Thiết kế điều khiển mppt cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát pmsg, cấp nguồn cho tải địa phương (tải phi tuyến thd dòng 50%), yêu cầu thd áp 3%

Nội dung: “Thiết kế điều khiển MPPT cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG, cấp nguồn cho tải địa phương (tải phi tuyến THD dòng > 50%), yêu cầu THD áp < 3%” Đề tài của nhóm em được nhận thuộc tầng điều khiển thứ nhất. Yêu cầu đối với phía nguồn cần thiết kế để hệ thống làm việc hiệu quả với công suất tối ưu khi tốc độ gió ở dưới định mức – bài toán MPPT. Sau khi thu được điện năng từ phía nguồn cần điều khiển nối tải địa phương phi tuyến, yêu cầu chất lượng điện áp cấp cho tải có độ méo hài điện áp thấp – bài toán nối tải.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Đề tài: Thiết kế điều khiển MPPT cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG, cấp nguồn cho tải địa phương (tải phi tuyến THD dòng > 50%), yêu cầu THD áp < 3% GVHD: PGS.TS Khoa Tự động hóa Sinh viên thực - Nhóm 5: Họ tên Hà Nội, 8/2023 MSSV MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Năng lượng gió 1.2 Wind Turbine 1.3 Máy phát điện PMSG .6 1.4 Các toán điều khiển CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN .8 2.1 Yêu cầu đề tài 2.2 Đặc tính Wind Turbine 2.3 Bài tốn điều khiển phía nguồn 11 2.3.1 Bài tốn tìm điểm cơng suất cực đại – MPPT 11 2.3.2 Thuật toán P&O .13 2.3.3 Boost Converter .14 2.3.4 Lưu đồ thuật toán P&O 16 2.3.5 Sơ đồ tổng thể tốn điều khiển phía nguồn 17 2.4 Bài toán điều khiển phía tải 18 2.4.1 Điều chế vecto không gian .18 2.4.2 Bộ điều khiển tỉ lệ cộng hưởng (PR controller) 35 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN 38 3.1 Điều khiển phía nguồn 38 3.1.1 Mô hình hóa WindTurbine .38 3.1.2 Thuật tốn P&O tìm điểm MPPT .39 3.1.3 Boost converter 40 3.1.4 Mạch sạc Pin 41 3.2 Điều khiển phía tải 42 3.2.1 Tải phi tuyến 42 3.2.2 Điều khiển nghịch lưu pha 43 3.2.3 Tính tốn thông số lọc LC 46 3.2.4 Tính thơng số điều khiển PR .47 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 49 4.1 Kết toán MPPT 49 4.2 Kết điều khiển phía tải .52 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Hệ thống turbine chuyển đổi lượng gió thành điện Hình Thành phần cấu tạo Wind Turbine Hình Nguyên lý hoạt động Turbine gió .5 Hình Phân tầng điều khiển toán điều khiển .7 Hình 2.1 Đặc tính cơng suất - tốc độ máy phát tốc độ gió khác 10 Hình 2.2 Đặc tính hệ số công suất - tỉ lệ tốc độ đầu cánh .11 Hình 2.3 Cơng suất Tuabin gió phụ thuộc vào tốc độ gió .12 Hình 2.4 Đường cong cơng suất Tuabin gió cấp độ gió khác 12 Hình 2.5 Đặc tính cơng suất phụ thuộc vào điện áp 14 Hình 2.6 Sơ đồ xung van điều khiển đầu 15 Hình 2.7 Sơ đồ tăng áp khối điều khiển .15 Hình 2.8 Lưu đồ giải thuật P&O kết hợp điều khiển chu kì làm việc D 17 Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phía nguồn .18 Hình 3.1 Mơ hình hóa Wind turbine 38 Hình 3.2 Khối nguồn phát gồm Wind Turbine + PMSG + Chỉnh lưu .39 Hình 3.3 Mơ hình hóa Boost converter 41 Hình 3.4 Sơ đồ mạch nạp xả lượng 41 Hình 3.5 Mơ hình hóa PIN .42 Hình 3.6 Mơ hình hóa tải phi tuyến 43 Hình 3.7 Mơ hình mạch lực sử dụng van IGBT 44 Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển dịng điện, điện áp phía tải 44 Hình 3.9 Khối điều khiển điện áp, dịng điện 45 Hình 3.10 Mơ hình điều khiển PR điều khiển điện áp .45 Hình 3.11 Mơ hình điều khiển PR điều khiển dòng điện 46 Hình 4.1 Tiến hành dị thủ công D để xác định điểm làm việc tối ưu 49 Hình 4.2 Tiến hành dị D thuật tốn P&O để xác định điểm làm việc tối ưu 49 Hình 4.3 Giá trị D tối ưu (dưới) ứng với cơng suất phát cực đại (trên) dị thủ cơng 50 Hình 4 Giá trị D tối ưu (dưới) thuật toán P&O cơng suất phát tương ứng (trên) 50 Hình 4.5 Kiểm tra với tải tuyến tính pha đối xứng .52 Hình 4.6 Chất lượng điện áp, dòng điện tải .52 Hình 4.7 Phân tích sóng hài điện áp thời điển trước xảy cân (t=0,2s) 53 Hình 4.8 Phân tích sóng hài điện áp sau xảy cân (t=0.5s) .53 Hình 4.9 Kiểm tra với tải phi tuyến 54 Hình 4.10 Chất lượng điện áp, dòng điện hệ thống dùng cho tải phi tuyến 55 Hình 4.11 Phân tích sóng hài điện áp pha tải thời điển trước xảy cân (t=0.25s) 55 Hình 4.12 Phân tích sóng hài điện áp pha tải thời điển sau xảy cân (t=0.5s) .56 Hình 4.13 Phân tích sóng hài dòng điện tải .56 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Năng lượng gió Gió dạng lượng đến từ tự nhiên dồi Nó sinh nhờ di chuyển khơng khí bầu khí Năng lượng gió q trình gió sử dụng hoạt động di chuyển để tạo lượng học Để khai thác lượng gió, ta triển khai lắp đặt hệ thống tuabin gió (wind turbine) Hình 1 Hệ thống turbine chuyển đổi lượng gió thành điện Ưu điểm Bảng 1.1 Ưu nhược điểm củaNhược việc sửđiểm dụng lượng gió - Là nguồn lượng - Nguồn lượng không gây ô nhiễm môi trường - Giảm phụ thuộc vào thủy điện - Ảnh hưởng môi trường sống động vật hoang dã lồi chim - Chi phí lắp đặt, đầu tư ban đầu cao - Ô nhiễm tiếng ồn, ảnh hưởng tới an toàn - Mang lại lợi nhuận cho doanh nghiệp cho người dân sống xung quanh vừa có lợi cho hộ dân - Vị trí lắp đặt yêu cầu đặc điểm địa lý phù - Kiếm thêm thu nhập từ tuabin gió hợp - Dễ dàng lắp đặt hệ thống tuabin gió diện tích trang trại sẵn có 1.2 Wind Turbine  Định nghĩa: Wind Turbine (Turbine gió) máy dùng để biến đổi động gió thành Máy lượng dùng trực tiếp trường hợp cối xay sức gió, hay biến đổi trực tiếp thành điện trường hợp máy phát điện sức gió Trong lĩnh vực điện ta mặc định nhắc tới Wind turbine theo nghĩa thứ hai, tức máy chuyển đổi lượng gió thành lượng điện  Thành phần: Wind turbine bao gồm nhiều thành phần khác Quan trọng máy phát điện cánh quạt đón lấy lượng gió Các phận khác kể đến như: lái gió, trục cột để dựng máy phát, phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui cuối máy đổi điện (Inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát loại xoay chiều có nhiều cặp cực kết cấu đơn giản phù hợp đặc điểm tốc độ thấp turbine gió Các máy phát điện sử dụng lượng gió thường xây dựng gần điện sản xuất hịa vào mạng điện chung sau biến đổi để có nguồn điện phù hợp  Lưu trữ lượng: việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy sau chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp chi phí cao cho lưu điện nhiên có ưu điểm ổn định đầu Ngồi cịn có cách lưu trữ lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió tích trữ hệ thống nhiều bình khí nén Khí nén bình sau bung để xoay động vận hành máy phát điện Q trình nạp khí xả khí luân phiên bình, bình xả bình khác nạp cánh quạt gió Điện ổn định liên tục Hình Thành phần cấu tạo Wind Turbine  Các loại tua bin gió:  Tua bin gió trục ngang: Đối với loại tua bin gió này, người dùng phải sử dụng