BÁO cáo môn học điều KHIỂN hệ THỐNG điện CÔNG NGHIỆP NGHIÊN cứu điều KHIỂN máy PHÁT điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN CƠNG NGHIỆP BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIÊN MÁY PHÁT ĐIỆN ??? Nhóm SVTH: Nguyễn Văn Bình (18142358) Lê Văn Bảo (18142559) GVHD: TS Trần Quang Thọ Tp Hồ Chí Minh, 4/2021 MỤC LỤC TRANG Trang tựa LIỆT KÊ HÌNH TRANG LIỆT KÊ BẢNG Trang Bảng 1-1 Các tiêu chuẩn sạc Bảng 3-1 Tham số hệ thống khảo sát DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure) qui trình thử xe hạng nhẹ NEDC (New European Driving Cycle) chu kỳ lái xe châu Âu CÁC KÝ HIỆU Vma Biên độ điện áp x fsw nhiệt độ Tần số chuyển mạch MỞ ĐẦU Tính cần thiết Nêu lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Nêu mục tiêu báo cáo Đối tượng phạm vi nghiên cứu Dựa vào việc phân tích sạc sử dụng nguồn lưới, báo cáo tập trung nghiên cứu điều khiển: bus DC, nâng cao hệ số công suất PFC, ổn định dịng sạc, ổn định điện áp sạc, kiểm sốt nhiệt độ pin Báo cáo tập trung nghiên cứu điều khiển sạc sử dụng nguồn lưới pha cho loại pin Lithium-ion Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận Báo cáo dựa vào phân tích ưu điểm khuyết điểm nghiên cứu công bố gần tạp chí khoa học chun ngành có uy tín để làm sở cho giải pháp đề xuất Việc phân tích nguyên lý hoạt động sạc tảng để đề tài đề xuất giải pháp điều khiển sạc linh hoạt Lựa chọn phương pháp nghiên cứu + Phương pháp phân tích: thực cách phân tích nguyên lý hoạt động sạc giúp cho đề tài có cách tiếp cận tổng quát, khoa học xác định hướng nghiên cứu + Phương pháp mô phỏng: phương pháp điều khiển sạc kiểm tra phần mềm MATLAB/Simulink để thể tính trực quan độ tin cậy cao miền khảo sát mong muốn + Các tiêu kỹ thuật giải pháp điều khiển xem xét cách định lượng dựa vào ràng buộc dòng sạc, điện áp sạc nhiệt độ pin sạc Nội dung báo cáo Cấu trúc đề tài bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Giải pháp đề xuất Chương 3: Kết khảo sát nhận xét đánh giá Chương 4: Kết luận Đóng góp mặt khoa học báo cáo Kỹ thuật điều khiển sạc pin có ổn dịng ổn áp linh hoạt Đồng thời có tính PFC kiểm sốt nhiệt độ pin nhằm đảm bảo an toàn cho trình sạc Ý nghĩa thực tiễn Phương pháp điều khiển sạc linh hoạt giúp mở rộng ứng dụng sạc cho pin với dung lượng khác Hơn nữa, đề tài tạo điều kiện cho việcchế tạo làm chủ công nghệ với giá thành thấp để tăng khả cạnh tranh thiết bị nâng cao tính bảo mật SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN PIN CỦA XE ĐIỆN Sự nhiễm mơi trường ngày tăng khí thải từ nguồn lượng hóa thạch phương tiện giao thông thúc đẩy phát triển loại xe điện [1] Điện khí hóa phương tiện giao thông phương pháp khả thi đầy tiềm nhằm giảm thiểu lượng khí thải môi trường Sự phổ biến xe điện tương lai tác động đáng kể đến nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt lĩnh vực lưới điện Nhiều nước phát triển thực sách để thúc đẩy việc triển khai xe điện làm cho việc sử dụng xe điện năm gần ngày nhiều [2] Năng lượng vận hành xe điện lưu trữ pin (battery pack), pin dạng điện chiều Do đó, cần có sạc để chuyển đổi điện từ lưới điện xoay chiều sang chiều để sạc cho pin Sự phát triển xe điện giúp cho ngành công nghệ pin sạc cải thiện đáng kể [3] có đầu tư lớn hãng tơ Mặc dù xe điện có đóng góp tích cực kinh tế môi trường, nhiên, sạc pin cho xe điện gây tác động tiêu cực đến vận hành lưới điện có [4]-[7] Các tác động chủ yếu gây tải đỉnh cho hệ thống điện vào ban ngày Vì vậy, sạc pin có vai trị quan trọng việc phát triển xe điện, công suất sạc thời gian sạc ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ pin Các yêu cầu sạc pin cần phải đảm bảo hiệu tin cậy, chi phí thấp, trọng lượng nhẹ an tồn vận hành Bộ sạc xe điện phải đảm bảo dòng điện tạo với độ méo thấp để giảm thiểu tác động tiêu cực đến chất lượng điện phải có hệ số cơng suất cao để tối đa hóa cơng suất thực có sẵn từ nguồn lưới Cácdụng nguồn qua lượng cấp cho xe điện vận hành thường dự trữ loại sử pin khác với yêu cầu sạc khác Loại pin chủ yếu lượng Lithium-ion [8] Loại pin có tố ưu điểm mật độ cao, công nhẹ, nghệ giá thành ngày rẻ [9], [10], khơng độc sử dụng sạc cháy nhanh nổ Tuy nhiên, rào cản lớn loại pin nàyhại, gây trình thơng sạc số kỹ thuật sạc không phù hợp Yếu quan trọng 10 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v Với nguồn điện ngõ vào xoay chiều pha có tần số 50Hz hình 2.2(a), sau qua mạch lọc nhiễu điện từ, dạng sóng điện áp ngõ chỉnh lưu V rec_o hình 2.2(b) có giá trị trung bình sau: Vaver = 0.9* V = 0.9*220 = 198V (2-1) Trong đó: Vs điện áp hiệu dụng nguồn xoay chiều Điện áp không đủ để sạc với định mức cấp Vì điện áp sạc định mức cấp lên đến 275VDC, đó, điện áp ngõ vào DAB (dual-active bridge) hình 2.2 cần phải lớn giá trị Thông thường điện áp ngõ vào DAB khoảng 350VDC Hình 2.3 Dạng sóng điện áp ngõ vào ngõ chỉnh lưu cầu pha CHƯƠNG KẾT QUẢ KHẢO SÁT 3.1 CÀI ĐẶT THAM SỐ Hệ thống khảo sát có thơng số pin sạc điều khiển trình bày bảng 31 Thời gian khảo sát phần khoảng 3000 giây tương ứng với 50 phút Bảng 3-2 Tham số hệ thống khảo sát Description Nominal voltage Value 233.6V Rated capacity SoC 37.5Ah 20% Booster voltage controller Kp=5e-4; Ki=5e-3 Booster current controller Kp=1e-2; Ki=1e-1 DAB voltage controller Kp=1e-2; Ki=1e-2 DAB current controller Kp=1e-2; Ki=1e-1 CI 18.8 Cv 112.8 n 75% A0 0.06 ỡmax 200oC 0env 30oC 3.2 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT Các kết khảo sát chế độ sạc trình bày hình 3.1 đến hình 3.10 Ban đầu trình sạc ổn dịng đến điện áp sạc đạt đến 275V chuyển sang sạc ổn áp Quá trình sạc ổn áp thực dòng sạc nhỏ giọt dừng sạc Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng loại pin có, người sử dụng chọn dịng sạc cho pin Trong thực tế, theo thông số nhà sản xuất pin lithium-ion, dịng sạc lên đến lần dung lượng định mức hình 2.14 Ví dụ: pin có dung lượng 6.5Ah sạc dịng lên đến 32.5A Tuy nhiên, số lần sạc pin bị giảm đáng kể Vì vậy, pin sử dụng sạc nhanh với cường độ dòng điện lớn tuổi thọ giảm ngược lại, phương pháp sạc tiêu chuẩn với cường độ dòng điện 50% dung lượng CExt giúp tăng độ bền pin Do đó, lựa chọn chế độ sạc phải giải toán tối ưu nên cần điều kiện ràng buộc mục tiêu cụ thể Với chế độ sạc thơng thường báo cáo này, có hai mức dịng điện sạc ổn dòng khảo sát 40A 60A SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v Hình 3.4 Điện áp dịng điện sạc Iref=40A Hình 3.5 Cơng suất sạc nhiệt độ ước lượng pin Các chế độ sạc thể hình 3.1, 3.2, 3.5, 3.6 tương ứng với hai mức dòng sạc 40A 60A Trong đó, chế độ sạc có kiểm sốt nhiệt độ thể hình 3.3, 3.4, 3.7 đến 3.10 Điện áp dịng điện sạc hình 3.1 cho thấy giai đoạn đầu q trình sạc ổn dịng 40A với thời gian sạc 2600s (tương ứng với 43.3 phút) đạt điện áp 275V Khi đó, chuyển sang sạc ổn áp đến thời điểm 2810s dừng sạc o Tuy nhiên, lượng (thể C) suất140 sạc okhoảng 10kW hình nhiệt ước khơng pin lênvới đếncơng khoảng C Do đó, để đảm bảo3.2 anvà tồn chođộ pin sạc, 18 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v thực với mức sạc 40A, mà sạc với mức dịng thấp Thơng thường giá trị tiêu chuẩn 50% dung lượng Khi đó, dịng sạc an tồn 0.5*37.5=18.75A Điều làm cho thời gian sạc lên tới vài độ 19 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Song song với nghiên cứu cải thiện công nghệ pin dành cho xe điện, việc nghiên cứu sạc dùng cho xe điện để đảm bảo an toàn nhiệt cho trình sạc giảm thời gian sạc hãng sản xuất xe điện thực mạnh mẽ nhằm tăng tính cạnh tranh thị trường Tuy nhiên, kỹ thuật công nghệ sạc hãng xe điện chưa công bố phổ biến áp lực cạnh tranh thị trường Báo cáo trình bày ngun lý xây dựng mơ hình điều khiển sạc có tích hợp tính ổn dịng, ổn áp kiểm soát nhiệt độ pin sạc 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để hệ tạo thốnggiao sạc có thểnghệ, đề ứngtàidụng tăng khả chế sau: chuyển công cần hiệu đượcquả nghiên cứu thêm phần 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Teodorescu, M Liserre, and P Rodriguez, Grid Converters for Photovoltaic and WindPower Systems 2011 [2] Z Darabi and M Ferdowsi, “Aggregated impact of plug-in hybrid electric vehicles on electricity demand proíile,” IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol 2, no pp 501-508, 2011, doi: 10.1109/TSTE.2011.2158123 [3] N Imanishi and O Yamamoto, “Rechargeable lithium-air batteries: characteristics and prospects,” Mater Today, vol 17, no 1, pp 24-30, 2014, [Online] Available: https://www sciencedirect.com/science/article/pii/S 1369702113004586 [4] J Y Yong, V K Ramachandaramurthy, K M Tan, and N Mithulananthan, “A review on the state-of-the-art technologies of electric vehicle, its impacts and prospects,” Renew Sustain Energy Rev., vol 49, pp 365-385, 2015, [Online] Available: https://www sciencedirect.com/science/article/pii/S 1369702113004586 [5] C H Dharmakeerthi, N Mithulananthan, and T K Saha, “Overview of the impacts of plug-in electric vehicles on the power grid,” 2011, doi: 10.1109/ISGT-Asia.2011.6167115 [6] R C G II, L Wang, and M Alam, “The impact of plug-in hybrid electric vehicles on distribution networks: A review and outlook,” Renew Sustain Energy Rev., vol 15, pp 544-553, 2011 [7] M Aziz and T Oda, “Simultaneous quick-charging system for electric vehicle,” in 9th International Conference on Applied Energy, ICAE2017, 2017, pp 1811-1816 [8] Y Miao, P Hynan, A Von Jouanne, and A Yokochi, “Current li-ion battery SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v technologies in electric vehicles and opportunities for advancements,” Energies, vol 12, no 6, 2019, doi: 10.3390/en12061074 [9] Statista, “Electric vehicles - global lithium-ion battery pack costs 2011-2020,” Statista Research Department, 2020 https://www statista com/statistics/883118/global-lithium-ion-battery-packcosts/ [10] D Stringer and A Rathi, “The Electric Car Battery Boom Has Screeched to a Halt, For Now,” Hyperdrive, Bloomberg, 2020 https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-06-17/the-electric-carbattery-boom-has-screeched-to-a-halt-for-now [11] P Sun, R Bisschop, H Niu, and X Huang, “A Review of Battery Fires in Electric Vehicles,” Fire Technol., vol 56, pp 1361-1410, 2020, doi: 10.1007/s 10694-019-00944-3 [12] V A Marcis, A V J S Praneeth, L Patnaik, and S S Williamson, “Analysis of CT-CV Charging Technique for Lithium-ion and NCM 18650 Cells over Temperature Range,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology, 2020, vol 2020-Feb, pp 947-952, doi: 10.1109/ICIT45562.2020.9067186 [13] M A Masrur et al., “Military-Based Vehicle-to-Grid and Vehicle-to- Vehicle Microgrid - System Architecture and Implementation,” IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol 4, no pp 157-171, 2017, doi: 10.1109/TTE.2017.2779268 [14] H KLAINA, I PICALLO, P LOPEZ-ITURRI, J J ASTRAIN, and L AZPILICUETA, “Aggregator to Electric Vehicle LoRaWAN based Communication Analysis in Vehicle-to-Grid Systems in Smart Cities,” IEEE 22 Access, 2020 [15] X Chen and K.-C Leung, “Non-cooperative and Cooperative Optimization 23 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v of Scheduling with Vehicle-to-Grid Regulation Services,” IEEE Trans Veh Technol., vol 69, no 1, pp 114-130, 2020 [16] M Yilmaz and P T Krein, “Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 28, no pp 2151-2169, 2013, doi: 10.1109/TPEL.2012.2212917 [17] S Zou, J Lu, A Mallik, and A Khaligh, “Modeling and Optimization of an Integrated Transformer for Electric Vehicle On-Board Charger Applications,” IEEE Trans Transp Electrif., vol 4, no 2, pp 355-363, 2018 [18] Y Luo, G Feng, S Wan, S Zhang, V Li, and W Kong, “Charging scheduling strategy for different electric vehicles with optimization for convenience of drivers, performance of transport system and distribution network,” Energy, vol 194, 2020, doi: 10.1016/j.energy.2019.116807 [19] S Sachan, S Deb, and S N Singh, “Different charging infrastructures along with smart charging strategies for electric vehicles,” Sustain Cities Soc., vol 60, 2020, doi: 10.1016/j.scs.2020.102238 [20] J Pokrzywa, “SAE International standards work, including communication protocols and connectors, fast charge, batteries.” 2011 [21] G Kissel, “SAE International releases new fast-charging combo coupler standard (SAE J1772) for plug-in electric and electric vehicles,” Global Battery Systems, GM, and SAE, 2012 https://www.greencarcongress.com/2012/10/j1772-20121015.html [22] I Publications, “IET Code of Practice for Electric Vehicle Charging 24 Equipment 4th Edition,” The IET, 2020 https://www.cef.co.uk/catalogue/products/4892783-code-of-practice-forelectric-vehicle-charging-equipment-4th-edition 25 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v [23] N D Đỉnh, “Một số thách thức công nghệ sạc nhanh ô tô điện,” Tự động hóa ngày nay, vol 227, pp 62-65, 2020 [24] Y Ma, L Wu, Y Guan, and Z Peng, “The capacity estimation and cycle life prediction of lithium-ion batteries using a new broad extreme learning machine approach,” J Power Sources, vol 476, 2020, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320308855 [25] Z Lyu, R Gao, and X Li, “A partial charging curve-based data- fusion-model method for capacity estimation of Li-Ion battery,” J Power Sources, vol 483, 2021, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320314257 [26] M Y Metwly, M S Abdel-Majeed, A S Abdel-Khalik, R A Hamdy, M S Hamad, and S Ahmed, “A Review of Integrated On-Board EV Battery Chargers: Advanced Topologies, Recent Developments and Optimal Selection of FSCW Slot/Pole Combination,” IEEE Access, vol pp 8521685242, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2992741 [27] H Zhao, Y Shen, W Ying, S S Ghosh, M R Ahmed, and T Long, “A Single- And Three-Phase Grid Compatible Converter for Electric Vehicle OnBoard Chargers,” IEEE Trans Power Electron., vol 35, no 7, pp 75457562, 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2956653 [28] M Bayati, M Abedi, G B Gharehpetian, and M Farahmandrad, “Sinusoidal-Ripple Current Control in Battery Charger of Electric Vehicles,” IEEE Trans Veh Technol., vol 69, no 7, pp 7201-7210, 2020 [29] G Barone et al., “A dual active bridge dc-dc converter for application 26 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v in a smart user network,” 2014 Australasian Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2014 - Proceedings 2014, doi: 10.1109/AUPEC.2014.6966538 T Instruments, “Bi-Directional , Dual Active Bridge Reference Design for 27 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v Level Electric Vehicle Charging Stations,” Texas Instruments, no June pp 1-51, 2019 [30] E E Henao-Bravo, C A Ramos-Paja, A J Saavedra-Montes, D GonzálezMontoya, and J Sierra-Pérez, “Design method of dual active bridge converters for photovoltaic systems with high voltage gain,” Energies, vol 13, no 2020, doi: 10.3390/en13071711 [31] C H Dharmakeerthi, N Mithulananthan, and T K Saha, “Modeling and planning of EV fast charging station in power grid,” 2012, doi: 10.1109/PESGM.2012.6345008 [32] A Tazay and Z Miao, “Control of a Three-Phase Hybrid Converter for a PV Charging Station,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 33, no pp 1002-1014, 2018, doi: 10.1109/TEC.2018.2812181 [33] J Everts, F Krismer, J Van Den Keybus, J Driesen, and J W Kolar, “Optimal zvs modulation of single-phase single-stage bidirectional dab ac-dc converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 29, no pp 3954-3970, 2014, doi: 10.1109/TPEL.2013.2292026 [34] L Zhu, A Taylor, G Liu, and K Bai, “A Multiple-Phase-Shift Control for A SiC-Based EV Charger To Optimize the Light-load Efficiency, Current Stress and Power Quality,” IEEE J Emerg Sel Top Power Electron., vol 6, no 4, pp 2262-2272, 2018 [35] D Patil and V Agarwal, “Compact On Board Single Phase EV Battery Charger with Novel Low Frequency Ripple Compensator and Optimum Filter Design,” IEEE Trans Veh Technol., pp 1948-1956, 2016 A Verma, Solar PV Applications, Array B Singh, Based A.Multifunctional Chandra, and EVAl-Haddad, Charger,” IEEE “An Implementation Transactions onof 10.1109/TIA.2020.2984742 Industry vol 56, no K pp 4166-4178, 2020, doi: 28 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v [36] W Gao, X Li, M Ma, Y Fu, J Jiang, and C Mi, “Case Study of an Electric Vehicle Battery Thermal Runaway and Online Internal Short Circuit Detection,” IEEE POWER Electron., vol 36, no 3, pp 2452-2455, 2021 [37] J Zhang, L Zhang, F Sun, and Z Wang, “An Overview on Thermal Safety Issues of Lithium-ion Batteries for Electric Vehicle Application,” IEEE Access, vol 6, pp 23848-23863, 2018 [38] D Li, Z Zhang, P Liu, Z Wang, and L Zhang, “Battery Fault Diagnosis for Electric Vehicles Based on Voltage Abnormality by Combining the Long Short-term Memory Neural Network and the Equivalent Circuit Model,” IEEE Trans Power Electron, vol 36, no 2, pp 1303-1315, 2021 [39] C Zhu, X Li, L Song, and L Xiang, “Development of a theoretically based thermal model for lithium ion battery pack,” Journal of Power Sources, vol 223 pp 155-164, 2013, doi: 10.1016/jjpowsour.2012.09.035 [40] L H Saw, K Somasundaram, Y Ye, and A A O Tay, “Electro- thermal analysis of Lithium Iron Phosphate battery for electric vehicles,” Journal of Power Sources, vol 249 pp 231-238, 2014, doi: 10.1016/jjpowsour.2013.10.052 N E Al, “Lithium iron phosphate basedlife battery - Assessment theOmar of aging parameters and2014 development of cycle model,” Appl vol Energy, 113, and pp 1575-1585, 29 PHỤ LỤC ... nguồn lưới, báo cáo tập trung nghiên cứu điều khiển: bus DC, nâng cao hệ số cơng suất PFC, ổn định dịng sạc, ổn định điện áp sạc, kiểm soát nhiệt độ pin Báo cáo tập trung nghiên cứu điều khiển sạc... đểan cho hệ cứu thống 14 SVTH: Tên sinh viên 1-Tên sinh viên 2, v.v CHƯƠNG ĐIỀU KHIÊN BỘ SẠC PIN XE ĐIỆN 2.1 NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG SẠC Trong nội dung báo cáo tập trung nghiên cứu điều khiển sạc... nhiễu ngõ vào, hệ thống sạc thường gồm có chỉnh lưu cầu H tích cực kép DAB (dual-active bridge) [29]—[31] Bộ điều khiển hệ thống thường gồm có điều khiển bus dc, điều khiển PFC điều khiển ổn dòng