Công suất của turbine Pm là một hàm theo tốc độ máy phát, với các tốc độ gió khác nhau và tại góc pitch β = 0o thì công suất turbine được thể hiện trong Hình 4.
4. Kết quả mô phỏng
Từ sơ đồ khối đề xuất của hệ thống trong Hình 5, hệ thống phát điện gió nam châm vĩnh cửu được mô phỏng trong Simulink/Matlab.
Hình 5: Mô phỏng hệ thống máy phát điện gió và mạch điều khiển trong Simulink
Cấu tạo và chức năng của các khối trong Hình 5 được giải thích một cách tổng quát như sau:
- Tín hiệu ngõ vào bộ P&O MPPT gồm 2 tín hiệu ωr và Ppmsg là tốc độ rotor (cũng là tốc độ của turbine, vì chúng ta đang dùng hệ truyền động trực tiếp) và công suất điện phát ra từ máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Hai tín hiệu này được đưa ra từ khối Turbine - máy phát - bộ chỉnh lưu (Turbine, Generator and Rectifier).
- Khối P&O MPPT: với tín hiệu ngõ vào là “tín hiệu thay đổi” ωr và tín hiệu “sự thay đổi công suất” Ppmsg; tín hiệu ngõ ra là giá trị duty cycle D.
- Khối D-Pulse có chức năng chủ yếu là chuyển giá trị D ở dạng analog sang dạng xung để kích vào bộ Boost chopper.
- Tín hiệu gió là tốc độ gió vào giả lập được xem như thay đổi một cách ngẫu nhiên. Trong bài báo, tác giả chỉ đề cập vận tốc gió trong phạm vi làm việc bình thường của hệ thống. Việc chọn tốc độ cho máy phát trên thực tế phải dựa vào địa khí hậu của vùng khảo sát. Nếu tốc độ gió quá thấp hoặc quá cao thì hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ngắt hệ thống điện tử công suất ra khỏi hệ thống chính nhằm đảm bảo an toàn. Cụ thể, tốc độ trong phạm vi làm việc của hệ thống đề xuất là 6-9 m/s.
- Khối Turbine, Generator and Rectifier là khối tổng gồm 3 khối nhỏ bên trong: là khối mô phỏng Turbine, mô phỏng máy phát và mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Các khối nhỏ này sẽ được giải thích kỹ trong các phần tiếp theo.
- Tụ lọc 1F, được chọn để giảm độ nhấp nhô của điện áp DC - link nhằm tăng cường chất lượng điện áp DC đưa vào bộ Boost chopper. Trong mô phỏng, tác giả đã thay đổi nhiều giá trị của tụ điện trong phạm vi xấp xỉ giá trị 1F; kết quả của đáp ứng vẫn không đổi. Tuy nhiên, vì thời gian làm luận văn có giới hạn nên việc thử để tìm ra giá trị nhỏ nhất vẫn đảm bảo cho hệ thống hoạt động tốt là chưa hoàn thành trong luận văn, đây là một trong những khiếm khuyết của luận văn.
- Khối Boost converter mô phỏng bộ biến đổi tăng áp DC/DC chopper. Với hệ số D thay đổi thì giá trị điện áp ngõ ra thay đổi khi D đạt giá trị thích hợp, mạch đạt trạng thái phối hợp trở kháng, từ đó công suất đưa ra tải từ máy phát là tối ưu với vận tốc gió cho trước.
- Trường hợp vận tốc gió không đổi tải thay đổi.
Hình 6: Đáp ứng tốc độ của Rotor theo thời gian
Hình 6 minh họa đáp ứng tốc độ của turbine (cũng là tốc độ của rotor) máy phát. Do vận tốc gió không đổi, các điều kiện môi trường khác (sự xoáy của gió, sự đổi hướng của gió) cũng được xem là không đổi. Vì thế, tốc độ của turbine cũng không đổi. Tuy nhiên, do quán tính và ma sát của cả hệ thống turbine, máy phát lớn, trước đó rotor đứng yên nên thời gian xác lập lớn lên đến 28 giây. Tác giả cho rằng đây là thời gian phù hợp trong thực tế.
Hình 7: Đáp ứng moment của Turbine theo thời gian
Hình 7 trình bày đáp ứng của moment turbine theo thời gian, vì đây là hệ thống máy phát nên moment cơ được quy ước là có giá trị âm so với công suất điện từ, vì thế trên hình moment luôn có giá trị âm.
Hình 8: Đáp ứng công suất Turbine nhận được theo thời gian
Hình 9: Đáp ứng công suất của máy phát ra theo thời gian
Hình 8 và Hình 9 đặc trưng cho đáp ứng của công suất turbine và công suất của máy phát, hai đại lượng này bằng nhau trong điều kiện lý tưởng (bỏ qua tổn hao). Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do hệ số ma sát của máy phát và của turbine được kể vào nên công suất máy phát phát ra nhỏ hơn công suất của turbine. Tổn hao này chiếm khoảng 10%. Do vận tốc gió không đổi nên công suất lớn nhất mà hệ thống có thể phát ra cũng không đổi cho dù tổng trở (điện trở) tải có sự thay đổi. Điều này được cho là minh họa tính đúng đắn của giải thuật đã được mô phỏng.
Hình 10: Đáp ứng của điện áp sau bộ chỉnh lưu theo thời gian
Hình 10 minh họa điện áp phát ra của máy phát sau khi chỉnh lưu. Do công suất của máy phát và tốc độ của máy phát không đổi trong giai đoạn xác lập nên điện áp phát ra cũng không đổi và không phụ thuộc vào sự thay đổi của tải. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với logic của lý thuyết đã được nêu trong luận văn.
Tóm lại, thông qua trạng thái mô phỏng “vận tốc gió không đổi, tải thay đổi”, có thể hoàn toàn kiểm tra tính đúng đắn của hệ thống đã xây dựng. Đáp ứng thu được hoàn toàn phù hợp với logic lý thuyết được nêu trong tất cả các tài liệu về hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
5. Kết luận
Trong bài báo, tác giả đã xây dựng được và mô phỏng thành công thuật toán tìm điểm làm việc có công suất cực đại P&O. Mô phỏng thành công mô hình hệ thống năng lượng gió: turbine gió, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển, bộ chuyển đổi Boost, thuật toán MPPT P&O. Tác giả cũng đề xuất phương pháp đánh giá kiểm chứng tính đúng đắn và hiệu quả của mô hình xây dựng hệ thống qua: phân tích tín hiệu đáp ứng dựa trên mô phỏng tải thay đổi khi vận tốc gió không đổi, đồng thời cũng sơ bộ đánh giá định lượng đáp ứng vào - ra của mô hình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Charles F. Brush. (2003). A Wind Energy Pioneer. [Online] Availabile at http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/en /pictures/brush.htm
2. Trần Thanh Lâm & Nguyễn Linh Chi (2015). Phân tích chi phí - lợi ích khai thác điện gió khu vực Bạc Liêu. Tạp chí Môi trường, 11, 62-64.
3. Hồ Phạm Huy Ánh, Nguyễn Hữu Phúc, Nguyễn Văn Tài, Phạm Đình Trực, Nguyễn Quang Nam, Trần Công Binh & Phan Quang Ấn (2013). Kỹ thuật hệ thống năng lượng tái tạo. TP. Hồ Chí Minh: Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.
4. Henk Polinder, Frank F. A. van der Pijl, Gert-Jan de Vilder & Peter J. Tavner (2006). Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines. IEEE transactions on energy conversion, 21(3), 725-733.
5. H. Li & Z. Chen (2007). Overview of different wind generator systems and their comparisons. USA: IET Renewable Power Generation.
FINDING THE MAXIMUM POWER FOR PERMANENTAL MAGNETIC SYNCHRONICS WIND GENERATOR BY USING THE P&O METHOD • NGUYEN HOANG VU1 • HUYNH THANH BANH2 1Lecturer, Department of Electrical and Electronic Engineering, Faculty of Engineering & Technology, Tra Vinh University 2Lecturer, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering & Technology, Tra Vinh University ABSTRACT: The long coastline of Vietnam creates favorable conditions for wind power development. In addition, technological advancements have lowered wind power costs. This study presents a solution to find out the maximum power point for wind generators by using the P&O algorithm and to establish a simulation system on Simulink software. For about the controller’s parameters, logical, statistical, trial and error methods are used to obtain the desired output characteristics when the input parameters are changed randomly within the range. This approach is used to find out the maximum power transmitter and evaluate the system response when input parameters change. Keywords: maximum power, wind power, permanent magnet synchronous machine, P&O methods. |
NGUYỄN HOÀNG VŨ (Giảng viên, Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh)
HUỲNH THANH BẢNH (Giảng viên, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh)
Nguồn: Tạp Chí Công Thương