intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

Chia sẻ: Nguyễn Hoàng Giang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

217
lượt xem
57
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giới thiệu tổng quan về ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió, tổng quan về máy phát điện nam châm vĩnh cửu, các phương pháp điều khiển biến tần,... là những nội dung chính trong 6 chương của luận văn thạc sỹ "Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió". Mời các bạn cùng tham khảo để nắm bắt thông tin chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG VĂN HỒNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN BÁCH PHÚC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2011
  2. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Đặng Văn Hồng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 24/5/1978 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Thị xã Gò Công – Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng Viên Trường Cao Đẳng Cộng Đồng Vĩnh Long Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 27/21A Hoàng Hoa Thám - Phường 2 – TP Vĩnh Long Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0962962196 Fax: E-mail: Hong10vl@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Cao Đẳng Thời gian đào tạo từ 9/1996 đến 3/ 2000 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao Đẳng SPKT Vĩnh Long Ngành học: Kỹ Thuật Điện 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chuyển tiếp Thời gian đào tạo từ 3/2002 đến 3/ 2004 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Điện khí hóa – Cung cấp điện Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Cung cấp điện Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: 3. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 02/2009 đến 02/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Thiết Bị Mạng & Nhà Máy Điện Tên luận văn: Nghiên Cứu Và ứng Dụng Biến Tần Trong Máy Phát Điện Gió Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bách Phúc Chức vụ: Viện trưởng Viện Điện – Điện Tử - Tin Học TPHCM 4. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ: Đạt TOEFL PBT 453 điểm
  3. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 3/2001 Trường THKT – LTTP Vĩnh Long Giáo viên đến 10/2010 Từ 10/2010 Trường Cao Đẳng Cộng Đồng Giảng viên đến nay Vĩnh Long Ngày tháng năm 200… Người khai ký tên
  4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011 ( Ký tên và ghi rõ họ tên) ĐẶNG VĂN HỒNG
  5. Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá trình học cao học tại trường. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS. NGUYỄN BÁCH PHÚC Viện trường Viện Điện – Điện Tử - Tin Học Thành Phố Hồ Chí Minh . Mặc dù công việc của thầy rất nhiều, nhưng trong quá trình nghiên cứu của tôi gặp khó khăn, thầy cũng sẵn sàng sắp xếp thời gian để hai thầy trò gặp nhau giải quyếtvấn đề. Thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ để tôi hoàn thành tập luận văn này. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, Tháng /2011 Học viên thực hiện ĐẶNG VĂN HỒNG
  6. TÓM TẮT LUẬN VĂN Bộ biến tần là một thiết bị có khả năng biến đổi điện áp và tần số nguồn điện. Thông qua biến tần điện áp và tần số của nguồn được biến đổi theo yêu cầu của người sử dụng. Thông thường bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ lồng sóc. Nhờ tần số đầu ra của biến tần có thể thay đổi tùy ý nên tốc độ của động cơ lồng sóc biến đổi tùy ý theo đúng yêu cầu của công việc, mà không cần dùng hộp số hoặc các bộ biến đổi khác. Tốc độ quay của máy phát điện gió luôn luôn thay đổi theo tốc độ gió. Vì vậy, nếu không có bộ biến tốc thì tần số của máy phát điện gió sẽ không giữ được ở tần số cố định. Trước đây người ta phải dùng các bộ biến tốc rất kồng kềnh hoặc các thiết bị điều tốc điện tử phức tạp để giữ cố định tần số máy phát điện gió. Bộ biến tần có thể đóng vai trò tự động biến tốc cho máy phát điện gió, theo nguyên tắc: tần số đầu vào của biến tần ( là tần số của máy phát điện gió luôn luôn biến đổi theo tốc độ gió) sẽ được biến tần tự động điều khiển thành tần số đầu ra của biến tần luôn phù hợp với tần số lưới điện (50Hz). Luận văn này nghiên cứu chế độ làm việc của biến tần với máy phát điện gió. Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc nghiên cứu ổn định điện áp và tần số của đầu ra máy phát điện nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ.
