Điều khiển hệ thống tua-bin gió công suất nhỏ máy phát PMSG trong trường hợp méo dạng điện áp lưới

Nghiên cứu này đề xuất chiến lược điều khiển cho bộ chuyển đổi công suất phía lưới (GSC) của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) trong trường hợp méo dạng điện áp lưới.. Với phươn[r]

ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY

Số 71 (05/2020) No 71 (05/2020)

Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: http://sj.sgu.edu.vn/

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TUA-BIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ

MÁY PHÁT PMSG TRONG TRƯỜNG HỢP MÉO DẠNG ĐIỆN ÁP LƯỚI

Control of PMSG micro wind turbine systems under grid voltage distortion

TS Văn Tấn Lượng(1), ThS Phạm Xuân Minh(2), ThS Nguyễn Trọng Huân(3),

ThS Trương Tấn(4), TS Nguyễn Thanh Hải(5)

(1)Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM

(2),(3)Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, sở TP.HCM

(4)Trường Đại học Sài Gòn

(5) Trường Đại học Cần Thơ

TÓM TẮT

Nghiên cứu đề xuất chiến lược điều khiển cho chuyển đổi công suất phía lưới (GSC) máy phát đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) trường hợp méo dạng điện áp lưới Với phương pháp đề xuất, thành phần dòng điện bậc 3, loại bỏ, từ dịng điện lưới trở thành hình sin Để thực điều này, thành phần dòng điện bậc 3, điện áp dòng điện lưới trích từ dịng điện điện áp tức thời quan sát tổng hợp (CO) Sau đó, điều khiển cộng hưởng-tỉ lệ áp dụng để điều khiển dòng điện lưới Hiệu phương pháp đề xuất kiểm chứng kết mô

Từ khóa: quan sát tổng hợp (CO), điều khiển cộng hưởng-tỉ lệ, máy phát đồng nam châm vĩnh

cửu (PMSG), méo dạng điện áp, tua-bin gió Abstract

This study proposes a control scheme of the grid-side converter for micro-wind turbines based on permanent magnet synchronous generator (PMSG) under grid voltage distortion With the proposed method, the components of the third, fifth, and seventh-order current harmonics are removed, from which the current fed into the grid becomes sinusoidal To conduct this scheme, the third, fifth, and seventh-order harmonics components are extracted from the instantaneous grid voltage and current by employing the composite observer The proportional-resonant controllers are applied for the grid current control The effectiveness of the proposed scheme is verified by the simulation results

Keywords: composite observer (CO), proportional-resonant controllers, permanent magnet

synchronous generator (PMSG), grid voltage distortion, wind turbine

1 Giới thiệu

Trong nhiều nguồn lượng tái tạo khác nhau, lượng gió xem nguồn lượng thay nguồn lượng truyền thống So sánh

điều khiển đơn giản Ngoài ra, chuyển đổi cơng suất phía lưới (GSC) pha dùng cầu chỉnh lưu có điều khiển tồn cầu cầu chỉnh lưu có điều khiển bán cầu để điều khiển cấp điện cho lưới từ máy phát [1] Để làm giảm họa tần, lọc điện cảm (L) sử dụng Gần đây, lọc điện cảm-tụ điện-điện cảm (LCL) lắp đặt ngõ vào chuyển đổi phía lưới thường sử dụng phổ biến mức độ vận hành tốt chi phí giảm kích cỡ L nhỏ, so sánh với lọc L Tuy nhiên, lọc LCL có khuyết điểm khó điều khiển thường xảy tượng cộng hưởng [2], [3]

Để điều khiển chuyển đổi cơng suất pha phía lưới, thành phần bậc lẻ (bậc 3, 5, 7) thành phần điện áp dòng điện lưới cần tách cách xác dùng CO mà khơng có trì hỗn thời gian [4] Bộ điều khiển cộng hưởng - tỉ lệ (PR) thay điều khiển tích phân - tỉ lệ để điều khiển dịng điện lưới trở nên hồn tồn sin

