CHƯƠN G4 PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU PHÁT CƠNG SUẤT TUA BIN GIÓ PMSG
4.1 Đối tượng điều khiển
Hệ thống máy phát điện gió được trình bày chi tiết ở chương 3, trong phần này đã giới thiệu chính xác các phần tử dùng để mơ phỏng turbine gió và giới hạn điều khiển của chúng. Mợt turbine gió dùng máy phát điện đồng bợ nam châm vĩnh cữu có cơng śt 2MW, với tốc đợ turbine dễ dàng thay đổi mà không cần sử dụng hộp số, cơng śt turbine gió điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc đợ quay của turbine và góc quay của cánh quạt turbine gió. Máy phát điện gió được kết nối gián tiếp với lưới điện qua bộ biến tần.
Trong phần này, chúng ta không điều khiển công suất của cả cánh đồng gió, nơi có các việc thu thập dữ liệu và giám sát an toàn, điều khiển vận hành khác nhau giữa các turbine gió. Do đó, việc điều khiển cơng śt turbine gió phải đảm bảo được những yêu cầu sau:
Điều khiển cơng śt khí đợng học tác đợng lên rotor của turbine gió bằng cách thay đổi góc pitch của cánh turbine và đảm bảo được chiều quay của turbine gió theo hướng gió lớn nhất.
Điều khiển tốc độ của rotor bằng cách điều khiển moment quay của máy phát. Đáp ứng được yêu cầu cung cấp điện của công suất tác dụng, công suát phản
kháng cho lưới điện và đảm bảo được các thông số điện áp của mạng điện. Nếu tốc đợ gió vượt q tốc đợ cho phép của rotor, thì phải có biện pháp bảo vệ rotor là giảm tải cơ học cho máy điện gió. Để vận hành tối ưu cơng śt turbine gió thì cần phải điều khiển tất cả các phần tử nhỏ trong hệ thống nói trên để tạo ra đường đặc
tính cơng śt lý tưởng cho turbine gió. Đó là việc điều khiển tốc đợ gió được phân ở ba vùng trong đường đặc tính cơng śt.
Đường đặc tính cơng śt lý tưởng của mợt turbine gió điển hình ở Hình 4.1. Theo quan sát thì tốc đợ gió hoạt đợng ở giữa vùng cut-in (Vmin) và cut-out (Vmax). Turbine gió khơng hoạt đợng ngồi vùng giới hạn này. Khi tốc đợ gió nhỏ hơn cut-in (Vmin), cơng śt turbine gió q thấp gây tác đợng đến kinh tế và tổn thất cơng śt. Khi tốc đợ gió lớn hơn cut-out (Vmax), turbine gió ngừng hoạt đợng nhằm bảo vệ cơ cấu cơ khí turbine. Việc xây dựng mợt turbine gió có kết cấu mạnh mẽ đảm bảo khi có tốc đợ gió lớn là mợt biện pháp khơng đem lại hiệu quả kinh tế cao. Trong thực tế, mặc dù công suất turbine ứng với tốc độ Vmax sẽ đem lại nguồn năng lượng lớn, nhưng tốc đợ gió lớn hàng năm khơng nhiều. Điều này được thể hiện ở Hình 4.2, cho thấy mật đợ cơng śt đặc trưng tại mợt điểm. Từ đó quan sát được năng lượng thu được ở khoảng giữa bởi vì turbine dừng hoạt đợng khi tốc đợ gió nằm ngồi giữa giới hạn
Vmin và Vmax là tương đối ít.
IIII II I II Vmax VN VΩN PN Vm (m/s) P ow e r ( kW ) Vmin
Hình 4.1 Đường đặc tính cơng śt lý tưởng
Vmin Vmax Vmax (m/s) P ow e r dens it y ( W /m 2 ) VN
Chú ý, trong Hình 4.1 đường đặc tính cơng śt lý tưởng khơng đổi ở công suất định mức PN ứng với tốc đợ gió định mứcVN. Đánh giá hiệu suất của turbine là sự so sánh giữa cơng śt thu được và chi phí sản x́t. Do đó việc thiết kế turbine gió thu được tất cả tốc đợ gió ngồi vùng cut-out dẫn đến gia tăng chi phí sản xuất xuất cho mỗi kW. Trong thực tế, tốc đợ gió lớn hơn VN không thường xuyên nên năng lượng điện thu được là không cần thiết và yêu cầu công suất turbine hoạt động ở chế độ định mức là tối ưu nhất.
Đường đặc tính cơng śt thể hiện ba vùng đặc trưng, mục tiêu làm việc của máy phát điện. Ở vùng gió có tốc đợ thấp (Region I), cơng śt turbine gió nhỏ hơn giá trị định mức. Cơng śt gió thu được định nghĩa là năng lượng gió thu được khi gió đi qua rotor nhân với hệ số công suất Cpmax, nghĩa là:
2 3 av max max 1 2 p V p P C P R C v [W] (4.1)
Vì thế, mục tiêu trong vùng I là khai thác đối đa cơng śt tối đa năng lượng gió có được trong thực tế. Do đó, đường đặc tính cơng śt lý tưởng trong vùng này theo đường parabol thể hiện ở Hình 4.1.
Mặt khác, mục tiêu của vùng có tốc đợ gió cao (Region III) thì giới hạn cơng śt turbine tạo ra gần bằng với giá trị định mức để tránh hiện tượng quá tải. Trong vùng này, để công suất turbine tạo ra bằng với gíá trị định mức, thì turbine phải vận hành với hệ cố công suất nhỏ hơn Cpmax. Nếu tốc đợ gió tiếp tục tăng cao thì máy phát điện dừng hoạt đợng vì để bảo vệ kết cấu cơ khí của turbine.
Cuối cùng, vùng II là vùng chuyển tiếp tối ưu đường đặc tính cơng śt thu được của vùng I và đường thẳng công suất không đổi của vùng III. Trong vùng này, tốc đợ rotor cần được duy trì, tiếng ồn phát ra ở mức cho phép và giữ cho lực ly tâm nhỏ hơn giá trị mà rotor chấp nhận được. Nhưng trong trường hợp tốc độ rotor không đạt được giới hạn như vậy, thì vùng II có thể khơng tồn tại và đường đặc tính tối ưu cơng