Điều khiển thích nghi các bộ nghịch lưu kết nối song song trong microgrid

TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án này trình bày phương pháp điều khiển chia công suất cho các bộ nghịch lưu ba pha kết nối song song trong một Microgrid độc lập dựa vào đo lường trở kháng đường dâ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THỊ XUÂN HOA

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU KẾT NỐI

SONG SONG TRONG MICROGRID

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THỊ XUÂN HOA

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU KẾT NỐI

SONG SONG TRONG MICROGRID

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số chuyên ngành: 62520202

Phản biện độc lập 1: GS TS Phạm Thị Ngọc Yến

Phản biện độc lập 2: PGS TS Huỳnh Châu Duy

Phản biện 1: GS TS Lê Kim Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất

kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Phạm Thị Xuân Hoa

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Luận án này trình bày phương pháp điều khiển chia công suất cho các bộ nghịch lưu

ba pha kết nối song song trong một Microgrid độc lập dựa vào đo lường trở kháng đường dây trực tuyến bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman Trong luận án này sự sai lệch trong việc chia công suất khi trở kháng đường dây thay đổi do nhiệt độ tần số sự khác biệt đáng kể trong các thông số trở kháng đường dây và tải cục bộ đã được giải quyết để tăng cường độ chính xác chia công suất trong Microgrid độc lập Truyền thông được sử dụng để tạo thuận lợi cho việc điều chỉnh bộ điều khiển thích ứng theo

sự thay đổi của tải Phương pháp đề xuất sẽ đảm bảo chia công suất chính xác ngay cả khi truyền thông bị gián đoạn Nếu tải hoặc trở kháng đường dây thay đổi trong khi truyền thông bị gián đoạn thì độ chính xác chia công suất sẽ giảm nhưng phương pháp điều khiển đề xuất vẫn tốt hơn phương pháp điều khiển Droop thông thường Ngoài ra

độ chính xác chia công suất của phương pháp được đề xuất không bị ảnh hưởng bởi

sự chậm trễ thời gian trong kênh truyền thông Một mô hình điều khiển đã được mô phỏng trong Matlab/Simulink với hai bộ nghịch lưu kết nối song song có tỷ lệ chia công suất khác nhau Các kết quả mô phỏng chứng minh tính chính xác của phương pháp điều khiển đề xuất Ngoài ra để kiểm chứng các phân tích lý thuyết và kết quả

mô phỏng một mô hình thực nghiệm được xây dựng và các kết quả thực nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của các phương pháp đề xuất

ABSTRACT

This thesis presents power sharing control methods for paralleled three-phase inverter

in an islanded Microgrid based on online estimation of line impedance based on Kalman filter In this thesis the mismatch of power sharing when the line impedance changes due to temperature frequency significant differences in line parameters and local loads have been solved to enhance the accuracy of reactive power sharing in an islanded Microgrid Communication is used to facilitate the tuning of adaptive controller for the change of load The method will ensure in accurate power sharing even if the communication is interrupted If the load changes while the communication is interrupted the sharing accuracy is reduced but the proposed method is better than the conventional Droop control method In addition the accuracy power sharing base on the proposed method is not affected by the time delay in the communication channel A control model has been simulated in Matlab/Simulink with two inverters connected in parallel for different ratios of power sharing The simulation results demonstrate the accuracy of the proposed control method Futhermore in order to validate the theory analysis and simulation results theexperimental setup was built in laboratory and the experimental results have demonstrated the effectiveness of proposed methods

LỜI CÁM ƠN

Để có được những kết quả nghiên cứu trong luận án này, tác giả đã nhận được

sự giúp đỡ tận tình của Thầy hướng dẫn, các Thầy Cô trong Bộ môn và trong Khoa, các bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu, Phòng sau đại học, Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Lê Minh Phương đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn từ những ngày đầu khi bắt tay vào nghiên cứu, đã có những ý kiến hướng dẫn, chỉ đạo sâu sát trong việc hướng dẫn luận

án

Trong khuôn khổ nội dung của một luận án, thêm vào đó trình độ bản thân còn hạn chế, chắc chắn còn thiếu sót Tác giả xin chân thành cảm ơn và tiếp thu những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Trân trọng!

MỤC LỤC

DANH M ỤC H ÌNH ẢNH………

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN 1

Giới thiệu chung 1

1.1 Đặc điểm chung của Microgrid 1

1.2 Các vấn đề xây dựng hệ thống Microgrid 2

1.3 1.3.1 Vấn đề ứng dụng và điều khiển các bộ nghịch lưu trong Microgrid 2

1.3.2 Điều khiển chia công suất các bộ nghịch lưu kết nối song song 3

Phân tích tình hình nghiên cứu 3

1.4 1.4.1 Chiến lược điều khiển sử dụng truyền thông 4

1.4.2 Chiến lược điều khiển không sử dụng truyền thông 5

1.4.3 Kết luận về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và các vấn đề còn tồn tại ……… 11

Mục đích của luận án 13

1.5 Kết quả và đóng góp khoa học của luận án 13

1.6 1.6.1 Kết quả 13

1.6.2 Đóng góp khoa học của luận án 13

Cấu trúc của luận án 14

1.7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ NGHỊCH LƯU KẾT NỐI SONG SONG TRONG MICROGRID 15

Cấu hình chung của Microgrid 15

2.1 2.1.1 Cấu hình của Microgrid theo kiểu AC 15

2.1.2 Cấu hình của Microgrid theo kiểu DC 16

Điều khiển phân cấp trong Microgrid AC 18

2.2 2.2.1 Điều khiển cấp thứ 3 (tertiary control) 20

2.2.2 Điều khiển cấp thứ 2 (secondary control) 20

2.2.3 Điều khiển cấp thứ 1 (primary control) 21

2.2.4 Cấp điều khiển 0 (inner control loops) 23

Điều khiển công suất cho một bộ nghịch lưu trong Microgrid 24 2.3

2.3.1 Khối tính toán công suất (power calculation) 24

2.3.2 Bộ điều khiển điện áp (voltage control) và bộ điều khiển dòng điện (current control) 28

2.3.3 Bộ điều chế vec tơ không gian (modulator) 30

2.3.4 Khảo sát tính ổn định 33

Tổng quan về điều khiển các bộ nghịch lưu kết nối song song 34

2.4 Kỹ thuật chia công suất cho các bộ nghịch lưu kết nối song song bằng 2.5 phương pháp Droop truyền thống 35

2.5.1 Trường hợp đường dây có X lớn hơn nhiều so với R 36

2.5.2 Trường hợp đường dây có R lớn hơn nhiều so với X 37

2.5.3 Trường hợp đường dây có cả R và X 38

Phân tích ảnh hưởng của thông số trở kháng đường dây đến việc chia công 2.6 suất cho các bộ nghịch lưu kết nối song song 38

2.6.1 Phân tích ảnh hưởng của trở kháng đường dây vào việc chia công suất kháng bằng phương pháp Droop dưới dạng các công thức toán học 39

2.6.2 Phân tích ảnh hưởng của trở kháng đường dây vào việc chia công suất kháng bằng phương pháp Droop dưới dạng đồ thị 43

Các nguyên nhân gây ra sự thay đổi thông số trở kháng đường dây trong 2.7 Microgrid 44

2.7.1 Thay đổi cấu trúc Microgrid (nguyên lý Plug-and-Play) 44

2.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở của dây dẫn 44

2.7.3 Ảnh hưởng của tần số lên điện cảm và điện kháng của dây dẫn 45

2.7.4 Kết luận về ảnh hưởng của trở kháng đường dây đến việc chia công suất cho các bộ nghịch lưu kết nối song song 48

Kết luận 49

2.8 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA CÔNG SUẤT THÍCH NGHI ĐỀ XUẤT………… 50

Tổng quan về điều khiển thích nghi 50

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 50

3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 52

3.3 Điều khiển chia công suất trong Microgrids độc lập trên cơ sở đo lường trực 3.4 tuyến thông số đường dây bằng bộ điều khiển thích nghi đề xuất 54

3.4.1 Phân tích cơ sở lý thuyết 54

3.4.2 Đo lường trực tuyến thông số trở kháng đường dây 55

3.4.3 Tính toán thiết kế bộ điều khiển thích nghi đề xuất dựa vào thông số mô hình đã đo lường được 63

Giải pháp cải thiện độ chính xác chia công suất khi có ảnh hưởng của tải cục 3.5 bộ………… 71

3.5.1 Phân tích ảnh hưởng của tải cục bộ đến việc chia công suất 71

3.5.2 Phân tích khả năng đáp ứng của bộ điều khiển đề xuất khi có tải cục bộ 73 Giải pháp khắc phục khi truyền thông bị chậm trễ (delay) hay bị gián đoạn 75 3.6 3.6.1 Truyền thông bị delay 75

3.6.2 Truyền thông bị gián đoạn 76

Giải pháp nâng cao độ tin cậy và độ chính xác trong việc chia công suất phản 3.7 kháng bằng việc sử dụng trở kháng ảo 78

3.7.1 Cơ sở lý thuyết cho bộ điều khiển Droop trở kháng ảo đề xuất 78

3.7.2 Phương pháp thực hiện 79

3.7.3 Kết luận về bộ điều khiển Droop trở kháng ảo đề xuất 83

Bộ điều khiển tổng hợp 84

3.8 Kết luận 85

3.9 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 86

Mô phỏng chia công suất bằng bộ điều khiển thích nghi đề xuất 86

4.1 4.1.1 Mô hình mô phỏng của bộ điều khiển thích nghi đề xuất 86

4.1.2 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển thích nghi đề xuất 87

Mô phỏng chia công suất bằng bộ điều khiển thích nghi đề xuất trong trường 4.2 hợp bị delay trong truyền thông 110

4.2.1 Mô hình mô phỏng của bộ điều khiển thích nghi đề xuất trong trường hợp bị delay trong truyền thông 110

4.2.2 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển thích nghi đề xuất trong trường hợp bị delay trong truyền thông 110

Mô phỏng chia công suất bằng bộ điều khiển thích nghi đề xuất cải tiến 114

4.3 4.3.1 Mô hình mô phỏng của bộ điều khiển thích nghi đề xuất cải tiến 114

4.3.2 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển thích nghi đề xuất cải tiến 115

4.3.3 So sánh kết quả chia công suất của bộ điều khiển thích nghi cải tiến đề xuất với các kết quả chia công suất của các nhóm nghiên cứu khác 119

Mô phỏng chia công suất bằng bộ điều khiển Droop trở kháng ảo 121 4.4

4.4.1 Mô hình mô phỏng cho bộ điều khiển Droop trở kháng ảo 121

4.4.2 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển Droop trở kháng ảo đề xuất 122

4.4.3 Kết luận 127

Mô phỏng chia công suất bằng bộ điều khiển tổng hợp 128

4.5 4.5.1 Mô hình mô phỏng cho bộ điều khiển tổng hợp 128

4.5.2 Kết quả mô phỏng chia công suất với bộ điều khiển tổng hợp 129

4.5.3 Kết luận 132

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 133

Mô hình thực nghiệm 133

5.1 5.1.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 133

5.1.2 Bố trí mô hình thực nghiệm 133

Kết quả thực nghiệm 135

5.2 5.2.1 Thiết lập thí nghiệm đo lường trở kháng đường dây 135

5.2.2 Thiết lập thí nghiệm chia công suất cho hai bộ nghịch lưu kết nối song song với bộ điều khiển Droop truyền thống 137

5.2.3 Thiết lập thí nghiệm chia công suất cho các bộ nghịch lưu kết nối song song với bộ điều khiển thích nghi đề xuât 142

Kết luận về k ết quả thực nghiệm 146

5.3 5.3.1 Kết luận về thí nghiệm về đo lường và lọc cho trở kháng đường dây 146

5.3.2 Kết luận về thí nghiệm chia công suất cho các bộ nghịch lưu 148

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 149

Kết luận 149

6.1 6.1.1 Sản phẩm cứng 150

6.1.2 Bài báo và ấn phẩm khoa học 150

Hướng phát triển 150

6.2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 151

PHỤ LỤC……… 167

A Xây dựng mô hình thực nghiệm 167

B Giải thuật điều khiển chia công suất và đo lường trở kháng đường dây……… 177

C Bảng thông số kỹ thuật của một số loại dây dẫn……… …181

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Cấu hình của Microgrid kiểu AC [1]………15

Hình 2.2 Cấu hình của Microgrid AC với các nguồn năng lượng phân tán và các tải đặt tại bus AC chung [2]……… 16

Hình 2.3 Cấu hình của Microgrid DC [4]……… 17

Hình 2.4 Cấu hình của Microgrid DC [5]………17

Hình 2.5 Cấu hình của Microgrid DC [6]………17

Hình 2.6 Cấu hình của Microgrid DC [28]……… 18

Hình 2.7 Cấu hình của Microgrid DC [35]……….……….18

Hình 2.8 Sơ đồ khối cho điều khiển phân cấp trong Microgrid AC[24]………… 18

Hình 2.9 Các cấp của điều khiển phân cấp trong Microgrid AC[24]……… 19

Hình 2.10 Sơ đồ khối cho cấp điều khiển 2 và 3 [24]……….20

Hình 2.11 Sơ đồ khối cho cấp điều khiển 1 và 2 [24]……….21

Hình 2.12 Sơ đồ khối cấp điều khiển 1 và cấp 0 [24]……… 22

Hình 2.13 Xác định điện áp tham chiếu của chế độ điều khiển áp theo [24]……… 23

Hình 2.14 Các vòng lặp vòng và áp trong chế độ điều khiển áp theo [24]………….23

Hình 2.15 Sơ đồ khối của bộ điều khiển công suất cho một bộ nghịch lưu 24

Hình 2.16 Biểu diễn vec tơ điện áp trong hệ tọa độ tĩnh αβ và hệ tọa độ quay dq0………25

Hình 2.17 Biểu diễn vec tơ dòng điện trong hệ tọa độ tĩnh αβ và hệ tọa độ quay dq0………25

Hình 2.18 Mạch điện tương đương cho sự truyền tải công suất trên đường dây của bộ nghịch lưu kết nối với tải ……….26

Hình 2.19 Đồ thị biểu diễn đường đặc tính Droop ………28

Hình 2.20 Mô hình của một bộ nghịch lưu ba pha kết nối với tải……… 28

Hình 2.21 Mạch điện tương đương một pha của bộ nghịch lưu ba pha kết nối với tải……… 28

Hình 2.22 Sơ đồ khối cho bộ điều khiển điện áp và bộ điều khiển dòng điện…… 30

Hình 2.23 Mạch lọc LC một pha………32

Hình 2.24 Sơ đồ khối của bộ điều khiển dòng điện và điện áp trong miền tần số… 33

Hình 2.25 Đáp ứng bước của bộ điều khiển điện áp khi chọn các hệ số kpi=10;

kpv=01; kii=1; kiv=005……… 34

Hình 2.26 Mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu kết nối với tải ……… 36

Hình 2.27 Sơ đồ điều khiển của Droop tần số P/f và Droop điện áp Q/V………… 37

Hình 2.28 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của điện áp theo công suất kháng………… 43

Hình 2.29 Đồ thị biểu diễn điện áp theo công suất kháng và Droop Q’/V………….43

Hình 3.1 Cấu hình của Microgrid độc lập áp dụng cho đề tài 53

Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển thích nghi đề xuất……… 55

Hình 3.3 Hình minh họa cho phương pháp LSM………56

Hình 3.4 Mạch điện một pha để đo trở kháng đường dây……… 57

Hình 3.5 Biểu diễn quan hệ vào ra của đối tượng……… 58

Hình 3.6 Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy……….59

Hình 3.7 Khối đo lường trở kháng đường dây và lọc Kalman………60

Hình 3.8 Chu trình của bộ lọc Kalman………61

Hình 3.9 Ứớc lượng giá trị điện áp U=-0,37727V khi chọn R=0,01……… 62

Hình 3.10 Ứớc lượng giá trị điện áp U=-0,37727V khi chọn R=1….………62

Hình 3.11 Khối Droop thích nghi đề xuất ……… 64

Hình 3.12 Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ điều khiển thích nghi chia công suất kháng……… ……… 66

Hình 3.13 Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ điều khiển thích nghi chia công suất tác dụng ……….68

Hình 3.14 Sơ đồ khối của khối SOGI-PLL……….69

Hình 3.15 Các kết quả mô phỏng cho đáp ứng ngõ vào và ngõ ra của SOGI-PLL 70

Hình 3.16 Đường đặc tính của điện áp theo công suất kháng với các tải cục bộ giống nhau……… 71

Hình 3.17 Đường đặc tính của điện áp theo công suất kháng với các tải cục bộ khác nhau……… 72

Hình 3.18 Đường đặc tính của điện áp theo công suất kháng với các tải cục bộ khác nhau và các bộ nghịch lưu khác nhau……… 73

Hình 3.19 Khối Droop thích nghi đề xuất cải tiến ……….76

Hình 3.20 Đo lường trở kháng đường dây trong trường hợp bus truyền thông bị gián đoạn……… 77

Hình 3.21 Đường đặc tính của điện áp theo công suất kháng với sự xem xét hệ số độ dốc kqi ……… 79

Hình 3.22 Sơ đồ khối của bộ điều khiển Droop trở kháng ảo đề xuất……… 82

Hình 3.23 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tổng hợp đề xuất……… 84

Hình 4.1 Mô hình của bộ điều khiển thích nghi cho một bộ nghịch lưu………… 86

Hình 4.2 Mô hình của bộ điều khiển thích nghi cho 2 bộ nghịch lưu song song … 87

Hình 4.3 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau và trở kháng đường dây giống nhau………90

Hình 4.4 Công suất ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên trái), Công suất phản kháng (cột bên phải)……… 90

Hình 4.5 Dòng điện pha ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu……… 91

Hình 4.6 Điện áp tại điểm chung PCC………91

Hình 4.7 Điện áp tại điểm chung PCC và điện áp V’ của bộ điều khiển đề xuất… 92

Hình 4.8 Điện áp tại ngõ ra của các bộ điều khiển đề xuất……….92

Hình 4.9 Điện áp tại ngõ ra của bộ ngh ịch lưu (phía sau bộ lọc LC)……….93

Hình 4.10 Công suất ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên trái), Công suất phản kháng (cột bên phải)……… 94

Hình 4.11 Sai lệch công suất ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu, (a) Sai lệch công suất tác dụng, (b) Sai lệch công suất phản kháng ……….94

Hình 4.12 Dòng điện pha ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu……… 95

Hình 4.13 Điện áp tại điểm chung Vpcc……….96

Hình 4.14 Công suất ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên trái), Công suất phản kháng (cột bên phải)……… 97

Hình 4.15 Dòng điện pha ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu……….………….97

Hình 4.16 Điện áp tại điểm chung Vpcc……… 98

Hình 4.17 Công suất cấp cho tải tập trung của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên phải), Công suất phản kháng (cột bên trái)……… 98

Hình 4.18 Công suất cấp cho tải cục bộ của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên phải), Công suất phản kháng (cột bên trái)……… 99 Hình 4.19 Công suất phát ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên trái), Công suất phản kháng (cột bên phải)……… 99 Hình 4.20 Sai lệch công suất ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu, (a) Sai lệch công suất tác dụng, (b) Sai lệch công suất phản kháng ……… 100 Hình 4.21 Điện áp tại điểm chung Vpcc……… 101 Hình 4.22 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu khác nhau và trở kháng đường dây khác nhau… ……… 102 Hình 4.23 Sai lệch công suất ở ngõ ra của 3 bộ nghịch lưu, hình b thể hiện đáp ứng quá độ của hình a……… ……… 103 Hình 4.24 Dòng điện pha ở ngõ ra của 3 bộ nghịch lưu……… 103 Hình 4.25 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau và trở kháng đường dây khác nhau và thay đổi ………104 Hình 4.26 Công suất phát ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên phải), Công suất phản kháng (cột bên trái)……… 105 Hình 4.27 Điện áp, (a) Điện áp ở ngõ ra của các bộ điều khiển, (b) Điện áp tại điểm chung PCC……… 106 Hình 4.28 Dòng điện pha ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu……… 106 Hình 4.29 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau và trở kháng đường dây khác nhau và thay đổi……….108 Hình 4.30 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau và trở kháng đường dây khác nhau và thay đổi tải cũng thay đổi ……… 109 Hình 4.31 Chi tiết của khối Droop thích nghi đề xuất trong trường hợp bị delay trong truyền thông………110 Hình 4.32 Công suất phát ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên trái), Công suất phản kháng (cột bên phải)……….111 Hình 4.33 Sai lệch công suất ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu……… 112 Hình 4.34 Dòng điện pha ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu……… 112 Hình 4.35 Công suất phát ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên phải), Công suất phản kháng (cột bên trái)……… 113

Hình 4.36 Sai lệch công suất ở ngõ ra của 2 bộ nghịch lưu, Sai lệch công suất tác

dụng (cột trái), Sai lệch công suất phản kháng (cột phải)……… 113

Hình 4.37 Điện áp tại điểm chung Vpcc……… 114

Hình 4.38 Điện áp tại ngõ ra của bộ nghịch lưu……… 114

Hình 4.39 Chi tiết của khối Droop thích nghi đề xuất cải tiến……… 115

Hình 4.40 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau và trở kháng đường dây khác nhau tải thay đổi trong khi bus truyền thông bị sự cố……… 116

Hình 4.41 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau và trở kháng đường dây khác nhau bằng bộ điều khiển Droop truyền thống………116

Hình 4.42 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau và trở kháng đường dây khác nhau điện trở đường dây thay đổi trong khi bus truyền thông bị sự cố…….…117

Hình 4.43 Chia công suất cho 2 bộ nghịch lưu giống nhau, trở kháng đường dây khác nhau và thay đổi, tải cũng thay đổi trong khi bus truyền thông bị sự cố ….……… 119

Hình 4.44 Mô hình của bộ điều khiển Droop trở kháng ảo cho 1 bộ nghịch lưu… 122

Hình 4.45 Công suất cấp cho tải tập trung của 2 bộ nghịch lưu………123

Hình 4.46 Công suất cấp cho tải cục bộ của 2 bộ nghịch lưu……… 124

Hình 4.47 Công suất phát ra của 2 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên trái), Công suất phản kháng (cột bên phải)……….124

Hình 4.48 Điện áp tại điểm chung Vpcc……… 125

Hình 4.49 Công suất phát ra của 3 bộ nghịch lưu, Công suất tác dụng (cột bên trái), Công suất phản kháng (cột bên phải)……….126

Hình 4.50 Mô hình mô phỏng của bộ điều khiển tổng hợp cho một bộ nghịch lưu……… 128

Hình 4.51 Mô hình mô phỏng của bộ điều khiển tổng hợp chia công suất cho hai bộ nghịch lưu kết nối song song……… 128

Hình 4.52 Công suất phát của hai bộ nghịch lưu, (a) Công suất tác dụng, (b) Công suất phản kháng, (c) Điện áp tải, (d) Điện trở, (e) Điện cảm……… ….129

Hình 4.53 Công suất phát của hai bộ nghịch lưu, (a) Công suất tác dụng, (b) Công

suất phản kháng, (c) Điện áp tải……….130

Hình 4.54 Công suất phát của hai bộ nghịch lưu, (a) Công suất tác dụng, (b) Công suất phản kháng, (c) Điện áp đặt lên tải, (d) Phân tích phổ của điện áp tải……… 131

Hình 5.1 Tổng thể của mô hình thực nghiệm……… 133

Hình 5.2 Khối tạo điện áp DC-Link cách ly cho 2 bộ nghịch lưu……….134

Hình 5.3 Khối tải và bo mạch hồi tiếp điện áp chung……… 134

Hình 5.4 Khối nghịch lưu và cảm biến……… 134

Hình 5.5 Đo lường điện trở đường dây bằng phương pháp LSM……….135

Hình 5.6 Lọc Kalman cho điện trở đo lường ………135

Hình 5.7 Đo lường điện cảm đường dây bằng phương pháp LSM……… 136

Hình 5.8 Lọc Kalman cho điện cảm đo lường……… 136

Hình 5.9 Đo lường điện trở đường dây bằng phương pháp LSM……….136

Hình 5.10 Lọc Kalman cho điện trở đo lường ……… 137

Hình 5.11 Công suất phản kháng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 137

Hình 5.12 Công suất tác dụng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2………138

Hình 5.13 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 138

Hình 5.14 Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 138

Hình 5.15 Công suất tác dụng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2………139

Hình 5.16 Công suất phản kháng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 139

Hình 5.17 Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2 ……… 139

Hình 5.18 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 140

Hình 5.19 Công suất tác dụng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2………140

Hình 5.20 Công suất phản kháng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 141

Hình 5.21 Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2………141

Hình 5.22 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 141

Hình 5.23 Công suất tác dụng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2………142

Hình 5.24 Công suất phản kháng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 và 2……… 142

Hình 5.25 Đồ thị chia công suất tác dụng cho hai bộ nghịch lưu……….143

Hình 5.26 Đồ thị chia công suất phản kháng cho hai bộ nghịch lưu………143

Hình 5.27 Dòng điện chạy trên dây pha của các bộ nghịch lưu (tỉ lệ 1/15)……… 143

Hình 5.28 Phân tích độ méo dạng của điện áp đặt lên tải ………144

Hình 5.29 Đồ thị chia công suất tác dụng cho 3 bộ nghịch lưu……… 144

Hình 5.30 Điện áp pha hiệu dụng của tải……… 144

Hình 5.31 Phân tích độ méo dạng của điện áp đặt lên tải ………145

Hình 5.32 Đồ thị chia công suất tác dụng cho ba bộ nghịch lưu……… 145

Hình 5.33 Đồ thị chia công suất phản kháng cho ba bộ nghịch lưu………145

Hình 5.34 Điện áp pha hiệu dụng của tải……… 145

Hình 5.35 Phân tích độ méo dạng của điện áp đặt lên tải ………146

Hình 5.36 Điện trở và điện cảm được đo lường bằng phương pháp Recursive ……… 148

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng các giá trị điện áp dây hiệu dụng của các thành phần sóng hài điện

áp……… 31

Bảng 2.2 Sự thay đổi của điện trở theo nhiệt độ 45

Bảng 2.3 Bảng tra bán kính trung bình nhân……… 45

Bảng 4.1 Bảng các thông số cho các bộ điều khiển………88

Bảng 4.2 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …89

Bảng 4.3 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …90

Bảng 4.4 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …93

Bảng 4.5 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …96

Bảng 4.6 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …98

Bảng 4.7 Bảng thông số trở kháng đường dây……… … 101

Bảng 4.8 Bảng thông số trở kháng đường dây……… ……… 103

Bảng 4.9 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …… 104

Bảng 4.10 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …… 105

Bảng 4.11 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …… 107

Bảng 4.12 Bảng thông số trở kháng đường dây……… … 115

Bảng 4.13 Bảng thông số trở kháng đường dây……… … 117

Bảng 4.14 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …… 118

Bảng 4.15 Bảng tổng hợp kết quả chia công suất kháng bằng bộ điều khiển thích nghi cải tiến đề xuất………120

Bảng 4.16 Bảng tổng hợp kết quả chia công suất kháng của nghiên cứu [81]……….………121

Bảng 4.17 Bảng các thông số cho các bộ điều khiển………123

Bảng 4.18 Bảng thông số trở kháng đường dây……… …… 123 Bảng 4.19 Bảng thông số trở kháng đường dây……… 126 Bảng 5.1 Bảng thống kê sai lệch khi đo lường và lọc cho trở kháng đường dây… 146

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DC Direct Current

DG Distributed generation

PCC Point of common coupling

SOGI-PLL Second-order generalized integrator- phase-locked loop

P Công suất tác dụng

Q Công suất phản kháng

LVAC Low voltage alternating current (mạng điện hạ áp) PID Proportional Integral Derivative

1

Giới thiệu chung

1.1

Nguồn phát điện phân tán (DG-Distributed generation) sẽ ngày càng đóng một vai trò chủ đạo trong sản xuất và cung cấp điện Hiện nay, các DG được chú ý rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp và trở thành một trong các hướng nghiên cứu đang được quan tâm nhất trong lĩnh vực năng lượng [1] Mặc dù nguồn phát điện phân tán sử dụng năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay diesel,…là những nguồn năng lượng có thể sản xuất điện quy mô nhỏ, nhưng tương lai nó có thể được coi như một nguồn thay thế hoặc bổ sung cho nguồn điện truyền thống như nhiệt điện hay thủy điện, giúp giải quyết sự gia tăng của hiện tượng ấm lên toàn cầu gây ra bởi năng lượng hóa thạch Microgrid là lưới điện nhỏ bao gồm nhiều nguồn phát điện phân tán (DG) Nguồn phát điện phân tán DG cho phép tích hợp các dạng năng lượng khác nhau như: mặt trời, gió, diesel,…vào hệ thống điện

Với việc mở rộng lưới điện, hệ thống điện thông thường khó đáp ứng các yêu cầu về

độ tin cậy và các nhu cầu đa dạng của người sử dụng điện Hơn nữa nguồn phát điện phân tán (DG) có lợi thế của việc giảm ô nhiễm, vị trí lắp đặt linh hoạt, và giảm tổn thất truyền tải điện năng Chúng ta có thể điều khiển các DG và độ tin cậy cao hơn so với các máy phát điện thông thường [1], điều này cho phép Microgrid đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của lưới điện [2] - [4] Vì vậy, Microgrid

sẽ dần dần hỗ trợ mạnh mẽ và hiệu quả cho lưới điện chính, và trở thành một trong những xu hướng tương lai của hệ thống điện [5]

Đặc điểm chung của Microgrid

1.2

Công suất ngõ ra của mỗi Microgrid nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện thông thường nhưng hiệu quả cao do thường được lắp đặt gần với tải vì vậy tổn thất trên đường dây truyền tải nhỏ

Microgrids làm việc song song với lưới công cộng, hỗ trợ lưới điện bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ Mặt khác, nó có thể hỗ trợ trong việc ngăn chặn tình trạng quá tải và mất điện của lưới điện Quốc gia

2

Đối với các vấn đề môi trường, Microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm môi trường bởi vì nó

sử dụng nguồn có khí thải thấp hoặc bằng không, đồng thời Microgrids cũng giúp trong việc giảm tiêu thụ năng lượng hóa thạch

Về kinh tế, có chi phí lắp đặt thấp, hệ thống Microgrids cục bộ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng và tổn thất truyền tải Microgrids thường ứng dụng để cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa nơi mà không có lưới điện Quốc gia

Trong vấn đề điều khiển và vận hành, Microgrids đảm bảo cung cấp năng lượng cho các tải quan trọng và đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống cung cấp điện Trong Microgrid, quá trình khôi phục hệ thống điện dễ dàng vì giới hạn số lượng các biến điều khiển

Các vấn đề xây dựng hệ thống Microgrid

1.3

1.3.1 Vấn đề ứng dụng và điều khiển các bộ nghịch lưu trong Microgrid

Microgrid gồm nhiều nguồn DG được giao tiếp với lưới điện thông qua các bộ biến đổi công suất Microgrid được thiết kế sao cho có thể làm việc linh hoạt ở hai chế độ: độc lập và kết nối lưới [1]-[6] Trong chế độ độc lập, Microgrid có hai nhiệm vụ quan trọng là chia công suất theo yêu cầu của phụ tải giữa các bộ nghịch lưu kết nối song song và duy trì sự ổn định điện áp, tần số Trong chế độ kết nối lưới, Microgrid phải được điều khiển hòa đồng bộ đồng thời phát công suất lên lưới nhiều nhất có thể [1].Các DG sử dụng nguồn năng lượng tái tạo mặt trời, gió và nguồn lưu trữ không trực tiếp tạo ra điện áp xoay chiều, vì vậy yêu cầu phải sử dụng các bộ biến đổi công suất dạng nghịch lưu làm giao diện Các bộ nghịch lưu này tạo thành Microgrid trước khi kết nối với lưới điện [1] - [4] Các bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong hệ thống các DG Chức năng của các bộ nghịch lưu nhằm kết nối các hệ thống DC (được tạo ra từ năng lượng gió, mặt trời, hay các nguồn năng lượng khác) vào lưới điện xoay chiều Các DG của Microgrid có thể được phân loại thành grid-forming (hoạt động độc lập) và grid-following (hoạt động kết lưới) DG Trong chế độ nối lưới, các DG được điều khiển như grid-following Trong chế độ độc lập, các DG được điều khiển như grid-forming, chịu trách nhiệm cho việc chia công suất theo tỉ lệ công suất định mức [6]

3

1.3.2 Điều khiển chia công suất các bộ nghịch lưu kết nối song song

Việc kết nối song song các bộ nghịch lưu chung thanh cái AC là vấn đề khó khăn và phức tạp hơn nhiều so với việc kết nối song song các nguồn DC, vì mỗi bộ nghịch lưu phải đảm bảo chia đúng công suất đồng thời đảm bảo đồng bộ trong hệ thống Vấn đề đặt ra trong việc kết nối song song các bộ nghịch lưu là làm thế nào để chia đúng công suất và đảm bảo chúng được kết nối hay ngắt một cách linh hoạt không ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống

Trong hệ thống Microgrid, các bộ nghịch lưu được kết nối song song để nâng cao hiệu suất, tăng công suất truyền tải, dễ dàng sửa chữa, bảo trì, hoặc thay đổi cấu trúc Microgrid Các bộ nghịch lưu hoạt động song song sẽ tạo thành hệ thống dự phòng, nâng cao độ tin cậy của hệ thống, giảm khả năng quá tải của từng bộ nghịch lưu đồng thời tạo tính linh hoạt [4] Tuy nhiên trong chế độ độc lập các bộ nghịch lưu phải được điều khiển chia công suất theo tỉ lệ công suất định mức của chúng, vì nếu dòng điện cung cấp cho tải không được chia theo tỉ lệ công suất định mức của các bộ nghịch lưu sẽ dẫn đến quá tải, hoặc xuất hiện dòng phản kháng chạy quẩn trong các

bộ nghịch lưu, dẫn đến làm nóng và thậm chí hư hỏng bộ nghịch lưu [7]-[9]

Do đó, vấn đề chia công suất cho các bộ nghịch lưu kết nối song song trong Microgrid độc lập đã nhận được sự chú ý đáng kể trong các công trình nghiên cứu, nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã được phát triển để giải quyết vấn đề này Tuy nhiên, nhiều vấn đề vẫn chưa được giải quyết triệt để trong các nghiên cứu trước đây, đặc biệt khi thông số đường dây nối từ các bộ nghịch lưu đến thanh cái AC khác nhau

sẽ làm khả năng chia công suất không còn chính xác

Phân tích tình hình nghiên cứu

1.4

Sự phát triển nhanh chóng của các bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã làm tăng các kỹ thuật điều khiển hoạt động song song các bộ nghịch lưu nhằm nâng cao tính ổn định của Microgrid Phương pháp điều khiển được chia làm hai dạng: sử dụng truyền thông hoặc không sử dụng truyền thông [1]

4

1.4.1 Chiến lược điều khiển sử dụng truyền thông

Đối với Microgrid, hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phương pháp chia công suất cho các bộ nghịch lưu kết nối song song trong Microgrid Phương pháp chia công suất tác dụng được sử dụng cho các bộ nghịch lưu kết nối song song dựa trên bus truyền thông Bộ điều khiển Microgrid lần lượt cung cấp tín hiệu cụ thể cho từng bộ nghịch lưu Theo phương pháp này có thể chia thành các dạng sau:

Kỹ thuật chia công suất dựa vào điều khiển trung tâm: có sử dụng giao tiếp giữa bộ

điều khiển trung tâm và mỗi bộ nghịch lưu, thực hiện chia công suất bằng cách sử dụng bộ điều khiển trung tâm để đo lường tổng công suất tải và chia cho từng bộ nghịch lưu [10]-[12] Phương pháp này có thể điều khiển chia chính xác công suất thực và công suất kháng, nhưng nó cần mạng truyền thông có độ rộng băng thông cao nên độ tin cậy thấp

Kỹ thuật chia công suất theo kiểu Master/slave: trong cấu hình điều khiển

master/slave, bộ nghịch lưu master điều khiển giữ cố định điện áp làm thông tin tham chiếu cho các bộ nghịch lưu slave Với việc sử dụng bộ nghịch lưu master như một máy phát đồng bộ góp phần ổn định lưới điện Dòng điện trên các bộ nghịch lưu slave được điều khiển bằng nhau và bằng đúng dòng điện trên bộ master, từ đó công suất tải được chia đều cho tất cả các nguồn trong hệ thống Khi có một bộ nghịch lưu slave bị hỏng hoặc rã lưới, dòng điện sẽ được chia lại và vẫn bảo đảm cân bằng cho tất cả các

bộ nghịch lưu, nên về mặt điều khiển thì phương pháp này tốt hơn so với việc sử dụng

bộ điều khiển trung tâm Tuy nhiên, với việc điều khiển giữ cố định điện áp, công suất trên bộ nghịch lưu master không được điều khiển do dòng điện không được điều khiển [13]-[16] Hơn nữa, trong trường hợp có sự thay đổi đột ngột về tải hoặc trạng thái của lưới, các bộ nghịch lưu slave không thể thay đổi tức thời với sự biến đổi đó do cần phải cập nhật thông tin từ bộ master Khi đó, bộ nghịch lưu master sẽ chịu sự quá độ

về dòng và công suất lớn trong khoảng thời gian chuyển đổi cho đến khi hệ thống ổn định trở lại ở trạng thái mới nên dễ gây sự cố trong trường hợp hỏng bộ nghịch lưu master Nếu bộ master sự cố thì không được điều khiển chia công suất nên độ tin cậy thấp

 Nhận xét:

5

Các kỹ thuật điều khiển này đạt được kết quả chia công suất tốt, nhưng bắt buộc phải

có giao tiếp trao đổi tín hiệu giữa các bộ nghịch lưu thông qua hệ thống truyền thông Phương pháp chia công suất tác dụng này làm giảm độ tin cậy của hệ thống và khả năng mở rộng Microgrid, chúng có một số nhược điểm dưới đây:

1 Cơ sở hạ tầng truyền thông cần một băng thông cao để có thể chia sẻ thông tin động giữa các bộ nghịch lưu Điều này rất tốn kém và do khoảng cách kết nối giữa các bộ nghịch lưu là đáng kể ở trong khu vực, làm cho giải pháp không thực tế

2 Nếu có sự cố từ bộ điều khiển trung tâm hoặc bộ master thì sẽ làm hệ thống hoạt động không đúng

1.4.2 Chiến lược điều khiển không sử dụng truyền thông

1.4.2.1 Phương pháp điều khiển Droop truyền thống

Trong hệ thống điện, các nhà nghiên cứu đã dùng phương pháp Droop để chia công suất giữa các nhà máy phát điện Xét một nhà máy, nếu công suất tải tăng lên sẽ làm giảm tần số và giảm góc pha điện áp của nhà máy đó so với các nhà máy còn lại, dẫn đến công suất phát của nhà máy đó sẽ giảm xuống, vì thế phải có hệ thống tự điều chỉnh Mỗi nhà máy có một hệ số Droop kết hợp với công suất ngõ ra, như vậy các nhà máy khác sẽ cùng giảm tần số Cuối cùng tất cả các nhà máy sẽ có cùng tần số và cùng phát công suất theo tỉ lệ định mức như nhau Kỹ thuật Droop đã được ứng dụng

