Khảo sát hoạt động của hệ thống lưới điện siêu nhỏ dạng lai dc – ac sử dụng bộ biến đổi liên kết

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mở đầu

Lưới điện siêu nhỏ (LĐSN) microgrid là một hệ thống bao gồm nhiều nhóm tải kết nối với các hệ thống cung cấp và phân phối điện, được điều khiển nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện Khái niệm LĐSN không mới, với các nguồn phát điện từ nhiên liệu hóa thạch đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ Chẳng hạn, khi điện lưới bị ngắt, máy phát điện diesel trong tòa nhà sẽ hoạt động để duy trì hoạt động của các thiết bị Các hệ thống này đang không ngừng phát triển nhờ vào những tiến bộ trong hiệu quả động cơ phát điện và cách sử dụng nhiên liệu.

Ngày nay, hệ thống microgrid đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào việc tận dụng các nguồn năng lượng mới như điện gió, điện mặt trời và điện thủy triều Giá thiết bị khai thác năng lượng mới ngày càng giảm, cùng với sự tiến bộ trong công nghệ lưu trữ và truyền tải thông tin, đã thúc đẩy tốc độ xây dựng và hoạt động của các công trình này Sự tích hợp công nghệ năng lượng tái tạo không chỉ giúp giảm chi phí vận hành so với hệ thống truyền thống mà còn tối ưu hóa độ tin cậy, hiệu quả và tính linh hoạt.

Việc xây dựng các chiến lược điều khiển và mô hình quản lý năng lượng trong lực lượng lao động sản xuất (LĐSN) là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển bền vững của mô hình này.

Mục tiêu của luận văn

Luận văn tập trung vào việc phát triển một hệ thống lao động sản xuất (LĐSN) dạng lai rút gọn hoạt động độc lập Mục tiêu là mô phỏng ứng dụng nguồn DC microgrid và xây dựng mô hình điều khiển phân tán đa bậc, nhằm nâng cao độ tin cậy và linh hoạt cho hệ thống.

Các mô hình liên kết (interlinking) đang được nghiên cứu và phát triển trên toàn cầu, với mục tiêu nâng cao độ tin cậy, chất lượng điện năng và tốc độ đáp ứng Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc mô phỏng chia sẻ công suất qua bộ biến đổi công suất liên kết (IC) trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai, trong đó nguồn điện DC sẽ được phát triển dựa trên năng lượng tái tạo từ nhiều nguồn phân tán.

Mục tiêu của luận văn là xây dựng một mô hình mô phỏng chân thực nhất để nâng cao tính ứng dụng của mô hình trong thực tế, với kết quả mô phỏng được thực hiện thông qua phần mềm Matlab.

TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU VÀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG THỰC TẾ

Khảo sát nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam

Nhu cầu điện ở Việt Nam đang tăng từ 8% đến 10% mỗi năm, dẫn đến dự báo thiếu hụt hàng tỉ kWh điện từ năm 2021 Theo quy hoạch điện VII (điều chỉnh), sản lượng điện cần bổ sung trung bình 26,5 tỉ kWh mỗi năm Cục Điện lực và năng lượng tái tạo ước tính thiếu hụt khoảng 6,6 tỉ kWh vào năm 2021, tăng lên 11,8 tỉ kWh vào năm 2022 và có thể đạt 15 tỉ kWh vào năm 2023 Để giải quyết vấn đề này, Bộ Công Thương đã nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo Năm 2019, số lượng dự án điện mặt trời đã tăng mạnh, đạt công suất khoảng 4.500 MW, với nhiều dự án năng lượng tái tạo được triển khai tại Ninh Thuận.

Dự báo của EVN cho thấy sản lượng điện thiếu hụt trong 5 năm tới sẽ được cải thiện nhờ vào việc đầu tư nhanh chóng và đưa vào vận hành các trạm biến áp cùng đường dây truyền tải 220KV và 500KV Đây là một phần trong 8 dự án trong kế hoạch huy động vốn đầu tư nâng công suất Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia cam kết sẵn sàng đáp ứng giải tỏa công suất cho 4500MW điện mặt trời.

Nhu cầu điện tại Việt Nam dự báo sẽ tiếp tục gia tăng trong những năm tới do sự thu hút mạnh mẽ dòng vốn FDI vào lĩnh vực sản xuất và xây dựng Điều này tạo ra thách thức lớn cho ngành điện trong việc đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao.

Tình hình cung – cầu điện trên thế giới

Năm 2017, sản xuất điện từ các nước không thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh tế OECD (non-OECD) đã chiếm 57% tổng sản lượng điện toàn cầu, tăng hơn 2 lần so với 28% vào năm 1974 Kể từ năm 2011, sản lượng điện từ các nước non-OECD đã vượt qua sản lượng của các nước thuộc OECD và tiếp tục gia tăng Đặc biệt, điện sản xuất từ các nguồn nguyên liệu dễ cháy như khí, than, và dầu đã chiếm 66.8% tổng sản lượng điện toàn cầu trong năm 2017.

Hình 2.2 Thống kê tổng sản lượng điện sản xuất trên thế giới [2]

Nhóm các nước OECD đang trải qua sự chuyển dịch trong cơ cấu nguồn điện, với sự giảm dần của các nguồn truyền thống như dầu, than và thủy điện Ngược lại, điện hạt nhân, nhiệt điện khí và năng lượng tái tạo đã gia tăng mạnh mẽ trong 10 năm qua Đặc biệt, năm 2018 đánh dấu lần đầu tiên nhiệt điện khí vượt qua nhiệt điện than, trở thành nguồn điện chủ yếu trong nhóm các nước OECD.

Trong nhóm các nước không thuộc OECD, nguồn nhiệt điện than đã tăng mạnh và vẫn là nguồn điện chính Mặc dù năng lượng tái tạo cũng ghi nhận sự tăng trưởng đáng kể, nhưng vẫn chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng cơ cấu nguồn điện.

Hình 2.3 Tổng thị phần sản lượng điện theo sản xuất tại các nước thuộc OECD [2]

Hình 2.4 Tổng thị phần sản lượng điện theo sản xuất tại các nước không thuộc OECD [2]

Trong những năm gần đây, nguồn điện đã được phát triển đa dạng, với xu hướng ngày càng chú trọng vào các nguồn năng lượng tái tạo và nhiệt điện khí.

Đánh giá tiềm năng của năng lượng tái tạo và hướng đi trong tương lai

Nhu cầu về năng lượng điện tại Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới đang gia tăng Sản lượng tiêu thụ điện chủ yếu tập trung vào các ngành công nghiệp và xây dựng Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch cạn kiệt và gây ô nhiễm, cùng với những hạn chế của thủy điện và điện hạt nhân, năng lượng tái tạo đang trở thành một giải pháp tiềm năng Theo Quy hoạch điện 7 (điều chỉnh), dự kiến đến năm 2020, Việt Nam sẽ có gần 6.000 MW nguồn điện tái tạo, chiếm khoảng 7% tổng sản lượng điện Tuy nhiên, thực tế đến tháng 6 năm 2019, công suất điện mặt trời đã vượt xa dự kiến với 89 nhà máy điện gió và điện mặt trời hòa lưới, tổng công suất đạt 5.038 MW.

Việt Nam hiện có 9,5% tổng công suất đặt của hệ thống điện quốc gia từ năng lượng tái tạo Nghiên cứu cho thấy đất nước này sở hữu tiềm năng lớn về gió và bức xạ mặt trời cho các dự án điện quy mô lớn Theo dữ liệu từ The World Bank Group năm 2020, lượng bức xạ mặt trời trung bình hàng năm tại Việt Nam đạt 4.42 kWh/m², với vùng có bức xạ cao nhất lên tới 5.58 kWh/m² Ngoài ra, tiềm năng điện gió tại độ cao 80m của Việt Nam trung bình đạt 137 W/m², cao nhất so với các nước trong khu vực như Lào, Campuchia và Thái Lan.

Năng lượng tái tạo hiện vẫn gặp nhiều hạn chế do sự phụ thuộc vào thời tiết và khí hậu, với phần lớn nguồn năng lượng này sản sinh điện một chiều Các lưới điện siêu nhỏ một chiều đang trở nên phổ biến nhờ hiệu quả và chi phí thấp, đồng thời loại bỏ các pha biến đổi giữa điện một chiều và điện xoay chiều Tuy nhiên, hệ thống điện hiện tại chủ yếu là điện xoay chiều, khiến lưới điện siêu nhỏ xoay chiều vẫn chiếm ưu thế Việc kết nối giữa các lưới điện siêu nhỏ một chiều và xoay chiều để tận dụng lợi ích của cả hai loại lưới đã thu hút nhiều nghiên cứu, với mục tiêu hợp nhất thông qua bộ biến đổi hai chiều giúp chuyển đổi giữa điện một chiều và điện xoay chiều Trong cả hai loại lưới điện, điện năng được truyền tải linh hoạt và công suất được trao đổi hài hòa.

Việc kết hợp nguồn năng lượng mới với các nguồn năng lượng truyền thống là xu hướng tất yếu trong tương lai, khi mà hệ thống điện truyền tải và nguồn điện ngày càng phong phú và đa dạng.

Các mô hình đã được nghiên cứu

2.4.1 Hoạt động của lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp AC-DC (AC-DC hybrid microgrid) với bộ biến đổi công suất liên kết [4]

Rema V K, R Dhanalakshmi (2014) mô phỏng hoạt động của lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp AC-DC sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết Bài báo khảo sát hoạt động này dựa trên ý tưởng điều khiển rơi Trong đó kỹ thuật chuẩn hóa thích hợp được áp dụng để đồng bộ các lưới điện phụ với lưới điện chính

Bài báo tập trung vào mô hình nguồn công suất phân tán (DG) như một giải pháp thay thế cho nguồn công suất tập trung, nhằm giải quyết các vấn đề môi trường, kỹ thuật và kinh tế trong hệ thống điện hiện tại Lưới điện siêu nhỏ được mô tả là phiên bản hệ thống điện rời rạc, bao gồm các nguồn công suất phân tán và phụ tải, có khả năng hoạt động song song hoặc độc lập với lưới điện chính Lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp mang lại nhiều lợi ích cho việc quản lý năng lượng hiệu quả.

Hệ thống lưới điện AC phụ kết nối với lưới điện DC thông qua bộ biến đổi liên kết, cho phép truyền tải năng lượng hai chiều giữa các lưới điện phụ Hệ thống điều độ thông minh kết nối các lưới điện hỗn hợp với lưới điện chính và tách chúng ra khi có sự cố Thông tin được chia sẻ qua kênh giao tiếp, cho phép đánh giá sự cố một điểm Hoạt động đồng bộ giữa các lưới điện phụ và lưới điện chính phụ thuộc vào điều khiển rơi, yêu cầu mỗi nguồn điện đánh giá phụ tải và chia sẻ thông tin về điện áp, tần số và góc pha Đối với nguồn điện xoay chiều, phương pháp điều khiển rơi xác định tần số và điện áp tham khảo dựa trên công suất và công suất phản kháng, với tần số giảm khi công suất tăng Tại thời điểm xác lập, tổng công suất từ tất cả nguồn sẽ bằng tổng công suất tiêu thụ, và chỉ các nguồn công suất điện xoay chiều tham gia chia sẻ công suất phản kháng.

Công suất DC trong lưới điện DC phụ không tham gia vào thành phần điều khiển khi tải AC thay đổi Nguồn công suất điện một chiều đơn giản hơn do không có sự xuất hiện của công suất phản kháng.

Sử dụng phương pháp chuẩn hóa và bộ biến đổi PI, bài viết mô tả cách đồng bộ hai lưới điện phụ AC và DC Trong mô phỏng, công suất được truyền tải từ lưới DC sang AC, với bộ biến đổi công suất điều chỉnh lượng công suất này theo sự thay đổi tải AC Bộ biến đổi công suất liên kết không chỉ hoạt động như tải của lưới DC mà còn cung cấp nguồn công suất bổ sung cho lưới AC.

Bài báo đã áp dụng thành công kỹ thuật điều khiển rơi (droop control) để quản lý dòng công suất giữa các nguồn AC và DC Kết quả mô phỏng cho thấy bộ biến đổi công suất liên kết hoạt động hiệu quả trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai Hình 2.6 minh họa sự thay đổi công suất trong lưới điện.

DC khi tải AC thay đổi

2.4.2 Bộ biến đổi công suất liên kết tự động trong Hybrid AC – DC

Microgrid ứng dụng bộ tích trữ năng lượng [5]

Poh Chiang Loh, Ding Li, Yi

Kang Chai và Frede Blaabjerg (2013) nghiên cứu về điều khiển tự động cho bộ biến đổi công suất liên kết với bộ lưu điện trong Hybrid AC-DC

Microgrid là một hệ thống điện nhỏ có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính Theo bài báo, việc chia sẻ công suất giữa các nguồn điện trong lưới điện AC có thể được thực hiện thông qua điều khiển rơi trong chế độ cách ly Tương tự, điều khiển rơi cũng áp dụng cho nguồn DC Mỗi bộ điều khiển này được khảo sát độc lập trong các phần khác nhau của bài báo.

Hình 2.7 Ví dụ cho lưới điện dạng lai AC-

DC và bộ biến đổi công suất liên kết [5]

Mô hình được thiết lập trong Hình 2.7 thể hiện sơ đồ khối với các nguồn điện AC cung cấp năng lượng cho lưới điện Các nguồn điện DC truyền tải điện năng lên lưới thông qua bộ biến đổi công suất liên kết, đồng thời điều khiển rơi cho hai nguồn.

AC được thể hiện trong Hình 2.8 bởi hai đường rơi Units 1 và 2 trong

Hình 2.8 minh họa nguồn 1 và 2, trong đó x và y trên biểu đồ thể hiện giá trị công suất và tần số Ở trạng thái ổn định, lưới điện hoạt động hiệu quả.

AC hoạt động theo tần số chung f, như thể hiện bởi đường đứt nét nằm ngang trong Hình 2.8 Đường này giao với hai đường rơi tại hai điểm hoạt động ổn định Tổng giá trị công suất tại các điểm này đúng bằng lượng công suất tải AC cần thiết khi chỉ có lưới AC hoạt động độc lập Giá trị công suất tỷ lệ với công suất nguồn AC trong trường hợp hệ số dốc được thiết lập.

Giá trị công suất kVA của hai nguồn AC trong mô hình là yếu tố quan trọng Nguyên lý điều khiển rơi có thể áp dụng cho việc trao đổi công suất phản kháng, tuy nhiên, sai số luôn tồn tại do sự khác biệt tại điện áp đầu cuối và các yếu tố như sai số đo đếm và trở kháng đường dây Việc củng cố điện áp đầu cuối cho từng pha gặp nhiều khó khăn, mặc dù đã áp dụng các phương pháp cải tiến Mục tiêu nghiên cứu không phải là tìm ra lưu đồ mới cho điều khiển rơi, mà là phát triển một lưu đồ điều khiển tự động hoặc phân tán cho sự kết hợp dòng công suất giữa lưới AC phụ và lưới DC phụ trong mô hình hybrid microgrid.

Điều khiển rơi cho lưới điện hai nguồn DC được thực hiện đơn giản hơn so với các hệ thống khác, do không có công suất phản kháng và tần số Hình 2.8 minh họa tổng quát cho điều khiển này.

Hình 2.8 thể hiện công suất nguồn một chiều và điện áp ngõ ra Trong trạng thái ổn định, lưới DC điều chỉnh giá trị ngõ ra của các nguồn DC gần bằng nhau, mặc dù không hoàn toàn giống nhau do sự khác biệt về trở kháng trên đường dây Sự sai khác này dẫn đến độ lệch công suất trao đổi do trở kháng đường dây, tương tự như độ lệch công suất thực trong lưới AC.

Bài báo này trình bày thách thức thiết kế sơ đồ điều khiển tự động cho bộ biến đổi công suất liên kết, nhằm kết nối lưới điện AC và DC để tạo ra lưới điện hybrid Sơ đồ lưới điện được hình dung như hai nguồn điện độc lập kết nối vào bộ biến đổi công suất Nếu bộ biến đổi hoạt động như một lưới điện AC, công suất hiệu dụng sẽ được trao đổi giữa hai nguồn độc lập và đi vào các nguồn riêng lẻ trong từng mạng lưới Mục tiêu của bài báo là xác định cách kết nối hệ thống sử dụng bộ biến đổi công suất với Chuỗi tụ điện hoặc Bộ lưu điện.

Phương pháp giá trị rơi được áp dụng cho các nguồn AC cần phải đồng dạng về tần số trước khi lưới điện điều chỉnh chúng về cùng một giá trị Một thách thức mà bộ điều khiển liên kết gặp phải là sự khác biệt trong các giá trị rơi được áp dụng.

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT LIÊN KẾT

Giới thiệu

Sau khi nghiên cứu về hoạt động và tối ưu hiệu suất của bộ biến đổi liên kết, đề tài sẽ phát triển mô hình cho bộ biến đổi công suất trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai Mục tiêu là đề xuất các phương án cải tiến và nâng cấp hệ thống, giúp bộ biến đổi công suất phù hợp với lưới điện phân tán.

Yêu cầu thiết kế

Hệ thống khi hoạt động phải đảm bảo chất lượng điện đảm bảo tiêu chuẩn IEEE Std 519-1992 về biến dạng sóng hài của điện áp

Giá trị điện áp và tần số cũng phải đảm bảo các tiêu chuẩn do Bộ Công Thương Việt Nam ban hành như sau:

Trong điều kiện bình thường, độ lệch điện áp cho phép là ±5% so với điện áp danh định của lưới điện, được xác định tại vị trí đặt thiết bị đo đếm Đối với lưới điện chưa ổn định sau sự cố, độ chênh lệch điện áp cho phép là từ +5% đến -10%.

Trong điều kiện bình thường, độ lệch tần số của hệ thống điện được cho phép trong khoảng ± 0.2 Hz so với tần số danh định 50Hz Tuy nhiên, đối với lưới điện chưa ổn định sau sự cố đơn lẻ, độ lệch tần số cho phép có thể lên đến ± 0.5 Hz.

Theo thông tư 39-2015 TT-BCT trong các lưới điện có ứng dụng năng lượng tái tạo, điện mặt trời và điện gió cần đáp ứng những tiêu chuẩn sau:

Hình 3.1 Tiêu chuẩn biến dạng sóng hài theo IEE 519-1992

Hệ thống điện mặt trời cần duy trì khả năng phát điện liên tục trong dải tần số từ 49 Hz đến 51 Hz Nếu tần số hệ thống điện vượt ra ngoài khoảng này, hệ thống điện mặt trời phải đảm bảo hoạt động phát điện trong ít nhất 0.2 giây.

Hệ thống điện mặt trời cần duy trì khả năng phát điện liên tục khi điện áp tại điểm đấu nối nằm trong khoảng từ 85% đến 110% điện áp định mức Nếu điện áp vượt ra ngoài dải này, hệ thống phải đảm bảo hoạt động phát điện trong ít nhất 02 giây.

Lưới điện siêu nhỏ dạng lai AC-DC (HMG) sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết (IC) để kết nối và điều khiển điện áp tại điểm hòa lưới Bộ IC cho phép trao đổi công suất giữa hai nguồn độc lập AC và DC, với mỗi bộ chuyển đổi nguồn được điều khiển độc lập Phân tích giá trị điện áp đầu cực IC giúp bộ điều khiển xác định giá trị dòng IC mong muốn mà không cần khảo sát dòng tải, từ đó giảm chi phí cho các thiết bị liên lạc giữa các bộ chuyển đổi nguồn và hệ thống đo đếm dòng tải trong xây dựng hệ thống điều khiển.

Các nguồn năng lượng tái tạo hiện nay chủ yếu bao gồm điện mặt trời, điện gió và thủy điện nhỏ Để tích hợp các nguồn điện tái tạo thuần DC như điện mặt trời vào hệ thống lưới điện, cần sử dụng bộ chuyển đổi DC/AC Mô hình này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm chi phí cho hệ thống điều khiển, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện và giảm thiểu công suất tổn hao do quá trình chuyển đổi điện năng.

Xây dựng mô hình căn bản sử dụng Matlab Simulink

Mô hình tối giản bao gồm lưới điện siêu nhỏ AC và DC kết nối qua bộ IC, sử dụng nguồn điện lý tưởng với công suất vô hạn và không có tích hợp lưu trữ.

3.3.2 Chuẩn hóa điện áp và tần số Áp dụng công thức chuẩn hóa theo phương pháp điều khiển rơi cho tần số và điện áp DC [6] :

Tần số tối đa và tần số tối thiểu cho phép lần lượt được ký hiệu là , và , trong khi tần số tức thời được ký hiệu là Hệ số rơi và công suất hiệu dụng AC được ký hiệu là và

Điện áp DC tối đa và tối thiểu cho phép lần lượt được ký hiệu là \$U_{max}\$ và \$U_{min}\$ Điện áp DC tức thời được ký hiệu là \$U_{t}\$, trong khi hệ số rơi được ký hiệu là \$k\$ Cuối cùng, công suất hiệu dụng DC được ký hiệu là \$P_{dc}\$.

Hình 3.2 Mạch điện tương đương của mô hình căn bản [6] Áp dụng công thức chuẩn hóa cho tần số và điện áp DC [6] :

Giá trị tần số và điện áp DC tức thời sau khi chuẩn hóa được thể hiện trong hình 3.3 Sau khi chuẩn hóa, sự tương tác giữa AC MG và DC MG có thể được quan sát từ góc nhìn của công suất hiệu dụng cơ bản Để kết hợp đặc tính rơi của AC và DC, giá trị vi sai giữa hai giá trị chuẩn hóa được mô tả.

Công suất hiệu dụng cơ bản của IC được hiệu chỉnh để giảm thiểu sai số

Giá trị tham chiếu ∗ của công suất hiệu dụng cơ bản của bộ IC được xác định bởi hằng số độ lợi Từ đó, giá trị tham chiếu ∗ của dòng điện cơ bản của bộ IC được trình bày một cách rõ ràng.

Phương pháp điều khiển rơi và chuẩn hóa các giá trị của hệ thống sẽ được áp dụng trong các bước thiết kế hệ thống điều khiển dưới đây

3.3.3 Pha điều khiển điện áp lưới AC

Sơ đồ điều khiển điện áp lưới AC được trình bày trong hình 3.4 Hệ điều khiển nhận đầu vào từ giá trị điện áp và dòng điện tức thời của ngõ ra.

IC được đưa qua các bộ lọc thụ động (LR/RC) để hướng tới điểm hòa lưới Công suất tức thời của ngõ ra IC được tính trong hệ tọa độ d-q theo công thức sau:

Hình 3.3 Đặc tính rơi trước khi chuẩn hóa của (a) tần số, (b) điện áp DC và sau khi chuẩn hóa của (c) tần số, (d) điện áp DC [6]

Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển điện áp lưới AC [6]

Giá trị điện áp và dòng điện được chuyển đổi từ hệ quy chiếu abc sang hệ quy chiếu dq thông qua biến đổi Park Để tăng độ chính xác trong tính toán vòng điều khiển, các giá trị công suất tức thời được lọc qua bộ lọc thông thấp (LPF) nhằm loại bỏ nhiễu tần số cao Phương pháp điều khiển rơi được áp dụng cho giá trị tham chiếu của tần số góc AC và điện áp AC.

Giá trị tần số góc được đưa qua vòng lặp khóa pha (phase-locked loop hay

Sử dụng PLL để xác định góc cho việc chuyển đổi hệ quy chiếu abc-dq, điện áp tham chiếu được so sánh với điện áp tức thời ở khung tham chiếu d qua bộ điều khiển PI nhằm đạt giá trị điện áp mong muốn Đồng thời, giá trị điện áp tức thời ở khung tham chiếu q được điều khiển về 0 Việc chuyển đổi hệ quy chiếu giúp giảm chi phí xây dựng bộ điều khiển và sai số bằng cách chuyển đổi tín hiệu dạng sóng sin sang tín hiệu liên tục Sau khi đạt giá trị điện áp mong muốn trong hệ quy chiếu dq, ta chuyển đổi giá trị điện áp trở về hệ quy chiếu abc Cuối cùng, phương pháp chuẩn hóa và điều chế PWM được sử dụng để điều chỉnh giá trị điện áp lưới AC theo giá trị tham chiếu.

3.3.4 Pha điều khiển điện áp lưới DC

Sau khi lưới AC đạt được sự ổn định về điện áp và tần số, bộ điều khiển sẽ chuyển sang giai đoạn tiếp theo, đó là điều chế điện áp của lưới DC để đồng bộ với lưới AC Sơ đồ điều khiển điện áp lưới DC được trình bày trong hình dưới đây Tại thời điểm này, hai lưới đã được kết nối chặt chẽ.

AC và DC vẫn trong trại thái tách biệt

Giá trị đầu vào của hệ thống bao gồm điện áp tải và điện áp ngõ ra đã được điều chế của lưới DC Sau khi chuyển đổi về hệ quy chiếu dq, giá trị này được điều khiển về điện áp tải bằng bộ điều khiển PI Tiếp theo, điều chế xung PWM được thực hiện để đồng bộ hóa giá trị điện áp ngõ ra về biên độ, tần số và góc pha Bước này chuẩn bị cho việc nối hai lưới và khởi động quá trình trao đổi công suất trong pha tiếp theo.

3.3.5 Pha điều khiển dòng điện lưới DC

Sau khi nối lưới, bộ điều khiển bước qua pha tiếp theo được mô tả như hình dưới đây

Giá trị dòng điện tham chiếu được tính theo công thức sau:

Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển điện áp lưới DC [6]

Trong đó, là công suất hiệu dụng AC:

Với , là tần số góc tham chiếu 100 và là tần số góc tức thời; là hệ số rơi trong pha điều khiển điện áp lưới AC

Các giá trị này được đưa vào bộ điều khiển PI, và ngõ ra của bộ PI được sử dụng để điều chỉnh dòng điện theo dòng tham chiếu thông qua bộ điều chế xung PWM.

Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển điện áp lưới DC [6]

Hình 3.7 Mô hình lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp dạng lai AC-DC

Mô hình hệ thống được xây dựng bằng Matlab/Simulink gồm hai lưới điện

Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Bảng 3.1 Các thông số thiết lập mô hình

Khởi động hệ thống với lưới điện DC cấp nguồn 615 V cho một tải thuần trở

Biến tần chuyển đổi công suất DC sang AC, mô phỏng lưới điện AC bằng nguồn áp DC 615 V để cấp nguồn cho tải AC Bộ biến đổi công suất liên kết bao gồm hai inverter, mỗi inverter có sáu khóa công suất (MOSFET) Xung đóng cắt được điều chế bằng thuật toán PWM với tần số 10 kHz Độ biến dạng sóng hài của điện áp trước khi kết nối hai lưới điện được xác định.

Cấu hình Giá trị cài đặt

Bậc sóng hài Độ biến dạng

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.14 % < 3%

Số chu kỳ lấy mẫu 1 Bậc 3 0.51 % < 3%

Tần số định mức 50 Hz Bậc 4 0.34 % < 3%

Biên độ điện áp định mức 220√2 Tổng biến dạng 2.83 % < 5%

Bảng 3.2 Giá trị ngõ ra của mô hình lưới AC tại trạng thái xác lập trước khi kết nối 2 lưới

Giá trị điện áp tại trạng thái xác lập trước khi kết nối hai lưới là 303.1 V, chênh lệch 2.6% so với điện áp định mức Tần số tại trạng thái xác lập là 49.5 Hz, chênh lệch 0.5 Hz Kết quả này đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện do Bộ Công Thương Việt Nam quy định.

Hình 3.8 Giá trị tần số tại trạng thái xác lập

Hình 3.9 Kết quả chất lượng điện áp ngõ ra lưới AC

Sau khi 2 lưới liên kết với nhau, dòng công suất trao đổi giữa hai lưới điện được ghi lại như hình 3.8 dưới đây

Lượng công suất của nguồn DC tăng lên, giúp lưới DC cung cấp công suất 11.6 kW cho lưới AC Do đó, công suất của nguồn AC giảm từ 36.28 kW xuống còn 25.98 kW để cân bằng công suất tải Đồng thời, tần số cũng được cải thiện, đạt 49.79 Hz.

Chất lượng điện áp đạt kết quả như bảng 3.3 dưới đây

Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến dạng

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 0.83 % < 3%

Tần số điện áp 49.79 Hz Bậc 4 1.05 % < 3%

Biên độ điện áp tải 310.4 V Tổng biến dạng 3.48 % < 5%

Bảng 3.3 Chất lượng điện áp tải sau khi liên kết hai lưới điện

Hình 3.10 Kết quả trao đổi công suất giữa hai lưới điện và sự thay đổi tần số

Xây dựng mô hình sử dụng nguồn điện mặt trời

3.4.1 Xây dựng mô hình MPPT

Thay thế nguồn điện lý tưởng bằng nguồn điện từ tấm pin mặt trời, với công suất được thiết kế để đáp ứng đầy đủ công suất tải cho hệ thống Ứng dụng giải thuật vi phân công suất theo điện áp dP/dV kiểu leo đồi.

