PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ
2.3.2 Phân hệ cơ
Tuabin gió trục ngang là một phân hệ cơ khí phức tạp và gồm nhiều thiết bị tác động tương hỗ với các mức độ đàn hồi khác nhau. Như bất kỳ một kết cấu đàn hồi nào, một tuabin gió có nhiều chế độ dao động như được mô tả ở trên hình 2.10. Việc thiết kế tuabin và bộ điều khiển cho chúng cần phải được thực hiện một cách cẩn thận. Nếu không như vậy thì các nhiễu loạn có chu kỳ trộn lẫn vào trong các dữ liệu trích mẫu tốc độ quay hay với một giải pháp điều khiển không phù hợp sẽ làm gia tăng một số chế độ dao động, mà kết quả là làm rút ngắn tuổi thọ hoặc làm hỏng hóc các thiết bị.
Hình 2.10: Các dạng dao động của tuabin gió trục ngang
Đối với việc mô hình hóa WECS, thì bộ phận có nhiều rắc rối nhất đó chính là phân hệ cơ. Tính phức tạp xuất phát từ sự tương tác lẫn nhau của hai
kết cấu đàn hồi: bộ truyền động và trụ móng. Mỗi kết cấu được gắn với một khung tham chiếu mà chúng quay tương đối so với nhau. Sự tương tác này dẫn đến các mô hình phi tuyến bậc cao. Ngoài ra, sự phức tạp còn là do các lực tác dụng đến các kết cấu này đều xuất phát từ trường gió 3 chiều.
Có nhiều công cụ tính toán khác nhau được thiết lập đặc biệt để mô hình hóa các WECS. Các mô hình nhận được bằng các kỹ thuật này là rất có ích để kiểm chứng các thiết kế tuabin và đánh giá tính năng của các bộ điều khiển. Tuy nhiên chúng thường rất phức tạp đối với các mục đích thiết kế điều khiển. Các mô hình định hướng điều khiển phải đơn giản nhất có thể được, bằng việc nắm bắt các chế độ động được kích thích bởi bộ điều khiển.
Các mô hình định hướng điều khiển của WECS nhìn chung đều sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống nhiều vật thể (Multibody System). Kỹ thuật này làm giảm bớt bậc của mô hình nhưng vẫn đúng với bản chất vật lý của hệ thống. Về mặt khái niệm, kết cấu cơ khí được sắp xếp thành một số vật thể cứng và được nối ghép với nhau bằng các mối liên kết mềm. Tổng số các mối liên kết này hoặc các bậc tự do quyết định bậc của mô hình. Thậm chí, với một số ít bậc tự do cũng dẫn tới việc hình thành các mô hình phi tuyến bậc cao. Vì thế, điều quan trọng là chỉ xét đến trong mô hình những bậc tự do nào có liên quan trực tiếp với điều khiển. Một mặt, điều khiển tốc độ tương tác với các chế độ dao động trong mặt phẳng quay, tức là các chế độ xoắn của hệ thống dẫn động và các dao động uốn biên của các cánh. Thông thường, trong mô hình tuabin gió có góc xoay cánh cố định và tốc độ thay đổi, chỉ cần kể đến một vài bậc tự do trong mặt phẳng quay là đủ, bởi vì phần lớn các tần số cộng hưởng nằm ngoài dải thông của bộ điều khiển. Sự đơn giản hóa này đưa tới một mô hình tuyến tính giảm bậc. Mặt khác, điều khiển góc xoay cánh không chỉ ảnh hưởng tới mômen khí động mà còn ảnh hưởng đến các lực tác động. Bởi vậy, dao động uốn cong trụ đỡ theo chiều trục rôto và dao động
tịnh tiến cũng cần phải được tính đến đối với trường hợp tuabin gió có góc xoay cánh thay đổi.
Mặc dù các mô hình đơn giản có thể không đặc trưng đầy đủ cho hành vi động học của toàn bộ WECS, nhưng ta có thể thu nhận được nhiều điều từ chúng. Cụ thể là, các mô hình đơn giản rất hữu ích cho việc phân tích so sánh các sách lược điều khiển khác nhau và dùng cho việc thiết kế bộ điều khiển, đồng thời các động học chưa được mô hình hóa có thể được xem như là các yếu tố bất định. Bởi lý do này, mà mô hình sẽ được sử dụng trong luận văn chỉ bao gồm dạng dao động thứ nhất của các hệ dẫn động, trụ đỡ và cánh tuabin …
b) Kết cấu tuabin gió
Hình 2.11: Mô hình hệ thống cơ của tuabin gió
Trên hình 2.11 mô tả sơ đồ của mô hình cơ học. Mô hình này có ba bậc tự do, mà cụ thể là góc xoắn của hệ dẫn động, độ uốn trụ đỡ theo chiều trục và dao động tịnh tiến của cánh tuabin. Hình 2.11a mô tả hệ truyền động, nó được mô hình hóa như hai khối quay cứng liên kết nhau bởi trục mềm. Hình 2.11b đưa ra mô hình kết cấu cơ khí theo công trình nghiên cứu của Bindner. Ở đây giả thiết rằng các cánh dịch chuyển đồng đều và chịu cùng một lực tác động. Với giả thiết này, mô hình của phân hệ cơ khí là tuyến tính
