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
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
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.
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, …);
+ 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.