đề tài thiết kế điều khiển mppt rectifier và boost converter cho hệ thống phát điện sức gió

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b> ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</b>

<b>KHOA TỰ ĐỘNG HÓA</b>

� � �

<b>HỌC PHẦN: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO</b>

<b>ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MPPT RECTIFIER VÀBOOST CONVERTER CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>Lời nói đầu</b>

Trước cuộc khủng hoảng năng lượng được dự báo trước, các nguồnnăng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủy điện,năng lượng sinh khối, thủy điện, nhiên liệu hydrogen, pin nhiên liệu hydro,… được coi là giải pháp tối ưu. Các nguồn năng lượng tái tạo này là cáchgiải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng đồng thời giảm lượng khí thảicarbon từ các nguồn năng lượng khơng tái tạo truyền thống như than, dầu,khí, … Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ năng lượng,năng lượng gió có thể được chuyển đổi thành một dạng năng lượng hữuích, chẳng hạn như sử dụng turbine gió để tạo ra năng lượng điện. Trênthực tế, năng lượng gió là một giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch,khơng tạo ra khí thải nhà kính trong q trình vận hành nên nó tạo ra sựkhác biệt rất lớn đối với việc tác động đến môi trường của chúng ta. Cácnguồn năng lượng tái tạo nói riêng và năng lượng gió nói chung đang trởthành xu hướng tất yếu trong lĩnh vực năng lượng. Chính vì vậy việc nắmbắt cơng nghệ, xu hướng trong lĩnh vực năng lượng gió là hết sức cần thiết.Đồng thời tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hoạt động của turbine gió, giảmthiểu chi phí để cạnh tranh với năng lượng truyền thống.

Trong báo cáo này, chúng em sẽ trình bày về mơ hình tồn hệ thốngturbine gió bao gồm turbine gió, phần vật lý của máy phát điện, các bộ biếnđổi điện điện tử công suất Rectifier, Boost converter, các bộ lọc, tải cùngvới các bài toán điều khiển MPPT.

Báo cáo gồm các chương:

Chương 1: Tổng quan, Cấu trúc và ngun lý hoạt độngChương 2: Mơ hình hóa hệ thống

Chương 3: Thiết kế điều khiểnChương 4: Mơ phỏng và kết quả

Chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cơ Vũ Thị Th Nga,xin cảm ơn các thành viên nhóm đã nỗ lực hồn thành bài tập lớn này.

Tuy đã cố gắng nhưng không thể tránh được sai sót. Chúng em rấtmong nhận được nhũng góp ý và nhận xét để hồn thành báo cáo này cũngnhư rút ra kinh nghiệm để làm những báo cáo sau tốt hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

1

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠTĐỘNG</b>

Chương này sẽ tập trung vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động một hệthống biến đổi năng lượng gió, từ đó đưa ra mục tiêu, nhiệm vụ của các bàitoán diều khiển liên quan.

<b>1.1 Tổng quan về năng lượng gió </b>

Khái niệm:

Năng lượng gió là động năng của khơng khí di chuyển trong bầu khí quyểnTrái Đất, là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời và được tạo ra khigió thổi vào các cánh quạt làm xoay bộ lá cánh của turbine quanh một rotor(động năng của gió được sử dụng để tạo ra cơ năng) từ đó làm quay máy phátvà tạo ra dịng điện.

Hệ thống phát điện sức gió ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trị quantrọng trong tương lai.

Hình 1.1 Nguồn năng lượng gió

Ưu nhược điểm nguồn năng lượng gió

3

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>- Ưu điểm: </b>

o Nguồn tài ngun khơng giới hạn, miễn phí, có thể tái tạo.

o Nguồn năng lượng gió là một cách sản xuất điện sạch, không gây ônhiễm.

o Tiềm năng và tăng trưởng nhanh.o Chi phí vận hành sau khi hoạt động thấp.

o Không giới hạn công suất, cung cấp điện năng hiệu quả.

<b>- Nhược điểm: </b>

o Điện gió khơng ổn định.

o Tiếng ồn của Turbine và khoảng cách giữa các Turbine lớn.o Mật độ năng lượng thấp và không thể lắp đặt một số vùng cụ thể.o Những cơn bão dữ dội và gió mạnh có thể gây ra thiệt hại cho các cánh

của turbine gió.

o Cần các thiết bị tích điện hiệu suất cao do hệ thống phát công suấtkhông ổn định.

<b>Các loại tua bin gió</b>

<b>- Turbine gió trục ngang: Đối với loại tua bin gió này, người dùng phải sử</b>

dụng cánh ngang giúp thu được gió ở năng lượng tối đa.

4

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Hình 1.2 Turbine gió trục ngang

<b>- Turbine gió trục đứng: Theo đánh giá chung, đây là loại tua bin không ổn</b>

định. Bởi nếu lắp đặt ở điều kiện địa hình thấp lượng điện tạo ra sẽ yếu.

Hình 1.3 Turbine gió trục đứng

<b>1.2 Cấu trúc hệ thống chuyển đổi năng lượng gió</b>

5

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Hình 1.4 Cấu trúc chung của hệ thống năng lượng gió với sơ đồ điều khiểnHệ thống năng lượng gió gồm các thành phần:

Hình 1.5 Cấu tạo Tuabine gióCác bộ phận của turbine gió:

6

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền thơng tin tốc độ gió đến bộđiều khiển.

- Blades- Cánh quạt: Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm chocánh quạt quay và chuyển động.

- Brake- Bộ hãm (phanh): Dùng để dừng rotor trong trường hợp khẩn cấp bằngđiện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.

- Controller- Bộ điều khiển: Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ giókhoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơkhoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thểphát nóng.

- Gear box- Hộp số: Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốcđộ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện.Bộ bánh răng này rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.- Generator- Máy phát: Dùng để 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: Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ vàbao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator,controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ.Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khilàm việc.

- Pitch: Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay tronggió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.

- Rotor: Bao gồm cánh quạt và trục.

- Tower- Trụ đỡ nacelle: Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằngthép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu đượcnăng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.

- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướngwind turbine.

- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi cósự thay đổi hướng gió.

- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.

<b>1.3 Ngun lí hoạt động</b>

- Năng lượng của gió làm cho cánh quạt quay quanh rotor của động cơ, rotorđược nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay máy phát để tạora điện.

7

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

- Các wind turbine được đặt trên trục cao để thu hầu hết năng lượng gió và ở độcao cách mặt đất 30 mét thì các turbine gió có tốc độ nhanh hơn, ít bị ảnhhưởng bởi các luồng gió bất thường.

- Điện sinh ra từ máy phát là điện xoay chiều sẽ qua bộ chỉnh lưu để tạo điện ápmột chiều; sau đó qua bộ nghịch lưu để tạo điện áp xoay chiều có điện áp, tầnsố, góc pha mong muốn.

- Điện từ wind turbine có thể nối trực tiếp lên lưới điện hoặc cung cấp chonhững tải địa phương.

<b>CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG2.1 Cấu trúc tổng quan</b>

Hệ thống phát điện sức gió bao gồm:- Turbine gió.

- Máy phát điện.

- Bộ biến đổi điện tử công suất.- Lưới hoặc tải địa phương.

8

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan Wind turbine

<b>2.2 Yêu cầu bài tốn</b>

- Wind Turbine- PMSG- Rectifier- Boost convertor- MPPT

Hình 2.2 Mơ hình hệ thống năng lượng gió

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống.

<b>CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC •</b> Xây dựng mơ hình tốn học Wind Turbine

Turbine gió (Wind Turbine) là một máy năng lượng dùng để biến đổi độngnăng của gió thành cơ năng

Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng gió, nó cũng bị ảnh hưởng bởi một sốyếu tố như vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu, độ cao trên mặt đất và địa hình bề mặt.Các turbine gió tương tác với gió, hấp thụ một phần năng lượng động học của gióvà biến nó thành năng lượng sử dụng được. Trong hệ thống, năng lượng gió thuđược bởi các cánh turbine gió, sau đó được chuyển thành năng lượng cơ học trongtrục. Trục dẫn động rotor của PMSG để chuyển đổi cơ năng thành năng lượngđiện. Theo định luật Newton, động năng của gió được tính theo cơng thức (3.3)

Trong đó m là khối lượng gió.

Năng lượng của luồng khơng khí được tính như sau (theo Borkar andKulkarni, 2015)

là cơng suất của luồng khí (W)

ρ là mật độ khơng khí (kg/m ) (1,225 kg/m trong điều kiện ở nhiệt độ 150 C và áp<small>330</small>

suất 101,325kPa).

10

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

A là diện tích quét ngang của Turbine (m ) là tốc độ gió (m/s).

