Luận án Điều khiển thông minh máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi nối lưới

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI NỐI LƯỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI NỐI LƯỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : 1. TS. PHẠM CÔNG DUY 2. TS. LƯU HOÀNG MINH Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan và xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung của luận án tiến sĩ “Điều khiển thông minh máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ứng dụng cho hệ thống năng lượng gió tốc độ thay đổi nối lưới” là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các tài liệu tham khảo trong qúa trình thực hiện luận án đều được trích dẫn rõ ràng theo quy định. Kết quả và kết luận trong luận án tiến sĩ là hoàn toàn trung thực. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024 Nghiên cứu sinh NCS. Nguyễn Ngọc Anh Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới toàn thể quý cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo sau đại học, cũng như các Thầy Cô đã tham gia giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu khoa học, cùng tập thể các phòng, ban tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn học nghiên cứu sinh đã góp ý và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện. Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể người hướng dẫn đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong học tập và nghiên cứu khoa học. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã động viên, chia sẽ khó khăn để tôi có thể tập trung hoàn thành luận án. Mặc dù đã có cố gắng và nỗ lực trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án, nhưng luận án vẫn còn nhiều thiếu sót do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian. Nghiên cứu sinh rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy Cô giáo, các bạn và các đồng nghiệp để luận án hoàn thiện hơn và tiếp tục nghiên cứu trong tương lai. Trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024 Nghiên cứu sinh NCS. Nguyễn Ngọc Anh Tuấn iii TÓM TẮT Trong luận án này, đầu tiên, tác giả đề xuất phương pháp điều khiển từ thông stator không đổi, cho bộ biến đổi phía máy của hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nhằm đạt được công suất tối ưu và đồng thời giảm giá thành. Thứ hai, tác giả tiếp cận các thuật toán tối ưu Heuristic, để giải quyết vấn đề tối ưu điểm công suất cực đại. Tiếp theo, tác giả đề xuất thuật toán tiến hóa vi phân để giải quyết vấn đề tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống trên. Cuối cùng, tác giả đề xuất mạng nơ-ron hàm xuyên tâm huấn luyện ngoại tuyến, dựa trên cơ sở dữ liệu của thuật toán tiến hoá vi phân tìm điểm công suất cực đại, đồng thời kết hợp với phương pháp điều khiển dòng điện stator hằng số, nhằm đạt được công suất tối ưu, đáp ứng điều khiển tốt và giảm giá thành hệ thống điều khiển. Từ khóa: - Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm (RBFNN), dòng điện stato trục d (ZDC), hệ số công suất thống nhất (UPF), liên kết từ thông stator không đổi (CSFL). iv ABSTRACT Firstly, the constant stator flux control method, for machine-side converter in permanent magnet synchronous generator wind energy system, under randomly variable wind speed cases, is proposed in this thesis, in order to achieve optimal performance and reducing the costs. Secondly, the Heuristic algorithms is approached, that is a technique designed for solving the maximum power point problems. The author proposes the differential evolution algorithm, in solving the problems of finding the maximum power point tracking for the wind energy system. Finally, the author proposes a radial functional neural network, that trained offline and based on the data of the differential evolutionary algorithm to find the maximum power point and combined with the control technique of constant stator current, applied to wind turbine systems using permanent magnet synchronous generators, in order to achieve optimal power, good response and reduce costs. Keywords: - Permanent magnet synchronous generator (PMSG), maximum power point tracking (MPPT), radial basis function neural network (RBFNN), zero d-axis stator current (ZDC), unity power factor (UPF), constant stator flux-linkage (CSFL). v MỤC LỤC trang LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii TÓM TẮT...iii ABSTRACTiv MỤC LỤCv DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ...................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. xiii MỞ ĐẦU......1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1 2. Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án .......................................................... 5 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................................................... 6 4. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 6 5. Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........ 7 6. Bố cục của luận án ........................................................................................... 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ ..................................... 9 1.1. Tổng quan về năng lượng gió .......................................................................... 9 1.1.1. Tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới ......................... 9 1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng gió ở Việt Nam ........................ 12 1.1.2.1.Tiềm năng năng lượng điện gió .............................................. 12 1.1.2.2.Điểm mạnh và điểm yếu về phát triển điện gió ...................... 13 1.2. Cấu tạo hệ thống tuabin gió ........................................................................... 15 1.2.1. Tháp đỡ .................................................................................... 155 1.2.2. Cánh quạt ................................................................................... 16 1.2.3. Bộ điều khiển ............................................................................. 17 1.2.4. Hộp số ........................................................................................ 17 1.2.5. Máy phát điện ............................................................................ 