Tài liệu Xây dựng bộ điều khiển dòng bằng phương pháp tối ưu bầy đàn pso

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG GIẢI THUẬT BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU BẦY ĐÀN (PSO) S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2014-05TĐ S KC 0 0 4 8 0 5 Tp. Hồ Chí Minh, 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM XÂY DỰNG GIẢI THUẬT BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU BẦY ĐÀN (PSO) Mã số: T2014-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS. Trần Quang Thọ TP. HCM, tháng 11 / 2014 THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI Báo cáo MỤC LỤC Trang Chương Mở đầu 1. Tổng quan 1 2. Tính cấp thiết 1 3. Mục tiêu 2 4. Cách tiếp cận 2 5. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2 6. Nội dung 2 7. Kết quả nghiên cứu 3 8. Giá trị khoa học và ứng dụng 3 9. Hiệu quả nghiên cứu 3 10. Kết luận 3 11. Hướng phát triển 4 Chương 1. Mô hình nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha 1.1. Mô hình dàn pin mặt trời 5 1.2. Điều chỉnh điện áp một chiều DC 10 1.3. Vòng khóa pha PLL 11 Chương 2. Xác định tham số bộ điều khiển dòng đi ện bằng phương pháp Ziegler-Nichols 2.1. Giới thiệu 12 2.2. Nguyên lý điều khiển dòng PI 14 2.3. Xác định các tham số bằng phương pháp Ziegler-Nichols 18 2.4. Kết quả mô phỏng 19 2.5. Nhận xét kết quả 24 Chương 3. Xác định tham số bộ điều khiển dòng bằng GA và PSO 3.1. Phương pháp GA 25 3.1.1. Giải thuật GA 26 3.1.2. Kết quả mô phỏng 27 3.1.3. Nhận xét kết quả (GA) 31 T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Báo cáo 3.2. Phương pháp PSO 32 3.2.1. Giải thuật PSO 32 3.2.2. Kết quả mô phỏng theo PSO 34 3.2.3. Nhận xét (PSO) 38 Chương 4. Nhận xét – Kết luận 4.1. Tóm tắt kết quả 39 4.2. Nhận xét chung 39 4.3. Kết luận 40 4.4. Hướng phát triển 41 Tài liệu tham khảo 42 Phụ lục Bản sao Thuyết minh đề tài đã đư ợc phê duyệt T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Báo cáo DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Thông số mô phỏng Bảng 4.1. Kết quả mô phỏng của 3 trường hợp T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Báo cáo DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bản đồ bức xạ thế giới của NASA Hình 1.2. Phân bố của bức xạ Mặt trời Hình 1.3. Cấu tạo của pin mặt trời Hình 1.4. Hoạt động của tế bào quang điện Hình 1.5. Qui trình chế tạo pin mặt trời Hình 1.6. Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời Hình 1.7. Thông số tấm pin 85W của hãng RedSun Hình 1.8. Đặc tuyến V-A của dàn pin thay đổi theo bức xạ Hình 1.9. Đặc tuyến V-W của dàn pin thay đổi theo bức xạ Hình 1.10. Giải thuật P&O Hình 1.11. Khối dò đi ện áp Vref Hình 1.12. Khối điều chỉnh điện áp Vdc Hình 1.13. Khối vòng khóa pha PLL Hình 2.1. Các phương pháp điều khiển dòng điện trong nghịch lưu Hình 2.2. Nguyên lý hệ thống nghịch lưu nối lưới Hình 2.3. Các kỹ thuật điều chế trong nghịch lưu 3 pha Hình 2.4. Quan hệ giữa điện áp và dòng đi ện trong hệ tọa độ đồng bộ dq Hình 2.5. Nguyên lý vòng điều khiển dòng điện Hình 2.6. Sơ đồ đơn giản mạch lọc LCL Hình 2.7. Đáp ứng theo hàm step của nghịch lưu có lọc LCL Hình 2.8. Mô hình mô phỏng Hình 2.9. Đáp ứng công suất P và Q Hình 2.10. Đáp ứng dòng điện và điện áp 3 pha Hình 2.11. Đáp ứng dòng và áp pha A (1/6) Hình 2.12. Sóng hài dòng điện pha A trong khoảng thời gian t1=3.02% Hình 2.13. Sóng hài dòng đi ện pha A trong khoảng thời gian t2=7.45% Hình 2.14. Sóng hài dòng đi ện pha A trong khoảng thời gian t3=3.51% Hình 2.15. Đáp ứng của dòng điện Idq Hình 2.16. Đáp ứng phát và thu