Mô phỏng hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) sử dụng chiến lược điều khiển maximum power point tracking (MPPT) bằng phương pháp EMR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP CUỐI KỲ

Mô phỏng hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
(WECS) sử dụng chiến lược điều khiển Maximum
Power Point Tracking (MPPT) bằng phương pháp
EMR

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Võ Duy Thành

Bộ môn:

Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp

Viện:

Điện

Hà Nội, 1/2021

Chữ ký của GVHD


WIND ENERGY WITH MPPT

ĐỀ TÀI

Mô phỏng hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

(WECS) sử dụng chiến lược điều khiển
Maximum Power Point Tracking (MPPT) bằng
phương pháp EMR

1


WIND ENERGY WITH MPPT

LỜI MỞ ĐẦU
Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời… đang là nguồn
năng lượng hấp dẫn đóng vai trị quan trọng do tính bền vững cùng như không gây
ra ô nhiễm phân tán như năng lượng hóa thạch. Do đó, hiện nay có nhiều bài nghiên
cứu về nguồn những nguồn năng lượng tái tạo này nhằm đạt hiệu suất chuyển đổi
cao nhất. Trong bài nghiên cứu này, nhóm bọn em dùng phương pháp EMR để mơ
phỏng lại hệ thống Turbine gió được điều khiển bằng chiến lược tìm điểm cơng suất
MPPT. Từ đó làm rõ một số vấn đề về phương pháp EMR trong quá trình học tập.
Do bài báo cáo tập trung vào phương pháp EMR nên sẽ không đi sâu vào
nghiên cứu Turbine gió cũng như chiến lược điều khiển MTTP mà chỉ sử dụng số
liệu có sẵn của đề bài cho được lấy từ EMR'18 Summer School, June 13-15, 2018
Hanoi University of Science and Technology (Vietnam).
Cuối cùng, nhóm em xin được cảm ơn TS. Võ Duy Thành đã tận tình hướng
dẫn bọn em trong suốt thời gian môn học Mô hình hóa và Mơ phỏng vừa qua. Bọn
em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức bổ ích. Em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên,

2


WIND ENERGY WITH MPPT

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ TURBINE GIĨ VÀ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
MPPT........................................................................................................................ 4
1.1. Turbine gió......................................................................................................4
1.2. Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT....................................................7
CHƯƠNG 2. MƠ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC
ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR...........................................9
2.1. Phương pháp EMR........................................................................................9
2.2. Biểu diễn mơ hình Turbine gió sử dụng chiến lược điều khiển MPPT
bằng phương pháp EMR....................................................................................10
2.2.1. Biểu diễn mơ hình Turbine bằng phương pháp EMR.........................10
2.2.2. Thiết kế hệ thống điều khiển.................................................................15
2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor.....................16
2.2.4. Code chương trình.................................................................................17
2.2.5. Kết quả mô phỏng..................................................................................21
CHƯƠNG 3. NHÂN XÉT......................................................................................22
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................23

3


WIND ENERGY WITH MPPT
CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ TURBINE GIÓ VÀ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
MPPT
1.1. Turbine gió
Turbine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, có thể dùng
trực tiếp trong đời sống hoặc chuyển đổi thành năng lượng điện.

Hình1.Error! No text of specified style in document..1. Cấu tạo Turbine gió

Cấu tạo Turbine gió được thể hiện trong Hình 1.1 gồm:
-

Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu
khiển.
Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các
cánh quạt chuyển động và quay.
Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
Controller: Bộ điều khiển.
Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc
độ cao và tăng tốc độ quay.
Generator: Máy phát. 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.
Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor
quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Tower: Trụ đỡ Nacelle.
4


WIND ENERGY WITH MPPT
-

Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng
tuabin gió.
Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có
sự thay đổi hướng gió.

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

Trong báo cáo mơ phỏng này, hệ thống được rút gọn với mơ hình như Hình
1.2, kết nối với Bus DC.

Hình 1.Error! No text of specified style in document..2. Mơ hình WECS
Mơ hình gồm: Cánh quạt roto, hộp số, 1 PM DC Machine, 1 bộ biến đổi điện
áp Chopper
Dựa vào các thông số được cho trong tài liệu EMR'18 Summer School,
June 13-15, 2018 Hanoi University of Science and Technology (Vietnam) ta bước
đầu xác định được các thông số của hệ thống như sau:
 Wind and blades:
Gió thổi tới cánh quạt với vận tốc v wind, momen xoắn Tblade được tạo ra bởi các cánh
được xác định theo công thức:

Với: - S: diện tích qt của cánh quạt
-

: mật độ khơng khí
R: bán kính cánh quạt
5


WIND ENERGY WITH MPPT

-

Hệ số momen CT là một hàm phi tuyến của , phụ thuộc vào vận tốc gió
và tốc độ góc trục quay

Ωshaft

Hệ số momen xoắn cũng phụ thuộc vào độ lật cánh của cánh quạt.