18 1.2.6. Thiết bị đo gió ............................................................................ 18 1.3. Các loại máy phát điện trong hệ thống tuabin gió ......................................... 19 1.4. Mô hình toán học tuabin gió .......................................................................... 26 1.5. Mô hình toán học máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .................... 28 1.6. Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 30 vi CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN STATOR TRỤC d TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ............................................................... ...31 2.1. Các phương pháp điều khiển dòng stator trục d ............................................ 32 2.2. Điều khiển dòng stator trục d bằng không ..................................................... 33 2.3. Điều khiển hệ số công suất bằng 1 .............................................................. 355 2.4. Điều khiển từ thông stator bằng hằng số ..................................................... 366 2.5. Phân tích và so sánh ba phương pháp điều khiển dòng ............................... 388 2.6. Kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 44 2.7. Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 49 CHƯƠNG 3 CÁC THUẬT TOÁN THÔNG MINH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ ................................................................................................... 50 3.1. Các thuật toán thông minh cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại . 50 3.2. Thuật toán di truyền ....................................................................................... 51 3.3. Thuật toán tối ưu bầy đàn .............................................................................. 53 3.4. Thuật toán tối ưu hóa cân bằng ..................................................................... 55 3.5. Thuật toán tiến hóa vi phân ........................................................................... 58 3.6. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 62 3.7. Kết luận và hướng phát triển ......................................................................... 69 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT DÙNG RBFNN KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN DÒNG TRỤC d ......................................................................... 70 4.1. Tổng quan thuật toán bám điểm công suất cực đại ....................................... 70 4.2. Thuật toán bám điểm công suất cực đại thông thường .................................. 70 4.3. Đề xuất mạng thần kinh hàm cơ sở xuyên tâm dựa trên phương pháp MPPT70 4.3.1. Cấu trúc của RBFNN ................................................................. 72 4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển RBFNN .................................................. 72 4.4. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 75 4.5. Kết luận và hướng phát triển ........................................................................ 81 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 82 1. Kết luận .......................................................................................................... 82 2. Hướng phát triển đề tài .................................................................................. 82 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH..83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 84 PHỤ LỤC. .... .92 vii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt 1. ASEAN Association of Southeast Asian Nations Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á 2. BTB Back-To-Back Bộ biến đổi liên tục 3. COP Conference Of the Parties Hội nghị các bên 4. CSFL Constant Stator Flux-Linkage Liên kết từ thông stator không đổi 5. DE Differential Evolution Thuật toán tiến hóa vi phân 6. DFIG Doubly-Fed Induction Generator Máy phát điện cảm ứng nguồn kép 7. EO Equilibrium Optimizer Tối ưu hóa cân bằng 8. EVN VietNam Electricity Tập đoàn điện lực Việt Nam 9. FIT Feed In Tariff Biểu giá điện hỗ trợ 10. GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền 11. GSC Grid‐Side Converter Bộ chuyển đổi phía lưới 12. GWEC Global Wind Energy Council Hội năng lượng gió toàn cầu 13. IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế 14. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly 15. IRENA International Renewable Energy Agency Cơ quan năng lượng tái tạo quốc tế viii TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt 16. IUCN International Union for Conservation of Nature Liên minh bảo tồn thiên nhiên quốc tế 17. 2L-VSC Two-Level Voltage-Source Converter Bộ chuyển đổi nguồn điện áp hai cấp 18. MPPT Maximum Power Point Tracking Theo dõi điểm công suất cực đại 19. MPP Maximum Power Point Điểm công suất cực đại 20. OECD Organisation for Economic Co- operation and Development Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế 21. OPEC Organization of the Petroleum Exporting Countries Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ 22. PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 23. PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 24. PPA Power Purchase Agreement Hợp đồng mua bán điện 25. P&O Perturb and Observe Hỗn loạn và quan sát 26. PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu hóa bầy đàn 27. RBFN Radial Basis Function Network Mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm 28. SCIG Squirrel-Cage Induction Generator Máy phát điện cảm ứng lồng sóc 29. TSR Tip Speed Ratio Tỷ lệ tốc độ đầu ix TT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt 30. UPF Unity Power Factor Hệ số công suất đồng nhất 31. WECS Wind Energy Conversion System Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 32. WRIG Wound Rotor Induction Generator Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 33. WRSG Wound Rotor Synchronous Generator Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn 34. ZDC Zero d-axis Stator Current Dòng điện stator trục d bằng không x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1 Năng lượng điện gió .............................................................................. 2 Hình 1.1 Toàn cảnh năng lượng toàn cầu ......................................................... 