Nghiên cứu giải thuật MPPT cho hệ thống máy phát điện gió dùng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG SƠN THẠCH NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2019 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phúc Khải Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận vãn bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM ngày tháng năm Thành phần hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận vãn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận vãn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc - oOo - - oOo NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HOÀNG SƠN THẠCH MSHV: 1570390 Ngày sinh: 13/09/1987 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60.52.02.02 I TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: + Nhiệm vụ: học viên tìm hiểu lượng gió, hệ thống điện gió Tìm hiểu kỹ thuật MPPT cho hệ thống điện gió Tìm hiểu máy phát PMSG Chứng mơ phần mềm MATLAB Chứng minh giải thuật thực nghiệm + Nội dung: luận văn nghiên cứu vấn đề điều khiển phía máy phát để đạt cơng suất tối đa từ lượng gió sử dụng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu, đồng thời ngăn chặn tốc độ turbine để bảo vệ máy phát điều khiển II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 13/08/2018 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN PHÚC KHẢI Tp HCM, ngày 10 tháng 09 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA ĐỆN - ĐIỆN TỬ GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH LỜI CẢM ƠN Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Phúc Khải, người hết lòng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành đề tài Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến tồn thể quý Thầy Cô môn khoa ĐiệnĐiện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu thực đề tài Tp Hồ Chi Minh, ngày tháng năm 2019 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang i GVHD: NGUN PHÚC KHẤT HVTH: HỒNG SƠN THẠCH TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Vì lý bảo vệ mơi trường cải tiến kỹ thuật, phần lớn nhu cầu lượng điện đáp ứng nguồn phát nhỏ phân tán khu vực rộng Khái niệm gọi nguồn phát phân tán (Distributed generation - DG) thay bao gồm nguồn phát tập trung truyền thống Các cụm đơn vị DG kết nối với mạng điện cục bộ, gọi microgrids, để phục vụ tải cục tải phân tán Chúng hoạt động chế độ kết nối lưới độc lập Microgrids với đơn vị máy phát gần với tải, khoảng cách truyvền giảm, giúp giảm tổn thất truyền ngăn ngừa tải Hơn nữa, số microgrids hoạt động chế độ độc lập, nên khả điện bị giảm Ngồi ra, microgrids bao gồm nhiều đơn vị DG, nên độ tin cậy nâng cao Các đơn vị DG, thường bao gồm nguồn tái tạo lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch), tua-bin gió, pin quang điện, pin nhiên liệu, ứng dụng nhiệt điện kết hợp Hệ thống chuyển đổi lượng gió nguồn lượng tái tạo quan trọng có mức sử dụng lớn Hệ thống điện gió giao tiếp với lưới điện thông qua chuyển đổi điện tử cơng suất Vì microgrids hoạt động hai chế độ hoạt động kết nối lưới đảo, biến tần DCC/AC sử dụng để điều khiển hòa lưới chuyển đổi chế độ hòa lưới cục Bộ chuyển đổi AC/DC phía máy phát điều khiển máy phát để thu lượng gió tối đa từ gió Ở tốc độ gió cụ thể, lượng gió thu hàm tốc độ cánh quạt Chỉ tuabin quay với tốc độ tối ưu, thu lượng tối đa từ gió Do đó, kỹ thuật theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) quan trọng hệ thống chuyển đổi lượng gió, góp phần giảm chi phí đầu tư hệ thống tăng thâm nhập nguồn lượng vào hệ thống điện Ngoài ra, điều khiển máy phát, việc phát tốc độ gió tăng nhanh vượt định có phương pháp làm giảm tốc độ gió để bảo vệ tua bin vấn đề quan tâm hệ thống điện gió Trên sở đó, Luận văn nghiên cứu vấn đề: điều khiển phía máy phát để đạt cơng suất tối đa từ lượng gió sử dụng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG), đồng thời ngăn chặn tốc độ turbine để bảo vệ máy phát điều khiển LUẬN VĂN CAO HỌC Trang GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH ABSTRACT For environmental protection and technical innovation, the majority of electricity demand will be met by smaller generation sources that can be dispersed over a wide area This concept is called Distributed generation (DG) instead of only focusing on traditional sources Groups of DG unit can be connected to a local power network, called microgrids, to supply local and distributed loads They can operate in grid connected or islanded mode Microgrids with DG units are close to the loader, so the transmission distance is reduced, result on decrease transmission losses and prevents overloading Moreover, because some microgrids can operate in islanded mode, the possibility of power cut-off is reduced Besides, since microgrids consist of many DG units, reliability is also improved DG units, often include both renewable and traditional (fossil energy) sources, such as wind turbines, photovoltaic cells, batteries, heat and power applications Wind energy conversion systems are an important source of renewable energy and currently is the most popular solution Wind power system is connected with the grid through power electronic converters Because microgrids can operate in both grid-connected and inverted operation modes, the DCC / AC inverter is used to control grid connection and switch between grid-connected and islanded mode The AC I DC converter controls the generator to get maximum energy from the wind At a specific speed, the wind energy obtained is a function of the rotor speed Only when the turbine rotates at the optimum speed can the maximum energy gain from the wind be obtained Therefore, the maximum power point tracking (MPPT) technique is very important for wind energy conversion systems, it reduces system investment costs and increases the contribution of wind energy into power system In addition, in the control of the generator, the detection of overspeed and there is a method to reduce the wind speed to protect turbines is also a concern of the wind power system On that basis, the thesis will study two issues: control the generator side to achieve maximum power from wind energy using permanent magnet synchronous generator (PMSG), and prevent turbine from overspeed to protect the generator on the same controller LUẬN VĂN CAO HỌC Trang GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận vãn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu giải thuật MPPT hệ thống điện gió sử dụng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu” cơng trình nghiên cứu thân tôi, duới sụ huớng dẫn Tiến Sĩ NGUYỄN PHÚC KHẢI, số liệu kết thục nghiệm hồn tồn trung thục Tơi cam đoan khơng chép cơng trình khoa học nguời khác, sụ tham khảo có trích dẫn rõ ràng Tp Hồ Chi Minh, ngày tháng năm 2019 Học viên Hoàng Sơn Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC Trang GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH MINH HỌA vii DANH MỤC BẢNG BIÊU ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix CHUƠNG1: MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHUƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 2.1 TỔNG QUAN 2.2 HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ: 2.2.1 Tua-bin gió: 2.2.2 Năng lượng gió: 2.2.3 Cánh đồng gió: 11 2.2.4 Máy phát điện gió: 13 2.3 ĐIỀU KHIÊN HỆ THỐNG CƠ: 21 2.3.1 Tốc độ cố định tốc độ thay đổi: 21 2.3.2 Truyền động hộp số trực tiếp: 23 CHUƠNG 3: MÁY PHÁT PMSG VÀ GIẢI THUẬT MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 25 3.1 MƠ HÌNH TỐN MÁY ĐIỆN PMSG 25 3.2 ĐIỀU KHIÊN MPPT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG 29 3.3 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BOOST: 33 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang V GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG : 35 4.1 ĐIỀU KHIÊN MPPT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG PMSG [14] ' 35 4.1.1 Điều khiển tỉ số đầu cánh (TSR): 36 4.1.2 Tín hiệu cơng suất hồi tiếp (PSF): 37 4.1.3 Tìm kiếm leo đồi (HCS): 38 4.2 GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN ÁP DỤNG TRÊN CÁC VÙNG TỐC ĐỘ GIÓ KHÁC NHAU: 39 4.2.1 Điều khiển PSF cải tiến (M-PSF): 40 4.2.2 HCS cải tiến (M-HCS): 42 4.2.3 Giải thuật MPPT đề xuất: 46 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KÉT QUẢ : 49 5.1 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 49 5.1.1 Giải thuật MPPT HCS truyền thống: 53 5.1.2 Giải thuật C - MPPT đề xuất: 56 5.2 THỤC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 64 5.2.1 Xây dụng mạch thục nghiệm: 64 5.2.2 Kết thục nghiệm: 67 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 70 6.1 KẾT LUẬN 70 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 71 TÀI LỆU THAM KHẢO 72 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang vi GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HỒNG SƠN THẠCH DANH MỤC HÌNH MINH HỌA Hình 1.1 Tua-bin gió 8MW Siemens Gamesa Hình 1.2 Đồ thị cơng suất lý tuởng Hình 2.1 Mơ hình sản xuất điện gió Hình 2.2 Các loại tua-bin gió Hình 2.3 Tua-bin gió trục ngang Hình 2.4 Tỉ số đầu cánh hệ số Cp 10 Hình 2.5 Cánh đồng gió bờ biển 12 Hình 2.6 Kết nối tua-bin gió 13 Hình 2.7 Máy phát không đồng 14 Hình 2.8 Máy phát đồng 15 Hình 2.9 Máy phát cục từ ẩn cục từ lồi 16 Hình 2.10 Máy phát PMSG 18 Hình 2.11 Inner and outer rotor 19 Hình 2.12 Radial Flux, Axial Flux and Transverse flux PMSG 20 Hình 2.13 Điều khiển hệ thống 22 Hình 2.14 Truyền động trực tiếp hộp số 23 Hình 3.1 Mặt cắt trục máy phát PMSG 26 Hình 3.2 Mạch tuơng đuơng PMSG khung dqO 28 Hình 3.3 Đặt tuyến Công suất, tốc độ 30 Hình 3.4 Điều khiển HCS 32 Hình 3.5 Điều khiển TSR WECS 32 Hình 3.6 Điều khiển PSF WECS 33 Hình 3.7 Bộ biến đổi DC DC BOOST 33 Hình 4.1 Hệ thống chuyển đổi luợng gió PMSG 36 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang vii GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH điểm xác lập, nói cách khác, giá trị chu kỳ nhiệm vụ D dao động quanh điểm điểm vận hành gần MPP, làm giảm hiệu suất MPPT giải thuật Vì vậy, để giảm độ dao động vị trí gần MPP thục, ta cần phát thời điểm hệ thống dao động quanh MPP cách xét thêm tham số phần trăm độ thay đổi công suất APdc/Pdc, tỉ số đuợc so sánh với giá trị ngưỡng APcrit để xác định thời điểm tốc độ gió tương đối ổn định giá trị Pdc gần giá trị MPP thực (4.16) Điều kiện (4.16) thỏa mãn, điểm vận hành tiến gần với MPP thực, ta tăng độ xác theo dõi cách giảm biên độ nhiễu loạn, đề tài đề xuất giảm dần giá trị bước nhảy AD biểu thức sau: /Ari _ r> si5n(AOm0)+sipn(ADml)+sipn(ADm2)+-+sipn(ADm) ^m+1 — UO- m +1 < APcrit -> m = m—m k (4.17) Pdc Trong àDm+1 giá trị bước nhảy bước kế tiếp, m biến số đặt biểu thức (4.16) thỏa mãn, tức công suất thu gần ổn định Sau chu kỳ, giá trị m tăng lên đơn vị, dao động quanh điểm MPP, giá trị D dao động tăng/giảm quanh điểm Dopt Vì vậy, dấu bước nhảy thay đổi liên tục +/- nên tổng giá trị dấu -1, chia cho tổng số lần dao động (m) giá trị bước nhảy giảm m lần so với giá trị Do, nên giá trị công suất thu gần với giá trị thực Giải thuật HCS cải tiến đề xuất sơ đồ hình 4.9 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 44 GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH Hình 4.17 Giải thuật M-HCS 4.2.3 Giải thuật MPPT đề xuất: Từ phân tích phần trước, nhận thấy giải thuật cải tiến M-PFS MHCS áp dụng cho điều khiển MPPT hệ thống điện gió sử dụng PMSG Tuy nhiên, áp dụng giải thuật riêng lẻ, giải thuật gặp nhiều bất lợi Ví dụ phương pháp M-PFS, đề tài đề xuất đo công suất tại, tính giá trị điện áp tối ưu đưa vào vòng lập điều khiển điện áp, giá trị kopt thường khơng biết đến khơng xác Ở giải thuật M-HCS, giải thuật cải thiện so với HCS truyền thống cách thêm vào biến số dP/P xác định thời điểm công suất ổn định sau giảm dần giá trị gia số để công suất thu gần với giá trị MPP thực Tuy nhiên, hệ thống điện gió có qn tính lớn hiệu suất điều LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 45 GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH khiển giảm, dẫn đến hiệu suất MPPT thấp Đặc biệt truờng hợp tốc độ gió thay đổi nhanh Tù đó, đề tài đề xuất giải thuật có sụ kết hợp giải thuật cải tiến này, với mục đích là: ban đầu áp dụng tìm kiếm MPP giải thuật M-HCS để xác định đuợc điểm công suất tối đa, điện áp Viink điểm vận hành này, tù tính giá trị kopt làm tín hiệu đầu vào cho giải thuật M-PFS Giải thuật đề xuất nhu hình 4.10 Giải thuật đề xuất có luu đồ giải thuật nhu hình 4.10, đuợc gọi giải thuật kết hợp (CMPPT) Trên luu đồ ta thấy rõ phần giải thuật M-PSF M-HCS Ban đầu biến PFSON có giá trị 0, điều khiển chạy giải thuật M-HCS để đạt điểm MPP, giá trị cơng suất ổn định hiểu giá trị chu kỳ nhiệm vụ đuợc giảm đến LUẬN VĂN CAO HỌC Trang 46 GVHD: NGUYÊN PHÚC KHẤT HVTH: HOÀNG SƠN THẠCH mức bé ADth biến PFS ON đuợc bật lên 1, lúc tính Kopt điểm MPP Kể từ giải thuật PFS đảm đuơng nhiệm vụ điều khiển công suất Vậy giải thuật M-HCS chạy lần Một vấn đề quan trọng khác tốc độ tải xảy trình tìm kiếm MPP Thay sủ dụng tải điện trở để tiêu tán luợng mức, phuơng pháp dụa điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ đơn giản đuợc sủ dụng Khi phát tốc độ tải (Viink > Vn Pdc > P