THUẬT TOÁN MPPT CHO HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

Nguồn năng lượng gió đã trở nên ngày càng quen thuộc như một nguồnnăng lượng tái tạo bởi vì những lợi ích của nó như không cần nhiên liệu, không ônhiễm, và là nguồn năng lượng vô tận. Công suất đầu ra của hệ thống năng lượnggió biến đổi liên tục như sự thay đổi của tốc độ gió. Để hoạt động trong điều kiệnthay đổi liên tục, hệ thống năng lượng gió cần một bộ chuyển đổi công suất. Mộtvài công việc được xem xét như là những sự khác nhau của máy phát điện và bộchuyển đổi công suất cho hệ thống tuabin gió có tốc độ thay đổi. Máy phát đồng bộnam châm vĩnh cửu (PMSG) được chọn bởi vì hiệu suất cao, độ tin cậy cao, mật độcông suất cao, cấu trúc không có bánh răng. Việc điều khiển PMSG để đạt tới điểmcông suất cực đại (MPP) có thể được hoàn thành nhờ sử dụng một mạch phân cáchcông suất điện. Một vài phương pháp tìm điểm công suất cực đại (MPPT) đượcphát triển để bắt điểm công suất cực đại của tuabin.

THUẬT TOÁN MPPT CHO HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

GVHD: Trần Công Binh

Nhóm SV:

2 Nguyễn Trọng Tuấn 41204295

3 Hồ Đắc Thuận 41203697

4 Nguyễn Tấn Tùng 41204398

I GIỚI THIỆU

Nguồn năng lượng gió đã trở nên ngày càng quen thuộc như một nguồn năng lượng tái tạo bởi vì những lợi ích của nó như không cần nhiên liệu, không ô nhiễm,

và là nguồn năng lượng vô tận Công suất đầu ra của hệ thống năng lượng gió biến đổi liên tục như sự thay đổi của tốc độ gió Để hoạt động trong điều kiện thay đổi liên tục, hệ thống năng lượng gió cần một bộ chuyển đổi công suất Một vài công việc được xem xét như là những sự khác nhau của máy phát điện và bộ chuyển đổi công suất cho hệ thống tuabin gió có tốc độ thay đổi Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) được chọn bởi vì hiệu suất cao, độ tin cậy cao, mật độ công suất cao, cấu trúc không có bánh răng Việc điều khiển PMSG để đạt tới điểm công suất cực đại (MPP) có thể được hoàn thành nhờ sử dụng một mạch phân cách công suất điện Một vài phương pháp tìm điểm công suất cực đại (MPPT) được phát triển để bắt điểm công suất cực đại của tuabin

Trong nghiên cứu này, bề mặt tải PMSG được tạo ra thông qua một bộ chỉnh lưu PWM Bộ chỉnh lưu được điều khiển và MPPT được sử dụng trong việc xác định tốc độ rotor tối ưu cho mỗi tốc độ gió để đạt được công suất cực đại Thuật toán xuất ra công suất cực đại được nghiên cứu có thể được phân loại theo 3 phương pháp chính có tên là Điều khiển moment tối ưu (OTC), Hồi tiếp tín hiệu công suất (PSF) và điều khiển HCS

Trong thuật toán thứ nhất, thuật toán OTC điều chỉnh moment máy phát giá trị tối ưu của nó tại các tốc độ gió khác nhau Phương pháp này yêu cầu những đặc

điểm riêng biệt của tuabin gió (Cpmax và opt) Trong phương pháp thứ hai, quỹ đạo công suất tham khảo sẽ được mô tả như một hàm của công suất và tốc độ quay hoặc nó có thể được tích trữ như một bảng tra cứu Hạn chế chính của phương pháp này là đường cong công suất cực đại có thể thu được bằng mô phỏng hoặc kết quả kiểm tra thí nghiệm Vì vậy, nó rất phức tạp để thực hiện Phương pháp cuối cùng là một phương pháp thú vị để đạt được điểm MPPT trong tuabin gió; nó được gọi là thuật toán thay đổi và nhận xét (P&O) hoặc HCS Thuật toán HCS là một thuật toán dễ sử dụng, nó không yêu cầu những kiến thức trước về tuabin gió, máy phát điện và đặc điểm của gió

Trong phạm vi của hệ thống năng lượng gió với tốc độ thay đổi, phương pháp này mang lại một điểm làm việc gần với Cpmax bởi việc tăng và giảm và sau

đó thay đổi tốc độ quay bởi một biện pháp thay đổi Hơn nữa, việc chọn một kích

cỡ bước nhảy phù hợp không phải là một công việc dễ dàng: mặc dù kích thước bước nhảy lớn hơn có nghĩa là một sự đáp ứng nhanh hơn và dao động nhiều hơn xung quanh điểm cực đại, và vì lý do đó, hiệu suất bé hơn, một kích thước bước nhảy nhỏ hơn cải thiện hiệu suất nhưng làm giảm tốc độ hội tụ Hai vấn đề nghiêm trọng của phương pháp điều khiển HCS mà có thể làm hư hỏng một cách nghiêm trọng kết quả của nó: cân đối hiệu suất-tốc độ và sự định hướng sai dưới sự thay đổi nhanh của gió

Để giải quyết vấn đề này, phương pháp lai mang tên HHCS được mô tả trong nghiên cứu này nơi mà phương pháp điều khiển OTC được kết hợp với phương pháp HCS truyền thống Những ưu điểm của hai phương pháp MPPT này được kết hợp lại với nhau để giải quyết một vấn đề kinh điển của thuật toán HCS Chúng ta tạo ra sự kết hợp này trên một hệ thống tuabin gió sử dụng nhiều phương pháp MPPT khác nhau (OTC, PSF và HHCS) Kết quả được kiểm tra bởi việc mô phỏng trên MATLAB

II MÔ HÌNH TOÁN HỌC :

Mô hình tổng quan hệ thống chuyển đổi công suất năng lượng gió

II.1 TUABIN GIÓ:

Công suất cơ ngõ ra của turbine gió:

2 3 w

1

( , ) 2

P   R V C  

 : tỉ trọng không khí

 : góc cánh quạt.

R : bán kính của cánh quạt gió.

w

V : tốc độ gió.

Đặc tuyến công suất theo tốc độ turbine

Tỉ số tốc độ đỉnh của turbine gió là:

w

rotor R

V



 

Hệ số công suất của tuabin gió phụ thuộc vào   :,

w

Turbine

p

ind

P

C

P



và

5 1

1

c x

i





3

1 1 0.035

0.08 1

i

     

Các hệ số c1, c2, c3, c4, c5, c6 phụ thuộc vào loại turbine gió c1 = 0.5176, c2 =

116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 và c6 = 0.0068, Cpmax = 0.48 khi β = 0 và λ = 8.1

Đặc tuyến Cp theo  và β

Moment cơ ngõ ra của turbine gió:

3 2 w

2

p m

rotor

R C V P

II.2 MÔ HÌNH CỦA PMSG

Điện áp stator trên 2 trục dq của PMSG:

ds

ds s ds d e q qs

qs

qs s qs q e d ds e r

di

dt di

dt



�

�

�

ds qs

v v : điện áp tức thời stator trên 2 trục dq của PMSG.

,

ds qs

i i

: dòng điện tức thời stator trên 2 trục dq của PMSG

,

d q

L L : điện cảm trên 2 trục dq.

e

 : tốc độ góc điện của rotor.

r

 : từ thông móc vòng của nam châm vĩnh cửu trên rotor.

Mạch điện tương đương của PMSG trên 2 trục dq:

Đặt:

d e q qs e d

q e d ds e r e d

Công suất cơ tác dụng của PMSG:

3

2

Moment điện từ của máy phát:

3

2 2 / 2

em

e

p

 



và

3

2 2

p

III PHƯƠNG PHÁP MPPT

III.1 ĐIỀU KHIỂN MOMENT TỐI ƯU

Điều khiển momen tối ưu điều chỉnh momen máy phát đến giá trị tối ưu của

nó tại các tốc độ gió khác nhau Tuy nhiên, nó đòi hỏi kiến thức về các đặc tính của tuabin (Cpmax và λopt) Nếu các điều kiện là tối ưu, tốc độ tối ưu của rotor có thể được ước lượng như sau:

Ta có công suất cực đại ngõ ra bởi tuabin gió được cho bởi công thức sau:

Và momen cực đại là:

Trong đó Kopt là một hằng số xác định bởi các đặc tính của tuabin gió

III.2 HỒI TIẾP TÍN HIỆU CÔNG SUẤT (PSF)

Điều khiển hồi tiếp tín hiệu công suất tạo ra tham khảo để tối đa hóa công suất ngõ ra Tuy nhiên nó đòi hỏi kiến thức về đường cong công suất cực đại của tuabin gió, đường cong này có thể thu được từ các kết quả thí nghiệm hoặc mô phỏng Sau đó, các điểm dữ liệu cho công suất tuabin cực đại và tốc độ tuabin gió tương ứng phải được ghi chép trong một bảng tra cứu Phương pháp điều khiển PSF điều chỉnh công suất tuabin để giữ nó tại một giá trị tối ưu, để mà hệ số công suất Cp luôn luôn đạt giá trị cực đại của nó tương ứng với tỷ số tốc độ TIP tối ưu

III.3 HYBRID HILL CLIMB SEARCH

HCS được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng gió để xác định điểm làm việc tối ưu, điều đó sẽ tối đa hóa công suất ngõ ra Điều khiển này dựa trên cơ sở thay đổi một biến điều khiển với một bước nhảy và quan sát kết quả,

công suất được đưa ra trước đó được so sánh với công suất sau khi xảy ra quá trình nhiễu loạn Việc lựa chọn một bước nhảy thích hợp là một nhiệm vụ không dễ dàng: nếu kích cỡ bước nhảy lớn hơn đưa ra một đáp ứng nhanh hơn và sự dao động lớn hơn xung quanh điểm cực đại và do đó làm giảm giá trị hiệu suất Một kích cỡ bước nhảy nhỏ hơn cải thiện hiệu suất nhưng quá trình điều khiển sẽ trở nên rất chậm, như được thể hiện ở hình 3 Cần có một sự cân đối giữa tốc độ hiệu chỉnh và hiệu suất điều khiển

Độ lớn của kích cỡ bước nhảy là yếu tố chính xác định biên độ của dao động

và theo đó là tốc độ hội tụ đến đáp ứng cuối cùng Để đạt được sự cân đối này, kích

cỡ bước nhảy của biên độ khác nhau có thể được áp dụng Biên độ kích cỡ bước nhảy có thể được xác định dựa vào sự biến đổi công suất dựa trên sự nhiễu loạn được áp dụng trước đó Vậy nên, biên độ kích cỡ bước nhảy lớn hơn được chọn khi công suất ở xa điểm MPP bởi vì biên độ lớn hơn của độ dốc Pm và biên độ nhỏ được chọn khi công suất gần điểm MPP Kích cỡ bước nhảy giảm liên tục cho đến khi nó tiến gần đến 0 nhằm để lái điểm hoạt động ổn định tại điểm MPP

Một nhược điểm của phương pháp HCS, được mô tả trong hình 4, xuất hiện trong trường hợp có một sự tăng đột ngột tốc độ gió, khi mà đáp ứng của thuật toán như thể là sự tăng được xảy ra như là một kết quả của sự thay đổi tốc độ làm việc trước đó

Điều khiển HCS; a) Bước nhảy nhỏ; b) Bước nhảy lớn

Quyết định sai lầm này dẫn tới sự thất bại trong việc giữ vị trí điểm MPP Việc sử dụng biên độ kích cỡ bước nhảy khác nhau khắc phục sự cân đối giữa tốc

độ đáp ứng và sự dao động xác lập xảy ra trong phương pháp P&O truyền thống,

nhưng nếu điểm làm việc của hệ thống thay đổi nhanh chóng (gió thay đổi nhanh), thuật toán sẽ dẫn đến các sai số

a) Độ lệch của điểm công suất cực đại với thuật toán HCS dưới điều kiện gió thay

đổi nhanh chóng; b) Hoạt động ở Mode 2

Trong phương pháp này, HHCS được trình bày để dò điểm công suất cực đại, MPP, nơi mà phương pháp OTC được kết hợp với HCS để giải quyết hai vấn

đề liên quan đến HCS truyền thống: sự cân đối hiệu suất-tốc độ và sự định hướng sai khi mà tốc độ gió thay đổi nhanh chóng

Trong suốt quá trình dò tìm điểm cực đại, nếu chúng ta tình cờ đạt đến điểm cực đại, chúng ta có thể xuất ra Kopt từ việc đo lường công suất cơ và tốc độ quay Một khi đã biết Kopt, nó có thể đáp ứng cho việc suy ra m

cho cả kích thước và việc định hướng của sự thay đổi tiếp theo khi mà sự thay đổi tốc độ gió được phát hiện Bước tốc độ có thể được tính toán theo phương trình (12) Sự thay đổi kích

cỡ sẽ tự động tiến gần đến 0 và nhờ vậy loại bỏ sự cân đối hiệu suất-tốc độ của HCS thông thường Vấn đề này được đưa ra bởi Kazmi và được ứng dụng để điều chỉnh chu kì nhiệm vụ của bộ chuyển đổi tăng giảm điện áp DC-DC

Thuật toán HCS

Trong đó, ωm* là hoành độ của đường cong tối ưu tương ứng với công suất

cơ Hình 4 đưa ra một ví dụ của điều khiển HHCS làm việc trong Mode 2 Sự định hướng trong đó điểm hoạt động dịch chuyển là sự định hướng của ωm – ωm*, (điểm

A đến B) Mode 2 hoạt động cho đến khi điểm hoạt động tiếp cận đủ gần đến đường cong đặc tính mô tả bởi Kopt Lưu đồ của điều khiển MPPT HHCS được thể hiện trong hình 5

IV MÔ PHỎNG SỐ

Sơ đồ hệ thống mô phỏng được thể hiện trong Hình 1 Bộ acqui có điện áp 800V được xem xét và giá trị của nó là hằng số với bất kỳ tốc độ gió nào Một cách thức điều khiển vectơ được sử dụng, nguyên lý của nó là để điều khiển tốc độ quay PMSG theo một tốc độ tham khảo tối ưu thu được từ một bộ điều khiển MPPT Trong điều khiển này, dòng tham khảo theo trục d được cài đặt bằng 0 để làm giảm tổn hao đồng trong cuộn dây stator Dòng tham khảo trục q tỷ lệ với momen tham khảo sinh ra từ một bộ điều khiển MPPT và biến đổi dưới sự thay đổi của tốc độ gió

Các phương pháp MPPT được nghiên cứu là OTC, PSF và HHCS Hình 6

mô tả một cái nhìn tổng quan về tốc độ gió Các bộ điều khiển MPPT đưa ra momen tối ưu và tốc độ máy phát tối ưu để đạt được công suất cực đại nhất có thể

có Công suất cơ, tốc độ rotor, hệ số công suất và tỷ số tốc độ TIP, với một cái nhìn

rõ ràng được thể hiện từ hình 7 tới hình 10 Khả năng dò tìm tốt nhất được tiến hành Các kết quả được tổng kết trong bảng 1 đối với tốc độ gió 10m/s tương ứng với công suất tối ưu là 1874.03W Hiệu suất hệ thống được tính toán bởi phương trình sau:

Trong đó, PMPPT là công suất cơ cực đại của máy phát theo phương pháp đã được chọn và công suất cơ Popt được cho trong các điều kiện tối ưu

Nếu không có phương pháp MPPT, thì công suất cực đại đạt được là 749.6W với giá trị hệ số công suất không vượt quá 0.22 trong khi giá trị cực đại của hệ số này là 0.475 đối với tuabin được xem xét Bộ điều khiển HHCS dường như là nhanh nhất trong việc thiết lập chế độ xác lập (0.0103s so với 0.19s của PSF và 0.72s của OTC)

Bộ điều khiển HHCS có vẻ là nhanh nhất trong việc thiết lập chế độ xác lập trong khi bộ điều khiển OTP và PSF dường như chậm hơn Giá trị tối ưu của hệ số công suất có thể đạt được và giá trị này được giữ vững ngay cả sau khi sự thay đổi trong tốc độ gió với một hiệu suất 99.95% (hình 11) Vậy nên, nó được kết luận từ các kết quả mô phỏng của thuật toán điều khiển có khả năng cao trong việc dò tìm điểm công suất cực đại, cái mà được mô tả rõ ràng trong đặc tuyến công suất cơ theo tốc độ rotor trong hình 12

Biểu đồ tốc độ gió

a) Dạng sóng của tốc độ rotor; b) Hình ảnh của trạng thái quá độ

a) Dạng sóng của công suất cơ; b) Hình ảnh của trạng thái quá độ

a) Dạng sóng của hệ số công suất; b) Hình ảnh của trạng thái quá độ

a) Dạng sóng của công suất cơ; b) Hình ảnh của trạng thái quá độ

Đồ thị hiệu suất Công suất turbine theo tốc độ quay

V KẾT LUẬN

Nghiên cứu này đề xuất một thuật toán MPPT mới cho hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Điều khiển này được sử dụng để đạt được sự cân đối giữa tốc độ đáp ứng và sự dao động xác lập và khẳng định sự thay đổi tốc độ gió sẽ hướng HHCS trong một sự định hướng đúng

Để xác thực lại hiệu suất của phương pháp MPPT đã đề xuất, mô hình mô phỏng được xây dựng Điều khiển HHCS được so sánh với các phương pháp PSF

và OTC truyền thống và các kết quả cho thấy ưu điểm của phương pháp HHCS trong khoảng tốc độ đáp ứng và hiệu suất dưới sự thay đổi nhanh chóng của tốc độ gió Phương pháp này có khả năng ứng dụng tốt trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió loại khác