Tuy nhiên trong các trường hợp thực tế, turbine gió sẽ ln có một hệ sốcông suất nhỏ hơn Betz. Công suất thu được từ gió cho mục đích mơ phỏng đượcđưa ra bởi Barakati (2011):

( , )2

<b>Trong đó:</b>

là cơng suất cơ trên trục động cơ (W);

là diện tích che phủ bởi cánh quạt (m ), với R là bán kính cánh quạt turbine (m);<small>2</small>

là hệ số hiệu suất của turbine với là tỉ lệ tốc độ đầu cánhlà góc nghiêng cánh (deg).

Tỉ lệ tốc độ đầu cánh được xây dựng bằng công thức (3.3) theo Rolan et al,2009; Hassan and Said, 2017:

(3.3)Trong đó là vận tốc góc của turbine (rad/s).

Hệ số công suất không phải là một giá trị tĩnh mà thay đổi một cách phituyến, công thức cơ bản về hệ số công suẩt sử dụng cho mục đích mơ phỏng có thểđược định nghĩa như là một hàm của tỷ lệ tốc độ đầu cánh và góc lật cánh như sau(Hassan and Said, 2017):

11

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Trong đó là momen cơ sinh ra bởi turbine (Nm)

Hình 3.1 Đồ thị cơng suất cơ và tốc độ PMSG ở các tốc độ giókhác nhau nhau (

Theo hình 3.1 với góc pitch , tốc độ gió càng lớn thì đặc tính cơng suất càngcao. Mỗi đường đặc tính đều có 1 điểm cơng suất cực đại. Bằng cách kiểm sốtgóc pitch và tỷ lệ tốc độ đầu cánh thì có thể duy trì giá trị một cách tối ưu. Lncó một giá trị lớn nhất của ở bất kì tốc độ gió nào. Hình (3.1) thể hiện hệ số hiệusuất của turbine và tỉ lệ tốc độ đầu cánh ở các giá trị β khác nhau với tốc độ gió cốđịnh.

Góc β có một vai trị quan trọng trong việc tính tốn . Với góc β nhỏ thì vị tríđường cong sẽ cao lên. Tuy nhiên, theo công thức (3.3), ln có 1 giá trị lớn nhấttrong sự thay đổi của tỉ lệ tốc độ đầu cánh.

12

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 3.2 Đồ thị hệ số hiệu suất của Turbine và tỉ lệ tốc độ đầu cánh ởcác giá trị khác nhau.

Hệ thống cơ khí của hệ thống máy phát turbine gió bao gồm nhiều bộ phậnqn tính. Có thể rất phức tạp khi xem xét tất cả các bộ phận của hệ thống truyềnđộng. Đối với bài tập lớn này, tất cả các thành phần quán tính được gộp lại vớinhau như một khối duy nhất. Hệ thống cơ khí tuabin gió có thể được biểu diễn đơngiản bằng cơng thức (3.3)

Trong đó là momen quán tính, là hệ số ma sát, là momen điện từ, làmomen cơ

<b>•</b> Xây dựng mơ hình tốn học PMSG

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG có nhiều ưu điểm nhưkích thước nhỏ, hiệu suất cao. Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu phía rotor củaPMSG giúp nó khơng phải cung cấp dịng điện kích từ qua stator để tạo ra từthơng khơng đổi trong hke hở khơng khí, qua đó dịng điện phía stator chỉ cần tạora momen xoắn.

Để giảm độ phức tạp của hệ thống, mơ hình toán học của PMSG thườngđược thiết lập dựa trên các giả thiết sau :

13

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Từ thông nam châm vĩnh cửu của rơto phân bố theo hình sin dọc theo khơng giankhe hở khơng khí. Điều này có nghĩa là suất điện động gây ra trong cuộn dây phầnứng stato cũng có dạng hình sin.

Mạch từ được coi là tuyến tính và các thơng số điện cảm khơng thay đổi.Hiệu ứng bão hịa, dịng điện xốy và tổn thất độ trễ bị bỏ qua.Khơng có dây quấn giảm chấn trên rotor.

Với mục đích xác định hệ thống điều khiển PMSG, mơ hình động được ucầu xây dựng từ các mạch tương đương của máy phát điện trong hệ quy chiếuđồng bộ ở Hình (3.3), trong đó trục d được căn chỉnh với hướng của từ thông rôtovà trục q ở phía trước 90 .<small>0</small>

Hình 3.3 Mơ hình mạch tương đương của PMSG

Hình 3.4 Mạch tương đương đơn giản của PMSG

Phương trình điện áp và dịng điện

(3.3)Momen điện từ trong máy phát PMSG được mô tả bởi phương trình (3.3)(Rolan et al., 2009):

14

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Cơng suất đầu ra sau chỉnh lưu:(3.17)

<b>•</b> Xây dựng mơ hình tốn học MPPT

<b>• Tổng quan</b>

Theo dõi điểm công suất tối đa (Maximum Power Point Tracking – MPPT) làmột cơng nghệ đặc biệt có thể áp dụng để tạo ra nguồn năng lượng tốt hơn từ cácturbine gió và module năng lượng Mặt Trời PV trong các trường hợp khác nhau.Như vậy, bản chất của MPPT là theo dõi điểm năng lượng tối đa hoạt động bằngcách điều chỉnh trở kháng để giữ cho hệ thống hoạt động ở gần với điểm công suấtcực đại của Turbine trong các điều kiện khác nhau như sự thay đổi của tốc độ gió,…

MPPT có nhiều kỹ thuật điều khiển như thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O,điều khiển tốc độ đầu cánh TSR, điều khiển tối ưu-mối quan hệ - cơ sở ORBC,…Trong các thuật tốn nêu trên thì thuật toán P&O) là thuật toán tương đối cơ bản,đơn giản, dễ áp dụng, được sử dụng rộng rãi và phổ biến.

Đối với thuật toán TSRC, mặc dù đây là thuật tốn đơn giản và trực giácnhưng nó phụ thuộc nhiều vào sự chính xác của việc đo lường tốc độ gió, đây làmột khó khăn cho thuật tốn này. Đối với thuật tốn ORBC, nhược điểm chính của15

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

nó là u cầu sự hiểu biết về thơng số của hệ thống một cách chính xác. Tuy nhiênnhững thông số này thay đổi từ hệ thống này sang hệ thống khác và thậm chí cóthể thay đổi theo thời gian nên phải cập nhật liên tục (realtime).

Thuật toán P&O khơng cần đo lường tốc độ gió, điều này làm giảm nhiều chiphí thiết kế và vận hành. Để làm việc với thuật tốn khơng cần sự hiểu biết trướcvề những thông số của hệ thống, điều này làm cho thuật tốn đáng tin cậy và ítphức tạp hơn. Vì vậy trong báo cáo bài tập lớn này, phương pháp P&O (Perturband Observe) dực sử dụng vào việc mô phỏng để tìm điểm cơng suất cực đại củahệ thống máy phát điện gió. Máy phát điện gió 200W lựa chọn nhawnmf áp dụngcho những nơi có nguồn năng lượng gió tập trung nhưng diện tích khơng q lớn,tốc độ gió nhỏ (dưới 10m/s).

<b>•</b> Ngun lý hoạt động

Thuật tốn nhiễu loạt và quan sát P&O được sử dụng thông qua nhờ sự đơngiản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này xem xét sự tăng,giảm tốc độ rotor theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có cơng suất lớn nhất.Nếu sự biến thiên của tốc độ rotor làm cơng suất tăng lên thì sự biến thiên sẽ giữnguyên theo chiều tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu sự biến thiên làm cơng suấtgiảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại. KhiMPP được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên tốc độ rotor sẽ daođộng xung quanh MPP đó.

16

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Hình 3.5 Đồ thị mối quan hệ công suất Wind Turbine với tốc độ rotor.

Vận tốc rotor Công suất cơ Vận tốc rotor sau

Thuyết minh giải thuật P&O

Nếu tăng vận tốc rotor, cơng suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng vậntốc rotor.

Nếu tăng vận tốc rotor, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm vậntốc rotor.

Nếu giảm vận tốc rotor, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm vậntốc rotor.

Nếu giảm vận tốc rotor, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng vậntốc rotor.

17

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hình 3.6. Lưu đồ thuật tốn P&O

18

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b>CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN</b>

Qua một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và được sự chỉ bảo tận tình củagiáo viên TS. Đinh Thị Lan Anh, nhóm em đã hồn thành nội dung bài tập lớn củamình với các kết quả đạt được:

Tìm hiểu về miền Z, pha Z, các thí nghiệm trên miền Z và các bước chuyểnđổi hàm sang thuật toán

Hiểu biết hơn về các bộ điều khiển, các đặc điểm của các bộ điều khiển vàcác tiêu chí lựa chọn bộ điều khiển đó.

19

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Hồn thiện các kĩ năng làm việc nhóm và phân chia cơng việc.

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô !

20

</div>