Máy phát điện trong tuabin gió. Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính

Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-22-
Ngày nay với xu hƣớng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lƣợng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới ngƣời ta đã chế tạo các loại tuabin gió với cơng suất
lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuabin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có cơng
suất bằng cơng suất của tồn tuabin. Vì vậy các hãng chế tạo tuabin gió có xu hƣớng sử dụng MFKĐBNK làm máy phát trong các hệ thống tuabin gió cơng suất
lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành, vì bộ biến đổi đƣợc nối vào mạch rotor của máy phát, cơng suất của nó thƣờng chỉ bằng cỡ 13 tổng
cơng suất tồn hệ thống, các thiết bị đi kèm nhƣ bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng đƣợc thiết kế với công suất bằng 13 công suất của toàn hệ thống.

1.2.2 Máy phát điện trong tuabin gió.

Máy phát điện là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong tuabin gió, vì nó có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng của tuabin thành điện năng. Trong một
hệ thống phát điện, việc thiết kế và chọn máy phát điện phải phù hợp với loại tuabin đã đƣợc lựa chọn. Các tuabin này đƣợc thiết kế với việc ƣu tiên cho các phƣơng
pháp điều khiển mong muốn và điều kiện gió tại vùng đã đƣợc quy hoạch. Các máy phát điện ở đây không chỉ đƣợc sử dụng để biến đổi năng lƣợng mà còn dùng để
điều khiển điện áp thông qua tốc độ quay của tuabin.
Gearbox DFIG
Transformer
Power electronic converter
≈
=
≈
=
Bộ biến đổi điện tử CS
Hộp số Máy biến áp
MFKĐBNK
Hình 1.9 Tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng MFKĐBNK
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-23-
Tuabin đƣợc nối trực tiếp với rotor của máy phát thông qua một trục truyền động, tức là trực tiếp điều khiển máy phát. Loại máy phát này sẽ có tốc độ quay
chậm hơn so với các loại máy phát thông thƣờng. Do đó nó đƣợc thiết kế với số lƣợng điện cực nhiều để đạt đƣợc cảm ứng từ tốt và hiệu quả cao. Việc điều khiển
trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dƣỡng và các chi phí liên quan đến hộp số. Một số nghiên cứu cho thấy hộp số là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các hƣ hỏng của
tuabin gió. Hơn nữa, điều khiển trực tiếp làm giảm liên kết xoắn trên các trục truyền động bởi tần số dao động riêng. Do đó các trục sẽ nhở hơn so với trƣờng hợp sử
dụng hộp số, với H-rotor điều này có nghĩa là tháp đỡ sẽ đƣợc giảm khối lƣợng. Khi trục truyền động trực tiếp của máy có đƣờng kính lớn và cồng kềnh hơn so với máy
phát thơng thƣờng thì việc sử dụng tuabin gió trục đứng có ƣu điểm và lợi thế rất nhiều do máy phát đƣợc đặt tại mặt đất, khi đó kích thƣớc cũng nhƣ trọng lƣợng của
máy phát khơng còn là vấn đề cần quan tâm nữa.

1.2.3 Gió và năng lƣợng trong gió.

Gió là một nguồn năng lƣợng sạch trong tự nhiên mà loài ngƣời nên khai thác và sử dụng nó, do đó yêu cầu đặt ra là cần phải có một cơng nghệ cao để khai
thác có hiệu quả nguồn năng lƣợng đó. Gió sẽ thay đổi cả về tốc độ cũng nhƣ hƣớng gió phụ thuộc vào thời gian. Tốc độ gió thay đổi theo các khoảng thời gian khác
nhau. Tốc độ gió thay đổi theo mùa trong một năm, thay đổi theo giờ trong một ngày, hoặc cũng có thể thay đổi theo từng phút, ví dụ nhƣ tốc độ gió vào mùa hè,
thu ở nƣớc ta thƣờng lớn hơn các mùa khác hay tốc độ gió vào ban ngày lớn hơn ban đêm. Ngồi ra tốc độ gió cũng khác nhau phụ thuộc vào độ cao và địa hình, gió
ở trên cao thƣờng mạnh hơn dƣới thấp. Năng lƣợng mà một tuabin gió có thể hấp thu là:
3 p
t
1 P
C A v 2
 
1.1 Trong đó: P là năng lƣợng hấp thu, C
p
là hệ số biến đổi năng lƣợng nó là một hàm của tỉ số tốc độ đầu cánh
 và góc cánh
 ,
 là mật độ khơng khí, A
t
là diện tích mặt cắt của tuabin gió, v là vận tốc gió. Theo lý thuyết thì giá tri lớn nhất
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-24-
của C
p
là 1627 
0,5926 và nó đƣợc gọi là giới hạn Betz. Năng lƣợng trong gió tỉ lệ với lập phƣơng của vận tốc gió, do đó nếu tốc độ gió tăng thì năng lƣợng tăng lên
rất nhiều. Vì vậy giá trị năng lƣợng của tuabin thay đổi rất lớn. Điều này có thể thấy đƣợc trong hình
3.1 , hình vẽ biểu diễn sự biến thiên của tốc độ gió và năng lƣợng
gió trong khoảng thời gian ngắn của những cơn gió giật. từ hình vẽ ta thấy sự biến thiên của năng lƣợng gió lớn hơn nhiều so với sự biến thiên của tốc độ gió
Hệ số biến đổi năng lƣợng C
p
trong cơng thức 1.1 là một hàm của tỉ số tốc độ đầu cánh
 , nó là tỉ số giữa tốc độ đầu cánh của tuabin gió và tốc độ gió.
m
R v
  
1.2 Trong đó:

m
là tốc độ quay của tuabin, R là bán kính tuabin, v là tốc độ
gió. Với tuabin gió trục ngang TGTN hoạt động bình thƣờng ở tỉ số tốc độ đầu cánh đƣợc cho ở 1.2. Với tuabin gió trục đứng TGTĐ thì hoạt động ở tỉ số tốc độ
đầu cánh thấp hơn. Đƣờng cong biểu diễn quan hệ giữa C
p
và 
cho ở hình 1.11
Thống kê phân bố gió:
Gió là nguồn năng lƣợng thay đổi và các giá trị dữ liệu của các đại lƣợng đo từ gió thƣờng là rất lớn. Vì vậy các phƣơng pháp thống kê đƣợc sử dụng để mơ tả
gió. Các phƣơng pháp thống kê đƣợc sử dụng để dự đoán tiềm năng năng lƣợng tai Tỉ số tốc độ đầu cánh
 Hệ
s ố
biến đổi
nă ng
lƣợ ng
C
p
Hình 1.11 Đường cong biểu diễn quan hệ giữa C
p
và

Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-25-
một vùng nơi mà chúng ta cần phải biết các thống kê phân bố gió. Hai phƣơng pháp thống kê phân bố gió là phân bố Rayleigh và phân bố Weibull. Phân bố Rayleigh
dựa trên tốc độ gió trung bình trong khi đó phân phối Weibull có thể đƣợc suy ra từ tốc độ gió trung bình và độ lệch chuẩn và do đó nó chính xác hơn, tuy nhiên cần
phải biết thêm một số thơng tin về vùng đó. Phân bố Rayleigh đơn giản hơn phân bố Weibull bởi nó có sai số tiêu chuẩn là 0,523 lần tốc độ gió trung bình. Vì vậy phân
bố Rayleigh đƣợc sử dụng trong các mơ phỏng bởi nó đơn giản hơn. Xác suất phân bố pv cho một Rayleigh đƣợc xác định:
2
v 4 v
2
v pv
e 2 v
 
 
1.3 Trong đó: v là tốc độ gió,
v
là tốc độ gió trung bình, hàm xác suất phân bố cho Rayleigh với tốc độ gió trung bình 7 ms đƣợc biểu diễn ở hình 1.12
Điều khiển hoạt động của tuabin gió:
Tuabin gió hấp thu đƣợc năng lƣợng nhiều nhất khi vận hành ở giá trị tối ƣu của
 . Tuy nhiên tốc độ quay của tuabin cũng đƣợc chọn ở giá trị sao cho năng
lƣợng hấp thu đƣợc là lớn nhất. Với tốc độ quay cố định và khi tốc độ gió tăng thì 
sẽ giảm và tuabin sẽ đi vào vùng giảm tốc. Khi công suất đạt đƣợc giá trị định mức Tốc độ gió ms
Hàm xác
suất pv
Hình 1.12 Hàm xác suất phân bố cho Rayleigh với tốc độ gió trung bình 7 ms
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-26-
thì nó đƣợc giữ cố định và sau đó phƣơng pháp điều khiển công suất đƣợc sử dụng để hạn chế sự hấp thu năng lƣợng khi tốc độ gió tăng.
Một tuabin gió có thể đƣợc vân hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ gió. Tuabin gió đƣợc hoạt động ở tốc độ gió từ 4ms đến 20ms
và tốc độ gió định mức là 12ms. Tuabin gió đƣợc khởi động khi tốc độ gió vƣợt qua 4ms. Nó đƣợc điều khiển ở giá tri tối ƣu của
 , cho đến khi tốc độ gió vƣợt qua
10ms. Khi tốc độ gió trên 10ms thì tốc độ quay đƣợc giữ cố định. Hệ số C
p
sễ giảm chút khi tốc độ từ 10ms đến 12ms. Khi tốc độ gió trên 12ms thì cơng suất
đƣợc giữ cố định và tuabin giá bắt đầu quá trình giảm hấp thu năng lƣợng. Khi đó tốc độ quay cần phải giảm chút ít tùy thuộc vào hiệu quả của phƣơng pháp điều
khiển. Đƣờng cong công suất của tuabin hoạt động theo phƣơng pháp này đƣợc trình bày ở hình 1.13. Việc hạn chế tốc độ quay không chỉ là điều khiển tuabin mà
còn vì lý do về sự bền vững của kết cấu hệ thống, sự dao động của lá cánh, và để hạn chế mức độ tiếng ồn khí động học.

1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1

Từ những năm 1970 con ngƣời đã tìm cách sử dụng nguồn năng lƣợng gió để thay thế các nguồn năng lƣợng truyền thống, và đã có những bƣớc phát triển cả về
thiết bị và cơng nghệ biến đổi năng lƣợng gió thành năng lƣợng điện điện gió. Tốc độ gió ms
C ơng
s uấ
t KW
Hình 1.13 Đương cong cơng suất của tuabin gió 50kW điều khiển theo tốc độ gió
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-27-
Ƣu điểm dễ thấy nhất của điện gió là không tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng vô tận là gió, khơng gây ơ nhiễm, khơng làm thay đổi mơi
trƣờng và sinh thái, khơng có nguy cơ gây ảnh hƣởng lâu dài đến cuộc sống của ngƣời dân, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng.
Với sự phát triển của các thiết bị biến đổi năng lƣợng gió và những lợi ích mà nguồn năng lƣợng gió mang lại, chúng ta cần phải có chiến lƣợc phát triển lâu
dài đồng thời phải có cơng nghệ tiên tiến để chuyển đổi năng lƣợng gió thành điện năng với hiệu suất cao để giảm giá thành.
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-28-
CHƢƠNG II KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TUABIN GIĨ VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN CÁNH GIĨ CỦA TUABIN TRỤC ĐỨNG
2.1 KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC TUABIN GIĨ 2.1.1 Động lực học cánh gió tuabin.
Cánh gió là một bộ phận khơng thể thiếu trong một tuabin gió cho dù đó là tuabin trục đứng hay trục ngang. Nó có nhiệm vụ chuyển năng lượng của gió thành
động năng của tuabin thơng qua động lực học của gió tác dụng lên cánh tuabin. Để hiểu được sự hoạt động của cánh và quan trọng hơn là cơ chế biến đổi năng lượng
của tuabin gió ta cần phải có những kiến thức cơ bản về khí động lực học cánh gió. Nếu ta giả thiết các cánh đứng n và khơng khí chuyển động với cùng một
tốc độ, nhưng ở hướng ngược lại, các lực tác dụng vào cánh khơng thay đổi giá trị. Khi đó lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào tốc độ tương đối và góc tới tác dụng. Vì vậy,
để dễ dàng cho việc giải thích, chúng ta hãy xét trường hợp cánh cố định, khơng khí chuyển động với tốc độ vơ hạn V.
Áp lực của khơng khí lên bề mặt ngồi của cánh khơng là đều nhau: Ở bề mặt trên thì áp lực giảm còn ở bề mặt dưới thì áp lực tăng lên. Để biểu diễn sự thay
đổi của áp lực, trên đường vng góc với biên dạng của bề mặt cánh, ta lấy một đoạn có chiều dài bằng K
p
p 2
p p K
1 V
2 
 
2.1
Trong đó p là áp lực tĩnh trên đường vng góc với mặt cánh, và
 , p
, V là các điều kiện tại vô cực.
Kết hợp các giá trị khác nhau của K
p
ta có đường cong biểu diễn K
p
như trên hình 2.1, K
p
nhận giá trị âm với các điểm ở phía mặt trên và nhận giá trị dương ở mặt dưới
Áp lực thấp
Áp lực cao
Hình 2.1 Đường cong biểu diễn K
p
V F
-
+
K
p
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-29-
Hợp lực của các thành phần lực khác nhau tác dụng lên cánh dưới tác dụng của vận tốc gió V là F, nó thường nghiêng so với hướng của tốc độ tương đối, và
được cho bởi biểu thức:
2 r
1 F
C SV 2
 
2.2 Với:
 là tỷ khối của khơng khí
S là diện tích tác dụng, nó bằng tích của dây cung AB với chiều dài của cánh.
C
r
là tổng hệ số khí động lực học. V là tốc độ gió
Lực lượng này có thể được chia thành hai phần: - Một thành phần song song với véctơ V
 : lực cản
d
F 
- Một thành phần vng góc véctơ V 
: lực nâng
l
F 
, F
d
và F
l
được cho bởi các biểu:
2 d
d
1 F
C SV 2
  và
2 1
l
1 F
C SV 2
  2.3
Với C
d
và C
l
tương ứng hệ số lực cản và lực nâng. Từ những lực thành phần ta có thể viết được:
2 2
2 d
l
F F
F 
 từ đó ta có:
2 2
2 d
l r
C C
C 

Nếu ta phân tích F thành hai thành phần F
t
trên phương dây cung AB và F
n
trên phương vng góc với AB ta được: Trên dây cung AB:
2 t
d l
1 F
SV C cos i C sin i
2 
 
2.4 Trên đường vng góc AB:
2 n
l d
1 F
SV C cos i C sin i
2  
 2.5
Mặt khác các biểu thức có thể viết như sau:
2 t
t
1 F
C SV 2
  và
2 n
n
1 F
C SV 2
  Từ đó ta có:
n l
d
C C cos i
C sin i 
 ;
t d
l
C C cos i
C sin i 
 Nếu gọi M mômen động lực học tương đối của F tác động lên mép trước của
cánh. Chúng ta có thể xác định hệ số mômen
m
C
thông qua biểu thức:
i F
d
F F
l
V A
B C
Hình 2.2 Các lực tác dụng lên cánh gió
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-30-
2 m
1 M
C SlV 2
  2.6
Với l là chiều dài dây cung cánh gió. Từ đó ta thấy động lực học của cánh gió được đặc trưng bởi lực cản, lực
nâng cánh và mômen động lực học.

2.1.2 Động lực học của rotor.

Các máy chạy bằng sức gió cổ xưa và các tuabin gió hiện đại ngày nay đều có các cánh được gắn trên một trục và cấu tạo nên rotor. Trước khi nghiên cứu về
động lực học của rotor tuabin gió, chúng ta hãy đưa ra một số định nghĩa như sau: - Trục rotor: là trục quay của rotor,
- Mặt phẳng quay: là mặt phẳng vng góc với trục quay của rotor, - Đường kính rotor: là đường kính của vùng quét bởi trục rotor,
- Trục cánh: là trục dọc cánh mà nó có thể tạo nên độ nghiêng của cánh so với mặt phẳng quay,
- Phần cánh trong bán kính r: là phần giao của cánh với một hình trụ có bán kính r có trục là trục của rotor,
- Góc nghiêng của cánh: là góc độ 
giữa các dây cung của cánh tại r và bán kính của mặt phẳng quay,
Ta xét một phần của chiều dài dr, dây cung l và góc độ 
ở bán kính r của một cánh rotor .
Phần này sẽ có tốc độ trong mặt phẳng quay bằng U 2 rN  
. Nếu ta gọi V tốc độ gió dọc trục qua rotor, và vận tốc của dòng khơng khí so
với cánh là
W 
như hình 2.3 V
U W
  
 
W V
U  
  
Góc tới là
i  
. i là góc độ giữa
W 
và mặt phẳng quay của rotor, i được gọi là góc nghiêng.
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-31-
Do đó, bộ phận cánh lệ thuộc vào sự tác động của dòng khơng khí ở
tốc độ tương đối
W 
. Bộ phận cánh sẽ chịu tác dụng của lực động học dR.
Lực dR này được phân tích thành hai thành phần là lực nâng dR
l
và lực cản dR
d
tương ướng theo phương vng góc và song song tốc độ tương đối
W 
và phù hợp với góc tới i. Đánh giá sự đóng góp của lực động học dR vào lực dọc trục tác dụng bởi
gió trên rotor và tác dụng vào mômen trên trục của rotor. Xác định giá trị dF và dM. Với dF là hình chiếu của dR trên trục rotor và dM
là hình chiếu của mômen tương đối tác động lên trục rotor trên mặt phẳng quay.
l d
dF dR cos
dR sin 
  
2.7
l d
dM r dR sin I
dR cos I 
 2.8
Mặt khác ta có các mối quan hệ sau:
2 l
l
1 dR
C W dS 2
 
và
2 d
d
1 dR
C W dS 2
  2.9
2 2
2 2
2 2
W V
U V
r    
với
r cot g
  
2.10 dP
dM  
Từ đó ta được dM, dF và dP như sau:
2 2
l d
1 dF
V dS1 cot C cos
C sin 2
  
  
 2.11
2 2
l d
1 dM
V rdS1 cot C sin
C cos 2
  
  

2.12
3 2
l d
1 dP
V dScot I1 cot I C sin I C cos I 2
  

2.13 Tổng lực F tác dụng của gió trên rotor và mơmen M trên trục của rotor thu
được tính bằng tổng tất cả các lực dF thành phần và các mômen dM thành phần
U 

V 
V 
W 
dR 
l
dR 
d
dR 


i
Hình 2.3 Tác động của gió lên các cánh
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-32-
tương ứng tác động trên các cánh. Vì vậy, cơng suất P của gió truyền vào rotor và cơng suất hữu ích P
u
được cung cấp bởi tuabin gió có thể tính tốn một cách dễ dàng mà khơng gặp khó khăn:
u
P dF.V
FV P
M 
  

2.14 Hiệu suất của quá trình biến đổi năng lượng:
u
P M
P FV
  
 2.15
2.2 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁNH GIÓ CỦA TUABIN TRỤC ĐỨNG 2.2.1 Lý luận chung
Nhược điểm của các tuabin gió nói chung và tuabin gió trục đứng nói riêng là khi tốc độ gió thay đổi thì tốc độ quay của tuabin cũng thay đổi theo. Để giữ cho
tốc độ quay của tuabin ổn định chúng ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi góc
cánh của tuabin, thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh.
Lồi người đã biết sử dụng năng lượng gió từ rất lâu, nhưng ở mức độ hạn chế. Ngày nay các nước vùng ôn đới và hàn đới đã quan tâm và đã có những thành
quả tốt, đặc biệt trong việc sản xuất ra các máy phát điện dùng sức gió cơng suất lớn, để hòa vào hệ thống điện quốc gia.
Máy phát điện gió cơng suất lớn đòi hỏi phải có hệ thống điều tốc tốt, đảm bảo số vòng quay của trục tuabin nằm trong giới hạn cho phép. Trong luận văn này
tác giả giới thiệu một phương pháp điều tốc đó là phương pháp điều khiển góc cánh của tuabin, qua đó diện tích bề mặt hứng gió của cánh tuabin sẽ thay đổi để ổn định
tốc độ quay của tuabin. Với máy phát điện gió cơng suất nhỏ, việc thay đổi góc cánh thường hay
dùng phương pháp ly tâm của khối lượng quay. Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của tuabin thay đổi, lực ly tâm của vật quay cũng thay đổi. Nếu gió lớn,
vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ cấu thay đổi góc cánh tuabin làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức độ tăng tốc độ quay của
tuabin. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh tuabin tự xoay dần về vị trí ban
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-33-
đầu, để duy trì tốc độ quay của tuabin trong phạm vi cho phép. Với máy phát điện sức gió cơng suất lớn, thường dùng kết cấu cơ khí như hệ thống cam để điều chỉnh
góc cánh. Kết cấu máy sử dụng lực ly tâm và kết cấu cơ khí để xoay cánh tuabin
như vậy tương đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên tốc độ quay của tuabin quá lớn.
Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển cánh gió để ổn định tốc độ quay của tuabin như sau: Đặt cho trục tuabin gió một giới hạn tốc độ cho phép; khi
tốc độ gió lớn hơn quy định, trục tuabin sẽ quay nhanh hơn tốc độ cho phép, bộ phận cảm biến nhận được tín hiệu, chuyển tín hiệu đó đến bộ điều khiển, bộ điều
khiển so sánh với tốc độ quay quy định, phát tín hiệu đến động cơ điều khiển cánh gió, động cơ thay đổi góc cánh tuabin để giảm bề mặt hứng gió; khi tốc độ gió
giảm, động cơ sẽ xoay cánh quay trở lại. Bằng cách này, tốc độ quay của trục tuabin được điều chỉnh kịp thời, khoảng dao động của tốc độ quay tương đối nhỏ.
Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo những nguyên lý cơ bản về khả năng sử dụng gió và khả năng tối ưu của các tuabin.
Đặt tuabin gió trong dòng chảy của khơng khí, khi khơng khí đến gần tuabin bị ứ lại, áp suất dòng chảy tăng lên và vận tốc giảm, đến khi dòng chảy chạm vào
mặt tuabin trao cho tuabin năng lượng. Dòng chảy phía sau tuabin bị nhiễu xoáy, gây bởi chuyển động của tuabin và sự tác động với các dòng khơng khí xung quanh.
Về ngun tắc, dòng chảy phải được duy trì. Do đó, năng lượng tuabin thu nhận được bị hạn chế. Trong trường hợp toàn bộ năng lượng gió được tuabin thu
nhận, thì vận tốc gió đằng sau tuabin sẽ bằng khơng. Muốn cho dòng chảy được cân bằng giữa khối lượng và vận tốc, năng lượng chảy qua tuabin phải bị mất mát. Đối
với hệ tối ưu, số phần trăm cực đại của năng lượng gió có thể thu nhận được tính theo cơng thức do Carl Betz đưa ra năm 1927 :
3 max
P V
0,593 Ar
2 
2.16 Trong đó : P là mật độ năng lượng
Ar
là diện tích quét của cánh tuabin
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-34-
V
là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy khơng khí.
Số 0,593 được gọi là giới hạn Betz hoặc hệ số Betz. Bằng phương pháp phân tích đơn giản về động lực học đối với tuabin gió tìm
được hệ số cơng suất cực đại của nó là 1627 tức là 59,3. Điều này đã được Betz chứng minh 1927. Hiển nhiên đây là trường hợp số cánh vô hạn trở lực bằng
không là điều kiện của một động cơ gió lý tưởng. Trong thực tế có 3 nhân tố làm giảm nhỏ hệ số cơng suất cực đại:
1- Phía sau tuabin gió tồn tại dòng xốy 2- Số cánh của tuabin gió là có hạn
3- Tỷ số C
d
C
l
khơng bằng 0 Với C
l
là hệ số nâng, C
d
là hệ số cản.
l l
2
F C
1 V A
2 

;
d d
2
F C
1 V A
2 
 2.17
trong đó: 
- mật độ khơng khí kgm
3
V - vận tốc dòng khơng khí gió khơng bị nhiễu loạn ms A - Diện tích hình chiếu của cánh diện tích hứng gió m
2
. F
l
- Lực nâng N. F
d
- Lực cản N. Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh tuabin, thì hiệu
suất sử dụng năng lượng gió của tuabin thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh làm quay tuabin. Khi tốc độ gió tăng, năng lượng gió tăng lên, nhưng cơng
suất trên trục tuabin hầu như không tăng lên. Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió rất khác nhau về kích thước, hình
dạng và dạng năng lượng cuối cùng nhận được. Nói chung hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió có các phần: Bộ góp sức gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị sản
sinh năng lượng cuối cùng.
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-35-
Hệ thống máy phát điện sức gió, dạng năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ góp gió là tuabin gió; chuyển động sơ cấp là chuyển động quay tròn của trục tuabin;
thiết bị sản sinh điện năng là máy phát điện. Để máy phát điện hoạt động tốt, có thể hồ được vào lưới điện quốc gia, chuyển động sơ cấp - chuyển động quay tròn của
trục tuabin phải có tốc độ quay hợp lý và ít thay đổi.

2.2.2 Phƣơng pháp xác định góc cánh điều khiển của tuabin gió trục đứng.

Tuabbin gió trong luận văn nghiên cứu là tuabin trục đứng gồm 5
cánh có biên dạng phẳng hình chữ nhật Để xác định góc cánh điều khiển
ta đi phân tích động lực học của cánh gió tuabin ở một vị trí bất kỳ như hình 2.5:


V 

U 

W 

 
U 

hd
U 

ht
U 

Hình 2.5 Phân tích động lực học cánh gió Hướng gió
Chiều quay tuabin
Hình 2.4 Mơ hình tuabin gió trục đứng 5 cánh
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-36-
Trên hình 2.5 với: 
là góc định vị ở tâm 
là góc cánh đại lượng cần điều khiển 
là góc tới V
 là tốc độ gió
Giả thiết tốc độ gió tác động vào cánh tuabin là V 
, ta phân tích nó thành hai thành phần, một thành phần song song với mặt cánh là
W 
, một thành phần vng góc với mặt cánh là
U 
V U
W  
  
Với biên dạng cánh là phẳng thì thành phần
W 
sẽ gây ra lực cản F
d
còn thành phần
U 
sẽ gây ra lực nâng cánh F
l
, chỉ có thành phần F
l
mới có tác dụng gây ra chuyển động của cánh.
Ta phân tích
U 
thành hai thành phần:
hd ht
U U
U 
 
 
Với:
hd
U 
là tốc độ theo phương tiếp tuyến
ht
U 
là tốc độ theo phương hướng tâm Thành phần theo phương hướng tâm gây ra lực hướng tâm trên cánh, thành
phần theo phương tiếp tuyến gây ra lực có tác dụng làm cánh chuyển động và ta gọi đó là lực hiệu dụng F
hd
Ta có:
2 hd
hd hd
1 F
C AU 2
  2.18
trong đó: 
- mật độ khơng khí kgm
3
U
hd
- vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến ms A - Diện tích của cánh gió diện tích hứng gió m
2
. C
hd
– Hệ số lực hiệu dụng. Theo lý thuyết tối ưu về hiệu suất biến đổi năng lượng gió thì ở một vị trí xác
định 
xác định giá trị F
hd
phải đạt giá trị là lớn nhất F
hdmax
và từ biểu thức của F
hd
ta thấy F
hd
phải đạt giá trị là lớn nhất khi U
hd
đạt giá tri lớn nhất. Từ hình 2.5 ta có:
U Vsin
 
;
hd
U Ucos
Vsin .cos 
  
 2.19
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-37-
Với 90
     
hd
U Vsin .cos
Vsin 90 .cos
Vcos .cos
 
  
     
   
hd
V U
[cos2 cos ]
2 
    
 2.20
Khi 
xác định thì U
hd
đạt giá trị lớn nhất khi cos2 
- 
= 1 
2 
 
Từ mối quan hệ giữa góc cánh 
và góc định vị 
ta có thể xác định được góc cánh điều khiển ở bất kỳ vị trí nào của cánh.
Sau đây ta xác định góc cánh điều khiển của một cánh của tuabin ở 10 vị trí như bảng 2.1
Bảng 2.1 Góc cánh điều khiển ở các vị trí khác nhau Góc định
vị 
độ 36
72 108
144 180
216 252
288 324
360 Góc cánh
ĐK 
độ 18
36 54
72 90
108 126
144 162
180
2
1
7 5
3 4
8 6
9 10
Hướng gió
Chiều quay
Hình 2.6 Góc điều khiển của một cánh gió ở 10 vị trí khác nhau
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-38-
Với các cánh còn lại của tuabin ta cũng điều khiển góc cánh tương tự như vậy khi ở các vị trí tương ứng.
Góc cánh ở trên ứng với tốc độ gió bằng tốc độ gió định mức V = V , trong
trường hợp tốc độ gió lớn hơn tốc độ gió V V , từ biểu thức 2.20 ta thấy
cos2 1
2 
      
, như vậy lực F
hd
sẽ được ổn định và tốc độ của tuabin cũng được ổn định.

2.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

Nội dung chương 2 đã đề cập đến một số vấn đề cơ bản về động lực học của cánh gió và cách xác định góc cánh điều khiển cho tuabin trục đứng
Trong chương này tác giả đã nghiên cứu được các lực tác dụng lên cánh gió gồm lực nâng cánh có tác dụng làm quay tuabin và lực cản cánh có tác dụng làm
giảm tốc độ quay của tuabin. Từ đó đưa ra phương pháp xác định góc cánh điều
khiển ở các vị trí khác nhau của cánh gió. Đồng thời đưa ra phương án điều khiển
góc mở của cánh gió bằng cách sử dụng các bộ điều khiển bằng điện thay cho các phương pháp cơ khí sử dụng kết cấu cam và phương pháp ly tâm của khối lượng
quay nhằm tăng chất lượng của hệ thống, phân tích các ưu nhược điểm của các
phương pháp.
Luận văn thạc sỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http:www.lrc-tnu.edu.vn
-39
-
CHƢƠNG III TỔNG QUAN CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

3.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN

Trong các hệ thống điều khiển phân cấp hiện đại cũng như các hệ thống điều khiển đa cấp, hệ điều chỉnh tự động là khâu cuối cùng tác động lên đối tượng điều
khiển. Chất lượng của các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các q trình cơng nghệ bao gồm: chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và các chỉ
tiêu khác của dây chuyền công nghệ… Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động được đánh giá bởi tính ổn định
và các chỉ tiêu khác của quá trình xác lập và quá độ. Ổn định mới chỉ là chỉ tiêu nói lên rằng hệ thống có thể làm việc được hay khơng, còn chất lượng của q trình q
độ mới nói tới việc hệ thống có được sử dụng hay khơng. Vì vậy việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là đề tài được nhiều tác giả trong và ngoài
nước quan tâm. Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và đã có nhiều đóng góp trong
các lĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như: trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng, hàng hải…Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành 2
loại: Tổng hợp hệ điều khiển mờ tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến.

3.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính

Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính bao gồm P, PI, PD và PID đã được nghiên cứu và phát triển tới mức hồn thiện. Để xác định được thơng số tối ưu K
p
, K
i
, K
d
của PID ta có thể dùng phương pháp môdul tối ưu, phương pháp môdul đối xứng và các phần mềm chuyên dụng ví dụ MATLAB để tự động xác định tối ưu
các thông số PID. Đặc điểm của phương pháp này là cần phải biết chính xác mơ hình của đối tượng.

3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến