GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Ti ́nh cấp thiết của luận văn
Thế kỷ XX chứng kiến những tiến bộ vượt bậc của nhân loại với nhiều phát minh và công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người Tuy nhiên, sự phát triển này cũng mang lại những hệ lụy tiêu cực như hủy hoại môi trường, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và áp lực công việc gia tăng Sang thế kỷ XXI, nhân loại phải đối mặt với nhiều thách thức toàn cầu, đặc biệt là vấn đề năng lượng, khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và tranh chấp lãnh thổ gia tăng Sự thiếu hụt năng lượng không chỉ làm trì trệ kinh tế mà còn tiềm ẩn nguy cơ xung đột và bất ổn chính trị Hơn nữa, việc lạm dụng năng lượng hóa thạch dẫn đến các vấn đề môi trường nghiêm trọng như biến đổi khí hậu, thu hẹp đất canh tác và gia tăng thiên tai, tạo ra một thế giới đầy rối ren và tranh chấp.
Để duy trì một thế giới ổn định, chúng ta cần tìm kiếm các nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt Con người thế kỷ XXI phải thực hiện nhiều hành động, nhưng quan trọng nhất là phát triển nguồn năng lượng bền vững để đáp ứng nhu cầu toàn cầu.
Trong thế kỷ XXI, nhiều nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt và sinh khối đang hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ Nhờ vào những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật và xu hướng toàn cầu, năng lượng tái sinh đang được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng nhiều Đặc biệt, năng lượng gió nổi bật là một trong những nguồn năng lượng tái sinh quan trọng, có khả năng đóng góp ngày càng lớn vào sản lượng năng lượng toàn cầu.
Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện, đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống và sản xuất của con người Khi mức sống và nhu cầu sản xuất gia tăng, nhu cầu về năng lượng điện cũng tăng theo, tạo ra thách thức lớn cho nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam.
Trong 20 năm qua, sản lượng điện ở Việt Nam đã tăng trưởng trung bình 12 – 13% mỗi năm, gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP Để thực hiện mục tiêu “dân giàu, nước mạnh” và tránh tụt hậu, ngành điện sẽ phải đối mặt với nhiều thách thức trong những thập niên tới Để đáp ứng các yêu cầu này, ngành điện cần dự báo chính xác nhu cầu điện năng và phát triển năng lực cung ứng tương ứng.
Nếu nhu cầu điện tiếp tục tăng cao ở mức 14-15% mỗi năm, dự báo đến năm 2010, nhu cầu điện sẽ đạt 90.000 GWh, gấp đôi so với năm 2005 Tập đoàn Điện lực Việt Nam dự đoán rằng với tốc độ tăng trưởng GDP trung bình 7,1% mỗi năm, nhu cầu điện sẽ đạt khoảng 200.000 GWh vào năm 2020 và 327.000 GWh vào năm 2030 Tuy nhiên, sản lượng điện nội địa chỉ đạt 165.000 GWh vào năm 2020 và 208.000 GWh vào năm 2030, dẫn đến khả năng thiếu hụt điện nghiêm trọng từ 20-30% mỗi năm Nếu tình trạng này xảy ra, Việt Nam sẽ phải nhập khẩu điện với giá cao gấp 2-3 lần so với sản xuất trong nước, hoặc nền kinh tế sẽ rơi vào trì trệ, ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân.
Hiện nay, chúng ta đang đối mặt với tình trạng thiếu điện nghiêm trọng, không chỉ trong những năm 2015 hay 2020 Đặc biệt, vào năm 2005, lần đầu tiên sau nhiều năm, người dân ở hai trung tâm chính trị và kinh tế của đất nước đã phải chịu cảnh cắt điện luân phiên, gây ra nhiều khó khăn trong sinh hoạt và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống kinh tế.
Việt Nam hiện còn khoảng 4,5 triệu dân, đặc biệt là các hộ ở vùng sâu, vùng xa và hải đảo, chưa được tiếp cận điện Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện, dự kiến đến năm 2020, vẫn còn hơn 1.000 xã với khoảng 500.000 hộ dân, tương đương 3 triệu người, không có lưới điện quốc gia Đồng bào dân tộc thiểu số ở Tây Nguyên và các khu vực chưa có điện lưới gặp khó khăn trong việc bơm nước tưới cây và đáp ứng nhu cầu sinh hoạt Ngoài ra, các đồn biên phòng xa xôi, chiến sĩ ngoài đảo và các tàu cá trên biển cũng cần điện để phục vụ cho đời sống và công tác an ninh quốc phòng.
Theo dự báo của các nhà khoa học, trữ lượng than và dầu khí sẽ cạn kiệt trong 30 năm tới, dẫn đến việc các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng tái tạo để thay thế năng lượng hóa thạch Trong số đó, năng lượng gió được chú trọng khai thác, với tổ chức EWEA khởi xướng mục tiêu phát triển điện gió vào đầu thế kỷ XXI Việt Nam cũng đang định hướng phát triển nguồn năng lượng này, do đó, nghiên cứu và phân tích hệ thống khai thác năng lượng gió trở nên cần thiết Tỷ suất tăng trưởng toàn cầu về năng lượng điện từ những năm 1990 đến 2000 cho thấy sự chuyển mình trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Tỷ suất tăng trưởng của năng lượng mới vượt trội so với năng lượng truyền thống, với điện gió dẫn đầu về tốc độ tăng trưởng.
Theo thống kê từ Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC), Châu Âu dẫn đầu thế giới về khai thác năng lượng gió, với tổng công suất lắp đặt đạt khoảng 82 GW vào năm 2010, chiếm 55% tổng công suất toàn cầu.
Bắc Mỹ, với tổng công suất lắp đặt 31,6 GW vào năm 2010, là khu vực lớn thứ hai về năng lượng Trong đó, Mỹ đóng vai trò là thị trường chủ chốt, dự kiến đạt công suất lắp đặt trung bình 3,5 GW mỗi năm.
Châu Á đã chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của Trung Quốc, với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm đạt 28,3% trong giai đoạn này Tổng công suất của khu vực đã tăng từ 10,7 GW vào năm 2006 lên 29 GW vào năm 2010.
Năm 2010, khu vực Châu Mỹ La Tinh và Caribe đã lắp đặt mới 296 MW công suất, với Brazil dẫn đầu, tiếp theo là Mexico Ngoài ra, một số dự án phát triển nhỏ hơn cũng sẽ được triển khai tại các nước Trung Mỹ.
Khu vực Thái Bình Dương với sự phát triển của năng lượng điện gió ở Australia với
1 GW được lắp đặt trong giai đoạn 2007 – 2010
Hình 1.1 Công suất lắp đặt trên thế giới 2001 – 2010
Theo báo cáo năng lượng gió toàn cầu năm 2010, dự kiến năng lượng gió sẽ chiếm 12% tổng cung cấp điện năng toàn cầu vào đầu năm 2020, với công suất sản xuất đạt 1000 GW Điều này đồng nghĩa với việc hàng năm sẽ giảm được 1,5 tỷ tấn khí thải.
Nhiê ̣m vu ̣ và mu ̣c tiêu của luận văn
Nghiên cứu "Xây dựng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống điện tuabin gió" tập trung vào việc phát triển thuật toán điều khiển nhằm tối ưu hóa việc theo dõi điểm công suất tối đa.
Sự biến đổi năng lượng gió diễn ra thông qua tổ hợp tuabin gió và máy phát, với hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi được sử dụng phổ biến do vận tốc gió luôn biến động Phạm vi tốc độ rộng giúp tối ưu hóa công suất thu được từ gió Đối với hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) hoạt động ở tốc độ thay đổi, công suất đầu ra phụ thuộc vào độ chính xác trong việc theo dõi các điểm công suất đỉnh bởi các điều khiển điểm công suất tối đa (MPPT), không phân biệt loại máy phát điện Nghiên cứu này đánh giá các phương pháp điều khiển MPPT đã được áp dụng trong quá khứ và hiện tại để tối đa hóa sức mạnh từ WECS, đặc biệt với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
Vì vậy mục tiêu của đề tài này là: “ Xây dựng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống điện tuabin gió ”.
Giơ ́ i ha ̣n và pha ̣m vi nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu này phân tích ưu điểm và nhược điểm của các loại máy phát điện gió phổ biến trong hệ thống điện gió hiện nay Từ đó, bài viết đề xuất chọn mô hình máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu để tối ưu hóa việc điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa.
Đề tài nghiên cứu sẽ trình bày các cơ sở lý thuyết và kết quả thu được từ mô hình trong phòng thí nghiệm, nhằm nâng cao hiểu biết về điện gió trong thực tế.
Phương pha ́ p nghiên cứu
Thu thập tài liệu về lý thuyết về hệ thống điện gió
Giới thiệu mô hình PMSG
Thuật toán để điều khiển
Từ các cơ sở lý thuyết tiến hành thực nghiệm với mô hình, thu thập kết quả, phân tích, kiểm nghiệm với lý thuyết
Sử dụng mô hình thực nghiệm cho việc đo đạc kết quả.
Kết qua ̉ dự kiến
Năng lượng gió đang trở thành một lĩnh vực phát triển quan trọng tại Việt Nam, với nhiều lợi thế như nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và bền vững Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng gió cũng gặp không ít khó khăn, bao gồm hạ tầng chưa hoàn thiện và chi phí đầu tư ban đầu cao Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam rất lớn, đặc biệt là ở các khu vực ven biển và vùng núi, mở ra cơ hội cho việc phát triển bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Tìm hiểu về các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió bao gồm việc phân tích sự phân bố gió, hiệu suất hoạt động của tuabin gió, cũng như cách vận hành các hệ thống năng lượng gió với tốc độ cố định và thay đổi.
Tìm hiểu máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) sử dụng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
Tìm hiểu về mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
Tìm hiểu về phương pháp điều khiển, ứng dụng vào điều khiển
Thực nghiệm mô hình thực tế để thử nghiệm, thu thập kết quả.
Nội dung luận văn
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 3: Các lý thuyết liên quan
Chương 4: Nghiên cứu về máy phát
Chương 5: Phương pháp điều khiển MPPT cho PMSG
Chương 6: Kết quả thực nghiệm của đề tài
QUAN
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Nhiều quốc gia trên thế giới đang đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió, nhận thức rõ tầm quan trọng của năng lượng tái sinh trong việc giảm căng thẳng năng lượng.
Trong vài thập kỷ qua, năng lượng gió đã trở thành nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất, với tốc độ tăng trưởng lắp đặt tuabin gió trung bình hàng năm đạt khoảng 30% Đến cuối năm 2014, công suất phát điện toàn cầu từ năng lượng gió đã tăng lên 369.553 MW, dự kiến sẽ vượt 1.260.000 MW vào cuối năm 2020, đáp ứng 12% nhu cầu điện toàn cầu Các quốc gia dẫn đầu về công suất lắp đặt bao gồm Đức, Tây Ban Nha, Mỹ, Ấn Độ và Đan Mạch Châu Âu giữ vị trí hàng đầu với 48.545 MW công suất lắp đặt vào cuối năm 2006, chiếm 65% thị trường toàn cầu Các hiệp hội năng lượng gió Châu Âu đặt mục tiêu cung cấp 23% nhu cầu điện của khu vực bằng năng lượng gió vào năm 2030, cho thấy sự phát triển bền vững của thị trường năng lượng gió và khả năng cạnh tranh ngày càng cao trong ngành điện.
Hình 2.1 Thống kê về công suất lắp đặt nhà máy gió 1997 – 2014
Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới (2010) đã cập nhật số liệu quan trắc gió tại 3 điểm, bổ sung vào bản đồ tiềm năng gió cho Việt Nam ở độ cao 80 m Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió tại độ cao này vượt quá 2.400 MW, với tốc độ gió trung bình hàng năm đạt trên 7 m/s.
Hình 2.2 Tiềm năng gió của việt Nam ở độ cao 80m so với bề mặt đất
Cho đến nay, Việt Nam chưa có nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió một cách sâu rộng do thiếu dữ liệu quan trắc Gần đây, Bộ Công thương và Dự án Năng lượng Gió GIZ đã triển khai chương trình đo gió tại 10 điểm ở độ cao 80m tại các tỉnh cao nguyên và duyên hải Trung Bộ, với các tiêu chuẩn IEC 61400-12 Dự án này hứa hẹn cung cấp dữ liệu gió đại diện cho các vùng tiềm năng gió của Việt Nam, phục vụ cho phát triển điện gió trong tương lai Bên cạnh đó, các báo cáo về quy trình và tiêu chuẩn lắp đặt cột đo gió cũng đang được hoàn thiện, sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà phát triển điện gió.
LÝ THUYẾT LIÊ N QUAN
Sự hình thành gió, cấu tạo và hoạt động của tuabin gió
Bức xạ mặt trời không đồng đều trên bề mặt trái đất dẫn đến sự chênh lệch về nhiệt độ giữa các khu vực, với vùng gần xích đạo nhận nhiều bức xạ hơn so với các cực Hiện tượng này tạo ra sự khác biệt về áp suất không khí giữa xích đạo và hai cực, cũng như giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm, từ đó hình thành nên gió.
Trái Đất xoay tròn không chỉ tạo ra hiện tượng xoáy không khí mà còn ảnh hưởng đến sự hình thành các dòng không khí theo mùa do trục quay của nó nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời.
Ngoài các yếu tố trên gió còn bị ảnh hưởng bởi cấu tạo của địa hình của từng địa phương.
Năng lượng gió
Năng lượng gió trung bình của một hệ thống điện gió trong một khoảng thời gian khảo sát:
: mật độ không khí (kg m/ 3 ), ở điều kiện chuẩn, có giá trị 1,293 kg m/ 3
𝐴 𝑟 : diện tích quét của cánh turbin( m 2 )
Sự phân bố vận tốc gió
Mối quan hệ giữa công suất và vận tốc gió được mô tả theo lũy thừa bậc ba trong phương trình (3.2) Vận tốc gió đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại một khu vực cụ thể Tuy nhiên, vận tốc gió thường xuyên biến động do ảnh hưởng của điều kiện thời tiết và địa hình.
Để ước tính năng lượng kỳ vọng từ một khu vực cụ thể, cần xác định vận tốc gió trung bình, vì vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có xu hướng lặp lại theo chu kỳ hàng năm Do đó, vận tốc gió trung bình có thể được tính toán cho khoảng thời gian một năm.
Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả thông qua hàm mật độ xác suất, trong đó hàm Weibull là một trong những hàm phổ biến nhất được sử dụng để mô tả đặc điểm này.
Trong đó: k > 0 và c > 0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ
Vì thế, vận tốc gió trung bình có thể được biểu diễn như sau:
Vận tốc gió trung bình được viết lại như sau:
Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor
Công suất cơ thu được từ gió qua tuabin được xác định bằng sự chênh lệch giữa động năng của gió trước cánh quạt với vận tốc v và động năng của gió sau tuabin.
C p : hiệu suất của tuabin (hệ số công suất của tuabin)
: tỷ số của tốc độ gió sau cánh quạt và tốc độ gió vào cánh quạt
Hệ số công suất lớn nhất được xác định bằng cách đạo hàm như sau:
Hệ số công suất cực đại:
Theo lý thuyết, hệ số Cp không thể vượt quá 59,3%, được gọi là giới hạn Betz, nhằm chỉ ra mức công suất tối đa có thể khai thác từ năng lượng gió.
Hình 3.1 Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết
Nếu rotor quay quá chậm, gió sẽ dễ dàng xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh, cánh quạt sẽ trở thành một bức tường chắn, khiến vận tốc gió phía sau gần như bằng không, dẫn đến hiệu suất rotor giảm xuống gần bằng không Do đó, hiệu suất rotor phụ thuộc vào tốc độ máy phát khi có một vận tốc gió nhất định.
Hiệu suất rotor được thể hiện qua tỷ số vận tốc đầu cánh (Tip speed ratio), là tỷ lệ giữa vận tốc tiếp tuyến tại đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.
: tốc độ quay của tuabin (rotor) (rad/s)
R b : bán kính của cánh quạt tuabin (m)
Hiệu suất rotor không chỉ phụ thuộc vào tỷ số tốc độ gió (λ) mà còn bị ảnh hưởng bởi góc pitch (β) của cánh quạt tuabin Hầu hết các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đều được trang bị thiết bị điều khiển pitch Hệ số công suất (Cp) thường là một hàm phi tuyến và phức tạp, và các nhà chế tạo thường cung cấp giá trị Cp cho từng loại tuabin dưới dạng hàm của λ và góc β.
Biểu thức xấp xỉ hiệu suất rotor được cho bởi:
Hình 3.2 Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin
Hình 3.3 Đường cong hiệu suất rotor Cp(, )
Hình 3.4 Góc pitch của cánh quạt tuabin
Đường cong công suất tuabin gió
Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất của tuabin gió là đường cong công suất, như thể hiện trong hình 3.5, cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra Điều này giúp phân biệt các thông số liên quan đến hiệu suất hoạt động của tuabin.
Vận tốc gió Cut-in (Vc-in): là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng lực ma sát và tạo ra công suất
Vận tốc gió định mức (Vdm) là mức mà tại đó công suất đầu ra của tuabin đạt giá trị thiết kế Khi vận tốc gió tăng, công suất đầu ra cũng tăng theo tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió Khi vận tốc gió vượt quá V(dm), cần điều chỉnh công suất để tránh quá tải cho máy phát.
Vận tốc gió Cut-out (Vc-out) là ngưỡng mà khi tốc độ gió vượt qua, hệ thống tuabin cần ngừng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, dẫn đến việc công suất phát ra bằng không.
Hình 3.5 Đường cong công suất của tuabin gió
Khi gió có vận tốc lớn, việc hạn chế công suất đưa vào tuabin là cần thiết, và điều khiển cơ học đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Phương pháp điều khiển góc pitch là cách phổ biến nhất để điều chỉnh công suất do tuabin tạo ra, thông qua việc thay đổi góc quay của cánh quạt quanh trục Hầu hết các tuabin gió có tốc độ thay đổi đều được trang bị bộ điều khiển góc pitch để tối ưu hóa hiệu suất.
Khi tốc độ gió đạt mức tối ưu, tuabin phải tối đa hóa công suất bằng cách điều chỉnh góc pitch, nhằm thu nhận năng lượng một cách hiệu quả nhất.
Khi tốc độ gió đạt mức định mức, góc pitch cần được điều chỉnh để duy trì công suất cơ ở mức tối ưu Đối với các tuabin gió trang bị hệ thống điều khiển góc pitch, bộ điều khiển liên tục theo dõi công suất đầu ra Khi công suất vượt quá giới hạn, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu để điều chỉnh cơ cấu xoay cánh quạt, giảm bớt công suất và tự động xoay cánh quạt ngược lại khi tốc độ gió giảm.
Tuabin gió
3.6.1 Cấu tạo của tuabin gió
Cấu tạo tuabin gió bao gồm các thành phần chính sau:
Cánh quạt đóng vai trò quan trọng trong việc hứng gió, tạo ra chuyển động quay để quay trục rotor và phát điện Bộ điều khiển góc pitch được lắp đặt trên cánh quạt rotor, cho phép cánh quạt xoay tối đa nhằm tối ưu hóa công suất phát ra.
Trục truyền động tốc độ thấp: có chức năng truyền động công suất gió đến hộp số
Hộp số đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tỷ số truyền động, giúp tăng tốc độ quay của trục máy phát Khi cánh quạt rotor của tuabin gió quay với tốc độ chậm, hộp số sẽ tăng tốc để máy phát hoạt động hiệu quả hơn.
Bộ hãm: có tác dụng hãm tuabin gió khi cần thiết
Máy phát điện: có chức năng chuyển từ cơ năng thành điện năng
Trục truyền động tốc độ cao: có chức năng truyền động công suất cơ đến máy phát điện
Khung: có chức năng bao bọc cho hệ thống tuabin gió
Trụ tháp: có chức năng đỡ tuabin gió
Hình 3.6 Các thành phần chính của tuabin gió
Tuabin gió là thiết bị chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học Nếu năng lượng này được sử dụng trực tiếp, nó được gọi là cối xay gió; còn khi chuyển đổi thành điện năng, nó được gọi là máy phát điện dùng sức gió (WEC) WEC thường được phân loại thành hai loại dựa trên cấu tạo: WEC trục dọc, có trục quay chính của roto chạy theo chiều dọc Ưu điểm của loại này là có thể đặt dưới mặt đất mà không cần tháp đỡ, và không cần cơ cấu phụ để hướng hệ thống theo chiều gió.
Nhược điểm: tốc độ quay chậm do nhiễu loạn gió ở gần mặt đất và khó đóng tuabin vào tháp đỡ
Chính vì các khuyết điểm đó nên loại này ít được sử dung hơn loại trục ngang
Hình 3.7 WEC trục dọc b WEC trục ngang: là loại máy có trục quay tuabin hướng theo phương ngang
WEC trục ngang chia thành 2 loại downwind và upwind
Trong thực tế loại WEC upwind được sử dụng phổ biến hơn
Hình 3.9 Các dạng tuabin gió trục ngang Đối với các tuabin gió loại một và hai cánh có một số vấn đề cần quan tâm:
Vấn đề cân bằng: đây là vấn đề hết sức khó khăn
Vấn đề về tốc độ quay: khi tốc độ quay nhanh sẽ tạo ra nhiều dao động bất thường và tiếng ồn
Vấn đề về thẩm mỹ: thấp
Để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và thẩm mỹ, thiết kế tuabin gió phổ biến thường có ba cánh Bên cạnh đó, tuabin gió nhiều cánh cũng được sử dụng nhằm đảm bảo khả năng tự khởi động ngay cả khi tốc độ gió thấp.
Trụ tháp có chức năng đỡ toàn bộ kết cấu chính của hệ thống tuabin gió Thông thường, có 3 loại trụ tháp:
Trụ tháp kiểu dây chằng
Hình 3.10 Các loại trụ tháp a Trụ tháp giàn
Trụ tháp giàn được cấu thành từ nhiều thanh thép liên kết, tương tự như cấu trúc của cột thép trong hệ thống truyền tải điện Ưu điểm của thiết kế này là độ bền cao và khả năng chịu lực tốt, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc truyền tải điện năng.
Trụ tháp giàn sử dụng vật liệu chỉ bằng một nửa so với trụ tháp hình ống, giúp giảm trọng lượng và chi phí Vì vậy, trụ tháp giàn trở thành lựa chọn nhẹ và kinh tế hơn so với trụ tháp hình ống.
Lực tác dụng lên móng trụ tháp giàn được phân bố đều, dẫn đến việc móng trụ tháp có kích thước nhỏ hơn so với móng trụ tháp hình ống Điều này không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư mà còn tối ưu hóa hiệu quả trong thiết kế công trình.
