Tài liệu điều khiển nghịch lưu nguồn z ứng dụng cho hệ phát điện phân tán [tt]

24 1 điện cảm L và tụ Cpv trong mô hình, thứ hai là phương pháp tuyến tính hóa chính xác. 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. Hệ thống được kiểm chứng bằng mô hình mô phỏng offline và mô phỏng thời gian thực. • Mô hình hóa NLNZ khi đầu vào nối với nguồn áp. Thiết kế bộ điều chỉnh ổn định điện áp trên tụ C1 và C2 trong mạng trở kháng nguồn Z bằng hằng số theo phương pháp backstepping thích nghi, xét đến trường hợp tải thay đổi. 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. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo: • 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). • Nghiên cứu, vận dụng nội dung của luận án cho bộ biến đổi điện tử công suất khác, sử dụng cho hệ phát điện phân tán. 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... MỞ ĐẦU Sự xuất hiện các hệ phát điện phân tán (DG - Distributed Generation) là sự bổ sung cần thiết cho nguồn năng lượng hiện tại. Hệ phát điện phân tán tạo ra các dạng nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau, nên cần thiết phải có thiết bị biến đổi điện tử công suất để biến đổi sang năng lượng điện phù hợp, cấp cho phụ tải khác nhau. 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. Nghịch lưu nguồn Z (NLNZ) được giới thiệu vào năm 2003, là thiết bị chỉ với một tầng biến đổi điện tử công suất, cho phép đạt điện áp đầu ra mong muốn khi điện áp sơ cấp đầu vào thay đổi, phù hợp với đặc điểm làm việc của 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. Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp các hệ phát điện phân tán với nguồn điện truyền thống để hình thành lưới điện mới - lưới điện thông minh. Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ, luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề về lý thuyết và thực nghiệm như sau. Về lý thuyết, đưa ra giải pháp điều chế vector không gian (ĐCVTKG) và mô hình toán học NLNZ. 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. Bản luận án có bố cục như sau: 1. Tổng quan 2. Giải pháp ĐCVTKG và mô hình toán học nghịch lưu ba pha nguồn Z. 3. Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho pin mặt trời. 4. Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho hệ phát điện sức gió. 5. Mô phỏng thời gian thực và thí nghiệm cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z. 2 Cuối cùng là, kết luận và kiến nghị. 1. TỔNG QUAN 1.1. Hệ phát điện phân tán tham gia trong mạng điện Hình 1.1. Hệ phát điện phân tán tham gia trong mạng điện 1.2. Vai trò thiết bị biến đổi điện tử công suất cho hệ phát điện phân tán 1.3. Giới thiệu nghịch lưu nguồn Z Nhóm thiết bị biến đổi nguồn Z có mạch trở kháng đặt giữa nguồn sơ cấp và mạch van bán dẫn [9]. Mạch trở kháng là các phần tử thụ động như cuộn cảm (L1&L2), tụ điện (C1&C2) có giá trị bằng nhau và nối theo hình chữ Z được chỉ ra trên Hình 1.5. Trong luận án đi sâu khai thác thiết bị biến đổi NLNZ có sơ đồ mạch lực thuộc nhóm thiết bị biến đổi nguồn Z thực hiện kiểu biến đổi DC - AC trên Hình 1.6. NLNZ làm việc cả hai chế độ tăng – giảm áp vốn chỉ được thực hiện trên NLNA hoặc NLND. Nguyên lý làm việc NLNZ xuất hiện trạng thái “ngắn mạch” nhánh van mạch nghịch lưu (trạng thái “shoot through”) - đây là trạng thái cấm trong NLNA. Trạng thái ngắn mạch nhánh van nghịch lưu được điều khiển, cho phép tạo điện áp đầu ra 23 5.7. 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. Trong cả hai trường hợp khảo sát, khả năng làm việc NLNZ độc lập (stand alone) và nối lưới (grid connected) cho thấy điện áp trên tụ (C1&C2) nguồn Z tăng và giữ ổn định theo giá trị đặt, khi điện áp sơ cấp đặt vào NLNZ không đủ lớn, để đảm bảo yêu cầu nối lưới và cung cấp điện áp ra tải có biên độ ổn định theo giá trị đặt. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau khi phân tích vai trò của thiết bị biến đổi công suất sử dụng cho hệ phát điện phân tán và tình hình nghiên cứu về NLNZ cho đến thời điểm hiện nay. Luận án đã có những đóng góp chính như sau, cũng như chỉ ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài. Những đóng góp chính luận án: • Đưa ra giải pháp điều chế vector không gian cho NLNZ phù hợp khi cài đặt trong thực tiễn, với các công thức tính toán đơn giản hơn, thuần đại số. Phân tích các đặc điểm mẫu xung tương ứng với từng trạng thái làm việc NLNZ và đưa ra chỉ dẫn nên sử dụng mẫu xung nào cho một ứng dụng của NLNZ cụ thể. • Mô hình hóa NLNZ khi đầu vào nối với nguồn dòng. 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. Bộ điều chỉnh điện áp được thiết kế theo hai phương pháp, thứ nhất là backstepping thích nghi tham số bất định với giá trị 22 3 a. Góc đồng bộ điện áp lưới đo từ kênh PWM DAC của TMS320F2812 b. 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 f. Phân tích phổ sóng hài dòng điện điểm xác lập) iS Hình 5.9. Kết quả thực nghiệm NLNZ làm việc nối lưới mong muốn, có thể lớn hơn điện áp đầu vào, mà không cần thêm một tầng biến đổi công suất. 1.4. Các công trình nghiên cứu về nghịch lưu nguồn Z và hướng nghiên cứu luận án 1.5. Kết luận NLNZ mang đặc điểm tồn tại khâu DC/DC ẩn, có khả năng tăng giảm điện áp khi điện áp sơ cấp đầu vào biến đổi. Do đó, NLNZ được xem giải pháp khả thi cho các ứng dụng yêu cầu điện áp ra ổn định trong khi điện áp đầu vào thay đổi như: hệ phát điện phân tán, hệ thống truyền động xoay chiều ba pha khi thay đổi điện áp lưới... 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. Xây dựng mô hình toán học tương ứng đầu vào sơ cấp: nguồn áp, nguồn dòng. 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. Ngoài ra, mô hình thực nghiệm NLNZ trong phòng thí nghiệm được xây dựng, để đánh giá cụ thể khả năng làm trong trường hợp nối lưới (grid connected) và độc lập (stand alone). 2. GIẢI PHÁP ĐCVTKG VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC NGHỊCH LƯU BA PHA NGUỒN Z Phương pháp điều chế vector không gian (ĐCVTKG) là một giải pháp thực hiện trong nhóm phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), sẽ quyết định đến đặc điểm khác biệt trong quá trình hoạt 4 21 động nghịch lưu nguồn Z so với các thiết bị biến đổi điện tử công suất khác. 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. Bên cạnh đó, mô hình toán học nghịch lưu nguồn Z xây dựng, tương ứng với đặc điểm nguồn sơ cấp khác nhau. 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. 2.1. Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu nguồn Z Từ mẫu xung chuẩn Hình 2.3a chỉ ra giới hạn thời gian xuất hiện 3 trạng thái ‘‘ngắn mạch’’ là T0 và từ mẫu xung chuẩn Hình 2.3b, 4 c. 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 Hình 2.3c chỉ ra giới hạn thời gian xuất hiện trạng thái ‘‘ngắn mạch’’ là T0 , Hình 2.3d chỉ ra giới hạn thời gian xuất hiện trạng thái ‘‘ngắn mạch’’ là 1 T0 . 2 T0 4 T2 2 T1 2 T0 4 T0 4 Tsh 6 Tsh 6 T2 2 T1 2 e. Điện áp dây sau lọc LfCf Tsh 12 b) a) T1 2 f. Điện áp dây ra mạch nghịch lưu và điện áp dây sau lọc LfCf TS 2 TS 2 T0 4 T0 4 T2 2 T0 4 T0 4 Tsh 4 T1 2 T2 2 T0 4 Tsh 2 TS 2 g. Dòng điện qua cuộn cảm (L1&L2) h. Dòng điện tải pha a Hình 5.8. Kết quả thực nghiệm NLNZ làm việc độc lập TS 2 c) d) Hình 2.3 Mẫu xung xuất hiện trong điều chế vector không gian cho NLNZ 5.6. Mô hình thực nghiệm nghịch lưu nguồn Z làm việc nối lưới 5.5.1. Xây dựng mô hình 5.5.2. Kết quả thực nghiệm 20 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: 5.6.1. Xây dựng mô hình 5.6.2. Kết quả thực nghiệm min(U C ) = a. Tốc độ gió và tốc độ turbine e. Điện áp đầu và trên tụ (C1&C2) 3 3 us (2.20) π 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. 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. Mô hình nghịch lưu nguồn Z phía một chiều với đầu vào nguồn dòng t idc idc _ s2 iCt i C _ S2 i C _ S1 iLt d. Dòng điện qua (L1&L2) c. Dòng điện đầu ra NLNZ iS Hình 5.6. Kết quả mô phỏng thời gian thực hệ sức gió sử dụng PMSG 5.5. Mô hình thực nghiệm nghịch lưu nguồn Z làm việc độc lập 5.5.1. Xây dựng mô hình 5.5.2. Kết quả thực nghiệm Hình 2.6. a) Mạch điện tương đương phía một chiều NLNZ với đầu vào nguồn dòng, b) trạng thái “ngắn mạch”, c) trạng thái” không ngắn mạch”, d) dạng dòng điện tức thời chảy qua các phần tử. Hệ phương trình vi phân mô tả mạch điện Hình 2.6a  diL  L dt = ( 2d − 1) uC + (1 − d ) uin   duC = (1 − 2d ) iL + ( d − 1) iinv C  dt  duin Cin dt = iin − iL  a. Dạng hàm điều chế cho nhánh van pha a b. Xung mở một nhánh van NLNZ (thời điểm xác lập) (2.35) Mô hình được mô tả theo (2.35) là cơ sở để thiết kế bộ điều chỉnh cho mạch vòng phía một chiều NLNZ. 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 19 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) [22, 23, 24]. 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. 2.2.3. Mô hình nghịch lưu nguồn Z phía một chiều với đầu vào nguồn áp Với cách xây dựng tương tự như mục 2.2.2, thu được hệ phương trình vi phân mô tả mạch điện tương đương phía một chiều NLNZ với đầu vào nguồn áp theo (2.40)  diL  L dt = ( 2d − 1) uC + (1 − d ) udc  C duC = (1 − 2d ) i + ( d − 1) uc L  dt R (2.40) 2.2.4. Điểm cân bằng trong mô hình phía một chiều nghịch lưu nguồn Z Điểm cân bằng mô hình được xác định bằng cách cho thành phần đạo hàm trong (2.35), (2.40) bằng không. Đối với hệ (2.40), điểm cân bằng được chỉ ra theo (2.43).  U   I inv = C   R     1 − D  U C U C2 1  I L =  =    1− 2 D  R U in R   Trong đó:   dsp   a41 (k ) =       dsp   a42 (k ) =       dsp  a43 (k ) =        dsp  a44 (k ) =     LI dc _ max ( k1 + k2 ) U c _ max LI dc _ max ( k1 + k2 ) U c _ max iLdsp (k ) dsp i pv (k ) LC pv (k1 + k2 )U pv _ max  * dsp  * dsp (u pv ) (k ) − (u pv ) (k −1) Td U c _ max   (5.6) LC pv (k1 + k2 ) k1U pv _ max  dsp dsp  * u pv ( k ) − (u pv ) ( k ) U c _ max   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 . 5.4. Kết quả mô phỏng thời gian thực NLNZ nối lưới cho pin mặt trời (2.43) a. Điện áp một trên tụ (C1&C2) b. Điện áp đầu ra PV 2.4. Đặc điểm động học không của mô hình nghịch lưu nguồn Z phía một chiều với đầu vào nguồn áp 2.4.1. Khảo sát với đầu ra dòng điện trung bình chảy qua cuộn cảm (L1&L2)  xɺ1 = x2      Lx2 − udc (1− d )  dɺ 2 x    xɺ 2 = (d −1)  − (2d −1) 1 − (udc − 2 Lx2 )   RLC LC L (2d −1)   (2.50) Các điểm cân bằng (2.53) trên Hình 2.11 cho thấy d2 là điểm cân bằng ổn định trong vùng làm việc NLNZ. Do đó, hệ (2.40) là hệ pha c. Dòng điện đầu ra PV c. Dòng điện qua (L1&L2) Hình 5.2. Kết quả mô phỏng thời gian thực khi mật độ ánh sáng thay đổi 5.6. Kết quả mô phỏng thời gian thực NLNZ nối lưới cho sức gió 18 7 nghiệm được xây dựng để kiểm chứng khả năng làm việc trong hai trường hợp: độc lập (stand alone) và nối lưới (grid connected). 5.1. 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]. cực tiểu (minimum phase) đối với đầu ra là dòng điện trung bình qua cuộn cảm (L1&L2) - iL. 2.4.2. Khảo sát với đầu ra điện áp trung bình trên tụ (C1&C2) Hình 5.1. Cấu trúc hệ thống mô phỏng thời gian thực (nguồn: [60]) Các thuật toán điều khiển được xây dựng trong (mục 3), (mục 4) sẽ chưa thể cài đặt hay viết chương trình do biến còn chứa thứ nguyên vật lý. Để có thể cài đặt thuật toán vào DSP, cần thiết phải chuẩn hóa thuật toán. nhiệm vụ chuẩn hóa, chuyển các biến sang dạng không có thứ nguyên mà không làm sai ý nghĩa vật lý ban đầu của chúng tạo điêu kiện cho công tác lập trình. Ngoài ra, DSP sử dụng là loại dấu phẩy tĩnh, nên từ tham số thu được sau khi chuẩn hóa sẽ xác định được cần thiết phải trượt vị trí dấu phảy bao nhiêu để đảm bảo độ chính xác thuật toán, với dòng TMS320F2812 việc trượt dấu phảy sẽ được thực hiện dựa trên thư viện toán học Iqmath() [42, 64]. 5.2. 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:  U pv max a1dsp ( k ) − a2dsp ( k ) + a3dsp ( k ) − a4dsp ( k ) + ucdsp ( k ) −   U c max d dsp ( k ) =  U pv max  dsp 2ucdsp −   u pv  U c max   dsp  u pv ( k )  (5.7)  xɺ1 = x2     (2.57) udc dɺ 2 x1   ɺ = − + − − + x 2 d 1 2 d 1 1 d ( ) ( )( ) (2 RCx2 + x1 ) 2   LC LC RC ( 2d −1)   Các điểm cân bằng (2.60) trên Hình 2.12 cho thấy không tồn tại điểm cân bằng ổn định trong vùng làm việc NLNZ. Do đó, hệ (2.40) là hệ pha không cực tiểu (non - minimum phase) đối với đầu ra là điện áp trung bình trên tụ (C1&C2) - uC. Vì vậy, điện áp trên tụ (C1&C2) sẽ được điều khiển gián tiếp thông qua điều khiển dòng qua cuộn cảm (L1&L2). 2.5. 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. Mô hình hóa NLNZ tương ứng với hai dạng nguồn áp, nguồn dòng - đây là các dạng nguồn sơ cấp phổ biến sử dụng trong các ứng dụng NLNZ và phân tích đặc điểm động học không của mô hình NLNZ với đầu vào sơ cấp dạng nguồn áp. 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). 3. THIẾT KẾ TỔ HỢP ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN Z CHO PIN MẶT TRỜI Trên cơ sở mô hình toán học và điều chế vector không gian cho nghịch lưu nguồn Z đã được xây dựng mục 2. 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. Trong đó, mạch vòng phía một chiều được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác và phương pháp backstepping kể cả khi không biết chính xác tham số mạch điện trở kháng nguồn Z. 8 17 3.3.2). Mạch vòng điều chỉnh phía một chiều, với lượng đặt là điện áp tính từ khối MPPT, đầu ra bộ điều chỉnh là hệ số điều chế “ngắn mạch’’ để đảm bảo xác định và duy trì công suất lớn nhất trên đường đặc tính công suất - điện áp (đặc tính p-v) của hệ pin mặt trời (xem mục 3.3.3) - 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. i pv i pv u pv D Cdc iL L1 C2 S5 u sα S3 αβ S1 u sq dq S2 sin ϕ u sd S6 sin ϕ isq* * S4 isd* uC* uC u *pv Nguồn Z C1 L2 u pv i pv u sβ isd dq abc Lf isq LCL filter Cf Rf θ Lt end en enq Hình 3.6. Tổ hợp điều khiển NLNZ nối lưới cho hệ pin mặt trời 0.5 20 600 15 0.45 400 10 200 0.4 0 0.35 0 -5 d U t (V ) 5 it (A ) 3.1. Điện tử công suất ứng dụng cho hệ phát điện pin mặt trời 3.2. Mô hình toán học pin mặt trời 3.3. 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 . Trong đó, mạch vòng điều chỉnh phía xoay chiều với lượng đặt là điện áp một chiều trên tụ (C1&C2) bằng hằng số, đảm bảo đủ điện áp một chiều cho khâu ĐCVTKG thỏa mãn các yêu cầu nối lưới và có khả năng điều chỉnh được cả HSCS thông qua điều chỉnh thành phần dòng điện isq trên hệ tọa độ tựa điện áp lưới VOC (xem mục -200 0.3 -10 -400 0.25 -15 -600 -20 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 t(s) d. Dòng điện tải ba pha 0.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 t(s) 0.35 0.4 0.45 0.5 0.2 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 t(s) 0.5 e. Điện áp tải ba pha f. hệ số điều chế “ngắn (sau lọc LC) 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. Mạch vòng phía xoay chiều với bộ điều chỉnh dòng điện kiểu Deadbeat kế thừa từ NLNA và thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất để đảm bảo công suất đưa lên lưới là lớn nhất, tương ứng với các tốc độ gió khác nhau hoặc điện áp đưa ra trên tải ổn định theo giá trị đặt. Mạch vòng phía một chiều được thiết kế theo phương pháp backstepping thích nghi, đảm bảo cho điện áp trên tụ (C1&C2) bám theo giá trị đặt ngay cả khi không xác định được chính xác tham số tải trong mô hình mạch điện tương đương phía một chiều NLNZ. 5. MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC VÀ THÍ NGHIỆM CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN Z Trong thực tế để xây dựng các hệ thống thí nghiệm hệ phát điện phân tán: sức gió, pin năng lượng ... gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật, kinh phí thực hiện và thậm chí có xây dựng được cũng rất khó thu thập được đầy đủ các kết quả thí nghiệm trong các điều kiện làm việc khác nhau. 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. Ngoài ra, mô hình thực nghiệm nghịch lưu nguồn Z trong phòng thí 16 9 3.3.1. Xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin mặt trời 3.3.2. Mạch vòng dòng điện phía xoay chiều NLNZ Thuật điều chỉnh dòng điện được thực hiện với vector điện áp đầu ra mạch NLNZ us xác định như sau [42]: 4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho hệ phát điện sức gió 4.4.3. Kết quả mô phỏng trường hợp nối lưới (grid connected) 14 12 800 60 700 50 600 40     usd ( k + 1) =         usq ( k + 1) =      wt(rad/s) 8 v(m/s) 6 20 Udc(V) 300 0.5 0.6 0.7 0.8 30 400 4 2 0.4 Uc(V) 500 iL (A ) U c (V ), U d c (V ) v (m /s ), wt (ra d / s ) 10 0.9 t(s) 1 1.1 1.2 1.3 200 0.4 1.4 a.Tốc độ gió và tốc độ turbine 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t(s) 1 1.1 10 1.2 1.3 0 0.4 1.4 b. Điện áp trên tụ (C1&C2), điện áp sơ cấp 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t(s) 1 1.1 1.2 1.3 1.4 c. Dòng điện qua cuộn cảm (L1&L2) 0.5 50 14000 40 0.45 30 12000 20 0.4 10 8000 P(W) 0 d iS (A ) P *(W ), P (W) 10000 0.35 -10 P*(W) 6000 0.3 -20 -30 4000 0.25 -40 2000 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t(s) 1 1.1 1.2 1.3 -50 0.4 1.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t(s) 1 1.1 1.2 1.3 0.2 0.4 1.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t(s) 1 1.1 1.2 1.3 1.4 d. Công suất đặt (P*) và e. Dòng điện iS f. Hệ số điều chế ‘‘ngắn công suất trao đổi với mạch’’ d lưới 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. Kết quả mô phỏng trường hợp nối lưới (grid connected) 700 1000 50 900 45 800 40 600 700 iL (A ) 20 300 Udc(V) 15 200 200 10 100 100 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 t(s) a. Điện áp trên tụ (C1&C2), điện áp sơ cấp 0.5 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 t(s) b. Điện áp đặt vào nhánh van mạch nghịch lưu 0.5 5 0.05 (3.11) 3.3.3. 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 u *pv - 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:  di   L L = ( 2d −1) uC + (1− d ) u pv   dt    du pv   C pv = i pv − iL  dt   (3.13) T  Lxɺ1 = ( 2d − 1) uC + (1 − d ) x2  C pv xɺ2 = i pv − x1 25 400 300   TR  *  yd ( k ) = igd ( k ) - igd ( k ) - 1- c f  igd* ( k ) - igd ( k ) -ωsTc igq* ( k ) - igq ( k ) + yd ( k -2)   Lf    Tc RT  *  * *  yq ( k ) = igq ( k ) - igq ( k ) - 1- L  igq ( k ) - igq ( k )  + ωsTc igd ( k ) - igd ( k )  + yq ( k -2)  T   T 30 500 Trong đó, đầu ra y được tính như dưới đây: Đặt biến trạng thái xT = [ x1 x2 ] = iL u pv  cho hệ phương trình (3.13) 600 400 (3.10) 3.3.3.1. Thiết kế theo phương pháp Backstepping 35 Uc(V) U in v (V ) U c & U d c (V ) 500  L f  Tc  y k + e ( k + 1) ( ) d Nvd  Tc  Lf    Lf  T yq ( k ) + c eNvq (k + 1)  Tc  Lf  0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 t(s) c. Dòng điện qua cuộn cảm (L1&L2) Từ (3.23), (2.27) hệ số điều chế “ngắn mạch” d được xác định: (3.14) 10 15    iɺpv  − uɺɺ*pv  + LC pv (1 − k12 ) z1 − LC pv ( k1 + k2 ) z2 + uC − x2   LC pv     C pv   (3.28) d= ( 2uC − x2 ) 3.3.3.2. Thiết kế theo phương pháp Backstepping thích nghi Do sai số trong quá trình chế tạo cuộn cảm (L1&L2), sai số của tụ điện Cpv hoặc giá trị cuộn cảm và tụ điện bị thay đổi trong quá trình hoạt động của bộ biến đổi. Khi đó, mô hình toán học được mô tả theo (3.14) được coi là hệ có tham số bất định (Uncertainty equivalence).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). Đặt θ L = 1 1 và θC = hệ (3.14) được viết lại dưới dạng: L C pv  xɺ1 = θ L ( 2d − 1) uC + (1 − d ) x2    xɺ2 = θC ( i pv − x1 ) (3.33) dɺ = (3.47) Hệ số điều chế “ngắn mạch” d được tính theo (3.49) ( k1zɺ1 − uɺɺ*pv )θˆC − γ C z1 (ipv − x1 ) ( k1z1 − uɺ*pv ) + iɺ − k z +θˆ z −θˆ x − u pv 2 2 C 1 L( 2 C) θˆC2 (3.49) d= θˆL ( 2uC − x2 ) 3.3.3.3. 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 y theo khâu dao động bậc hai. ω = −2ξωn yɺ − ωn2 ( y − y ) = −k2 z2 − k1 ( z1 − u *pv ) (3.61)   i pv − x1   x2 − u C L −  k1 ( x2 − u *pv ) + k2     C x2 − 2uC x2 − 2uC  pv          RLC (udc − 2 Lx2 ) (4.21) 4.3.2. 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. Để giải quyết vấn đề này, khi thiết kế bộ điều chỉnh hàm V sẽ được bổ sung thêm phần sai lệch ước lượng tham số tải và có trình tự thiết kế giống như trường hợp tải xác định. Đặt θ R = 1 hệ phương trình (4.5) trở thành hệ có tham số bất định R  xɺ1 = x2  (4.26)  Lx2 − udc (1 − d )   dɺ 2 x1 ɺ = − 1 − 2 − 1 − x d θ d ( ) ( ) ( udc − 2Lx2 ) 2 R  LC LC L ( 2d −1)  Từ (4.5) giá trị dòng điện đặt ước lượng qua cuộn cảm iˆ = θɵ R * L (3.62) 3.4. Kết quả mô phỏng tổ hợp điều khiển nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho pin mặt trời (u ) * 2 C udc , với θɵ R giá trị ước lượng tham số tải. Luật thích nghi chỉ ra theo (4.42). ɺ θˆR = γ R z2 ( d − 1)  Lx2 − udc (1 − d ) LC (4.42) Và đạo hàm hệ số điều chế “ngắn mạch” dɺ được lựa chọn theo (4.53). Từ (3.54), (3.58), (3.61) hệ số điều “ngắn mạch” d được xác định: d=  LC   ɺɺiL*  + c z − c z 2 d − 1 − 2 d − 1 ( )( ) ( ) 1 2 1 1   (Uncertainty equivalence). Luật thích nghi tham số được chỉ ra như sau: θɺˆ = γ z ( i − x ) C 1 pv 1  C ɺ θˆL = γ L z2 ( 2d − 1) uC + (1 − d ) x2   4.3.1. Tải mạch điện tương đương xác định Đạo hàm của hệ số điều chế ‘‘ngắn mạch’’ d được tính theo (4.21).    Lx2 − udc (1− d )   3 x1    ( d −1)( 2d −1)   c z d d z d 2 − 1 + 2 − 1 − 2 − 1 + ( ) ( ) ( )  1 L 2 2 dɺ =   Lx2 −udc (1−d)  3 x c2z2 ( 2d −1) +( 2d −1) z1 −( 2d −1) 1 +θˆR ( d −1)( 2d −1) L LC LC    ɺɺˆ* +c1 ( z2 −c1z1 )( 2d −1) −( 2d −1) iL  ( udc −2Lx2 ) (4.53) 14 11 3.4.2.1. Kết quả mô phỏng theo phương pháp Backstepping 350 40 800 30 700 20 600 300 udc iS (A) Upv (V ) U c (V ) 10 500 0 -10 400 250 -20 300 iL -30 200 0.2 uC 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 200 0.2 0.5 a. Điện áp ra PV 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 -40 0.2 0.5 0.25 b. Điện áp trên tụ C1&C2 60 55 uC* 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 0.5 0.45 0.5 e. Dòng điện is 80 400 70 300 60 200 50 100 Ua Ia (x3) 50 u sq dq αβ uC Ipv (A) usα iL (A) 40 usd utq* Ua (V ), Ia (A ) 45 isd* utd* 35 30 u sβ 40 0 30 -100 20 -200 25 isq* 20 -300 10 15 isd dq isq abc ω * ∫ 10 0.2 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 0 0.2 0.5 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 -400 0.2 0.5 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 f. Điện áp và dòng điện c. Dòng điện ra PV c. Dòng điện (L1&L2) Hình 3.14. Kết quả mô phỏng khi mật độ ánh sáng thay đổi θ utd dq utq abc 3.4.2.2. Kết quả mô phỏng theo phương pháp TTHCX 800 350 40 30 700 Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn Z hệ phát điện sức gió làm việc độc lập ) 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 iL* . Trong đó, yêu cầu lượng đặt dòng điện i có ràng buộc bị giới hạn, khả vi cấp 2 bằng bậc của hệ (4.4) và phải là nghiệm của hệ (4.4). * L iS (A ) U c (V ) 0 400 (4.4) -20 300 200 0.2 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 0.5 200 0.2 -30 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 0.5 -40 0.2 0.25 b. Điện áp trên tụ C1&C2 a. Điện áp ra PV 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 0.5 e. Dòng điện is 50 60 1 45 55 0.9 50 0.8 45 0.7 40 0.6 35 0.5 30 0.4 25 0.3 20 0.2 40 35 iL (A ) ( 500 -10 250 Ip v (A )  xɺ1 = f1 ( x1 , x2 )  ɺ  xɺ2 = f 2 x1 , x2 , d , d 10 U p v (V ) Hệ phương trình (2.50) được viết lại theo dạng tổng quát dưới đây: 20 600 300 30 25 20 15 10 0.2 0.1 15 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 0.5 10 0.2 0.25 0.3 0.35 t(s) 0.4 0.45 0.5 0 0.2 0.202 0.204 0.206 0.208 0.21 t(s) 0.212 0.214 0.216 0.218 0.22 h. Dạng sóng ĐCVTKG c. Dòng điện ra PV c. Dòng điện (L1&L2) Hình 3.15. Kết quả mô phỏng khi nhiệt độ hay đổi 12 13 3.5. 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. Mạch vòng phía xoay chiều với bộ điều chỉnh dòng điện kiểu deadbeat kế thừa từ NLNA và bộ điều chỉnh điện áp trên tụ (C1&C2) nguồn Z bám theo giá trị đặt, đảm bảo điều kiện nối lưới của NLNZ. 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. Tuy nhiên, phương pháp backstepping có ưu điểm khi áp dụng cho bài toán thích nghi tham số (mục 3.3.3.2). 4. THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN Z CHO HỆ PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ Trên cơ sở mô hình toán học và điều chế vector không gian cho nghịch lưu nguồn Z đã được xây dựng mục 2. 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. 4.1. Điều khiển điện tử công suất cho hệ phát điện sức gió 4.2. Công suất turbine gió Theo [56, 57,58, 59] công suất turbine xác định như sau: 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. Pw = 1 ρπ Rt2 v 3C p (β , λ ) 2 (4.1) 4.3. Thiết kế tổ hợp điều khiển nghịch lưu nguồn Z cho hệ phát điện sức gió u dc iL cosϕ uC uC* isd* P* u sd u sq sin ϕ * dq αβ uC u sα u sβ isq* sin ϕ cosϕ isd isq end dq abc θ enq 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). Để đảm bảo cân bằng năng lượng giữa nguồn và tải, cần thiết có hệ thống tải giả (Dump load) – 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. Giá trị điện áp đỉnh đặt vào mạch nghịch lưu được đo gián tiếp thông qua điện áp sơ cấp đặt vào NLNZ udc và điện áp trên tụ (C1&C2) là uC theo(2.44).