Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám trong trạm phát điện dùng năng lượng mặt trời

MAI PHƯƠNG THUẤN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - MAI PHƯƠNG THUẤN TỰ ĐỘNG HÓA NGIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BÁM TRONG TRẠM PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC TỰ ĐỘNG HÓA 2008 - 2010 Hà Nội – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - MAI PHƯƠNG THUẤN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BÁM TRONG TRẠM PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC TỰ ĐỘNG HOÁ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn xây dựng hoàn toàn thân nghiên cứu thực dựa hướng dẫn cô giáo tham khảo tài liệu trích dẫn Tác giả luận văn: Mai Phương Thuấn DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung BĐK Bộ điều khiển ĐLH Động lực học DOF Bậc tự PD Proportion-Derivative Controller PID Proportion-Intergral-Derivative Controller HGO High Gain Observer DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình mạch tương đương Solar cell 10 Hình 1.2 Đặc tính pin lượng mặt trời theo hệ số λ 12 Hình 1.3 Đặc tính pin lượng mặt trời theo nhiệt độ T C 13 Hình 1.4 Đặc tính pin lượng mặt trời theo nhiệt độ Đặc tính 14 công suất lượng theo thời gian Hình 1.5 Cấu trúc chuyển động pin mặt trời theo trục 15 Hình 1.6 Vị trí sensor phương pháp điều khiển theo 16 trục Hình 1.7 Hai PPĐK bám trạm phát điện lượng mặt trời 17 Hình 1.8 Kết cấu khí chuyển động trạm phát lượng 17 mặt trời Hình 1.9 Bố trí sensor để xác định hướng chiếu sáng mặt trời 18 Hình 1.10 Minh họa hiệu phương pháp điều khiển bám pin 19 mặt trời Hình 2.1 Sơ đồ gốc tọa độ 21 Hình 3.1a Cấu trúc điều chỉnh hệ truyền động bám pin lượng mặt 31 trời Hình 3.1b Cấu trúc điều chỉnh chi tiết cho động 32 Hình 3.2 Sơ đồ cuộn dây dòng stator ĐCXCBP 32 Hình 3.3 Biểu diễn vector không gian hệ toạ độ từ thông rotor 35 Hình 3.4 Mô hình liên tục ĐCĐB kích thích vĩnh cửu hệ tọa 39 độ dq Hình 3.5 Mô hình trạng thái dạng phi tuyến yếu ĐCĐB hệ tọa 40 độ dq Hình 3.6 Sơ đồ khâu điều chỉnh dòng 42 Hình 3.7 Luật điều khiển PD với phản hồi tốc độ 44 Hình 3.8 Luật điều khiển PD với lượng đặt tốc độ 45 Hình 3.9 Luật điều khiển PD có bù trọng trường 49 Hình 3.10 Bố trí sensor để xác định hướng chiếu sáng mặt trời 51 Hình 4.1 Cấu trúc mô hệ truyền động bám pin lượng mặt 55 trời Hình 4.2 Cấu trúc mô chi tiết cho động 55 Hình 4.3 Cấu trúc mạch lực hệ truyền động 56 Hình 4.4.a Cấu trúc chi tiết mạch chỉnh lưu 56 Hình 4.4.b Cấu trúc chi tiết mạch nghịch lưu 56 Hình 4.5 Khối chuyển vị tọa dq → αβ 57 Hình 4.6 Khối chuyển vị tọa abc → dq 57 Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển PI 57 Hình 4.8 Mạch ổn định điện áp chiều DC_LINK 58 Hình 4.9 Cấu trúc điều chỉnh vị trí 58 Hình 4.10 Mô hình khớp khí phần chuyển động truyền động bám 59 pin lượng mặt trời Hình 4.11 Mô hình hóa hộp giảm tốc 59 Hình 4.12 Dạng góc quay để đạt công suất lớn 60 Hình 4.13 Đặc tính công suất max mà hệ cần đạt 60 Hình 4.14 Quĩ đạo đặt thực cho truyền động 1: góc quay θ1 61 Hình 4.15 Quĩ đạo đặt thực cho truyền động 2: góc quay θ2 61 