Thiết kế điều khiển mppt cho hệ phát điện

Đối với một bài toán windturbine nối lưới kết hợp tải, sẽ có nhiều bài toán điều khiển được đưa ra, tuy nhiên do giới hạn về thời gian nhóm sẽ đưa ra hai mục tiêu điều khiển chính là bài toán tìm điểm cực đại (MPPT Max Power Point Tracking) giúp tối ưu công suất của windturbine thu được và bài toán hòa đồng bộ, đây là bài toán giúp cho phép hòa năng lượng thu được từ windturbine lên điện lưới địa phương.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ********************** BÁO CÁO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (Mã học phần: EE4165) THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO HỆ PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG NỐI LƯỚI KẾT HỢP TẢI ĐỊA PHƯƠNG Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 06 Hà Nội, tháng 07 năm 2023 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Khái quát lượng gió .2 1.2.1 Năng lượng gió 1.2.2 Ưu nhược điểm 1.2.3 Tiềm năng lượng gió Việt Nam 1.3 Tổng quan turbine gió 1.4 Cấu trúc hệ Windturbine CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ LỰA CHỌN THỐNG SỐ ĐỀ TÀI 2.1 Xác định toán 2.2 Cấu trúc điều khiển 2.3 Lựa chọn cấu hình điều khiển CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA WIND TURBINE VÀ MÁY PHÁT .8 3.1 Mơ hình hóa Wind Turbine .8 3.2 Mơ hình hóa PMSG 3.2.1 Thông số .8 3.2.2 Phương trình động lực học PMSG: 3.3 Bộ biến đổi Boost Converter .9 3.4 Bộ nghịch lưu nối lưới: 10 CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG .11 4.1 Tổng quan phương pháp điều khiển MPPT P&O: 11 4.1.1 Lưu đồ thuật toán: 11 4.1.2 Mơ hình sử dụng Matlab 12 4.2 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nối lưới .12 4.2.1 Bộ khóa pha PLL 12 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ .14 5.1 Sơ đồ mô 14 5.2 Kết mô 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Đặt vấn đề Hiện tồn giới nói chung Việt Nam nói riêng, nguồn tài ngun khống thạch dần cạn kiệt, nguồn lượng điện dần trở nên thiếu hụt ví dụ tình trạng điện miền Bắc Việt Nam ngày tháng vừa qua Hình 1.0 – Thống kê trữ lượng cịn lại tài ngun khống thạch Chính việc nghiên cứu thiết kế nhằm khai thác nguồn lượng tự nhiên cần thiết.Việc vừa giảm thiếu ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến trái đất mà giúp khai thác nguồn lượng dồi mà tự nhiên có sẵn.Các nguồn lượng tự nhiên như: Gió, mặt trời, thủy triều, Hình 1.1−¿Các nguồn lượng tự nhiên khai thác rộng rãi giới Với đề tài này, nhóm chúng em nghiên cứu hệ phát điện sức gió với cấu trúc sử dụng windturbine kết hợp máy phát PMSG thực nối lưới tải địa phương 1.2 Khái quát lượng gió 1.2.1 Năng lượng gió Năng lượng gió lượng gió mang, sử dụng để quay turbine gió chuyển hóa lượng thành lượng học Điện sinh nhờ trình biến đổi lượng mà turbine cung cấp thành lượng điện Hình 1.2 – Gió Turbine gió 1.2.2 Ưu nhược điểm a) b) Ưu điểm: - Nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường - Giảm phụ thuộc vào thủy điện - Mang lại lợi nhuận cho doanh nghiệp lợi ích cho người sử dụng với nhiều lựa chọn - Dễ dàng lắp đăt hệ thống tuabin gió diện tích trang trại sẵn có Nhược điểm: - Chi phí lắp đặt cao - Ô nhiễm tiếng ồn hạn chế vị trí lắp đặt - Thường phải lắp đặt khu vực dân cư để đảm bảo an toàn 1.2.3 Tiềm năng lượng gió Việt Nam Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có đường bờ biển trải dài 3.000 km, tiềm phát triển lượng gió Việt Nam vơ cùng lớn Theo đánh giá Ngân hàng Thế giới, Việt Nam nước có tiềm năm gió lớn bốn nước khu vực, với 39% tổng diện tích Việt Nam ước tính có tốc độ gió trung bình năm lớn 6m/s độ cao 65 m, tương đương công suất 512 GW Tốc độ gió trung bình Diện tích (km2) Tỷ lệ diện tích (%) Tiềm (MW) Thấp < 6m/s 197.24 Trung bình Tương đối cao 6-7m/s 7-8m/s Cao Rất cao 8-9m/s > 9m/s 100.367 25.679 2.178 111 60,6 30,8 7,9 0,7 >0 - 401.444 102.716 8.748 482 1.3 Tổng quan turbine gió Năng lượng gió chuyển hóa thành lượng điện thơng qua Turbine gió Phân loại turbine gió: - Turbine gió rotor trục ngang: Điện gió nằm ngang, HAWT dạng lượng phổ biến dễ dàng nhận thấy chúng thiết kế giống cánh quạt Chúng thường có ba lưỡi, mặc dù số có hai chí Hiện nay, tuabin ngang loại tuabin hiệu nhất, chúng sử dụng trang trại điện gió quy mơ lớn Tua bin nằm ngang sử dụng lực nâng để quay tạo công suất Các cánh quạt có hình dạng giống cánh máy bay, tương tự cánh máy bay Gió đập vào cánh quạt tạo chênh lệch áp suất làm quay cánh quạt tạo điện Máy phát điện hộp số đặt sau rotor ống trục Mặt phẳng cánh quạt phải trì góc 180 độ với hướng gió để trì hiệu suất tối đa, đó, HAWT trang bị cánh gió hệ thống cánh quạt để giữ cho tuabin hướng hướng Hình 1.3 – Turbine gió rotor trục ngang - Turbine gió rotor trục đứng: Tua bin gió tiếp cận thẳng đứng, VAWT, quay trục thẳng đứng với gió Chúng có xu hướng phổ biến quy mô công nghiệp VAWT thường sử dụng quy mô nhỏ HAWT chủ yếu sử dụng mái nhà nguồn lượng bổ sung Chúng thường gần mặt đất, làm cho chúng hiệu tốc độ gió thấp dễ bảo trì bảo dưỡng Khơng phải tất VAWT giống Chúng có hai thiết kế chính, Darrieus Savonius Cả hai khác cách chúng thu nhận lượng gió loại có số thiết kế phụ trợ cho mục đích khác Hình 1.4 – Turbine gió trục đứng 1.4 Cấu trúc hệ Windturbine Đối với việc khai thác nguồn lương với cấu trúc windturbine phải bảo gồm thành phần:      Cánh quạt Hộp số, cấu truyền Máy phát Bộ biến đổi điện áp DC/AC thông thường biến tần Lưới/tải Hình 1.5 −¿Cấu trúc hệ windturbine Thơng qua việc điều chỉnh góc quay trục tháp, thu gió làm cánh quạt quay máy phát tạo nguồn lượng điện thông qua biến đổi để thích hợp nối lên lưới cấp thẳng cho tải sử dụng Hình 1.6−¿Cấu hình hệ thống windturbine Từ cấu hình hệ thống, đề tài giao nhóm xác định tốn điều khiển lựa chọn thông số CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ LỰA CHỌN THỐNG SỐ ĐỀ TÀI 2.1 Xác định toán Đối với toán windturbine nối lưới kết hợp tải, có nhiều tốn điều khiển đưa ra, nhiên giới hạn thời gian nhóm đưa hai mục tiêu điều khiển tốn tìm điểm cực đại (MPPT- Max