Phát triển một bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động điện xoay chiều ba pha báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Phát triển biến đổi cơng suất cho ứng dụng lượng gió truyền động điện xoay chiều ba pha Mã số đề tài: 182.Đ02 Chủ nhiệm đề tài: Phạm Công Duy Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng Nghệ Điện Tp Hồ Chí Minh, … LỜI CÁM ƠN Tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo Nhà trường, Phòng Quản lý Khoa học Hợp tác quốc tế, ban chủ nghiệm Khoa Công nghệ Điện Đại Học Công nghiệp Tp.HCM tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Sinh Viên Khoa công Nghệ Điện Đại Học Cơng nghiệp Tp.HCM đóng góp ý kiến quý báo cho thực đề tài PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Phát triển biến đổi cơng suất cho ứng dụng lượng gió truyền động điện xoay chiều ba pha 1.2 Mã số: 182.Đ02 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài TS Phạm Công Duy Khoa Công Nghệ Điện Chủ nhiệm 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 06 năm 2019 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 75 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Hiện tại, nhiệt điện thủy điện hai nguồn lượng điện chủ yếu Việt Nam Hai nguồn lượng ẩn chứa hiểm hoạ cộng đồng dân cư ô nhiễm môi trường Để giảm hiểm họa này, lượng tái tạo giải phát thay Nổi bật lượng tái tạo phong điện hay điện gió xem nguồn điện sạch, gây ô nhiễm môi trường, thân thiện hiền hoà người Mặc dù điện gió bắt đầu giới để ý đến từ 25 năm trước, gần 10 năm trở lại khẳng định vị trí thị trường lượng giới sản lượng điện gió tăng trưởng cách ngoạn mục với tốc độ 28%/năm, cao tất nguồn lượng có Sự phát triển thần kỳ điện gió có nhờ vào phát triển linh kiện bán dẫn công suất giải thuật điều khiển nâng cao Một lý quan trọng giải thích phát triển đột biến điện gió 10 năm trở lại nguy khủng hoảng lượng nước phát triển mối quan tâm ngày cao nước bảo vệ môi trường, điều tiếp thêm sức mạnh cho nỗ lực tìm kiếm dạng lượng tái tạo thân thiện với mơi trường Việt Nam có tiềm điện gió dồi dào, lĩnh vực nhà đầu tư nước quan tâm Nếu khai thác hết tiềm này, tổng cơng suất điện gió gấp 20 lần tổng công suất điện Việt Nam Ngay quy hoạch điện, điện gió lĩnh vực ưu tiên phát triển với mục tiêu: “Ưu tiên phát triển nguồn lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện sản xuất từ nguồn lượng lên mức 4,5% vào năm 2020 6% vào năm 2030” Trong đó, đưa tổng cơng suất nguồn điện gió từ mức khơng đáng kể lên 1.000 MW vào năm 2020, khoảng 6.200 MW vào năm 2030 Hiện nhu cầu phát điện chạy sức gió Việt Nam ngày trở nên có tính thực tiễn cao, nguồn tài nguyên than phục vụ cho nhà máy nhiệt điện ngày cạn kiệt, thủy điện gần khai thác hết công suất nguồn nước sơng Việt Nam Ngồi nguồn lượng mặt trời giai đoạn nghiên cứu dừng lại công suất nhỏ, sức gió Việt Nam chưa khai thác nhiều Trong hệ thống lượng gió, biến đổi điện hay gọi biến đổi cơng suất (năng lượng gió chuyển thành điện năng) phát cho lưới điện quan trọng Bộ biến đổi công suất thiết bị có chức biến đổi tần số điện áp nguồn xoay chiều có tần số thay đổi theo tốc độ gió thành nguồn điện xoay chiều có tần số với lưới điện Truyền động điện đặc biệt truyền động điện xoay chiều ba pha ứng dụng lĩnh vực robot, CNC Vì vậy, lượng tái tạo truyền động điện góp phần thành cơng công nghiệp lần thứ Từ yêu cầu thực tiễn, Bộ Cơng Thương khuyến khích doanh nghiệp tham gia đầu tư vào lượng tái vào truyền động điện Dựa vào tầm