b) Nhược điểm
2.1.2. Phương pháp điều khiển TSR
Theo phương pháp này ta tiến hành điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để duy trì tốc độ đầu cánh đến giá trị tối ưu mà tại đó công suất được trích ra là tối đa. Phương pháp này đòi hỏi cả tốc độ gió và tốc độ turbine phải được đo hoặc ước tính ngoài việc đòi hỏi kiến thức về TSR tối ưu của turbine để hệ thống có thể trích xuất công suất tối đa có thể. Sơ đồ khối của WECS với phương pháp điều khiển TSR được chỉ ra trên Hình 2.1.
Hình 2. 1: Điều khiển tốc độ đầu cánh của WECS 2.1.3. Phương pháp điều khiển PSF
Theo phương pháp này ta cần phải có kiến thức về đường cong công suất cực đại của Tua bin gió và theo dõi đường cong này thông qua các cơ chế điều khiển của nó. Các đường cong công suất tối đa cần phải đạt được thông qua các mô phỏng hoặc thử nghiệm ngoại tuyến trên các turbine gió riêng lẻ. Trong phương pháp này, công suất tham chiếu được tạo ra bằng cách sử dụng đường cong công suất tối đa được ghi lại hoặc sử dụng phương trình công suất cơ học của turbine gió trong đó tốc độ gió hoặc tốc độ rôto được sử dụng làm đầu vào. Hình 2.2 cho thấy sơ đồ khối của WECS với bộ điều khiển PSF để khai thác năng lượng tối đa.
Hình 2. 2: Phương pháp PSF 2.1.4. Phương pháp điều khiển leo đồi
Thuật toán điều khiển HCS liên tục tìm kiếm công suất cực đại của turbine gió. Thuật toán theo dõi, tùy thuộc vào vị trí của điểm vận hành và mối quan hệ giữa các thay đổi về công suất và tốc độ, tính toán tín hiệu tối ưu mong muốn để đưa hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
đến điểm công suất tối đa. nguyên tắc điều khiển HCS được chỉ ra trên Hình 2.3 và Hình 2.4 là sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với bộ điều khiển HCS để theo dõi các điểm công suất tối đa.
Hình 2. 3: Nguyên tắc điều khiển HCS
Hình 2. 4: WECS với thuật toán leo đồi
2.2. CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG TURBINE GIÓ
Trong khai thác điện gió về nguyên tắc ta có thể dùng một máy phát bất kỳ gắn với turbine gió, tuy nhiên thực tế người ta thường sử dụng 3 loại máy phát điện, đó là:
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG)
Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn (nguồn kép) (FDIG)
2.2.1. Turbin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) cho hệ thống phát điện sức gió có ưu điểm mật độ năng lượng cao, có độ hao mòn thấp, nhỏ gọn, hiệu quả, có độ ồn và chi phí bảo trì thấp. Có ba cấu hình thường được sử dụng cho WECS với
các máy này để chuyển đổi điện áp biến đổi và công suất tần số thay đổi thành tần số cố định và công suất điện áp cố định. Các cấu hình bộ chuyển đổi điện tử công suất được sử dụng phổ biến nhất cho máy phát điện gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được hiển thị trong Hình 2.5.
.
Hình 2. 5: Hệ thống turbine gió sử dụng PMSG
Trong Hình 2.5.a điện áp 3 pha từ máy phát PMSG của turbine gió được chuyển đổi thành điện áp một chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển sau đó qua bộ nghịch lưu nguồn áp biến đổi thành điện xoay chiều 3 pha cung cấp cho tải. Tác động điều khiển chỉ được thực hiện ở bộ nghịch lưu.
Hình 2.5.b điện áp 3 pha từ máy phát PMSG của turbine gió được chuyển đổi thành điện áp một chiều qua bộ chỉnh lưu điều khiển sau đó qua bộ nghịch lưu nguồn áp biến đổi thành điện xoay chiều 3 pha cung cấp cho tải. điểm khác của sơ đồ này so với sơ đồ Hình 2.5a là tác động điều khiển có thể được thực hiện ở chỉnh lưu và ở bộ nghịch lưu. Tùy thuộc vào cấu hình bộ chuyển đổi điện tử công suất cụ thể được sử dụng với turbine sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu mà ta có các bộ điều khiển MPPT khác nhau. Tất cả ba phương pháp của thuật toán điều khiển MPPT có thể được sử dụng để điều khiển MPPT cho PMSG-WECS.
a)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.2.2. Turbine gió sử dụng máy phát điện cảm ứng (SCIG)
Việc sử dụng máy phát điện cảm ứng (IG)( hay còn gọi là máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc) có ưu điểm là đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp, vận hành đoen giản, chắc chắn, tin cậy song chúng có nhược điểm chúng cần dòng điện xoay chiều kích từ do đó cần có sự hỗ trợ công suất phản kháng bên ngoài từ lưới điện. các bộ chuyển đổi năng lượng gió với máy điện cảm ứng được trang bị bộ chuyển đổi tần số back-to- back PWM cũng cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển tiên tiến. cấu hình phổ biến nhất của SCIG WECS được biểu diễn trong Hình 2.6
Hình 2. 6: Hệ thống turbine gió sử dụng máy phát điện KĐB
Trong hệ thống này 2 bộ chuyển đổi đều có điều khiển, việc điều khiển MPPT trong hệ thống được thực hiện thông qua bộ điều khiển phía máy. Tất cả các thuật toán điều khiển MPPT trình bày trong mục 2.1 đều có thể được áp dụng để điều khiển hệ thống IG-WECS.
2.2.3. Turbine gió sử dụng máy phát điện nguồn kép
Các hệ thống turbine gió sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ không đồng bộ rotor lòng sóc có những nhược điểm như chúng có tỉ số chuyển đổi năng lượng với một công suất lớn làm cho chi phí sản suất điện đắt hơn, việc thiết kế bộ lọc khó khăn và tốn kém. Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi năng lượng đóng một vai trò quan trọng trong tổng hiệu suất hệ thống trên toàn bộ phạm vi hoạt động. bộ chuyển đổi năng lượng gió vớ máy phát điện nguồn kép có cấu trúc như Hình 2.7 với các bộ biến đổi điện tử công suất được đặt trong mạch rotor có nhiều ưu điểm hơn nên được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Ưu điểm nổi bật của hệ
thống này là các bộ biến đổi điện tử công suất chỉ thực hiện chuyển đổi phần năng lượng có công suất nhỏ nên giảm chi phi cho biến tần và chi phí các bộ lọc đồng thời sóng hài do biến tần chiếm một phần nhỏ hơn trong tổng số hài của hệ thống. Trong hệ thống này, việc điều khiển hệ số công suất có thể được thực hiện với chi phí thấp hơn, bởi vì hệ thống DFIG về cơ bản hoạt động của máy phát điện tương tự như một máy phát đồng bộ. Bộ chuyển đổi phải cung cấp năng lượng kích thích. Mặc dầu chi phí cao hơn của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc nhưng bù lại kích thước của bộ biến đổi công suất giảm và tăng sản lượng năng lượng. Điều khiển MPPT trong hệ thống như vậy được thực hiện bằng hệ thống điều khiển phía máy.
Hình 2. 7. Tuarbine gió sử dụng máy phát điện nguồn kép
2.3. MPPT CHO TURBINE GIÓ VỚI MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU THÍCH VĨNH CỬU
2.3.1. Sơ đồ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống turbine gió có tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chỉ ra trên Hình 2.8. Trong trường hợp này không đòi hỏi kiến thức về tốc độ gió, mật độ không khí hoặc các thông số turbine. Việc điều khiển MPPT được thực hiện ở bộ điều khiển phía máy phát.
Bộ điều khiển MPPT có đầu vào là công suất tác dụng tức thời P0(k) đầu ra của nó là lệnh tốc độ tối ưu làm (ω*) được dùng làm tham chiếu cho vòng điều khiển tốc độ theo phương pháp tựa từ thông rotor của bộ điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát. Điều khiển véc tơ của bộ biến đổi phía lưới được thực hiện trong khung tham chiếu vector điện áp lưới.
