Chương 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP 1. Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các turbine gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều turbine gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền như hình 1.1, hoặc xây dựng trên các vùng biển “Offshore” như hình 1. Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên đến hàng chục MW.
Nhằm đáp ứng cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MĐKĐBNK), luận văn tập trung vào nội dung thiết kế cấu trúc điều khiển mờ MĐKĐBNK. Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng các hệ thống máy phát (MP) điện sức gió với 2 kiểu turbine: Turbine trục đứng và trục ngang, mỗi loại đều có những ưu nhược điểm nhất định chẳng hạn như kiểu turbine trục đứng có mômen xoắn lớn nên không phù hợp đặt ở trên cao, vì vậy chỉ đặt ở những vị trí thấp và có tốc độ gió nhỏ dẫn đến thường có công suất vừa và nhỏ. Với turbine kiểu trục ngang sẽ khắc phục được nhược điểm trên của turbine trục đứng nhưng nhược điểm là chi phí xây dựng lắp đặt cao. Chính vì vậy tuỳ vào điều kiện thực tế mà người ta lựa chọn kiểu turbine trục đứng hay trục ngang cho phù hợp.1: Một Wind farm trên đất liền gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Một Wind farm trên biển gồm nhiều máy phát nối mạng với nhau Cho đến thời điểm hiện tại đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sức gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy phát điện sức gió như hình 1.
Hệ thống Phát điện sức gió Máy phát một chiều Máy phát xoay chiều Máy phát xoay chiều 1 Máy phát xoay chiều 3 pha pha Máy phát đồng bộ kích Máy phát không thích vĩnh cửu (hình đồng bộ 1.4) Máy phát không đồng Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng bộ 3 pha nguồn kép sóc (hình 1.3: Các cấu trúc của hệ thống phát điện sức gió trong thực tiễn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc như hình 1. ≈ = Hộp số MF = ≈ Hình 1.4: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc Cấu trúc hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép như hình 1. Hộp số MF ≈ = = ≈ Hình 1.5: Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép Hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép (MĐKĐBNK) đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vì có những đặc điểm sau: - Từ hình 1.5 cho thấy thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor nên chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện như vậy sẽ hạ được giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác [19]. - Có ý nghĩa về mặt khoa học vì nó khó điều khiển.
- Ngoài ra MĐKĐBNK có thể hoạt động với dải tốc độ trong phạm vi khá rộng cỡ 30% tốc độ đồng bộ, cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 vốn hay thay đổi trong phạm vi rộng. Tuy nhiên cần lưu ý khi hệ thống làm việc không được để MĐKĐBNK chạy ở tốc độ đồng bộ bằng cách điều khiển cánh turbine làm lệch tốc độ đồng bộ (vì nếu làm việc ở chế độ đồng bộ các đại lượng dòng, áp trong rotor lúc đó trở thành đại lượng một chiều sẽ gây nguy hiểm phá hỏng thiết bị). Các chế độ vận hành của MĐKĐBNK được mô tả trên sơ đồ hình 1. Với ý nghĩa về mặt khoa học và kinh tế, kỹ thuật như trên, hiện nay đã có nhiều nghiên cứu đưa ra các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến, được thể hiện như sơ đồ hình 1.
n -1 Trên đồng bộ Trên đồng bộ Chế độ máy phát Chế độ động cơ 0>s>- 0>s>- ns 0 Dưới đồng bộ Dưới đồng bộ Chế độ máy phát Chế độ động cơ 1>s>0 1>s>0 0 1 a) m Lưới điện S Lưới điện Rotor Rotor Stator Stator b) c) a) Phạm vi hoạt động b) Dòng năng lượng MP ở chế độ dưới đồng bộ b) Dòng năng lượng MP ở chế độ trên đồng bộ Hình 1.6: Phạm vi hoạt động MĐKĐBNK và dòng chảy năng lượng ở chế độ máy phát LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Các phương pháp điều khiển MĐKĐBNK Phương pháp điều Phương pháp điều khiển tuyến tính khiển phi tuyến Cuốn chiếu Tuyến tính hoá Tựa phẳng Tựa theo Mờ (Backstepping - chính xác (Exact (Platness - thụ động (Fuzzy) based) linearization) based) (Passivity - based) Hình 1.7: Các phương pháp điều khiển máy phát MĐKĐBNK Từ hình 1.7, cho thấy phương pháp điều khiển mờ, là mục tiêu áp dụng để điều khiển MĐKĐBNK trong hệ thống máy phát điện sức gió. Vì vậy việc lựa chọn phương pháp điều khiển này cho thấy đây là một trong những phương pháp khả dĩ có thể áp dụng cho đối tượng nghiên cứu MĐKĐBNK nhằm tăng khả năng áp dụng vào thực tiễn. Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK Cấu trúc điều khiển đầy đủ của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBNK, gồm có 3 thành phần chính sau đây: - Điều khiển turbine. - Điều khiển phía lưới và phía máy phát.
- Điều khiển cắt máy phát khỏi lưới sử dụng crowbar (hình 1.8) hoặc stator switch (hình 1.9) nhằm bảo vệ máy phát khi có sự cố lưới. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Tem Ps, Qs Máy cắt Pg, Qg Lưới Tt Pf, Qf lọc ≈ = = ≈ lọc Crowbar Điều khiển Cấp 1 Crowbar (Phuơng pháp điều khiển véc tơ cho NLPL và NLMP) Tem* Vbus* Qs* Qf* Wm * Cấp 2 (Điều khiển turbine) VW Hình 1.8: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar Tem Ps, Qs Pg, Qg Lưới Stator switch Tt Pf, Qf lọc ≈ = = ≈ lọc Cấp 1 Điều khiển (Phuơng pháp điều khiển Stator switch véc tơ cho NLPL và NLMP) Tem* Vbus* Qs* Qf* Wm * Cấp 2 (Điều khiển turbine) VW Hình 1.9: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Điều khiển turbine Công suất của turbine gió Công suất của turbine gió được tính theo công thức [16, 17, 18]: 1 Ptb tb Rcg2 vgm 3 Ctb (1.1) 2 Trong đó: tb là mật độ không khí (kg/m3), Rcg là bán kính của cánh gió (m), vgm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/s), Ctb là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của turbine gió và được xác định theo (1.2) với p là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của cánh gió và được gọi là góc pitch, tb là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc quay của turbine tb và tốc độ gió vgm: tb( t ) Rcg tb (1.3) vgm( t ) Cũng lưu ý, theo tài liệu nghiên cứu [14, 18] thì giá trị cực đại của Ctb là 0,593 và còn được gọi là giới hạn Betz.3) cho thấy công suất turbine gió phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của turbine gió, góc pitch, tốc độ gió và tốc độ góc quay của turbine. Chính vì vậy với một góc pitch cố định và ở một tốc độ gió cho trước thì công suất của một turbine gió còn phụ thuộc vào tốc độ quay của nó nữa.
Phương pháp điều khiển Nhiệm vụ của điều khiển turbine là điều khiển tốc độ turbine để duy trì công suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của turbine là cực đại thì cần phải đảm bảo giá trị của hệ số Ctb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió lớn nhất cho phép. Ứng với tốc độ gió mà ở đó công suất của máy phát đã đạt đỉnh thì cần phải điều chỉnh góc pitch để giới hạn công suất turbine. Ở tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất cho phép hoặc lớn hơn tốc độ lớn nhất cho phép của LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 turbine thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho turbine không quay. Muốn vậy thì tốc độ trục cơ của turbine gió (được nối với trục rotor của MĐKĐBNK thông qua một hộp số) phải được thể hiện ở công thức (1.
Đây cũng chính là vấn đề được nhiều người quan tâm [14, 16]. Dưới đây là mối quan hệ giữa công suất của turbine với tốc độ góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau, thể hiện trên hình 1. Vùng công suất không đổi 100% Công suất turbine (%) Vùng công suất tối ưu VW = 20 m/s VW = 18 m/s 50% VW = 16 m/s VW = 14 m/s VW = 12 m/s VW = 10 m/s VW = 8 m/s 0 5 10 15 20 25 30 35 Tốc độ quay của turbine (v/ph) Hình 1.10: Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine Trên hình 1.10 với đường đặc tính công suất tối ưu của turbine được thể hiện bằng nét đậm và được diễn giải như sau [18]: - Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của turbine gió được điều chỉnh sao cho Ctb đạt được giá trị tối ưu để công suất biến đổi từ năng lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất. Vùng làm việc như vậy gọi là vùng công suất tối ưu.
- Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc độ gió vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của turbine ứng với từng tốc độ gió sao cho Ctb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc pitch để giữ cho công suất cơ trên trục của turbine là hằng số. Vùng làm việc như vậy còn được gọi là vùng công suất không đổi.