nhìn, sứ mạng mục tiêu Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM tầm nhìn: trở thành trường ĐH trọng điểm quốc gia…, nằm nhóm 10 trường ĐH hàng đầu VN theo hướng ứng dụng, sứ mạng: cung cấp nguồn nhân lực có trình độ chun mơn cao, có kỹ nghề nghiệp tiếp cận với thực tiễn…, nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ… mục tiêu: …điều kiện đáp ứng yêu cầu đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao đóng góp cho xã hội, tạo giá trị thực tiễn hiệu từ hoạt động nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ, hợp tác quốc tế Hiện tại, Khoa Công Nghệ Điện chưa có thiết bị dạy mơn học truyền động điện lượng tái tạo Tổng kết lại, từ yêu cầu thực tế đất nước, tầm nhìn, sứ mạng mục tiêu Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM khó khăn Khoa Cơng Nghệ Điện, nhóm thực đề tài đề xuất giải pháp để giải phần khó khăn Khoa Cơng Nghệ Điện cho môn học lượng tái tạo truyền động điện thiết kế chế tạo biến đổi cơng suất cho ứng dụng lượng gió truyền động điện xoay chiều Giải pháp đề xuất tiếp cận công nghệ Hoa Kỳ (LabVIEW FPGA DSP) từ làm chủ cơng nghệ cải tiến sản phẩm cho ứng dụng loại máy điện xoay chiều công nghiệp pha điện áp 220V Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] B Wu, Y Lang, N Zargari, and S Kouro ‘Power conversion and control of wind energy systems’, Wiley & IEEE Press, 2011 L Pao and K Johnson, “Control of wind turbines,” IEEE Control Syst., vol 31, no 2, pp 44–62, Apr 2011 A Z Mohamed, M N Eskander, and F A Ghali, “Fuzzy logic control based maximum power tracking of a wind energy system,” Renew Energy, vol 23, no 2, pp 235–245, Jun 2001 K Johnson, L Pao, M Balas, and L Fingersh, “Control of variable speed wind turbines: Standard and adaptive techniques for maximizing energy capture,” IEEE Control Syst., vol 26, no 3, pp 70–81, Jun 2006 M Chinchilla, S Arnaltes, and J Burgos, “Control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid,” IEEE Trans [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] Energy Conv., vol 21, no 1, pp 130–135, Mar 2006 F Valenciaga and P Puleston, “High-order sliding control for a wind energy conversion system based on a permanent magnet synchronous generator,” IEEE Trans Energy Conv., vol 23, no 3, pp 860–867, Sep 2008 B Beltran, T Ahmed-Ali, and M Benbouzid, “High-order sliding-mode control of variable-speed wind turbines,” IEEE Trans Ind Electron., vol 56, no 9, pp 3314– 3321, Sep 2009 W Qiao, L Qu, and R Harley, “Control of IPM synchronous generator for maximum wind power generation considering magnetic saturation,” IEEE Trans Ind Appl., vol 45, no 3, pp 1095–1105, May–Jun 2009 M Singh and A Chandra, “Application of adaptive network-based fuzzy inference system for sensorless control of PMSG-based wind turbine with nonlinear-loadcompensation capabilities,” IEEE Trans Power Electron., vol 26, no 1, pp 165–175, Jan 2011 M L Corradini, G Ippoliti, and G Orlando, “Robust control of variable speed wind turbines based on an aerodynamic torque observer,” IEEE Trans Control Syst Technol., vol 21, no 4, pp 1199–1206, Jul 2013 Yuan, L., Chen, M., Shen, J., Xiao, J., “Current harmonics elimination control method for six-phase PM synchronous motor drives” ISA Transactions, Elsevier ISA Transactions., vol 59, pp 443-449, 2015 L F A Pereira and A S Bazanella, “Tuning rules for proportional resonant controllers,” IEEE Trans Control Syst Technol., vol 23, no 5, pp 2010–2017, Sep 2015 A Bazanella, L Pereira, and A Parraga, “A new method for PID tuning including plants without ultimate frequency,” IEEE Trans Control Syst Technol., vol 25, no 2, pp 637 - 644, Mar 2017 www.festo-didactic.com www.lucas-nuelle.com www.ni.com www.semikron.com/about-semikron/news-press/detail/semikron-granted-backing-forresearch-project.html Austin Hughes, Electric Motors and Drives: Fundamentals, Types and Applications, 3th Edition, Elsevier Press, 2006 M Godoy Simões, Felix A Farret, Modeling and Analysis with Induction Generators, 3rd Edition, CRC Press, 2014 Sang-Hoon Kim, Electric Motor Control: DC, AC, and BLDC Motors, Elsevier Press, 2017 Mục tiêu 2.1 Mục tiêu tổng quát: Làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo biến đổi cơng suất cho ứng dụng lượng gió truyền động xoay chiều ba pha 2.2 Mục tiêu cụ thể: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm bộ biến đổi công suất Điều khiển tốc độ máy điện xoay chiều pha (đồng hay không đồng bộ) turbine gió Điều khiển tốc độ (hay tần số) hai máy điện xoay chiều pha (đồng hay không đồng bộ) chạy song song Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính tốn lý thuyết Phương pháp nghiên cứu mơ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Tổng kết kết nghiên cứu Hình 4.1 Sơ đồ khối cơng suất (a) Lớp (b) Lớp Hình 4.2 Board mạch hai lớp (a) Lớp (b) Lớp Hình 4.3 Board mạch với lớp lớp Hình 4.4 Mạch thực tế sau hàn Vận hành thử nghiệm kiểm tra kết cho ứng dụng lượng gió U Hình 4.5 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 1kHz Hình 4.6 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 5kH Vận hành thử nghiệm kiểm tra kết cho ứng dụng truyền động điện Hình 4.7 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 20kHz Hình 4.8 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 20kHz Đánh giá kết đạt kết luận Các kết đáp ứng mục tiêu đặt làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo biến đổi công suất cho ứng dụng lượng gió truyền động xoay chiều ba pha điều khiển tốc độ máy điện xoay chiều pha (đồng hay không đồng bộ) turbine gió Điều khiển tốc độ (hay tần số) hai máy điện xoay chiều pha (đồng hay không đồng bộ) chạy song song Các kết sở tảng cho ứng dụng điện tử công suất truyền động xoay chiều ba pha giáo dục cơng nghiệp Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Đề tài nghiên cứu phương pháp điều khiển dòng điện stator cực d cho máy phát gió đồng nam châm vĩnh cửu Kết mơ phương pháp điều khiển từ thông stator số đạt giảm giá đáp ứng tốt cho hệ thống điều khiển máy phát gió Đề tài đề xuất giải pháp phần cứng cho ứng dụng lượng gió truyền động xoay chiều ba pha phù hợp trường đại học để giảng dạy nghiên cứu Kết thực nghiệm giải pháp đề xuất tốt Giải pháp phần cứng sở tảng cho nghiên cứu phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều The work studies d-axis stator current control methods applied to permanent magnet synchronous generator-based wind energy systems The simulink results show that the constant stator fluxlinkage control method can be obtained low cost and good characteristics The work also proposes a hardware solution to applied to wind power and ac drives which applied to study and research at Industrial University of Ho Chi Minh City The solution has designed and tested Experiments show the hardware very good The hardware is a promising platform for ac electrical machine drives control (c) Lớp (d) Lớp Hình 1.30 Board mạch hai lớp 40 Thiết kế 3D (b) Lớp (b) Lớp