tap chi 71 6 0891

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 71 (05/2020) No 71 (05/2020) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: http://sj.sgu.edu.vn/ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TUA-BIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ MÁY PHÁT PMSG TRONG TRƯỜNG HỢP MÉO DẠNG ĐIỆN ÁP LƯỚI Control of PMSG micro wind turbine systems under grid voltage distortion TS Văn Tấn Lượng(1), ThS Phạm Xuân Minh(2), ThS Nguyễn Trọng Huân(3), ThS Trương Tấn(4), TS Nguyễn Thanh Hải(5) Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, sở TP.HCM (4)Trường Đại học Sài Gòn (5) Trường Đại học Cần Thơ (1) (2),(3) TÓM TẮT Nghiên cứu đề xuất chiến lược điều khiển cho chuyển đổi công suất phía lưới (GSC) máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) trường hợp méo dạng điện áp lưới Với phương pháp đề xuất, thành phần dòng điện bậc 3, loại bỏ, từ dịng điện lưới trở thành hình sin Để thực điều này, thành phần dòng điện bậc 3, điện áp dòng điện lưới trích từ dịng điện điện áp tức thời quan sát tổng hợp (CO) Sau đó, điều khiển cộng hưởng-tỉ lệ áp dụng để điều khiển dòng điện lưới Hiệu phương pháp đề xuất kiểm chứng kết mô Từ khóa: quan sát tổng hợp (CO), điều khiển cộng hưởng-tỉ lệ, máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG), méo dạng điện áp, tua-bin gió Abstract This study proposes a control scheme of the grid-side converter for micro-wind turbines based on permanent magnet synchronous generator (PMSG) under grid voltage distortion With the proposed method, the components of the third, fifth, and seventh-order current harmonics are removed, from which the current fed into the grid becomes sinusoidal To conduct this scheme, the third, fifth, and seventh-order harmonics components are extracted from the instantaneous grid voltage and current by employing the composite observer The proportional-resonant controllers are applied for the grid current control The effectiveness of the proposed scheme is verified by the simulation results Keywords: composite observer (CO), proportional-resonant controllers, permanent magnet synchronous generator (PMSG), grid voltage distortion, wind turbine với tua-bin gió tốc độ thay đổi máy phát không đồng bộ, máy phát đồng loại nam châm vĩnh cửu sử dụng tốc độ thấp có ưu điểm khơng có hộp số, độ xác cao phương pháp Giới thiệu Trong nhiều nguồn lượng tái tạo khác nhau, lượng gió xem nguồn lượng thay nguồn lượng truyền thống So sánh Email: luongvt@hufi.edu.vn 51 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) điều khiển đơn giản Ngoài ra, chuyển đổi cơng suất phía lưới (GSC) pha dùng cầu chỉnh lưu có điều khiển tồn cầu cầu chỉnh lưu có điều khiển bán cầu để điều khiển cấp điện cho lưới từ máy phát [1] Để làm giảm họa tần, lọc điện cảm (L) sử dụng Gần đây, lọc điện cảm-tụ điện-điện cảm (LCL) lắp đặt ngõ vào chuyển đổi phía lưới thường sử dụng phổ biến mức độ vận hành tốt chi phí giảm kích cỡ L nhỏ, so sánh với lọc L Tuy nhiên, lọc LCL có khuyết điểm khó điều khiển thường xảy tượng cộng hưởng [2], [3] Để điều khiển chuyển đổi cơng suất pha phía lưới, thành phần bậc lẻ (bậc 3, 5, 7) thành phần điện áp dòng điện lưới cần tách cách xác dùng CO mà khơng có trì hỗn thời gian [4] Bộ điều khiển cộng hưởng - tỉ lệ (PR) thay điều khiển tích phân - tỉ lệ để điều khiển dịng điện lưới trở nên hồn tồn sin Các phương pháp điều khiển khác dùng cho nghịch lưu giới thiệu [5], [8], điều khiển PR điều khiển PI sử dụng để điều khiển dòng điện lưới Tuy nhiên, nghiên cứu [5], [6] chủ yếu tập trung vào điều khiển thành phần dòng điện nghịch lưu mà không quan tâm đến việc làm giảm hay loại bỏ họa tần dòng điện Trong [7], [8], mục tiêu nghiên cứu đồng bộ nghịch lưu pha với lưới Hay nói cách khác, việc loại bỏ họa tần dòng điện lưới dựa vào thuật toán PLL đề xuất Hạn chế phương pháp phân tích tốn học phức tạp thời gian thực kéo dài Hơn nữa, quy trình điều khiển thích nghi tần số cách tạo tín hiệu bình phương từ dạng sóng điện áp có theo đòi hỏi phức tạp Điều làm ảnh hưởng đến dạng sóng điện áp lưới bị méo dạng Một phương pháp khác dùng điều khiển lặp lặp lại (RC) áp dụng, dịng điện lưới bị méo dạng tải phi tuyến làm giảm nhờ vào việc vận hành nghịch lưu lọc tích cực [9], [10] Tuy nhiên, trường hợp điện áp bị méo dạng không quan tâm nghiên cứu Ngoài ra, vấn đề quan trọng điều khiển lặp lặp lại việc thực điều khiển hệ thống thực tế, đòi hỏi số lượng vòng lặp lại cao thời gian tính tốn dài Trong nghiên cứu này, chiến lược điều khiển dịng điện cho chỉnh lưu phía lưới áp dụng để gia tăng tính tích hợp hệ thống tua-bin gió với lưới trường hợp méo dạng điện áp lưới Với chiến lược đề xuất này, trước tiên CO với ưu điểm bật ước lượng trực tuyến xác sử dụng để tách thành phần thành phần họa tần dòng điện điện áp Sau đó, điều khiển cộng hưởng - tỉ lệ với tần số trung tâm bậc 1, bậc 3, bậc bậc áp dụng Ngoài ra, phương pháp điều khiển phát công suất cực đại dùng kĩ thuật tối ưu hóa cơng suất thực nghịch lưu phía máy phát Sự thể kết mơ cho hệ thống tua-bin gió PMSG 2,68 kW, nhằm chứng thực tính khả thi phương pháp đề xuất Mơ hình hệ thống Cấu hình hệ thống tua-bin gió PMSG nhỏ hiển thị Hình 1, chuyển đổi PWM pha kết nối với lưới thông qua lọc LCL Các lọc LCL thiết kế với tần số cộng hưởng kHz, tần số chuyển đổi biến đổi pha 10 52 VĂN TẤN LƯỢNG cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Trong đó:  mật độ khơng khí [kg/m3], R bán kính cánh quạt [m], vw tốc độ gió [m/s] Cp() hệ số chuyển đổi công suất mà hàm tỉ số đầu cánh quạt (=rR/ vw) Theo phương pháp tối ưu hóa cơng suất, hệ số chuyển đổi công suất tiến đến giá trị cực đại (Cpmax) tỉ lệ tốc độ đầu cánh đạt tối ưu (λopt) Để đạt công suất cực đại, tốc độ tua-bin nên thay đổi theo tốc độ gió để trì tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu Từ đó, cơng suất cực đại (Pmax) tính sau [12]: kHz Tần số cộng hưởng lọc LCL, fr, thể [2] fr  2 L f  Lg (1) C f L f Lg Trong đó, Lf Lg cuộn cảm phía chuyển đổi phía lưới Cf điện dung lọc Hình cho thấy, PMSG kết hợp với tua-bin gió trực tiếp mà không cần hộp số kết nối với nghịch lưu ba pha hai chân có điều khiển (bộ nghịch lưu phía máy phát), pha C nối với điểm hai tụ DC liên kết Bộ chuyển đổi công suất pha có dạng bán cầu có điều khiển kết nối với lưới pha [11] Lưu ý rằng, công suất tác dụng sản xuất từ máy phát phải với công suất cung cấp cho lưới điện với tổn thất bị bỏ qua Nếu không, điện áp tụ DC liên kết thay đổi nhanh chóng Do đó, phương pháp MPPT (tìm điểm phát cơng suất cực đại) cho tua-bin gió PMSG (máy phát đồng nam châm vĩnh cửu) đạt cách điều khiển công suất tác dụng cực đại cấp cho lưới điện Pmax  Kopt  r3 Trong đó: Kopt  0,5 C p max N S Cf (5) + Vdc1 - Gió r Lg PMSG ia N ib S ic a b c + Vdc - e jr r P Vs + Pmax r *  - kp  ki s I qse + + * I dse 0 * ki Vqse s * k Vdse kp  i s kp  * I qse - I dse Va* e jr Vb* PWM Vc* Hình Sơ đồ khối điều khiển chuyển đổi cơng suất phía máy phát Hình Sơ đồ hệ thống tua-bin gió dùng PMSG kết nối với lưới Trong đó: Vde, Vqe Ide, Iqe điện áp dòng điện máy phát PMSG theo phương d q hệ tọa độ quay Cơng suất máy phát cực đại tính: Điều khiển chuyển đổi cơng suất phía máy phát Cơng suất tạo tua-bin gió thể sau [12]: Pt  0,5 R2C p ( )vw3 (4) opt Pgen  1,5(Vde I de  Vqe I qe ) Gió Lf R5 Cơng suất máy phát tính sau: r PMSG (3) Pmax  Pgen (2) 53 (6) SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) Tốc độ rotor tham chiếu đạt sau: r*  Pgen (7) K opt Hình mô tả sơ đồ khối điều khiển chuyển đổi cơng suất phía máy phát, điều khiển tốc độ rotor bên ngồi điều khiển dịng điện bên Ngõ điều khiển dòng điện điện áp * * tham chiếu ( Vqse , Vdse ) Điện áp tham chiếu Hình Vịng lặp kín dùng CO sử dụng để điều chế độ rộng xung PWM [12] Điều khiển chuyển đổi cơng suất phía lưới (GSC) méo dạng điện áp lưới 4.1 Phân tách điện áp dòng điện lưới dùng quan sát tổng hợp (CO) Bộ CO dùng để phân tách thành phần điện áp dòng điện [4]-[5] Nguyên tắc CO tóm tắt sau: Giả thiết tín hiệu tuần hoàn y(t) bao gồm thành phần tín hiệu DC (y0(t)), thành phần (y1(t)) thành phần họa tần (y3(t), y5(t), y7(t)), tương ứng, thể sau: y (t )   m  0,1,3,5,7 Cấu trúc CO thể sau:  xˆ (i  1)  Axˆ (i)  De(i)   yˆ (i )  Cxˆ (i ) Trong đó: số “^” giá trị ước tính, x(i) vector trạng thái, y(i) vector đầu ra, A C ma trận quan sát D vector độ lợi, có dạng sau: D  [d0 , (d11 , d12 ), (d31 , d32 ), (d51 , d52 ), (d71 , d72 ), (d111 , d112 ), (d131 , d132 )]T  m  0,1,3,5,7 ym (t ) ym (i); (8) i  0,1, 2, , (11) e(i) sai số quan sát tính công thức sau: e(i)  y(i)  yˆ (i) Trong nghiên cứu này, thành phần DC, họa tần bậc 3, 5, điện áp dòng điện lưới sử dụng làm biến trạng thái mơ hình CO Một kĩ thuật thay cực dùng để chọn vector độ lợi CO [4] Tín hiệu đầu vào viết miền rời rạc: y (i)  (10) (9) 54 VĂN TẤN LƯỢNG cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN 4.2 Chiến lược điều khiển dịng điện lưới + Vdc1 Lf Lg - Cf Nguồn is + Vdc2 - V vs * vs1st PWM V1 * + X PR X PR3 + + + X PR5 vsr PR PRr - * Vdc X+ PI X θe PLL vs1st is3rd* X- + 5th* 7th * + V7 vs + X + is3rd vs5th * Vdc * I amp sin(x) + V3 * +V5 X is1st - vs3rd X is1st* is = X- + is5th is7th*= X- + is7th r* is = X- + is7th is5th is3rd is1st Bộ quan sát tổng hợp is vs7th vs5th vs3rd vs1st Bộ quan sát tổng hợp vs isr BPF (fr) isr Hình Sơ đồ khối điều khiển GSC Hình thể sơ đồ khối điều khiển chuyển đổi PWM pha (GSC) Mục đích GSC phải cung cấp cơng suất tác dụng cho lưới từ tua-bin với dịng điện lưới hoàn toàn sin điều kiện méo dạng điện áp lưới Do đó, thành phần họa tần điện áp dòng điện v1sst , vs3rd , vs5th , vs7th * i1s st*  I amp sin(e ) (12) Thành phần dịng điện lưới cộng hưởng trích xuất lọc thông dải (BPF) Bộ điều khiển cộng hưởng - tỉ lệ (PR) ứng với tần số góc 3e, 5e, 7e áp dụng cho điều khiển dòng điện lưới, thành phần họa tần bậc 3, 5, thành phần cộng hưởng dòng điện lưới điều khiển không Mô Mơ PSIM cho hệ thống tua-bin gió PMSG 2,68 kW thực để kiểm chứng tính hợp lí chiến lược điều khiển đề xuất Các thông số hệ thống liệt kê Bảng i1s st , is3rd , is5th , is7th tách cách dùng CO Thành phần điện áp sử dụng cho thuật tốn PLL để xác định góc pha  e [13] Biên độ * dòng điện lưới ( I amp ) xác định ngõ điều khiển điện áp DC Dòng điện lưới tham chiếu ( i1s st* ) xác định 55 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) Bảng Thông số hệ thống Máy phát PMSG 2,68 kW, 110 V, cực Rs=0,49 Ω, Ls=5,35 mH, J=0,00331 kg.m2 Bộ chuyển đổi cơng suất phía lưới 110 V, 60 Hz, 540 VDC Lg=0,3 mH, Lf=3 mH, Cf=4,75 µF, Tần số đóng cắt 10 kHz áp quan sát ( vs ,obs ) từ việc dùng CO bám sát tốt điện áp lưới ( vs ) Điều thể CO phân tách xác thành phần họa tần bậc cao Cụ thể là, thành phần điện áp lưới phân tách Hình 6(b) có dạng hồn tồn hình sin Hình 6(c) (d) thể kết mô phổ thành phần họa tần bậc cao điện áp lưới Hình 8(a) tương ứng Tương tự điện áp lưới, dòng điện lưới quan sát (Hình 8(e)) phân tách tốt việc sử dụng CO, thành phần thành phần họa tần bậc cao dòng điện lưới phân tách Hình 5(a) Hình 5(b) đề cập Lưu ý thành phần họa tần bậc cao điện áp dòng điện lưới phân tách CO để sử dụng cho điều khiển mô tả Hình Hình thể kết vận hành vịng khóa pha có méo dạng sụt áp lưới Như thể Hình 7(a), điện áp lưới có chứa họa tần bậc cao sau khoảng thời gian 2s điện áp lưới giảm 10% Nhờ việc sử dụng CO, thành phần điện áp lưới phân tách Hình 7(b) Từ thành phần này, vịng lặp khóa pha áp dụng để đạt góc pha Hình 7(c) Để thấy rõ vận hành PLL trước sau giảm điện áp lưới, điện áp lưới, thành phần điện áp lưới góc pha từ Hình 7(a) đến 7(c) ghi nhận lại chu kì, minh họa từ Hình 7(d) đến 7(f) Như thể Hình 7, vận hành vịng lặp khóa pha thỏa mãn, chí có méo dạng giảm điện áp lưới Các vector độ lợi (11) thiết kế sau: D  [0,15841371, (0,23520296, -0,2368942157), (0,116151146, -0,115147), (0,0961, -0,92542), (0,0811463, -0,05812), (0,04125, -0,0264), (0,01691, -0,005771)] T Hình thể vận hành điều khiển dòng điện lưới trường hợp méo dạng điện áp lưới, điện áp lưới chứa 10%, 8% 6% thành phần họa tần bậc 3, Thành phần dòng điện lưới dòng điện tham chiếu thể Hình 5(a), thành phần dịng điện lưới đo bám sát dịng tham chiếu Nói cách khác, dòng điện lưới điều khiển gần hình sin Các thành phần họa tần bậc cao dịng điện lưới thể Hình 5(b) phổ họa tần bậc cao thể Hình 5(d) Trong trường hợp này, điện áp tụ DC điều khiển tốt, với sai số nhỏ 1% (Hình 5(e)) Để điều khiển GSC, CO sử dụng để tách thành phần họa tần bậc cao điện áp dòng điện lưới PLL sử dụng Các kết mô thể vận hành GSC thể Hình Hình (a) hiển thị điện áp lưới bị méo dạng Như thấy Hình 6(a), điện 56 VĂN TẤN LƯỢNG cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Hình Kết vận hành điều khiển dòng điện lưới méo dạng điện áp lưới Hình Kết vận hành GSC méo dạng điện áp lưới 57 ... thiết kế sau: D  [0,15841 371, (0,235202 96, -0,2 368 942157), (0,1 161 511 46, -0,115147), (0,0 961 , -0,92542), (0,0811 463 , -0,05812), (0,04125, -0,0 264 ), (0,0 169 1, -0,005 771) ] T Hình thể vận hành điều... khiển điện áp DC Dòng điện lưới tham chi? ??u ( i1s st* ) xác định 55 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) Bảng Thông số hệ thống Máy phát PMSG 2 ,68 kW, 110 V, cực Rs=0,49 Ω, Ls=5,35... Cơng suất máy phát tính sau: r PMSG (3) Pmax  Pgen (2) 53 (6) SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) Tốc độ rotor tham chi? ??u đạt sau: r*  Pgen (7) K opt Hình mơ tả sơ đồ khối