Tóm tắt Bài báo này trình bày 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. Toàn bộ cấu trúc điều khiển được đưa ra phân tích, mô hình hóa để xây dựng thuật toán điều khiển đảm bảo để công suất đưa từ máy phát lên lưới lớn nhất dưới các tốc độ gió khác nhau và điện áp một chiều trên tụ C mạch nguồn Z giữ giá trị mong muốn đảm bảo điều kiện nối lưới. Kết quả mô phỏng offline bằng Matlab và kết quả mô phỏng thời gian thực khi kết hợp DSPTMS320F2812 với card DS1103 đã minh họa kiểm chứng cấu trúc toàn bộ hệ thống đã được xây dựng. Abstract: This paper presents the control strategy Z source inverter grid connected for the wind power using permanent magnet synchronous generator. The control strategy is thoroughly analyzed and modeled to figure out control algorithm in order to assure that the power transmitted from generator to grid is maximum under different wind speeds while the DC voltage of capacitors remains the required valueof grid connecting condition. The offline simulation result using Matlab and real time result using DSP TMS320F2812 connected to DS1103 card verify the previously formed structure.
Trang 1Chiến 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
Control strategy Z source inverter grid connected for the wind
power using permanent magnet synchronous generator
Trần Trọng Minh, Phạm Quang Đăng, Vũ Hoàng Phương
Trường ĐHBK Hà Nội e-Mail: phuongvh-autolab@mail.hut.edu.vn
Tóm tắt
Bài báo này trình bày 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 Toàn bộ cấu trúc điều khiển được đưa ra phân tích, mô hình hóa
để xây dựng thuật toán điều khiển đảm bảo để công suất đưa từ máy phát lên lưới lớn nhất dưới các tốc độ gió khác nhau và điện áp một chiều trên tụ C mạch nguồn Z giữ giá trị mong muốn đảm bảo điều kiện nối lưới Kết quả mô phỏng offline bằng Matlab và kết quả mô phỏng thời gian thực khi kết hợp DSPTMS320F2812 với card DS1103 đã minh họa kiểm chứng cấu trúc toàn bộ hệ thống đã được xây dựng
Abstract:
This paper presents the control strategy Z source inverter grid connected for the wind power using permanent magnet synchronous generator The control strategy is thoroughly analyzed and modeled to figure out control algorithm in order to assure that the power transmitted from generator to grid is maximum under different wind speeds while the DC voltage of capacitors remains the required valueof grid connecting condition The offline simulation result using Matlab and real time result using DSP TMS320F2812 connected
to DS1103 card verify the previously formed structure
Ký hiệu
ZSI
lập trên tụ nguồn Z
vào nghịch lưu
cuộn cảm nguồn Z
trung bình (0 ≤ d <0,5)
nhánh van nghịch lưu 0 ≤
da,b,c ≤ 1
của ZSI
Chữ viết tắt
ĐC HSCS
Điều chỉnh hệ số công suất
Generator
1 Phần mở đầu
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG là một trong các cấu hình được sử dụng phổ biến hiện nay Trong đó, dải công suất nhỏ và trung bình cấu trúc bộ biến đổi công suất thông thường được sử dụng DC – DC – AC với DC –
DC là bộ boost converter, dải công suất lớn cỡ
MW dùng bộ biến đổi công suất AC – DC – AC [8]
Trang 2Năm 2003, theo [1] đề xuất ra cấu trúc mạch lực
mới ZSI, có khả năng làm việc trong cả 2 chế bộ
tăng – giảm áp (boost – bucks) thông qua việc điều
phù hợp, đây có thể coi là một giải pháp mạch lực
hứa hẹn trong các nguồn năng lượng tái tạo [1] Vì
vây, bài báo này trình bày chiến lược điều khiển
ZSI nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng
máy phát PMSG ở dải công suất nhỏ và trung
bình Chiến lược điều khiển được xây dựng đảm