cánh ngang giúp thu gió lượng tối đa  Tuabin gió trục đứng: Theo đánh giá chung, loại tua bin không ổn định Bởi lắp đặt điều kiện địa hình thấp lượng điện tạo yếu  Nguyên lý hoạt động tuabin: Hình Nguyên lý hoạt động Turbine gió Gió (Wind) làm quay cánh quạt (Blade) turbine Thường tốc độ quay trục cánh quạt không cao nên nhờ đưa qua hộp số (Gearbox) mà tốc độ quay turbine tăng lên đủ lớn làm quay thành phần rotor máy phát (Generator) Generator biến đổi lượng sang điện Sau thông qua biến đổi điện tử công suất đưa lượng điện tới cho lưới tải tiêu thụ (Load) 1.3 Máy phát điện PMSG PMSG hay gọi máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu, sử dụng phổ biến hệ thống lượng tái tạo điện gió điện mặt trời PMSG có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, hiệu suất cao Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu phía rotor PMSG giúp khơng phải cung cấp dịng điện kích từ qua stator để tạo từ thơng khơng đổi hke hở khơng khí, qua dịng điện phía stator cần tạo momen xoắn 1.4 Các toán điều khiển Hệ thống phát điện sức gió chia thành tầng điều khiển sau:  Tầng 1: Thuộc lớp tốn điều khiển phía nguồn phát phía lưới/tải Cấu trúc điều khiển gồm nhiều vòng điều khiển, tác động vào biến đổi điện tử công suất, điều khiển vịng khóa pha, điều khiển dịng áp nối lưới,…  Tầng 2: Cấu trúc điều khiển Wind Turbine với chức điều khiển góc cánh điều khiển tốc độ quay Gồm có tốn điều khiển sau: - Điều khiển góc cánh quạt (Pitch Angle Control): công suất đầu điều khiển cách thay đổi góc nghiêng cánh quạt Góc nghiêng điều khiển thông qua áp lực dầu Tuy nhiên, hệ thống bị phá hủy gió to - Không điều khiển (Stall Control): công suất đầu điều khiển dựa vào hình dáng cánh quạt Gió thổi đến không tác động vào cánh quạt tốc độ gió vượt giá trị  Tầng 3: Cấu trúc điều khiển giám sát mang tính chất điều độ ( Energy Management): thực toán điều khiển cấp Master 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 Hình Phân tầng điều khiển các toán điều khiển CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2.1 Yêu cầu đề tài Nội dung: “Thiết kế điều khiển MPPT cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG, cấp nguồn cho tải địa phương (tải phi tuyến THD dòng > 50%), yêu cầu THD áp < 3%” Đề tài nhóm em nhận thuộc tầng điều khiển thứ Yêu cầu phía nguồn cần thiết kế để hệ thống làm việc hiệu với công suất tối ưu tốc độ gió định mức – toán MPPT Sau thu điện từ phía nguồn cần điều khiển nối tải địa phương phi tuyến, yêu cầu chất lượng điện áp cấp cho tải có độ méo hài điện áp thấp – tốn nối tải 2.2 Đặc tính Wind Turbine 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: E  k mV w Trong m khối lượng gió  Năng lượng luồng khơng khí tính sau (theo Borkar and Kulkarni, 2015): P  win d Trong đó: m  V  ( AV t t w )V   AV Ek w w w  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)  𝑉𝑤là tốc độ gió (m/s)  Tuy nhiên trường hợp thực tế, turbine gió ln có hệ số công suất nhỏ Betz Công suất thu từ gió cho mục đích mơ đưa Barakati (2011): P C  wind  AV w (,  ) P Trong đó:  Pmlà cơng suất trục động (W);  Ar = πRR2 diện tích che phủ cánh quạt (m2), với R bán kính cánh quạt turbine (m);  Cp(λ,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 (theo Rolanetal, 2009; Hassan and Said, 2017):   m R VW Trong ωm vận tốc góc turbine (rad/s)