ứng dụng hệ điều khiển dead-beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THÀNH TRUNG ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, NĂM 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THÀNH TRUNG ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Ngô Đức Minh THÁI NGUYÊN, NĂM 2014 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Thành Trung, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá 2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là “ Ứng dụng hệ điều khiển Dead – Beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014 Học viên Nguyễn Thành Trung ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC i ii Mục lục iii vi ẽ, đồ thị vi LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 3 1.1. Khái niệm về chất lượng điện năng. 3 1.1.1. Chất lượng tần số. 3 1.1.2. Chất lượng điện áp. 4 1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng. 5 1.2.1. Chỉ tiêu tần số 5 1.2.2. Chỉ tiêu điện áp. 5 1.2.3. Chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện. 12 1.3. Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng và nguồn dự phòng. 15 1.3.1. Giải pháp ổn định tần số. 15 1.3.2. Giải pháp ổn định điện áp. 16 1.3.3. Giải pháp tăng độ tin cậy của lưới điện. 16 1.4. Kết luận chương 1. 18 Chương 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ CHỨC NĂNG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 20 2.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo. 20 2.1.1. Năng lượng Mặt trời. 21 2.1.2. Năng lượng gió. 22 2.1.3. Thủy điện nhỏ. 23 2.1.4. Các dạng năng lượng tái tạo khác. 24 iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2. Mô hình Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN). 24 2.2.1. Giới thiệu chung. 24 2.2.2. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN. 26 2.2.3. Mô hình BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ. 33 2.3. Hệ thống tích trữ năng lượng dùng acquy (BESS). 33 2.3.1. Giới thiệu chung. 33 2.3.2. Bộ biến đổi công suất. 34 2.3.3. Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất. 38 2.3.4. Kho tích trữ năng lượng một chiều. 39 2.3.5. Mô hình bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 47 2.3.6. Phương pháp điều khiển BESS. 51 2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS. 61 2.4.1. Các phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS. 61 2.4.2. Cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI 62 2.4.3. Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat. 64 2.4.4. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC. 69 2.4.5. Bộ điều khiển công suất tác dụng. 71 2.5. Kết luận chương 2. 72 Chương 3: MÔ HÌNH HÓA PHỎNG TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 74 3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 74 3.2. Các khối chính. 74 3.2.1. Khối nguồn: 74 3.2.2. Khối đường dây và tải: 76 3.2.3. Khối BESS. 77 3.3. Kết quả mô phỏng. 81 3.3.1. So sánh động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B. 81 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.3.2. So sánh chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động. 82 3.4. Kết luận chương 3. 87 Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 88 4.1. Thực nghiệm hệ BESS trong phòng thí nghiệm. 88 4.1.1. Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS. 88 4.1.2. Thông số kỹ thuật của bộ biến đổi: 91 4.2. Xây dựng chương trình phần mềm. 92 4.3. Kết quả thí nghiệm hệ BESS. 95 4.4. Kết luận chương 4. 97 KẾT LUẬN CHUNG 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Viết đầy đủ (tiếng Anh) Nghĩa tiếng Việt BESS Battery Energy Storage System Hệ thống lưu trữ năng lượng dùng ăcquy FACTS Flexible Alternating Current Transmission System hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly PCS Power Conditioning System Hệ thống điều khiển công suất PCC Point of Common Coupling Điểm kết nối IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor trasistor có cực điều khiển cách ly MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung Dead - Beat Bộ điểu khiển kiểu Dead - Beat PI Proportional–Integral controller Bộ điểu khiển kiểu PI vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp 11 Bảng 2.1. Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện trong trường hợp máy phát vận hành đầy tải. 30 Bảng 2.2. Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện trong trường hợp hạ thấp công suất vận hành của máy phát. 32 Bảng 2.3. Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector 60 Bảng 3.1. Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện 75 Bảng 3.2. Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát 76 Bảng 3.3. Thông số đường dây 76 Bảng 3.4. Thông số của IGBT 78 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) Trang Hình 1.1. Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện. 7 Hình 2.5. Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS. 33 Hình 2.6. Cấu trúc mạch lực của BESS. 34 Hình 2.7. Cấu trúc và ký hiệu IGBT. 35 Hình 2.8. Sơ đồ thử nghiệm IGBT. 36 Hình 2.9. Đặc tính đóng mở van IGBT. 36 Hình 2.10. Cấu tạo của ắcquy axít điện cực chì 41 Hình 2.11.mạch điện nối với mạch ngoài và 42 Hình 2.12. Sơ đồ tương đương của ắcquy. 44 Hình 2.13. Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng. 45 Hình 2.14. Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng. 46 Hình 2.15. a) Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi; b) Cấu trúc bộ biến đổi BESS. 47 Hình 2.16 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS 48 Hình 2.18. Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới 50 Hình 2.19. Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace 51 Hình 2.20. Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ. 52 Hình 2.21. Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp. 53 Hình 2.22. Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL. 55 Hình 2.23. Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng. . 55 Hình 2.24. Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van 58 Hình 2.25. Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ 58 Hình 2.26. Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 59 Hình 2.27. Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1. 60 Hình 2.28. Dạng sóng biến điệu vector SVM có được bằng kết quả mô phỏng. 61 Hình 2.30.Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS. 63 Hình 2.31. Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat. 66 Hình 2.32. Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh Dead-Beat. 67 Hình 2.33. Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat. 68 Hình 2.34. Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng 72 Hình 3.1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN công suất 85 kVA 74 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.2. Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV 75 Hình 3.3. Cấu trúc mạch lực của BESS 77 Hình 3.4. Khối đo lường 79 Hình 3.5a. Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu PI 79 Hình 3.5b. Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu PI 80 Hình 3.6a. Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B 80 Hình 3.6b. Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu D-B 81 Hình 3.7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B 81 Hình 3.8a. Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 83 Hình 3.9a. Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 83 Hình 3.9b. Biên dạng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 84 Hình 3.10a. Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 84 Hình 3.10b. Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 85 Hình 3.10c. Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 85 Hình 3.10d. Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,8s, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 86 Hình 3.11. Bess với BĐKD kiểu PI khi bù công suất đỉnh 87 Hình 3.11. Bess với BĐKD kiểu Dead-Beat khi bù công suất đỉnh 87 Hình 4.1 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS. 88 Hình 4.2 Bàn thí nghiệm hệ BESS. 89 Hình 4.3. Cấu trúc R&D DS1104. 90 Hình 4.4. Giao diện điển hình dùng DS1104. 90 Hình 4.5. Động cơ thí nghiệm. 91 Hình 4.6. Hệ thống ăcquy thí nghiệm. 92 Hình 4.7. Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển. 93 Hình 4.8. Cấu trúc chương trình phần mềm. 94 Hình 4.9. Thuật toán điều khiển hệ BESS. 94 Hình 4.10 Khối đo lường ADC. 95 Hình 4.11. BESS huy động thành phần công suất tác dụng cho động cơ khởi động 96 Hình 4.11. Biên độ dòng điện đỉnh nhọn khi động cơ khởi động và BESS 96 Hình 4.12. Điện áp ăcquy khi BESS khi động cơ khởi động. 97 [...]... cứu bộ biến đổi với hệ điều khiển kiểu Dead - Beat so sánh động học với các bộ biến đổi và hệ điều khiển khác, ý nghĩa khoa học là đề xuất thêm giải pháp sử dụng Bộ biến đổi với hệ điều khiển Dead-Beat áp dụng trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo có thể nâng cao được động học hơn so với việc sử dụng những bộ biến đổi khác qua đó sẽ đem lại nhiều lợi ích thực tế trong việc nâng cao chất lượng. .. năng cho nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo có kết nối lưới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 20 Chương2 BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤTVÀ CHỨC NĂNG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 2.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng. .. hình Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) 2.2.1 Giới thiệu chung Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo, tác giả luận văn chọn hướng nghiên cứu của đề tài tập trung vào dạng năng lượng thủy điện nhỏ áp dụng cho mạng điện cục bộ Nhằm đưa ra một mô hình mạng điện nguồn điện khai thác từ NLTT có chất lượng cao nhờ thực hiện một số giải pháp về cấu trúc mạng và hệ điều khiển. .. mất điện kéo dài trên 5 phút trong quý j; K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j - SAIFI được tính bằng tổng số lần mất điện của Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện. .. trữ năng lượng như siêu pin, siêu tụ…) được lấy từ các nguồn năng lượng phân tán, nguồn năng lượng mới, tái tạo kết nối với lưới điện thông qua các bộ biến đổi công suất, với mục đích: + Cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện như: Lọc các sóng nhiễu (sóng hài bậc cao ) Bù toàn phần, cấp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 18 điện ngay lập tức cho. .. nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đối với chế độ làm việc bình thường đồng thời có thể nâng cao động học một cách cần thiết Ví dụ: Chế độ đóng nguồn dự phòng Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu bộ chỉnh lưu tích cực và khả năng cải thiện chất lượng điện năng khi kết hợp với các mạng điện nguồn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 năng lượng mới và tái tạo, phạm vi nghiên... thực tế trong việc nâng cao chất lượng điện năng Bố cục của luận văn này gồm có 3 chương Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng cung cấp Chương 2: Các Bộ biến đổi công suất và chức năng cải thiện chất lượng điện năng Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm hệ BESS trong mạng điện cục bộ Thủy điện nhỏ Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện... vị phân phối điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý đó, theo công thức sau: MAIFI j m K 4 MAIFI MAIFI j j 1 Trong đó: m: số lần mất điện thoáng qua trong quý j; K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j Căn cứ vào tiêu chuẩn... định hệ thống điện phân phối (Điều 4) thì Tần số định mức trong hệ thống điện quốc gia là 50Hz Trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,2Hz so với tần số định mức Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,5Hz so với tần số định mức 1.2.2 Chỉ tiêu điện áp 1.2.2.1 Độ lệch điện áp Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ. .. hệ thống điện 1.4 Kết luận chương 1 Để đáp ứng nhu cầu về cung cấp năng lượng và chất lượng điện năng được cung cấp, việc sử dụng các công nghệ tiên tiến để tăng hiệu suất của lưới điện truyền tải, phân phối là một trong những giải pháp quan trọng và cần được quan tâm Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụng các dạng năng lượng mới, tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các . trình học tập và đề tài tốt nghiệp là “ Ứng dụng hệ điều khiển Dead – Beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo . Tôi xin cam đoan đây là công trình. khiển Dead-Beat áp dụng trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo có thể nâng cao được động học hơn so với việc sử dụng những bộ biến đổi khác qua đó sẽ đem lại nhiều lợi ích thực tế trong. DEAD-BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa