Điều khiển bám công suất đỉnh:

4. Tên và cấu trúc nội dung của luận văn

1.5.3. Điều khiển bám công suất đỉnh:

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là tính đạo hàm của Pb theo ω nghĩa là:

b dP d 

Thuận lợi của phương pháp điều khiển bám công suất đỉnh (peak

power tracking control) là một sự thay đổi nhỏ của tốc độ Turbine sẽ

không làm thay đổi công suất của đầu ra. Hơn nữa, phương pháp này không yêu cầu đo tốc độ gió.

Hình 1.13: Phương pháp điều khiển bán đỉnh công suất

Tóm lại để tối ưu các hệ số làm việc của turbine gió, tốc độ của rotor phải được điều khiển phù hợp với mỗi vận tốc gió đầu vào cả hai phương pháp trên đều nhằm đạt được mối quan hệ Pb – CP :

- Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn một giá trị gọi là tốc độ cut-in, Turbine được tắt để tránh hiện tượng quá dòng của máy phát. - Khi tốc độ gió đầu vào lớn hơn tốc độ cut-in và công suất ra nhỏ

hơn công suất định mức, tốc độ của rotor được điều chỉnh tùy theo sự biến đổi của tốc độ gió để làm việc với giá trị TSR , λ là hằng số tương ứng với giá trị cực đại của CP. Vùng làm việc như vậy được gọi là miền CPmax .

- Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, công suất đầu ra đạt đến công suất tới hạn của máy phát điện. Khi đó tốc độ của rotor được điều chỉnh để làm việc với hệ số TSR , λ tương ứng với giá trị CP nhỏ hơn giá trị tối ưu CPtốiưu. Tuabin gió được vận hành ở công suất định mức để tránh quá tải cho máy phát. Vùng làm việc này được gọi là miền công suất ra bằng hằng số.

- Khi tốc độ gió đầu vào quá cao, Turbine gió lại được tắt ra để bảo vệ cánh gió, máy phát và các thành phần khác trong hệ thống. Tốc độ gió mà ở đó Turbine gió ngừng làm việc được gọi là tốc độ cut- out.

Yêu cầu về điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các máy điện một chiều. Tuy nhiên, các máy điện một chiều lại đòi hỏi các chuyển mạch cơ khí, chổi than và dòng một chiều để kích thích máy phát. Chính vì vậy mà chúng chỉ được sử dụng trong các hệ thống biến đổi năng lượng gió có công suất nhỏ.

Các máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy thủy điện. Trong trường hợp này, tần số của máy phát có liên quan trực tiếp đến tốc độ của nó và cũng cần phải có dòng điện một chiều để kích thích từ trường rotor. Do đó, chúng không được phù hợp lắm cho các hệ thống máy phát mà tốc độ biến thiên trong một phạm vi rộng.

Các máy điện không đồng bộ có thể loại bỏ những nhược điểm của cả máy điện một chiều và máy điện đồng bộ.Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích máy phát. Vì vậy, có thể làm việc một cách tin cậy với giá thành và chi phí bảo dưỡng thấp. Hơn nữa, các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể được điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của rotor hoặc đưa thêm hay thu hồi công suất, được gọi là công suất trượt, ở rotor .Các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn như vậy được gọi là máy điện không đồng bộ nguồn kép

(doubly-fed induction machine - DFIM). Chính vì những lý do này, việc

nghiên cứu các máy điện không đồng bộ làm việc với các hệ thống biến đổi năng lượng gió công suất lớn thường là các máy điện không đồng bộ trong các hệ thống biến đổi năng lượng gió với dạng đặc biệt của chúng - các máy

Hình 1.14: Đặc tính điều chỉnh tốc độ của turbine gió

Hiện nay các máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIM đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy phát gió. Tuy nhiên khi mà công suất do các máy phát cung cấp cho hệ thống điện ngày càng tăng chúng cũng bắt đầu bộc lộ một số nhược điểm, chẳng hạn như khả năng làm việc song song với lưới khi lưới có sự cố.

