Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải thuật MPPT cho hệ thống máy phát điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

TỔNG QUAN

Từ xa xưa, người ta đã biết sử dụng năng lượng gió được tại các trang trại để xay ngũ cốc hoặc bơm nước dưới dạng cối xay gió Nguyên tắc là chuyển đổi động năng từ gió sang năng lượng cơ học Nguyên tắc này được áp dụng cho năng lượng gió trong hệ thống điện Một tua-bin gió thu được động năng từ không khí đang chảy và thay đổi nó thành năng lượng cơ học Một máy phát điện được lắp đặt trong tua-bin gió chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Như trong hình 2.1, động năng của gió làm

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 6 quay các cánh quạt của tua-bin gió Điều này dẫn đến việc quay vòng trục của máy phát điện, máy phát chuyển đổi năng lượng cơ học từ trục quay sang năng lượng điện Ghép trục tốc độ thấp của các cánh quạt với trục tốc độ cao của máy phát bằng hộp số Trong một số trường hợp, hộp số là không mong muốn vì chúng đắt tiền, cồng kềnh và nặng Một máy phát đa cực là một cách khác của một hệ thống không hộp số Cáp điện truyền năng lượng điện đến máy biến áp Máy biến áp tăng điện áp thấp của máy phát đến mức phân phối hoặc truyền tải của hệ thống điện được kết nối Điện áp từ máy phát thường ở mức vài trăm volt Điện áp đầu ra tối đa của các tua-bin gió là 690 Volts.

HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

2.2.1 Tua-bin gió: Để hiểu đầy đủ về năng lượng gió, điều quan trọng là phải tìm hiểu về tua-bin gió Tua bin gió có thể được phân loại theo trục quay: trục dọc và trục ngang Hình 2.2 cho thấy ba loại tua-bin gió thẳng đứng Tua bin gió thẳng đứng phù hợp cho các ứng dụng

Hình 2.1 Mô hình s ả n xu ấ t đ i ệ n gió

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 7 năng lượng thấp Hiệu suất năng lượng được giới hạn ở 25% [8] Ưu điểm của tua-bin gió thẳng đứng là máy phát và máy biến áp có thể được đặt trên mặt đất gần các cánh quạt Điều này dẫn đến chi phí lắp đặt và bảo trì thấp a Tua-bin Darrieus b Tua-bin Savonius c Tua-bin H – Rotor

Hình 2.2 Các lo ạ i tua-bin gió

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 8

Loại tua-bin gió phổ biến hơn, như trong hình 2.3, là tua-bin gió nằm ngang Tương tự như các tua-bin gió thẳng đứng, các tua-bin gió nằm ngang có thể được chế tạo với hai hoặc ba cánh quạt Ngoài các bộ phận được giới thiệu ở phần trên, tua-bin gió có hệ thống điều khiển kiểm soát tốc độ của cánh quạt Máy đo gió đo tốc độ gió và truyền dữ liệu đến bộ điều khiển Góc nghiêng của các cánh quạt được điều khiển bởi bộ điều khiển để đạt được công suất gió tối đa và để hạn chế công suất cơ học trong trường hợp gió mạnh Các cánh quạt được cắt để giảm góc tấn công từ gió khi đạt được công suất định mức Một motor điều khiển góc yaw để turbine quay theo hướng gió được xác định bằng cánh chỉ hướng gió Đối với tua-bin gió cỡ nhỏ và vừa, ngoài điều khiển góc pitch, công suất tối đa từ gió có thể bị hạn chế bởi điều khiển thất tốc thụ động Trái ngược với điều khiển góc pitch, điều khiển thất tốc thụ động có góc pitch cố định Đối với các tua-bin gió cỡ lớn hơn 1MW, điều khiển thất tốc sử dụng là dạng chủ động, ngoài điều khiển góc pitch, công suất tối đa từ gió có thể bị hạn chế bởi điều khiển thất tốc thụ động

Hình 2.3 Tua-bin gió tr ụ c ngang

Tua bin gió có thể được phân biệt thành 2 loại, tua bin gió tốc độ cố định và tốc độ thay đổi Tua bin gió tốc độ cố định được kết nối trực tiếp với lưới điện và hoạt động với tốc độ đồng bộ của tần số góc của lưới bất kể tốc độ gió Các dao động trong gió tạo ra các ứng suất cơ học cho máy phát Hơn nữa, vì hệ thống tạo gió được kết nối trực tiếp với lưới điện, nên các dao động của gió sẽ ảnh hưởng đến phía lưới điện Các tua-bin gió tốc độ thay đổi hoạt động theo một cách ngược lại Tốc độ của máy phát được thay đổi theo tốc độ gió giải quyết vấn đề của ứng suất cơ học Kết quả là điện áp đầu ra của máy phát có biên độ và tần số thay đổi Do đó phải có một bộ biến đổi công suất kết nối lưới để chuyển đổi điện áp và tần số thay đổi của các tua-bin gió thành tần số đồng bộ của lưới cung cấp Kết nối gián tiếp máy phát thông qua bộ biến đổi giúp giảm các vấn đề gây ra từ các ứng suất cơ học lên lưới điện

Giống như các chất khác, không khí chuyển động gây ra từ sự biến đổi của áp suất và nhiệt độ, không khí chuyển động có động năng Mối quan hệ của động năng E, của khối không khí m (kg), với vận tốc vw được biểu thị bằng (2.1)

Công suất tức thời của gió thổi qua một khu vực diện tích Av có thể được biểu thị bằng (2.2):

Trong đó 𝜌 là mật độ khối không khí đang thổi

Trong hệ thống tua-bin gió có tốc độ thay đổi, các cánh quạt quay tự do theo tốc độ và hướng của gió Công suất khai thác từ gió phụ thuộc vào hệ số công suất rotor (Cp) thu được năng lượng gió Điều này dựa trên thực tế là tốc độ của gió sau khi thổi qua các cánh quạt không thể chỉ còn vận tốc bằng không dẫn đến hiệu suất nhỏ hơn 1 Điều này không liên quan gì đến hiệu suất của máy phát Tham khảo định luật Betz, công suất cơ học được bắt bởi tua-bin gió phụ thuộc vào hệ số công suất rô-to của tua-bin Cp như (2.3):

Hệ suất công suất rotor của tua-bin Cp là một hàm số tỉ lệ tốc độ đầu cánh λ và góc nghiêng của cánh β Phương trình 2.4 và 2.5 biểu thị mối quan hệ của Cp và λ β, với biểu đồ được minh họa trong hình 2.4

Hệ số công suất tối đa của rotor, bất kể cấu hình là 0,593 [9] Sau khi thổi qua các cánh quạt, gió xuôi dòng có tốc độ và năng lượng thấp hơn Do đó, các tua-bin gió trong một trang trại gió ảnh hưởng lẫn nhau Tua bin gió, thường được đặt cách 10 aba lần so với bán kính cánh quạt của chúng để tránh hiệu ứng wake [10] Nếu tỉ lệ tốc độ đầu cánh nhỏ hơn 3, hiệu ứng Wake sẽ làm giảm hệ số công suất rotor tối đa hơn nữa [9] Tỉ lệ tốc độ đầu cánh có thể được tính từ (2.6):

Trong đó ωb là tốc độ góc của rotor (rad/s) và R là bán kính của cánh quạt (m)

Một lợi thế chính của năng lượng gió là nhiều tua-bin gió có thể được tổng hợp để tạo ra công suất cao Một trang trại gió hoặc công viên gió bao gồm hàng chục hoặc lên đến vài trăm tua-bin gió và có thể lắp đặt trên bờ và ngoài khơi Trang trại gió ngoài khơi tạo ra năng lượng ổn định hơn trang trại gió trên bờ vì tốc độ gió cao hơn và ổn định hơn Hình 2.5 cho thấy một trang trại gió trên bờ và ngoài khơi Hơn nữa, năng lượng gió có thể là một hệ thống lưới kết hoặc độc lập Ở một vùng xa xôi, một nhóm các tua-bin gió nhỏ cung cấp năng lượng điện cho các hộ gia đình hoặc các tòa nhà kinh doanh tách biệt với lưới điện Mặc dù chi phí lắp đặt ban đầu cao, nhưng nó đáng để đầu tư cho các đơn vị năng lượng điện tự tạo trọn đời

Như được mô tả trong phần trước, các tua-bin gió tốc độ thay đổi giảm thiểu các vấn đề của ứng suất cơ học Do các đầu ra độ lớn và tần số thay đổi của các tua-bin gió tốc độ thay đổi, phải có thiết bị điện tử công suất kết lưới để tách rời các đầu ra của các tua-bin gió và lưới điện Hơn nữa, các cánh quạt của tua-bin gió quay theo tốc độ gió trong khu vực lân cận của chúng Vì tốc độ gió là khác nhau ở mỗi vị trí của một trang trại gió, mỗi tua-bin gió đều quay với tốc độ khác nhau, do đó, mỗi tua-bin gió cần có các bộ điện tử công suất khác nhau

Hình 2.6 minh họa một kết nối thành nhóm và kết nối riêng lẻ của một trang trại gió Kết nối thành nhóm loại bỏ khái niệm tốc độ thay đổi vì tất cả các tua-bin gió được kết nối với một bộ chuyển đổi AC/DC Do đó chúng phải hoạt động với cùng tốc độ Ngược lại, kết nối riêng lẻ có xem xét khái niệm tốc độ khác nhau giữa các tua-bin Hơn nữa, loại kết nối này cung cấp độ tin cậy cho hệ thống điện vì chỉ có một bộ chuyển trung tâm có vai trò quan trọng nhất, đó là bộ chuyển đổi phía lưới Khi một trong các bộ chuyển đổi phía máy phát không hoạt động, các tua-bin gió khác có thể cung cấp năng lượng Đối với kết nối thành nhóm, cả hai bộ chuyển đổi có vai trò quan trọng như nhau Một lỗi trong một trong hai bộ chuyển đổi dẫn đến ngừng cung cấp điện của trang trại gió

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 12 a Cánh đồng gió trên bờ b Cánh đồng gió trên biển

Hình 2.5 Cánh đồ ng gió trên b ờ và trên bi ể n

Một máy phát điện có chức năng chuyển đổi năng lượng cơ trên trục thành năng lượng điện trên các bộ dây quấn đầu ra Về cơ bản có hai loại máy phát điện: DC và AC Máy phát điện một chiều không được ưa chuộng cho tua-bin gió vì yêu cầu chi phí bảo trì cao do hệ thống chổi than và cổ góp và nó cũng yêu cầu bộ biến tần DC-AC Máy phát điện xoay chiều, chủ yếu có hai loại: Không đồng bộ (cảm ứng) và đồng bộ Trong phần này của đề tài mô tả ngắn gọn các máy phát điện được sử dụng trong tua- bin gió để thấy ưu điểm và nhược điểm của chúng

Máy phát không đồng bộ:

Máy phát điện không đồng bộ còn được gọi là máy phát điện cảm ứng Loại máy phát này tạo ra năng lượng điện khi rotor quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ Tốc độ đồng bộ a Kết nối nhóm b Kết nối riêng lẻ

Hình 2.6 K ế t n ố i các tua-bin gió

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 14 là tốc độ quay của từ trường trên stator Vì tốc độ của rotor không bao giờ bằng với tốc độ đồng bộ, do đó nó được gọi là không đồng bộ Ở đây, một nguồn điện riêng biệt cần cung cấp dòng điện bên ngoài tạo ra dòng từ hóa dẫn đến dòng điện vào rotor và sự tương tác của chúng tạo ra điện áp ở stator Dòng điện kích thích có cường độ và tần số được xác định bởi hệ thống điều khiển vòng kín Một hệ thống điều khiển vòng kín thay đổi dòng kích thích và tần số của nó để có thể cung cấp điện áp không đổi cho máy phát bất kể sự thay đổi của tốc độ và dòng tải Hình 2.11 cho thấy một mặt cắt ngang của một cảm ứng được tạo ra có rotor kiểu lồng sóc Thông thường, máy phát điện cảm ứng có ba loại - A) Máy phát điện cảm ứng 2 cuộn dây (DFIG), B) Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG), C) Máy phát điện lồng sóc (SCIG)

Một máy đồng bộ ba pha bao gồm một xi lanh quay được gọi là rotor và vỏ cố định được gọi là stator, rotor ở bên trong và stator ở bên ngoài (hình 2.8a), một trục quay và ổ trục giúp rotor quay Một máy phát đồng bộ ba pha đòi hỏi ba cuộn dây stator giống hệt nhau, các cuộn dây này được đặt trong các khe stator Đây gọi là cuộn dây phần

Hình 2.7 Máy phát không đồ ng b ộ

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 15 a Mặt cắt ngang của máy phát đồng bộ b Rotor dây quấn và kích từ

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CƠ

Hệ thống cơ khí trên hệ thống điện gió bao gồm tất cả các bộ phận quay của hệ thống gió từ trung tâm cánh quạt đến rotor của máy phát Trong công nghệ nhà máy điện thông thường, hai yêu cầu của điều khiển cần được đáp ứng: Cân bằng nguồn điện đầu vào máy phát với lượng điện cần thiết theo cho tải; Thứ hai là phù hợp với các mức tốc độ của nguồn động lực chính với tốc độ của máy phát Tuy nhiên, trong các hệ thống điện gió, điều khiển hệ thống cơ học không đáp ứng cả hai yêu cầu này Việc sản xuất điện phụ thuộc vào nguồn gió có sẵn mà không thể kiểm soát được Hơn nữa, tốc độ gió khác xa tốc độ định mức của các máy phát thông thường Các phương pháp điều khiển sở hữu những ưu điểm và nhược điểm cụ thể riêng, chẳng hạn như hiệu suất khí động học và năng động, khả năng kiểm soát, độ tin cậy, bảo trì, …

2.3.1 Tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi:

Trong các hệ thống gió tốc độ cố định (hình 2.13a), tốc độ cánh quạt được xác định bởi tần số lưới và biến thiên của nó được giới hạn trong khoảng ± 1% tốc độ định mức Thông thường, các hệ thống gió tốc độ cố định được thiết kế sao cho nó có tốc độ gió tối ưu bằng tốc độ gió trung bình của vị trí đặt turbine gió Không có bất kỳ công cụ nào để kiểm soát năng lượng và lợi thế là sự hoạt động đơn giản Nhược điểm là hiệu suất của hệ thống năng lượng gió thấp trong các điều kiện gió khác tốc độ gió trung bình và ảnh hưởng ứng sức cơ nghiêm trọng Vì không có phương pháp kiểm soát nào được thực hiện, bất kỳ biến động nào của lưới điện, tức là nhiễu trong lưới điện hoặc nhiễu trong gió, được truyền qua hệ thống mà không có bất bộ phận lọc nào Điều này làm giảm chất lượng điện năng được cung cấp cho lưới điện và cũng gây ra ứng suất cơ học trên rotor tua-bin gió Nếu hệ thống điện yếu thì sẽ rất nhạy cảm với việc chất lượng điện năng thấp được cung cấp bởi các hệ thống gió như vậy Hiệu suất của máy điện thay đổi theo các điều kiện tải điện khác nhau

Trong các hệ thống tốc độ gió thay đổi (hình 2.13b), bộ biến đổi điện tử công suất có thể chấp nhận tốc độ rotor và tần số lưới khác nhau Do đó, có thể thay đổi tốc độ rotor độc lập với tần số lưới Do đó, sự thay đổi trong công suất đầu vào sẽ dẫn đến sự thay đổi tốc độ cánh quạt Công suất đầu ra từ hệ thống gió sẽ thấp hơn một chút so với công suất đầu vào, điều này dẫn đến công suất truyền ổn định và trơn tru hơn cho lưới điện Chất lượng điện của các hệ thống năng lượng gió này tốt hơn nhiều so với các đối tác tốc độ cố định của chúng Hơn nữa, chúng có tiếng nhiễu thấp hơn trong điều kiện gió thấp Trong các hệ thống tốc độ thay đổi, tua-bin gió được vận hành trong phạm vi tốc độ rộng hơn, giữ tỉ lệ tốc độ đầu cánh ở mức tối ưu Ưu điểm là thu năng lượng cao hơn, tuy nhiên, nhược điểm là phương pháp điều khiển phức tạp hơn a WEC tốc độ cố định b WEC tốc độ thay đổi

2.3.2 Truyền động hộp số hoặc trực tiếp:

Hệ thống năng lượng gió có thể được phân biệt dựa trên việc chúng có bao gồm hộp số hay không (hình 2.14) Cánh quạt gió có khả năng quay với tốc độ hàng chục vòng/phút Tuy nhiên, các máy điện thông thường chạy ở tốc độ cao hơn nhiều, ví dụ: hàng trăm vòng quay mỗi phút (vòng/phút) Vai trò của hộp số là chuyển năng lượng cơ học từ tốc độ thấp sang tốc độ cao, một hộp số tăng lên được sử dụng Việc triển khai hộp số có những nhược điểm riêng, ví dụ: bảo trì, lắp đặt phức tạp, chi phí thiết bị, tiếng ồn Hộp số là một trong những lý do gây ra tiếng ồn trong hệ thống năng lượng gió Các tổn thất trong hộp số tương đương với tổn thất trong máy điện Hệ thống gió được thiết kế mới thường được điều chỉnh cho hoạt động không có bánh răng Giải pháp này đã trở nên đáng tin cậy, hiệu quả hơn và ít ồn hơn Nhược điểm chính là cần một máy phát được thiết kế đặc biệt có xu hướng to hơn

Hình 2.18 Truy ề n độ ng tr ự c ti ế p và h ộ p s ố

Do khả năng sử dụng các bộ chuyển đổi điện tử công suất, hệ thống không có hộp số, hay nói cách khác, các hệ thống điều khiển trực tiếp có thể phù hợp với các ứng dụng tốc độ thay đổi Bộ chuyển đổi cung cấp khả năng vận hành máy phát điện ở tốc độ thấp Mặc dù các bộ chuyển đổi là nguồn gốc của tổn thất, khả năng điều khiển linh hoạt là một lợi thế rất lớn so với hệ thống sử dụng hộp số

MÁY PHÁT PMSG VÀ GIẢI THUẬT MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

MÔ HÌNH TOÁN MÁY ĐIỆN PMSG

Như đã trình bày ở các phần trước, đề tài sử dụng máy phát đồng bộ từ trường nam châm vĩnh cửu (PMSG) bởi vì các ưu điểm của loại máy phát này bao gồm: hiệu suất cao, tổn thất thấp, kích thước nhỏ hơn, ít bảo trì bảo dưỡng, độ tin cậy cao và khả năng vận hành không cần sử dụng hộp số Đặc điểm chính để phân biệt PMSG với các loại máy điện khác là từ thông rotor được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu thay vì tạo ra từ một nguồn điện bên ngoài khác như trong các máy DC và máy đồng bộ Vì vậy, không phát sinh tổn thất đồng rotor Một tính năng chính của kiểu máy phát này là có thể được thiết kế với số cực từ cao hơn để cho phép vận hành không cần hộp số Giúp hệ thống vận hành tin cậy hơn và giá thành giảm

Các thông số của máy phát ảnh hưởng rất lớn đến trạng thay ổn định và quá độ của hệ thống, vì vậy hiểu rõ mô hình máy phát và biết chính xác các thông sô sẽ giúp ích rất nhiều trong việc thiết kế mạch điều khiển, dự đoán hiệu suất, đáp ứng của moment, khả năng suy yếu từ trường, … để đạt được hiệu suất và hiệu quả mong muốn Trong một máy phát đồng bộ, các thông số được sử dụng để điều khiển là từ thông liên kết (λM), điện cảm trục d (Ld) và điện cảm trục q (Lq) Từ thông liên kết có thể được xác định dễ dàng dựa vào điện áp hở mạch của máy phát Hai thông số điện cảm thì xác định phức tạp hơn bởi vì các thông số này liên quan đến bão hòa và sự ghép tương hỗ lẫn nhau giữa các cuộn dây stator Có nhiều phương pháp để xác định các hệ số này, như phương pháp phân tích, phương pháp phần tử hữu hạn (finite element methods) và các phép đo bằng thực nghiệm Tuy nhiên, luận văn không phân tích chi tiết vào các phương pháp xác định mô hình của máy phát PMSG mà luận văn chỉ sử dụng mô hình bằng phương pháp dễ dàng tiếp cận nhất để sử dụng cho việc điều khiển MPPT

Trước khi phát triển mô hình toán học của PMSG, một số giả định quan trọng cần được thực hiện: (1) hiệu ứng “damping effect” trong nam châm và trong rotor là không đáng kể; (2) các hiệu ứng bão hòa từ bị bỏ qua; (3) tổn thất dòng điện xoáy và độ trễ bị bỏ qua; (4) suất điện động cảm ứng (EMF) gây ra trong cuộn dây stator có dạng hình

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 26 sin; (5) để đơn giản, tất cả các phương trình của PMSG được biểu thị bằng ký hiệu động cơ, nghĩa là dòng điện âm sẽ là trường hợp máy phát

Hình 3.1 cho thấy mặt cắt ngang của PMSG ba pha, hai cực Các trục abc cố định biểu thị hướng của MMF (fa, fb và fc), của cuộn dây pha a, b và c, được tạo ra bởi dòng điện xoay chiều ba pha thay đổi theo thời gian trong các cuộn dây pha stator này Từ thông gây ra bởi nam châm vĩnh cửu là theo hướng của trục d cố định tại rotor Ở đây, các trục dq đang quay với cùng tốc độ góc của PM và rotor, trong đó θr là góc giữa trục từ thông rotor d và trục cố định Mối quan hệ giữa các điện áp abc của PMSG với dòng điện pha và từ thông liên kết có thể được viết như sau (3.1):

Trong đó vas, vbs và vcs là các điện áp tức thời ba pha a, b và c trên dây quấn stator, và ias, ibs và ics là các dòng điện tức thời tương ứng, Rs là điện trở cuộn dây stator trên mỗi

Hình 3.1 M ặ t c ắ t tr ụ c máy phát PMSG

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 27 pha Các từ thông liên kết tức thời được tạo có thể được biểu thị dưới dạng mở rộng như sau (3.2):

(3.2) trong đó Laa Lbb và Lcc độ tự cảm của ba pha a, b và c, và các Lab Lac Lcb Lcb Lca Lac và điện cảm tương ghép (hỗ cảm) các cuộn cảm lẫn nhau giữa các pha, trong khi λr là từ liên kết thông rotor gây ra bởi nam châm vĩnh cửu Các giá trị tự cảm và hỗ cảm là là hàm số theo θr, vì vậy, tất cả các điện cảm này là các tham số khác nhau theo thời gian

Sự biến đổi của Park’s dq0 là một phép biến đổi toán học nhằm đơn giản hóa việc phân tích các mô hình máy đồng bộ, và được R H Park giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1929 [42] Trong các hệ thống ba pha như PMSG, đại lượng pha bao gồm điện áp stator, dòng điện stator và từ thông liên kết là các đại lượng thay đổi theo thời gian Bằng cách áp dụng phép biến đổi của Park, về bản chất là phép chiếu các đại lượng pha lên khung tham chiếu hai trục quay, các đại lượng AC được chuyển thành các đại lượng DC không phụ thuộc vào thời gian Phép biến đổi abc thành dq0 có thể được biểu thị dưới dạng ma trận như sau:

Chuyển đổi Park’s ngược như (3.4):

