giữa cơng śt thu được và chi phí sản xuất. 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 khơng 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 cơng śt 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 công suất 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 cơng śt 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 độ 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 śt (Region I) có thể tiếp tục tăng cho khi công suất đạt giá trị định mức.
4.2 Phân tích điều khiển tối ưu
Điều khiển tối ưu là mợt phần của tối ưu hóa tốn học liên quan đến việc tìm kiếm mợt thuật tốn điều khiển cho mợt hệ thống trong mợt khoảng thời gian sao cho một hàm mục tiêu được tối ưu hóa. Nó có nhiều ứng dụng cho cả khoa học và kỹ thuật. Ví dụ, hệ thống đợng lực của một tàu vũ trụ với các điều khiển tương ứng với tên lửa bay ra ngồi vũ trụ và mục tiêu có thể là tới mặt trăng với chi phí nhiên liệu nhỏ nhất. Hoặc hệ thống vận hành nền kinh tế của một quốc gia, với mục tiêu giảm thiểu tỉ lệ thất nghiệp; các kiểm soát trong trường hợp này là tài chính và chính sách tiền tệ. Trong mợt turbine gió, tối ưu hóa điều khiển được hiểu là tối ưu hóa cơng śt điện gió thu được. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng trong phần đầu tiên của đường đặc tính cơng śt lý tưởng trong Hình 4.1. Đó là cơng śt năng lượng cực đại thu được sẽ là hàm mục tiêu chính và chúng ta tập trung giải quyết cơng việc đó. Mục tiêu của chúng ta khơng phải là điều khiển tối ưu hóa vịng điều khiển các phần tử riêng lẻ, mà tối ưu hóa tồn bợ hệ thống turbine gió để đem lại năng lượng điện lớn nhất. Chỉ có thể điều khiển góc quay của turbine gió và góc quay của cánh quạt turbine thì sẽ đem lại năng lượng điện cao nhất.
4.3 Hiệu suất turbine
Trong phần này, chúng ta điều khiển tối ưu cơng śt của mợt nhà máy điện gió trong giới hạn tốc đợ gió đủ năng lượng làm quay turbine gió, phát ra cơng śt gần với đường đặc tính cơng śt lý tưởng của turbine gió theo Hình 4.1. Cần chú ý rằng, mục tiêu chủ yếu vào việc tối ưu hóa nâng cao cơng śt điện thu được trong phần đầu tiên của Hình 4.1. Như đã biết, cơng śt turbine gió được tính bằng cơng thức:
3 2 ; 1 2 w ; w m p p P R v C PC [W] (4.2)
Từ phương trình (4.2), chỉ có tốc đợ gió vwvà hệ số cơng śt Cpthay đổi được. Đây là những giá trị tác động đến cơng śt của turbine gió. Cơng śt cơ được chuyển vào rotor turbine gió suy giảm bởi hệ số cơng śt Cp ; . Hệ số công suất là một
hàm phi tuyến của góc pitch β và tỷ số tốc đợ đỉnh λ. Mơ hình điều khiển khí đợng học chuyển đợng của turbine gió thể hiện ở hình Hình 4.3
Mối quan giữa góc quay β và λ được thể hiện ở phương trình (4.2). Hình 4.4 cho thấy đường đặc tính của Cpphụ tḥc β và λ. Theo Hình 4.4, hệ số cơng śt Cp giảm theo góc pitch β và tỷ số tốc đợ góc λ và đạt giá trị cực đại khi góc 0
0
. Do đó, góc β được giữ ở 00 và bắt đầu xoay cánh quạt turbine khi tốc đợ gió vượt q giới hạn định mức. Vì vậy, góc pitch dùng để điều chỉnh cơng śt turbine và đưa công suất turbine về giá trị định mức.
Trong trạng thái ổn định, tỷ số tốc độ đỉnh λ được tính bằng: 2 turb turb w w w v R n R R v v v (4.3)
Đây là tỷ số giữa chu vi của vùng gió rRvà tốc đợ gió vw, giá trị tốc đợ đỉnh λ cùng với trong trường hợp gió tác đợng lên cánh quạt turbine thay đổi. Hình 4.5, đường cong đậm là tốc đợ turbine tối ưu ở mợt tốc đợ gió nhất định, có điểm cơng śt cực đại (MPPT), được dùng trong quản lý năng lượng nhà máy điện và đường đặc tính cơng śt của turbine gió phụ tḥc vào tốc đợ gió khi góc 0.
r
r
Mechanical power is developed by the wind
turbine rotor r ( , ) p C Cp m P Aerodinamic model Wind speed Aerodinamic Torque
Pitch angle Rotor speed
wind V Tm wind P Pm wind V