Hình 1.31 Board mạch với lớp lớp 41 Chế tạo biến đổi công suất cho ứng dụng lượng gió truyền động điện Kiểm tra thơng số mạch Hình 2.1 Quy cách mạch in công ty sản xuất 42 - Nếu thông số mạch không phù hợp với tiêu chuẩn nhà sản xuất ta chỉnh lại cho phù hợp tìm nhà sản xuất khác - Tốt nên tìm hiểu nhà sản xuất bắt đầu làm vẽ mạch File Gerber Để tránh sai sót khơng đáng có gửi file đặt hàng không mở file nhà sản xuất khơng có phần mềm khách hàng sử dụng nhân viên xử lý kỹ thuật mở file pcb khách hàng gây thay đổi mạch… Chúng ta nên xuất file Gerber để gởi đặt hàng cho nhà sản xuất PCB Tất nhà sản xuất PCB nhận Gerber  Xuất file Gerber: - B1: Đặt lại gốc tọa độ cho mạch: + Edit, Origin, Set, chọn vị trí góc trái board làm gốc tạo độ B2: Xuất Gerber: File -> Fabrication Outputs -> Gerber Files Hình 2.2 Xuất file gia cơng mạch + Lựa chọn theo hình để có kích thước chuẩn với mạch thực tế  Xuất file khoan (Drill): File -> Fabrication Outputs -> NC Drill File 43 Hình 2.3 Xuất file lỗ khoan Sau gộp file lại gửi cho nhà sản xuất, nhà sản xuất dựa vào chúng để làm mạch Đặt mua linh kiện hàn mạch File Bill of Materials (BOM) - Reports, Project Reports, Bill of Materials - Xuất file BOM để biết thông tin số lượng thông tin nơi mua để người thiết kế dễ dàng việc tìm kiếm mua Bảng 2.1: Bill of Materials Designator Description R38, R39, R52, RES OHM R53, R100, JUMPER 1/8W R101, R102 0805 R80, R81, R82 RES 0.02 OHM 1% 3W 2512 Quantity Supplier Part Number Digi-Key 311-0.0CRCT-ND Digi-Key Digi-Key EF4224-ND Digi-Key P1.0KDACT-ND CRA2512-FZR020ELFCT-ND CAP FILM C21 0.22UF 10% 400VDC RAD R60, R61, R62, RES 1K OHM R63 0.1% 1/8W 0805 44 C9, C10, C11, C12, C13, C14, CAP CER 1nF C28, C40, C41, 50V X7R 0805 10 Digi-Key 399-1147-1-ND Digi-Key 399-1284-1-ND Digi-Key 311-2.00KCRCT-ND Digi-Key 1276-2408-1-ND Digi-Key YAG3717CT-ND Digi-Key 399-10048-1-ND Digi-Key 311-47KARCT-ND Digi-Key 732-7628-1-ND Digi-Key 311-909KFRCT-ND Digi-Key 1276-2434-1-ND Digi-Key 445-3942-1-ND Digi-Key 541-20ACT-ND C42 C35, C37 R32, R36, R42, R46, R48, R50, R59 C26 CAP CER 1UF 16V X7R 0805 RES 2K OHM 1% 1/8W 0805 CAP CER 2.2UF 25V X5R 0805 Fixed Inductors L1 2.2uH 20% 8A 23.5mOhms AEC-Q200 R28, R34 RES 2.7K OHM 1% 1/8W 0805 CAP CER C33 3300PF 25V X7R 0603 R54, R55, R56 C25 RES 4.7K OHM 5% 1/8W 0805 CAP CER 4.7UF 25V X5R 0805 R20, R21, R22, RES 9.09K OHM R23 1% 1/4W 1206 C36 C31 R1, R2, R3 CAP CER 10nF 25V X7R 0805 CAP CER 10UF 25V X7R 1210 RES 20 OHM 5% 1/8W 0805 45 R33, R37, R43, RES 22K OHM R47, R49, R51 1% 1/8W 0805 C34 R29, R35 CAP CER 22UF 25V X5R 1206 RES 30K OHM 1% 1/8W 0805 Digi-Key 311-22.0KCRCT-ND Digi-Key 478-10040-1-ND Digi-Key P30.0KCCT-ND Digi-Key P121399CT-ND Digi-Key 478-3771-1-ND Digi-Key P100KDACT-ND 11 Digi-Key 1276-1007-1-ND Digi-Key 311-100ARCT-ND Digi-Key PCE5026CT-ND Digi-Key 311-221CRCT-ND Digi-Key RHM300KAFCT-ND Digi-Key 311-300CRCT-ND Digi-Key 493-6112-ND CAP ALUM C1, C3, C5 POLY 33UF 35V SMD C17, C18, C19, C20 R57 CAP CER 0.047UF 50V X7R 0805 RES 100K OHM 1% 1/8W 0805 C2, C4, C6, C8, C22, C23, C24, CAP CER 0.1UF C27, C32, C38, 50V Y5V 0805 C39 R4, R5, R6, R7, RES 100 OHM R8, R9, R24 5% 1/8W 0805 CAP ALUM C7 220UF 20% 35V SMD R30, R31, R40, RES 221 OHM R41, R44, R45 1% 1/8W 0805 R12, R13, R14, RES 300K OHM R15 1% 1/3W 1206 R25, R26, R27 RES 300 OHM 1% 1/8W 0805 CAP ALUM C43, C44, C45 330UF 20% 450V SNAP 46 R16, R17, R18, RES 820K OHM R19 1% 1/4W 1206 BS1, BS2 HOLE1,HOLE2, Digi-Key 311-820KFRCT-ND Digi-Key 501-1115-ND Digi-Key 497-5711-1-ND Digi-Key 455-2270-ND Digi-Key ES1JFSCT-ND Digi-Key FNB51560T1-ND Digi-Key CP-002AH-ND Digi-Key HOLE3, HOLE4 DIODE D9, D10, D11 SCHOTTKY 40V 350MA SOD323 H1 Header 5, 2.54mm DIODE GEN D1, D3, D5 PURP 600V 1A SMA IGPT MODULE U1 SPM 600V 15A SPM55 CONN PWR J1 JACK 2X5.5MM SOLDER DZ2, DZ4, DZ6, DZ7 HD1 DIODE ZENER 24V 200MW SOD323 Header (Green) MMSZ5252BSFDICT-ND IC OPAMP GP U3, U4 38MHZ RRO Digi-Key OPA2350UA-ND Digi-Key 296-22637-1-ND Digi-Key 296-27064-1-ND 8SOIC IC VREF U2 SERIES 1.8V SOT23-3 U6 IC REG LINEAR 3.3V 400MA 47 SOT23-5 IC 6BIT NONU8 INV TRANSLTR Digi-Key 296-23759-1-ND 16TSSOP Hình 2.4 Mạch thực tế sau hàn Các giải thuật điều khiển máy điện cho ứng dụng lượng gió Có nhiều giải thuật điều khiển máy điện cho ứng dụng lượng gió, cho giản đề tài khơng nghiên cứu chuyên sâu giải thuật phức tạp mà giới hạn nhấn mạnh vào giải thuật điều khiển động không đồng ba pha hoạt động turbine gió Hình 4.36 Hình 3.1 Thực thi thực nghiệm 48 Turbine Blade Back-to-back converter PMSG Wind Transformer Gear Box PCC Grid ~ d-axis stator current control i*ds =0 i* # - Calculator dq ds MPPT Speed controller abc a,b,c phase stator voltage controllers SPWM Hình 3.2 Thực thi mơ điều khiển máy phát gió PMSG Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển máy điện cho ứng dụng lượng gió Begin Enter frequence V/f PWM End Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật 49 Viết chương trình máy tính cho ứng dụng lượng gió Hình 5.1 LabVIEW FPGA Các giải thuật điều khiển máy điện cho ứng dụng truyền động điện xoay chiều Hình 6.1 Thực thi thực nghiệm điều khiển hai động Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển máy điện cho ứng dụng truyền động điện xoay chiều 50 Begin Enter frequence V/f PWM End Hình 7.1 Lưu đồ thực thi thực nghiệm điều khiển hai động Viết chương trình máy tính cho ứng dụng truyền động điện xoay chiều Hình 8.1 Chương trình LabVIEW FPGA NI myRIO 1950 Vận hành thử nghiệm kiểm tra kết cho ứng dụng lượng gió 51 U Hình 9.1 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 1kHz Hình 9.2 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 5kH 10 Vận hành thử nghiệm kiểm tra kết cho ứng dụng truyền động điện 52 Hình 10.1 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 20kHz Hình 10.2 Điện áp dây biến tần tần số đóng cắt 20kHz 53 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM (tất văn có sẵn, chủ nhiệm cần photo đính kèm sau nội dung trên, sử dụng lý hợp đồng với phịng kế tốn Khi lý, báo cáo in thành 03 cuốn, đó, 01 đóng bìa mạ vàng, 02 đóng bìa cứng thường) Hợp đồng thực đề tài nghiên cứu khoa học Thuyết minh đề tài phê duyệt Quyết định nghiệm thu Hồ sơ nghiệm thu (biên họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm, giải trình, phiếu phản biện) Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, vẽ, mơ hình .) 54 ... phát triển kết nghiên cứu đề tài) Đề tài phát triển công suất cho ứng dụng lượng gió truyền động điện xoay chiều Nghiên cứu giải thuật điều khiển nâng cao cho ứng dụng lượng gió truyền động điện. .. hệ thống lượng gió, biến đổi điện hay gọi biến đổi cơng suất (năng lượng gió chuyển thành điện năng) phát cho lưới điện quan trọng Bộ biến đổi cơng suất thiết bị có chức biến đổi tần số điện áp... Nguồn điện dụng lượng gió chiều 50-300VDC truyền động xoay chiều - Nguồn điện xoay chiều pha 220V, 50Hz - Công suất biến đổi công suất 750 W, điện áp ngõ 220V, tần số 50 Hz Bản vẽ thiết kế biến đổi