Hộp đối thoại về đặc tính của tín hiệu: Có thể tới được hộp thoại Signal
Properies của một đường nối hoặc bằng cách nháy chuột đánh dấu đường nối trên cửa sổ mơ phỏng, sau đó đi theo menu Edit/Signal Properties từ cửa sổ định dạng đường.
2.2.3 Khai báo tham số trong Simulink
Trước khi tiến hành mơ phỏng ta phải có những thao tác chuẩn bị nhất định: Đó là khai báo tham số và phương pháp mô phỏng. Các thao tác chuẩn bị được thực hiện tại hộp thoại Simulation Parameters. Tại đó tất cả các tham số đều đã có một giá trị mặc định sẵn, nghĩa là: Có thể khởi động mơ phỏng tốt nhất, phải thực hiện chuẩn bị, đặt các tham số phù hợp với mơ hình Simulink cụ thể. [6]
Hình 2.12 Khai báo tham số và phương pháp mơ phỏng
3.1 Thiết lập mơ hình mơ phỏng tốc độ gió
Gió là sự chuyển dịch tuần hồn của khơng khí trong khí quyển gây ra do sự nung nóng khơng đều trên bề mặt Trái đất bởi Mặt trời. Trong những điều kiện thuận lợi nhất định có thể sử dụng nguồn năng lượng này phục vụ nền kinh tế quốc dân nói chung và để phát điện nói riêng.
Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc, nên có thể coi tốc độ gió là nguồn lực của tua bin gió. Do các tuabin gió thường tiếp nhận năng lượng gió ở độ cao H (tốc độ gió trên cao lớn hơn nhiều dưới mặt đất) với vận tốc v khác nhiều so với vận tốc gió đo được ở độ cao (do các trạm quan trác đo được), nên trong tính tốn người ta thường dùng biểu thức sau để xác định tốc độ gió :
V = (3.1)
Trong đó :
là vận tốc gió đo được ở độ cao gần với mặt đất v là vận tốc gió đo được ở độ cao H
là hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió ở độ cao H so với vận tốc gió ở độ cao thông thường hệ số này được chọn là 1/7
Để mô tả chính xác hơn đặc điểm ngẫu nhiên và liên tục của tốc độ gió. Đồ án dựa trên 4 mơ hình thường dùng để phân tích đánh giá tốc độ gió hiện nay , đó là : mơ hình gió cơ bản, mơ hình trận gió, mơ hình gió thay đổi từ từ và mơ hình gió ngâu nhiên.
3.1.1 Gió cơ bản
Gió cơ bản được biểu thị bằng tốc độ gió trung bình theo Weibull tốc độ gió cơ bản được xác định theo biểu thức :
Trong đó :
là vận tốc gió trung bình
tương ứng là hệ số kích thước và hình dạng Weibull cịn gọi là hàm Weibull
Trong thực tế tốc độ gió cơ bản có thể coi là hằng số và bằng với vận tốc gió trung bình đo được
3.1.2 Trận gió
Mơ tả đặc tính tốc độ gió thay đổi đột ngột ( gió giật), thơng thường trận gió được biểu hiện bằng biểu thức :
(3.3) Trong đó :
là tốc độ trận gió tại thời điểm t, nó được xác định theo biểu thức : (3.4) là tốc độ trận gió (m/s);
là thời gian bắt đầu có trận gió ( gió giật ) ( s);
là chu kỳ trận gió ( thời gian tồn tại của trận gió ) (s).
3.1.3 Gió có tốc độ thay đổi từ từ
Tốc độ gió của trận gió có tốc độ thay đổi từ từ được xác định từ tốc độ gió trung bình cộng thêm phần thay đổi của tốc độ gió trong trận gió ( cơn gió ). Trong đó được xác định theo biểu thức :
(3.5)
Trong đó:
phần tốc độ gió tăng thêm trong trận gió có tốc độ gió thay đổi từ từ, (m/s);
maxR tốc độ gió lớn nhất trong trận gió có tốc độ gió thay đổi từ từ, (m/s);
tương ứng thời gian bắt đầu, tồn tại kết thúc của trận gió ,(s); phần vận tốc gió tăng thêm trong thời gian tồn tại trận gió có tốc độ gió thay đổi từ từ được xác định theo biểu thức:
- ) ( 3.6)
3.1.4 Gió thay đổi ngẫu nhiên
Tính ngẫu nhiên của tốc độ gió thường được biểu thị bằng phân lượng tiếng gió ồn ,nó được xác định theo biểu thức:
(3.7) (3.8)
(3.9) Trong đó:
là tần số góc ở đoạn thứ i;
là biến lượng ngẫu nhiên của phân bố đều nó nằm trong khoảng 0~2 ; hệ số biểu thị tính nhấp nhơ;
F là phạm vi tồn tại nhiễu loạn
là tốc độ gió trung bình khảo sát (m/s); N là số điểm lấy mẫu phổ tần .
Mơ hình tốn học của tốc độ gió được xác định tổ hợp từ 4 công thức xác định vận tốc gió ở trên cụ thể là:
V = (3.10) Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulinhk thiết lập mơ hình mơ phỏng tốc độ gió được thể hiện trên hình 3.1
Hình 3.1 Mơ hình mơ phỏng tốc độ gió
Trong mơ hình mơ phỏng,vận tốc gió được lấy bằng vận tốc gió trung bình thời gian = 3(s) ; = 3 (s); maxG= 4(m/s); = 9(s); = 3(s) và maxR= 2(m/s) và tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên được thay bằng khối Band-Limited White Noise có trong Matlab/Simulink( đặc tính ngẫu nhiên của khối này tương tự như đặc tính thay đổi ngẫu nhiên của tốc độ gió ). Kết quả được hiển thị trên khối Scope.[3]
3.2 Thiết lập mơ hình mơ phỏng động học tuabin gió
Cơng suất tuabin gió được tính theo cơng thức:
( 3.11) Trong đó: Pm: Cơng suất đầu ra của tuabin (W)
Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β)
A: Tiết diện vòng quay của cánh quạt ( )
ρ: Mật độ của khơng khí, ρ = 1.255 (kg/ ).Từ biểu thức (3.11) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất; công suất đầu ra tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc.
Hệ số biến đổi năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (3.11) được tính như sau:
(3.12)
Với
Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là:
(3.13) trong đó : ω tốc độ quay của tuabin;
R bán kính của tuabin; v vận tốc của gió.
Do vậy mơmen của tuabin gió được tính như sau:
Mặt khác tua bin gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ của gió. Đường cong biểu diễn mối quan giữa và tốc độ gió, như hình 3.2. Từ các biểu thức (3.11), (3.12), (3.13), (3.14) đã phân tích ở trên, mơ hình tua bin gió được xây dựng trên Matlab/Simulink với thơng số đầu vào tốc độ gió, tốc độ của máy phát điện và thông số đầu ra mơmen, như hình 3.4.
Hình 3.2 Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa và
Hình 3.4 Mơ hình động học tuabin gió trên phần mềm Matlab/SimulinkNhận xét: Nhận xét:
+ Nếu rotor quay quá chậm: gió sẽ dễ dàng đi qua mà khơng có tác động lên cánh quạt.
+ Nếu rotor quay quá nhanh: cánh quạt như bức tường chắn gió và tốc độ gió phía sau cánh quạt gần như bằng khơng nên hiệu suất rotor gần bằng khơng. Từ đó ta thấy hiệu suất rotor cịn phụ thuộc vào tốc độ máy phát. [4]
3.3 Thiết lập mơ hình mơ phỏng máy phát Diesel
Ta có động cơ Diesel là đối tượng cấp 2 khi mơ tả tốn học:
(3.15) Trong đó:
- hằng số thời gian cấp 1 - hằng số thời gian cấp 2 -Kd là số truyền động cơ
- , đặc trưng cho quán tính và khả năng khuếch đại của thiết bị cung cấp nhiên liệu;
- x,y lần lượt là sự thay đổi tương ứng của lượng cấp nhiên liệu và vòng quay động cơ.
Chia cả hai vế của (3.15) cho Kdta có mơ tả ở dạng toán tử:
Với K= , T1 = , T2 = , T3 = Ta được hàm truyền điều khiển :
(3.17) Hàm truyền bộ truyền động (actuator):
Trong đó:
(3.18)
Do đó ta có động cơ Diesel và hàm truyền như sau:
Hình 3.5 Hệ thống động cơ Diesel và hàm truyền
Trong Hình 3.5:
-wref, w là tốc độ đáp ứng và tốc độ thực tế
-Hệ thống điều khiển (Control system) có hàm truyền điều khiển được xác định:
Động cơ Diesel được mơ phỏng theo sơ đồ Matlab/Simulinkss như hình 3.6 dưới đây:
Hình 3.6 Sơ đồ mơ phỏng động cơ Diesel
Khi ta để hệ số khuếch đại K = 20 và các thơng số khác như hình 3.6
Bảng 3.1 Các thơng số điều khiển động cơ Diesel
Hình 3.7 Các thông số điều khiển động cơ Diesel trên phần mềm
Matlab/Simulink
Ta sẽ nhận được dạng đồ thị tốc độ của động cơ diesel như sau: Dạng đồ thị tốc độ của động cơ Diesel khi K = 20
K =20 T1 =0.01(s) T2 =0.02(s) T3 =0.2(s) T4 =0.25(s) T5 =0.009(s) T6=0.0 384(s) Td = 0.024(s) Tm Tmax = 1pu Pm0 = 0.000270147pu
Hình 3.8 Dạng đồ thị tốc độ của động cơ Diesel khi K = 20
Ta nhận được các giá trị cho động cơ Diesel khi K = 20 như sau: >> Độ quá điều chỉnh ∆hmax = 2%
>> Thời gian đáp ứng Tr = 0.1s >> Thời gian quá độ T2% = 0.7 s
Khi ta thay K = 40 ta được giá trị của động cơ Diesel như sau:
Hình 3.9 Dạng đồ thị tốc độ của động cơ Diesel khi K =40
Ta nhận được các giá trị cho động cơ Diesel khi K = 40 như sau: >> Độ quá điều chỉnh ∆hmax = 1%
>> Thời gian đáp ứng Tr = 0.1s >> Thời gian quá độ T2% = 0.5s
Ta nhận thấy thời gian quá độ của động cơ Diesel khi K = 40 (t = 0.5s)
là nhanh hơn so với K = 20 (t = 0.7s). Cùng với đó độ quá điều chỉnh khi K = 40 (1%) nhỏ hơn so với khi K = 20 (2%). Qua đó ta thấy K = 40 cho chất lượng tốt hơn khi K = 20. Làm tiếp nhận thấy K nằm trong khoảng (15; 75) thì chất lượng tốt hơn cả.
Kết luận: Qua q trình mơ phỏng, ta lựa chọn được thơng số mơ hình Diesel phù hợp nhất như bảng 3.2.
Bảng 3.2 Thơng số mơ hình động cơ Diesel phù hợp nhất
3.4 Thiết lập
mơ hình mơ phỏng hệ thống điện Gió –Diesel
Sơ đồ hệ thống hỗn hợp gió – diesel như hình 3.10 dưới đây :
Hình 3.10 Hệ thống đơn giản hóa hệ thống hỗn hợp gió – diesel
Đường dây 22kV thường có điện dung đường dây khơng đáng kể, nên ở đây không xét. Tụ bù Q cung cấp vừa đủ cơng suất phản kháng cho máy phát điện gió, nên khơng xét đến ảnh hưởng trong hệ thống.
K = 40
T1 = 0.01 (s) T2 = 0.02 (s) T3 = 0.2 (s)
T4 = 0.25 (s) T5 = 0.009 (s) T6 = 0.0384 (s) Td =0.024(s)
Hình 3.11 Lược đồ minh họa hệ lai Diesel – Gió độc lập
Hình 3.12 Sơ đồ hàm truyền hệ thống năng lượng Diesel – Gió
Hình 3.13 Sơ đồ mơ phỏng hệ ghép nối Gió – Diesel
25kV, 1000MVA, cấp điện đến lưới 2,4kV thông qua MBA; các khối 3-Phase Fault và 3-Phase Breaker được sử dụng để mơ phỏng các thời điểm Transtion Time nguồn gió xảy ra sự cố và cắt nguồn gió gặp sự cố khỏi lưới; năng lượng được cấp cho máy không đồng bộ ASM 2250HP lúc này lấy từ nguồn dự phòng là máy phát điện đồng bộ SM 3,125 MVA sử dụng động cơ Diesel có bộ điều chỉnh tốc độ và điện áp tự động.
Chương IV: Kết quả và thảo luận 4.1 Kết quả mơ phỏng tốc độ gió
Dựa trên mơ hình mơ phỏng tốc độ gió hình 3.1 ta thu được kết quả mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink trên hình 4.1 dưới đây
Hình 4.1 Kết quả mơ phỏng tốc độ gió
Chú thích: Đường đặc tính tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên; Đường đăc tính tốc độ gió cơ bản;
Đường đặc tính trận gió;
Đường đặc tính tốc độ gió thay đổi từ từ.
Nhận xét : Các đường đặc tính của tốc độ gió khi mơ phỏng trên phần mềm Simulink cho ta thấy đường đặc tính tốc độ gió cơ bản, đường đặc tính trận gió và đường đặc tính tốc độ gió thay đổi từ từ khơng có sự thay đổi mà duy trì tốc độ gió ở mức độ ổn định. Cịn đường đặc tính tốc độ gió thay đổi đột ngột thì duy trì ở trạng thái hình sin với các khoảng khác nhau trong q trình hoạt động.
4.2 Kết quả mơ phỏng điện áp của hệ điện Gió-Diezel
Điện áp lưới khi khơng có sự cố xảy ra ta dựa trên mơ hình mơ phỏng hệ ghép nối Gió và Diesel ở hình 3.13 ta thu được những kết quả ở hình 4.2, hình 4.3, hình 4.4.
Tiến hành chạy mô phỏng, ta thu được điện áp lưới ổn định có dạng sóng sin tần số 50Hz, biên độ 1960V. Lúc đầu dịng điện vào q cao thì dạng sóng
khơng ổn định sau một thời gian hoạt động dạng sóng cho hình sin làm việc rất ổn định trên hình 4.2.
Hình 4.2 Dạng điện áp 3 pha
Khi dạng sóng q cao do dịng điện đi vào q nhanh nên dạng sóng điện áp 3 pha cho kết quả xấu, lúc vào thì dịng điện cao nên dạng sóng hình sin cao nhất khi dịng điện giảm trở thì dạng sóng hình sin bé lại. Khi hoạt động một thời gian thì dịng điện đi vào ổn định dạng sóng hình sin đều và phân bố giống nhau.
Hình 4.3 Dạng điện áp pha A
Sau khi chạy mô phỏng sự phối hợp giữa Gió và Diesel thì dịng điện áp pha của hệ thống khi mới chạy do dịng vào q cao thì dạng sóng hình sin lúc đầu cao và thấp khơng ổn định. Sau quá trình làm việc của hệ thống ổn định hơn cho ta dạng sóng hình sin ổn định phân bố đều.
Hình 4.4 Tốc độ quay của máy khơng đồng bộ
Nhận xét : Tốc độ quay của máy không đồng bộ giảm dần theo thời gian.
Qua q trình mơ phỏng thì tốc độ gió khơng có chênh lệch q cao mà duy trì ở mức độ ổn định.
Kết quả mô phỏng thu được cho ta thấy khi có sự kết hợp giữa Gió và Diesel thì tín hiệu thu được có dạng hình sin, tín hiệu ổn định và đảm bảo hơn do ngồi vai trị như một nguồn dự phịng thì máy phát Diesel cịn có tác dụng bù cơng st phản kháng cho hệ thống hệ thống không bị sụt áp, ổn định và liên tục hơn…
Hình 4.5 Hình ảnh chạy mơ phỏng hệ ghép nối Gió – Diesel trên phần mềm
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết luận
Nguồn năng lượng tái tạo từ gió là một nguồn năng lượng sạch, hơn nữa yêu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, đồng thời tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió phát lên lưới điện quốc gia là một vấn đề mang tính thời sự và có ý nghĩa, đặc biệt là trong giai đoạn hiện nay nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần và khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo phục vụ nhu cầu năng lượng.
Đồ án “Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink mơ phỏng hệ điện Gió –
Diesel” đã hồn thành và cho được kết quả như sau:
- Tình hình nghiên cứu phát triển năng lượng gió của Việt Nam và thế giới, ứng dụng phối hợp giữa Diesel – Gió.
- Nghiên cứu tìm hiểu sử dụng thành thạo về các ứng dụng của phần mềm Matlab đã thiết lập được, tiếp tục nghiên cứu tìm ra các mơ hình có ứng dụng thiết thực hơn vào phục vụ đời sống con người và biết cách sử dụng nó cho phù hợp với các mơ phỏng của gió với Diesel.
- Bài thu được các kết quả của các q trình mơ phỏng của tốc độ gió, sự kết hợp giữa Gió và Diesel trong phần mềm Matlab/Simulink.
II Kiến nghị
Sau quá trình thực hiện đồ án , em cũng xin có một số vấn đề sau đây : Tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài để đề tài thực sự có ý nghĩa về mặt thực tiễn, có khả năng ứng dụng cao.
Có chính sách đầu tư thoả đáng cho lĩnh vực nghiên cứu và thực hiện các dự án về ứng dụng các nguồn năng lượng mới tái tạo, đặc biệt là ứng dụng năng lượng gió và diesel để phát điện.
Bài đồ án tốt nghiệp này đã hoàn thành tốt một số nhiệm vụ đặt ra hy vọng đây là một tài liệu tích cực cho q trình nghiên cứu thiết kế phục vụ chế tạo máy phát điện chạy sức gió cũng như các bạn u thích ngành năng lượng nói chung và năng lượng Gió – Dsiesel nói riêng.
- Xây dựng các mơ hình hệ thống phát điện kết hợp khác như: Gió- Mặt