Mô phỏng hệ thống tuabin gió trên khí cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TRÊN KHÍ CẦU SV2019-94 Thuộc nhóm ngà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

TP Hồ Chí Minh, Tháng 10 Năm 2019

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TRÊN KHÍ CẦU

SV2019-94

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TRÊN KHÍ CẦU

SV2019-94

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

SV thực hiện: Nguyễn Anh Duy Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 15142CL1- Khoa Đào tạo Chất lượng Cao

Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4

Ngành học: Công nghệ kĩ thuật Điện – Điện tử

Người hướng dẫn: Th.S Lê Trọng Nghĩa

TP Hồ Chí Minh, Tháng 10 Năm 2019

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 2

1 Đặt vấn đề 2

2 Phạm vi nghiên cứu: 3

CHƯƠNG 1 – MÔ PHỎNG 4

1.1 Mô phỏng hệ thống bằng tính năng Flow Simulation của Solidworks 4

1.1.1 Giới thiệu chung về Flow Simulation. 4

1.1.2 Cài đặt thông số mô phỏng hệ thống bằng Flow Simulation .4

1.1.3 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 10

1.2 Mô phỏng tuabin gió bằng matlab 15

1.2.1 Khối Wind turbine 15

1.2.2 Khối tuabin gió 33

1.2.3 Khối 2 Mass Drive Train 1 41

1.2.4 Khối máy phát điện (khối 2): 49

1.2.5 Kết quả và hướng phát triển 61

CHƯƠNG 2 - KẾT QUẢ, TH C NGHIỆM, PH N TÍCH, TỔNG H P 72

2.1 Qui trình lắp đặt hệ thống tuabin gió trên khí cầu 72

2.2 Đo đạc thông số từ thực tế 77

2.3 Đánh giá hệ thống 80

CHƯƠNG 3 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

3.1 Kết luận 82

3.2 Hướng phát triển đề tài 82

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Add-Ins tính năng Flow Simulation vào Solid

Hình 1.2 Cài các thông số và điều kiện môi trường vào Solid

Hình 1.3 Cài đặt hệ đơn vị tiêu chuẩn SI Solid

Hình 1.4 Chọn loại chất lưu cho mô phỏng

Hình 1.5 Cài hướng gió và các tham số điều kiện môi trường

Hình 1.6 Tạo không gian kín cho mô phỏng

Hình 1.7 Chọn và cài đặt mặt “phát gió” hay Inlet Velocity

Hình 1.8 Cài đặt miền đón gió, hướng gió Evironment Pressure

Hình 1.9 Cài đặt các giá trị cần tính của mô phỏng

Hình 1.10 Chọn mô phỏng Flow Trajectories

Hình 1.11 Giao diện tính toán các giá trị phục vụ mô phỏng

Hình 1.12 Tốc độ gió trung bình trong vùng mô phỏng

Hình 1.13 Thông số sau khi cài đặt điều kiện mô phỏng hệ thống

Hình 1.14 Mặt cắt dọc mô phỏng tác động của gió vào hệ thống turbine

Hình 1.15 Mặt cắt ngang mô phỏng tác động của gió vào hệ thống turbine

Hình 1.16 Các mặt cắt của của mô phỏng tác động của gió lên hệ thống

Hình 1.17 Tác động của gió lên hệ thống qua Flow Trajectories

Hình 1.18 Mô hình mô phỏng

Hình 1.19 Mô hình trên Matlab

Hình 1.20 Khối wind turbine

Hình 1.21 Mô hình điều khiển góc tấn

Hình 1.22 Mô hình SIMULINK của Bộ điều khiển góc cánh

Hình 1.23 Cửa sổ Command Window

Hình 1.24 Cửa sổ Simulink Start Page

Hình 1.25 Cửa sổ mạch điện Blank Model

Hình 1.26a Tạo khối In 1

Hình 1.26b Biểu diễn tốc độ góc của rotor 1

Hình 1.27a Tạo khối Constant

Hình 1.27b Cài đặt khối Constant

Hình 1.28a Tạo khối Sum

Hình 1.28b Cài đặt khối Sum

Hình 1.29a Tạo khối Gain

Hình 1.29b Cài đặt khối Gain

Hình 1.30a Tạo khối Saturation

Hình 1.30b Cài đặt khối Saturation

Hình 1.31 Cài đặt khối Rate Limiter

Hình 1.32a Tạo khối Pitch Angle

Hình 1.32b Cài đặt khối Pitch Angle

Hình 1.33 Mô hình SIMULINK của Tuabin gió

Hình 1.34 Đường cong biểu diễn mối quan hệ Cp và λ

Hình 1.35 Đường cong biểu diễn đặc tính của tuabin theo tốc độ gió

Hình 1.36 Hàm số của Cp

Hình 1.37a Tạo khối In

Hình 1.37b Cài đặt khối In port number 1

Hình 1.37c Cài đặt khối In - port number 2

Hình 1.43 Mô hình tuabin gió được thiết kế trong MATLAB / SIMULINK

Hình 1.44 Cài đặt thông số trên Matlab

Hình 1.45a Tạo khối In tốc độ gió

Hình 1.45b Cài đặt khối In tốc độ gió

Hình 1.46a Tạo khối khuyếch đại tín hiệu đầu vào

Hình 1.46b Cài đặt khối khối khuyếch đại tín hiệu đầu vào

Hình 1.47a Tạo khối Saturation dùng giới hạn tín hiệu đầu vào

Hình 1.47b Cài đặt khối Saturation dùng giới hạn tín hiệu đầu vào

Hình 1.48 Cài đặt khối Fcn của tốc độ gió

Hình 1.49a Tạo khối Product

Hình 1.49b Cài đặt khối Product

Hình 1.49c Cài đặt khối Product dùng để nhân 2 tín hiệu đầu vào

Hình 1.50a Hệ truyền động hai khối

Hình 1.50b Hệ truyền động hai khối trên Matlab

Hình 1.50c được biểu diễn dưới dạng khối In

Hình 1.51a Tạo khối Sum thực hiện cộng hoặc trừ tín hiệu đầu vào

Hình 1.51b Cài đặt khối Sum thực hiện cộng hoặc trừ tín hiệu đầu vào

Hình 1.52 Tạo khối Gain là hằng số Quán tính tuabin gió

Hình 1.53a Tạo khối Discrete-Time Integrator

Hình 1.53b Cài đặt khối Discrete-Time Integrator

Hình 1.54 Cài đặt khối Gain (tốc độ điện) và set 140

Hình 1.55 Cài đặt khối Discrete-Time Integrator thực hiện tích hợp thời gian rời rạc hoặc tích lũy tín hiệu

Hình 1.56 Cài đặt khối Gain biểu diễn hằng số Độ cứng trục lò xo

Hình 1.57 Cài đặt khối Gain biểu diễn hệ số Giảm xóc lẫn nhau

Hình 1.58 Cài đặt khối Gain biểu diễn moment của trục quay

Hình 1.59 Hệ trục toạ độ dq

Hình 1.60 Khung tham chiếu dq của máy phát

Hình 1.61 Chọn máy phát PMSG trên Matalb

Hình 1.62 Thông số máy phát PMSG trên Matalb

Hình 1.63 Mô hình tuabin gió và máy phát điện

Hình 1.64a Tạo khối Discrete State-Space

Hình 1.64b Cài đặt khối Discrete State-Space

Hình 1.65a Tạo khối Bus Selector dùng để chọn tín hiệu từ ngõ vào

Hình 1.65b Cài đặt khối Bus Selector

Hình 1.66 Tạo khối Current Measurement

Hình 1.67a Tạo khối Voltage Measurement

Hình 1.67b Cài đặt khối Voltage Measurement

Hình 1.68 Cài đặt khối Discrete RMS value

Hình 1.69 Mô hình dùng để chuyển đổi sang giá trị hiệu dụng

Hình 1.70a Tạo khối Three-Phase V-I Measurement

Hình 1.70b Cài đặt khối Three-Phase V-I Measurement

Hình 1.71 Tạo khối Display

Hình 1.72 Tạo khối Scope

Hình 1.73a Tạo khối Connection Port

Hình 1.73b Cài đặt khối Connection Port

Hình 1.74 Dạng sóng ngõ ra momen cơ Tm và momen điện Te của tuabin

Hình 1.75 Tốc độ Rotor turbine (rad/s)

Hình 1.76 Các thông số ngõ ra của tuabin

Hình 1.77 Điện áp pha đầu ra của tuabin

Hình 1.78 Dòng điện dây của tuabin

Hình 1.79 Giá trị hiệu dụng của dòng điện

Hình 1.80 Giá trị hiệu dụng của dòng điện giữa các dây

Hình 1.81 Công suất AC đầu ra của tuabin và tốc độ của rotor

Hình 1.82 Mô phỏng tốc độ gió thay đổi

Hình 1.83 Các tham số đầu ra của tuabin với tốc độ gió thay đổi

Hình 1.84 Các giá trị điện áp, dòng điện, tốc độ quay tuabin với tốc độ gió thay đổi Hình 1.85 Mô phỏng tốc độ gió thay đổi

Hình 1.86 Điện áp (Vabc) và dòng điện (Iabc) sau khi qua bộ chuyển đổi

Hình 1.87 Điện áp (Vabc) và dòng điện (Iabc) sau khi qua bộ chuyển đổi khi được phóng đại

Hình 1.88 Thông số điện áp Vabc và giá trị hiệu dụng của Vabc

Hình 1.89 Công suất tác dụng, P (kW) và công suất phản kháng, Q (kVAr) phát ra của

hệ thống điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 1.90 Mô hình tuabin gió không sử dụng biến tần

sử dụng trực tiếp cho tải 3 pha

Hình 1.91 Mô hình tuabin gió sử dụng biến tần với tốc độ gió thay đổi

Hình 2.1 Turbine sử dụng trong hệ thống

Hình 2.2 Thông số từ nhà sản xuất

Hình 2.3 Khung turbine

Hình 2.4 Mạch thiết kế thực tế

Hình 2.5 Mạch chuyển đổi điện áp xuống 12V DC để nạp Acquy

Hình 2.6 Dây neo và kết nối dây neo với khí cầu

Hình 2.7 Quá trình bơm và chuyển khí cầu lện vị trí thí nghiệm

Hình 2.8 Set- Up và tiến hành thả hệ thống lên không

Hình 2.9 Các đồng hồ đo kết quả điện áp

Hình 2.10 Giá trị điện

Hình 2.11 Bóng Đèn Led 3W hoạt động áp đầu ra turbine đo được

Hình 2.12 Điện áp ngõ ra của mạch chuyển đổi điện áp

Hình 2.13 Acquy đang được sạc Điện áp acquy là 12.1V

Hình 2.14 Tuabin khí cầu ở độ cao 30m

Hình 2.15 Điều kiện thời tiết ngày 8/7/2019 tại Thủ Đức

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số tuabin gió

Bảng 1.2 Thông số bộ truyền động

Bảng 1.3 Thông số máy phát điện

Bảng 1.4 Sự thay đổi của tốc độ cánh quạt, công suất đầu ra và góc nghiêng liên quan đến tốc độ gió mà không cần điều khiển góc tấn tuabin

Bảng 2.1 Thông số tốc độ gió, điện áp thu được

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AWE Air Borne Wind Energy Năng lượng gió trên không

OBG On-Board Generation Phát điện bằng máy phát đặt trên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu về tuabin gió trong hệ thống tuabin gió trên khí cầu

- SV thực hiện: Nguyễn Anh Duy Mã số SV: 15142015

- Lớp: 15142CL1 Khoa: ĐT-CLC Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: Th.S.Lê Trọng Nghĩa

2 Mục tiêu đề tài: Mô phỏng mô hình tuabin gió trên khí cầu phục vụ cho việc cung cấp điện khẩn cấp và những nơi khó truyền tải điện

3 Tính mới và sáng tạo: Sử dụng phần mềm SolidWorks và Matlab để mô phỏng cho hệ thống

1 Kết quả nghiên cứu: Báo cáo tổng kết

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng

và khả năng áp dụng của đề tài: cung cấp điện trong hộ gia đình, sử dụng ở

những nơi khó truyền tải điện như vùng sâu vùng xa, biển đảo; cung cấp điện cho

các vùng sau thiên tai lũ lụt

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài hoặc nhận xét,

đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu:

Ngày 30 tháng 9 năm 2019

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số dẫn đến tốc độ sử dụng năng lượng ngày càng tăng, làm cho các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng trở nên khan hiếm Một trong những vấn đề về năng lượng là sự thiếu hụt điện do việc sử dụng điện ngày càng gia tăng nhằm phục vụ cho các nhu cầu như sản xuất, sinh hoạt và các mục đích khác Do vậy, trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng cần có các chiến lược chung và dài hạn nhằm đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách khai thác tiết kiệm, hiệu quả và giảm thiểu sự phụ thuộc vào những nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí, thủy điện… đồng thời mở rộng ứng dụng các nguồn năng lượng mới, đặc biệt ưu tiên phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều, sinh khối.…

Việt Nam là nước có hơn 3000km đường bờ biển và nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên được đánh giá là một trong những quốc gia có tiềm năng năng lượng gió khá tốt Tuy nhiên, hiện nay các dự án điện gió ở Việt Nam vẫn chưa thu hút được các nhà đầu tư trong và ngoài nước, điện gió vẫn chưa phát huy được hết tiềm năng của mình Với mô hình hệ thống turbine gió truyền thống thì hiệu suất năng lượng thu được vẫn chưa mấy khả quan cho các nhà đầu tư Bên cạnh đó, nếu xét về tiềm năng của năng lượng gió thì hơn 65% năng lượng gió hiện tại nằm ở độ cao mà các hệ thống turbine gió truyền thống không thể vươn đến, hoặc phải chi trả thêm một khoản lớn chi phí đầu tư cho việc xây dựng trụ turbine cao hơn và chi phí bảo trì Chưa kể đến việc các nhà máy điện gió trên đất liền chiếm dụng khá nhiều đất đai và ô nhiễm tiếng ồn

Có thể dễ dàng thấy một định luật rằng càng lên cao gió càng mạnh và càng ổn định

vì không có ma sát với bề mặt Trái Đất hoặc các công trình Do vậy, không chỉ tại Việt Nam mà còn cả trên toàn thế giới, lượng năng lượng của ngành công nghiệp điện gió mang lại hiện tại được xem là vẫn chưa phản ánh đúng tiềm năng to lớn của nó Theo các nghiên cứu nếu có thể tận dụng hết tiềm năng của gió thì sẽ đủ đáp ứng hơn 20 lần lượng năng lượng mà cả thế giới cần

Do đó, một khái niệm mới về “High Attitude Wind Energy” sớm được các nhà nghiên cứu tập trung nghiên cứu và đưa ra các thiết kế về hệ thống Airborne Wind Energy để có thể giúp Turbine có thể lấy được nguồn năng lượng từ gió ở độ cao không giới hạn

Mục tiêu

TIến hành mô phỏng mô hình tuabin gió trên khí cầu công suất 7,5kW phục vụ cho việc cung cấp điện trong hộ gia đình, sử dụng ở những nơi khó truyền tải điện như vùng sâu vùng xa, biển đảo Ngoài ra, hệ thống được tích hợp thêm các tính năng để

có thể đo đạc các thông số thời tiết cũng như truyền tải mạng Internet trong khu vực Mặt khác, với kích thước, trọng lượng nhẹ hơn so với các hệ thống điện khác,

hệ thống tuabin gió trên khí cầu là giải pháp cho việc cung cấp điện cho các vùng sau thiên tai lũ lụt

Phương pháp, cách tiếp cận

- Đề tài được tiếp cận qua việc nghiên cứu các thông tin và tài liệu từ giảng viên hướng dẫn, các thầy cô, các bài báo khoa học và từ các tổ chức đã thiết kế các hệ thống AWE trên thế giới, …Từ đó, đưa ra định hướng và ý tưởng thiết kế cho hệ thống phù hợp với mục đích nghiên cứu của mình Thu thập lý thuyết từ các nguồn

và tiến hành mô phỏng được chất lượng điện năng của hệ thống bằng cách tính toán

và lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống Nghiên cứu hoạt động của hệ thống trong từng điều kiện thời tiết Khả năng chịu được tối đa của hệ thống trong các điều kiện thời tiết khác nhau

Về phương pháp nghiên cứu:

Đánh giá tiềm năng và phân bố tốc độ gió tại lãnh thổ Việt Nam

+ Khảo sát tốc độ gió và chọn độ cao cho hệ thống turbine gió trên khí cầu

+ Tính toán và thiết kế hệ thống khí cầu bằng các công thức cân bằng lực và khí động lực học

+ Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý của các loại turbine gió, từ đó lựa chọn và thiết kế turbine gió phù hợp cho hệ thống

+ Sử dụng các công thức tính toán sụt áp trên đường dây truyền tải từ hệ thống trên không đến mặt đất

+ Từ số liệu tính toán và kiến thức để tìm ra nguyên nhân và đưa ra giải pháp để giảm tổn hao do sụt áp trên đường dây truyền tải

- Về phạm vi nghiên cứu:

+ Đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam ở các độ cao khác nhau

+ Về turbine gió: Về turbine gió: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động; Các công thức tính toán cũng như lựa chọn thiết bị chuyển đổi của turbine gió

+ Mô phỏng hoạt động của hệ thống đã thiết kế về cơ và điện thông qua SolidWork

và Matlab

+Thực hiện mô hình thí nghiệm thực tế để đánh giá và nhận xét

2 Phạm vi nghiên cứu:

+ Giới thiệu và giải thích nguyên lý hoạt động của hệ thống AWE

+ Trình bày các đặt trung của gió và đánh giá năng lượng gió của Việt Nam

+ Cấu tạo của hệ thống khí cầu

+ Turbine nam châm vĩnh cửu sử dụng cho hệ thống

+ Thiết kế hệ thống với Turbine 7,5KW và lựa chọn thiết bị cho hệ thống

+ Mô phỏng hệ thống bằng SolidWorks và Matlab

+ Mô hình hóa hệ thống thử nghiệm ngoài thực tế

+ Đánh giá và kết luận

CHƯƠNG 1 – MÔ PHỎNG

1.1 Mô phỏng hệ thống bằng tính năng Flow Simulation của Solidworks

1.1.1 Giới thiệu chung về Flow Simulation

Solidworks xây dựng mô hình dựa trên cách tiếp cận thành phần-tham số để tạo mô hình và lắp ráp Các tham số có giá trị xác định hình dạng hoặc hình học của

mô hình và lắp ráp Thông số có thể là các thông số số, chẳng hạn như độ dài đoạn thẳng hoặc đường kính vòng tròn, hoặc các thông số hình học, chẳng hạn như tiếp tuyến, song song, đồng tâm, ngang hay dọc, vv… Thông số số có thể được liên kết với nhau thông qua việc sử dụng các mối quan hệ, đáp ứng theo ý định thiết kế

Ý định thiết kế là cách tạo ra mô hình có thể chỉnh sửa và cập nhật Chẳng hạn, bạn muốn tạo một lỗ trên mặt trên của một hình hộp chữ nhật, và vị trí cũng như các thông số hình học và kích thước của lỗ đó không thay đổi khi các thông số của hình hộp đó thay đổi Solidworks sẽ xem lỗ như một thành phần trên mặt top của hình hộp này, sẽ “tôn trọng” ý định thiết kế này cho dù chiều cao của hình hộp

có thay đổi thế nào đi nữa

Trong đó Solidworks cũng cung cấp tính năng Flow Simulation cho phép mô phỏng một cách hiệu quả chuyển động dòng chất lỏng, khí, truyền nhiệt, và các lực

có tính quan trọng cho sự thành công của thiết kế

Với đề tài thiết kế hệ thống turbine gió trên khí cầu thì việc mô phỏng, đánh giá vê mặt cơ khí sự tác động của gió lên hệ thống là một việc vô cùng quan trọng Với tính năng Flow Simulation thì Module thiết kế sẽ được nhúng và chạy trên nền SOLIDWORKS 3D CAD, công cụ cho phép người dùng thiết kế mô phỏng dòng chất lỏng, khí, khí gas với điều kiện biên thực tế, xây dựng kịch bản “What if – Sẽ thế nào nếu như” Từ đó có thể so sánh sự thay đổi thiết kế để đưa ra quyết định tốt hơn nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống

1.1.2 Cài đặt thông số mô phỏng hệ thống bằng Flow Simulation

Sau khi thiết kế, vẽ mô hình 3D trên SolidWorks, bắt đầu chọn Add-Ins tính năng Flow Simulation từ phần mềm Solid

Hình 1.1 Add-Ins tính năng Flow Simulation vào Solid

 Sau đó tiến hành cài các thông số và điều kiện môi trường để mô phỏng Tiến hành chọn mục Wizard ở bên trái cửa sổ để mở tab cài đặt

Hình 1.2 Cài các thông số và điều kiện môi trường vào Solid

 Cài đặt hệ đơn vị tiêu chuẩn SI

Hình 1.3 Cài đặt hệ đơn vị tiêu chuẩn SI Solid

 Chọn loại chất lưu cho mô phỏng: Air

Hình 1.4 Chọn loại chất lưu cho mô phỏng

 Cài các tham số điều kiện môi trường, ở đây giữ điều kiện môi trường từ thông

số của phần mềm và Finish, kết thúc phần cài đặt điều kiện môi trường

Hình 1.5 Cài hướng gió và các tham số điều kiện môi trường

 Bước kế tiếp là tạo không gian kín cho mô phỏng, ở đây khi mô phỏng với tốc

độ gió thì cần xây dựng một hình hộp bao quanh lấy mô hình hệ thống để giới hạn môi trường mô phỏng

Hình 1.6 Tạo không gian kín cho mô phỏng

 Chọn và cài đặt mặt “phát gió” hay Inlet Velocity, hướng phát gió và vận tốc phát gió 7m/s (tốc độ gió trung bình tại Việt Nam)

Hình 1.7 Chọn và cài đặt mặt “phát gió” hay Inlet Velocity

 Cài đặt miền đón gió hay hướng gió Evironment Pressure

Hình 1.8 Cài đặt miền đón gió, hướng gió Evironment Pressure

 Vào phần Goals để thêm các giá trị cần tính của mô phỏng

Hình 1.9 Cài đặt các giá trị cần tính của mô phỏng

 Để mô phỏng, vào Results và chọn các hướng mô phỏng, ở đây chọn mô phỏng theo mật độ cài đặt các luồng gió- Flow Trajectories

Hình 1.10 Chọn mô phỏng Flow Trajectories

 Sau khi cài đặt xong chọn Run, để phần mềm tính toán các giá trị phục vụ mô

phỏng

Hình 1.11 Giao diện tính toán các giá trị phục vụ mô phỏng

 Như vậy là hoàn thành phần cài đặt mô phỏng

1.1.3 Mô phỏng và kết quả mô phỏng

Kết quả tính toán của hệ thống cho vận tốc gió trung bình trong vùng mô phỏng là 7,03m/s và nơi có tốc độ gió cao nhất là 8,8m/s

Hình 1.12 Tốc độ gió trung bình trong vùng mô phỏng

Hình 1.13 Thông số sau khi cài đặt điều kiện mô phỏng hệ thống

Ở đây có thể thấy khi cài đặt tốc độ gió là 7m/s theo phương Z thì lực mà gió sinh ra là 141,435N và tại đó tuabin quay theo phương X sẽ nhận được lực momen xoay là 804Nm

Bằng Cut Plot, có thể thấy được rằng với tốc độ gió là 7m/s khi tác động vào khung turbine dạng ống (Ducted Wind turbine) thì mật độ gió sẽ tăng làm cho tốc

độ gió tác động vào cánh turbine tăng lên, nằm trong khoảng 7-8m/s

Hình 1.14 Mặt cắt dọc mô phỏng tác động của gió vào hệ thống tuabin

Hình 1.15 Mặt cắt ngang mô phỏng tác động của gió vào hệ thống turbine

Hình 1.16 Các mặt cắt của của mô phỏng tác động của gió lên hệ thống

Để hiểu rõ hơn tác động của gió có thể chọn cách thể hiện đã cài đặt là Flow

Trajectories để cho ra chi tiết các luồng gió tác động

Hình 1.17 Tác động của gió lên hệ thống qua Flow Trajectories

Qua mô phỏng có thể thấy việc kết hợp turbine gió dạng ống, ở đây là vành khung turbine, đã giúp cho hệ thống thu được tốc độ gió cao hơn Trong đó, có thể tăng bề dày của ổng để tăng mức độ tập trung của gió Và qua mô phỏng, tính khả quan của hệ thống đã được chứng minh và về mặt lắp đặt cần chú trọng vào phần kết nối turbine với khí cầu vì tại đó tốc độ gió khá cao, áp lực gió lên các bộ phận lớn nên cần phải chú trọng

1.2 Mô phỏng tuabin gió bằng matlab

Hình 1.18 Mô hình mô phỏng

Hình 1.19 Mô hình trên Matlab

1.2.1 Khối Wind turbine

Bao gồm các khối con trong Hình 1.19, thành phần chính là máy phát điện và chuyển năng lượng gió thành điện năng Đầu ra của khối là điện áp xoay chiều 3 phase

Hình 1.20 Khối wind turbine

Cấu trúc bên trong của khối Wind-turbine bao gồm có 2 khối chính:

 Khối model Wind-turbine (khối 1): Đầu vào là tốc độ gió và các góc điều chỉnh

và các tốc độ quay, đầu ra là các moment cho máy phát điện (khối 2)

 Khối Pitch_angle controller: Khối dữ liệu góc tấn tuabin

Phương pháp điều khiển góc tấn tuabin

Chiến lược điều khiển này được áp dụng để kiểm soát đầu vào công suất cơ học ở giá trị định mức và cũng ngăn chặn sản lượng điện trở nên quá cao Nó thường hoạt động trong điều kiện tốc độ gió cao Trong những tình huống đó, tốc độ cánh quạt không thể được kiểm soát bằng cách tăng công suất được tạo ra bởi vì điều này sẽ làm quá tải máy phát Đó là lý do tại sao góc nghiêng của lưỡi dao được sửa đổi để hạn chế hiệu quả khí động học của rôto giúp điều khiển tốc độ cánh quạt trở nên cao Trong tiêu chí này, các cánh tuabin được quay ra khỏi gió để khai thác năng lượng tối thiểu Bất cứ khi nào có sự mất cân bằng giữa công suất đầu vào và năng lượng gió đầu vào, phương pháp điều khiển góc cao độ phải được thực hiện để giữ cân bằng giữa đầu vào cơ học và đầu ra điện Sau khi giải phóng sự cố, góc cao

độ lại giữ lại giá trị tối ưu cho công suất tối đa [3] Sau đó, một lần nữa các cánh tuabin được quay với gió để khai thác năng lượng tối đa

Hệ số biến đổi năng lượng là hàm số của tỷ số giữa tốc độ đầu cánh λ, và

và góc cánh β Vì vậy, sửa đổi β cũng sẽ sửa đổi và do đó nó sẽ giúp kiểm soát tốc độ quay cũng như đầu ra của máy phát Biết rằng giá trị tối đa của đạt được khi góc cánh β bằng không xác định điều kiện khi không cần điều khiển góc cao, điều đó có nghĩa là tuabin đang hoạt động ở tốc độ gió định mức Nhưng khi tốc độ gió vượt quá tốc độ gió định mức ở một mức độ nào đó mà tốc độ cánh quạt vượt quá giá trị định mức của nó thì phương pháp điều khiển này phải được áp dụng Sau

đó, giá trị của góc cánh β sẽ được tăng lên bởi một số cơ chế để giảm giá trị của

để duy trì sự cân bằng giữa công suất đầu vào và đầu ra Trong bài báo này, phương pháp kiểm soát theo tỷ lệ tích phân (PI) đã được thảo luận để kiểm soát góc nghiêng

Phương pháp điều khiển góc cánh này sử dụng tốc độ rôto chênh lệch và giá trị tham chiếu của tốc độ rôto để điều khiển góc nghiêng Một giá trị tham chiếu được đặt để so sánh tốc độ rôto đầu vào đã cho Bất cứ khi nào tốc độ cánh quạt vượt quá giá trị tham chiếu, có sự khác biệt về tín hiệu được tìm thấy khiến bộ điều khiển hoạt động Tín hiệu lỗi này được theo sau bởi khối điều khiển, góc giới hạn

và khối giới hạn tốc độ được hiển thị trong Hình 1.21

Hình 1.21 Mô hình điều khiển góc tấn

Nếu tốc độ rôto thấp hơn giá trị được đề cập thì bộ điều khiển góc cánh sẽ không hoạt động và nó sẽ cho giá trị β = 0 cho tuabin để bắt đầu công suất tối đa

1.2.1.1 Kiểm soát hoạt động

Mặc dù hệ thống sử dụng bộ điều khiển góc cánh để điều khiển tuabin trong điều kiện gió, nhưng phải có một phương pháp để dừng hoạt động hoàn toàn trong trường hợp mở rộng tốc độ cắt Sau đó, tuabin phải không hoạt động, nếu không nó

sẽ tạo ra ảnh hưởng lớn của toàn bộ hệ thống Chúng tôi đã thực hiện tốc độ cắt là 3

m / s, tức là tốc độ mà tuabin sẽ bắt đầu tạo ra năng lượng điện hợp lý Tốc độ chạy được xác định trong khoảng (3-12) m / s Sau khi tốc độ gió đạt 12 m / s, tuabin phải ngừng hoạt động Vì vậy, 12 m / s là tốc độ giới hạn được xác định trong mô hình đề xuất của hệ thống Chiến lược điều khiển này được triển khai trong SIMULINK bằng cách sử dụng khối Hàm MATLAB do người dùng xác định các điều kiện phù hợp Trong khối này, hệ thống đã xác định tuabin hoạt động theo (3-12) m / s Nếu tốc độ gió thấp hơn 3 m / s hoặc lớn hơn 11 m / s, tuabin sẽ không tạo ra bất kỳ mô-men xoắn cơ học nào = 0 Do đó, sẽ không có nguồn điện đầu

ra từ máy phát

Hình 1.22 Mô hình SIMULINK của Bộ điều khiển góc cánh

Hình 1.22 cho thấy mô hình mô phỏng của bộ điều khiển góc cánh được đề xuất Ngoài ra còn có một điều kiện để kiểm soát thủ công góc cánh trong đó người dùng

có thể nhập thủ công giá trị β thay vì bộ điều khiển góc cao độ

 Từ cửa sổ chính của matlab nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ

 Cửa sổ Simulink start page sẽ hiện ra

Hình 1.24 Cửa sổ Simulink Start Page

 Sau đó chọn Blank Model thì cửa sổ vẽ mạch điện sẽ hiện ra

Hình 1.25 Cửa sổ mạch điện Blank Model

 Khi đó nhấp chuột vào biểu tượng khi đó cửa sổ Simulink library Browser xuất hiện

 Tạo khối In 1 biểu diễn tốc độ góc của rotor 1

Hình 1.26a Tạo khối In 1

Hình 1.26b Biểu diễn tốc độ góc của rotor 1

 Tiếp theo là tạo khối constant: (khối hằng số) dùng tạo hằng số không phụ thuộc vào thời gian

Hình 1.27a Tạo khối Constant

Hình 1.27b Cài đặt khối Constant

 Dùng khối Sum thực hiện cộng hoặc trừ tín hiệu đầu vào là 2 khối trên

Hình 1.28a Tạo khối Sum

Hình 1.28b Cài đặt khối Sum

 Tiếp theo là khối Gain dùng khuyếch đại tín hiệu đầu vào, dùng để biểu diễn góc cánh mà mình muốn đạt được



Hình 1.29a Tạo khối Gain

Hình 1.29b Cài đặt khối Gain

 Theo đó tạo khối Saturation để tạo một đối tượng ước lượng phi tuyến bão hòa

Hình 1.30a Tạo khối Saturation

Hình 1.30b Cài đặt khối Saturation

 Và tiếp đó tạo khối Rate Limiter dùng Giới hạn tốc độ thay đổi tín hiệu

Hình 1.31 Cài đặt khối Rate Limiter

 Và cuối cùng ra được khối Pitch Angle biểu diễn góc tấn của tuabin

Hình 1.32a Tạo khối Pitch Angle

Hình 1.32b Cài đặt khối Pitch Angle

1 Khối wind turbine: Gồm có 3 tín hiệu đầu vào là tốc độ máy phát (pu), tốc độ gió(m/s), đầu ra góc cánh của khối Pitch Angle controller và 1 tín hiệu đầu ra Mô-men xoắn trục

Hình 1.33 Mô hình SIMULINK của Tuabin gió

Tua bin gió được sử dụng để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học Mô-men xoắn cơ học tuabin có thể được tính từ năng lượng cơ học tại tuabin được chiết xuất từ năng lượng gió Sau đó, hệ số công suất của tuabin ( ) là tỷ lệ giữa công suất cơ và năng lượng gió Hệ số công suất là một hàm của góc của cánh (β)

đó là góc của lưỡi tuabin và tốc độ cực đại (λ), trong khi tốc độ cực đại là tỷ lệ giữa

tốc độ quay và tốc độ gió được đưa ra bởi (1.1)

( ) ( ) (1.1) Với:

Hình 1.35 Đường cong biểu diễn đặc tính của tuabin theo tốc độ gió

Hình 1.36 Hàm số của Cp

Cách vẽ trên matlab

Tạo 2 khối In: dùng tạo tín hiệu đầu vào cho 1 hệ thống con là tỷ lệ tốc độ đầu cánh và góc cánh

Hình 1.37a Tạo khối In

Hình 1.37b Cài đặt khối In - port number 1

Hình 1.37c Cài đặt khối In - port number 2

 Tiếp theo chọn bộ Mux dùng tổng hợp các tín hiệu đầu vào thành một tín hiệu

tổng ở đầu ra là β và λ

Hình 1.38 Chọn bộ Mux.

 Tiếp theo chọn khối Fcn để tạo biểu thức ,Khối Fcn áp dụng biểu thức toán học

đã chỉ định cho đầu vào của nó

3 i

Hình 1.39 Chọn bộ Fcn.

 Tiếp đó tổng hợp các tín hiệu ngõ vào bằng bộ MUX ba ngõ

Hình 1.40 Tổng hợp các tín hiệu ngõ vào bằng bộ MUX