PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ
2.4Mô hình hóa các phân hệ điều khiển
Nhược điểm của động cơ chạy bằng sức gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của tuabin cũng thay đổi theo. Có thể giữ cho tốc độ quay của tuabin ổn định bằng cách xoay cánh tuabin, thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh.
Với các máy phát điện gió công suất nhỏ, việc xoay cánh thường hay dùng phương pháp ly tâm của khối lượng quay (các quả văng). Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của tuabine 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 cánh 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 cánh tuabin tương đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên tốc độ quay của tuabin quá lớn.
Qua nghiên cứu động cơ bước, có thể sử dụng nó để xoay cánh tuabin cho máy phát điện gió. Nguyên lý làm việc của hệ thống xoay cánh như sau: Đặt cho trục tuabin gió một giới hạn tốc độ cho phép; khi tốc độ gió lớn hơn quy định, trục tuabin sẽ quay nhanh hơn, bộ phận cảm biến nhận được 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 cánh tuabin một góc để giảm bề mặt hứng gió; khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay cánh quay trở lại. Bằng cách này, tốc độ quay của trục tuabin được điều chỉnh kịp thời, khoảng dao động của tốc độ quay tương đối nhỏ.
Khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh tuabin, thì hiệu suất sử dụng năng lượng gió của tuabin thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh làm quay tuabin. Khi đó gió có tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên trục tuabin hầu như không tăng lên.
Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió rất khác nhau về kích thước, hình dạng và dạng năng lượng cuối cùng nhận được. Nói chung hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió có các phần: Bộ góp sức gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị sản sinh năng lượng cuối cùng.
Trong hệ thống máy phát điện sức gió, dạng năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ góp gió là tuabin gió; chuyển động sơ cấp là chuyển động quay tròn của trục tuabin; thiết bị sản sinh điện năng là máy phát điện. Để máy phát điện hoạt động tốt, có thể hoà được vào lưới điện quốc gia, chuyển động sơ cấp - chuyển động quay tròn của trục tuabin phải có tốc độ quay hợp lý và ít thay đổi.
Hiện nay trong các hệ thống tự động thường sử dụng động cơ bước để thực hiện các chuyển động rời rạc. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, đưa các tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stato, theo thứ tự và tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ nhưng không quay liên tục mà làm việc ở chế độ quay rời rạc, có khả năng cố định rôto ở những vị trí cần thiết. Như vậy có thể sử dụng động cơ bước để thực hiện xoay cánh tuabin đi một góc nhỏ, tương ứng với tín hiệu điều khiển được truyền đến động cơ.
Trên hình 2.19 đưa ra sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển xoay cánh tuabin với góc xoay cánh tổng hợp. Hệ thống này cho phép thực hiện các thuật toán đã trình bày ở trên là: duy trì tỷ số tốc độ đầu mút cánh không đổi hay bám công suất đỉnh.
Hình 2.19: Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển tạo góc xoay cánh tổng hợp
Trong hệ thống này có sử dụng hai cảm biến: cảm biến đo tốc độ góc của tuabin và cảm biến đo tốc độ gió. Để hạn chế nhiễu trong tín hiệu đo tốc độ góc có thể sử dụng một bộ lọc thông thấp. Cơ cấu chấp hành là động cơ bước xoay cánh. Bộ điều khiển dùng vi điều khiển hoặc PLC kết hợp bộ PID (tích hợp hoặc tách riêng). Các tín hiệu vào của bộ điều khiển là: sai lệch tốc độ giữa tốc độ góc thực tế của tuabin và tốc độ góc mong muốn (phụ thuộc vào tốc độ gió), tốc độ gió, và góc xoay cánh tổng hợp.
Để thực hiện sơ đồ bám công suất đỉnh cần thêm các khối: Xác định vùng làm việc, Xác định mômen cản điện từ, Giới hạn mômen và tốc độ. Trong các trạm điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ ba pha kích từ bằng nam châm vĩnh cữu, có các khâu biến đổi điện AC/DC/AC và ắcquy, hệ thống điều khiển bám công suất đỉnh được bố trí như trên hình 2.20.
Hình 2.20: Sơ đồ trạm điện gió có điều khiển bám công suất đỉnh
Khối điều khiển MPPT (Bám Điểm Công suất Đỉnh) dựa trên đánh giá (đo) tần số góc rôto và công suất điện để thay đổi chu kỳ dẫn của khóa phân dòng (điều chế độ rộng xung).
Sơ đồ cấu trúc điều khiển bám điểm công suất đỉnh được đưa ra trên hình 2.21. Một ví dụ về sơ đồ nguyên lý mạch như trên hình 2.22.
Trong trạm điện sức gió có hai bộ chấp hành điều khiển chính dùng để: + Điều khiển bước xoay cánh: thay đổi hướng cánh để thay đổi các lực khí động;
Hình 2.21: Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất đỉnh
Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám điểm công suất đỉnh
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển trạm điện sức gió như trên hình 2.23. Sơ đồ cấu trúc giản lược của hệ thống này như trên hình 2.24.
Như đã nói ở trên bộ chấp hành xoay cánh của các tuabin điện gió lớn là một hệ thống cơ thủy lực, nó được sử dụng để xoay các cánh tuabin gió xung quanh trục dọc của chúng. Mô hình bộ chấp hành này mô tả hành vi động học giữa góc xoay cánh yêu cầu (góc đặt) βd từ bộ điều khiển góc xoay
Hình 2.23: Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển tuabin gió
Như đã nói ở trên bộ chấp hành xoay cánh của các tuabin điện gió lớn là một hệ thống cơ thủy lực, nó được sử dụng để xoay các cánh tuabin gió xung quanh trục dọc của chúng. Mô hình bộ chấp hành này mô tả hành vi động học giữa góc xoay cánh yêu cầu (góc đặt) βd từ bộ điều khiển góc xoay
cánh với góc xoay cánh thực tế đo được β.
Động học của các cánh tuabin là phi tuyến với các giới hạn bão hòa đặt lên cả độ lớn góc xoay cánh và cả tốc độ thay đổi góc xoay cánh. Sự bão hòa này gây bởi các thành phần tần số cao của phổ tần góc xoay cánh yêu cầu, truyền qua nhiễu đo lường, và các đỉnh phổ gây bởi việc lấy mẫu tốc độ quay. Khi không xét tới những ràng buộc này, động học bộ chấp hành xoay cánh có thể được mô hình hóa đơn giản hơn.
Tốc độ thay đổi góc xoay cánh là:
β τ β β β = d − (2.22) Từ phương trình trên, hàm truyền của bộ chấp hành xoay cánh là:
11 1 + = s d τβ β β (2.23) trong đó: τβ là hằng số thời gian phụ thuộc vào bộ chấp xoay cánh.
Hình 2.24: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tuabin điện gió
Các bộ điều khiển ứng dụng trong trạm điện sức gió cũng phát triển theo xu hướng chung của các bộ điều khiển quá trình trong công nghiệp.
Theo phương pháp truyền thống thì điển hình là sử dụng bộ điều khiển PID như trên hình 2.25. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.25: Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID
Theo phương pháp hiện đại thì có thể là các bộ điều khiển thích nghi hay điều khiển thông minh; ví dụ bộ điều khiển trượt mờ tự tổ chức có sơ đồ khối như trên hình 2.26 dùng để điều khiển góc xoay cánh tuabin gió.
Hình 2.26: Hệ thống điều khiển dùng bộ điều khiển mờ thích nghi
2.5 Kết luận chương 2
Các phân tích hệ thống điều khiển tuabin điện gió trong chương này đã thu được các kết quả sau:
1. Trình bày mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với bốn hệ thống cơ bản: hệ thống cơ, hệ thống khí động học, hệ thống điện và hệ thống pitch servos, nêu lên các chức năng và nhiệm vụ của từng hệ thống.
2. Phân tích các phương pháp điều khiển trong một nhà máy điện gió. Qua đó có thể khẳng định việc điều khiển góc xoay cánh là một giải pháp quan trọng để tuabin gió có thể thích ứng với điều kiện tốc độ gió cao.
3. Đặc điểm chung của cả các phương pháp điều khiển cho thấy:
- Ở những vùng tốc độ gió thấp, tốc độ gió tăng thì công suất phát ra tăng theo và luôn thấp hơn công suất hoạt động,
- Khi tốc độ gió đạt tới tốc độ gió làm việc, nếu tốc độ gió tăng cao thì công suất phát vẫn gần như không thay đổi,
- Khi tốc độ gió tăng lên trên vùng tốc độ làm việc thì công suất phát sẽ bằng 0.
4. Để đảm bảo hiệu suất và các tính năng cần thiết của trạm điện sức gió cần có các phân hệ điều khiển thực hiện theo các thuật toán khác nhau.
Chýõng 3