⎡ cos(𝜃 ) −sin(𝜃 ) √ cos(𝜃 − ) −sin(𝜃 − ) √ cos(𝜃 + ) −sin(𝜃 + ) √ ⎦⎥⎥⎥⎤ 𝑢

Trong các biểu thức (3.3) và (3.4), uabc và udq0 có thể đại diện cho điện áp của stator, dòng điện stator hoặc từ thông liên kết của các máy AC, tương ứng Xem xét rằng

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 28 trong các điều kiện cân bằng, u0 = 0, hàm điện áp của PMSG trong khung tham chiếu trục dq có thể được biểu thị như sau [11]:

Trong đó, vdsvà vqs, là các điện áp stator tức thời trong khung tham chiếu trục dq và, ids và iqs, là dòng điện stator tức thời trong khung tham chiếu trục dq Ở đây, Ld và Lq, là các điện cảm trục d và trục q, và ωe là tốc độ góc điện của rotor, trong khi, λr là từ thông liên kết pha cực đại do các PMs gắn trên rotor Theo các biểu thức (3.5) và (3.6), các mạch tương đương của PMSG trong khung tham chiếu trục dq có thể được vẽ như trong Hình 3.2 Đối với bất kỳ PMSG nào, công suất đầu vào nguồn điện có thể được thể hiện trong tham chiếu abc như sau:

Như một phần của công suất đầu vào, trong chế độ động cơ, công suất hoạt động là công suất được chuyển đổi thành cơ năng bằng máy, có thể được biểu thị như sau:

Hình 3.3 M ạ ch t ươ ng đươ ng PMSG trên khung dq0

𝑒 = 𝜔 𝐿 𝑖 + 𝜔 𝜆 = 𝜔 𝜆 (3.11) Ở đây, ed và eq, là các EMF trong khung tham chiếu dq0 và λd λq là các từ thông liên kết trục dq0 Thay thế các biểu thức (3.10) và (3.11) vào (3.9), công suất hoạt động có thể được biểu thị lại như sau:

Do đó, mô-men điện từ có thể được suy ra như sau:

ĐIỀU KHIỂN MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG 29 3.3 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BOOST

Từ những phân tích ở chương 2, có thể thấy rằng năng lượng được gió trích ra tỉ lệ thuận với khối lập phương của tốc độ gió, phương trình (2.2) Vì vậy, ở tốc độ gió cao hơn, công suất trong tua-bin gió cao Ngoài ra, vì công suất tỉ lệ thuận với diện tích quét của rotor, và do đó với bình phương đường kính, nhân đôi đường kính rotor sẽ tăng gấp bốn lần công suất thu được Mật độ không khí cũng đóng một vai trò trong lượng năng lượng cơ học có sẵn của tua-bin; mật độ không khí thấp hơn (ví dụ không khí ấm) dẫn đến năng lượng ít hơn trong gió Hàm hệ số công suất, Cp, phụ thuộc vào hai yếu tố: i) tỉ lệ tốc độ đầu cánh (λ) và ii) góc cao độ (β) như trong Hình 2.4 Mối quan hệ này thường được cung cấp bởi nhà sản xuất tua-bin gió vì nó đặc trưng cho hiệu suất của tua-bin gió

Tỉ lệ tốc độ đầu cánh λ đã được chỉ ra ở phương trình (2.6) là tỉ lệ giữa tốc độ góc của tua bin và tốc độ gió Góc nghiêng, β (góc pitch) là góc mà các cánh tua-bin được căn

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 30 chỉnh theo trục dọc của nó Góc nghiêng của các cánh quạt có thể được điều khiển theo cách mà có thể thu được năng lượng cơ học tối đa từ gió Ví dụ: nếu tốc độ gió vượt quá tốc độ gió định mức của hệ thống, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh góc cánh quạt sao cho cánh tua-bin ít ảnh hưởng của gió nhất, và khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, các cánh quạt được đưa trở lại vị trí đón gió Cơ chế này được thực hiện bằng các hệ thống thủy lực Trong các hệ thống mà β không được điều khiển, hàm Cp cho các tua-bin gió đó chỉ phụ thuộc vào tỉ lệ tốc độ đầu cánh λ Do mật độ không khí và diện tích quét rotor có thể được coi là không đổi, nên các đường cong công suất cho mỗi tốc độ gió chỉ bị ảnh hưởng bởi đường cong Cp (như hình 2.4), một đặt tuyến công suất cơ thu được theo tốc độ quay của tua-bin ở các tốc độ gió khác nhau được vẽ ra ở hình 3.3

Năng lượng gió mặc dù dồi dào nhưng thay đổi liên tục khi tốc độ gió thay đổi trong suốt cả ngày Lượng điện từ hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) thu được phụ thuộc vào độ chính xác mà các điểm công suất cực đại được theo dõi bởi bộ điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) của hệ thống điều khiển WECS bất kể

Hình 3.5 Đặ t tuy ế n Công su ấ t, t ố c độ

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 31 loại máy phát được sử dụng Từ Hình 3.3, có thể lưu ý rằng với mỗi tốc độ gió, có một tốc độ rotor duy nhất mà đường cong công suất đạt được mức tối đa Một sự thay đổi nhỏ trong tốc độ cánh quạt sẽ thay đổi mạnh mẽ công suất, tua bin thường không hoạt động ở tốc độ tua-bin tối ưu cho bất kỳ tốc độ gió nhất định do ảnh hưởng của tải và dao động tốc độ gió Do đó, một tỉ lệ lớn năng lượng gió bị lãng phí

Các thuật toán MPPT được thực hiện để tăng hiệu suất của hệ thống và làm tăng hiệu quả về chi phí Tốc độ cánh quạt giống nhau cho tốc độ gió khác nhau sẽ cung cấp công suất khác nhau do hàm Cp Cp max cho một tua-bin gió có độ dốc cố định tương ứng với một giá trị TSR cụ thể Bởi vì TSR là tỉ lệ của tốc độ gió và tốc độ quay góc của tua-bin, tốc độ tối ưu cho công suất thu được tối đa là khác nhau cho mỗi tốc độ gió nhưng giá trị TSR tối ưu vẫn là một giá trị không đổi Các hệ thống tua-bin gió tốc độ cố định sẽ chỉ hoạt động ở điểm tối ưu cho một tốc độ gió [12]

Vì vậy, để tối đa hóa lượng điện năng thu được từ tua-bin, các hệ thống tua-bin gió tốc độ thay đổi được sử dụng vì chúng cho phép biến đổi tốc độ tua-bin [13] Các giải thuật đánh giá các điều kiện gió và sau đó buộc hệ thống điều chỉnh tốc độ quay của tua bin thông qua điều khiển điện tử công suất và các thiết bị cơ khí để tua-bin hoạt động với hiệu suất khí động học cao nhất Thách thức chính của hệ thống năng lượng gió là có thể thu được càng nhiều năng lượng càng tốt từ gió trong thời gian ngắn nhất Mục tiêu này có thể đạt được thông qua các cấu trúc biến đổi công suất khác nhau và thuật toán theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT)

Các thuật toán khai thác năng lượng tối đa được nghiên cứu cho đến nay có thể được phân thành ba phương pháp điều khiển chính là điều khiển tỉ lệ tốc độ đầu cánh (TSR), điều khiển phản hồi tín hiệu điện (PSF) và điều khiển tìm kiếm leo đồi (HCS) Trong số các thuật toán MPPT khác nhau được nghiên cứu, phương pháp tìm kiếm leo đồi (HCS) (hình 3.4) có nhiều ưu điểm như độc lập với thông số hệ thống, tức là HCS không yêu cầu bất kỳ thông tin nào trước đó về các đặc điểm của hệ thống, tua-bin và máy phát Đồng thời, HCS đơn giản, dễ dàng thực hiện trên nền vi xử lý số hoặc tương tự Do đó, HCS là lựa chọn lý tưởng cho MPPT Tuy nhiên, HCS có một vài khuyết điểm nghiêm trọng như độ dao động và tốc độ xác lập, hay định hướng sai khi gió thay đổi nhanh

Phương pháp điều khiển TSR điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để duy trì TSR đến giá trị tối ưu mà tại đó công suất được trích ra là tối đa Phương pháp này đòi hỏi cả tốc độ gió và tốc độ tua-bin phải được đo hoặc ước tính ngoài việc đòi hỏi kiến thức về TSR tối ưu của tua-bin để hệ thống có thể trích xuất công suất tối đa có thể Hình 3.5 cho thấy sơ đồ khối của WECS với điều khiển TSR

Trong điều khiển PSF, cần phải có kiến thức về đường cong công suất tối đa của Tua bin gió và theo dõi đường cong này thông qua các cơ chế điều khiển của nó Các đường cong công suất tối đa cần phải đạt được thông qua các mô phỏng hoặc thử nghiệm ngoại tuyến trên các tua-bin gió riêng lẻ Trong phương pháp này, công suất

Hình 3.9 Đ i ề u khi ể n TSR trong WECS

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 33 tham chiếu được tạo ra bằng cách sử dụng đường cong công suất tối đa được ghi lại hoặc sử dụng phương trình công suất cơ học của tua-bin gió trong đó tốc độ gió hoặc tốc độ rotor được sử dụng làm đầu vào Hình 3.5 cho thấy sơ đồ khối của WECS với bộ điều khiển PSF để khai thác năng lượng tối đa

3.3 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BOOST:

Cấu hình trong đề tài sử dụng máy phát PMSG cung cấp điện áp xoay chiều được chuyển đổi thành nguồn DC thông qua bộ chỉnh lưu diode và nó được tăng áp bởi mạch chopper dạng boost (hình 3.7) Trong phần này, lý thuyết hoạt động của mạch tăng áp được phân tích Máy phát và mạch chỉnh lưu được đơn giản thành nguồn điện một chiều để dễ phân tíc, biến tần và lưới được mô hình hóa như một điện trở tải kết nối với DC link Cấu hình mạch của bộ tăng tốc được hiển thị trong Hình 3.7 Năng

Hình 3.11 Đ i ề u khi ể n PSF trong WECS

Hình 3.13 B ộ bi ế n đổ i DC DC BOOST

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 34 lượng được lưu trữ trong Ldc, khi khóa S bật trong thời gian ton và năng lượng được chuyển sang Cdc, khi khóa S tắt trong thời gian tới toff Do đó chúng ta có biểu thức (3.19)

Với D gọi là chu kỳ nhiệm vụ

Có thể giả định rằng mạch tăng áp và điện trở tải RL, được phản ánh dưới dạng điện trở thay đổi thay đổi theo tỉ lệ chu kỳ nhiệm vụ D, theo điểm của nguồn điện áp DC Biến trở Rdc1 được định nghĩa là:

Bỏ qua tổn thất trong mạch, ta có được:

Chia 2 về (3.20) cho (3.25) ta được:

Từ phương trình (3.27) ta có thể nhận thấy rằng, bộ biến đổi boost có thể điều chỉnh tổng trở tải từ phía bộ chỉnh lưu đầu ra máy phát về phía tải bằng cách thay đổi độ rộng xung D, từ có điều chỉnh được công suất phát ra tải, tương đương việc điều khiển moment điện, để điều khiển tốc độ máy phát

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG

ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG [14]

Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng được ưa chuộng trong việc phát triển các thiết kế mới vì hiệu suất cao hơn, mật độ năng lượng cao, sẵn có vật liệu nam châm vĩnh cửu năng lượng cao với giá cả hợp lý và khả năng đường kính tua-bin nhỏ hơn trong các ứng dụng truyền động trực tiếp Hiện nay, rất nhiều nỗ lực nghiên cứu hướng tới việc thiết kế WECS đáng tin cậy, có độ hao mòn thấp, nhỏ gọn, hiệu quả, có độ ồn và chi phí bảo trì thấp; WECS như vậy là có thể thực hiện được dưới dạng một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió PMSG truyền động trực tiếp

Có ba cấu hình thường được sử dụng cho WECS với các máy này để chuyển đổi điện áp biến tần và công suất tần số thay đổi thành tần số cố định và công suất điện áp cố định Các cấu hình bộ chuyển đổi điện tử công suất được sử dụng phổ biến nhất cho PMSG WECS được hiển thị trong Hình 4.1

Tùy thuộc vào cấu hình bộ chuyển đổi điện tử công suất được sử dụng với PMSG WECS cụ thể, bộ điều khiển MPPT phù hợp được phát triển để điều khiển Như đã trình bày ở chương trước, có ba phương pháp của thuật toán điều khiển MPPT được tìm thấy sẽ được sử dụng để kiểm soát PMSG WECS

4.1.1 Điều khiển tỉ số đầu cánh (TSR):

Kiểm soát TSR dựa trên ước tính tốc độ gió được đề xuất trong [3] để theo dõi các điểm công suất cực đại Tốc độ gió được ước tính bằng cách sử dụng các mạng thần

Hình 4.1 H ệ th ố ng chuy ể n đổ i n ă ng l ượ ng gió PMSG

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 37 kinh, và hơn nữa, bằng cách sử dụng tốc độ gió ước tính và kiến thức về TSR tối ưu, tín hiệu điều khiển tốc độ cánh quạt tối ưu được đưa ra Tín hiệu tốc độ tối ưu được tạo được áp dụng cho vòng điều khiển tốc độ của hệ thống điều khiển WECS Bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ rotor thực tế đến giá trị mong muốn bằng cách thay đổi tỉ lệ chuyển đổi của biến tần PWM Mục tiêu điều khiển của biến tần là công suất đầu ra được cung cấp cho tải WECS này sử dụng cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng như trong Hình 4.1 (a) Sơ đồ khối của mô đun bộ điều khiển MPPT dựa trên ANN được hiển thị trong Hình 4.2 Các đầu vào của ANN là tốc độ rotor ωr và công suất cơ Pm

Pm thu được bằng cách sử dụng mối quan hệ (4.1):

4.1.2 Tín hiệu công suất hồi tiếp (PSF):

Trong [4], phương trình công suất tua-bin được sử dụng để có được công suất tham chiếu cho điều khiển MPPT dựa trên PSF của PMSG WECS Hình 4.3 cho thấy sơ đồ khối cho việc tạo tín hiệu điều khiển PSF Sử dụng phương trình (4.2) ta có:

Khối điều khiển PSF tạo ra lệnh nguồn tham chiếu Pref bằng cách sử dụng (4.2) sau đó được áp dụng cho hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lưới để khai thác tối đa công suất

4.1.3 Tìm kiếm leo đồi (HCS):

Nhiều nghiên cứu áp dụng phương pháp tìm kiếm leo đồi của điều khiển MPPT cho PMSG WECS được đề xuất Thuật toán điều khiển được đề xuất trong [2] sử dụng nguyên tắc kỹ thuật tìm kiếm-nhớ-sử dụng lại (Search – remember – reuse) Phương pháp sử dụng bộ nhớ để lưu trữ các điểm công suất cực đại, thu được trong quá trình huấn luyện, được sử dụng sau này để theo dõi các điểm công suất tối đa Thuật toán sẽ bắt đầu từ một bộ nhớ thông minh trống rỗng với hiệu suất ban đầu tương đối kém Trong quá trình thực hiện, chế độ đào tạo sẽ sử dụng dữ liệu tìm kiếm bằng cách tìm kiếm leo đồi tiên tiến để dần dần rèn luyện bộ nhớ thông minh để ghi lại trải nghiệm huấn luyện Thuật toán sẽ sử dụng lại dữ liệu đã ghi trong chế độ ứng dụng để thực hiện nhanh Việc tìm kiếm-nhớ-sử dụng lại này sẽ lặp lại cho đến khi một bộ nhớ chính xác về các đặc điểm hệ thống được thiết lập Do đó, sau thuật toán được đào tạo đầy đủ, hiệu suất khai thác năng lượng của nó được tối ưu hóa Do bộ nhớ thông minh được đào tạo trực tuyến trong quá trình vận hành hệ thống, nên một quy trình như vậy cũng được gọi là quy trình đào tạo trực tuyến

Hình 4.7 Search-remember-reuse HCS

Cấu trúc của thuật toán điều khiển tìm kiếm leo đồi tiên tiến được hiển thị trong Hình 4.4 Mỗi chu kỳ thực hiện bắt đầu bằng việc lấy mẫu Vdc và P0 và tính toán các độ biến thiên của chúng Quy tắc chuyển đổi chế độ hướng điều khiển vào một trong ba chế độ thực thi, đó là chế độ ban đầu, chế độ đào tạo và chế độ ứng dụng Idm nhu cầu hiện tại của biến tần được tính toán trong chế độ đó và được đưa đến biến tần để điều chỉnh công suất đầu ra của hệ thống Idm được định nghĩa là giá trị đỉnh được yêu cầu của dòng đầu ra biến tần Tín hiệu tham chiếu cho MPED (Maximum power error driven mechanism) là Pmax chỉ có thể đạt được khi gió đủ cao Bộ nhớ thông minh ghi lại các điểm công suất tối đa của hệ thống và các biến điều khiển tương ứng ở các điều kiện hoạt động khác nhau Điều khiển trực tiếp dòng điện nhu cầu (DCDC – Direct current demand control) sử dụng mối quan hệ được tối ưu hóa giữa Vdc và Idm được ghi lại bởi bộ nhớ thông minh và tạo Idm tham chiếu dựa trên giá trị hiện tại của Vdc Và nhiều kỹ thuật tiên tiến được áp dụng cho giải thuật leo đồi dựa vào điều khiển thông minh Tuy nhiên các giải thuật này đòi hỏi yêu cầu tính toán cao từ hệ thống và máy tính, tức là đòi hỏi nền vi xử lý tốc độ cao.

GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN ÁP DỤNG TRÊN CÁC VÙNG TỐC ĐỘ GIÓ KHÁC NHAU

Đề tài sử dụng cấu hình như hình 4.5, bộ chỉnh lưu diode được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện từ AC sang DC, trong khi bộ chuyển đổi tăng áp được lắp đặt để điều chỉnh công suất tua-bin bằng cách điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ D WECS được kết nối với lưới điện thông qua một biến tần Thông thường, biến tần kết lưới được điều khiển theo cách cân bằng năng lượng, cụ thể hơn, nó được điều khiển để bơm tất cả năng lượng được tạo ra vào lưới điện Để đạt được điều này, điện áp đầu vào biến tần (tức là điện áp dc-bus) luôn được duy trì ổn định bằng cách sử dụng bộ điều điện áp, đầu ra được sử dụng làm tín hiệu tham chiếu để xác định dòng điện trên các trục dq0 của bộ điều khiển biến tần Tuy nhiên, ở đề tài này tập trung vào điều khiển phía máy phát, nên để đơn giản, đề tài thay biến tần và lưới thành một giá trị điện trở được điều khiển với điện áp cố định (tầm 600V) và dòng điện bơm ra tải trở tối đa theo công suất MPP thu được Ngoài ra, với cấu hình và giải thuật đề xuất, đề tài không sử dụng cảm biến đo tốc độ, chỉ sử dụng các cảm biến đo dòng điện và điện áp đầu vào, đầu ra bộ boost

4.2.1 Điều khiển PSF cải tiến (M-PSF):

Khác với máy phát không đồng bộ, hoặc máy phát đồng bộ sử dụng rotor dây quấn, máy phát PMSG có suất điện động tạo ra chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay của máy phát:

Với kω là hệ số tỉ lệ giữa tốc độ góc và suất điện động, khi đó điện áp pha đầu ra của bộ dây quấn máy PMSG biểu diễn như (4.4)

Trong đó 𝑍 là tổng trở phức của dây quấn 1 pha của stator, I là dòng điện pha Điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha đầu ra được biểu diễn:

𝑉 = √ 𝑉 (4.5) Để đơn giản hóa trong thiết kế, và giải thuật không phụ thuộc vào tham số máy phát, ta có thể xem Vphase tỉ lệ bậc 1 so với tốc độ máy phát ω (bỏ qua ảnh hưởng của tốc độ máy phát lên thành phần điện cảm của tổng trở pha Zphase) Đương nhiên việc sắp xỉ này sẽ gây ra sai số ở vùng tốc độ gió thấp (ω bé), nhưng ta chấp nhận xem công suất thu được nhỏ trong vùng tốc độ này, thay vì phải dùng cảm biến cơ học đo tốc độ máy

Hình 4.9 C ấ u hình PMSG và đ i ề u khi ể n MPPT

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 41 phát để biết chính xác sự phụ thuộc này Từ (4.4), (4.5) và xắp xỉ trên, ta được biểu thức sau liên hệ giữa tốc độ quay của máy phát và điện áp Vlink với một hằng số kv:

Mặc khác, liên hệ giữa công suất cơ nhận được ở turbine (Pr) và công suất điện đầu ra

Pdc bởi hiệu suất hệ thống η như (4.8):

Từ (4.7) ta thấy rằng, nếu hệ thống thu được công suất cực đại từ gió, tức là giá trị Pr đạt giá trị tối ưu, thì Pdc sẽ thu được giá trị tối ưu Mặc khác từ (4.2) ta có liên hệ giữa

Pr_opt và ωopt theo một hằng số kopt vì vậy từ các biểu thức (4.2), (4.6-4.8) ta được:

Biểu thức (4.9) chính là cơ sở của phương pháp MPPT PFS đã trình bày ở phần trước,

Pdc_opt chính là giá trị công suất đặt vào bộ điều khiển phía lưới để công suất cơ đầu vào thu được lớn nhất, giá trị này thu được khi đo liên tục giá trị Vlink đồng thời nhân với một hệ số kopt đã được biết trước dựa vào thông số turbine hoặc từ thực nghiệm Mặc khác, từ (4.9) nếu ta đo giá trị Pdc và có được các hằng số tua-bin ta cũng thực hiện được MPPT với giá trị Vlink_opt tham chiếu (4.10):

Với phương trình đã xây dựng ở biểu thức (4.10), giải thuật M-PFS được thực hiện như sơ đồ hình 4.6, giải thuật đo giá trị công suất Pdc nhận được ở phía tải (hoặc phía lưới điện), từ biểu thức (4.10) và giá trị kopt giải thuật tính được giá trị điện áp Vlink_opt tham chiếu để đạt được công suất tối đa Sai số giữa giá trị tham chiếu và giá trị hiện tại được đưa vào bộ điều khiển PI, sau đó sẽ đưa tín hiệu vào bộ PWM xuất xung kích MOSFET để đạt được giá trị điện áp tham chiếu mong muốn

Biết từ phân tích trên, việc áp dụng phương pháp M-PSF phụ thuộc rất nhiều vào kiến thức về hằng số công suất tối ưu kopt, là tham số phụ thuộc vào kiến thức đặc tính khí động học của tua-bin Thật không may, trong hầu hết các trường hợp, kopt là một tham số chưa biết hoặc không chính xác Mặc khác, ở biểu thức (4.10), giả định rằng ta có được giá trị kopt cho trước, thì giá trị Vlink_opt chỉ thu được nếu công suất thu được đã là giá trị tối ưu Vì vậy đề tài để xuất đầu vào của phương pháp M-PSF sẽ là kết quả tìm của phương pháp HCS Giải thuật Modified HCS sẽ dò tìm điểm công suất cực đại, tương ứng với giá trị điện áp Vlink_opt và Pdc_opt để tính ra giá trị “hằng số” kopt là tham số đầu vào của giải thuật M-PSF

Hình 4.11 Thu ậ t toán M-PFS Algorithm

Hình 4.7 vẽ các đặt tuyến công suất thu được theo tốc độ máy phát ứng với các tốc độ gió khác nhau, theo mối liên hệ (2.3) Đường cong kết nối tất cả các MPP ở các tốc độ gió khác nhau được gọi là đường năng lượng tối ưu như biểu thức (4.9) Rõ ràng, hàm

Pdc (ω) có một điểm cực trị duy nhất và thỏa mãn:

(4.11) trong đó phần I xác định phía bên trái của đường cong tối ưu và phần II xác định phía bên phải Các điều kiện trong (4.11) đưa ra hướng tìm kiếm MPP của phương pháp HCS Nghĩa là, tốc độ máy phát nên được tăng hoặc giảm bởi bộ điều khiển khi WECS hoạt động ở phần I hoặc phần II tương ứng với từng tốc độ gió Trong đề tài này, việc tìm kiếm MPP đạt được bằng cách điều khiển chu kỳ nhiệm vụ D của mạch điện tử công suất kết nối với cực đầu ra của máy phát Từ (4.11) ta có:

Vì vậy, hàm Pdc(D) cũng có cực trị duy nhất, hoàn toàn có thể sử dụng dPdc/dD để tìm kiếm MPP trong giải thuật HCS Để thực hiện điều khiển HCS, ta rời rạc hóa các giá trị công suất và chu kỳ nhiệm vụ D như sau:

Trong (4.15), k có nghĩa là khoảng thời gian lấy mẫu thứ k, D0 là chu kỳ nhiệm vụ ban đầu và ký hiệu Δ biểu thị cho sự biến thiên giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp của các biến tương ứng Lưu ý rằng (dD/dVlink) luôn âm từ (4.12), các dấu của dP/dD và dP/dω luôn

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 44 ngược nhau Vậy nên phải điều khiển giảm chu kỳ nhiệm vụ trong phần I và tăng trong phần II, dẫn đến tăng và giảm tốc độ máy phát điện tương ứng Do đó, bằng cách sử dụng (4.15), quá trình tìm kiếm MPP có thể được tóm tắt như sau: giả sử rằng điểm vận hành đang ở phía tốc độ thấp (phần I) Bởi vì luật điều khiển chu kỳ nhiệm vụ D tuân theo hướng của (dP/dD), nên chu kỳ nhiệm vụ sẽ bị giảm, dẫn đến tăng tốc độ máy phát và tăng công suất, cho đến khi đạt được MPP Mặt khác, nếu điểm vận hành ở phía tốc độ cao, theo hướng của (dP/dD) sẽ dẫn đến tăng chu kỳ nhiệm vụ và cuối cùng hội tụ tại MPP, vì tốc độ máy phát đang giảm dần

Thông thường, giải thuật HCS sẽ thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D với một giá trị cố định (khoảng 1%) thì với biểu thức (4.15) bước nhảy D sẽ biến thiên phụ thuộc vào sự biến thiên của công suất và bước nhảy trước đó Ngoài ra, với giải thuật HCS truyền thống, việc thu được điểm MPP thực là không thể, vì luôn tồn tại dao động quanh điểm MPP như minh họa ở hình 4.8 Ta xét đồ thị theo tốc độ góc ω để dễ hình dung sự đồng biến của hàm số tương ứng đoạn tăng của P (dP/dω >0 bên phía tốc độ thấp) Giả sử rằng ban đầu điểm vận hành ở điểm A và tiến về B bằng cách tăng tốc độ, khi đến điểm B lại tiếp tục tăng tốc độ bởi vì dω = ωB – ωA > 0; dP = PB – PA > 0, điểm vận hành sẽ di chuyển đến điểm C, bởi vì giá trị bước nhảy cố định, nên đến điểm C đã lệch sang bên trái so với MPP Tại điểm C ta có, dω = ωC – ωB > 0; dP = PB – PA < 0 nên điểm vận

Hình 4.15 Dao độ ng quanh đ i ể m MPP c ủ a gi ả i thu ậ t HCS

XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

Để chứng minh tính khả thi của các giải thuật đề xuất, đề tài tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng trên nền MATLAB/SIMULINK, sơ đồ mô phỏng như hình 5.1

Thành phần các khối trên mô phỏng bao gồm:

Khối turbine gió có thông số đầu vào là tốc độ gió, được tạo ra bởi một khối Pulse signal nhằm giả lập các điều kiện tốc độ gió thay đổi Đầu ra là moment cơ Tm(Nm), moment này được cấp vào máy phát, sau đó sẽ trả về tốc độ máy phát trở lại turbine ωr

(pu) Các thông số được cài đặt cho turbine như sau: Công suất cơ định mức 12 kW, tốc độ gió định mức 8m/s và các thông số khác như hình 5.2 Các đường đặt tuyến công suất theo tốc độ máy phát ứng với các tốc độ gió khác nhau của turbine được vẽ ra ở hình 5.3

Hình 5.1 S ơ đồ mô ph ỏ ng WECs trên MATLAB/SIMULINK

Hình 5.3 Kh ố i Turbine gió và thông s ố

Hình 5.5 Đặ c tính công su ấ t tua-bin

Máy phát PMSG được lấy từ thư viện SIMULINK, loại máy phát 3 pha, cực từ lồi, tín hiệu đầu vào là moment cơ từ tua-bin gió, đầu ra là sức điện động hình sin trên 3 dây pha A, B, C Thông số cụ thể như hình 5.4, trong đó công suất 12kW, tốc độ định mức

1700 RPM, moment cơ đầu vào 67.27 Nm

Bộ biến đổi Boost (hình 5.5) bao gồm 1 cuộn dây L (6mH), Diode và MOSFET, giá trị cuộn cảm được tính dựa vào tham khảo

Khối biến điều khiển MPPT:

Khối điều khiển MPPT sử dụng S-Function trong thư viên SIMULINK, đầu vào khối lập trình này là giá trị điện áp và dòng điện, một biến Time cung cấp thời gian để định thì lấy mẫu V và I Khối này nhận nhiệm vụ quan trọng nhất, thu thập tín hiệu dòng điện, điện áp và đưa ra lệnh điều khiển là giá trị độ rộng xung D để kích MOSFET ở bộ biến đổi Boost

So sánh điện áp điều khiển từ bộ PI với xung răng cưa để tạo xung PWM cho bộ Boost

Các khối chức năng khác:

Ngoài các khối quan trọng trên, trên sơ đồ mô phỏng còn sử dụng các khối chỉnh lưu 3 pha, khối tải trở R thay thế cho biến tần và lưới, khối tạo xung PWM, khối ON_PFS nhận tín hiệu điều khiển từ khối MPPT S-FUNCTION và có nhiệm vụ chuyển đổi giải thuật hoạt động từ HCS sang PSF, và các khối đo lường, hiển thị

5.1.1 Giải thuật MPPT HCS truyền thống:

Giải thuật HCS truyền thống có sơ đồ mô phỏng như hình 5.1, giải thuật đo dòng điện và điện áp DC đầu ra tải, quan sát độ thay đổi công suất Pdc thu được và điều khiển độ rộng xung D theo hướng đỉnh MPP Tốc độ gió được giả định trong mô phỏng này thay đổi lần lượt từ 7m/s, lên tốc độ định mức 8m/s, giảm về 7.5m/s và tốc độ vượt định mức 9 m/s ở giây thứ 17 như hình 5.8

Tiến hành mô phỏng giải thuật HCS truyền thống với giá trị bước nhảy là 0.03 và thời gian lấy mẫu 0.2s Ta quan sát dạng sóng công suất cơ thu được và so sánh với giá trị công suất lý thuyết như hình 5.9, trong đó đường màu xanh là Pm của giải thuật HCS, và đường màu đỏ là giá trị tham chiếu lý thuyết

Hình 5.14 T ố c độ gió mô ph ỏ ng

Từ kết quả đáp ứng công suất của giải thuật HCS ở hình 5.9, nhận thấy rằng giải thuật HCS truyền thống có độ dao động khi xác lập, làm giảm hiệu suất MPPT, các dao động này có chu kỳ, và có biên độ lớn hơn khi tốc độ gió tăng Mặc khác, trong mô phỏng đề tài giả lập ở giây thứ 17 có tốc độ gió tăng quá định mức thì rõ rang, giải thuật HCS truyền thống không thể phát hiện điều này Điều này chỉ được giải quyết nếu ở hệ thống tua-bin gió có các bộ điều khiển Thất tốc thụ động hoặc chủ động Dạng sóng đáp ứng tốc độ máy phát, điện áp Vlink và điện áp Vdc đầu ra được chỉ ra ở các hình 5.10-5.12 Chúng ta thấy rằng tốc độ máy phát, điện áp Vlink, điện áp Vdc của giải thuật HCS không ổn định và có lúc vượt quá định mức

Hình 5.17 Đ áp ứ ng công su ấ t c ơ c ủ a gi ả i thu ậ t HCS

Hình 5.19 T ố c độ máy phát (RPM)

Từ những kết quả dạng sóng tốc độ turbine, điện váp Vlink và điện áp Vdc ta nhận thấy rằng với giải thuật HCS truyền thống, tốc độ tua-bin dao động lớn dẫn đến điện áp

Vlink cũng dao động tỉ lệ tương ứng Giai đoạn gió tăng quá định mức sẽ dẫn đến tốc độ máy phát tăng, nếu không có phương pháp phát hiện và ngăn chặn kịp thời sẽ dẫn đến hư hỏng bộ phận cơ khí của tua-bin Nếu nhìn về phía tải, sẽ gây ra quá áp trên tải DC đầu ra

5.1.2 Giải thuật C – MPPT đề xuất:

Sơ đồ mô phỏng giải thuật giải thuật C – MPPT đề xuất như hình 5.12 bên dưới, trong đó các khối công suất tương tự như trong sơ đồ điều khiển HCS truyền thống, khối điều khiển có thêm điều khiển PFS và các biến số đầu ra để kích hoạt chế độ điều khiển này Các thông số cài đặt cho bộ điều khiển bao gồm:

Giải thuật sẽ đo giá trị điện áp, dòng điện đầu ra để chạy giải thuật M-HCS, đến khi đạt MPP ổn định, biến điều khiển ON_PFS sẽ được bật, chuyển tín hiệu xung kích từ điều khiển M-HCS sang M-PFS Và từ đây trở về sau, giải thuật M-PFS sẽ chịu trách nhiệm điều khiển công suất cho hệ thống

B ả ng 4 Giá tr ị các h ằ ng s ố mô ph ỏ ng

Tên hằng số Mô tả Giá trị

D0 Giá trị gia số (bước nhảy) 0.03

Dmax Gia số khi quá tốc 0.05

Vlink_N Điện áp định mức Vlink 170V ΔPcrit Độ dao động công suất 2.2% m Lượt dao động khi công suất ổn định 20 ΔDth Giá trị tới hạn bước nhảy 0.02%

Kp -0.08 Hệ số tỉ lệ PID

Ki -2.65 Hệ số đạo hạm PID

Kết quả đáp ứng công suất ở giải thuật C-MPPT được vẽ ra ở hình 5.14 Từ kết quả đáp ứng công suất cơ thu được, ta thấy giải thuật C-MPPT có đặt tuyến công suất bám tốt vào đường công suất lý thuyết và cho đáp ứng nhanh khi có thay đổi tốc độ gió bởi sự mạnh mẽ của giải thuật PSF Bỏ qua giai đoạn quá độ, điều khiển M-HCS được thực hiện và đạt được MPP tại 3.2s, sau đó thực hiện giảm gia số ΔD đến giây 4.4s thì chuyển sang giải thuật M-PFS M-PFS nhận được giá trị kopt và giá trị Pdc_opt từ đó tính ra giá trị Vlink_ref đưa vào bộ điều khiển PI Điều khiển PI cần vài vòng lập để đạt được

Hình 5.25 S ơ đồ mô ph ỏ ng gi ả i thu ậ t C-MPPT

LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 59 giá trị điện áp đặt, nếu hệ thống có quán tính cơ lớn, thì thời gian xác lập càng lâu, chính vì vậy tại thời điểm 4,4s ta thấy công suất thu được có quá độ, rồi trở lại xác lập tại giây thứ 4,8 Việc quá độ công suất này chỉ xảy ra 1 lần trong 1 phiên làm việc của hệ thống

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

5.2.1 Xây dựng mạch thực nghiệm: Để chứng minh tính khả thi của giải thuật, đề tài tiến hành thiết kế thực nghiệm mạch biến đổi Boost Sơ đồ nguyên lý khối công suất và các khối điều khiển như hình bên dưới Các thông số thiết kế dựa vào tài liệu thiết kế bộ biến đổi Boost Các thông số thiết kế như bảng 5.3:

B ả ng 10 Thông s ố m ạ ch Boost th ự c nghi ệ m

Tên đại lượng Giá trị

Công suất P (w) 100w Điện áp vào Vin (V) 15-20V Điện áp đầu ra Vout (V) 24V Tần số đóng cắt f (Hz) 10.000 Hz

Tụ điện lọc Cin Cout (F) 1000 uF

Vi xử lý Arm Cotex (Tiva C)

Hình 5.39 B ộ bi ế n đổ i Boost và các kh ố i đ o dòng-áp

Hình 5.40 Kh ố i vi x ử lý, kh ố i m ạ ch kích và kh ố i ngu ồ n

Sơ đồ mạch in và mạch thực nghiệm như các hình bên dưới:

Hình 5.42 M ạ ch th ự c nghi ệ m hoàn ch ỉ nh

5.2.2 Kết quả thực nghiệm: Để kiểm chứng hiệu quả vận hành của mạch, đề tài tiến hành thử nghiệm như hình 5.23, bao gồm mạch boost thiết kế, tải bóng đèn 24V-15W, mô hình máy phát gió của hãng DE LORENZO, quá trình thực nghiệm tại đại học sư phạm kỹ thuật thành phố

Hồ Chí Minh Mô hình máy phát gió DE LORENZO bao gồm một biến tần điều chỉnh tốc độ quạt 3 pha để tạo sự thay đổi gió, buồng gió và máy phát PMSG với turbine gió

6 cánh a.Cấu hình thử nghiệm b Buồng gió c Tua-bin gió PMSG

Hình 5.43 Th ử nghi ệ m m ạ ch boost v ớ i mô hình tua-bin gió

Các đường cong đặc tuyến công suất của turbine này thu được bởi các thí nghiệm thay đổi tải đầu ra, đo công suất và tốc độ gió như hình 5.24 [15] Trong đó công suất tối đa thu được ở tốc độ gió 12.5 m/s là 15.8W

Dạng sóng xung kích xuất ra từ vi xử lý và xung đo tại 2 chân G, S của MOSFET như hình 5.24 Tân số sử dụng là 10 kHz, mạch đang thử nghiệm với duty 50% Với kết quả này cho thấy mạch kích hoạt động tốt Tuy nhiên khi thử nghiệm thực tế trên mô hình thì đề tài gặp vấn đề với các cảm biến đo lường làm cho kết quả thực nghiệm chưa đạt yêu cầu, mạch chỉ hoạt động ở một duty D cố định nhập vào vi xử lý Kết quả thử nghiệm ở hình 5.26 cho thấy dòng điện đầu ra đạt 0.55A, điện áp 24V, duty 0.55, tại tốc độ gió 12.5 m/s Vậy công suất thu được trong trường hợp này chỉ 13.2W, đạt 83.5% so với kết quả thực nghiệm ở nghiên cứu [15]

Từ những kết quả thử nghiệm trên, cho thấy rằng mạch boost thiết kế xuất được xung kích cố định, và chưa vận hành với giải thuật đề xuất, đây là một hướng cải tiến của các đề tài sau này

Hình 5.44 Th ử nghi ệ m m ạ ch boost v ớ i mô hình turbine gió

Hình 5.45 Xung kích t ừ vi x ử lý (xanh) và xung kích V GS (vàng)

Hình 5.46 Dòng đ i ệ n ngõ ra khi đ i ệ n áp ngõ ra đạ t 24V

Tiêu đề	NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Tác giả	Hoàng Sơn Thạch
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Phúc Khải
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
Chuyên ngành	KỸ THUẬT ĐIỆN
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,9 MB