Tìm điểm công suất cực đại của máy phát điện gió PMSG 200 W

- TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PMSG 200 W Nguyễn Thái Sơn 1.
- Điểm công suất cực đại, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, thuật toán nhiễu loạn và quan sát, turbine gió Keywords:.
- Mục đích chính của hệ thống máy phát điện gió là chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng.
- Để có được công suất cực đại từ các tốc độ gió khác nhau thì phương pháp tìm điểm công suất cực đại (MPPT) được sử dụng..
- Bài báo trình bày một phương pháp điều khiển để dò tìm điểm công suất cực đại của hệ thống máy phát điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) thông qua thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O).
- Công suất cực đại của hệ thống turbine gió được dò tìm dựa trên vận tốc rotor đạt được.
- Hệ thống đề xuất được thiết kế và mô phỏng trên MATLAB/Simulink.
- Kết quả mô phỏng đã cho thấy đây là kỹ thuật điều khiển tối ưu, cải thiện hiệu quả hiệu suất của hệ thống..
- Tìm điểm công suất cực đại của máy phát điện gió PMSG 200 W.
- Hiện nay, chúng ta sử dụng chủ yếu là các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… Các nguồn năng lượng này ngày càng cạn.
- Hệ thống máy phát điện gió trở thành nguồn năng lượng tái tạo quan trọng vì nó cung cấp nhiều lợi thế như không tốn chi phí nhiên liệu, không ô nhiễm, đòi hỏi ít bảo trì so với các nguồn năng lượng tái tạo khác.
- Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu - Permanent magnet synchronous generator (PMSG) cung cấp một giải pháp tối ưu cho các turbine gió hoạt động với tốc độ gió thay đổi vì tính ổn định và an toàn của nó trong quá trình hoạt động, đồng thời không cần nguồn điện một chiều để kích từ.
- Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu - Permanent magnet synchronous generator (PMSG) ngày càng phổ biến vì chúng có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, hiệu suất cao, chi phí bảo dưỡng thấp và dễ dàng vận hành (Dalala et al., 2013).
- Sự đáng tin cậy của turbine gió dùng cho các tốc độ gió thay đổi có thể được cải thiện một cách đáng kể bằng cách sử dụng PMSG.
- PMSG nhận được nhiều sự chú ý trong việc ứng dụng vào năng lượng gió do đặc tính tự kích từ của nó, điều này cho phép nó vận hành với hệ số công suất và hiệu suất cao.
- Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu trong rotor của PMSG giúp nó không cần phải cung cấp dòng điện kích từ xuyên qua stator để tạo ra từ thông không đổi trong khe hở không khí;.
- Do đó, với cùng ngõ ra, máy phát PMSG sẽ vận hành ở hệ số công suất cao hơn vì không dùng dòng điện kích từ và sẽ có hiệu suất cao hơn so với các loại máy phát khác (Haque et al., 2010).
- Để tối ưu công suất của hệ thống ở các tốc độ gió khác nhau, ta sử dụng một bộ điều khiển có khả năng sản sinh tối đa sản lượng điện của turbine gió ở mọi điều kiện hoạt động..
- Maximum power point tracking (MPPT) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của các hệ thống năng lượng điện thông qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khóa điện tử dùng trong bộ tăng áp boost converter.
- Maximum power point tracking (MPPT) có nhiều kỹ thuật điều khiển như thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O, điều khiển tốc độ đầu cánh TSR), điều khiển tối ưu - mối quan hệ - cơ sở ORBC,… Trong các thuật toán nêu trên thì thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O là thuật toán tương đối cơ bản, đơn giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến..
- vào sự chính xác của việc đo lường tốc độ gió, đây là một khó khăn cho thuật toán này.
- Đối với thuật toán ORBC, nhược điểm chính của nó là đòi hỏi sự hiểu biết về thông số của hệ thống một cách chính xác mà những thông số này thay đổi từ hệ thống này sang hệ thống khác và thậm chí có thể thay đổi theo thời gian nên phải cập nhật liên tục.
- Thuật toán P&O không cần đo lường tốc độ gió, điều này làm giảm nhiều chi phí.
- Vì vậy, trong bài báo này, phương pháp P&O được sử dụng vào việc mô phỏng để tìm điểm công suất cực đại của hệ thống máy phát điện gió.
- Máy phát điện gió 200 W lựa chọn nhằm áp dụng cho những nơi có nguồn năng lượng gió tập trung nhưng diện tích không quá lớn, tốc độ gió nhỏ.
- Turbine gió 200 W có thể được sử dụng rộng rãi cho các hộ gia đình, trạm khí tượng thủy văn, công trình đường bộ, chiếu sáng khu công viên, dân cư và trạm thông tin liên lạc, tàu và các lĩnh vực khác.
- Turbine gió 200W không chỉ làm cho việc sử dụng năng lượng sạch một cách dễ dàng và đầy đủ mà nó còn tạo thêm cảnh quan thiên nhiên tươi sáng hơn..