Iq_ref tại t=0.4 s và t=0.6 s Hình 2.17. Đáp ứng phát và thu Q tại t=0.4 s và t=0.6 s với THD bằng 5.09% T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Báo cáo Hình 3.1. Lưu đồ giải thuật GA Hình 3.2. Kết quả quá trình thực hiện theo GA Hình 3.3. Đáp ứng công suất P và Q Hình 3.4. Đáp ứng dòng điện và điện áp 3 pha Hình 3.5. Đáp ứng dòng đi ện và điện áp pha A (1/6) Hình 3.6. THD dòng điện pha (GA) trong khoảng t1<0.2 s là 1.78% Hình 3.7. THD dòng điện pha (GA) trong khoảng 0.20.6 s là 1.62% Hình 3.10. Đáp ứng của dòng điện Idq Hình 3.11. Giải thuật PSO Hình 3.12. Kết quả thực hiện giải thuật PSO Hình 3.13. Đáp ứng công suất Hình 3.14. Đáp ứng dòng áp 3 pha Hình 3.15. Đáp ứng dòng áp pha A Hình 3.16. THD dòng đi ện pha (PSO) trong khoảng t1<0.2 s là 1.45% Hình 3.17. THD dòng đi ện pha (PSO) trong khoảng 0.20.6 s là 1.35% Hình 3.20. Đáp ứng dòng điện Idq T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Báo cáo DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DG: Distributed generation MPPT: maximum power point tracker PLL: Phase lock loop PI: Proportional Integral current controller PR: Proportional Resonant current controller THD: Total harmonic distortion T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. HCM, Ngày 5 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Xây dựng bộ điều khiển dòng bằng phương pháp tối ưu bầy đàn PSO - Mã số: T2014-05TĐ - Chủ nhiệm: ThS. Trần Quang Thọ - Cơ quan chủ trì: Khoa Điện Điện tử - Thời gian thực hiện: tháng 3 năm 2013 đến tháng 10 năm 2014 2. Mục tiêu:  Xây dựng mô hình hệ thống nghịch lưu pin m ặt trời nối lưới 3 pha dùng bộ điều khiển dòng điện  Xây dựng các giải thuật xác định các tham số của bộ điều khiển bằng các ph ương pháp Ziegler-Nichols, di truyền (GA) và tối ưu bầy đàn (PSO) bằng phần mềm Matlab  Đánh giá kết quả với tiêu chí tối ưu đáp ứn g động công suất và giảm thiểu sóng hài dòng điện bơm vào lưới và chứng minh phương pháp PSO cho kết quả tốt hơn 3. Tính mới và sáng tạo:  Xây dựng được phương pháp dò nhanh các tham số c ủa bộ điều khiển dòng điện bằng phương pháp PSO để nâng cao chất lượng điện năng 4. Kết quả nghiên cứu:  Mô hình mô phỏng hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha sử dụng bộ điều khiển dòng điện bằng Matlab/Simulink  Giải thuật sử dụng p hương pháp PSO để xác định tham số cho bộ điều khiển dòng điện 5. Sản phẩm:  Một bài báo khoa học đăng ở tạp chí quốc tế về công nghệ kỹ thuật điện IJEET  Chương trình Matlab dùng phương pháp PSO để xác định tham số cho bộ điều khiển dòng điện 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Báo cáo của đề tài có thể dùng làm t ài liệu chuyên khảo cho các nghiên cứu chuyên ngành hoặc làm báo cáo chuyên đề điều khiển điện tử công suất… Trưởng Đơn vị (ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) ThS. Trần Quang Thọ INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Tuning parameters of current regulator in grid-connected inverter using the particle swarm optimization method (PSO) Code number: T2014-05TD Coordinator: M. Eng. Tran Quang Tho Implementing institution: Faculty of Electrical and Electronics Engineering Duration: from Jun 2013 to Oct 2014 2. Objectives: Building the model of three-phase grid-connected photovoltaic inverter system by using current regulators Proposing the strategy to tune the parameters of current regulator using the PSO 3. Creativeness and innovativeness: The PSO algorithm is proposed in this project to tune parameters of PI regulator gives global results better than Ziegler-Nichols and even GA method. 