đề tài thiết kế điều khiển mppt rectifier và boost converter cho hệ thống phát điện sức gió

Các nguồn năng lượng tái tạo này là cáchgiải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng đồng thời giảm lượng khí thảicarbon từ các nguồn năng lượng không tái tạo truyền thống như than, dầu,khí, …

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

� � �

HỌC PHẦN: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPPT RECTIFIER VÀ BOOST CONVERTER CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

GVHD: PGS TS Vũ Thị Thúy Nga

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 2

Hà Nội, 2022

Lời nói đầu

Trước cuộc khủng hoảng năng lượng được dự báo trước, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủy điện, năng lượng sinh khối, thủy điện, nhiên liệu hydrogen, pin nhiên liệu hydro,

… được coi là giải pháp tối ưu Các nguồn năng lượng tái tạo này là cách giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng đồng thời giảm lượng khí thải carbon từ các nguồn năng lượng không tái tạo truyền thống như than, dầu, khí, … Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng, năng lượng gió có thể được chuyển đổi thành một dạng năng lượng hữu ích, chẳng hạn như sử dụng turbine gió để tạo ra năng lượng điện Trên thực tế, năng lượng gió là một giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, không tạo ra khí thải nhà kính trong quá trình vận hành nên nó tạo ra sự khác biệt rất lớn đối với việc tác động đến môi trường của chúng ta Các nguồn năng lượng tái tạo nói riêng và năng lượng gió nói chung đang trở thành xu hướng tất yếu trong lĩnh vực năng lượng Chính vì vậy việc nắm bắt công nghệ, xu hướng trong lĩnh vực năng lượng gió là hết sức cần thiết Đồng thời tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hoạt động của turbine gió, giảm thiểu chi phí để cạnh tranh với năng lượng truyền thống

Trong báo cáo này, chúng em sẽ trình bày về mô hình toàn hệ thống turbine gió bao gồm turbine gió, phần vật lý của máy phát điện, các bộ biến đổi điện điện tử công suất Rectifier, Boost converter, các bộ lọc, tải cùng với các bài toán điều khiển MPPT

Báo cáo gồm các chương:

Chương 1: Tổng quan, Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Chương 2: Mô hình hóa hệ thống

Chương 3: Thiết kế điều khiển

Chương 4: Mô phỏng và kết quả

Chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cô Vũ Thị Thuý Nga, xin cảm ơn các thành viên nhóm đã nỗ lực hoàn thành bài tập lớn này Tuy đã cố gắng nhưng không thể tránh được sai sót Chúng em rất mong nhận được nhũng góp ý và nhận xét để hoàn thành báo cáo này cũng như rút ra kinh nghiệm để làm những báo cáo sau tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn!

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG

Chương này sẽ tập trung vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động một hệ thống biến đổi năng lượng gió, từ đó đưa ra mục tiêu, nhiệm vụ của các bài toán diều khiển liên quan

1.1 Tổng quan về năng lượng gió

Khái niệm:

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất, là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời và được tạo ra khi gió thổi vào các cánh quạt làm xoay bộ lá cánh của turbine quanh một rotor (động năng của gió được sử dụng để tạo ra cơ năng) từ đó làm quay máy phát

và tạo ra dòng điện

Hệ thống phát điện sức gió ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong tương lai

Hình 1.1 Nguồn năng lượng gió

Ưu nhược điểm nguồn năng lượng gió

3

- Ưu điểm:

o Nguồn tài nguyên không giới hạn, miễn phí, có thể tái tạo

o Nguồn năng lượng gió là một cách sản xuất điện sạch, không gây ô nhiễm

o Tiềm năng và tăng trưởng nhanh

o Chi phí vận hành sau khi hoạt động thấp

o Không giới hạn công suất, cung cấp điện năng hiệu quả

- Nhược điểm:

o Điện gió không ổn định

o Tiếng ồn của Turbine và khoảng cách giữa các Turbine lớn

o Mật độ năng lượng thấp và không thể lắp đặt một số vùng cụ thể

o Những cơn bão dữ dội và gió mạnh có thể gây ra thiệt hại cho các cánh của turbine gió

o Cần các thiết bị tích điện hiệu suất cao do hệ thống phát công suất không ổn định

Các loại tua bin gió

- Turbine 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

4

Hình 1.2 Turbine gió trục ngang

- Turbine 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

Hình 1.3 Turbine gió trục đứng

1.2 Cấu trúc hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

5

Hình 1.4 Cấu trúc chung của hệ thống năng lượng gió với sơ đồ điều khiển

Hệ thống năng lượng gió gồm các thành phần:

- Turbine gió

- Bộ chỉnh lưu ba pha phía nguồn

- Tụ lọc một chiều

- Bộ nghịch lưu phía lưới, tải

- Máy biến áp cách ly

- Lưới điện hoặc tải địa phương

Hình 1.5 Cấu tạo Tuabine gió Các bộ phận của turbine gió:

6

- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền thông tin tốc độ gió đến bộ điều khiển

- Blades- Cánh quạt: Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho cánh quạt quay và chuyển động

- Brake- Bộ hãm (phanh): Dùng để dừng rotor trong trường hợp khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ

- Controller- Bộ điều khiển: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng

- Gear box- Hộp số: Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc

độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện

Bộ bánh răng này rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió

- Generator- Máy phát: Dùng để phát ra điện

- High speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao

- Low speed shaft: Trục quay tốc độ thấp

- Nacelle- Vỏ: Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

- Pitch: Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện

- Rotor: Bao gồm cánh quạt và trục

- Tower- Trụ đỡ nacelle: Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn

- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng wind turbine

- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có

sự thay đổi hướng gió

- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió

1.3 Nguyên lí hoạt động

- Năng lượng của gió làm cho cánh quạt quay quanh rotor của động cơ, rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay máy phát để tạo

ra điện

7

- Các wind turbine được đặt trên trục cao để thu hầu hết năng lượng gió và ở độ cao cách mặt đất 30 mét thì các turbine gió có tốc độ nhanh hơn, ít bị ảnh hưởng bởi các luồng gió bất thường

- Điện sinh ra từ máy phát là điện xoay chiều sẽ qua bộ chỉnh lưu để tạo điện áp một chiều; sau đó qua bộ nghịch lưu để tạo điện áp xoay chiều có điện áp, tần

số, góc pha mong muốn

- Điện từ wind turbine có thể nối trực tiếp lên lưới điện hoặc cung cấp cho những tải địa phương

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

2.1 Cấu trúc tổng quan

Hệ thống phát điện sức gió bao gồm:

- Turbine gió

- Máy phát điện

- Bộ biến đổi điện tử công suất

- Lưới hoặc tải địa phương

8

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quan Wind turbine

2.2 Yêu cầu bài toán

- Wind Turbine

- PMSG

- Rectifier

- Boost convertor

- MPPT

Hình 2.2 Mô hình hệ thống năng lượng gió

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC

• Xây dựng mô hình toán học Wind Turbine

Turbine gió (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 (3.3)

2 w

1 2

k

Trong đó m là khối lượng gió

Năng lượng của luồng không khí được tính như sau (theo Borkar and Kulkarni, 2015)

(3.3)

Trong đó:

là công suất của luồng khí (W)

ρ là mật độ không khí (kg/m ) (1,225 kg/m trong điều kiện ở nhiệt độ 150 C và áp3 3 0

suất 101,325kPa)

10

A là diện tích quét ngang của Turbine (m )

là tốc độ gió (m/s)

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):

3 w

1 ( , ) 2

Trong đó:

là công suất cơ trên trục động cơ (W);

là diện tích che phủ bởi cánh quạt (m ), với R là bán kính cánh quạt turbine (m);2

là hệ số hiệu suất của turbine với là tỉ lệ tốc độ đầu cánh

là góc nghiêng cánh (deg)

Tỉ lệ tốc độ đầu cánh được xây dựng bằng công thức (3.3) theo Rolan et al, 2009; Hassan and Said, 2017:

W

mR V

(3.3) Trong đó 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 nghĩa như là một hàm của tỷ lệ tốc độ đầu cánh và góc lật cánh như sau (Hassan and Said, 2017):

21/

116

P

3

(3.3) Mối quan hệ giữa momen cơ và công suất cơ trên trục động cơ được cho bởi biểu thức dưới đây (Eid et al., 2006; Omijeh et al., 2013):

m m m

P

11

Trong đó là momen cơ sinh ra bởi turbine (Nm)

Hình 3.1 Đồ thị công suất cơ và tốc độ PMSG ở các tốc độ gió

khác nhau nhau (

Theo hình 3.1 với góc pitch , 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 và tỷ lệ tốc độ đầu cánh thì có thể duy trì giá trị một cách tối ưu Luôn

có một giá trị lớn nhất của ở bất kì tốc độ gió nào Hình (3.1) 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 β có một vai trò quan trọng trong việc tính toán Với góc β nhỏ thì vị trí đường cong sẽ cao lên Tuy nhiên, theo công thức (3.3), luôn có 1 giá trị lớn nhất trong sự thay đổi của tỉ lệ tốc độ đầu cánh

12

Hình 3.2 Đồ thị hệ số hiệu suất của Turbine và tỉ lệ tốc độ đầu cánh ở

các giá trị khác nhau

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 (3.3)

(3.3) Trong đó là momen quán tính, là hệ số ma sát, là momen điện từ, là momen cơ

• Xây dựng mô hình toán học PMSG

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 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

Để giảm độ phức tạp của hệ thống, mô hình toán học của PMSG thường được thiết lập dựa trên các giả thiết sau :

13

Từ thông nam châm vĩnh cửu của rôto phân bố theo hình sin dọc theo không gian khe hở không khí Điều này có nghĩa là suất điện động gây ra trong cuộn dây phần ứng stato cũng có dạng hình sin

Mạch từ được coi là tuyến tính và các thông số điện cảm không thay đổi Hiệu ứng bão hòa, dòng điện xoáy và tổn thất độ trễ bị bỏ qua

Không có dây quấn giảm chấn trên rotor

Với mục đích xác định hệ thống điều khiển PMSG, mô hình động được yêu cầu xây dựng từ các mạch tương đương của máy phát điện trong hệ quy chiếu đồng bộ ở Hình (3.3), trong đó trục d được căn chỉnh với hướng của từ thông rôto

và trục q ở phía trước 90 0

Hình 3.3 Mô hình mạch tương đương của PMSG

Hình 3.4 Mạch tương đương đơn giản của PMSG

Phương trình điện áp và dòng điện

(3.3) Momen điện từ trong máy phát PMSG được mô tả bởi phương trình (3.3) (Rolan et al., 2009):

14

• Bộ Chỉnh Lưu

Bô chỉnh lưu có vai trò biến đổi điện áp xoay chiều ba pha từ máy phát thành dạng điện áp một chiều, sau đó điện áp này được đưa vào bộ Boost Converter Điện áp và dòng điện trung bình sau chỉnh lưu được tính theo công thức:

2 2

3 3

dc in sd sq

(3.15) (3.16)

Công suất đầu ra sau chỉnh lưu:

(3.17)

• Xây dựng mô hình toán học MPPT

• Tổng quan

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

15

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) dực sử dụng vào việc mô phỏng để tìm điểm công suất cực đại của

hệ thống máy phát điện gió Máy phát điện gió 200W lựa chọn nhawnmf áp dụng cho những nơi có nguồn năng lượng gió tập trung nhưng diện tích không quá lớn, tốc độ gió nhỏ (dưới 10m/s)

• Nguyên lý hoạt động

Thuật toán nhiễu loạt và quan sát P&O được sử dụng thông qua nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm tốc độ rotor theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên của tốc độ rotor làm công suất tăng lên thì sự biến thiên sẽ giữ nguyên theo chiều tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi MPP được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên tốc độ rotor sẽ dao động xung quanh MPP đó

16

Hình 3.5 Đồ thị mối quan hệ công suất Wind Turbine với tốc độ rotor.

Vận tốc rotor Công suất cơ Vận tốc rotor sau

Thuyết minh giải thuật P&O

Nếu tăng vận tốc rotor, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng vận tốc rotor

Nếu tăng vận tốc rotor, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm vận tốc rotor

Nếu giảm vận tốc rotor, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm vận tốc rotor

Nếu giảm vận tốc rotor, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng vận tốc rotor

17