L ỜI CẢM ƠN
2.2 Điều khiển vòng kín: Các vấn đề và mục tiêu
2.2.1 Điều khiển Pitch
Điều khiển pitch là cách thức phổ biến nhất của việc điều khiển điện khí động học tạo ra bởi turbine quay. Điều khiển pitch cũng có ảnh hưởng lớn trên tất cả các tải khí động học tạo ra bởi rotor.
Dưới tốc độ gió định mức, turbine đơn giản là cần phải cố gắng để tạo ra càng nhiều năng lượng càng tốt, do đó nói chung là không cần phải thay đổi bước răng. Các tải khí động học dưới tốc độ gió định mức thường thấp hơn so với ở mức trên định mức, vì cậy một lần nữa không có cần thiết để điều chỉnh việc sử dụng điều khiển pitch. Tuy nhiên, để cốđịnh tốc độturbine, bước răng tối ưu để hiệu quả khí động học thì phải thay đổi đôi chút với tốc độ gió. Do đó, trên một số turbine, bước răng được thay đổi từ từ một vài độ dưới định mức để đáp ứng với một tín hiệu đo gió trung bình hoặc tín hiệu năng lượng đầu ra.
Trên tốc độ gió định mức, điều khiển pitch cung cấp một phương pháp rất có hiệu quảđểđiều tiết điện khí động học và tải trọng được tạo ra bởi rotor để giới hạn thiết kế không bị vượt quá giá trị giới hạn. Tuy nhiên, đểđạt được sựđiều chỉnh tốt, điều khiển pitch cần phản ứng rất nhanh với điều kiện thay đổi. Hành động điều khiển hoạt động mạnh này cần thiết kế rất cẩn thận vì nó ảnh hưởng lớn đến phần động lực của turbine.
Một trong những tác động mạnh nhất là với phần động lực của tháp. Khi cánh nghiêng để điều chỉnh momen khí động học, lực đẩy khí động trên rotor cũng thay đổi đáng kể, và điều này làm cho tháp bị chấn động và rung. Khi gió tăng, góc nghiêng tăng để duy trì momen không đổi, nhưng lực đẩy rotor giảm. Điều này cho phép tháp lệch theo hướng gió giảm, và khi đỉnh tháp di chuyển ngược chiều tốc độ
29
gió nhìn thấy bởi sự tăng rotor. Momen khí động học tăng lên, gây ra sự nghiêng nhiều hơn. Rõ ràng nếu điều khiển pitch đạt được quá cao sự phản hồi dương thì có thể dẫn đến mất ổn định. Do đó điều quan trọng cần lưu tâm đến đó phần động lực tháp khi thiết kế một bộđiều khiển pitch.
2.2.2 Điều khiển giảm tốc
Nhiều turbine được điều chỉnh giảm tốc, có nghĩa là các cánh quạt được thiết kế để giảm tốc trong gió mạnh mà không cần bất kỳ hoạt động bước răng nào khi được yêu cầu. Điều này có nghĩa là thiết bị truyền động bước răng không bắt buộc, mặc dù một số biện pháp phanh khí động học có thể sẽ được yêu cầu, chỉ trong trường hợp khẩn cấp.
Để đạt được điều chỉnh giảm tốc độ gió hợp lý, turbine phải hoạt động sát với sự sụt tốc hơn so với sựđiều chỉnh bước răng, dẫn đến làm giảm hiệu quả về khí động học thấp hơn định mức. Nhược điểm này có thể được cải thiện trong một turbine biến đổi tốc độ, khi tốc độ rotor có thểđược thay đổi dưới định mức để duy trì hệ số công suất đỉnh.
Để cho các turbine giảm tốc hơn là tăng tốc trong gió mạnh, tốc độ rotor phải được hạn chế. Trong một turbine tốc độ cố định thì tốc độrotor được kiềm chế bởi máy phát điện, được điều chỉnh bởi tần số mạng lưới, miễn là momen vẫn dưới momen mất đồng bộ. Trong một turbine biến đổi tốc độ, tốc độ được duy trì bằng cách đảm bảo rằng momen máy phát được thay đổi để phù hợp với momen khí động học. Một turbine biến đổi tốc độ cung cấp khảnăng làm chậm rotor xuống trong gió mạnh để đưa nó vào trạng thái giảm tốc. Điều này có nghĩa là turbine có thể hoạt động thêm tại điểm giảm tốc trong gió yếu, để đạt được hiệu quả khí động học cao hơn. Tuy nhiên, cách thức này có nghĩa là khi một cơn gió mạnh đập vào turbine, momen tải không những tăng lên để phù hợp với momen gió mà còn phải tăng cường hơn nữa việc làm chậm rotor trong chế độ giảm tốc. Điều này loại bỏ một trong những ưu điểm chính của quá trình biến đổi tốc độ, cụ thể là nó cho phép kiểm soát rất mịn momen và công suất đỉnh định mức.
30
2.2.3 Điều khiển momen máy phát
Momen một máy phát điện sinh ra do tốc độ và công suất của rotor turbine. Khi momen khí động học khác nhau, tốc độrotor thay đổi theo một lượng nhỏ làm thay đổi momen máy phát để phù hợp với momen khí động học. Các momen máy phát có thể vì vậy không được kiểm soát một cách linh hoạt.
Tuy nhiên, nếu một bộ biến tần được đặt xen giữa máy phát và mạng lưới, tốc độ máy phát sẽ có thểthay đổi. Bộ biến tần có thể kiểm soát linh hoạt để duy trì momen máy phát liên tục hoặc năng lượng đầu ra của tốc độgió tăng trên mức định mức. Dưới mức định mức, momen có thểđược kiểm soát dưới bất kỳ giá trị mong muốn nào.
Có một số cách thức để đạt được hoạt động thay đổi tốc độ. Với hệ thống sử dụng DFIG, một là kết nối các stator máy phát vào mạng lưới thông qua bộ biến tần, sau đó phải được tính toán với toàn bộ năng lượng đầu ra của turbine. Sự lắp ráp lựa chọn bao gồm một máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn với stator kết nối trực tiếp với mạng lưới và với rotor kết nối với lưới thông qua các vành trượt và biến tần. Điều này có nghĩa là bộ biến tần chỉ cần được tính toán để xử lý một phần nhỏ của tổng năng lượng, mặc dù phần này lớn hơn, lớn hơn phạm vi tốc độ có thể sẽđạt được.
2.2.4 Điều khiển hướng trụ (Yaw)
Các turbine dù có ngược gió hay theo chiều gió, nói chung là vững tại yaw với ý nghĩa rằng nếu vỏ bọc động cơ độc lập với yaw, thì turbine tất nhiên vẫn sẽ hướng vào cơn gió. Tuy nhiên, nó có thể không hướng chính xác vào gió, trong trường hợp một sốđiều khiển hoạt động của góc vỏđộng cơ là cần thiết để bắt được điểm năng lượng cực đại. Từ đó một bộ truyền động yaw thường được yêu cầu, ví dụ để khởi động và cho việc tháo cáp treo, có thể cũng được sử dụng để theo dõi hoạt động trục yaw. Trục yaw độc lập có lợi thế là nó không tạo ra bất kỳ momen trục nào ở vòng bi trục yaw. Tuy nhiên, nó thường là cần thiết để có ít nhất một số chống rung yaw, trong trường hợp này sẽ có một momen tại ổ bi.
31
Trong thực tế, hầu hết các turbine đều sử dụng hoạt động điều khiển yaw. Một tín hiệu lỗi yaw từ cánh gió được sử dụng để tính toán một tín hiệu đáp ứng cho các thiết bị truyền động yaw. Thông thường, tín hiệu đáp ứng sẽ chỉđơn giản là một lệnh để xoay trụ với một tỉ lệ cố định nhỏ hoặc một hướng khác. Các tín hiệu cánh yaw phải được lấy trung bình, đặc biệt là cho các turbine hướng gió nơi cánh là đằng sau rotor. Bởi vì sự phản ứng chậm chạp của hệ thống điều khiển yaw, một bộ điều khiển dead-band là đủ. Động cơ yaw được bật lên khi lỗi yaw trung bình vượt quá một giá trị nhất định và tắt trở lại sau một thời gian nhất định hoặc khi vỏ bọc động cơ đã chuyển qua một góc độ nhất định.
Các thuật toán điều khiển phức tạp hơn đôi khi được sử dụng, nhưng sựđiều khiển luôn luôn là hoạt động chậm, và không yêu cầu bất kỳ cân nhắc thiết kế đặc biệt nào. Một ngoại lệ là trường hợp điều khiển yaw hoạt động điều chỉnh điện khí động học trong gió mạnh. Điều này đòi hỏi đánh giá yaw nhanh chóng và kết quả trong tải yaw lớn và tải khí động học bất đối xứng trên rotor. Phương pháp điều chỉnh điện năng này sẽ là quá chậm cho một turbine tốc độ cốđịnh.
2.2.5 Ảnh hưởng của điều khiển trên các tải
Việc điều chỉnh năng lượng hệ điện gió rất quan trọng khi gió mạnh cũng như gió yếu nhằm đảm bảo cân bằng năng lượng phát ra của hệ thống và phụ tải và cần bộ điều khiển tối ưu. Việc thiết kế bộ điều khiển phải dựa trên tính toán công suất tải đảm bảo không gây ra quá tải cho hệ điện gió, đồng thời không phát công suất lớn hơn tải gây sự cố cho hệ thống. Vì vậy trong hệ thống điện gió độc lập luôn có bộ xả tải cho máy phát (dumpload) và tích trữ năng lượng (energy storage), thường sử dụng bộắc quy (battery). Sơ đồ khối của một hệ PMSG làm việc độc lập và nối lưới được thể hiện trên hình 2.1.
32
a) Hệ làm việc độc lập b) Hệ nối lưới Hình 2.1: Cấu trúc hệphong điện sử dụng PMSG.
2.2.6 Xác định mục tiêu điều khiển
Mục tiêu chính của bộ điều khiển vòng kín thường có thểđược nêu khá đơn giản. Ví dụ mục tiêu chính của bộ điều khiển pitch có thể là để hạn chế công suất hoặc tốc độ rotor trong gió mạnh. Có thể có nhiều hơn một mục tiêu chính, như trong trường hợp điều khiển pitch hoặc momen cũng được sử dụng để tối ưu hóa năng lượng trong gió thấp.
Tuy nhiên, khi bộđiều khiển có thể có ảnh hưởng lớn đến tải trọng cơ cấu và rung động, thì nó là việc quan trọng để xem xét khi thiết kế các thuật toán điều khiển. Vì vậy, một mô tảđầy đủhơn về các mục tiêu điều khiển pitch có thể là: - Đểđiều chỉnh momen khí động học ở tốc độ gió trên định mức.
- Để giảm thiểu đỉnh trong momen hộp số. - Để tránh hoạt động bước răng quá mức.
- Để giảm thiểu tải cơ sở tháp càng nhiều càng tốt bằng cách kiểm soát độ rung tháp. - Để tránh làm trầm trọng thêm trục và gốc cánh tải.
Rõ ràng một trong số các mục tiêu xung đột với những cái khác, vì vậy trong quá trình thiết kếđiều khiển chắc chắn sẽliên quan đến một mức độ thỏa hiệp hoặc tối ưu hóa. Để làm điều này, nó là cần thiết để xác định sốlượng các mục tiêu khác nhau. Nó thường là gần như không thể làm điều này với mọi sự chính xác, bởi vì các tải trọng khác nhau có thể ảnh hưởng đến không chỉ là chi phí của các thành phần khác nhau mà còn ảnh hưởng đến độ tin cậy của chúng. Ngay cả sự cân bằng
33
giữa năng lượng thu được và chi phí thành phần không phải là đơn giản, vì nó sẽ phụ thuộc vào chế độ gió, lãi suất chiết khấu, và kiến thức về giá trong lương lai cho việc bán điện. Do đó, một số mức độ của quyết định sẽluôn được yêu cầu trong việc đưa ra một thiết kế bộđiều khiển chấp nhận được.
2.2.7 Bộđiều khiển PI và PID
Bộđiều khiển tỉ lệ và tích phân (PI) là một thuật toán được sử dụng rất rộng rãi để kiểm soát tất cả các loại thiết bị và quy trình. Các hoạt động điều khiển được tính như tổng hợp của hai điều kiện, một tỉ lệ để kiểm soát lỗi, đó là sự khác biệt giữa giá trị mong muốn và thực tế về số lượng phải được kiểm soát, và một tỉ lệđể tích phân của kiểm soát lỗi. Số hạng tích phân đảm bảo rằng trong trạng thái ổn định kiểm soát lỗi có xu hướng về 0 – nếu nó không như vậy, số hạng tích phân sẽ làm cho các hoạt động kiểm soát tiếp tục tăng. Các số hạng tỉ lệ làm cho các thuật toán đáp ứng tốt hơn với những thay đổi nhanh chóng về sốlượng được kiểm soát.
Một số hạng khác thường được bổ sung, trong đó cung cấp một đóng góp vào hoạt động kiểm soát tỉ lệđể đánh giá sự thay đổi của kiểm soát lỗi. Sau đó nó được biết đến như một bộ điều khiển PID. Trong thuật ngữ toán tử Laplace s, thứ hữu ích có thểcoi như một toán tử vi phân, bộđiều khiển PID từ tín hiệu đo x đến tín hiệu điều khiển y có thểđược viết như sau:
𝑦𝑦 = �𝐾𝐾𝑝𝑝 +𝐾𝐾𝑖𝑖
𝑠𝑠 + 𝐾𝐾𝑑𝑑
1+𝑠𝑠𝑇𝑇𝑑𝑑� 𝑥𝑥 (2-1)
Trong đó: 𝐾𝐾𝑝𝑝, 𝐾𝐾𝑖𝑖 và 𝐾𝐾𝑑𝑑 là những thành phần tỉ lệ, tích phân và đạo hàm tương ứng. Mẫu số của biểu thức về bản chất là một bộ lọc thông thấp, và là cần thiết đểđảm bảo rằng sựtăng của thuật toán không tăng vô hạn định với tần số, mà sẽ làm cho thuật toán đáp ứng nhanh với nhiễu tín hiệu. Đặt 𝐾𝐾𝑑𝑑 = 0 sẽ trở thành bộđiều khiển PI.
2.3 Các phương pháp điều khiển máy phát[6,7,8,9]2.3.1 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 2.3.1 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ
a) Khái quát vềmáy phát không đồng bộ:
Trong các hệ thống phát điện chạy sức gió có hai loại máy phát không đồng bộđược sử dụng:
34
- Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), còn được gọi là máy phát không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG). Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn có stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía rotor được nối với lưới ra thiết bị điều khiển. Hệ thống ắc quy kích từ chỉ cần thiết khi hệ thống máy phát hoạt động ở chếđộđộc lập, không hòa với lưới điện.
- Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage Induction Generator: SCIG). Khác với máy phát không đồng bộ rotor dây quấn, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc có stator nối với lưới qua thiết bị điều khiển. Hệ thống ắc quy kích từcũng chỉ cần thiết khi máy phát hoạt động ở chếđộđộc lập.
Dễ dàng chỉ ra các ưu nhược điểm của hệ DFIG và SCIG:
- Do thiết bị điều khiển của máy phát không đồng bộ rotor dây quấn nằm ở phía rotor nên công suất chỉ còn bằng cỡ 1/3 công suất của máy phát. Dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều so với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc là loại cần thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, và do đó có công suất bằng chính công suất của hệ thống máy phát. - Tuy vậy, nhờ có thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, loại máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc dễđiều khiển hơn rất nhiều so với máy phát không đồng bộ rotor dây quấn. Đặc biệt là trong những trường hợp có sự cố vềphía lưới.
35
Trong một thời gian khá dài – khi mà kỹ thuật điều khiển còn phát triển chưa đầy đủ - vẫn tồn tại hệ thống phát điện chạy sức gió có tốc độ quay cố định, khiến cho khả năng khai thác năng lượng từ nguồn gió rất hạn chế. Lớp đặc tính của tốc độ gió trong hình 2.2 đã chỉ ra rõ ràng: Mỗi tốc độgió đều có một điểm công suất cực đại ta cần khai thác, tạo thành đường “Công suất tối ưu” (hay còn gọi là Đường công suất cực đại – MPPT: Maximal Power Point Tracking). Để hệ thống có thể khai thác năng lượng tốt nhất, ta cần điều khiển turbine sao cho tốc độ quay của máy phát luôn bám sát điểm “maximum” đó, dẫn đến các chếđộ vận hành trên đồng bộ (oversynchronouns, n/nN>1) hoặc dưới đồng bộ (subsynchronouns, n/nN<1). Tuy nhiên, vấn đề điều khiển turbine thường được đặt ra với các hệ thống công suất lớn hoặc rất lớn (vài trăm kW trở lên).
b) Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (DFIG):
Hình 2.3: Phạm vi hoạt động của máy phát DFIG (a); với dòng năng lượng chảy ở chếđộ máy phát thuộc phạm vi dưới đồng bộ(b); và trên đồng bộ (c).
Nhờ khả năng cấp nguồn từ phía rotor, máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn cho phép đơn giản bốn chếđộ vận hành như hình 2.3a. Hoàn toàn độc lập với tốc độquay cơ học (trên hoặc dưới đồng bộ), việc máy hoạt động ở chếđộ động cơ hay máy phát chỉ phụ thuộc vào dấu cho trước của momen mM. Theo hình 2.3a,