4. Research results: The simulation results of grid-connected photovoltaic inverter system using current regulators The strategy of tuning parameters of current regulator using PSO 5. Product: A science paper was published by the International Journal of Electrical Engineering & Technology (IJEET) A simulation model in Matlab/Simulink 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The report of project can use as a reference in electrical engineering and correlative studies Chương mở đầu 1 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1. Tổng quan: Dân số trên thế giới ngày càng tăng trong khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng giảm và gây hại môi trường đã làm phát sinh cầu năng lượng thay thế. Nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng mới trên thế giới như năng lượng mặt trời, gió,… ngày càng trở nên phổ biến vì tính bền vững và thân thiện với môi trường trong khi tiềm năng vô cùng lớn. Tuy nhiên, các thiết bị biến đổi năng lượng tái tạo này để hòa lên lưới điện lại là một trong các nguyên nhân làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống. Trong bộ nghịch lưu nối lưới, bộ điều khiển dòng điện có vai trò quyết định đáng kể đến chất lượng của bộ nghịch lưu. Việc xác định các tham số bộ điều khiển trong các hệ thống nghịch lưu nối lưới cần phải đạt các tiêu chuẩn cho phép có ý nghĩa vô cùng quan tr ọng. Ở trong nước hiện nay, tình trạng bắt đầu khan hiếm năng lượng cũng rất nghiêm trọng, nên năng lượng tái tạo có thể là một lựa chọn phù hợp. Có rất ít nghiên cứu về lĩnh vực này trong khi nhu cầu rất lớn trong tương lai là một thách thức lớn đối với Việt Nam. 2. Tính cấp thiết Năng lượng tái tạo như gió, mặt trời,… là loại năng lượng mới đang phát triển rất mạnh. Việc phát điện từ hệ thống năng lượng tái tạo hòa vào lư ới 3 pha đang trở nên phổ biến trên thế giới. Trong tương lai gần ở nước ta, nhu cầu sử dụng các thiết bị nghịch lưu nối lưới 3 pha sẽ tăng cao trong khi chưa được nghiên cứu nhiều. Việc nghiên cứu lĩnh vực này giúp chúng ta làm chủ công nghệ và có sản phẩm với giá thành thấp có ý nghĩa r ất lớn. Để tối ưu công suất phát lên lưới cần có bộ điều chỉnh dòng điện hợp lý bơm vào lưới với tính năng thỏa mãn tiêu chuẩn nối lưới như đáp ứng động nhanh và nhiễu hài dòng điện thấp… Việc xác định loại bộ điều khiển nào, cũng như tham số của bộ điều khiển trong các hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha là một công đoạn quan trọng đối với người thiết kế. Sử dụng các phương pháp truyền thống thường tốn nhiều thời gian và công sức trong khi kết quả rất hạn chế. T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Chương mở đầu 2 Đề tài này đề xuất phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển dòng trong nghịch lưu nối lưới bằng phương pháp PSO vì tính đơn giản và hiệu quả của nó. 3. Mục tiêu  Xây dựng mô hình hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha dùng bộ điều khiển dòng điện  Xây dựng các giải thuật xác định các tham số của bộ điều khiển bằng các phương pháp Ziegler-Nichols, di truyền (GA) và tối ưu bầy đàn (PSO) bằng phần mềm Matlab.  Đánh giá kết quả với tiêu chí tối ưu đáp ứng động công suất và giảm thiểu sóng hài dòng điện bơm vào lưới và thể hiện tính ưu việt của phương pháp PSO là dò nhanh các tham số. 4. Cách tiếp cận  Phân tích các kỹ thuật được công bố trên các tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước để làm cơ sở tổng quan cho đề tài.  