Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống microgrid tóm tắt

Trên cơ sở đó và bối cảnh nguồn năng lượng mặt trời đang được phát triển mạnh mẽ hiện nay tác giả lựa chọn “Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Lê Kim Hùng

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Đức Huy

Phản biện 2: PGS.TS Trương Đình Nhơn

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Liêm

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận án tốt nghiệp Tiến sĩ

Kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 12 tháng 02 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin – Học liệu và Truyền thông, ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Một trong những vấn đề mà các nước trên thế giới đang phải đối mặt là làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Điều này làm tăng nhu cầu về tài nguyên năng lượng, nhất là năng lượng hóa thạch mà ban đầu được coi là vô tận Tuy nhiên, chúng đã được sử dụng đến mức cạn kiệt và việc này đã dẫn đến những tác động tiêu cực như biến đổi khí hậu, gây nóng lên toàn cầu Để giải quyết vấn đề nóng lên toàn cầu các nước đang tập trung vào nghiên cứu giải pháp làm giảm thiểu phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, đó là cắt giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch và chuyển trọng tâm sang sử dụng các nguồn năng lượng bền vững, thân thiện với môi trường hơn trong sản xuất điện năng Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn năng lượng phân tán (DER) đặt ra một

số thách thức nảy sinh từ các yếu tố bất định của chúng (công suất đầu

ra phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết…) Khi lưới điện có sự thâm nhập cao của các nguồn năng lượng tái tạo (RES) sẽ gây nên sự mất cân bằng công suất, cùng với các vấn đề liên quan về chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống

Hiện nay, Microgrid là cấu trúc lưới điện đang được quan tâm nghiên cứu vì có khả năng tích hợp nhiều DER chủ yếu là các RES đã làm giảm đáng kể các mối quan tâm về biến đổi khí hậu Tuy nhiên, so với lưới điện truyền thống, khi Microgrid chuyển sang hoạt động chế

độ vận hành độc lập gặp phải một số thách thức: do tích hợp nhiều RES nên hệ thống có quán tính thấp, các RES phụ thuộc yếu tố thời tiết (biến động, ngẫu nhiên và gián đoạn) nên gây khó khăn trong việc điều khiển

và cân bằng công suất trong hệ thống, gây ra các dao động tần số trong

hệ thống dẫn đến mất ổn định, ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng

Do vậy, để nâng cao hiệu quả vận hành của Microgrid độc lập và khai thác tối đa tiềm năng của các DER thì cần phải có các chiến lược, giải pháp và phương pháp điều khiển phù hợp cho Microgrid độc lập

Trên cơ sở đó và bối cảnh nguồn năng lượng mặt trời đang được

phát triển mạnh mẽ hiện nay tác giả lựa chọn “Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Microgrid”

nhằm đề xuất các giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả sử dụng của nguồn năng lượng mặt trời (PV) và các nguồn DER khác trong Microgird

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp điều khiển để tối ưu vận hành

hệ thống Microgrid

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là các phương pháp điều khiển áp dụng cho Microgrid

Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của luận án là xây dựng

mô hình, đề xuất các giải pháp điều khiển ở cấp điều khiển sơ cấp của Microgrid độc lập khi có các dao động bé (sự thay đổi công suất tải và thay đổi công suất hệ thống PV) nhằm nâng cao hiệu quả vận hành Cấu trúc Microgrid luận án nghiên cứu: gồm máy phát Diesel, hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống lưu trữ lai và phụ tải

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình toán mô phỏng, nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới đặc biệt là các công bố của tác giả luận án

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về mặt khoa học sau luận án có các đóng góp như sau:

Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống PV

Đề xuất áp dụng bộ điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho bộ nghịch lưu của HESS ở cấp điều khiển cấp sơ cấp nhằm nâng cao khả năng vận hành của Microgrid độc lập

Đề xuất thuật toán hạ bậc dựa trên toán tử Hankel và phương pháp cân bằng cho bộ điều khiển của điều khiển bền vững Hinf nhằm

giảm thời gian tính toán, xử lý trong thời gian thực để có thể dễ dàng

áp dụng thực tế

Kết quả đạt được của luận án sẽ mang lại các đóng góp về mặt

thực tiễn sau:

Trên cơ sở các giải pháp điều khiển đề xuất của luận án, có thể

áp dụng Microgrid cho các tòa nhà, khu công nghiệp, các đảo cô lập để

có thể khai thác tối đa hiệu quả của các RES

Trên cơ sở thuật toán hạ bậc đề xuất cho bộ điều khiển của luận

án, cho phép giảm thời gian tính toán, xử lý của các hệ thống điều khiển

trong Microgrid để dễ dàng triển khai áp dụng thực tế

6 Những đóng góp mới của luận án

Đóng góp thứ 1: Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến, áp dụng cho

các hệ thống PV với yêu cầu cấu hình của các bộ điều khiển MPPT đơn

giản, giúp nâng cao khả năng tích hợp của hệ thống PV và hiệu quả vận

hành của Microgrid vận hành độc lập

Đóng góp thứ 2: Đề xuất và xây dựng bộ điều khiển bền vững

Hinf cho bộ nghịch lưu của HESS Bộ điều khiển bền vững Hinf giúp

nâng cao hiệu quả vận hành Microgrid vận hành độc lập

Đóng góp thứ 3: Đề xuất thuật toán hạ bậc cho bộ điều khiển bền

vững Hinf có chất lượng điều khiển tương đương với bộ điều khiển bền

vững Hinf đủ bậc

7 Bố cục chung của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, danh mục tài liệu tham

khảo và mục lục thì luận án được bố cục thành 4 chương, trong đó đóng

góp của luận án được trình bày trong Chương 3 và Chương 4

Chương 1: Tổng quan về Microgrid và các chiến lược, phương

pháp điều khiển trong Microgrid

Chương 2: Mô hình hóa và điều khiển trong Microgrid

Chương 3: Đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả

vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời trong Microgrid

Chương 4: Đề xuất giải pháp điều khiển bền vững Hinf áp dụng

cho HESS để nâng cao khả năng vận hành của Microgrid độc lập

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ CÁC CHIẾN

LƯỢC, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG

MICROGRID 1.1 Tổng quan về Microgrid

Microgrid được tác giả Hansen định nghĩa như sau: “Microgrid

là lưới điện phân tán điện áp thấp có cấu trúc bao gồm các DER, tải linh hoạt, các thiết bị lưu trữ (bánh đà, siêu tụ, ắcqui…) và các phần tử này có thể điều khiển được Do có khả năng điều khiển, Microgrid có thể vận hành ở chế độ kết nối lưới, hoặc chế độ độc lập, và có thể linh hoạt chuyển đổi giữa hai chế độ khi có yêu cầu”

1.2 Các chiến lược quản lý và điều khiển trong Microgrid

Để giải quyết các thách thức và phát huy các vai trò của Microgrid, trong các nghiên cứu đã đưa ra ba chiến lược quản lý, điều khiển và vận hành Microgrid như sau:

- Chiến lược điều khiển tập trung

- Chiến lược điều khiển phân tán

- Chiến lược điều khiển phân cấp

1.3 Các chiến lược điều khiển ở cấp điều khiển sơ cấp

Như đã phân tích ở trên, Microgrid khi chuyển sang chế độ độc lập gặp một số thách thức Do vậy, để khai thác hiệu quả các RES và nâng cao hiệu quả vận hành của Microgrid, cần phải có các chiến lược điều khiển phù hợp để điều khiển các DER ở cấp sơ cấp Trong các nghiên cứu đã đề xuất các chiến lược điều khiển cho các cấp điều khiển

sơ cấp của Microgrid

1.4 Các phương pháp điều khiển

Trong phần này, tiến hành tổng hợp phân tích, đánh giá các phương pháp điều khiển áp dụng cho cấp điều khiển sơ cấp của Microgrid Các phương pháp điều khiển bao gồm: điều khiển truyền thống PID, điều khiển nâng cao, các kỹ thuật thích nghi, điều khiển bền vững, và các kỹ thuật điều khiển dựa trên các thuật toán thông minh như ANN, FL, thuật toán PSO,…

1.5 Sơ đồ cấu trúc Microgrid nghiên cứu

Hiện nay, tốc độ phát triển của các nguồn năng lượng mặt trời

phân tán tích hợp vào lưới điện ngày càng gia tăng ở Việt Nam nói riêng

và thế giới nói chung Các phụ tải như: các toà nhà, bệnh viện, sân bay,

các xí nghiệp và các khu vực đảo … đều có nguồn dự phòng sử dụng

máy phát Diesel Do đó, việc đề xuất các giải pháp điều khiển để khai

thác tối đa công suất của nguồn năng lượng mặt trời phân tán, nâng cao

khả năng tích hợp vào lưới điện và khả năng vận hành hiệu quả

Microgrid đang được quan tâm Từ các phân tích trên, luận án đề xuất

cấu trúc Microgrid nghiên cứu như Hình 1.15

MGCC

MBA MBA

DC DC

Lưu trữ Pin

Siêu tụ điện

DC DC

DC AC DC

AC DC DC

Hình 1.15 Cấu trúc Microgrid nghiên cứu

1.6 Nhận xét và kết luận chương

Qua các kết quả nghiên cứu về Microgrid trong các tài liệu tham

khảo chọn lọc, chương 1 đã giới thiệu các khái niệm, các chế độ vận

hành, vai trò và các vấn đề đặt ra để vận hành hiệu quả Microgrid

Từ các vấn đề đặt ra của Microgrid, chương này cũng giới thiệu

các chiến lược và cấu trúc điều khiển để chia sẻ công suất phù hợp giữa

các DER và ESS trong Microgrid khi vận hành nối lưới và độc lập Với

các chiến lược điều khiển, các kết quả nghiên cứu tham khảo tiến hành

phân tích, so sánh và đánh giá các phương pháp điều khiển áp dụng

trong Microgrid Đề xuất mô hình Microgrid sử dụng để nghiên cứu của

luận án

Kết quả nghiên cứu chương 1 của luận án được công bố trong

công trình số 7 trong danh mục công bố của đề tài

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG

MICROGRID 2.1 Đặt vấn đề

Trong mô hình Microgrid đề xuất của luận án như Hình 1.15, khi chuyển sang hoạt động độc lập thì máy phát Diesel là nguồn phát chính, nguồn phân tán sử dụng năng lượng tái tạo là hệ thống PV, ngoài ra để đảm bảo Microgrid vận hành ổn định, luận án đề xuất sử dụng hệ thống lưu trữ lai (HESS) làm nguồn điều chỉnh tần số chính có khả năng đáp ứng với các thay đổi nhanh của hệ thống PV và phụ tải

Mục đích của chương này là xây dựng mô hình toán, cấu trúc điều khiển Microgrid để tiến hành mô phỏng, phân tích đánh giá ảnh hưởng của hệ thống PV với tỉ lệ thâm nhập cao, vai trò của HESS đến hiệu quả vận hành của các nguồn và Microgrid vận hành độc lập

2.2 Mô hình hóa và điều khiển hệ thống PV

2.3 Mô hình và điều khiển máy phát Diesel

2.4 Mô hình và điều khiển hệ thống lưu trữ

Hệ thống lưu trữ (ESS) khi được tích hợp trong Microgrid, có vai trò trong việc điều chỉnh sự ổn định tần số, điện áp cũng như nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy của lưới điện

2.4.1 Tổng quan về hệ thống lưu trữ

Trong Microgrid có tỉ lệ thâm nhập cao của RES thì yêu cầu của ESS vừa đảm bảo đáp ứng công suất nhanh với các thay đổi của các nguồn tái tạo và phụ tải để ổn định tần số (hoạt động độc lập) vừa phải

có khả năng lưu trữ để thục hiện các chức năng như đã phân tích ở trên (khi hoạt động nối lưới) Nếu xét riêng từng loại, tất cả các thiết bị lưu trữ không có khả năng đáp ứng tất cả các tiêu chí, chẳng hạn như mật

độ năng lượng, mật độ công suất, tốc độ phóng điện, tuổi thọ và chi phí, cùng một lúc Do đó, để tối ưu hóa các tính năng lưu trữ và phân phối năng lượng thì cần phải kết hợp hai hoặc nhiều loại lưu trữ có các đặc tính bổ sung lẫn nhau tạo thành hệ thống lưu trữ lai (HESS) để đảm bảo tối ưu hiệu suất của ESS trong Microgrid

2.4.2 Mô hình các bộ biến đổi kết nối giữa HESS với Microgrid

Hệ thống lưu trữ năng lượng được kết nối với Microgrid thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất như Hình 2.17 Trong đó, bộ nghịch lưu DC/AC được sử dụng để điều khiển trao đổi công suất tác dụng và phản kháng giữa HESS và Microgrid Ngoài ra, bộ biến đổi DC/DC hai chiều điều khiển dòng điện hai chiều (sạc, xả) của hệ thống lưu trữ, đồng thời giữ cho điện áp DC đầu vào bộ DC/AC ổn định

Siêu tụ điện

D SC

+ -

DC

DC

PCC Microgrid

Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc của HESS kết nối Microgrid

2.4.2.1 Mô hình bộ biến đổi hai chiều DC/DC

2.4.2.2 Mô hình bộ nghịch lưu (VSI)

2.4.3 Các phương pháp điều khiển HESS trong Microgrid

2.4.3.1 Cấu trúc điều khiển phương pháp thứ 2

2.4.3.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC hai chiều

2.4.3.3 Điều khiển bộ nghịch lưu (VSI)

2.5 Mô hình và điều khiển tần số của Microgrid

Từ các mô hình mạch điện thay thế, các phương trình toán và các phương pháp điều khiển đã xây dựng và phân tích ở trên ta có mô hình điều khiển của Microgrid như Hình 2.29

Lưới điện

PCC

DC AC

C DC

DC AC

Điều khiển HESS

+ -

Hình 2.29 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Microgrid

Từ phương trình (2.42) và (2.43), ta có cấu trúc điều khiển tín hiệu nhỏ của Microgrid vận hành độc lập như hình 2.30

Hình 2.30 Cấu trúc điều khiển tín hiệu nhỏ của Microgrid

2.6 Mô phỏng và phân tích kết quả

Để đánh giá các ảnh hưởng của các giải pháp điều khiển trong Microgrid đến hiệu quả vận hành, trong phần này sẽ tiến hành mô phỏng các vấn đề như sau:

Phân tích ảnh hưởng các thuật toán điều khiển MPPT đến khả năng thâm nhập của hệ thống PV và hiệu quả vận hành, ổn định tần số trong Microgrid

Phân tích ảnh hưởng phương pháp điều khiển hệ thống lưu trữ đến hiệu quả vận hành và ổn định tần số trong Microgrid

2.6.1 Mô hình mô phỏng

2.6.2 Thông số và kịch bản mô phỏng

2.6.3 Phân tích ảnh hưởng của hệ thống PV đến Microgrid

2.6.3.1 Phân tích ảnh hưởng đến ổn định tần số

2.6.3.2 Phân tích ảnh hưởng đến máy phát Diesel

2.6.3.3 Phân tích ảnh hưởng đến đáp ứng của HESS

2.6.4 Phân tích ảnh hưởng thay đổi của phụ tải đến Microgrid

2.6.4.1 Phân tích ảnh hưởng đến ổn định tần số

2.6.4.2 Phân tích ảnh hưởng đến máy phát Diesel

2.6.4.3 Phân tích ảnh hưởng đến đáp ứng của HESS

2.6.5 Kết luận các kết quả mô phỏng

2.7 Nhận xét và kết luận chương 2

Chương 2, luận án đã tiến hành giới thiệu một các tổng quan về vai trò, công dụng, xây dựng mô hình mạch điện thay thế, mô hình toán của

hệ thống PV, máy phát Diesel và hệ thống HESS trong Microgrid Hệ thống

PV đã tiến hành phân tích các ưu nhược điểm của các thuật toán MPPT đến công suất đầu ra bức xạ thay đổi nhanh, chậm và không đổi

Phân tích các yêu cầu của Microgrid độc lập đối với hệ thống lưu trữ, để từ đó đề xuất cấu trúc HESS Từ các mô hình mạch, mô hình toán luận án tiến hành xây dựng mô hình mạch điện thay thế tín hiệu nhỏ của Microgrid

Từ mô hình mạch của Microgrid độc lập, luận án tiến hành mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của các thuật toán MPPT đến ổn định tần

số và nâng cao khả năng vận hành của Microgrid

Qua các phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng, chương 3 sẽ tiến hành: nghiên cứu đề xuất thuật toán MPPT có hiệu suất bám điểm MPP tương đương với thuật toán MPPT FL

Kết quả nghiên cứu chương 2 của luận án được công bố trong công trình số 4, 6 và 5 trong danh mục công bố của đề tài

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG MICROGRID

Do vậy, luận án đề xuất một thuật toán MPPT có khả năng khắc phục được các nhược điểm của các thuật toán MPPT truyền thống và đạt được các ưu điểm của các thuật toán MPPT thông minh

3.2 Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến dựa trên P, V và D

Thuật toán MPPT được đề xuất hoạt động dựa trên ba thông số

cơ bản: (1) sự thay đổi của công suất đầu ra của hệ thống PV (PPV); (2)

sự thay đổi của điện áp đầu ra của hệ thống PV (VPV); và (3) sự thay đổi

độ rộng xung D của bộ điều khiển MPPT

3.2.1 Thuật toán MPPT đề xuất

Từ các phân tích trên, luận án đề xuất thuật toán MPPT được điều khiển dựa trên ba yếu tố V PV , P PV và D để giải quyết các nhược điểm

của thuật toán P&O và HC đã nêu ở trên Lưu đồ của phương pháp MPPT đề xuất được thể hiện trong Hình 3.2

Khi ba yếu tố V PV , P PV và D được xem xét để đưa ra tín hiệu

điều khiển trong thuật toán MPPT này, hoạt động của thuật toán trong các chế độ của bức xạ được giải thích cụ thể trong từng trường hợp như sau:

3.2.1.1 Trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi đột ngột

3.2.1.2 Trường hợp khi bức xạ mặt trời ổn định

3.2.1.3 Các trường hợp khác

3.2.2 Mô phỏng đánh giá thuật toán MPPT đề xuất

Để đánh giá hiệu quả của thuật toán MPPT đề xuất, luận án chọn thuật toán MPPT thông minh dựa trên FL và thuật toán MPPT truyền thống P&O để so sánh

3.2.2.1 Phân tích các kết quả mô phỏng

Từ mô hình hệ thống PV kết nối Microgrid trên, tiến hành mô phỏng với cả 3 thuật toán MPPT truyền thống P&O, dựa trên FL và thuật toán đề xuất Kết quả mô phỏng công suất đầu ra của hệ thống PV như trong Hình 3.6 và Hình 3.7 với kịch bản bức xạ cho ở Hình 3.5 và

ở nhiệt độ tiêu chuẩn (T = 25oC)

Hình 3.6 So sánh công suất đầu

3.2.3 Kết luận đánh giá thuật toán MPPT đề xuất

Thuật toán MPPT đề xuất dựa trên các tham số PPV, VPV và

D có khả năng bám điểm MPP hiệu quả với tốc độ nhanh trong mọi điều kiện thời tiết Ngoài ra, sự dao động về công suất ngõ ra của hệ thống PV tại điểm MPP là rất nhỏ trong điều kiện bức xạ ổn định, không

có sự thay đổi công suất đột ngột trong trường hợp thời tiết thay đổi nhanh

Với việc giải quyết được các nhược điểm của thuật toán truyền thống, có hiệu quả bám tương tự như thuật toán MPPT dựa trên FL và

có các quy tắc điều khiển đơn giản, thuật toán MPPT đề xuất có thể được áp dụng vào tất cả hệ thống PV thực tế để nâng cao hiệu suất của

hệ thống với chi phí đầu tư thấp

3.2.4 Đánh giá ảnh hưởng của thuật toán MPPT đề xuất đến khả năng thâm nhập của hệ thống PV vào Microgrid

Để đánh giá ảnh hưởng thuật toán MPPT đề xuất đến khả năng thâm nhập của hệ thống PV vào Microgrid, tỉ lệ thâm nhập hệ thống PV tăng lên 501,5 (kW) với các thông số và kịch bản như mục 2.6.3

3.2.4.1 Đánh giá ảnh hưởng đến sai lệch tần số của Microgrid

Hình 3.12 Đáp ứng tần số của Microgrid

Đối với trường hợp tỉ lệ thâm nhập PV tăng lên, tiến hành mô phỏng đánh giá với cả 3 thuật toán MPPT FL, P&O và MPPT đề xuất Kết quả được thể hiện trong Hình 3.12

3.4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng đến máy phát Diesel

3.4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng đến hệ lưu trữ dùng SC