 3.4 Các kết quả mô phỏng hệ thống ổn định tốc độ Mô phỏng thực hiện với các tham số: + Tốc độ góc đặt: ωt = 78,54 rad/s; + Tốc độ gió: Vt = 12 + Góc xoay cánh ban đầu: m/s; β 0 = 90 . + Thời gian trích mẫu các khối đo lường: t = 0,001 s. Đáp ứng quá độ góc xoay cánh được đưa ra trên hình 3.15. Đáp ứng quá độ tốc độ góc tuabin trên hình 3.16. Đồ thị điện áp dây đầu ra máy phát trên hình 3.17 89 Hình 3.15: Đáp ứng quá độ góc xoay cánh Hình 3.16: Đáp ứng quá độ tốc độ góc tuabin gió 90 Hình 3.17: Đồ thị thời gian điện áp dây u AB (t ) Kết quả mô phỏng cho thấy: 0 0 Góc xoay cánh β thay đổi trong phạm vi 17 đến 37 , góc xoay cánh 0 tuabin xác lập β ≈ 18 . Đáp ứng quá độ của tốc độ góc tuabin gió có các thông số: + Độ quá chỉnh: σ % = 6,6% (tại thời điểm t = 0,352 s); + Số lần dao động: n = 1 ; + Thời gian quá độ (với sai số coi bằng 0): t qd = 3 s; + Sai số tĩnh: δ % ≈ 0 . Như vậy chất lượng động học của hệ thống điều khiển đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật. Kết quả mô phỏng này cũng phù hợp với các nhận định đã có từ các kết quả mô phỏng theo mô hình tuyến tính. Điện áp đầu ra của máy phát có dạng hình sin với tần số f = 50 Hz. Trị hiệu dụng của điện áp dây xác lập: U d = 165 V. 91 Như vậy khi chỉ có hệ thống ổn định tốc độ tuabin/máy phát, điện áp ra của hệ thống đáp ứng được về chỉ tiêu chất lượng tần số, nhưng không đảm bảo về chỉ tiêu chất lượng điện áp. Để đảm bảo cả hai chỉ tiêu chất lượng này cần có thêm hệ thống ổn định điện áp (chỉ thực hiện được với các máy phát có thể thay đổi dòng điện kích từ). Máy phát có kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thường phù hợp với các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có các khối điện tử biến đổi AC/DC và DC/AC để đảm bảo chất lượng điện năng (dạng hình sin với tần số yêu cầu và độ lớn điện áp định mức). 3.5 Kết luận chương 3 Phần đầu chương này trình bày việc xây dựng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc của tuabin gió. Sau đó đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển PID dùng để ổn định tốc độ góc quay của máy phát ghép trực tiếp với tuabin khi luồng gió đầu vào thay đổi. Mô hình mô phỏng sử dụng các khối đã có sẵn trong Simulink để ghép nối thành một hệ thống điều khiển tuabin điện gió công suất nhỏ với các giá trị cụ thể. Phần tiếp theo của chương trình bày cách xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống có sử dụng các khối tuabin gió, máy phát điện đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, phụ tải điện ba pha, các dụng cụ đo, … trong thư viện Simpowersystems. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống ổn định tốc độ tuabin gió có bộ điều khiển PID đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng động học yêu cầu. Tuy nhiên với máy phát kích từ bằng nam châm vĩnh cửu sẽ không đảm bảo được ổn định đồng thời tần số và độ lớn điện áp đầu cực máy phát nếu không có các bộ biến đổi điện tử lực cần thiết. 92 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1. Kết luận Việc phát triển năng lượng điện gió thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống là rất cần thiết và là xu thế tất yếu trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam. Tuy nhiên ở nước ta, các kết quả nghiên cứu về các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió còn rất khiêm tốn. Tác giả chọn thực hiện đề tài “Phân tích và mô phỏng hệ thống điều khiển tuabin điện gió” nhằm mục tiêu tìm hiểu và nghiên cứu bước đầu những vấn đề khoa học và kỹ thuật cơ bản của lĩnh vực còn khá mới mẻ này. Các kết quả chính của luận văn là: + Giới thiệu tổng quan về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các trạm phát điện sức gió. Các nghiên cứu tìm hiểu về các cấu hình trạm điện gió, các phương pháp điều khiển tuabin điện gió, xây dựng các mô hình phần tử và toàn hệ thống. Kết quả trình bày trong luận văn có thể tham khảo trong việc quyết định lựa chọn tuabin gió, loại máy phát điện, phương án kết nối lưới, các phương pháp điều khiển phù hợp cho trạm phát điện chạy bằng sức gió. + Trình bày khá đầy đủ và rõ ràng cách thức sử dụng phần mềm Matlab & Simulink để mô phỏng một hệ thống điện gió công suất nhỏ với thông số cụ thể. Các kết quả mô phỏng cho thấy khả năng thực hiện và đảm bảo được chất lượng động học của hệ thống ổn định tốc độ quay tuabin gió bằng cách điều khiển góc xoay cánh. 2. Khuyến nghị Năng lượng gió như đã nói là một lĩnh vực còn rất mới mẻ ở Việt Nam và cũng đang được đầu tư nghiên cứu rất nhiều trên thế giới. Do vậy, ngành công nghiệp điện gió còn cần rất nhiều sự đi sâu tìm hiểu; luận văn này chỉ là một nghiên cứu bước đầu và tất nhiên còn rất nhiều điều tác giả mong muốn được tiếp cận và nắm bắt. Sau đây là một số đề xuất cho các bước phát triển tiếp theo: 93 + Tốc độ gió thay đổi bất kỳ, không theo một quy luật nào cả. Vì vậy tần số của dòng điện và điện áp của máy phát sẽ thay đổi khi tốc độ gió thay đổi. Do đó quá trình kết nối máy phát điện sức gió với lưới điện (có tần số không đổi) chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng. Mức độ ảnh hưởng như thế nào, các đặc tính của máy phát điện và các bộ điều khiển cần thay đổi ra sao, đây là những vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu. + Mô phỏng hoạt động của các khối biến đổi điện tử lực trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió; nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất và tính năng của toàn hệ thống cả về phía tuabin gió - máy phát và cả về phía lưới điện. + Cần nghiên cứu đầy đủ và sâu sắc hơn chức năng, nguyên lý và các thuật toán điều khiển tuabin gió, máy phát điện và các bộ biến đổi trung gian nhằm nâng cao hiệu suất, chất lượng động học, độ tin cậy của các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có hoặc không có nối lưới. 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Ngọc (2011), Điện gió, Nhà xuất bản Lao động, Hà Nội 2. Cục khí tượng thủy văn (2007), Số liệu đo gió 3. Lê Danh Liên (2008), Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam và khả năng ứng dụng, Trung tâm nghiên cứu năng lượng mới, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 4. Nguyễn Thương Ngô (2006), “Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội. 5. GS. TSKH Nguyễn Phùng Quang (2006) MatLab & Simulink dành cho ky sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh 1. Thomas Ackerman (2005), “Wind Power in Power Systems”, John Wiley and Sons, Ltd. 2. Sandra Eriksson (2008), “Direct Driven Generators for Vertical Axis Wind Tuabins”, Uppsala University, Sweden. 3. Morten H. Hansen, Anca Hansen, Torben J. Larsen, Stig Øye, Poul Sørensen and Peter uglsang (2005), “Control design for a pitchregulated, variable speed wind tuabin”. 4. Fernando D. Bianchi, Hernán De Battista and Ricardo J. Mantz (2006), “Wind Tuabin Control Systems”, Department of Electrical Engineering National University of La Plata, Argentina. 5. Gary L. Johnson (2001), “Wind energy systems”, Manhattan, KS 6. Furat Abdal Rassul Abbas and Mohammed Abdulla Abdulsada (2010) “Simulation of Wind – Tuabin Speed Control by MatLab 7. S.Samanvorakij, P.Kumkratug (2013) “Modeling and Simulation PMSG based on Wind Energy Conversion System in MATLAB/SIMULINK”, AEEE 2013 8. Akash Alex Paret (2014) “PID Controlled Frequency Regulation Of Wind Tuabin”, IJAREEIE 9. Sathyajith Mathew (2006.), "Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics", Springer-Verlag Berlin Heidelberg 95 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tinh toan cac he so tuyen tinh hoa mo hinh dong hoc tuabin gio % Cong suat dau ra dinh muc cua tuabin gio PT = 2500 W clear; clc % Nhap so lieu: ro = 1.25; % kg/m3 A = 45.36; % m2 R = 3.8; % m Vwop = 12; % m/s Betaop = 9; wTop = 78.54 ; % rad/s (= 750 vg/ph) Jt = 15; % D = -gama/Jt; 15 kg.m^2 % Tinh toan: Lamdaop = R*wTop/Vwop; K = 0.5*ro*A*R; Tam1 = K*Vwop^3*(0.44 - 0.0167*Betaop)/(R*wTop); Tam2 = pi*R/(Vwop*(15-0.3*Betaop)); Tam3 = cos(pi*((Lamdaop - 3)/(15 - 0.3*Betaop))); K11 = Tam1*Tam2*Tam3 Tam1 = K*Vwop^3*(0.44 - 0.0167*Betaop)/(R*wTop^2); Tam2 = sin(pi*((Lamdaop - 3)/(15 - 0.3*Betaop))); K12 = Tam1*Tam2 K13 = -0.00184*(Betaop*Vwop^2 + 3*Betaop*Vwop^3/(R*wTop^2))*K Tam1 = 3*K*Vwop^2*(0.44 - 0.0167*Betaop)/(R*wTop); Tam2 = sin(pi*((Lamdaop - 3)/(15 - 0.3*Betaop))); K21 = Tam1*Tam2 Tam1 = -K*Vwop^3*(0.44 - 0.0167*Betaop)/(R*wTop); Tam2 = pi*Lamdaop/(Vwop^2*(15-0.3*Betaop)); Tam3 = cos(pi*((Lamdaop - 3)/(15 - 0.3*Betaop))); K22 = Tam1*Tam2*Tam3 96 K23 = -0.00184*K*(2*Vwop*Betaop - 9*Betaop*Vwop/Lamdaop) Tam1 = -0.0167*K*Vwop^2/Lamdaop; Tam2 = sin(pi*(Lamdaop - 3)/(15-0.3*Betaop)) K31 = Tam1*Tam2 Tam1 = 0.0167*K*Vwop^2/Lamdaop; Tam2 = 0.44 - 0.0167*Betaop; Tam3 = 0.3*pi*((Lamdaop - 3)/(15 - 0.3*Betaop)^2); Tam4 = cos(pi*((Lamdaop - 3)/(15 - 0.3*Betaop))); K32 = Tam1*Tam2*Tam3*Tam4 K33 = 0.00184*K*(Lamdaop - 3)*Vwop^2/Lamdaop gama = K11 + K12 + K13 zeta = K21 + K22 + K23 delta = K31 + K32 + K33 D = -gama/Jt Phụ lục 2: Kết quả tính toán mô hình tuyến tính hóa K11 = 11.2062 K12 = -1.4769 K13 = -257.2918 K21 = -28.9994 K22 = -6.1120 K23 = -35.0693 K31 = 6.6868 K32 = 0.3153 K33 = 25.1011 gama = -247.5625 zeta = -70.1807 delta = 32.1031 D = 16.5042 [...]... trọng và đột biến, thậm chí còn hỗ trợ lưới về điều khiển điện áp hoặc tần số Như vậy, điều khiển các bộ biến đổi điện tử lực chủ yếu nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện Vai trò và các mục đích của điều khiển WECS, như đã trình bày ở trên, có thể được tóm tắt như sau: + Khởi động WECS tại tốc độ ban đầu, dừng nó lại tại tốc độ quá cao và chuyển mạch các bộ điều khiển tương ứng với các điều kiện... bao gồm ba phân hệ điều khiển chính: + điều khiển công suất khí động thông qua điều khiển góc xoay cánh; + vận hành với tốc độ thay đổi và cực đại hóa năng lượng thu nhận được bằng cách điều khiển máy phát; + điều khiển dòng công suất trao đổi với lưới thông qua bộ biến đổi điện tử lực Hơn nữa, các mục đích cụ thể của mỗi phân hệ điều khiển có thể thay đổi phù hợp với chế độ vận hành như đặc tính trên... tải cơ khí tác động lên kết cấu tuabin gió Trong chế độ non tải, điều khiển máy phát chỉ có điều khiển tích cực và nhằm mục đích cực đại hóa năng lượng thu nhận được từ gió và/ hoặc giới hạn tốc độ quay ở giá trị định mức Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng tốc hoặc giảm tốc độ máy phát theo cách thức sao cho bám theo được tỷ lệ tốc