Nhằm đảm bảo tính khoa học và khả thi trong thi công phần cứng, các thông số được sử dụng dựa trên tính phù hợp với linh kiện thực tế. 5. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao nên được thực hiện bằng các phương pháp:  Phương pháp tham khảo tài liệu: gồm các giải thuật sẵn có của các báo cáo khoa học liên quan.  Phương pháp mô phỏng: thực hiện mô phỏng bằng Simulink/Matlab để tìm ra kết quả tốt nhất.  Bỏ qua ảnh hưởng của điều khiển MPPT phía DC.  Bỏ qua ảnh hưởng điện áp common mode và vòng khóa pha PLL. 6. Nội dung Chương 1. Mô hình hệ thống nghịch lưu pin mặt trời nối lưới 3 pha Chương 2. Xác định tham số bộ điều khiển dòng bằng phương pháp Ziegler-Nichols Chương 3. Xác định tham số bộ điều khiển dòng bằng phương pháp GA và PSO Chương 4. Nhận xét và kết luận T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Chương mở đầu 3 7. Kết quả nghiên cứu Sản phẩm khoa học: Một bài báo khoa học đăng ở tạp chí quốc tế về công nghệ kỹ thuật điện IJEET Báo cáo của đề tài có thể dùng làm tài liệu chuyên khảo cho các nghiên cứu chuyên ngành hoặc làm báo cáo chuyên đề điều khiển điện tử công suất… Sản phẩm ứng dụng: Phương pháp tính chọn các tham số của bộ điều khiển dòng của đề tài có thể áp dụng cho các bộ nghịch lưu nối lưới cũng như đi ều khiển động cơ. Chương trình mô phỏng của đề tài có thể ứng dụng để triển khai thi công phần cứng. 8. Giá trị khoa học và ứng dụng Giá trị khoa học: Nêu được phương pháp dò nhanh các tham số cho bộ điều khiển dòng và khẳng định tính ưu việt của phương pháp PSO trong việc cải thiện chất lượng điện năng. Giá trị ứng dụng: có thể triển khai ứng dụng thi công, thử nghiệm phần cứng phục vụ nghiên cứu chuyên ngành liên quan và sản xuất thử nghiệm. 9. Hiệu quả nghiên cứu +Về giáo dục và đào tạo: cung cấp phương pháp tính chọn tham số cho bộ điều khiển dòng trong nội dung bài giảng chuyên đề liên quan, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về nghịch lưu nối lưới… +Về kinh tế - xã hội: có thể làm chủ công nghệ để triển khai chế tạo thiết bị nghịch lưu nối lưới với giá thành rẻ, góp phần phát triển năng lượng tái tạo để bảo vệ môi trường và giảm bớt thiếu hụt điện năng trong tương lai của Việt Nam. Có thể triển khai chuyển giao kết quả nghiên cứu cho các nhà sản xuất thiết bị của Việt Nam. 10. Kết luận: Đề tài đã xây d ựng được mô hình hệ thống nghịch lưu nối lưới 3 pha trên phần mềm Matlab tạo cơ sở cho nghiên cứu liên quan. Giới thiệu bộ điều khiển dòng và phương pháp xác đ ịnh tham số. Phân tích ảnh hưởng của các tham số đến các chỉ tiêu kỹ thuật Xây dựng qui trình tính chọn tham số cho các bộ điều khiển dòng. T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Chương mở đầu 4 Thảo luận kết quả mô phỏng và khẳng định tính ưu việt của phương pháp PSO trong xác định nhanh (15 vòng lặp) tham số của bộ điều khiển dòng trong nghịch lưu nối lưới ba pha. Trình bày các ưu điểm của bộ nghịch lưu nối lưới trong cải thiện chất lượng điện năng 11. Hướng phát triển: Bổ sung phương pháp điều chỉnh thích nghi tần số chuyển mạch để cực tiểu tổn hao chuyển mạch. Nghiên cứu giảm điện áp common mode để giảm sóng hài. Tối ưu vòng khóa pha. Bổ sung tính năng anti-islanding. Triển khai thi công thử nghiệm trên phần cứng. Mở rộng cho nghịch lưu đa bậc. T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Chương 1 5 CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 3 PHA 1.1 Mô hình dàn pin mặt trời Hình 1.1. Bản đồ bức xạ thế giới của NASA Từ hình 1.1 cho thấy Việt Nam có cường độ bức xạ mặt trời rất cao (trên 2000/kW/m2/năm). Do đó tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam là rất lớn. Mặt trời là một định tinh trong hệ Mặt trời có dạng hình cầu và cấu thành từ các hạt plasma nhiệt độ cao đan xen trong trường từ. Nó cách trái đất khoảng 149.600.000km và có đường kính gấp 109 lần đường kính trái đất. Nó cũng có khối lượng gấp 745 lần tổng khối lượng các hành tinh khác trong hệ Mặt trời cộng lại. Nhiệt độ bề mặt mặt trời là 5778 độ K. Quả cầu khổng lồ Mặt trời bao gồm 80% hydro và 19% heli. Năng lượng mặt trời được phát ra khi hydro chuyển thành heli trong quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân. Cứ 4 hạt hydro hợp thành 1 hạt heli và bức xạ ra năng lượng gồm các hạt positron và neutrino gọi là photon tia gama như (1.1). 1 4 + 4H →He + 2 + 2 + 25 MeV (1.1) Bức xạ mặt trời trung bình từ Mặt trời đến Trái đất gọi là hệ số Mặt trời hay hệ số bức xạ. Tính theo NASA thì bằng 1353W/m2, còn theo Frohlich là 1377W/m2 và được tính theo (1.2): L W  1367 4. .r 2 m2 T2014-05TĐ (1.2) ThS. Trần Quang Thọ Chương 1 6 Trong đó L là độ sáng của mặt trời bằng 3.86x1026W, còn r là đơn v ị thiên văn bằng 149.6x1019m. Tuy nhiên, Quả đất chỉ hấp thu được một phần của bức xạ của Mặt trời do có sự hấp thu của khí quyển và phản xạ ngược lại của Quả đất. Phổ bức xạ của Mặt trời thể hiện trên hình 1.2. Việc hấp thu bức xạ Mặt trời để chuyển thành điện năng là pin mặt trời phải sử dụng vật liệu phù hợp để cho hiệu suất tốt nhất phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo. Hình 1.2. Phân bố của bức xạ Mặt trời Hình 1.3. Cấu tạo của pin mặt trời Về mặt cấu tạo, mỗi tế bào pin mặt trời là một mối nối bán dẫn P-N như hình 1.3. Pin mặt trời sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi năng lượng bức xạ của mặt trời sang điện năng được mô tả như hình 1.4. Qui trình chế tạo pin mặt trời thường phải trãi qua các công đo ạn chế tạo từ tinh thể bán dẫn dưới dạng wafer đến cell thành phẩm như hình 1.5. T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Chương 1 7 Hình 1.4. Hoạt động của tế bào quang điện Hình 1.5. Qui trình chế tạo pin mặt trời Pin mặt trời được mô phỏng trong báo cáo này sử dụng mô hình hiện đại dựa vào [1]. Trong mô hình này, mỗi cell pin được thay thế bằng một nguồn dòng Iph mắc song song với một diod D và mắc nối tiếp với một điện trở Rs như hình 1.6. Hình 1.6. Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Chương 1 8 Dòng quang đi ện Iph phụ thuộc vào cường độ bức xạ G và nhiệt độ Tc. Dòng điện mỗi cell Ic được xác định theo (1.3): I c  I ph  q V  IR s    I s  e nKTc  1     (1.3) Trong đó: Is là dòng bão hòa ngược, K là hằng số Boltzmann Hình 1.7. Thông số tấm pin 85W của hãng RedSun Đặc tuyến của dàn pin ở hình 1.8 và 1.9 gồm có 6 nhánh mắc song song, mỗi nhánh gồm 34 tấm pin RS-P618-85W của hãng REDSUN mắc nối tiếp cho tổng công suất khoảng 17,34kWp (phụ lục 1 và 2). Thông số của tấm pin 85W được thể hiện trên hình 1.7. T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ Chương 1 9 V-A 30 G=1 25 Isolar (A) G=0.7 20 15 G=0.3 10 5 0 0 100 200 300 400 500 Vsolar (V) 600 700 800 Hình 1.8. Đặc tuyến V-A của dàn pin thay đổi theo bức xạ Đặc tuyến ở hình 1.8 cho thấy 3 trường hợp cường độ bức xạ khác nhau. Trường hợp G=1 cho cường độ bức xạ lớn nhất tương ứng 1000W/m2. 2 x 10 V-P 4 Maximum power point Psolar (W) 1.5 G=1 1 G=0.7 0.5 G=0.3 0 0 100 200 300 400 500 Vsolar (V) 600 700 800 Hình 1.9. Đặc tuyến V-W của dàn pin thay đổi theo bức xạ Đặc tuyến ở hình 1.9 cho thấy điểm công suất cực đại ở 3 trường hợp cường độ bức xạ khác nhau có các điện áp khác nhau. T2014-05TĐ ThS. Trần Quang Thọ