BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Đỗ Nguyên Hưng
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG
BIẾN TẦN MA TRẬN ĐIỀU CHẾ GIÁN TIẾP VÀ ĐỘNG CƠ
TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội - 2023
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS Trần Trọng Minh
2. TS Đỗ Mạnh Cường
Phản biện 1: PGS.TS. Phạm Tâm Thành
Phản biện 2: PGS.TS. Đỗ Như Ý
Phản biện 3: PGS.TS. Ngô Đức Minh
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học
Bách khoa Hà Nội
Vào hồi 8h30 giờ, ngày 13 tháng 11 năm 2023
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
Mở đầu
1. Sự cần thiết của đề tài
Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) là công nghệ lưu trữ
năng lượng dưới dạng động năng. FESS tham gia vào lưới điện thực
hiện các chức năng: cung cấp năng lượng dự phòng hiệu quả giúp cân
bằng tải, giảm thiểu sự cố về điện áp giảm tổn thất năng lượng và tăng
cường khả năng ổn định của hệ thống điện.
Các ứng dụng cụ thể của FESS trong thực tế: điều chỉnh tần số và
điện áp lưới, cung cấp điện liên tục (UPS), tích hợp hệ thống năng
lượng tái tạo bao gồm lưới điện siêu nhỏ (MG), quân sự, đường sắt và
giao thông bao gồm xe điện (EV), hàng không và du hành vũ trụ, … .
FESS có nhiều ưu điểm: cung cấp mật độ công suất cao, phản ứng
động nhanh, có thể thực hiện hàng nghìn chu kỳ nạp/xả, khả năng nạp/
xả sâu; Trạng thái năng lượng lưu trữ dễ kiểm soát thông qua tốc độ
quay; tuổi thọ của hệ thống dài (20 năm-30 năm) và ít phải bảo dưỡng;
có khả năng mở rộng khả năng lưu trữ và hầu như không có tác động
đến môi trường.
Cấu trúc hệ thống FESS gồm động cơ từ trường dọc trục (AFPM)
tích hợp bánh đà, điều khiển bởi bộ biến đổi kiểu ma trận gián tiếp
(IMC) có ưu thế về mật độ năng lượng cao, tác động nhanh là một
trong những xu hướng phát triển hứa hẹn đưa đến những ứng dụng
thực tế quan trọng. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống
tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng động cơ từ trường dọc trục stator
kép và bộ biến tần ma trận gián tiếp” sẽ tập trung thực hiện thiết kế hệ
thống điều khiển bộ biến đổi công suất 2 chiều và thiết kế, chế tạo thử
nghiệm động cơ AFPM stator kép; xây dựng các quy trình thiết kế,
chế tạo hệ thống FESS trong điều kiện thí nghiệm. Qua đó đóng góp
một phần vào nghiên cứu và phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng
và lưu trữ năng lượng dạng bánh đà.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án thực hiện nghiên cứu FESS, trong đó tập trung nghiên cứu
và đề xuất phương pháp điều chế, điều khiển bộ biến đổi điện tử công
xuất 2 chiều và thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm máy điện AFPM
2 mặt. Các nội dung nghiên cứu hướng đến ứng dụng trong thực tế và
làm nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sau về hệ thống tích trữ năng
lượng.
2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận án sẽ thực hiện nội dung và phạm vi nghiên cứu gồm:
+ Hệ thống FESS sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC)
và động cơ từ trường dọc trục đầu ra kép, xây dựng quy luật điều chế
mẫu xung điều khiển mới cho IMC.
+ Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm động cơ từ trường dọc trục
AFPM stator kép. Phân tích và đánh giá các kết quả đạt được trong
phạm vi thực hiện trong thưc tế.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
- Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng phương pháp
điều chế, điều khiển bộ biến tần trao đổi năng lượng 2 chiều BTB,
IMC.
- Nghiên cứu mô hình toán học, mô hình vật lý động cơ AFPM và
thiết kế mô phỏng đánh giá cấu hình động cơ ứng dụng trong FESS.
- Nghiên cứu và kiểm chứng lý thuyết bằng thực nghiệm chế tạo
động cơ AFPM và đo đạc, kiểm tra, phân tich đánh giá động cơ được
chế tạo.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng được hệ tích trữ năng lượng
bánh đà sử dụng AFPM và IMC để điều khiển lưu trữ và trao đổi năng
lượng 2 chiều, trong đó: đề xuất luật điều chế mới cho IMC đảm bảo
quá trình chuyển mạch van bán dẫn tối ưu; xây dựng mô hình thử
nghiệm AFPM stator kép phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về
loại động cơ này ứng dụng trong FESS.
* Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện
hệ thống FESS để đưa vào ứng dụng thực tiễn; mô hình thử nghiệm
AFPM có thể sử dụng trong các thực nghiệm của các nghiên cứu tiếp
theo về động cơ và hệ tích trữ năng lượng bánh đà.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung, gồm nội dung chính
như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống lưu trữ năng lượng
bánh đà. Phân tích cấu tạo và đánh giá sự phù hợp, các hướng nghiên
cứu hiện nay của bộ biến đổi và động cơ AFPM trong FESS. Từ đó đề
3
xuất hướng nghiên cứu và nội dung thực hiện của luận án.
Chương 2: Trình bày các bộ biến đổi công suất 2 chiều sử dụng
trong FESS. Đề xuất mô hình bán vật lý của AFPM stator kép. Đề xuất
thiết kế điều khiển và mô phỏng cho FESS: cấu trúc BTB đầu ra kép -
AFPM stator kép; cấu trúc IMC đầu ra kép - AFPM stator kép, trong
đó tập trung giải quyết vấn đề chọn lựa, phân tích, đánh giá và điều
khiển bộ BTB và IMC khi thực hiện trao đổi năng lượng 2 chiều.
Chương 3: Tính toán thiết kế AFPM stator kép. Lựa chọn thông số
và mô phỏng AFPM stator kép sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM) 3D, và đánh giá các kết quả thu được phục vụ cho phần thiết
kế bộ biến đổi công suất 2 chiều ở Chương 2 và chế tạo thử nghiệm
động cơ AFPM stator kép ở Chương 4.
Chương 4: Trình bày chi tiết các thiết kế chế tạo của AFPM stator
kép với các thông số được lựa chọn trong phạm vi thử nghiệm và quy
trình chế tạo. Đánh giá khả năng trao đổi năng lượng 2 chiều của
AFPM stator kép và những hạn chế, khó khăn trong quá trình triển
khai chế tạo.
Phần kết luận: Nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được
của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả
đạt được trong phạm vi nghiên cứu. Chỉ ra các hạn chế, khó khăn và
đề xuất cho các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao chất lượng
của hệ FESS và ứng dụng thành công trong thực tế.
7. Các đóng góp của luận án
Luận án có những đóng góp mới như sau:
- Đề xuất cấu trúc hệ thống FESS sử dụng AFPM stator kép điều
khiển bằng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC).
- Đề xuất mẫu xung điều chế mới nhằm cải tiến quá trình chuyển
mạch cho IMC.
- Xây dựng hệ thống thực nghiệm nhằm kiểm chứng các thuật toán
đề xuất, tính khả thi trong chế tạo AFPM stator kép.
Chương 1. Tổng quan
1.1. Khái quát vấn đề nghiên cứu
1.1.1. Giới thiệu chung về FESS
FESS được giới thiệu như một ESS dạng cơ khí. Hiện nay, sự phát
triển về công nghệ ổ bi từ và ổ bị lai gốm, điện tử công suất và sự ra
đời của máy điện tốc độ cao đã mở rộng các ứng dụng của FESS trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Kích thước FESS ngày càng nhỏ và khả