ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ QUỐC THẮNG

THUẬT TOÁN TRUY XUẤT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC
ĐẠI SỬ DỤNG PHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE
GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ
TỪ TRƯỜNG VĨNH CỬU
Chuyên ngành:
Mã sổ:

KỸ THUẬT ĐIỆN
60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI

TP. HỒ CHÍ MINH - 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Phúc Khải

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Hoàng Minh Trí

Cán bộ chấm nhận xét 2 : Tiến sĩ Đinh Hoàng Bách

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày .. .14. . tháng .. 07. . năm.. 2018. ..

Chuyên ngành: ... .Kỹ Thuật Điện

Mã số : .. .60520202.

I. TÊN ĐỀ TÀI:

THUẬT TOÁN TRUY XUẤT ĐIỀM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI SỬ DỤNG
PHẦN MỀM EUREQA CHO TURBINE GIÓ DÙNG MÁY PHÁT ĐỒNG
BỘ TỪ TRƯỜNG VĨNH CỬU
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hệ thống năng lượng gió: Turbine gió, Máy phát, Bộ biến đổi
công suất.
- Tìm hiểu các loại máy phát sử dụng với turbine gió: PMSG, DFIG, SCIG.
- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống phát điện gió PMSG.
- Đe xuất giải thuật mới cho giải thuật MPPT.
- Mô phỏng và chứng minh sự khả thi của giải thuật trên MATLAB.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẴN: Tiến Sĩ Nguyễn Phúc Khải

Tp. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

3

Trên cơ sở các vấn đề đặt ra, luận văn có nội dung cụ thể như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống năng lượng gió.
Chương 2: lìm hiểu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.
Chương 3: lìm hiểu về giải thuật điều khiển MPPT và đề xuất giải thuật
mới.
Chương 4: Ttrình bày kết quả mô phỏng và phân tích.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

2


ABSTRACT
In the growthing trends of wind energy, many research activities concern
wind turbine efficiency improved. From improvement of blade design, number
of blades that is most suitable and aerodynamics of design to make the design
more strong and efficient. Besides, many control systems have been developing
to ensure the extraction of maxium power point during wind speed variations.
To keep the output power at its maxium value irresective of any sudden
change in wind speed, many MPPT algorithms are implemented. This thesis
present a novel algorithm based on optimization of converter duty cycle values.
A mathematical model which relates the optimal duty cycle according to wind
speed will be build. Output power and corresponding optimal duty cycle will be
simulating and observe.
The contents are as follows:
Chapter 1: Overview of Wind energy system.
Chapter 2: Researching of Wind energy conversation system.
Chapter 3: Researching of MPPT algorithms and propose a novel
algorithm.
Chapter 4: Present Result of simulation and Analysing.
Chapter 5: Conclusion

2.1. Turbine gió:........................................................................................5
2.2. Máy phát:...........................................................................................11
2.3. Bộ biến đổi công suất sử dụng cho PMSG:.........................................19
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIÊN MPPT CHO HỆ THỐNG
TURBINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT PMSG............................................25
3.1. Kỹ thuật điều khiển tốc độ đầu cánh (TSR):.......................................26
3.2. Thuật toán dựa trên mối quan hệ tối ưu (ORB):.................................26
3.3. Giải thuật HCS:...................................................................................29
3.4. Phương pháp MPPT kết hợp (Hybrid MPPT):...................................31
3.5. Phương pháp điều khiển thông minh khác:.........................................34
3.6. Kỹ thuật MPPT mới sử dụng phần mềm Eureqa:...............................35
CHƯƠNG 4: MỒ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN NỀN
MATLAB/SIMULINK.................................................................................. 52
4.1............................................................................................................... Xâ
y dựng mô hình toán học sử dụng phần mềm Eureqa:.....................................52
4.2. Sơ đồ mô phỏng:................................................................................52
4.3. Ket quả mô phỏng và so sánh:............................................................57
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN ĐỀ TÀI..................66
VI


5.1. Kết luận:.............................................................................................66
5.2. Hướng phát triển đề tài:......................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................68

VI


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Sự phát triển hệ thống tuabin gió.......................................................1


Hình 3.8. Lưu đồ giải thuật MPPT sử dụng phần mềm Eureqa........................37
Hình 3.9. Biến đổi máy phát điện cực lồi hệ trục abc sang dq.........................39
Hình 3.10. Mạch tương đương PMSG trên hệ trục dq....................................41
Hình 3.11. Đặc tính công suất, tốc độ đối với các tốc độ gió khác nhau.........41
Hình 3.12. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha..................................................................42
Hình 3.13. Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC......................................................43
Hình 3.14. Kết quả p5= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................48
Hình 3.15. Kết quả p6= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................49
Hình 3.16. Kết quả p7= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................50
Hình 3.17. Kết quả p8= f(D) từ phần mềm Eureqa...........................................50
Hình 4.1. Mô hình mô phỏng hệ thống cho từng tốc độ gió theo duty cycle. . .52
Hình 4.2. Sơ đồ các khối mô phỏng giải hệ thống turbine gió PMSG.............53
Hình 4.3. Khối thay đổi tốc độ gió...................................................................53
Hình 4.4. Turbine gió.......................................................................................54
Hình 4.5. Máy phát PMSG..............................................................................55
Hình 4.6. Khối công suất.................................................................................55
Hình 4.7. Cấu hình bộ Boost............................................................................56
Hình 4.8. Khối điều khiển MPPT....................................................................56
Hình 4.9. Đồ thị thay đổi tốc độ gió khảo sát...................................................57
Hình 4.10. Đường cong Pm-(O.........................................................................58
Hình 4.11. So sánh đặc tính công suất giữa giải thuật mới, p&o truyền thống và
p&o cải tiến.....................................................................................................59
Hình 4.12. Đường công suất tại tốc độ gió 8m/s..............................................60
Hình 4.13. Đường công suất tại tốc độ gió 5m/s..............................................60
Hình 4.14. Đáp ứng moment của hệ thống......................................................61
Hình 4.15. Đặc tính điện áp phát ra và tốc độ rotor.........................................62
Hình 4.16. Đồ thị Duty cycle...........................................................................63
Hình 4.17. Đồ thị tốc độ gió bất kì thay đổi theo thời gian..............................64
Hình 4.18. Đặc tính công suất trong trường hợp gió thay đổi bất kì................65

KWh

Kilo Watt Hour

MPPT

Maximum Power Point Tracking

PI

Proportional-Integral Controller

PMSG

Permanent Magnet Synchronous Generator

PWM

Pulse Width Modulation

PV

Photo Voltaic

TSR

Tip Speed Ratio

WECS



vsws

Variable Speed Wind System

X


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
l.L Giới thiệu:

Được xem như giải pháp trong việc giảm tác động đến biến đổi khí hậu, năng
lượng gió - nguồn năng lượng tái tạo và không gây ô nhiễm vì không cần nhiên
liêu, không tạo ra độc hại hoặc chất thải phóng xạ [1] - được đánh giả là nguồn
năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn và phát triển trong tương lai, được thể hiện như
hình 1.1 [2].

X

X/ 1,

Pmver
DiuiiKlur

IŨ4 ui

H eight

Hình 1.1.


MPPT cũng đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu ngày càng phát triển, nâng cao
hiệu suất chuyển đổi với giá trị thấp. Điều rất quan trọng đối với những kỹ thuật
này nhằm đáp ứng các yêu cầu của bất kỳ hệ thống năng lượng gió độc lập nào.
Gần đây, nhiều kỹ thuật MPPT mới đã được đề xuất và sửa đổi để đáp ứng
những yêu cầu của ngành công nghiệp gió và có thể ứng dụng cho bất kỳ hệ
thống WECS nào. Các kỹ thuật này sẽ khác nhau ở nhiều khía cạnh như độ
phức tạp, tốc độ theo dõi, độ khó thực hiện cũng như phần cứng và phần mềm
liên quan.
Các kỹ thuật sử dụng gần đây nhất để đạt MPPT bao gồm thuật toán nhiễu loạn
và giám sát (P&O) [7, 8] và điện dẫn gia tăng (INC) [9] đã được sử dụng rộng
rãi trong lĩnh vực này. Các kỹ thuật thông minh như Partical Swarm
Optimization (PSO) [10], Logic mờ [11, 12] và mạng nơ ron nhân tạo (ANN)
[13] cũng được sử dụng để tìm kiếm MPP cho hệ thống WECS.
Hơn nữa, các phương pháp kết hợp như p&o và INC được trình bày ở [14].
Trong [15], kỹ thuật kết hợp khác được sử dụng gồm ANN và thuật toán di
truyền. Những kỹ thuật khác như hỗ trợ hồi quy vector (SVR) [16] và điều
khiển chế độ trượt (SMC) [17] cũng đã được thực hiện.
Trong luận vãn này, một phương pháp điều khiển mới dựa trên mối quan hệ
giữa tốc độ gió và chu kỳ nhiệm vụ tối ưu (optimal duty cycle) được đề xuất.

2


Sử dụng phần mềm Eureqa [18] để xây dựng chính xác mô hình toán học và mô
hình được mô phỏng thông qua MATLAB/ SIMULINK.
1.2.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu:

Mục tiêu hướng đến của đề tài là đề xuất giải thuật mới MPPT cho hệ thống

Gearbox

Mô hình hệ thẳng chuyển đổi nâng lượng gió hòa lưới
Generator

Gencraior-side

Power

Harmonic Filter

Generator

Grid-Side
Harmonic Filter

Step-up
Trans io rm er

Grid or
Disiribu liars System

Tuabin gió có tốc độ thay đổi (VSWTs) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống
điện và hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Hệ thống VSWT thường sử dụng
máy phát cảm ứng kích từ kép (DFIG) hoặc máy phát đồng bộ từ trường nam
châm vĩnh cửu (PMSG) [20-22]. Hiện tại, do cấu trúc đơn giản, chi phí bảo
dưỡng thấp, khả năng và hoạt động của MPPT ở hệ số công suất cao, việc sử
dụng các WT dựa trên PMSG đã thu hút sự quan tâm [23-27]. Thông thường hệ
thống chuyển đổi năng lượng gió với PMSG được kết nối vào lưới thông qua bộ
chuyển đổi AC-DC và DC-AC, được gọi như bộ chuyển đổi phía cơ (MSC) và

hình 2.2c. Tỉnh năng hấp dẫn loại tuabin này là các thiết bị phát và truyền dẫn
được đặt ở mặt đất, có thể bắt gió ở bất kỳ hướng nào mà không cần bộ định
hướng gió. Tuy nhiên rotor chặn gió có ít năng lượng hơn. Hơn nữa, mặc dù
máy phát và truyền dẫn ở mặt đất, bảo trì không đơn giản vì nó thường yêu cầu
loại bỏ rotor. Gió ở gần bề mặt đất không chỉ chậm hơn mà cũng hỗn loạn hơn,


làm tăng áp lực lên VAWT. Cuối cùng, khi gió có tốc độ thấp cánh quạt Darrieus
có momen khởi động rất nhỏ, khi gió có tốc độ cao hơn, công suất đầu ra phải
được kiểm soát để bảo vệ máy phát điện, chúng không thể thực hiện được dễ
dàng như HAWT.
Trong khi hầu như tất cả các tuabin gió đều thuộc loại trục ngang, thì vẫn còn
một số tranh cãi về tuabin gió hoạt động theo hướng gió hay ngược hướng gió
tốt hơn.
Tuabine gió hoạt động theo hướng gió (downwind HAWT) có lợi thế để gió tự
điều khiển bộ định hướng, tự chuyển động trái - phải chính xác theo hướng gió.
Tuy nhiên chúng lại có vấn đề với hiệu ứng đổ bóng gió của tháp. Dưới tác động
của gió, mỗi lần cánh quay phía sau tháp, nó gặp khoảng thời gian ngắn giảm
gió, làm cánh uốn cong, làm tăng tiếng ồn của cánh và giảm công suất đầu ra.
Các tuabin gió hoạt động ngược hướng gió (upwind HAWT) yêu cầu kiểm soát
hơi phức tạp hơn khi bổ sung các hệ thống điều khiển giữ cho cánh quay đón
hướng gió. Tuy nhiên, tuabin hoạt động trơn tru và công suất thu được tối đa.
Hầu hết các tuabin gió hiện đại đều thuộc loại này.
Một yếu tố khác liên quan hiệu suất tuabin gió là số cánh quạt được thiết kế.
Tuabin gió thiết kế nhiều cánh hoạt động tốc độ quay thấp hơn nhiều so với loại
có số cánh ít hơn. Khi tốc độ quay của tuabin tăng lên, sự bất ổn cánh quạt trước
ảnh hưởng đến hiệu suất cánh quạt sau. Trục quay nhanh hơn, cũng có thể máy
phát có kích thước nhỏ hơn về mặt vật lý. Tuabin 3 cánh cho thấy hoạt động
mượt hơn và chuyển động rotor chuyển đến trục đều hơn.



P^=Ị = \pxR2

Máy phát điện không đồng bộ (máy phát điện cảm ứng):
- Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG).