Xây dựng bộ điều khiển dòng bằng phương pháp tối ưu bầy đàn PSO

Xác định tham số bộ điều khiển dòng điện bằng phương pháp Ziegler-Nichols 2.1.. Các phương pháp điều khiển dòng điện trong nghịch lưu Hình 2.2.. Trần Quang Thọ - Cơ quan chủ trì: Khoa Đi

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU BẦY ĐÀN (PSO)

MÃ SỐ: T2014-05TĐ

S 0 9

S KC 0 0 4 8 0 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

Chủ nhiệm đề tài: ThS Trần Quang Thọ

Chương 1 Mô hình nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha

1.1 Mô hình dàn pin mặt trời 51.2 Điều chỉnh điện áp một chiều DC 101.3 Vòng khóa pha PLL 11

Chương 2 Xác định tham số bộ điều khiển dòng điện bằng phương

pháp Ziegler-Nichols

2.1 Giới thiệu 122.2 Nguyên lý điều khiển dòng PI 142.3 Xác định các tham số bằng phương pháp Ziegler-Nichols 182.4 Kết quả mô phỏng 192.5 Nhận xét kết quả 24

Chương 3 Xác định tham số bộ điều khiển dòng bằng GA và PSO

3.1 Phương pháp GA 253.1.1 Giải thuật GA 263.1.2 Kết quả mô phỏng 273.1.3 Nhận xét kết quả (GA) 31

3.2 Phương pháp PSO 323.2.1 Giải thuật PSO 323.2.2 Kết quả mô phỏng theo PSO 343.2.3 Nhận xét (PSO) 38

Chương 4 Nhận xét – Kết luận

4.1 Tóm tắt kết quả 394.2 Nhận xét chung 39

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ thế giới của NASA

Hình 1.2 Phân bố của bức xạ Mặt trời

Hình 1.3 Cấu tạo của pin mặt trời

Hình 1.4 Hoạt động của tế bào quang điện

Hình 1.5 Qui trình chế tạo pin mặt trời

Hình 1.6 Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời

Hình 1.7 Thông số tấm pin 85W của hãng RedSun

Hình 1.8 Đặc tuyến V-A của dàn pin thay đổi theo bức xạ

Hình 1.9 Đặc tuyến V-W của dàn pin thay đổi theo bức xạ

Hình 1.10 Giải thuật P&O

Hình 1.11 Khối dò điện áp Vref

Hình 1.12 Khối điều chỉnh điện áp Vdc

Hình 1.13 Khối vòng khóa pha PLL

Hình 2.1 Các phương pháp điều khiển dòng điện trong nghịch lưu

Hình 2.2 Nguyên lý hệ thống nghịch lưu nối lưới

Hình 2.3 Các kỹ thuật điều chế trong nghịch lưu 3 pha

Hình 2.4 Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ đồng bộ dqHình 2.5 Nguyên lý vòng điều khiển dòng điện

Hình 2.6 Sơ đồ đơn giản mạch lọc LCL

Hình 2.7 Đáp ứng theo hàm step của nghịch lưu có lọc LCL

Hình 2.16 Đáp ứng phát và thu Iq_ref tại t=0.4 s và t=0.6 s

Hình 2.17 Đáp ứng phát và thu Q tại t=0.4 s và t=0.6 s với THD bằng 5.09%

Báo cáo

Hình 3.1 Lưu đồ giải thuật GA

Hình 3.2 Kết quả quá trình thực hiện theo GA

Hình 3.3 Đáp ứng công suất P và Q

Hình 3.4 Đáp ứng dòng điện và điện áp 3 pha

Hình 3.5 Đáp ứng dòng điện và điện áp pha A (1/6)

Hình 3.6 THD dòng điện pha (GA) trong khoảng t1<0.2 s là 1.78%

Hình 3.7 THD dòng điện pha (GA) trong khoảng 0.2<t2<0.4 s là 2.93%Hình 3.8 THD dòng điện pha (GA) trong khoảng 0.4<t3<0.6 s là 1.96%Hình 3.9 THD dòng điện pha (GA) trong khoảng t4>0.6 s là 1.62%

Hình 3.10 Đáp ứng của dòng điện Idq

Hình 3.11 Giải thuật PSO

Hình 3.12 Kết quả thực hiện giải thuật PSO

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DG: Distributed generation

MPPT: maximum power point tracker

PLL: Phase lock loop

PI: Proportional Integral current controller

PR: Proportional Resonant current controller

THD: Total harmonic distortion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, Ngày 5 tháng 11 năm 2014

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Xây dựng bộ điều khiển dòng bằng phương pháp tối ưu bầy đàn PSO

- Mã số: T2014-05TĐ

- Chủ nhiệm: ThS Trần Quang Thọ

- Cơ quan chủ trì: Khoa Điện Điện tử

- Thời gian thực hiện: tháng 3 năm 2013 đến tháng 10 năm 2014

 Xây dựng được phương pháp dò nhanh các tham số c ủa bộ điều khiển dòng điện bằng

phương pháp PSO để nâng cao chất lượng điện năng

4 Kết quả nghiên cứu:

 Mô hình mô phỏng hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha sử dụng bộ điều khiển dòng điệnbằng Matlab/Simulink

 Giải thuật sử dụng phương pháp PSO để xác định tham số cho bộ điều khiển dòng điện

5 Sản phẩm:

 Một bài báo khoa học đăng ở tạp chí quốc tế về công nghệ kỹ thuật điện IJEET

 Chương trình Matlab dùng phương pháp PSO để xác định tham số cho bộ điều khiểndòng điện

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Báo cáo của đề tài có thể dùng làm t ài liệu chuyên khảo cho các nghiên cứu chuyênngành hoặc làm báo cáo chuyên đề điều khiển điện tử công suất…

1 General information:

Project title: Tuning parameters of current regulator in grid-connected inverter using the

particle swarm optimization method (PSO)Code number: T2014-05TD

Coordinator: M Eng Tran Quang Tho

Implementing institution: Faculty of Electrical and Electronics Engineering

Duration: from Jun 2013 to Oct 2014

2 Objectives:

Building the model of three-phase grid-connected photovoltaic inverter system by using currentregulators

Proposing the strategy to tune the parameters of current regulator using the PSO

3 Creativeness and innovativeness:

The PSO algorithm is proposed in this project to tune parameters of PI regulator gives globalresults better than Ziegler-Nichols and even GA method

A simulation model in Matlab/Simulink

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

The report of project can use as a reference in electrical engineering and correlative studies

Ở trong nước hiện nay, tình trạng bắt đầu khan hiếm năng lượng cũng rấtnghiêm trọng, nên năng lượng tái tạo có thể là một lựa chọn phù hợp Có rất ít nghiêncứu về lĩnh vực này trong khi nhu cầu rất lớn trong tương lai là một thách thức lớn đốivới Việt Nam.

2 Tính cấp thiết

Năng lượng tái tạo như gió, mặt trời,… là loại năng lượng mới đang phát triểnrất mạnh Việc phát điện từ hệ thống năng lượng tái tạo hòa vào lưới 3 pha đang trởnên phổ biến trên thế giới Trong tương lai gần ở nước ta, nhu cầu sử dụng các thiết bịnghịch lưu nối lưới 3 pha sẽ tăng cao trong khi chưa được nghiên cứu nhiều Việcnghiên cứu lĩnh vực này giúp chúng ta làm chủ công nghệ và có sản phẩm với giáthành thấp có ý nghĩa rất lớn

Để tối ưu công suất phát lên lưới cần có bộ điều chỉnh dòng điện hợp lý bơmvào lưới với tính năng thỏa mãn tiêu chuẩn nối lưới như đáp ứng động nhanh và nhiễuhài dòng điện thấp… Việc xác định loại bộ điều khiển nào, cũng như tham số của bộđiều khiển trong các hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha là một công đoạn quan trọngđối với người thiết kế Sử dụng các phương pháp truyền thống thường tốn nhiều thờigian và công sức trong khi kết quả rất hạn chế

Đề tài này đề xuất phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển dòng trongnghịch lưu nối lưới bằng phương pháp PSO vì tính đơn giản và hiệu quả của nó.

 Đánh giá kết quả với tiêu chí tối ưu đáp ứng động công suất và giảm thiểu sónghài dòng điện bơm vào lưới và thể hiện tính ưu việt của phương pháp PSO là

5 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao nên được thực hiện bằng các phươngpháp:

 Phương pháp tham khảo tài liệu: gồm các giải thuật sẵn có của các báo cáokhoa học liên quan

 Phương pháp mô phỏng: thực hiện mô phỏng bằng Simulink/Matlab để tìm rakết quả tốt nhất

 Bỏ qua ảnh hưởng của điều khiển MPPT phía DC

 Bỏ qua ảnh hưởng điện áp common mode và vòng khóa pha PLL

6 Nội dung

Chương 1 Mô hình hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha

Chương 2 Xác định tham số bộ điều khiển dòng bằng phương pháp Ziegler-NicholsChương 3 Xác định tham số bộ điều khiển dòng bằng phương pháp GA và PSOChương 4 Nhận xét và kết luận

Chương mở đầu 3

T2014-05TĐ ThS Trần Quang Thọ

7 Kết quả nghiên cứu

Sản phẩm khoa học:

Một bài báo khoa học đăng ở tạp chí quốc tế về công nghệ kỹ thuật điện IJEET

Báo cáo của đề tài có thể dùng làm tài liệu chuyên khảo cho các nghiên cứu chuyênngành hoặc làm báo cáo chuyên đề điều khiển điện tử công suất…

Giá trị khoa học: Nêu được phương pháp dò nhanh các tham số cho bộ điều khiển dòng

và khẳng định tính ưu việt của phương pháp PSO trong việc cải thiện chất lượng điện năng

Giá trị ứng dụng: có thể triển khai ứng dụng thi công, thử nghiệm phần cứng phục

vụ nghiên cứu chuyên ngành liên quan và sản xuất thử nghiệm

9 Hiệu quả nghiên cứu

+Về giáo dục và đào tạo: cung cấp phương pháp tính chọn tham số cho bộ điều khiển

dòng trong nội dung bài giảng chuyên đề liên quan, làm tài liệu tham khảo cho các đềtài nghiên cứu về nghịch lưu nối lưới…

+Về kinh tế - xã hội: có thể làm chủ công nghệ để triển khai chế tạo thiết bị nghịch

lưu nối lưới với giá thành rẻ, góp phần phát triển năng lượng tái tạo để bảo vệ môitrường và giảm bớt thiếu hụt điện năng trong tương lai của Việt Nam Có thể triểnkhai chuyển giao kết quả nghiên cứu cho các nhà sản xuất thiết bị của Việt Nam

10 Kết luận:

Đề tài đã xây dựng được mô hình hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha trên phần mềmMatlab tạo cơ sở cho nghiên cứu liên quan

Giới thiệu bộ điều khiển dòng và phương pháp xác định tham số

Phân tích ảnh hưởng của các tham số đến các chỉ tiêu kỹ thuật

Xây dựng qui trình tính chọn tham số cho các bộ điều khiển dòng

Thảo luận kết quả mô phỏng và khẳng định tính ưu việt của phương pháp PSO trongxác định nhanh (15 vòng lặp) tham số của bộ điều khiển dòng trong nghịch lưu nốilưới ba pha.

Trình bày các ưu điểm của bộ nghịch lưu nối lưới trong cải thiện chất lượng điện năng

11 Hướng phát triển:

Bổ sung phương pháp điều chỉnh thích nghi tần số chuyển mạch để cực tiểu tổn haochuyển mạch

Nghiên cứu giảm điện áp common mode để giảm sóng hài

Tối ưu vòng khóa pha

Bổ sung tính năng anti-islanding

Triển khai thi công thử nghiệm trên phần cứng

Mở rộng cho nghịch lưu đa bậc

Chương 1 5

T2014-05TĐ ThS Trần Quang Thọ

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 3 PHA

1.1 Mô hình dàn pin mặt trời

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ thế giới của NASA

Từ hình 1.1 cho thấy Việt Nam có cường độ bức xạ mặt trời rất cao (trên2000/kW/m2/năm) Do đó tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rấtlớn Mặt trời là một định tinh trong hệ Mặt trời có dạng hình cầu và cấu thành từ cáchạt plasma nhiệt độ cao đan xen trong trường từ Nó cách trái đất khoảng149.600.000km và có đường kính gấp 109 lần đường kính trái đất Nó cũng có khốilượng gấp 745 lần tổng khối lượng các hành tinh khác trong hệ Mặt trời cộng lại.Nhiệt độ bề mặt mặt trời là 5778 độ K Quả cầu khổng lồ Mặt trời bao gồm 80%hydro và 19% heli Năng lượng mặt trời được phát ra khi hydro chuyển thành helitrong quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân Cứ 4 hạt hydro hợp thành 1 hạt heli vàbức xạ ra năng lượng gồm các hạt positron và neutrino gọi là photon tia gama như(1.1)

Bức xạ mặt trời trung bình từ Mặt trời đến Trái đất gọi là hệ số Mặt trời hay hệ

số bức xạ Tính theo NASA thì bằng 1353W/m2, còn theo Frohlich là 1377W/m2 vàđược tính theo (1.2):

) 2 1 ( 1367

.

.

