d Ta đ ợc 1 (loại vì , 0 0 ) và 1 3 Vậy giá trị lớn nhất c a Cp là: max 1 1 1 1 1 0.593 2 3 9 P C (3.12)
Giá trị lý thuyết CPmax chỉ ra rằng turbine không thể lấy nhiều hơn giá trị 5λ,3% công suất gió hiện hữu (giới hạn Betz –Albert Betz’s Law ). Đây là giới hạn công suất có thể nhận đ ợc từ gió. Từ đó, ta có thể vẽ đ ng cong hiệu suất rotor hình 3.4
Nhận xét: Nếu rotor quay quá chậm thì gió dễ dàng thổi xuyên qua khe h giữa các cánh gió, khi đó 0 . Ng ợc lại khi rotor quay quá nhanh thì sẽ tạo thành một t ng chắn gió. Ta thấy, tốc độ c a rotor ảnh h ng trực tiếp đến tốc độ gió mặt và gió l ng. Nói cách khác nó ảnh h ng đến giá trị c a Cp. Do đó, Cp là mối quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ rotor. Mối quan hệ này chính là tỷ số giữa tốc độ tiếp tuyến c a rìa cánh quạt với tốc độ gió mặt – TSR (Tip Speed Ratio).
rRb
Trang 28
Hình 3.4:Giới hạn c a hiệu suất rotor
Với tr ng hợp turbine gió tốc độ thay đổi,công suất đầu ra c a máy phát có thể đ ợc giới hạn bằng cách thay đổi góc pitch (β) c a cánh gió. Để có thể lấy đ ợc công suất tối u từ gió, tốc độ rotor đ ợc điều khiển theo tốc độ c a gió. Nh ng khi tốc độ gió quá cao (giông, bưo…), áp lực ly tâm cơ khí lên cánh quạt tăng lên đến giới hạn c a vật liệu phải chịu đựng, ta phải cho ngừng rotor để bảo vệ cho hệ thống.
3.1.3 Đ ng cong hi u suất tubin gió
Trên thực tế, hiệu suất c a rotor không những phụ thuộc vào mà còn phụ thuộc vào góc pitch c a cánh quạt gió [rad] xoay quanh trục c a chính nó. Nên hầu hết các turbine gió điều trang bị thiết bị điều khiển pitch. Điều này, càng làm cho việc xác định hàm Cp tr nên ph c tạp. Nhà chế tạo th ng cho giá trị c a Cp là một hàm theo , với mỗi loại turbine. Một công th c xấp xỉ th ng đ ợc sử dụng c a đ ng cong hiệu suất rotor đ ợc cho b i công th c (3.13) và có dạng đồ thị nh hình 3.5 21 116 ( , ) 0.5176 0.4 5 . i 0.0068 P i C e (3.14)
Với iđ ợc cho b i quan hệμ 3
1 1 0.035
0.08 1
i
Trang 29
Hình 3.5:Đ ng cong hiệu suất roto Cp( ,β)
Trên đồ thị hình 3.5, giá trị max c a Cp là giá trị tối u Cp,opt, với góc β cố định ta sẽ có tỷ sốgiữa tốc độ gió mặt và tốc độ gió l ng tối u p,opt
Bây gi ta khảo sát sự phụ thuộc c a công suất đầu ra c a turbine với các tốc độ gió thay đổi. Với một turbine điều kiện không khí không đổi thì công suất ra c a turbine gió chỉ phụ thuộc vào tốc độ gió mặt và hệ số công suất Cp:
3 3 1 ( , ) 2 mech R P P P A C mC (3.15) Với 1 2 2 b m R là hằng số
Vậy ng với một tốc độ gió cho tr ớc tốc độ c a turbine sẽ quyết định công suất đầu ra. Hình 3.6 thể hiện công suất đầu ra với các vận tốc gió và tốc độ turbine khác nhau.
Hình 3.6:Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tubin
Nhận xét: Muốn đạt đ ợc công suất lớn nhất với tốc độ gió đư cho thì tốc độ rotor phải đ ợc điều khiển phù hợp với tốc độ gió để duy trì giá trị tối u c a Cp
Trang 30
không làm việc hoặc ng nghoạt động để bảo vệ máy phát và các thiết bị khác tránh tr ng hợp quá tải. Sẽ dẫn tới gưy turbine hay h hỏng các thiết bị công suất.
Việc điều khiển tốc độ rotor có thể thực hiện bằng hệ thống cơ (điều chỉnh góc pitch c a cánh gió) hoặc bằng các ph ơng pháp điều khiển tốc độ bằng điện.
Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbine gió là đ ng công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra. Th ng đ ợc gọi là đ ng cong công suất lý t ng. Thể hiện hình 3.7. Các thông sốtrong đóμ
- Vận tốc gió Cut-in (Vc)μ là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng ma sát và tạo công suất.
- Vận tốc gió định m c (VR)μ Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba c a vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt đến giá trị VR , công suất đầu ra bằng công suất định m c theo thiết kế. Khi lớn hơn VRthì cần phải điều chỉnh để hệ thống turbine l ợt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát.
- Vận tốc gió Cut-out (VF) μ Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ng ỡng VF
thì hệ thống turbine cần phải đ ợc ng ng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, trong tr ng hợp này công suất phát ra bằng 0.
Trang 31
Đa số các turbine gió tốc độ thay đổi điều đ ợc trang bị bộ điều khiển góc pitch. Khi tốc độ nhỏhơn định m c, turbine gió điều khiển góc pitch để tạo ra công suất tối u nhất. Khi tốc độ gió trên định m c cần điều khiển góc pitch để bảo vệ turbine gió. Kết hợp với ph ơng pháp điều khiển tốc độ turbine gió bằng điện để có dưy điều chỉnh rộng hơn.
3.1.4Máy phát đi n đ̀ng b nam chơm ṽnh c̉u (PMSG)
Máy phát điện ba pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu (three phase permanent magnet synchronous generator- PMSG) đ ợc dung để chuyển đổi cơ năng thu đ ợc t turbine gio thanh điê ̣n năng, th ng dùng cho các máy phát điện gió có công suất nhỏ tầm vài đến vài chục kW [8, 9, 12, 14, 16 ,17].
Do hoa ̣t đô ̣ng trong chê đô ̣ ba pha nên gă ̣p nhiêu khó khăn trong việc xác định ph ơng trinh lam viê ̣c của may phat cũng nh trong viê ̣c mô hinh hoa va mô phỏng. Để khac phục nh ợc điểm nay , viê ̣c phân tich đ ợc chuyển t hê ̣ trục to ̣a đô ̣ abc
sang hê ̣ trục to ̣a đô ̣ dq [12]. Ph ơng trinh chuyển cơ sở qua la ̣i đ ợc đ a ra nh bên d ơi.
Ph ơng trinh chuyển t hê ̣ to ̣a đô ̣ abc sang hê ̣ to ̣a đô ̣ dq: c b a dq q d