+ Là nơi lý tưởng để chim đậu và làm tổ Vì vậy, làm tăng khả năng gây ra nguy hiểm cho cánh tuabin khi hoạt động
+ Gây khó khăn cho công tác bảo trì đặc biệt là trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt b Trụ tháp hình ống
Trụ tháp hình ống có kết cấu gồm nhiều ống có kích thước từ 10 đến 20m ghép lại với nhau Ưu điểm:
+ Thời gian lắp ráp hoàn chỉnh nhanh, từ 2 đến 3 ngày
+ Có thể chịu được lực uốn từ mọi hướng do nó có kết cấu dạng tròn
+ Chi phí vật liệu cao c Trụ tháp kiểu dây chằng
Trụ tháp kiểu dây chằng là loại trụ được hỗ trợ bởi bốn sợi cáp được bố trí đều, thường được sử dụng cho các máy phát điện tuabin gió có công suất nhỏ.
Máy phát điện đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Khác với các máy phát điện thông thường, máy phát điện của tuabin gió phải thích ứng với điều kiện công suất thay đổi liên tục do tốc độ gió biến động Do đó, việc lựa chọn loại máy phát điện phù hợp phụ thuộc vào quy mô của tuabin gió.
Với những máy phát điện tuabin gió có công suất nhỏ từ vài W đến vài kW thì sử dụng máy phát điện DC
Với những máy phát điện tuabin gió có công suất lớn hơn thì máy phát điện AC một pha hoặc ba pha có thể được sử dụng
Trong các dự án năng lượng gió quy mô lớn kết nối với lưới điện, máy phát điện AC ba pha là thiết bị chính được sử dụng Có hai loại máy phát điện AC phổ biến trong ứng dụng này.
Máy phát điện không đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ
Các nghiên cứu và phân tích chi tiết về vấn đề này sẽ được trình bày trong chương kế tiếp
3.6.4 Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu
Các máy phát điện tuabin gió luôn hoạt động dưới điều kiện tốc độ tuabin thay đổi
Khi hệ thống điện gió được kết nối vào lưới điện, việc sử dụng các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu là cần thiết để điều khiển điện áp, dòng điện, tần số và hệ số công suất Điều này giúp máy phát điện tuabin gió hoạt động đồng bộ với hệ thống điện, từ đó đảm bảo tính ổn định cho toàn bộ hệ thống điện.
Có hai loại bộ chỉnh lưu được sử dụng phổ biến:
Bộ chỉnh lưu không điều khiển sử dụng điốt
Bộ chỉnh lưu cưỡng bức sử dụng IGBT a Bộ chỉnh lưu điều khiển sử dụng điốt
Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng điốt có ưu điểm nổi bật như thiết kế đơn giản, chi phí thấp và hiệu suất tổn hao điện năng tối thiểu Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là không thể điều chỉnh điện áp và dòng điện của máy phát.
Sơ đồ bộ chỉnh lưu sử dụng điốt được biểu diễn ở hình 3.11
Hình 3.11 Bộ chỉnh lưu điốt b Bộ chỉnh lưu cưỡng bức
Bộ chỉnh lưu cưỡng bức có khả năng điều khiển được điện áp và dòng điện máy phát
Sơ đồ bộ chỉnh lưu cưỡng bức được biểu diễn ở hình 3.12
Có hai dạng bộ nghịch lưu được sử dụng phổ biến bao gồm: a Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên
Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên sử dụng thyristor, một loại linh kiện bán dẫn, mang lại ưu điểm vượt trội với khả năng chịu quá tải của các cổng thyristor.
Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên không chỉ sản xuất dòng điện cơ sở mà còn phát sinh dòng hoạ tần, dẫn đến việc tạo ra điện áp hoạ tần trên lưới Để khử hoạ tần, cần sử dụng bộ lọc, một ưu điểm của bộ lọc là tạo ra công suất phản kháng, giúp nâng cao hệ số công suất cho bộ nghịch lưu Sơ đồ của bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên được thể hiện trong hình 3.13.
Hình 3.13 Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên b Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức
Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức sử dụng linh kiện bán dẫn IGBT có khả năng đóng ngắt, cho phép điều chỉnh hệ số công suất hiệu quả Sơ đồ của bộ nghịch lưu này được thể hiện trong hình 3.14.
Hình 3.14 Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức
3.6.5 Điều chỉnh tốc độ tuabin gió
Hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới điện
Trong quá trình hòa đồng bộ máy phát điện tuabin gió vào lưới, cần giới hạn dòng điện khởi động cao bằng dòng điện định mức Có hai phương pháp chính để thực hiện việc hạn chế dòng khởi động này.
3.7.1 Bộ khởi động mềm sử dụng thyristor
Trong bộ khởi động mềm, góc kích của thyristor được tăng trong suốt quá trình khởi động và dòng điện được giữ dưới dòng điện đỉnh định mức
3.7.2 Bộ khởi động sử dụng tụ điện
Trong phương pháp này, tụ điện được sử dụng để kích từ máy phát điện kiểu cảm ứng.
NGHIÊN CỨU VỀ MÁ Y PHÁ T
Máy phát điện
Máy phát là một thành phần thiết yếu trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, với nhiều loại máy phát khác nhau được sử dụng cho tuabin gió Tuabin gió nhỏ thường sử dụng máy phát DC có công suất từ vài watt đến kilowatt, trong khi các hệ thống lớn hơn sử dụng máy phát AC một pha hoặc ba pha, có thể là máy điện không đồng bộ hoặc máy điện đồng bộ.
Một số tuabin gió sử dụng máy điện đồng bộ hoặc không đồng bộ, với cấu trúc đơn giản như được minh họa trong hình 4.1.
Hình 4.1 Mặt cắt các máy điện
Trong hệ thống điện tuabin gió, tuabin gió có thể hoạt động ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Tuabin gió tốc độ cố định kết nối trực tiếp với lưới điện, dẫn đến không thể điều chỉnh công suất khi có sự dao động tốc độ gió, gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Ngược lại, tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng thiết bị điện tử công suất để điều khiển vận tốc máy phát, cho phép hấp thu sự dao động công suất do thay đổi tốc độ gió, từ đó cải thiện chất lượng điện năng so với tuabin gió tốc độ cố định.
Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có thể là :
Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ nguồn kép
Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ
Tuabin gió tốc độ cố định sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc, được kết nối trực tiếp với lưới điện, với điện áp và tần số của máy phát phụ thuộc vào lưới điện.
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định hoạt động ở hai tốc độ cố định thông qua việc sử dụng hai máy phát với định mức và số cặp cực từ khác nhau, hoặc một máy phát duy nhất với hai cuộn dây khác nhau Cách tiếp cận này giúp tối ưu hóa công suất thu được từ gió và giảm tổn thất kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ thường cho phép hoạt động trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn sẽ dẫn đến tổn thất tăng và hiệu suất giảm.
Mặc dù, hệ thống này có cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao nhưng nó cũng bao gồm các nhược điểm chính như sau:
Không thể điều khiển công suất tối ưu
Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột
Do tần số và điện áp stator cố định theo tần số và điện áp lưới nên không có khả năng điều khiển tích cực
Hình 4.2 Hệ thống tuabin gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện
Tuabin gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc 40 1 Giới thiệu
Hệ thống tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng bộ biến đổi công suất giữa stator máy phát và lưới điện, cho phép tối ưu hóa công suất từ gió Máy phát điện có thể là máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát điện đồng bộ Tuy nhiên, việc biến đổi toàn bộ công suất phát ra dẫn đến tổn hao lớn và cần đầu tư chi phí cho bộ biến đổi công suất.
Hình 4.3 Kết cấu máy phát điện không đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc bao gồm hai bộ phận chính là stator và rotor, được tách biệt bởi khe hở không khí Ngoài ra, máy còn được trang bị vỏ máy, trục máy và nắp máy Trục máy được làm bằng thép, trên đó gắn rotor và ổ bi, trong khi quạt gió được lắp ở cuối trục để làm mát máy dọc theo trục.
Hình 4.4 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sốc
Phần stator bao gồm hai bộ phận chính là: lõi thép và dây quấn Ngoài ra, còn có vỏ máy và nắp máy a Vỏ máy
Vỏ máy có chức năng cố định lõi sắt và dây quấn, không được sử dụng làm mạch dẫn từ Thông thường, vỏ máy được chế tạo từ gang, trong khi đối với các máy có công suất lớn hơn 1000 kW, người ta thường sử dụng thép tấm hàn để đảm bảo độ bền và ổn định.
Lõi thép stator có dạng hình trụ, được làm từ các lá thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong, ghép lại thành các rãnh theo hướng trục và được ép vào trong vỏ máy Để giảm tổn hao năng lượng do từ trường quay, lõi thép sử dụng các lá thép dày 0,35 mm hoặc 0,5 mm Khi đường kính ngoài lớn hơn 990 mm, cần sử dụng các tấm hình rẻ quạt ép lại thành khối tròn Ngoài ra, để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy, các lá thép đều được phủ sơn cách điện.
Hình 4.6 Cấu tạo lõi thép stator c Dây quấn stator
Dây quấn stator thường sử dụng dây đồng bọc cách điện, được lắp đặt trong các rãnh của lõi thép Hình 4.7 minh họa sơ đồ dây quấn ba pha trong 12 rãnh của máy phát điện không đồng bộ, trong đó dây quấn pha A được bố trí trong các rãnh số 1.
4, 7 và 10; pha B được đặt trong các rãnh 3, 6, 9 và 12 và pha C được đặt trong các rãnh
5, 8, 11 và 2 Dòng điện xoay chiều 3 pha chạy trong dây quấn 3 pha stator sẽ tạo nên từ trường quay
Hình 4.7 Cấu tạo dây quấn stator
Hình 4.8 Sơ đồ khai triển dây quấn stator
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy a Lõi thép
Lõi thép rotor được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, lấy từ lõi thép stator và ghép lại với nhau, có lỗ dập ở giữa để lắp trục Do tổn hao trong lõi sắt rotor rất nhỏ, không cần sử dụng thép kỹ thuật điện, nhưng để tối ưu hóa hiệu suất, người ta thường ép lõi thép rotor từ các lá thép stator đã dập Lõi thép rotor được gắn trực tiếp lên trục máy hoặc giá đỡ rotor, và bên ngoài các lá thép có rãnh để đặt dây quấn.
Hình 4.9 Lõi thép rotor b Dây quấn rotor
Loại rotor kiểu dây quấn:
Rotor được thiết kế với dây quấn tương tự như dây quấn stator Dây quấn ba pha của rotor thường được đấu hình sao, trong khi ba đầu còn lại được kết nối với vành trượt làm bằng đồng, cố định ở một đầu trục Thông qua chổi than, rotor có thể kết nối với mạch điện bên ngoài Trong quá trình hoạt động bình thường, dây quấn rotor sẽ được nối ngắn mạch.
Hình 4.10 Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ kiểu rotor dây quấn
Loại rotor kiểu lồng sóc:
Kết cấu dây quấn lồng sóc khác biệt so với dây quấn stator, với các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt trong rãnh rotor và nối lại bằng hai vành ngắn mạch Dây quấn này không cần cách điện với lõi sắt, và để nâng cao khả năng khởi động, rãnh rotor có thể được thiết kế dưới dạng rãnh sâu hoặc rãnh kép.
Hình 4.11 Thanh dẫn của rotor lồng sóc c Trục máy
Trục máy điện chứa rotor quay bên trong stator và được chế tạo từ thép cacbon C5 đến C45 tùy thuộc vào kích thước Trên trục rotor có các thành phần quan trọng như lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió.
