Điều khiển nghịch lưu nguồn Z ứng dụng cho hệ phát điện phân tán: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Điều khiển và Tự động hóa

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 : 62520216

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. TS. Trần Trọng Minh

2. TS. Phạm Quang Đăng

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ

cấp Trường, họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi…….giờ……..ngày…….tháng…….năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1.Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2. Thư viện Quốc gia

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

[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 696 – 702, Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự

động hoá - VCCA-2011.

[2]. 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.

Trang 143-150, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về Cơ Điện tử - VCM-

2012.

[3]. Tran Trong Minh, Vu Hoang Phuong (2013) analysis of

switching patterns in space vector modulation method for Z source

inverter . Pages: 1-6, No.91, Journal of Science & Technology

Technical Universities.

[4]. Tran Trong Minh, Pham Quang Dang, Vu Hoang Phuong

(2013) Control strategy for grid-connected PV system based on Z

source inverter. Pages 147-150, The 5th AUN/SEED-Net Regional

Conference in Electrical and Electronics Engineering, February

2013.

[5]. 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.

[6]. 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.

[7]. Trần Trọng Minh, Phạm Quang Đăng, Vũ Hoàng Phương

(2013) Mô phỏng thời gian thực nghịch lưu nguồn Z nối lưới cho

pin mặt trời. Trang 8-14, số 96, Tạp chí Khoa học và Công nghệ

các Trường đại học Kỹ thuật, 2013.

điện cảm L và tụ C

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 C

và C

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.

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 (L

), tụ điện (C

) 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

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 (C

) 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

a. Góc đồng bộ điện áp lưới đo từ

kênh PWM DAC của TMS320F2812

b. Điện áp trên tụ (C

) 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 (C

) và dòng

điện i

(thời điểm quá độ)

e. Điện áp pha và dòng điện i

(thời

điểm xác lập)

f. Phân tích phổ sóng hài dòng điện

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

Tóm tắt luận án Tiến sĩ Điều khiển và Tự động hóa: Điều khiển nghịch lưu nguồn Z ứng dụng cho hệ phát điện phân tán

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi