Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế mô phỏng hệ thống tái tạo năng lượng gió với bộ truyền động thủy tĩnh

Trước tình hình đó, để tạo ra một nguồn năng lượng mới khả dụng có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống, cụ thể là phát triển Tuabin gió để chuyển đổi năng lượng của gió

QUAN

Tiềm năng của năng lƣợng gió ở Việt Nam

Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió Trong chương trình đánh giá năng lượng cho châu Á, Ngân hàng thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lƣợng gió khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào, Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ đƣợc đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Thái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Campuchia là 0,2%

Theo sốliệu của Ngân hàng thếgiới, tiềm năng gió của Việt Nam (ở độcao 65m) rất khả quan và ƣớc đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện đến năm 2020 Đây quả thật là ƣu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta chƣa nghĩ đến cách tận dụng Đây sẽlà nguồn năng lƣợng tiềm năng đáng kểcó thể khai thác bổ sung cho nguồnđiện lưới quốc gia, thay thếcác nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và cải thiện môi trường

Bảng 1 2: Bảng cấp gió Beaufor

* Nguồn: Ngân hàng Thế giới

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 6

Bảng 1 3: Tiềm năng gió của Đông Nam Á (ở độcao 65m)

Cấu tạo chung củaTuabin gió

Về nguyên lý thì Tuabin gió làm việc trái ngƣợc với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió nhƣ quạt điện thì ngƣợc lại Tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện Năng lƣợng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 Rotor

Mà rotor đƣợc nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát điện để tạo ra điện

Các Tuabin gió đƣợc đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lƣợng gió Ở độ cao 30m trên mặt đất thì các Tuabin gió thuận lợi hơn: đạt tốc độ ổn định và ít gặp phải các luồng gió bất thường Điện năng được tạo ra dùng để phục vụ cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện rộng hơn.Hình 1.3 chỉ ra cấu tạo chung của một Tuabin gió:

Hình 1 3:Sơ đồ cấu tạo hệ thống Tuabin gió truyền thống

* Nguồn: http://reichchemistry.wikispaces.com/Wind+Power

1 Trụ đỡ: được làm từ thép hình trụ hoặc lưới thép

3 Trục Rotor : bao gồm các cánh quạt và trục

4 Bộ hãm tốc (phanh) :dùng để dừng Rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng thủy lực hoặc bằng động cơ

5 Trục quay tốc độ thấp

1 Trụ đỡ 2 Cánh quạt gió 3 Rotor Tuabin gió 4 Bộ hãm tốc 5 Trục tốc độ thấp 6 Trục tốc độ cao 7 Yaw drive 8 Yaw motor 9 Hộp số 10 Máy phát điện 11 Cảm biến tốc độ gió 12 Chong chóng gió

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 8 6 Trục truyền động tốc độ cao

7 Yaw drive : dùng để giữ Rotor luôn luôn hướng về hướng gió khi có sự thay đổi hướng gió

8 Yaw Motor : động cơ cung cấp cho Yaw drive định hướng gió

9 Hộp bánh răng : bánh răng đƣợc nối trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30- 60 vòng/phút tới 1.200- 1.500 vòng/phút

11 Cảm biến tốc độ gió

12 Chong chóng gió: để xử lý hướng gió và kết nối đến Yaw drive để định hướng Tuabin

Các phương pháp nâng cao năng suất Tuabin gió hiện nay

Nhƣợc điểm của động cơ gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của Tuabin cũng thay đổi theo Tuy nhiên, máy phát điện gió công suất lớn đòi hỏi phải có hệ thống điều tốc tốt, đảm bảo số vòng quay của trục Tuabin nằm trong giới hạn quy định Hiện nay, thường dùng phương pháp xoay gióc pitch cánh Tuabin, điều chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh Tuabin để ổn định tốc độ quay của Rotor

Hình 1 4: Cấu tạo Tuabin gió có sử dụng động cơ bước để xoay gióc pitch

Với máy phát điện gió công suất nhỏ, việc xoay gióc pitch cánh quạt gió có thể dùng phương pháp ly tâm của khối lượng quay Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của Tuabin 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 gióc pitchcánh 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 gióc ptich cánh Tuabin tương đối đơn giản, nhưng có nhƣợc điểm là đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên tốc độ quay của Tuabin quá lớn

Một số nghiên cứu hiện nay cho thấy, động cơ bước có thể sử dụng để xoaygióc pitch cánh Tuabin cho máy phát điện gió Nguyên lý làm việc của hệ thống xoay cánh nhƣ sau: Đặt cho trục Tuabin gió một giới hạn tốc độ cho phép;

Bộ điều khiển gióc Pitch

Vỏ Tuabin gió Yaw drive

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 10 khi tốc độ gió lớn hơn quy định, trục Tuabin sẽ quay nhanh hơn, bộ phận cảm biến nhận đƣợc 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 gióc pitchcánh Tuabin một gióc để giảm bề mặt hứng gió; khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay cánh quạt quay trở lại Bằng cách này, tốc độ quay của trục Tuabin đƣợc điều chỉnh kịp thời, khoảng dao động của tốc độ quay tương đối nhỏ

Cũng sử dụng nguyên lý trên, một số Tuabin gió có tích hợp thêm cơ chế xoay hướng hứng gió, bộ phận này gọi là Yaw drive Khi gió đi ngang qua Tuabin gió, bộ phận cảm biến nhận đƣợc tín hiệu (tín hiệu này có thể là vận tốc gió, áp lực gió), chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh với thông số cài đặt ban đầu, phát tín hiệu đến Yaw drive, Yaw drive sẽ xoay Tuabin gió theo hướng tối ưu nhất

+ Ưu điểm: Sử dụng động cơ bước để xoaygióc cánh Tuabine, ổn định tốc độ quay của trục Tuabine là một phương án hiệu quả và đang được sử dụng rộng rãi Độ ổn định tốc độ quay của trục Tuabin sẽ tốt hơn so với dùng lực ly tâm Kết cấu của máy không phức tạp lắm, có thể tự chế tạo, lắp ráp

Với phương án này cho phép chúng ta thiết kế, chế tạo các máy phát điện gió sử dụng ở những vùng có tài nguyên gió, giảm việc nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài Xa hơn nữa, chúng ta có thể chế tạo các máy phát điện gió có công suất lớn, hoà vào lưới điện quốc gia, cung cấp điện năng cho sản xuất và tiêu dùng

+ Nhược điểm: Chi phí cho phương án này khá cao do phải sử dụng thêm động cơ bước trên mỗi cánh (thông thường Tuabin gió có 3 cánh) Ngoài ra, việc xây dựng hệ thống điều khiển gióc xoay rất phức tạp do tốc độ gió thay đổi thất thường (gió có dạng dòng chảy rối) và không ổn định về hướng

1.3.2 Phương pháp sử dụng máy phát điện đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu nối lưới

Một số nghiên cứu hiện nay cho thấy mô hìnhđiều khiển Tuabin gió nối lưới dùng máy phátđiện đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất khả thi và có thể áp dụng rộng rãi Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để Tuabin vận hành tốiưu với vận tốc

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 11 gió nhất định thì hệ thống Rotor phải có chức năng tựđiều chỉnh theo sự thayđổi của vận tốc và hướng gió Máy phátđiệnđồng bộ nam châm vĩnh cửu hoàn toànđápứngđƣợcđiều này, vì từ thông luôn tồn tại sẵn nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt Rotor Máy phátđiện hoạt động với tốc độ vòng quay thấp nhƣng nguồn điện năng sản xuất cao Đây là những ƣu điểm chính khi Tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Ngoài ra để điều khiển nối lưới, ta dùng 2 bộ nghịch lưu, nghịch lưu phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòađồng bộ cho máy phátđiện cũng như tách máy phátđiện ra khỏi lưới khi cần thiết, nghịch lưu phía lưới nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian

Hình 1 5: Sơ đồ cấu trúc cơ bản Tuabin gió nối lưới

+ Ƣu điểm: Chi phí thấp, tận dụng triệt để nguồn năng lƣợng gió để vận hành máy phát điện đồng bộ thông qua việc gắn thêm nam châm vĩnh cửu lên trục Tuabin gió Máy phátđiện hoạt động với tốc độ vòng quay thấp nhƣng nguồn điện năng sản xuất cao Hệ thống sử dụng 2 bộ nghịch lưu để điều khiển dòng điện ra ổn định hơn và đảm bảo hệ thống đƣợc an toàn với cơ cấu đóng ngắt tự động

+ Nhược điểm: Việc sử dụng hai bộ nghịch lưu để điều khiển dòng điện ra đã làm thất thoát và giảm mức năng lƣợng đầu ra Ngoài ra, hệ thống không có cơ chế dự trữ năng lƣợng phù hợp, điều này gây lãng phí điện năng

Lưới điện Điều khiển kết nối

1.3.3 Phương pháp điều khiển nối lưới cho Tuabin gió kết hợp với nguồn pin nhiên liệu

Ngàynaycùngvớisựpháttriểnmạnhmẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lƣợng của con người ngày càng tăng Nguồn năng lượng tái tạo nóichung,nguồnnănglƣợnggióvànguồnpin nhiênliệunóiriênglàdạngnguồnnănglƣợng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ lượng các loại năng lượng này ở nước ta rất lớn Theo số liệu của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng gió của Việt Nam (ở độ cao 65m) rất khả quan, ƣớc đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lầncôngsuấtnhàmáythủyđiệnSơnLa.Công nghệ pin nhiên liệu sử dụng để phát điện có thể đạt hiệu suất khoảng 47% so với việc dùng các nguồn nhiên liệu hóa thạch, hiệu suất đạt khoảng 35% Tuy nhiên, để khai thác, sửdụng nguồn năng lƣợng gió và nguồn điện pin nhiên liệu sao cho hiệuquả, giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia

Hệ thống điều khiển nối lưới cho Tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin nhiênliệunhằmhướngđếnpháttriểnlướiđiện thôngminhvàđiềukhiểnlinhhoạtcácnguồn năng lƣợng tái tạo

Về cấu tạo, hệ thống nối lưới cho Tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin nhiên liệu bao gồm các thành phần cơ bản, nhƣ hình 9 Hệ thống Tuabin gió qua máy phát điện cho ra điện áp (AC), qua bộ chỉnh lưu điện áp ra một chiều (DC) Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu ra vàápsuấtriêngphầncủahydro,oxyvànước của mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), Pin nhiên liệu cho ra điện áp một chiều (DC) Các điện áp một chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/AC) đưa ra điện áp (AC) nối lưới

Hình 1 6: Sơ đồ hệ thống điều khiển nối lưới cho Tuabin gió kết hợp với nguồn điện pin nhiên liệu

Với phương án điềukhiểnnốilướichotuabingiókếthợp với nguồn điện pin nhiên liệu đã phát huy được công suất phát ra Tại thời điểm đóng tải thực hiện nối lưới, dòng và điện áp cũng nhƣ công suất đầu ra đảm bảo đạt giá trị ổn định và bằng giá trị đặt Bên cạnh đó, hệ thống được nối lưới thông qua máy biến áp và đường dây tải điện nên đạt đƣợc sự ổn định cao hơn

Mục tiêu của luận văn

Về nguyên lý, Tuabin gió sẽ chuyển đổi sẽ chuyển đổinăng lƣợng của gió thành năng lƣợng cơ Năng lƣợng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước, hoặc các máy nghiền lương thực, hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lƣợng cơ thành năng lƣợng điện Đề tài này chỉ đề cập đến vấn đề chuyển đổi năng lƣợng cơ thành điện năng thông qua máy phát điện

Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng gió thành điện bao gồm hiệu suất (η1) biến đổi năng lƣợng gió thành năng lƣợng cơ và hiệu suất (η2) biến đổi năng lƣợng cơ thành điện Nhƣ vậy, để nâng cao hiệu suất của hệ thống thì 2 hiệu suất thành phần phải đƣợc nâng cao Tuy nhiên, hiện nay đa số các bài báo chỉ quan tâm đến nâng cao thành phần hiệu suất (η1) thông qua điều chỉnh tốc độ của rotor Xuất phát từ thực tiễn đó, một bộ truyền động thủy tĩnh cho Tuabin gió đƣợc đề xuất nhằm nâng cao hiệu suất (η2) máy phát điện Với bộ truyền động này Tuabin gió có thể nâng cao hiệu suất thông qua việc điều khiển tốc độ của máy phát điện một cách độc lập với tốc độ Rotor Tuabin gió và tốc độ sẽ luôn ở giá trị cài đặt hiệu quả nhất mà nhà sản xuất đƣa ra, nói cách khác máy phát điện sẽ đƣợc quay với tốc độ là hằng số

Nhƣ vậy, dù vận tốc gió có dao động lên xuống thì Rotor của máy phát điện cũng quay với vận tốc cài đặt hợp lý (theo từng loại máy phát điện), điều này đảm bảo dòng điện được tạo ra với cường độ ổn định

Bên cạnh đó, để làm cho bộ truyền động thủy tĩnh có thể cạnh tranh về mặt kinh tế, thì năng lƣợng điện sản xuất hàng năm phải đƣợc nâng lên Một cách để đạt

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 18 đƣợc điều này là tận dụng công nghệ phát triển Bơm/Motor thủy lực, đặt biệt là loại Bơm lưu lượng thay đổi của hãng Artemis Thông qua việc phát triển mô hình lưu trữ năng lƣợng tức thời có thể làm tăng năng lƣợng điện sản xuất hàng năm của một Tuabin gió thủy tĩnh Trong trường hợp này, bộ truyền động thủy tĩnh thì rất linh hoạt và có khả năng điều chỉnh năng lƣợng một cách uyển chuyển Cùng với bình tích trữ khí nén đƣợc sử dụng một cách dễ dàng thông qua bộ truyền động thủy tĩnh thì năng lượng dư thừa có thể lưu trữ và phóng thích một cách tiện lợi

Mục tiêu của luận văn là thông qua việc nghiên cứu khả năng lưu trữ năng lƣợng dƣ thừa từ Tuabin gió để phát triển một bộ truyền động thủy tĩnh có điều khiển để nâng cao năng suất Tuabin gió Toàn bộ ý tưởng thiết kế sẽ được mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink và sẽ được kiểm tra lại với phần mềm thiết kế hệ thống thủy lực AMEsim, phần mềm thương mại hóa đang được sử dụng rộng rãi hiện nay

MÔ HÌNH TUABIN GIÓ

Khí động lực học Tuabin gió và giới hạn Betz

Năng lƣợng của gió là một dạng động năng và đƣợc truyền tải đến trục rotor của Tuabin gió thông qua cánh quạt gió Theo tài liệu [56] thì:

Công suất tối đa mà Tuabin gió có thể đạt đƣợc:

P wind : là năng lƣợng hấp thu (W)

: là mật độ không khí (kg/m 3 )

A t :là diện tích mặt cắt của tuabin gió (m 2 ) v w :là vận tốc gió đi qua cánh quạt (m/s)

Cp : là hệ số công suất Tuabin gió đƣợc tính nhƣ sau:

C  b b (2 2) b: là tỉ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt v 2 và tốc độ gió đi vào cánh quạt v 1

Hình 2 1: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số hiệu suất Tuabin gió và tỷ số b

Khi b=1, v 1 =v 2 dòng chảy ổn định và dẫn đến hệ số hiệu suất của Tuabin gió C p = 0 Khi b=0, v 1 =0 thì Tuabin gió dừng quay và hiệu suất lúc này sẽ có giá trị C p =0.5 Biểu đồ cũng chỉ ra rằng, hệ số hiệu suất cực đại nằm chung quanh vị trí b=1/3 Để tìm công suất cực đại hệ số công suất ta lấy đạo hàm phương trình (2.2) theo biến b và cho đạo hàm này bằng không

Phương trình (2.4) có hai nghiệm Nghiệm thứ nhất là:

     Nghiệm này không thỏa, do vận tốc gió trước và sau khi qua cánh quạt không thể ngƣợc chiều nhau Nghiệm thứ hai là:

Nghiệm trên là thỏa mãn yêu cầu và chỉ ra rằng, khi hiệu suất đạt cực đại thì vận tốc gió trước khi qua cánh quạt v2 sẽ gấp ba lần vận tốc gió sau khi qua cánh quạt v 1

Thế phương trình (2.5) vào phương trình (2.2) ta được:

Theo kết quả trên thì giá trị lớn nhất của C p bằng 0,59% và nó đƣợc gọi là giới hạn Betz Năng lượng gió mà Tuabin gió có thể hấp thụ tỉ lệ với lập phương của vận tốc gió, do đó tốc độ gió tăng thì năng lƣợng tăng lên rất nhiều Vì vậy, giá trị năng lƣợng của tuabin thay đổi rất lớn

Ta rút ra nhận xét:

+ Nếu rotor quay quá chậm: gió sẽ dễ dàng đi qua mà không có tác động lên cánh quạt Khi đó b=1, v 1 =v 2 hệ số hiệu suất của Tuabin gió C p = 0

+ Nếu rotor quay quá nhanh: cánh quạt như bức tường chắn gió và tốc độ gió phía sau cánh quạt gần nhƣ bằng không Từ đó ta thấy hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát.

Công suất Tuabin gió

Từ công thức (2.6) ta thấy đƣợc giới hạn công suất có thể nhận đƣợc từ gió

Tuy nhiên, công thức này chƣa nêu ra đƣợc mối quan hệ giữa hiệu suất Tuabin gió với thiết kế của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng nhƣ mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát Vì vậy, trong luận văn này đã đưa thêm phương trình toán học mô tả năng suất của Tuabin gió theo tài liệu [11], phương trình này đƣợc phát triển từ các nghiên cứu gần đây và đƣợc sử dụng rộng rãi trong hầu hết các công trình nghiên cứu về Tuabin gió:

P turb (W) : công suất tối đa mà Tuabin gió có thể tạo ra ρ (kg/m 3 ) : mật độ không khí, ρ= 1,225 kg/m3 trong điều kiện ở nhiệt độ150 0 C và áp suất 101,325kPa [25]

R (m) : bán kính quạt gió tuabin v w (m/s) : tốc độ gió

C p (λ, β) : hiệu suất tuabin Dựa theo tài liệu [29], hiệu suất Tuabin gió phụ thuộc rất nhiều vào các thông số thiết kế Phương trình (2.8) mô tả các thông số của Tuabin gió có liên hệ đến hiệu suất:

Trong đó: λ : tỷ số tốc độ

Tỉ số tốc độ λ đƣợc tính theo công thức: ur w t b R v

 (2 10) β : gióc pitch (gióc hứng gió trên cánh quạt) Các hệ số C 1 đến C 6 đƣợc cho nhƣ sau:

Trong đó: ωturb (rad/s): Vận tốc gióc của Tuabin gió R (m) : bán kính rotor Tuabin gió v w (m/s) : tốc độ gió

Hình 2 2: Mối quan hệ giữa hiệu suất C p và tỷ số tốc độ λ

Hiệu suất tuabin Cp liên hệ đến tỉ số tốc độ λ và ở nhiều gióc pitch β khác nhau nhƣng hiệu suất tuabin đạt giá trị lớn nhất C p = 0.47 khi gióc pitch β= 0 với tỉ số tốc độ λ= 6.76 hình (2.3)

Hình 2 3: Mối quan hệ giữa tốc độ và công suất Tuabin gió

(Nguồn: Matlab/Simulink) Hiệu suất C p (pu)

Tốc độ Tuabin gió (pu)

Theo hình (2.3) công suất cực đại ở tốc độ gió 12m/s khi β= 0, Nhƣ vậy, ứng với mỗi tốc độ gió sẽ có một đường công suất khác nhau Tuy nhiên, công suất đưa vào Tuabin gió cần phải ổn định và cần dưới mức giới hạn an toàn Khi vận tốc gió lớn cần hạn chế công suất đưa vào tuabin – điều khiển pitch là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo ra bởi Tuabin gió bằng cách thay đổi gióc quay của cánh quạt quay quanh trục của nó Hầu hết các Tuabin gió tốc độ thay đổi đƣợc trang bị bộ điều khiển gióc pitch:

+ Khi dưới tốc độ định mức: Tuabin gió cần sản sinh ra công suất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển gióc pitch để cực đại hóa năng lƣợng nhận đƣợc

+ Khi trên tốc độ định mức: gióc pitch đƣợc điều chỉnh phù hợp để công suất cơ bằng công suất định mức Đối với Tuabin gió có trang bị hệ thống điều khiển gióc pitch, bộ điều khiển sẽ liên tục kiểm tra công suất đầu ra của Tuabin gió Khi công suất quá lớn, bộ điều khiển gióc pitch sẽ phát tín hiệu để cấu trúc cơ khí xoay gióc pitch cánh quạt nhằm hạn chế công suất và xoay cánh quạt theo chiều ngƣợc lại khi tốc độ gió giảm.

Bốn vùng hoạt động của một Tuabin gió điển hình

Chế độ vận hành của một mẫu Tuabin gió phổ biến đƣợc miêu tả nhƣ hình bên dưới:

Hình 2 4: Các vùng hoạt động của Tuabin gió

Vùng 1: trong vùng 1 năng lƣợng của gió không đủ để thắng đƣợc lực ma sát trong Tuabin gió Nếu Tuabin gió được kết nối với lưới điện thì nó sẽ hoạt động giống như một Motor lấy điện từ nguồn điện của lưới Vì vậy, khi tốc độ gió dưới mức “cut-in” thì Tuabin gió sẽ dừng hoạt động thông qua cơ cấu điều khiển gióc pitch cánh quạt gió (gióc pitch sẽ quay về gióc 90 0 hoàn toàn không hứng gió) và máy phát điện sẽ ngắt kết nối với lưới điện Khi tốc độ gió vượt qua mức “cut-in” thì Tuabin gió bắt đầu vận hành Chế độ khởi động sẽ bao gồm việc thả phanh, điều chỉnh gióc pitch cánh quạt gió từ không hứng gió đến gióc hứng gió cài đặt để Moment khí động học có thể gia tốc trục Rotor nhanh hơn và khi tốc độ trục Rotor đạt giá trị mong muốn thì máy phát điện sẽ được nối với lưới điện

Vùng 2: Khi tốc độ gió trên mức “cut-in” và máy phát điện được nối lưới, Tuabin gió vận hành ở vùng 2 Trong vùng 2 mục tiêu của Tuabin gió là phải chuyển hóa năng lƣợng cực đại từ gió hoặc tối đa hiệu suất Tuabin gió Điều này có thể đạt đƣợc thông qua việc điều tốc độ Rotor khi mà tốc độ gió biến động để đạt đƣợc hệ số tốc độ (λ) tối ƣu

Ngoài ra trong vùng 2 cũng có một số mục tiêu cần đạt đƣợc Khi gió dao động bất định sẽ sinh ra các kích thích tuần hoàn tác động lên tháp Tuabin gió và lực va đập của gió có thể gây nên chấn động cho kết cấu Điều này sẽ gây ra Moment xoắn đáng kể và tác động đến giới hạn mỏi của kết cấu Tuabin gió Một trong những mục tiêu của điều khiển Tuabin gió là phải giảm thiểu tối đa những tác hại này thông qua việc điều khiển Moment của máy phát điện hoặc điều khiển gióc pitch cánh quạt gió để giảm sốc thông qua bộ điều khiển có phản hồi [45] Hệ thống điều khiển gióc pitch cũng đƣợc nghiên cứu độc lập để xem khả năng giảm thiểu các kích thích tuần hoàn này Bộ điều khiển gióc hứng gió (yaw motor) đƣợc điều khiển để giảm tối đa sai số gióc hứng gió của Tuabin gió và nâng công suất lên cực đại Việc điều khiển gióc hứng gió cũng rất cần thiết trong việc giảm tải các dây dẫn điện kết nối máy phát điện/bộ điều khiển trong hộp Tuabin gió đến trạm biến điện trên mặt đất

