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.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
Năng lượng gió
Gió là dạng năng lượng đến từ tự nhiên và dồi dào Nó được sinh ra nhờ sự di chuyển của không khí trong bầu khí quyển Năng lượng gió là quá trình gió sử dụng hoạt động di chuyển của mình để tạo ra năng lượng cơ học Để khai thác năng lượng gió, ta triển khai và lắp đặt các hệ thống tuabin gió (wind turbine).
Hình 1 1 Hệ thống turbine chuyển đổi năng lượng gió thành điện
Bảng 1.1 Ưu và nhược điểm của việc sử dụng năng lượng gió Ưu điểm Nhược điểm
- Là nguồn năng lượng sạch.
- Nguồn năng lượng không gây ô nhiễm môi trường.
- Giảm sự phụ thuộc vào thủy điện.
- Mang lại lợi nhuận cho các doanh nghiệp vừa có lợi cho các hộ dân.
- Kiếm thêm thu nhập từ tuabin gió.
- Dễ dàng lắp đặt một hệ thống tuabin gió trên diện tích trang trại sẵn có.
- Ảnh hưởng môi trường sống của động vật hoang dã và các loài chim.
- Chi phí lắp đặt, đầu tư ban đầu cao.
- Ô nhiễm tiếng ồn, ảnh hưởng tới an toàn cho người dân sống xung quanh.
- Vị trí lắp đặt yêu cầu đặc điểm địa lý phù hợp
Wind Turbine
Định nghĩa: Wind Turbine (Turbine gió) là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi trực tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió Trong lĩnh vực điện ta mặc định khi nhắc tới Wind turbine theo nghĩa thứ hai, tức là một máy chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện.
Thành phần: Wind turbine bao gồm nhiều thành phần khác nhau Quan trọng nhất là máy phát điện và cánh quạt đón lấy năng lượng gió Các bộ phận khác có thể kể đến như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc 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 là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện phù hợp.
Lưu trữ năng lượng: việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để xoay động cơ vận hành máy phát điện.Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình này đang xả thì các bình khác đang được nạp bởi cánh quạt gió Điện sẽ được ổn định liên tục.
Hình 1 2 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 được gió ở năng lượng tối đa.
Tuabin gió trục đứng: Theo đánh giá chung, đây là loại tua bin không ổn định Bởi nếu lắp đặt ở điều kiện địa hình thấp lượng điện tạo ra sẽ yếu.
Nguyên lý hoạt động của tuabin:
Hình 1 3 Nguyên lý hoạt động của Turbine gió
Gió (Wind) làm quay cánh quạt (Blade) của turbine Thường thì tốc độ quay của trục cánh quạt không cao nên nhờ đưa qua hộp số (Gearbox) mà tốc độ quay của turbine tăng lên đủ lớn và làm quay thành phần rotor trong máy phát (Generator) Generator sẽ biến đổi năng lượng cơ sang điện Sau đó thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất sẽ đưa năng lượng điện này tới cho lưới hoặc tải tiêu thụ (Load).
Máy phát điện PMSG
PMSG hay còn gọi là máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, được sử dụng phổ biến trong các hệ thống năng lượng tái tạo như điện gió hoặc điện mặt trời PMSG có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, hiệu suất cao Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu phía rotor của PMSG giúp nó không phải cung cấp dòng điện kích từ qua stator để tạo ra từ thông không đổi trong hke hở không khí, qua đó dòng điện phía stator chỉ cần tạo ra momen xoắn.
Các bài toán điều khiển
Hệ thống phát điện sức gió có thể được chia thành 3 tầng điều khiển sau:
Tầng 1: Thuộc lớp bài toán điều khiển phía nguồn phát và phía lưới/tải Cấu trúc điều khiển gồm nhiều vòng điều khiển, tác động vào các bộ biến đổi điện tử công suất, điều khiển vòng khóa pha, điều khiển dòng và áp nối lưới,…
Tầng 2: Cấu trúc điều khiển Wind Turbine với chức năng điều khiển góc cánh và điều khiển tốc độ quay Gồm có 2 bài toán điều khiển sau:
- Điều khiển góc cánh quạt (Pitch Angle Control): công suất đầu ra được điều khiển bằng cách thay đổi góc nghiêng của cánh quạt Góc nghiêng được điều khiển thông qua áp lực dầu Tuy nhiên, hệ thống có thể bị phá hủy do gió quá to.
- Không điều khiển (Stall Control): công suất đầu ra được điều khiển dựa vào hình dáng của cánh quạt Gió thổi đến sẽ không tác động vào cánh quạt khi tốc độ gió vượt quá một giá trị nào đó.
Tầng 3: Cấu trúc điều khiển giám sát mang tính chất điều độ ( Energy Management): thực hiện các bài toán điều khiển cấp Master như thiết lập chế độ hoạt động, phân bố phụ tải tiêu thụ, giám sát hoạt động của hệ thống, tham gia thực hiện bài toán chẩn đoán và giám sát từ xa thực trạng vận hành.
Hình 1 4 Phân tầng điều khiển và các bài toán điều khiển
PHÂN TÍCH BÀI TOÁN VÀ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN
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 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
Đặc tính trong Wind Turbine
Wind Turbine là một máy năng lượng dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng gió, nó cũng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu, độ cao trên mặt đất và địa hình bề mặt Các turbine gió tương tác với gió, hấp thụ một phần năng lượng động học của gió và biến nó thành năng lượng sử dụng được Trong hệ thống, năng lượng gió thu được bởi các cánh turbine gió, sau đó được chuyển thành năng lượng cơ học trong trục Trục dẫn động rotor của PMSG để chuyển đổi cơ năng thành năng lượng điện.
Theo định luật Newton, động năng của gió được tính theo công thức:
Trong đó m là khối lượng gió.
Năng lượng của luồng không khí được tính như sau (theo Borkar and Kulkarni, 2015):
P wind là công suất của luồng khí (W)
ρ là mật độ không khí (kg/m 3 ) (ρ =1,225 kg/m 3 trong điều kiện ở nhiệt độ 150 0 C và áp suất 101,325kPa).
A là diện tích quét ngang của Turbine (m 2 )
Tuy nhiên trong các trường hợp thực tế, turbine gió sẽ luôn có một hệ số công suất nhỏ hơn Betz Công suất thu được từ gió cho mục đích mô phỏng được đưa ra bởi Barakati (2011):
P m là công suất cơ trên trục động cơ (W);
A r = πRR 2 là diện tích che phủ bởi cánh quạt (m 2 ), với R là bán kính cánh quạt turbine (m);
C p (λ,λ, β)) là hệ số hiệu suất của turbine với 𝜆 là tỉ lệ tốc độ đầu cánh
β) là góc nghiêng cánh (deg).
Tỉ lệ tốc độ đầu cánh được xây dựng bằng công thức (theo Rolanetal, 2009;
Trong đó ω m là vận tốc góc của turbine (rad/s).
Hệ số công suất không phải là một giá trị tĩnh mà thay đổi một cách phi tuyến, công thức cơ bản về hệ số công suẩt sử dụng cho mục đích mô phỏng có thể được định
P m nghĩa như là một hàm của tỷ lệ tốc độ đầu cánh và góc lật cánh như sau (Hassan and Said, 2017):
Mối quan hệ giữa momen cơ T m và công suất cơ trên trục động cơ P m được cho bởi biểu thức dưới đây (Eid et al., 2006; Omijeh et al., 2013):
Trong đó T m là momen cơ sinh ra bởi turbine (Nm).
Hình 2.1 Đặc tính công suất cơ - tốc độ máy phát ở các tốc độ gió khác nhau
Theo hình 2.1 với góc pitch β) = 0 ° , tốc độ gió càng lớn thì đặc tính công suất càng cao Mỗi đường đặc tính đều có 1 điểm công suất cực đại Bằng cách kiểm soát góc pitch β) và tỷ lệ tốc độ đầu cánh λ thì có thể duy trì giá trị C p một cách tối ưu Luôn có một giá trị lớn nhất của C p ở bất kì tốc độ gió nào Hình 2.2 thể hiện hệ số hiệu suất của turbine và tỉ lệ tốc độ đầu cánh ở các giá trị β khác nhau với tốc độ gió cố định.
Góc pitch β có ảnh hưởng tới đặc tính (λ,C p − 𝜆) Với góc β nhỏ thì vị trí đường cong C p sẽ cao lên Tuy nhiên, C p luôn có 1 giá trị cực đại trong dải thay đổi của tỉ lệ tốc độ đầu cánh 𝜆.
Hình 2.2 Đặc tính hệ số công suất - tỉ lệ tốc độ đầu cánh
Hệ thống cơ khí của hệ thống máy phát turbine gió bao gồm nhiều bộ phận quán tính Có thể rất phức tạp khi xem xét tất cả các bộ phận của hệ thống truyền động Đối với bài tập lớn này, tất cả các thành phần quán tính được gộp lại với nhau như một khối duy nhất Hệ thống cơ khí tuabin gió có thể được biểu diễn đơn giản bằng công thức:
Jdω+ dt= 𝑇e − Tm − BωωTrong đó J là momen quán tính, Bω là hệ số ma sát, T e là momen điện từ, T m là momen cơ.
Bài toán điều khiển phía nguồn
2.3.1 Bài toán tìm điểm công suất cực đại – MPPT
Do trong tự nhiên, gió luôn luôn thay đổi cả hướng và tốc độ theo thời gian dẫn đến Turbine gió khi hoạt động sẽ có tốc độ quay của Tuabin cũng luôn thay đổi đồng thời tần số của máy phát cũng thay đổi làm hưởng đến công suất thu được cũng như chất lượng điện áp đầu ra của máy phát.
Hình 2.3 Công suất Tuabin gió phụ thuộc vào tốc độ gió Đối với khu vực 2 (Region II): khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió định mức: yêu cầu đặt ra là cần điều khiển hệ thống làm việc để tạo ra được công suất là tối ưu Đây là bài toán MPPT Ứng với mỗi cấp độ gió khác nhau, hệ thống sẽ có một đường đặc tính P(˜) đã biết trước, nhiệm vụ của bài toán điều khiển là xác định được điểm làm việc tối ưu (MPP).
Hình 2.4 Đường cong công suất Tuabin gió ở các cấp độ gió khác nhau
Theo dõi điểm công suất tối đa (Maximum Power Point Tracking – MPPT) là một công nghệ đặc biệt có thể áp dụng để tạo ra nguồn năng lượng tốt hơn từ các turbine gió và module năng lượng Mặt Trời PV trong các trường hợp khác nhau.Như vậy, bản chất của
MPPT là theo dõi điểm năng lượng tối đa hoạt động bằng cách điều chỉnh trở kháng để giữ cho hệ thống hoạt động ở gần với điểm công suất cực đại của Turbine trong các điều kiện khác nhau như sự thay đổi của tốc độ gió,…
MPPT có nhiều kỹ thuật điều khiển như thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O, điều khiển tốc độ đầu cánh TSR, điều khiển tối ưu - mối quan hệ - cơ sở ORBC…Trong các thuật toán nêu trên thì thuật toán P&O là thuật toán tương đối cơ bản, đơn giản, dễ áp dụng, được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Đối với thuật toán TSRC, mặc dù đây là thuật toán đơn giản và trực giác nhưng nó phụ thuộc nhiều vào sự chính xác của việc đo lường tốc độ gió, đây là một khó khăn cho thuật toán này.Đối với thuật toán ORBC, nhược điểm chính của nó là yêu cầu sự hiểu biết về thông số của hệ thống một cách chính xác Tuy nhiên những thông số này thay đổi từ hệ thống này sang hệ thống khác và thậm chí có thể thay đổi theo thời gian nên phải cập nhật liên tục (realtime).
Thuật toán P&O không cần đo lường tốc độ gió, điều này làm giảm nhiều chi phí thiết kế và vận hành Để làm việc với thuật toán không cần sự hiểu biết trước về những thông số của hệ thống, điều này làm cho thuật toán đáng tin cậy và ít phức tạp hơn Vì vậy trong báo cáo bài tập lớn này, phương pháp P&O (Perturb and Observe) được sử dụng vào việc mô phỏng để tìm điểm công suất cực đại của hệ thống máy phát điện gió. Máy phát điện gió 45kW lựa chọn nhằm áp dụng cho những nơi có nguồn năng lượng gió tập trung nhưng diện tích không quá lớn, tốc độ gió nhỏ (dưới 12m/s).
Trong đề tài này nhóm em sẽ sử dụng thuật toán P&O để điều khiển công suất phát của Turbine đạt cực đại.
Thuật toán P&O kết hợp điều chỉnh chu kì làm việc D Thuật toán này làm thay đổi tốc độ quay của máy phát để đảm bảo công suất đầu ra là tối đa Thuật toán P&O không cần đo lường tốc độ gió, điều này làm giảm nhiều chi phí Để làm việc với thuật toán không cần sự hiểu biết trước về những thông số của hệ thống, điều này làm cho thuật toán đáng tin cậy và ít phức tạp hơn.
Nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O:
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng thì ta phải tiếp tục tăng điện áp.
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm thì ta phải giảm điện áp.
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng thì ta phải tiếp tục giảm điện áp
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm thì ta phải tăng điện áp.
Hình 2.5 Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp
Sử dụng mạch Boost để điều chỉnh điện áp nhằm thay đổi điểm làm việc của hệ thống.
Nguyên lý điều chế băm xung PWM:
- PWM hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt có chu kỳ của nguồn của tải Khi van bán dẫn mở, toàn bộ điện áp được dùng cho tải Khi van đóng, tải bị cắt nguồn điện áp.
- Vì vậy, trong suốt chu kỳ đóng mở van này, tải sẽ có lúc nhận được toàn bộ nguồn điện áp, có lúc nhận được một phần và cũng có lúc hoàn toàn không nhận được gì.
- Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải:
𝑇 là hệ số điều chỉnh PWM.
Hình 2.6 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra
Quan hệ điện áp ra bộ Boost (V out ) với tốc độ quay roto (λ,ω r ):
- Bộ tăng áp là một trong những bộ chuyển đổi DC– DC có thể tăng điện áp trong khi đang giảm dòng điện từ nguồn cung cấp đầu vào đến tải đầu ra của nó Điện áp đầu ra trong bộ tăng áp thường được điều khiển bằng cách sử dụng công tắc chuyển mạch.
- Với bộ Boost DC-DC, tăng D sẽ làm điện áp làm việc sẽ dịch sang trái (giảm đi), khi giảm D sẽ làm điện áp làm việc sẽ dịch sang phải (tăng lên) Thuật toán MPPT sử dụng phương pháp P&O sẽ quyết dịnh việc dịch chuyển điện áp như thế nào.
Hình 2.7 Sơ đồ bộ tăng áp và khối điều khiển
- Việc xác định chu kì làm việc D phụ thuộc vào thời gian T on và tần số chuyển fs:
- Trong quá trình hoạt động ổn định, tỷ lệ giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào thể hiện như phương trình:
- Ta có các phép biến đổi:
Vin = Vrec (vì điện áp vào Vin của bộ chuyển đổi Boost chính là điện áp ra Vrec của bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển)
VLL là điện áp dây ngõ vào của bộ chỉnh lưu cầu không điều khiển và cũng là điện áp dây ngõ ra của PMSG.
- Thay vào ta được điện áp đầu ra của bộ tăng áp:
Từ quan hệ trên ta thấy khi hệ số D thay đổi thì Vout sẽ thay đổi theo, khi Vout thay đổi thì 𝜆 cũng sẽ thay đổi → chỉ cần tìm ra hệ số D thích hợp thì khi đó hệ thống sẽ hoạt động tại MPP.
2.3.4 Lưu đồ thuật toán P&O Ở phần trình bày trước nhóm đã chỉ ra quan hệ giữa Duty cycle và tốc độ làm việc của turbine Thông qua việc điều chỉnh Duty cycle (D) ta có thể điều chỉnh hệ thốngTurbine làm việc với công suất tối đa Việc tìm ra Duty cycle tối ưu đó dựa trên thuật toán nhiễu loạn P&O mô tả bằng lưu đồ thuật toán dưới đây.
Hình 2.8 Lưu đồ giải thuật P&O kết hợp điều khiển chu kì làm việc D
2.3.5 Sơ đồ tổng thể bài toán điều khiển phía nguồn
Hệ thống này bao gồm máy phát điện PMSG được kết nối với một bộ chỉnh lưu không điều khiển nhằm biến đổi điện áp đầu ra thành điện áp một chiều từ điện áp xoay chiều của máy phát đưa vào Bộ tăng áp được sử dụng để điều khiển và biến đổi điện áp một chiều đầu ra bằng phương pháp truy tìm điểm công suất cực đại ở mỗi tốc độ gió khác nhau với thuật toán P&O Bộ nghịch lưu nguồn áp được dùng để biến đổi điện áp xoay chiều từ điện áp một chiều của bộ tăng áp.
Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phía nguồn
Bài toán điều khiển phía tải
2.4.1 Điều chế vecto không gian
2.4.1.1 Cơ sở lý thuyết Điều chế vecto không gian (SVPWM) là một phương pháp điều khiển tần số, biên độ và góc pha của dòng điện trong các động cơ điện xoay chiều 3 pha bằng cách sử dụng các xung điện áp có độ rộng và thời gian thay đổi Mục tiêu của SVPWM là tạo ra một vecto điện áp không gian có hướng và độ lớn mong muốn để điều khiển vecto từ không gian của động cơ SVPWM có thể cải thiện hiệu suất, giảm nhiễu và tăng tuổi thọ của động cơ. a)Xác định vectơ không gian Điện áp ba pha đầu ra có thể được biểu diễn qua vectơ quay quanh gốc của hệ tọa độ trong hệ tọa độ vuông góc 0αβ như sau: u o 2
3 t h ể h i ệ n b a p h a l ệch nhau góc 120° ; u AB , uBC, uCA: điện áp dây của các pha ở đầu ra: u U cos( t ) u
Uo, ˜o: giá trị biên độ và tần số góc của điện áp ra mong muốn.
Thay (3.2) vào (3.1), ta được vectơ quay được biểu diễn như: u o u(t)e j 0 t U e j /6e j 0 t o (3.3)
Theo (3.3), là một vectơ có độ dài không đổi bằng Uo, quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc bằng ˜o Tương tự như vậy hệ thống dòng điện đầu ra, điện áp, dòng điện đầu vào có thể được biểu diễn như sau: i o 2
Vectơ điện áp dây đầu vào được biểu diễn: u i 2
Trong sơ đồ biến tần ma trận trên hình 3.1, ở một thời điểm bất kỳ các van hai chiều phải đóng cắt tuân theo hai quy luật:
Không nối ngắn mạch hai pha đầu vào gây xung dòng lớn phá hủy van.
Không hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra để tránh hiện tượng quá điện áp sinh ra do dòng điện bị ngắt đột ngột.
Hình 1.10 Trạng thái van trong trường hợp abb
Xét với trạng thái van abb các vectơ dòng điện đầu vào, điện áp đầu ra có thể tính được theo công thức: i i,abb 2
3 AB BC CA 3 AB 3 AB
Bằng cách tính toán tương tự cho các trạng thái khác, giá trị độ dài của tất cả các vectơ và các góc pha được liệt kê trong Bảng 3.1.
Hình 2.11 Các tổ hợp van trong Matrix Converter 3x3
Bảng 2.1 Các tổ hợp van và giá trị của các vector chuẩn tương ứng đối với điện áp ra vào dòng điện đầu vào o AB BC CA
Có tất cả 27 trạng thái chỉ ra trong hình 2.10, ta có sáu trạng thái ở hàng cuối cùng tương ứng khi các pha đầu ra được nối với các pha đầu vào khác nhau gọi là các vectơ quay (Các vectơ này không cần quan tâm) Các vectơ trong 18 hàng đầu tiên là các vectơ có hướng cố định, hay còn gọi là các vectơ chuẩn Các vectơ trong ba hàng tiếp sau 18 hàng trên có độ dài bằng 0, khi đó các pha đầu ra đều được nối vào cùng một pha đầu vào, gọi là các vectơ 0.
Dựa vào các kết qủa tính toán trong Bảng 3.1, các vectơ không gian được biểu diễn hình học như trên Hình 3.3 (trên đó cũng chỉ ra các tổ hợp van tương ứng) Các vectơ chuẩn chia mặt phẳng thành 6 section bằng nhau, mỗi góc phần sáu này gọi là một sector.Các sector được đánh số từ I đến VI như hình.
