Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn QZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THỊ THANH VÂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN THỊ THANH VÂN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ

TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 8520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG

HÓA

Đà Nẵng – Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Kim Ánh

Phản biện 1: TS Giáp Quang Huy

Phản biện 2: TS Nguyễn Khánh Quang

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách khoa vào

ngày 18 tháng 01 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) được xem như là giải pháp hữu ích nhờ các lợi ích như có khả năng nâng cao điện áp một chiều đầu vào và khắc phục được nhược điểm hiện tượng ngắn mạch xảy ra trong các khóa bán dẫn Bằng cách cải tiến cấu trúc ZSI, bộ nghịch lưu qZSI được dự kiến sẽ phù hợp cho các ứng dụng hệ thống PV do khả năng đạt được dòng điện đầu vào liên tục và giảm điện đặt trên tụ điện Có rất nhiều phương pháp để điều khiển nghịch lưu nguồn qZ như bộ điều khiển PI đã được sử dụng rộng rãi cho qZSI nhưng PI vẫn có một số hạn chế như tính phi tuyến của hệ thống Trong các phương pháp điều khiển hiện nay đối với hệ phi tuyến, phương pháp điều khiển dự báo theo mô hình (MPC

- Model Prediction Control) được coi là một phương pháp điều khiển thay thế và mạnh mẽ cho các ứng dụng điện tử công suất

Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển

dự báo trong hệ thống pin năng lượng mặt trời là 1 giải pháp quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn này là:

- Xây dựng cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV)

- Xây dựng mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ

- Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

- Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng mô hình, phương pháp và đánh giá kết quả

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: cấu trúc nghịch lưu nguồn qZSI Phạm vi nghiên cứu: phương pháp điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu nguồn qZSI nhắm đến áp dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu các tài liệu về nghịch lưu nguồn qZ và các thuật toán điều khiển được sử dụng trong hệ thống

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch lực, mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Tất cả các công việc của đề tài được mô phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu lĩnh vực điện năng lượng mặt trời có ý nghĩa hết sức quan trọng góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên to lớn khi các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu mang lại nhiều ý nghĩa trong việc thiết kế bộ nghịch lưu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo với giá thành thấp và tin cậy

6 Cấu trúc của luận văn

Chương 1: Tổng quan hệ thống pin năng lượng mặt trời Chương này giới thiệu tổng quan về cấu trúc của hệ thống pin năng lượng mặt trời và vai trò của các thành phần trong hệ thống

Chương 2: Nghịch lưu nguồn qZ Chương này trình bày cấu trúc mạch lực và mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt trời, giới thiệu các phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ hiện nay

Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ Giới thiệu về các phương pháp điều khiển dự báo, đưa ra cấu trúc và nguyên lý làm việc của phương pháp điều khiển dự báo FCS - MPC, xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ

Chương 4: Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả Trên cơ

sở lý luận đã đề xuất ở chương 2 và chương 3, để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, chương này trình bày thiết kế mô hình hóa

hệ thống, thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời

1.2 Giới thiệu pin mặt trời

1.2.1 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

1.2.2 Cách ghép nối các tấm pin mặt trời

1.3 Các bộ biến đổi trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC

1.3.2 Bộ biến đổi DC/AC

1.4 Phương pháp tìm điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) 1.5 Kết luận

CHƯƠNG 2 NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ 2.1 Giới thiệu nghịch lưu

2.2 Cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ

Trong tất cả các cấu trúc phát triển dựa trên ZSI, nghịch lưu nguồn qZ được trình bày ở Hình 2.4 đã cải thiện được các hạn chế của ZSI, tạo ra dòng đầu vào liên tục tại các đầu vào cuộn cảm và điện áp thấp hơn trên với cùng tỉ lệ tăng Hơn nữa cấu trúc này có tụ

C1 như là một DC-link kết nối chung giữa nghịch lưu và nguồn vào Xét về số thành phần cấu thành, nó có số thành phần ít nhất so với các cấu trúc liên kết khác Giữ nguyên hai cuộn cảm và hai tụ điện như ZSI gốc Điện áp và dòng ra từ bộ mô phỏng PV được kết nối với mạng nghịch lưu qZ trong đó bao gồm mạng LC đối xứng L1, L2, C1 và C2 cộng với một diode D

Hình 2.4: Nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống nghịch lưu PV

2.3 Xây dựng mô hình toán học của nghịch lưu nguồn qZ

Trong qZSI có xuất hiện hai trạng thái chính, trạng thái

“ngắn mạch” (Shoot-through) và “không ngắn mạch” through)

(a) (b) Hình 2.5: Mạch tương đương của QZSI khi (a) trạng thái “ngắn

mạch” (b) trạng thái “không ngắn mạch”

Việc kiểm soát qZSI chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái chuyển mạch qZSI gồm 8 trạng thái vector đã biết trong VSI (6

vector tích cực v 1 ÷ v 6 và 2 vector v 0 , v 7 – còn gọi là các vector chuẩn)

và thêm trạng thái thứ 9 là trạng thái “ngắn mạch” Trạng thái “ngắn mạch” này có thể xuất hiện trong cùng một nhánh van, hai nhánh van hoặc cả ba nhánh van mạch nghịch lưu Để giảm độ phức tạp tính toán, các trạng thái chuyển mạch được tạo bởi qZSI được đưa ra dưới dạng Bảng 2.3

Bảng 2.3: Bảng trạng thái chuyển mạch được tạo ra bởi qZSI Trạng thái

hoạt động

Điện áp ngõ ra nghịch lưu S1 S3 S5 S4 S6 S2

3

2

dc V j

v (1 3)3

1

dc

V j

v ( 1 3)3

1

dc

V v

V j

phẳng tọa độ tĩnh (αβ) thay vì hệ thống ba pha (abc)

Khoảng thời gian “ngắn mạch” được xác định là T 0, khoảng

thời gian “không ngắn mạch” được xác định là T 1 và thời gian chuyển

đổi van nghịch lưu là T s , trong đó: T s = T 0 + T 1 Khi qZSI ở trạng thái

“ngắn mạch” với thời gian T 0 được xác định từ chu kỳ chuyển đổi T s,

sử dụng Kirchoff có được các phương trình sau:

1 1

L C C L

i dt

dv C

v dt

di L

(2.3)Khi qZSI làm việc ở trạng thái “không ngắn mạch” trong

khoảng thời gian T 1 của chu kỳ chuyển đổi T s, có được các phương trình sau:

C in L

i i dt

dv C

v V dt

di L

1 1

1 1

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO

NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ 3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo

3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ

Phần này đề xuất giải thuật điều khiển dự báo Finite control set Model Predictive Control (FCS-MPC) cho nghịch lưu nguồn qZ của hệ thống pin năng lượng mặt trời Mô hình động học của qZSI được sử dụng để dự báo đáp ứng của dòng điện của tải, của cuộn cảm

và điện áp trên tụ điện trong hai trường hợp ngắn mạch through) và không ngắn mạch (non-Shoot-through) của bộ nghịch lưu Phương pháp điều khiển này được thể hiện rõ hơn thông qua sơ

(Shoot-đồ như trong Hình 3.5:

Hình 3.5: Sơ đồ phương pháp điều khiển FCS-MPC cho qZSI Điều khiển dự báo chủ yếu dựa trên việc đo điện áp trên tụ, dòng điện trên cuộn cảm ở phía DC và dòng điện đầu ra ở phía AC của qZSI Các giá trị đo này được sử dụng để dự đoán các giá trị tương lai của điện áp trên tụ C1, dòng điện trên cuộn cảm L1 và dòng điện tải dựa vào mô hình dự báo Mục tiêu điều khiển được thực hiện

Tối ưu Hàm mục tiêu

Mô hình

dự báo

Tải

RL qZSI

dựa trên hàm mục tiêu (cost function) Sau đó, giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu được đưa ra điều khiển các khóa bán dẫn S1 đến S6 của qZSI Vì vậy phương pháp này không cần đến khối điều chế

Mô hình qZSI:

Các trạng thái chuyển mạch của qZSI có thể được xác định

bằng các tín hiệu cực cổng S a , S b và S c như trong công thức (3.1), (3.2), (3.3):





on S và off S khi

off S và on S khi

S a

4 1

4 1

0 1

off S và on S khi

S b

6 3

6 3

0 1

off S và on S khi

S c

2 5

2 5

0 1

(3.3) Vector không gian điện áp ngõ ra của qZSI được xác định như trong công thức (3.5):

Mối quan hệ giữa vector điện áp tải v out và trạng thái chuyển

mạch S được xác định như trong công thức (3.7):

1 1

1

1

k i C

T k v k

C

C    (3.8)

) ( ) ( ) 1 (

1 1

1

1

k v L

T k i k

L

Ở trạng thái không ngắn mạch:

( 1) ( ) .( ( ) ( ))

1 1

1

1

k i k i C

T k v k

1

1

k v k v L

T k i k

L

Mô hình tải nghịch lưu:

Điện áp ngõ ra của mạch nghịch lưu được xác định như trong công thức (3.12):

e i R dt

di L

out    (3.12)

Dự đoán dòng điện tải:

Một dạng thời gian rời rạc của tải (3.12) với thời gian lấy

mẫu T S có thể được sử dụng để dự đoán giá trị tương lai của dòng điện tải bằng cách sử dụng dòng điện đo được tại thời điểm lấy mẫu

thứ k Xấp xỉ đạo hàm di/dt bởi Forward Euler:

( 1) 1 ( ) v (k) e(k)

L

T k i L

T R k

out S

Mô hình động của tải có thể được biểu diễn trong khung

tham chiếu tĩnh (αβ) bởi phép biến đổi Clarke cho công thức (3.12):

_ 1(v _ Ri _ e)

L dt

di

out out

v L dt

di

out out

_  (3.19)

Phương trình mô tả gián đoạn của dòng điện tải tại thời điểm

k+1 được suy ra từ phương trình liên tục ở công thức (3.16) và

(3.17), sau đó sử dụng phương pháp xấp xỉ Forward Euler:

_ ( 1 ) 1 _ ( ) v _ (k) e (k)

L

T k i L

T R k

out S

T R k

out S

)1(.)1(.)1()

1(

1 1 1

1

*

* _

* _ _

Để đáp ứng các mục đích điều khiển này, hàm mục tiêu của chiến lược điều khiển mô hình dự báo cho qZSI được biểu diễn đầy đủ như trong công thức (3.22) và thuật toán điều khiển FCS – MPC đề xuất tương ứng như trong hình 3.7

Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán FCS-MPC cho qZSI [37]

Hiệu suất của FCS-MPC có thể được tăng cường bởi giảm số lượng tính toán và đơn giản hóa hàm mục tiêu chính mà không ảnh hưởng đến hiệu suất kiểm soát Theo công thức (3.9) và (3.11), dòng

điện dẫn trong tương lai i L1 (k+1) chỉ có hai giá trị trong tất cả tám

trạng thái chuyển mạch, không giống như các giá trị tương lai cho điện áp tụ và dòng điện tải khác nhau với tất cả các trạng thái Mặc

dù, có bảy trạng thái trong trường hợp "không ngắn mạch" nhưng dòng điện dẫn trong tương lai có cùng giá trị trong thời gian đó Vì vậy, dòng điện dẫn là chìa khóa trong việc chọn trạng thái "ngắn mạch" duy nhất cho qZSI Hình 3.8 cho thấy chiến lược FCS-MPC được đề xuất trong luận văn này cho qZSI

Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán FCS-MPC được đề xuất cho qZSI Trước hết, thuật toán đề xuất bắt đầu bằng đo dòng điện dẫn,

điện áp tụ và dòng điện tải ba pha tại thời điểm lấy mẫu (k) Công

suất đầu ra mong muốn được sử dụng để tìm các giá trị tham chiếu cho từng dòng điện tải và dòng điện dẫn Các bước tiếp theo là tính giá trị tương lai cho dòng điện dẫn ở trường hợp ngắn mạch và trường hợp không ngắn mạch dựa trên công thức (3.9) và (3.11) Các hàm mục tiêu phụ cho dòng điện dẫn trong trường hợp không ngắn

mạch (g ) và trường hợp ngắn mạch (g ) được đánh giá:

_ _

g L s L ref L s (3.24)

)1(

_ _

g L ns L ref L ns (3.25) Sau đó, nếu hàm mục tiêu phụ trong trường hợp ngắn mạch

là tối thiểu, trạng thái được tối ưu hóa sẽ là trạng thái ngắn mạch, và

do đó nó được áp dụng trực tiếp cho các khóa bán dẫn của nghịch lưu

mà không cần kiểm tra bảy trạng thái khác Mặt khác, nếu trường hợp không ngắn mạch cho hàm mục tiêu tối thiểu, thuật toán phải đi qua vòng lặp để chọn các trạng thái được tối ưu hóa từ bảy trạng thái Chú ý rằng điện áp tụ trong tương lai tại trường hợp ngắn mạch sẽ không được tính ở đây Hàm mục tiêu chính bên trong vòng lặp chỉ kết hợp từ dòng điện tải và điện áp tụ vì chúng có các giá trị khác nhau với mỗi trạng thái chuyển mạch như trong công thức (3.26) [32]:

_

* _ 2 _

đề xuất 7x2 1x3 7x2 1x3 0 7x2 - 48 Thuật toán

trong [37] 8x3 7x3 7x3 1x3 1x3 - 8x3 96

3.3 Kết luận

Phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo với số phần tử hữu hạn (FCS-MPC) là một trong những kỹ thuật được áp dụng rộng rãi cho qZSI nhờ vào thiết kế đơn giản (không có cấu trúc điều khiển nối tầng và khối điều chế) và dễ dàng thực thi Lợi ích chính của FCS-MPC là sự phi tuyến tính trong hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO), các ràng buộc và bù thời gian trễ có thể được tích hợp trực tiếp vào bộ điều khiển [32-38] Trong chương này, mô hình động học của qZSI được sử dụng để dự báo đáp ứng của dòng điện của tải, của cuộn cảm và điện áp trên tụ điện trong hai trường hợp ngắn mạch (Shoot-through) và không ngắn mạch (non-Shoot-through) của bộ nghịch lưu Sau đó, mục tiêu điều khiển của hệ thống bao gồm bám dòng điện tải đầu ra, dòng điện trên cuộn cảm và điện

áp trên tụ điện đạt được thông qua một hàm mục tiêu xác định Cuối cùng, quá trình tối ưu hóa hàm mục tiêu được tiến hành để xác định trạng thái chuyển mạch tốt nhất, đưa điều khiển đóng cắt các khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu Thuật toán đề xuất giảm được khối lượng tính toán giúp dễ cài đặt bộ điều khiển trên những bộ xử lý kỹ thuật

số thông dụng, giá thành thấp trong hệ thống thực tế Tính năng quan trọng này có được bằng cách sử dụng hàm mục tiêu phụ của dòng điện dẫn trong việc chọn trường hợp ngắn mạch hoặc trường hợp không ngắn mạch Chọn trường hợp ngắn mạch từ đầu mà không đi qua vòng lặp chính sẽ giảm khối lượng tính toán Ngoài ra, hàm mục tiêu của FCS-MPC được đề xuất được đơn giản hóa trong đó chỉ bao gồm một hệ số trọng số cho điện áp tụ Luận văn này cho thấy mô hình điều khiển dự báo cho qZSI là một điều khiển đầy hứa hẹn với

độ tin cậy và tính linh hoạt cao

Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI trong hệ

thống pin năng lượng mặt trời nối lưới

4.2 Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả

4.2.1 Mô phỏng hệ thống trên Matlab/simulink

4.2.2 Đánh giá kết quả

FCS-MPC được thiết kế và áp dụng cho qZSI Mục tiêu chính của bộ điều khiển FCS-MPC này là tăng điện áp liên kết DC của qZSI và theo dõi dòng điện tải đầu ra tham chiếu trong các điều kiện nhất định Những điều kiện này là các ràng buộc của nghịch lưu nguồn qZ như dòng điện dẫn, điện áp tụ điện phải được điều chỉnh

Để thấy rõ chất lượng hoạt động của bộ điều khiển FCS-MPC cho nghịch lưu nguồn qZ nối lưới, trong luận văn này sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink Mô phỏng trong