10 Hình 1.2 Công suất năng lượng điện gió toàn cầu từ năm 2001-2021 .............. 11 Hình 1.3 Cấu tạo của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Error! Bookmark not defined. Hình 1.4 Cấu trúc của tuabin gió ...................... Error! Bookmark not defined.7 Hình 1.5 Cấu hình WECS tốc độ cố định dùng SCIG .................................... 221 Hình 1.6 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRIG ...................... 221 Hình 1.7 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng DFIG ......................... 22 Hình 1.8 Cấu hình WECS tốc độ bán thay đổi sử dụng WRSG/SCIG/ PMSG . 22 Hình 1.9 Cấu hình WECS tốc độ thay đổi sử dụng WRSG ............................... 22 Hình 1.10 Sự phụ thuộc của Cp vào α và β ...................................................... 27 Hình 2.1 Sơ đồ khối của các phương thức vận hành dòng stator trục d đề xuất 33 Hình 2.2 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển ZDC . 34 Hình 2.3 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển UPF Error! Bookmark not defined. Hình 2.4 Đồ thị vectơ không gian của máy phát đồng bộ với điều khiển CSFL.. ................................................................................................ 377 Hình 2.5 Đồ thị vectơ không gian ba trường hợp điều khiển dòng stator trục d..38 8 Hình 2.6 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian: (a) tốc độ gió; (b) dòng điện stator trục d trong ba phương pháp điều khiển; (c) dòng stator trục q trong ba phương pháp điều khiển; (d) từ thông stator trong ba phương pháp điều khiển. .................................................................................................... 41 Hình 2.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của công suất tác dụng và công suất phản kháng trong ba phương pháp điều khiển ..................... 41 Hình 2.8 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của công suất biểu kiến trong ba phương pháp điều khiển .............................................................. 42 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian của hệ số công suất trong ba phương thức vận hành ........................................................................ 42 xi Hình 2.10 Kết quả mô phỏng dạng sóng trong miền thời gian với dòng điện stator trong ba phương pháp điều khiển ............................................................ 42 Hình 2.11 Cấu hình HIL đề xuất ...................................................................... 46 Hình 2.12 Thiết lập thực nghiệm HIL trên OPAL-RT OP5707XG.46 Hình 2.13 Cấu hình kết nối phần cứng OP5707XG với dao động ký DSOX 2014A.46 Hình 2.14 Dòng điện id trong 3 phương pháp điều khiển47 Hình 2.15 Dòng điện iq trong 3 phương pháp điều khiển48 Hình 2.16 Công suất tác dụng và công suất phản kháng của 3 phương pháp điều khiển...48 Hình 3.1 Các vùng hoạt động của hệ thống biến đổi năng lượng gió ................ 51 Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật của thuật toán di truyền ......................................... 53 Hình 3.3 Lưu đồ giải thuật của thuật toán bầy đàn ........................................... 54 Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán tối ưu hóa cân bằng ......................... 58 Hình 3.5 Quá trình đột biến .............................................................................. 60 Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật của thuật toán tối ưu hóa cân bằng ......................... 61 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng dạng sóng tốc độ gió ............................................ 67 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng hệ số công suất tua-bin: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE........................................................... 64 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin và tốc độ quay rotor: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE. ................. 65 Hình 3.10 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin: (a) Trường hợp GA, PSO và EO; (b) Trường hợp GA, PSO và DE. ................................................. 65 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp EO và PSO.. .................................................................................................... 66 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp EO và GA ................................................................................................... 66 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp DE và PSO.. .................................................................................................... 66 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng dạng sóng công suất tuabin trong trường hợp DE và GA ................................................................................................... 67 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng tính ổn định của thuật toán GA, PSO và EO thông qua độ lệch chuẩn ............................................................................................. 68 xii Hình 3.16 Kết quả mô phỏng tính ổn định của thuật toán GA, PSO và DE thông qua độ lệch chuẩn ............................................................................................. 68 Hình 4.1 Đề xuất huấn luyện RBFN dựa trên đường cong công suất tối đa của thuật toán DE.. .......................................................................................... 71 Hình 4.2 Thiết kế và triển khai bộ điều khiển RBFN: (a) sơ đồ khối của phương pháp MPPT sử dụng RBFN; (b) Khối RBFN trong MATLAB; (c) cấu trúc của RBFN trong MATLAB ..................................................................................... 75 Hình 4.3 Hệ thống chuyển đổi tuabin gió với thiết kế MPPT sử dụng RBFN đề xuất và sơ đồ khối điều khiển dòng stator trục d .............................................. 76 Hình 4.4 Sơ đồ huấn luyện mạng nơ-ron .......................................................... 76 Hình 4.5 Hệ thống tuabine gió: (a) Tốc độ gió; (b) dòng điện stator trục d; (c) dòng điện stator trục q; (d) Từ thông stator ...................................................... 78 Hình 4.6 Công suất tác dụng và công suất phản kháng ................................