1.2 Mô phỏng tuabin gió bằng matlab
1.2.5 Kết quả và hướng phát triển
Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng
Hình 1.74 Dạng sóng ngõ ra momen cơ Tm và momen điện Te của tuabin Nhận xét:
Ban đầu khi khởi động thì momen của tuabin gió Tm là khoảng 98N.m do ban đầu tuabin đứng yên nên cần một lực tác động lớn. Sau đó khi tuabin đã đi vào trạng thái ổn định ở khoảng thời gian với Tm dao động ở khoảng 40 Nm ở thời gian là 0,2s
Như trên, đối với momen điện từ Te, khi tuabin ở vị trí ban đầu thì Te=0 và sau đó momen bắt đầu tang đến giá trị đỉnh 52,1 ở thời gian là 0,09 s và sau đó giảm dần về giá trị làm việc ổn định ở mức 38-39 và sau đó làm việc ổn định ở khoảng thời 10s
62 Hình 1.75 Tốc độ Rotor turbine (rad/s)
Nhận xét
Ban đầu turbine đứng yên nên =0 rad/s , sau đó tua bin khởi động nên tốc độ tua bin tang dần lên tốc độ đỉnh là 180 rad/s ở thời gian 0,0612 sau đó tuabin giảm dần về giá trị 140 rad/s và làm việc ổn định ở mức thời gian 10 s
Hình 1.76 Các thông số ngõ ra của tuabin Với góc β=0 thì ta được các thông số như trên
'Wind_PMSG/wind generation/Generator Terminal'
63 Hình 1.77 Điện áp pha đầu ra của tuabin
Nhận xét:
Ban đầu điện áp pha của tua bin bằng 0 do tua bin mới khởi động và sau đó điện áp tuabin tang dần theo dạng hình sin khi đó tăng lên hơn 500 V và sau đó quay về giá trị ổn định 500V
Hình 1.78 Dòng điện dây của tuabin Nhận xét
Ban đầu dòng điện bằng 0 và sau đó tăng lên giá trị 15A do lúc đầu tuabin khởi động và sau đó về lại giá 11A là giá trị đỉnh của dòng điện khi làm việc ổn định
Hình 1.79 Giá trị hiệu dụng của dòng điện
64 Hình 1.80 Giá trị hiệu dụng của dòng điện giữa các dây
Nhận xét:
Giá trị điện áp hiệu dụng và dòng điện dây hiệu dụng lần lượt là khoảng 400 V và 9A
Hình 1.81 Công suất AC đầu ra của tuabin và tốc độ của rotor
Nhận xét chung: Điện áp, công suất, dòng điện đầu ra của tuabin tương đối ổn định và có thể sử dụng được cho tải RLC với điện trở R=50 ohm nhưng đó là với tốc độ gió ổn định luôn giữ ở mức 8 m/ s nhưng với điều khiện thực tế thì tốc độ gió sẽ có xu hướng thay đổi liên tục trong điều kiện tự nhiên.
65 Hình 1.82 Mô phỏng tốc độ gió thay đổi
Qua đó qua mô phỏng thì momen điện từ, momen quay của tuabin gió và tốc quay của rotor thay đổi liên tục không ổn định và giữ nguyên góc β ban đầu ta thấy được
Hình 1.83 Các tham số đầu ra của tuabin với tốc độ gió thay đổi
66 Dẫn đến
Hình 1.84 Các giá trị điện áp, dòng điện, tốc độ quay tuabin với tốc độ gió thay đổi Nhận xét:
Trong biểu đồ trên thấy được khi tốc độ gió không ổn đinh dẫn đến tần số điện áp thay đổi liên tục, giá trị điện áp thay đổi liên tục dẫn đến điện áp dây và các giá trị hiệu dụng không ổn định có thể dẫn đến làm hư hỏng các thiết bị, tải sử dụng trực tiếp nguồn điện này.
Ngoài ra cũng thấy được, sự thay đổi của các giá trị điện áp và dòng điện dẫn đến giá trị công suất cũng thay đổi theo
Điện áp không ổn định ảnh hưởng thế nào đến thiết bị điện và tổn hao điện?
Máy móc gia dụng như thiết bị chiếu sáng (bóng đèn, đèn ống, đèn compact) và thiết bị làm nóng (như máy sưởi phòng và máy nước nóng) không bắt buộc cần ổn áp. Khi điện áp thấp, đầu ra của các thiết bị sẽ ít hơn: bóng đèn sẽ cung cấp ánh sáng yếu, phòng sẽ nóng ít hơn, máy nước nóng sẽ đun nước nóng từ từ (thời gian lâu hơn). Khi các bóng đèn cho ánh sáng yếu hơn, tiêu thụ điện năng của bóng đèn sẽ ít hơn. Trong thực tế, nhiều thành phố giảm điện áp của đèn đường tại lúc giao thông thấp điểm để giảm tiêu thụ điện năng của bóng đèn. Tuy nhiên khi điện áp cao hơn bình thường, nó có thể dẫn đến việc các thiết bị điện này bị cháy. Nếu nó không cháy, nó sẽ tiêu thụ nhiều điện hơn.
Hầu hết các thiết bị điện tử như TV, đầu DVD...vv không làm việc ở điện áp 230V. Những thiết bị điện tử này có một thiết bị bên trong gọi là SMPS (Switch Mode Power Supply) có chức năng chuyển điện áp đầu vào 230 V thành 12V hoặc 24V (tùy theo yêu cầu của thiết bị). Vì vậy các thiết bị điện tử không bắt buộc cần ổn áp cũng như không phải chịu tác động của điện áp cao hay điện áp thấp. Điện năng tiêu thụ của các sản phẩm điện tử không thay đổi theo biến động điện áp.
Do đó, mô hình chỉ có sự tin cậy cao khi chúng ta điểu khiển góc cánh của tuabin liên tục để cho bề mặt của các cánh tuabin đón được hướng gió làm cho tuabin quay với tốc độ ổn định bằng 2 phương pháp điều khiển góc cánh của tuabin đã được trình bày như trên thì khi đó hệ thống tuabin mới có độ tin cậy cao
67 Và để nhìn rõ hơn về sự quan trọng của tốc độ gió thay đổi, tiến hành thay đổi tốc độ gió đầu vào để thấy được sự thay đổi của công suất và tốc độ của rotor và giữ nguyên góc cánh bằng 0
Vận tốc gió trong mô phỏng này được giả sử là: vgió = 12 (m/s) với t (0, 3s) và vgió = 7 (m/s) với t (3s, 5s). Vận tốc gió cho trường hợp mô phỏng này được biểu diễn như sau:
Hình 1.85 Mô phỏng tốc độ gió thay đổi
68 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
69 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
Nhận xét chung
Từ các kết quả mô phỏng tên cho thấy hệ thống điện gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu đạt được những tiêu chí: điện áp đầu ra ổn định, tạo được sự tin cậy cao
Điện áp sau khi qua bộ chuyển đổi vẫn chưa ra dạng sin chuẩn do sử dụng biến tần. Điện áp chỉ tối ưu khi gặp tốc độ gió tối ưu là 7m|s nhưng ở Việt Nam thì với độ cao của tháp thì rất khó đạt được. Mặt khác máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuy có cấu tạo phức tạp nhưng chi phí và khối lượng thì nhẹ hơn so với các
70 máy phát điên khác do không có hộp số và sử dụng truyền động trực tiếp và có độ tin cậy cao
Tính kinh tế của các phương án
Phương án 1
Hình 1.90 Mô hình tuabin gió không sử dụng biến tần sử dụng trực tiếp cho tải 3 pha
Yêu cầu:
Đáp ứng tốc độ gió không đổi ở độ cao tương ứng
Chi phí cho việc nâng tuain tên cao- hay chi phí lắp đặt ban đầu
Các mạch điện tử giúp ổn định điện áp, tần số , dòng điện
Các dây dẫn điện giúp cố định và truyền tải điện từ trên cao xuống đất
Chi phí vận hành sửa chữa hàng năm
71 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
Tốc độ gió(m/s) Tốc độ quay tuabin (rad/s)
Công suất (W)
Góc tuabin
(rad) Hiệu suất
5 81,0 1923 0 0.1
6 98,2 2541 0 0.17
7 118 3932 0 0.27
8 140 5553 0 0.4
9 160 7476 0 0.58
Phương án 2
Hình 1.91 Mô hình tuabin gió sử dụng biến tần với tốc độ gió thay đổi Yêu cầu:
Chi phí cao do sử dụng biến tần
Sử dụng biến áp để điện áp ra hình sin chuẩn Điện áp, dòng điện, tần số có độ tin cậy Chi phí lắp đặt ban đầu
Chi phí vân hành sửa chữa hàng năm
72