- 2.1 Phương pháp nghiên cứu.
- Sơ đồ khối được trình bày ở Hình 1 là một hệ thống máy phát điện gió với MPPT sử dụng thuật toán P&O.
- Hệ thống này bao gồm máy phát điện PMSG được kết nối với một bộ chỉnh lưu không điều khiển nhằm biến đổi điện áp đầu ra thành điện áp một chiều từ điện áp xoay chiều của máy phát đưa vào.
- Bộ tăng áp được sử dụng để điều khiển và biến đổi điện áp một chiều đầu ra bằng phương pháp truy tìm điểm công suất cực đại ở mỗi tốc độ gió khác nhau với thuật toán P&O.
- Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống máy phát điện gió.
- Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) được sử dụng thông dụng nhờ sự đơn giản 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 công suất lớn nhất.
- Nếu sự biến thiên của tốc độ rotor làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng.
- Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại (Pena et al., 2011)..
- Khi MPP được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên tốc độ rotor sẽ dao động xung quanh MPP đó.
- Vận tốc rotor đầu Công suất Vận tốc rotor sau.
- Nếu tăng vận tốc rotor, công suất thu được tăng, thì chu kì sau tiếp tục tăng vận tốc rotor..
- Nếu tăng vận tốc rotor, công suất thu được giảm, thì chu kì sau giảm vận tốc rotor..
- Nếu giảm vận tốc rotor, công suất thu được tăng, thì chu kì sau tiếp tục giảm vận tốc rotor..
- Nếu giảm vận tốc rotor, công suất thu được giảm, thì chu kì sau tăng vận tốc rotor..
- Yêu cầu đặt ra của nghiên cứu là tìm điểm công suất cực đại cho máy phát điện PMSG 200W, so sánh kết quả đạt được khi máy phát điện PMSG sử dụng và không sử dụng MPPT.
- Từ đó ta thấy được ưu điểm của phương pháp tìm điểm công suất cực đại MPPT cho máy phát điện PMSG 200W..
- Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng gió, nó cũng bị ảnh hưởng bởi một số yếu 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 gió và biến nó thành năng lượng sử dụng được..
- Trong đó: P wind là công suất của luồng khí (W), ρ là mật độ không khí (kg/m 3 ) (ρ 1,225 kg/m 3 trong điều kiện ở nhiệt độ 150 0 C và áp suất 101,325kPa), A là diện tích quét ngang của turbine (m 2.
- V w tốc độ gió (m/s)..
- Trong các trường hợp thực tế, turbine gió sẽ luôn có một hệ số công suất nhỏ hơn Betz.
- Công suất thu được từ gió cho mục đích mô phỏng được đưa ra bởi Barakati (2011):.
- Trong đó: P m là công suất cơ (W), A r là diện tích che phủ bởi cánh quạt (m 2.
- suất của turbine, λ là tỷ lệ tốc độ đầu cánh, β là góc lật cánh (𝑑𝑒𝑔).
- Tỷ lệ tốc độ đầu cánh được thể hiện bằng công thức sau (Rolan et al., 2009.
- Mối quan hệ giữa moment cơ T m và công suất cơ P m được cho bởi biểu thức dưới đây (Eid et al., 2006;.
- 3.2 Mô hình toán học của máy phát điện PMSG.
- 3.2.1 Phương trình điện áp và dòng điện.
- Moment điện từ trong máy phát PMSG được mô tả bởi phương trình sau (Rolan et al., 2009):.
- L q và L d : độ tự cảm của máy phát trên trục d và q (H).
- Điện áp đầu ra trong bộ tăng áp thường được điều khiển bằng cách sử dụng công tắc chuyển mạch..
- Hình 4: Sơ đồ bộ tăng áp và khối điều khiển Việc xác định chu kì làm việc (D) phụ thuộc vào.
- Điện áp đầu ra được điều khiển bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc D (0<D<1)..
- 𝑇 (16) Điện áp đầu ra của bộ tăng áp.
- Với V là điện áp dây ngõ vào của bộ chỉnh lưu cầu không điều khiển và cũng là điện áp dây ngõ ra của PMSG..
- Dựa vào mối quan hệ trên, chỉ cần tìm ra hệ số D thích hợp thì khi đó hệ thống sẽ hoạt động tại MPP..
- 3.4 Mô hình mô phỏng tổng quát hệ thống máy phát điện gió PMSG 200 W.
- Mô hình mô phỏng tổng quan hệ thống máy phát điện gió PMSG 200 W bao gồm các khối Wind Turbine, khối Permanent Magnet Synchronous Machine, khối Rectifier – Inverter, khối Boost DC- DC, khối MPPT cùng các khối hỗ trợ tính toán, đo lường và hiển thị..
- Hình 5: Sơ đồ tổng quát hệ thống máy phát điện gió PMSG 200 W 3.5 Mô hình mô phỏng khối Wind Turbine.
- mô hình mô phỏng khối Wind turbine trên MATLAB:.
- Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại được sử dụng khi tốc độ gió dưới tốc độ định mức, lúc này góc lật cánh  sẽ không có ý nghĩa nên chọn góc lật cánh  là 0 o.
- 3.6 Mô hình mô phỏng khối máy phát điện PMSG.
- Dựa vào phương trình (7) đến (13) để xây dựng mô hình mô phỏng khối máy phát PMSG trên MATLAB..
- Hình 7: Sơ đồ khối máy phát điện PMSG.
- Khối Powersysdomain dùng để đưa ra điện áp ba pha..
- Khối Mechanical model nhận giá trị moment cơ và moment điện từ để tính toán và đưa ra giá trị tốc độ góc của dòng điện 𝜔 và góc 𝜃.
- Khối Measurements là khối dùng để đo lường và xuất ra các đại lượng có trong máy phát điện PMSG..
- 3.7 Mô phỏng bộ điều khiển MPPT.
- Dựa vào phương trình (14) đến (19) và lưu đồ giải thuật P&O ở Hình 3 để xây dựng mô hình mô phỏng bộ điều khiển MPPT trên MATLAB..
- Bộ điều khiển MPPT P&O được thiết lập trong Simulink MATLAB như Hình 8.
- Bộ MPPT P&O được thiết kế để tìm điểm MPP của hệ thống máy phát điện gió, nó có ngõ vào là công suất của turbine gió và điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển, và ngõ ra là hệ số D..
- Giải thuật P&O được điều khiển bằng phương pháp đo trực tiếp tín hiệu ra được thể hiện như Hình 9..
- Hình 8: Bộ điều khiển MPPT.
- Hình 9: Mô phỏng giải thuật P&O.
- Hình 10: Bộ giải mã hệ số D thành tín hiệu điều khiển.
- Bộ giải mã hệ số D thành tín hiệu điều khiển khóa điện tử công suất của bộ chuyển đổi Boost được thể hiện như Hình 10..
- 4.1 Kết quả mô phỏng ở tốc độ gió cố định Ta sẽ đưa tốc độ gió cố định, lần lượt là: 6 m/s, 8 m/s, 12 m/s vào hệ thống và cho hệ thống hoạt động trong thời gian là 10s..
- Hình 11: Kết quả mô phỏng ở tốc độ gió 6m/s không có MPPT Với tốc độ gió là 6 m/s thì hệ thống làm việc và.
- 58.6 rad/s, dòng điện 𝐼 = 0.66 A, điện áp 𝑉 = 16.58 V, công suất turbine gió P = 18.9 W..
- Hình 12: Kết quả mô phỏng ở tốc độ gió 8 m/s không có MPPT Với tốc độ gió là 8 m/s thì hệ thống sẽ tính toán.
- 87.4 rad/s, dòng điện 𝐼 = 1.034 A, điện áp 𝑉 = 22.94 V, công suất turbine gió P = 41.03 W..
- Hình 13: Kết quả mô phỏng ở tốc độ gió 12 m/s không có MPPT.
- Với tốc độ gió là 12 m/s, đồng thời là tốc độ định mức của turbine, khi đó hệ thống sẽ tính toán và đưa ra giá trị của 𝜔 = 146 rad/s, dòng điện 𝐼 = 1.624 A, điện áp 𝑉 = 37.56 V công suất turbine gió là P.
- Từ các kết quả mô phỏng trên cho thấy rằng hệ thống hoạt động ổn định, công suất của turbine gió.
- gần bằng với công suất tính toán từ hàm mục tiêu đã đưa ra..
- 4.2 So sánh kết quả khi không sử dụng phương pháp MPPT và có sử dụng phương pháp MPPT.
- Ta sẽ đưa tốc độ gió thay đổi lần lượt là: 6 m/s, 8 m/s, 12 m/s vào hệ thống và cho hệ thống hoạt động trong thời gian là 10s..
- Hình 14: Kết quả mô phỏng không có sử dụng MPPT (Hình 14a) và kết quả mô phỏng có sử dụng MPPT (Hình 14b).
- Từ kết quả mô phỏng trên cho thấy rằng hệ thống có MPPT (Hình 14b) đạt được giá trị công suất, điện áp, dòng điện và tốc độ góc rotor cực đại nhanh hơn so với hệ thống không có MPPT (Hình 14a) khi tốc độ gió thay đổi..
- Từ kết quả nghiên cứu ta thấy khi hệ thống xác.
- Khi có sử dụng phương pháp MPPT thì hệ thống làm việc ở điểm tối ưu, hiệu suất tăng cao, các thông số dòng điện, công suất đều được nâng cao hơn so với khi không sử dụng phương pháp MPPT..
- Tìm điểm cực đại máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép dùng phương pháp điều khiển định hướng trường và PSF