L ỜI NÓI ĐẦU
3.4.3.3. Tốc độ thay đổi, góc cắt không đổi
Đối lập với phương pháp tốc độ không đổi, ngày nay phương pháp tốc độ thay đổi đã trở nên thông dụng với các turbine gió thương mại, đặc biệt làm việc trong tốc độ gió thấp. Sự tiện lợi của phương pháp này là năng lượng thu về lớn, làm giảm tải động và cải thiện chất lượng công suất. Với sự phổ biến sâu rộng của năng lượng gió ngày nay, yêu cầu cải thiện công suất đã trở thành yếu tố thúc đẩy có tính quyết định đối với phương pháp điều khiển tốc độ thay đổi.
Hiệu suất chuyển đổi cực đại đạt được khi 0 và 0 (xem lại hình 3.6a; b). Bởi vậy, để tối đa hóa năng lượng thu về ở công suất định mức, góc cắt và hệ số vận tốc phải được giữ không đổi ở những giá trị đó. Đặc biệt, điều kiện 0 đồng nghĩa với tốc độ rotor phải tỉ lệ thuận với tốc độ gió.
R V r 0 0 (3.19)
Như đã biết, chế độ tốc độ gió thay đổi đòi hỏi tốc độ quay phải được tách biệt với tần số đường dây. Theo quan điểm này, một trong những cấu hình hệ WECS đã được trình bày ở chương 2 đó là mô hình máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất hoặc mô hình nối lưới của máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG), sẽ được kế thừa. Một phương pháp điều khiển phù hợp cho bộ chuyển đổi điện tử cơ bản, sẽ tạo ra những dịch chuyển song song của đặc tính momen máy phát đến vùng tốc độ cao hơn hoặc thấp hơn. Do đó, turbine có thể được điều khiển để làm việc tại những điểm làm việc khác nhau. Ví dụ để bám theo tốc độ tối ưu khi tốc độ gió biến động. Có thể đạt đến vị trí công suất cực đại trong mặt phẳng momen-tốc độ bằng cách thay thế các tham số λ, và V trong công thức (3.11) bằng λ0, β0 và Rr0/0 tương ứng ta được: 2 0 2 0 max 5 3 0 0 . 2 1 r r P m R C c T (3.20)
Đây là phương trình đường cong parabol trong mặt phẳng momen-tốc độ quay. Ở tốc độ gió thấp, các turbine gió VS được điều khiển để bám theo nhiều hoặc ít chặt chẽ hơn vị trí CPmax. Do đó, phương pháp điều khiển VS về cơ bản là khác ở cách công suất bị giới hạn ở tốc độ gió trên định mức. Với các turbine VS-FP, có 2 phương pháp cơ bản dựa trên ngưỡng thụ động hoặc ngưỡng có sự điều khiển của tốc độ. Trong phần này tác giả sẽ chỉ phân tích với 2 phương pháp điều khiển cơ bản đó. Những lựa chọn khác luận văn sẽ không đề cập đến vì thời gian nghiên cứu hạn chế.
Điều khiển tốc độ thay đổi với ngưỡng thụ động.
Phương pháp điều khiển này được đặc trưng bởi các điểm AEDG trong hình 3.20. Ta thấy turbine làm việc ở 2 chế độ khác nhau trong vùng làm việc của nó. Ở
vùng tốc độ gió thấp, chính xác hơn là giữa Vmin và VE, turbine được lập trình để làm việc trên đường cong bậc 2 AE. Do đó, phương pháp điều khiển trùng với vùng CPmax. Rõ ràng turbine được vận hành ở chế độ tốc độ thay đổi trong vùng này. Với tốc độ gió trên VE, điểm làm việc của turbine dịch ra đoạn ED. Như vậy turbine làm việc với tốc độ không đổi trong vùng tốc độ gió này, nên làm việc giống như các turbine FS-FP. Bởi thế công suất bị giới hạn bởi một ngưỡng thụ động giống như hình 3.20 đã mô tả. Thêm vào đó, tồn tại một điểm đặc biệt trong số những điểm làm việc trước và sau ngưỡng trên đoạn GD. Chú ý rằng đặc tính momen máy phát bao gồm đoạn ED đi qua điểm giao giữa đường hyperbol công suất định mức và ngưỡng. Đó là để thu về càng nhiều năng lượng càng tốt khi quá tải.