Vùng 3: khi tốc độ gió trên giá trị định mức thì Tuabin gió sẽ đi vào vùng hoạt động số 3 Mục tiêu chính của Tuabin gió tại vùng số 3 này là phải giới hạng năng lƣợng chuyển hóa của Rotor về mức cài đặt thông qua bộ điều khiển gióc pitch cánh quạt gió và giới hạn tốc độ của Rotor về tốc độc định mức Năng lƣợng chuyển hóa bởi cánh quạt gió có thể giảm thông qua việc điều chỉnh gióc pitch từ 0 0 (hứng gió hoàn toàn) đến 90 0 (chế độ thất tốc – không hứng gió) Ngoài việc hạn chế năng lƣợng chuyển hóa từ gió, thì còn có một số mục tiêu quan trọng cần chú ý nhƣ giảm tối đa quá trình đột biến Moment xoắn trong bộ truyền động, giảm rung động của tháp Tuabin gió về mức thấp nhất và hạn chế độ mỏi của hộp số

Trong phần tiếp theo, sẽ tiến hành lấy mẫu Tuabin gió AOC 15/50 của hãng Atlantic Orient Canada (hiện nay là Seaforth Energy) để nghiên cứu Những số liệu thống kê đƣợc lấy từ tổ chức NREL (National Renewable Energy Laboratory) Ở đây giả định hướng gió là không thay đổi và bỏ qua phân tích bộ điều hướng hứng gió (yaw control) Những tương tác của gió đến kết cấu Tuabin gió cũng bỏ qua vì mục tiêu của luận văn là phân tích khả năng thay thế hộp số Tuabin gió bằng bộ truyền động thủy tĩnh Vì vậy, mục tiêu duy nhất ở đây là nghiên cứu khả năng chuyển hóa năng lƣợng cực đại khi Tuabin gió vận hành trong vùng 2 và khả năng đảm bảo an toàn khi tốc độ gió quá mức cho phép bằng cách sử dụng bộ điều khiển gióc pitch (Pitch controller) trong vùng 3

Vùng 4: Khi tốc độ gió trên mức “cut-out” thì Tuabin gió sẽ vào vùng 4

Trong vùng này tốc độ gió là rất cao và Tuabin gió không đƣợc thiết kế để chịu mức tải quá cao Vì vậy, để đảm bảo an toàn thì Tuabin gió phải ngắt kết nối khỏi lưới điện và trục Rotor phải đƣợc hảm lại đồng thời gióc pitch phải chuyển qua chế độ thất tốc (90 0 ) Để hiểu thêm về bộ điều khiển Tuabin gió có thể tìm hiểu trong tài liệu tham khảo: [15], [26], [39], [40], [49], [54]

Đặc tính của gió và các ảnh hưởng của nó

Dựa trên dữ liệu nghiên cứu Tuabin gió AOC 15/50của NREL (National Renewable Energy Laboratory)[38], ý tưởng thiết kế được đưa ra dựa trên những phân tích sau:

Hình 2 5: Đồ thị năng lƣợng Tuabin gió AOC 15/50[24]

Hình (2.5) miêu tả mộtdữ liệu thay đổi của gió và năng lƣợng mà Tuabin gió có thể chuyển đổi đƣợc Tốc độ gió trung bình là 11 m/s (đây là tốc độ cài đặt lý tưởng mà Tuabin gió có thể đạt được công suất đầu ra như mong muốn) và nó được mô tả bởi đường màu đỏ ở trên Năng lượng mà Tuabin gió có thể chuyển đổi khoảng 60kW ở tốc độ cài đặt này Mỗi lần tốc độ gió giao động xung quanh vị trí 11 m/s thì năng lƣợng có thể chuyển đổi cũng dao động gần vị trí 60 kW thông qua các cơ cấu điều khiển của Tuabin gió và nó được mô tả bằng đường màu đỏ trên đồ thị năng lượng Ý tưởng ở đây là tìm ra phương pháp để Tuabin gió có thể chuyển

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 28 hóa năng lượng dư thừa khi tốc độ gió lên cao hơn mức cài đặt (đường màu xanh trên đồ thị năng lượng) sau đó lưu trữ phần năng lượng dư thừa này lạivà phóng thích nó khi cần thiếtđể duy trì mức cân bằng dù tốc độ gió xuống thấp, từ đó sản xuất ra nhiều năng lƣợng hơn từ gió

Khoảng năng lượng cần lưu trữ và kích thước của bình tích áp phụ thuộc vào những biến động này theo thời gian Để hiểu rõ hơn về biến động của gió theo thời gian cần quan sát tìm hiểu kỹ đặc tính của gió

Bảng 2 1: Phân loại cấp độ gió theo tốc độ gió trung bình[7]

Tốc độ gió ở độ cao 10m Tốc độ gió ở độ cao trên 10m Tốc độ, m/giây Tốc độ, m/h Tốc độ, m/giây Tốc độ, m/h

Tốc độ gió thay đổi cả về không gian lẫn thời gian Gió toàn cầu gây ra bởi năng lƣợng mặt trời bức xạ nhiệt tạo nên sự chênh lệch áp suất trên bề mặt của trái đất Những luồng gió lớn và có quy mô sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi tốc độ gió địa phương Gió ở mỗi khu vực cụ thể (gần bề mặt của trái đất) sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các cấu trúc địa lý như sườn núi, thung lũng và các cấu trúc khác Tại bất kỳ địa điểm cụ thể,sự thay đổi tốc độ gió theo thời gian cũng là do khác nhau điều kiện khí quyển, các điều kiện địa lý và các hiệu ứng tại vùng lân cận[15], [49], [57]

Các phổ tốc độ gió ở một vị trí nhất định cho chúng ta một dấu hiệu của các loại biến thể và quy mô thời gian liên quan đến những biến động này Hình (2.6) cho thấy tốc độ gió điển hình có phổ tốc độ nhƣ thế nào:

Hình 2 6: Phổ tốc độ gió minh họa (dựa theo lý thuyết của Van Der Hoven)[24]

Phổ tốc độ gió trong hình (2.6) cho thấy bốn đỉnh riêng biệt Đỉnh cao đầu tiên từ trái qua xảy ra ở tần số của một năm (hàng năm), đợt cao điểm thứ hai mỗi bốn ngày (do áp thấp và xoáy nghịch), đỉnh cao thứ ba là biến đổi trong ngày chủ yếu là do thay đổi nhiệt độ giữa ngày và đêm và cuối cùng là khoảng thời gian của 1phút

Dao độngcủa gió khí quyển đƣợc đại diện bởi các dãi tần số Micro (xung quanh đỉnh 1 phút) là những biến đổi ngắn hạn với một khoảng thời gian khác nhau, từ 30 giây đến vài phút Một khía cạnh khác của tính toán cho thấy rằng để lưu trữ quá độ gây ra bởi ba dãi tần số đầu tiên, cần phải cóbình tích áprất lớn và chúng thì không sẵn có Nhƣ vậy, chỉ có thể sử dụng bình tích áp có cài đặt chức năng tự tắt khi quá độ hoặc sử dụng cho những dao động trong dãi tần số Micro

Dòng chảy rối là một hiện tƣợng vật lý phức tạp và nó tốt nhất đƣợc hiểu hoặc được mô tả dưới dạng phân phối thống kê Một đặc điểm nổi bật của phổ tốc độ gió (Hình 2.6) đƣợc nghiên cứu bởi một số tác giả [67], [68], là “chênh lệch phổ” phân bố vĩ mô và vi mô theo phạm vi khí tƣợng Điều này giúp chúng tathiết lập các giả định quan trọng về phân phối thống kê bản chất của gió Với một dạng dòng chảy rối đƣợc mô tả nhƣ ở trên, tốc độ gió trung bình có thể đƣợc coi là gần nhƣ không đổi, nếu khoảng thời gian lựa chọn nằmtrong khoảng dao động của một dạng phổ

Các quá trình ngẫu nhiên với giá trị trung bình khác nhau rất chậm có thể vẫn đƣợc

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 30 coi là một quá trình ổn định [18] Ví dụ, mô hình gió trong một giờ có thể đƣợc coi là một quá trình cố định với giá trị trung bình đƣợc xác định bởi hàng năm, theo mùa hoặcbiến đổi trong ngày, Nhƣ vậy, biến động ngẫu nhiên của gió trong khoảng thời gian ngắn hạn sẽ có trị trung bình nhất định Với những đặc tính đó, mô hình gió rối loạn có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau: u u u (2 11)

Có thể đƣợc coi là một biến ngẫu nhiên có phân bố Gauss với một trị trung bình là zero và độ lệch chuẩn đƣợc định nghĩa bởi [15]:

Trong đó I là cường độ nhiễu loạn (theo%) tại một địa điểm cụ thể Phương trình trên chỉ có ích nếu khoảng cách phổ trong dãy dao động là khác biệt Các nghiên cứu gần đây có kết luận rằng khoảng cách phổ này không phải là luôn luôn khác biệt [67], [68] Trong một số trường hợp [10] không thể quan sát hết tất cả khoảng cách phổ Nhƣng để đƣa ra một số kết luận kỹ thuật, nó đƣợc giả định rằng có một khoảng cách phổ riêng biệt trong phổ gió Một số học thuyết đã gợi ý rằng trong một khoảng thời gian 20 phút là xấp xỉ tốt nhất cho mô hình dòng chảy rối phức tạp của gió.

Mô hình chảy rối của gió

Tập dữ liệu mô tả dòng chảy rối theo thời gian là rất cần thiết để tính toán các tác động bất ổn trong đường cong năng lượng của một Tuabin gió và để kiểm tra hoạt động của hệ thống dự trữ năng lƣợng Có hai cách tạo ra các thông số đầu vào của gió: sử dụng dữ liệu thực của gió được đo lường một cách cẩn thận từ trước hoặc mô phỏng mô hình của gió Mặc dù sử dụng dữ liệu chuỗi thời gian thực tế có vẻ hấp dẫn, Tuy nhiên, có một số vấn đề với việc sử dụng dữ liệu đó Phổ của gió ở nơi đặc biệt có thể không đƣợc biết đến và thậm chí nếu nó đƣợc biết nó có thể không có khoảng cách phổ mà chúng ta đã giả định để phân tích Ngoài ra các trang web phổ biến cung cấp thông tin có thể không phù hợp cho tất cả các mẫu gió Hơn nữa vấn đề thực sự rất khó khăn để tìm thấy dữ liệu với giá trị trung bình và cường

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 31 độ nhiễu mong muốn Do những khó khăn đó đã dẫn đến quyết định sử dụng các mô hình gió giả lập tương tự vì nó đưa ra cáctần suất lập lại của các giả địnhmà có thể đƣợc tái lập bởi các nhà nghiên cứu khác

Gió nhƣ đƣợc mô tả trong phần (2.2) có thể đƣợc biểu diễn nhƣ là một tổng của hai thành phần, trị trung bình và giá trị biến động nhƣ đã định nghĩa trong phương trình (2.12) Trong luận văn này sẽ sử dụng một chuỗi giá trị dao động với tần số ngẫu nhiên để mô tả biến động của gió

Dựa theo tài liệu nghiên cứu [32] thì cường độ dao động của gió theo tiêu chuẩn IEC đã được sử dụng để mô phỏng tốc độ gió thay đổi Và cường độ dao động này tính theo công thức nhƣ sau:

Với I 15 (đại điện cho Tuabin gió loại A) và a=2 (ứng với tốc độ gió dao động mạnh).Hình (2.5) chỉ ra mô hình gió trong khoảng 250 giây của dòng chảy rối xung quanh tốc độ trung bình là 11m/s và mô hình này sẽ đƣợc dùng để phân tích khả năng lưu trữ năng lượng của bộ truyền thủy tĩnh.

Ảnh hưởng của dòng chảy rối đối với khả năng chuyển đổi năng lượng của

Năng lƣợng chuyển đổi bởi một Tuabin gió đƣợc đo theo sản lƣợng hàng năm

(AEP – Annual Energy Production) Sản lượng này được tính từ các đường cong năng lượng của Tuabin gió Ảnh hưởng của dòng chảy rối sẽ được nghiên cứu thông qua các đường cong năng lượng và sản lượng hàng năm Kết quả thực sự chỉ ra rằng năng lƣợng đƣợc sản xuất bởi một Tuabin gió do điều kiện chảy rối là hơn hẳn gió ở trạng thái ổn định với giá trị trung bình nhƣ nhau, nếu các biến động rối loạn không vƣợt quá tốc độ gió định mức Nhƣng nếu các biến động rối loạn vƣợt qua tốc độ gió định mức thì có nghĩa là năng lƣợng do gió hỗn loạn thực sự là ít hơn so với gió ổn định Hiện tƣợng này đƣợc minh họa trong hai phần tiếp theo

2.6.1 Quá trình gia tăng năng lƣợng do điều kiện gió bất định tại vùng 2

Khi Tuabin gió hoạt động dưới định mức, Vùng 2 (khai thác tối đa năng lượng gió) thì năng lƣợng chuyển hóa bới Tuabin gió trong điều kiện gió bất định sẽ lớn hơn năng lƣợng chuyển hóa trong điều kiện gió ổn định Điều này đƣợc chứng minh nhƣ sau:

Công suất tối đa mà Tuabin gió có thể chuyển hóa đƣợc:

2 k   A, từ phương trình (2.12) và (2.15) ta có:

Với ulà một giá trị ngẫu nhiên, từ đây ta có thể ƣớc lƣợng năng lƣợng gió nhƣ sau:

Giá trị trung bình ( )E u và đại lƣợng E u( 3 ) sẽ trở về giá trị zero theo định nghĩa (hàm phân phối trung bình có trị trung bình là zero)

Trong khi đó, E u( 2 ) 2 và từ phương trình (2.13) ta có: E u( 2 )uI

Phương trình (2.17) có thể viết lại như sau:

Giả định độ biến động là 20% thì (I=0.2), E P( )1.12ku 3 Điều này có nghĩa, trị trung bình của năng lƣợng gió tăng lên 12% so với năng lƣợng gió đƣợc tạo ra từ điều kiện gió ổn định Nhƣ vậy, năng lƣợng gió trung bình đƣợc chuyển hóa sẽ tăng khi gió dao động

2.6.2 Quá trình suy giảm năng lƣợng do điều kiện gió bất định trong suốt quá trình chuyển đổi từ vùng 2 đến vùng 3

Một Tuabin gió tốc độ thay đổi sẽ bị hạn chế khả năng chuyển hóa năng lƣợng khi tốc độ Tuabin gió vƣợt quá giá trị định mức thông qua cơ cấu xoay gióc pitch trên cánh quạt gió khi gió đi vào vùng 3 (hoặc cao hơn định mức) Nếu một dòng chảy rối trong khi dao động về một giá trị trung bình đi qua tốc độ định mức, năng lƣợng chuyển hóa sẽ đƣợc đƣa về định mức mỗi khi tốc độ gió đi vào giá trị định mức Vì vậy, năng lượng chuyển hóa trong trường hợp này sẽ thấp hơn năng lượng chuyển hóa được ước lượng ở phương trình (2.18) Hiện tượng này đã được chứng minh bằng cách mô phỏng và đƣợc minh họa trong hình (2.7) Năng lƣợng chuyển hóa không phải là một hàm liên tục của tốc độ gió và do đó, một phân tích sâu nhƣ trong các phần trước là không khả thi Vì vậy, luận văn đã sử dụng mô phỏng để phân tích sản lƣợng điện năng trung bình Hình (2.7) cho thấy cứ mỗi 20 phút gió dao động với điểm trung bình là 11 m/s (tốc độ gió định mức) và cường độ dao động là 17,5% Cũng thể hiện trong hình (2.7) là các năng lƣợng của Rotor với mức công suấtđược đánh dấubởi các đường màu đỏ và mức công suất trung bình thể hiện bằng đường màu xanh lá cây Các giá trị dao động nằm trên công suất định mức là vì phản ứng chậm chạp của hệ thống điều khiển gióc pitch không thể ngay lập tức đƣa công suất về định mức khi tốc độ gió vƣợt quá ngƣỡng cài đặt

Hình 2 7: Sự tụt giảm năng lƣợng khi tốc độ gió bất định[24]

Công suất trung bình (56.37kWH) đƣợc chuyển hóa bởi các tuabin mà không lưu trữ trong khoảng thời gian 1200s là thấp hơn so với công suất định mức 65.55kw là 14% được hiện bằng đường màu xanh lá cây Như vậy, mặc dù tốc độ gió trung bình tại thời điểm đánh giá là 11 m/s và Tuabin gió nên sản xuất mức công suất trung bình là 65.55kW, nhƣng do nhiễu loạn, công suất trung bình thực tế thấp hơn so với định mức

2.6.3 Đường cong năng lượng gió dưới sự ảnh hưởng của dòng chảy rối Để đánh giá sự hiệu quả của các hệ thống tích trữ năng lƣợng khác nhau, thì cần có một mô hình gió tiêu chuẩn có thể sử dụng để tiến hành thí nghiệm Tuy nhiên, mô hình gió tiêu chuẩn thì không tồn tại Chính vì vậy, sự tiện ích của bình tích áp chỉ đƣợc chứng minh thông qua số liệu sản lƣợng điện năng hàng năm

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 35 (AEP- Annual Energy Production), hay nói chính xác hơn chúng ta cần có số liệu về khả năng chuyển hóa năng lƣợng gió của Tuabin Đồ thị sản lƣợng điện năng Tuabin gió là một đường cong biến thiên theo vận tốc gió Thông thường đường cong năng lƣợng này đƣợc tính toán dựa theo thí nghiệm của các nhà nghiên cứu [15], [49] Trong trường hợp không có dữ liệu chứng minh đường cong năng lượng này, các nhà nghiên cứu đã tiến hành mô phỏngsự thất thoát của năng lƣợng gió chuyển hóa từ Tuabin gió thông qua mô hình tốc độ gió ổn định [12] Để quan sát sự ảnh hưởng của dòng chảy rối lên đường cong năng lượng Tuabin gió, chúng ta cần có một mô hình dòng chảy rối với giá trị trung bình tương ứng với tốc độ của gió ổn định từ đó mà tiến hành so sánh đánh giá Điều này sẽ cho phép ta quan sát được sự khác nhau của đường cong năng lượng Tuabin gió giữa tốc độ gió thay đổi và tốc độ gió ổn định Do tính ngẫu nhiên của một cơn gió nên việc quan sát thí nghiệm từ một mô hình gió là không đủ thuyết phục Điều này cũng dễ hiểu khi mà gió là một dòng chảy rối liên tục thay đổi với những giá trị ngẫu nhiên và nó cũng có dạng phân phối xác suất Nhƣ vậy, để tăng tính thuyết phục chúng ta cần một giá trị kỳ vọng (trung bình theo tập hợp) của năng lƣợng gió trung bình Giá trị kỳ vọng này có thể đƣợc ƣớc lƣợng nếu chúng ta có một số lƣợng lớn giá trị trung bình năng lƣợng gió từ nhiều mô hình gió khác nhau có tần số dao động tương tự nhau, bao gồm gió bất định và gió ổn định Dựa theo tài liệu nghiên cứu [38], có mười tập hợp mô hình gió với trị trung bình khác nhau được tiến hành nghiên cứu

Mỗi một trị trung bình tốc độ gió u sẽ vẽ nên một đồ thị năng lƣợng gió riêng biệt có dạng tương tự hình (2.7), các mô hình gió này có trị trung bình gần bằng nhau và cùng tần số dao động Mỗi mô hình gió thứ i, sẽ tạo ra một trị trung bình năng lƣợng gió P me n i a nhƣ sau:

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 36 Giá trị trung bình của tập hợp P avg ( )u tương ứng với trị trung bình của từng tập tập hợp tốc độ của gió u và đƣợc tính nhƣ sau:

Sự so sánh năng lƣợng Tuabin gió giữa tốc độ gió ổn định và tốc độ gió thay đổi (trung bình của tập hợp) đƣợc miêu tả trong đồ thị hình (2.8) Chúng ta có thể thấy rằng, giá trị trung bình năng lƣợng Tuabin gió có tốc độ gió thay đổi lớn hơn tốc độ gió ổn định cho đến khi giá trị trung bình đạt ngƣỡng 9 m/s Vƣợt qua ngưỡng này đường cong năng lượng Tuabin gió có tốc độ gió ổn định bắt đầu nằm trên đường năng lượng có tốc độ gió thay đổi Kết quả tương tự cũng được chứng minh bởi Wagner cùng các đồng nghiệp [69]

Hình 2 8: Ảnh hưởng của tốc độ gió thay đổi[24]

Kết quả này mở ra một hướng mới trong việc lưu trữ năng lượng ngắn hạn được miêu tả trong phần tiếp theo Đường năng lượng gió trung bình được biểu diễn bởi đường màu xanh ở hình (2.8) có thể gia tăng thông qua việc tích trữ năng lượng

Vì vậy, việc tích trữ và tái sử dụng năng lƣợng trong điều kiện gió luôn thay đổi có thể giảm tổn thất năng lƣợng nhƣ hình (2.8)

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG

Mô hình toán học bộ truyền động cơ khí

Hình 3 2: Bộ truyền động cơ khí Tuabin gió [13]

Mô hình động lực học của bộ truyền động cơ khí dựa trên ba phần tải trọng chính của các trục truyền động ở hai đầu Tuabin gió và Bơm thủy lực Phần tải trọng lớn nhất chính là tải trọng động của Rotor, một phần tải trọng khác là của các bánh răng hộp số và cuối cùng là tải trọng động của Bơm Tuy nhiên, moment quán tính của trục và bánh răng hộp số thì đƣợc bỏ qua vì nó quá nhỏ so với moment quán tính của Tuabin gió và của Bơm thủy lực Vì thế, để giảm việc tính toán cho mô hình truyền động cơ khí bằng cách chuyển về mô hình với hai phần tải trọng chính, hệ thống truyền động cơ khí được bổ sung thêm sự ảnh hưởng của hệ số độ cứng trục và hệ số giảm chấn trên trục Rotor Tuabin gió như hình (3.2) Phương pháp này đã đƣợc sử dụng trong công trình nghiên cứu của tác giả Hasen và đội ngũ vào năm 2004 với bài báo: “Dynamic wind turbine models in power system simulation tool DIgSILENT”

Moment quay sinh ra trên trục rotor tuabin có phương trình:

HVTH: ĐOÀN MINH DUY Trang 39 Phương trình cân bằng động lượng trên trục tốc độ thấp:

Phương trình cân bằng động lượng trên trục tốc độ nhanh:

Và Moment cản trên trục: shaft K s B

K s (Nm/rad) : Độ cứng trục Rotor Tuabin gió B (Nm/s) : Hệ số giảm chấn trục Rotor n gear : Tỷ số truyền của hộp số ur

J t b (kg.m 2 ) : Moment quán tính trục Rotor

J p (kg.m 2 ) : Moment quán tính trục Bơm

 turb (rad) : Gióc xoay tương đối trên trục tốc độ thấp

 p (rad) : Gióc xoay tương đối trên trục tốc độ cao

 turb (rad/s) : Gia tốc gióc trục tốc độ thấp

 p (rad/s) : Gia tốc gióc trục tốc độ cao

Mô hình toán họcBơm thủy lực

Bơm thủy lực có nhiệm vụ chuyển động năng của trục Tuabin gió thành năng lƣợng chất lỏng Nhƣ vậy, khi xem xét mô hình toán cho Bơm thủy lực cần chú ý đến động lực học trên trục rotor của Bơm và các phương trình chuyển đổi năng lƣợng

Phương trình cân bằng động lực học có dạng như sau:

 turb (N.m) : moment trên trục Rotor Tuabin gió

J p (kg.m 2 ) : moment quán tính trục Bơm

 p (rad/s) : vận tốc gióc của Bơm p p d

R p (Nm/rev) : hệ số nhớt trục Bơm (tổn thất) n p (rpm) : số vòng quay/phút trục Bơm

D p (m 3 /rev) : lưu lượng riêng của Bơm

P p (Pa) : áp suất trong bơm (P p P out _ pump P in _ pump )

 p : hệ số mở của Bơm (0