Mục đích của phần điều khiển Turbine gió là để tính toán mômen điện từ chuẩn cho bộ điều khiển máy phát gió và điều khiển góc pitch của các cánh gió. Các phương pháp để cực đại hóa năng lượng ra cho hệ thống biến đổi năng lượng gió đã được đề cập ở trên. Điều này làm sáng tỏ việc tính toán và điều khiển mômen, Cosφ của máy phát và điện áp DC của nguồn một chiều.

Hình 1.15: Tổng quan về điều khiển hệ máy phát sử dụng sức gió

1.5.4. Điều khiển tốc độ :

a. Thay đổi số cặp cực của máy phát cảm ứng : có vận tốc quay được thay đổi khi thay đổi số đôi cực – khi tần số không đổi - .Máy phát có 2 cực , ở tần số 60 Hz thì tốc độ đồng bộ là 3600 v/p, 4 cực khi vận hành ỏ tần số 60 Hz thì vận tốc đồng bộ là 1800 v/p…Chính vì thế , khi thay đổi số cặp cực thì cũng đồng nghĩa với việc thay đổi vận tốc của máy phát . Điều này được thực hiện bằng cách : ở cuộn dây rotor dùng các công tắc thích hợp để làm thay đổi số đôi cực theo từng yêu cầu cụ thể. Máy có thể vận hành ở hai hay ba tốc độ.

b. Điều khiển tốc độ thông qua hộp số (gear box) :trục của turbine gió được nối với trục máy phát thông qua một hộp số .Hộp số này làm cho vận tốc của turbine –thường nhỏ- đạt giá trị đáp ứng phù hợp để máy phát có thể phát ra điện.Hộp số có thể điều chỉnh cho vận tốc ra ở dạng tương đối ổn định khi vận tốc gió thay đổi.

1.6. Điều khiển Pitch:

Khi vận tốc gió nhỏ thì nó sẽ thay đổi góc quay của cánh gió nhằm chuyển hóa vận tốc gió thành vận tốc của turbine cao nhất . Ngược lại khi vận tốc gió lớn thì góc pitch lại thay đổi để hạn chế vận tốc turbine .Điều này có nghĩa là thay đổi hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ năng lượng gió thành cơ năng .Kiểu điều khiển này là kiểu điều khiển linh động.

Hình 1.16: Điều khiển pitch với vận tốc thay đổi dùng máy phát không đồng bộ rotor dây quấn

1.7. Điều khiển stall-control (điều khiển cố định)

Kiểu điều khiển này sử dụng những vị trí cánh gió cố định .Khi vận tốc nhỏ thì turbine gió sẽ ở vào một vị trí đã đặt trước khi thiết kế nhằm làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng.Mặt khác, khi vận tốc gió lớn đến một giá trị nào đó thì turbine gió lại được cố định ở một góc quay khác nhằm hạn chế hiệu suất chuyển hóa để bảo vệ các thành phần trong hệ thống.

1.8. Điều khiển active stall control:

Đây là kiểu điều khiển linh động cả cánh gió và trục turbine .Khi vận tốc gió nhỏ thì cánh gió được điều khiển như điều khiển pitch control để đạt được hệ

số chuyển hóa lớn nhất.Điều khiển loại này cho giới hạn công suất phẳng hơn không có những dao động công suất lớn .

1.9. Một vài cấu trúc điều khiển :

1.9.1.Hệ thống turbine gió với tốc độ cố định:

Đây là cấu trúc điều khiển mà turbine gió sau khi kết nối với hộp số và máy phát điện cảm ứng kiểu lồng sóc thì hệ thống sẽ được nối trực tiếp với lưới điện qua máy biến áp (hình 3.6).

Kiểu điều khiển này sử dụng những vị trí cánh gió cố định. Khi vận tốc nhỏ thì turbine gió sẽ ở vào một vị trí đã đặt trước khi thiết kế nhằm làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng. Mặt khác, khi vận tốc gió lớn đến một giá trị nào đó thì turbine gió lại được cố định ở một góc quay khác nhằm hạn chế hiệu suất chuyển hóa để bảo vệ các thành phần trong hệ thống.

