Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục AFPM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC AFPM Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Đỗ Mạnh Cường Sinh viên thực : Nguyễn Thảo Trang Lớp : ĐK-TĐH (CN lên KS) - K59 MSSV : 20179574 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 06-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Mơ hình hóa mơ hệ thống tích trữ lượng bánh đà sử dụng động đồng từ thông dọc trục AFPM em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thảo Trang MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG 1.1 Nhu cầu việc lưu trữ lượng 1.2 Các hệ thống tích trữ lượng 1.2.1 Các công nghệ lưu trữ lượng 1.2.2 Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà FESS 1.2.3 So sánh FESS với công nghệ lưu trữ khác 1.4 Các yêu cầu thiết kế cho FESS 14 1.5 Kết luận chương 15 Chương HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ TIÊN TIẾN SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN AFPM 16 2.1 Máy điện đồng kích từ NCVC từ thơng dọc trục AFPM 16 2.1.1 Sự phát triển máy điện đồng kích từ NCVC từ thơng dọc trục 16 2.1.2 Phân tích lựa chọn máy điện AFPM cho ứng dụng FESS 17 2.1.3 Các loại cấu hình máy điện AFPM 18 2.1.4 Các ưu điểm ứng dụng máy điện AFPM 20 2.2 Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà tiên tiến sử dụng động AFPM 20 2.3 Kết luận chương 23 Chương MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 25 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học máy điện AFPM 25 3.1.1 Thiết lập phương trình điện áp dịng điện 27 3.1.2 Thiết lập phương trình vị trí tốc độ 28 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển cho FESS 31 3.2.1 Thiết kế sách lược điều khiển 31 3.2.2 Thiết kế điều khiển vịng ngồi 32 3.2.3 Thiết kế điều khiển dòng điện 40 3.3 Kết luận chương 43 Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 44 4.1 Mô 44 4.2 Kết mô 44 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 58 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Lưu trữ lượng pin hóa học [5] Hình 1.2 Siêu tụ Graphene [5] Hình 1.3 Cấu trúc Flywheel hệ thứ hai [7] Hình 1.4 Cấu trúc điển hình FESS Hình 1.5 Cấu hình điều khiển tốc độ cho Flywheel Hình 1.6 Đồ thị quan hệ mật độ lượng, mật độ công suất 13 Hình 2.1 Các modul động AFPM 19 Hình 2.2 Các cấu hình máy điện từ thông dọc trục NCVC 19 Hình 2.3 Cấu trúc hệ thống FESS tiên tiến [8] 21 Hình 2.4 Cấu trúc rotor/stator AFPM 22 Hình 3.1 Cấu tạo AFPM hệ tọa độ tựa từ thông rotor 25 Hình 3.2 Sách lược điều khiển hai bước 31 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 32 Hình 3.4 Sơ đồ quan sát ESO bậc 34 Hình 3.5 Cấu trúc vịng phản hồi ADRC bậc 35 Hình 3.6 Mơ hình quan sát ESO bậc 38 Hình 3.7 Cấu trúc vịng phản hồi ADRC bậc 39 Hình 3.8 Sơ đồ mơ mạch tính điện áp 41 Hình 3.9 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện isd 42 Hình 4.1 Sơ đồ khối mô hệ thống matlab/simulink 44 Hình 4.2 Đồ thị đáp ứng tốc độ động 45 Hình 4.3 Đồ thị đáp ứng vị trí dịch chuyển rotor-flywheel 45 Hình 4.4 Đáp ứng dịng điện 46 Hình 4.5 Đáp ứng momen tổng 46 Hình 4.6 Đáp ứng tổng lực dọc trục 47 Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ động 47 Hình 4.8 Qúa trình giảm tốc 40 rad/s 48 Hình 4.9 Quá trình tăng tốc 48 i Danh mục hình vẽ Hình 4.10 Đáp ứng nhiễu tác động t=1s nhiễu tác động 49 Hình 4.11 Vị trí dịch chuyển rotor-flywheel 49 Hình 4.12 Đáp ứng dịng điện iq1-iq2 50 Hình 4.13 Momen tổng T 50 Hình 4.14 Đáp ứng tổng lực hấp dẫn F (N) 51 Hình 4.15 Sai lệch lực hấp dẫn tổng F trọng lực G (N) 51 Hình P2.1 Mơ hình toán học động AFPM 59 Hình P2.2 Sơ đồ khối khâu phát xung – nghịch lưu nguồn áp 59 Hình P5.1 Bộ điều khiển PD vị trí 61 Hình P5.2 Đáp ứng bước nhảy hệ thống vịng kín điều chỉnh vị trí kp=1.5*104 62 Hình P5.3 Đồ thị bode hệ thống vịng kín điều chỉnh vị trí kp=1.5*104 62 Hình P5.4 Mạch vịng điều khiển tốc độ 63 Hình P5.5 Đáp ứng bước nhảy hệ thống vịng kín điều chỉnh tốc độ 63 Hình P5.6 Đồ thị bode hệ thống vịng kín điều chỉnh tốc độ 64 ii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1 Kết tính tốn mật độ lượng công nghệ lưu trữ 12 Bảng Mật độ lượng loại pin 12 Bảng So sánh mật độ công suất công nghệ lưu trữ flywheel battery 13 Bảng Các phần tử hệ thống FESS 21 Bảng Tham số động 30 Bảng P Thông số mô 58 iii Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT FESS Flywheel Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà BESS Baterry Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng sử dụng acquy SMES Superconductor Magnetic Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng từ trường siêu dẫn SC Super Capacitor Tụ điện siêu lớn AFPM Axial Flux Permanent Magnet Machine Máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu từ thơng dọc trục RFPM Radial Flux Permanent Magnet Machine Máy điện đồng kích thích vĩnh cửu từ thơng ngang trục Nam châm vĩnh cửu NCVC PID Proportional–integral–derivative SVM Space vector Modulation Điều chế véc tơ khơng gian iv Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Hệ truyền động điện ứng dụng động đồng từ thơng dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (AFPM) có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục coi ngành công nghệ tiên tiến thân thiện với môi trường Chúng góp phần mạnh mẽ việc nâng cao tốc độ quay cho động giúp động ứng dụng môi trường đặc biệt mà động sử dụng vịng bi thơng thường khơng thể làm việc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao Những nghiên cứu ổ đỡ từ tập trung nước phát triển, trước khả ứng dụng mạnh mẽ động điện dùng ổ đỡ từ nhiều lĩnh vực, nghiên cứu ổ đỡ từ sử dụng động điện xếp loại sản phẩm công nghệ cao đồng thời sản phẩm công nghệ xanh Hạn chế việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ giá thành cao Công nghệ lưu trữ lượng bánh đà sử dụng động đồng từ thơng dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (FESS) nghiên cứu cải tiến không ngừng Điểm nội bật hệ thống khả đáp ứng nhanh, mật độ công suất, mật độ lượng lớn nhiều so với công nghệ lưu trữ truyền thống (pin, tụ điện ) Các nhóm nghiên cứu khắp giới theo đuổi mục tiêu bao gồm thiết kế trung tâm nghiên cứu Glenn NASA hay Beacon Power sử dụng flywheel dạng vành sợi cacbon thiết kế quay tốc độ 60 000 vg/phút, gắn ổ đỡ từ Trong năm gần đây, nhiều quốc gia Châu Á nghiên cứu cấu trúc FESS mạnh Tuy nhiên Việt Nam, FESS đề tài cịn bắt đầu tìm hiểu, nghiên cứu Với mục tiêu điều khiển AFPM vừa tạo momen quay cho rotor vừa chặn dịch chuyển dọc trục nó, đó, kiểm sốt vị trí rotor điều khiển tốc độ động chế độ làm việc khác (nạp lượng, dự phòng lượng, xả lượng) FESS Đề tài đề xuất phương pháp loại bỏ nhiễu chủ động ADRC thay cho điều khiển PID truyền thống hệ thống tích trữ lượng bánh đà Xây dựng quan sát trạng thái ESO để tính tốn nhiễu kết hợp với điều khiển vịng kín để loại bỏ nhiễu, làm ổn định hệ thống Bằng mô phân tích kiểm chứng Lời nói đầu tính đắn mặt ngun lý mơ hình hệ thống cho thấy hệ thống thiết kế theo phương pháp ADRC cho đáp ứng tốt yêu cầu động học hệ thống Mô thực phần mềm Matlab/simulink số kết đạt kiểm chứng tính đắn mặt nguyên lý phương án điều khiển đưa Cấu trúc đề tài thiết kế làm bốn chương sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống lưu trữ lượng Chương 2: Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà tiên tiến sử dụng máy điện AFPM Chương 3: Mơ hình hóa thiết kế điều khiển Chương 4: Mơ đánh giá kết Trong q trình thực đồ án tốt nghiệp, em củng cố lại kiến thức tiếp thu kiến thức Trên tất em rèn luyện phương pháp nghiên cứu, làm việc cách chủ động, linh hoạt Từ kiến thức có trình học tập với tài liệu tham khảo từ nguồn khác nhau, hồn thành đồ án này, song không tránh khỏi sai sót q trình làm đồ án Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện để đồ án em hoàn thành cách tốt Em xin cảm ơn thầy cô giáo môn TĐH CN tận tình truyền đạt kiến thức giúp đỡ em q trình hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thảo Trang Chương Mô đánh giá kết Hình 4.14 Đáp ứng tổng lực hấp dẫn F (N) Hình 4.15 Sai lệch lực hấp dẫn tổng F trọng lực G (N) 51 Chương Mô đánh giá kết Nhận xét kết • Kết mô thiết kế điều khiển PID Đáp ứng tốc độ động dao động trước bám giá trị đặt, xảy điều chỉnh sai lệch tĩnh Kết đáp ứng vị trí dịch chuyển rotor-flywheel tốc độ lớn sai lệch vị trí rotor tăng lên, nhiên độ dịch chuyển nhỏ so với chiều dài khe hở khơng khí rotor stator cho thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu đặt Đáp ứng dòng điện momen động phù hợp với chế độ hoạt động FESS Trong chế độ nạp lượng (tăng tốc), momen dương, dòng điện trục q dương, thể máy điện hoạt động chế độ động cơ, bánh đà nạp lượng Ở chế độ dự phòng lượng (duy trì tốc độ khơng đổi), dịng điện trục q giảm để tiết kiệm lượng, momen không hệ thống chạy không tải Ở chế độ xả lượng (giảm tốc), dòng điện trục q đổi chiều (iq0 Khi tín hiệu đặt r(t) = 1(t) R(s) = 1/s, từ (2) ta có: Y(s) = a2 1 a = − − s(s + a)2 s s + a (s + a)2 (3) Suy y(t) = [1-e-at(1+at)]1(t) Hàm số đồng biến tập số thực không âm Đồ thị hàm số khơng có dao động Thời gian xác lập Txl theo tiêu chí 2% nghiệm dương phương trình: 1-e-at(1+at) = 0.98 (4) Hay e-at(1+at) = 0.02 Phương trình e-at(1+at) = 0.02 cho nghiệm dương gần x = nên ta có: Txl ≈ 6 =− a scl (5) P4 Chứng minh công thức (3.54) scl ≈ − (6) Tsettle Khi 𝐾𝑝 = −𝑠 𝐶𝐿 từ (1.10) ta có hàm truyền hệ kín: y(s) r(s) = −scl s−scl = a (7) s+a Trong a = -scl >0 Khi tín hiệu đặt r(t) = 1(t) R(s) = 𝑠 từ (P2) ta có Y(s) = a s(s+a) = s − s+a (8) Như y(t) = (1-𝑒 −𝑎𝑡 )1(𝑡) Ta thấy hàm số y đồng biến tập số thực khơng âm, hàm số khơng có dao động Thời gian xác lập 2% nghiệm dương phương trình : (1-e−at ) = 0.98 (9) Hay 𝑒 −𝑎𝑡 = 0.02 Suy ra: Tsettle = −ln0.02 4 = = − cl a a s P5 Phương pháp chọn thông số điều khiển PID • Bộ điều khiển vị trí PD 60 (10) Phụ lục Phương trình động học chuyển động dọc trục rotor miền ảnh laplace  z(s) = ~ K2 i cd (s) ms − K1 Với K1>0 hệ thống khơng ổn định Để ổn định hệ thống ta sử dụng điều khiển tích phân tỷ lệ PD có hàm truyền sau: G c (s) = k p + k ds Kp hệ số tích phân, Kd hệ số vi phân Cấu trúc mạch vịng điều khiển vị trí sau: z* + PD - K2 ms2-K1 z z Hình P5.1 Bộ điều khiển PD vị trí Đa thức đặc tính hệ thống có dạng: ms + K k ds + ( K k p − K1) = Từ tiêu chuẩn Routh, kd > 0, kp> K1/K2 hệ thống ổn định Nhận thấy kp tăng, hệ thống nhanh chóng tiến tới xác lập Tuy nhiên, việc tăng hệ số kp dẫn đến nguy nhiễu tần số cao Trong ứng dụng thực nghiệm, kp lớn mà thường chọn theo thực nghiệm Các tham số kd lựa chọn từ đồ thị đáp ứng bước nhảy biểu đồ Bode (Hình P5.2 Hình P5.3) Từ biểu đồ đáp ứng bước nhảy kd có giá trị nhỏ thời gian đáp ứng giảm điều chỉnh tăng Từ biểu đồ Bode ta thấy kd có giá trị nhỏ xảy điều chỉnh đường độ thị biên độ Lựa chọn tham số cho điều khiển vị trí thơng qua đáp ứng bước nhảy giản đồ Bode 61 Phụ lục 2.5 kd=5 kd=10 kd=15 kd=20 kd=25 kd=30 kd=35 [A] 1.5 0.5 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Time (seconds) Hình P5.2 Đáp ứng bước nhảy hệ thống vịng kín điều chỉnh vị trí kp=1.5*104 Bode Diagram 20 Magnitude (dB) 10 -10 -20 -30 -40 kd=5 kd=10 kd=15 kd=20 kd=25 kd=30 kd=35 Phase (deg) -50 -45 -90 -135 -3 10 10 -2 -1 10 10 10 Frequency (kHz) Hình P5.3 Đồ thị bode hệ thống vịng kín điều chỉnh vị trí kp=1.5*104 • Bộ điều khiển tốc độ PI (s) = KT i cq (s) Js Bộ điều khiển PI có dạng sau: 62 Phụ lục G c (s) = k p1 + ω* + PI ω k i1 s KT/J - s ω Hình P5.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ Hàm truyền hệ thống vịng kín sau: Gk = K T k p1s + K T k i1 Js + K T k p1s + K T k i1 Từ hình P5.5 ta nhận thấy ki1 nhận giá trị khác dạng đồ thị gần khơng thay đổi, độ rộng giải thơng trì Tuy nhiên, với mục đích giảm sai lệch tĩnh tốc độ thành phần ki ln đưa vào Dưới đồ thị đáp ứng bước nhảy đồ thị Bode hệ thống vịng kín Step Response ki=0 ki=0.01 ki=1 ki=10 ki=50 0.8 y (t) 0.6 0.4 0.2 0 0.5 Time (seconds) 1.5 x 10 -3 Hình P5.5 Đáp ứng bước nhảy hệ thống vịng kín điều chỉnh tốc độ 63 Phụ lục Bode Diagram Magnitude (dB) -10 -20 -30 -40 Phase (deg) ki=0 ki=0.01 ki=1 ki=10 ki=50 -45 -90 -2 10 10 -1 10 10 10 Frequency (kHz) Hình P5.6 Đồ thị bode hệ thống vịng kín điều chỉnh tốc độ P6 Chương trình khởi tạo thơng số tính tốn điều khiển %Parameters: Ns = 458; %Turns Nfif = 8898; %Ampere-turns J = 0.0158; %Kg.m2 m = 4.09; %Kg g0 = 0.00277; %m Ri = 0.038; %m R0 = 0.065; %m Rs = 5; %Ohm P = 2; u0 = 4*pi*1e-7; Id0 = 1; G = m*9.81; % tinh toan thong so Ld = (3*u0*pi*(R0^2-Ri^2)*Ns^2)/(16*g0*P^2); %H Lq = Ld; %H Td = Ld/Rs; Tq = Lq/Rs; lamda_m = (u0*pi*(R0^2-Ri^2)*Ns*Nfif)/(8*g0*P^2); % lay xap xi g = g0 K = u0*pi*(R0^2-Ri^2)/(16*P^2); K1 = (4*K/(g0^3))*(Nfif^2+2.5*Ns*Nfif*Id0+1.5*Ns^2*(Id0^2+icq^2)); K2 = (5*K*Ns*Nfif)/(g0^2); Kt = (3*u0*pi*(R0^2-Ri^2)*Ns*Nfif)/(8*P*g0); Icd0 = G/K2; %Constant icq = 2.62; Ts=2e-4; %Controller ADRC %thiet ke bo dieu khien ADRC dieu khien vi tri K = -K2/K1; 64 Phụ lục b0 = K/(-m/K1); Tt = 0.2; Scl = -6/Tt; Kp = Scl*Scl; Kd = -2*Scl; Seso =30*Scl; l1 = -3*Seso; l2 = 3*Seso*Seso; l3 = -(Seso*Seso*Seso); %thiet ke bo dieu khien ADRC dieu khien van toc b0 =Kt/J; Tt1 = 0.1; Kp1 = 4/Tt1; ScL1 = -Kp1; Seso1 = 30*ScL1; l11 = -2*Seso1; l21 = Seso1*Seso1; %%%Controller PID % Thiet ke bo dieu khien vi tri kp = 1.5e4; for i = 5:5:35 kd = i; Gc_z = tf([kd kp],[1]); Gdt_z = K2*tf([1],[m -K1]); Gh_z = Gc_z*Gdt_z; % bode(Gh_z) Gk_z = Gh_z/(1+Gh_z); %step(Gk_z) %bode(Gk_z) hold on end %Thiet ke bo dieu khien toc kp1 = 24,5; ki1 = 0; Gdt_w = (Kt/J)*tf([1],[1 0]); Gc_w = tf([kp1 ki1],[1 0]); Gh_w = Gc_w*Gdt_w; Gk_w = Gh_w/(1+Gh_w); %step(Gk_w); bode(Gk_w); hold on ki1 = 0.01; %step(Gk_w); bode(Gk_w); hold on ki1 = 1; %step(Gk_w); bode(Gk_w); hold on ki1 = 10; %step(Gk_w); bode(Gk_w); hold on ki1 = 50; %step(Gk_w); bode(Gk_w); hold on 65 ... ứng dụng bánh đà tích trữ lượng hệ thống (kéo) ô tô điện 2.2 Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà tiên tiến sử dụng động AFPM Một hệ thống lưu trữ lượng bánh đà nhỏ gọn hiệu đề xuất phần Hệ thống sử dụng. .. 1.2.2 Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà FESS a) Tổng quan hệ thống lưu trữ lượng bánh đà FESS thiết bị lưu trữ lượng dạng động năng, sử dụng bánh đà quay tròn Năng lượng lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng, ... thông dọc trục AFPM 15 Chương Hệ thống lưu trữ lượng bánh đà tiên tiến sử dụng máy điện AFPM Chương HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ TIÊN TIẾN SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN AFPM 2.1 Máy điện đồng kích từ