Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống lai điện gió và điện mặt trời nối lưới

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÙI THỊ HUYỀN TRANG NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CĨ CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG LAI ĐIỆN GIÓ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Ngành: kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LẠI KHẮC LÃI Thái Nguyên - 2020 ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Bùi Thị Huyền Trang Sinh ngày: 16 tháng 12 năm 1989 Học viên lớp CĐK17A – KTĐK&TĐH, Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa công bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Bùi Thị Huyền Trang iii LỜI CẢM ƠN Tơi xin trân trọng bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi - người hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin trân thành cảm ơn ác thầy cô giáo Khoa công nghệ tự động hóa trường đại học cơng nghệ thơng tin truyền thơng thái ngun đóng góp nhiều ý kiến tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng Đào Tạo, phòng ban, Khoa sau đại học, Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường đại học công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi mặt để tơi hồn thành khóa học Tác giả luận văn Bùi Thị Huyền Trang iv MỤC LỤC Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục iv Danh mục chữ viết tắt ix Danh mục hình vẽ đồ thị viii CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 1.1 Bộ biến đổi chiều- chiều(DC-DC) 1.1.1 Chức biến đổi DC-DC 1.1.2 Bộ biến đổi DC-DC không cách li 1.1.3 Bộ biến đổi DC- DC có cách ly 10 1.1.4 Điều khiển biến đổi DC-DC 11 1.2 BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter) 12 1.2.1 Biến đổi chiều sang hệ thống xoay chiều pha 12 1.2.1.1 Cấu tạo 12 1.2.1.2 Nguyên lý làm việc 13 1.2.2 Biến đổi chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha 15 1.3 Các phép chuyển đổi 16 1.3.1 Các hệ trục tọa độ 16 1.3.2 Các phép chuyển đổi 18 1.3.2.1 Biến đổi hệ thống ba pha sang pha 18 1.3.2.2 Chuyển đổi hệ thống pha sang hai pha 21 1.4 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 22 1.4.1 Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang (CB-PWM) 23 1.4.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) 24 1.5 Điều khiển chuyển đổi DC-AC 25 1.5.1 Bộ điều khiển PI 26 1.5.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) 26 1.5.3.Bộ điều khiển phản hồi trạng thái 27 1.6 Vấn đề hòa nguồn điện với lưới 28 v 1.6.1 Các điều kiện hòa đồng 28 1.6.2 Đồng vị pha hai hệ thống lưới 29 1.7 Kết luận chương 30 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIÓ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI 31 2.1 Năng lượng gió lượng mặt trời 31 2.1.1 Năng lượng mặt trời 31 2.1.1.1 Cấu trúc mặt trời 31 2.1.1.2 Năng lượng mặt trời 32 2.1.2 Năng lượng điện gió 33 2.1.2.1 Sử dụng điện từ gió 33 2.1.2.2 Công suất lắp đặt giới 35 2.2 Khai thác, sử dụng trực tiếp lượng gió mặt trời 35 2.2.1 Thiết bị sấy khô dùng lượng mặt trời 35 2.2.2 Thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời 36 2.2.3 Động stirling chạy lượng mặt trời 36 2.2.4 Bếp nấu dùng lượng mặt trời 37 2.2.5 Thiết bị đun nước nóng lượng mặt trời 38 2.2.6 Thiết bị làm lạnh điều hịa khơng khí dùng lượng mặt trời 39 2.2.7 Cối xay gió 40 2.3 Hệ thống tích hợp điện gió điện mặt trời 41 2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 41 2.3.2 Pin mặt trời 41 2.3.2.1 Khái niệm 41 2.3.2.2 Mơ hình tốn đặc tính làm việc pin mặt trời 42 2.3.3 Tuabin gió máy phát điện 45 2.3.3.1 Cấu trúc chung tuabin gió 45 2.3.3.2 Mơ hình hóa tuain gió (WT) máy phát cảm ứng 47 2.3.3.3.Điều khiển điện gió 48 2.4 Hệ thống tích hợp điện gió mặt trời làm việc độc lập 49 2.4.1 Sơ đồ khối hệ thống 49 2.4.2 Đặc điểm phạm vi ứng dụng 50 vi 2.5 HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIĨ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 51 2.5.1 Sơ đồ khối hệ thống 51 2.5.3 Các nhiệm vụ điều khiển hệ thống 51 2.6 Kết luận chương 52 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 53 3.1 Ý nghĩa việc xác định điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPPT) 53 3.1.1 Ý nghĩa MPPT mặt trời 53 3.1.2 Ý nghĩa MPPT điện gió 55 3.2 Thuật toán mppt cho hệ thống chuyển đổi lượng mặt trời 56 3.2.1 Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) 56 3.2.2 Thuật toán xáo trộn quan sát (P&O - Perturb and Observe) 57 3.2.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) 57 3.2.4 Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance) 58 3.2.5 MPPT ứng dụng logic mờ 59 3.3 Thuật toán mppt điện gió 62 3.3.1 Phương pháp điều khiển TSR 62 3.3.2 Phương pháp điều khiển PSF 62 3.3.3 Phương pháp điều khiển leo đồi 63 3.3.4 MPPT cho turbine gió sử dụng máy phát điện đồng kích thích vĩnh cửu 64 3.4 Kết mô 67 3.4.1 Sơ đồ kịch mô 67 3.4.3 Nhận xét 70 3.5 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 Kết luận 71 2.Kiến nghị 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Inverter Grid Tie Inverter On Grid Biến tần nối lưới PLL - Phase Lock Loop Vịng khóa pha NLTT Năng lượng tái tạo DC-DC Biến đổi chiều sang chiều DC-AC Biến đổi chiều sang xoay chiều PR - Proportional Resonant Cộng hưởng tỉ lệ INC - Inremental Conductance Thuật toán độ dẫn gia tăng Anti Islanding Chống lập CV - Constant Voltage Thuật tốn điện áp khơng đổi P&O - Perturb and Observe Thuật tốn xáo trộn quan sát PC - Parasitic Capacitance Solar Power SOGI-Second-order generalised integrator Thuật toán điện dung ký sinh Năng lượng mặt trời Tích phân bậc tổng quát ZCD - Zero Cross Detection Phát điểm qua zero ZCZVS - Zero current Zero Voltage Switching Chuyển mạch với điện áp dòng điện CB-PWM - Carrier Based Pulse Width Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang SVM - Space Vecto Modulation Điều chế véc tơ khơng gian CC - Current Control Điều khiển dịng điện VC - Voltage - Control Điều khiển điện áp VSI - Voltage Source Inverter Biến tần nguồn áp viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Hình 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost Hình 4: Sơ đồ biến đổi Cuk Hình 5: Sơ đồ mạch Cuk khóa SW mở thơng dịng Hình 6: Sơ đồ mạch Cuk khóa SW đóng Hình 7: Bộ chuyển đổi DC – DC có cách ly 10 Hình 8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 11 Hình 9: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 12 Hình 10: Nghịch lưu áp cầu pha đồ thị 13 Hình 11: Sơ đồ mạch nghịch lưu pha 15 Hình 12: Sơ đồ dẫn transistor điện áp pha 15 Hình 13: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ 19 Hình 14: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 20 Hình 15: Cấu trúc SOGI 22 Hình 16: Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang hình sin 23 Hình 17: Biểu diễn véc tơ không gian điện áp 24 Hình 1: Cấu trúc mặt trời 32 Hình 2: Cối xay gió 34 Hình 3: Thiết bị sấy khơ dùng lượng mặt trời 35 Hình 4: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 36 Hình 5: Động stirling chạy lượng mặt trời 36 Hình 6: Bếp nấu dùng lượng mặt trời 37 Hình 7: Thiết bị đun nước nóng NLMT 38 Hình 8: Thiết bị làm lạnh điều hịa khơng khí dùng lượng mặt trời 39 Hình 9: Cối xay gió 40 Hình 10: Hệ thống tích hợp điện gió điện mặt trời 41 Hình 11: Mạch tương đương modul PV 43 ix Hình 12: Quan hệ I(U) P(U) PV 44 Hình 13: a, b, c, d : Họ đặc tính PV 44 Hình 14: Cấu tạo tuabin gió truc ngang 46 Hình 15: Tuabin gió với tốc độ thay đổi có biến đổi nối trực tiếp 47 Hình 16: Sơ đồ mơ tuabin gió 48 Hình 17: Chỉnh lưu cầu kép 48 Hình 18: Sơ đồ khối chức điều khiển tuabin gió 49 Hình 19: Hệ thống lượng mặt trời độc lập 50 Hình 20: Hệ thống tích hợp điện gió mặt trời nối lưới 51 Hình 21: Sơ đồ khối hệ thống tích hợp lượng gió mặt trời 52 Hình 2: Đặc tính V-A tải pin mặt trời 54 Hình 1: Quan hệ I(U) P(U) PV 53 Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng MPP 54 Hình 4: Sự thay đổi cơng suất turbine theo tốc độ gió 55 Hình 5: Quan hệ P(U) pin PV 56 Hình 6: Lưu đồ thuật tốnP&O 57 Hình 7: Lưu đồ thuật toán INC 58 Hình 8: Quan hệ P-U PV 59 Hình 9: Hàm liên thuộc tập mờ đầu vào (E, DE) 61 Hình 10: Hàm liên thuộc đầu (D) 61 Hình 11: Điều khiển tốc độ đầu cánh WECS 62 Hình 12: Phương pháp PSF 63 Hình 13: Nguyên tắc điều khiển HCS 63 Hình 14: WECS với thuật toán leo đồi 64 Hình 15: PMSG hệ thống chuyển đổi lượng gió 64 Hình 16: Lưu đồ thuật tốn điều khiển MPPT 66 Hình 17: Sơ đồ mô hệ thống điện mặt trời nối lưới 67 Hình 18: Điện áp chiều DC-bus (UDC-bus) 69 Hình 19: Cơng suất hệ thống Win-Solar công suất Inverter bơm vào lưới 69 x Hình 20: Đường cong điện áp dòng điện pha Inverter 70 60 Tại thời điểm lấy mẫu (tk) FLC kiểm tra công suất đầu PV xác định thay đổi tương đối công suất so với điện áp (dp/du) Nếu giá trị lớn zero, điều khiển thay đổi chu kỳ làm việc PWM để tăng điện áp công suất cực đại (hoặc giá trị dp/du = 0), Nếu giá trị nhỏ zero, điều khiển thay đổi chu kỳ làm việc PWM để giảm điện áp công suất cực đại FLC có đầu vào E DE, có đầu hệ số làm việc D (D = Ton/T) tín hiệu đưa vào điều chế độ rộng xung để điều khiển chuyển đổi DC-DC Các đầu vào đầu định nghĩa sau: P P(k)  P(k  1)  U U(k)  U(k  1) E DE   E(k)  E(k  1) t E(k)  (3.3) Trong P(k) cơng suất tức thời PV thời điểm t k Sai số E(k) cho biết điểm hoạt động tải thời điểm t k phía bên trái hay bên phải điểm cơng suất cực đại đường đặc tính PV, độ thay đổi DE diễn tả hướng chuyển động điểm MPP Sử dụng mơ hình mờ Mandani với hàm liên thuộc đầu vào, biểu diễn Hình 3.9 Hình 3.10 Luật hợp thành có dạng tổng qt sau: if E = ei and DE = dej then D = dk (với k = i+j) Nguyên tắc xây dựng luật hợp thành điều khiển mờ E âm điểm làm việc bên trái điểm MPP ta cần tăng D (để tăng điện áp) ngược lại Biến đầu vào DE dùng để hiệu chỉnh điều khiển 61 Hình 10: Hàm liên thuộc tập mờ đầu vào (E, DE) Hình 9: Hàm liên thuộc đầu (D) Giải mờ phương pháp trọng tâm giá trị đầu D tính theo cơng thức (3.5)   d   d n D j j1   d  n j1 j j (3.5) 62 3.3 THUẬT TỐN MPPT ĐỐI VỚI ĐIỆN GIĨ 3.3.1 Phương pháp điều khiển TSR Theo phương pháp ta tiến hành điều chỉnh tốc độ quay máy phát để trì tốc độ đầu cánh đến giá trị tối ưu mà cơng suất trích tối đa Phương pháp địi hỏi tốc độ gió tốc độ turbine phải đo ước tính ngồi việc đòi hỏi kiến thức TSR tối ưu turbine để hệ thống trích xuất cơng suất tối đa Sơ đồ khối WECS với phương pháp điều khiển TSR Hình 3.11 Hình 11: Điều khiển tốc độ đầu cánh WECS 3.3.2 Phương pháp điều khiển PSF Theo phương pháp ta cần phải có kiến thức đường cong cơng suất cực đại Tua bin gió theo dõi đường cong thông qua chế điều khiển Các đường cong cơng suất tối đa cần phải đạt thông qua mô thử nghiệm ngoại tuyến turbine gió riêng lẻ Trong phương pháp này, công suất tham chiếu tạo cách sử dụng đường cong công suất tối đa ghi lại sử dụng phương trình cơng suất học turbine gió tốc độ gió tốc độ rơto sử dụng làm đầu vào Hình 3.12 cho thấy sơ đồ khối WECS với điều khiển PSF để khai thác lượng tối đa 63 Hình 12: Phương pháp PSF 3.3.3 Phương pháp điều khiển leo đồi Thuật toán điều khiển HCS liên tục tìm kiếm cơng suất cực đại turbine gió Thuật tốn theo dõi, tùy thuộc vào vị trí điểm vận hành mối quan hệ thay đổi công suất tốc độ, tính tốn tín hiệu tối ưu mong muốn để đưa hệ thống đến điểm công suất tối đa nguyên tắc điều khiển HCS Hình 3.13 Hình 3.14 sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi lượng gió với điều khiển HCS để theo dõi điểm cơng suất tối đa Hình 13: Nguyên tắc điều khiển HCS 64 Hình 14: WECS với thuật toán leo đồi 3.3.4 MPPT cho turbine gió sử dụng máy phát điện đồng kích thích vĩnh cửu a) Sơ đồ Hình 15: PMSG hệ thống chuyển đổi lượng gió Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống turbine gió có tốc độ thay đổi sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Hình 3.15 Trong trường hợp khơng địi hỏi kiến thức tốc độ gió, mật độ khơng khí thơng số turbine Việc điều khiển MPPT thực điều khiển phía máy phát Bộ điều khiển MPPT có đầu vào cơng suất tác dụng tức thời P0(k) đầu lệnh tốc độ tối ưu làm (ω*) dùng làm tham chiếu cho vòng điều khiển tốc độ 65 theo phương pháp tựa từ thông rotor điều khiển chuyển đổi phía máy phát Điều khiển véc tơ biến đổi phía lưới thực khung tham chiếu vector điện áp lưới Bộ điều khiển MPPT tính tốn tốc độ tối ưu cho điểm công suất tối đa cách sử dụng thông tin cường độ hướng thay đổi đầu công suất sai số tốc độ đặt tốc độ thực tế Lưu đồ thuật toán điều khiển MPPT hình 3.16 Hoạt động chúng giải thích sau: Đo cơng suất tác dụng P0(k), chênh lệch giá trị mẫu lấy mẫu trước ΔPo (k) nằm giới hạn công suất thấp giới hạn P L PM tương ứng khơng có hành động thực hiện; nhiên, khác biệt nằm ngồi phạm vi này, số hành động điều khiểnt cần thiết thực Hành động điều khiển thực phụ thuộc vào cường độ hướng thay đổi công suất tác dụng thay đổi tốc độ Nếu công suất tức thời thời điểm lấy mẫu tăng lên tức ∆P0(k) >0 tốc độ lệnh tăng tốc độ lệnh khơng thay đổi thời lấy mẫu trước tức ∆ω*(k-1) ≥ 0, tốc độ lệnh tăng lên Nếu công suất tức thời thời điểm lấy mẫu tăng lên tức ∆P0(k) > tốc độ lệnh giảm thời lấy mẫu trước tức ∆ω*(k-1)