Power Point Tracking) giúp tối ưu công suất windturbine thu tốn hịa đồng bộ, tốn giúp cho phép hòa lượng thu từ windturbine lên điện lưới địa phương Hình 2.0−¿ Các tốn cần xử lý 2.2 Cấu trúc điều khiển Nhóm đưa cấu trúc điều khiển cho hệ phát điện sức gió với hai tốn cần xử lý đề cập phần trước Hình 2.1 −¿Cấu trúc điều khiển Các khối bản: Windturbine Máy phát PMSG Bộ chỉnh lưu Bộ biến đỏi DC/DC Boost converter Bộ nghịch lưu Bộ lọc LC Lưới điện 380VAC/50Hz Tải địa phương Lựa chọn máy phát PMSG vì:  Tốc độ điều chỉnh mà không cần hộp đổi tốc độ  Momen cao tốc độ thấp  Không cần hệ thống kích từ Lựa chọn biến đổi boost converter vì:  Thích hợp cho việc sử dụng thuật toán MPPT  Kết hợp với mạch chỉnh lưu tạo điện áp chiều cho nghịch lưu Lựa chọn biến tần pha:  Sử dụng thuật toán SVM  Nguồn chiều DC lấy từ boost converter 2.3 Lựa chọn cấu hình điều khiển Nhóm lựa chọn thông số đề tài sau: Các thông số đề tài Điện áp lưới 220VAC Tần số lưới 50Hz Điện áp chiều Vdc 400Vdc Cơng suất windturbine 12kW Tốc độ gió định mức 12m/s 0° Góc pitch cố định Tải trở Tùy chọn Cos phi 0.98 Các thông số cuộn cảm, tụ điện mạch lọc tự tính tốn CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA WIND TURBINE VÀ MÁY PHÁT 3.1 Mơ hình hóa Wind Turbine - Cơng suất lý tưởng Turbine Gió thể bởi: - Pw = ρAA V 3w Với: ρA _ Mật độ khơng khí (kg /m3) A _ Diện tích quét cánh quạt (m 2) V w _ Tốc độ gió (m/s) Tuy nhiên, thực tế, cơng suất Pw khơng chuyển đổi hồn tồn thành công suất Công suất chuyển thành công suất đặc trưng hệ số công suất C p Pm=P w × C p ( λ , β )= ρAA V 3w C p ( λ , β ) ¿ ρAπ R V 3w C p ( λ , β) Với: R_ bán kính cánh quạt (m) C p_ Hệ số công suất_ Là hàm tỷ lệ tốc độ λ góc pitch β Pm_ Công suất đầu Turbine −21 116 λ C p ( λ , β )=0,51763× −0,4 β−5 × e + 0,006795× λ λi R ωt 1 0,035 = − ; λ= λi λ+0,08 β β +1 Vw Ở điều kiện lý tưởng, giá trị C p max gọi giới hạn Betz C p max=0.48 ( ) i Mô men xoắn Turbine tạo xác định bởi: Pm ωt Với: ω t_ tốc độ góc Turbine (rad/s) T m= 3.2 Mơ hình hóa PMSG 3.2.1 Thơng số Điện trở Stator (Rs) Điện cảm (L) Flux linkage Momen quán tính (J) Số đôi cực (p) 0.0485 0.000395 0.1194 0.0027 3.2.2 Phương trình động lực học PMSG: - Mơ hình động lực học cho phương trình: d ψd dt d ψq V q =R s i q−ω e ψ d + dt Với i d , i q ,V d ,V q dòng điện điện áp dq tham chiếu Ld , Lq cuộn cảm rotor cuộn cảm stato, R s điện trở stator, e tốc độ rotor dựa { V d =R s i d−ωe ψ q + tần số điện áp stator ψ d=L d i d +ψ f ψ q=Lq i q +ψ q { Với ψ d , ψ q từ thông rotor p số đôi cực máy phát Momen điện từ tín theo cơng thức: T e= p ψ f iq 3.3 Bộ biến đổi Boost Converter Hình 3.0 −¿Cấu trúc mạch lựu boost Bộ biến đổi Boost Converter sử dụng để tăng điện áp DC sử thuật tốn MPPT để tìm điểm cực đại hệ thống Công thức biến đổi Boost Converter: Vo = V i 1−D Trong đó: V i điện áp vào V o điện áp D hệ số điều chế 3.4 Bộ nghịch lưu nối lưới: Hình 3.1 −¿Cấu trúc nghịch lưu nối lưới pha Bài tốn hịa đồng điều khiển:  Điều khiển tần số, góc pha, biên độ để nối vào lưới điện địa phương  Bao gồm điều chỉnh dịng điện, điện áp, khóa pha PLL 10 CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 4.1 Tổng quan phương pháp điều khiển MPPT P&O: Kỹ thuật phổ biến sử dụng hệ thống phương pháp MPPT với kỹ thuật Perturb and Observer (P&O) Phương pháp dựa thay đổi cơng suất Trong PMSG, dịng điện đầu điện áp tỷ lệ với mô-men xoắn tốc độ rôto Do làm xáo trộn thay đổi điện áp đầu máy phát điện làm thay đổi tốc độ rơto Perturbing điện áp thực cách điều chỉnh chu kỳ làm việc (Tín hiệu PWM) chuyển đổi Buck Lưu đồ thuật tốn P&O minh họa Hình Thuật toán P&O hoạt động cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ chuyển đổi, thay đổi điện áp đầu gió máy phát điện quan sát công suất kết để tăng giảm chu kỳ nhiệm vụ chu kỳ Nếu gia tăng chu kỳ nhiệm vụ tạo gia tăng cơng suất, sau hướng tín hiệu nhiễu loạn (chu kỳ nhiệm vụ) giống chu kỳ trước Ngược lại, chu kỳ nhiệm vụ nhiễu loạn tạo giảm cơng suất, sau theo hướng tín hiệu nhiễu loạn ngược lại với chu kỳ trước 4.1.1 Lưu đồ thuật tốn: Hình 4.0 −¿Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O 11 4.1.2 Mơ hình sử dụng Matlab Hình 4.1 −¿Cấu trúc P&O 4.2 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nối lưới Hình 4.2 −¿Cấu trúc mạch lực nghịch lưu nối lưới pha Mơ hình hóa nghịch lưu: Ta có phương trình mơ tả mạch: { Li ̇& k =e k −v k C ´v k =i 0−i s Phương trình đóng cắt: { v0 v uk + ∑ uk k=1 k=1,2,3 C ´v 0= ∑ i k uk −i s k=1 L´i k =ek − Bằng cách tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc, trung bình tín hiệu nhỏ ta thu hàm truyền cần thiết để thiết kế cách điều khiển 4.2.1 Bộ khóa pha PLL Do đề tài, việc thiết kế điều khiển dựa tài liệu tham khảo nên việc thiết kế hồn tồn đơn giản.Nhóm đề cập đến cấu trúc vịng khóa pha PLL(Phase Lock Loop) phù hợp với tốn hịa đồng 12 Hình 4.3−¿ Cấu trúc điều khiển vịng khóa pha Để tuyến tính hóa vịng khoa pha, ta giả sử sai lệch hẹ thống lưới điện nhỏ Hình 4.4−¿Mạch vịng điều chỉnh thuật tốn vịng khóa pha sơ đồ tuyến tính vịng khóa pha  Hàm truyền kín mạch vịng khóa pha: K p s+ K i ωn ξss+ ω2n G k ( s )= G 1= 2 s + K p s+ K i s + 2ω n ξss+ω n o Trong ω n tần số dao động riêng ξs hệ số dao động tắt dần 13 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ 5.1 Sơ đồ mơ Hình 5.0 – Cấu trúc tổng qua Simulink  Cấu trúc tổng quan MPPT boost conveter Hình 5.1 – Sơ đồ MPPT boost converter  Mơ hình wind turbine Hình 5.2 – Mơ hình Wind Turbine Matlab – Simulink 14  Mơ hình Boost conveter Hình 5.3 – Mơ hình Boost converter 5.2 Kết mơ TH1 Công suất đưa tải không đủ, tiến hành nối lưới để bù công suất Kịch mô phỏng:  Công suất tải: Pload =10 kW  Công suất Winturbine: Pdco =6 kW Trước nối lưới: Công suất đo tải Công suất nghịch lưu 15 Sau nối lưới: Công suất tải: Điện áp tải Dịng tải: 16 TH2 Cơng suất cấp đủ cho tải Kịch mô phỏng:  Công suất tải: Pload =6 kW  Công suất Winturbine: Pdco =6 kW Cơng suất cấp cho tải: Dịng điện tải: 17 Điện áp tải: Khi nối lưới: Công suất tải: Dòng điện tải: 18