L ỜI NÓI ĐẦU
3.4.3.1. Tốc độ không đổi, góc cắt không đổi
Phương pháp tốc độ không đổi, góc cắt không đổi đã từng sử dụng nhiều trong một vài thập niên trước đây. Tuy nhiên, ngày nay thị trường turbine gió dựa trên khái niệm này đã sụt giảm đáng kể. Trong quy trình này, các máy điện không đồng bộ được ghép trực tiếp với mạng công suất. Do đó, đặc tính momen của nó không thể thay đổi. Như vậy, tốc độ của máy phát phụ thuộc hoàn toàn vào tần số, công suất.
Vì không có một phần cứng hỗ trợ nào được thêm vào để thực hiện phương pháp điều khiển này, cho nên phương pháp điều khiển theo kiểu FS-FP trong hệ WECS là đơn giản và chi phí lắp đặt thấp. Vì vậy, phương pháp này hoạt động tương đối kém. Trên thực tế không có một sự điều khiển nào để làm giảm bớt tải cơ khí và làm tăng chất lượng công suất. Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi còn xa mới đạt đến tối ưu.
Hình 3.13 mô tả phương pháp điều khiển cơ bản đối với một turbine gió theo phương pháp FS-FP trong mặt phẳng momen-tốc độ quay. Đường nét đậm mô tả đặc tính momen cảm ứng, trong khi đường xám mô tả đặc tính momen khí động học ứng với những tốc độ khác nhau trong dải Vmin tới Vmax. Chú ý rằng các điểm giao là các điểm làm việc ứng với những tốc độ gió tương ứng.
Vì cả đặc tính momen cảm ứng lẫn momen khí động học đều không thể thay đổi, nên các điểm làm việc khả thi đều gắn vào đường FD. Vì tốc độ quay là gần như không đổi trên FD, nên công suất tỉ lệ thuận nhiều hơn hoặc ít hơn với momen quay dọc theo vị trí làm việc này. Điểm làm việc F tương ứng với tốc độ giới hạn dưới Vmin, còn D là giao điểm giữa đặc tính momen cảm ứng với đường giới hạn đối diện. Điểm này xác định rõ công suất tối đa có thể tạo ra từ turbine gió. Ở tốc độ gió VD mà tại đó đặc tính momen khí động học đi qua điểm D, turbine gió bị giới hạn. Bởi thế, tốc độ gió cao hơn sẽ dẫn đến công suất khí động học thấp hơn. Đó là lý do vì sao điểm làm việc quay ngược dọc theo đường đặc tính momen máy phát trở lại điểm G tương ứng với tốc độ gió Vmax. Đáng chú ý là tồn tại một vị trí đặc biệt của các điểm làm việc trong khoảng GD, tại đó tốc độ gió không thể được xác định duy nhất từ điểm làm việc.
Đường parabol trong hình 3.13 thể hiện vị trí tại đó hiệu suất chuyển đổi đạt đến cực đại, còn gọi là vùng công suất cực đại hay vùng CPmax. Nó cho thấy hoạt động của turbine với hiệu suất cao nhất có tốc độ duy nhất là VE. Trạng thái này tương ứng với điểm E là điểm giao các đường công suất cực đại, momen cảm ứng và momen khí động học ở V = VE. Tại điểm này, tốc độ gió và tốc độ quay thỏa mãn: 0 R.E /VE. Có thể suy ra rằng hệ WECS làm việc ở điểm E khi tốc độ gió giảm từ VE về VJ. Khi đó điểm làm việc mới là J làm cho J E. Tại điểm này ta có J R.E /VJ cao hơn 0, do đó hiệu suất chuyển đổi giảm. Để thu nhận được toàn bộ công suất ở tốc độ gió VJ, turbine cần phải làm việc ở điểm J’ với VJ R
J, 0. /
là thấp hơn. Điều này không thể thực hiện được với phương pháp điều khiển tốc độ không đổi.
Các turbine gió điều khiển theo phương pháp FS-FP bị giới hạn việc điều khiển ở những trường hợp tốc độ gió cao. Do đó việc lựa chọn phương pháp điều khiển được quy về việc lựa chọn tỉ lệ truyền của hộp số để đặc tính máy phát đi qua điểm D. Chú ý rằng điểm này là giao điểm giữa đường Hyperbol công suất và ngưỡng.
Hình 3.14 giúp ta hiểu được phương pháp ngưỡng thụ động để giới hạn công suất. Hình vẽ thể hiện một cách định tính lực tác động lên thành phần mặt trước và mặt sau của cánh turbine. Nên nhớ rằng tốc độ quay và góc cắt là không đổi. Vì thế,
góc tác động sẽ tăng lên khi tốc độ gió tác động lên cánh tăng từ V0 lên V1. Khi
tăng lên một giá trị cho trước, dòng không khí sẽ không chảy thành lớp nữa mà tách ra từ mặt trước của cánh. Điều này tạo ra áp suất chênh lệch dẫn đến làm giảm sức nâng và làm tăng đột ngột sự trôi. Sự thay đổi của lực nâng fL và lực trôi fD sẽ dẫn đến việc làm tăng đáng kể lực đẩy quanh trục fT nơi mà lực tiếp tuyến fr giảm xuống. Kết quả là momen khí động học và công suất giảm. Kết quả không mong muốn này làm tăng lên của tải khí động học. Điều đó được gọi là giới hạn của turbine gió khi dùng phương pháp điều khiển này.
Hình 3.14: Phương pháp ngưỡng thụ động cho giới hạn công suất
a) Lực tác dụng lên một thành phần cánh.
b) Hệ số trượt và nâng.
Hình 3.15 mô tả thành phần công suất thu nhận về trong phương pháp điều khiển FS-FP đã được biểu diễn trong hình 3.13. Đồ thị trên hình 3.15a so sánh sự khác nhau giữa đường cong công suất lý tưởng và thực tế, trong khi đồ thị hình 3.15b biểu thị quan hệ hiệu suất chuyển đổi-tốc độ gió. Chú ý sự tương ứng với hình 3.13, ta có thể thấy công suất thu về không trùng với đường cong công suất lý tưởng. Điều này đồng nghĩa với việc năng lượng thu về thấp hơn. Trong dải tốc độ thấp, turbine chỉ làm việc với hiệu suất cực đại ở điểm E.
Ở dải tốc độ cao hơn, chất lượng điều khiển là tương đối thấp. Có thể thấy giới hạn công suất chỉ đạt được ở một tốc độ gió (điểm D) và công suất giảm với tốc độ
gió cao hơn hoặc thấp hơn tại điểm đó. Chất lượng điều khiển thấp là do sự thiếu linh hoạt của chế độ làm việc.
Ngoài hiệu suất chuyển đổi thấp, chế độ làm việc FS còn có một số thiếu sót khác liên quan đến đáp ứng động của hệ WECS. Ví dụ, chất lượng điều khiển kém còn thể hiện ở sự biến động của công suất tác dụng và phản kháng. Thêm vào đó, chế độ làm việc này không hỗ trợ tác động chống rung hệ thống truyền động, để có thể làm giảm tải tần số cao. Thực tế, sự sụt giảm của thị trường turbine gió điều khiển theo phương pháp FS-FP chủ yếu do chất lượng công suất thấp hơn là do sự suy giảm năng lượng thu về.
Hình 3.15: Phương pháp điều khiển tốc độ không đổi, góc cắt không đổi cơ bản
a. Công suất đầu ra; b. Quan hệ hiệu suất chuyển đổi-tốc độ gió.