Điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ tích hợp cho hệ thống phát điện sức gió

Bài viết này giải quyết vấn đề mô hình hóa và điều khiển thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS). SCESS giúp hỗ trợ ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của tua-bin phát điện sức gió thông qua quá trình trao đổi công suất hai chiều. SCESS bao gồm siêu tụ đóng vai trò tích trữ điện năng dạng một chiều và hai bộ biến đổi công suất DC-DC và DC-AC.

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 [1] Trần Anh Dũng, Phương pháp toàn phương gián tiếp tổng hợp hệ điều khiển chuyển động tàu thủy cao tốc, Tạp chí Giao thơng vận tải, số T5, 2013 [2] Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xuân Minh, Điều khiển tối ưu bền vững, Nhà xuất khoa học Kỹ thuật, 2000 [3] Trần Anh Dũng, Điều khiển đại - lý thuyết ứng dụng, Nhà xuất giao thông vận tải, 2013 [4] Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А., Навигация и управление движением судов, СПб., Изд-во «Элмор», 2002 [5] Fossen, T I, Marine Control Systems - Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles Marine Cybernetics, 3rd edition, 2002 [6] Perez, T and Mogens Blanke, Mathematical Ship Modeling for Control Applications Technical Report Dept of Electrical and Computer Engineering The University of Newcastle, NSW, 2308, Australia, 2002 Ngày nhận bài: Ngày phản biện: Ngày duyệt đăng: 13/3/2017 20/3/2017 24/3/2017 ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ TÍCH HỢP CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ NONLINEAR CONTROL FOR SUPERCAPACITOR ENERGY STORAGE SYSTEM INTEGRATED WITH WIND TURBINE PHẠM TUẤN ANH, NGUYỄN KHẮC KHIÊM Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Bài báo giải vấn đề mơ hình hóa điều khiển thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS) SCESS giúp hỗ trợ ổn định ngắn hạn công suất đầu tua-bin phát điện sức gió thơng qua q trình trao đổi cơng suất hai chiều SCESS bao gồm siêu tụ đóng vai trò tích trữ điện dạng chiều hai biến đổi công suất DC-DC DC-AC Nhiệm vụ điều khiển ổn định điện áp DC-link thực cấu trúc điều khiển biến đổi DC-AC, dòng điện phóng/nạp siêu tụ điều khiển thông qua cấu trúc điều khiển biến đổi DC-DC Bài báo tập trung vào vấn đề điều khiển biến đổi DCDC hai chiều Bộ điều khiển điều khiển đề xuất dựa lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng mơ hình động học phi tuyến dạng Bilinear biến đổi DC-DC Các kết nghiên cứu kiểm chứng thông qua mơ Từ khóa: Siêu tụ, biến đổi DC-DC hai chiều, nghịch lưu nguồn áp, điều khiển phi tuyến, ổn định Lyapunov Abstract The paper deals with the problem of modeling and controlling of a supercapacitor energy storage system (SCESS) The SCESS has the ability to provide the rapid responses for high power requirement in order to smooth out the output of wind turbines The control structure of SCESS requires regulating inductor current to track the desired values combined with stabilizing DC bus voltage and decoupling control between active and reactive power A proposed control structure includes a nonlinear controller based on the Lyapunov stability for bilinear state-space model of a non-isolated bidirectional DC-DC converter The effectiveness of the designed control is validated by simulations Keywords: Supercapacitor, Bidirectional DC-DC Converter, Voltage Source Inverter, Nonlinear control, The Lyapunov stability Đặt vấn đề Các nguồn lượng tái tạo đặc biệt lượng gió xem nguồn lượng tiềm để bổ sung cho hệ thống điện khu vực xa xôi hải đảo, vùng núi cao, vùng băng tuyết - nơi mà lưới điện quốc gia khơng có khả vươn tới [1] Bài báo Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 29 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 DC PMSG DC f s s s N * wt * * sq sd N s N sq sd sq sd Is f N N j j j s * sd s sq Is j N * Nd Nd Nq Supercapacitors nghiên cứu hệ thống điện hỗn hợp gió - diesel - kho điện (WDSHPS - Wind-Diesel-SCESS Hybrid System) minh họa hình Giả thiết hệ thống Governor * AVR f Grid tách biệt hoàn U* Grid PLoad toàn với lưới Diesel điện quốc gia SG Engine Các nguồn phát PDiesel QDiesel có cơng suất PWindF tương ứng: TuaPwind PSCESS 3PVSI AC AC bin phát điện NBDC C Link Link AC u DC L sức gió (WTG Filter Filter Link Gear DC DC Filter Wind Turbine Box C i u i DC DC SVM SVM u Generator) có u i PLL i i abc i e e e e u công suất đầu u abc i u u u u i CONTROL STRUCTURE of u i -i i 𝑃𝑊𝑖𝑛𝑑 , thiết bị - i Power P SCESS R R i i Q i MPPT R Controller kho điện (SCESS SuperCapacitor Hình Minh họa hệ thống điện hỗn hợp gió - diesel - kho điện Energy Storage System) có công suất đầu 𝑃𝑆𝐶𝐸𝑆𝑆 , công suất tổng WTG SCESS 𝑃𝑊𝑖𝑛𝑑𝐹 , trạm phát điện diesel có cơng suất đầu 𝑃𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 , tất nguồn phát cung cấp cho tải 𝑃𝐿𝑜𝑎𝑑 Trong hệ thống WTG, công suất sản sinh từ turbine gió biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên khơng thể điều khiển Khi WTG tích hợp lưới điện ốc đảo (công suất nguồn phát dung lượng dây truyền tải hữu hạn, đặc điểm lưới yếu) gây tượng biến động tần số lưới làm ảnh hưởng nghiêm trọng chất lượng điện Một giải pháp phát huy hiệu sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hấp thụ công suất dư thừa nguồn phát sức gió [2] Để thực chức đó, SCESS phải có khả trao đổi công suất hai chiều với lưới thông qua hệ thống biến đổi điện gồm hai biến đổi cơng suất DC-DC DC-AC phải có khả trao đổi công suất hai chiều * Nq * DC * Các chiến lược điều khiển cấu trúc điều khiển cơng trình nghiên cứu trước phong phú vấn đề điều khiển biến đổi DC-DC hai chiều nhiều hạn chế như: điều khiển tách biệt hai chiều lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển chế độ; điều khiển hợp hai chiều lượng sử dụng cấu trúc điều khiển sở thiết kế điều khiển khơng tường minh thiếu mơ hình động học phù hợp với phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến Những tồn tài dẫn tới nguy suy giảm chất lượng hay chí hệ ổn định điểm công tác thay đổi, tham số hệ thay đổi [3, 4] Vì vậy, nghiên cứu này, tác giả thực phân tích chế độ làm việc biến đổi DC-DC hai chiều khơng cách ly để dẫn tới mơ hình động học mô tả thống hai chiều lượng để từ áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến dựa lý thuyết Lyapunov trực tiếp Tính hiệu phương pháp điều khiển đề xuất kiểm chứng thơng qua mơ Mơ hình biến đổi DC-DC hai chiều khơng cách ly Siêu tụ có ưu vượt trội so với cơng nghệ tích trữ lượng khác ứng dụng đòi hỏi động học nhanh Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ bao gồm siêu tụ hệ thống biến đổi lượng (tầng cơng suất) có khả trao đổi công suất hai chiều số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện [2, 5] Điều khiển trình trao đổi lượng kho điện với lưới chất trình điều khiển biến đổi điện tử công suất DC-DC DC-AC Các vấn đề mơ hình hóa điều khiển biến đổi nghịch lưu pha tìm thấy tài liệu [6] Trong khn khổ báo này, tác giả trình bày vấn đề mơ hình hóa biến đổi DCDC hai chiều khơng cách ly (NBDC) Việc điều khiển dòng cơng suất NBDC thực Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 30 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 thông qua hai van NBDC in NBDC in q q Discharge mode Charge mode d d bán dẫn IGBTs để d d i i SBK SBK i i hình thành hai chế độ q q T q (t ) d (t ) DBS DBS i i T u udc nạp/xả siêu tụ + + C C R ,L R ,L u d thể hình SC D SC D u u u BK BK SBS SBS Dòng điện qua cuộn S S S S cảm mang dấu D D D D q dương ứng với chế q T t t i T độ nạp tụ (charge T i mode) ngược lại U chế độ xả (discharge u u U mode) Hai van SBK, U u U u SBS điều khiển hoạt động chế độ nghịch đảo trạng thái Hình Phân tích ngun tắc điều khiển biến đổi NBDC [7, 8], nên cần dùng hàm chuyển mạch kết hợp hệ phương trình mơ tả trạng thái dòng điện qua cuộn cảm 𝑖𝐿 điện áp tụ dc-link 𝑢𝐷𝐶 để thu hệ phương trình mơ tả thống hai chế độ nạp/xả biến đổi (1) sau áp dụng định luật Kirchhoff phương TON (t ) pháp trung bình ngắn hạn sliding averaged method [9], x1 iL ; x2 uDC , d (t ) q (t ) TS trh Driver trh Driver inv inv C C on L L S DC L L SC trh SC SC DC BK BS BK BS BK BS BK BS ON L OFF S 0A L 0A DC dc 0V dc DC 0V SC SC 0V SC SC 0V gọi hệ số lấp đầy xung duty-cycle RL x1 L x2 C x1 L iinv x1 d uSC x2 d L (1) C Thiết kế điều khiển Cấu trúc điều khiển đề xuất báo thể hình Cơng suất tác dụng đầu WT ổn định ngắn hạn (làm trơn) thành phần công suất biến động tần số cao hấp thụ thiết bị kho điện Thuật tốn lọc thơng thấp sử dụng để xác định lượng đặt công suất (tầng điều khiển cấp thiết bị) cho tầng điều khiển cấp biến đổi Bộ biến đổi DC-AC điều khiển theo phương pháp VOC (Voltage Oriented Control) sử dụng điều khiển kinh điển PI, Dead-beat tác giả vận dụng kết nghiên cứu theo tài liệu [6, 10] Đối với biến đổi NBDC, tác giả tìm kiếm thuật tốn điều khiển thiết kế dựa mơ hình phi tuyến bilinear model (1) để kiểm sốt xác dòng điện qua cuộn cảm chiều độ lớn Dòng điện 𝑖𝐿 phải bám dòng điện tham chiếu 𝑖𝐿𝑟𝑒𝑓 Q trình thiết kế điều khiển tóm tắt sau: Gọi sai lệch biến trạng thái x1 giá trị đặt iLref z1 z1 x1 iLref z1 RL x1 L x2 L d uSC L (2) iLref Trong trường hợp này, tác giả chọn luật điều khiển phản hồi (3) với k1 số dương tùy ý, α1 gọi hàm ổn định hóa (Stabilizing function) 1 d k1 z1 RL x1 L uSC L iLref (3) Gọi sai lệch giá trị thật biến trạng thái với giá trị mong muốn z2 sau: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 31 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 z2 x2 L (4) Đạo hàm (4) theo thời gian thu được: z2 x2 L 1 L C x1 d iinv C d RL k1 z1 L x1 uSC d iLref L (5) d Hệ phương trình trạng thái (1) mơ tả lại không gian trạng thái (z1, z2) theo (2) (5) Từ đây, toán điều khiển bám hệ (1) trở thành toán thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái để hệ kín ổn định tiệm cận điểm cân (0,0) không gian trạng thái (z1, z2) Trường hợp này, tác giả chọn hàm V2 xác định dương V2 V1 z22 Lấy đạo hàm theo thời gian thực biến đổi thu được(6) Với số k2>0 tham số luật điều khiển Để hệ (z1,z2) GAS (𝑉2̇ ) phải xác định âm, Từ xác định tín hiệu điều khiển thực hàm điều chế (7) k1 z12 V2 d d z1 dc2 z2 LC x1 d d iinv uSC LC L iLref c1 dz2 k2 z22 z2 dz1 c1 z1 RL RL L L x1 z2 L x2 d k2 z2 (6) uSC (7) L Kiểm tra lại tính ổn định hệ cách thay (7) vào (5) ta thu hệ phương trình mơ tả DC-DC (8) Hệ (8) có điểm cân (z1,z2)=(0,0) Xét hàm V z12 z22 lấy đạo hàm theo thời gian thu (9) Với k1>0, k2>0 hàm 𝑉̇ xác định âm, hệ ổn định tiệm cận điểm cân Do đó, lim (𝑖𝐿 − 𝑖𝐿𝑟𝑒𝑓 ) = hàm V hàm điều khiển Lyapunov 𝑡→∞ z1 z2 z2 V z1 z1 z1 k1 z1 (8) k2 z2 k1 z12 z2 z2 k2 z22 (9) PLL Grid-Codes SVM Link Filter AC DC DC Current Controller + ÷ Nonlinear Controller DC SUPERCAPACITORS GRID PWM EMA Hình Cấu trúc điều khiển hệ SCESS Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 32 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 Kết mô Tác giả sử dụng công cụ mô Matlab/SimPowerSystems để mô kiểm chứng với hệ thống điện ốc đảo Kho điện có 𝑟𝑒𝑓 tham số: 𝑈𝐷𝐶 = 700𝑉, 𝐶𝑆𝐶 = 10.75𝐹, 𝑅𝐿 = 0.05Ω, 𝐿 = 1.4𝑚𝐻, 𝐶𝐷𝐶 = 650 µ𝐹 Kịch phụ tải thay đổi thể triên hình Profile gió minh họa hình liệu thu từ 10 kW 10 kW mơ hình tạo gió ngẫu nhiên nghiên cứu 20 kW 20 kW 20 kW phát triển phòng thí nghiệm quốc gia lượng tái tạo thuộc Đại học Kỹ thuật Đan mạch Hình Kịch phụ tải [11] WTG điều khiển thỏa mãn tốn tracking cơng suất để khai thác hiệu nhận từ gió biến đổi thành điện mà phải đảm bảo bám lưới để cung cấp công suất lưới thể hình H Cơng suất tác dụng biến động theo tốc độ gió nên để giảm thiểu biến động công suất đầu WTG, thiết bị kho điện SCESS tích hợp để trao đổi cơng suất Như minh họa hình H.6, điện áp DC-link điều khiển ổn định phản ánh yếu tố cân công suất trao đổi siêu tụ với lưới Các thành phần vector dòng điện (id, iq) DC-AC áp đặt nhanh xác làm sở cho mục tiêu điều khiển độc lập thành phần cơng suất P Q Thêm vào đó, dòng điện phóng/nạp tụ kiểm sốt hồn tồn thơng qua biến đổi DC-DC chiều độ lớn nhờ thuật toán điều khiển phi tuyến WIND SPEED TURBINE ROTATIONAL SPEED 16 thiết kế SCESS 14 tham gia tự động vào trình ổn định 12 ngắn hạn công suất 10 đầu turbine 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 PĐSG thể Time [sec] Time [sec] hình Mục tiêu WIND TURBINE ACTIVE & REACTIVE POWER 20 ổn định ngắn hạn P 15 Q công suất đầu 10 WTG đảm bảo So với điều khiển PI, chất lượng -5 10 20 30 40 50 60 điều khiển thuật Time [sec] toán điều khiển phi Hình Các đặc tính hệ phát điện sức gió tuyến thiết kế tỏ CHARGE/DISCHARGE CURRENT RESPONSE VECTOR OF INVERTER CURRENT 20 20 hiệu thể i ref (1) i ref đồ thị công suất i actual (1) i actual 10 10 (2) i ref đầu khơng tồn (2) i actual 0 tượng gai nhọn bất thường, -10 -10 điều làm cho -20 -20 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 trình trao đổi cơng Time [sec] suất hai chiều với STATE OF ENERGY DC-LINK VOLTAGE 78 710 lưới diễn trơn tru, hiệu 705 kVAR 10 kW 10 kW 20 kW 17 60 27 Time [sec] Omega [rad/s] PWind [KW] - QWind [VAR] VWind [m/s] Wind Wind L d L d id; iq [A] iL [A] q 77.5 SOE [%] VDC-BUS [V] q 700 77 695 76.5 690 10 20 30 Time [sec] 40 50 60 10 20 30 Time [s] 40 50 60 Hình Các đặc tính thiết bị SCESS Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 33 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 ACTIVE POWER SMOOTHING ACTION (PI) ACTIVE POWER SMOOTHING ACTION (Nonlinear) 20 20 Pwind 15 PWindF (Nonlinear Controller) 10 P [KW] P [KW] 10 5 0 -5 -5 -10 Pwind 15 PWindF (PI Controller) 10 20 30 Time [sec] 40 50 -10 60 10 SCESS ACTIVE POWER (PI) 20 30 Time [sec] 40 10 PESSref PESSref PESSactual PESSactual P [KW] P [KW] 60 SCESS ACTIVE POWER (Nonlinear) 10 -5 -10 50 -5 10 20 30 Time [sec] 40 50 60 -10 10 20 30 Time [sec] 40 50 60 Hình Hiệu ổn định cơng suất ngắn hạn Kết luận Bài báo đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể thiết bị kho điện SCESS tích hợp cho đầu hệ phát điện sức gió có sử dụng thuật tốn điều khiển phi tuyến áp dụng cho biến đổi công suất DC-DC hai chiều không cách ly Từ kết mô nhận thấy, công suất trao đổi SCESS với lưới bám xác theo giá trị đặt sử dụng điều khiển đề xuất Điều này giúp loại bỏ biến động công suất tần số cao hệ phát điện sức gió, sở để nâng cao chất lượng điện hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J K Kaldellis, "Stand-alone and hybrid wind energy systems," ed: Woodhead Publishing Limited, 2010 [2] F Díaz-González, A Sumper, O Gomis-Bellmunt, and R Villafáfila-Robles, "A review of energy storage technologies for wind power applications," Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 2154– 2171, 2012 [3] S I Gkavanoudis and C S Demoulias, "A combined fault ride-through and power smoothing control method for full-converter wind turbines employing Supercapacitor Energy Storage System," Electric Power Systems Research 106 (2014) 62– 72, 2014 [4] N Mendis and K Muttaqi, "An integrated control approach for standalone operation of a hybridised wind turbine generating system with maximum power extraction capability," Electrical Power and Energy Systems 49 (2013) 339–348, 2013 [5] S B g Energie, "Energy storage technologies for wind power integration " Université Libre de Bruxelles, 2010 [6] M L P R Remus Teodorescu, "Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems," ed: John Wiley & Sons, Ltd ISBN: 978-0-470-05751-3, 2011 [7] M G Molina, "Dynamic Modelling and Control Design of Advanced Energy Storage for Power System Applications Source: Dynamic Modelling," Book edited by: Alisson V Brito, ISBN 978953-7619-68-8, pp 290, January 2010, INTECH, Croatia, downloaded from SCIYO.COM, 2010 [8] S C W Kramer, B Kroposki, and H Thomas, "Advanced Power Electronic Interfaces for Distributed Energy Systems," Technical Report NREL/TP-581-42672 March 2008, 2008 [9] S Bacha, I Munteanu, and A I Bratcu, Power Electronic Converters Modeling and Control: Springer London Heidelberg New York Dordrecht, 2014 [10] N Quang and J Dittrich, "Vector control of three phase AC machine - System Development in the Practice," Springer, Berlin – Heidelberg, 2008 [11].F Iov, A D Hansen, P Sørensen, and F Blaabjerg, "Wind Turbine Blockset in Matlab/Simulink," Institute of Energy Technology, AALBORG UNIVERSITY, 2004 Ngày nhận bài: 23/2/2017 Ngày phản biện: 21/3/2017 Ngày duyệt đăng: 26/3/2017 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 34 ... luận Bài báo đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể thiết bị kho điện SCESS tích hợp cho đầu hệ phát điện sức gió có sử dụng thuật tốn điều khiển phi tuyến áp dụng cho biến đổi công suất DC-DC hai... giá trị đặt sử dụng điều khiển đề xuất Điều này giúp loại bỏ biến động công suất tần số cao hệ phát điện sức gió, sở để nâng cao chất lượng điện hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel... nghệ tích trữ lượng khác ứng dụng đòi hỏi động học nhanh Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ bao gồm siêu tụ hệ thống biến đổi lượng (tầng cơng suất) có khả trao đổi công suất hai chiều số nhà khoa