Mô phỏng hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) sử dụng chiến lược điều khiển maximum power point tracking (MPPT) bằng phương pháp EMR

MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ TURBINE GIÓ VÀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MPPT 4 1.1. Turbine gió 4 1.2. Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT 7 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR 9 2.1. Phương pháp EMR 9 2.2. Biểu diễn mô hình Turbine gió sử dụng chiến lược điều khiển MPPT bằng phương pháp EMR 10 2.2.1. Biểu diễn mô hình Turbine bằng phương pháp EMR 10 2.2.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 15 2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor 16 2.2.4. Code chương trình 17 2.2.5. Kết quả mô phỏng 21 CHƯƠNG 3. NHÂN XÉT 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ TURBINE GIÓ VÀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MPPT 1.1. Turbine gió Turbine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, có thể dùng trực tiếp trong đời sống hoặc chuyển đổi thành năng lượng điện. Hình1.Error No text of specified style in document..1. Cấu tạo Turbine gió Cấu tạo Turbine gió được thể hiện trong Hình 1.1 gồm: Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay. Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ. Controller: Bộ điều khiển. Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay. Generator: Máy phát. Phát ra điện. High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao. Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp. Nacelle: Vỏ. Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện. Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÀI TẬP CUỐI KỲ Mơ hệ thống chuyển đổi lượng gió (WECS) sử dụng chiến lược điều khiển Maximum Power Point Tracking (MPPT) phương pháp EMR Giảng viên hướng dẫn: TS Võ Duy Thành Bộ môn: Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Viện: Điện Hà Nội, 1/2021 Chữ ký GVHD WIND ENERGY WITH MPPT ĐỀ TÀI Mô hệ thống chuyển đổi lượng gió (WECS) sử dụng chiến lược điều khiển Maximum Power Point Tracking (MPPT) phương pháp EMR WIND ENERGY WITH MPPT LỜI MỞ ĐẦU Các nguồn lượng tái tạo lượng gió, mặt trời… nguồn lượng hấp dẫn đóng vai trị quan trọng tính bền vững không gây ô nhiễm phân tán lượng hóa thạch Do đó, có nhiều nghiên cứu nguồn nguồn lượng tái tạo nhằm đạt hiệu suất chuyển đổi cao Trong nghiên cứu này, nhóm bọn em dùng phương pháp EMR để mơ lại hệ thống Turbine gió điều khiển chiến lược tìm điểm cơng suất MPPT Từ làm rõ số vấn đề phương pháp EMR trình học tập Do báo cáo tập trung vào phương pháp EMR nên khơng sâu vào nghiên cứu Turbine gió chiến lược điều khiển MTTP mà sử dụng số liệu có sẵn đề cho lấy từ EMR'18 Summer School, June 13-15, 2018 Hanoi University of Science and Technology (Vietnam) Cuối cùng, nhóm em xin cảm ơn TS Võ Duy Thành tận tình hướng dẫn bọn em suốt thời gian mơn học Mơ hình hóa Mơ vừa qua Bọn em tiếp thu nhiều kiến thức bổ ích Em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên, WIND ENERGY WITH MPPT MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUA VỀ TURBINE GIĨ VÀ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MPPT 1.1 Turbine gió 1.2 Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR 2.1 Phương pháp EMR 2.2 Biểu diễn mơ hình Turbine gió sử dụng chiến lược điều khiển MPPT phương pháp EMR 10 2.2.1 Biểu diễn mơ hình Turbine phương pháp EMR .10 2.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển .15 2.2.3 Thiết kế điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor 16 2.2.4 Code chương trình .17 2.2.5 Kết mô 21 CHƯƠNG NHÂN XÉT 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 WIND ENERGY WITH MPPT CHƯƠNG TỔNG QUA VỀ TURBINE GIĨ VÀ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MPPT 1.1 Turbine gió Turbine gió thiết bị biến đổi động gió thành năng, dùng trực tiếp đời sống chuyển đổi thành lượng điện Hình1.Error! No text of specified style in document Cấu tạo Turbine gió Cấu tạo Turbine gió thể Hình 1.1 gồm: - Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió truyền liệu tốc độ gió tới điểu khiển Blades: Cánh quạt Gió thổi qua cánh quạt nguyên nhân làm cho cánh quạt chuyển động quay Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor tình trạng khẩn cấp điện, sức nước động Controller: Bộ điều khiển Gear box: Hộp số Bánh nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao tăng tốc độ quay Generator: Máy phát Phát điện High – speed shaft: Trục truyền động máy phát tốc độ cao Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp Nacelle: Vỏ Pitch: Bước Cánh xoay làm nghiêng để giữ cho rotor quay gió không cao hay thấp để tạo điện Rotor: Bao gồm cánh quạt trục Tower: Trụ đỡ Nacelle WIND ENERGY WITH MPPT - Wind vane: Để xử lý hướng gió liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor ln ln hướng hướng gió có thay đổi hướng gió Yaw motor: Động cung cấp cho “yaw drive” định hướng gió Trong báo cáo mô này, hệ thống rút gọn với mơ Hình 1.2, kết nối với Bus DC Hình 1.Error! No text of specified style in document Mơ hình WECS Mơ hình gồm: Cánh quạt roto, hộp số, PM DC Machine, biến đổi điện áp Chopper Dựa vào thông số cho tài liệu EMR'18 Summer School, June 13-15, 2018 Hanoi University of Science and Technology (Vietnam) ta bước đầu xác định thông số hệ thống sau:  Wind and blades: Gió thổi tới cánh quạt với vận tốc v wind, momen xoắn Tblade tạo cánh xác định theo công thức: Với: - S: diện tích quét cánh quạt - : mật độ khơng khí R: bán kính cánh quạt WIND ENERGY WITH MPPT - Hệ số momen CT hàm phi tuyến , phụ thuộc vào vận tốc gió tốc độ góc trục quay Ωshaft Hệ số momen xoắn phụ thuộc vào độ lật cánh cánh quạt Hình 1Error! No text of specified style in document Đồ thị hệ số momen xoắn tỉ số lambda  Shaft Tốc độ quay Ωshaft suy từ momen xoắn cánh quạt vào hộp số, T blade Tgear Trong J f quán tính hệ số ma sát trục tương đương: J = 16600 kg.m2 f = Nms  Gearbox Hộp số điều chỉnh momen xoắn đầu thành momen xoắn máy điện chiều, Tdcm có thơng số sau: - Gearbox ratio: 1000/25 - Gearbox efficiency: 95%  DC Machine Máy điện chiều nam châm vĩnh cửu có đặc điểm sau: WIND ENERGY WITH MPPT - nominal useful power: 900 kW ; - nominal voltage : 1500 V ; - nominal current : 1000 A ; - nominal speed : 500 tr/min ; - armature resistance : 10 m ; - armature inductance : 0.1 mH ; Giả sử quán tính máy điện bị bỏ qua so với quán tính cánh quạt  Chopper Bộ biến đổi Chopper coi có hiệu suất khơng đổi 95%  DC Bus DC Bus coi có giá trị khơng đổi 1500 V 1.2 Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT Chiến lược xác định điểm công suất cực đại áp dụng để xác định momen xoắn tham chiếu để có cơng suất tối đa từ gió vận tốc gió thay đổi Từ liệu từ nhà sản xuất, cơng suất cho vận tốc gió tốc độ quay biểu diễn Hình 1.4: Hình 1.4 MPPT Characteristic of the WECS Cơng suất tối đa, trích xuất cho gió vận tốc, suy từ đường cong này, bảng tra cứu xây dựng, biểu thị mômen Tgear_ref từ tốc độ quay Ωgear_mes rôto turbine đo Hơn nữa, giá trị lớn tốc độ quay chồng lên đường cong tối ưu Vì MPPT khơng phải mục tiêu quan trọng công việc này, bảng tra cứu cho trước WIND ENERGY WITH MPPT WIND ENERGY WITH MPPT CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR 2.1 Phương pháp EMR Phương pháp EMR (Energetic Macroscopic Representation) phương pháp biểu diễn lượng bên hệ thống, dành cho hệ thống mang tính lượng Đây khơng phải phương pháp mơ hình hóa mà phương pháp biểu diễn mơ hình tốn học hệ thống điều khiển thông qua khối đây: Hình 2.1 Thư viện EMR Matlab/Simulink Trong có số khối sau: -Khối nguồn (Source element) -Khối tích lũy (Accumulation element) -Khối chuyển đổi đơn vật lý (Monophysical Converter) -Khối chuyển đổi đa vật lý (Multiphysical Converter -Khối ghép nối đơn vật lý -Khối ghép nối đa vật lý -Khối chiến lược WIND ENERGY WITH MPPT Hình 2.3 Khối Blades c Khối Shaft 11 WIND ENERGY WITH MPPT Hình 2.4 Khối Shaft Theo cho Ωshaft quan hệ với momen xoắn cánh quạt hộp số T_blade T_gear theo công thức: Biến đổi Laplace vế ta có: J.s Ωshaft(s) = -Tgear(s) + T_blade(s)- f Ωshaft(s) => Ωshaft = (Tblade(s) – Tgear(s)) Từ ta xây dựng hàm truyền tương đương hệ d Khối Gear 12 WIND ENERGY WITH MPPT Hình 2.5 Khối Gear Khối chuyển đổi tốc độ trục sang tốc độ hộp số hay tốc độ quay roto PM DC Machine với tỉ số hộp số K_gear = 1000/25 hiệu suất 95 % e Khối E/m Conv Hình 2.6 Khối E/m conv 13 WIND ENERGY WITH MPPT Khối chuyển đổi điện w_gear biến đổi thành điện áp emf phần ứng Hằng số điện DCM.K_em1 xác định khối e Khối Inductor Hình 2.7 Khối Inductor Hình 2.8 Mơ hình PM DC Machine Như ta thấy, mơ hình tốn học PM DC Machine xác định sau V = Vind - L -R.i Biến đổi Laplace ta có: V(s)=Vind(s) – L.s.I(s) – R.I(s)  I(s)=(Vind(s)-V(s)) Áp dụng vào mơ hình inductor ta có: 14 WIND ENERGY WITH MPPT IDCM = (EDCM – Ech) g Khối Chopper Hình 2.9 Khối Chopper Khối Chopper nhận tín hiệu điều khiển m thực biến đổi điện áp DC/DC theo giá trị mà khối điều khiển MPPT đưa Từ đạt cơng suất mong muốn Hiệu suất chuyển đổi điện áp 95% Tổng hợp mô hình Turbine gió thơng qua biểu diễn EMR sau: Hình 2.10 Mơ hình Turbine gió 15 WIND ENERGY WITH MPPT 2.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển a Khối chiến lược điều khiển MPPT Hình 2.10 Khối MPPT Khối đưa tín hiệu tham chiếu T_gear_ref dựa tín hiệu đưa vào w_shaft Khối thiết lập sẵn báo cáo tập trung vào phương pháp EMR mà khơng phải MPPT b Tổng hợp mơ hình Theo nguyên tắc nghịch đảo, khối điều khiển nghịch đảo khối chúng, từ ta thành lập cấu trúc mơ sau: 16 WIND ENERGY WITH MPPT Hình 2.11 Mơ hình Turbine gió sử dụng phương pháp biểu diễn EMR 2.2.3 Thiết kế điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor Do khối Inductor đầu hàm tích phân đầu vào nên khơng thể nghịch đảo trực tiếp cần khối điều khiển để nghịch đảo gián tiếp khối Inductor, cụ thể điều khiển PI 17 WIND ENERGY WITH MPPT Hình 2.12 Khối Controller with IP 18 WIND ENERGY WITH MPPT 2.2.4 Code chương trình 19 WIND ENERGY WITH MPPT 20 WIND ENERGY WITH MPPT 21 WIND ENERGY WITH MPPT 22 WIND ENERGY WITH MPPT 2.2.5 Kết mơ Hình 2.14 Giá trị Pconv Đồ thị vận tốc gió dịng điện Ich 23 WIND ENERGY WITH MPPT CHƯƠNG NHÂN XÉT Đồ thị dòng điện Ich bám sát với đồ thị vận tốc gió Khi vận tốc gió tăng Ich tăng theo ngược lại Điều với tốn, vận tốc gió tỉ lệ thuận với sản lượng điện đầu 24 WIND ENERGY WITH MPPT TÀI LIỆU THAM KHẢO -EMR'18 Summer School, June 13-15, 2018 Hanoi University of Science and Technology (Vietnam) - “Energetic Macroscopic Representation”, Seminar Sept 2014 “Energetic Macroscopic Representation”, Prof B Lemaire-Semail, Dr W Lhomme, Prof A Bouscayrol ,University Lille1, L2EP, MEGEVH, France; Dr Philippe Barrade, LEI, EPFL, Switzerland 25 ... TÀI Mô hệ thống chuyển đổi lượng gió (WECS) sử dụng chiến lược điều khiển Maximum Power Point Tracking (MPPT) phương pháp EMR WIND ENERGY WITH MPPT LỜI MỞ ĐẦU Các nguồn lượng tái tạo lượng gió, ... CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR 2.1 Phương pháp EMR Phương pháp EMR (Energetic Macroscopic Representation) phương pháp biểu diễn lượng bên hệ thống, ... ĐIỀU KHIỂN MPPT 1.1 Turbine gió 1.2 Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR