Điều khiển hệ thống năng lượng tái tạoTổng quan cấu trúc đầy đủ của một hệ thống Wind Turbine nối lưới, sử dụng nhiều loại máy phát cũng như các bộ biến đổi điện tử công suất khác nhau.•Xây dựng thuật toán PO cho bài toán MPPT tìm điểm làm việc tối ưu cho Wind Turbine trong trường hợp vận tốc gió thay đổi dưới tốc độ định mức•Xây dựng cấu trúc điều khiển cho máy phát điện PMSG: điều khiển dòng điện, điều khiển tốc độ.•Xây dựng cấu trúc, thuật toán điều khiển bộ biến đổi ACAC Multilevel, lựa chọn bộ biến tần ma trận 3x3 (Matrix Converter 3x3) sử dụng cho bài tập lớn.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÀI TẬP LỚN Wind turbine (AC - AC converter) – PMSG - nguồn cung cấp công suất cho tải địa phương có nối lưới, tốc độ gió định mức Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Viện: Điều khiển Tự động Điện HÀ NỘI, 8/2021 MỤC LỤC CHƯƠNG CẤU TRÚC NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Yêu cầu hệ thống 1.2 Nguyên lý hoạt động 1.3 Phân cấp điều khiển hệ thống CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG .4 2.1 Xây dựng mơ hình tốn học Wind Turbine 2.2 Xây dựng mơ hình tốn học PMSG 2.3 Xây dựng mơ hình toán học MPPT 2.4 Xây dựng điều khiển Sliding Mode Controller (SMC) .10 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TOÁN HỌC BIẾN TẦN MA TRẬN 13 3.1 Xác định vectơ không gian .13 3.2 Xác định vị trí vectơ khơng gian 17 3.3 Xác định hệ số biến điệu 18 3.4 Thứ tự chuyển mạch .22 CHƯƠNG MÔ PHỎNG MATLAB HỆ THỐNG .24 4.1 4.2 Xây dựng mô hệ thống Matlab .24 4.1.1 Mơ hình turbine gió 24 4.1.2 Mơ hình PMSG 25 4.1.3 Thuật toán MPPT 25 4.1.4 Mơ hình SMC 27 4.1.5 Matrix Converter 3x3 27 4.1.6 Mô đầy đủ hệ thống Wind Turbine 28 Kết mô đánh giá .28 4.2.1 Kết thuật toán MPPT 28 4.2.2 PMSG 30 4.2.3 Matrix Converter .30 4.2.4 Cung cấp nguồn cho tải địa phương 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN 34 5.1 Các kết đạt 34 5.2 Một số khó khăn trình thực 34 5.3 Một số đề xuất phát triển đề tài 34 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ tổng quan hệ thống Wind Turbine Hình Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển giám sát trạm phát điện sức gió Hình Đồ thị cơng suất tốc độ PMSG tốc độ gió Hình 2 Đồ thị hệ số hiệu suất Turbine tỉ lệ tốc độ đầu cánh giá trị β khác Hình Mơ hình mạch tương đương PMSG Hình dddđ .7 Hình Đồ thị mối quan hệ công suất Wind Turbine với tốc độ rotor .9 Hình Lưu đồ thuật tốn P&O .10 Hình Chế độ trượt tiếp cận mặt trượt s=0 .11 Hình Trạng thái van trường hợp abb 14 Hình Cac tổ hợp van Matrix Converter 3x3 15 Hình 3 Khơng gian điều chế vector khơng gian (a) Vector không gian điện áp (b) Vector khơng gian dịng điện vào 17 Hình Tổng hợp vector khơng gian từ vector biên chuẩn 18 Hình Mơ hình hóa Wind Turbine Matlab - Simulink 24 Hình Mơ hình hóa PMSG 25 Hình Mơ điều khiển tốc độ (Sliding Mode Controller) 27 Hình 4 Mơ hình Matrix Converter 3x3 27 Hình nhánh van IGBTs 27 Hình Matrix Converter tổng .27 Hình Mơ đầy đủ hệ thống Wind Turbine 28 Hình Tốc độ gió thay đổi cơng suất cực đại MPP theo thuật tốn P&O 28 Hình Tốc độ rotor PMSG sử dụng thuật tốn P&O 29 Hình 10 Kết dịng điện phía stator PMSG ứng với tốc độ gió khác (a) Dịng id (b) Đáp ứng dòng điện iq theo giá trị đặt 30 Hình 11 Momen trục PMSG ứng với tốc độ gió khác 30 Hình 12 Khảo sát đầu MC multilvel (a) Điện áp lưới (b) Dòng điện lưới 31 Hình 13 Đầu MC Multilelvel (a) Điện áp lưới (b) Dòng điện lưới 32 Hình 14 Điện áp phía tải thay đổi vận tốc gió 33 Hình 15 Dịng điện qua tải thay đổi vận tốc gió 33 CHƯƠNG CẤU TRÚC NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Yêu cầu hệ thống Trạm điện sức gió xây dựng phải đáp ứng yêu cầu hoạt động vận hành sau đây: Hệ thống làm việc độc lập cho phép có can thiệp người có yêu cầu Cấu trúc lắp đặt hệ thống đảm bảo thuận lợi cho công tác bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, phòng chống thiên tai: bão, lũ Bên cạnh đó, điều kiện lượng gió đầu vào trạm phát điện biến động theo thời gian cịn cơng suất tiêu thụ phía phụ tải đầu không ổn định, hệ thống phải có khả xử lý thay đổi lượng thu phát, nhằm trì cân lượng Hệ thống thực tích trữ bù đắp lượng điều kiện lượng đầu vào nhiều cơng suất tiêu thụ phía phụ tải Nếu cơng suất tiêu thụ vượt lượng cung cấp đầu vào khả bù đắp, hệ thống có biện phát kỹ thuật đảm bảo không bị rã lưới tiêu thụ Khi công suất tiêu thụ nhỏ lượng thu từ đầu vào lớn vượt lượng tích trữ lại, hệ thống có giải pháp tiêu hao nguồn lượng dư thừa Căn theo yêu cầu vận hành toán kỹ thuật cần phải có, hệ thống phát điện sức gió có cấu trúc thiết kế hình 1.1 Hình 1 Sơ đồ tổng quan hệ thống Wind Turbine 1.2 Nguyên lý hoạt động Năng lượng gió chuyển hóa thành điện lấy từ đầu máy phát điện PMSG Sau qua biến tần ma trận AC/AC qua lọc LCL để phát lên lười Các khối điều khiển MPPT, điều khiển tốc độ SMC, trình bày rõ phần sau 1.3 Phân cấp điều khiển hệ thống Phần điều khiển hệ thống chia thành ba cấp theo mục đích hoạt động: Tầng điều khiển giám sát: thực toán điều khiển cấp Master như: thiết lập chế độ hoạt động, phân bố phụ tải tiêu thụ, giám sát hoạt động hệ thống, tham gia thực toán chẩn đoán giám sát từ xa thực trạng vận hành Thiết bị sử dụng thiết bị điều khiển khả trình PLC loại Simatic S7-200 hãng Siemens Bên cạnh vai trò thu nhập liệu thông số làm việc hệ thống, giám sát hoạt động hệ thống, tham gia thực toán chẩn đoán giám sát từ xa thực trạng vận hành (trạng thái hoạt động phần tử điện trở đốt, ắc-quy,biến tần,các thơng số điện dịng,áp tần số v.v….), thiết bị thực toán điều khiển Master: Bài toán khởi động Bài toán giao tiếp từ xa: Ở cấp điều khiển hệ thống, chế độ làm việc thiết lập trạng hoạt động hệ thống lệnh điều khiển đưa xuống điều khiển trường Bài toán cung cấp điện: Trong toán trên, toán cung cấp điện giữ vai trị quan trọng Phía phụ tải ghép nối với hệ thống phát điện sức gió theo nhánh, nhánh gán mức ưu tiên khác Khi mức độ tiêu thụ phía phụ tải tăng lên lượng đầu vào lượng dự trữ ắc-quy đáp ứng được, thiết bị điều khiển cấp cao thực cắt bớt nhánh phụ tải có mức ưu tiên thấp để giảm công suất tiêu thụ đến mức tái lập cân lượng hệ thống Khi lượng dự trữ ắc-qui tụt xuống mức cho phép, thiết bị điều khiển cắt toàn tải tiêu thụ năg lượng tích trữ khơi phục trở lại Bài toán điều khiển, chuẩn đoán giám sát từ xa: Hệ thống máy phát điện sức gió hoạt động trạm phát điện độc lập với mạng lưới phụ tải riêng Với đặc điểm vậy, toán điều khiển, chẩn đoán giám sát từ xa cần thiết, cho phép đảm bảo hệ thống vận hành tầm kiểm sốt, lỗi xảy cho hệ thống nhanh chóng phát xử lý kịp thời Bên cạnh giải pháp giúp thực thu thập thơng tin q trình hoạt động hệ thống, tạo nguồn sở liệu cho công việc bảo dưỡng, sửa chữa, đánh giá Quá trình xử lý liệu tách tham số đặc trưng cho tình cố Các tham số sau khâu phân loại lỗi tiếp tục xử lý để nhận biết hệ thống có lỗi hay khơng vị trí lỗi đâu trước đưa cảnh báo cần thiết Điều đặc biệt có ý nghĩa lắp đặt trạm khu vực hẻo lánh xa xôi Một số chẩn đoán thực trạm phát điện sức gió về: Sự cân rotor máy phát mòn trục, mòn hộp số, ngắn mạch pha máy phát Các biến đổi điện chỉnh lưu, nghịch lưu (sự hở mạch ngắn mạch ) Chuẩn đoán lỗi máy biến áp: Tất chuẩn đốn dựa cơng tác phân tích số liệu dịng, áp thu thập từ xa Hình Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển giám sát trạm phát điện sức gió Tầng điều khiển turbine gió: Các tốn đặt điều khiển góc nghiên cánh, điều khiển tốc độ quay rotor, điều khiển momen, điều khiển tốc độ điều khiển dòng điện Tầng điều khiển biến đổi điện tử công suất: điều khiển vịng khóa pha, điều khiển dịng áp nối lưới,… CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG 2.1 Xây dựng mơ hình tốn học Wind Turbine Turbine gió (Wind Turbine) máy lượng dùng để biến đổi động gió thành Gió đặc trưng tốc độ hướng gió, bị ảnh hưởng số yếu tố vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu, độ cao mặt đất địa hình bề mặt Các turbine gió tương tác với gió, hấp thụ phần lượng động học gió biến thành lượng sử dụng Trong hệ thống, lượng gió thu cánh turbine gió, sau chuyển thành lượng học trục Trục dẫn động rotor PMSG để chuyển đổi thành lượng điện Theo định luật Newton, động gió tính theo cơng thức (2 3) (2 3) Trong m khối lượng gió Năng lượng luồng khơng khí tính sau (theo Borkar and Kulkarni, 2015) (2 3) Trong đó: Pwind cơng suất luồng khí (W) ρ mật độ khơng khí (kg/m3) ( ρ=¿1,225 kg/m3 điều kiện nhiệt độ 1500C áp suất 101,325kPa) A diện tích quét ngang Turbine (m2) V w tốc độ gió (m/s) Tuy nhiên trường hợp thực tế, turbine gió ln có hệ số cơng suất nhỏ Betz Cơng suất thu từ gió cho mục đích mơ đưa Barakati (2011): (2 3) Trong đó: Pm cơng suất trục động (W); Ar =π R diện tích che phủ cánh quạt (m2), với R bán kính cánh quạt turbine (m); C p ( λ , β) hệ số hiệu suất turbine với λ tỉ lệ tốc độ đầu cánh, β góc nghiêng cánh (deg) Tỉ lệ tốc độ đầu cánh xây dựng công thức (2 3) theo Rolan et al, 2009; Hassan and Said, 2017: (2 3) Trong ω m vận tốc góc turbine (rad/s) Hệ số công suất giá trị tĩnh mà thay đổi cách phi tuyến, công thức hệ số công suẩt sử dụng cho mục đích mơ định nghĩa hàm tỷ lệ tốc độ đầu cánh góc lật cánh sau (Hassan and Said, 2017): (2 3) (2 3) Mối quan hệ momen T m công suất trục động Pm cho biểu thức (Eid et al., 2006; Omijeh et al., 2013): (2 3) Trong T m momen sinh turbine (Nm) Hình Đồ thị cơng suất tốc độ PMSG tốc độ gió khác nhau ( β=0 ¿ Theo hình 3.1 với góc pitch β=0 °, tốc độ gió lớn đặc tính cơng suất cao Mỗi đường đặc tính có điểm cơng suất cực đại Bằng cách kiểm sốt góc pitch β tỷ lệ tốc độ đầu cánh λ trì giá trị C p cách tối ưu Ln có giá trị lớn C p tốc độ gió Hình Đồ thị cơng suất tốc độ PMSG tốc độ gióthể hệ số hiệu suất turbine tỉ lệ tốc độ đầu cánh giá trị β khác với tốc độ gió cố định Góc β có vai trị quan trọng việc tính tốn C p Với góc β nhỏ vị trí đường cong C p cao lên Tuy nhiên, theo công thức (2 3), C p ln có giá trị lớn thay đổi tỉ lệ tốc độ đầu cánh Hình 2 Đồ thị hệ số hiệu suất Turbine tỉ lệ tốc độ đầu cánh giá trị β khác Hệ thống khí hệ thống máy phát turbine gió bao gồm nhiều phận qn tính Có thể phức tạp xem xét tất phận hệ thống truyền động Đối với tập lớn này, tất thành phần quán tính gộp lại với khối Hệ thống khí tuabin gió biểu diễn đơn giản công thức (2 3) dω (2 3) =T e −T m −Bω dt Trong J momen quán tính, B hệ số ma sát, T e momen điện từ, T m J momen 2.2 Xây dựng mơ hình tốn học PMSG Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu PMSG có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, hiệu suất cao [5] Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu phía rotor PMSG giúp khơng phải cung cấp dịng điện kích từ qua stator để tạo từ thông không đổi hke hở khơng khí, qua dịng điện phía stator cần tạo momen xoắn Để giảm độ phức tạp hệ thống, mơ hình tốn học PMSG thường thiết lập dựa giả thiết sau : Từ thông nam châm vĩnh cửu rôto phân bố theo hình sin dọc theo khơng gian khe hở khơng khí Điều có nghĩa suất điện động gây cuộn dây phần ứng stato có dạng hình sin Mạch từ coi tuyến tính thơng số điện cảm khơng thay đổi Hiệu ứng bão hịa, dịng điện xốy tổn thất độ trễ bị bỏ qua Khơng có dây quấn giảm chấn rotor Với mục đích xác định hệ thống điều khiển PMSG, mơ hình động yêu cầu xây dựng từ mạch tương đương máy phát điện hệ quy chiếu đồng Hình Mơ hình mạch