Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn QZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN THỊ THANH VÂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHAN THỊ THANH VÂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHAN THỊ THANH VÂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Kim Ánh LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Phan Thị Thanh Vân MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Tóm tắt luận văn Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Cấu trúc hệ thống pin lượng mặt trời 1.2 Giới thiệu pin mặt trời 1.2.1 Đặc tính làm việc pin mặt trời 1.2.2 Cách ghép nối pin mặt trời 1.3 Các biến đổi hệ thống pin lượng mặt trời 10 1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC 10 1.3.2 Bộ biến đổi DC/AC 13 1.4 Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất cực đại (MPPT) 14 1.5 Kết luận 18 Chương - NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ 19 2.1 Giới thiệu nghịch lưu 19 2.2 Cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ 21 2.3 Xây dựng mơ hình toán học nghịch lưu nguồn qZ 22 2.4 Giới thiệu phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ 25 2.5 Kết luận 26 Chương - XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ 27 3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo 27 3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ 31 3.3 Kết luận 37 Chương - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 38 4.1 Mơ hình hóa hệ thống 38 4.2 Mô hệ thống đánh giá kết 38 4.2.1 Mô hệ thống Matlab/simulink 38 4.2.2 Đánh giá kết 39 4.3 Kết luận 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) 56 PHỤ LỤC 57 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Học viên: Phan Thị Thanh Vân Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn trình bày việc thiết kế điều khiển dự báo (MPC) cho cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ (Quasi Z source inverter - qZSI) sử dụng hệ thống pin lượng mặt trời (Photovoltaic system - PV) So với nghịch lưu áp truyền thống, giải pháp qZSI cho thấy hữu ích nhờ vào khả nâng cao điện áp chiều đầu vào khắc phục tượng ngắn mạch xảy khóa bán dẫn Bộ điều khiển PI thường áp dụng cho qZSI Tuy nhiên, có đặc tính động học chậm chất lượng phụ thuộc vào điều khiển dịng điện phía Một nhược điểm khác phương pháp tồn đặc điểm pha không cực tiểu phía cấu trúc chiều Điều dẫn đến tượng khơng ổn định cho tồn hệ thống Bộ điều khiển dự báo theo mơ hình với số trạng thái hữu hạn (Finite control set model predictive control - FCS-MPC) có ưu điểm cấu trúc đơn giản (khơng có cấu trúc điều khiển nối tầng khối điều chế) dễ dàng áp dụng với hệ thống phi tuyến ràng buộc Trong nghiên cứu này, hàm mục tiêu qZSI bao gồm dòng điện tải, cuộn cảm điện áp tụ điện Sau q trình tối ưu hóa hàm mục tiêu, trạng thái chuyển mạch tốt điều khiển đóng cắt khóa bán dẫn Để xác nhận tính hiệu khả thi phương pháp đề xuất, phân tích khảo sát phần mềm Matlab/Simulink với điều kiện hoạt động khác hệ thống Từ khóa – Pin mặt trời; nghịch lưu nguồn qZ (qZSI); điều khiển dự báo theo mơ hình (MPC); điều khiển dự báo theo mơ hình với số trạng thái hữu hạn (FCS-MPC); hàm mục tiêu DESIGNING MODEL PREDICTIVE CONTROL OF A GRID CONNECTED QUASI-ZSOURCE INVERTER Abstract – This thesis presents a model predictive controller (MPC) design for a grid- connected photovoltaic system using a quasi-Z-source inverter (qZSI) The qZSI is recognized as an attractive solution compared with the conventional voltage source inverter due to its benefits: the capability to boot the DC voltage input and overcoming the drawback of the short-circuit effect in switching devices The PI controller has been extensively applied for qZSI However, it provides a low dynamic response and its performances depend on the quality of the internal current controller Another disadvantage of this method is the behavior of non-minimum phase phenomenon in the DC side, leading to an instability of the whole system The finite control set model predictive control (FCS-MPC) presents advantages such as its concept simplicity (without cascaded control loop structure and modulation block) and easy inclusion of nonlinearities and constraints In this research, the cost function for qZSI consists of load current, inductor current, and a capacitor voltage Then, its minimization is carried out to obtain the best switching state which is implemented to the inverters Simulation analyses were performed in a Matlab/Simulink environment with different operating conditions of the system to validate the effectiveness and feasibility of the proposed method Key word – Photovoltaic, Quasi-Z-source inverter (qZSI), Model predictive control (MPC), Finite control set-model predictive control (FCS-MPC), cost function DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: v Điện áp tức thời (V) i Dòng điện tức thời (A) V Giá trị hiệu dụng điện áp (V) I Giá trị hiệu dụng dòng điện (A) P Công suất (W) d Tỷ số điều chế “ngắn mạch” ZSI/qZSI D Tỷ số chu kì chuyển đổi DC-DC Ppv Công suất nguồn PV (W) Pload Công suất tiêu thụ tải (W) Tần số góc (radian)  Ns Số cell PV nối tiếp Np Số cell PV song song P Công suất tác dụng (W) Q Công suất phản kháng (var) T Nhiệt độ ( C ) Ts Thời gian lấy mẫu điều khiển T0 Thời gian trạng thái “ngắn mạch” Các kí hiệu trên: * Giá trị tham chiếu bắt buộc ^ Giá trị cực đại đạt đỉnh p Giá trị dự báo Các kí hiệu dưới: in Giá trị đầu vào o Giá trị đầu a, b, c Các pha đầu nghịch lưu ref Giá trị tham chiếu pv Giá trị điện áp dòng nguồn PV C Điện dung L Điện kháng mpp Giá trị cực đại điện áp dòng nguồn PV min, max Giá trị cực tiểu, giá trị cực đại pk Giá trị đỉnh CÁC CHỮ VIẾT TẮT: AC Dòng điện xoay chiều (alternate current) CSI Nghịch lưu nguồn dòng (current source inverter) DC Dòng điện chiều (direct current) EMI Nhiễu điện từ (electromagnetic interference) I&C Thuật thoán dẫn điện gia tăng (Incremental and conductance) IGBT Transistor lưỡng cực (insulated gate bipolar transistor) MPC Điều khiển dự báo theo mơ hình (model prediction control) MPP Điểm làm việc cơng suất cực đại (maximum power point) MPPT Tìm điểm làm việc công suất cực đại (maximum power point tracking) PI P&O PV PWM qZSI THD VSI ZSI Điều khiển tỷ lệ-tích phân PI (proportional and integral) Thuật tốn tạo nhiễu loạn quan sát (perturb and observe) Pin mặt trời (photovoltaic) Điều chế độ rộng xung (pulse width modulation) Nghịch lưu nguồn qZ (quasi-Z-source inverter) Tổng độ biến dạng sóng hài (total harmonic distortion) Nghịch lưu nguồn áp (voltage source inverter) Nghịch lưu nguồn Z (Z-source inverter) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 So sánh phần tử thụ động biến đổi có cơng suất 50kW ứng dụng cho Fuel cell Bảng vectơ điện áp đầu trạng thái chuyển mạch qZSI Bảng trạng thái chuyển mạch tạo qZSI So sánh sức mạnh tính tốn thuật tốn FCS-MPC Thơng số cho mơ nghịch lưu nguồn qZ với tải RL có điện áp ngõ vào Vin thay đổi [24] Thông số cho mô nghịch lưu nguồn qZ với tải RL thay đổi [24] Thông số cho mô nghịch lưu nguồn qZ hệ thống PV kết nối lưới [24] 20 2.2 2.3 3.1 4.1 4.2 4.3 23 23 38 39 43 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 2.1 2.2 2.3 Tên hình Trang Hệ thống pin lượng mặt trời nối lưới Cấu tạo pin mặt trời Sơ đồ tương đương pin mặt trời Sơ đồ mạch pin mặt trời hở mạch Sơ đồ mạch pin mặt trời ngắn mạch Đường đặc tính làm việc V – I pin mặt trời Đường cong đặc trưng V - I pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ xạ mặt trời Đường cong đặc tính V - I pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ pin Sơ đồ mắc nối tiếp pin mặt trời Sơ đồ mắc song song pin mặt trời Sơ đồ hệ thống pin lượng mặt trời kết nối kết hợp song song nối tiếp Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Boost Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost Mạch điện hệ thống nghịch lưu Đường cong đặc tính I – V P - V hệ thống pin mặt trời Những đường cong đặc tính I – V đặc tính tải cường độ xạ thay đổi (a) Mơ hình dãy bị bóng che (b) Đặc tính I – V (c) Đặc tính P – V (a) Đặc tính cơng suất Ppv (vpv) (b) Sơ đồ khối điều khiển (a) Đặc tính cơng suất Ppv (ipv) (b) Sơ dồ khối điều khiển (a) Đặc tính cơng xuất Ppv (d) , (b) Sơ đồ khối điểu khiển Phương pháp MPPT kỹ thuật “Perturb and Observe” (P&O) Cấu trúc mạch lực nghịch lưu nguồn Z Sơ đồ mạch lực nghịch lưu ba pha nguồn Z Một số cấu trúc phát triển dựa qZSI; (a) diode bổ trợ boost qZSI (b) nghịch lưu chuyển đổi ZSI (c) nghịch lưu nguồn T-Z (d) nghịch lưu nguồn H-Z 7 8 9 10 10 11 12 12 13 14 15 15 16 17 17 18 19 20 21 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 Nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống nghịch lưu PV Mạch tương đương qZSI (a) trạng thái “ngắn mạch” (b) trạng thái “không ngắn mạch” Vector điện áp cho qZSI Cấu trúc hệ thống điều khiển dự báo Cấu trúc điều khiển FCS-MPC Nguyên lý dự báo tín hiệu MPC Thuật tốn điều khiển chung FCS-MPC Sơ đồ phương pháp điều khiển FCS-MPC cho qZSI Mơ hình tải qZSI Lưu đồ thuật toán FCS-MPC cho qZSI [37] Lưu đồ thuật toán FCS-MPC đề xuất cho qZSI Sơ đồ khối hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI hệ thống pin lượng mặt trời nối lưới Kết mơ phía DC qZSI trường hợp Kết mô phía AC qZSI trường hợp Phân tích Fourier dịng điện tải với cơng suất đầu P = 3kW Kết mơ phía DC qZSI trường hợp Kết mô phía AC qZSI trường hợp Phân tích Fourier dịng điện tải với cơng suất đầu P = 500W Đáp ứng động học dòng điện tải Phân tích Fourier dịng điện tải với cơng suất đầu P = kW Đặc tính dòng điện cuộn cảm, điện áp tụ điện điện áp đầu vào Điện áp sau mạch LC Điện áp dây đầu mạch nghịch lưu 22 22 24 27 29 30 31 32 33 35 36 38 40 42 42 44 46 46 48 49 49 50 51 55 [29] Ayman Ayad & Ralph Kennel (2017), “A comparison of quasi-Z-source inverters and conventional two-stage inverters for PV applications”, EPE Journal, vol 27, no 2, pp 43-59, Apr 2017 [30] Sergio Vazquez, Jose Rodriguez, Marco Rivera, “Model Predictive Control for Power Converters and Drives: Advances and Trends”, IEEE Transactions on industrial electronics, vol 64, no 2, February 2017 [31] Liang, W., Liu, Y., Ge, B., Abu-Rub, H., Balog, R S., & Xue, Y (2018), “Double-Line-Frequency Ripple Model, Analysis, and Impedance Design for EnergyStored Single-Phase Quasi-Z-Source Photovoltaic System”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.65, no 4, pp 3198–3209, April 2018 [32] Jose Rodriguez and Patricio Cortes, “Predictive control of power converters and electrical drives”, A John Wiley & Sons, Ltd., Publication, IEEE, 2012, pp.147 [33] Ramos Hernanz, Campayo Martín, Zamora Belver, Larrañaga Lesaka, Zulueta Guerrero, Puelles Pérez, “Modelling of Photovoltaic Module”, International Conference on Renewable Energies and Power Quality, vol.1, no.8, April 2010 [34] A.Pradeep Kumar Yadav, S.Thirumaliah, G.Haritha, “Comparison of MPPT Algorithms for DC-DC Converters Based PV Systems”, IJAREEIE, Vol 1, Issue 1, July 2012 [35] Zhang, Hui, Hongwei Zhou, Jing Ren, Weizeng Liu, Shaohua Ruan, and Yongjun Gao, “Three-phase grid-connected photovoltaic system with SVPWM current controller”, IPEMC'09, IEEE 6th International, pp 2161-2164, 2009 [36] Ma, Liang, and Wang Ran, “Modeling and control of three-phase grid-connected photovoltaic inverter”, IEEE ICCA 2010, pp 2240-2245 [37] M Mosa, G M Dousoky, and H Abu-Rub, “A novel FPGA implementation of a model predictive controller for SiC-based Quasi-Z-Source inverters,” in proc IEEE 29th Annual Conference on Applied Power Electronics (APEC), pp 1293-1298, 2014 [38] M Mosa, R S Balog and H Abu-Rub, "High-Performance Predictive Control of Quasi-Impedance Source Inverter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol 32, no 4, pp 3251-3262, 2017 57 PHỤ LỤC PL1: Mơ hình mơ Matlab hệ thống điều khiển dự báo nghịch lưu nguồn qZ nối lưới cho pin mặt trời PL2: Mơ hình mô Matlab nghịch lưu nguồn qZ nối lưới 58 PL3: Mơ hình chuyển đổi hệ (a,b,c) sang hệ (α,β) PL4: Mơ hình chuyển đổi trạng thái chuyển mạch PL5: Mơ hình mơ Matlab hệ thống điều khiển dự báo nghịch lưu nguồn qZ với tải RL có điện áp ngõ vào thay đổi 59 PL6: Mơ hình mơ Matlab nghịch lưu nguồn qZ nối tải RL có điện áp ngõ vào thay đổi PL7: Mơ hình mơ Matlab hệ thống điều khiển dự báo nghịch lưu nguồn qZ với tải RL thay đổi 60 PL8: Mơ hình mơ Matlab nghịch lưu nguồn qZ nối tải RL thay đổi PL9: Mơ hình mơ tải RL thay đổi ... Vg_abc S1  S6 Bộ điều khiển FCS-MPC Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI hệ thống pin lượng mặt trời nối lưới Hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI hệ thống pin lượng mặt trời nối lưới... học nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin lượng mặt trời, giới thiệu phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ - Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ Giới thiệu... pháp điều khiển dự báo hệ thống pin lượng mặt trời giải pháp quan trọng có ý nghĩa thực tiễn Đây bối cảnh động lực để học viên chọn đề tài ? ?Thiết kế điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ hệ thống