Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ NGUYÊN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC STATOR KÉP VÀ BỘ BIẾN TẦN MA TRẬN GIÁN TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ NGUYÊN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC STATOR KÉP VÀ BỘ BIẾN TẦN MA TRẬN GIÁN TIẾP Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trần Trọng Minh TS Đỗ Mạnh Cường Hà Nội - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn tập thể hướng dẫn Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 18 tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Tập thể hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Trọng Minh TS Đỗ Mạnh Cường i Đỗ Nguyên Hưng LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian nghiên cứu dài, khó khăn nhiều thử thách, tác giả hoàn thành luận án Trong suốt trình học tập nghiên cứu, tác giả nhận giúp đỡ hỗ trợ đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, nhà khoa học, gia đình đồng nghiệp Qua tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn tâm huyết hướng dẫn tác giả suốt thời gian nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, bạn đồng nghiệp, tập thể Bộ môn Tự động hóa Cơng nghiệp trước đây, khoa Tự động hố có đóng góp q báu, nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu tham khảo hỗ trợ thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả hồn thành số thực nghiệm luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng đào tạo đơn vị chức Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt trình thực đề tài luận án Đặc biệt, tác giả gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè ln ủng hộ, chia sẻ tinh thần vật chất để tác giả hoàn thành nội dung nghiên cứu Tác giả luận án ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi Danh mục từ viết tắt ………………………………………………….vi Danh mục ký hiệu ……………………………………………………vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài ……………………………………………………1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu …………………………………………2 Mục tiêu nghiên cứu ………………………………………………………2 Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………….2 Những đóng góp luận án …………………………………………3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn …………………………………………….3 Bố cục nội dung luận án ……………………………………………4 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ 1.1 Cấu tạo chế độ làm việc FESS 1.1.1 Cấu tạo FESS 1.1.2 Chế độ làm việc FESS 1.2 Động từ trường dọc trục (AFPM) …………………………………….9 1.2.1 Sự phù hợp AFPM RFPM sử dụng cho FESS 1.2.2 Các loại động AFPM 10 1.3 Bộ biến đổi điện tử công suất………………………………………… 11 1.3.1 Bộ biến đổi Back to Back (BTB) 12 1.3.2 Bộ biến đổi Ma trận (MC) 13 1.4 Các vấn đề đặt với FESS …………………………………………….15 1.4.1 Yêu cầu động AFPM stator kép tích hợp bánh đà 16 1.4.2 Yêu cầu biến đổi điện tử công suất 16 1.4.3 Tổng hợp điều khiển cho FESS 17 1.5 Nội dung nghiên cứu ……………………………………………………17 iii 1.6 Kết luận chương 1……………………………………………………….18 CHƯƠNG 19 NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN ĐIỀU CHẾ GIÁN TIẾP ĐẦU RA KÉP TRONG HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG 19 BÁNH ĐÀ ……………………………………………………………… 19 2.1 Mơ hình bán vật lý AFPM stator kép……………………………………19 2.1.1 Mơ hình AFPM hệ tọa độ dq 20 2.1.2 Mơ hình tốn học mơ hình bán vật lý AFPM stator kép 24 2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển AFPM stator kép…………………………26 2.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện 26 2.2.