Các phương pháp điều khiển khác dùng cho nghịch lưu giới thiệu [5], [8], điều khiển PR điều khiển PI sử dụng để điều khiển dòng điện lưới Tuy nhiên, nghiên cứu [5], [6] chủ yếu tập trung vào điều khiển thành phần dòng điện nghịch lưu mà không quan tâm đến việc làm giảm hay loại bỏ họa tần dòng điện Trong [7], [8], mục tiêu nghiên cứu đồng bộ nghịch lưu pha với lưới Hay nói cách khác, việc loại bỏ họa tần dòng điện lưới dựa vào thuật toán PLL đề xuất Hạn chế phương pháp phân tích tốn học phức tạp thời gian thực kéo dài Hơn nữa, quy trình điều khiển thích nghi tần số cách tạo tín hiệu bình

phương từ dạng sóng điện áp có theo địi hỏi phức tạp Điều làm ảnh hưởng đến dạng sóng điện áp lưới bị méo dạng Một phương pháp khác dùng điều khiển lặp lặp lại (RC) áp dụng, dịng điện lưới bị méo dạng tải phi tuyến làm giảm nhờ vào việc vận hành nghịch lưu lọc tích cực [9], [10] Tuy nhiên, trường hợp điện áp bị méo dạng khơng quan tâm nghiên cứu Ngồi ra, vấn đề quan trọng điều khiển lặp lặp lại việc thực điều khiển hệ thống thực tế, đòi hỏi số lượng vòng lặp lại cao thời gian tính tốn dài

Trong nghiên cứu này, chiến lược điều khiển dòng điện cho chỉnh lưu phía lưới áp dụng để gia tăng tính tích hợp hệ thống tua-bin gió với lưới trường hợp méo dạng điện áp lưới Với chiến lược đề xuất này, trước tiên CO với ưu điểm bật ước lượng trực tuyến xác sử dụng để tách thành phần thành phần họa tần dịng điện điện áp Sau đó, điều khiển cộng hưởng - tỉ lệ với tần số trung tâm bậc 1, bậc 3, bậc bậc áp dụng Ngoài ra, phương pháp điều khiển phát cơng suất cực đại dùng kĩ thuật tối ưu hóa cơng suất thực nghịch lưu phía máy phát Sự thể kết mô cho hệ thống tua-bin gió PMSG 2,68 kW, nhằm chứng thực tính khả thi phương pháp đề xuất

2 Mơ hình hệ thống

kHz Tần số cộng hưởng lọc LCL, fr, thể [2]

1

f g

r

f f g

L L

f

C L L

 

 (1) Trong đó, Lf Lg cuộn

cảm phía chuyển đổi phía lưới

Cf điện dung lọc

Hình cho thấy, PMSG kết hợp với tua-bin gió trực tiếp mà không cần hộp số kết nối với nghịch lưu ba pha hai chân có điều khiển (bộ nghịch lưu phía máy phát), pha C nối với điểm hai tụ DC liên kết Bộ chuyển đổi cơng suất pha có dạng bán cầu có điều khiển kết nối với lưới pha [11] Lưu ý rằng, công suất tác dụng sản xuất từ máy phát phải với công suất cung cấp cho lưới điện với tổn thất bị bỏ qua Nếu không, điện áp tụ DC liên kết thay đổi nhanh chóng Do đó, phương pháp MPPT (tìm điểm phát cơng suất cực đại) cho tua-bin gió PMSG (máy phát đồng nam châm vĩnh cửu) đạt cách điều khiển cơng suất tác dụng cực đại cấp cho lưới điện

N S

Gió

PMSG L

C Vs

g

Lf f

Hình Sơ đồ hệ thống tua-bin gió dùng PMSG kết nối với lưới

3 Điều khiển chuyển đổi công suất phía máy phát

Cơng suất tạo tua-bin gió thể sau [12]:

2

0,5 ( )

t p w

P  R C  v (2)

Trong đó:  mật độ khơng khí [kg/m3], R bán kính cánh quạt [m],

vw tốc độ gió [m/s] Cp() là hệ số

chuyển đổi công suất mà hàm tỉ số đầu cánh quạt (=rR/ vw)

Theo phương pháp tối ưu hóa cơng suất, hệ số chuyển đổi cơng suất tiến đến giá trị cực đại (Cpmax) tỉ lệ tốc độ đầu cánh đạt tối ưu (λopt) Để đạt công suất cực đại, tốc độ tua-bin nên thay đổi theo tốc độ gió để trì tỉ lệ tốc độ đầu cánh tối ưu Từ đó, cơng suất cực đại (Pmax) tính sau [12]:

Pmax Koptr3 (3) Trong đó: max 3 0, opt p opt R

K C



 (4)

Công suất máy phát tính sau: Pgen  1,5(V Ide de V Iqe qe) (5)

N S Gió a b c PWM r  r

 ejr qse I * qse I dse I

* 0

dse I i p k k s  * r  i p k k s  i p k k s  * qse V * dse V * a V * b V * c V r j e max P  P + -+ -1 dc V r  ia ib ic + -+ -PMSG dc V +

-Hình Sơ đồ khối điều khiển chuyển đổi công suất phía máy phát

Trong đó: Vde, Vqe và Ide, Iqe điện áp dòng điện máy phát PMSG theo phương d q hệ tọa độ quay

Công suất máy phát cực đại tính:

Tốc độ rotor tham chiếu đạt sau:

*r gen

opt

P K

  (7)

Hình mơ tả sơ đồ khối điều khiển chuyển đổi cơng suất phía máy phát, điều khiển tốc độ rotor bên ngồi điều khiển dòng điện bên Ngõ điều khiển dòng điện điện áp tham chiếu ( *

qse

V ,Vdse* ) Điện áp tham chiếu

này sử dụng để điều chế độ rộng xung PWM [12]

4 Điều khiển chuyển đổi cơng suất phía lưới (GSC) khi méo dạng điện áp lưới

4.1 Phân tách điện áp dòng điện lưới dùng quan sát tổng hợp (CO)

Bộ CO dùng để phân tách thành phần điện áp dòng điện [4]-[5] Nguyên tắc CO tóm tắt sau:

Giả thiết tín hiệu tuần hồn

y(t) bao gồm thành phần tín hiệu DC

(y0(t)), thành phần (y1(t)) và thành phần họa tần (y3(t), y5(t), y7(t)), tương ứng, thể sau:

0,1,3,5,7

( ) m( )

m

y t y t



 

(8)

Tín hiệu đầu vào viết miền rời rạc:

0,1,3,5,7

( ) m( ); 0,1, 2, ,

m

y i y i i



    (9)

Hình Vịng lặp kín dùng CO

Cấu trúc CO thể sau:

ˆ( 1) ˆ( ) ( ) ˆ( ) ˆ( )

x i Ax i De i

y i Cx i

  



 

 (10)

Trong đó: số “^” giá trị ước tính, x(i) vector trạng thái, y(i) vector đầu ra, A C ma trận quan sát D vector độ lợi, có dạng sau:

0 11 12 31 32 51 52

71 72 111 112 131 132

[ , ( , ), ( , ), ( , ),

( , ), ( , ), ( , )]T

D d d d d d d d d d d d d d



(11)

và e(i) sai số quan sát tính cơng thức sau: e i( )y i( )y iˆ( )

4.2 Chiến lược điều khiển dòng điện lưới

X

X

Bộ quan sát tổng hợp

Bộ quan sát tổng hợp X X PR1 PR3 PR5 PWM + + + -X+ X + X + X +

-PRr BPF

(fr)

PI X

+ -+ -+ -Nguồn X

PR7 +

-X + sin(x) PLL X + + + +

is7th

is 5th

is3rd

is1st

vs1st

vs 3rd

vs 5th

vs7th

vs

is

is1st

is 1st* Iamp*

Vdc Vdc

*

vs1st

θe is

3rd*

is3rd

is 5th* = 0 is 7th* = 0 is 5th is 7th

isr

is r*= 0

vs r vs 7th vs 5th

vs3rd

V3 *

V1 *

vs1st

V5 * V7 * V* Vdc1 Vdc2 Lf Lg Cf is vs

isr

Hình Sơ đồ khối điều khiển GSC

Hình thể sơ đồ khối điều khiển chuyển đổi PWM pha (GSC) Mục đích GSC phải cung cấp cơng suất tác dụng cho lưới từ tua-bin với dòng điện lưới hoàn toàn sin điều kiện méo dạng điện áp lưới Do đó, thành phần họa tần điện áp dòng điện

, , ,

st rd th th

s s s s

v v v v

1

, , ,

st rd th th

s s s s

i i i i

tách cách dùng CO Thành phần điện áp sử dụng cho thuật tốn PLL để xác định góc pha e[13] Biên độ

dòng điện lưới ( * amp

I ) xác định

ngõ điều khiển điện áp DC Dòng điện lưới tham chiếu ( *st

s

i )

xác định

1 * *

sin( )

st

s amp e

i  I  (12)

Thành phần dịng điện lưới cộng hưởng trích xuất lọc thông dải (BPF) Bộ điều khiển cộng hưởng - tỉ lệ (PR) ứng với tần số góc 3e, 5e, 7e

được áp dụng cho điều khiển dịng điện lưới, thành phần họa tần bậc 3, 5, thành phần cộng hưởng dịng điện lưới điều khiển khơng

5 Mô

Bảng 1. Thông số hệ thống

Máy phát PMSG

2,68 kW, 110 V, cực Rs=0,49 Ω, Ls=5,35 mH,

J=0,00331 kg.m2 Bộ chuyển đổi

cơng suất phía lưới

110 V, 60 Hz, 540 VDC

Lg=0,3 mH, Lf=3 mH,

Cf=4,75 µF, Tần số đóng cắt 10 kHz

Các vector độ lợi (11) thiết kế sau:

[0,15841371, (0,23520296, -0,2368942157), (0,116151146, -0,115147), (0,0961, -0,92542), (0,0811463, -0,05812), (0,04125, -0,0264),

(0,01691, -0,005771)]T

D

Hình thể vận hành điều khiển dòng điện lưới trường hợp méo dạng điện áp lưới, điện áp lưới chứa 10%, 8% 6% thành phần họa tần bậc 3, Thành phần dòng điện lưới dòng điện tham chiếu thể Hình 5(a), thành phần dòng điện lưới đo bám sát dòng tham chiếu Nói cách khác, dịng điện lưới điều khiển gần hình sin Các thành phần họa tần bậc cao dòng điện lưới thể Hình 5(b) phổ họa tần bậc cao thể Hình 5(d) Trong trường hợp này, điện áp tụ DC điều khiển tốt, với sai số nhỏ 1% (Hình 5(e))

Để điều khiển GSC, CO sử dụng để tách thành phần họa tần bậc cao điện áp dòng điện lưới PLL sử dụng Các kết mô thể vận hành GSC thể Hình

Hình (a) hiển thị điện áp lưới bị méo dạng Như thấy Hình 6(a), điện

áp quan sát (vs obs, ) từ việc dùng CO

bám sát tốt điện áp lưới (vs) Điều thể

hiện CO phân tách xác thành phần họa tần bậc cao Cụ thể là, thành phần điện áp lưới phân tách Hình 6(b) có dạng hồn tồn hình sin Hình 6(c) (d) thể kết mô phổ thành phần họa tần bậc cao điện áp lưới Hình 8(a) tương ứng Tương tự điện áp lưới, dịng điện lưới quan sát (Hình 8(e)) phân tách tốt việc sử dụng CO, thành phần thành phần họa tần bậc cao dòng điện lưới phân tách Hình 5(a) Hình 5(b) đề cập Lưu ý thành phần họa tần bậc cao điện áp dòng điện lưới phân tách CO để sử dụng cho điều khiển mơ tả Hình

Hình Kết vận hành điều khiển dòng điện lưới méo dạng điện áp lưới

Đ

iệ

n

p l

ướ

i (

V

)

(a)

Méo dạng Méo dạng sụt áp

Time (s)

Time (s)

T

hà

nh ph

ần c

ơ bả

n c

ủa

đi

ện

p l

ướ

i (

V

)

(b)

Time (s)

G

óc

pha

(

ra

d

)

(c)

Đ

iệ

n

p l

ướ

i (

V

)

(d)

Time (s)

Time (s)

T

hà

nh p

hầ

n c

ơ bả

n c

ủa

đi

ện

p l

ướ

i (

V

)

(e)

G

óc

pha

(

ra

d

)

(f)

Time (s)

Hình Kết vận hành vịng khóa pha (PLL) có méo dạng sụt áp lưới

Hình thể kết vận hành hệ thống tốc độ gió thay đổi dạng bậc thang Do tốc độ gió tăng từ 10 m/s đến 13 m/s giảm từ 13 m/s xuống 10 m/s Hình 11(a) nên dạng sóng tốc độ máy phát Hình 8(b) có dạng giống tốc độ gió

Theo phương pháp tối ưu hóa cơng suất MPPT, hệ số chuyển đổi công

T

ốc

độ gi

ó

(m

/s

)

(a)

Time (s)

T

ốc

độ m

áy phá

t (

rpm

)

(b)

Time (s)

H

ệ s

ố c

huyể

n đổi

công s

uấ

t

(c)

Time (s)

Đ

iệ

n

p t

ụ D

C

(V

)

(d)

Time (s)

D

òng

ện l

ướ

i (

A

)

(e)

Time (s)

Công s

uấ

t l

ướ

i (

W

)

(f)

Time (s)

Hình Kết vận hành hệ thống tốc độ gió thay đổi dạng bậc thang

6 Kết luận

Chiến lược điều khiển cho chuyển đổi công suất pha phía lưới với lọc LCL kết nối tua-bin gió PMSG nhỏ với lưới điện trình bày nghiên cứu Theo đó, vận hành kết nối lưới cải thiện điều kiện điện áp lưới bị méo dạng dòng điện lưới

được điều khiển gần hình sin Để thực điều này, điều khiển PR dùng để triệt tiêu thành phần họa tần bậc 3, dòng điện lưới mà phân tách cách xác thơng qua quan sát tổng hợp Hiệu phương pháp theo đề xuất kiểm chứng kết mô

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Katsumi Nishida, Tarek Ahmed, Mutsuo Nakaoka, “A cost-effective high-efficiency power conditioner with simple MPPT control algorithm for wind-power grid integration”, IEEE Transactions on Industry Application, 47(2), 893-900, 2011 [2] Joerg Dannehl, ChristianWessels, and Friedrich Wilhelm Fuchs, “Limitations of

voltage-oriented PI current control of grid-connected PWM rectifiers with LCL filters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 56(2), 380-388, 2009

Transactions on Industrial Electronics, 58(9), 3914-3924, 2011

[4] Kamakshy Selvajyothi and Panappakkam Janakiraman, “Reduction of voltage harmonics in single phase inverters using composite observers”, IEEE Transactions on Power Delivery, 25(2), 1045-1057, 2010

[5] Thanh Hai Nguyen, Dong-Choon Lee, and Suk-Gyu Lee, “Sinusoidal current control of single-phase PWM converters under voltage source distortion using composite observer”, Transaction of Korean Institution of Power Electronics (KIPE), 16(5), 466-476, 2010

[6] Carlos Lumbreras, Juan Manuel Guerreo, Pablo Garcia, Fernando Briz, David Diaz Reigoza, “Control of a small wind turbine in the high wind speed region”, IEEE Transactions on Power Electronics,31(10), 6980–6990,2016

[7] Lenos Hadjidemetriou, Elias Kyriakides, Yongheng Yang, Frede Blaabjerg, “A synchronization method for single-phase grid-tied inverters”, IEEE Transactions on Power Electronics, 31(3), 2139–2149, 2016

[8] Lenos Hadjidemetriou, Yongheng Yang, Elias Kyriakides, Frede Blaabjerg, “A synchronization scheme for single-phase grid-tied inverters under harmonic distortion and grid disturbances”, IEEE Transactions on Power Electronics, 32(4), 2784–2793, 2016

[9] Quoc-Nam Trinh and Hong-Hee Lee, “Advanced Repetitive Controller to Improve the Voltage Characteristics of Distributed Generation with Nonlinear Loads”,

Journal of Power Electronics, 13(3), 409–418, 2013

[10] Radu Iustin Bojoi, Leonardo Rodrigues Limongi, Daniel Roiu, Alberto Tenconi, “Enhanced power quality control strategy for single-phase inverters in distributed generation systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, 26(3), 798– 806,2011

[11] Thanh Hai Nguyen, Suk-Ho Jang, Hong-Geuk Park, Dong-Choon Lee, “Sensorless control of PM synchronous generators for micro wind turbines,” 2008 IEEE 2nd International Power and Energy Conference, 936-941, 2008

[12] Dong-Choon Lee and Young-Sin Kim, “Control of single-phase-to-three-phase AC/DC/AC PWM converters for induction motor drives”, IEEE Transactions on Industrial Electronics,54(2), 797-804, 2007

[13] Timothy Thacker, Dushan Boroyevich, Rolando Burgos, Fei Wang, “Phase-locked loop noise reduction via phase detector implementation for single-phase systems”,

IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(6), 2482-2490, 2011

Radu Iustin Bojoi, L eonardo Rodrigues Limongi, Daniel Roiu, Alberto Tenconi,