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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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
Nghiên cứu sinh

Tập thể hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Trần Trọng Minh

TS. Đỗ Mạnh Cường

i

Đỗ Nguyên Hưng


LỜI CẢM ƠN
Trải qua một thời gian nghiên cứu dài, khó khăn và nhiều thử thách, tác giả
cũng đã hồn 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 mơn Tự động hóa Cơng nghiệp trước đây, nay là khoa Tự động hố đã có
những đóng góp q 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 hồn 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 ln 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


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


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 Mơ hình bán vật lý AFPM stator kép...........................................................19
2.1.1 Mơ hình AFPM trên hệ tọa độ dq......................................................20
2.1.2 Mơ hình tốn học và mơ 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 khơng gian cho phía nghịch lưu..................................44
2.4.3. Điều chế vector khơng 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 thơng số của AFPM stator kép...........................................77
3.1.4 Mô phỏng trên phần mềm FEM........................................................78


3.2 Xây dựng mơ hình 3D của động cơ AFPM trên FEM

81

3.2.1 Mơ 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 thơng số AFPM

84

3.3.1 Thơng 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 MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM.................................................................87
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THƠNG DỌC TRỤC.................................................87
4.1 Mơ 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

1. Danh mục các từ viết tắt
a/ Danh mục tiếng Anh
Từ viết
tắt

Ý nghĩa tiếng Anh

Ý nghĩa tiếng Việt

Dimension
Alternating Current
Axial flux permanent magnet
motor

Không gian 2 chiều, 3 chiều
Dòng điện xoay chiều
Động cơ nam châm vĩnh cửu từ thơng
dọc trục

avg

Average

BESS

Battery Energy Storage System

Trung bình
Hệ thống lưu trữ năng lượng ắc quy


BLDC

Brushless DC Motor

BTB

Back to Back

CS

Capacitor
System

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

FESS

Flywheel
System

IM

Induction motor

IMC


Indirect Matrix converter

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


Vịng khóa pha

PM

Permanent magnet

Nam châm vĩnh cửu

PMSM

Permanent
Synchronous Machine

2D, 3D
AC
AFPM

Động cơ một chiều không chổi than
Bộ biến đổi BTB

Energy

Energy

Storage

Storage

Hệ thống lưu trữ năng lượng tụ điện


Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà
Động cơ không đồng bộ
Bộ biến đổi ma trận điều chế gián tiếp

Magnet

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu


PWM

Pulses With Modulation

Điều chế độ rộng xung

RFPM

Radial flux permanent magnet
motor

Động cơ từ thơng hướng tâm kích
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
NLTT

Ý nghĩa tiếng việt
Năng lượng tái tạo

2. Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu
E
Bmg
D0
ddq
Di
g
J
lM
Lrot
lsat
m
N
Nsl
r
TL



Wbi


L
i



T
C
G
P

Đơn vị
J
T
m
m
m
m
kg.m2
m
m
m
kg
vịng
vịng
m
N.m

Rad/s
(vịng/phút)
m
Tesla
H
Ampe
Vơn
H/m
N.m
F
N
W

Ý Nghĩa
Năng lượng
Mật độ từ thơng tại khe hở khơng khí
Đường kính ngồi của stator
Đường kính dây quấn
Đường kính ngồi của stator
Độ dày khe hở khơng khí
Mơ men qn tính
Độ dày của nam châm
Độ dày của rotor
Độ dày stator
Trọng lượng bánh đà
Số vòng dây mỗi pha
Số vịng dây mỗi rãnh stator
Bán kính
Mơ men tải
Vận tóc góc

Độ dày của gơng từ
Từ thơng
Điện cảm
Dịng điện
Điện áp
Từ thẩm
Mơ men
Tụ điện
Trọng lực
Công suất


Ký hiệu

Ý nghĩa

kw
m
p
q

Hệ số dây quấn
Số pha
Số cặp cực
Số rãnh của mỗi pha dưới một cực

dq
abc

Hệ toạ độ quay dq

Hệ toạ độ abc
Hệ toạ độ 
Cuộn dây tương đương phía rotor
Góc tạo bởi véc tơ dịng điện
Động cơ M1
Động cơ M2
Hệ số điều chế
Góc pha
Lực dọc trục
Bán kính
Độ che phủ nam châm
Điện áp tụ


Nf

i
M1
M2
d


F
R

M
Uc


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần của FESS............................................................................16
Bảng 2.1 Thơng 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: Thơng 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 thơng số tính tốn........................................................................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 mơ hình thực nghiệm..............................................88
Bảng 4.2 Kích thước thân Stator............................................................................89
Bảng 4.3 Thơng 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



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

Mơ hình tốn học AFPM stator kép......................................................25

Hình 2.4

Mơ 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 dịng điện bù xen kênh...........................................27

Hình 2.7

Cấu trúc bộ điều khiển dịng stator........................................................27

Hình 2.8

Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ.........................................................29

Hình 2.9

Mạch vịng 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 vịng điều khiển dịng điện bù xen kênh....................................33
Hình 2.13 Mạch vịng điều chỉnh dịng điện............................................................33
Hình 2.14 Mạch vịng điện áp trên miền tốn tử Laplace..........................................34
Hình 2.15 Mơ hình mơ 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 Dịng điện Id1, Iq1, Id2, Iq2 khi điều khiển bằng BTB..................................39


Hình 2.21 Lực F1, F2 khi điều khiển bằng BTB......................................................41
Hình 2.22 Mơ men Te của AFPM........................................................................41

Hình 2.23 Năng lượng E khi điều khiển bằng BTB.................................................42
Hình 2.24 Cơng 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 khơng 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 khơng 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, dịng một
chiều idc1 và idc 2............................................................................................................................................................60
Hình 2.43 Đáp ứng dịng 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, dịng điện 3 pha iabc...............................................................61
Hình 2.47 Điện áp Vab, dịng điện 3 pha iabc.............................................................................................62

Hình 2.48 Cấu trúc IMC đầu ra kép – AFPM stator kép..........................................63
Hình 2.49 Mơ hình mơ phỏng AFPM stator kép.....................................................64
Hình 2.50 Đường đặc tính tốc độ của AFPM.........................................................65


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 Dịng điện Id1, Iq1, Id2,Iq2 điều khiển bằng IMC.........................................67
Hình 2.54 Đáp ứng mơ 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 cơng 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 thơng khe hở khơng khí........................................................81

Hình 3.5


Mơ 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 thơng trên stator...................................................................84

Hình 3.9

Quy trình thiết kế và mơ phỏng AFPM.................................................85

Hình 4.1

Sơ đồ các chi tiết chính của mơ hình.....................................................87

Hình 4.2

Các lớp tơn SI của thân Stator (Nguồn [82])..........................................89

Hình 4.3

Quy trình chế tạo Stator và Rotor.........................................................92


Hình 4.4

Mơ hình thực nghiệm tại phịng 203 C9- ĐH BKHN.............................93

Hình 4.5

Sơ đồ đo kiểm AFPM ở chế độ khơng tải..............................................94

Hình 4.6

Đồ thị EMF của 3 pha.........................................................................95

Hình 4.7

Dạng sóng EMF ở chế độ khơng tải......................................................96

Hình 4.8

Sơ đồ đo kiểm khi nối tải.....................................................................96

Hình 4.9

Dạng sóng của điện áp và dịng điện khi nối tải......................................97

Hình 4.10 Dạng sóng dịng điện, điện áp, cơng suất ở chế độ nạp – chờ - xả...............97
Hình A.1 Cấu trúc vịng 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



Hình E.3 Đai Inox trong và ngồi 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


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 sốt thơng 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 khơng có tác động đến

mơi 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


cịn phụ thuộc theo các u 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 sốt q 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, mơ 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 mơ 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 mơ 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


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 mơ 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 mơ 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 mơ hình thử nghiệm
động cơ AFPM stator kép.
+ Nghiên cứu thực nghiệm đo kiểm mơ hình động cơ AFPM stator kép, phân tích các
số liệu đo kiểm và đánh giá chất lượng mơ hình, đề xuất cải tiến mơ 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 q trình đóng cắt van bán dẫn và đảm bảo thời gian chuyển mạch. Thực hiện
mơ 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 tốn 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
mơ 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 tốn thiết kế, chế tạo, mơ 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


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 cơng nghệ thân thiện với mơi trường; mơ 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
mơ 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 tốn
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 q 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.


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 tồn 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 khơng đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ.

Hình 1.1 Cấu tạo và thành phần của FESS
- Bộ biến đổi điện tử cơng 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.