Các phương pháp điều khiển thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở chế độ ốc đảo (FULL TEXT)

MỞ ĐẦU Điện năng giữ một vai trò then chốt trong phát triển kinh tế xã hội. Nhưng hơn 1,3 tỷ người trên thế giới vẫn chưa được tiếp cận với điện [38, 54] ở những khu vực xa xôi như các hải đảo, vùng núi cao, vùng băng tuyết - những nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới. Hệ thống điện ở những khu vực đó tạm gọi tên là hệ thống điện ốc đảo hay Remote Area Power Systems (RAPS). Nguồn điện trong RAPS sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng. Các nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện ốc đảo. Hệ thống điện ốc đảo thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [17, 61]. Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ. Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao. Trong hệ thống PĐSG, công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90]. Khi một hệ thống PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định t rong Grid-Codes, lưới điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng công suất phát vào. Với hệ thống điện ốc đảo, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện ốc đảo mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải. Để đảm bảo nguyên tắc cân bằng cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải. K hi điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện ốc đảo có hai khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel. Với hệ thống PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố gió tự nhiên. Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn chủ động ra theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát sức gió được huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp. Trong khi đó ở RAPS, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel. Chính hiện t ượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel. Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống điện ốc đảo cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (t ần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC như Bảng 1.4. Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua đó làm làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG. Siêu tụ có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS – Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng (t ầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng [12, 14, 21, 27, 29, 49, 61, 64, 90]. Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến. Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, t ham số của hệ thay đổi. Vì vậy, t rong luận án này, t ác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính có thể làm suy giảm chất lượng động học của hệ thống khi điểm làm việc t hay đổi và thực sự chưa phù hợp với bản chất phi t uyến của mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ. Do đó, luận án tiếp tục giải quyết vấn đề điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện SCESS nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống biến đổi điện năng gồm 2 bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm cơ sở để hoàn thành mục tiêu ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG, đảm bảo chất lượng tần số lưới. Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi DCDC hai chiều, bộ biến đổi DC-AC hai chiều. Mục đích nghiên cứu:  Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.  Chỉ ra mối tương quan giữa công suất của hệ PĐSG với SCESS, xác định các thông số kỹ thuật của SCESS đối với các mức độ yêu cầu công suất theo profile gió cụ thể đối với hệ PĐSG.

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này

là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Tác giả luận án

Phạm Tuấn Anh

2

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, học trò xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc GS TSKH Nguyễn Phùng Quang – người Thầy hướng dẫn khoa học của luận án đã chỉ bảo tận tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ và động viên kịp thời trong suốt quá trình thực hiện luận án

Cảm ơn Ban Lãnh đạo cùng toàn thể cán bộ Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Trường ĐHBK Hà Nội đã có những sự trao đổi thiết thực về nội dung chuyên môn cũng như những sự hỗ trợ quý báu về cơ sở vật chất để tôi có thể hoàn thành luận án Cám ơn Ban chủ nhiệm đề tài KC.03.01/11-15 và TS Vũ Hoàng Phương (BM Tự động hóa công nghiệp – ĐHBK Hà Nội, thành viên thực hiện đề tài KC.03.01/11-15) đã hỗ trợ tôi trong quá trình thí nghiệm

Cảm ơn Ban Chủ nhiệm cùng các bạn đồng nghiệp Bộ môn Điện tự động công nghiệp – Trường ĐH Hàng hải Việt Nam với những sự hỗ trợ về công việc tại cơ quan công tác trong quá trình tôi thực hiện luận án

Tôi dành những lời biết ơn chân thành nhất gửi đến gia đình Sự động viên, chia sẻ và giúp đỡ của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 11

DANH MỤC HÌNH VẼ 12

MỞ ĐẦU 17

1 TỔNG QUAN 22

1.1 Khái niệm về hệ thống điện ốc đảo 22

1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng 24

1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo 25

1.3.1 Điều khiển cấp hệ thống 25

1.3.1.1 Điều khiển tập trung 25

1.3.1.2 Điều khiển phân tán 26

1.3.2 Điều khiển cấp thiết bị 26

1.3.2.1 Điều khiển thiết lập lưới cơ sở 27

1.3.2.2 Điều khiển cấp năng lượng lên lưới 28

1.3.2.3 Điều khiển hỗ trợ lưới 28

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới 29

1.4.1 Khái quát về một số loại kho năng lượng 29

1.4.1.1 Hệ thống có khả năng đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm 31

1.4.1.2 Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao 32

1.4.2 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện 34

1.5 Lựa chọn hướng nghiên cứu 38

1.6 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận án 42

1.7 Kết luận chương 1 43

2 CÁC NGUỒN PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỐC ĐẢO 44

2.1 Hệ thống phát điện sức gió 44

2.1.1 Nguyên tắc làm việc 44

2.1.2 Các cấu trúc PĐSG cơ bản 46

2.1.3 Chế độ điều khiển của hệ thống PĐSG 47

2.1.4 Các vấn đề điều khiển trong hệ thống PĐSG 48

2.1.5 Các vấn đề điều khiển cấp thiết bị 49

2.1.6 Sự khác biệt chính về ĐK giữa DFIG và PMSG 51

2.1.7 Điều khiển khi xảy ra lỗi lưới 53

2.1.8 Cấu trúc điều khiển hệ PĐSG sử dụng PMG với BBĐ CLKĐK 54

2.2 Hệ thống phát điện diesel 57

2.2.1 Nguyên tắc làm việc 57

2.2.2 Mô hình động cơ diesel 57

4

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ diesel 58

2.2.4 Điều chỉnh điện áp 59

2.3 Kết luận chương 2 60

3 MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 61

3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện 61

3.2 Thiết kế kho điện 62

3.2.1 Tính chọn dải điện áp làm việc của siêu tụ 63

3.2.2 Tính chọn điện dung của siêu tụ 66

3.2.3 Tính chọn dung lượng tụ DC-link 71

3.2.4 Tính chọn giá trị cuộn cảm 71

3.3 Mô hình hóa thiết bị kho điện 72

3.3.1 Mô hình động học siêu tụ 72

3.3.1.1 Sơ lược về cấu tạo 72

3.3.1.2 Mô hình của siêu tụ dùng trong thiết bị kho điện 73

3.3.2 Mô hình bộ biến đổi DC-DC dùng trong thiết bị kho điện 75

3.3.2.1 Mô hình chính xác 76

3.3.2.2 Mô hình trung bình ngắn hạn 79

3.3.2.3 Kiểm chứng mô hình 80

3.3.3 Mô hình bộ biến đổi DC-AC dùng trong thiết bị kho điện 83

3.3.3.1 Mô hình bộ biến đổi DC-AC 83

3.3.3.2 Mô hình BBĐ DC-AC ghép với lưới điện 87

3.4 Kết luận chương 3 90

4 CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN 91

4.1 Cấu trúc điều khiển tổng thể 91

4.2 Điều khiển bộ biến đổi DC-AC 93

4.2.1 Khâu điều chỉnh dòng điện 93

4.2.2 Điều khiển điện áp DC-link 95

4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC 96

4.3.1 Điều khiển tuyến tính 96

4.3.2 Điều khiển phi tuyến 99

4.3.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp 99

4.3.2.2 Các bước thiết kế 99

4.4 Kết luận chương 4 104

5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 105

5.1 Mô phỏng Offline 105

5.1.1 Chương trình mô phỏng Offline 105

5.1.1.1 Hệ phát điện sức gió 107

5.1.1.2 Hệ phát điện diesel 107

5.1.1.3 Thiết bị kho điện 108

5.1.2 Tham số mô phỏng 112

5.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của hệ phát điện sức gió đến hệ thống điện ốc đảo 114

5.1.3.1 Kịch bản mô phỏng 114

5

5.1.3.2 Kết quả các quá trình động học của hệ thống điện ốc đảo 115 5.1.4 Mô phỏng động học hệ thống điện ốc đảo tích hợp với cấu trúc điều

khiển tuyến tính của thiết bị kho điện 117

5.1.5 Mô phỏng động học hệ thống điện ốc đảo tích hợp với cấu trúc điều khiển phi tuyến của thiết bị kho điện 122

5.1.6 Nhận xét kết quả mô phỏng 127

5.2 Mô phỏng thời gian thực 128

5.3 Hệ thống thí nghiệm 130

5.3.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm thiết bị kho điện 130

5.3.2 Chuẩn hóa cấu trúc điều khiển 132

5.3.3 Kết quả thí nghiệm 134

5.4 Kết luận chương 5 138

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 150

PHỤ LỤC A 151

PHỤ LỤC B 160

PHỤ LỤC C 163

ĐC/ĐK Điều chỉnh/Điều khiển

CLKĐK Chỉnh lưu không điều khiển

DC-AC Nghịch lưu nguồn áp ba pha

ĐCCS Điều chỉnh công suất

DC-DC Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly

ĐCVTKG

Space Vector Modulation

DFIG Máy phát không đồng bộ nguồn kép

Doubly Fed Induction Generator

DPC Điều khiển trực tiếp công suất (Direct Power Control)

DSP Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor)

FC Bộ biến đổi phía lưới (Frontend converter)

GC Bộ biến đổi phía máy phát (Generator-side converter)

HSCS Hệ số công suất

Squirrel Cage Induction Generator

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MPPT Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất

(Maximum power point tracking)

NLNA Nghịch lưu nguồn áp

NLPL Nghịch lưu phía lưới

PĐSG Phát điện sức gió

PMSG/PMG Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Permanent Magnet Synchronous Generator

RAPS Hệ thống điện ốc đảo(Remote Area Power Systems)

SCESS Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ

SuperCapacitor Energy Storage System

VFOC Điều khiển tựa từ thông ảo (Virtual Flux Oriented Control)

7

VOC Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control)

WDHPS Hệ thống điện lai sức gió – diesl (Win – Diesel HPS)

WECS Hệ thống biến đổi năng lượng từ gió (Wind Energy

Conversion System)

 , ˆ  C Các giá trị ước lượng của điện cảm, điện dung BBĐ DC-DC

∆t max Thời gian huy động công suất tối đa của dàn siêu tụ

C p Hệ số khai thác công suất từ gió của turbine PĐSG

C SC Giá trị điện dung của dàn siêu tụ trong SCESS

d 1 , d 2 Hệ số điều chế hai vector chuẩn trong mỗi sector

d a , d b , d c Hệ số điều chế mỗi pha của nghịch lưu nguồn áp

d S1 ÷d S6 Hệ số điều chế cho mỗi van bán dẫn BBĐ DC-AC

E max Năng lượng huy động tối da từ dàn siêu tụ

ESR Điện trở nối tiếp trong mạch điện tương đương mô hình siêu tụ

i gd , i gq Thành phần dòng điện phía lưới theo trục d, q của hệ tọa độ

tựa điện áp lưới VOC

i inv Dòng điện phía DC-AC trao đổi với lưới quy đổi về phía một

chiều

i sd , i sq Thành phần dòng điện đầu ra DC-AC theo trục d, q của hệ tọa

độ tựa điện áp lưới VOC

J D Mô men quán tính của động cơ diesel trong tổ hợp phát điện

diesel

J ge Mô men quán tính của máy phát trong tổ hợp phát điện diesel

k 1 , k 2 Các hằng số dương là tham số của bộ điều khiển phi tuyến

BBĐ DC-DC

m GD Mô men điện từ sinh ra bởi tải của máy phát trong tổ hợp phát

điện diesel

m GD ,m MD Mô men cơ của máy phát, động cơ diesel

N s , N p Số lượng siêu tụ mắc nối tiếp, song song

P max-req Công suất huy động tối đa từ dàn siêu tụ

9

P opt Công suất khai thác tối ưu turbine PĐSG

R p Điện trở song song trong mạch điện tương đương mô hình siêu

tụ

u DC Giá trị tức thời của điện áp một chiều trung gian

u dc , U dc Giá trị trung bình, xác lập điện áp một chiều trung gian DC-AC

U gem Giá trị điện áp dây lớn nhất đầu cực PMG

u N , i N Vector điện áp, dòng điện đầu ra mạch DC-AC

U SC-idl Điện áp dàn siêu tụ ở chế độ chờ (sẵn sàng hoạt động)

U SC-max Điện áp làm việc lớn nhất của dàn siêu tụ

U SC-min Điện áp làm việc bé nhất của dàn siêu tụ

v, v wind Tốc độ gió

DC-DC

x 2 Giá trị trung bình ngắn hạn của điện áp một chiều trung gian

x DSP Đại lượng x được cài đặt trên DSP (sau khi chuẩn hóa)

DC-DC

z 2 Sai lệch giữa giá trị thật của biến trạng thái với giá trị mong

muốn BBĐ DC-DC

α, α 1 Hàm ổn định hóa (Stabilizing function) của bộ điều khiển phi

10

λ Tỷ lệ vận tốc quay của turbine với vận tốc gió

ω ge Tốc độ cơ học của máy phát trong tổ hợp phát điện diesel

ω s , ω N Tần số góc của thành phần cơ bản điện áp lưới

11

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại kho năng lượng theo thời gian 30

Bảng 1.2 Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy 31

Bảng 1.3 Tóm tắt các hướng nghiên cứu về kho điện 37

Bảng 1.4 Một số tiêu chuẩn đánh giá tần số 41

Bảng 3.1 Thống kê dữ liệu các bộ lọc thông thấp 70

Bảng 3.2 Các tham số của dàn siêu tụ 70

Bảng 5.1 Tham số hệ phát điện Diesel 112

Bảng 5.2 Tham số hệ phát điện sức gió PMG[9] 112

Bảng 5.3 Tham số kho điện 112

Bảng 5.4 So sánh chất lượng điều khiển BĐK tuyến tính và phi tuyến 113

Bảng 5.5 Tham số thí nghiệm thiết bị kho điện SCESS 131

Bảng 5.6 Giới hạn đại lượng chuẩn hóa theo mạch đo lường 132

12

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel 23

Hình 1.2 Cấu tr úc điều khiển dòng điện bộ biến đổi phía lưới điển hình 27

Hình 1.3 Đặc tí nh điều khiển theo độ dốc giữa các nguồn phát 27

Hình 1.4 Cấu tr úc điều khiển cấp năng lượng lên lưới 28

Hình 1.5 Cấu tr úc điều khiển hỗ trợ lưới 28

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa công suất và thời gian giải phóng theo lĩnh vực ứng dụng của kho năng lượng 30

Hình 1.7 Hệ thống thủy điện PHS 31

Hình 1.8 Hệ thống tích trữ năng lượng CAES 32

Hình 1.9 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà 32

Hình 1.10 Hệ thống tích trữ năng lượng SMES 33

Hình 1.11 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng acqui 33

Hình 1.12 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng siêu tụ 34

Hình 1.13 Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 34

Hình 1.14 Hai khả năng tích hợp thiết bị kho điện vào hệ thống P ĐSG 35

Hình 1.15 Cấu tr úc WD–HPS được lựa chọn để nghiên cứu 39

Hình 2.1 Quá trình biến đổi năng lượng của một turbine PĐSG 44

Hình 2.2 Lớp đường đặc tính khai thác điện năng từ gió 45

Hình 2.3 Các hệ phát điện sức gió 47

Hình 2.4 Cấu tr úc điều khiển tổng quát của hệ thống PĐSG 48

Hình 2.5 Khái quát về các vấn đề ĐK 3 loại máy phát trong hệ thống PĐSG 50

Hình 2.6 Chế độ điều khiển của máy phát DFIG phụ thuộc tốc độ quay trên đồng bộ hay dưới đồng bộ 52

Hình 2.7 Chế độ điều khiể n của máy phát PMSG không phụ thuộc tốc độ quay 53 Hình 2.8 Chuẩn hóa khả năng ride through của tập đoàn E.On Netz, CHLB Đức 54

13

Hình 2.9 Cấu tr úc hệ PĐSG sử dụng PMG với BBĐ CLKĐK 54

Hình 2.10 Cấu tr úc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng PMG với BBĐ CLKĐK56 Hình 2.11 Sơ đồ khối của tổ hợp diesel – máy phát 57

Hình 2.12 Mô hình toán học của động cơ diesel 58

Hình 2.13 Mô hình hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ Diesel 59

Hình 2.14 Sơ đồ điều khiể n hệ thống kích từ máy phát đồng bộ 60

Hình 3.1 Cấu tr úc hệ thống biến đổi điện năng SCESS 62

Hình 3.2 Profile gió được sử dụng trong luận án 63

Hình 3.3 Sự thay đổi năng lượng theo điện áp của siêu tụ 65

Hình 3.4 Cách xác định lượng đặt công suất cho kho điện 67

Hình 3.5 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp bậc 1 với các tần số cắt khác nhau 68

Hình 3.6 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp bậc 2 với các tần số cắt khác nhau 68

Hình 3.7 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp bậc 3 với các tần số cắt khác nhau 69

Hình 3.8 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp khi thay đổi bậc 69

Hình 3.9 Cấu tr úc siêu tụ - hai lớp 72

Hình 3.10 Mô hình của siêu tụ 74

Hình 3.11 Cấu tr úc mạch lực bộ biến đổi DC-DC dùng trong SCESS 76

Hình 3.12 Phân tích các cấu hình mạch điện của DC-DC ở chế độ nạp 77

Hình 3.13 Phân tích các cấu hình mạch điện của DC-DC ở chế độ xả 78

Hình 3.14 Kiểm chứng động học của mô hình trung bình với mô hình switched ở tần số 5 kHz 80

Hình 3.15 Ảnh hưởng của tần số PWM đến dạng tín hiệu dòng điện giữa mô hình trung bình với mô hình switched 81

Hình 3.16 Ảnh hưởng của tần số PWM đến sai số giữa mô hình trung bình với mô hình switched 81 Hình 3.17 Khảo sát sự thay đổi chế độ làm việc của DC-DC theo hệ số điều chế 82

14

Hình 3.18 Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu nguồn áp 3 pha[95, 96] 83

Hình 3.19 Sơ đồ tổng quát BBĐ DC- AC ghép với lưới điện [95] 88

Hình 3.20 Sơ đồ thay thế tương đương BBĐ DC-AC ghép với lưới điện [95] 88

Hình 3.21 Sơ đồ tối giản BBĐ DC-AC ghép với lưới điện [95] 88

Hình 4.1 Cấu tr úc điều khiển tổng thể thiết bị kho điện 92

Hình 4.2 Cấu tr úc điều khiển nghịch lưu phía lưới 95

Hình 4.3 Các thành phần công suất trong SCESS 95

Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển điện áp DC-link 96

Hình 4.5 Đồ thị Bode hệ kín khi thay đổi Kp 98

Hình 4.6 Đáp ứng hệ kín với tí n hiệu step 98

Hình 5.1 Chương trì nh mô phỏng tổng thể RAP S trên MATLAB/Simulink 106

Hình 5.2 Mô hình turbine hệ PĐSG 107

Hình 5.3 Cấu tr úc điều khiển bộ biến đổi phía máy phát hệ PĐSG 107

Hình 5.4 Cấu tr úc điều khiển bộ biến đổi phía lưới hệ PĐSG 107

Hình 5.5 Cấu tr úc hệ thống điều tốc Diesel trên MATLAB/Simuli nk 108

Hình 5.6 Cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR trên MATLAB/Simulink 108

Hình 5.7 Cấu tr úc điều khiển bộ biến đổi DC-AC trong SCESS 108

Hình 5.8 Cấu tr úc điều khiển tuyến tính BBĐ DC-DC 109

Hình 5.9 Cấu tr úc điều khiển phi tuyến BBĐ DC-DC 109

Hình 5.10 Hàm trung gian trong cấu trúc ĐK phi tuyến BBĐ DC-DC 109

Hình 5.11 Hàm điều khiển trong cấu trúc ĐK phi tuyến BBĐ DC-DC 110

Hình 5.12 Cấu tr úc điều khiển phi tuyến thích nghi tham số BBĐ DC-DC 110

Hình 5.13 Hàm trung gian trong cấu trúc ĐK phi tuyến thích nghi tham số 111

Hình 5.14 Hàm điều khiển trong cấu trúc ĐK phi tuyến thích nghi tham số 111

Hình 5.15 Đáp ứng dòng điện nạp/xả siêu tụ với tín hiệu step 113

Hình 5.16 Phóng to đáp ứng dòng điện phóng/nạp siêu tụ 114

Hình 5.17 Profile gió được sử dụng trong quá trình mô phỏng[53] 114

15

Hình 5.18 Kịch bản thay đổi tải trong quá trình mô phỏng 115Hình 5.19 Động học của hệ thống điện ốc đảo chỉ có nguồn phát Diesel 116Hình 5.20 Các thành phần công suất trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp

Gió-Diesel 116Hình 5.21 Tần số lưới trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp Gió -Diesel

117Hình 5.22 Công suất tác dụng và diến biến năng lượng của SCESS với cấu trúc điều

khiển tuyến tính 118Hình 5.23 Điện áp một chiều trung gian và dòng điện phóng/nạp siêu tụ của SCESS

với cấu tr úc điều khiển tuyến tính 118Hình 5.24 Đáp ứng các thành phần của vector dòng điện 3 pha của SCESS với cấu

trúc điều khiển tuyến tính 119Hình 5.25 Tác dụng lọc công suất WT của SCESS với cấu trúc điều khiển tuyến tính

119Hình 5.26 Hiệu quả ổn định tần số lưới khi có tích hợp SCESS với cấu trúc điều

khiển tuyến tính 120Hình 5.27 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ

xả sang nạp với cấu trúc điều khiể n tuyến tính 121Hình 5.28 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp

với cấu tr úc điều khiển tuyến tính 121Hình 5.29 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ

nạp sang xả với cấu trúc điều khiể n tuyến tính 122Hình 5.30 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả

với cấu tr úc điều khiển tuyến tính 122Hình 5.31 Công suất tác dụng và diến biến năng lượng của SCESS với cấu trúc điều

khiển phi tuyến 123Hình 5.32 Điện áp một chiều trung gian và dòng điện phóng/nạp siêu tụ của SCESS

với cấu tr úc điều khiểnphi tuyến 123Hình 5.33 Đáp ứng các thành phần của vector dòng điện 3 pha của SCESS với cấu

trúc điều khiển phi tuyến 124

16

Hình 5.34 Tác dụng lọc công suất WT của SCESS với cấu trúc điều khiển phi tuyến

124

Hình 5.35 Hiệu quả ổn định tần số lưới khi có tích hợp SCESS với cấu trúc điều khiển phi tuyến 125

Hình 5.36 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp với cấu trúc điều khiể n phi tuyến 126

Hình 5.37 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp với cấu tr úc điều khiển phi tuyến 126

Hình 5.38 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả với cấu trúc điều khiể n phi tuyến 127

Hình 5.39 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả với cấu tr úc điều khiển phi tuyến 127

Hình 5.40 Hệ thống mô phỏng thời gian thực với DS1104 129

Hình 5.41 Kết quả mô phỏng với dSP ACE DS1104 129

Hình 5.42 Cấu tr úc hệ thống thiết bị kho điện trong phòng thí nghiệm 131

Hình 5.43 Hình ảnh thiết bị thí nghiệm SCESS 132

Hình 5.44 Kết quả điều khiển phía DC-AC 135

Hình 5.45 Động học quá trình SCESS trao đổi công suất hai chiều với lưới và quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả 136

Hình 5.46 Động học quá trình SCESS trao đổi công suất hai chiều với lưới và quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp 137

17

MỞ ĐẦU

Điện năng giữ một vai trò then chốt trong phát triển kinh tế xã hội Nhưng hơn 1,3 tỷ người trên thế giới vẫn chưa được tiếp cận với điện [38, 54] ở những khu vực xa xôi như các hải đảo, vùng núi cao, vùng băng tuyết - những nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới Hệ thống điện ở những khu vực đó

tạm gọi tên là hệ thống điện ốc đảo hay Remote Area Power Systems (RAPS)

Nguồn điện trong RAPS sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn

toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng Các nguồn năng lượng tái

tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để

bổ sung cho hệ thống điện ốc đảo Hệ thống điện ốc đảo thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) được huy động

để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [17, 61]

Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao Trong hệ thống PĐSG, công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90] Khi một hệ thống PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà quản trị về

điện áp, tần số, sóng hài được quy định trong Grid-Codes, lưới điện quốc gia coi

như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng công suất phát vào Với hệ thống điện ốc đảo, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền tải là hữu hạn Hệ thống điện ốc đảo mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải

Để đảm bảo nguyên tắc cân bằng cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải Khi điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện ốc đảo có hai khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel Với hệ thống PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố gió tự nhiên Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn chủ động ra theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát Khi nguồn phát sức gió được huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp Trong khi đó ở RAPS, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới

tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel Chính hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm

18

trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết

bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống điện ốc đảo cần thiết phải có giải pháp

kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (tần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC như Bảng 1.4 Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua

đó làm làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG Siêu tụ

có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ

(SCESS – Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống

biến đổi năng lượng (tầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng [12, 14, 21, 27, 29, 49, 61, 64, 90] Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, tham số của hệ thay đổi Vì vậy, trong luận án này, tác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng Các phương pháp điều khiển tuyến tính có thể làm suy giảm chất lượng động học của hệ thống khi điểm làm việc thay đổi và thực sự chưa phù hợp với bản chất phi tuyến của mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ Do đó, luận án tiếp tục giải quyết vấn đề điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện SCESS nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống biến đổi điện năng gồm 2 bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm cơ sở để hoàn thành mục tiêu ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG, đảm bảo chất lượng tần số lưới

Đối tượng nghiên cứu:

Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi

DC-DC hai chiều, bộ biến đổi DC-DC-AC hai chiều

Mục đích nghiên cứu:

 Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel

 Chỉ ra mối tương quan giữa công suất của hệ PĐSG với SCESS, xác định các thông số kỹ thuật của SCESS đối với các mức độ yêu cầu công suất theo profile gió cụ thể đối với hệ PĐSG

19

 Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện được đề xuất thông qua những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu trên lý thuyết các thuật toán điều khiển thiết bị kho điện đảm bảo tính ổn định, chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel

 Tổng hợp hệ thống bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả nghiên cứu thuật toán điều khiển trên lý thuyết

 Kiểm chứng khả năng làm việc của các cấu trúc điều khiển đề xuất cho SCESS trên công cụ mô phỏng thời gian thực dSPACE-DS1104 và trên mô hình thí nghiệm SCESS trao đổi công suất hai chiều với lưới điện xoay chiều

o Luận án chỉ tập trung vấn đề điều khiển SCESS – điều khiển cấp thiết bị không giải quyết bài toán điều khiển mang đặc điểm “điều độ” toàn bộ hệ thống điện ốc đảo

Ý nghĩa của đề tài:

Sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phát điện sức gió trên thế giới cũng như tại trường ĐHBK Hà Nội (xem PHỤ LỤC C) trong những năm gần đây trên

cả phương diện nghiên cứu lẫn ứng dụng nhưng đa số tập trung vào những hệ thống PĐSG hòa lưới quốc gia Với đặc điểm giàu tài nguyên gió, đặc biệt là các khu vực hải đảo, Việt Nam gần đây đã nghiên cứu, triển khai một số dự án phát điện sức gió tại một số hải đảo Phú Quý, Côn Đảo, Bạch Long Vĩ,… nhưng chưa thể đi vào vận hành khai thác hiệu quả do kiến trúc tổng thể của hệ thống điện trên những khu vực đó không đảm bảo sự ổn định và chất lượng điện năng khi được tích hợp các turbine PĐSG, rất cần phải có giải pháp kỹ thuật để giải quyết vấn đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng biến động công suất đầu ra của turbine PĐSG đến hệ thống điện ốc đảo trong khi chưa có một công trình nghiên cứu nào tại Việt Nam về vấn đề thiết bị kho điện cho hệ thống PĐSG hoạt động trong hệ thống điện ốc đảo

Luận án đặt ra mục tiêu thiết kế cấu trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho điện nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của turbine

 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp thiết bị kho điện phù hợp với một số lưới điệc ốc đảo nói riêng và hệ thống điện vi lưới cô lập nói chung tại Việt Nam để nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch so với lưới điện truyền thống (chưa tích hợp kho điện)

Những kết quả mới của luận án:

- Xây dựng mô hình động học hợp nhất hai chế độ trao đổi năng lượng của

bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly mang đặc điểm phi tuyến phù hợp với mục tiêu thiết kế điều khiển kho điện sử dụng siêu tụ

- Đề xuất cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ có tích hợp

thuật toán toán điều khiển phi tuyến cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly đảm bảo kiểm soát độc lập các thành phần công suất tác dụng, công suất phản kháng với động học phù hợp với những biến động công suất đầu ra của turbine PĐSG có đầu ra là điện xoay chiều ba pha

- Chứng minh tính khả thi của thuật toán điều khiển thiết bị kho điện được

đề xuất nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của hệ thống PĐSG với giải pháp bù phân tán bằng các bằng các kết quả mô phỏng offline

- Kiểm chứng cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện được đề xuất trong luận

án bằng các kết quả mô phỏng thời gian thực trên nền tảng DSP dSPACE DS1104 và trên mô hình thí nghiệm SCESS

Bố cục luận án gồm 5 chương chính như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN giới thiệu cấu trúc hệ thống điện hải đảo Vấn đề

phân cấp điều khiển trong hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp được nghiên cứu khái quát để định hướng rõ ràng về các yêu cầu điều khiển đối với thiết bị kho điện hỗ trợ ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG Tác giả cũng phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ Từ

đó nêu những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

Chương 2 CÁC NGUỒN PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỐC ĐẢO trình bày

về hệ thống điện ốc đảo sử dụng nguồn phát hỗn hợp giữa gió và diesel Hệ thống phát điện sức gió và hệ thống phát điện diesel sẽ được phân tích những điểm cốt lõi về nguyên tắc làm việc, các cấu trúc cơ bản và các vấn đề điều khiển

Chương 3 MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ trình bày về

mô hình toán của siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly và nghịch

21

lưu nguồn áp DC-AC Các mô hình toán học được xây dựng trên cở sở phân tích các trạng thái làm việc của các bộ biến đổi để thiết lập các mối quan hệ về điện giữa các biến trạng thái, biến điều khiển, biến đầu ra sẽ được trình bày chi tiết

Chương 4 CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN trình bày về cấu trúc điều khiển tổng

thể của SCESS và cấu trúc điều khiển chi tiết của các bộ biến đổi AC và

DC-DC

Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM thể hiện những kết quả

kiểm chứng cho các cấu trúc điều khiển đã đã đề xuất Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink/SimPowerSystems, mô phỏng thời gian thực trên dSPACE DS1104 và mô hình thí nghiệm SCESS chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của những giải pháp được đề xuất

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo

1 TỔNG QUAN 22

1 TỔNG QUAN

Các hệ thống phát điện sức gió tăng trưởng rất mạnh mẽ [44, 90, 104] Đó phần lớn là những hệ thống hòa vào các lưới điện quốc gia Tuy nhiên, những hệ phát điện sức gió công suất nhỏ trên hải đảo (nơi mà lưới điện quốc gia không vươn tới được) cũng không mất đi sự quan tâm của các nhà sản xuất, nhà khoa học Theo [8, 17, 44, 61, 90], hệ phát điện sức gió loại này hoạt động kết hợp với những nguồn năng lượng truyền thống từ các tổ hợp diesel – máy phát (DGs), hình thành hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel (WDHPS – Wind-Diesel Hybrid Power Systems)

Nội dung chương này trình bày tổng quan về cấu trúc hệ thống, các vấn đề về điều khiển, đồng thời tóm lược những xu hướng nghiên cứu về thiết bị kho điện thực hiện chức năng hỗ trợ turbine PĐSG trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp Từ đó tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu và các nhiệm vụ cần giải quyết trong luận án này

1.1 Khái niệm về hệ thống điện ốc đảo

Hệ thống điện ốc đảo (RAPS) là một hệ thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa xôi – nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được Hệ thống điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau[1] Đối với RAPS truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm phát sử dụng năng lượng từ dầu diesel (gọi là tổ hợp phát điện diesel – DG) Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các turbine phát điện sức gió được tích hợp thêm vào RAPS với mục tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Khi đó, RAPS trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa Hình 1.1 Hệ thống điện ốc đảo có thể phối hợp nhiều nguồn phát điện nhưng phổ biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ PĐSG với các tổ hợp phát điện diesel, hệ thống khi đó được gọi là Wind-Diesel HPS (WDHPS) WDHPS được hình thành bởi một hoặc vài turbine phát điện sức gió kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện diesel cung cấp điện năng cho phụ tải thông qua lưới điện thấp áp (dưới 1 kV AC) hoặc trung bình (1 kV đến dưới

36 kV AC)[17, 61] Theo tiêu chuẩn IEC 61400-2 năm 2013 [44, 122] thì những

hệ phát điện sức gió dựa trên máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMG) là phù hợp cho hệ thống điện ốc đảo Tùy theo quy mô và đặc điểm phân bố của phụ tải mà RAPS có thể có hoặc không có lưới truyền tải Phụ tải điện của khu vực hải đảo chủ yếu là phụ tải 0,4kV

Theo phân loại hệ thống điện trong [1], RAPS được gọi là hệ thống điện cô lập,

là hệ thống không thể nối vào hệ thống điện quốc gia Một số thuật ngữ tiếng Anh

tương đương có thể được sử dụng để mô tả về RAPS như: standalone power

1.1 Khái niệm về hệ thống điện ốc đảo 23

systems, off-grid power systems, isolated power systems đều để chỉ tính chất

tách biệt với lưới điện quốc gia và có thể sử dụng tương đương nhau Một số thuật

ngữ khác như mini-grids để chỉ những hệ thống phát điện tập trung cho một khu

vực có công suất lớn hơn RAPS, đó có thể là một thị trấn, một ngôi làng Thuật

ngữ autonomous power systems dùng để chỉ một hệ thống phát điện có công

suất từ vài trăm Watts đến vài mega-Watts nhưng không có lưới truyền tải lớn

Microgrid là một thuật ngữ được định nghĩa trong IEEE 2030, IEEE 1547 để chỉ

một hệ thống điện có khả năng vận hành được cả hai chế độ: Độc lập (island

mode) và kết nối với lưới điện quốc gia (grid-connected mode) Ngược lại, RAPS

luôn luôn hoạt động ở chế độ độc lập, không bao giờ trao đổi năng lượng với lưới điện chính Khi Microgrids ở chế độ nối lưới nó phải đáp ứng các chỉ tiêu chất

lượng điện năng của nhà quản trị hệ thống gọi là Grid-Codes

Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel

Ở chế độ độc lập Microgrids cũng như RAPS tự chịu trách nhiệm về cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ tiêu chất lượng điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép Các nguồn phát trong RAPS và Microgrids bao gồm: nguồn phát có khả năng điều độ là những trạm phát điện diesel và những nguồn phát biến động thất thường từ turbine gió Do đó, để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, RAPS và Microgrids thường được tích

hợp thêm thiết bị tích trữ năng lượng tạm gọi tắt là kho điện (Energy Storage

Systems – ESS) Thiết bị kho điện có thể được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần

1 TỔNG QUAN 24

bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung) như thể hiện trên Hình 1.1

1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng

Khi hệ PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản

của lưới về điện áp, tần số, các thành phần sóng hài được quy định trong

Grid-Codes Lưới điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp

thụ tất cả lượng công suất hệ PĐSG phát vào Với RAPS, công suất nguồn phát lẫn dung lượng lưới truyền tải là hữu hạn RAPS không trao đổi công suất với lưới điện quốc gia, RAPS phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng trên

cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ hệ thống điện nào: Công suất nguồn phát

phải cân bằng với tải tiêu thụ Trong những nhân tố đó, phụ tải biến động ngẫu

nhiên (có thể dự đoán được nhưng không hoàn toàn chính xác); nguồn phát sức gió có công suất đầu ra hoàn toàn biến động ngẫu nhiên theo những yếu tố địa lý

tự nhiên, gần như không thể dự đoán chính xác Vì vậy, đảm bảo cân bằng trong

hệ thống RAPS là một vấn đề không đơn giản Nếu công suất tác dụng của các nguồn phát nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần số sẽ giảm và ngược lại Tần số

là thước đo cân bằng công suất tác dụng Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép (quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện năng) thì có nghĩa là đủ công suất tác dụng Với công suất phản kháng, nếu công suất phản kháng phát nhỏ hơn yêu cầu thì điện áp sẽ giảm, còn khi công suất phản kháng nguồn lớn hơn yêu cầu của phụ tải thì điện áp sẽ tăng Điện áp là thước đo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện

Trong hệ thống điện ốc đảo, công suất phản kháng được đáp ứng bởi nguồn phát diesel, các bộ tụ bù, kháng điện, các bộ SVC, STATCOM được tích hợp một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng điện áp [7, 8, 116, 119]

Đối với vấn đề ổn định công suất tác dụng: RAPS mang đặc điểm lưới yếu,

quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải Khi huy động thêm nguồn phát điện sức gió biến động (công suất cơ của các turbine gió tỷ lệ với tốc độ gió [16, 90]) Trung tâm điều khiển phải thực hiện tác động điều độ các nguồn phát về công suất tác dụng để giữ ổn định hệ thống

- Đối với hệ thống PĐSG: tốc độ gió biến động ngẫu nhiên nên tác động điều độ công suất tác dụng chỉ có thể diễn ra theo chiều hướng giảm công suất thông qua điều chỉnh góc cánh đón gió hoặc đơn giản là sử

dụng tải giả (Dump load) Điều này gây lãng phí năng lượng và hiệu quả

điều chỉnh không đủ nhanh để giữ ổn định hệ thống

- Đối với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát bằng hai phương pháp độc lập: điều chỉnh công suất phản kháng thông qua điều chỉnh kích từ máy phát sử dụng bộ AVR và điều chỉnh công suất tác dụng thông qua điều chỉnh

1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo 25

lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ sơ cấp sử dụng bộ điều tốc (Governor)[36, 68, 74, 121]

Ở RAPS, tần số lưới tỷ lệ trực tiếp với tốc độ của động cơ sơ cấp diesel Trong trường hợp mất cân bằng công suất tác dụng, bộ điều tốc tác động điều chỉnh công suất cơ của động cơ diesel để đưa tần số trở lại giá trị định mức trong khoảng thời gian cho phép từ 10-15 giây gọi là tác động điều chỉnh sơ cấp

(Primary load frequency control)[61, 62, 68] Tuy nhiên, tác động điều chỉnh

của bộ điều tốc thường chậm hơn so với những biến động nhanh của nguồn PĐSG làm cho trạng thái cân bằng trong hệ thống không được đảm bảo Hiện tượng này làm suy giảm chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel

Giải pháp điều độ các nguồn phát sức gió là không khả thi, thay vào đó người

ta sử dụng giải pháp “vá – patch” những biến động của công suất tác dụng đầu

ra hệ PĐSG bằng thiết bị kho điện: tích hợp kho điện tại từng turbine PĐSG (bù phân tán) hoặc tích hợp kho điện tại bus chung của các nguồn phát (bù tập trung) Kho điện sẽ hấp thụ công suất khi nguồn sơ cấp dư thừa và giải phóng

công suất khi nguồn sơ cấp thiếu hụt Khả năng “vá” những khoảng lồi lõm đến

đâu, trong thời gian bao lâu phụ thuộc vào mục tiêu điều độ cấp trên như: Ổn định ngắn hạn, ổn định theo đặc điểm phụ tải, ổn định theo mùa…

1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo

Như đã thể hiện trên Hình 1.1 nguồn phát trong hệ thống điện ốc đảo chia làm

2 loại: Nguồn phát kết nối trực tiếp với AC-bus (các tổ hợp DGs) và nguồn phát kết nối với AC-bus thông qua các bộ biến đổi công suất (nguồn phát sức gió, thiết

bị kho điện) Vấn đề điều khiển trong RAPS được chia thành hai cấp: Cấp hệ

thống (system-level controls) và cấp thiết bị (component-level controls)[57, 58,

62] Mỗi nguồn phát phải đáp ứng những yêu cầu điều khiển khác nhau trong cấu trúc điều khiển tổng thể của hệ thống điện hải đảo

1.3.1 Điều khiển cấp hệ thống

Điều khiển cấp hệ thống mang đặc điểm điều khiển giám sát (SCADA) phục

vụ mục tiêu đảm bảo các chế độ vận hành an toàn của cả hệ thống thông qua các tác động mang tính chất điều độ công suất giữa các nguồn phát

Có hai chiến lược điều khiển cấp hệ thống là: Điều khiển tập trung (Centralized Control Strategies - CCS) và điều khiển phân tán (Decentralized

Control Strategies - DCS)

1.3.1.1 Điều khiển tập trung

Chiến lược điều khiển tập trung được vận hành dựa trên cơ chế trao đổi thông tin giữa trung tâm điều khiển với các bộ điều khiển cấp thấp gọi là LCs (Local Controllers) LCs gửi thông tin về các điều kiện hoạt động như: Công suất đầu ra của các nguồn phát, sự biến động về tần số và điện áp, ước lượng về nhu cầu phụ

87, 93, 106] Điểm yếu của chiến lược điều khiển này là sự cố liên quan đến lỗi truyền thông Độ tin cậy vận hành cả hệ thống phụ thuộc vào một trung tâm điều khiển

1.3.1.2 Điều khiển phân tán

RAPS sử dụng chiến lược điều khiển phân tán sẽ không đòi hỏi một trung tâm điều khiển để ra một quyết định tối ưu Mỗi thành phần trong RAPS sẽ tự chịu trách nhiệm dựa trên những thông tin nhận được từ các thành phần khác Có hai chiến lược điều khiển phổ biến đó là: Điều khiển chia sẻ công suất theo độ dốc

đặc tính nguồn phát (Droop control strategy) và điều khiển theo nguyên lý hệ đa tác tử (multi-agent control strategy)

a) Điều khiển chia sẻ công suất theo độ dốc đặc tính các nguồn phát

Đây là phướng pháp điều khiển phổ biến nhất để đảm bảo khả năng chia sẻ công suất tác dụng, phản kháng giữa các nguồn phát Tần số và điện áp phụ thuộc vào độ lệch của P và Q so với giá trị đặt trước Đối với các nguồn phát truyền thống, yêu cầu về công suất tác dụng đầu ra phụ thuộc vào góc công suất hoặc tần số; trong khi đó, yêu cầu về công suất phản kháng được xác định theo biên độ điện áp Luật điều khiển này có thể phải được sửa chữa cho phù hợp với đặc điểm điện kháng của đường dây điện áp thấp Các công trình nghiên cứu chuyên sâu về phương pháp điều khiển này có thể tìm thấy ở [22, 36, 59, 114]

b) Nguyên lý điều khiển đa tác tử

Phương pháp này sử dụng các thành tựu thuộc về khoa học tính toán để tạo

ra cơ chế phản ứng thông minh cho mỗi nguồn phát sao cho nó có thể tự phán quyết hành động tương lai độc lập với môi trường xung quanh Các công trình nghiên cứu chuyên sâu về phương pháp điều khiển này có thể tìm thấy ở [56, 98]

1.3.2 Điều khiển cấp thiết bị

Các nguồn phát phân tán như: hệ PĐSG, kho điện kết nối với AC-bus thông qua các thiết bị biến đổi công suất Tùy theo dạng máy phát hay dạng năng lượng tích lũy trong kho mà cấu trúc thiết bị biến đổi công suất có thể khác nhau nhưng thông thường bao gồm hai thành phần: Bộ biến đổi phía máy phát (GC -

Generator-side Converter) và bộ biến đổi phía lưới (FC - Frontend Converter)[8]

- GC thực hiện chức năng cơ bản nhất là biến đổi điện năng được sinh ra bởi nguồn sơ cấp thành dạng điện một chiều cung cấp cho mạch một chiều trung gian (DC-link)

1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo 27

- FC được điều khiển rất linh hoạt theo những mục đích khác nhau: Thiết

lập lưới cơ sở (Grid-forming), cấp năng lượng lên lưới (Grid-feeding) hoặc điều khiển hỗ trợ lưới (Grid-supporting) Cho dù điều khiển FC

theo mục đích nào thì nhiệm vụ cơ bản nhất vẫn là điều khiển dòng điện

FC Hình 1.2 thể hiện một cấu trúc điều khiển dòng điện kinh điển trên

hệ tọa độ quay dq Tùy theo mục đích điều khiển mà các mạch vòng

phía bên ngoài sẽ được bổ sung tương ứng Các chiến lược điều khiển cho GC hay FC ở cấp thiết bị luôn mang tính thời gian thực (real-time control) Nội dung tiếp theo sẽ trình bày các cấu trúc điều khiển tương ứng với các mục đích như đã nói ở trên đối với bộ biến đổi phía lưới

-Qm

KfP

K vQ

Hình 1.3 Đặc tính điều khiển theo độ dốc giữa các nguồn phát

1.3.2.1 Điều khiển thiết lập lưới cơ sở

Trong hệ RAPS, các giá trị tham chiếu về điện áp và tần số có thể được hình thành theo 3 cách: xác định từ trạm phát diesel, xác định từ hệ PĐSG sử dụng PMG hoặc xác định từ hệ PĐSG sử dụng DFIG kết hợp với trạm phát diesel tải thấp Nếu có nhiều tổ hợp thì một những tổ hợp còn lại sẽ điều chỉnh theo một

tổ hợp làm tham chiếu Trong trường hợp DGs không hoạt động, tự các bộ biến đổi công suất phải xác định giá trị tham chiếu điện áp, tần số và duy trì ổn định chúng Nếu có nhiều hơn 1 bộ FC thực hiện chức năng thiết lập lưới cơ sở thì phải có sự chia sẻ công suất giữa chúng theo phương pháp điều khiển kinh điển