Nhược điểm của cấu trúc điều khiển loại này là cho giới hạn công suất không bằng phẳng và có những dao động công suất lớn.

Hình 1.17: Cấu trúc hệ thống turbine gió với vận tốc cố định

1.9.2.Hệ thống turbine gió với vận tốc thay đổi:

biến đổi điện tử công suất - đây là bộ chuyển đổi từ dòng điện AC sau máy phát, có tần số và điện áp thay đổi liên tục thành dòng điện DC (rectifier) và sau đó biến đổi ngược lại từ DC - AC (inverter) có điện áp và tần số phù hợp để có thể cung cấp lên lưới (hình 3.7).

Phương pháp điều khiển này là điều khiển linh động cả cánh gió và trục turbine. Khi vận tốc gió nhỏ thì cánh gió được điều khiển như điều khiển pitch control để đạt được hệ số chuyển hóa lớn nhất. Điều khiển loại này cho giới hạn công suất phẳng hơn không có những dao động công suất lớn.

Hình 1.18: Cấu trúc hệ thống turbine gió với vận tốc thay đổi

1.9.3.Hệ thống turbine gió vói máy phát nguồn kép DFIG

Đây là cấu trúc điều khiển mà turbine gió sau khi kết nối với hộp số và máy phát điện cảm ứng kiểu rotor dây quấn (Doubly fed induction machine) sẽ tiếp tục kết nối với bộ phận biến đổi điện tử công suất thì hệ thống mới được nối với lưới điện qua bộ lọc và máy biến áp (hình 3.8).

Điểm đặc biệt của hệ thống turbine gió với máy phát nguồn kép là bộ phận biến đổi điện tử công suất để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ, điện áp và hệ số công suất cho toàn bộ hệ thống được cấp nguồn qua bộ phận rotor. Đây là phương pháp điều khiển linh hoạt có nhiều ưu điểm như: Đạt được hệ số chuyển hóa lớn nhất, cho giới hạn công suất bằng phẳng hơn không có những dao động công suất lớn và độ ổn định tương đối cao, nên thường được sử dụng cho những hệ thống máy phát điện có công suất lớn.

Hình 1.19: Cấu trúc hệ thống turbine gió với máy phát nguồn kép

1.10. Kết luận

Chương này luận văn tập trung giới thiệu sơ bộ về năng lượng gió và điều khiển hệ máy phát dùng sức gió. Hệ số công suất của tuabin gió và các thành phần cấu tạo của hệ máy phát sử dụng sức gió các loại máy phát trong hệ thống tua bin gió và các vấn đề khi điều khiển hệ thống biến đổi năng lượng gió, các dạng điều khiển hệ máy phát sử dụng sức gió. Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch và vô tận đối với thiên nhiên. Điều đó là điều tiên quyết đem lại lợi thế của năng lượng gió so với các nguồn năng lượng hóa thạch vốn có hạn và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ TRÊN PHẦN MỀM PSS/E

2.1. Giới thiệu mô phỏng nhà máy điện gió trong phần mềm PSS/E

Máy phát điện tua bin gió được mô hình hóa như máy phát điện thông thường với thông số điện kháng nguồn (X-source) bằng 0,8pu. Trong đó có xem xét cập nhật chế độ điều khiển (Wind machine Control Mode) cũng như hệ số phát/thu công suất phản kháng của nhà máy.

Hình 2.1: Mô phỏng máy phát điện gió trong PSS/E

2.1.1. Chế độ điều khiển máy phát điện gió

 Trong phần mềm PSS/E có 4 chế độ điều khiển máy phát như hình 2.2:

Hình 2.2: Các chế độ điều khiển máy điện gió

- 0: Nếu đây không phải là máy điện gió;

- 1: Nếu đây là một máy điện gió tham gia điều khiển điện áp với các giá trị của QT (QMAX) và QB (QMIN) trên bảng ghi dữ liệu chỉ định giới hạn công suất phản kháng của máy (tương tự như máy phát thông thường);

- 2: Nếu đây là một máy điện gió tham gia điều khiển điện áp với hệ số công suất được chỉ định và cài đặt công suất thực của máy (PG trên bản ghi dữ liệu) được sử dụng để đặt giới hạn công suất phản kháng của máy;

- 3: Nếu đây là một máy điện gió hoạt động ở công suất cố định với công suất phản kháng giới hạn trên và dưới đều bằng nhau và được đặt dựa trên công suất máy và công suất thực PG của máy.

