Điều khiển nghịch lưu nguồn Z ứng dụng cho hệ phát điện phân tán

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Hoàng Phương ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN Z ỨNG DỤNG CHO HỆ PHÁT ĐIỆN PHÂN TÁN Chuyên nghành : Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2014 Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: 1.
- Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương (2011) Thiết kế bộ điều khiển cuốn chiếu cho mạch vòng điện áp một chiều của nghịch lưu nguồn Z.
- Trang Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011.
- Trần Trọng Minh, Phạm Quang Đăng, Vũ Hoàng Phương (2012) Chiến lược điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Vũ Hoàng Phương, Trần Trọng Minh, Phạm Quang Đăng (2013) Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới dùng DSP.
- Trang 30-34, Chuyên san Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, số 7, năm 2013.
- Vũ Hoàng Phương, Trần Trọng Minh, Phạm Quang Đăng (2013) Hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn Z theo phương pháp Backstepping cho hệ phát điện sức gió.
- Trang 701-708, Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2013.
- Khảo sát ứng dụng bộ biến đổi điều khiển hệ phát điện pin mặt trời, có kết hợp với thuật toán xác định điểm làm việc công suất lớn nhất và các mạch vòng phía xoay chiều, đảm bảo khả năng hấp thụ công suất và chuyển ra lưới trong các điều kiện thay đổi ánh sáng và nhiệt độ môi trường.
- Đối với ứng dụng bộ biến đổi điều khiển máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ phát điện sức gió, nghiên cứu tích hợp với các mạch vòng phía xoay chiều để đảm bảo ổn định điện áp xoay chiều trên tải trong chế độ độc lập và điều khiển được quá trình trao đổi công suất trong chế độ nối lưới.
- Xây dựng các mô hình mô phỏng offline và mô phỏng thời gian thực để kiểm chứng cấu trúc điều khiển và khả năng hoạt động của toàn hệ thống khi tốc độ gió thay đổi trong dải rộng.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm NLNZ trong phòng thí nghiệm, với các thuật toán điều khiển được cài đặt trên DSP TMS320F2812 để đánh giá khả năng làm việc trong hai chế độ: độc lập và nối lưới.
- Nghiên cứu thêm về phương pháp điều khiển cho NLNZ khi điều kiện đối xứng mạng trở kháng không thỏa mãn.
- Do khi đó, đối tượng điều khiển được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc 4.
- Đánh giá tính bền vững của hệ thống điều khiển NLNZ cho hê phát điện phân tán, khi lưới điện xuất hiện trạng thái không bình thường (Abnormal.
- Đặc biệt, bộ biến đổi có thêm khâu DC/DC, được điều khiển theo phương pháp PWM • Đặt ra vấn đề tích hợp hệ phát điện phân tán thành một hệ thống điện mới như: Micro grid, Smart grid...trên cơ sở sử dụng các thiết bị biến đổi điện tử công suất như: NLNZ, NLNA.
- Do đó, lựa chọn cấu trúc mạch lực thiết bị biến đổi điện tử công suất và phương pháp điều khiển đóng vai trò quan trọng đảm bảo việc khai thác hiệu quả hệ phát điện phân tán.
- Do đó, luận án đặt ra nhiệm vụ ‘‘Điều khiển nghịch lưu nguồn Z ứng dụng cho hệ phát điện phân tán” sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến, để làm cơ sở nâng cao chất lượng điều khiển khi ứng dụng cho hệ phát điện phân tán.
- Nghiên cứu, sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến, vận dụng cho mạch vòng phía một chiều tương ứng với các ứng dụng NLNZ.
- Từ đó, thiết kế cấu trúc điều khiển NLNZ cho hệ phát điện phân tán điển hình: pin mặt trời, hệ phát điện sức gió.
- Về thực nghiệm, luận án xây dựng cấu trúc mô phỏng thời gian thực trên thiết bị kỹ thuật cụ thể Card ds1103 - DSP TMS320F2812 và mô hình thực nghiệm NLNZ trong phòng thí nghiệm, để kiểm chứng cấu trúc điều khiển đưa ra.
- Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho pin mặt trời.
- Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho hệ phát điện sức gió.
- Mô phỏng thời gian thực và thí nghiệm cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z.
- Kết luận Xây dựng hệ thống mô phỏng thời gian thực cho cấu trúc điều khiển NLNZ nối lưới cho hệ phát điện phân tán dựa trên thiết bị Card ds1103 và DSP TMS320F2812.
- Đây là phương pháp nghiên cứu hiện đại, cho phép đánh giá chính xác khả năng cài đặt các thuật toán điều khiển trên thiết bị kỹ thuật cụ thể như DSP TMS320F2812.
- Ngoài ra, còn cho phép ta có thể mô hình hóa đối tượng điều khiển là thiết bị biến đổi điện tử công suất, hệ phát điện phân tán và lưới điện trên Card ds1103 (với điều kiện thực tế rất khó xây dựng được).
- Với cấu trúc điều khiển được xây dựng theo phương pháp mô phỏng thời gian thực, có thể dễ dàng tạo ra tình huống thí nghiệm khác nhau cho hệ thống, mà thực tế không thể thực hiện được và rút ngắn được rất nhiều thời gian để triển khai cấu trúc điều khiển trong thực tế.
- Nội dung mục này cũng kiểm chứng khả năng làm việc NLNZ với một cấu hình mạch lực cụ thể và thuật toán điều khiển được cài đặt vào DSP TMS320F2812.
- Sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến để thiết kế bộ điều chỉnh cho mạch vòng đảm bảo điện áp đầu vào mạng trở kháng nguồn Z bám theo lượng đặt.
- Điện áp trên tụ (C1&C2) và điện áp sơ cấp đặt vào NLNZ c.
- Điên áp đặt lên nhánh van nghịch lưu và điện áp sơ cấp d.
- Điện áp trên tụ (C1&C2) và dòng điện iS (thời điểm quá độ) e.
- Điện áp pha và dòng điện iS (thời điểm xác lập) f.
- Luận án sẽ đưa ra giải pháp điều chế độ rộng xung, với thuật toán điều chế vector không gian được tính toán theo các phương trình thuần đại số phù hợp cài đặt vào vi điều khiển.
- Từ đó, khảo sát đặc điểm động học không của mạch điện tương đương phía một chiều NLNZ với đầu vào sơ cấp dạng nguồn áp, để xây dựng các cấu trúc điều khiển đúng đắn.
- Các phân tích cũng chỉ ra những điểm tồn tại của hệ thống điều khiển NLNZ trong các ứng dụng khác nhau, chủ yếu ở phần mạch vòng phía một chiều.
- Từ đó, luận án tập trung thiết kế cấu trúc điều khiển NLNZ sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến, phù hợp với đặc điểm của mô hình toán học mạch điện tương đương phía một chiều NLNZ cho ứng dụng pin mặt trời và hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG.
- Để triển khai cấu trúc điều khiển NLNZ cho nguồn phát phân tán trên thiết bị kỹ thuật cụ thể, mà trong thực tế gặp nhiều khó khăn xây dựng mô hình thực nghiệm.
- Luận án đưa ra phương pháp mô phỏng thời gian thực trong đó thuật toán điều khiển được cài đặt trên DSP TSM320F2812, NLNZ và hệ phát điện phân tán được mô hình hóa bằng Card ds1103.
- Nội dung mục này sẽ đưa ra một giải pháp cụ thể về phương pháp ĐCVTKG cho nghịch lưu nguồn Z cài đặt trên vi điều khiển.
- Việc có được mô hình chính xác, đảm bảo cơ sở toán học chắc chắn khi xây dựng hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn Z.
- Điện áp trên tụ (C1&C2) và điện áp sơ cấp đặt vào NLNZ d.
- Điên áp đặt lên nhánh van nghịch lưu và điện áp e.
- Điện áp dây sau lọc LfCf f.
- Điện áp đầu và trên tụ (C1&C2) c.
- Xung mở một nhánh van NLNZ (thời điểm xác lập) 5 Từ (2.18) với mẫu xung MX2, MX3 xác định điện áp nhỏ nhất trên tụ (C1&C2) mạch trở kháng nguồn Z cần thiết, để đảm bảo NLNZ có điện áp ra mong muốn: 3 3min( )C sUuπ= (2.20) Do đó, hệ thống điều khiển NLNZ nên sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung với mẫu MX2 hoặc MX3 và hệ số điều chế cho mỗi van bán dẫn mạch nghịch lưu được tổng hợp chi tiết theo Bảng 2.1, Bảng 2.2.
- Mô hình toán học nghịch lưu nguồn Z 2.2.1.
- Mô hình nghịch lưu nguồn Z phía xoay chiều 2.2.2.
- Theo [44], có thể sử dụng phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng như(2.37), để thu được mô hình tín hiệu nhỏ và từ đó áp dụng các 6 phương pháp điều khiển tuyến tính để thiết kế các bộ điều chỉnh làm việc trong chế độ điện áp (direct mode) hoặc chế độ dòng điện (indirect mode .
- Tuy nhiên, mô hình (2.35) có tính phi tuyến, thể hiện phép nhân giữa hệ số điều chế “ngắn mạch” d và biến trạng thái, nên một giải pháp điều khiển phi tuyến đưa ra là phù hợp hơn phương pháp điều khiển tuyến tính, với hy vọng nâng cao chất lượng điều khiển.
- (5.6) Được thực hiện hoàn toàn tương tự cho thuật ở cấu trúc điều khiển NLNZ.
- Các thuật toán điều khiển NLNZ cho hệ phát điện phân tán được viết theo từng module (gồm file *.h – khai báo biến, *.c – thực hiện thuật toán) cho DSP TMS320F2812 .
- Điện áp một trên tụ (C1&C2) b.
- Điện áp đầu ra PV c.
- Cấu trúc hệ thống mô phỏng thời gian thực Cấu hình mô phỏng thời gian thực dựa trên Card ds1103 mô hình hóa nguồn phát phân tán, bộ biến đổi công suất, tải và thuật toán điều khiển cài đặt trên DSP TMS320F2812 được chỉ ra trên Hình 5.1 [60].
- Chuẩn hóa thuật toán điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho pin mặt trời a) Phương pháp backstepping Hàm điều chế “ngắn mạch” d trong (3.28) cài đặt vào DSP viết lại như.
- Khảo sát với đầu ra điện áp trung bình trên tụ (C1&C2.
- Vì vậy, điện áp trên tụ (C1&C2) sẽ được điều khiển gián tiếp thông qua điều khiển dòng qua cuộn cảm (L1&L2).
- Kết luận Nội dung mục này đã đưa ra một giải pháp điều chế vector không gian với các bước thực hiện thuật toán chi tiết, thuận lợi cài đặt vào vi điều khiển và đề nghị mẫu xung cụ thể cho ứng dụng NLNZ.
- Trên cơ sở đó cũng gợi ý một cấu trúc điều khiển NLNZ, gồm mạch vòng phía xoay chiều và mạch vòng phía một chiều.
- Trong đó, mạch vòng phía một chiều của NLNZ tương ứng nguồn sơ cấp dạng nguồn áp, điện áp trên tụ (C1&C2) sẽ được gián tiếp điều khiển thông qua dòng điện qua cuộn cảm (L1&L2).
- Nội dung mục này thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới ứng dụng cho pin mặt trời, đảm bảo yêu cầu nối lưới, xác định được công suất lớn nhất trao đổi giữa pin mặt trời và lưới, trong các điều kiện làm việc khác nhau pin mặt trời.
- Thiết kế tổ hợp điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho pin mặt trời Cấu trúc điều khiển NLNZ nối lưới cho pin mặt trời chỉ ra trên Hình 3.6 .
- thực chất điều khiển quá trình trao đổi công suất giữa PV với lưới điện, thông qua điện áp đầu ra pin mặt trời upv.
- Tổ hợp điều khiển NLNZ nối lưới cho hệ pin mặt trời t(s)it (A )d.
- Điện áp tải ba pha (sau lọc LC dt(s) f.
- hệ số điều chế “ngắn mạch’’ Hình 4.11 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển NLNZ độc lập cho\ hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG 4.5.
- Kết luận Trong mục này đã thiết kế được tổ hợp điều khiển NLNZ cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Trong khi đó, đối với người thiết kế hệ thống điều khiển, cần thiết tạo ra các tình huống giả định khác nhau để kiểm chứng đáp ứng động học hệ thống, cũng như chứng minh khả năng cài đặt thuật toán vào thiết bị điều khiển.
- Để khắc phục vấn đề này, nội dung mục này trình phương pháp mô phỏng thời gian thực (online) để giải quyết mô hình hóa nguồn phát phân tán, thiết bị biến đổi công suất, tải trên Card ds1103 và cài đặt thuật toán điều khiển vào DSP TMS320F2812 của hãng Texas Instruments dưới dạng firmware.
- Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho hệ phát điện sức gió 4.4.3.
- Điện áp trên tụ (C1&C2), điện áp sơ cấp t(s)iL (A ) c.
- Hệ số điều chế ‘‘ngắn mạch’’ d Hình 4.10 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển NLNZ nối lưới cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG 4.4.4.
- Điện áp trên tụ (C1&C2), điện áp sơ cấp t(s)U in v (V )b.
- Điện áp đặt vào nhánh van mạch nghịch lưu t(s)iL (A ) c.
- Mạch vòng phía một chiều nghịch lưu nguồn Z Do nhiệm vụ của mạch vòng phía một chiều là điều khiển điện áp sơ cấp đặt vào NLNZ bám theo điện áp *pvu - được tính từ thuật toán MPPT, nên ta sẽ sử dụng hai phương trình trong hệ phương trình (3.12) để thiết kế bộ điều chỉnh cho mạch vòng phía một chiều NLNZ như sau.