  7. ABSTRACT Inverter is a device capable of variable voltage and frequency power. Through the inverter voltage and frequency of the source was modified at the request of the user. Conventional inverter is used to control the speed of the cage motor. Due to the frequency of the inverter output can be arbitrarily changed the speed of the cage engine arbitrary changes according to the requirements of the job, without a box number or other converters. Rotational speed of the wind generators are always changing as the wind speed. So, if you do not have the frequency of the variable speed wind generators will not stay in fixed frequency. Previously we had to use the variable speed kong very cumbersome equipment or complex electronic speed regulator to keep a fixed frequency of wind generators. Inverter can play a role for automatic variable-speed wind generators, according to the principle of variable frequency inverter input (the frequency of wind generators was constantly changing as the wind speed) will be variable automatic frequency control the output frequency of the inverter is always in line with the grid frequency (50Hz). This thesis research working mode of the inverter with wind generators. Due to time restrictions should be in essay focuses on the study of voltage stability and frequency of the generator output permanent magnet of small capacity.
  8. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ I. Tổng quan ................................................................................................................ 3 1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 3 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài..................................................................... 4 3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 4 4. Ứng dụng của đề tài........................................................................................ 4 5. Điểm mới của luận văn................................................................................... 4 II. Mô hình turbin gió .................................................................................................. 4 1. Mật độ phân bố gió ......................................................................................... 4 2. Năng lượng gió ............................................................................................... 6 3. Sự chuyển đổi năng lượng gió........................................................................ 6 III. Giới thiệu máy phát điện gió sử dụng biến tần ..................................................... 8 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU I. Cấu tạo ................................................................................................................... 11 II. Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha ................................................. 12 III. Các phương trình cơ bản ..................................................................................... 12 IV. Mô hình toán học của máy điện kích thích nam châm vĩnh cửu ........................ 17 V. Mô hình trạng thái của máy điện trên hệ tọa độ từ thong rotor (d-q) ................. 19 VI. Xây dựng bộ biến đổi (BBĐ) .............................................................................. 21 6.1.Các phương trình chuyển đổi hệ tọa........................................................... 21 6.2 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ abc →  và ngược lại ...................... 21 6.2.1 Phương trình chuyển hệ tọa độ abc →  ........................................ 21 6.2.2 Phương trình chuyển hệ tọa độ  → abc ........................................ 22 HVTH: Đặng Văn Hồng  i 
  9. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc 6.3 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ  → dq và ngược lại ........................ 23 6.3.1 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ  → dq .................................. 23 6.3.2 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ dq →  ................................... 23 VII. Bộ BTU 7.1 Nguyên lý hiệu chỉnh P, PI, PD, PID ......................................................... 24 7.1.1 Khái niệm ......................................................................................... 24 7.1.2 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI .................................................... 25 7.2 Áp dụng phương pháp PID vào điều khiển máy phát đồng bộ .................. 