Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục" nhằm nghiên cứu hệ thống FESS sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC) và động cơ từ trường dọc trục đầu ra kép; thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm động cơ từ trường dọc trục AFPM stator kép sử dụng trong FESS...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp và động cơ từ trường dọc trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ NGUYÊN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC STATOR KÉP VÀ BỘ BIẾN TẦN MA TRẬN GIÁN TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ NGUYÊN HƯNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC STATOR KÉP VÀ BỘ BIẾN TẦN MA TRẬN GIÁN TIẾP Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Trần Trọng Minh 2. TS. Đỗ Mạnh Cường Hà Nội - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2023 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Trần Trọng Minh TS. Đỗ Mạnh Cường Đỗ Nguyên Hưng i
LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian nghiên cứu dài, khó khăn và nhiều thử thách, tác giả cũng đã hoàn thành bản luận án. Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp. Qua đây tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn đã tâm huyết hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, tập thể Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp trước đây, nay là khoa Tự động hoá đã có những đóng góp quý báu, đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu tham khảo và đã hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Phòng đào tạo và các đơn vị chức năng của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án. Đặc biệt, tác giả gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè luôn ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành nội dung nghiên cứu này. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC........................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................ vi 1. Danh mục các từ viết tắt ………………………………………………….vi 2. Danh mục các ký hiệu ……………………………………………………vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ ix DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................... x MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ……………………………………………………1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu …………………………………………2 3. Mục tiêu nghiên cứu ………………………………………………………2 4. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………….2 5. Những đóng góp mới của luận án …………………………………………3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn …………………………………………….3 7. Bố cục và nội dung của luận án ……………………………………………4 CHƯƠNG 1 ......................................................................................................... 5 TỔNG QUAN HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ ............... 5 1.1 Cấu tạo và chế độ làm việc của FESS................................................. 5 1.1.1 Cấu tạo của FESS ............................................................................. 5 1.1.2 Chế độ làm việc của FESS ............................................................... 7 1.2 Động cơ từ trường dọc trục (AFPM) …………………………………….9 1.2.1 Sự phù hợp của AFPM và RFPM khi sử dụng cho FESS ............... 9 1.2.2 Các loại động cơ AFPM ................................................................. 10 1.3 Bộ biến đổi điện tử công suất…………………………………………...11 1.3.1 Bộ biến đổi Back to Back (BTB) ................................................... 12 1.3.2 Bộ biến đổi Ma trận (MC) ............................................................. 13 1.4 Các vấn đề đặt ra với FESS …………………………………………….15 1.4.1 Yêu cầu về động cơ AFPM stator kép tích hợp bánh đà. .............. 16 1.4.2 Yêu cầu về bộ biến đổi điện tử công suất ...................................... 16 1.4.3 Tổng hợp điều khiển cho FESS ..................................................... 17 1.5 Nội dung nghiên cứu ……………………………………………………17 iii