Hình 1Error! No text of specified style in document..3. Đồ thị hệ số momen xoắn
và tỉ số lambda

 Shaft
Tốc độ quay Ωshaft có thể được suy ra từ momen xoắn của cánh quạt vào hộp số, T blade
và Tgear

Trong đó J và f lần lượt là quán tính và hệ số ma sát của trục tương đương:
J = 16600 kg.m2
f = 1 Nms

 Gearbox
Hộp số điều chỉnh momen xoắn đầu ra thành momen xoắn của máy điện 1 chiều,
Tdcm có thơng số sau:
- Gearbox ratio: 1000/25
- Gearbox efficiency: 95%
 DC Machine
Máy điện một chiều nam châm vĩnh cửu có đặc điểm sau:
6


WIND ENERGY WITH MPPT
- nominal useful power: 900 kW ;
- nominal voltage : 1500 V ;
- nominal current : 1000 A ;
- nominal speed : 1 500 tr/min ;

- armature resistance : 10 m ;
- armature inductance : 0.1 mH ;
Giả sử quán tính máy điện bị bỏ qua so với quán tính cánh quạt.

 Chopper
Bộ biến đổi Chopper được coi có hiệu suất khơng đổi 95%

 DC Bus
DC Bus được coi có giá trị khơng đổi 1500 V
1.2. Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT
Chiến lược xác định điểm công suất cực đại được áp dụng để xác định
momen xoắn tham chiếu để có được cơng suất tối đa từ mỗi cơn gió khi vận tốc gió
thay đổi. Từ dữ liệu từ nhà sản xuất, công suất cho mỗi vận tốc gió và tốc độ quay
có thể được biểu diễn như Hình 1.4:

Hình 1.4. MPPT Characteristic of the WECS
Cơng suất tối đa, có thể được trích xuất cho mỗi cơn gió vận tốc, được suy ra
từ đường cong mới này, một bảng tra cứu được xây dựng, biểu thị mômen Tgear_ref
từ tốc độ quay Ωgear_mes của rôto turbine đo được. Hơn nữa, một giá trị lớn nhất
của tốc độ quay được chồng lên trên đường cong tối ưu này. Vì MPPT khơng phải là
mục tiêu quan trọng nhất của công việc này, bảng tra cứu được cho trước.
7


WIND ENERGY WITH MPPT

8


WIND ENERGY WITH MPPT

CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC
ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR
2.1. Phương pháp EMR
Phương pháp EMR (Energetic Macroscopic Representation) là phương pháp biểu
diễn năng lượng bên trong hệ thống, dành cho những hệ thống mang tính năng
lượng. Đây khơng phải là phương pháp mơ hình hóa mà là phương pháp biểu diễn
mơ hình tốn học của hệ thống cũng như bộ điều khiển thơng qua các khối dưới đây:

Hình 2.1. Thư viện EMR trong Matlab/Simulink
Trong đó có một số khối cơ bản sau:
-Khối nguồn (Source element)
-Khối tích lũy (Accumulation element)
-Khối chuyển đổi đơn vật lý (Monophysical Converter)
-Khối chuyển đổi đa vật lý (Multiphysical Converter
-Khối ghép nối đơn vật lý
-Khối ghép nối đa vật lý
-Khối chiến lược
9


WIND ENERGY WITH MPPT
Các khối khác em xin được trình bày trong 1 bài báo cáo khác khi sử dụng đến.
Phương pháp EMR tuân thủ theo những nguyên tắc sau:
-

-

Nguyên tắc nhân quả: Tính nhân quả của hệ thống được thể hiện qua khâu
tích phân. Đầu ra trễ theo đầu vào.
Nguyên tắc tương tác: Các hệ thống liên kết với nhau theo nguyên tắc tác

động phản ứng. action x reaction = power. Mỗi tác động đều có một phản ứng
kèm theo
Nguyên tắc nghịch đảo: Cấu trúc điều khiển của hệ thống được xem như
nghịch đảo của đối tượng (nghịch đảo trực tiếp hoặc nghịch đảo gián tiếp).

2.2. Biểu diễn mô hình Turbine gió sử dụng chiến lược điều khiển MPPT bằng
phương pháp EMR
2.2.1. Biểu diễn mơ hình Turbine bằng phương pháp EMR
a. Khối Environment Source

Hình 2.2. Khối Environment Source
Hình Oval màu Green chứa các tham số cho trước, đầu ra là v wind đầu vào là Fblade
b. Khối chuyển đổi vận tốc gió sang momen xoắn cánh quạt
Khối chuyển đổi vwind thành momen xoắn Tblade dựa vào những thông số và
công thức cho bởi nhà sản xuất. Khối được xây dựng sẵn nhằm phục vụ q trình
mơ phỏng

10


WIND ENERGY WITH MPPT

Hình 2.3. Khối Blades
c. Khối Shaft

11


WIND ENERGY WITH MPPT

Hình 2.4. Khối Shaft
Theo bài cho Ωshaft quan hệ với momen xoắn cánh quạt và hộp số T_blade và T_gear
theo công thức:

Biến đổi Laplace 2 vế ta có:

J.s. Ωshaft(s) = -Tgear(s) + T_blade(s)- f. Ωshaft(s)
=> Ωshaft = (Tblade(s) – Tgear(s)).
Từ đó ta xây dựng được hàm truyền tương đương của hệ trên.
d. Khối Gear

12


WIND ENERGY WITH MPPT

Hình 2.5. Khối Gear
Khối chuyển đổi tốc độ trục sang tốc độ hộp số hay tốc độ quay roto PM DC
Machine với tỉ số hộp số K_gear = 1000/25 và hiệu suất 95 %
e. Khối E/m Conv

Hình 2.6. Khối E/m conv
13


WIND ENERGY WITH MPPT
Khối chuyển đổi cơ điện w_gear biến đổi thành điện áp emf trên phần ứng. Hằng số
cơ điện DCM.K_em1 được xác định trong khối này.
e. Khối Inductor

Hình 2.7. Khối Inductor

Hình 2.8. Mơ hình PM DC Machine
Như ta thấy, mơ hình tốn học của PM DC Machine được xác định như sau

V = Vind - L -R.i
Biến đổi Laplace ta có:
V(s)=Vind(s) – L.s.I(s) – R.I(s)

 I(s)=(Vind(s)-V(s)).
Áp dụng vào mơ hình inductor trên ta có:
14


WIND ENERGY WITH MPPT
IDCM = (EDCM – Ech).

g. Khối Chopper

Hình 2.9. Khối Chopper
Khối Chopper nhận tín hiệu điều khiển m và thực hiện biến đổi điện áp
DC/DC theo giá trị mà khối điều khiển MPPT đưa ra. Từ đó đạt được công suất như
mong muốn. Hiệu suất chuyển đổi điện áp là 95%
Tổng hợp được mơ hình Turbine gió thơng qua biểu diễn EMR như sau:

Hình 2.10. Mơ hình Turbine gió

15

WIND ENERGY WITH MPPT
2.2.2. Thiết kế hệ thống điều khiển

a. Khối chiến lược điều khiển MPPT

Hình 2.10. Khối MPPT
Khối đưa ra tín hiệu tham chiếu T_gear_ref dựa trên tín hiệu đưa vào w_shaft . Khối
được thiết lập sẵn do bài báo cáo tập trung vào phương pháp EMR mà không phải
MPPT.
b. Tổng hợp mơ hình
Theo ngun tắc nghịch đảo, mỗi khối điều khiển là nghịch đảo các khối của
chúng, từ đó ta thành lập được cấu trúc mơ hình như sau:
16


WIND ENERGY WITH MPPT

Hình 2.11. Mơ hình Turbine gió sử dụng phương pháp biểu diễn EMR
2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor
Do khối Inductor đầu ra là một hàm tích phân của đầu vào nên khơng thể
nghịch đảo trực tiếp được do đó cần một khối điều khiển để nghịch đảo gián tiếp
khối Inductor, cụ thể hơn đó là bộ điều khiển PI

17


WIND ENERGY WITH MPPT

Hình 2.12. Khối Controller with IP

18


WIND ENERGY WITH MPPT
2.2.4. Code chương trình

19


WIND ENERGY WITH MPPT

20


WIND ENERGY WITH MPPT

21


WIND ENERGY WITH MPPT

22


WIND ENERGY WITH MPPT
2.2.5. Kết quả mơ phỏng

Hình 2.14. Giá trị Pconv

Đồ thị của vận tốc gió và dịng điện Ich

23


WIND ENERGY WITH MPPT

CHƯƠNG 3. NHÂN XÉT
Đồ thị của dòng điện Ich bám khá sát với đồ thị của vận tốc gió. Khi vận tốc
gió tăng thì Ich tăng theo và ngược lại. Điều đó đúng với bài tốn, vận tốc gió tỉ lệ
thuận với sản lượng điện đầu ra.

24