Mô hình Turbine gió hoạt động theo đặc tuyến trong Matlab/simulink, Mô hình năy kết nối mây phât cảm ứng 480v, 275kw; mang phụ tải 50kw vă tải thay đổi từ 0 đến 446,25kw như hình 4.7. Ở tốc độ thấp cả hai mây phât cảm ứng vă mây phât diesel được yíu cầu cung cấp cho tải. Khi công suất mây phât turbine gió đủ cung cấp tải thì ngắt mây phât diesel, mây phât điện được sử dụng như mây bù đồng bộ để điều khiển điện âp lưới ở giâ trị định mức. Tải thứ hai dùng để ổn định tần số hệ thống khi công suất gió vượt mức yíu cầu phụ tải.
Kết quả mô phỏng
Khối turbine gió dùng bảng tra cứu để tính toân moment gió ngõ ra (Tm) lă hăm tốc độ gió vă tốc độ turbine.
Khối tải thứ hai bao gồm 8 bộ điện trở 3 pha mắc nối tiếp với chuyển mạch dùng GTO thyristor. Công suất định mức của mỗi bộ được gân theo câc trọng số của số nhị phđn 8 bit điều khiển GTO để tải có thể thay đổi từ 0 đến 446.25kw, mỗi bước lă 1.75kw. GTO thyristor được minh họa dưới dạng công tắc.
Theo mô hình, tốc độ gió 10m/s thì đủ cung cấp cho tải, mây phât diesel ngưng hoạt động vă mây phât đồng bộ đóng vai trò mây bù đồng bộ với công suất cơ đầu văo Pm bằng 0. Dạng sóng mô phỏng điện âp, dòng điện, công suất turbine, công suất tâc dụng, công suất phản khâng, tốc độ vă tần số hệ thống được minh họa hình 4.8 vă hình 4.9.
Kết quả mô phỏng
Khi tốc độ gió hoạt động dưới giâ trị định mức v=8m/s, thì dạng sóng điện âp, dòng điện , tần số vă công suất được minh họa hình 4.10 vă hình 4.11.
Hình 4.9 Công suất turbine,công suất tâc dụng vă phản khâng khi v=10m/s
Kết quả mô phỏng
Khi tốc độ gió hoạt động trín giâ trị định mức v=12m/s, thì dạng sóng điện âp, dòng điện , tần số vă công suất được minh họa hình 4.12 vă hình 4.13.
Hình 4.12 Dạng sóng điện âp, dòng điện, tần số, tốc độ khi v=12m/s Hình 4.11 Dạng sóng công suất tâc dụng vă phản khâng khi v=8m/s
Kết quả mô phỏng
4.1.4 Mô phỏng kết nối 2 mây phât điện Turbine gió
Mô hình kết nối 2 mây phât turbine gió được minh họa như hình 4.14. Vì câc turbine gió đặt gần nhau trong một vùng nín ta không quan tđm đến sự khâc nhau về tốc độ giữa câc turbine gió.
Khi có hai mây phât phât turbine gió kết hợp thì tần số của hệ thống sẽ ổn định ở giâ trị tốc độ gió thấp hơn, điều năy có lợi cho việc ổn định tần số của hệ thống của nhă mây điện. Dạng sóng điện âp, dòng điện , tần số khi tốc độ gió v=7m/s được minh họa hình 4.15. Ở tốc độ năy tần số của hệ thống dao động nhiều hơn so với 1 mây phât, thời gian để bộ điều khiển kĩo tần số hệ thống về giâ trị định mức lă 3s.
Kết quả mô phỏng
4.1.5 Mô phỏng mây phât điện turbine gió kết nối với lưới điện
Mô hình mô tả hệ thống mây phât turbine gió 9MW bao gồm 6 turbine gió 1.5MW kết nối với hệ thống phđn phối 25KV để cung cấp điện âp lưới 120KV thông qua đường dđy dăi 30m điện âp 25KV. Hệ thống năy kết nối nguồn điện có công suất 2500MVA vă mây phât điện 2MVA. Câc nguồn điện liín kết nhau qua mây biến âp, hệ thống cung cấp tải có công suất 500KW.
Từ sơ đồ đơn tuyến hình 4.16, ta mô hình hoâ bằng câc khối trong sim power system ta được sơ đồ mô phỏng như hình 4.17. Rotor đang chạy dưới tốc độ đồng bộ nếu tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ định mức 10m/s, vă chạy trín tốc độ đồng bộ nếu tốc độ gió cao hơn 10m/s, phạm vi thay đổi tốc độ gió từ 5m/s đến 16m/s. Đâp ứng của turbine gió đến sự thay đổi tốc độ gió với tốc độ ban đầu căi
Hình 4.16 Mô hình mây phât cảm ứng hai chiều
Hình 4.15 Dạng sóng điện âp, dòng điện, tần số, tốc độ của 2mây phât khi v=7m/s
Kết quả mô phỏng
Hình 4.17 Mô hình 6 mây phât cảm ứng kết nối với hệ thống điện
Phđn tích kết quả mô phỏng
4.2 PHĐN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.2.1 Phđn tích khởi động turbine gió có tốc độ không đổi
Khởi động trực tiếp cho mây điện cảm ứng lồng sóc soft-starter, mây điện cảm ứng có công suất định mức 2MW, Sơ đồ tương đương trình băy như hình 4.1.
Sơ đồ năy được mô hình hóa dùng câc khối trong “ Wind Turbine Blockset” dùng câc khối như Soft-starter, Driver Train, Squirrel Cage Induction Machine, được minh họa hình 4.2. Mây điện cảm ứng kết nối với soft-starter để cung cấp điện âp dưới tốc độ đồng bộ, góc khởi động của bộ soft-starter lă 1200.
Để đânh giâ hệ thống trong suốt quâ trình khởi động, moment điện từ vă tốc độ được so sânh với trường hợp khởi động trực tiếp vă khởi động soft-starter.
Khi mây điện cảm ứng kết nối trực tiếp với lưới điện thì giâ trị moment khởi động lớn được lưu lại như sóng hăi bậc cao, vă sự dao động trục quay cũng biến đổi liín tục, vă chỉ ổn định sau thời gian khởi động, điều năy minh họa hình 4.19a.
Khi mây điện cảm ứng kết nối thông qua bộ soft-starter thì dạng sóng moment được giới hạn, không ảnh hưởng bởi sóng hăi. Dạng sóng tốc độ quay thì bằng phẳng hơn vă không có sự dao động mạnh như khởi động trực tiếp, điều năy minh họa hình 4.19b.
Để lăm rõ răng hơn câc chế độ họat động khâc nhau của bộ soft-starter trong quâ trình khởi động theo điện âp pha vă sự đâp ứng dòng điện dđy với góc kích khâc nhau thể hiện hình 4.4. Quan sât dạng sóng khi góc kích α lớn hơn góc giới hạn thì dòng điện dđy lă không liín tục, không hình sin, tín hiệu xung dạng xoay chiều. Dạng sóng dòng điện chế độ 3 tốt hơn so với chế độ 1.
Hình 4.19: Dạng sóng moment điện từ vă tốc độ quay a) khởi động trực tiếp b) khởi động soft-starter
Phđn tích kết quả mô phỏng
4.2.2 Phđn tích turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi của động cơ cảm ứng
Dùng những khối từ “Wind Turbine Blockset” để điều khiển công suất
phản khâng vă công suất tâc dụng của động cơ cảm ứng hai chiều turbine gió công suất 2MW, sơ đồ mô phỏng được trình băy như hình 4.5.
Hình 4.20 Đường đặc tính điều khiển tối ưu góc pitch vă hệ số tốc độ đầu mút
Phđn tích kết quả mô phỏng
Khối điều khiển tối ưu được liín quan góc pitch vă công suất, đặc tính điều khiển tối ưu trong phạm vi góc pitch β, hệ số tốc độ đầu mút λ hệ số công suất Cp vă công suất P tối ưu. Đường đặc tính được minh họa hình 4.20 vă hình 4.21.
Có 3 chế độ hoạt động trong đặc tính điều khiển tối ưu lă:
Chế độ 1: lă đường đặc tính đâp ứng giâ trị tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ định mức. Để hiệu suất đạt kết quả tốt nhất thì hệ số tốc độ đầu mút vă góc pitch được giữ cố định, đđy lă giâ trị giới hạn dưới để đâp ứng cho hệ thống. Hệ số công suất Cp đạt giâ trị lớn nhất trong trường hợp năy, tức lă phải thiết kế để hệ thống đâp ứng ở tốc độ gió thấp.
Chế độ 2: lă đường đặc tính đâp ứng giâ trị tốc độ gió vă công suất lớn hơn giâ trị định mức. Tuy nhiín, giâ trị công suất thấp hơn công suất định mức, góc β vẫn giữ ở giâ trị 0 để tối ưu khả năng nhận gió của turbine, trong khi đó hệ số tốc độ đầu mút giảm dần. Trong chế độ năy turbine được giữ cho tốc độ không đổi ở giâ trị định mức.
Chế độ 3: lă đường đặc tính đâp ứng giâ trị tốc độ gió lớn hơn tốc độ định mức. Ở đđy tốc độ gió được duy trì, công suất phât được giới hạn có giâ trị tối đa nhờ văo sự thay đổi của góc pitch.
Kết quả mô phỏng công suất tâc dụng vă phản khâng trong cả hai mạch stator vă rotor khi tốc độ gió thay đổi được mô minh họa hình 4.6. Tốc độ trung bình của gió lă 10m/s, bộ điều khiển PI điều khiển dòng rotor. Tốc độ đồng bộ của mây điện được xem xĩt ở tốc độ định mức, trong khi công suất định mức của mây điện được tính dựa văo công suất phản khâng vă công suất tâc dụng.
Quan sât hình ta thấy công suất được giới hạn ở giâ trị định mức trong khi tốc độ gió thấp hơn giâ trị định mức. Giâ trị so lệch của công suất phản khâng đo được vă tham khảo luôn bằng 0 trong suốt quâ trình mô phỏng. Ở đđy tốc độ gió được lấy mẫu lă 0.05s, giải thuật điều khiển lă dựa văo giâ trị so lệch của công suất tâc dụng tham chuẩn vă giâ trị đo được.
Đề xuất: Trong hệ thống thực do vấn đề đâp ứng phức tạp nín tốc độ gió đòi hỏi thời gian lấy mẫu lớn hơn, vă tính toân tốc độ gió trung bình trong thới gian một phút, như vậy đâp ứng ngõ ra sẽ theo chu kỳ 1 phút tương ứng. Để có được giâ trị tốc độ gió tham chuẩn bằng phẳng hơn, đâp ứng công suất ngõ ra thay đổi nhanh hơn thì cần phải loại bỏ khối đo trung bình tốc độ gió vă nghiín cứu thực hiện mô hình động với phương phâp điều khiển vòng theo tín hiệu tức thời bằng câc phương phâp điều khiển thông minh.
Phđn tích kết quả mô phỏng
4.2.3 Phđn tích ổn định tần số mây phât điện kết nối turbine gió
Mô hình Turbine gió hoạt động theo đặc tuyến trong Matlab/simulink, Mô hình năy kết nối mây phât cảm ứng 480v, 275kw; mang phụ tải 50kw vă tải thay đổi từ 0 đến 446,25kw như hình 4.7.
Dạng sóng điện âp, dòng điện, công suất, tốc độ vă tần số hệ thống được minh họa hình 4.8. Khối turbine gió dùng bảng tra cứu để tính toân công suất ngõ ra lă hăm tốc độ gió vă tốc độ turbine hình 4.23.
Theo đặc tính tốc độ gió 10m/s, công suất ngõ ra lă 0.75pu(206kw). Turbine gió cung cấp 200kw, trong khi tải chính lă 50kw, tải thứ hai tiíu thụ 150kw để đảm bảo tần số cố định 60Hz. Tại thời điểm t = 0.2s ta thím tải 25kw, khi đó tần số giảm còn 59.8Hz vă bộ ổn định tần số thực hiện điều chỉnh để tần số trở lại 60Hz.
Ổn định tần số dùng phương phâp vòng khoâ pha(Phase Locked Loop –
PLL) để đo tần số hệ thống. Giâ trị tần số đo được so sânh với tần số chuẩn, kết quả lưu trong khối sai lệch. Sự sai lệch năy được tích hợp để chứa trong khối sai pha. Khối sai pha được điều khiển bộ PD để tạo tín hiệu ngõ ra. Tín hiệu tương tự năy được chuyển đổi 8 bit số nhị phđn điều khiển 8 chuyển mạch của tải thứ hai. Điều năy được minh họa bằng hình 4.24 vă hình 4.25.
Hình 4.23 Đâp ứng công suất ngõ ra theo tốc độ gió vă tốc độ turbine
Phđn tích kết quả mô phỏng
Khi tốc độ gió lă 8m/s thấp hơn tốc độ định mức lăm cho tốc độ turbine giảm, dẫn đến tốc độ quay của rotor giảm. Tốc độ rotor tỉ lệ thuận với tần số nín tần số cũng sẽ giảm tương ứng, kết quả mô phỏng hình 4.10 tần số giảm có giâ trị bằng 59Hz, sau đó bộ điều chỉnh tần số hoạt động để đưa tần số trở lại về giâ trị định mức sau khoảng thời gian lă 1.5s.
Ngược lại khi tăng tốc độ gió lă 12m/s cao hơn tốc độ định mức thì tần số cũng tăng tương ứng, kết quả mô phỏng hình 4.12 tần số tăng lín có giâ trị 60.4Hz, sau khoảng thời gian 1.2s được điều chỉnh về tần số định mức.
Hình 4.24 Hệ thống điều chỉnh tần số hệ thống
Phđn tích kết quả mô phỏng
Trong phạm vi mô phỏng của mô hình, giới hạn tốc độ thấp lă 6m/s thì hệ thống điều khiển tần số sẽ không đâp ứng được, tức lă ở tốc độ năy tần số dao động không tiến về giâ trị định mức.
4.2.4 Phđn tích kết hợp 2 mây phât điện Turbine gió
Mô hình kết nối 2 mây phât turbine gió được minh họa như hình 4.14, dạng sóng điện âp, dòng điện, tần số vă tốc độ minh họa hình 4.15. Vì câc turbine gió đặt gần nhau trong một vùng nín ta không quan tđm đến sự khâc nhau về tốc độ giữa câc turbine gió.
Khi kết nối 2 mây phât turbine gió với cùng một công suất tải thì dạng sóng tốc độ turbine vă tần số sẽ dao động hơn so với 1 mây phât turbine gió. Tuy nhiín, Khi có hai mây phât phât turbine gió kết hợp thì tần số của hệ thống sẽ ổn định ở tốc độ gió thấp hơn v=7m/s, điều năy có lợi cho việc ổn định tần số của hệ thống của nhă mây điện, vă nđng cao chất lượng điện năng ở tốc độ thấp, thời gian để bộ điều khiển kĩo tần số hệ thống về giâ trị định mức lă 3s.
4.2.5 Phđn tích đâp ứng Turbine gió với sự thay đổi tốc độ
Từ sơ đồ đơn tuyến hình 4.16, ta mô hình hoâ bằng câc khối trong sim power system ta được sơ đồ mô phỏng như hình 4.17. Rotor đang chạy dưới tốc độ đồng bộ nếu tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ định mức 10m/s, vă chạy trín tốc độ đồng bộ nếu tốc độ gió cao hơn 10m/s, phạm vi thay đổi tốc độ gió từ 5m/s đến 16m/s. dạng sóng minh họa hình 4.18.
Quan sât đâp ứng turbine với sự thay đổi tốc độ gió, đầu tiín căi đặt tốc độ gió lă 8m/s sau đó tăng đột ngột lín 14m/s. Tại thời điểm t=5s, công suất tâc dụng của mây phât bắt đầu tăng dần lín giâ trị định mức 9MW.
4.2.6 Một số đề xuất
Như đê phđn tích, đânh giâ sự cần thiết sử dụng nhă mây phât điện turbine gió để bổ sung văo nguồn năng lượng điện năng thiếu hiện nay. Một trong những lý do khiến câc nước trong đó có Việt Nam chưa mạnh dạn đầu tư lă vì:
Thứ nhất do chi phí đầu tư xđy dựng nhă mây lớn, giâ thănh điện năng tính cho 1Kwh cao hơn câc nhă mây dùng nguồn năng lượng khâc. Tuy nhiín, điều năy sẽ được khắc phục trong tương lai, theo dự bâo văo khoảng năm 2010 chi phí lă 3.0cent/kwh, năm 2020 lă 2.5cent/kwh, đổi ra ta được chi phí điện năng trín một kwh được tính như công thức. Với chi phí năy ở Việt Nam lă chấp nhận được nín việc xđy dựng nhă mây điện turbine gió trong tương lai mang tính khả thi.
Phđn tích kết quả mô phỏng Năm 2010: *15.800 474 100 0 . 3 1 * 100 0 . 3 USD ( VNĐ/Kwh). Năm 2020: *15.800 395 100 5 . 2 1 * 100 5 . 2 USD ( VNĐ/Kwh).
Thứ hai lă công suất phât của nhă mây điện turbine gió tương đối thấp. Tuy nhiín, việc năy đê được cải thiện bằng công nghệ mới cho phĩp mây phât của mỗi turbine lớn hơn 2MW, hiện nay một số nhă chế tạo đê cho ra đời những turbine công suất khoảng 5MW. Một nhă mây điện có hơn 100 turbine tức lă có công suất văi trăm MW tương đương với một nhă mây thủy điện cỡ trung bình ở nước ta. Vì nước ta có tốc độ gió không cao như câc nước Đức, Đan Mạch, Hă Lan, . . . nín để nđng cao hiệu quả vă mây phât có công suất lớn thì phần truyền động nín thiết kế theo mô hình hình 4.26. Ở đđy cânh turbine phải có đường