4.3.2 Mô tả toán học của máy phát điện không đồng bộ
Tốc độ của từ trường quay máy phát điện không đồng bộ :
𝑝ℎú𝑡) (4.3) Trong đó: f : là tần số từ trường quay (Hz) p: là số cặp cực từ
Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor và cảm ứng trong rotor sức điện động, e:
Sự tương tác dòng điện rotor và từ thông tạo ra một moment với độ lớn của moment được xác định như sau:
K: là hệ số tỷ lệ máy phát
: là độ lớn từ thông (Wb)
I2: là độ lớn dòng điện phần ứng
: là góc lệch pha giữa áp và dòng của rotor
Nr : là tốc độ quay của rotor
Ns : là tốc độ từ trường quay Điện trở stator quy đổi về rotor:
Công suất ba pha được quy đổi:
:là tốc độ góc của rotor
Khi đó: moment của rotor được viết lại như sau:
Hình 4.12 Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ
Khi s < 0, rotor của máy phát điện quay nhanh hơn từ trường quay Hình 4.13 trình bày sơ đồ tương đương thay thế của máy phát điện không đồng bộ trong hệ tọa độ d-q, bao gồm sơ đồ mạch tương đương trục d và trục q.
Phương trình điện áp của máy phát điện không đồng bộ trong hệ tọa độ d-q được biểu diễn như sau :
𝑣 𝑑𝑠 và 𝑣 𝑞𝑠 : là điện áp stator các trục d và q
𝑖 𝑑𝑓𝑒 và 𝑖 𝑞𝑓𝑒 : là dòng điện các trục d và q qua điện trở Rfe
𝑖 𝑑𝑚 và 𝑖 𝑞𝑚 : là dòng điện từ hóa các trục d và q
𝑑𝑠 và 𝑞𝑠 : là từ thông stator các trục d và q
Các thành phần dòng điện stator trục d và q:
Phương trình môment máy phát không đồng bộ:
Trong đó: p: là số cặp cực
Bỏ qua các tổn thất cơ và các tổn thất khác, tổn thất của máy phát điện không đồng bộ bao gồm:
Rs: là điện trở stator
Rr: là điện trở rotor
Rfe: là điện trở tổn thất sắt ids, iqs: là dòng điện stator các trục d và q
e: là tần số góc stator
r: là tần số góc rotor
sl: là tần số góc trượt
Kh và Ke: là các hệ số thất từ trễ và dòng điện xoáy
Tuy nhiên, tổn thất sắt rotor thông thường được bỏ qua do tần số trượt rất nhỏ trong điều kiện làm việc bình thường.
Mô hình toán học máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Sơ đồ tương đương trục d và q của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được xây dựng dựa trên hệ tọa độ d-q quay đồng bộ với tốc độ góc Mô hình này cũng xem xét các ảnh hưởng của tổn thất đồng và tổn thất sắt trong quá trình hoạt động của máy phát điện.
Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong được biểu diễn như sau:
Trong đó: id, iq: là dòng điện phần ứng trục d và q vd, vq: là điện áp stator trục d và q
: là vận tốc góc rotor
Ra: là điện trở phần ứng
a: là từ thông phần ứng
Sơ đồ tương đương của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được thể hiện qua các trục d và q Cụ thể, trục d được ký hiệu là Ld, trong khi trục q được ký hiệu là Lq Hình 4.14 minh họa rõ ràng sơ đồ tương đương cho cả hai trục này.
Môment của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong:
Trong đó: p: là số cặp cực
Tổn thất đồng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Tổn thất sắt của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Tổng tổn thất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO PMSG
Phương pháp điều khiển MPPT cho PMSG dựa trên WECS
Công suất được sản xuất bởi một tuabin gió được đưa ra bởi:
:tỷ lệ tốc độ đầu vào
𝜔 𝑟 :tốc độ góc quay tuabin
Phương trình động năng của tuabin gió được cho là
F:là hệ số ma sát nhớt
𝑇 𝑚 là mô-men xoắn được phát triển bởi các tua-bin
Mô men T L là mô men do tải, trong đó các mô-men xoắn máy phát điện đóng vai trò quan trọng Để đạt được công suất tối ưu từ một tuabin gió, cần xác định các mục tiêu công suất phù hợp.
Công suất của tuabin cơ khí phụ thuộc vào tốc độ cánh quạt ở các tốc độ gió khác nhau Tại một tốc độ gió nhất định, công suất đạt giá trị tối đa khi cánh quạt hoạt động ở tốc độ tối ưu 𝜔 𝑜𝑝𝑡, tương ứng với tỷ lệ tốc độ đầu tối ưu 𝑜𝑝𝑡 Để đảm bảo công suất tối đa, tuabin cần duy trì hoạt động ở 𝑜𝑝𝑡 bằng cách kiểm soát tốc độ quay, giúp tuabin luôn vận hành ở tốc độ tối ưu.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng được ưa chuộng trong thiết kế tuabin gió mới nhờ vào hiệu quả cao, mật độ năng lượng lớn và tính khả dụng của nam châm vĩnh cửu với giá cả hợp lý Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển hệ thống chuyển đổi năng lượng gió PMSG, với mục tiêu tạo ra các tuabin gió đáng tin cậy, có độ hao mòn thấp, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, tiếng ồn thấp và chi phí bảo trì hợp lý.
Các phương pháp MPPT để kiểm soát hiện nay có 3 phương pháp được đề xuất
Phương pháp kiểm soát tỷ lệ tốc độ (TSR):
Tốc độ gió được tính toán dựa trên điều khiển TSR nhằm theo dõi các điểm công suất đỉnh, sử dụng mạng nơron để ước tính Từ tốc độ gió ước tính và kiến thức tối ưu TSR, lệnh tốc độ rotor tối ưu được xác định Lệnh này được áp dụng cho các vòng điều khiển tốc độ trong hệ thống kiểm soát WECS, với các bộ điều khiển PI điều chỉnh tốc độ rotor thực tế theo giá trị mong muốn thông qua việc thay đổi tỷ lệ chuyển đổi của các biến tần PWM Mục tiêu của biến tần là cung cấp sản lượng điện cho tải Sơ đồ khối của các mô-đun điều khiển dựa trên ANN MPPT được trình bày trong hình 5.2, trong đó đầu vào của ANN là tốc độ roto 𝜔 𝑟 và công suất cơ khí 𝑃 𝑚, với 𝑃 𝑚 được tính toán từ một mối quan hệ cụ thể.
Hình 5.2 ANN dựa trên module điều khiển MPPT tốc độ tuabin Rotor
Tín hiệu công suất hồi tiếp:
Phương trình công suất tuabin được áp dụng để xác định công suất tham chiếu cho PSF thông qua việc điều khiển MPPT của PMSG WECS Hình 5.3 minh họa sơ đồ khối cho các hệ thống tín hiệu điều khiển PSF Bằng cách sử dụng phương trình (5.7), chúng ta có thể tính toán công suất một cách chính xác.
Hình 5.3 Công suất tham chiếu máy phát điện để điều khiển PSF
Các khối điều khiển PSF phát sinh lệnh công suất tham chiếu, sau đó được sử dụng để điều khiển các hệ thống chuyển đổi phía lưới, nhằm tối ưu hóa khả năng khai thác sức mạnh.
Điều khiển tìm kiếm leo đồi:
Phương pháp tìm kiếm leo đồi cho điều khiển MPPT trong PMSG WECS được đề xuất, sử dụng nguyên tắc tìm kiếm - nhớ - tái sử dụng Thuật toán lưu trữ các điểm công suất đỉnh trong quá trình đào tạo, giúp theo dõi điểm công suất tối đa Bắt đầu từ một bộ nhớ thông minh với hiệu suất ban đầu thấp, quá trình đào tạo áp dụng dữ liệu tìm kiếm để nâng cao hiệu quả Các thuật toán sẽ tái sử dụng dữ liệu ghi nhận để thực hiện nhanh chóng, lặp lại quy trình cho đến khi thiết lập bộ nhớ chính xác của hệ thống Sau khi hoàn thành đào tạo, hiệu quả khai thác năng lượng đạt tối ưu Bộ nhớ thông minh được đào tạo trực tuyến trong khi hệ thống hoạt động, được gọi là quá trình đào tạo online Cấu trúc thuật toán leo đồi được thể hiện trong hình 5.4, với mỗi chu kỳ bắt đầu bằng việc lấy mẫu 𝑉 𝑑𝑐 và 𝑃 0, tính toán sự khác biệt và chuyển đổi giữa các chế độ thực hiện, bao gồm chế độ ban đầu, chế độ đào tạo và ứng dụng chế độ, nhằm điều tiết sản lượng điện của hệ thống.
Giá trị 𝑑𝑚 được xác định là yêu cầu cao nhất cho hình sin đầu ra của biến tần Hệ thống điều khiển lỗi công suất tối đa (MPED) cung cấp điểm hoạt động tối ưu hóa sơ bộ dựa trên sản phẩm bộ nhớ thông minh Tín hiệu tham chiếu cho MPED là 𝑃 𝑑𝑚, chỉ có thể đạt được khi tốc độ gió đủ cao Các bộ nhớ thông minh lưu trữ các điểm công suất tối đa của hệ thống và các biến điều khiển tương ứng với các điều kiện vận hành khác nhau, từ đó kiểm soát trực tiếp nhu cầu dòng bằng cách sử dụng các mối quan hệ tối ưu.
𝑉 𝑑𝑐 và 𝐼 𝑑𝑚 ghi lại bởi các bộ nhớ thông minh, và tạo ra các lệnh 𝐼 𝑑𝑚 dựa trên giá trị hiện tại của 𝑉 𝑑𝑐
Hình 5.4 Cấu trúc của nâng cao leo đồi tìm kiếm
So sánh phương pháp P&O và phương pháp leo đồi
Hình 5.5 Lưu đồ giải thuật P&O cho việc tìm kiếm MPPT thông qua điện áp tham chiếu
Sự dao động điện áp gây ra tổn hao công suất, đặc biệt trong điều kiện thời tiết ổn định Để khắc phục, có thể điều chỉnh thuật toán P&O bằng cách so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một giải pháp khác là giảm bước tính biến thiên, nhưng điều này làm cho thuật toán chậm chạp hơn khi tốc độ gió thay đổi liên tục, dẫn đến hao hụt công suất lớn hơn Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không xác định được điểm làm việc có công suất lớn nhất trong điều kiện gió thay đổi.
Gỉa định giá trị Ban đầu P1=0 V1=Vref ĐO:V(K), I(K)
Tăng Vref Giảm Vref Giảm Vref Tăng Vref
Phương pháp No No là một kỹ thuật đơn giản và dễ thực hiện, tuy nhiên, trong trạng thái ổn định, điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, dẫn đến việc hao hụt một phần năng lượng Phương pháp này không thích hợp cho những điều kiện có gió thay đổi thường xuyên và đột ngột.
Bài viết này trình bày một giải thuật leo đồi điều khiển MPPT cho hệ thống phát điện gió (WECS) nhằm xác định công suất cực đại trong điều kiện tốc độ gió thay đổi Phương pháp không yêu cầu kiến thức về tốc độ gió hay mật độ không khí, khắc phục nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống Giải thuật này quét toàn bộ chu kỳ công suất tương ứng với từng tốc độ gió, so sánh các giá trị công suất thu được để tìm ra điểm công suất cực đại một cách nhanh chóng và chính xác Cụ thể, công suất cực đại được xác định là Pmax = 0, và nếu P(k) > Pmax thì P(k) sẽ được cập nhật thành Pmax, từ đó giúp dò tìm điểm công suất cực đại hiệu quả hơn.
Bảng 5.1: Bảng so sánh thuật toán P&O và Leo Đồi
Mức độ phức tạp Điểm làm việc tìm được
Dao động quanh điểm MPP
Sử dụng nhiều phép lặp; điểm làm việc dao động quanh MPP
Cho kết quả tốt tốc độ gió thay đổi, tránh được dao động quanh MPP
