Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS LỜI NÓI ĐẦU Hiện nguồn lượng dùng nhiêu liệu gặp vấn đề: nguyên liệu cạn kiệt dần gây ô nhiễm nghiêm trọng tới môi trường Cần thiết phải phát triển sử dụng nguồn lượng như: lượng mặt trời, lượng gió, lượng sóng biển, địa nhiệt, lượng sinh khối để thay Tuy nhiên số vấn đề làm cho việc đưa nguồn lượng vào ứng dụng cách rộng rãi gặp khó khăn như: phát lượng không ổn định, phụ thuộc vào thiên nhiên, tốn vấn đề công nghệ Các hệ thống cần phải có thiết bị tích trữ lượng nhằm mục đích: lấy bớt để tích lại nguồn dư công suất xả lượng lưới bị thiếu Bảo đảm lưới điện vận hành ổn định tin cậy Hệ thống lưới điện sử dụng nguồn lượng sức gió thuộc dự án hệ thống phát điện lai (Hybrid Power System) công suất 7,5MW sức gió kết hợp với máy phát Diesel 7,5MW phục vụ Côn Đảo hệ thống vận hành độc lập không hòa lưới điện quốc gia Hệ thống có thiết bị kho điện để giúp san dao động điện áp lưới Thiết bị tích trữ sử dụng tụ hai lớp (Double Layer Capacitor - DLC) hay gọi siêu tụ (Super/Ultra Capacitor) có đặc điểm nạp nhanh, xả nhanh phù hợp với nguồn sức gió thăng giáng liên tục Trong phạm vi đề tài nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển biến đổi DC-DC tăng/giảm áp theo phương pháp tuyến tính hóa xác - phương pháp điều khiển phi tuyến Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn thạc sỹ Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS MỤC LỤC DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chương Nguyên lý BESS 11 1.1 Các hệ thống tích trữ lượng (BESS): .12 1.1.1 Hệ thống tích trữ lượng khí nén (Compressed Air Energy Storage CAES) 13 1.1.2 Bơm thủy điện (Pumped Hydroelectric Energy Storage - PHES) .14 1.1.3 Hệ thống tích trữ bánh đà (Flywheel Storage) 15 1.1.4 Hệ thống tích trữ từ trường cuộn dây siêu dẫn (Superconducting Magnetic Energy Storage - SMES) 17 1.1.5 Hệ thống tích trữ lượng sử dụng ắc qui (Battery Storage) 18 1.1.6 Siêu tụ (Supercapacitor hay Ultracapacitor) 18 1.2 Siêu tụ - Hệ thống tích lũy lượng cho nguồn sức gió 20 1.2.1 Năng lượng sức gió 20 1.2.2 Siêu tụ (Super/Ultra Capacitor) 22 1.3 Nguyên lý BESS cho nguồn sức gió sử dụng DLC 29 Chương Mô hình toán học DC-DC tăng/giảm áp BESS .35 2.1 Mô hình toán học tăng/giảm áp chiều (Buck/Boost Converter) 35 2.1.1 Mô hình toán học chế độ tăng áp chiều (Boost): 35 2.1.2 Mô hình toán học chế độ giảm áp chiều (Buck): 40 2.2 Mô hình toán học BESS 42 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Chương Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái cho mô hình biến đổi DC-DC tăng/ giảm áp 48 3.1 Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái: .48 3.2 Áp dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái cho mô hình biến đổi DC-DC tăng/giảm áp 52 Chương Cấu trúc điều khiển biến đổi DC-DC tăng/giảm áp 55 4.1 Cấu trúc kinh điển điều khiển cho biến đổi DC-DC 55 4.2 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa xác biến đổi DC-DC tăng/ giảm áp .57 Chương Mô Matlab& Simulink 60 KẾT LUẬN 74 PHỤ LỤC 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO .78 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ Bảng Bảng So sánh hệ thống tích trữ .19 Bảng Phát triển lượng gió châu Á từ năm 2007 đến năm 2008 (MW) 21 Bảng Tổng hợp nhà sản xuất siêu tụ 27 Hình vẽ Hình 1 Hệ thống lưới điện có sử dụng BESS .12 Hình Phân loại nguyên lý hệ thống tích trữ lượng 13 Hình Hệ thống tích trữ lượng khí nén 14 Hình Hệ thống PHES 15 Hình Hệ thống tích trữ lượng bành đà .17 Hình Hệ thống FESS ghép nối với lưới 17 Hình Hệ thống tích trữ lượng cuộn dây siêu dẫn ghép nối với lưới xoay chiều 18 Hình Tổng công suất lượng gió giới qua năm 21 Hình Cấu tạo tụ hai lớp 23 Hình 10 Mô hình tụ hai lớp .24 Hình 11 Ghép nối phần tử siêu tụ để thành modul .28 Hình 12 Cách ghép nối nối tiếp song song tụ 29 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Hình 13 Lưới điện hệ thống xoay chiều pha sử dụng dự án 30 Hình 14 Lưới điện hệ thống chiều 30 Hình 15 Hệ thống tích trữ lượng ghép nối với lưới xoay chiều ba pha 33 Hình Mạch biến đổi tăng/giảm áp chiều 35 Hình 2 Chế độ Boost 36 Hình Mạch tương đương chế độ Boost van T1 dẫn, uo = 37 Hình Mạch tương đương chế độ Boost diod D2 dẫn, uo = 38 Hình Chế độ Buck 41 Hình Mạch tương đương chế độ Buck: (a) van T2 ngắt; (b) van T2 dẫn 41 Hình Mô hình hệ thống tích trữ lượng ghép nối với lưới xoay chiều ba pha 42 Hình Mạch tương đương BESS .43 Hình Sơ đồ khối cấu trúc mô hình động học BESS 46 Hình Điều khiển tuyến tính hóa xác quan hệ vào-ra đối tượng phi tuyến 49 Hình Tuyến tính hóa xác quan hệ vào-trạng thái đối tượng phi tuyến 50 Hình Hai cấu trúc điều khiển biến đổi DC-DC: (a) Chế độ điều khiển điện áp; (b) Chế độ điều khiển dòng điện 55 Hình Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực cho biến đổi DC tăng/giảm áp 59 Hình Mô hình mô Matlab & Simulink chế độ Boost 60 Hình Kết mô chế độ Boost thiết bị coi lý tưởng .62 Hình Các giá trị Ir, IL, Vout mô thiết bị lý tưởng .63 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Hình Cấu trúc mô thêm khâu tích phân mô hình không lý tưởng, có dao động điện áp đầu vào E, tải R 64 Hình 5 Giá trị hệ số Boost có biến thiên E, R mô hình không lý tưởng 65 Hình Các giá trị dòng IR , IL , Vout mô hình không lý tưởng .66 Hình Điện áp đầu không sử dụng khâu tích phân 67 Hình Điện áp đầu có sử dụng khâu tích phân 68 Hình Cấu trúc mô chế độ Buck 69 Hình 10 Giá trị dòng điện điện áp DLC chế độ Buck 70 Hình 11 Mô kết hợp chế độ Buck/Boost sử dụng DLC 71 Hình 12 Hệ số Boost, Vscap điện áp đầu 72 Hình 13 Hệ số Buck, Vscap iL 73 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu C Điện dung tụ điện CB1 Điện dung nối tiếp kho điện nạp/ xả CBP Điện dung kho điện Cscap Điện dung siêu tụ d Khoảng cách hai cực E Điện áp siêu tụ EDO Điện áp chiều cực đại qua mạch biến đổi AC-DC Emax Điện áp cực đại EN Điện áp siêu tụ chuẩn hóa i Dòng điện qua cuộn dây Iabc Véc tơ dòng điện qua kho điện hệ tọa độ αβ I BES Véc tơ dòng điện qua kho điện trục d IBESd Dòng điện qua kho điện trục q IBESq Dòng điện qua kho điện iC Dòng điện qua tụ DC Bus Imax Dòng điện cực đại Iodq Véc tơ dòng điện qua kho điện hệ tọa độ dq iR Dòng điện qua điện trở tải L Điện cảm cuộn dây Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS PBES Công suất hiệu dụng qua hệ thống kho điện (BESS) PDC Công suất hiệu dụng qua phần tử kho điện q Số xung mạch biến đổi QBES Công suất phản kháng qua hệ thống kho điện (BESS) QDC Công suất phản kháng qua phần tử kho điện R Điện trở mạch DC Bus RB1 Điện trở nối tiếp kho điện có nạp/xả RBP Điện trở đặc trưng cho khả tự xả kho điện RBS Điện trở kho điện RBT Điện trở gây ghép nối phần tử kho điện với T Chu kì PWM T1 Thời gian van bán dẫn T1 dẫn chu kì T T2 Thời gian van bán dẫn T2 dẫn chu kì T UBES Tín hiệu điều khiển phụ uo Hệ số Boost uu Hệ số Buck Vabc Véc tơ điện áp hệ tọa độ αβ VB1 Sụt áp gây kho điện nạp/xả VBOC max Điện áp cực đại đặt lên kho điện VBOC Điện áp cực tiểu đặt lên kho điện VBT Điện áp kho điện vdc Điện áp DC Bus VL - L Điện áp hiệu dụng pha - pha VL - N Điện áp hiệu dụng pha - đất Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Vodq Véc tơ điện áp hệ tọa độ dq Vt Véc tơ điện áp xoay chiều lưới vscap Điện áp siêu tụ x Véc tơ biến trạng thái x1, x2 Các biến trạng thái XCO Điện kháng chuyển mạch mạch biến đổi AC-DC Y-∆ Mắc - tam giác αR Góc mở mạch biến đổi AC-DC chế độ nạp βI Góc mở mạch biến đổi AC-DC chế độ xả φI Góc mở tương đương phần tử kho điện chế độ xả φR Góc mở tương đương phần tử kho điện chế độ nạp Chữ viết tắt AC Điện xoay chiều BESS Hệ thống tích trữ lượng CAES Hệ thống tích trữ khí nén D1, Diod 1, DC Điện chiều DC-AC Mạch chỉnh lưu/ nghịch lưu DC-DC Bộ biến đổi chiều - chiều DLC Tụ hai lớp dq Hệ tọa độ đồng FESS Hệ thống tích trữ sử dụng bánh đà Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS MBA Máy biến áp PHES Hệ thống tích trữ hồ thủy điện PWM Điều chế độ rộng xung SMES Hệ thống tích trữ cuộn dây siêu dẫn SC/UC Siêu tụ T1, Van bán dẫn 1, (IGBT hay MOSFET) αβ Hệ tọa độ đứng yên 10 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Từ thời điểm t = 0.01s đến 0.015s điện áp đầu vào E giảm từ 240V xuống 200V Và thời điểm t = 0.03s đóng thêm tải (thêm gấp đôi tải sử dụng) Kết mô sử dụng khâu tích phân giai đoạn đầu nhằm làm mềm điện áp đầu ra: Hình 5 Giá trị hệ số Boost có biến thiên E, R mô hình không lý tưởng 65 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Hình Các giá trị dòng IR , IL , Vout mô hình không lý tưởng Nhận xét: - Thời gian xác lập nhanh: 0.003s (giống trường hợp mô hình lý tưởng) - Đáp ứng có thay đổi điện áp đầu vào tốt (điện áp đầu gần không bị ảnh hưởng); Khi có tăng tải đột ngột (t = 0.03s) điện áp đầu nhanh chóng thiết lập lại sau bị sụt xuống 500V - Tồn sai lệch tĩnh: trước đóng thêm tải điện áp sai lệch cỡ vài V, sau tải đóng vào sụt áp đầu lên đến gần 10V Tồn sai lệch tĩnh mô hình không lý tưởng, ta thêm khâu tích phân để san sai lệch 66 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Kết mô với mô hình không lý tưởng sử dụng thêm khâu tích phân triệt tiêu sai lệch tĩnh: Hình Điện áp đầu không sử dụng khâu tích phân 67 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Hình Điện áp đầu có sử dụng khâu tích phân Nhận xét: Từ hình 5.7 5.8 ta thấy sử dụng khâu tích phân, điện áp đầu trường hợp thăng giáng E, R có giá trị gần với điện áp đặt 540V (sai lệch 2V ≈ 0.5% ) tốt nhiều không sử dụng khâu tích phân để bù sai lệch tĩnh (sai lệch gần chục V ≈ 2% ) 68 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS - Cấu trúc mô chế độ Buck: Hình Cấu trúc mô chế độ Buck 69 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Kết mô phỏng: Hình 10 Giá trị dòng điện điện áp DLC chế độ Buck Nhận xét: - Dòng nạp cho DLC đặt 100A, kết mô tốt - Điện áp DLC tăng (từ 220 V lên 221 V) chứng tỏ DLC nạp 70 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Mô kết hợp Buck/ Boost: Hình 11 Mô kết hợp chế độ Buck/Boost sử dụng DLC 71 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Kết mô phỏng: Từ - 0.07s : Siêu tụ xả lượng vào lưới (Chế độ Boost: Vscap giảm) Từ 0.07 - 0.1s: Siêu tụ nạp lượng từ lưới (Chế độ Buck: Vscap tăng) Hình 12 Hệ số Boost, Vscap điện áp đầu 72 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS Hình 13 Hệ số Buck, Vscap iL Nhận xét: - Điện áp DLC giảm (0 - 0.07s) chứng tỏ siêu tụ xả lượng tăng (0.07 - 0.1s) chứng tỏ siêu tụ nạp lượng - Trong suốt trình xả mạch biến đổi làm việc chế độ Boost (hệ số Buck = 0, tức van T2 hoàn toàn không dẫn) Trong suốt trình nạp mạch biến đổi làm việc chế độ Buck (hệ số Boost = 0, van T1 hoàn toàn không dẫn) - Điện áp đầu chế độ Boost cho chất lượng tốt có thay đổi điện áp đầu vào (điện áp DLC giảm dần) thời điểm 0.03s có tăng thêm tải Chế độ Buck đảm bảo dòng nạp vào siêu tụ (iL) giữ gần không đổi (= -100A) 73 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS KẾT LUẬN Kết mô cho ta thấy phương pháp tuyến tính hóa xác áp dụng mạch biến đổi DC-DC tăng/giảm áp đạt chất lượng tốt Điện áp đầu biến đổi phản ứng nhanh ( sai lệch điều chỉnh, thời gian độ độ điều chỉnh nhỏ) có thay đổi tải hay điện áp đầu vào Thậm chí mô với thiết bị không lý tưởng sai khác gần không đáng kể Tuy nhiên phương pháp điều khiển khác, mô hình không lý tưởng tồn sai lệch điều chỉnh Để sang sai lệch ta đưa thêm khâu tích phân bù vào tín hiệu điều chỉnh Từ kết mô thấy phương pháp tuyến tính hóa xác phương pháp điều khiển phi tuyến mạnh phát triển ứng dụng điều khiển biến đổi DC-DC Thời gian tới ta tiến hành thử nghiệm thực tế phương pháp điều khiển biến đổi DC-DC tăng/giảm áp phục vụ điều khiển thiết bị kho điện sử dụng hệ thống phát điện sức gió 74 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS PHỤ LỤC Chương trình viết tính toán điều khiển chế độ Boost: % Version function u = fcn(x) % % % % % Dong dien qua cuon day iL: Dien ap dau Vout: Dien ap dau vao E: Dong dien qua tai R: Tin hieu tu bo PID: x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) %% Tinh theo cong thuc duoc chuan hoa %% Dien ap dau vao la dien ap tren DLC gia tri ban dau la 24V % R L C Khoi tao = x(2)/x(4); = 2e-3; = 220e-6; % R = Ur/Ir % H % F Q = R*sqrt(C/L); T = sqrt(L*C); E = x(3); Vd = 540; % Day la gia tri dien ap dau vao % dien ap dau 540 V % Chuan hoa Emax = 1000; Imax = 500; a11 = Emax/Imax*sqrt(C/L); a21 = sqrt(L/C)/R; a22 = 1/a11; En = E/Emax; x1 = x(1)/Imax; x2 = x(2)/Emax; % Dien ap dau vao % Dong dien qua cuon cam L % Dien ap dau Ir = x(4)/Imax; Vdn = Vd/Emax; % Dong dien tai % Dien ap dat % diem lam viec dau ao: %Y = 0.5*(Vd^4/V^2/R^2/C + Vd^2/L); %Y = 0.5*a11*Vdn^2 * (Vdn^2*a21^2/En^2 + 1); % Cong thuc da chuan hoa %Y = 0.5*[Vd^4/Q^2 + Vd^2]; % diem lam viec dau ao X2 = Vdn; % Diem lam viec dien ap dau 75 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS X1 = a21*a11*X2^2 / En; Y = 0.5*(a22*X1^2 + a11*X2^2); z1 = 0.5*(a22*x1^2 + a11*x2^2); z2 = x1*En - a11*a21*x2^2 ; % % % % Diem Diem z1 = z2 = lam viec dong qua cam lam viec dau ao y y' % Cac diem cuc s1 = -1; s2 = -2 a0 = 2; a1 = 3; % Tinh toan gia tri Uav: la bien dieu khien % Nhu vay Uo = - Uav : la he so Boost % Cong thuc tinh toan cho BDK tuyen tinh hoa chinh xac gan diem cuc % Tinh toan Lf2A; LhLfA; W Lf2A = a11*En^2 + 2*a11*a21^2*x2^2; LhLfA = -a11*x2*En - 2*a21*x1*x2; W = - a1*z2 - a0*[z1 - Y]; % Uav: Uav = (-Lf2A + W) / LhLfA; %Uav = (a11*[E^2 + 2*a21^2*x2^2] + a1*[x1*E - a11*a21*x2^2] + a0*[0.5*(a22*x1^2 % + a11*x2^2) - Y]) / (x2*[a11*E + 2*a21*x1]); % Tinh theo cong thuc chuan hoa % Uav = ([V^2/L^2/C + 2*x2^2/L/C^2/R^2] + a1*[V*x1/L/C - x2^2/L/C/R]/T + % a0*[0.5*(x1^2/C + x2^2/L) - Y]/T^2) / (x2/L/C*[V/L + 2*x1/C/R]); %end; if x(2)