L ỜI NÓI ĐẦU
3.3.2. Cơ cấu truyền động
Một turbine gió nằm theo phương ngang là một hệ thống cơ và có nhiều loại hình dao động khác nhau được mô tả ở hình 3.7. Việc thiết kế turbine và bộ điều khiển cho chúng cần phải tính toán thiết kế một cách chi tiết.
Mô hình hệ WECS với hầu hết những bộ phận phức tạp đều thuộc vào cơ cấu truyền động (phân hệ cơ) và điều này xuất phát từ sự tương tác lẫn nhau của hai cấu trúc linh động : Bộ truyền động và trụ móng. Mỗi cấu trúc này là cố định trong một khung tham chiếu của nó và quay so với cái còn lại. 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 cấu trúc này đều là lực gió 3 chiều.
Có nhiều công cụ tính toán được thiết kế đặc biệt để mô hình hóa hệ WECS. Các mô hình với các kỹ thuật này là rất có ích để kiểm tra các thiết kế turbine và khả năng điều khiển, tuy nhiên chúng rất phức tạp. Các mô hình hướng điều khiển phải đơn giản đến mức có thể, bằng việc nắm bắt các cơ chế động được kích thích bởi bộ điều khiển.
Các mô hình hướng điều khiển của hệ WECS nhìn chung đều sử dụng phương pháp tiếp cận “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, cấu trúc cơ học được sắp xếp vào những phần cứng và được liên kết bởi những điểm mềm. Tổng số điểm liên kết quyết định chất lượng của mô hình.
a. Các dạng dao động cơ
b. Mô tả bộ truyền động
c. Cấu trúc turbine gió
3.3.3. Hệ thống điều chỉnh góc cắt –Pitch servos
Mặc dù bộ điều chỉnh “stall” bị động là một hình thức thay thế đơn giản để giới hạn công suất, điều khiển góc mở cánh thường được ưu tiên cho những loại turbine trung bình cho đến lớn. Bộ điều khiển turbine dựa vào sự thay đổi từ góc cắt. Trong thực tế gồm có những đối trọng cái mà cho phép cánh quạt quay xung quanh theo chiều dọc trục của chúng. Khi kích thước turbine tăng lên nó sẽ thay thế những thiết bị chạy bằng sức nước hoặc thiết bị cơ điện. Với tính linh hoạt của thiết bị làm cho các phương pháp điều khiển trở nên tin cậy và hiệu quả hơn khi mà công suất hoặc tốc độ bị giới hạn.
Bộ khởi động pitch là một servos phi tuyến làm quay tất cả các cánh quạt, hoặc làm quay một phần trong chúng. Trong vòng lặp đóng, bộ khởi động pitch có thể được mô hình hoá như một hệ thống động bậc nhất với sự bão hoà của biên độ và đạo hàm của tín hiệu đầu ra. Hình 3.8 là một sơ đồ khối của mô hình bộ khởi động bậc một. Sự hoạt động của bộ khởi động pitch trong vùng tuyến tính của nó được mô tả bởi đẳng thức vi phân:
d T T 1 1 . (3.17)
Trong đó β và βd là góc cắt thực và góc cắt mong muốn. Giá trị β điển hình nằm trong khoảng -20 đến 300 và góc cắt thay đổi với tốc độ ±100/s. Bộ điều chỉnh công suất có thể yêu cầu hiệu chỉnh nhanh và rộng đối với góc cắt.
Hình 3.8: Mô hình điều chỉnh theo kiểu điều chỉnh góc cắt
Do đó giới hạn của tốc độ thay đổi và biên độ của góc cắt có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của bộ điều chỉnh công suất. Vì vậy để giảm nguy cơ hỏng hóc, các giới hạn này không nên được đạt tới trong quá trình hoạt động bình thường của turbine.
3.3.4. Hệ điện và máy phát
Máy phát đồng bộ hiện đang sử dụng chính trong hệ thống điện, nhưng trong các hệ WECS công nghiệp máy phát điện không đồng bộ lại là máy điện được sử dụng rộng rãi và phổ thông nhất. Các turbine gió hiện đại bao gồm các phần tử điện tử công suất có tính năng tốt đã thay đổi cách sử dụng cơ bản của các máy điện không đồng bộ. Tính động trong máy điện cũng như các phần tử điện tử công suất được kết hợp với chúng là nhanh hơn, các chế độ cơ học tốt nhất. Vì vậy, một mô hình trạng thái ổn định của máy phát điện gió sẽ là đủ cho mục đích kết nối lưới điện.
Vấn đề kết nối điện năng tạo ra từ năng lượng gió với lưới điện gồm 3 hình thức cơ bản là: nối trực tiếp máy phát lên lưới, máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện, máy phát không đồng bộ nguồn kép nối lưới (như đã giới thiệu ở chương 2).
Hệ điện trong WECS làm nhiệm vụ biến đổi điện năng theo yêu cầu điều khiển, kết nối lưới và đưa ra các yếu tố đặc trưng cho việc truyền tải điện lên lưới.