GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ
Tổng quan
Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, đặc biệt trong ngành công nghệ bán dẫn và điều khiển, động cơ đồng bộ từ trở (Synchronous reluctance motors – SynRM) đã và đang được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như: nâng hạ, kéo, băng chuyền, bơm nước, phương tiện giao thông, … Động cơ đồng bộ từ trở là động cơ đồng bộ hiệu suất cao với kích thước nhỏ gọn được dùng tương đối phổ biến trên thị trường cho các phụ tải công suất vừa và lớn Với các ưu điểm nổi trội như: cấu tạo đơn giản, độ bền cao, động cơ hoạt động ở vùng tốc độ lớn Rotor không có nam châm vĩnh cửu, không có cuộn dây nên nhiệt độ cho phép của rotor cao hơn các loại động cơ khác, không có tổn hao đồng phía rotor Mô men khởi động lớn, hiệu suất cao, không có tác động của dòng điện trong động cơ tại thời điểm khởi động Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và bão hòa của đường đặc tính từ B-H, sử dụng tối đa khả năng vật liệu sắt từ Đó là một trong những điểm mạnh của động cơ đồng bộ từ trở Động cơ đồng bộ từ trở đã nhận được rất nhiều sự chú ý trong nhiều ứng dụng trong các ngành trong những năm gần đây do tính đơn giản của cấu trúc và chi phí sản xuất thấp [1-3] SynRM tương đối rẻ vì không sử dụng nam châm vĩnh cửu Bên cạnh đó, việc vận hành SynRM không sinh ra nhiệt độ cao, do đó nó không có vấn đề về việc khử từ Ngoài ra, không có tổn thất đồng sinh ra ở rôto cho phép mô men xoắn lớn hơn so với máy không đồng bộ dẫn đến chỉ số hiệu suất của SynRM có thể lên tới chỉ số IE4 với kích thước tương đương với máy không đồng bộ thông thường Chính những lợi thế đó đã góp phần tạo ra cơ hội lớn để SynRM phát triển trong lĩnh vực công nghiệp hiện nay Năm 2011 là năm đánh dấu cột mốc của sự phát triển SynRM với giải thưởng đầu tiên dành cho động cơ đồng bộ từ trở do ABB phát triển
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa đã được trao giải thưởng Tự động hóa năm bởi tạp chí thương mại AUTOMATION ở Đức [17]
Tuy nhiên, SynRM cũng có những nhược điểm đáng kể Chính vì cấu tạo đặc biệt của rotor mà SynRM có thể gây ra rung động và tiếng ồn lớn khi vận hành Hệ số công suất của loại máy này thường thấp, dẫn đến quá khổ công suất của biến tần Ngoài ra, nó rất nhạy cảm với bão hòa từ, tác động mạnh đến giá trị tối đa cho mômen đạt được
Hình 1.1 Động cơ đồng bộ từ trở [18]
Ưu nhược điểm của động cơ đồng bộ từ trở
Những ưu điểm chính của SynRM phụ thuộc vào việc loại bỏ tổn thất đồng rotor cho phép giá trị mômen xoắn đạt được cao hơn so với động cơ không đồng bộ có cùng kích cỡ, cùng với cấu trúc đơn giản của rotor dẫn đến chi phí sản xuất thấp hơn so với động cơ không đồng bộ
Giải pháp của rotor SynRM cho thấy là tiềm năng cho sự thay thế động cơ AC trong các ứng dụng về sức kéo Tóm lại, các ưu điểm của SynRM được tóm tắt như sau: – Chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn hơn, khối lượng nhẹ dễ dàng lắp đặt
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa
– Hiệu suất cao IE4 (giảm tổn thất đến 40% so với động cơ hiệu suất cao IE2) – Mật độ mômen / dòng điện cao
– Động cơ sinh nhiệt thấp và hiệu năng cao
– Cấu trúc giống hệt stator và mạch công suất biến tần của động cơ cảm ứng – Khả năng chịu quá tải cao trong thời gian ngắn
– Cơ cấu đơn giản và chắc chắn
Hình sau cho thấy sự loại bỏ tổn thất ở rotor của động cơ đồng bộ IE4 và SynRM hiệu suất cao so với động cơ cảm ứng IE2
Hình 1.2 So sánh tổn thất giữa động cơ cảm ứng IE2 và động cơ đồng bộ từ trở
IE4, động cơ SynRM hiệu suất cao [18]
Từ hình 1.2 ta nhận thấy tổn thất giảm rõ rệt, cụ thể động cơ SynRM IE4 giảm được tổn thất rotor khoảng 40% và động cơ SynRM hiệu suất cao giảm tổn thất khoảng 10
- 20% so với động cơ cảm ứng IE2
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa
Bên cạnh những ưu điểm mà động cơ đồng bộ từ trở mang lại thì SynRM cũng tồn tại các nhược điểm Vì cấu trúc và nguyên lý hoạt động của rotor dị hướng mà SynRM tồn tại các nhược điểm như sau:
– Hệ số công suất thấp (0.55-0.7)
– Phạm vi tốc độ thấp
Tình hình nghiên cứu về động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trong những năm gần đây, SynRM đã nhận được nhiều sự chú ý cho nhiều ứng dụng do tính đơn giản về cấu trúc, chi phí sản xuất thấp và kết cấu chắc chắn [1-3] Nhiều tác giả nước ngoài đã đề xuất các phương pháp khác nhau để tối ưu hiệu suất động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời thông qua hai cách tiếp cận chính sau:
Cách tiếp cận thứ nhất là sử dụng một hệ thống lai hỗn hợp giữa mảng pin năng lượng mặt trời (PV) và nhiệt điện (TEG) để cấp nguồn cho động cơ đồng bộ từ trở [4] Tác giả trong [4] đề xuất hệ thống bao gồm mô đun PV – mô đun TEG, bộ điều khiển VSI ba pha, động cơ đồng bộ từ trở ba pha và máy bơm nước ly tâm ứng dụng vào lĩnh vực nông nghiệp tại những vùng nông thôn chưa có lưới điện Trước đây, hệ thống PV thường dùng động cơ một chiều (DC) để ứng dụng cho các mục đích trong đời sống, tuy nhiên với động cơ DC cần quá trình bảo trì, bảo dưỡng phức tạp, tốn chi phí dẫn đến kém hiệu quả Các nhà nghiên cứu dần chuyển sang quan tâm đến động cơ cảm ứng (IM), tuy nhiên với động cơ này hiệu suất mang lại thấp Các tác giả trong [4] và [5] đã đề xuất sử dụng SynRM để thay thế các loại động cơ truyền thống và chứng minh được hiệu quả mà hệ thống mang lại Hệ thống này không bao gồm hệ thống pin, ắc quy lưu trữ dẫn đến tối ưu chi phí đầu tư và vận hành cho việc ứng dụng mô hình này tại những nơi chưa có lưới điện Để tối ưu hóa mômen với
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa dòng cho trước (MTPA) tác giả trong [4] đã dùng phương pháp điều khiển hướng trường (FOC) để điều khiển biến tần động cơ để SynRM hoạt động ở điều kiện MTPA Điều kiện MTPA đạt được trong kỹ thuật FOC dựa trên bảng tra cứu (LUT) được tạo ra từ FEM Để khai thác công suất tối đa của mảng PV-TEG , tác giả đã sử dụng phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) của kỹ thuật MPPT
Cách tiếp cận thứ hai, tương tự như cách tiếp cận thứ nhất cách tiếp cận thứ hai là kết hợp sử dụng thêm phương pháp khác để cải thiện hiệu suất của hệ thống
Cụ thể, tác giả trong [5] đã dùng phương pháp tiến hóa vi phân (DE) để tối ưu hiệu suất thu được của mảng PV khi có hiện tượng bóng che một phần Tác giả cho biết phương pháp DE mang lại kết quả tối ưu hơn phương pháp P&O trong điều kiện có bóng che một phần, dẫn đến hiệu quả của máy bơm được cải thiện Trong trường hợp có mức bức xạ đồng đều, tác giả đã sử dụng cả hai phương pháp DE và P&O của kỹ thuật MPPT để thu được công suất tối đa của hệ thống PV để cấp nguồn cho SynRM
Các tác giả trong [4], [5] đã bỏ qua thành phần tổn hao sắt, khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp thì tổn hao sắt có giá trị nhỏ Tuy nhiên ở tốc độ định mức tổn hao sắt có giá trị khoảng 2/3 tổn hao Joule dẫn đến dòng tối ưu sẽ ở giá trị khác Và đây cũng là một lý do mà đề tài luận văn của em đề xuất giải quyết
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Gần đây, với sự phát triển trong công cuộc tự động hóa và hiện đại hóa, Việt Nam ngày càng đạt được một số thành tựu nhất định trong các lĩnh vực về năng lượng, lắp ráp và sản xuất vi mạch, động cơ, dây chuyền tự động… Và một số các công ty lớn dẫn đầu về các lĩnh vực như: Tập đoàn điện lực EVN, tập đoàn Dầu khí Petro Việt Nam trong lĩnh vực về năng lượng, tổng công ty máy động lực và nông nghiệp Việt Nam -VEAM về lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, tập đoàn Viễn thông quân đội Viettel, FPT Software về lĩnh vực vi mạch, viễn thông…cùng với sự phát triển của cuộc cách mạng 4.0 đã thúc đẩy mạnh mẽ về sự tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo vào hầu hết các lĩnh vực Tuy nhiên, việc ứng dụng và chế tạo động cơ đồng bộ từ trở chưa được mọi người chú ý đến tại nước ta
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa Động cơ đồng bộ từ trở đã ra đời từ những năm 80 của thế kỷ 19 và trải qua nhiều lần cải tiến và mang lại những ưu điểm vượt trội nhất định so với một số loại động cơ điện khác và được ứng dụng vào một số lĩnh vực nhất định trong công – nông nghiệp ở một số quốc gia trên thế giới Tuy nhiên SynRM vẫn còn khá mới mẻ đối với Việt Nam chúng ta, chưa được ứng dụng trong thực tế Ngày nay, với sự phát triển của cách mạng công nghiệp 4.0 và xu hướng cải tiến dây chuyền, nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp nên ở Việt Nam đã dần có sự quan tâm về SynRM Đặc biệt lĩnh vực về xe điện, trong những năm gần đây lĩnh vực này được chú trọng phát triển ở Việt Nam và các nước trên thế giới nhằm thay thế dần cho động cơ đốt trong để hạn chế khí xả thải gây ô nhiễm môi trường và nguồn nhiên liệu khí đốt đang dần cạn kiệt Tuy xe điện vẫn còn một số hạn chế để phát triển mạnh như: thời gian sạc lâu, quãng đường di chuyển ngắn, tốc độ hạn chế, … nhưng với tốc độ phát triển của khoa học công nghệ hiện nay chúng ta hy vọng sớm sẽ khắc phục được những hạn chế nêu trên để thúc đẩy xe điện phát triển mạnh mẽ Việc ứng dụng động cơ đồng bộ từ trở thay cho động cơ hiện tại của xe điện là điều hoàn toàn khả thi với các ưu điểm vượt trội của động cơ đồng bộ từ trở mang lại Do đó, việc phát triển nghiên cứu về động cơ động bộ từ trở là việc cần thiết cho nền công – nông nghiệp Việt Nam trong giai đoạn hiện nay
Xét về mặt tiềm năng mà động cơ SynRM có thể phát triển mạnh trong giai đoạn sắp tới không thể không nói đến thị trường xe ôtô điện và xe máy điện Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, nhiều nước trên thế giới khuyến khích người dân sử dụng các loại phương tiện thân thiện với môi trường, Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng chung đó Theo thống kê, hiện Việt Nam có khoảng
46 triệu xe máy, đứng thứ 4 trên thế giới [16] Việt Nam là xã hội phụ thuộc rất nhiều vào xe máy Bởi đặc điểm giao thông đô thị nhiều ngõ ngách của Việt Nam thì việc di chuyển ô tô rất không thuận tiện và xe máy lại thuận tiện hơn nên trong tương lai dù đô thị hóa thế nào thì việc bỏ xe máy xăng là điều rất khó Do đó, xu hướng di chuyển bằng xe máy xăng sang xe máy điện sẽ là điều tất yếu Đây là cơ hội cho động cơ SynRM ứng dụng rộng rãi trong thời gian tới và cần có nhiều nghiên cứu về động cơ này
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa
Hiện nay ở nước ta, Tiến sĩ Trương Phước Hòa đã có những công trình nghiên cứu về động cơ đồng bộ từ trở và đã đạt được những thành công nhất định trong việc chứng minh được hiệu quả của loại động cơ này Một trong những nghiên cứu đó là điều khiển MTPA cho SynRM bằng cách xem xét độ bão hòa từ, ghép nối chéo và tổn hao sắt Với phân tích phần tử hữu hạn (FEA), các đặc tính của SynRM bao gồm điện cảm và khả năng chống tổn hao sắt được xác định Do các đặc tính phi tuyến tính, các mạng nơron nhân tạo được huấn luyện để có được độ tự cảm d-q và khả năng chống tổn hao sắt từ dòng Id, dòng Iq và tốc độ rôto Sau quá trình huấn luyện, một biểu thức phân tích của dòng điện tối ưu (tổn hao Joule tối thiểu và mômen xoắn cực đại) được đưa ra nhờ tối ưu hóa Lagrange Do đó, các dòng điện tối ưu sẽ được thu trực tuyến trong thời gian thực Phương pháp này có khả năng duy trì điều kiện MTPA và điều khiển mô-men xoắn chính xác cao
Từ những tiềm năng mà SynRM mang lại và những đóng góp của công trình nghiên cứu trong nước nêu trên thì việc phát triển nghiên cứu về động cơ đồng bộ từ trở là việc cần thiết cho nền công nông nghiệp Việt Nam ở giai đoạn hiện tại.
Ứng dụng năng lượng mặt trời cho SynRM
Trong những năm gần đây, với sự biến đổi của khí hậu toàn cầu nói chung và Việt Nam nói riêng đã gây ra những thảm họa cho nhân loại như: mưa bão, lũ lụt, sóng thần, … và tần suất xuất hiện ngày càng gia tăng gây ảnh hưởng nặng nề cho nhiều nước trên thế giới Các nhà nghiên cứu, chuyên gia đã nhìn nhận vấn đề này xuất phát từ nhiều nguyên nhân trong đó có liên quan đến các dạng nhà máy điện Trong đó, có thể nói đến các dạng nhà máy điện sau: nhà máy nhiệt điện gây ra ô nhiễm khí thải gây hiệu ứng nhà kính do sử dụng chất đốt, nhiên liệu hóa thạch – nguồn nhiên liệu đang dần cạn kiệt; nhà máy thủy điện là một dạng của năng lượng tái tạo mang tính thân thiện với môi trường tuy nhiên gây ra một số ảnh hưởng nhất định đến khu vực xây dựng nhà máy như: thay đổi thổ nhưỡng khu vực hạ lưu, ảnh hưởng tới hoạt động nông nghiệp, đánh bắt thủy hải sản, nguy cơ ngập lụt cao do hoạt động xả lũ, … Chính vì những lý do đó nhiều nước trên thế giới đã dần chuyển sang sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống Hai
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa dạng năng lượng tái tạo đặc biệt được quan tâm và chú trọng trong những năm gần đây là năng lượng mặt trời và năng lượng gió Đặc biệt ở Việt Nam trong hai năm gần đây năng lượng mặt trời được đầu tư xây dựng nhiều ở một số tỉnh thành, ngoài các dự án nhà máy điện mặt trời với công suất lớn thì các hộ gia đình cũng đầu tư dưới dạng áp mái nhà với công suất quy mô hộ gia đình
Tuy nhiên vẫn còn một số khu vực nông thôn – nơi chưa có lưới điện thì mối quan tâm về năng lượng mặt trời gia tăng Giải pháp phù hợp cho khu vực này là sử dụng động cơ đồng bộ từ trở để ứng dụng cho một số hoạt động phục vụ nhu cầu cho người dân khu vực Mô hình nói trên được đề xuất như hình bên dưới:
Hình 1.3 Động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng hệ thống pin năng lượng mặt trời
Trong luận văn này, một hệ thống pin quang điện được nghiên cứu để ứng dụng trong nông nghiệp, cụ thể là hệ thống máy bơm nước Do bức xạ mặt trời chiếu đến hệ thống PV không ổn định theo thời gian trong ngày và ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nên năng lượng điện tạo ra bởi mảng PV sẽ thay đổi theo dẫn đến SynRM sẽ hoạt động không hiệu quả Luận văn sẽ đề xuất phương pháp tối đa hóa công suất thu
Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời và điều khiển tối ưu mômen với dòng điện cho trước cho động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời.
Mục tiêu nghiên cứu động cơ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời
Năng lượng tạo ra từ các mảng PV không liên tục và ổn định như các dạng năng lượng khác mà thay đổi theo điều kiện bức xạ và nhiệt độ chiếu đến các mảng PV, dẫn đến động cơ đồng bộ từ trở hoạt động không hiệu quả Để đạt được hiệu suất vận hành cao cho hệ thống trên Bài luận văn này sẽ thực hiện hai mục tiêu chính như sau:
Thứ nhất, tối đa hóa công suất đầu ra của hệ thống PV dùng thuật toán của kỹ thuật MPPT
Thứ hai, điều khiển SynRM ở chế độ MTPA để đạt được mômen và tốc độ theo nguồn năng lượng thu được
Mô hình đề xuất của đề tài sẽ ứng dụng cho lĩnh vực nông nghiệp, cụ thể là hệ thống máy bơm nước được sử dụng tại những vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa – nơi chưa có lưới điện
Bài luận văn này sẽ dùng thuật toán thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) của kỹ thuật MPPT để tối đa công suất thu được của hệ thống PV và cấp nguồn cho SynRM
Sử dụng mạng nơron Multilayer Perceptron (MLP) để ước lượng thông số động cơ và tính toán các dòng điện tối ưu cho động cơ SynRM đạt được mômen tối ưu với dòng điện cho trước có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Chương hai sẽ giới thiệu về hệ thống PV, đặc tính PV và thuật toán P&O của kỹ thuật MPPT
Chương ba sẽ giới thiệu các mô hình toán học dành cho SynRM và các phương trình tính toán tối ưu cho SynRM.
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHOTOVOLTAIC (PV), ĐẶC TÍNH PV VÀ KỸ THUẬT ĐỂ TỐI ĐA CÔNG SUẤT ĐẦU RA
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHOTOVOLTAIC (PV), ĐẶC TÍNH PV VÀ KỸ THUẬT ĐỂ TỐI ĐA CÔNG SUẤT ĐẦU RA
Chương hai sẽ giới thiệu về tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại nước ta, cùng với những thuận lợi, khó khăn, tiềm năng mà nguồn năng lượng mặt trời mang lại Giới thiệu đặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời và kỹ thuật điều khiển để tối đa hóa công suất thu được từ hệ thống PV Kết quả mô phỏng của kỹ thuật MPPT cho hệ thống PV sẽ được trình bày trong chương 5
2.1 Tình hình phát triển điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Trong những năm gần đây, với chính sách của chính phủ về khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng gió, năng lượng mặt trời nói riêng đã thúc đẩy các dự án điện mặt trời, điện gió đầu tư xây dựng với quy mô lớn trên nhiều khu vực của nước ta Trong hai năm (2019 – 2020) sự bùng nổ về lắp đặt năng lượng mặt trời có thể thấy rõ rệt ở giai đoạn này với chính sách giá mua bán điện hấp dẫn của chính phủ đối với dạng năng lượng này cùng với chi phí đầu tư nhỏ nên điện mặt trời đã thu hút nhiều nhà đầu tư hơn so với điện gió
Theo số liệu mới nhất, tính đến hết ngày 31/12/2020, tổng công suất lắp đặt về điện năng lượng mặt trời trên cả nước đã đạt khoảng 16.500 MW, chiếm khoảng 25% tổng công suất lắp đặt nguồn điện của hệ thống điện quốc gia Trong đó, có khoảng 8.000
MW là điện mặt trời áp mái nhà và hơn 8.400 MW điện mặt trời trang trại lớn [14] Điện mặt trời có những ưu điểm, tiềm năng lớn cần được xem xét phát triển tuy nhiên cũng có những thách thức nhất định
Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa cùng với vị trí địa lý thuận lợi nên nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời khá dồi dào Cụ thể, tại những vùng như Tây Nguyên, Nam Trung Bộ, số giờ nắng sẽ đạt được từ 2.000 đến 2.600 giờ mỗi năm Lượng bức xạ mặt trời tính trung bình khoảng 150 kcal/m 2 , chiếm khoảng 2.000 đến 5.000 giờ mỗi năm Các địa phương ở phía bắc bình quân 1.800 đến 2.100 giờ nắng/năm, trong khi đó các tỉnh phía nam và TPHCM có mặt trời chiếu
Chương 2: Giới thiệu về hệ thống photovoltaic (PV), GVHD: TS Trương Phước Hòa đặc tính pv và kỹ thuật để tối đa công suất đầu ra rọi quanh năm, ổn định kể cả vào mùa mưa với số giờ nắng trung bình năm cao hơn, từ 2.000 - 2.600 giờ/năm Vì vậy, bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam Để tạo động lực và khuyến khích phát triển nguồn năng lượng mặt trời, chính phủ đã có nhiều chính sách thông thoáng, tạo thuận lợi cho phát triển điện mặt trời Đặc biệt, quyết định số 02/2019/QĐ-TTg nêu rõ, các dự án trên mái nhà được thực hiện cơ chế mua bán điện theo chiều giao và chiều nhận riêng biệt của công tơ điện đo đếm hai chiều, đã tạo hành lang pháp lý rõ ràng, chặt chẽ cho hai bên mua và bán điện mặt trời áp mái (ĐMTAM), đồng thời tạo động lực khuyến khích người dân, doanh nghiệp tích cực đầu tư vào các dự án ĐMTAM Bên cạnh đó, chính phủ cũng ban hành các chính sách ưu đãi khác cho các nhà đầu tư như ưu tiên cung cấp tín dụng, miễn/giảm thuế thu nhập doanh nghiệp, tiền thuê đất, sử dụng hợp đồng mua bán điện mẫu, …[20]
Ngoài ra so với các nguồn năng lượng khác, nguồn năng lượng mặt trời có những ưu điểm vượt trội như: vốn đầu tư nhỏ, yêu cầu về công nghệ kỹ thuật lắp đặt đơn giản, thi công và hoàn vốn nhanh, …
Một trong những hạn chế lớn nhất của nguồn năng lượng mặt trời là không có sự ổn định, khó vận hành hơn so với năng lượng truyền thống Nguyên nhân là do năng lượng mặt trời chịu sự chi phối lớn từ lượng bức xạ mặt trời chiếu đến và nhiệt độ môi trường, yếu tố tự nhiên sẽ ảnh hưởng lớn đến năng lượng điện được tạo ra Điều này đặt ra thách thức làm sao phát triển nhanh và mạnh, trong khi đó phải đảm bảo sự an toàn, độ tin cậy của hệ thống điện
Sự phát triển nhanh chóng của nguồn điện năng lượng mặt trời đã đặt ra những thách thức mới như: cần phát triển lưới điện đồng bộ để đảm bảo giải tỏa công suất từ nguồn điện năng lượng mặt trời phát lên lưới điện, phát triển đầu tư hệ thống đường dây truyền tải cùng nhiều vấn đề kỹ thuật liên quan khác
Chương 2: Giới thiệu về hệ thống photovoltaic (PV), GVHD: TS Trương Phước Hòa đặc tính pv và kỹ thuật để tối đa công suất đầu ra
Cần tháo gỡ các nút thắc trong việc khuyến khích phát triển điện mặt trời như: cần sớm có khung pháp lý đối với việc phát triển năng lượng tái tạo, tăng cường tính minh bạch, đánh giá khả năng gây ảnh hưởng của hệ thống điện mặt trời đến môi trường trong tương lai, thúc đẩy năng lượng mặt trời phát triển để đáp ứng yêu cầu kinh tế - xã hội, vừa đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia vừa bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
2.1.3 Tiềm năng phát triển nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Với những thuận lợi và những thách thức đặt ra đối với việc phát triển nguồn năng lượng mặt trời tại nước ta nêu trên Chính phủ đã và đang xem xét đưa ra các chính sách nhằm tháo gỡ các rào cản trong việc thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng này Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rất lớn và cần tận dụng vì tính thân thiện môi trường, giảm thiểu xả thải khí CO2 so với các dạng nhà máy khác, đồng thời bổ sung nguồn năng lượng điện cho nhu cầu xã hội và dần thay thế các dạng nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch – nguồn nhiên liệu đang dần cạn kiệt
Dưới đây là bảng số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta
Vùng Giờ nắng trong năm (giờ)
Cường độ BXMT (kWh/m 2 /ngày)
Hiệu quả sử dụng điện mặt trời Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình
Tây Nguyên và Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt
Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt
Bảng 2.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam [13]
Theo số liệu từ bảng 1, ta nhận thấy cường độ bức xạ và số giờ nắng trong năm của các khu vực từ Tây Nguyên đến Nam Bộ cao hơn hẳn so với những khu vực khác của nước ta Đây là điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nguồn năng lượng mặt trời Để
Chương 2: Giới thiệu về hệ thống photovoltaic (PV), GVHD: TS Trương Phước Hòa đặc tính pv và kỹ thuật để tối đa công suất đầu ra hình dung được tiềm năng năng lượng mặt trời mà Việt Nam đang có, chúng ta có thể xem bản đồ phân bố lượng bức xạ mặt trời bên dưới
Hình 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam [15]
2.2 Mô hình điện cho pin mặt trời
Nguyên lý cơ bản điều khiển pin mặt trời, ngoài cấu trúc bên trong của nó được hình thành bởi sự kết hợp của bán dẫn loại n và bán dẫn loại p Sự chuyển động của các vật mang điện tích chỉ có thể theo một hướng, từ vùng p sang vùng n Do đó trong trường hợp không có bức xạ chiếu đến, pin mặt trời hoạt động giống như một diode bán dẫn [12] Tuy nhiên, khi nó nhận được ánh sáng mặt trời một dòng điện quang cũng được tạo ra Do đó, mô hình điện của pin mặt trời về cơ bản dựa trên một nguồn phát và một diode
Cell pin năng lượng mặt trời cơ bản là một điốt được mắc với một điện trở nối tiếp và một điện trở song song Đáp ứng của dòng điện – điện áp mô đun PV bằng công thức [12]:
Chương 2: Giới thiệu về hệ thống photovoltaic (PV), GVHD: TS Trương Phước Hòa đặc tính pv và kỹ thuật để tối đa công suất đầu ra
exp PV PV s 1 PV PV s
CẤU TRÚC VÀ MÔ HÌNH HÓA CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ 20 3.1 Lịch sử phát triển của động cơ đồng bộ từ trở (SynRM)
Chương 3 sẽ giới thiệu về lịch sử phát triển, các phương trình toán học của động cơ đồng bộ từ trở ở hai hệ trục tọa độ abc và dq So sánh hiệu suất của động cơ đồng bộ từ trở với một số động cơ khác để làm tiền đề phân tích, tính toán cho dòng điện tối ưu có thể đạt được cho động cơ đồng bộ từ trở
3.1 Lịch sử phát triển của động cơ đồng bộ từ trở (SynRM)
Từ cuối những năm thập niên 80 của thế kỷ 19, các nhà vật lý đã lần đầu tiên chế tạo thành công được một cấu trúc rotor cực lồi đơn giản cho SynRM được ghép từ các lá thép kỹ thuật lại với nhau trên trục ngang rotor Đến năm 1923, nhà vật lý J
K Kostko đã cải tiến lại cấu trúc rotor bằng việc lắp ghép các lá thép kỹ thuật theo chiều dọc trục và tăng hiệu suất đáng kể cho động cơ đồng bộ từ trở Đến những năm thập niên 1960, các nhà vật lý tiếp tục cải tiến cấu trúc rotor của động cơ đồng bộ từ trở nhằm tăng hiệu suất và cải thiện đáng kể điểm yếu của động cơ đồng bộ từ trở đó chính là dao động mômen khi điều khiển Từ đó, các cấu trúc dị hướng cho rôto động cơ đồng bộ từ trở ra đời như rôto dị hướng dọc trục, rôto dị hướng ngang trục Đến năm 1998, ABB đã ra mắt động cơ Servo ứng dụng nguyên lý đồng bộ từ trở Đến năm 2010, ABB giới thiệu phiên bản tối ưu cho động cơ đồng bộ từ trở và bộ điều khiển đi kèm, đánh dấu giai đoạn phát triển của động cơ đồng bộ từ trở trên thị trường công nghiệp
Hình 3.1 Quá trình phát triển của động cơ đồng bộ từ trở [18]
Chương 3: Cấu trúc và mô hình hóa GVHD: TS Trương Phước Hòa của động cơ đồng bộ từ trở
3.2 So sánh các động cơ : động cơ đồng bộ từ trở, động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Với sự đa dạng về chủng loại động cơ hiện nay có thể kể đến như động cơ đồng bộ kích từ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, động cơ không động bộ rotor dây quấn, động cơ DC… thì mỗi loại động cơ sẽ có đặc trưng làm việc tùy phạm vi hoạt động và tối ưu về mặt kinh tế mà ta sẽ sử dụng loại động cơ tương ứng Trong đó, động cơ đồng bộ từ trở là một trong hai loại động cơ đồng bộ hiệu suất cao nhất cho đến thời điểm hiện tại vì không còn có tổn hao ở rotor Để có cái nhìn tổng quan về các loại động cơ ta có thể tham chiếu bảng so sánh sau đây:
Bảng 3.1 So sánh 3 loại động cơ cùng công suất và tốc độ định mức như sau:[9]
So sánh 3 loại động cơ cùng công suất 15 kW và tốc độ 1500 rpm
Loại động cơ Động cơ không đồng bộ IE2 Động cơ đồng bộ từ trở Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu
Từ bảng so sánh 3.1 ta nhận thấy sự ưu việt mang lại từ 2 loại động cơ đồng bộ này Trong đó với cùng tốc độ 1500 rpm và công suất 15kW thì mômen của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho giá trị lớn nhất và tổn hao thấp nhất Tiếp đến là động cơ đồng bộ từ trở và sau cùng là động cơ không đồng bộ hiệu suất cao (chuẩn IE2) Tuy
Chương 3: Cấu trúc và mô hình hóa GVHD: TS Trương Phước Hòa của động cơ đồng bộ từ trở nhiên, về mặt sản xuất và giá thành thì động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chưa tối ưu như động cơ đồng bộ từ trở Do đó việc ứng dụng, nghiên cứu động cơ đồng bộ từ trở là phương hướng đúng đắn và nên phát huy hiện nay
3.3 Mô hình hóa của động cơ đồng bộ từ trở
3.3.1 Mô hình của động cơ trong hệ tọa độ a-b-c
Bỏ qua tổn hao sắt, ta có phương trình điện áp stator được thể hiện đơn giản như sau:
v : Vector điện áp của stator
i : Vector dòng điện trong các cuộn dây a-b-c
ψ : Vector từ thông trong các cuộn dây a-b-c
R s : Điện trở trên các pha của stator
L : Ma trân điện cảm stator
( ) ( ) ( ) a ab ac ba b bc ca cb c
Có hai phương pháp xác định ma trận cảm kháng của động cơ từ trở Phương pháp thứ nhất ta tiến hành đo thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm có đủ cơ sở hạ tầng để thực hiện phép đo chính xác cụ thể cho từng pha Phương pháp thứ hai ta đo điện cảm và hỗ cảm đơn giản (hài cơ bản) của một pha và quy ra giá trị tổng quát với công thức như sau:
Chương 3: Cấu trúc và mô hình hóa GVHD: TS Trương Phước Hòa của động cơ đồng bộ từ trở
3 3 a bc cb b ac ca c ab ba
𝐿𝑠 : Điện cảm tự thân của từng pha
𝐿2 : Điện cảm dao động của 𝐿𝑠 và 𝑀𝑠
𝑀𝑠: Điện cảm móc vòng 1 pha
Giả thiết của hài bậc 1 cho mối quan hệ giữa hệ số L0 và M0 và hệ số L2 và M2:
Phương trình momen lý tưởng bỏ qua ma sát và quán tính của động cơ đồng bộ từ trở được thể hiện như sau:
Phương trình mômen có tính đến ma sát và quán tính của động cơ đồng bộ từ trở được thể hiện như sau:
B : hệ số ma sát cơ
J : hệ số quán tính của động cơ
3.3.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ d-q
Trong trường hợp không có thành phần dòng điện trung tính, các phương trình điện trong hệ tọa độ d-q như sau:
Chương 3: Cấu trúc và mô hình hóa GVHD: TS Trương Phước Hòa của động cơ đồng bộ từ trở
0 0 ds ds d ds q ds s m qs qs q qs d qs v i L d i L i
(3.8) và T e p (L d L q )i ds i qs (3.9) với L d và L q điện cảm trong hệ tọa độ trục d, trục q
Trong trường hợp tổng quát 2
Trong hệ tọa độ rotor, tổng từ thông qua các cuộn dây trục d và q được biểu thị bằng: ds d ds qs q qs
Do đó: ds ds s ds m qs qs qs s qs m ds v R i d p dt v R i d p dt
Chương 3: Cấu trúc và mô hình hóa GVHD: TS Trương Phước Hòa của động cơ đồng bộ từ trở
3.3.3 Mô hình vector của động cơ
Hình 3.2 Giản đồ vector ở chế độ ổn định (không có tổn hao sắt) [9]
Mômen điện từ của động cơ được viết:
Khi cung cấp dòng điện stator dạng hình sin I cho động cơ :
Khi i ds i qs , ta có
và do đó 3 , 3 ds qs 2 s i i I i I
Ta thu được dòng điện trong hệ tọa độ d,q vớiT e :
Chương 3: Cấu trúc và mô hình hóa GVHD: TS Trương Phước Hòa của động cơ đồng bộ từ trở
Hệ số công suất của động cơ được viết như (3.21)
2 tan( ) 1 1 tan( ) cos ( ) sin ( ) cos
(3.21) Động cơ đồng bộ từ trở tạo ra mômen bằng sự biến đổi từ trở của động cơ gây ra bởi vị trí của rotor Do đó, mômen tạo ra bởi động cơ đồng bộ từ trở dựa trên ảnh hưởng của cực lồi và tỉ lệ với sai phân của điện cảm L d L q của trục d-q trong hệ toạ độ của rotor Để tối đa mômen ngõ ra tạo bởi động cơ, cần yêu cầu tăng tỉ số Ld trên Lq gọi là tỉ số lồi
Hình 3 3 Hệ số công suất của động cơ theo d q
Hình 3.3 trình bày hệ số công suất của động cơ theo tỷ số và góc pha Hệ số công suất đạt giá trị tối đa tại góc tan 1 : max
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
ĐIỀU KHIỂN MTPA CHO SYNRM CÓ XÉT ĐẾN BÃO HÒA TỪ VÀ TỔN HAO SẮT
TỪ VÀ TỔN HAO SẮT
Chương này giới thiệu điều khiển tối ưu Mômen cho động cơ với dòng điện cho trước (gọi là MTPA: Maximum Torque per Ampere) có tính đến độ bão hòa từ, ảnh hưởng dòng điện d-q đến các điện cảm và tổn hao sắt Dòng điện tối ưu được tính toán theo phương pháp Lagrange đảm bảo mômen xoắn mong muốn đồng thời giảm thiểu tổn hao (tổn hao do hiệu ứng Joule và tổn hao sắt) do đó tối ưu hóa hiệu suất của SynRM Luận văn này sử dụng mạng Nơ-ron nhân tạo (ANN) kiểu Multi Layer Perceptron (MLP) để ước tính các thông số của động cơ
4.1 Điều khiển MTPA cho SynRM
4.4.1 Tính toán dòng điện tối ưu cho giải thuật MTPA Để dễ dàng phân tích ta sẽ thực hiện mô hình hóa SynRM sang hệ trục d-q Hình 4.1 là mô hình có xét đến tổn hao sắt của SynRM: a) trục d b) trục q
Hình 4.1 Mô hình tương đương của SynRM có tính đến tổn hao sắt: a) trục d ; b) trục q [9]
Với Ri là điện trở sắt
Các điện áp trong hệ trục d-q được tính bởi (dựa vào hình 4.1): ds s ds e q qs s qs e d v R i v R i
Vớiv ds , v qs , i ds và i qs tương tứng với điện áp và dòng điện trong hệ trục d, q d và q là từ thông trong cùng hệ trục Trong trường hợp có tính đến tổn hao sắt:
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt d d dT q q qT
Với: L d và L q là điện cảm của trục d và q
Các biểu diễn dòng điện trong chế độ ổn định được tính bởi: ds dI dT qs qI qT i i i i i i
Thay (4.2) vào (4.4), ta được : i qI dT e d i dI qT e q i R i
Với i dI và i qI là dòng điện tương ứng với tổn hao sắt
Hình 4.2 Giản đồ các dòng điện trong trường hợp có tổn hao sắt [9]
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Hình 4.2 cho thấy biểu đồ Fresnel của các dòng điện trong trường hợp có tính đến tổn hao sắt Chúng ta thấy có góc lệch pha giữa các dòng điện i dqT và i dqs do ảnh hưởng của tổn hao sắt
Mômen điện từ được tính trong trường hợp này bằng:
Mômen có thể được viết lại như sau: e m d m m m ch
B m là hệ số ma sát
m là tốc độ cơ học Để tạo ra một mômen không đổi và giá trị dòng điện nhỏ nhất (do đó giảm thiểu tổn hao do hiệu ứng Joule), ta có:
( ) : e ref e d q dT qT s ds qs
Vì vậy, ta viết Lagrange:
Với 1 là hệ số Lagrange Thay thế i dT , i qT , i ds , i qs từ (4.5), (4.3) và đạo hàm L theo các dòng điện i dT , i qT và 1 :
(4.10) Sau đó, chúng ta thu được các biểu thức của dòng điện tối ưu trong hệ trục d-q:
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Dòng điện tối ưu trong hệ tọa độ a-b-c:
( ) a MTPA ds MTPA qs MTPA b MTPA c MTPA i i i p i i
(4.14) Với P(p) là ma trận Park : cos( ) sin( ) 1
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
.100% 100%, out out out m e in out L
Nhận xét về giải thuật MTPA:
Trong trường hợp bỏ qua tổn hao sắt, nghĩa là R i do đóD 2 E 2 0 và
4.4.2 Tính toán thông số động cơ dựa vào từ trường
Trong trường hợp có tính đến ảnh hưởng tương hỗ d-q và tổn hao sắt, biểu thức của từ thông d và q được tính bởi:
( , ) ( , ) d dT qT d dT qT dT q dT qT q dT qT qT i i L i i i i i L i i i
(4.17) Điện trở của tổn hao sắt được tính bằng (4.18):
2 2 ds ds qs qs m e s ds qs i dI qI qs s qs ds s ds m e s ds qs i i i v i v i T R i i R i i v R i v R i
( ) ds s ds qs s qs i e ds ds qs qs m e s ds qs v R i v R i
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Chúng ta được từ thông d , q và các điện áp v ds , v qs nhờ phép biến đổi Park:
Với a , b , c và v a , v v b , c tương ứng là từ thông và điện áp các pha a,b,c
Dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm JMAG 2D, ta thu được từ thông a , b , c và sau đó tính d , q Các điện cảm L i d ( dT , i qT ) ; L i q ( dT , i qT ) được tính bởi công thức (4.17) và dòng điện i dT ,i qT được tính bởi phương trình (4.20)
(4.20) Hình 4.3 trình bày các điện cảm L L d , q theo các dòng điện i ds ,i qs với thông số được tính từ phương trình (4.17) – (4.20) Chúng ta có thể thấy rằng giá trị L và d
L q giảm khi dòng điện i ds ,i qs tăng do ảnh hưởng của bão hòa từ
Hình 4.4 là điện trở sắt R i theo dòng điện i ds và tốc độ được tính từ phương trình (4.18) Khi tốc độ thấp, điện trở R i cũng có giá trị nhỏ, điện trởR i tăng khi tăng tốc độ Ở tốc độ định mức, tổn hao sắt có giá trị khoảng 2/3 tổn hao Joule [11]
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Hình 4.3 Điện cảm L d , L q phụ thuộc vào i ds , i qs (Kết quả FEM)
Hình 4.4 Điện trở sắt phụ thuộc vào i ds và tốc độ (Kết quả FEM)
4.4.3 Ước tính thông số động cơ dựa vào mạng Neuron dạng MLP
Luận văn này dùng mạng nơron nhân tạo kiểu Multilayer Perceptron (MLP) để học các tham số của SynRM được đề xuất Bằng cách tính toán số (phần tử hữu hạn), ta có thể dự đoán sự biến thiên của điện cảm L d , L q và điện trở sắt R i phụ thuộc vào các dòng điện i ds , i qs và ω e Để thuật toán hoạt động trong thời gian thực, do đó cần phải có giá trị chính xác của điện cảm tại mọi thời điểm, do đó cần phải sử dụng bảng tra cứu Mạng nơ ron Multilayer Perceptron (MLP) được biết đến với khả năng học tập của chúng Đây là lý do tại sao trong nghiên cứu điển hình, mạng MLP sẽ được sử dụng để ước tính các thông số của động cơ
Các thông số của động cơ bao gồm L d , L R q , i thu được từ việc dựa vào tính toán từ trường, được sử dụng cho việc học của mạng Neuron Mạng Neuron này gồm
3 đầu vào i ds , i qs và e và 3 giá trị đầu ra L d es _ , L q es _ và R i es _ như được mô tả ở hình 4.5
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Hình 4.5 Cấu trúc mạng Neuron dạng MLP để ước lượng thông số L d , L q , R i [9]
Cấu trúc mạng nơron này là một mạng nơron nhiều lớp sử dụng thuật toán lan truyền ngược Gradient lỗi để giải quyết tính phi tuyến của các tham số động cơ Mạng Nơron hai lớp được sử dụng để học tập các thông số của động cơ Mạng học dựa trên phương pháp tối ưu hóa Levenberg – Marquardt để huấn luyện MLP với hàm trainlm Luận văn đề xuất sử dụng 3 nơron chức năng truyền tuyến tính cho lớp đầu ra
Ba nơron cho lớp đầu ra tương ứng với 3 tham số ước tính L d es _ , L q es _ và R i es _ Số lượng nơron cho lớp ẩn dựa trên hiệu suất học tập của MLP Chọn một số đủ cao và xem lỗi Nếu sai số rất nhỏ, chúng ta giảm số lượng nơron và thực hiện lại phép tính Quá trình tiếp tục cho đến khi thu được lỗi mong muốn và thời gian học tập hợp lý và kích thước bộ nhớ cần thiết để thực hiện Trọng số của mạng nơron được cập nhật bằng cách cộng dồn ngược gradient của lỗi giữa các giá trị mà FEM thu được của
L L R và giá trị ước tính L d es _ , L q es _ và R i es _ Sai số bình phương có thể chấp nhận được để huấn luyện là 10 -5
Trọng số của MLP được cập nhật bằng cách sử dụng thuật toán lan truyền ngược để giảm thiểu sai số giữa các giá trị thực tế (thu được bởi FEM) và các giá trị ước tính Các trọng số được điều chỉnh theo:
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt và V(k 1) V( )k ( ).e k V( )k 4.22) với là hệ số học tập, e là sai số giữa giá trị ước tính L d es _ , L q es _ , R i es _ và giá trị thực tế L d , L q , R i
Hình 4.6, 4.7 và 4.8 so sánh điện cảm L d , L q và điện trở R i giữa kết quả thu được bằng FEM (đường màu xanh dương) và ước tính bởi MLP (đường màu đỏ) để xác minh việc học của mạng nơron Có thể thấy rằng ước tính rất tốt Lưu ý rằng sai số tối đa trênL d , L q và R i là khoảng 0,35% Các ước lượng của L d , L q được thực hiện với dòngi d và i q là 0, 2, 4 và 6 (A) Nhờ khả năng học tập, điện cảm đối với các giá trị khác của dòng điện, ví dụ 1, 3 và 5 (A) hoặc các giá trị khác có thể dễ dàng thu được bằng MLP Đây cũng là trường hợp để ước tính điện trở R i Điểm cuối cùng này rất quan trọng và chứng minh cho sự lựa chọn sử dụng mạng nơron kiểu MLP trong nghiên cứu điển hình Trong mạng ANN này, các tham số được học ngoại tuyến
Hình 4.6 So sánh điện cảm L d giữa các kết quả của FEM và ước tính bằng MLP [9]
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Hình 4.7 So sánh điện cảm L q giữa các kết quả của FEM và ước tính bằng MLP [9]
Hình 4.8 So sánh điện trở R i giữa các kết quả của FEM và ước tính bằng MLP [9]
Sơ đồ điều khiển tối ưu mômen với việc ước lượng thông số động cơ được trình bày như hình 4.9 Trong mô phỏng này, tốc độ được lấy từ tốc độ đầu ra của kỹ thuật MPPT từ hệ thống pin năng lượng mặt trời Công suất MPPT thu được thay đổi dẫn đến tốc độ đặt sẽ thay đổi từ đó mômen tải cũng bị thay đổi và các dòng điện sẽ thay đổi Các thông số của động cơ sẽ được MLP ước lượng nhằm tối đa hóa mômen xoắn thu được
Chương 4: Điều khiển MTPA cho SynRM GVHD: TS Trương Phước Hòa có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt
Hình 4.9 Điều khiển tối ưu mômen với việc ước lượng thông số bởi MLP [9]
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Khi mô phỏng mô hình trong phần mềm Matlab, về mặt thông số động cơ đề tài sẽ sử dụng phương trình của biểu thức tính Mômen động cơ có xét đến tổn hao sắt, chứa thành phần ma sát và quán tính của động cơ theo công thức (4.7): m e m m m ch
Thông số mô phỏng của động cơ được cho ở bảng sau:
Bảng 5.1 Thông số động cơ đồng bộ từ trở
Công suất định mức 𝑃𝑁 = 1,1 [kW]
Dòng định mức 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 3 [A] Điện trở stator 𝑅S = 6,2 [Ohm]
Tốc độ định mức Ω𝑁 = 1500 [rpm]
Quán tính của rotor J = 0,002 [kg.𝑚 2 ]
5.2 Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng kỹ thuật MPPT Động cơ đồng bộ từ trở có PN = 1,1 (kW) nên để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho SynRM hoạt động đạt công suất tối đa thì điện năng hay công suất từ mảng
PV tạo ra phải lớn hơn công suất định mức của SynRM Luận văn đề xuất sử dụng mảng PV với công suất PPV = 4,2 (kWp) để cung cấp nguồn cho SynRM hoạt động Đặc tính của điện năng lượng mặt trời là không ổn định mà bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên như: mây che một phần, toàn phần hay nhiệt độ, cường độ bức xạ mặt trời chiếu đến mảng PV thay đổi Do đó điện năng hệ thống từ mảng PV tạo ra sẽ thay đổi và không đạt được công suất cực đại (Pmax = 4,2 kWp) tại mọi thời điểm dẫn đến
Chương 5: Kết quả mô phỏng GVHD: TS Trương Phước Hòa có thời điểm SynRM hoạt động ở công suất định mức, có thời điểm SynRM hoạt động dưới công suất định mức và có thời điểm năng lượng tạo ra từ mảng PV lớn hơn năng lượng SynRM yêu cầu, khi đó năng lượng tạo ra dư của mảng PV sẽ được dùng vào nhu cầu khác như chiếu sáng, làm mát, …
Luận văn bao gồm hai mô hình mô phỏng kết hợp: một mô hình mô phỏng cho MPPT và một mô hình mô phỏng điều khiển SynRM ở chế độ MTPA Ở mục này sẽ trình bày kết quả mô phỏng cho MPPT và được thực hiện theo lưu đồ hình 5.1
Hình 5.1 Lưu đồ mô phỏng kỹ thuật MPPT
Khối bức xạ và nhiệt độ: Mô phỏng cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường
Mảng PV: Số lượng tấm pin năng lượng mặt trời kết nối với nhau thành mảng
Bộ chuyển đổi tăng áp: Chuyển đổi điện áp DC không ổn định sang điện áp
Khối tính toán tốc độ: Tính và quy đổi công suất sang tốc độ quay tham khảo
Tối đa công suất – MPPT: Tối đa công suất thu được từ hệ thống PV dùng thuật toán P&O
VSI: Biến tần điều khiển cho SynRM
Mô phỏng cho kỹ thuật MPPT sẽ gồm ba thành phần chính: hệ thống mảng PV, bộ chuyển đổi DC-DC boost converter và quy đổi công suất thu được của PV sang tốc độ tham chiếu Kết quả mô phỏng thu được các kết quả như sau:
Chương 5: Kết quả mô phỏng GVHD: TS Trương Phước Hòa
Số lượng tấm pin năng lượng mặt trời đề xuất là 12 tấm được mắc nối tiếp thành một chuỗi (string) trong điều kiện nhiệt độ môi trường là 25 0 C và cường độ bức xạ mặt trời tại các giá trị [1000 750 500 250 100] W/m 2 Tấm pin được dùng để mô phỏng có thông số kỹ thuật được cho ở bảng 5.2
Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật tấm pin năng lượng mặt trời
Loại tấm pin năng lượng mặt trời: Soltech 1STH-350-WH
Công suất cực đại (W) 349,59 Điện áp hở mạch VOC (V) 51,5 Điện áp tại điểm công suất cực đại Vmp (V) 43
Hệ số nhiệt độ của VOC (%/deg.C) -0,36
Số cells trên tấm pin 80
Dòng tại điểm công suất cực đại Imp (A) 8,13
Hệ số nhiệt độ của ISC (%/deg.C) 0,09 Ứng với mỗi mức bức xạ mặt trời chiếu đến mảng PV và số lượng tấm pin sử dụng cho hệ thống sẽ xác định được điểm có công suất cực đại cụ thể Để có thể hình dung rõ hơn về điểm có công suất cực đại này, hình 5.2 và hình 5.3 sẽ thể hiện rõ đặc tính hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời
Chương 5: Kết quả mô phỏng GVHD: TS Trương Phước Hòa
Hình 5.2 Biểu đồ dòng điện – điện áp của mảng PV ở nhiệt độ 25 0 C và các mức bức xạ [1000 750 500 250 100] W/m 2
Hình 5.2 thể hiện dòng điện của mảng PV tạo ra ở nhiệt độ 25 0 C và các mức bức xạ tương ứng là 1000 W/m 2 , 750 W/m 2 , 500 W/m 2 , 250 W/m 2 và 100 W/m 2 Với nhiệt độ là 25 0 C và bức xạ mặt trời là 1000 W/m 2 thì điểm công suất cực đại của mảng PV gồm 12 tấm mắc nối tiếp có giá trị điện áp là 516 (V) và dòng điện là 8,13 (A) Ứng với các bức xạ khác nhau sẽ có điểm công suất cực đại tương ứng (xem hình 5.2)
Hình 5.3 Công suất đầu ra của mảng PV ở nhiệt độ 25 0 C và các mức bức xạ
Chương 5: Kết quả mô phỏng GVHD: TS Trương Phước Hòa
Hình 5.3 thể hiện công suất của mảng PV tạo ra ở nhiệt độ 25 0 C và các mức bức xạ tương ứng Hình trên cho ta thấy ứng với mỗi đường cong sẽ có 1 điểm công suất cực đại duy nhất, điểm công suất cực đại của đường cong có bức xạ 1000 W/m 2 , nhiệt độ
25 0 C như đề cập ở hình 5.1 có công suất là 4195 (W) ở điện áp 516 (V) và dòng điện 8,13 (A)
5.2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện một chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải
Vì vậy cần điều khiển cả điện áp và dòng điện ngõ ra của pin mặt trời để đạt công suất cực đại bất kể điều kiện nhiệt độ và bức xạ mặt trời
Trong luận văn này, em dùng bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC để chuyển đổi nguồn cho động cơ đồng bộ từ trở hoạt động Động cơ SynRM đề xuất sử dụng trong luận văn có điện áp danh định là 380 (V) Do đó, điện áp một chiều yêu cầu được tính theo công thức có quan hệ sau: dc 2 L L mV V
Giả sử chỉ số điều chế m = 0,9 thay vào công thức 5.1 ta được:
Vì vậy điện áp DC liên kết được chọn là 600 (V) Điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi tăng áp là điện áp tại điểm công suất cực đại của mảng PV, Vmpp = 516 (V), đầu ra của bộ chuyển đổi tăng áp là đầu vào cho biến tần bằng 600 V Do đó, chu kỳ làm việc (D) cho bộ chuyển đổi tăng áp được xác định như sau:
Chương 5: Kết quả mô phỏng GVHD: TS Trương Phước Hòa
Vdc là điện áp trung bình liên kết DC,
Vmpp là điện áp của mảng PV tại điểm công suất cực đại,
VL-L là điện áp danh định của động cơ SynRM,
D là tỷ lệ làm việc của bộ chuyển đổi tăng cường
Giá trị điện cảm của bộ chuyển đổi tăng được xác định bởi biểu thức [10]
Vì vậy, giá trị điện cảm lựa chọn là 6 (mH) Giá trị điện dung của tụ liên kết DC được tính như sau [10]:
2201, 23( ) 2350 ( ) dc dc dc dc dc
Vdc1 là giới hạn dưới có thể chấp nhận được của điện áp liên kết DC trong điều kiện quá độ,
ΔI là độ gợn sóng trong dòng điện dẫn,
fsw là tần số đóng ngắt của mạch (IGBT),
α là hệ số quá tải
t là chu kỳ động lực
5.2.3 Công suất đầu ra quy đổi sang tốc độ đặt cung cấp cho SynRM Động cơ SynRM được điều khiển để tối ưu Mômen với dòng điện cho trước theo phương pháp đề xuất trong luận văn dựa vào thông số tốc độ để tính toán mômen, dòng tối ưu và ước lượng thông số động cơ Thông thường đầu ra của hệ thống điện năng lượng mặt trời là dòng điện, điện áp hay công suất, cần quy đổi về tốc độ tham
KẾT LUẬN
Chương 6 sẽ kết luận toàn bộ kết quả nghiên cứu được từ đề tài và đề xuất hướng điều khiển động cơ đồng bộ từ trở Bên cạnh đó, nêu ra các phương pháp nghiên cứu mới có thể thực hiện trong tương lai cho động cơ đồng bộ từ trở
Nắm vững các kiến thức về cấu trúc cũng như các phương pháp tính toán và điều khiển động cơ SynRM
Nắm vững các kiến thức về kỹ thuật tối đa hóa công suất thu được của hệ thống pin năng lượng mặt trời
Mô hình hóa cho việc thu công suất PV bằng thuật toán P&O của kỹ thuật MPPT Mô hình hóa và tính toán dòng tối ưu thành công cho SynRM điều khiển ở chế độ MTPA được cấp nguồn bằng hệ thống PV Và kiểm chứng các kết quả mô phỏng bằng Matlab, chứng minh hiệu quả của phương pháp đề xuất của đề tài luận văn
Nắm vững và củng cố, nâng cao kiến thức trong việc mô hình hóa, lập trình trong Matlab/simulink thông qua điều khiển tối ưu hiệu suất của động cơ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời
Luận văn đã trình bày những kiến thức cơ bản về cấu trúc, mô hình hóa và phương pháp tính toán động cơ để điều khiển SynRM ở chế độ MTPA có xét đến bão hòa từ và tổn hao sắt Mô hình hóa và tính toán hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng kỹ thuật MPPT Mô phỏng mô hình trong phần mềm Matlab/simulink để chứng minh tính đúng đắn của đề tài
Với phương pháp đề xuất này, chúng ta có thể tính toán dòng điện tối ưu để điều khiển SynRM với giá trị mômen ổn định và giảm thành phần tổn hao Điều khiển ở chế độ MTPA có thể được dùng để thay thế các bộ điều khiển mômen xoắn thông thường để đạt được mômen xoắn mong muốn nhờ vào khả năng ước lượng thông số
Chương 6: Kết luận GVHD: TS Trương Phước Hòa động cơ có độ hội tụ nhanh khoảng 5 (ms) theo thời gian thực để thu được dòng tối ưu dựa vào mạng nơron dạng MLP Đánh giá dựa trên mô phỏng Matlab đã cho thấy rằng độ gợn mômen xoắn là tương đối lớn khi mô phỏng ở tốc độ định mức (1500 vòng/phút) Tại tốc độ 500 (vòng/phút) độ gợn mônmen được giảm rõ rệt gần như độ gợn mômen không đáng kể Do đó cần ứng dụng thêm phương pháp thích hợp để giảm độ gợn mômen ở tốc độ cao
6.3 Hướng phát triển đề tài
Kết hợp điều khiển SynRM ở chế độ MTPA với phương pháp thích hợp để giảm độ gợn mômen ở tốc độ cao nhằm giảm rung mômen quay cho động cơ
Cải tiến thuật toán P&O của kỹ thuật MPPT để tăng khả năng đáp ứng với sự thay đổi nhanh của thời tiết
Thực nghiệm trên mô hình động cơ SynRM tại phòng thí nghiệm để đối sánh với kết quả mô phỏng
GVHD: TS Trương Phước Hòa