4.3MPPT dự a vào sự kiể m tra biế n công suấ t (power variation) 4.4 MPPT dự a vào đặ c tính đư ờ ng cong công suấ t
CHƯ Ơ NG 4: XÂY DỰ NG BÀI TOÁN MPPT
Trong chư ơ ng này chúng ta sẽ nêu rõ vấ n đề cầ n giả i quyế t làm cách nào để tố i ư u hóa công suấ t trong máy phát điệ n gió DFIG . Và khi nào thì máy phát điệ n gió
DFIG hoạ t độ ng trong chế độ đị nh hư ớ ng theo dõiđiể m công suấ t cự c đạ i (MPPT). Có hai vấ n đề tố i ư u là tố i ư u hóa tạ i turbin (khi tố c độ gió lớ n hơ n đị nh mứ c)
bằ ng cách điề u chỉ nh góc cắ t và tố i ư u hóa tạ i máy phát theo đư ờ ng cong P-s (đư ờ ng
cong công suấ t cự c đạ i MPPT khi tố c độ gió chư a đạ t đế n tố c độ đị nh mứ c).
Để các máyphát điệ n gió DFIG chuyể n đổ i năng lư ợ ng gió đạ t hiệ u suấ t cao,
đạ t đư ợ c điể m theo dõi công suấ t tố i đa (MPPT) về cơ bả n, nhữ ng kỹ thuậ t trong MPPT bao gồ mcáchư ớ ngsau:
(1) nhữ ng phư ơ ng pháp cụ thể dự a vào vậ n tố c gió,
(2) nhữ ng phư ơ ng pháp dự a vào sự tính toán và đo lư ờ ng công suấ t đầ u ra, (3) nhữ ng phư ơ ng pháp dự a vào đặ c tính đư ờ ng cong công suấ t.
4.1 Điề u khiể n góc cắ t
Năng lư ợ ng gió làđộ ng năngcủ a không khí chuyể n độ ng vớ i vậ n tố c v, khố i lư ợ ng không khí đi qua mộ t mặ t phẳ ng hình tròn vuông góc vớ i chiề u gió trong thờ i gian t là:
m = ρ V = ρ Avt =ρ .π .r2
vt (5.1)
Vớ i ρ là tỷ trọ ng củ a không khí.
V là thể tích khố i lư ơ ng không khí đi qua mặ t cắ t ngang hình tròn diệ n tích A,
bán kính r trong thờ i gian t.
Vì thế độ ng năng Ekinvà công suấ t P củ a gió là:
3 2 3 2 2 2 2 2 1 v r t E P tv r mv E kin kin ρ π ρ π (5.2)
Điề u đáng chú ý là công suấ t gió tăng theo lũy thừ a 3 củ a vậ n tố c gió và vì thế
vậ n tố c gió là mộ t trong nhữ ng yế u tố quyế t đị nh công suấ t gió khi muố n sử dụ ng năng lư ợ ng gió.
Công suấ t gió có thể đư ợ c sử dụ ng, thí dụ như thông qua mộ ttuố c bin gió để phát điệ n, nhỏ hơ n rấ t nhiề u so vớ i năng lư ợ ng củ a luồ ng gió vì vậ n tố c củ a gió ở phía
sau mộ t tuố c bin không thể giả m xuố ng bằ ng không.
Về mặ tlý thuyế t chúng ta có thể lấ y tố i đa là 59,3% năng lư ợ ng tồ n tạ i trong
luồ ng gió. Trị giá củ a tỷ lệ giữ a công suấ t lấ y ra đư ợ c từ gió và công suấ t tồ n tạ i trong gió đư ợ c gọ i là hệ số Betz (xem Đị nh luậ t Betz), do Albert Betz tìm ra vào năm1926 . (Nguồ n Wikimedia).
Viế t dư ớ i dạ ng đạ o hàm công suấ t gió đư ợ c tính như sau:
2 2 2 2 1 ) ( 2 1 2 1 Av v AV v t m t E P k w W ρ ρ (5.3)
Công suấ t cơ củ a turbin gió trên trụ c rotor đư ợ c theo công thứ c:
3 2 1 ) , ( ) , ( w p w p m C P C AV P λ β λ β ρ (5.4)
Trong đó Pm là công suấ t cơ đầ u ra (W), phụ thuộ c vào hiệ u suấ t Cp(λ , β ). Chỉ
số Cp phụ thuộ c vào tỷ số tố c độ λ và góc cắ t β , và nó quyế t đị nh lư ợ ng độ ng năng có thể đư ợ c gom bở i hệ thố ng turbine gió. Mô hình phi tuyế n mô tả Cp(λ , β ) như sau:
Cp( ,β ) = c1(c2–c3β –c4β 2–c5)e-C6 (5.5) Ở đây; c1 = 0.5, c2 = 116/ i, c3= 0.4, c4= 0, c5= 5, c6 = 21/ ivà: 3 1 0.035 0.08 1 i λ λ β β (5.6)
Do sự phụ thuộ c vào λ và β , giá trị củ a Cp(0.2-0.4) có thể đư ợ c đạ t đế n cự c đạ i thông qua việ c điề u khiể n góc cắ t và và điề u chỉ nh vậ n tố c rotor tạ i mộ t cộ t mố c tố c độ gió xác đị nh. Đây chính là mộ t trong nhữ ng yêu cầ u củ a MPPT.
Mộ t nhóm các đư ờ ng cong Cp - λ điể n hình ứ ng vớ i các giá trị góc cắ t β khác
nhau đư ợ c trình bày như hình 4.1, cho thấ y rằ ng luôn tồ n tạ i giá trị cự c đạ i Cp như
Hình 4.1 : Quan hệ giữ a công suấ t cơ và công suấ t máy phát, điể m cự c đạ i Cp
Dođó, công suấ t đầ u ra đư ợ c quyế t đị nh bở i các giá trị Cpkhác nhau và vậ n tố c rotor tạ i các tố c độ gió khác nhau, như trong hình 4.2, Các vùng vậ n hành cho điề u
chỉ nh góc cắ t củ a turbin gió ứ ng vớ i mỗ i giá trị tố c độ gió – chính là mụ c tiêu củ a điề u khiể n MPPT.
Giả sử tạ i mộ t thờ i điể m vậ n tố c rotor không đổ i, công suấ t đầ u ra đư ợ c điề u khiể n bở i việ c tinh chỉ nh góc cắ t củ a các cánh quạ t turbine. Điề u khiể n góc cắ t sẽ không đư ợ c kích hoạ t cho đế n khi vậ n tố c gió vư ợ t qua giá trị đị nh mứ c và nó sẽ giớ i hạ n công suấ t đầ u ra ở giá trị đị nh mứ c. Có thể coi hệ thố ng điề u khiể n này như mộ t cách điề u chỉ nh củ a công suấ t đầ u ra, như hình 4.1. Hiể n nhiên, nó sẽ giớ i hạ n công suấ t đầ u ra ở đị nh mứ c.
Ở tố c độ gió nhỏ hơ n đị nh mứ c, góc cắ t β = 0o để đả m bả o cho công suấ t vào turbin là lớ n nhấ t. Tố c độ gió trên đị nh mứ c β > 0o để đả m bả o công suấ t đị nh mứ c
củ a ngõ ra máy phát gió.
4.2 MPPT dự a trên tố c độ gió
Hầ u hế t các hệ thố ng điệ n gió đề u phụ thuộ c vào việ c đo lư ờ ng tố c độ gió. Trong các hệ thố ng này, thiế t bị đo gió(anemometer) đư ợ c sử dụ ng để đo vậ n tố c gió và do đócầ n phả i thêm chi phí cho các cả m biế n(sensor) phứ c tạ p. Để giả i quyế t vấ n đề này, các phư ơ ng pháp ư ớ c lư ợ ng vậ n tố c gió đã đư ợ c đư a ra.
Dự a trên các thuậ t toán phứ c tạ p, tố c độ gió chính xác có thể đư ợ c đo bằ ng
cáchđiề u khiể n tỷ số tố c độ đỉ nh tố i ư u cho nên phư ơ ng pháp MPPT đư ợ c thự c hiệ n đầ y đủ , như trong hình 4.2. Tuy nhiên, thông tin về tố c độ gió và các kế t quả liên đớ i trong phầ n mề m/phầ n cứ ng vẫ n rấ t cầ n thiế t. Để loạ i trừ sự phụ thuộ c vào tố c độ gió, nhiề u phư ơ ng án điề u khiể n không dùng cả m biế n đã đư ợ c triể n khai. Các phư ơ ng pháp trên đang đư ợ c thử nghiệ m cho các hệ thố ng độ c lậ p quy mô nhỏ và các thuậ t toán ư ớ c lư ợ ng phứ c tạ p vẫ n cầ n thiế t, điề u này dẫ n đế n kế t quả giả m sự chính xác và tố c độ điề u khiể n trong môi trư ờ ng vậ n hành thự c tế – nơ i mà tố c độ gió thay đổ i nhanh chóng.
Hình 4.3: Đánh giá tố c độ gió và đo lư ờ ng giá trị vậ n tố c gió
4.3 MPPT dự a vào sự kiể m tra biế n công suấ t (power variation)
Theo dõi công suấ t cự c đạ i có thể đư ợ c tiế n hành thông qua việ c đo lư ờ ng trự c tiế p công suấ t đầ u ra. Ý tư ở ng củ a phư ơ ng pháp này là bằ ng cách kiể m tra tố c độ thay đổ i củ a công suấ t đố i vớ i vậ n tố c(dP/dω ), điể m vậ n hành công suấ t cự c đạ i có thể đạ t đế n khi dP/dω =0, như trong hình 4.3.
Biể u đồ thuậ t toán đư ợ c thể hiệ n trong hình 4.4, nơ i mà các điể m hoạ t độ ng (ω m(k),P(k)) đư ợ c đo và so sánh vớ i (ω m(k-1),P(k-1)) dư ớ i tố c độ gió xác đị nh vw(i).
Trong đó k là ký tự củ a các điể m đơ lư ờ ngvớ i vậ n tố c gió riêng biệ t Vw(i). Trong tấ t cả các điể m đo lư ờ ng (ω m(k),P(k)), chỉ có mộ t điể m duy nhấ t có giá trị dP/dω =0 và đó là điể m vậ n hành tố i ư u (ω mopt(i),Popt(i)). Phư ơ ng thứ c này cầ n đư ợ c tiế n hành trong mọ i thờ i điể m vớ i các vậ n tố c gió khác nhau (i=1,2…). Theo thông tin từ các điể m lý tư ở ng, cả vậ n tố c rotor hoặ c vòng lặ p củ a bộ chuyể n đổ i đề u có thể đư ợ c tinh chỉ nh. Mặ c dù bư ớ c bám công suấ t có thể đư ợ c sử dụ ng để tăng hiệ u quả củ a phư ơ ng pháp này, như ợ c điể m chính củ a phư ơ ng pháp chính là sự đáp ứ ng chậ m trong việ c đo lư ờ ng và tính toán công suấ t đầ u ra so vớ i sự thay đổ i nhanh chóng củ a tố c độ gió.
Hình 4.4: MPPT dự a trên phát công suấ t ngõ rađị nh mứ c