Nguyên lý cơ bản của giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) là điều chỉnh tỷ số đóng cắt để tối đa hóa công suất ngõ ra của tấm pin mặt trời Điều này được thực hiện thông qua việc điều chỉnh điện áp ngõ ra của tấm pin Việc lựa chọn bước nhảy phù hợp cho tỷ số đóng cắt là rất quan trọng; nếu bước nhảy quá lớn, quá trình dò tìm sẽ gặp khó khăn.

Kết quả chất lượng điện áp của tải sau khi liên kết cho thấy rằng điểm công suất cực đại (MPP) có thể đạt hiệu suất thấp nếu giải thuật không dừng lại khi bước nhảy vượt quá MPP Nếu bước nhảy quá nhỏ, giải thuật sẽ mất nhiều thời gian để xác định MPP Để khắc phục vấn đề này, cần sử dụng tính chất vi phân của giải thuật, vì khi tiến gần MPP, độ lớn của dP/dV sẽ giảm, dẫn đến tỷ số đóng cắt cũng giảm Để ổn định hoạt động của MPPT trước sự thay đổi đột ngột của độ bức xạ, cần đặt giới hạn chặn trên và chặn dưới cho giá trị dP/dV Khi giá trị thay đổi nằm ngoài giới hạn này, tỷ số đóng cắt sẽ không thay đổi, giúp điện áp ngõ ra của MPPT giữ nguyên, chỉ có dòng điện thay đổi dẫn đến công suất thay đổi.

Giá trị chặn trên là giá trị tại điểm ngắn mạch Tại đây ta có:

Với dòng điện ngắn mạch hầu như không đổi:

Giá trị chặn dưới được xác định khi dP/dV đạt giá trị âm, do đó ta có thể xấp xỉ bằng biểu thức:

Hình 3.12 Đặc tuyến P-V và I-V của pin mặt trời theo hệ số bức xạ mặt trời

Nguồn [Jinko Solar – Cheetah series]

: điện áp hở mạch của pin

: công suất cực đại của pin

3.4.2 Mô phỏng hệ thống trong trường hợp bức xạ mặt trời ổn định

Công suất hệ thống nguồn năng lượng mặt trời được tổng hợp trong bảng 3.4 sau đây

Nguồn Số lượng tấm pin/chuỗi

Hình 3.13 Lưu đồ giải thuật của phương pháp vi phân công suất theo điện áp

Bảng 3.4 Thông số hệ thống nguồn điện mặt trời

Mô hình hệ thống pin nhận giá trị bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm pin làm ngõ vào, trong khi ngõ ra của hệ thống được tối ưu hóa công suất thông qua mô hình MPPT.

Trong giai đoạn 1, chúng ta tiến hành kiểm tra chất lượng điện áp ở trạng thái ổn định khi công suất của hai nguồn điện mặt trời đủ để cung cấp cho hai tải Điều này xảy ra khi giá trị bức xạ mặt trời đạt mức tối ưu.

Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến dạng Tiêu chuẩn yêu cầu

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.22 % < 3%

Bảng 3.5 Giá trị ngõ ra của mô hình lưới AC tại trạng thái xác lập trước khi kết nối 2 lưới

Hình 3.14 Mô hình hệ thống thay nguồn lý tưởng bằng nguồn điện mặt trời

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 0.83 % < 3%

Bảng 3.6 Chất lượng điện áp tải sau khi liên kết hai lưới

Kết quả cho thấy chất lượng điện áp trước và sau khi liên kết hai lưới đều đạt yêu cầu Biểu đồ trao đổi công suất giữa hai lưới điện được mô tả trong hình 3.15 Giá trị công suất nguồn DC chuyển sang lưới AC là 12.19 kW, trong khi công suất của nguồn AC giảm từ 37.56 kW xuống còn 27.15 kW.

Kết quả cho thấy mô hình hoạt động tốt với nguồn điện năng lượng mặt trời khi bức xạ mặt trời ổn định

3.4.3 Mô phỏng hệ thống trong trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi

Trong phần này, chúng tôi sẽ nghiên cứu khả năng trao đổi công suất giữa hai lưới điện và chất lượng điện áp khi bức xạ mặt trời biến đổi, tức là khi nguồn công suất thay đổi.

Hình 3.15 Kết quả trao đổi công suất giữa hai lưới điện và sự thay đổi tần số

Khảo sát hệ thống sau khi đạt trạng thái ổn định cho thấy bức xạ tại nguồn DC giảm, trong khi công suất từ nguồn AC chuyển sang lưới DC để cung cấp đủ công suất cho tải DC Sau đó, nguồn DC trở lại trạng thái ổn định Cuối cùng, bức xạ tại nguồn AC cũng giảm để đánh giá khả năng cân bằng công suất của hệ thống.

Hình 3.18 minh họa sự trao đổi công suất giữa hai lưới điện khi bức xạ mặt trời thay đổi Khi nguồn DC không đủ cung cấp cho tải, công suất từ nguồn AC sẽ giúp cân bằng hệ thống Tuy nhiên, giá trị biến dạng sóng hài vẫn chưa đạt tiêu chuẩn chất lượng Để cải thiện vấn đề sóng hài, mô hình đã bổ sung bộ lọc thụ động tại vị trí tải.

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 2.20% < 3%

Số chu kỳ lấy mẫu 1 Bậc 3 1.19% < 3%

Tần số điện áp 49.57 Hz Bậc 4 1.02% < 3%

Biên độ điện áp tải 326.2 V Tổng biến dạng 4.40% < 5%

Bảng 3.7 Kết quả chất lượng điện áp khi công suất của nguồn DC suy giảm

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.68% < 3%

Bảng 3.8 Kết quả chất lượng điện áp khi công suất của nguồn DC trở lại như cũ, nguồn AC suy giảm

Hình 3.16 Kết quả biến dạng sóng hài khi công suất lưới DC suy giảm

Quá trình trao đổi công suất giữa hai lưới điện dẫn đến sự gia tăng biến dạng sóng hài Để cải thiện vấn đề này, cần nâng cấp bộ lọc RLC.

Hình 3.17 Kết quả chất lượng điện áp khi công suất của nguồn DC trở lại như cũ, nguồn AC suy giảm

Hình 3.18 minh họa kết quả trao đổi công suất giữa hai lưới điện và sự thay đổi tần số của đường dây truyền tải Sau khi nâng cấp bộ lọc, hệ thống đã cải thiện khả năng đáp ứng khi hệ số bức xạ mặt trời thay đổi, với giá trị điện áp đạt 326.2 V khi công suất được đẩy từ lưới AC sang lưới.

DC đạt 324.6 V khi công suất được chuyển từ lưới DC sang lưới AC Tần số luôn duy trì trong khoảng từ 49.5 Hz đến 50.5 Hz trong suốt quá trình mô phỏng.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÂN TÁN ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TỰ ĐIỀU CHỈNH SÓNG MANG

Các mô hình được đề xuất

Các bộ điều khiển đa bậc đã được nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm, cho phép quản lý dòng – áp cao chỉ bằng dòng – áp thấp để điều khiển các khóa công suất Việc định vị giá trị áp pha trở nên dễ dàng và chính xác hơn, giúp tăng hiệu quả và giảm kích thước cũng như khối lượng của các bộ lọc thụ động Các khóa công suất có thể được kết nối theo mô hình cascade để nâng cao khả năng xử lý điện áp cao hoặc mắc song song để tăng khả năng tải dòng.

Bài viết mô tả hai loại bộ biến đổi đa bậc: cấu hình song song (hình 4.1(A)) và cấu hình nối tiếp (hình 4.1(B)) Phương pháp điều khiển cơ bản nhất cho bộ biến đổi đa bậc là sử dụng bộ điều khiển tập trung để tính toán hệ xung PWM cho toàn bộ khóa công suất Khi một khóa công suất gặp sự cố, thiết bị trong vùng sự cố sẽ phát hiện và gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm, sau đó bộ điều khiển này sẽ thực hiện cấu hình lại toàn bộ hệ thống.

Hình 4.1 Bộ biến đổi đa bậc [9]

Bộ biến đổi nhiều pha (6 pha, sơ đồ song song) và bộ biến đổi nhiều cấp biên độ (7 cấp, sơ đồ nối tiếp) giúp giảm thiểu chậm trễ do tốc độ xử lý của thiết bị nhận diện sự cố, tốc độ truyền tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm và tốc độ xử lý của bộ điều khiển trung tâm Để cải thiện cấu hình điều khiển trung tâm, một số nghiên cứu đã đề xuất sử dụng cấu hình điều khiển phân tán nguồn điều chế pha PWM Phương pháp này cho phép các bộ điều khiển cục bộ giao tiếp với nhau để điều chỉnh tức thời xung điều chế PWM Tuy nhiên, số lượng bộ khóa công suất giới hạn vòng lặp điều chỉnh, và với cấu trúc nhiều bậc, số vòng lặp cần thiết để đạt trạng thái ổn định sẽ tăng lên, dẫn đến giảm tốc độ tái cấu hình hệ thống.

Bài báo nghiên cứu về nguyên lý điều khiển tự cân bằng sóng mang đề xuất cấu hình tối ưu cho bộ biến đổi đa bậc điện áp hoặc đa góc pha Mỗi bộ khóa tự đồng bộ tần số sóng mang và tự cấu hình góc pha hoặc biên độ dựa vào tín hiệu trao đổi giữa các bộ khóa công suất Các tín hiệu này bao gồm góc pha, điện áp, vị trí bộ khóa và tổng số lượng bộ khóa trong hệ thống Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên lý tự cấu hình lại biên độ hoặc góc pha trong các bộ điều khiển đa bậc có thời gian đáp ứng nhanh, ngay cả với số lượng bộ khóa công suất lớn, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu tái cấu hình tức thời.

Nguyên lý hoạt động tự cấu hình sóng mang

4.2.1 Bộ điều khiển thông thường

Hình 4.2 mô tả cấu trúc của một bộ điều khiển tự cấu hình góc pha căn bản

Mỗi bộ khóa trao đổi thông tin về góc pha với hai bộ khóa kế bên

Dựa trên giá trị dòng pha của bộ khóa kế bên, sóng mang được điều chỉnh để cân bằng pha tại trạng thái xếp chồng mong muốn hoặc khi gặp sự cố, cấu hình mới sẽ được thiết lập bằng cách loại bỏ bộ khóa bị trục trặc, nhằm duy trì chuỗi giao tiếp liên tục giữa các bộ khóa công suất.

Với : Góc pha tịnh tiến của sóng mang thứ n tại bước lặp [k+1]; : Góc pha lý tưởng.

4.2.2 Nguyên lý điều khiển đề xuất cho bộ biến đổi pha tự điều chỉnh tức thời

Các thông tin trao đổi giữa các bộ khóa công suất bao gồm góc pha, vị trí của bộ khóa và tổng số khóa đang hoạt động Bộ điều khiển riêng biệt của từng bộ khóa tính toán giá trị pha ngay lập tức dựa vào góc pha của bộ khóa trước đó và giá trị góc pha đơn vị (Δ), sau đó cập nhật tín hiệu cho bộ khóa kế tiếp Cấu hình tự điều chỉnh pha tức thời được thiết kế dựa trên công thức đã được nêu.

Hình 4.2 Mô hình nguyên lý điều khiển phân tán cho bộ đa góc pha [9]

Thuật toán hoạt động như sau: Tại bộ khóa thứ n, trong vòng lặp thứ k, chỉ dấu của bộ khóa thứ n-1 (được gọi là count_in) được thu nhận, tăng lên 1 và được gán tên là count_out Quá trình này được áp dụng cho toàn bộ các bộ khóa công suất Đối với chỉ dấu của dải giao tiếp trong vòng lặp mở, bộ điều khiển tại điểm đầu được gán chỉ dấu = 1 do giá trị trước đó là 0 (không có tín hiệu) Giá trị count_out của bộ khóa cuối cùng chính là tổng số lượng bộ khóa trong chuỗi và được gửi đến toàn bộ bộ khóa qua đường dẫn giao tiếp số lượng Tổng kết tín hiệu vào ra của một bộ điều khiển khóa được trình bày trong bảng dưới đây.

(A) Nguyên lý cập nhật thông tin (B) Tịnh tiến sóng mang

Hình 4.3 Quy tắc cập nhật góc pha sóng mang được đề xuất [9]

Hình 4.4 Kết nối các bộ điều khiển khóa công suất đề xuất cho bộ điều khiển tịnh tiến pha [9]

EN Mô phỏng tín hiệu loại bỏ bộ khóa

Count_in Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n-1,

Number _in Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống nhận được

Count_out Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n,

Number_out Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống được truyền tải

Giá trị nội tại Giá trị đơn vị của góc pha chênh lệch Δ

Bảng 4.1 Ngõ vào – ngõ ra của các bộ khóa trong phương pháp tự cấu hình pha [9]

4.2.3 Nguyên lý điều khiển đề xuất cho bộ biến đổi biên độ tự điều chỉnh tức thời

Các bộ khóa trong hệ thống trao đổi thông tin về chỉ dấu của bộ khóa kế bên và tổng số bộ khóa đang hoạt động, tương tự như bộ biến đổi pha tự điều chỉnh tức thời.

Phương pháp tự cấu hình pha trong hệ thống sử dụng bộ điều khiển để trao đổi bậc biên độ thay vì thông tin về góc pha Bộ khóa công suất sẽ giao tiếp thông qua đường truyền để cập nhật nhanh chóng giá trị đỉnh của biên độ sóng mang dựa trên giá trị đỉnh của bộ khóa trước đó và giá trị đơn vị đỉnh – đỉnh (Δ) Cấu hình tự điều chỉnh biên độ được thiết kế theo công thức Δ = 2.

Quy tắc cập nhật biên độ sóng mang được thể hiện trong hình 4.6, trong khi quy luật chỉ dấu bộ điều khiển thứ n tại vòng lặp thứ k và tổng số bộ điều khiển khóa được trình bày trong hình 4.7.

Hình 4.6 Quy tắc cập nhật biên độ sóng mang được đề xuất [9]

Giải thuật điều khiển tương tự sử dụng phương pháp tự cấu hình pha, với lưu đồ giải thuật được minh họa trong hình 4.8 Các tín hiệu đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển được trình bày chi tiết trong bảng 4.2.

EN Mô phỏng tín hiệu loại bỏ bộ khóa

Count_in Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n-1,

Number _in Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống nhận được

Count_out Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n,

Number_out Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống được truyền tải

Giá trị nội tại Giá trị đơn vị chênh lệch của biên độ đỉnh – đỉnh, Δ

Bảng 4.2 Ngõ vào – ngõ ra của các bộ khóa trong phương pháp tự cấu hình biên độ [9]

Hình 4.8 Lưu đồ giải thuật của phương pháp tự cấu hình biên độ [9]

Áp dụng vào mô hình bộ biến đổi công suất liên kết

Nguồn AC trong mô hình bộ biến đổi công suất liên kết được thay thế bằng hệ thống nguồn phân tán tương đương công suất, mô phỏng từ nguồn lý tưởng Nghiên cứu sẽ mang lại kết quả thực tiễn hơn nếu sử dụng nguồn điện tái tạo Tuy nhiên, do cấu hình máy tính không đủ khả năng xử lý khối lượng tính toán, kết quả sẽ dựa trên mô hình nguồn công suất lý tưởng.

Trong mô hình này, lưới AC sử dụng tổng cộng 9 bộ nguồn phân tán, được chia thành ba nhóm, mỗi nhóm gồm 3 bộ, với cấu hình cho từng pha Bộ điều khiển tự cấu hình sẽ được tích hợp cho bộ biến đổi công suất liên kết Hệ thống này được gọi là hệ thống 6 cells để phân biệt với các hệ thống nâng cấp ở các mục tiếp theo.

Mô hình này chú trọng vấn đề kiểm soát pha và tần số sau khi liên kết hai lưới

Cấu hình tự điều chỉnh biên độ điện áp được áp dụng để duy trì giá trị ổn định khi có sự cố cục bộ xảy ra tại một trong những nguồn phân tán.

Cấu trúc kết nối các nguồn phân tán cho một pha được thể hiện trong Hình 4.9, trong đó các giá trị điện áp tham chiếu được gửi đến từng bộ điều khiển phân tán Những giá trị này được sử dụng để điều chế xung đóng cắt riêng biệt cho từng khóa công suất thông qua giải thuật tự cấu hình pha đã được đề cập trước đó Các giá trị điện áp này được đặt tên là Alpha1, Alpha2, Alpha3 như mô tả trong Hình 4.10.

Hình 4.10 Mô hình bộ điều khiển cho 3 bộ khóa đóng cắt, mỗi bộ khóa cấu hình cho một pha

Hình 4.11 Cấu trúc mô phỏng toàn hệ thống

4.3.1 Kết quả mô phỏng Ưu điểm của hệ thống này là cho phép tải tiếp tục hoạt động khi xuất hiện sự cố trên nguồn phân tán Trong điều kiện đó điện áp, tần số và công suất của hệ thống vẫn phải đảm bảo Các kết quả của ICIT thể hiện khả năng tự điều hòa góc pha hoặc điện áp của mỗi bộ nguồn phân tán dựa trên thông tin trao đổi giữa các bộ nguồn kế cận Phương pháp này cực kỳ hiệu quả cho hệ thống tự động cấu hình tức thời bao gồm số lượng lớn các thành phần đóng cắt Điều đó cho phép tăng tốc độ đáp ứng cho cân bằng sóng mang và hiệu suất làm việc của toàn hệ thống Kết quả của nghiên cứu thể hiện tính khả thi cũng như tiềm năng của mô hình DSA-PSC và DSA-LSC

Kịch bản đầu tiên mô phỏng sự cố mất điện tại nguồn phân tán số 3 vào thời điểm 2.25 giây, sau đó được khắc phục ở giây 3.5 bằng cách đóng lại nguồn vào hệ thống Các giá trị công suất, tần số, điện áp và biến dạng sóng hài điện áp sẽ được quan sát và đánh giá theo tiêu chuẩn thiết kế đã đề ra.

Hình 4.12 Kết quả trao đổi công suất và thay đổi tần số của mô hình

Kết quả tại điểm xác lập sau khi hòa lưới

Bậc sóng hài Độ biến dạng Tiêu chuẩn yêu cầu

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.61% < 3%

Bảng 4.3 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi hòa lưới

Kết quả tại thời điểm sau khi xảy ra sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.51% < 3%

Bảng 4.4 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi xảy ra lỗi tại nguồn số 3

Hình 4.13 Kết quả biến dạng sóng hài tại thời điểm xác lập sau khi hòa lưới

Kết quả sau khi sự cố được khắc phục

Bậc sóng hài Độ biến dạng Tiêu chuẩn yêu cầu

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 2.36% < 3%

Bảng 4.5 Kết quả sau khi sự cố được khắc phục

Kết quả so sánh trước và sau sự cố cho thấy chất lượng điện áp tải sau khi liên kết hai lưới điện trong mô hình căn bản Cụ thể, mô hình phân tán cho thấy chất lượng điện năng vượt trội hơn, với tổng biến dạng sóng hài giảm đến 3 lần.

Hình 4.15 Kết quả biến dạng sóng hài sau khi sự cố được khắc phục

Công suất trao đổi và tần số luôn được giữ ổn định với thời gian quá độ khoảng

0.5 s Tuy nhiên, tần số vẫn được giữ trong dải cho phép từ 49.5 Hz đến 50.5 Hz Kết quả cho thấy độ tin cậy cao và độ ổn định đáp ứng được yêu cầu của thông tư 39-

2015 TT-BCT của Bộ Công Thương

4.3.2 Kết quả mô hình nâng cấp thứ nhất

Hệ thống nguồn phân tán được nâng cấp lên 18 bộ nguồn, được chia thành ba pha, mỗi pha gồm 6 bộ, và được gọi là hệ thống 12 cells Kịch bản sự cố sẽ tương tự như đã mô tả trong mục 4.3.1.

Hình 4.16 Kết quả trao đổi công suất và thay đổi tần số

Hình 4.17 Cấu trúc mô phỏng toàn hệ thống nâng cấp số lượng nguồn phân tán

Kết quả tại thời điểm hòa lưới

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 4.86% < 3%

Bảng 4.6 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi hòa lưới

Hình 4.18 Kết quả biến dạng sóng hài khi hòa lưới

Kết quả tại thời điểm xảy ra sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.51% < 3%

Bảng 4.7 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi xảy ra sự cố

Hình 4.19 Kết quả biến dạng sóng hài khi xuất hiện sự cố

Kết quả tại sau khi sự cố được khắc phục

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 4.67% < 3%

Kết quả so sánh giữa mô hình nâng cấp 12 cells và mô hình 6 cells cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong biến dạng sóng hài khi sự cố xảy ra, giảm từ 8.06% xuống còn 5.33% Cụ thể, biến dạng sóng hài bậc 5 giảm từ 19.81% xuống 14.31%, trong khi sóng hài bậc 3 giảm mạnh từ 14.42% xuống chỉ còn 0.67%.

Khi sự cố được khắc phục, biến dạng sóng hài bậc 2 vẫn lớn hơn 3%, với giá trị lần lượt là 4.66% và 4.67% Việc nâng cấp bộ lọc có thể giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả và không tốn kém, do mức độ biến dạng sóng hài không quá lớn.

Số lượng nguồn phân tán có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng, đặc biệt trong các tình huống xảy ra sự cố Khi có nhiều nguồn phân tán, chất lượng điện năng trong các sự cố mất điện cục bộ sẽ được đảm bảo tốt hơn.

4.3.3 Kết quả mô hình nâng cấp thứ hai

Mô hình này giữ nguyên mô hình ban đầu, chỉ tăng mức điện áp của các nguồn

Hệ thống AC phân tán được nâng cấp bằng cách tăng công suất của từng bộ nguồn, như đã đề cập ở mục 4.3.2 liên quan đến số lượng nguồn phân tán.

Kết quả khi hòa lưới

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.32% < 3%

Bảng 4.9 Kết quả khi hòa lưới

Kết quả khi xuất hiện sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 0.94% < 3%

Bảng 4.10 Kết quả khi xuất hiện sự cố

Hình 4.23 Kết quả biến dạng sóng hài khi xảy ra sự cố

Kết quả sau khi khắc phục sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.69% < 3%

Bảng 4.11 Kết quả sau khi khắc phục sự cố

Việc tăng công suất cho các nguồn phân tán không mang lại hiệu quả trong việc giảm biến dạng sóng hài khi xảy ra sự cố, so với mô hình ban đầu.

Mô hình sử dụng nguồn điện mặt trời DC

Mô hình này sử dụng nguồn năng lượng mặt trời thay thế cho nguồn DC lý tưởng, với cấu hình gồm 18 chuỗi pin song song, mỗi chuỗi có 15 tấm pin nối tiếp, và mỗi tấm pin có công suất 315 Wp.

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.26% < 3%

Kết quả khi xảy ra sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 0.31% < 3%

Bảng 4.13 Kết quả khi xảy ra sự cố

Hình 4.26 Kết quả biến dạng sóng hài khi xảy ra sự cố

Khi sự cố được khắc phục

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 2.34% < 3%

Bảng 4.14 Kết quả khi sự cố được khắc phục

Mô hình sử dụng nguồn điện mặt trời gặp sự cố dẫn đến biến dạng sóng hài và điện áp bị ảnh hưởng nghiêm trọng, với điện áp tăng hơn 22% so với giá trị định mức và tổng biến dạng sóng hài đạt 22.76% Tuy nhiên, trong trạng thái xác lập trước khi xảy ra sự cố, chất lượng điện áp của mô hình này vẫn tốt hơn so với mô hình căn bản sử dụng năng lượng mặt trời.

Hình 4.27 Kết quả biến dạng sóng hài khi sự cố được khắc phục

Tiếp theo là khảo sát khả năng đáp ứng của hệ thống khi công suất của điện mặt trời suy giảm trong quá trình xảy ra sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.17% < 3%

Kết quả khi xuất hiện sự cố và suy giảm công suất điện mặt trời

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 0.31 % < 3%

Bảng 4.16 Kết quả khi xuất hiện sự cố và suy giảm công suất điện mặt trời

Kết quả sau khi khắc phục sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 3.79% < 3%

Bảng 4.17 Kết quả sau khi khắc phục sự cố

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự suy giảm công suất của nguồn điện mặt trời ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng của hệ thống Mặc dù công suất được bù đắp từ lưới AC, tần số vẫn bị giảm Mặc dù giá trị tần số không vượt quá ngưỡng cho phép, nhưng biến dạng sóng hài lại bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

Khi xảy ra sự cố, hình 4.30 cho thấy kết quả biến dạng sóng hài, điều này dẫn đến chất lượng điện năng không đạt tiêu chuẩn lưới điện cho đến khi sự cố được khắc phục.

Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời và tăng cường số lượng nguồn phân tán

Trong mô hình nguồn phân tán, số lượng nguồn được tăng cường tương tự như trong hệ thống nâng cấp đầu tiên theo mục 4.3.2 Đầu tiên, hệ thống sẽ được khảo sát theo kịch bản sự cố mất nguồn, sau đó sẽ tiếp tục nghiên cứu kịch bản suy giảm công suất của hệ thống điện mặt trời.

Kết quả tại thời điểm hòa lưới

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 4.22% < 3%

Tần số điện áp 49.78Hz Bậc 4 2.84% < 3%

Kết quả tại thời điểm xảy ra sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.09% < 3%

Bảng 4.19 Kết quả tại thời điểm xảy ra sự cố

Sau khi sự cố được khắc phục

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 2.95% < 3%

Mô hình nâng cấp cho thấy biến dạng sóng hài và quá trình trao đổi công suất không khác biệt nhiều so với mô hình sử dụng nguồn lý tưởng Đặc biệt, tổng biến dạng sóng hài trong quá trình xảy ra sự cố đã được cải thiện đáng kể, giảm xuống còn hơn 10% so với mô hình 6 cells, trước đó là hơn 22%.

Tiếp theo kịch bản suy giảm công suất tương tự mô hình 6 cells được khảo sát

Kết quả khi xảy ra sự cố

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 1.59% < 3%

Bảng 4.21 Kết quả khi xảy ra sự cố

Kết quả khi sự cố được khắc phục

Tần số lấy mẫu 2 × 10 Bậc 2 5.08% < 3%

Bảng 4.22 Kết quả khi sự cố được khắc phục

Mô hình nâng cấp đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện biến dạng sóng hài trong hệ thống khi gặp sự cố và sau khi khắc phục So với mô hình 6 cells, mô hình 12 cells giảm hơn 50% biến dạng sóng hài trong tình huống sự cố, đồng thời đưa biến dạng sóng hài sau khắc phục gần đạt tiêu chuẩn chất lượng điện mong muốn.

Công suất trao đổi của nguồn AC bù đắp cho sự suy giảm của nguồn DC, giúp tải hoạt động ổn định Trong trường hợp xảy ra sự cố, công suất tải có thể thay đổi đột ngột trong khoảng thời gian 0.2 giây Theo tiêu chuẩn điện TT39, các hệ thống vẫn có khả năng duy trì hoạt động trong những điều kiện này.

Kết luận

Mô hình tự cấu hình siêu nhanh đã được áp dụng thành công trong bộ biến đổi công suất, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Hệ thống nguồn phân tán không chỉ tăng cường độ tin cậy mà còn duy trì hoạt động ổn định ngay cả khi có sự cố cục bộ Với khả năng tự cấu hình và thời gian đáp ứng nhanh dưới 0.5 giây, hệ thống đảm bảo điện áp và tần số luôn trong giới hạn tiêu chuẩn cho phép, từ đó nâng cao độ ổn định tổng thể.

Hệ thống nguồn phân tán nâng cao chất lượng điện năng bằng cách tăng cường số lượng nguồn cung cấp Với cấu trúc điều khiển đồng nhất, việc nâng cấp và điều chỉnh hệ thống trở nên dễ dàng, cho phép thực hiện nâng cấp quy mô lớn với chi phí thấp.

Hình 4.38 Kết quả công suất tải.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ KẾT LUẬN

Tiêu đề	Khảo sát hoạt động của hệ thống lưới điện siêu nhỏ dạng lai DC – AC sử dụng bộ biến đổi liên kết
Tác giả	Trần Việt Tính
Người hướng dẫn	PGS. TS. Phan Quốc Dũng
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	6,81 MB