bảo để công suất đưa từ máy phát lên lưới lớn nhất
dưới các tốc độ gió định mức và điện áp một chiều
trên tụ C mạch nguồn Z giữ giá trị mong muốn
đảm bảo điều kiện nối lưới Ngoài ra, hệ phát điện
sức gió nối lưới bằng ZSI được mô phỏng thời
gian thực với card DS1103 và DSP TMS320F2812
với thuật toán điều khiển cài đặt vào DSP cho
phép kiểm tra tính đúng đắn, chuẩn hóa dữ liệu
phù hợp với nguyên tắc làm việc dấu phẩy tĩnh
DSP TMS320F2812, đây là phương pháp nghiên
cứu cần thiết để có thể triển khai cấu trúc điều
khiển vào thực tế Đối tượng điều khiển được mô
hình hóa bằng card DS1103 cho phép thay đổi các
điều kiện làm việc hệ thống theo thời gian thực
2 Mô hình ZSI nối lưới
n
e
s
i
gió
mạch điện tương đương phía một chiều của ZSI
[2], [5]
(2 1) (1 )
(1 2 ) ( 1)
L
C
di
dt
du
dt
Điện áp đỉnh đặt vào nhánh van nghịch lưu được
xác định [1]
1
C
i nv u ˆu d
Do đó viết được phương trình dòng điện trung
bình ba pha đầu ra ZSI nối lưới tương tự như
nghịch lưu nguồn áp nối lưới
2
2
2
Với lưới điện ba pha đối xứng ta có:
i i d i d i d (4) Phương trình (3) viết lại trên hệ tọa độ tựa điện áp lưới dq
1
1
w w
inv u
H 3 Biểu diễn đại lượng vector trên hệ độ độ quay dq
3 Chiến lược điều khiển ZSI nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng PMSG
Chiến lược điều khiển ZSI nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng máy phát PMSG được thực hiện trên hệ tọa độ tựa điện áp lưới Trong đó điện
ra từ khâu MPPT sẽ là lượng đặt cho mạch vòng điều chỉnh công suất với tín hiệu điều khiển là
kế điều khiển là phải ổn định được các mạch vòng điều chỉnh bên trong là dòng điện qua cuộn cảm và mạch vòng dòng điện đầu ra ZSI
Trang 3sd u sq u s
s
sd i sq i
nq
s
i
*
sd i
*
sq i
*
*
u
*
i
C u L
i
n
e
L
i
dc
u
ref
P
C
u
H 4 Cấu trúc điều khiển ZSI nối lưới cho trạm phát
điện sức gió sử dụng máy phát PMSG
3.1 Thiết kế mạch vòng điêu chỉnh phía một
chiều
điều chỉnh phía xoay chiều (H.4) thì hệ phương
trình (1) trở thành
(2 1) (1 )
L
di
Hàm truyền đối tượng điều chỉnh mạch vòng dòng
tiêu bằng thành phần tích phân của bộ điều chỉnh
dc
i
u s
G s
Sử dụng cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI, thu được
hàm truyền kín mạch vòng dòng điện qua cuộn
cảm
L k
K K s K K
i s
G s
i s s K K s K K
Trong khi đó hàm truyền chuẩn bậc 2 có dạng
22 2 2
2
c
s
G s
w x w
w x w
damping
Từ (8), (9) xác định tham số bộ điều chỉnh PI
1 2
1
2 n
p
n i
K K
K K
w x w
*
i
L i
i p
K K s
Ls
1
d
3.2 Thiết kế mạch vòng điêu chỉnh phía xoay chiều
Từ mô hình dòng điện ở mục 2 ta có thể kế thừa các cấu trúc bộ điều khiển dòng điện đã thiết kế cho nghịch lưu nguồn áp [11] Để nâng cao động học cho hệ thống trong bài báo này sử dụng bộ điều chỉnh dòng điện kiểu Deadbeat trên hệ tọa
độ tựa điện áp lưới và bộ điều chỉnh điện áp một chiều trên tụ C của nguồn Z kiểu PI Vấn đề đồng
bộ với điện áp lưới được giải quyết với khối vòng
định (11) [3]
s
s
s
s
(11)
Trong đó y(k) được tính theo (12)
w w
s
s
s
s
R T
L
R T
L
Đầu ra bộ điều chỉnh dòng điện là lượng đặt cho
khâu điều chế vetor không gian MSVM, để giảm
kích thước phần tử LC mạch trở kháng khâu
MSVM được tính toán với trạng thái shoot
through phân chia thành sáu phần bằng nhau cho
mẫu xung trong mỗi sector [12] Ngoài ra, để đảm
bảo cho dòng điện trùng pha điện áp lưới thành
trong hệ thống muốn điều chỉnh được cả hệ số công suất có thể thiết lập thêm mạch vòng điều
theo quan hệ (13)
Trang 42 2
3.3 Thuật toán tracking công suất cho hệ phát
điện sức gió
Công suất turbine được xác định [4]
2 3
1
, 2
P rp R v C b l (14) Trong đó: R(m) bán kính cánh turbine, v(m/s) tốc
(deg), λ TSR (tip speed ratio), ρ mật độ không khí
21
3
116 0,5176 0, 4 5 0, 0068
i
p
i
wt
R
v
l
l
w
l
(15)
Mỗi tốc độ gió khác nhau sẽ đưa ra một công lớn
nhất tương ứng tốc độ quay turbine (H.6) Với
mục tiêu điều khiển đưa ra công suất lớn nhất
trong vùng dưới tốc độ gió định mức thì công suất
turbine lớn nhất và là lượng đặt cho bộ điều chỉnh
công suất xác đinh [4]
3 wt
2
p m opt
opt
C
l
Turbine speed, wt(pu)
H 6 Đặc tính công suất turbine theo tốc độ gió
4 Mô phỏng ZSI nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng PMSG
Cấu trúc điều khiển ZSI nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng PMSG được mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab với tham số mô phỏng
Bảng 1 Tham số bộ biến đổi ZSI
C-_ref
570 V
Hệ số khâu dao động bậc hai (9)
ξ = 0.71
Bảng 2 Tham số turbine, máy phát [6]
Công suất máy phát
Tốc độ PMSG (tại f = 60Hz)
200 rpm
Momen quan tính tổng
2
Trang 5Tốc độ gió khảo sát 7m/s(0 < t < 0,6s), 8m/s(0,6 <
t < 1 s), 6m/s(1< t < 1,4s) Lượng đặt công suất
được xác định theo phương trình (16)
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
t(s)
v(m/s) w(rad/s)
H 8 Tốc độ gió v(m/s) và tốc độ turbine w (rad/s)
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
t(s)
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
t(s)
H 10 Hệ số công suất cos(φ) khi xác lập
100
200
300
400
500
600
700
800
t(s)
Udc(V)
Uc (V)
H 11 Điện áp trên tụ C, điện áp cấp cho ZSI
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
t(s)
0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5
t(s)
H 13 Tỷ số shoot through
H 14 Dòng điện đầu ra ZSI
0.4 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5
t(s)
Kết quả mô phỏng chỉ ra khi tốc độ gió biến đổi điện áp trên tụ C giữ bằng hằng số (H.9), dòng điện pha đầu ra ZSI đi vào lưới dạng hình sin, lượng công suất tác dụng chuyển vào lưới là lớn
Trang 6nhất tương ứng với tốc độ gió làm việc điều này
được minh họa qua đặc tính hệ số turbine Cp được
5 Mô phỏng online ZSI nối lưới cho trạm
phát điện sức gió sử dụng PMSG
Cấu trúc hệ thống sử dụng mô phỏng online ZSI
nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng PMSG
được chỉ ra trên (H.16) Với cấu trúc điều khiển
(H.4), bộ điều khiển được lập trình bằng xử lý tín
hiệu số DSP TMS320F2812, đối tượng được thiết
lập trên card ds1103 Giao tiếp giữa DSP và card
ds1103 với tín hiệu điều khiển dạng xung thông
qua các cổng vào ra số và kênh PWM, các tín hiệu
đo lường qua cổng DAC card ds1103 và ADC
DSP TMS320F2812 Các thay đổi điều kiện làm
việc trên đối tượng thực hiện online thông qua
phần mềm Control desk của ds1103
H 16 Cấu trúc của hệ mô phỏng thời gian thực
H 17 Tốc độ gió v(m/s) và tốc độ turbine w (rad/s)
H 18 Điện áp trên tụ C, điện áp cấp cho ZSI
H 21 Dòng điện đầu ra ZSI
Trang 7H 22 Hệ số turbine Cp
6 Kết luận
Bài báo này đã trình bày chiến lược điều khiển ZSI
nối lưới cho trạm phát điện sức gió sử dụng máy
phát PMSG Kết quả mô phỏng đã chỉ ra hiệu quả
phương pháp này đảm bảo điện áp trên tụ C giữ
bằng hằng số và công suất máy phát đưa ra là lớn
nhất trong các điều kiện làm việc khi biến thiên
tốc độ gió dưới định mức
Ngoài ra bài báo trình bày một giải pháp mô
phỏng thời gian thực với sự kết hợp card ds1103
và DSP TMS320F2812 nhằm giải quyết việc mô
hình hóa và thuật toán điều khiển hệ phát điện sức
gió Đây là giải pháp hữu hiệu để mô phỏng hệ
thống mà có thể đòi hỏi nhiều khó khăn khi xây
dựng mô hình thí nghiệm
Tài liệu tham khảo
[1] Fang Zheng Peng; Z-source inverter; IEEE
transactions on industry applications, vol.39,
no.2, March/April, 2003
[2] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương; 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
[3] Nguyễn Phùng Quang; Máy điện dị bộ nguồn
kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát
điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh
bảo đảm phân ly giữa mômen và hệ số công
suất; tuyển tập VICA 3, trang 413-437, năm
1998
[4] Jogendra Singh Thongam and Mohand
Ouhrouche, MPPT Control Methods in Wind
Energy Conversion Systems, Fundamental and
Advanced Topics in Wind Power, Intech, July
05 2011, ISBN 978-953-307-508-2
[5] Qu Keqing, Song Xiaoliang ,Chen Guo-cheng;
Study on control methods of direct-drive wind
generation system based on three-phase Z-source inverter ; Power Electronics and Motion
Control Conference, 2009 IPEMC '09 IEEE 6th International
[6] R Esmaili, L Xu, and D K Nichols; A New Control Method of Permanent Magnet Generator for Maximum Power Tracking in Wind Turbine Application; IEEE Power
Engineering Society General Meeting, San Francisco, June 2005
[7] R Bojoi, F Profumo, G Griva, Remus Teodorescu, Frede Blaabjer; Advanced Research and Education in Electrical Drives by Using Digital Real-Time Hardware-in-the-Loop Simulation; Proceedings of PEMC'2002,
Dubrovnik, Kroatien
[8] Frede Blaabjerg and Zhe Chen ; Power Electronics for Modern Wind Turbines (Synthesis Lectures on Power Electronics);
Morgan&Claypool Publishers
[9] N Hoffmann, R Lohde, M Fischer and F W
Fuchs, L Asiminoaei, P.B Thøgersen; A Review on Fundamental Grid-Voltage Detection Methods under Highly Distorted Conditions in Distributed Power-Generation Networks; Energy Conversion Congress and
Exposition (ECCE), 2011 IEEE
[10] Matlab simpowersystems, published by
http://www.mathworks.com/help/physmod/pow ersys/ref/windturbine.html
[11] Robinson F de Camargo, Humberto Pinheiro;
Comparison of Six Digital Current Control Techniques for Three-Phase Voltage-Fed PWM Converters Connected to the Utility Grid;
Power Electronics Specialists Conference,
2005 PESC '05 IEEE 36th
[12] Poh Chiang Loh, D Mahinda Vilathgamuwa, Yue Sen Lai, Geok Tin Chua and Yunwei Li,
Pulse-Width Modulation of Z-Source Inverters,
Industry Applications Conference, 2004 39th IAS Annual Meeting Conference Record of the
2004 IEEE
Trần Trọng Minh sinh năm 1960, tại Việt Nam
Từ năm 1978÷1983 học tại đại học Bách khoa Bacu (Liên Xô cũ) Nhận bằng M.S tại AIT-Thái Lan năm 1997, bằng Tiến sỹ chuyên ngành Tự động hóa XNCN trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (ĐHBKHN) năm 2008 Từ năm 1984, công tác tại bộ môn Tự động hóa XNCN – Viện Điện – ĐHBKHN Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển điện
tử công suất, bộ biến đổi công suất lớn, biến tần
ma trận, ứng dụng điện tử công suất trong lưới
Trang 8điện thông minh, bộ biến đổi DC-DC hiệu suất
cao, lọc tích cực,…
Phạm Quang Đăng sinh năm 1972, tại Việt Nam
Nhận bằng kỹ sư năm 1994, Thạc sỹ năm 2000,
Tiến sỹ 2007 chuyên ngành Tự động hóa XNCN –
khoa Điện -ĐHBKHN Hiện công tác tại Viện kỹ
thuật điều khiển và Tự động hóa - ĐHBKHN Lĩnh
vực nghiên cứu: Điều khiển hệ thống công nghiệp,
Điện tử công suất, Truyền động điện,…
Vũ Hoàng Phương sinh năm 1983, tại Việt Nam
Nhận bằng kỹ sư năm 2006, Thạc sỹ năm 2008 chuyên ngành Tự động hóa XNCN – khoa Điện -ĐHBKHN Hiện đang là Nghiên cứu sinh khóa
2010÷2014 chuyên ngành Thiêt bị và hệ thống
điều khiển tự động - ĐHBKHN Hiện đang công tác tại Viện kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa – ĐHBKHN Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển điện
tử công suất, ứng dụng điện tử công suất trong lưới điện thông minh,
