Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận 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 BIẾN TẦN MA TRẬN GIÁN TIẾP VÀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023 Hà Nội – 20… 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 BIẾN TẦN MA TRẬN GIÁN TIẾP VÀ ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 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 … tháng 11 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 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……………………………………………………….17 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…………………………25 2.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện 26 2.2.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ 28 2.2.3 Mạch vòng 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 khơng 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 54 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……………………………………………………….70 CHƯƠNG 72 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 72 3.1 Thiết kế AFPM 72 3.1.1 Cơ sở lý thuyết 72 3.1.2 Đề xuất công suất AFPM thiết kế 76 3.1.3 Tính chọn thơng số AFPM stator kép 76 3.1.4 Mô phần mềm FEM 77 iv 3.2 Xây dựng mô hình 3D động AFPM FEM 80 3.2.1 Mơ hình 3D 80 3.2.2 Chia lưới đề xuất cho AFPM 81 3.2.3 Kết mô FEM 3D 82 3.3 Đề xuất quy trình thiết kế thông số AFPM 83 3.3.1 Thông số AFPM 83 3.3.2 Quy trình thiết kế AFPM cho FESS 84 3.4 Kết luận chương 3……………………………………………………….84 CHƯƠNG 86 CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM 86 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC 86 4.1 Mô hình AFPM stator kép………………………………………………86 4.2 Các bước chế tạo AFPM stator kép…………………………………… 87 4.2.1 Chọn vật liệu chế tạo 87 4.2.2 Chế tạo Stator 88 4.2.3 Chế tạo Rotor 89 4.2.4 Chế tạo Nam châm 90 4.2.5 Chế tạo Trục 91 4.3 Triển khai thực nghiệm đo kiểm…………………………………… 91 4.4 Kết luận chương 4……………………………………………………….97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHỤ LỤC A 109 PHỤ LỤC B 111 PHỤ LỤC C 113 PHỤ LỤC D 116 PHỤ LỤC E 118 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Danh mục từ viết tắt a/ Danh mục tiếng Anh Từ viết Ý nghĩa tiếng Anh tắt 2D, 3D Dimension AC Alternating Current Axial flux permanent magnet AFPM motor Ý nghĩa tiếng Việt Khơng gian chiều, chiều Dịng điện xoay chiều Động nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục avg Average Trung bình BESS Battery Energy Storage System BLDC Brushless DC Motor BTB Back to Back Bộ biến đổi BTB CS Capacitor Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng tụ điện 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 Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà 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 Vòng khóa pha PM Permanent magnet Nam châm vĩnh cửu vi Hệ thống lưu trữ lượng ắc quy Động chiều không chổi than PMSM Permanent Magnet Synchronous Machine Động đồng nam châm vĩnh cửu PWM Pulses With Modulation Điều chế độ rộng xung RFPM Radial flux permanent magnet motor Động từ thơng hướng tâm kích thích nam châm vĩnh cửu rpm Revolution per minute Vịng/phút VRM Variable Reluctance Motor Động từ trở biến thiên b/Danh mục tiếng Việt Ký hiệu Ý nghĩa tiếng việt NLTT Năng lượng tái tạo Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý Nghĩa E J Năng lượng Bmg T Mật độ từ thông khe hở khơng khí D0 m Đường kính ngồi stator ddq m Đường kính dây quấn Di m Đường kính ngồi stator g m Độ dày khe hở khơng khí J kg.m Mơ men qn tính lM m Độ dày nam châm Lrot m Độ dày rotor lsat m Độ dày stator m kg Trọng lượng bánh đà N vòng Số vòng dây pha Nsl vòng Số vịng dây rãnh stator r m Bán kính TL N.m Mơ men tải Rad/s Vận tóc góc  (vịng/phút) Wbi m Độ dày gơng từ   Tesla H Ampe Vơn H/m Từ thơng Điện cảm Dịng điện Điện áp Từ thẩm T C G P N.m F N W Mô men Tụ điện Trọng lực Công suất  L i vii Ký hiệu Ý nghĩa Hệ số dây quấn Số pha Số cặp cực Số rãnh pha cực kw m p q Hệ toạ độ quay dq Hệ toạ độ abc Hệ toạ độ  Cuộn dây tương đương phía rotor Góc tạo véc tơ dòng điện Động M1 Động M2 Hệ số điều chế Góc pha dq abc  Nf i M1 M2 d  M Lực dọc trục Bán kính Độ che phủ nam châm Uc Điện áp tụ F R viii [60] P.W Wheeler, J.W Kolar, T Friedli, et al (2011), Review of Three-Phase PWM AC – AC Converter Topologies, vol 58, no 11, pp 4988–5006 [61] P Gambôa, J.F Silva, S.F Pinto, et al (2019), Input–Output Linearization and PI controllers for AC–AC matrix converter based Dynamic Voltage Restorers with Flywheel Energy Storage: a comparison, Electric Power Systems Research, vol 169, no October 2018, pp 214–228, Elsevier [62] A.W.S Ramalho, M.A Vitorino, M.B.R Correa, et al (2019), New two-tothree-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 [63] 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 [64] 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 [65] 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 [66] 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 [67] Y Xiao, X Ge, and Z Zheng (2013), Analysis and Control of Flywheel Energy Storage Systems, Energy Storage - Technologies and Applications [68] 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 [69] 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 [70] 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 [71] N Trong Duy (2012), Dual air-gap axial flux permanent magnet machines for flywheel energy storage systems, 106 [72] N.M Tùng (2022), Luận án tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội [73] 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 [74] 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 [75] S.D.S Paul C.Krause, Oleg Wasynczuk (2002), Analysis-of-electricmachinary-and-drive-systems, A John Wiley & Sons, INC [76] J Pyrhönen, T Jokinen, and V Hrabovcová (2008), Design of Rotating Electrical Machines, [77] 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 [78] O Bouaziz, I Jaafar, and F Ben Ammar (2016), 3D Finite Element Modelling of Single-Sided Axial-Flux Permanent-Magnet Synchronous Machine, [79] Northern Arizona UniversityElectromagnetics in Power Engineering Maxwell 3D Simulations of a Residential Wind Generator, pp 1–37 [80] 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 [81] 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 [82] 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 [83] G.S Liew (2009), Analysis, design of singled-sided Slotted AMM AFPM, PhD Disseratation, no August [84] 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 107 [85] 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 [86] 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 [87] CME Group Inc Copper Supply and Demand Dynamics (2016), https://www.cmegroup.com/education/featured-reports/copper-supply-anddemand-dynamics.html [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 108 PHỤ LỤC A Thuật toán đồng điện áp lưới Trong thiết kế chỉnh lưu tích cực, cần điều chế dòng 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, 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 (A-2) s + 2n s + n2 Trong ζ hệ số dao động tắt dần ( 0< ζ