Hình 3.20: Phương pháp điều khiển VS-FP với điều chỉnh ngưỡng thụ động (AEDG) và ngưỡng có sự tham gia của tốc độ (ABCDG’)
Hình 3.21 biểu diễn các tính chất của công suất thu về trong phương pháp điều khiển này. Trên hình 3.21a so sánh đường cong công suất thực tế (đen) và lý tưởng (xám). Các điểm A, E, D, G là tương ứng với các điểm đó trong hình 3.20. Có thể thấy đường cong công suất thực tế và lý tưởng trùng với nhau trong đoạn giữa Vmin và VE, do đó sự chuyển đổi công suất là cực đại trong dải này. Đường cong công
suất thực tế và lý tưởng tách khỏi nhau từ điểm E, dẫn tới sự tổn hao công suất thu về. Tính chất điều khiển kém của ngưỡng thụ động và những hạn chế khác của chế độ làm việc FS đã được đề cập đến ở mục 3.4.3.1.
Hình 3.21: Đặc tính công suất thu về và hệ số công suất - tốc độ gió cửa phương pháp điều khiển VS-FP với điều chỉnh ngưỡng thụ động (AEDG
và điều chỉnh ngưỡng có sự tham gia của tốc độ (ABCDG’)
a. Công suất thu về
b. Hệ số công suất-tốc độ gió.
Điều chỉnh tốc độ thay đổi và ngưỡng được hỗ trợ.
Phương pháp điều khiển này có thể được đặc trưng bởi các điểm ABCDG’ trong hình 3.20. Turbine gió vận hành với tốc độ thay đổi trong vùng làm việc của nó. Phương pháp điều khiển trùng với vị trí CPmax từ A đến B. Dọc theo đường cong này, tốc độ quay tăng tỉ lệ với tốc độ gió đến khi đạt tới tốc độ định mức ΩNở điểm B. Vì không thể vượt qua tốc độ ΩN, điểm làm việc dịch chuyển dọc theo đoạn BC khi tốc độ gió tăng từ VΩN đến VN. Như vậy, tốc độ vận hành của hệ WECS không đổi trong vùng tốc độ gió này. Với tốc độ gió cao hơn định mức, điểm làm việc dịch
chuyển dọc theo đường hyperbol công suất định mức tới ngưỡng. Ở tốc độ gió VD, turbine đạt tới ngưỡng. Khi tốc độ gió cao hơn VD, điểm làm việc lùi dọc theo đường hyperbol về điểm dừng máy G’.
Có thể thấy phương pháp điều khiển này đã đạt tới đường cong công suất lý tưởng trên hình 3.9. Điều này được chứng minh ở hình 3.21, các điểm đặc trưng của phương pháp đều nằm trên đường cong công suất lý tưởng. Ba vùng được phân biệt với nhau rõ ràng trong đồ thị momen-tốc độ quay.
Mặc dù phương pháp này có thể thu về công suất cực đại, nó cũng mang lại một số vấn đề nhỏ. Các vấn đề phát sinh khi turbine làm việc trong điều kiện không khí nhiễu loạn quanh điểm làm việc định mức (điểm C). Ví dụ, giả sử turbine đang làm việc ở điểm C và tốc độ gió tăng đột ngột lên trên VN. Kết quả là công suất khí động học có xu hướng tăng theo. Để bù lại sự tăng này, điểm làm việc được dịch sang trái dọc theo đường hyperbol công suất định mức, do đó làm giảm tốc độ quay. Như thế, động năng trong rotor giảm xuống, năng lượng dư thừa được chuyển vào lưới xoay chiều qua bộ phận truyền động. Do đó, sự vận hành quanh điểm tiêu chuẩn chắc chắn dẫn đến những tải tức thời không mong muốn và sự biến động công suất điện làm giảm chất lượng công suất. Khi điểm làm việc đi tới ngưỡng với một biên độ của sự biến động công suất khí động học, khi đó tải tức thời sẽ giảm xuống.