1 TỔNG QUAN 28

tần số–công suất tác dụng f-P (frequency-droop control) và điện áp–công suất phản kháng U-Q (voltage-droop control) tương tự như mục tiêu điều khiển hỗ

trợ lưới được trình bày dưới đây

1.3.2.2 Điều khiển cấp năng lượng lên lưới

Các bộ biến đổi công suất được điều khiển để trao đổi chính xác các lượng đặt công suất được đưa ra bởi điều khiển cấp trên Ở chế độ điều khiển này, FC không tham gia trực tiếp vào vấn đề điều khiển tần số, điện áp như ứng dụng thiết lập lưới cơ sở Lượng đặt các thành phần công suất được xác định bởi hệ

thống điều khiển cấp cao (Supervisory power management unit)

Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển hỗ trợ lưới

1.3.2.3 Điều khiển hỗ trợ lưới

Khi các nguồn phân tán (hệ PĐSG, kho điện) tích hợp vào những vị trí ngay đầu ra của nguồn phát chính, lưới truyền tải hoặc lưới phân phối sẽ có những

yêu cầu khác nhau của nhà quản trị hệ thống điện được định nghĩa trong Grid

Codes về những yêu cầu cơ bản liên quan đến tần số, điện áp ở chế độ vận hành

bình thường (Normal operation) và chế độ khi lưới gặp sự cố (Behaviour under

grid disturbances) Điều khiển bộ biến đổi phía lưới mang lại khả năng can thiệp

vào tần số, điện áp của hệ thống thông qua trao đổi các thành phần công suất P,

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới 29

Q hoặc thực hiện các chức năng như lọc tích cực, STATCOM, xử lý trường hợp

sự cố lưới như tải mất cân bằng, lõm/lồi điện áp Phương pháp điều khiển theo

độ dốc đặc tính tần số - công suất tác dụng dụng f-P và điện áp–công suất phản kháng U-Q được áp dụng cho vòng điều khiển phía ngoài cùng để tính toán lượng

đặt các thành phần công suất cho các vòng điều khiển phía trong như minh họa trên Hình 1.5

Để hoàn thiện cấu trúc điều khiển, FC còn phải được điểu khiển theo chiến

lược đặc biệt trong trường hợp lưới gặp sự cố [8, 101] Sự cố lưới thường được

quan tâm là hiện tượng biến động điện áp (lõm - sags hoặc lồi - swells) tác động

đến thiết bị bảo vệ ngắt nguồn phát phân tán ra khỏi lưới Điều này làm cho lưới mất cân bằng và có thể dẫn tới hiện tượng cực đoan không mong muốn là tan rã

lưới (Blackout) Grid-Codes thường yêu cầu khả năng trụ lưới thậm chí khi điện

áp lưới giảm về không trong khoảng thời gian lên tới 150ms (thường được biết

đến với thuật ngữ low-voltage ride-through – LVRT), khả năng hỗ trợ phục hồi

điện áp thông qua tác động đẩy công suất phản kháng vào lưới và khả năng điều

chỉnh độ dốc đặc tính công suất (ramp-up) sau sự cố Khi xảy ra sự cố lưới, điện

áp tại điểm kết nối mất cân bằng, dòng điện mà bộ biến đổi phía lưới của các nguồn phân tán đẩy vào lưới sẽ mất dạng sin, mất cân bằng Sự ghép nối giữa nguồn phân tán với lưới khi đó mất khả năng kiểm soát các thành phần công suất Những chiến lược điều khiển ở chế độ vận hành bình thường lúc này không phát huy được hiệu quả nên không được vận dụng Thay vào đó, một số tác giả [3, 101] đã phải sử dụng kỹ thuật phân tích các thành phần dòng điện thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không để áp đặt riêng từng lượng đặt cho phù hợp Chiến lược điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới dưới chế độ vận hành sự

cố là một thách thức cuối cùng trong tổng thể các vấn đề cần giải quyết của một

hệ thống điều khiển các nguồn phân tán nối lưới

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới

Trong mục này, tác giả trình bày khái quát về các công trình nghiên cứu gần gũi, liên quan đến hướng nghiên cứu của tác giả về thiết bị kho điện nói chung cũng như ESS ứng dụng trong hệ RAPS

1.4.1 Khái quát về một số loại kho năng lượng

Chức năng cơ bản của thiết bị kho điện là tích lũy khi nguồn sơ cấp (sức gió)

dư thừa và xả ra khi nguồn sơ cấp thiếu hụt Các hệ thống kho năng lượng được đặc trưng bởi khả năng tích lũy/xả ra khoảng thời gian (ngắn hạn hay dài hạn) với công suất danh định Theo một số công trình nghiên cứu [28, 33, 50, 61, 64],

thời gian cỡ một vài giây được xem là ngắn hạn, trong khi đó lớn hơn một giờ được coi là dài hạn Thời gian huy động năng lượng từ kho điện quyết định chức

năng của kho trong hệ thống

1 TỔNG QUAN 30

Zn-Br

Ni-Cd L/A

Na-S

CAES

PHS VR

Li-ion Ni-MH

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa công suất và thời gian giải phóng theo lĩnh vực ứng

dụng của kho năng lượng[61]

Tùy theo ứng dụng mà kho cần phải đáp ứng về công suất cũng như thời gian giải phóng năng lượng phù hợp như ví dụ trên Hình 1.6 các tên viết tắt xem ở Bảng 1.2 [50]:

- Ứng dụng quản lý năng lượng yêu cầu ESS phải có dung lượng lớn, thời gian giải phóng có thể kéo dài hàng giờ;

- Ứng dụng chuyển nguồn yêu cầu dung lượng thấp hơn, thời gian giải phóng năng lượng có thể kéo dài cỡ vài phút;

- Ứng dụng đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy đòi hỏi ESS phải

có khả năng giải phóng nhanh (cỡ mili giây) [34, 61]

Bảng 1.1 Phân loại kho năng lượng theo thời gian

Các công nghệ tích trữ năng lượng được nghiên cứu ứng dụng và triển khai cho đến nay có thể được phân nhóm như Bảng 1.1, Bảng 1.2 [50] Theo IEC[50], ESS với các mục đích sử dụng khác nhau đòi hỏi thời gian đáp ứng và tần suất rất khác nhau Với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng, ESS hỗ trợ ổn định điện

áp và tần số Tần số được ổn định thông qua điều chỉnh công suất tác dụng ở

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới 31

đầu ra của WT Điện áp được điều chỉnh thông qua điều chỉnh công suất phản kháng Các công nghệ tích trữ năng lượng cần thiết phải có một hệ thống biến đổi năng lượng để có thể trao đổi công suất với lưới điện Dưới đây là một số hình ảnh (Hình 1.7, Hình 1.8, Hình 1.9, Hình 1.10, Hình 1.11, Hình 1.12) minh họa phương thức vận hành của các thiết bị kho điện được trích từ một số nguồn tài liệu [34, 61, 66]

Bảng 1.2 Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy

1 TỔNG QUAN 32

Hình 1.8 Hệ thống tích trữ năng lượng CAES[61]

Hệ thống kho năng lượng khí nén CAES (Compressed Air Energy Storage) như minh họa ở Hình 1.8 cũng phục vụ nhu cầu tích trữ năng lượng dài hạn, công suất lớn Năng lượng lúc dư thừa được biến thành khí nén và được huy động ngược trở lại để cung cấp cho lưới trong quá trình phụ tải đỉnh

1.4.1.2 Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao

Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà FES (Flywheels Energy Storage) như minh họa ở Hình 1.9 thường được sử dụng cho những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh, đảm bảo chất lượng điện năng trong thời gian ngắn Năng lượng được tích trữ dưới dạng cơ năng dự trữ dưới dạng động năng trong thiết bị bánh đà với quán tính rất lớn nối trục với máy điện có thể hoạt động ở cả chế độ động cơ (tích trữ năng lượng) và máy phát (giải phóng năng lượng)

Hình 1.9 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà[61]

Hệ thống siêu dẫn từ SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) như

dòng điện một chiều chảy qua cuôn dây siêu dẫn Hệ SMES có động học nhanh, hiệu suất cao (lên đến 90%) Vấn đề khó khăn chính của công nghệ này là phải duy trì nhiệt độ cỡ 50-77oK để bảo đảm tính siêu dẫn của vật liệu kéo theo chi

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới 33

phí vận hành lớn SMES có thể gặp trong những ứng dụng về khử lõm điện áp,

ổn định tần số trên hệ thống điện ốc đảo

Hình 1.10 Hệ thống tích trữ năng lượng SMES[61]

Hệ thống acqui BESS (Battery Energy Storage System) như minh họa ở Hình 1.11 là công nghệ tích trữ năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất BESS phù hợp với cả những ứng dụng về quản lý năng lượng, hỗ trợ phụ tải đỉnh, hỗ trợ lưới khi nguồn chính gặp sự cố (UPS) Thông thường các acqui được ghép nối với nhau thành bộ để tăng dung lượng, tăng điện áp công tác

Hình 1.11 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng acqui[61]

Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng siêu tụ SCESS (Supercapacitor Energy Storage Systems) như minh họa ở Hình 1.12 Siêu tụ có khả năng tích lũy trực tiếp năng lượng ở dạng điện năng DC Siêu tụ được biết đến với những tên gọi: SuperCapacitor (SC); Ultra-Capacitor (UC) hay Electric Double-layer Capacitor (EDLC) Các nghiên cứu [27, 29, 54, 112, 117] đã chỉ ra một số ưu điểm vượt trội như:

 Điện dung lớn với kích thước nhỏ gọn (có thể đến hàng nghìn Farad);

 Động học nhanh: thời gian xả nạp năng lượng cực nhanh với công suất lớn;

 Mật độ công suất lớn hơn nhiều so với tụ thường, acqui;

1 TỔNG QUAN 34

 Hiệu năng cao, tần số xả nạp lớn, có thể xả kiệt mà không bị ảnh hưởng đến tuổi thọ, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thân thiện với môi trường

Hình 1.12 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng siêu tụ[61]

Vì điện áp công tác tối đa của mỗi tụ chỉ vài Vol nên sẽ phải mắc nối tiếp một lượng lớn tụ để đạt được điện áp cần thiết Tùy thuộc yêu cầu về công suất huy động để mắc song song nhiều nhánh tụ Các bộ biến đổi công suất kiểm soát quá trình nạp/xả của siêu tụ với lưới điện có thể trao đổi công suất một chiều sử dụng

bộ nạp và bộ nghịch lưu riêng biệt hoặc sử dụng các bộ biến đổi công suất có khả năng trao đổi công suất hai chiều như minh họa trên Hình 1.13

Hình 1.13 Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ

1.4.2 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện

Như đã giới thiệu ở mục 1.3, trong hệ thống điện hải đảo phân chia thành nhiều cấp điều khiển, các nguồn phát có vai trò khác nhau trong hệ thống sẽ phải đáp ứng các yêu cầu về điều khiển khác nhau Đối với RAPS nguồn phát hỗn hợp gió – diesel có tích hợp thiết bị kho điện:

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới 35

- Nguồn phát diesel đóng vai trò thiết lập lưới cơ sở

- Hệ PĐSG được điều khiển cấp năng lượng lên lưới

- Kho điện đóng vai trò là một thiết bị phụ trợ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của hệ PĐSG tránh lây lan các biến động công suất có thể dẫn tới nguy cơ mất ổn định hệ thống

Một số công trình khảo sát về ESS có thể tìm thấy ở [20, 26, 28, 47, 126] Thiết bị kho điện được đặc trưng bởi hai yếu tố: Dung lượng thiết kế và cấu trúc điều khiển hệ thống biến đổi năng lượng Hệ thống biến đổi năng lượng biến đổi dạng năng lượng tích trữ thành điện năng phù hợp với phương án tích hợp kho điện (phân tán hay tập trung) và phụ thuộc cấu trúc của RAPS (AC-tập trung hay DC-tập trung) sẽ dẫn tới những yêu cầu về điều khiển khác nhau

 Phương án bù tập trung, dung lượng kho điện đòi hỏi lớn, tỷ lệ với dung

lượng của toàn hệ thống điện Vấn đề điều khiển kho điện bù tập trung

sẽ dựa trên thông tin về các đại lượng và thông số của lưới điện với những rằng buộc chặt chẽ của vấn đề điều độ - điều khiển cấp hệ thống (như

đã giới thiệu ở mục 1.3.1)

 Phương án bù phân tán, thiết bị kho điện chỉ hỗ trợ các turbine PĐSG

riêng lẻ, sử dụng thông tin về công suất đầu ra của từng turbine PĐSG

để thực hiện chức năng cấp năng lượng lên lưới (như đã giới thiệu ở mục 1.3.2) nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra

, L

L R

f

L C f

Hình 1.14 Hai khả năng tích hợp thiết bị kho điện vào hệ thống PĐSG

Trong thực tế, những khu vực như hải đảo, phụ tải hầu hết là dạng AC nên tác giả sẽ chỉ tập trung vào hệ RAPS sử dụng bus AC tập trung Khả năng tích hợp SCESS vào hệ thống PĐSG cũng đem lại hai sự lựa chọn được minh họa trên Hình 1.14:

 SCESS kết nối vào mạch một chiều trung gian của các tầng biến đổi điện

năng của hệ thống PĐSG gọi là DC-coupled

quy định của nhà quản trị hệ thống điện được định nghĩa trong Grid-Codes Các

vấn đề điều khiển trong hệ PĐSG sẽ được phân tích chi tiết hơn ở Chương 3 Điều khiển quá trình trao đổi năng lượng giữa kho điện với lưới bản chất là quá trình điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất DC-DC và DC-AC Nếu phân loại chiều dòng năng lượng trao đổi của kho điện thì có hai phương pháp

điều khiển: Điều khiển hai chế độ độc lập ([72, 113] đối với phương án coupled và [42, 65, 83] đối với phương án AC-coupled) hoặc điều khiển hợp nhất

DC-([40, 41, 80-82, 94] đối với phương án DC-coupled và [11, 69-71, 99, 100] đối với phương án AC-coupled)

 Phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập: Hai chiều trao đổi công suất ứng

với hai chế độ nạp/xả của kho điện được điều khiển riêng biệt bởi hai cấu trúc điều khiển

- Nếu là kho điện DC [72, 113], bộ biến đổi DC-DC được điều khiển với hai

cấu trúc điều khiển tách biệt: ở chế độ nạp đòi hỏi điều khiển dòng điện nạp siêu tụ; ở chế độ xả đòi hỏi điều khiển ổn định điện áp một chiều trung gian Các bộ điều khiển có thể được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hay phi tuyến

- Nếu là kho điện AC [42, 65, 83], bộ biến đổi DC-AC được xen vào giữa kho

điện DC với lưới xoay chiều ba pha Khi đó, cấu trúc điều khiển BBĐ

DC và BBĐ AC được phối hợp với nhau: ở chế độ nạp, cấu trúc ĐK

DC-AC thực hiện chức năng ổn định điện áp một chiều trung gian, cấu trúc ĐK DC-DC thực hiện chức năng điều khiển dòng nạp siêu tụ; ở chế độ xả, cấu trúc ĐK DC-AC thực hiện chức năng điều khiển độc lập các thành phần công suất tác dụng và phản kháng trao đổi với lưới, cấu trúc ĐK DC-DC thực hiện chức năng ổn định điện áp một chiều trung gian

Điểm hạn chế của phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập là luôn

đòi hỏi một khóa chuyển chế độ Điều này không những làm suy giảm chất lượng động học mà còn tiểm ẩn những nguy cơ gây mất ổn định hệ thống khi yêu cầu chuyển trạng thái nạp/xả xảy ra với tần số cao hoặc trạng thái nạp/xả không thực sự rõ ràng

 Phương pháp điều khiển hợp nhất: Một cấu trúc điều khiển duy nhất được sử

dụng để điều khiển cho cả hai chế độ nạp/xả của kho điện

- Nếu là kho điện DC [40, 41, 80-82, 94], bộ biến đổi DC-DC sẽ được điều

khiển luân phiên hoạt động ở cả hai chế độ nạp và xả trong một khoảng thời gian dẫn tới công suất trung bình của cả quá trình sẽ tương đương với quá trình siêu tụ nhận công suất từ DC-bus, quá trình siêu tụ đưa công suất lên DC-bus hoặc quá trình nhận và xả cân bằng

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới 37

- Nếu là kho điện AC [11, 69-71, 99, 100], bộ biến đổi DC-AC được xen vào

giữa kho điện DC với lưới xoay chiều ba pha Khi đó, cấu trúc điều khiển BBĐ DC-DC và BBĐ DC-AC được phối hợp với nhau: Cấu trúc ĐK DC-AC luôn thực hiện chức năng ổn định điện áp một chiều trung gian (chỉnh lưu tích cực) đồng thời đáp ứng yêu cầu về điều khiển công suất phản kháng

Q do Grid-Codes quy định, công suất tác dụng do điều khiển cấp trên đưa tới được quy đổi về dòng điện phóng/nạp siêu tụ cả về chiều và độ lớn do

bộ điều khiển BBĐ DC-DC thực hiện; hoặc BBĐ DC-DC được điều khiển

ổn định điện áp một chiều trung gian, trong khi đó BBĐ DC-AC được điều khiển bám chính xác các thành phần công suất trao đổi với lưới do điều khiển cấp trên yêu cầu

So với phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập, phương pháp điều khiển hợp nhất hai chế độ đem lại độ tin cậy về điều khiển cao hơn do số lượng các bộ điều khiển giảm đi, không tồn tại khóa chuyển giữa các cấu trúc điều khiển

Sản phẩm thương mại trên thị trường: Trong quá trình thực hiện luận án này,

tác giả mới chỉ thấy sự hiện diện của thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ của công

ty M&P CHLB Đức [39]

Bảng 1.3 Tóm tắt các hướng nghiên cứu về kho điện

Hướng nghiên cứu Các nhiệm vụ

- Mô hình hóa BBĐ DC-DC và thiết kế điều khiển chế độ nạp với cấu trúc mạch Buck

- Mô hình hóa BBĐ DC-DC và thiết kế điều khiển chế độ xả với cấu trúc mạch Boost

- Tác động gián tiếp tới công suất đầu ra turbine PĐSG thông qua DC-bus Đối với hệ PĐSG sử dụng DFIG không phát huy hiệu quả vì dòng năng lượng chính không chảy qua bộ biến đổi công suất

- Đòi hỏi can thiệp vào mạch bộ biến đổi ĐTCS và cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới hệ PĐSG

- Đòi hỏi sự chuyển chế độ giữa trạng thái nạp và xả tiềm ẩn những yếu tố gây mất ổn định

hệ thống

Điều khiển hợp nhất hai chế độ [40, 41, 80-82, 94]

- Mô hình hóa

thống nhất cả hai chiều và thiết kế một cấu trúc điều

- Phương pháp điều khiển đồng thời hai chế độ nạp/xả của BBĐ DC-DC đã được thực hiện với phương pháp điều khiển tuyến tính

1 TỔNG QUAN 38

khiển cho cả hai chế độ nạp và xả - Chưa có công trình nào chỉ ra đặc điểm phi tuyến của mô

hình thống nhất hai chế độ năng lượng nạp/xả của BBĐ DC-DC và thiết kế điều khiển phi tuyến

- Mô hình hóa

BBĐ DC-AC và thiết kế điều khiển chế độ nạp

- Mô hình hóa

BBĐ DC-AC và thiết kế điều khiển chế độ nạp

- Tác động trực tiếp đến công suất phía đầu ra xoay chiều 3 pha của hệ PĐSG mà không đòi hỏi can thiệp vào cấu trúc điều khiển của bộ biến đổi hệ PĐSG

- Đòi hỏi sự chuyển chế độ giữa trạng thái nạp và xả tiềm ẩn những yếu tố gây mất ổn định

hệ thống

Điều khiển hợp nhất hai chế độ [11, 69-71,

- Tác động trực tiếp đến công suất phía đầu ra xoay chiều 3 pha của hệ PĐSG mà không đòi hỏi can thiệp vào cấu trúc điều khiển của bộ biến đổi hệ PĐSG

- Chưa có công trình nào chỉ ra

đặc điểm phi tuyến của mô hình thống nhất hai chế độ năng lượng nạp/xả của BBĐ DC-DC và thiết kế điều khiển phi tuyến

1.5 Lựa chọn hướng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là thiết bị kho điện Hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel là môi trường để kiểm chứng hiệu quả của cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện giúp ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu

ra, chất lượng ổn định tần số lưới được xem là chỉ tiêu đánh giá

Vì vậy, bài toán thiết kế cấu trúc hệ thống điện hải đảo không thuộc phạm vi nghiên cứu mà tác giả sử dụng (giả thiết) một cấu trúc đơn giản đủ để đáp ứng các yêu cầu về kiểm nghiệm chất lượng quá trình điều khiển ổn định ngắn hạn công suất turbine PĐSG như minh họa ở Hình 1.15 Hệ thống có cấu trúc AC-BUS tập trung, không sử dụng lưới truyền tải trung thế, khoảng cách từ nguồn phát đến phụ tải ngắn (một vài km) nên bỏ qua điện kháng đường dây Đối với nguồn phát diesel, các tổ hợp phát điện diesel được đơn giản hóa bằng một tổ hợp có công suất tương đương cấp nguồn chính cho toàn bộ hệ thống qua BUS1-400V Trong thực tế có một số cấp điện áp đầu ra turbine PĐSG là 400V, 690V

1.5 Lựa chọn hướng nghiên cứu 39

Trong luận án này, tác giả sử dụng loại turbine PĐSG đầu ra 400V Thiết bị kho điện được tích hợp vào ngay phía đầu ra của hệ PĐSG tại BUS2-400V

Hình 1.15 Cấu trúc WD–HPS được lựa chọn để nghiên cứu

- Phương án bù phân tán được lựa chọn cho phép kiểm soát và can thiệp trực

tiếp vào công suất đầu ra đối với từng hệ PĐSG, hiệu quả tác động trực tiếp ngay tại mỗi đầu ra của hệ PĐSG Theo khuyến cáo của IEC [50, 51], SCESS đem lại khả năng điều chỉnh ổn định tần số với khung thời gian cỡ giây, cỡ phút với công suất yêu cầu cỡ kW Chính những công nghệ tích trữ năng lượng như thủy điện, khí nén thậm chí acqui lại không phát huy hiệu quả trong hệ thống phát điện sức gió đối với bài toán ổn định ngắn hạn công suất đầu ra để

hỗ trợ ổn định tần số lưới Giải pháp bù phân tán chỉ yêu cầu thiết kế các bộ biến đổi công suất nhỏ (tương đương với 20% công suất từng nguồn phát riêng lẻ) đem lại tính khả thi (trong trường hợp đưa vào sản xuất thử nghiệm) cao hơn so với khả năng chế tạo các bộ biến đổi với công suất lớn (tương đương với công suất của cả hệ thống nếu chọn giải pháp bù tập trung) Thêm vào đó, cần thiết phải nhắc lại rằng: Kho điện đóng vai trò là thiết bị phụ trợ cho turbine PĐSG Vì vậy, kho điện không tham gia đối phó, xử lý các chế độ làm việc không bình thường của lưới điện như: Ngắn mạch, lồi/lõm điện áp, mất đối xứng điện áp/dòng điện Vấn đề này do hệ thống điều khiển bộ biến đổi phía lưới trong hệ PĐSG chịu trách nhiệm đã được quy định trong Grid-Codes, khi

1 TỔNG QUAN 40

xảy ra hiện tượng không bình thường, kho điện được phép tự cô lập để bảo vệ

an toàn cho thiết bị Kho điện cũng không hỗ trợ toàn bộ lưới (bù tập trung) nên sẽ không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải đỉnh, vấn đề gián đoạn tạm thời của nguồn phát (không hỗ trợ chức năng UPS)

- Vấn đề lựa chọn loại máy phát sức gió: Hệ PĐSG sử dụng PMG tích hợp vào

RAPS sẽ đem lại lợi thế hơn phương án sử dụng DFIG do vấn đề liên quan đến giải pháp điều khiển và tiêu thụ công suất phản kháng

o Do stator của PMG kết nối với lưới thông qua các bộ biến đổi công suất nên việc ĐK bộ biến đổi FC thỏa mãn các điều kiện Grid-codes là tương đối đơn giản Với DFIG, hai nguyên nhân làm mất

ưu thế so với PMG đó là: các nỗ lực ĐK lại tác động vào phía rotor

để gián tiếp can thiệp vào dòng năng lượng chính của phía stator; khi điện áp lưới đột ngột giảm mạnh, DFIG phải chuyển sang chế

độ vận hành phi tuyến[8]

o Thêm vào đó, khu vực hải đảo thường được cấp điện từ các trạm diesel công suất nhỏ, tốc độ đáp ứng chậm thậm chí không còn phát được công suất thiết kế Điều này không đảm bảo tạo lưới cơ

sở (grid-forming) để DFIG có thể lấy công suất phản kháng từ lưới

ở dải tốc độ quay dưới đồng bộ[8] PMG không tiêu thụ công suất phản kháng của lưới và đang được các nhà sản xuất chế tạo với công suất phù hợp với cỡ công suất và môi trường hoạt động khu vực hải đảo [7, 8, 61, 90, 95, 112, 122] Sự lựa chọn này đặc biệt phù hợp với những hải đảo ở Việt Nam

- Công nghệ tích trữ điện năng dùng siêu tụ được lựa chọn vì đặc điểm động

học của quá trình nạp/xả vượt trội hơn so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác theo những khuyến cáo của các tác giả đã nghiên cứu trước đây [12, 14,

21, 27, 29, 49, 61, 64, 90] hứa hẹn đem lại hiệu quả ổn định ngắn hạn công suất đầu ra biến động của hệ PĐSG

- Hệ thống biến đổi năng lượng: Điện năng tích lũy trong siêu tụ có thể sử dụng

ở dạng điện một chiều trực tiếp hoặc bổ sung thêm các tầng biến đổi DC-DC, DC-AC Tùy thuộc phương án tích hợp kho điện vào hệ thống biến đổi điện năng của hệ PĐSG mà hệ thống bộ biến đổi công suất của kho điện sử dụng siêu tụ có thể chỉ bao gồm bộ biến đổi DC-DC, DC-AC hoặc gồm cả hai tầng DC-DC và DC-AC Trong luận án này, tác giả lựa chọn phương án tích hợp kho điện vào phía đầu ra xoay chiều ba pha của turbine PĐSG với hệ thống biến

đổi điện năng bao gồm cả hai tầng DC-DC và DC-AC Kho điện được tích hợp

vào phía AC của hệ PĐSG vì tính linh hoạt của phương án này cao hơn hẳn

phương án tích hợp vào bus DC trung gian trong cấu trúc back-to-back Mặc

dù phương án DC-coupled sẽ đơn giản hơn vì không đòi hỏi yêu cầu về đồng

bộ với lưới, khả năng điều khiển đơn giản hơn nhưng tính linh hoạt lại kém và tính khả thi không cao vì các nhà sản xuất turbine PĐSG không cho phép can thiệp vào DC-link cũng như can thiệp vào cấu trúc điều khiển bộ biến đổi Hơn nữa, đối với các hệ PĐSG dựa trên DFIG thì dòng năng lượng chính không