độ đầu mút cánh tối ưu Khi tốc độ gió định mức, điều khiển máy phát... của chúng), các cảm biến và các bộ điều khiển Tất cả các cấu kiện này đều làm tăng thêm độ phức tạp và nâng cao giá thành vận hành và bảo trì, tuy nhiên chúng lại có thể mở rộng các mục đích điều khiển để làm tăng sự thu nhận công suất (năng lượng) từ gió, cũng như có thể tối ưu hóa sự vận hành các WECS Các WECS có tốc độ cố định, với điều khiển cản xoáy kiểu thụ động hoặc chủ động, đã chiếm ưu thế trong... hạn tốc độ quay của máy phát Như vậy, điều khiển máy phát chủ yếu nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng Đôi khi điều này có nghĩa là mômen quay của máy phát thay đổi theo tốc độ gió, và trong một số điều kiện có thể gây nên những ứng suất cơ khí phụ cho hệ thống truyền động Bởi vậy, việc cực đại hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng thông qua điều khiển máy phát cần phải thực hiện với... tưởng là điều khiển có thể và thực sự đã cải thiện đáng kể tất cả các phương diện của WECS Trong một quá trình bất kỳ, điều khiển có hai mục đích chính là: bảo vệ và tối ưu hóa hoạt động Hơn thế nữa, khi áp dụng cho WECS, điều khiển trở nên quan trọng hơn trên tất cả các mặt, vì đặc tính chủ yếu của các WECS là chúng phải có khả năng thích ứng với đặc điểm thay đổi nhiều, lúc có lúc không và không... stato của máy phát được nối trực tiếp vào lưới thông qua biến tần gồm: 29 mô un sử dụng van bán dẫn IGBT, mô un phía máy phát đồng bộ và mô un phía lưới và đóng vai trò nghịch lưu Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý cơ bản của hệ thống điện gió nối lưới Bộ phận điều khiển biến tần sử dụng các bộ vi xử lý, phần giao diện và nguồn cung cấp Máy tính PC giúp lựa chọn các tham số và quan sát tình trạng làm việc của... quay cần được khống chế bởi điều khiển bước xoay cánh tức là khi tốc độ gió đạt đến tốc độ định mức Hệ thống điều khiển bước xoay cánh là chủ động khi tốc độ gió vượt quá tốc độ gió định mức Mục đích của nó là giới hạn công suất khí động không vượt quá công suất định mức, còn khi tốc độ gió vượt quá tốc độ ngừng hoạt động, thì dừng hẵn tuabin gió lại Như vậy, hệ thống điều khiển bước xoay cánh chủ yếu... WECS có một bộ phận để điều khiển công suất Các tuabin gió kiểu cản xoáy thụ động với những nguyên nhân về bảo vệ có khả năng giới hạn công suất khí động Phương pháp này là đơn giản và đảm bảo tính bền vững của phần cứng, nhưng lại dẫn đến các mức tải trọng cơ khí không chấp nhận được Như vậy, việc điều khiển theo nghĩa này chỉ có một mục đích là bảo vệ các tuabin gió Cản xoáy chủ động được hiểu là các... bộ trữ năng ngắn hạn nào đó Mỗi một nguồn điện (máy phát tuabin gió, máy phát điêzen, dàn pin mặt trời và các bộ ăcquy) cấp công suất của mình vào thanh cái DC phụ thuộc vào các chế độ vận hành của chúng Mục đích điều khiển nhằm đảm bảo cho phụ tải điện AC được cung cấp điện liên tục Phụ thuộc vào chế độ vận hành, tuabin gió có thể được điều khiển để bám điểm công suất cực đại hoặc để hạn chế công ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN MINH TUẤN PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số:... biện 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày tháng năm 2015 Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hoàn toàn trung... để mô hình hóa WECS Các mô hình nhận kỹ thuật có ích để kiểm chứng thiết kế tuabin đánh giá tính điều khiển Tuy nhiên chúng thường phức tạp mục đích thiết kế điều khiển Các mô hình định hướng điều