25 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN I. Sơ lược về biến tần ............................................................................................... 27 1. Định nghĩa .................................................................................................... 27 2. Phân loại biến tần ......................................................................................... 27 2.1. Biến tần trực tiếp ................................................................................. 27 2.2. Biến tần gián tiếp ................................................................................ 27 3. Cấu trúc cơ bản của biến tần ........................................................................ 29 II. Phương Pháp điều khiển ....................................................................................... 30 2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)............................................ 30 2.1.1. Điều chế theo phương pháp SPWM ................................................ 30 2.1.2. Điều chế theo phương pháp vector không gian ............................... 35 2.1.2.1. Thành lập vector không gian ........................................................ 35 2.1.2.2. Tính toán thời gian đóng cắt ......................................................... 39 2.1.2.3. Kỹ thuật thực hiện vector không gian........................................... 41 2.1.2.4. Giản đồ đóng cắt các khóa để tạo ra vector Vs trong từng sector 42 2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp .............................................................. 43 Chương 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN I. Cấu trúc chung của máy phát điện gió làm việc với biến tần ................................ 45 II. Momen ngõ ra của turbin gió ............................................................................... 46 III. Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu .............................................................. 48 HVTH: Đặng Văn Hồng  ii 
  10. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc 3.1 Mô hình máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần .... 48 3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần ....................................................................................................... 49 3.3. Điện áp ngõ ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu ..................... 49 IV. Hoạt động của biến tần với máy phát điện gió ................................................... 50 4.1. Bộ chỉnh lưu .............................................................................................. 50 4.1.1. Bộ tụ bù ......................................................................................... 50 4.1.2 Dòng điện điều khiển điện áp ngõ ra máy phát .............................. 51 4.1.3 Dòng điều khiển bộ chỉnh lưu ........................................................ 51 4.2. Bộ nghịch lưu ........................................................................................... 54 4.2.1. Biên độ áp hài cơ bản cực đại ....................................................... 54 4.2.2. Điện áp pha cực đại ở chế độ quá điều chế ................................... 54 4.2.3. Điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu ....................................................... 54 4.2.4. Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu.................................................... 55 Chương 5: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN TRONG MATLAB I. Xác định momen của turbin .................................................................................. 57 II. Xác định điện áp và tần số ngõ ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu ... 58 III. Tính toán các thông số biến tần .......................................................................... 62 3.1. Xác định điện áp DC trên tụ lọc ................................................................ 62 3.2. Biên độ điện áp hài cơ bản cực đại............................................................ 62 3.3. Điện áp pha tải cực đại ở chế độ quá điều chế ......................................... 62 3.4. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu.............................................................. 63 IV. Kết quả mô phỏng của máy phát điện gió làm việc với biến tần trong Matlab .. 65 4.1. Mô hình tổng quát ..................................................................................... 65 4.2. Các khối công suất trong máy phát điện gió làm việc với biến tần .......... 66 4.2.1. Khối turbin gió ................................................................................. 66 4.2.2. Khối máy phát .................................................................................. 66 4.2.3. Khối chỉnh lưu ................................................................................. 67 HVTH: Đặng Văn Hồng  iii 
