L ỜI CẢM ƠN
2.1 Chức năng của bộ điều khiển turbine gió[4]
2.1.1 Điều khiển giám sát
Điều khiển giám sát có thểđược coi như là cách thức nhờ đó mà các turbine được chuyển từ trạng thái hoạt động này sang trạng thái hoạt động khác. Các trạng thái hoạt động có thể là:
26
- Stand-by, Chếđộ chờ, đó là khi turbine có thể chạy nếu điều kiện bên ngoài cho phép.
- Start-up, Chếđộ khởi động.
- Power production, Chếđộ sản sinh điện năng. - Shutdown, Chếđộ tắt máy.
- Stopped with fault, Chếđộ dừng khi có lỗi.
Có thể hình dung các trạng thái khác, hoặc có thể có ích khi chia nhỏ hơn nữa một số các trạng thái. Cũng như quyết định khi nào bắt đầu chuyển đổi một trạng thái sang trạng thái khác, bộ điều khiển giám sát sẽ thực hiện các điều khiển theo trình tự cần thiết. Bộ điều khiển giám sát sẽ phải kiểm tra xem mỗi giai đoạn được hoàn thành trước khi chuyển sang bước tiếp theo. Nếu có bất kỳgiai đoạn nào không được hoàn thành trong một thời gian nhất định, hoặc nếu có lỗi được phát hiện, thì bộđiều khiển giám sát sẽthay đổi để dừng chếđộ đó lại.
2.1.2 Điều khiển vòng kín
Bộ điều khiển vòng kín thường là một hệ thống dựa trên phần mềm sẽ tự động điều chỉnh trạng thái hoạt động của turbine để giữ nó trên một sốđường cong tác động được xác định trước hoặc đặc trưng. Một số ví dụ về các vòng điều khiển như vậy là:
- Điều khiển bước cánh để điều tiết sản lượng điện của turbine với mức tốc độ gió trên ngưỡng cho phép.
- Điều khiển bước cánh để theo một đường tốc độ định trước trong quá trình khởi động hoặc tắt máy của turbine.
- Điều khiển momen của máy phát để điều chỉnh tốc độ quay của turbine có tốc độ gió thay đổi.
- Điều khiển động cơ Yaw để hạn chế tối đa các lỗi theo dõi Yaw.
Một sốcác vòng điều khiển có thể yêu cầu phản ứng rất nhanh để ngăn chặn các turbine chệch xa đường cong vận hành chính xác của nó. Bộđiều khiển này có thể cần phải được thiết kế rất cẩn thận nếu hiệu suất tốt đạt được mà không ảnh hưởng bất lợi đến các khía cạnh khác của quá trình hoạt động turbine.
27
2.1.3 Hệ thống an toàn
Đó là điều cần thiết để xem xét hệ thống an toàn như sự khác biệt rõ ràng giữa hệ thống điều khiển chính và hệ thống điều khiển bình thường của một turbine. Chức năng của nó là để mang lại cho turbine trạng thái an toàn trong trường hợp có vấn đề nghiêm trọng hoặc rất nghiêm trọng. Điều này thường có nghĩa là đưa turbine về chếđộ dừng bằng phanh tác dụng.
Bộđiều khiển giám sát bình thường turbine gió phải có khảnăng khởi động và dừng turbine một cách an toàn trong mọi điều kiện có thể dựđoán bình thường, bao gồm gió nặng, mạng lưới điện, và hầu hết các điều kiện lỗi được phát hiện bởi bộđiều khiển. Hệ thống an toàn đóng vai trò như một sựsao lưu cho hệ thống điều khiển chính, và phải chiếm quyền nếu hệ thống chính không làm được điều này. Nó cũng có thểđược kích hoạt bằng một nút điều khiển hành trình dừng khẩn cấp.
Do vậy hệ thống an toàn phải được độc lập với hệ thống điều khiển chính, và phải được thiết kế sao cho có độ an toàn và tin cậy cao. Thay vì sử dụng hình thức máy tính hoặc vi xử lý logic, hệ thống an toàn thông thường bao gồm một mạch an toàn nối cứng liên kết với một sốrơ-le tiếp điểm thường mở được giữ đóng khi tất cả không gặp sự cố nào. Sau đó, nếu bất kỳ một trong những tiếp điểm bị mất, hệ thống an toàn tác động, làm cho hoạt động đảm bảo an toàn tương ứng thực hiện. Điều này có thể bao gồm ngắt kết nối tất cả các hệ thống điện từ các nguồn cung cấp, và cho phép lò xo tác động trục phanh hãm tiến vào.
Hệ thống an toàn có thể bị ngắt bởi một trong các cách sau:
- Rotor quá tốc độ, tức là đạt đến giới hạn tốc độđặt của phần cứng – điều này được đặt cao hơn giới hạn quá tốc độ phần mềm nó sẽ khiến cho bộ điều khiển giám sát bình thường bắt đầu tắt máy.
- Cảm biến rung động nhả, điều này có thể chứng tỏ rằng một sự phá hỏng cấu trúc lớn có thể xảy ra.
- Bộ điều khiển định thời giám sát hết hiệu lực: bộ điều khiển cần phải có một bộ định thời giám sát mà nó thiết lập lại mỗi bước thời gian điều khiển – nếu nó không
28
được thiết lập lại trong thời gian này, điều này chỉ ra rằng bộđiều khiển bị lỗi và hệ thống an toàn nên tắt các turbine.
- Nút dừng khẩn cấp ép buộc bởi người vận hành.
- Các lỗi khác chỉ ra rằng bộđiều khiển chính có thể không có khả năng kiểm soát turbine.
2.2 Điều khiển vòng kín: Các vấn đề và mục tiêu 2.2.1 Điều khiển Pitch 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