Bộ điều khiển MPPT tính toán tốc độ tối ưu cho điểm công suất tối đa bằng cách sử dụng thông tin về cường độ và hướng thay đổi của đầu ra công suất do sai số giữa tốc độ dặt và tốc độ thực tế. Lưu đồ thuật toán điều khiển MPPT được chỉ ra trên hình 2.9. Hoạt động của chúng được giải thích như sau:
Đo công suất tác dụng P0(k), nếu chênh lệch giữa các giá trị hiện tại và các mẫu lấy mẫu trước đó ΔPo (k) nằm trong giới hạn công suất thấp hơn và giới hạn PL và PM
tương ứng thì không có hành động nào được thực hiện; tuy nhiên, nếu sự khác biệt nằm ngoài phạm vi này, thì một số hành động điều khiểnt cần thiết được thực hiện. Hành động điều khiển được thực hiện phụ thuộc vào cường độ và hướng thay đổi của công suất tác dụng do thay đổi tốc độ.
Nếu công suất trong tức thời tại thời điểm lấy mẫu tăng lên tức là ∆P0(k) >0 do tốc độ lệnh tăng hoặc tốc độ lệnh không thay đổi tại thời lấy mẫu trước đó tức là ∆ω*(k-1) ≥ 0, thì tốc độ lệnh được tăng lên.
Nếu công suất trong tức thời tại thời điểm lấy mẫu tăng lên tức là ∆P0(k) > 0 do tốc độ lệnh giảm tại thời lấy mẫu trước đó tức là ∆ω*(k-1)<0, thì tốc độ lệnh được giảm đi.
Hơn nữa, nếu công suất trong tức thời lấy mẫu hiện tại bị giảm đi tức là do tốc độ lệnh không đổi hoặc tăng trong tức thời lấy mẫu trước đó tức là là ∆ω*(k- 1)≥0, thì tốc độ lệnh bị giảm.
Cuối cùng, nếu công suất trong tức thời lấy mẫu hiện tại bị giảm xuống tức là ∆P0(k) < 0 do giảm tốc độ lệnh trong tức thời lấy mẫu trước đó tức là ∆ω*(k-1) < 0, thì lệnh tốc độ tăng lên
Độ lớn của sự thay đổi, nếu có, trong tốc độ lệnh trong chu kỳ điều khiển được quyết định bởi tích của sai số công suất ∆P0(k) và C. Các giá trị C được quyết định bởi tốc độ của gió. Trong quá trình tìm kiếm điểm làm việc có công suất tối đa, sản phẩm được đề cập ở trên giảm chậm và cuối cùng bằng 0 tại điểm công suất cực đại.
Hình 2. 8.1: Lưu đồ thuật toán bộ điều khiển MPPT 2.3.2. Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT
Sau đây là kết quả mô phỏng hoạt động của thuật toán MPPT thực hiện cho bộ điều khiển phía máy phát. Sơ đồ mô phỏng như hình 2.9 với các số liệu như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
+ Máy phát điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu: Pg = 1,1kW; Rs = 8,39; Ls = 0,08483H; n = 500v/phút
+ Turbine gió: Pm = 1,32kW; vw = 10m/s; R = 1,26m; opt = 6,597; Cpm = 0.48; J = 1,5kgm2
+ Nguồn: v = 240V; L = 0,005H; Vdc = 400V
Hình 2. 9: Sơ đồ mô phỏng
Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên Hình 2.10, Hình 2.11 và hình 2.12. Trong đó: Hình 2.10 biểu diễn sự thay đổi của tốc độ gió; Hình 2.11 biểu diễn sự thay đổi của tốc độ turbine gió; Hình 2.12 biểu diễn đáp ứng công suất tác dụng của hệ thống
Hình 2. 11: Tốc độ góc của turbinr
Hình 2. 12: đáp ứng công suất tác dụng
Để có khả năng theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại ở cả dải tốc độ gió cao và tốc độ gió thấp, giá trị của C nên thay đổi theo sự thay đổi tốc độ của gió. C cần có giá trị cao hơn khi ở dải tốc độ thấp và có giá trị giảm đi ở dải tốc độ cao. Tuy nhiên, vì không đo được tốc độ gió, các giá trị của C được xác định bằng cách chạy một số mô phỏng với các giá trị khác nhau và chọn các giá trị hiển thị kết quả tốt nhất.
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Khai thác công suất tối đa có thể từ năng lượng gió có sẵn là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong đó kiểm soát MPPT không cảm biến tốc độ gió là một lĩnh vực nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong chương này, đưa ra một số đánh giá ngắn gọn về các phương pháp điều khiển tìm điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống turbine gió với việc sử dụng các máy phát điện khác nhau. Đồng thời tiến hành mô phỏng để đánh hoạt động của turbin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu.
CHƯƠNG 3
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ TRONG LƯỚI CÔ LẬP CÓ BỘ PHẬN LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG
3.1. MỞ ĐẦU
Ta đã biết hệ thống điện gió làm việc trong lưới điện cô lập có đặc điểm hạn chế về công suất, mặt khác do tốc độ gió luôn luôn biến động dẫn đến công suất của hệ thống cũng biến động theo. Các thuật toán điều khiển MPPT trình bày ở chương 2 mới chỉ giúp nâng cao hiệu suất (hiệu quả) khai thác nguồn năng lượng gió chứ chưa giúp nâng cao độ ổn định của nguồn điện chúng cung cấp. Vì vậy để tăng tính ổn định và chất lượng điện năng, cần đưa vào hệ thống bộ phận lưu trữ năng lượng với chức năng nạp năng lượng khi có sự dư thừa công suất và xả năng lượng khi thiếu. Chương này sẽ trình bày hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng và kết nối với turbine điện gió làm việc cô lập giúp cân bằng cung/cầu và nâng cao chất lượng điện năng toàn hệ thống.
3.2. BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG 3.2.1. Tổng quan 3.2.1. Tổng quan
Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) cung cấp một phương tiện để cải thiện hiệu quả của hệ thống điện khi có sự mất cân bằng giữa cung và cầu. Ngoài ra chúng còn là một yếu tố chính để cải thiện độ ổn định và cất lượng của lưới điện. Chúng đưa thêm một cách linh hoạt vào hệ thống điện khi có sự gián đoạn cung cấp điện trong thời gian ngắn do có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo.
Một công nghệ lưu trữ năng lượng đang thu hút sự quan tâm rất lớn là bánh đà lưu trữ năng lượng (FESS). Công nghệ lưu trữ này có nhiều lợi thế so với các giải pháp lưu trữ khác như vòng đời cao, mật độ lưu trữ năng lượng lớn, có thể lưu trữ lượng năng lượng không giới hạn.
Bánh đà là một thiết bị cơ khí quay được sử dụng để lưu trữ năng lượng quay. Bánh đà có mô-men quán tính lớn, và do đó chống lại sự thay đổi tốc độ quay. Lượng năng lượng được lưu trữ trong một bánh đà tỉ lệ với bình phương tốc độ quay của nó. Năng lượng được chuyển giao cho một bánh đà bằng cách áp dụng mô-men xoắn đối với nó, do đó gây ra tốc độ quay của nó, và do đó năng lượng lưu trữ của nó, gia tăng. Ngược lại, bánh đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí, kết quả làm tốc độ quay giảm.
Công dụng chính của bánh đà là:
Chúng cung cấp năng lượng liên tục khi các nguồn năng lượng không liên tục. Ví dụ, bánh quay được sử dụng trong động cơ pít-tông bởi vì các nguồn năng lượng (mô-men xoắn từ động cơ) là không liên tục.
Chúng cung cấp năng lượng ở mức vượt quá khả năng của một nguồn năng lượng. Điều này đạt được bằng cách thu thập năng lượng trong bánh đà theo thời gian và sau đó giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng, với tốc độ vượt quá khả năng của nguồn năng lượng.
Chúng kiểm soát định hướng của một hệ thống cơ khí. Trong các ứng dụng như vậy, xung lượng góc của một bánh đà là cố ý chuyển tải một khi năng lượng được chuyển đến hoặc từ bánh đà.