W r



4H1→He4+ 2++ 2+ 25 MeV (1.1)

Trong đó L là độ sáng của mặt trời bằng 3.86x1026W, còn r là đơn vị thiên vănbằng 149.6x1019m.

Tuy nhiên, Quả đất chỉ hấp thu được một phần của bức xạ của Mặt trời do có

sự hấp thu của khí quyển và phản xạ ngược lại của Quả đất Phổ bức xạ của Mặt trờithể hiện trên hình 1.2 Việc hấp thu bức xạ Mặt trời để chuyển thành điện năng là pinmặt trời phải sử dụng vật liệu phù hợp để cho hiệu suất tốt nhất phụ thuộc rất nhiềuvào công nghệ chế tạo

Hình 1.2 Phân bố của bức xạ Mặt trời

Hình 1.3 Cấu tạo của pin mặt trời

Về mặt cấu tạo, mỗi tế bào pin mặt trời là một mối nối bán dẫn P-N như hình1.3 Pin mặt trời sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi năng lượng bức xạ củamặt trời sang điện năng được mô tả như hình 1.4 Qui trình chế tạo pin mặt trờithường phải trãi qua các công đoạn chế tạo từ tinh thể bán dẫn dưới dạng wafer đếncell thành phẩm như hình 1.5

Chương 1 7

T2014-05TĐ ThS Trần Quang Thọ

Hình 1.4 Hoạt động của tế bào quang điện

Hình 1.5 Qui trình chế tạo pin mặt trời

Pin mặt trời được mô phỏng trong báo cáo này sử dụng mô hình hiện đại dựavào [1] Trong mô hình này, mỗi cell pin được thay thế bằng một nguồn dòng Iph mắcsong song với một diod D và mắc nối tiếp với một điện trở Rs như hình 1.6

Hình 1.6 Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời

Dòng quang điện Iphphụ thuộc vào cường độ bức xạ G và nhiệt độ Tc Dòng điện mỗicell Icđược xác định theo (1.3):

)3.1(

ph

c

s

e I

I

I

Trong đó: Islà dòng bão hòa ngược, K là hằng số Boltzmann

Hình 1.7 Thông số tấm pin 85W của hãng RedSun

Đặc tuyến của dàn pin ở hình 1.8 và 1.9 gồm có 6 nhánh mắc song song, mỗinhánh gồm 34 tấm pin RS-P618-85W của hãng REDSUN mắc nối tiếp cho tổng côngsuất khoảng 17,34kWp (phụ lục 1 và 2) Thông số của tấm pin 85W được thể hiện trênhình 1.7

Chương 1 9

T2014-05TĐ ThS Trần Quang Thọ

0 5 10 15 20 25 30

Hình 1.8 Đặc tuyến V-A của dàn pin thay đổi theo bức xạ

Đặc tuyến ở hình 1.8 cho thấy 3 trường hợp cường độ bức xạ khác nhau.Trường hợp G=1 cho cường độ bức xạ lớn nhất tương ứng 1000W/m2

G=0.3 Maximum power point

Hình 1.9 Đặc tuyến V-W của dàn pin thay đổi theo bức xạ

Đặc tuyến ở hình 1.9 cho thấy điểm công suất cực đại ở 3 trường hợp cường độbức xạ khác nhau có các điện áp khác nhau

Vs(t), Is(t) P(t)= Vs(t)* Is(t)

P(t) > P(t-1)

Begin P&O Algorithm

yes No

Update:

Vs(t-1) = Vs(t) P(t-1) = P(t)

Vs(t) > Vs(t-1) Vs(t) > Vs(t-1)

yes yes

Pmax của dàn pin mặt trời Tương ứng với điểm có công suất cực đại này là điện áp

VMPPTtrong giải thuật P&O gọi là điện áp Vrefthể hiện ở hình 1.11

z 1 Unit Delay1 z

1 Unit Delay

Vref Goto2

Pout Goto1 I_sol

From4

V_sol From3 Vnew

F2

Hình 1.11 Khối dò điện áp VrefĐoạn code trong F2 trình bày ở phụ lục 3

1.2 Điều chỉnh điện áp một chiều DC:

Dòng điện Id_ref phụ thuộc vào điện áp Vmppt của pin mặt trời và điện áp mộtchiều Vdc của bộ nghịch lưu được điều chỉnh theo điện áp Vmppt theo biểu thức (1.4)như hình 1.12 Dòng điện Id_ref này sẽ quyết định công suất bơm vào lưới 3 pha đượcthể hiện cụ thể ở chương 2

_ _

dc i dc p dp

ref

s

K K