MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ TURBINE GIÓ VÀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MPPT 4 1.1. Turbine gió 4 1.2. Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT 7 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR 9 2.1. Phương pháp EMR 9 2.2. Biểu diễn mô hình Turbine gió sử dụng chiến lược điều khiển MPPT bằng phương pháp EMR 10 2.2.1. Biểu diễn mô hình Turbine bằng phương pháp EMR 10 2.2.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 15 2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor 16 2.2.4. Code chương trình 17 2.2.5. Kết quả mô phỏng 21 CHƯƠNG 3. NHÂN XÉT 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 CHƯƠNG 1. TỔNG QUA VỀ TURBINE GIÓ VÀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MPPT 1.1. Turbine gió Turbine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, có thể dùng trực tiếp trong đời sống hoặc chuyển đổi thành năng lượng điện. Hình1.Error No text of specified style in document..1. Cấu tạo Turbine gió Cấu tạo Turbine gió được thể hiện trong Hình 1.1 gồm: Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay. Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ. Controller: Bộ điều khiển. Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay. Generator: Máy phát. Phát ra điện. High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao. Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp. Nacelle: Vỏ. Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện. Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Trang 1BÀI TẬP CUỐI KỲ
Mô phỏng hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) sử dụng chiến lược điều khiển Maximum Power Point Tracking (MPPT) bằng phương pháp
EMR
Hà Nội, 1/2021
Chữ ký của GVHD
Trang 3Do bài báo cáo tập trung vào phương pháp EMR nên sẽ không đi sâu vàonghiên cứu Turbine gió cũng như chiến lược điều khiển MTTP mà chỉ sử dụng sốliệu có sẵn của đề bài cho được lấy từ EMR'18 Summer School, June 13-15, 2018Hanoi University of Science and Technology (Vietnam).
Cuối cùng, nhóm em xin được cảm ơn TS Võ Duy Thành đã tận tình hướngdẫn bọn em trong suốt thời gian môn học Mô hình hóa và Mô phỏng vừa qua Bọn
em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức bổ ích Em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên,
Trang 4MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUA VỀ TURBINE GIÓ VÀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
MPPT 4
1.1 Turbine gió 4
1.2 Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT 7
CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR 9
2.1 Phương pháp EMR 9
2.2 Biểu diễn mô hình Turbine gió sử dụng chiến lược điều khiển MPPT bằng phương pháp EMR 10
2.2.1 Biểu diễn mô hình Turbine bằng phương pháp EMR 10
2.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 15
2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor 16
2.2.4 Code chương trình 17
2.2.5 Kết quả mô phỏng 21
CHƯƠNG 3 NHÂN XÉT 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUA VỀ TURBINE GIÓ VÀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MPPT
1.1 Turbine gió
Turbine gió là thiết bị biến đổi động năng của gió thành cơ năng, có thể dùngtrực tiếp trong đời sống hoặc chuyển đổi thành năng lượng điện
Hình1.Error! No text of specified style in document 1 Cấu tạo Turbine gió
Cấu tạo Turbine gió được thể hiện trong Hình 1.1 gồm:
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểukhiển
- Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho cáccánh quạt chuyển động và quay
- Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằngđiện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
- Controller: Bộ điều khiển
- Gear box: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc
độ cao và tăng tốc độ quay
- Generator: Máy phát Phát ra điện
- High – speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
- Low – speed shaft: Trục quay tốc độ thấp
Trang 6- Tower: Trụ đỡ Nacelle.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướngtuabin gió
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có
sự thay đổi hướng gió
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió
Trong báo cáo mô phỏng này, hệ thống được rút gọn với mô hình như Hình1.2, kết nối với Bus DC
Hình 1.Error! No text of specified style in document 2 Mô hình WECS
Mô hình gồm: Cánh quạt roto, hộp số, 1 PM DC Machine, 1 bộ biến đổi điện
áp Chopper
Dựa vào các thông số được cho trong tài liệu EMR'18 Summer School, June 13-15, 2018 Hanoi University of Science and Technology (Vietnam) ta
bước đầu xác định được các thông số của hệ thống như sau:
Wind and blades:
Gió thổi tới cánh quạt với vận tốc vwind, momen xoắn Tblade được tạo ra bởi các cánhđược xác định theo công thức:
Với: - S: diện tích quét của cánh quạt
- ρ: mật độ không khí
Trang 7- R: bán kính cánh quạt
- Hệ số momen CT là một hàm phi tuyến của , phụ thuộc vào vận tốc gióphụ phụ thuộc vào vận tốc gióthuộc phụ thuộc vào vận tốc gióvào phụ thuộc vào vận tốc gióvận phụ thuộc vào vận tốc giótốc phụ thuộc vào vận tốc giógió
và phụ thuộc vào vận tốc giótốc phụ thuộc vào vận tốc gióđộ phụ thuộc vào vận tốc giógóc phụ thuộc vào vận tốc giótrục phụ thuộc vào vận tốc gióquay phụ thuộc vào vận tốc gióΩshaft
Hệ số momen xoắn cũng phụ thuộc vào độ lật cánh β của cánh quạt
Hình 1Error! No text of specified style in document 3 Đồ thị hệ số momen xoắn
Trang 8Máy điện một chiều nam châm vĩnh cửu có đặc điểm sau:
- nominal useful power: 900 kW ;
DC Bus được coi có giá trị không đổi 1500 V
1.2 Điều khiển Turbine gió chiến lược MPPT
Chiến lược xác định điểm công suất cực đại được áp dụng để xác địnhmomen xoắn tham chiếu để có được công suất tối đa từ mỗi cơn gió khi vận tốc gióthay đổi Từ dữ liệu từ nhà sản xuất, công suất cho mỗi vận tốc gió và tốc độ quay
có thể được biểu diễn như Hình 1.4:
Hình 1.4 MPPT Characteristic of the WECS
Công suất tối đa, có thể được trích xuất cho mỗi cơn gió vận tốc, được suy ra
từ đường cong mới này, một bảng tra cứu được xây dựng, biểu thị mômen Tgear_ref
từ tốc độ quay Žgear_mes của rôto turbine đo được Hơn nữa, một giá trị lớn nhất
Trang 9của tốc độ quay được chồng lên trên đường cong tối ưu này Vì MPPT không phải làmục tiêu quan trọng nhất của công việc này, bảng tra cứu được cho trước.
Trang 10CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WECS SỬ DỤNG CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN MPPT BẰNG PHƯƠNG PHÁP EMR
2.1 Phương pháp EMR
Phương pháp EMR (Energetic Macroscopic Representation) là phương pháp biểu
diễn năng lượng bên trong hệ thống, dành cho những hệ thống mang tính nănglượng Đây không phải là phương pháp mô hình hóa mà là phương pháp biểu diễn
mô hình toán học của hệ thống cũng như bộ điều khiển thông qua các khối dưới đây:
Hình 2.1 Thư viện EMR trong Matlab/Simulink
Trong đó có một số khối cơ bản sau:
-Khối nguồn (Source element)
-Khối tích lũy (Accumulation element)
-Khối chuyển đổi đơn vật lý (Monophysical Converter)
-Khối chuyển đổi đa vật lý (Multiphysical Converter
-Khối ghép nối đơn vật lý
-Khối ghép nối đa vật lý
-Khối chiến lược
Trang 11Các khối khác em xin được trình bày trong 1 bài báo cáo khác khi sử dụng đến.
Phương pháp EMR tuân thủ theo những nguyên tắc sau:
- Nguyên tắc nhân quả: Tính nhân quả của hệ thống được thể hiện qua khâutích phân Đầu ra trễ theo đầu vào
- Nguyên tắc tương tác: Các hệ thống liên kết với nhau theo nguyên tắc tácđộng phản ứng action x reaction = power Mỗi tác động đều có một phản ứngkèm theo
- Nguyên tắc nghịch đảo: Cấu trúc điều khiển của hệ thống được xem nhưnghịch đảo của đối tượng (nghịch đảo trực tiếp hoặc nghịch đảo gián tiếp)
2.2 Biểu diễn mô hình Turbine gió sử dụng chiến lược điều khiển MPPT bằng phương pháp EMR
2.2.1 Biểu diễn mô hình Turbine bằng phương pháp EMR
a Khối Environment Source
Hình 2.2 Khối Environment Source
Hình Oval màu Green chứa các tham số cho trước, đầu ra là vwind đầu vào là Fblade
b Khối chuyển đổi vận tốc gió sang momen xoắn cánh quạt
Khối chuyển đổi vwind thành momen xoắn Tblade dựa vào những thông số vàcông thức cho bởi nhà sản xuất Khối được xây dựng sẵn nhằm phục vụ quá trình
mô phỏng
Trang 12Hình 2.3 Khối Blades
c Khối Shaft
Trang 13
Hình 2.4 Khối Shaft
Theo bài cho Ωshaft quan hệ với momen xoắn cánh quạt và hộp số T_blade và T_geartheo công thức:
Biến đổi Laplace 2 vế ta có:
J.s Ωshaft(s) = -Tgear(s) + T_blade(s)- f Ωshaft(s)
=> Ωshaft = (Tblade(s) – Tgear(s)).Js+f1
Từ đó ta xây dựng được hàm truyền tương đương của hệ trên
d Khối Gear
Trang 15Khối chuyển đổi cơ điện w_gear biến đổi thành điện áp emf trên phần ứng Hằng số
cơ điện DCM.K_em1 được xác định trong khối này
Biến đổi Laplace ta có:
V(s)=Vind(s) – L.s.I(s) – R.I(s)
I(s)=(Vind(s)-V(s)).Ls+R1
Trang 16Áp dụng vào mô hình inductor trên ta có:
Tổng hợp được mô hình Turbine gió thông qua biểu diễn EMR như sau:
Hình 2.10 Mô hình Turbine gió
Trang 172.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển
a Khối chiến lược điều khiển MPPT
Hình 2.10 Khối MPPTKhối đưa ra tín hiệu tham chiếu T_gear_ref dựa trên tín hiệu đưa vào w_shaft Khốiđược thiết lập sẵn do bài báo cáo tập trung vào phương pháp EMR mà không phảiMPPT
b Tổng hợp mô hình
Trang 18Theo nguyên tắc nghịch đảo, mỗi khối điều khiển là nghịch đảo các khối của chúng, từ đó ta thành lập được cấu trúc mô hình như sau:
Hình 2.11 Mô hình Turbine gió sử dụng phương pháp biểu diễn EMR
2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển IP cho khối điều khiển Inductor
Do khối Inductor đầu ra là một hàm tích phân của đầu vào nên không thểnghịch đảo trực tiếp được do đó cần một khối điều khiển để nghịch đảo gián tiếpkhối Inductor, cụ thể hơn đó là bộ điều khiển PI
Trang 19Hình 2.12 Khối Controller with IP
Trang 202.2.4 Code chương trình
Trang 242.2.5 Kết quả mô phỏng
Hình 2.14 Giá trị Pconv
Đồ thị của vận tốc gió và dòng điện Ich
Trang 25CHƯƠNG 3 NHÂN XÉT
Đồ thị của dòng điện Ich bám khá sát với đồ thị của vận tốc gió Khi vận tốcgió tăng thì Ich tăng theo và ngược lại Điều đó đúng với bài toán, vận tốc gió tỉ lệthuận với sản lượng điện đầu ra
Trang 26TÀI LIỆU THAM KHẢO
-EMR'18 Summer School, June 13-15, 2018 Hanoi University of Science and Technology (Vietnam).
- “Energetic Macroscopic Representation”, Seminar Sept 2014 “Energetic
Macroscopic Representation”, Prof B Lemaire-Semail, Dr W Lhomme, Prof
A Bouscayrol
,University Lille1, L2EP, MEGEVH, France; Dr Philippe Barrade, LEI, EPFL,
Switzerland