Trong luận văn sử dụng chế độ điều khiển số 2: “+, - Q limits based on WPF” với hệ số công suất máy điện gió là 0,95.

 Hệ số công suất máy điện gió:

- Bỏ qua nếu chế độ điều khiển gió là 0;

- Được sử dụng trong cài đặt giới hạn công suất của máy khi chế độ điều khiển gió là 2 hoặc 3;

- Giá trị âm có thể được chỉ định khi chế độ điều khiển gió là 3 để biểu thị hệ số công suất chủ đạo.

2.1.2. Các loại máy phát điện gió

Loại 1 (WT1) trong trào lưu công suất:

- Chế độ điều khiển gió phải được đặt thành 3 (Máy điện gió với Q cố định dựa trên hệ số của máy phát);

- Người dùng nên mô hình đúng tương đương với một trang trại gió và tính đến số lượng máy gió sẽ được gộp thành một máy tương đương (MBASE tương đương = số lượng máy x MBASE 1 máy);

- Một phần lớn WT1 gồm một bộ tụ điện để giữ cho hệ số ổn định trong phạm vi.

2) Loại 2 (WT2): Máy phát điện cảm ứng có điện trở rôto thay đổi

Hình 2.4: Mô hình máy phát có điện trở rôto thay đổi

Loại 2 (WT2) trong trào lưu công suất:

- Chế độ điều khiển gió phải được đặt thành 3 (Máy điện gió với Q cố định dựa trên hệ số của máy phát);

- Một phần lớn WT1 gồm một bộ tụ điện để giữ cho hệ số ổn định trong phạm vi.

3) Loại 3 (WT3): Máy phát điện cảm ứng nguồn kép DFIG

Hình 2.5: Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép

Loại 3 (WT3) trong trào lưu công suất:

- Chế độ điều khiển gió phải được đặt thành 2 (máy phát điện gió có giới hạn +/- Q dự trên hệ số của máy phát);

4) Loại 4 (WT4): Máy phát điện với bộ chuyển đổi

Hình 2.6: Mô hình máy phát với bộ chuyển đổi

Loại 4 (WT4) trong trào lưu công suất:

- Chế độ điều khiển gió phải được đặt thành 2 (máy phát điện gió có giới hạn +/- Q dự trên hệ số của máy phát);

- Không cần thêm tụ điện.

2.2. Mô hình nhà máy điện gió trong tính toán ổn định

Mô hình turbine gió trong tính toán ổn định được luận văn sử dụng cho nghiên cứu là mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép DFIG của hãng GE (Mỹ), bao gồm các khối điều khiển được cho ở các hình sau:

Hình 2.7:Mô hình gió kết nối giữa các khối điều khiển được đưa vào mô phỏng

Trong đó mô hình khối chức năng lần lượt như sau:

STT Tên khối Miêu tả chức năng

GEWTGCU1

Khối máy phát/ converter máy phát gió GE

2 GEWTECU1 Khối điều khiển điện máy phát gió GE 3

GEWTPTU1

Khối điều khiển góc Pitch máy phát gió GE

GEWTARU1

Khối điều khiển động lực học máy phát gió GE

GEWT2MU1

Mô hình trục tuốc bin 2 khối máy phát gió GE

Hình 2.9: Khối điều khiển điện GEWTECU1-Điều khiển công suất tác dụng

Hình 2.11: Khối điều khiển góc pitch GEWTPTU1

Hình 2.13: Mô hình trục tuốc bin 2 khối GEWT2MU1

Các mô hình sẽ được khai báo trong file nhà máy *.dyr và được phần

Một vài cấu trúc điều khiể n:

Các loại máy phát điện gió