Hình 2.12 Không gian điều chế vector không gian (a) Vector không gian điện áp ra (b) Vector không gian dòng điện vào b)Xác định vị trí của vectơ không gian
Việc xác định vị trí của vectơ không gian trên mặt phẳng tọa độ có vai trò quan trọng vì nó xác định tính chính xác của thuật toán điều khiển Vị trí của vectơ cũng xác định giá trị tức thời của các góc i
, o Vectơ không gian điện áp ra thường được cho dưới dạng hai tọa độ trên mặt phẳng 0αβ (Uα, Uβ) Khi đó góc pha được xác định
Việc tính toán theo arctg đòi hỏi rất nhiều thời gian của CPU, vì vậy cần tránh tính toán trực tiếp góc θ o theo (3.10) Vị trí của vectơ không gian có thể được xác định theo tọa độ qua một số phép so sánh như ở hai cột cuối cùng của bảng 3.2
Bảng 2.2 Xác định vị trí vector không gian theohai tọa độ (U𝜆, )𝑈 tgθo= Uβ/ Uα Uα>0 Uα 0 if deltaV > 0
D = D_old + 0.001; elseif deltaP < 0end if deltaV > 0
Xác định các tham số cho bộ Boost converter
- Điện áp đầu ra nhỏ nhất mạch chỉnh lưu không điều khiển: 𝑉 𝑖𝑚𝑖𝑛 = 100𝑉
- Điện áp đầu ra mạch Boost: 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 1000𝑉
- Công suất vào mạch Boost: 𝑃 0 = 20𝑘𝑊
- Tần số đóng cắt van IGBT: 𝑓 𝑠 = 20𝑘𝐻𝑧
- Hiệu suất của bộ Boost converter: 𝑛 = 0.95
- Dòng điện ra mạch Boost:
- Độ ripple của dòng điện: 𝑑𝐼 = 𝐼 𝑜𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒
- Độ ripple của điện áp: 𝑑𝑉 = 𝑉 𝑜𝑢𝑡
Hình 3.3 Mô hình hóa bộ Boost converter
Hình 3.4 Sơ đồ mạch nạp xả năng lượng
Quy ước chiều dương dòng điện acquy là từ cực dương DC vào acquy Khi Ib>0,acquy hoạt đông ở trạng thái xả, ngược lại thì acquy hoạt động ở trạng thái nạp Siêu tụ chạy trong trạng thái nạp điện áp không đổi có thể tối thiểu hóa dòng sạc nhỏ và chu kỳ xả acquy, đồng thời có vai trò như một tấm lọc (với một duty cycle thích hợp) cho đầu ra của mạch DC, trong khi mạch MPPT đưa công suất cực đại của điện gió về đầu ra của mạch DC.
Mạch lực trên hình vẽ sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều:
- Chiều từ DC vào Acquy: mạch Buck.
- Chiều từ Acquy ra DC: mạch boost.
Tính chất nạp/xả của mạch phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của 2 van bán dẫn Tại một thời điểm chỉ có một van hoạt động.
Hình 3.5 Mô hình hóa PIN
Điều khiển phía tải
* Mô hình hóa tải phi tuyến:
Tải phi tuyến là tải có dòng điện không có dạng sóng giống như điện áp Các loại tải phi tuyến thường được mô hình bởi các mạch van đóng cắt, dễ phát sinh sóng hài làm méo điện áp đặt vào nó.
Hình 3.6 Mô hình hóa tải phi tuyến
3.2.2 Điều khiển nghịch lưu 3 pha
Mô hình hóa mạch lực gồm 6 van IGBT z
Hình 3.7 Mô hình mạch lực sử dụng 6 van IGBT
Cấu trúc điều khiển dòng điện, điện áp sử dụng PR controller:
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển dòng điện, điện áp phía tải
- Dưới đây là mô hình hóa hệ thống điều khiển Inveter sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ cộng hưởng PR mà nhóm em xây dựng Các tham số Kp, Kr của bộ điều khiển điện áp và dòng điện sẽ được trình bày ở mục 3.2.4.
Hình 3.9 Khối điều khiển điện áp, dòng điện
Hình 3.10 Mô hình bộ điều khiển PR điều khiển điện áp
Hình 3.11 Mô hình bộ điều khiển PR điều khiển dòng điện
3.2.3 Tính toán thông số bộ lọc LC
* Tính toán chọn điện cảm L:
- Sử dụng tải tuyến tính có công suất tiêu thụ P = 5 kVA để tính toán.
- Dòng tải đầu ra yêu cầu Io = 𝑃
- Sơ đồ tương dương mạch LC:
Hình 2.18 Sơ đồ tương đương mạch lọc LC
- Lấy sụt áp tại tần số cơ bản bằng 10%Uo:
- Chọn tần số cộng hưởng của mạch lọc LC thấp hơn 15 lần tần số phát xung (với fsP00 Hz):
3.2.4 Tính thông số bộ điều khiển PR a, Vòng điều khiến dòng điện
- Bộ điều khiển PR có hàm truyền:
RF = 0,2 , LF = 4,6 mH: điện trở và điện kháng của cuộn cảm bộ lọc
- Băng thông thường được lấy trong khoảng 10 lần tần số cơ bản (fo = 50Hz) và cỡ 1/10 tần số xung đóng cắt (fs = 5000Hz), từ đó có thể chọn:
- Từ đó xác định được Kp, Ki của bộ điều khiển dòng:
𝐾 𝑃𝑖 = 14,65 𝑣à 𝐾 𝐼𝑖 = 1,39.10 5 b, Vòng điều khiển điện áp:
- Tương tự như thiết kế mạch điều khiển dòng điện ta có thông số của bộ điều khiển
PR được tính như sau:
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Kết quả bài toán MPPT
Mục đích: Kiểm chứng thuật toán P&O có tìm ra được giá trị D (duty cycle) chính xác để điều khiển mạch Boost nhằm đưa công suất phát của Wind turbine cực đại.
- Giữ tốc độ gió không đổi v m/s, công suất tối đa mà Wind turbine có thể tạo ra là công suất định mức Pm = 45 kW.
- Trước tiên cho D biến thiên từ [0 ÷ 1] và kiểm tra giá trị D nào khiến hệ thống Turbine phát ra công suất lớn nhất Quan sát hình 4.1 và hình 4.3 cho ta thấy khi D biến thiên thì tại giá trị D = 0,8005 thì công suất phát đạt Prec = 40,91 kW.
- Sau đó mới tiến hành sử dụng khối P&O để tìm ra giá trị D điều khiển mạch Boost Quan sát hình 4.2 và hình 4.4, có thể thấy khối MPPT_PO đã xác định ra giá trị D dao động quanh vị trí 0.8005, và công suất tại thời điểm đo đạt được Prec
Thuật toán P&O xác định được khá chính xác điểm làm việc cực đại khi tốc độ gió ổn định.
Hình 4.1 Tiến hành dò thủ công D để xác định điểm làm việc tối ưu.
Hình 4.2 Tiến hành dò D bằng thuật toán P&O để xác định điểm làm việc tối ưu.
Hình 4.3 Giá trị D tối ưu (dưới) ứng với công suất phát cực đại (trên) khi dò thủ công.
Hình 4 4 Giá trị D đã được tối ưu (dưới) bằng thuật toán P&O và công suất phát tương ứng (trên).
* Kịch bản mô phỏng 2: Để kiểm chứng thuật toán P&O khi hệ thống gió hoạt động trên dải vận tốc gió thay đổi, nhóm em điều chỉnh đổi tốc độ gió [9 ÷ 12 m/s] và kiểm tra công suất phát của Turbine Nhiệm vụ của thuật toán là tìm được điểm công suất cực đại ứng với các tốc độ gió khác nhau Kết quả mô phỏng được cho dưới đây:
Nhận xét : ứng với mỗi tốc độ gió khác nhau ngoài điều kiện thực tế, thuật toánP&O tìm được điểm công suất cực đại tương ứng Tại những thời điểm vận tốc gió thay đổi, thời gian đáp ứng công suất thực theo MPP nhanh, độ quá điều chỉnh tại thời điểm quá độ vẫn còn lớn Dao động xung quanh điểm công suất cực đại là do chọn bước nhảy của P&O lớn.
Kết quả điều khiển phía tải
* Kịch bản 1: Chỉ xét tải tuyến tính
Hình 4.5 Kiểm tra với tải tuyến tính 3 pha đối xứng
Mục đích: kiểm tra tình huống mất cân bằng điện áp thì hệ thống có điều khiển ổn định được điện áp không Kịch bản mô phỏng tại các thời điểm như sau:
- [0.3s – 0.8s]: Cắt 1 tải ra khỏi hệ thống
- [0.8s – 1s]: Đóng lại cả 2 tải cùng chạy
Hình 4.6 Chất lượng điện áp, dòng điện trên tải
Hình 4.7 Phân tích sóng hài điện áp tại thời điển trước khi xảy ra mất cân bằng (t=0,2s)
Hình 4.8 Phân tích sóng hài điện áp sau khi xảy ra mất cân bằng (t=0.5s)
- Hình 4.6, tại t = 0.3s, ngắt tải thứ hai ra khỏi hệ thống, điện áp bị tăng vọt tại thời điểm ngắt do quá trình mất cân bằng điện áp diễn ra Tuy nhiên bộ điều khiển điện áp và dòng điện đã điều khiển ổn định lại chất lượng điện áp đặt lên tải và ổn định ngay sau đó.
- Hình 4.7, phân tích sóng điện áp tại thời điểm t=0,2s (trước khi ngắt tải) ta thấy độ méo hài THD = 2,41% dạng điện áp khá sin Biên độ Vom = 297,2V < 310V, tuy nhiên mức độ sụt áp này chỉ khoảng 4% không đáng kể.
- Hình 4.8, tại t=0,5s (sau khi ngắt tải) tức là lúc này hệ thống hoạt động ít tải hơn, sự sụt áp cũng bớt và độ méo hài cũng giảm đáng kể Điện áp hoạt động ổn định ngay sau thời điểm ngắt và duy trì ổn định.
→ Chất lượng điện áp trên tải tuyến tính được kiểm soát tốt.
* Kịch bản 2: Có tải phi tuyến
Hình 4.9 Kiểm tra với tải phi tuyến.
Mục đích: kiểm tra tình huống mất cân bằng điện áp thì hệ thống có điều khiển ổn định được điện áp không Kịch bản mô phỏng tại các thời điểm như sau:
- [0s – 0.3s]: Chạy với cả tải tuyến tính và phi tuyến
- [0.3s – 0.8s]: Cắt tải phi tuyến ra khỏi hệ thống
- [0.8s – 1s]: Đóng lại tải phi tuyến vào hệ thống
Hình 4.10 Chất lượng điện áp, dòng điện khi hệ thống dùng cho tải phi tuyến
Hình 4.11 Phân tích sóng hài điện áp pha trên tải tại thời điển trước khi xảy ra mất cân bằng (t=0.25s)
Hình 4.12 Phân tích sóng hài điện áp pha trên tải tại thời điển sau khi xảy ra mất cân bằng (t=0.5s)
Hình 4.13 Phân tích sóng hài dòng điện trên tải
- Hình 4.10, tại t = 0.3s ngắt tải phi tuyến ra thì xảy ra sự mất cân bằng điện áp và biên độ điện áp trên tải tăng lên vượt giá trị đặt Khoảng t=0.4s biên độ có xu hướng giảm dần nhưng chỉ đạt cỡ 350V > giá trị đặt Vref= 310V Điều này có thể do các tham số bộ điều khiển PR lựa chọn chưa hợp lý dẫn tới thời gian đáp ứng chậm và sai lệch còn lớn.
- Hình 4.11, phân tích sóng điện áp tại thời điểm t=0.25s, lúc này hệ thống đang hoạt động với tải phi tuyến Ta thấy độ méo hài THD = 3.14% (chưa đạt yêu cầu về THD
< 3%) Biên độ Vom = 289.8V < 310V, tuy nhiên mức độ sụt áp này chỉ khoảng 6.5% không đáng kể (đạt yêu cầu về biên độ điện áp).
- Hình 4.12, tại t=0.5s (sau khi ngắt tải phi tuyến), lúc này hệ thống chỉ hoạt động với tải tuyến tính nên độ méo hài giảm đáng kể (THD = 0.79%), tuy nhiên biên độ điện áp cao V om 48.1V, vượt trên giá trị đặt khoảng 3.8%.
→ Chất lượng điện áp trên tải phi tuyến chưa hoàn toàn kiểm soát được Nguyên nhân có thể do tham số bộ điều khiển PR lựa chọn chưa phù hợp để giảm sai lệch và thời gian đáp ứng Ngoài ra có thể giảm THD < 3% để đạt yêu cầu bằng cách tăng giá trị bộ lọc
LC, tuy nhiên độ lớn điện áp cũng bị sụt trên bộ lọc đáng kể.
