Thiết kế điều khiển mppt cho hệ phát điện

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
**********************

BÁO CÁO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
(Mã học phần: EE4165)

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO HỆ PHÁT ĐIỆN
SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG
NỐI LƯỚI KẾT HỢP TẢI ĐỊA PHƯƠNG
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 06

Hà Nội, tháng 07 năm 2023


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ...................................2
1.1 Đặt vấn đề...................................................................................................1
1.2 Khái quát về năng lượng gió.......................................................................2
1.2.1 Năng lượng gió.....................................................................................2
1.2.2 Ưu và nhược điểm................................................................................2
1.2.3 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam................................................2
1.3 Tổng quan về turbine gió.............................................................................3
1.4 Cấu trúc của một hệ Windturbine cơ bản....................................................5
CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ LỰA CHỌN
THỐNG SỐ ĐỀ TÀI...........................................................................................6
2.1 Xác định bài toán........................................................................................6
2.2 Cấu trúc điều khiển.....................................................................................6
2.3 Lựa chọn cấu hình điều khiển......................................................................7

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA WIND TURBINE VÀ MÁY PHÁT...............8
3.1 Mơ hình hóa Wind Turbine.........................................................................8
3.2 Mơ hình hóa PMSG.....................................................................................8
3.2.1 Thơng số...............................................................................................8
3.2.2 Phương trình động lực học PMSG:......................................................9
3.3 Bộ biến đổi Boost Converter.......................................................................9
..........................................................................................................................9
3.4 Bộ nghịch lưu nối lưới:.............................................................................10
CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG.................................11
4.1 Tổng quan phương pháp điều khiển MPPT P&O:.....................................11
4.1.1 Lưu đồ thuật tốn:..............................................................................11
4.1.2 Mơ hình sử dụng trong Matlab...........................................................12
4.2 Cấu trúc điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới...............................................12
4.2.1 Bộ khóa pha PLL................................................................................12
CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ.........................14
5.1 Sơ đồ mô phỏng........................................................................................14
5.2. Kết quả mô phỏng....................................................................................15


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay trên tồn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, các nguồn
tài ngun khống thạch đang dần cạn kiệt, nguồn năng lượng điện cũng đang
dần trở nên thiếu hụt ví dụ như tình trạng mất điện của miền Bắc Việt Nam
những ngày tháng 6 vừa qua.

Hình 1.0 – Thống kê trữ lượng còn lại của các tài ngun khống thạch
Chính vì thế việc nghiên cứu các thiết kế nhằm khai thác nguồn năng
lượng tự nhiên là rất cần thiết.Việc này vừa giảm thiếu ô nhiễm môi trường ảnh
hưởng đến trái đất mà còn giúp khai thác nguồn năng lượng dồi dào mà tự nhiên

có sẵn.Các nguồn năng lượng tự nhiên như: Gió, mặt trời, thủy triều,...

Hình 1.1−¿Các nguồn năng lượng tự nhiên đang được khai thác rộng rãi trên
thế giới
Với đề tài này, nhóm chúng em sẽ nghiên cứu hệ phát điện sức gió với cấu
trúc sử dụng windturbine kết hợp máy phát PMSG thực hiện nối lưới và tải địa
phương.

1


1.2 Khái quát về năng lượng gió

1.2.1 Năng lượng gió
Năng lượng gió là năng lượng gió mang, có thể được sử dụng để quay
turbine gió chuyển hóa năng lượng này thành năng lượng cơ học. Điện năng
được sinh ra nhờ quá trình biến đổi năng lượng cơ mà turbine cung cấp thành
năng lượng điện.

Hình 1.2 – Gió và Turbine gió

1.2.2 Ưu và nhược điểm
a)

b)

Ưu điểm:
- Nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
-

Giảm sự phụ thuộc vào thủy điện.

-

Mang lại lợi nhuận cho các doanh nghiệp là lợi ích cho người
sử dụng với nhiều lựa chọn.

-

Dễ dàng lắp đăt một hệ thống tuabin gió trên diện tích trang trại
sẵn có.

Nhược điểm:
- Chi phí lắp đặt cao.
-

Ơ nhiễm tiếng ồn hạn chế về vị trí lắp đặt.

-

Thường phải lắp đặt trong các khu vực ít dân cư để đảm bảo an
tồn.

1.2.3 Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có đường bờ biển
trải dài hơn 3.000 km, vì vậy tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam
vơ cùng lớn.

2

Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam là nước có tiềm năm
gió lớn nhất trong bốn nước của khu vực, với hơn 39% tổng diện tích của Việt
Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao
65 m, tương đương cơng suất 512 GW.

Tốc độ gió
trung bình
Diện tích
(km2)
Tỷ lệ diện
tích (%)
Tiềm năng
(MW)

Thấp
< 6m/s
197.24
2

Trung bình Tương đối cao
6-7m/s
7-8m/s

Cao
Rất cao
8-9m/s > 9m/s

100.367

25.679

2.178

111

60,6

30,8

7,9

0,7

>0

-

401.444

102.716

8.748

482

1.3 Tổng quan về turbine gió
Năng lượng gió sẽ được chuyển hóa thành năng lượng điện thơng qua
Turbine gió.
Phân loại turbine gió:

-

Turbine gió rotor trục ngang:

Điện gió nằm ngang, hoặc HAWT là một dạng năng lượng phổ biến nhất
và có thể dễ dàng nhận thấy nhất bởi chúng được thiết kế giống như một chiếc
cánh quạt. Chúng thường có ba lưỡi, mặc dù một số có hai hoặc thậm chí chỉ
một. Hiện nay, tuabin ngang là loại tuabin hiệu quả nhất, do đó chúng được sử
dụng trong các trang trại điện gió quy mơ lớn.
Tua bin nằm ngang sử dụng lực nâng để quay và tạo ra công suất. Các
cánh quạt có hình dạng giống như những cánh máy bay, tương tự như cánh của
máy bay. Gió đập vào các cánh quạt và tạo ra sự chênh lệch áp suất làm quay
cánh quạt và tạo ra điện. Máy phát điện và hộp số được đặt ngay sau rotor trong
ống trục. Mặt phẳng cánh quạt phải duy trì một góc 180 độ với hướng gió để duy
trì hiệu suất tối đa, và do đó, các HAWT được trang bị một cánh gió và hệ thống
cánh quạt để giữ cho tuabin hướng về đúng hướng.

3


Hình 1.3 – Turbine gió rotor trục ngang
-

Turbine gió rotor trục đứng:

Tua bin gió tiếp cận thẳng đứng, hoặc VAWT, quay trên trục thẳng đứng
với gió. Chúng có xu hướng ít phổ biến hơn ở quy mô công nghiệp. VAWT
thường được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn HAWT và chủ yếu được sử dụng trên
các mái nhà như một nguồn năng lượng bổ sung. Chúng thường ở gần mặt đất,
làm cho chúng kém hiệu quả hơn do tốc độ gió thấp hơn nhưng dễ bảo trì và bảo

dưỡng hơn.
Khơng phải tất cả các VAWT đều giống nhau. Chúng có hai thiết kế
chính, Darrieus và Savonius. Cả hai đều rất khác nhau về cách chúng thu nhận
năng lượng gió và mỗi loại đều có một số thiết kế phụ trợ cho các mục đích khác
nhau.

4


Hình 1.4 – Turbine gió trục đứng
1.4 Cấu trúc của một hệ Windturbine cơ bản
Đối với việc khai thác nguồn năng lương với cấu trúc windturbine sẽ phải
bảo gồm các thành phần:






Cánh quạt.
Hộp số, cơ cấu truyền.
Máy phát.
Bộ biến đổi điện áp DC/AC ở đây thơng thường là biến tần.
Lưới/tải.

Hình 1.5 −¿Cấu trúc của một hệ windturbine
Thông qua việc điều chỉnh góc quay của trục tháp, thu gió làm cánh quạt
quay máy phát sẽ tạo nguồn năng lượng điện và thơng qua các bộ biến đổi để
thích hợp nối lên lưới hoặc là cấp thẳng cho tải sử dụng.

Hình 1.6−¿Cấu hình hệ thống windturbine
Từ cấu hình hệ thống, đối với đề tài được giao nhóm sẽ xác định các bài
tốn điều khiển và lựa chọn thông số.

5


CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ LỰA CHỌN
THỐNG SỐ ĐỀ TÀI
2.1 Xác định bài toán
Đối với một bài toán windturbine nối lưới kết hợp tải, sẽ có nhiều bài tốn
điều khiển được đưa ra, tuy nhiên do giới hạn về thời gian nhóm sẽ đưa ra hai
mục tiêu điều khiển chính là bài tốn tìm điểm cực đại (MPPT- Max Power Point
Tracking) giúp tối ưu công suất của windturbine thu được và bài tốn hịa đồng
bộ, đây là bài tốn giúp cho phép hịa năng lượng thu được từ windturbine lên
điện lưới địa phương.

Hình 2.0−¿ Các bài tốn cần xử lý
2.2 Cấu trúc điều khiển
Nhóm đưa ra cấu trúc điều khiển cơ bản cho một hệ phát điện sức gió với
hai bài tốn cần xử lý như đã đề cập ở phần trước.

Hình 2.1 −¿Cấu trúc điều khiển
6


Các khối cơ bản:
1.
2.
3.

4.
5.
6.
7.
8.

Windturbine.
Máy phát PMSG.
Bộ chỉnh lưu.
Bộ biến đỏi DC/DC Boost converter.
Bộ nghịch lưu.
Bộ lọc LC.
Lưới điện 380VAC/50Hz.
Tải địa phương.

Lựa chọn máy phát PMSG vì:
 Tốc độ có thể điều chỉnh mà không cần hộp đổi tốc độ
 Momen cao ở tốc độ thấp
 Khơng cần hệ thống kích từ
Lựa chọn bộ biến đổi boost converter vì:
 Thích hợp cho việc sử dụng thuật toán MPPT
 Kết hợp với mạch chỉnh lưu tạo điện áp một chiều cho bộ nghịch
lưu
Lựa chọn bộ biến tần 3 pha:
 Sử dụng thuật toán SVM
 Nguồn một chiều DC lấy từ bộ boost converter
2.3 Lựa chọn cấu hình điều khiển
Nhóm lựa chọn các thông số cơ bản của đề tài như sau:
Các thông số cơ bản của đề tài
Điện áp lưới

220VAC
Tần số lưới
50Hz
Điện áp một chiều Vdc
400Vdc
Cơng suất windturbine
12kW
Tốc độ gió định mức
12m/s
0°
Góc pitch cố định
Tải thuần trở
Tùy chọn
Cos phi
0.98
Các thông số như cuộn cảm, tụ điện trong mạch lọc sẽ tự tính toán.

7


CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA WIND TURBINE VÀ MÁY PHÁT
3.1 Mơ hình hóa Wind Turbine
- Cơng suất lý tưởng của Turbine Gió được thể hiện bởi:

-

1
Pw = ρAA V 3w
2
Với: ρA _ Mật độ khơng khí (kg /m3)

A _ Diện tích quét bởi cánh quạt (m 2)
V w _ Tốc độ gió (m/s)
Tuy nhiên, trong thực tế, cơng suất Pw trên khơng được chuyển đổi hồn

tồn thành cơng suất cơ. Công suất chuyển thành công suất cơ được đặc
trưng bởi hệ số cơng suất C p.
1
Pm=P w × C p ( λ , β )= ρAA V 3w C p ( λ , β )
2
1
¿ ρAπ R 2 V 3w C p ( λ , β)
2

Với: R_ bán kính cánh quạt (m)
C p_ Hệ số công suất_ Là một hàm của tỷ lệ tốc độ λ và góc pitch β
Pm_ Công suất đầu ra của Turbine
−21

116
λ
C p ( λ , β )=0,51763×
−0,4 β−5 × e + 0,006795× λ
λi
R ωt
1
1
0,035
=
− 3
; λ=

λi λ+0,08 β β +1
Vw
Ở điều kiện lý tưởng, giá trị C p max được gọi là giới hạn Betz.
C p max=0.48

(

)

i

Mô men xoắn do Turbine tạo ra được xác định bởi:
Pm
ωt
Với: ω t_ tốc độ góc của Turbine (rad/s)

T m=

3.2 Mơ hình hóa PMSG

3.2.1 Thơng số
Điện trở Stator (Rs)
Điện cảm (L)
Flux linkage
Momen qn tính (J)
Số đơi cực (p)

0.0485
0.000395
0.1194

0.0027
3

8


3.2.2 Phương trình động lực học PMSG:
-

Mơ hình động lực học được cho bởi các phương trình:
d ψd
dt
d ψq
V q =R s i q−ω e ψ d +
dt
Với i d , i q ,V d ,V q là dòng điện và điện áp của dq tham chiếu. Ld , Lq là cuộn
cảm rotor và cuộn cảm stato, R s là điện trở stator, e là tốc độ rotor dựa trên

{

V d =R s i d−ωe ψ q +

tần số và điện áp của stator.
ψ d=L d .i d +ψ f
ψ q=Lq . i q +ψ q

{

Với ψ d , ψ q là từ thông rotor và p là số đôi cực của máy phát. Momen điện
từ có thể được tín theo công thức:

3
T e= . p . ψ f . iq
2

3.3 Bộ biến đổi Boost Converter.

Hình 3.0 −¿Cấu trúc mạch lựu bộ boost
Bộ biến đổi Boost Converter được sử dụng để tăng điện áp DC và được sử trong
thuật toán MPPT để tìm ra điểm cực đại của hệ thống.
Cơng thức bộ biến đổi Boost Converter:
Vo
1
=
V i 1−D

Trong đó: V i là điện áp vào. V o là điện áp ra. D là hệ số điều chế.

9


3.4 Bộ nghịch lưu nối lưới:

Hình 3.1 −¿Cấu trúc nghịch lưu nối lưới 3 pha
Bài tốn hịa đồng bộ sẽ điều khiển:
 Điều khiển tần số, góc pha, biên độ để nối vào lưới điện địa
phương.
 Bao gồm các bộ điều chỉnh dịng điện, điện áp, khóa pha PLL.

10

CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
4.1 Tổng quan phương pháp điều khiển MPPT P&O:
Kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống là phương pháp MPPT
với kỹ thuật Perturb and Observer (P&O). Phương pháp này dựa trên sự thay đổi
cơng suất. Trong PMSG, dịng điện đầu ra và điện áp tỷ lệ với mô-men xoắn và
tốc độ rơto. Do đó làm xáo trộn hoặc thay đổi điện áp đầu ra của máy phát điện
sẽ làm thay đổi tốc độ rơto. Perturbing điện áp có thể được thực hiện bằng cách
điều chỉnh chu kỳ làm việc (Tín hiệu PWM) của bộ chuyển đổi Buck. Lưu đồ của
thuật tốn P&O được minh họa trong Hình 7. Thuật tốn P&O hoạt động bằng
cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ của bộ chuyển đổi, do đó thay đổi điện áp đầu ra
của gió máy phát điện và quan sát cơng suất kết quả để tăng hoặc giảm chu kỳ
nhiệm vụ trong chu kỳ tiếp theo. Nếu sự gia tăng của chu kỳ nhiệm vụ tạo ra sự
gia tăng công suất, sau đó hướng của tín hiệu nhiễu loạn (chu kỳ nhiệm vụ) giống
như chu kỳ trước. Ngược lại, nếu chu kỳ nhiệm vụ nhiễu loạn tạo ra sự giảm
công suất, sau đó theo hướng của tín hiệu nhiễu loạn ngược lại với chu kỳ trước.

4.1.1 Lưu đồ thuật tốn:

Hình 4.0 −¿Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O

11


4.1.2 Mơ hình sử dụng trong Matlab

Hình 4.1 −¿Cấu trúc P&O
4.2 Cấu trúc điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới

Hình 4.2 −¿Cấu trúc mạch lực nghịch lưu nối lưới 3 pha

Mơ hình hóa bộ nghịch lưu:
Ta có phương trình mơ tả mạch:

{

Li ̇& k =e k −v k
C ´v k =i 0−i s

Phương trình đóng cắt:

{

v0
v 3
uk + 0 ∑ uk
2
6 k=1
k=1,2,3
3
1
C ´v 0= ∑ i k uk −i s
2 k=1

L´i k =ek −

Bằng cách tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc, trung bình tín hiệu
nhỏ ta sẽ thu được các hàm truyền cần thiết để thiết kế cách bộ điều khiển.

4.2.1 Bộ khóa pha PLL
Do đối với đề tài, việc thiết kế các bộ điều khiển dựa trên tài liệu tham

khảo nên việc thiết kế là hoàn toàn đơn giản.Nhóm chỉ đề cập đến cấu trúc vịng
khóa pha PLL(Phase Lock Loop) phù hợp với bài tốn hịa đồng bộ.
12


Hình 4.3−¿ Cấu trúc điều khiển vịng khóa pha
Để tuyến tính hóa vịng khoa pha, ta giả sử sai lệch giữa hẹ thống và lưới điện là
nhỏ.

Hình 4.4−¿Mạch vịng điều chỉnh thuật tốn vịng khóa pha và sơ đồ tuyến tính
vịng khóa pha
 Hàm truyền kín của mạch vịng khóa pha:
K p s+ K i
2 ωn ξss+ ω2n
G k ( s )= 2
G 1= 2
2
s + K p s+ K i
s + 2ω n ξss+ω n

o Trong đó ω n là tần số dao động riêng
ξs là hệ số dao động tắt dần

13


CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ
5.1 Sơ đồ mơ phỏng

Hình 5.0 – Cấu trúc tổng qua Simulink

 Cấu trúc tổng quan MPPT và boost conveter

Hình 5.1 – Sơ đồ MPPT và boost converter
 Mơ hình wind turbine

Hình 5.2 – Mơ hình Wind Turbine trên Matlab – Simulink
14


 Mơ hình bộ Boost conveter

Hình 5.3 – Mơ hình bộ Boost converter
5.2. Kết quả mô phỏng
TH1. Công suất đưa ra tải không đủ, tiến hành nối lưới để bù công suất
Kịch bản mô phỏng:
 Công suất tải: Pload =10 kW
 Công suất Winturbine: Pdco =6 kW
Trước khi nối lưới:
Công suất đo trên tải

Công suất trên bộ nghịch lưu

15


Sau khi nối lưới:
Cơng suất trên tải:

Điện áp trên tải

Dịng trên tải:

16


TH2. Công suất cấp đủ cho tải
Kịch bản mô phỏng:
 Công suất tải: Pload =6 kW
 Công suất Winturbine: Pdco =6 kW
Cơng suất cấp cho tải:

Dịng điện trên tải:

17


Điện áp trên tải:

Khi nối lưới:
Cơng suất trên tải:

Dịng điện trên tải:

18