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ 28 2.2.3 Mạch vịng điều chỉnh vị trí dọc trục 30 2.3 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép biến đổi BTB………….31 2.3.1 Cấu trúc chung 31 2.3.2 Mạch vòng dòng điện 31 2.3.3 Mạch vòng điện áp chiều 34 2.3.4 Mô hệ thống điều khiển AFPM stator kép BTB 35 2.4 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép biến đổi IMC………….43 2.4.1 Phân tích cấu trúc IMC – AFPM stator kép 43 2.4.2 Điều chế vector không gian cho phía nghịch lưu 44 2.4.3 Điều chế vector khơng gian cho phía chỉnh lưu 49 2.4.4 Liên kết chỉnh lưu nghịch lưu 53 2.4.5 Thực điều khiển IMC đầu kép 55 2.4.6 Mô IMC đầu kép nối tải RL 58 2.4.7 Mô hệ thống điều khiển AFPM stator kép IMC 62 2.5 Kết luận chương 2……………………………………………………….71 CHƯƠNG 73 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 73 3.1 Thiết kế AFPM 73 3.1.1 Cơ sở lý thuyết 73 3.1.2 Đề xuất công suất AFPM thiết kế 77 3.1.3 Tính chọn thông số AFPM stator kép 77 3.1.4 Mô phần mềm FEM 78 iv 3.2 Xây dựng mơ hình 3D động AFPM FEM 81 3.2.1 Mơ hình 3D 81 3.2.2 Chia lưới đề xuất cho AFPM 82 3.2.3 Kết mô FEM 3D 83 3.3 Đề xuất quy trình thiết kế thơng số AFPM 84 3.3.1 Thông số AFPM 84 3.3.2 Quy trình thiết kế AFPM cho FESS 85 3.4 Kết luận chương 3……………………………………………………….85 CHƯƠNG 87 CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM 87 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC 87 4.1 Mơ hình AFPM stator kép………………………………………………87 4.2 Các bước chế tạo AFPM stator kép…………………………………… 88 4.2.1 Chọn vật liệu chế tạo 88 4.2.2 Chế tạo Stator 89 4.2.3 Chế tạo Rotor 90 4.2.4 Chế tạo Nam châm 91 4.2.5 Chế tạo Trục 92 4.3 Triển khai thực nghiệm đo kiểm…………………………………… 92 4.4 Kết luận chương 4……………………………………………………….98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC A 110 PHỤ LỤC B 112 PHỤ LỤC C 114 PHỤ LỤC D 117 PHỤ LỤC E 119 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Danh mục từ viết tắt a/ Danh mục tiếng Anh Từ viết tắt 2D, 3D AC AFPM Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt Dimension Không gian chiều, chiều Alternating Current Dòng điện xoay chiều Axial flux permanent magnet Động nam châm vĩnh cửu từ motor thơng dọc trục avg Average Trung bình BESS Battery Energy Storage System BLDC Brushless DC Motor BTB Back to Back CS Capacitor System DC Direct Current Dòng điện chiều DG Distributed generation Nguồn phát điện phân tán DMC Direct Matrix Converter Bộ biến đổi ma trận trực tiếp EMF Back - electromotive force Sức phản điện động ESS Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FESS Flywheel System IM Induction motor Động không đồng IMC Indirect Matrix converter Bộ biến đổi ma trận điều chế gián tiếp Max Maximize Tối đa MC Matrix converter Bộ biến đổi ma trận MG Microgrid Lưới điện siêu nhỏ Min Minimize Tối thiểu PLL Phase-lock loop Vịng khóa pha PM Permanent magnet Nam châm vĩnh cửu Energy Energy Hệ thống lưu trữ lượng ắc quy Động chiều không chổi than Bộ biến đổi BTB Storage Hệ thống lưu trữ lượng tụ điện Storage Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà vi PMSM Permanent Magnet Động đồng nam châm vĩnh Synchronous Machine cửu PWM Pulses With Modulation RFPM Radial flux permanent magnet Động từ thơng hướng tâm kích motor thích nam châm vĩnh cửu rpm Revolution per minute Vòng/phút VRM Variable Reluctance Motor Động từ trở biến thiên Điều chế độ rộng xung b/Danh mục tiếng Việt Ký hiệu Ý nghĩa tiếng việt Năng lượng tái tạo NLTT Danh mục ký hiệu Ký hiệu E Bmg D0 ddq Di g J lM Lrot lsat m N Nsl r TL  Wbi Đơn vị J T m m m m kg.m2 m m m kg vòng vòng m N.m Rad/s (vịng/phút) m Ý Nghĩa Năng lượng Mật độ từ thơng khe hở khơng khí Đường kính ngồi stator Đường kính dây quấn Đường kính ngồi stator Độ dày khe hở khơng khí Mơ men qn tính Độ dày nam châm Độ dày rotor Độ dày stator Trọng lượng bánh đà Số vòng dây pha Số vịng dây rãnh stator Bán kính Mơ men tải Vận tóc góc Độ dày gơng từ  Tesla Từ thông L i H Ampe Vôn Điện cảm Dòng điện Điện áp   T C G P H/m Từ thẩm N.m F N W Mô men Tụ điện Trọng lực Công suất vii Ký hiệu kw m p q Ý nghĩa Hệ số dây quấn Số pha Số cặp cực Số rãnh pha cực dq abc Hệ toạ độ quay dq Hệ toạ độ abc  Hệ toạ độ  Cuộn dây tương đương phía rotor Góc tạo véc tơ dịng điện Nf i M1 M2 d  Động M1 Động M2 Hệ số điều chế Góc pha M Lực dọc trục Bán kính Độ che phủ nam châm Uc Điện áp tụ F R viii [61] A W S Ramalho, M A Vitorino, M B R Correa, et al (2019) New twoto-three-phase AC-AC indirect matrix converter with open-end rectifier stage 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2019, no Imc, pp 3601–3608 [62] C Klumpner, P Nielsen, I Boldea, et al (2002) A new matrix converter motor (MCM) for industry applications IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 49, no 2, pp 325–335 [63] M Murayama, S Kato, H Tsutsui, et al (2018) Combination of flywheel energy storage system and boosting modular multilevel cascade converter IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol 28, no 3, pp 10–13 [64] S R Gurumurthy, V Agarwal, and A Sharma (2016) High-Efficiency Bidirectional Converter for Flywheel Energy Storage Application IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 63, no 9, pp 5477–5487 [65] J Feng, W Gongbao, F Lijun, et al (2011) Applying flywheel energy storage system to integrated power system for power quality and stability enhancement 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEMS 2011 [66] Y Xiao, X Ge, and Z Zheng (2013) Analysis and Control of Flywheel Energy Storage Systems Energy Storage - Technologies and Applications, 2013 [67] S Samineni, B K Johnson, H L Hess, et al (2003) Modeling and analysis of a flywheel energy storage system for voltage sag correction IEMDC 2003 - IEEE International Electric Machines and Drives Conference, vol 3, no 1, pp 1813–1818 [68] P Gambôa, J F Silva, S F Pinto, et al (2009) Predictive optimal matrix converter control for a dynamic voltage restorer with flywheel energy storage IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference), no section IV, pp 759–764 [69] C Zhang and K J Tseng (2013) Design and control of a novel flywheel energy storage system assisted by hybrid mechanical-magnetic bearings Mechatronics, vol 23, no 3, pp 297–309, Elsevier Ltd [70] N Trong Duy (2012) Dual air-gap axial flux permanent magnet machines for flywheel energy storage systems [71] N M Tùng (2022) Luận án tiến sĩ Đại học Bách khoa Hà Nội [72] J Mina, Z Flores, E Lopez, et al (2016) Processor-in-the-loop and hardware-in-the-loop simulation of electric systems based in FPGA International Power Electronics Congress - CIEP, vol 2016-Augus, pp 172–177 107 [73] Y Bak, E Lee, and K B Lee (2015) Indirect matrix converter for hybrid electric vehicle application with three-phase and single-phase outputs Energies, vol 8, no 5, pp 3849–3866 [74] S D S Paul C.Krause, Oleg Wasynczuk (2002) Analysis-of-electricmachinary-and-drive-systems A John Wiley & Sons, INC [75] J Pyrhönen, T Jokinen, and V Hrabovcová (2008) Design of Rotating Electrical Machines John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, United Kingdom For [76] J C Kappatou, G D Zalokostas, and D A Spyratos (2016) Design Optimization of Axial Flux Permanent Magnet (AFPM) Synchronous Machine Using 3D FEM Analysis Journal of Electromagnetic Analysis and Applications, vol 08, no 11, pp 247–260 [77] O Bouaziz, I Jaafar, and F Ben Ammar (2016) 3D Finite Element Modelling of Single-Sided Axial-Flux Permanent-Magnet Synchronous Machine [78] Northern Arizona UniversityElectromagnetics in Power Engineering Maxwell 3D Simulations of a Residential Wind Generator pp 1–37 [79] A Mahmoudi, N A Rahim, and W P Hew (2011) Axial-flux permanentmagnet machine modeling, design, simulation and analysis Scientific Research and Essays, vol 6, no 12, pp 2525–2549 [80] A Al-Timimy, P Giangrande, M Degano, et al (2018) Investigation of AC Copper and Iron Losses in High-Speed High-Power Density PMSM Proceedings - 2018 23rd International Conference on Electrical Machines, ICEM 2018, pp 263–269, IEEE [81] N Taran, V Rallabandi, D M Ionel, et al (2019) A comparative study of methods for calculating ac winding losses in permanent magnet machines 2019 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2019, pp 2265–2271 [82] G S Liew (2009) Analysis, design of singled-sided Slotted AMM AFPM PhD Disseratation, no August [83] X Wang, S Zhou, L Wu, et al (2019) Iron Loss and Thermal Analysis of High Speed PM motor Using Soft Magnetic Composite Material 2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEMS 2019, pp 1–4, IEEE [84] N Denis, M Inoue, K Fujisaki, et al (2017) Iron Loss Reduction in Permanent Magnet Synchronous Motor by Using Stator Core Made of Nanocrystalline Magnetic Material IEEE Transactions on Magnetics, vol 53, no 11, pp 1–6 108 [85] S Böhmer, C Krüttgen, B Riemer, et al (2015) Eddy currents and nonconforming sliding interfaces for motion in 3-D finite element analysis of electrical machines IEEE Transactions on Magnetics, vol 51, no [86] CME Group Inc Copper Supply and Demand Dynamics [87] (2019) Design of Electrical Machines pp 7–8 [88] E J Hilinski and G H Johnston (2014) Annealing of electrical steel 2014 4th International Electric Drives Production Conference, EDPC 2014 Proceedings [89] P Breining, A Kahveci, and M Doppelbauer (2019) Effects of annealing on magnetic properties of laminated stator cores and efficiency of induction machines 2019 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2019, pp 1038–1044 109 PHỤ LỤC A Thuật toán đồng điện áp lưới Trong thiết kế chỉnh lưu tích cực, cần điều chế dịng điện pha với điện áp lưới Để thực điều ta phải biết góc pha điện áp lưới tính tốn xác lượng đặt dịng điện Vịng khóa pha PLL hệ thống vịng kín hồi tiếp, tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số góc pha tín hiệu theo tần số góc pha tín hiệu vào Tín hiệu vào có dạng tương tự hình sin dạng số Để hệ thống điều khiển đồng bộ, PLL áp dụng cho chuyển đổi cho kết nhanh chóng xác va vb vc αβ v v abc + dq αβ vd+  vq+ PI  s ref ++  Hình A.1 Cấu trúc vịng khóa pha PLL Cấu trúc PLL gồm: khối chuyển hệ tọa độ từ hệ tọa độ tĩnh αβ sang hệ tọa độ quay dq; khâu điều chỉnh PI khối tích phân PLL làm việc theo nguyên tắc điều khiển vận tốc góc quay hệ trục tọa độ đồng dq cho hình chiếu vector điện áp lưới lên trục q = 0, đồng thời vector điện áp lưới nằm trục d Nhờ tốc độ quay hệ trục tọa độ đồng bám theo tốc độ quay vector điện áp lưới Xác định tốc độ quay góc quay hệ trục tọa độ đồng bộ, ta tính tần số góc pha điện áp lưới Động học vịng khóa pha phụ thuộc vào điều khiển PI Đối với lưới điện lí tưởng vịng khóa pha điều chỉnh với tốc độ đáp ứng nhanh Ngược lại lưới điện cân vịng khóa pha chỉnh định với tốc độ đáp ứng chậm nhằm lọc nhiễu tốt Hàm truyền kín mạch vòng điều chỉnh PLL: Kp K ps + Ti G ( s ) = (A-1) Kp s + K ps + Ti Phương trình đặc tính hàm truyền kín G ( s ) so sánh với hàm chuẩn bậc có phương trình đặc tính: E ( s ) = 2n s + n2 s + 2n s + n2 110 (A-2) Trong ζ hệ số dao động tắt dần ( 0< ζ