- Khi đó, mô hình toán học được mô tả theo (3.14) được coi là hệ có tham số bất định.Vì vậy, ta không có được thông tin chính xác về tham số LCpv như thiết kế ban đầu để đưa vào luật điều khiển (3.28).
- Thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác Hệ số k1, k2 của luật điều khiển được xác định sao cho đầu ra y và lượng đặt ytheo khâu dao động bậc hai.
- Kết quả mô phỏng tổ hợp điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho pin mặt trời 15 4.3.1.
- Tải mạch điện tương đương bất định Trong trường hợp tải phía xoay chiều của NLNZ không biết trước, việc xác định tham số tải để đưa vào luật điều khiển (4.21) gặp nhiều khó khăn.
- Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z hệ phát điện sức gió làm việc độc lập Hệ phương trình (2.50) được viết lại theo dạng tổng quát dưới đây.
- ,x f x xx f x x d d==ɺɺɺ (4.4) Trong đó x2 coi là “biến điều khiển ảo’’ của phương trình thứ nhất và mô tả biến trạng thái trong phương trình thứ hai của hệ phương trình (4.4).
- Do đó, tác giả sẽ vận dụng phương pháp backstepping thiết kế bộ điều chỉnh cho mạch vòng phía một chiều NLNZ với luật điều khiển được xác định là đạo hàm dɺ.
- Điện áp trung bình trên tụ (C1&C2) sẽ được điều khiển gián tiếp bằng dòng điện trung bình chảy qua cuộn cảm (L1&L2).
- Mục tiêu điều khiển cho x1 bám theo dòng điện *Li.
- Điện áp ra PV t(s)U c ( V ) b.
- Điện áp trên tụ C1&C t(s)iS (A) e.
- Điện áp và dòng điện Hình 3.14.
- Điện áp ra PV t(s)U c (V ) b.
- Điện áp trên tụ C1&C t(s)iS (A ) e.
- Kết luận Mục này đã thiết kế được cấu trúc điều khiển NLNZ nối lưới cho pin mặt trời.
- Trong đó, mạch vòng phía một chiều được thiết kế theo hai phương pháp backstepping và phương pháp tuyến tính hóa chính xác kết hợp bộ điều khiển tuyến tính, đảm bảo điện áp sơ cấp đặt vào NLNZ cũng chính là điện áp đầu ra pin mặt trời bám theo giá trị tính toán từ khối MPPT để công suất đưa ra là lớn nhất trong các điều kiện làm việc của pin mặt trời như: nhiệt độ làm việc và mật độ ánh sáng thay đổi.
- Về mặt lý thuyết và kết quả mô phỏng đều cho thấy chất lượng điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác tốt hơn phương pháp backstepping, khi biết chính xác tham số LC để đưa vào luật điều khiển.
- Nội dung mục này thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z ứng dụng cho hệ phát điện sức gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đảm bảo trao đổi được công suất khi kết nối với lưới hoặc điện áp trên tải ổn định khi làm việc độc lập, tương ứng với tốc độ gió khác nhau dưới định mức.
- Trong đó, mạch vòng phía một chiều được thiết kế theo phương pháp backstepping để giữ điện áp trên tụ (C1&C2) bằng hằng số, kể cả trong trường hợp không biết chính xác tham số tải mạch điện tương đương phía một chiều nghịch lưu nguồn Z.
- Điều khiển điện tử công suất cho hệ phát điện sức gió 4.2.
- Thiết kế tổ hợp điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho hệ phát điện sức gió 13 Trong chế độ làm việc nối lưới, cấu trúc điều khiển phải đảm bảo điện áp trên tụ (C1&C2) bằng hằng số, điều khiển dòng công suất trao đổi lên lưới với lượng đặt công suất được đưa đến từ bộ điều khiển cấp trên như: PLC, SCADA và có khả năng điều khiển HSCS như trên Hình 4.5.
- Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z hệ phát điện sức gió làm việc nối lưới Trong chế độ làm việc ở chế độ độc lập, mạch vòng điều khiển công suất và HCSC được thay thế bằng mạch vòng điều khiển ổn định điện áp đầu ra cấp cho tải (sau mạch lọc LfCf).
- được điều khiển bằng khâu ĐK tải giả mang đặc điểm rơle hai vị trí, sao cho giá trị lớn nhất điện áp đỉnh đặt vào nhánh van mạch nghịch lưu được phép dao động trong phạm vị 880V ÷ 900V như Hình 4.6

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt