Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển tối ưu hiệu suất của động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN TRƯỜNG NHU

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ ĐƯỢC CẤP NGUỒN BẰNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

OPTIMAL EFFICIENCY CONTROL OF SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTORS POWERED

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Trương Phước Hòa

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

ngày 14 tháng 08 năm 2021 (trực tuyến)

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Phan Quốc Dũng – Chủ tịch hội đồng 2 PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên – Thư ký

3 PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ – Phản biện 1 4 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương – Phản biện 2 5 TS Văn Tấn Lượng – Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Trường Nhu MSHV: 1770571 Ngày, tháng, năm sinh: 08/8/1992 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 60.52.02.02

I TÊN ĐỀ TÀI:

Điều khiển tối ưu hiệu suất của động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

– Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời

– Tối đa hóa công suất thu được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng thuật toán P&O của kỹ thuật MPPT

– Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở đạt mômen tối ưu với dòng điện cho trước (MTPA) có xét đến tổn hao sắt

– Xây dựng mô hình mô phỏng trong Simulink cho đề tài – Trình bày kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả

– Kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2021 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trương Phước Hòa

Tp HCM, ngày tháng năm 2021.

TS Trương Phước Hòa

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn luận văn

của em Tiến sĩ Trương Phước Hòa Trong quá trình thực hiện luận văn, thầy là

người đã nhiệt tình hỗ trợ, chỉ dẫn giúp em củng cố kiến thức đồng thời chỉ ra những vấn đề cốt lõi giúp em có định hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn

Tiếp đến, em xin được gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô đã và đang dạy tại trường

Đại Học Bách Khoa Tp.HCM và đặc biệt là các thầy cô ở Bộ Môn đã giúp em xây

dựng được kiến thức nền tảng, là cơ sở để em thực hiện được luận văn này

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hết sức

giúp đỡ, quan tâm, động viên để em có điều kiện thuận lợi thực hiện luận văn này

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn có thể sẽ có những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2021

NGUYỄN TRƯỜNG NHU

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Động cơ đồng bộ từ trở là một trong những máy điện có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại máy điện khác như: có cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp, không có tổn hao đồng trong rôto vì rôto không có dây quấn, không sinh nhiệt cao, sản sinh mômen xoắn lớn hơn máy không đồng bộ dẫn đến chỉ số hiệu suất của SynRM lên tới chỉ số IE4 với kích thước tương đương máy không đồng bộ thông thường Chính vì những ưu điểm của SynRM mang lại đã tạo ra nhiều cơ hội thúc đẩy SynRM phát triển trong các lĩnh vực công nông nghiệp, phương tiện giao thông hiện nay Những năm gần đây SynRM nhận được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu ứng dụng vào các lĩnh vực công nông nghiệp tại những khu vực chưa có lưới điện quốc gia, tiêu biểu là sự kết hợp SynRM với hệ thống điện năng lượng mặt trời Điện năng lượng mặt trời là một trong số các nguồn năng lượng không có tính ổn định do đặc tính hoạt động của chúng Luận văn sẽ nghiên cứu và mô phỏng với mục tiêu là tối đa hóa công suất thu được (MPPT) từ hệ thống pin năng lượng mặt trời để từ đó điều khiển SynRM tối ưu mômen với dòng điện cho trước (MTPA) từ công suất thu được của hệ thống pin năng lượng mặt trời Đề tài bao gồm sáu chương chính sau:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở, ưu nhược điểm và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước của SynRM, ứng dụng năng lượng mặt trời cấp nguồn cho động cơ đồng bộ từ trở Nêu ra mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Chương 2 giới thiệu tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV), tình hình phát triển điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam cùng với những khó khăn, thuận lợi, tiềm năng của chúng Trình bày khái quát đặc tính PV và kỹ thuật tối đa hóa công suất thu được từ hệ thống PV (MPPT)

Chương 3 giới thiệu cấu trúc, lịch sử phát triển SynRM và so sánh với động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có cùng công suất và mô hình hóa của động cơ đồng bộ từ trở trong hệ trục tọa độ

Chương 4 trình bày điều khiển MTPA cho SynRM có xét đến bão hòa từ và tổn thắt sắt, tính toán dòng điện tối ưu cho giải thuật MTPA, tính toán và ước lượng thông số động cơ dựa vào mạng nơron nhân tạo dạng MLP

Chương 5 xây dựng mô hình Matlab simulink để mô phỏng kỹ thuật MPPT và điều khiển ở chế độ MTPA cho SynRM Đưa ra các kết quả mô phỏng của đề tài

Chương 6 kết luận, đưa ra ưu khuyết điểm của nghiên cứu và đề xuất hướng phát triển cho đề tài nghiên cứu

THESIS SUMMARY

Reluctance synchronous motor is one of the electrical machines that has many outstanding advantages compared to other types of machines such as: simple structure, low manufacturing cost, no copper loss in the rotor because the rotor has no winding, no generate high temperatures, producing greater torque than asynchronous machine resulting in SynRM performance index up to IE4 with dimensions comparable to asynchronous machines Because of the advantages brought by SynRM, it has created many opportunities to promote SynRM's development in the fields of industry, agriculture, and means of transport today In recent years, SynRM has received a lot of attention and applications research into agriculture and industrial fields in areas where there is no national power grid, typically the combination of SynRM with solar power systems Solar power is one of the unstable energy sources due to their operational characteristics The thesis will study and simulation with the goal of maximum power point tracking (MPPT) from the solar power system to control the SynRM with maximum torque per ampere (MTPA) from the solar power The thesis includes six main chapters:

Chapter 1 introduces an overview of reluctance synchronous motor, advantages and

disadvantages and the situation of domestic and foreign studies for SynRM,

application of solar energy to reluctance synchronous motor State the purpose and scope of the research

Chapter 2 introduces an overview of solar cell systems (PV), the situation of solar power development in Vietnam along with difficulties, advantages, and their potentials Presention characteristics of PV and techniques to maximum power point tracking from PV systems (MPPT)

Chapter 3 introduces the structure, development history of SynRM and compared with asynchronous motor, permanent magnet synchronous motor with the same capacity and modeling of reluctance synchronous motor

Chapter 4 presention the Maximum Torque Per Ampere (MTPA) control for SynRM with considering of magnetic saturation and iron loss, calculating the optimal current for the MTPA algorithm, calculating and estimating motor parameters based on artificial neural network type Multilayer Perceptron (MLP)

Chapter 5 building Matlab simulink model to simulate MPPT technique and control strategy MTPA for SynRM Provide simulation results of the project

Chapter 6 Conclusion, giving advantages and disadvantages of the research and proposing development directions for the next research topics

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đề tài: “Điều khiển tối ưu hiệu suất của động cơ đồng bộ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời” là một công trình nghiên cứu độc lập

không có sự sao chép của người khác Đề tài là một sản phẩm mà em đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình học tập tại trường Trong quá trình viết bài có sự tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Trương Phước Hòa – Trưởng bộ môn Cung cấp điện trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Các kết quả mô phỏng được trình bày trong luận văn là kết quả trung thực và do chính bản thân em thực hiện

Em xin cam đoan nếu có vấn đề gì về bản quyền hoặc trùng lặp em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2021

Nguyễn Trường Nhu

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ 1

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.4 Ứng dụng năng lượng mặt trời cho SynRM 7

1.5 Mục tiêu nghiên cứu động cơ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời 9

2.1.3 Tiềm năng phát triển nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam 12

2.2 Mô hình điện cho pin mặt trời 13

2.3 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời 14

2.4 Kỹ thuật điều khiển công suất cực đại (MPPT) của hệ thống PV 16

2.3.1 Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O) 17

CHƯƠNG 3: 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) 20

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 21

3.3 Mô hình hóa của động cơ đồng bộ từ trở 22

3.3.1 Mô hình của động cơ trong hệ tọa độ a-b-c 22

3.3.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ d-q 23

3.3.3 Mô hình vector của động cơ 25

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN MTPA CHO SYNRM CÓ XÉT ĐẾN BÃO HÒA TỪ VÀ TỔN HAO SẮT 27

4.1 Điều khiển MTPA cho SynRM 27

4.4.1 Tính toán dòng điện tối ưu cho giải thuật MTPA 27

4.4.2 Tính toán thông số động cơ dựa vào từ trường 31

4.4.3 Ước tính thông số động cơ dựa vào mạng Neuron dạng MLP 33

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

5.1 Thông số động cơ mô phỏng 38

5.2 Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng kỹ thuật MPPT 38

5.2.1 Mảng PV 40

5.2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 42

5.2.3 Công suất đầu ra quy đổi sang tốc độ đặt cung cấp cho SynRM 43

5.3 Điều khiển tối ưu mômen cho động cơ đồng bộ từ trở 50

5.3.1 Bộ điều khiển PI và tính toán mômen động cơ 52

5.3.2 Điều khiển MTPA 52

5.3.3 Ước lượng thông số động cơ 54

5.3.4 So sánh kết quả của phương pháp đề xuất với phương pháp thông thường (khi idT = iqT) 55

5.3.5 Mô phỏng tốc độ 500 vòng/ phút 58

5.3.5.1 Kết quả mômen, tốc độ và dòng điện hệ trục dq 59

5.3.5.2 Kết quả ước lượng thông số động cơ Ld, Lq và Ri 61

5.3.5.3 So sánh hiệu suất giữa hai phương pháp 62

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 65

6.1 Kết quả đề tài 65

6.2 Kết luận 65

6.3 Hướng phát triển đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 70

Hình 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam [15] 13

Hình 2.2 Mạch tương đương của tấm pin năng lượng mặt trời 14

Hình 2.3 Đặc tính dòng điện – điện áp của pin năng lượng mặt trời [19] 15

Hình 2.4 Đáp ứng của tấm PV và nguyên lý hoạt động thuật toán P&O [19] 18

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O) – MPPT [4] 19

Hình 3.1 Quá trình phát triển của động cơ đồng bộ từ trở [18] 20

Hình 3.2 Giản đồ vector ở chế độ ổn định (không có tổn hao sắt) [9] 25

Hình 3 3 Hệ số công suất của động cơ theo dqLL  và góc pha  [9] 26

Hình 4.1 Mô hình tương đương của SynRM có tính đến tổn hao sắt: a) trục d ; b) trục q [9] 27

Hình 4.2 Giản đồ các dòng điện trong trường hợp có tổn hao sắt [9] 28

Hình 4.3 Điện cảm Ld, Lq phụ thuộc vào ids, iqs (Kết quả FEM) 33

Hình 4.4 Điện trở sắt phụ thuộc vào ids và tốc độ (Kết quả FEM) 33

Hình 4.5 Cấu trúc mạng Neuron dạng MLP để ước lượng thông số Ld, Lq, Ri [9] 34Hình 4.6 So sánh điện cảm Ld giữa các kết quả của FEM và ước tính bằng MLP 35

Hình 4.7 So sánh điện cảm Lq giữa các kết quả của FEM và ước tính bằng MLP 36

Hình 4.8 So sánh điện trở Ri giữa các kết quả của FEM và ước tính bằng MLP 36

Hình 4.9 Điều khiển tối ưu mômen với việc ước lượng thông số bởi MLP [9] 37

Hình 5.1 Lưu đồ mô phỏng kỹ thuật MPPT 39

Hình 5.2 Biểu đồ dòng điện – điện áp của mảng PV ở nhiệt độ 250C và các mức bức xạ [1000 750 500 250 100] W/m2 41

Hình 5.3 Công suất đầu ra của mảng PV ở nhiệt độ 250C và các mức bức xạ 41

Hình 5.4 Mô phỏng ở nhiệt độ 250C và mức bức xạ thay đổi ở 1000 W/m2 44

Hình 5.5 Mô hình tối đa hóa công suất thu được của mảng PV dùng phương pháp P&O của kỹ thuật MPPT 45

Hình 5.6 Dòng điện đầu ra theo kỹ thuật P&O - MPPT ở điều kiện giả định 45

Hình 5.7 Dòng điện của mảng PV ở điều kiện giả định 46

Hình 5.8 Điện áp đầu ra theo P&O - MPPT ở điều kiện giả định 46

Hình 5.9 Điện áp của mảng PV ở điều kiện giả định 46

Hình 5.10 Dòng điện mảng PV so với đầu ra ở điều kiện giả định 47

Hình 5.11 Điện áp của mảng PV so với điện áp đầu ra 47

Hình 5.12 Công suất đầu ra so với công suất của mảng PV 47

Hình 5.13 Công suất đầu ra so với công suất của mảng PV ở t = 1,5(s) đến t = 3,5(s) 48

Hình 5.14 Đầu ra tốc độ của MPPT so với tốc độ định mức của SynRM 48

Hình 5.15 Công suất đầu ra so với tốc độ tương ứng của MPPT 49

Hình 5.16 Lưu đồ điều khiển SynRM ở chế độ MTPA 51

Hình 5.17 Mômen thu được của SynRM ở chế độ MTPA 52

Hình 7.3 Lưu đồ khối IGBT [9] 71

Hình 7.4 Khối chuyển đổi abc sang dq 72

Hình 7.5 Khối chuyển đổi dq sang abc 72

Hình 7.6 Khối động cơ 72

Hình 7.7 Lưu đồ tính toán khối động cơ 73

Hình 7.8 Khối tính toán dòng điện trục dq 73

Hình 7.9 Khối tính toán Mômen 73

Hình 7.10 Lưu đồ khối tính tốc độ quay và góc quay 74

Hình 7.11 Lưu đồ khối tính hiệu suất 74

Hình 7.12 Lưu đồ tính toán dòng tối ưu trục dq 74

Hình 7.13 Khối thuật toán P&O - MPPT 75

Hình 7.14 Khối tín hiệu dao động 75

Hình 7 15 Khối tính toán tốc độ 75

Hình 7.16 Lưu đồ khối boost converter 75

Hình 7.17 Khối pin PV 75

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam [19] 12 Bảng 3.1 So sánh 3 loại động cơ cùng công suất và tốc độ định mức như sau:[32]21 Bảng 5.1 Thông số động cơ đồng bộ từ trở 38Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật tấm pin năng lượng mặt trời 40

va , vb , vc Điện áp pha a,b,c V

ψa , ψb , ψc Từ thông pha a,b,c Wb

P(pθ) Ma trận chuyển đổi Park

RS Điện trở trên mỗi pha phía stator Ω

vds, vqs Điện áp stator trong hệ trục dq V

FPmax Hệ số công suất cực đại

Ri Điện trở liên quan đến tổn hao sắt Ω

IE4 Chuẩn hiệu suất cao IE4 IE2 Chuẩn hiệu suất cao IE2

ANN Artificial Neural Networks MTPA Maximum Torque per Ampere FEA Finite Element Analysis

PV Photovoltaics

MPPT Maximum Power Point Tracker P&O Perturb and Observe

MLP Multilayer Perceptron DE Differential Evolution

Chương I: Giới thiệu động cơ đồng bộ từ trở GVHD: TS Trương Phước Hòa

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ

Chương 1 sẽ tập trung vào phần giới thiệu tổng quan động cơ đồng bộ từ trở (SynRM) Các phương pháp, công trình đã nghiên cứu về động cơ đồng bộ từ trở trong và ngoài nước từ đó đưa ra phương pháp nghiên cứu cho động cơ đồng bộ từ trở và thể hiện rõ phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.1 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

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 – Độ tin cậy cao

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

1.2.2 Nhược điểm

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

– Rung mô-men quay

1.3 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

1.4 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

1.5 Mục tiêu nghiên cứu động cơ từ trở được cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời

1.5.1 Mục tiêu

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

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

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

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

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

2.1.1 Thuận lợi

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/m2, 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, …

2.1.2 Thách thức

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/m2/ngày)

Hiệu quả sử dụng điện

mặt trời Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt Tây Nguyên và Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 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

Hình 2.2 Mạch tương đương của tấm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời hoạt động phụ thuộc vào hai yếu tố tự nhiên sau:

– Đối với bức xạ mặt trời: thành phần liên quan đến bức xạ đó chính là dòng điện của PV tạo ra và chúng tỷ lệ thuận với nhau

– Đối với nhiệt độ môi trường: thành phần liên quan còn lại chính là điện áp của PV và chúng tỷ lệ thuận với nhau Nhiệt độ không ảnh hưởng đến dòng điện tạo ra của PV

2.3 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời

Tấm pin năng lượng mặt trời (PV) có đặc tính dòng điện và điện áp phi tuyến tính phụ thuộc vào nhiệt độ và độ bức xạ chiếu đến PV Hệ thống năng lượng mặt trời có thể ở dạng hoạt động độc lập (off-grid) hoặc nối lưới (on-grid) hoặc dạng hỗn hợp (hybrid) và mảng PV có một điểm duy nhất là có thể tạo ra công suất cực đại tại mỗi thời điểm Do đặc tính của bức xạ mặt trời chiếu đến hệ thống pin quang điện không ổn định tại các thời điểm nắng trong ngày mà thường thay đổi bởi những yếu

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

tố khác như: hiện tượng mây che một phần, mây che toàn phần hay cường độ bức xạ thay đổi theo giờ, theo ngày và theo mùa Dẫn đến việc chuyển hóa quang năng thành điện năng của các tấm PV sẽ bị thay đổi Điện năng của hệ thống PV tạo ra không ổn định dẫn đến động cơ đồng bộ từ trở hoạt động không hiệu quả

Để thấy rõ sự phụ thuộc của hệ thống điện năng lượng mặt trời vào nhiệt độ và bức xạ ta xem đường cong của đặc tính dòng điện – điện áp (IV) bên dưới

Hình 2.3 Đặc tính dòng điện – điện áp của pin năng lượng mặt trời [19]

Hình trên cho thấy các đặc tính dòng điện – điện áp (IV) của một tế bào PV điển hình hoạt động trong điều kiện bình thường với một mức bức xạ nhất định Khi mảng PV hở mạch tức là không được kết nối với bất kỳ tải nào, dòng điện sẽ ở mức tối thiểu (bằng không) và điện áp trên mảng PV ở mức tối đa, được gọi là điện áp hở mạch (VOC) Ngược lại, khi mảng PV bị ngắn mạch tức là hai cực dương và cực âm được kết nối với nhau, điện áp trên PV ở mức cực tiểu (bằng không) nhưng dòng điện sinh ra đạt cực đại, được gọi là dòng ngắn mạch (ISC)

Đường cong đặc tính IV của PV được xác định từ điểm có dòng điện ngắn mạch (ISC) nơi điện áp đầu ra bằng không đến điểm có dòng điện bằng không nơi điện áp hở mạch hoàn toàn (VOC) Nói cách khác, điện áp có giá trị tối đa khi ở trạng thái hở mạch và dòng điện có giá trị cực đại khi ở trạng thái mạch kín Tuy nhiên tại hai điều

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

kiện này đều không tạo ra bất kỳ công suất điện nào, công suất được tạo ra bởi hệ thống PV sẽ nằm trên đường cong và sẽ có một điểm nào đó ở giữa tạo ra công suất cực đại Tuy nhiên, có một sự kết hợp cụ thể giữa dòng điện và điện áp để công suất đạt giá trị lớn nhất là tại Imp và Vmp Đây là "điểm công suất tối đa" hay MPP của hệ thống Điểm công suất cực đại (MPP) của pin mặt trời nằm trên đường cong đặc tính IV Các giá trị tương ứng của Vmp và Imp có thể được ước tính từ điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch: Vmp ≅ (0,8 – 0,90) Voc và Imp ≅ (0,85 – 0,95) Isc Vì điện áp và dòng điện đầu ra của pin mặt trời đều phụ thuộc vào nhiệt độ nên công suất đầu ra thực tế sẽ thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ môi trường

2.4 Kỹ thuật điều khiển công suất cực đại (MPPT) của hệ thống PV

Điều khiển công suất cực đại (MPPT) là một kỹ thuật được sử dụng phổ biến để tối đa hóa việc khai thác điện năng trong mọi điều kiện đối với các hệ thống thu năng lượng thay đổi như điện mặt trời, tuabin gió Về nguyên tắc, MPPT áp dụng chung cho các nguồn có công suất thay đổi, tuy nhiên nó ra đời chủ yếu là từ khai thác năng lượng mặt trời Các hệ thống này tồn tại ở nhiều cấu hình khác nhau liên quan đến mối quan hệ của chúng với hệ thống biến tần, lưới điện, pin sạc lưu trữ điện năng hoặc các tải điện khác Trong hệ thống đó vấn đề trọng tâm mà MPPT giải quyết là hiệu suất chuyển hoá từ pin mặt trời phụ thuộc vào cả lượng ánh sáng mặt trời chiếu đến các tấm pin mặt trời, nhiệt độ của môi trường, hệ thống điều khiển và các đặc tính điện của tải Khi lượng ánh sáng mặt trời và nhiệt độ thay đổi, đặc tính tải mang lại hiệu suất truyền tải điện năng cao nhất sẽ thay đổi, do đó hiệu quả của hệ thống được tối ưu hóa khi đặc tính tải thay đổi để giữ cho việc truyền tải điện năng ở hiệu suất cao nhất Đặc tính tải này được gọi là điểm công suất cực đại và MPPT là quá trình tìm ra điểm này và giữ đặc tính tải ở đó Mục đích của kỹ thuật MPPT là lấy mẫu đầu ra của các tế bào PV và áp dụng tải kháng thích hợp để có được công suất cực đại trong mọi điều kiện môi trường nhất định

Hiệu suất của nguồn PV bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường, nhiệt độ môi trường xung quanh và tải, được kết nối qua các đầu cuối PV Hiệu suất của một tấm pin mặt trời rất thấp Để cải thiện hiệu quả của tấm pin mặt trời, bất chấp sự thay

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

đổi của bức xạ mặt trời, các thuật toán theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) được sử dụng MPPT có đặc tính phi tuyến của mô-đun PV năng lượng mặt trời Nó có một điểm công suất cực đại phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ và nhiệt độ tấm pin Nhiệm vụ chính của MPPT là khai thác công suất đầu ra tối đa từ mô-đun PV trong các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau Cho đến nay, các thuật toán MPPT khác nhau đã được phát triển để tăng hiệu quả của hệ thống PV và đáp ứng tối ưu MPPT Các thuật toán này khác nhau ở các khía cạnh như: tốc độ theo dõi, chi phí và phần cứng cần thiết để triển khai và ứng dụng Nói chung, hầu hết các phương pháp MPPT đã biết như: phương pháp xáo trộn và quan sát (P&O), điện áp hở mạch (FOCV), dòng ngắn mạch (FSCC), gia tăng điện dẫn (INC), mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), logic mờ (FL) và tối ưu bầy đàn (PSO),

Trong số tất cả các thuật toán được đề cập ở trên, trong luận văn này sẽ sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O) để mô phỏng và đánh giá năng lượng thu được của hệ thống vì chúng dễ thực hiện, chi phí thấp và ít thời gian theo dõi MPP

2.3.1 Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O)

Thuật toán P&O thường được áp dụng phổ biến nhất trong điều khiển công suất tối đa MPPT cho hệ thống pin quang điện PV Nó có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, dễ thực hiện, giảm số lượng tham số, khả năng đưa ra các cải tiến và có thể dẫn đến hiệu quả cao nhất [6, 7, 8] Thuật toán này phụ thuộc vào việc nghiên cứu mối quan hệ giữa công suất đầu ra của mô-đun PV và điện áp của nó

Hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời cho biết điểm công suất cực đại MPP và nguyên tắc hoạt động được thể hiện trong Hình 2.4 cho thấy sự thay đổi kết quả của công suất PV được quan sát như sau: khi điểm hoạt động của mô-đun PV nằm ở phía bên trái của đường cong (ΔP / ΔV là dương) có nghĩa là công suất đầu ra của mô-đun PV tăng lên, sự nhiễu loạn của điện áp mô-đun PV phải được tăng về phía MPP Nếu điểm hoạt động của mô-đun nằm ở phía bên phải của đường cong (ΔP / ΔV là âm) thì nhiễu của điện áp mô-đun PV phải được giảm về phía MPP

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 2.4 Đáp ứng của tấm PV và nguyên lý hoạt động thuật toán P&O [19]

Đầu tiên, bộ điều khiển đo điện áp và dòng điện thực tế từ mảng PV Kết quả của điện áp và dòng điện cho ra công suất thực tế của mô-đun PV Sau đó, kiểm tra xem ΔP = 0 hay ΔP ≠ 0 Nếu ΔP = 0 thì điểm hoạt động là ở MPP Nếu ΔP > 0, thì kiểm tra xem ΔV> 0 hay không Nếu thỏa mãn, thì nó chỉ ra rằng điểm hoạt động nằm ở phía bên trái của MPP (ΔP/ΔV > 0) Nếu ΔV < 0 thì nó chỉ ra rằng điểm hoạt động nằm ở phía bên phải của MPP (ΔP/ΔV < 0) Quá trình này liên tục được lặp lại cho đến khi đạt đến điểm cực đại MPP

Thông thường đầu ra của tất cả các thuật toán điều khiển trong MPPT đều cho ra hai tham số chính là dòng điện và điện áp, tích của hai tham số này là công suất của hệ thống Trong luận văn này, nguồn điện tạo ra từ hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ được cấp nguồn cho SynRM và điều khiển tối ưu momen cho động cơ (MTPA) Ở chế độ điều khiển này, tham số tham chiếu để điều khiển chính là tốc độ ωref Do đó, đầu ra của thuật toán P&O sẽ đưa ra tham số này để phục vụ cho việc điều khiển tối ưu mômen cho SynRM Hình 2.5 bên dưới sẽ thể hiện cho việc điều khiển MPPT để tối ưu hóa công suất thu được của hệ thống pin năng lượng mặt trời mà tham số đầu ra chính là tốc độ tham chiếu ωref

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 2.5 Lưu đồ thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O) – MPPT [4]

Trong lưu đồ hình 2.5, đầu tiên sẽ đo điện áp và dòng điện trên các mảng PV ở thời điểm t0 và t1 cách nhau một khoảng thời gian nhất định Tiếp đến sẽ tính toán ∆PPV, ∆VPV tại 2 thời điểm t0 và t1 và tiến hành so sánh ∆PPV với 0 Trường hợp ∆PPV > 0 và ∆VPV < 0 tức là điểm công suất cực đại của hệ thống đang ở chiều dương do đó cần cộng tốc độ thêm 1 khoảng bằng ∆ωr, ngược lại tức ∆VPV > 0 thì trừ tốc độ đi 1 khoảng ∆ωr Trường hợp ∆PPV < 0 và ∆VPV < 0 tức là điểm công suất cực đại của hệ thống đang ở chiều âm do đó cần trừ tốc độ đi 1 khoảng ∆ωr, ngược lại ∆VPV > 0 thì cộng tốc độ thêm 1 khoảng ∆ωr Quá trính này được lặp đi lặp lại cho các khoảng thời gian khác đến khi PPV VPV 0 thì điểm này được xác định là điểm có tốc độ lớn

nhất hay điểm công suất cực đại – MPP

Chương ba sẽ giới thiệu các mô hình toán học dành cho SynRM và các phương trình tính toán tối ưu cho SynRM.

Chương 3: Cấu trúc và mô hình hóa GVHD: TS Trương Phước Hòa của động cơ đồng bộ từ trở

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC VÀ MÔ HÌNH HÓA CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ

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