CHƯƠNG 5 : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO PMSG
5.1. Phương pháp điều khiển MPPT cho PMSG dựa trên WECS
Cơng suất được sản xuất bởi một tuabin gió được đưa ra bởi:
𝑃𝑚 = 0.5𝜋𝜌𝐶𝑝(,)𝑅2𝜗𝑤3 (5.1) Trong đó: R: bán kính tuabin 𝜗𝑤: tốc độ gió. 𝜌 :mật độ gió. 𝐶𝑝 : hệ số cơng suất. :tỷ lệ tốc độ đầu vào. : góc pictch. = 𝜔𝑟𝑅/𝜗𝑊 (5.2) 𝜔𝑟:tốc độ góc quay tuabin
Phương trình động năng của tuabin gió được cho là
𝑑𝜔𝑟 𝑑𝑡 =1 𝐽[𝑇𝑚− 𝑇𝐿 − 𝐹𝜔𝑟] (5.3) Trong đó: J: qn tính hệ thống F:là hệ số ma sát nhớt
𝑇𝑚là mô-men xoắn được phát triển bởi các tua-bin
𝑇𝐿là mô men do tải mà trong trường hợp này là các mô-men xoắn máy phát điện. Các mục tiêu công suất tối ưu từ một tuabin gió có thể được viết như:
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐾𝑜𝑢𝑡𝜔𝑟_𝑜𝑝𝑡3 (5.4) Trong đó: 𝐾𝑜𝑝𝑡 =0.5𝜋𝜌𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥𝑅5 𝑜𝑝𝑡3 (5.5) 𝜔𝑜𝑝𝑡 =𝑜𝑝𝑡 𝜗𝑤 𝑅
Cho thấy cơng suất tuabin cơ khí như là một hàm của tốc độ cánh quạt ở tốc độ gió khác nhau. Công suất cho một tốc độ nhất định của gió là tối đa giá trị nhất định của tốc độ cánh quạt, được gọi là tốc độ quạt tối ưu 𝜔𝑜𝑝𝑡.Đây là tốc độ tương ứng với tỷ lệ tốc độ đầu tối ưu 𝑜𝑝𝑡 Để có cơng suất tối đa có thể, tuabin nên ln ln hoạt động ở 𝑜𝑝𝑡 .
Điều này có thể bằng cách kiểm sốt tốc độ quay của tuabin, do đó nó ln ln quay với tốc độ tối ưu của vịng xoay.
Hình 5.1. Cơng suất cơ học tuabin như là một hàm của tốc độ rotor cho tốc độ gió khác nhau
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được ưa thích hơn và nhiều hơn nữa trong việc phát triển mẫu thiết kế mới vì hiệu quả cao hơn, mật độ năng lượng cao, tính khả
dụng của nam châm vĩnh cửu năng lượng cao,vật liệu ở giá hợp lý và khả năng của tuabin đường kính nhỏ hơn trong các ứng dụng trực tiếp điều dẫn. Hiện nay, nhiều nghiên cứu những nỗ lực được đạo diễn hướng tới thiết kế của WECS đó là đáng tin cậy, có hao mịn thấp, nhỏ gọn, hiệu quả, có tiếng ồn thấp và chi phí bảo trì; như vậy một WECS là có thể thực hiện trong các hình thức của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió PMSG.
Các phương pháp MPPT để kiểm sốt hiện nay có 3 phương pháp được đề xuất. Phương pháp kiểm soát tỷ lệ tốc độ (TSR):
Tính tốn Một tốc độ gió dựa trên điều khiển TSR được đề xuất trong để theo dõi các điểm công suất đỉnh. Tốc độ gió được ước tính sử dụng mạng nơron, và hơn nữa, bằng cách sử dụng tốc độ gió ước tính và kiến thức về tối ưu TSR, lệnh tốc độ rotor tối ưu được tính. Lệnh tốc độ tối ưu tạo ra được áp dụng cho các vòng điều khiển tốc độ của hệ thống kiểm soát WECS. Các bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ rotor thực tế với giá trị mong muốn bằng cách thay đổi tỷ lệ chuyển đổi của các biến tần PWM. Các mục tiêu kiểm soát của biến tần là sản lượng điện cung cấp cho tải. Sơ đồ khối của các mô-đun điều khiển dựa trên ANN MPPT được thể hiện trong hình 5.2. Đầu vào ANN là tốc độ roto 𝜔𝑟và cơng suất cơ khí 𝑃𝑚. 𝑃𝑚 thu được bằng cách sử dụng mối quan hệ:
𝑃𝑚 = 𝜔𝑟(𝐽𝑑𝜔𝑟
𝑑𝑡 ) + 𝑃𝑒 (5.6)
Tín hiệu cơng suất hồi tiếp:
Phương trình cơng suất tuabin được sử dụng để đạt được công suất tham chiếu cho PSF dựa trên điều khiển MPPT của PMSG WECS.Hình5.3 cho thấy sơ đồ khối cho các thế hệ tín hiệu điều khiển PSF. Sử dụng phương trình (5.7) ta có:
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑜𝑝𝑡𝜔𝑟3 (5.7)
Hình 5.3. Cơng suất tham chiếu máy phát điện để điều khiển PSF
Các khối điều khiển PSF tạo ra các lệnh công suất tham chiếu sử dụng sau đó được áp dụng cho các hệ thống điều khiển chuyển đổi phía lưới để khai thác sức mạnh tối đa.
Điều khiển tìm kiếm leo đồi:
Phương pháp tìm kiếm leo đồi của điều khiển MPPT cho PMSG WECS được đề xuất. Các thuật toán kiểm soát sử dụng các nguyên tắc của kỹ thuật tìm kiếm - nhớ - tái sử dụng. Phương pháp sử dụng bộ nhớ để lưu trữ các điểm công suất đỉnh, thu được trong quá trình đào tạo, được sử dụng sau này để theo dõi điểm công suất tối đa. Các nguyên tắc đằng sau thuật tốn này là một q trình tìm kiếm - nhớ - tái sử dụng. Các thuật toán sẽ bắt đầu từ một bộ nhớ thơng minh có sản phẩm nào với một hiệu suất ban đầu tương đối kém. Trong quá trình thực hiện, chế độ đào tạo sẽ sử dụng dữ liệu tìm kiếm bằng cách tìm kiếm leo đồi nâng cao, leo lên dần dần đào tạo bộ nhớ thông minh để ghi lại những kinh nghiệm đào tạo. Các thuật toán sẽ tái sử dụng các dữ liệu được ghi nhận trong ứng dụng chế độ để nhanh chóng thực hiện. Này "Tìm - nhớ - tái sử
dụng" sẽ lặp lại chính nó cho đến khi một bộ nhớ chính xác của hệ thống đặc điểm được thiết lập. Vì vậy, sau khi các thuật tốn được huấn luyện đầy đủ, hiệu quả khai thác sức mạnh của nó là tối ưu. Kể từ khi bộ nhớ thông minh là đào tạo trực tuyến trong khi hệ thống hoạt động, một quá trình cũng được gọi là quá trình đào tạo online. Cấu trúc của các thuật tốn leo đồi điều khiển tìm kiếm nâng cao được thể hiện trong hình 5.4. Mỗi chu kỳ thực hiện bắt đầu với lấy mẫu của 𝑉𝑑𝑐và 𝑃0, và tính toán khác biệt. Các quy tắc chuyển đổi chế độ chỉ đạo kiểm soát vào một trong ba phương thức thực hiện, cụ thể là chế độ ban đầu, chế độ đào tạo và ứng dụng chế độ. Nhu cầu dịng biến tần 𝐼𝑑𝑚 được tính trong chế độ đó và nuôi cho các biến tần để điều tiết sản lượng điện của hệ thống.
𝐼𝑑𝑚 được định nghĩa là giá trị cao nhất yêu cầu của hình sin đầu ra của biến tần. Cơ chế điều khiển lỗi công suất tối đa (MPED) cung cấp hệ thống với một điểm hoạt động tối ưu hóa sơ bộ khi bộ nhớ thông minh là sản phẩm nào. Các tín hiệu tham chiếu cho MPED là 𝑃𝑑𝑚 mà chỉ có thể đến khi gió là đủ cao. Các bộ nhớ thơng minh ghi lại các điểm công suất tối đa của hệ thống và các biến điều khiển tương ứng với điều kiện vận hành khác nhau. Trực tiếp kiểm sốt nhu cầu dịng sử dụng các mối quan hệ tối ưu giữa
𝑉𝑑𝑐và 𝐼𝑑𝑚 ghi lại bởi các bộ nhớ thông minh, và tạo ra các lệnh 𝐼𝑑𝑚 dựa trên giá trị hiện tại của 𝑉𝑑𝑐.