Hệ thống lưu trữ điện acquy (BESS) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các mạng điện cục bộ. Để nâng cao tính động học cho BESS, và thuận lợi cho việc triển khai thuật toán bằng các vi điều khiển hay DSP, tác giả đã xây dựng bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat. Nội dung của phương pháp là: Dựa trên nền tảng của phương pháp điều khiển tựa theo vectơ điện áp lưới trong hệ tọa độ quay dq, có khối phát xung theo phương pháp điều chế vectơ không gian SVM. Tham khảo bài viết để biết thêm nội dung chi tiết.
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KIỂU DEAD-BEAT ĐỂ NÂNG CAO TÍNH ĐỘNG HỌC CHO HỆ THỐNG LƯU TRỮ TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ DYNAMIC IMPROVEMENT OF BESS USING DEAD-BEAT TYPE CONTROLLER Ngô Đức Minh Nguyễn Văn Liễn Trường Đại học KTCN- Đại học Thái Nguyên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Hệ thống lưu trữ điện acquy (BESS) ngày ứng dụng rộng rãi mạng điện cục Để nâng cao tính động học cho BESS, thuận lợi cho việc triển khai thuật toán vi điều khiển hay DSP, tác giả xây dựng điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat Nội dung phương pháp là: Dựa tảng phương pháp điều khiển tựa theo vectơ điện áp lưới hệ tọa độ quay dq, có khối phát xung theo phương pháp điều chế vectơ khơng gian SVM Hệ phương trình mô tả hệ thống viết không gian trạng thái gián đoạn hóa với chu kỳ trích mẫu nhỏ (5kHz) để làm sở cho điều chỉnh dòng điện cho giá trị dòng điện thực đuổi kịp giá trị đặt khoảng thời gian cần thiết Ví dụ, chọn chu kỳ trích mẫu Kết mô Matlab/Simulink cho thấy cấu trúc điều khiển thỏa mãn yêu cầu đặt với hệ BESS, cho đáp ứng động học hệ thống nhanh ABSTRACT Battery Energy Storage Systems (BESS) are widely used in local power networks In order to improve dynamic response of the BESS and to take advantage of implementation algorithms based on microprocessors or Digital Signal Processing (DSP) systems, the authors of the paper proposed a deadbeat current controller design for the BESS The main idea of the method is relied on the grid voltage oriented vector control approach on the well-known dq rotational frame and the space vector SVM pulse width modulation technique The system is described by state-space equations that are then transformed into the discrete-time domain with a high sampling frequency (5kHz) The designed controller guarantees that the actual values of the plant currents follow their set values after a desired time (in sampling periods) Result, simulated by Matlab/Simulink, shows that this control structure satisfies established demands toward BESS system and has fast dynamic response I ĐẶT VẤN ĐỀ đòi hỏi điều khiển phải có tính động học cao, chất lượng điều khiển đảm bảo điện áp phát ta BESS phải thỏa mãn tiêu chất lượng điện năng, ta ứng dụng phương pháp VOC thiết kế điều khiển kiểu Dead-Beat, khối phát xung theo phương pháp điều chế vector khơng gian SVM BESS thiết bị tích trữ lượng nguồn acquy, ngày ứng dụng rộng rãi mạng điện cục Điều khiển BESS có nhiều phương pháp đưa ra, phương pháp có ưu, nhược điểm riêng Ví dụ như: Phương pháp VOC với điều khiển dòng theo kiểu PI số có chất lượng điều khiển cao, tính động học thấp (hàng trăm ms),[1]; Phương pháp điều khiển trực tiếp cơng suất DPC có tính động học cao, có nhược điểm tần số đóng cắt lớn (40kHz) không cố định, gây dao động công suất, II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Mạng điện cục công suất nhỏ Xét mạng điện cục Hình Mục tiêu đề cho BESS phải có tính động học cao để phản ứng nhanh thực số chức sau: - Giảm ứng suất cho nguồn đóng/cắt tải nặng Như vậy, tùy theo đối tượng áp dụng, người ta lựa chọn thuật điều khiển cho thích hợp Trường hợp yêu cầu đáp ứng nhanh, - Ổn định điện áp có biến động tải 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 tiêu chí điều khiển phải có tính động học cao ta thiết kế điều khiển dòng theo kiểu DeatBeat P1+jQ1 P3+jQ3 PC1 PC2 Line (km) ~ Từ (1), viết lại dạng mơ hình trạng thái [3],[4] , ta có: F 85 kVA 400V 50hz P2+jQ2 1 di Ld dt =- T i Td +ωs i Lq + L u Sd -u Ld L (2) di 1 Lq =-ωsi Ld i Lq + u Sq -u Lq TL L dt BESS Hình Sơ đồ BESS lưới điện cục 2.2 Phân tích cấu trúc điều khiển Từ phương trình trạng thái ta thu mơ hình dòng gián đoạn: Hình Mơ tả cấu trúc mạch lực BESS, [2] i L k+1 =Φ i L k +Hu S k -Hu L k (3) Lt UL Lf US Cdc Trong đó: Battery T 1- T d Φ= -ωT Cf Hình Cấu trúc mạch lực BESS Từ sơ đồ mạch lực BESS (Hình 2), ta viết phương trình mơ hình dòng điện biến đổi hệ tọa độ quay dq: di Ld u Sd Li Lq dt di Lq L u Sq Li Ld dt T L d H = T: Là chu kỳ trích mẫu điều chỉnh dòng điện (1) Từ ta xây dựng cấu trúc mạch vòng dòng điện phía lưới, Hình Đó xuất phát điểm để thiết kế khâu điều chỉnh dòng Phương trình (1) xuất phát để ta xây dựng điều khiển tựa theo điện áp lưới với khâu phát xung theo phương pháp điều chế vector không gian Một điều khiển đơn giản thường thiết kế với điều chỉnh dòng theo kiểu PI thơng thường [2] Nhưng, theo u n ( k 1) u n (k ) H H u s (k ) * i S (k ) T L D i Ld (k) u Ld (k) u Sd (k) i L (k)= ; u L (k)= ; u S (k)= i Lq (k) u Lq (k) u Sq (k) u Ld Ri Ld L u Lq Ri Lq ωT ; T 1- Td Ri H 1 z 1 I H z 1 I y (k ) Hình Cấu trúc mạch vòng dòng điện phía lưới 58 i L (k ) TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 Mục tiêu đặt thiết kế điều chỉnh dòng có động học cao cho giá trị thực đuổi kịp giá trị đặt chu kỳ trích mẫu Giả thiết y(k) biến đầu khâu điều chỉnh vector Ri , bù ảnh hưởng điện áp lưới trễ thời gian thực điều chỉnh * i L (z)=z-2 i L (z) (4) u S k+1 =H y k +H u L k+1 (6) -1 Thay (6) vào (5) ta thu cấu trúc điều khiển dòng sau: Phương trình (4) thể rõ q trình thiết kế điều chỉnh dòng xét tượng làm trễ nhịp tính hàm đặt khâu điều chỉnh dòng Biểu thức thứ hai, H u L k+1 có nhiệm vụ bù tĩnh nhiễu điện áp Ri = I-z -1 Φ 1-z -2 (7) lưới Từ phương trình (7) ta viết phương trình sai phân điều chỉnh dòng: Phương trình đầu điều chỉnh dòng: y(k)= x w (k)-Φx w (k-1)+y(k-2) * y(k)=R i i L (k)-i L (k) =R i x w (k) Như để thuận lợi cho q trình tính tốn phương trình điều khiển dòng viết qua bước: (5) * y(z)=R i i L (z)-i L (z) (8) Bước 1: Tính vector, y(k) theo (8) T yd k =x wd k - 1- x wd k-1 -ωTx wq k-1 +y d k-2 TL T y k =x q wq k +ωTx wd k-1 - 1- T x wq k-1 +y q k-2 D Bước 2: Tính vector điện áp u S (k ) theo (4) (9) L T u Sd k+1 = T y d k + L u Ld (k+1) u k+1 = L y k + T u (k+1) Sq q Lq T L (10) Đến đây, ta xây dựng cấu trúc điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat Hình -K z T /Ld id * -K - Und -K z Unit Delay -K - T /Ld 1-T /Td Ld /T id -K- omega Product 1 z z Unit Delay Unit Delay -K -KProduct -K - Vdc -K -K - T /Ld Ld /T 1-T /Td 1 iq * Enable T =2e-4 L=2e-3H R=0.05 dlim qlim usq lim 1/sqrt(3) Unq -K z Unit Delay T /Ld T1 iq usd d T 1 z Unit Delay z Unit Delay -K T /Ld -K z T /Ld Hình Cấu trúc điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat 59 q Phase correct limitation TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 - Khi nguồn: BESS đóng vai trò nguồn thay với thời gian q độ nhanh 2.3 Kết mơ Hình 5, mô sơ đồ tác dụng BESS mạng điện cục với điều khiển dòng kiểu Deat-Beat: Để thấy phương pháp Dead-Beat có tính động học cao hơn, ta nêu kết mô đồng thời so sánh với kết tương ứng BESS có điều khiển dòng kiểu PI,[2] - Khi đóng/cắt tải nặng: BESS bù công suất tác dụng P để giảm ứng suất cho máy phát, đồng thời bù công suất phản kháng Q để đảm bảo ổn định giá trị điện áp lưới FRT A current control type PC1 B PC2 A aA aA B bB bB C (10 +j 1) kVA1 C cC Step cC com a A b B c C A Subsystem 85 kVA 400 V km Source Load B Bb C Cc BESS Aa BESS gates (15 +j 2) kVA Gate Step BESS CONTROLLER MEASURE a com a A b B c C A B b C (20 +j 3) kVA c Hình Sơ đồ BESS mạng điện cục Bo dieu chinh dòng kieu PI 25 20 20 15 Id-ref -5 Id-ref 10 -5 -10 -10 -15 -20 Id 15 Id 10 Id/ Id-ref ( A ) Id/ Id-ref ( A ) Bo dieu chinh dòng kieu Dead-Beat 25 -15 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 -20 1.6 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 1.6 Hình Kết đo thành phần dòng Id Id-ref Bo dieu chinh dòng kieu PI x 10 Bo dieu chinh dòng kieu Dead-Beat x 10 P load P source P source P(W) P(w) P load 4 P source P bess -1 P bess 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 1.6 -1 0.2 0.4 0.6 P load 0.8 Time (s) 1.2 Thời gian độ(0,30,35)s Thời gian độ (0,30,55)s Hình Kết đo thành phần công suất tác dụng P 60 1.4 1.6 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 4 Bo dieu chinh dòng kieu PI x 10 Bo dieu chinh dòng kieu Dead-Beat x 10 2 Q bess Q bess Q load Q ( VAr ) Q ( VAr ) Q load Q source Q source -1 -1 -2 -2 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 1.6 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 1.6 1.4 1.6 Hình Kết đo thành phần cơng suất phản kháng Q Bo dieu chinh dòng kieu deadbeat 500 400 400 U source ( V ) U source ( V ) Bo dieu chinh dòng kieu PI 500 300 200 200 100 100 300 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 1.6 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 Thời gian độ Thời gian độ Hình Kết đo giá trị hiệu dụng điện áp lưới 3.5 Bo dieu chinh dong kieu PI x 10 3.5 S-load & S-bess S-source S-load S-source 2.5 S ( VA ) S ( VA ) 2.5 1.5 S-bess S-load & S-bess 1 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 S-load 1.5 0.5 Bo dieu chinh dong kieu Dead-Beat x 10 S-bess 0.24 Time (s) 0.245 0.25 0.255 0.26 0.265 Time (s) 0.27 0.275 0.28 Hình 10 Kết đo cơng suất tác dụng S nguồn thời gian độ 0,02s Trong đó, với điều chỉnh dòng điện kiểu PI cần 0,25s, Hình 2.4 Phân tích kết mô So sánh hai kết thu được, ta thấy rõ điều chỉnh Dead-Beat có tính động cao điều chỉnh PI Cụ thể sau: 3- Do tốc độ phục hồi điện áp nhanh hơn, nên với điều chỉnh Deat-Beat, BESS phát bù lượng công suất phản kháng Q nhỏ (19 kVAr) Trong đó, với điều khiển PI BESS phải phát bù lượng công suất phản kháng Q lớn (23,5 kVAr), Hình 1- Tốc độ bám dòng thực theo dòng đặt nhanh hơn, Hình 2- Tại thời điểm 0,3s , cần huy động từ BESS tăng công suất tác dụng P thêm 10kW BESS với điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat cần 4- Khi tăng tải thời điểm 0,3s , điện áp lưới suy giảm khoảng 10% Với điều chỉnh dòng kiểu Deat-Beat BESS cần 0,04s để phục 61 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 hồi điện áp lưới giá trị ban đầu Trong đó, với điều chỉnh PI BESS phải cần 0,2s, Hình nghiên cứu khoa học khoa học có tính tân tiến - Kết mơ Matlab cho thấy cấu trúc điều khiển thỏa mãn yêu cầu đặt với hệ BESS, cho đáp ứng động học hệ thống nhanh, khơng có q điều chỉnh 5- Trường hợp nguồn, BESS làm việc thay Thời gian độ 0,015s BESS có điều chỉnh dòng kiểu DeadBeat Trong đó, với BESS có điều chỉnh dòng kiểu PI phải 0,6s (gấp 40 lần), Hình 10 - Mơ hình BESS có tính động học cao mang lại nhiều hứa hẹn cho việc khắc phục số nhược điểm nguồn điện cục III KẾT LUẬN - Mơ hình BESS với cấu trúc điều khiển có điều chỉnh dòng điện kiểu Dead-Beat kết TÀI LIỆU THAM KHẢO Bhim Singh, Jitendra Solanki, Ambrish Chandra; Adaline Based Control of Battery Energy Storage System for Diesel Generator Set 0-7803-9525-5/06/$20.00©2006 IEEE Ngơ Đức Minh; Ứng dụng BESS mạng điện cục nguồn thủy điện công suất nhỏ; Báo cáo kết nghiên cứu lần 1, đề tài NCKH cấp bộ, (2009-2010) Nguyễn Phùng Quang; Truyền động điện thông minh; NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2004 Nguyễn Phùng Quang; Máy điện dị nguồn kép dùng làm máy phát hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật tốn điều chỉnh bảo đảm phân ly mơmen hệ số công suất; Báo cáo khoa học VICA3,1998 Địa liên hệ: Ngô Đức Minh - Tel: 0982.286.428, Email: ngoducminh@tnut.edu.vn Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Tích Lương, Thái Nguyên 62 ... nhanh 2.3 Kết mơ Hình 5, mơ sơ đồ tác dụng BESS mạng điện cục với điều khiển dòng kiểu Deat-Beat: Để thấy phương pháp Dead-Beat có tính động học cao hơn, ta nêu kết mô đồng thời so sánh với kết tương...TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 tiêu chí điều khiển phải có tính động học cao ta thiết kế điều khiển dòng theo kiểu DeatBeat P1+jQ1 P3+jQ3... trúc mạch vòng dòng điện phía lưới 58 i L (k ) TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 Mục tiêu đặt thiết kế điều chỉnh dòng có động học cao cho giá trị thực đuổi