Luận văn: Hệ thống điều khiển song song nguồn phát phân tán dùng bộ điều khiển PR

Luận văn trình bày nghiên cứu hệ thống điều khiển song song cho nguồn phát phân tán, sử dụng bộ điều khiển dòng PR để nâng cao hiệu quả hoạt động.

• Tác giả: Lê Phương Hảo
• Người hướng dẫn: TS. Trần Trọng Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển chế độ làm việc song song của bộ ban đan công suất trong nguồn phát phân tán dùng bộ điều khiển động tỷ lệ công hưởng (PR)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Nguyên lý điều khiển song song nguồn phát phân tán

Điều khiển song song nguồn phát phân tán là một kỹ thuật quan trọng trong hệ thống năng lượng hiện đại. Kỹ thuật này cho phép nhiều nguồn phát điện độc lập hoạt động đồng thời với nhau, chia sẻ công suất một cách hiệu quả. Trong các ứng dụng năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, điều khiển song song giúp tối ưu hóa hiệu suất phát điện và cải thiện độ ổn định của lưới điện. Hệ thống này sử dụng các bộ điều khiển thông minh để đồng bộ hóa tần số, điện áp và pha giữa các nguồn phát. Việc áp dụng công nghệ điều khiển động tỷ lệ công suất (PR) đã chứng minh hiệu quả cao trong việc duy trì chất lượng điện năng và tăng độ tin cậy của hệ thống phân tán.

1.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển cơ bản

Hệ thống điều khiển cơ bản bao gồm các khối chuyên đổi công suất, bộ điều khiển tập trung và các cảm biến phản hồi. Cấu trúc điều khiển được thiết kế để giám sát dòng điện và điện áp từ mỗi nguồn phát. Các khối DC-DC và DC-AC đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán điều khiển phản hồi để điều chỉnh các thông số hoạt động theo thời gian thực, đảm bảo hiệu suất tối ưu.

1.2. Vai trò của bộ điều khiển động tỷ lệ công suất

Bộ điều khiển PR (Proportional-Resonant) là thiết bị chính để điều khiển dòng điện và điện áp trong các nguồn phát phân tán. Bộ điều khiển này có khả năng loại bỏ sai lệch của sóng hài và duy trì độ chính xác cao. Nó hoạt động dựa trên phản hồi tức thời từ các cảm biến, cho phép điều chỉnh nhanh chóng các thông số để phù hợp với điều kiện lưới điện. Công nghệ này giúp giảm tổn thất năng lượng và cải thiện factor công suất.

II. Cấu trúc bộ biến đổi đa mức trong hệ thống phân tán

Bộ biến đổi đa mức là thành phần quan trọng trong điều khiển song parallel của các nguồn phát phân tán. Cấu trúc này cho phép tạo ra các mức điện áp khác nhau, cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra. Bộ biến đổi đa mức kiểu cầu H nối tầng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) được sử dụng để điều khiển các switch công suất trong bộ biến đổi. Hệ thống này có thể hoạt động với các tần số khác nhau, đáp ứng yêu cầu của mạng lưới điện thông minh.

2.1. Cấu trúc bộ biến đổi kiểu cầu H nối tầng

Cấu trúc cầu H nối tầng bao gồm các mạch chuyên mạch công suất sắp xếp theo nhiều tầng. Mỗi tầng có khả năng tạo ra các mức điện áp +V, 0 hoặc -V tùy theo trạng thái của các switch. Cầu trúc này cho phép giảm sóng hài và cải thiện hiệu suất chuyên đổi. Các thành phần chính bao gồm khâu cách ly DC-DC, khâu cách ly DC-AC và các bộ tích điện để ổn định điện áp.

2.2. Phương pháp điều chế PWM trong bộ biến đổi đa mức

Điều chế PWM là kỹ thuật điều khiển xung cho phép điều chỉnh độ rộng xung để kiểm soát điện áp đầu ra. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả với bộ biến đổi da cấp vì nó có thể tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau. Kỹ thuật PWM giúp giảm bớt nội dung sóng hài, cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm tiếng ồn điện từ.

III. Hệ thống điều khiển dòng năng lượng UPEC

Hệ thống điều khiển UPEC (Unified Power Electronic Converter) là một giải pháp toàn diện cho việc quản lý dòng năng lượng trong các hệ thống nguồn phát phân tán. Hệ thống này cho phép điều khiển đồng thời công suất thực và phản kháng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định. Nguyên lý điều khiển UPEC dựa trên phương pháp điều khiển vector trong hệ tọa độ dq, cho phép giải tách công suất thực và phản kháng. Ứng dụng công nghệ này giúp giảm sóng hài, cải thiện factor công suất, và tăng khả năng tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện. Hệ thống UPEC đã được chứng minh trong các ứng dụng thực tế với hiệu suất vượt trội.

3.1. Nguyên lý hoạt động của điều khiển UPEC

Nguyên lý điều khiển UPEC sử dụng phương pháp điều khiển vector (vector control) để quản lý công suất. Hệ thống biến đổi tín hiệu từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq0 để dễ dàng kiểm soát các thành phần công suất. Bộ điều khiển PLL (Phase-Locked Loop) được sử dụng để đồng bộ với lưới điện, đảm bảo pha của điện áp được nội suy chính xác. Cơ chế phản hồi cho phép điều chỉnh liên tục các thông số để đạt được mục tiêu điều khiển.

3.2. Ứng dụng điều khiển dòng công suất thực

Điều khiển dòng công suất trong hệ thống UPEC cho phép quản lý năng lượng truyền từ các nguồn phát phân tán đến lưới điện hoặc tải. Hệ thống này sử dụng các tín hiệu phản hồi để điều chỉnh dòng điện đầu ra, đảm bảo công suất truyền tải không vượt quá giới hạn cho phép. Kỹ thuật này rất quan trọng trong việc cân bằng tải và duy trì ổn định lưới điện.

IV. Kết quả mô phỏng và hiệu quả thực tế của hệ thống

Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển song parallel với bộ điều khiển PR đạt được hiệu suất rất cao. Mô phỏng bộ chỉnh lưu tích cực đa mức ba pha nối tầng cho thấy sai lệch giữa giá trị đặt và đầu ra điện áp DC nằm trong phạm vi chấp nhận được. Tín hiệu điện áp tổng hợp trên cả ba pha có dạng sóng hình sin gần hoàn hảo với THD (Total Harmonic Distortion) thấp. Các bộ matrix converter được mô phỏng cho thấy khả năng chuyên đổi năng lượng linh hoạt và hiệu quả. Các thông số kỹ thuật cần thiết như tần số, điện áp và dòng điện đều được duy trì ở mức ổn định, chứng minh tính khả thi của hệ thống trong ứng dụng thực tế.

4.1. Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu đa mức ba pha

Mô phỏng bộ chỉnh lưu da mức ba pha cho thấy tín hiệu dòng điện và tín hiệu điện áp được điều khiển rất chính xác. Sai lệch giữa giá trị tham chiếu và giá trị đo lường rất nhỏ, chứng tỏ hiệu suất của bộ điều khiển PR rất cao. Tín hiệu trên pha C và các pha khác đều thể hiện đặc tính tương tự, cho thấy hệ thống hoạt động cân bằng. Kết quả này chứng minh rằng kỹ thuật điều khiển được áp dụng là hiệu quả.

4.2. Hiệu quả thực tế và ứng dụng công nghiệp

Các kết quả thực nghiệm từ hệ thống nguồn phát phân tán cho thấy điều khiển song parallel có khả năng tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện hiệu quả. Hệ thống điều khiển được phát triển có thể ứng dụng trong các nhà máy điện phân tán, hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới và các ứng dụng công nghiệp khác. Tính năng điều khiển động và linh hoạt của hệ thống cho phép nó thích nghi với các điều kiện lưới điện khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI LE PHUONG HAO NGHIEN CUU HE THONG DIEU KHIEN CHE DO LAM VIEC SONG SONG CUA BO BAN DAN CONG SUAT TRONG NGUON PHAT PHAN TAN DUNG BO DIEU KHIEN DONG TY LE CONG HUONG (PR) LUAN VAN THAC Si KHOA HOC NGANH: DIEU KHIEN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HA NOI, NAM 2013 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp Lời cảm ơn! Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Trần Trọng Minh, các thầy cô trong bộ môn Tự đông hoá, cùng với sự nỗ lực của bản thân, sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của gia đình bạn bẻ em đã hoàn thành để tài luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thay giáo TS. Trần Trọng Minh, người đã luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tỉnh hướng dẫn em trong suốt quả trinh thực hiện luận văn.

Các vấn đề được để cập đến trong quyền luận văn này chắc chắn không tránh Khôi thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thây cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoản thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội ngày tháng năm 2013 Tác giả Lê Phương Hảo Học viên: Lê Phương Hảo Page 1 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp MỤC LỤC Danh mục hình vẽ. DAT VAN DE 12 VAN DE VA PHAM VI NGHIEN CUU. 13 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI s 13 Chuong 1 CAU TRUC TONG THE CUA BO BIEN ĐỎI.

Cấu trúc chuyển đi 1. Cấu trúc sơ bộ 14 1. Cấu trúc chỉ tiết. Khâu cách ly DC-DC.

Khâu cách ly DC-AC. Xây dựng sơ đồ cấu trúc. Nguyên lý điều khiển của sơ đồ và thông số kỹ thuật cần thiết. i NHià4002018i88 acct ae Chuong 2 BO BIEN TAN DA MUC.

Các cấu trúc bộ biến tần đa mức 2. Cấu trúc bộ biến tần đa mức kiểu cầu H nối tầng 2. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. Bộ iến tần đa cấp một pha dùng cầu chữ H cách ly.

Học viên: Lê Phương Hảo Page 2 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp 4. Cầu trúc chỉ tiết các khối 2 81 4.4 Kết quả mô phỏng sits TC inant i a 83 Nhận xét. Bộ chỉnh lưu tích cực đa mức nối tầng xây dựng trên bộ biến đổi DC- 4.1 Cầu trúc và hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi. — 85 472 Théng sé va m6 hinh mé phéng.73 Kết quả mô phỏng.

-Ö 88 ANHẬHÑ Ẩ cs : cece tiie OS ARACEAE Wwe e ee BO 4. Bộ chỉnh lưu tích cực đa mức ba pha nối tầng xây dựng trên bộ biến đổi 4. Cấu trúc điều khiển.2 Thông số và mô hình mô phỏng. 2222222222222 9] 483 Kết quả mô phỏng Ls SG LS = 92 Nhận xét 93 4.

Hệ thống điều khiển dòng năng lượng UPEC.1 Nguyên lý điều khiển UPEC. Nguyên lý điều khiển dòng công suất 95 CHUONG 5: SO DO MO PHONG TONG THE CUA BO BIEN DOI.1 Bộ biến đổi tổng thể.ằàc cà sàn neeereerrerrereee eee LOL §.1 Mô hình mô phỏng. Học viên: Lê Phương Hảo Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp Hình 3.19: Tín hiệu dòng điện một chiều của bộ biển đôi s ; Số Hình 3. te BỊ a ae e tn ns en se SHA Hình 3.21: Mô hình mô phông chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ 08ÿ.22: Đồ thị thể hiện quá trình chuyén từ hệ trục tọa độ 0d sang hệ tọa độ 56 Hình 3.23 : Mô hình mô phông bộ chuyên đôi hệ tọa độ từ 0a sang hệ tọa độ 0đ.24: Mô hình mô phỏng bộ chuyên đổi hệ tọa độ từ 0dạ sang hệ tọa độ abe.25: Mô hình mô phỏng bộ điểu chỉnh dòng điện trong hệ tọa độ odq.26: Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa đô dạ tựa điện áp va OY Hình 3.27: Cầu trúc khối dong bộ tựa điện áp lưới PLL.26: Cầu trúc điều khiển của bộ biến đổi.29: Mô hình mô phỏng bộ chỉnh lưu da mức ba pha.

con 8aơsien (Ế Hình 3.30: Tín hiệu sai lệch giữa lượng đăi và đâu ra tổng phía một chiều Hình 3.31: Tín hiệu điện áp trên pha C.32: Tin hiệu điện áp tông hợp trên cả ba pha.1: Sơ đồ bộ biển đổi DC-4C¬-4Œ ting matrix COnVeI†et. OF Hình 42: Mau xung diéu khién PWM cho matrix converter. - soe vee OF Hình 4.3: Dé thi qua bong trang thái chuyển mạch giữa hai pha đầu vào.4: Sơ đồ cấu trúc khâu chuyên mạch van hai chiều Cyelo-Cowveler. 69 Học viên: Lê Phương Hảo Page 9 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp Hình 3.19: Tín hiệu dòng điện một chiều của bộ biển đôi s ; Số Hình 3.

te BỊ a ae e tn ns en se SHA Hình 3.21: Mô hình mô phông chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ 08ÿ.22: Đồ thị thể hiện quá trình chuyén từ hệ trục tọa độ 0d sang hệ tọa độ 56 Hình 3.23 : Mô hình mô phông bộ chuyên đôi hệ tọa độ từ 0a sang hệ tọa độ 0đ.24: Mô hình mô phỏng bộ chuyên đổi hệ tọa độ từ 0dạ sang hệ tọa độ abe.25: Mô hình mô phỏng bộ điểu chỉnh dòng điện trong hệ tọa độ odq.26: Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa đô dạ tựa điện áp va OY Hình 3.27: Cầu trúc khối dong bộ tựa điện áp lưới PLL.26: Cầu trúc điều khiển của bộ biến đổi.29: Mô hình mô phỏng bộ chỉnh lưu da mức ba pha. con 8aơsien (Ế Hình 3.30: Tín hiệu sai lệch giữa lượng đăi và đâu ra tổng phía một chiều Hình 3.31: Tín hiệu điện áp trên pha C.32: Tin hiệu điện áp tông hợp trên cả ba pha.1: Sơ đồ bộ biển đổi DC-4C¬-4Œ ting matrix COnVeI†et. OF Hình 42: Mau xung diéu khién PWM cho matrix converter. - soe vee OF Hình 4.3: Dé thi qua bong trang thái chuyển mạch giữa hai pha đầu vào.4: Sơ đồ cấu trúc khâu chuyên mạch van hai chiều Cyelo-Cowveler.

69 Học viên: Lê Phương Hảo Page 9 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp 2. Phân tích câu trúc bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu 7 mức 29 2. Cấu trúc chỉ tiết các khôi , — ‘ 5 sae 2.3 Kết quả mô phỏng.6 Bộ biến tần đa cấp ba pha.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.2 Mô hình mô phỏng.3 Kết quả mô phỏng. ‘sean # asses SE Nhận xót.

" ee ce eee eee e eee " ¬.- Chương 3 BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC XÂY DỰNG TRÊN CÁU TRÚC BIẾN TẢN ĐA MỨC. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu tích cực một pha. Nguyên lý hoạt động — —. Hệ thống điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu tích cực một pha.

Phương pháp điều chỉnh dòng PI tuyến tính 40 3. Phương pháp điều chỉnh dòng PI công hưởng (PR). Bộ chỉnh lưu tích cực một pha 331 Cấu trúc vàhệ thông điều khiển của bộ biến đổi 43 3.2 Thông số và mô hình mô phỏng.3, Cấu trúc chỉ tiết các khối ¬— - cones - .4 Kết quả mô phỏng a sal a ti si 48 Hoe vién: Lé Phuong Hao Page 3 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Cẩu trúc tổng thể của bộ biển đỗi.2: Cấu trúc sơ bộ của bộ biến đổi. co tos sas sas te ste cou 1S Hinh 1.3: MG hinh cau tric b6 biéndéi ái 5 edd Hinh 1.4: Mô hình bộ biên đôi một pha với khâu cách ly DC-DC.5: Mô hình bộ biển đổi một pha với khâu cach ly DC-AC két hop với khâu Cyclo-Converter ` 4 ` s -Ö đ Hình 1.6: Cấu trúc chỉ tiết ba pha của bộ biến đổi với quả trình chuyển đôi đa cap.

: Eire aioe tHươn arm .1: _ Sơ đồ cẩu trúc bộ biến tần đa mức dùng điôt chốt .2: Sơ đồ cẩu trúc bộ biến tân đa mức dùng fluing-capaeitor.3: Sơ đồ cầu trúc bộ biến tân đa mức kiểu nói tẳng.4: Sơ đồ đa mức dùng cầu H-bridge.5: Phương pháp điều chế PHM dịch pha cho nghịch lưu 3 câu H nói tân.6: Mô hình mô phỏng bộ biển tần 7 mức một pha.7: Khâu tạo ra hệ thống xung tam giác ngược pha nhau 180.8: Khâu tạo tín hiệu xung đi đóng cắt các van trên mỗi cẳu. fas) BE Hình 2.9: Hình dạng điện áp ra.10: Tin hiéu diéu chế PIWM cho bộ biên tần ba pha ba cấp.11: Mô hình mô phỏng bộ biến tần đa mức ba pha. 33 Học viên: Lê Phương Hảo Page 7 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp 2. Phân tích câu trúc bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu 7 mức 29 2.

Cấu trúc chỉ tiết các khôi , — ‘ 5 sae 2.3 Kết quả mô phỏng.6 Bộ biến tần đa cấp ba pha.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.2 Mô hình mô phỏng.3 Kết quả mô phỏng. ‘sean # asses SE Nhận xót. " ee ce eee eee e eee " ¬.- Chương 3 BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC XÂY DỰNG TRÊN CÁU TRÚC BIẾN TẢN ĐA MỨC. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu tích cực một pha.

Nguyên lý hoạt động — —. Hệ thống điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu tích cực một pha. Phương pháp điều chỉnh dòng PI tuyến tính 40 3. Phương pháp điều chỉnh dòng PI công hưởng (PR).

Bộ chỉnh lưu tích cực một pha 331 Cấu trúc vàhệ thông điều khiển của bộ biến đổi 43 3.2 Thông số và mô hình mô phỏng.3, Cấu trúc chỉ tiết các khối ¬— - cones - .4 Kết quả mô phỏng a sal a ti si 48 Hoe vién: Lé Phuong Hao Page 3 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp Nhân xét.4 Bộ chỉnh lưu tích cực đa mức.1 Cấu trúc và hệ thống điều khiển. Thông số và mô hình mô phỏng. Kết quả mô phỏng 52 3. Bộ chỉnh lưu đa mức ba pha .1 Thuật toán điều khiển trong chế đô ba pha 53 3.

Câu trúc và hệ thông điều khiển 61 3.3, Mé hinh m6 phong. Kết quả mô phỏng. ng nee s 64 NHậN KEE iis scans à X si e i at. 64 Chương 4: BỘ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC ĐA MỨC XÂY DỰNG TRÊN BỘ BIẾN ĐỎI DC-AC-AC CÓ CÁCH LY TAN SO CAO.1 Bộ biến đổi DC-AC-AC dùng matrix conVerter.2 Điều chế PWM cho bộ biến đổi DC-AC-AC dùng matrix converter.3 Điều khiển chuyển mach cho Matrixconverter.4 Nghịch lưu đa mức xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC.5 Ứng dụng của nghịch lưu đa mức nối tầng.6 Bộ chỉnh lưu tích cực xây dựng trên bộ biến đổi DC-AC-AC.1 Cấu trúc và hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi 76 4.2 Thông số và mô hình mô phỏng 79 Học viên: Lê Phương Hảo Page 4 Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn: TĐH-YVi Nghiệp Công Nghiệp 4.