1.6 Kết luận chương 1……………………………………………………….18 CHƯƠNG 2 ....................................................................................................... 19 NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN ĐIỀU CHẾ GIÁN TIẾP ĐẦU RA KÉP TRONG HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ................................. 19 BÁNH ĐÀ ....... ………………………………………………………………..19 2.1 Mô hình bán vật lý AFPM stator kép……………………………………19 2.1.1 Mô hình AFPM trên hệ tọa độ dq .................................................. 20 2.1.2 Mô hình toán học và mô hình bán vật lý của AFPM stator kép .... 24 2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển AFPM stator kép…………………………26 2.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện ................................................... 26 2.2.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ ......................................................... 28 2.2.3 Mạch vòng điều chỉnh vị trí dọc trục ............................................. 30 2.3 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi BTB………….31 2.3.1 Cấu trúc chung ............................................................................... 31 2.3.2 Mạch vòng dòng điện .................................................................... 31 2.3.3 Mạch vòng điện áp một chiều ........................................................ 34 2.3.4 Mô phỏng hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng BTB ........ 35 2.4 Hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng bộ biến đổi IMC………….43 2.4.1 Phân tích cấu trúc IMC – AFPM stator kép ................................... 43 2.4.2 Điều chế vector không gian cho phía nghịch lưu .......................... 44 2.4.3. Điều chế vector không gian cho phía chỉnh lưu ........................... 49 2.4.4 Liên kết giữa chỉnh lưu và nghịch lưu ........................................... 53 2.4.5 Thực hiện điều khiển IMC đầu ra kép ........................................... 55 2.4.6. Mô phỏng IMC đầu ra kép nối tải RL........................................... 58 2.4.7 Mô phỏng hệ thống điều khiển AFPM stator kép bằng IMC ....... 62 2.5 Kết luận chương 2……………………………………………………….71 CHƯƠNG 3 ....................................................................................................... 73 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC ...................... 73 3.1 Thiết kế AFPM 73 3.1.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................... 73 3.1.2 Đề xuất công suất AFPM thiết kế .................................................. 77 3.1.3 Tính chọn thông số của AFPM stator kép ..................................... 77 3.1.4 Mô phỏng trên phần mềm FEM ..................................................... 78 iv
3.2 Xây dựng mô hình 3D của động cơ AFPM trên FEM 81 3.2.1 Mô hình 3D .................................................................................... 81 3.2.2 Chia lưới đề xuất cho AFPM ......................................................... 82 3.2.3 Kết quả mô phỏng FEM 3D .......................................................... 83 3.3 Đề xuất quy trình thiết kế và bộ thông số AFPM 84 3.3.1 Thông số của AFPM ...................................................................... 84 3.3.2 Quy trình thiết kế AFPM cho FESS .............................................. 85 3.4 Kết luận chương 3……………………………………………………….85 CHƯƠNG 4 ....................................................................................................... 87 CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM ............................................................. 87 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC............................................ 87 4.1 Mô hình AFPM stator kép………………………………………………87 4.2 Các bước chế tạo AFPM stator kép……………………………………..88 4.2.1 Chọn vật liệu chế tạo ...................................................................... 88 4.2.2 Chế tạo Stator ................................................................................. 89 4.2.3 Chế tạo Rotor ................................................................................. 90 4.2.4 Chế tạo Nam châm ......................................................................... 91 4.2.5 Chế tạo Trục ................................................................................... 92 4.3 Triển khai thực nghiệm và đo kiểm……………………………………..92 4.4 Kết luận chương 4……………………………………………………….98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........... 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 102 PHỤ LỤC A ..................................................................................................... 110 PHỤ LỤC B ..................................................................................................... 112 PHỤ LỤC C ..................................................................................................... 114 PHỤ LỤC D ..................................................................................................... 117 PHỤ LỤC E ..................................................................................................... 119 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt a/ Danh mục tiếng Anh Từ viết Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt tắt 2D, 3D Dimension Không gian 2 chiều, 3 chiều AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều Axial flux permanent magnet Động cơ nam châm vĩnh cửu từ AFPM motor thông dọc trục avg Average Trung bình Hệ thống lưu trữ năng lượng ắc BESS Battery Energy Storage System quy Động cơ một chiều không chổi BLDC Brushless DC Motor than BTB Back to Back Bộ biến đổi BTB Capacitor Energy Storage Hệ thống lưu trữ năng lượng tụ CS System điện DC Direct Current Dòng điện một chiều DG Distributed generation Nguồn phát điện phân tán DMC Direct Matrix Converter Bộ biến đổi ma trận trực tiếp EMF Back - electromotive force Sức phản điện động ESS Energy Storage System Hệ thống lưu trữ năng lượng FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn Flywheel Energy Storage Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh FESS System đà IM Induction motor Động cơ không đồng bộ Bộ biến đổi ma trận điều chế gián IMC Indirect Matrix converter tiếp Max Maximize Tối đa MC Matrix converter Bộ biến đổi ma trận MG Microgrid Lưới điện siêu nhỏ Min Minimize Tối thiểu PLL Phase-lock loop Vòng khóa pha PM Permanent magnet Nam châm vĩnh cửu vi
Permanent Magnet Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh PMSM Synchronous Machine cửu PWM Pulses With Modulation Điều chế độ rộng xung Radial flux permanent magnet Động cơ từ thông hướng tâm kích RFPM motor thích nam châm vĩnh cửu rpm Revolution per minute Vòng/phút VRM Variable Reluctance Motor Động cơ từ trở biến thiên b/Danh mục tiếng Việt Ký hiệu Ý nghĩa tiếng việt NLTT Năng lượng tái tạo 2. Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý Nghĩa E J Năng lượng Bmg T Mật độ từ thông tại khe hở không khí D0 m Đường kính ngoài của stator ddq m Đường kính dây quấn Di m Đường kính ngoài của stator g m Độ dày khe hở không khí J kg.m2 Mô men quán tính lM m Độ dày của nam châm Lrot m Độ dày của rotor lsat m Độ dày stator m kg Trọng lượng bánh đà N vòng Số vòng dây mỗi pha Nsl vòng Số vòng dây mỗi rãnh stator r m Bán kính TL N.m Mô men tải  Rad/s Vận tóc góc (vòng/phút) Wbi m Độ dày của gông từ  Tesla Từ thông L H Điện cảm i Ampe Dòng điện  Vôn Điện áp  H/m Từ thẩm T N.m Mô men C F Tụ điện G N Trọng lực P W Công suất vii
Ký hiệu Ý nghĩa kw Hệ số dây quấn m Số pha p Số cặp cực q Số rãnh của mỗi pha dưới một cực dq Hệ toạ độ quay dq abc Hệ toạ độ abc  Hệ toạ độ  Nf Cuộn dây tương đương phía rotor i Góc tạo bởi véc tơ dòng điện M1 Động cơ M1 M2 Động cơ M2 d Hệ số điều chế  Góc pha F Lực dọc trục R Bán kính M Độ che phủ nam châm Uc Điện áp tụ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần của FESS ........................................................................ 16 Bảng 2.1 Thông số bộ biến đổi, chỉnh lưu tích cực ........................................... 36 Bảng 2.2 Thông số động cơ AFPM stator kép ................................................... 36 Bảng 2.3 Thời gian và tốc độ động cơ trong chu kì đầu ................................... 37 Bảng 2.4 Các trạng thái chuyển mạch của phần nghịch lưu ............................ 45 Bảng2.5 Chuyển đổi trạng thái và các điện áp đầu ra........................................ 46 Bảng 2.6 Chuyển đổi trạng thái và các pha dòng đầu vào tạo ra ....................... 49 Bảng 2.10 Thông số bộ lọc, tải .......................................................................... 58 Bảng 2.11 Thông số nguồn và điện áp, tần số ................................................... 58 Bảng 2.10 Thông số bộ lọc ................................................................................ 64 Bảng 2.11 Thông số động cơ AFPM stator kép ................................................. 64 Bảng 2.12 Thời gian và tốc độ động cơ trong chu kì đầu .................................. 65 Bảng 3.1: Thông số AFPM đề xuất thiết kế và thử nghiệm cho FESS ............. 77 Bảng 3.2 Thông số stator, rotor, nam châm ....................................................... 78 Bảng 3.3 Các bước thực hiện khai báo và chọn thông số cho AFPM trên FEM ... .......................................................................................................... 79 Bảng 3.4 Một số thông số tính toán ................................................................... 79 Bảng 3.5. Số mắt lưới các bộ phận của động cơ và vùng biên chân không. ..... 82 Bảng 4.1 Các chi tiết chính của mô hình thực nghiệm ...................................... 88 Bảng 4.2 Kích thước thân Stator ........................................................................ 89 Bảng 4.3 Thông số dây quấn.............................................................................. 90 Bảng 4.4 Kích thước Rotor ................................................................................ 90 Bảng 4.6 Giá trị điện trở các pha ....................................................................... 93 Bảng 4.7 Điện áp và dòng điện ở chế độ không tải ........................................... 94 Bảng 4.8 Tần số và tốc độ .................................................................................. 94 Bảng 4.9 Tần số và sức điện động phản kháng EMF ........................................ 95 Bảng 4.10 Tần số và U,I,P ................................................................................. 96 Bảng D.4 Khai báo thông số rotor ................................................................... 118 Bảng D.5 Khai báo thông số Nam châm.......................................................... 118 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo và thành phần của FESS ........................................................ 5 Hình 1.2 Hệ số K của các dạng hình học bánh đà khác nhau (nguồn [16]) ...... 6 Hình 1.3 Đặc tính làm việc của bánh đà ............................................................ 8 Hình 1.4 AFPM loại 1 mặt (Nguồn [31]) ........................................................ 10 Hình 1.5 AFPM loại stator kép........................................................................ 11 Hình 1.6 AFPM nhiều mặt (Nguồn [31]). ....................................................... 11 Hình 1.7 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi AC-DC-AC (Nguồn [41]) .. 12 Hình 1.8 Cấu trúc hệ FESS sử dụng bộ biến đổi DMC (Nguồn [51]) ............ 13 Hình 1.9 Cấu trúc bộ biến đổi IMC ................................................................. 14 Hình 1.10 Cấu trúc AFPM và bánh đà trong FESS (Nguồn [37]) .................... 15 Hình 2.1 Cấu trúc AFPM stator kép ................................................................ 20 Hình 2.2 Vị trí rotor và hệ toạ độ dq (Nguồn [70]) ......................................... 20 Hình 2.3 Mô hình toán học AFPM stator kép ................................................ 25 Hình 2.4 Mô hình bán vật lý AFPM stator kép ............................................... 25 Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống điều khiển AFPM stator kép ............................... 26 Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển dòng điện bù xen kênh ..................................... 27 Hình 2.7 Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator ................................................... 27 Hình 2.8 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ .................................................... 29 Hình 2.9 Mạch vòng điều khiển vị trí ............................................................. 30 Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển BTB đầu ra kép – AFPM stator kép ................ 31 Hình 2.11 Sơ đồ mạch tương đương của chỉnh lưu tích cực sử dụng mạch lọc LCL ……………………………………………………………………..32 Hình 2.12 Cấu trúc vòng điều khiển dòng điện bù xen kênh ............................ 33 Hình 2.13 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện ..................................................... 33 Hình 2.14 Mạch vòng điện áp trên miền toán tử Laplace ................................. 34 Hình 2.15 Mô hình mô phỏng hệ thống ............................................................ 35 Hình 2.16 Tốc độ đặt ......................................................................................... 36 Hình 2.17 Đáp ứng tốc độ của AFPM ............................................................... 37 Hình 2.18 Đáp ứng vị trí z ................................................................................. 37 Hình 2.19 Điện áp trên tụ DC link ................................................................... 38 Hình 2.20 Dòng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2 khi điều khiển bằng BTB ......................... 39 x
Hình 2.21 Lực F1, F2 khi điều khiển bằng BTB ............................................... 41 Hình 2.22 Mô men Te của AFPM ..................................................................... 41 Hình 2.23 Năng lượng E khi điều khiển bằng BTB .......................................... 42 Hình 2.24 Công suất P ....................................................................................... 42 Hình 2.25 Cấu trúc IMC đầu ra kép nối tải R,L ................................................ 44 Hình 2.26 Sơ đồ nghịch lưu ............................................................................... 44 Hình 2.27 Biểu đồ vector không gian cho phía nghịch lưu ............................... 47 Hình 2.28 Vector tham chiếu Vout trong một sector ........................................ 47 Hình 2.29 Sơ đồ chuyển mạch tại Sector I phía nghịch lưu .............................. 48 Hình 2.30 Sơ đồ chỉnh lưu ................................................................................. 49 Hình 2.31 Biểu đồ vector không gian cho chỉnh lưu ......................................... 51 Hình 2.32 Vector tham chiếu Iin trong một sector ............................................. 52 Hình 2.33 Sơ đồ điều chế chuyển mạch phía chỉnh lưu .................................... 53 Hình 2.34 Sơ đồ liên kết chuyển mạch tại Sector I ........................................... 55 Hình 2.35 Sơ đồ liên kết chuyển mạch điều chỉnh tại Sector I theo đề xuất xung điều chế mới ....................................................................................................... 55 Hình 2.36 Khối điều khiển chỉnh lưu ................................................................ 56 Hình 2.37 Khối xác định các sector................................................................... 56 Hình 2.38 Khối điều khiển nghịch lưu .............................................................. 56 Hình 2.39 Khối SVM ........................................................................................ 57 Hình 2.40 Khối tính phát xung theo luật điều chế mới ..................................... 57 Hình 2.41 Khối xuất tín hiệu điều khiển nghịch lưu ......................................... 58 Hình 2.42 Điện áp uabc, điện áp dây uab, dòng điện, điện áp một chiều ảo Vpn, dòng một chiều idc1 và idc 2. ................................................................................. 60 Hình 2.43 Đáp ứng dòng điện một chiều idc1, idc2 phóng to .............................. 60 Hình 2.44 Hệ số điều chế d , d ........................................................................ 60 Hình 2.45 Các sector ......................................................................................... 61 Hình 2.46 Đáp ứng điện áp dây Vab, dòng điện 3 pha iabc................................ 61 Hình 2.47 Điện áp Vab, dòng điện 3 pha iabc ...................................................... 62 Hình 2.48 Cấu trúc IMC đầu ra kép – AFPM stator kép................................... 63 Hình 2.49 Mô hình mô phỏng AFPM stator kép ............................................... 64 Hình 2.50 Đường đặc tính tốc độ của AFPM .................................................... 65 xi
Hình 2.51 Đáp ứng tốc độ khi điều khiển bằng IMC ........................................ 65 Hình 2.52 Đáp ứng vị trí z khi điều khiển bằng IMC ....................................... 66 Hình 2.53 Dòng điện Id1, Iq1, Id2,Iq2 điều khiển bằng IMC ................................ 67 Hình 2.54 Đáp ứng mô men khi điều khiển bằng IMC ..................................... 68 Hình 2.55 Đáp ứng lực dọc trục khi điều khiển bằng IMC ............................... 69 Hình 2.56 Đáp ứng năng lượng khi điều khiển bằng IMC ................................ 70 Hình 2.57 Đáp ứng công suất khi điều khiển bằng IMC ................................... 71 Hình 3.1 Bố trí của dây quấn stator ................................................................. 80 Hình 3.2 Đặc tính B-H của PM ....................................................................... 80 Hình 3.3 Đặc tính B-H của thép Stator, Rotor ................................................ 81 Hình 3.4 Mật độ từ thông khe hở không khí. .................................................. 81 Hình 3.5 Mô hình 3D của AFPM .................................................................... 82 Hình 3.6 Chia lưới các thành phần động cơ và chia lưới trên stator ............... 83 Hình 3.7 Đường đi của từ trường trong động cơ và trên 1 PM ....................... 83 Hình 3.8 Mật độ từ thông trên stator ............................................................... 84 Hình 3.9 Quy trình thiết kế và mô phỏng AFPM ............................................ 85 Hình 4.1 Sơ đồ các chi tiết chính của mô hình ................................................ 87 Hình 4.2 Các lớp tôn SI của thân Stator (Nguồn [82]) .................................... 89 Hình 4.3 Quy trình chế tạo Stator và Rotor .................................................... 92 Hình 4.4 Mô hình thực nghiệm tại phòng 203 C9- ĐH BKHN ...................... 93 Hình 4.5 Sơ đồ đo kiểm AFPM ở chế độ không tải ........................................ 94 Hình 4.6 Đồ thị EMF của 3 pha ...................................................................... 95 Hình 4.7 Dạng sóng EMF ở chế độ không tải ................................................. 96 Hình 4.8 Sơ đồ đo kiểm khi nối tải.................................................................. 96 Hình 4.9 Dạng sóng của điện áp và dòng điện khi nối tải............................... 97 Hình 4.10 Dạng sóng dòng điện, điện áp, công suất ở chế độ nạp – chờ - xả .. 97 Hình A.1 Cấu trúc vòng khóa pha PLL .......................................................... 110 Hình B.1 Chế tạo stator và rotor .................................................................... 113 Hình D.1 Đường đặc tính B-H của nam châm vĩnh cửu ................................ 118 Hình E.1 Hình chiếu đứng của Thân Stator ................................................... 119 Hình E.2 Hình chiếu bằng của thân Stator và hình chiếu đứng của rãnh ...... 119 xii
Hình E.3 Đai Inox trong và ngoài của Stator ................................................. 119 Hình E.4 Sơ đồ đấu dây (Nguồn [70]) ........................................................... 120 Hình E.5 Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng của thân Rotor và đai Inox .. 120 Hình E.6 Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng của Nam châm và vị trí gắn 120 Hình E.7 Kích thước trục động cơ ................................................................. 121 xiii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) là công nghệ lưu trữ năng lượng dưới dạng động năng. FESS tham gia vào lưới điện thực hiện các chức năng[1]: cung cấp năng lượng dự phòng hiệu quả[2][3], giúp cân bằng tải [4], giảm thiểu sự cố về điện áp[5][6], giảm tổn thất năng lượng và tăng cường khả năng ổn định của hệ thống điện [7][8]. Cấu trúc hệ thống FESS gồm động cơ từ trường dọc trục (AFPM) tích hợp bánh đà, điều khiển bởi bộ biến đổi kiểu ma trận gián tiếp (IMC) có ưu thế về mật độ năng lượng cao, tác động nhanh là một trong những xu hướng phát triển hứa hẹn đưa đến những ứng dụng thực tế quan trọng. Các ứng dụng cụ thể của FESS trong thực tế: điều chỉnh tần số và điện áp lưới, cung cấp điện liên tục (UPS), tích hợp hệ thống năng lượng tái tạo bao gồm lưới điện siêu nhỏ (MG)[9], quân sự, đường sắt và giao thông bao gồm xe điện (EV), hàng không và du hành vũ trụ, … [10][11]. Một số nghiên cứu đã cho thấy việc sử dụng kết hợp các công nghệ lưu trữ năng lượng khác nhau như FESS và BESS có thể hiệu quả hơn trong một số trường hợp [12]. FESS có nhiều ưu điểm: cung cấp mật độ công suất cao, phản ứng động nhanh, có thể thực hiện hàng nghìn chu kỳ nạp/xả, khả năng nạp/ xả sâu; Trạng thái năng lượng lưu trữ dễ kiểm soát thông qua tốc độ quay; tuổi thọ của hệ thống dài (20 năm-30 năm) và ít phải bảo dưỡng; có khả năng mở rộng khả năng lưu trữ và hầu như không có tác động đến môi trường. Mặt khác, triển khai FESS sẽ góp phần giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Nghiên cứu về FESS liên quan đến nhiều lĩnh vực: điện – điện tử, cơ khí, vật liệu,…Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ trong các lĩnh vực, FESS đã và đang được nghiên cứu hoàn thiện [12]. Các hướng nghiên cứu về FESS tập trung 3 vấn đề chính: tăng hiệu suất và giảm kích thước hệ thống để FESS trở thành một giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả và có thể tích hợp vào nhiều ứng dụng khác nhau; nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của FESS để đảm bảo hoạt động ổn định và bền vững trong thời gian dài; giảm chi phí sản xuất và vận hành trong quá trình triển khai và sử dụng FESS [13]. Tại Việt Nam, các nghiên cứu và ứng dụng FESS còn khá mới mẻ, chưa có ứng dụng trong thực tế. Do vậy, việc nghiên cứu phát triển, làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo FESS là rất cần thiết [3][14]. Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả của FESS 1
còn phụ thuộc theo các yêu cầu và tính chất, phạm vi ứng dụng cụ thể. Trong cấu trúc của FESS, bộ biến đổi công suất 2 chiều và động cơ có sẽ quyết định chính đến hiệu suất, chất lượng FESS. Do vậy, hướng nghiên cứu và phát triển cho bộ biến đổi công suất 2 chiều và động cơ hiện đang tập trung tìm kiếm các giải pháp nhằm mở rộng dải công suất, tăng hiệu suất, tăng tốc độ chuyển đổi năng lượng và kiểm soát quá trình trao đổi năng lượng hai chiều [13]. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng động cơ từ trường dọc trục stator kép và bộ biến tần ma trận gián tiếp” sẽ tập trung thực hiện thiết kế hệ thống điều khiển bộ biến đổi công suất 2 chiều và thiết kế, chế tạo thử nghiệm động cơ AFPM stator kép; xây dựng các quy trình thiết kế, chế tạo hệ thống FESS trong điều kiện thí nghiệm. Qua đó đóng góp một phần vào nghiên cứu và phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng và lưu trữ năng lượng dạng bánh đà. Tóm lại, nghiên cứu hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) là một đề tài cấp thiết trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Với tầm quan trọng và tiềm năng ứng dụng của FESS trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống điện, tích hợp nguồn năng lượng tái tạo và cung cấp nguồn điện ổn định, nghiên cứu về FESS có khả năng giải quyết các vấn đề kinh tế, khoa học, xã hội và môi trường hiện nay. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong luận án sẽ thực hiện nội dung và phạm vi nghiên cứu gồm: + Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc hệ thống FESS, trong đó thực hiện thiết kế điều khiển, mô phỏng và đánh giá bộ biến đổi điện tử công suất BTB, IMC. Trong đó tập trung nghiên cứu và đề xuất luật điều chế điều khiển cho hệ thống IMC- AFPM stator kép. + Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thử nghiệm động cơ AFPM stator kép và đề xuất quy trình thiết kế, chế tạo và đánh giá khả thi trong chế tạo động cơ. Các kết quả đạt được có thể đưa ra các đề xuất làm cơ sở để tiếp tục phát triển cho các nghiên cứu chuyên sâu về FESS và ứng dụng triển khai trong thực tế. 3. Mục tiêu nghiên cứu + Nghiên cứu hệ thống FESS sử dụng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC) và động cơ từ trường dọc trục đầu ra kép. + Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm động cơ từ trường dọc trục AFPM stator kép sử dụng trong FESS. 4. Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp lý thuyết về hệ thống FESS, kết hợp cấu trúc cụ thể của hệ thống 2
FESS trên cơ sở các giả thiết phù hợp trong điều kiện thực tiễn để phân tích, tổng hợp, đánh giá tính khả thi khi ứng dụng trong thực tiễn, trong đó: - Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng điều khiển bộ biến đổi BTB, IMC, trong đó tập trung thiết kế cấu trúc, xây dựng phương pháp điều chế cho IMC, … để đánh giá, phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra các đề xuất, kết luận về ưu nhược điểm của bộ biến đổi 2 chiều khi ứng dụng trong FESS. + Nghiên cứu lý thuyết thiết kế và mô phỏng động cơ AFPM, kết hợp phương pháp giải tích và phương pháp số (FEM – phần tử hữu hạn) trong thiết kế động cơ AFPM stator kép, phân tích, đánh giá kết quả và đề xuất quy trình thiết kế và bộ thông số động cơ AFPM stator kép phục vụ chế tạo thử nghiệm. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: + Nghiên cứu và xây dựng quy trình thiết kế và thực hiện chế tạo mô hình thử nghiệm động cơ AFPM stator kép. + Nghiên cứu thực nghiệm đo kiểm mô hình động cơ AFPM stator kép, phân tích các số liệu đo kiểm và đánh giá chất lượng mô hình, đề xuất cải tiến mô hình AFPM và các vấn đề kỹ thuật trong thực tiễn chế tạo. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án có những đóng góp mới như sau: - Đề xuất cấu trúc hệ thống FESS sử dụng AFPM stator kép điều khiển bằng biến tần ma trận điều chế gián tiếp (IMC). Thông qua việc so sánh, đánh giá các kết quả mô phỏng giữa cấu trúc hệ thống IMC-AFPM và BTB-AFPM trong FESS cho thấy sự tin cậy và ưu điểm của cấu trúc hệ thống đề xuất. - Đề xuất mẫu xung điều chế mới nhằm cải tiến quá trình chuyển mạch cho IMC, đảm bảo tối ưu quá trình đóng cắt van bán dẫn và đảm bảo thời gian chuyển mạch. Thực hiện mô phỏng kiểm chứng cho kết quả tốt. Điều đó cho thấy sự tin cậy và khẳng định luật điều chế này phù hợp với đối tượng nghiên cứu. - Luận án đã xây dựng hệ thống thực nghiệm nhằm kiểm chứng các thuật toán đề xuất, tính khả thi trong chế tạo AFPM stator kép. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng được hệ tích trữ năng lượng bánh đà sử dụng AFPM và IMC để điều khiển lưu trữ và trao đổi năng lượng 2 chiều, trong đó: đề xuất luật điều chế mới cho IMC đảm bảo quá trình chuyển mạch van bán dẫn tối ưu; xây dựng mô hình thử nghiệm AFPM stator kép phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về loại động cơ này khi ứng dụng trong FESS. Kết quả luận án đã giải quyết tương đối đầy đủ các bước thiết kế, phân tích hệ thống (từ tính toán thiết kế, chế tạo, mô hình hóa, phân tích và thiết kế). Luận án là một tài liệu tham khảo rất ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối 3
tượng tương tự. Đồng thời các kết quả nghiên cứu của luận án cũng góp phần mang lại những nhận thức mới về các phương pháp thiết kế, chế tạo động cơ AFPM trong FESS. Ý nghĩa thực tiễn: Trong điều kiện các nghiên cứu tại Việt Nam về FESS còn khá hạn chế, các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hoàn thiện hệ thống FESS để đưa vào ứng dụng thực tiễn, góp phần thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng về tích trữ năng lượng và hướng tới công nghệ thân thiện với môi trường; mô hình thử nghiệm AFPM đóng góp thêm về quy trình thiết kế, chế tạo động cơ từ trường dọc trục. Kết quả đạt được có thể sử dụng trong các thực nghiệm của các nghiên cứu tiếp theo về động cơ AFPM và hệ tích trữ năng lượng bánh đà. 7. Bố cục và nội dung của luận án Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung, gồm nội dung chính như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà. Phân tích cấu tạo và đánh giá sự phù hợp, các hướng nghiên cứu hiện nay của bộ biến đổi và động cơ AFPM trong FESS. Từ đó đề xuất hướng nghiên cứu và nội dung thực hiện của luận án. Chương 2: Trình bày các bộ biến đổi công suất 2 chiều sử dụng trong FESS. Đề xuất mô hình bán vật lý của AFPM stator kép. Đề xuất thiết kế điều khiển và mô phỏng cho FESS: cấu trúc BTB đầu ra kép - AFPM stator kép; cấu trúc IMC đầu ra kép - AFPM stator kép, trong đó tập trung giải quyết vấn đề chọn lựa, phân tích, đánh giá và điều khiển bộ BTB và IMC khi thực hiện trao đổi năng lượng 2 chiều. Chương 3: Tính toán thiết kế AFPM stator kép. Lựa chọn thông số và mô phỏng AFPM stator kép sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3D, và đánh giá các kết quả thu được phục vụ cho phần thiết kế bộ biến đổi công suất 2 chiều ở Chương 2 và chế tạo thử nghiệm động cơ AFPM stator kép ở Chương 4. Chương 4: Trình bày chi tiết các thiết kế chế tạo của AFPM stator kép với các thông số được lựa chọn trong phạm vi thử nghiệm và quy trình chế tạo. Đánh giá khả năng trao đổi năng lượng 2 chiều của AFPM stator kép và những hạn chế, khó khăn trong quá trình triển khai chế tạo. Phần kết luận: Nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả đạt được trong phạm vi nghiên cứu. Chỉ ra các hạn chế, khó khăn và đề xuất cho các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao chất lượng của hệ FESS và ứng dụng thành công trong thực tế. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG BÁNH ĐÀ 1.1 Cấu tạo và chế độ làm việc của FESS 1.1.1 Cấu tạo của FESS Hiện nay, FESS thường có cấu tạo và các thành phần chính như Hình 1.1, bao gồm: động cơ điện, bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều, bánh đà, hệ thống ổ bi chặn, ổ bi quay, hệ thống buồng chân không. Phụ thuộc vào thiết kế FESS mong muốn mà các thành phần chính của FESS sẽ có các đặc điểm và tính chất khác nhau. Cấu tạo và chức năng của các thành phần chính của FESS: - Động cơ: tạo ra chuyển động quay cho FESS, điều chỉnh tốc độ quay của động cơ sẽ giúp cho hệ thống FESS nạp hoặc xả năng lượng, và đảm bảo bánh đà hoạt động ở mức tốc độ an toàn và hiệu quả. Động cơ được thiết kế có mật độ công suất lớn và hiệu suất cao [15]. Các loại động cơ thường được sử dụng là loại động cơ không đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ. Hình 1.1 Cấu tạo và thành phần của FESS - Bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều: có chức năng chuyển đổi năng lượng từ nguồn vào bánh đà (nạp và lưu trữ năng lượng) và chuyển đổi năng lượng từ bánh đà về nguồn (xả năng lượng) khi cần thiết. Bộ biến đổi điện tử công suất 2 chiều, bao gồm: chuyển đổi DC-AC và chuyển đổi AC-DC hoặc chuyển đổi trực tiếp (biến tần ma trận). Mỗi loại có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc và yêu cầu của hệ thống FESS để lựa chọn loại bộ biến đổi điện tử công suất phù hợp. 5