4.1.3 Hệ thống điều khiển góc cánh quạt tu bin gió.
Khi vận tốc gió dưới giá trị vận tốc gió định mức, góc cánh quạt của tu bin gió (góc beta) được giữ bằng 0 để thu được cơng suất gió lớn nhất. khi vận tốc gió lớn hơn vận tốc gió định mức, nếu khơng thay đổi góc beta, lúc này cơng suất cơ mà tu bin gió thu được sẽ lớn hơn cơng suất định mức của máy phát. Lúc này, để giữ ổn định công suất cơ thu được tại cơng suất định mức thì phải thay đổi giá trị góc beta để giảm hệ số công suất Cp, tức là giảm công suất cơ của tu bin gió.
49
Việc thay đổi góc beta được thực hiện thơng qua bộ điều chỉnh góc beta. Quy trình thay đổi góc beta được thực hiện trong các trường hợp sau:
− Khi công suất điện thu được lớn hơn cơng suất định mức, giá trị góc beta sẽ tăng lên. Việc tăng giá trị góc beta sẽ được dừng lại khi khi công suất thu được bằng công suất định mức máy phát.
− Khi công suất điện thu được nhỏ hơn công suất định mức, lúc này qua bộ so sánh sẽ hiệu chỉnh giảm góc beta để tăng giá trị hệ số công suất chuyển đổi của tu bin.
Nguyên tắc hoạt động được thể hiện cụ thể trong hình 4.7 như bên dưới. Qua sự hiệu chỉnh của bộ điều chỉnh góc beta, tu bin gió sẽ được phân vùng thành hai vùng rõ rệt. Vùng công suất cực đại là vùng có vận tốc gió dưới tốc độ gió định mức. Lúc này, tu bin gió sẽ cố gắng thu được cơng suất cơ càng nhiều càng tốt, góc beta được hiệu chỉnh về 0 để hệ số cơng suất tu bin gió đạt được giá trị cực đại. Vùng công suất định mức khơng đổi, khi vận tốc gió lớn hơn vận tốc gió định mức, góc kích beta sẽ tăng lên để giảm khả năng thu công suất của tu bin và giữ cho công suất này tại cơng suất định mức của máy phát.
Hình 4. 7 Bộ hiệu chỉnh cơng suất máy phát và góc beta
Nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển góc beta và mơ men tham chiếu trong hình 4.7 được chuyển thành mơ hình hóa mơ phỏng trên Simulink như thể hiện trong hình 4.8.
50
Sau q trình mơ hình hóa mơ phỏng các bộ điều khiển, kết quả mơ hình hóa mơ phỏng của một máy phát điện gió được đưa ra như trong hình 4.9. Qua mơ hình nhận thấy rằng hệ thống điều khiển một hệ thống điện gió là rất phức tạp và có rất nhiều thơng số được sử dụng trong tính tốn.
Hình 4. 9 Mơ hình bên trong một máy phát DFIG
Một máy phát DFIG muốn hoạt động được thì yêu cầu phải kết nối với lưới điện. Sơ đồ kết nối lưới điện cơ bản được đưa ra như trong hình 4.10 như bên dưới. Các máy phát điện DFIG thường có điện áp đầu stator khá thấp nên chúng phải kết nối lưới điện thông qua một máy biến áp nâng áp. Khi vận tốc gió thay đổi được cung cấp từ khối giá trị vận tốc gió, máy phát sẽ điều chỉnh cơng suất tác dụng đưa lên lưới điện tương ứng.
51
Hình 4. 10 Mơ hình hệ thống điện gió trang bị DFIG nối lưới
Các thơng số trong bộ điều khiển DFIG được thiết lập với các thông số như trong bảng sau:
Bảng 4. 1 Thông số các bộ điều khiển
4.2 Mô phỏng.
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển DFIG được đề xuất, mơ hình được xây dựng như trên được mô phỏng trong các vùng điều kiện hoạt động khác nhau. Các kết quả thu được qua q trình mơ hình hóa mơ phỏng được đưa ra như trong các phần sau.
4.2.1 Khi vận tốc gió khơng đổi.
Mục đích mơ phỏng trong trường hợp vận tốc gió khơng đổi là để đánh giá độ ổn định của hệ thống năng lượng gió trong thời gian đủ dài. Nếu trạng thái máy phát gió khơng bị thay đổi chứng tỏ giải thuật điều khiển có độ ổn định cao và đáng tin cậy. Trong phần mô phỏng này, các vận tốc gió 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 m/s dùng để đánh giá hệ thống khi hoạt động tại vùng gió dưới định mức, các vận tốc gió 12, 13, 14 và 15 m/s dùng để đánh giá hệ thống khi hoạt động tại vùng gió trên định mức. Kết quả mơ phỏng được trình bày như bên dưới.
52
53
Hình 4. 12 Kết quả vận tốc rotor tại 5 m/s
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và vận tốc rotor khi vận tốc gió đạt 5 m/s được thể hiện qua hình 4.12. Nhận thấy rằng với trường hợp gió 5 m/s, sau q trình quá độ khi khởi động, vận tốc rotor được đưa về đến giá trị 0.7 p.u. và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại.
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và góc beta khi vận tốc gió đạt 5 m/s được thể hiện qua hình 4.13. Nhận thấy rằng với trường hợp gió dưới định mức thì sau q trình q độ, góc cánh quạt gió được hiệu chỉnh về khơng và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại. Điều đó chứng tỏ giải thuật hoạt động ổn định tại vận tốc gió 5 m/s.
54
Hình 4. 13 Kết quả góc beta tại 5 m/s
4.2.1.2 Vận tốc gió tại 6 m/s
Kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 6 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.14 thể hiện trào lưu cơng suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 6 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt q trình vận hành hệ thống gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, công suất tác dụng bơm lên lưới điện là 253.78 KW đồng thời công suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
55
Hình 4. 14 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 6 m/s
Hình 4. 15 Kết quả vận tốc rotor tại 6 m/s
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và vận tốc rotor khi vận tốc gió đạt 6 m/s được thể hiện qua hình 4.15. Nhận thấy rằng với trường hợp gió 6 m/s, sau q trình q độ khi
56
Hình 4. 16 Kết quả góc beta tại 6 m/s
4.2.1.3 Vận tốc gió tại 7 m/s
Kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 7 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.17 thể hiện trào lưu công suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 7 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt quá trình vận hành hệ thống gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, cơng suất tác dụng bơm lên lưới điện là 409.42 KW đồng thời công suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
57
Hình 4. 17 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 7 m/s
Hình 4. 18 Kết quả vận tốc rotor tại 7 m/s
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và góc beta khi vận tốc gió đạt 7 m/s được thể hiện qua hình 4.18. Nhận thấy rằng với trường hợp gió 7 m/s, sau q trình q độ khi khởi
58
Hình 4. 19 Kết quả góc beta tại 7 m/s
4.2.1.4 Vận tốc gió đạt 8 m/s.
Kết quả mơ phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 8 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.20 thể hiện trào lưu công suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 8 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt quá trình vận hành hệ thống gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, cơng suất tác dụng bơm lên lưới điện là 612.06 KW đồng thời công suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
59
Hình 4. 20 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 8 m/s
60 m/s.
Hình 4. 22 Kết quả góc beta tại 8 m/s
4.2.1.5 Vận tốc gió tại 9 m/s
Kết quả mơ phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 9 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.23 thể hiện trào lưu cơng suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 9 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt q trình vận hành hệ thống
61
gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, công suất tác dụng bơm lên lưới điện là 872.20 KW đồng thời cơng suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
Hình 4. 23 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 9 m/s
62 m/s.
Hình 4. 25 Kết quả góc beta tại 9 m/s
4.2.1.6 Vận tốc gió đạt 10 m/s.
Kết quả mơ phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 10 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.26 thể hiện trào lưu cơng suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 10 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt q trình vận hành hệ thống
63
gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, công suất tác dụng bơm lên lưới điện là 1197.51 KW đồng thời công suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
Hình 4. 26 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 10 m/s
64 m/s.
Hình 4. 28 Kết quả góc beta tại 10 m/s
4.2.1.7 Vận tốc gió tại 11 m/s
Kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 11 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.23 thể hiện trào lưu cơng suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 11 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt q trình vận hành hệ thống
65
gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, cơng suất tác dụng bơm lên lưới điện là 1597.67 KW đồng thời công suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
66
gian mơ phỏng cịn lại. Điều đó chứng tỏ giải thuật hoạt động ổn định tại vận tốc gió 11 m/s.
Hình 4. 31 Kết quả góc beta tại 11 m/s
4.2.1.8 Vận tốc gió đạt 12 m/s.
Kết quả mơ phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 12 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.32 thể hiện trào lưu cơng suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 12 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt quá trình vận hành hệ thống
67
gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, cơng suất tác dụng bơm lên lưới điện là 2000 KW đồng thời công suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
68
Hình 4. 33 Kết quả vận tốc rotor tại 12 m/s
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và vận tốc rotor khi vận tốc gió đạt 12 m/s được thể hiện qua hình 4.33. Nhận thấy rằng với trường hợp gió 12 m/s, sau q trình q độ khi khởi động, vận tốc rotor được đưa về đến giá trị 1.2 p.u. và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại.
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và góc beta khi vận tốc gió đạt 12 m/s được thể hiện qua hình 4.34. Nhận thấy rằng với trường hợp gió trên định mức thì sau q trình quá độ, góc cánh quạt gió được hiệu chỉnh về một góc cố định là 0.34 độ và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại. Điều đó chứng tỏ giải thuật hoạt động ổn định tại vận tốc gió 12 m/s.
69
Hình 4. 34 Kết quả góc beta tại 12 m/s
4.2.1.9 Vận tốc gió tại 13 m/s
Kết quả mơ phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 13 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.35 thể hiện trào lưu công suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 13 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt q trình vận hành hệ thống gió. Khi hệ thống đi vào ổn định, công suất tác dụng bơm lên lưới điện là 2000 KW đồng thời công suất phản kháng được giữ tại 0 KVar.
70
Hình 4. 35 Cơng suất của máy phát DFIG tại vận tốc gió 13 m/s
71
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và vận tốc rotor khi vận tốc gió đạt 13 m/s được thể hiện qua hình 4.35. Nhận thấy rằng với trường hợp gió 13 m/s, sau q trình q độ khi khởi động, vận tốc rotor được đưa về đến giá trị 1.2 p.u. và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại.
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và góc beta khi vận tốc gió đạt 13 m/s được thể hiện qua hình 4.37. Nhận thấy rằng với trường hợp gió trên định mức thì sau q trình q độ, góc cánh quạt gió được hiệu chỉnh về một góc cố định là 4.02 độ và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại. Điều đó chứng tỏ giải thuật hoạt động ổn định tại vận tốc gió 13 m/s.
Hình 4. 37 Kết quả góc beta tại 13 m/s
4.2.1.10 Vận tốc gió đạt 14 m/s.
Kết quả mơ phỏng hoạt động của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió khi vận tốc gió đạt 14 m/s được ghi nhận qua các hình bên dưới. Hình 4.38 thể hiện trào lưu cơng suất năng lượng được sinh ra từ máy phát DFIG trong vận tốc gió 14 m/s. Qua hình này cho thấy hệ thống gió đã hoạt động ổn định trở lại sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu khi khởi động. Công suất bơm lên lưới ổn định suốt quá trình vận hành hệ thống
72
73
Hình 4. 39 Kết quả vận tốc rotor tại 14 m/s
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và vận tốc rotor khi vận tốc gió đạt 14 m/s được thể hiện qua hình 4.39. Nhận thấy rằng với trường hợp gió 14 m/s, sau q trình q độ khi khởi động, vận tốc rotor được đưa về đến giá trị 1.2 p.u. và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại.
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và góc beta khi vận tốc gió đạt 14 m/s được thể hiện qua hình 4.40. Nhận thấy rằng với trường hợp gió trên định mức thì sau q trình quá