Chương 1 : Tổng quan năng lượng gió Chương 2 : Lý thuyết năng lượng gió Chương 3 : Mô hình máy phát điện gió DFIG Chương 4 : Nhà máy điện gió trong lưới phân phối Chương 5 : Kết luận và định hướng Phần mềm PSCAD được sử dụng trong luận văn này để mô hình hóa DFIG, xây dựng giải thuật điều khiển và mô phỏng kết quả.TS Nguyễn Hữu Phúc C 1-4 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG GIÓ 2. HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2. Sự hình thành gió trong tự nhiên Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự chênh lệch về nhiệt độ.
Điều này đẫn đến sự khác nhau về áp suất làm cho khối không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. Ngoài các yếu tố trên gió còn bị ảnh hưởng bởi cấu tạo của địa hình của từng đia phương. Quá trình phát triển các hệ thống biến đổi năng lượng gió Cối xay gió đầu tiên được phát triển để tự động hóa những công việc bơm nước và xay ngũ cốc và thiết kế được được biết sớm nhất là hệ thống trục đứng phát triển ở Ba Tư vào khoảng năm 500 đến năm 900 sau công nguyên.1: Cối xay gió của người Ba Tư (Persian windmill) Trước năm 1390, người Hà Lan trình bày cải tiến thiết kế cối xay gió trụ tháp (tower wind), loại cối xay gió này đã xuất hiện hơi sớm dọc theo biển Mediterranean như hình dưới.
Người Hà Lan đã đưa ra tiêu chuẩn cần thiết cho cối xay gió đặt trên GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc C 2-1 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp trụ tháp. Cả thiết kế cối xay loại trụ và cối xay trụ tháp sau này đã được định hướng về hướng gió bằng tay và thực hiện bằng cách đẩy một đòn bẩy lớn ở phía sau cối xay.2: Cối xay gió cánh buồm trục ngang Cải tiến chính của cối xay gió Châu Âu là sử dụng những cánh buồm của người thiết kế để tạo ra lực nâng khí động học hình 1. Đặc tính này tạo ra sự cải tiến hiệu suất rotor so với cối xay gió người Ba Tư bởi cho phép tăng tốc độ rotor.3: Cối xay gió cải tiến của người Hà Lan Sử dụng tua bin gió lớn đầu tiên để phát điện là một hệ thống xây dựng ở Cleveland, Ohio năm 1888 bởi Charles F. Máy điện Brush (hình dưới) là một cối xay gió đặt trên trụ với một rotor nhiều cánh có đường kính 17m, có một cái đuôi lớn để chỉnh rotor theo hướng gió.
Đây là tua bin gió đầu tiên kết hợp một hộp số (với một tỷ số là 50:1) để điều chỉnh quay máy phát điện ở một tốc độ vận hành yêu cầu (trong trường hợp này là 500 vòng/phút).TS Nguyễn Hữu Phúc C 2-2 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp Hình 2.4: Sử dụng tua bin gió loại lớn đầu tiên để phát điện (ở Cleveland, Ohio, 1888) Năm 1891, Dane Poul La Cour phát triển máy điện gió có công suất điện ở ngõ ra đầu tiên kết hợp nguyên lý thiết kế khí động học đã sử dụng tốt ở các cối xay gió trụ tháp ở Châu Âu. Tốc độ cao hơn của rotor La Cour tạo ra những cối xay gió trong thực tế hoàn toàn cho phát điện. Trước chiến tranh thế giới thứ nhất, máy điện 25kW đã sử dụng rộng khắp ở Đan Mạch, nhưng các nhà máy điện hơi nước chạy bằng nhiên liệu hóa thạch lớn hơn và rẻ hơn đã đẩy những cối xay gió ra khỏi thương mại. Điều chỉnh cánh Trục tốc độ thấp Rô to Hộp số Máy phát Đo vận tốc Hướng Bộ điều gió gió khiển Thắng Truyền động hướng Đo hướng Động cơ gió truyền động Trục tốc độ Vỏ tua bin hướng cao Cánh quạt Tháp gió Hình 2.5: Cấu trúc của một tua bin điện gió hiện đại GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc C 2-3 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp 2.
LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 2. Năng lượng gió Năng lượng tích trữ trong gió: 1 PW = SAr v 3 [W ] (2.1) 2 Trong đó: S – mật độ không khí [ kg / m 3 ], ở điều kiện chuẩn S có giá trị 1.293 kg /m 3 Ar – diện tích quét của cánh quạt tuabin [ m 2 ] v – vận tốc gió [ m / s ]. Năng lượng trong gió tính được bằng cách nhân biểu thức (2.1) với khoảng thời gian Tp (thường là một năm). 1 Tp Năng lượng trung bình = SAr ¨ v 3dt (2.
Sự phân bố vận tốc gió Từ (2.2), ta thấy rằng mối quan hệ giữa công suất và vận tốc gió theo lũy thừa bậc ba, vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lượng gió tiềm năng thu được ở một vùng nào đó. Tuy nhiên, vận tốc gió luôn thay đổi theo điều kiện thời tiết và điều kiện địa hình. Vận tốc gió trung bình phải được xác định để ước tính năng lượng kỳ vọng nhận được từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có khuynh hướng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó. Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể được xác định cho khoảng thời gian một năm.
Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Một trong những hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió là hàm Weibull. Phân bố Weibull được biểu diễn bởi: v ¬k k v ¬k 1 c ® f v = e ( ) , 0<v <d (2.3) c c ® Trong đó, k > 0 , c > 0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ. Vì thế, vận tốc gió trung bình (hoặc vận tốc gió kỳ vọng) có thể được tính từ k d d vk v ¬k 1 cv ®¬ v =¨ vf (v )dv =¨ e dv (2.4) 0 0 c c ® k v ¬ Bằng phép đổi biến x = , vận tốc gió trung bình được viết lại c ® c d k1 x c 1¬ v = ¨ x e dx = ( (2.TS Nguyễn Hữu Phúc C 2-4 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp ( là hàm gamma: d 1 ((y ) = ¨ e x x y 1dx , với y = 1 + (2.6) 0 k Nếu hệ số dạng bằng 2, thì phân bố Weibull còn được biết đến với tên gọi là phân bố Rayleigh.
1¬ k = 2 , ( = Q 2® Mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ c và vận tốc gió trung bình v theo phân bố Rayleigh 2 c= v (2.7) Q Hàm mật độ xác suất của vận tốc gió theo phân bố Rayleigh được cho như hình 2.6, với vận tốc gió trung bình lần lượt 5,4m/s; 6,8m/s và 8,2m/s.05 0 0 5 10 15 20 25 Vận tốc gió [m/s] Hình 2.6 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh thể hiện vận tốc gió trung bình 5. Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió PR bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng (năng lượng kinetic) tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc v và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc vd .8) 2 Trong đó, C p được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn được gọi ngắn gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc C 2-5 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp 1 Cp = (1 + H ) (1 + H 2 ) (2.9) 2 H là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt và tốc độ gió đi vào cánh quạt vd H= (2.10) v Để tìm hệ số công suất lớn nhất lấy đạo hàm CP theo biến λ và cho đạo hàm này bằng 0.10) v 3 1⎛ 1 ⎞⎛ 1⎞ 16 Hệ số công suất cực đại C p max = ⎜1 + ⎟⎜1 − 2 ⎟ = = 59,3% 2 3 3 27 ⎝ ⎠⎝ ⎠ Giá trị lý thuyết C p,max chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng lượng từ gió, đây còn được biết đến như là giới hạn Betz (Albert Betz’s Law). Đường cong hiệu suất rotor được cho ở hình 2. Một thuận lợi của công thức (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từ gió.
Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát.5 Hiệu suất rotor 0.7 Đường cong hiệu suất rotor lý thuyết GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc C 2-6 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp Ta rút ra nhận xét, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt gần như bằng không, hệ quả là hiệu suất rotor gần bằng không. Như vậy, với một vận tốc gió cho trước thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát. Hiệu suất rotor thường được biểu diễn theo tỷ số M (Tip - Speed - Ratio), được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt.11) v XT là tốc độ quay của tuabin (rotor) [ rad / s ] và Rb là bán kính của cánh quạt gió [ m ].2 Công suất đầu ra tuabin 1 13.8 Công suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ tuabin GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc C 2-7 HVTH: Nguyễn Chí Hiếu Luận văn tốt nghiệp Rb C rb Mặt cắt của cánh quạt Mặt phẳng quay Hình 2.