Hình 4.16 Mối quan hệ công suất pin góc quay θ1 62 Hình 4.17 Mối quan hệ công suất pin góc quay θ2 62 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM TRONG 10 TRẠM PHÁT ĐIÊN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT 1.1 Đặt vấn đề 10 1.2 Phương pháp điều khiển 15 1.2.1 Một trục 15 1.2.1 Hai trục 16 1.3 Kết luận 19 Chương II : XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỆ 20 CHUYỂN DỘNG BẬC TỰ DO 2.1 Giới thiệu chung 20 2.1.1 Sơ đồ động học chuyển động hai bậc tự 20 2.1.2 Lập phương trình tọa độ : 21 2.1.3 Vận tốc chuyển động thứ i 22 2.1.4 Gia tốc chuyển động thứ i: 22 2.2 Phương trình động lực học hệ 22 2.2.1 Động hệ: 22 2.2.2 Thế hệ 26 2.2.3 Thành lập hàm Lagrange 27 2.3 Kết luận 30 Chương III : Xây dựng điều khiển bám trạm phát điện dùng 31 lượng mặt 3.1 Cấu trúc tổng quát điều khiển bam pin lượng mặt trời 31 3.2 Lý thuyết động đồng nam châm vĩnh cửu 32 3.2.1 Vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor 32 3.2.2 Động đồng ba pha có kích thích vĩnh cửu 36 3.3 Thiết kế điều chỉnh dòng điện 40 3.4 Thiết kế điều chỉnh vị trí 43 3.4.1 Bộ điều chỉnh vị trí có cấu trúc PD 43 3.4.2 Bộ điều chỉnh PD bù trọng trường 47 3.5 Tính toán góc quay vị trí sensor xác định hướng chuyển động 50 mặt trời 3.6 Kết luận 51 Chương IV : Mô hệ truyền động bám trạm phát điện dùng 52 lượng mặt 4.1 Giới thiệu phần mềm mô 52 4.2 Mô hệ truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu 53 (PMSM) 4.2.1 Tham số động mô 53 4.2.2 Tính toán tham số cho mô 54 4.2.3 Cấu trúc mô hệ truyền động bám pin lượng mặt trời 54 sử dụng động đồng 4.3 Kết mô hệ truyền động truyền động bám pin 59 lượng mặt trời sử dụng động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 4.4 Đánh giá kết mô 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 66 MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa hoc kỹ thuật, ngành Điều khiển Tự động hoá có bước tiến quan trọng Những bước tiến góp phần không nhỏ vào việc tăng suất lao động, giảm giá thành nâng cao chất lượng sản phẩm.Hiện vấn đề lượng vấn đề thiết, đòi hỏi nhiều nước phải tiết kiệm nguồn lượng sẵn có sử dụng tìm nguồn lượng để đáp ứng nhu cầu người Ở nước có công nghiệp phát triển việc khai thác nguồn lượng mặt trời phổ biến, họ tận dụng nguồn lượng sẵn có để đưa vào phục vụ đời sống người Ở nước ta, việc khai thác nguồn lượng măt trời mẻ bước đầu ứng dụng, phát triển Tuy nhiên, để phát triển lĩnh vực lượng đạt hiệu cao, cần tiếp cận theo hướng nghiên cứu thuật toán điều khiển thông minh, điều khiển nâng cao, áp dụng cho pin lượngt Theo hướng phát triển đó, tác giả luận văn định lựa chọn đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám trạm phát điện dùng lượng mặt trời làm đề tài cho luận văn cao học Đề tài đề cập đến vấn đề quan trọng điều khiển pin lượng mặt trời, vấn đề nâng cao chất lượng điều khiển bám ảnh hưởng nhiễu đến hệ thống Nội dung luận văn chia làm chương với nội dung sau: Chương 1- Tổng quan hệ truyền động bám trạm phát điện dùng lượng mặt trời: Giới thiệu nguyên tắc làm việc, phương pháp điều khiển pin lượng mặt trời Chương 2- Xây dựng phương trình động lực hệ chuyển động bậc tự do: Trình bày sơ đồ động học, xây dựng phương trình động năng, hệ chuyển động bậc tự Chương 3- Xây dựng điều khiển bám trạm phát điện dùng lượng mặt trời: Xây dựng mô hình động lực học động cơ, thiết kế độ điều khiển dòng, điều khiển vị trí, điều khiển PD bù trọng trườn tính toán góc quay, vị trí đặt sensor xác định hướng chuyển động mặt trời Chương 4- Mô hệ truyền động bám trạm phát dùng lượng mặt trời đánh giá kết quả: Tiến hành mô thuật toán điều khiển matlabsimulink đánh giá kết đạt được, đồng thời định hướng phát triển đề tài Trong trình nghiên cứu, tác giả luận văn cố gắng tiếp cận giải vấn đề cách triệt để Tuy vậy, thời gian có hạn trình độ chuyên môn nhiều điểm chưa hoàn thiện, chắn không tránh khỏi sai sót định Kính mong nhận đóng góp bảo thầy cô Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn Tự động hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho trình thực luận văn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS Bùi Quốc Khánh, người định hướng tận tình bảo, giúp đỡ để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè người ủng hộ nhiệt tình nguồn động viên to lớn suốt trình thực nghiên cứu + V L+ i - + I rectifier i - V+ I bus Proportional controller Gate g V bus + V bus (V) v I rectif ier (A) m - Meas I bus (A) Cbus Vdc2 To Workspace8 V L- V- Hình 4.8 Mạch ổn định điện áp chiều DC_LINK teta1 To Workspace PID teta_ref PID Controller Saturation Nref teta Kd w Hình 4.9 Cấu trúc điều chỉnh vị trí Để mô chuyển động truyền động bám pin lượng mặt trời dùng toolbox Simechanic để mô hình hóa Với đầu vào momen đầu vị trí truyền động bám pin lượng mặt trời thông qua sử dụng khối có sẵn Simechanic 58 MOTION Env MOT ION B Machine Environment F CS1 Ground Env B Machine Environment1 Body F Ground1 Revolute CS1 Body1 Revolute1 T1 T2 Joint Actuator Joint Actuator1 Joint Sensor tetha1 tetha2 w1 Joint Sensor1 w2 Hình 4.10 Mô hình khớp khí phần chuyển động truyền động bám pin lượng mặt trời Động truyền động tới khớp truyền động bám pin lượng mặt trời thông qua hộp giảm tốc có cấu trúc sau: Nh Nm Tl Tl Nl Shaft Th Nrdl Nm Tl Th Reduction device Nrdh High-speed shaft Nl Nl Shaft Tl Low-speed shaft Hình 4.11 Mô hình hóa hộp giảm tốc 4.3 Kết mô hệ truyền động truyền động bám pin lượng mặt trời sử dụng động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) Theo [] để có đường công suất tracking tốt góc quay phải có dạng sau phụ thuộc vào vị trí lắp đặt pin theo mùa sau: 59 Hình 4.12 Dạng góc quay để đạt công suất lớn Ta sử dụng kỹ thuật lookup table matlab để tạo đường công suất lớn nhất, từ đường công suất ta xây dựng dạng quĩ đạo góc quay cho trục truyền động Sau đó, so sánh đặc tính công suất max nội suy từ giá trị góc quay công suất max mà hệ thống cần đạt Tại 6s cho moment cản Mc1 = 10Nm tác động lên trục động truyền động Mc2 = 5Nm tác động lên trục truyền động Hình 4.13 Đặc tính công suất max mà hệ cần đạt 60 Hình 4.14 Quĩ đạo đặt thực cho truyền động 1: góc quay θ1 Hình 4.15 Quĩ đạo đặt thực cho truyền động 2: góc quay θ2 61 Hình 4.16 Mối quan hệ công suất pin góc quay θ1 Hình 4.17 Mối quan hệ công suất pin góc quay θ2 62 Ta thấy quan sát làm việc xác Hình 4-11, 4-12 đáp ứng hệ thống điều khiển trượt kết hợp quan sát (Hình 4-21) hoàn toàn giống đáp ứng hệ điều khiển trượt không dùng quan sát (Hình 4-15, 4-18) Như việc dùng quan sát tốc độ khớp, ta tiết kiệm cảm biến tốc độ, mà không ảnh hưởng đến chất lượng hệ điều khiển 4.4 Đánh giá kết mô Thông qua kết mô thu được, ta nhận thấy kết mô hoàn toàn đáp ứng tiêu điều khiển hệ truyền động bám Điều chứng tỏ xem xét áp dụng hệ điều khiển PD bù trọng trường áp dụng tốt cho đối tượng Robot công nghiệp cho hệ truyền động bám trạm phát điện dùng lượng mặt trời Các kết mô thực với đối tượng bậc tự dùng hệ truyền động xoay chiều nam châm vĩnh cửu Đây mô hình Robot đơn giản phổ biến Tuy nhiên, việc đáp ứng thu có chất lượng tương đối tốt cho thấy tính đắn thuật toán điều khiển PD bù trọng trường trạm phát điện di động dùng lượng mặt trời Việc sử dụng phần mềm Matlap-Simpower-Simmechanic cho phép mô gần xác đối tượng bậc cao thực tế Đây sở tin cậy triển khai thuật toán thực tế 63 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung làm rõ vấn đề sau: ¾ Tìm hiểu tổng quan pin lượng mặt trời phương pháp điều khiển dùng trạm phát điện di động dùng lượng mặt trời ¾ Phân tích đánh giá cụ thể phương pháp điều khiển kinh điển và điều khiển bám ứng dụng thực tế ¾ Khảo sát mô phương pháp điều khiển bám có bù lực trọng trường cho hệ truyền động bậc tự Xét mặt lý thuyết kết mô phỏng, luận văn giải cách vấn đề yêu cầu đặt Mặc dù chưa có kết thực nghiệm, xong kết lý thuyết thu tạo sở tốt cho việc thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động trạm phát điện di động thực tế Với lý thuyết điều khiển xây dựng trên, mục tiêu mà tác giả luận văn muốn tiếp tục phát triển mức cao đề tài tập trung hai hướng sau: ¾ Xây dựng mô hình đồ họa, mô hình mô khí áp dụng hai phương pháp điều khiển nghiên cứu Ngày nay, với trợ giúp từ phần mềm máy tính thông minh Solid Work, Matlab, 3D Max…thì việc xây dựng mô hình mô thực cho trạm phát điện di động dùng lượng mặt trời trở nên dễ dàng đầy đủ Từ kết đó, xem xét tới việc áp dụng trạm phát điện di động dùng lượng mặt trời thực dựa kỹ thuật vi điều khiển - xử lý tín hiệu số ¾ Bên cạnh việc xây dựng mô hình đồ họa, tác giả muốn nghiên cứu số phương pháp điều khiển nâng cao khác như: điều khiển thích nghi, điều khiển mờ hay điều khiển áp dụng mạng Nơron Đây thuật toán điều khiển thông 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh B.J Huang *, F.S Sun, Feasibility study of one axis three positions tracking solar PV with low concentration ratio reflector, Energy Conversion and Management 48 (2007) 1273–1280 Hossein Mousazadeh , Alireza Keyhani, Arzhang Javadi, Hossein Mobli, Karen Abrini, Ahmad Sharifi, A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systems output, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1800–1818 P Roth, A Georgiev, H Boudinov, Design and construction of a system for sun-tracking, Renewable Energy 29 (2004) 393–402 M Rebhi , M Sellam , A Belghachi and B Kadri, Conception and realization of sun tracking system of photovoltaic array in the south west Algerian, Revue des Energies Renouvelables Vol 12 N°4 (2009) 533 – 542 65 PHỤ LỤC Chương trình điều chế vector không gian cho động truyền động xoay chiều nam châm vĩnh cưu /*************************************************************************** / /* Chuong trinh tinh thoi gian dong ngat Van IGBT */ /* SPACE VECTOR MODULATION */ /* */ /*************************************************************************** / #define S_FUNCTION_NAME SVM_ab #define S_FUNCTION_LEVEL #include "simstruc.h" #include #ifndef MATLAB_MEX_FILE # include # include #endif #ifdef MATLAB_MEX_FILE static char *RCSfile = "$Workfile: SVM.c $"; static char *RCSrev = "$Revision: $"; static char *RCSdate = "$Date: 28.7.02 9:51 $"; #endif /* input argument access macros */ #define NUM_IN_ARGS #define SAMPLE_TIME (mxGetPr(ssGetSFcnParam(S, 0))[0]) static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S) { ssSetNumSFcnParams(S, NUM_IN_ARGS); if (ssGetNumSFcnParams(S) != ssGetSFcnParamsCount(S)) { # ifndef MATLAB_MEX_FILE rti_msg_error_set(RTI_SFUNCTION_PARAM_ERROR); # endif 66 return; } ssSetNumContStates( S, 0); ssSetNumDiscStates( S, 1); ssSetNumInputPorts( S, 1); ssSetNumOutputPorts( S, 1); ssSetInputPortWidth( S, 0, 4); /*Number of Input :4 */ ssSetOutputPortWidth( S, 0, 3); /*Number of Output :3 */ ssSetInputPortDirectFeedThrough( S, 0, 1); ssSetNumSampleTimes( S, 1); ssSetNumIWork( S, 2); ssSetNumRWork( S, 1); ssSetNumPWork( S, 0); } static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S) { real_T sampleTime = (real_T) SAMPLE_TIME; /* set sample time from parameter list */ if (sampleTime == -1.0) /* inherited */ { ssSetSampleTime(S, 0, INHERITED_SAMPLE_TIME); ssSetOffsetTime(S, 0, FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET); } else if ((sampleTime == 0.0)) /* continuous */ { ssSetSampleTime(S, 0, CONTINUOUS_SAMPLE_TIME); ssSetOffsetTime(S, 0, FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET); } else /* discrete */ { ssSetSampleTime(S, 0, sampleTime); ssSetOffsetTime(S, 0, 0.0); } } #define MDL_INITIALIZE_CONDITIONS #if defined(MDL_INITIALIZE_CONDITIONS) static void mdlInitializeConditions(SimStruct *S) { 67 } #endif static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid) { InputRealPtrsType uPtrs = ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0); real_T *y = ssGetOutputPortRealSignal(S,0); real_T Uan,Ubn,absUan,absUbn,a,b,c,Tx,Tu_dong,Tu_ngat,Tv_dong,Tv_ngat,Tw_dong,Tw_ngat; /*************************************************************************** / /* (*uPtrs[0])==Ua ; (*uPtrs[1])==Ub ; (*uPtrs[2])==Tx; (*uPtrs[3])==Umc */ /*************************************************************************** / Uan=(*uPtrs[0])/(*uPtrs[3]*2/3); Ubn=(*uPtrs[1])/(*uPtrs[3]*2/3); /* Normalize Ua*/ /* Normalize Ub*/ Tx=(*uPtrs[2]); if (Uan>=0) absUan=Uan; else absUan=-Uan; if(absUan>1) absUan=1; if (Ubn>=0) absUbn=Ubn; else absUbn=-Ubn; if (absUbn>1) absUbn=1; a=absUan+(absUbn/(sqrt(3))); b=absUan-(absUbn/(sqrt(3))); c=2*absUbn/(sqrt(3)); 68 if(Ubn