  11. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc 4.2.4. Khối nghịch lưu ............................................................................... 67 4.3. Các khối điều khiển ................................................................................... 68 4.3.1. Khối điều khiển chỉnh lưu ............................................................... 68 4.3.2. Khối điều khiển nghịch lưu ............................................................. 68 4.4. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 69 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐẾ TÀI I. Kết luận .................................................................................................................. 72 II. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................. 72 Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 73 HVTH: Đặng Văn Hồng  iv 
  12. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc PHẦN MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, năng lượng có thể là yếu tố quan trọng nhất tác động đến phát triển chung của xã hội. Con người đã biết đến dầu mỏ cả ngàn năm, nhưng dầu mỏ chỉ sử dụng nhiều ở thế kỷ XIX. Từ đó đến nay chỉ gần 200 năm con người đã dùng phần lớn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than đã tích tụ cả chục triệu năm mới có được. Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người đã tiến hành khai thác thêm nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo. Hiện nay ở các nước phát triển như Châu Âu, Châu Mỹ đang quan tâm nghiên cứu nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời v.v… vì nguồn năng lượng này gần như không gây ô nhiễm đến môi trường và có trữ lượng vô hạn. Đây cũng là vấn đề để giải quyết nguồn năng lượng sắp cạn kiệt trong tương lai. Tuy nhiên nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung, nó phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật mới. Do đó giá thành sản xuất ra được 1KW rất cao. Theo xu hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật cao đã phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều hơn thì giá thành để sản xuất ra 1KW sẽ giảm đến một lúc nào đó giá thành để sản xuất năng lượng tái tạo sẽ giảm ngang bằng với năng lượng hóa thạch và có xu hướng thấp hơn trong trong tương lai. Ngày nay tính với tính năng kỹ thuật cao kết hợp với công nghệ kỹ thuật hiện đại, con người đã chế tạo ra bộ biến tần. Bộ biến tần thực hiện biến đổi tần số, điện áp đầu vào để ổn định được tần số, điện áp đầu ra đúng với yêu cầu của người sử dụng. Với tính năng này, từ trước tới nay bộ biến tần thường được sử dụng nhiều trong điều khiển động cơ, tốc độ động cơ được thay đổi tuyến tính đáp ứng được mọi dây chuyền sản xuất. Ngoài tính năng trên trong luận văn này bộ biến tần sẽ được sử dụng trong Máy phát điện gió.Vì máy phát điện gió phụ thuộc vào vận tốc của gió, mà tốc độ gió luôn luôn thay đổi sẽ làm cho tần số và điện áp biến động thường xuyên theo tốc HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 1 
  13. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc độ gió. Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc nghiên cứu ổn định điện áp và tần số của đầu ra máy phát điện gió có công suất nhỏ khi gắn trực tiếp biến tần vào máy phát điện gió. HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 2 
  14. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ I Tổng quan 1 Đặt vấn đề Công suất phát điện gió là một trong những nguồn năng lượng mới hấp dẫn nhất, nó không gây ra sự ô nhiễm. Nhiều quốc gia có mức độ gió cao, cho nên các quốc gia này sử dụng rộng rãi hệ thống máy phát điện bằng turbin gió. Ngày nay có nhiều turbin gió sản xuất trên thế giới với nhiều loại máy phát khác nhau sử dụng bộ biến đổi bằng điện tử công suất. Hầu hết các máy phát điện bằng turbin gió có đặc điểm chung là ổn định tốc độ máy phát, Các loại máy phát điện bao gồm máy phát điện cảm ứng roto lồng sóc, máy phát điện cảm ứng cung cấp nguồn đôi (DFIG) và kỹ thuật điều khiển trực tiếp dùng trong máy phát đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cữu (PMSG). Điều quan trọng nữa là loại bỏ hộp số và sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu đa cực. Lợi ích của việc loại bỏ hộp số là tiết kiệm về mặt kinh tế như không cần dầu bôi trơn hộp số, bảo dưỡng và lắp đặt dễ dàng. Thêm vào đó cấu trúc điều khiển trực tiếp có thể vận hành với bất cứ lượng công suất phản kháng nào và chất lượng điện năng của nó hòa vào lưới điện được nâng cao khi các nhà máy phát điện khác nhau. Ngày nay với kỹ thuật ứng dụng biến tần trong công nghiệp turbin gió là giảm chi phí lắp đặt và vận hành an toàn. Nguyên tắc chung của việc sử dụng biến tần là tăng giá trị công suất phát ra của turbin gió. Vì thế, việc thiết kế là nâng cao công suất phát lớn hơn của turbin gió thường dẫn đến nâng cao giá trị của điện áp thanh cái DC. Các giá trị này có thể được cung cấp bởi điện áp các tụ điện trên thiết bị công suất, Ngoài ra cấu trúc điều khiển trực tiếp là chuyển đổi công suất hoàn toàn. Ngay cả nếu công suất phát ra cao các chất bán dẫn này có thể được sử dụng nạp điện vào bình acquy, Các linh kiện điện tử này có đặc tính là khả năng dẫn điện cao và tổn thất công suất nhỏ. Vì vậy với kỹ thuật tích hợp bộ biến tần đa bậc cho turbin gió cũng sẽ làm giảm sóng hài ngõ ra, bảo toàn biên độ HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 3 
  15. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc ngỏ ra dv/dt và cải thiện tất cả các đặc tính của điện từ trường. Trong đề tài này ứng dụng biến tần hai bậc để ổn định tần số và điện áp ngõ ra của máy phát điện gió 2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ nghịch lưu áp 3 pha hai bậc và ứng dụng vào máy phát phát điện gió sử dụng máy phát điện một chiều. Các nhiệm vụ chính: - Khảo sát đặc tính công suất turbin gió. - Khảo sát máy phát điện nam châm vĩnh cửu - Khảo sát dạng nghịch lưu áp 3 pha hai bậc - Mô phỏng máy phát điện gió sử dụng bộ nghịch lưu áp 3 pha hai bậc trong Matlab. - Đánh giá kết quả trong mô phỏng. - Kết luận. 3 Phương pháp nghiên cứu - Khảo sát, phân tích tổng hợp. - Mô phỏng trên máy tính. - Đánh giá kết quả dưa trên mô phỏng. 4 Ứng dụng của đề tài - Máy phát điện gió dược ứng dụng trong cung cấp điện cho gia, hệ thống điện khu vực, lớn hơn nữa là hòa vào lưới điện quốc gia. - Ứng dụng quan trọng nhất của máy phát điện gió điện là cung cấp điện cho các vùng hải đảo, vùng xa mà lưới điện quốc không thể cung cấp được. 5 Điểm mới của luận văn Sử dụng bộ nghịch lưu áp để ổn định tần số và điện ngõ ra của máy phát điện gió, thay vì sử dụng hộp số hoặc thay đổi góc pitch để ổn định. Sử dụng phương pháp này có thể nâng cao công suất phát ra that dễ dàng. HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 4 
  16. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc II. Mô hình turbin gió 1. Mật độ phân bố gió Gió là sự di chuyển của khối không khí trong khí quyển, chủ yếu bắt nguồn do khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng của trái đất. Hàm mật độ xác suất thong thường nhất để mô tả tốc độ gió là hàm phân bố Weibull, được biểu diễn bởi công thức: k 1 k V  k P (Vm )   m  e (Vm / C ) (1.1) C C  Trong đó k và C là hệ số hình dạng và hệ số tỷ lệ tương ứng. Hệ số này được điều chỉnh để phù hợp với dữ liệu gió tại vị trí thích hợp. Hàm xác suất phân bố Weibull cho thấy tốc độ gió trung bình hiếm khí xảy ra ở mức gió thường xuyên hơn. Xác suất phân bố lớn nhất xảy ra tương ứng với vận tốc gió 5,5m/s trong khi tốc độ gió trung bình 7m/s. Tốc độ gió trung bình cũng là một hàm theo chiều cao. Mô hình toán được đưa ra là một luật Prandtl logagrithmic, được mô tả bởi phương trình: Vm ( z ) ln( z / z 0 )  (1.2) Vm ( z ref ) ln( z ref / z 0 ) Trong đó z là chiều cao mặt đất và zref là chiều cao tham khảo ( thường là 10m) và z0 là chiều cao do bề mặt địa hình, các giá trị tiêu biểu của thông số này theo địa hình được liêt kê trong bảng 2.1. Môt công thức thực nghiệm khác mô tả ảnh hưởng của tốc độ gió đến địa hình và tuân thủ theo hàm mũ như sau:   z  Vm ( z )  Vm ( z ref )  (1.3) z   ref  Trong đó, thông số  phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá trị  tương ứng các loại đại hình khác nhau thể hiện cột cuối trong bảng 2.1 HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 5 
  17. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc Bảng 2.1 Giá trị điển hình chiều cao z0 và thành phần  theo từng loại địa hình Loại bề mặt Z0(mm)  Bãi cát 0,2 đến 0,3 0,1 Vùng cỏ thấp 1 đến 10 0,13 Vùng cỏ cao 40 đến 100 0,19 Vùng ngoại ô 1000 đến 2000 0,32 Sự tin cậy của công thức Weibull phụ thuộc vào ước lượng chính xác thong số k và C. Để tính toán chính xác k và C, dữ liệu gió phải thu thập tương đối đầy đủ. Trong nhiều trường hợp những thông tin như vậy không có sẵn. Dưới tình huống như vậy, một trường hợp đơn giản hóa mô hình Weibull được đưa ra, xấp xỉ K bằng 2 và C  2V /  với V là vận tốc gió trung bình, thế vào (2.1) ta được hàm mật độ xác suất gọi là Rayleigh 2Vm    Vm  2  P (Vm )  exp    (1.4) V 2 4 V     Thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tương ứng tốc độ gió trung bình bình là 5,4m/s và 8,2m/s. 2. Năng lượng gió Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2)..v2, trong đó  (kg/m3) là mật độ không khí. Công suất gió xuyên qua khu vực diện tích A với tốc độ gió trung bình V là: 1 Pv   . A.v 3 (1.5) 2 Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm: Tp 1 W   . A  v 3 dt (1.6) 2 o 3. Sự chuyển đổi năng lượng gió Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pr bởi cánh quạt HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 6 
  18. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc  và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc d 1 PR   . A. 3 .c p [ w] (1.7) 2 Trong đó - A: Diện tích cánh quạt gió (m2) - Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn gọi ngắn gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính: C5 C2  C P ( ,  )  C1 (  C 3   C 4 )e   C6  (1.8) i Mà Các giá trị của hệ số C1 đến C6 là: C1 = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4 = 5, C5 = 21, C6 = 0.0068. R Và  (1.9) v 1 1 0.035   3 (1.10) i   0.08   1 : Vận tốc của rotor (v/p) R: Bán kính cánh quạt (m) V: Vận tốc gió (m/s) : Góc quay cánh (độ) 16 Hệ số công suất cực đại C p max   59,3% 27 Giá trị lý thuyết Cmax chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng lượng từ gió, đây còn được biết đến như một giới hạn Betz (Albert Betz ’s Law). Đường công suất hiệu rotor được cho ở hình 2.5. 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. HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 7 
  19. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc Hình 1.1. Đường cong hiệu suất rotor 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 gần bằng không. Như vậy, với một vận tốc gió cho trước thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát. Momen turbin gió được tính theo công thức sau: Pr 1 3 Tm    . A. .c p (N/m) (1.11)  2  III. Giới thiệu máy phát điện gió làm việc với biến tần Nhược điểm của máy phát điện sử dụng năng lượng gió là khi tốc độ gió thay đổi thì tốc độ turbin sẽ thay đổi, tần số đầu ra của máy phát cũng thay đổi. Có nhiều cách để ổn định tốc độ quay của turbin như: Thứ nhất thay đổi bề mặt hứng gió của cánh quạt, phương pháp này là đặt cho trục turbin gió với một giới hạn tốc độ cho phép, khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ gió qui định, trục turbin gió sẽ quay nhanh hơn, bộ cảm biến sẽ nhận tín hiệu, chuyển đến bộ phận điều khiển, bộ phận điều khiển sẽ so sánh với tốc độ quay đã qui định. Cơ cấu chấp hành sẽ xoay cánh quạt để thay đổi bề mặt hứng gió. Bằng cách này, tốc độ của turbin sẽ thay đổi kịp thời, để ổn định tần số ra của máy phát. HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 8 
  20. Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió GVHD: TS. Nguyễn Bách Phúc Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều khiển chỉ cần sử dụng một động cơ điều khiển cánh quạt khi tốc độ gió thay đổi. Nhược điểm của phương pháp này là các cơ cấu khiều khiển sẽ làm việc liện tục, dẫn đến tổn hao năng lượng lớn, thiết bị mau hỏng, … Thứ hai, khi tốc độ gió thay đổi thì tốc độ turbin thay đổi, nhờ bộ phận hộp số mà tốc độ Máy phát có thể tăng giảm sao cho gần với tốc độ đồng bộ. Nếu chế tạo một bộ hộp số mà đáp ứng hầu hết thay đổi của tốc độ gió thì rất phức tạp, khó có khả năng thực hiện được, ngược lại nếu hộp số đơn giản thì tốc độ turbin sẽ thay đổi dạng bậc thang, Vì vậy phải kết hợp Hộp số với phương pháp thứ nhất. Ngày nay với tính năng kỹ thuật cao với công nghệ kỹ thuật hiện đại, con người đã chế tạo ra bộ biến tần. Bộ biến tần thực hiện biến đổi tần số, điện áp đầu vào để được tần số, điện áp đầu ra đúng với yêu cầu của người sử dụng. Với tính năng này, từ trước tới nay bộ biến tần thường được sử dụng nhiều trong điều khiển động cơ, tốc độ động cơ được thay đổi tuyến tính đáp ứng được mọi dây chuyền sản xuất. Ngoài tính năng trên bộ biến tần sẽ được sử dụng trong Máy phát điện gió. Máy phát điện gắn trực tiếp với động cơ gió sẽ cho tần số và điện áp biến động thường xuyên theo tốc độ gió, Bộ biến tần sẽ cung cấp tại đầu ra một nguồn điện có tần số ổn định đồng bộ và điện áp ổn định ở trị số định mức. Hình 1.2. Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện HVTH: Đặng Văn Hồng  Trang 9 
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD


intNumView=217

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2