để điều khiển chia công suất các bộ nghịch lưu kết nối song song trong Microgrid Kỹ thuật Droop không cần sử dụng hệ thống giám sát hay bộ điều khiển trung tâm, linh hoạt và đáp ứng dễ dàng khi mở rộng Microgrid, đã được trình bày trong các nghiên cứu [17]-[27] Theo phương pháp Droop, điều chỉnh tần số và điện áp ngõ ra tương ứng với điều chỉnh công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) phân phối bởi các bộ nghịch lưu Ngoài ra, phương pháp điều khiển này có thể đáp ứng dễ dàng khi

mở rộng Microgrid vì những tính năng plug-and-play của các mô đun, cho phép thay thế một bộ nghịch lưu mà không dừng lại toàn bộ hệ thống Phương pháp này không hoàn hảo, đặc biệt khi có sai số phép đo điện áp, các lỗi trong quá trình đo điện áp dẫn đến các tín hiệu phản hồi sẽ gây mất ổn định cho hoạt động chia công suất trong hệ

có điện kháng giống nhau

2 Thông số trở kháng đường dây: phương pháp Droop truyền thống thì giả định trở kháng tương đương nối từ các bộ nghịch lưu đến thanh cái AC chung là mang tính cảm (X rất lớn hơn R) Tuy nhiên, giả thiết này không còn đúng khi áp dụng cho Microgrid nếu đường dây có trở kháng tương đương mang tính trở (R rất lớn hơn X) Hơn nữa, nếu trở kháng đường dây

là hỗn hợp của điện trở và điện cảm (đường dây có cả R và X) khi đó công suất tác dụng và phản kháng sẽ được gắn chặt với nhau, trong đó tỷ lệ các trở kháng đường dây X/R có thể gần bằng 1

3 Sự sai lệch về điện áp: trái ngược với tần số, điện áp không phải là một biến chung trong một Microgrid mà điện áp của từng bộ nghịch lưu có thể bị sai lệch do ảnh hưởng của trở kháng đường dây nối từ bộ nghịch lưu đó đến thanh cái AC chung Như vậy, việc điều khiển chia công suất phản kháng giữa các bộ nghịch lưu kết nối song song là khó khăn và có thể dẫn đến xuất hiện dòng phản kháng chạy quẩn trong các bộ nghịch lưu [28]-[33] Nếu đường dây có điện trở cao thì công suất tác dụng được điều khiển bởi điện áp và công suất phản kháng được điều khiển bởi tần số, nên việc điều khiển chia công suất tác dụng giữa các bộ nghịch lưu kết nối song song là khó khăn và có thể dẫn đến xuất hiện dòng tác dụng chạy quẩn trong các bộ nghịch lưu

4 Ảnh hưởng bởi tải phi tuyến: trong trường hợp tải phi tuyến, phương pháp Droop truyền thống chỉ dựa trên các giá trị hài cơ bản mà không xem xét các sóng hài dòng điện hoặc điện áp, do chỉ sử dụng phép đo P và Q trung

7

bình trong một chu kỳ dòng, nếu không được xử lý đúng cách sẽ dẫn đến dòng hài lưu thông và chất lượng điện kém Do đó phương pháp Droop truyền thống phải được cải tiến để chia công suất trong trường hợp tải phi tuyến [34] [35]

 Nhận xét về kỹ thuật chia công suất bằng phương pháp Droop truyền thống:

bộ nghịch lưu đến điểm kết nối chung không bằng nhau thì bộ điều khiển Droop truyền thống không thể chia công suất đúng theo tỉ lệ định mức của chúng Ngoài ra phương pháp Droop truyền thống còn bị ảnh hưởng bởi các tải cục bộ mắc ở ngõ ra của các bộ nghịch lưu

1.4.2.2 Phương pháp điều khiển Droop cải tiến

Khi tất cả các bộ nghịch lưu hoạt động ở cùng tần số trong trạng thái ổn định thì việc chia công suất tác dụng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi trở kháng đường dây, nhưng việc chia công suất phản kháng bị ảnh hưởng rất nhiều trong trường hợp các trở kháng đường dây không bằng nhau [17]-[35] Do đó, có nhiều phương pháp Droop cải tiến

đã được đưa ra để giải quyết vấn đề này Cụ thể, có các phương pháp: phương pháp hệ trục tọa độ ảo, phương pháp trở kháng ảo, phương pháp bù trừ sụt áp, phương pháp Droop kết hợp với bơm tín hiệu, phương pháp điều khiển thích nghi

 Phương pháp hệ trục tọa độ ảo:

Trong trường hợp tổng quát (đường dây có cả X và R) đã có các công trình nghiên cứu về Droop tổng quát, các nghiên cứu này sử dụng phương pháp chuyển đổi hệ trục

tọa độ ảo - Virtual frame transformation method để chuyển về một trong hai dạng:

Droop P’/f và Q’/V hoặc Droop P’/V và Q’/f [38]-[47] Phương pháp Droop tổng quát

8

này có ưu điểm là thực hiện đơn giản, không cần giao tiếp, linh hoạt và đáp ứng dễ dàng khi mở rộng Microgrid, điều chỉnh điện áp và tần số thông qua điều chỉnh cả công suất tác dụng và công suất phản kháng, nên nó thực tế hơn và cho đáp ứng động học tốt hơn phương pháp Droop truyền thống Nhược điểm chính của nó là bị ảnh hưởng bởi các thông số đường dây, và thông số cần biết đầu tiên để điều khiển là thông số đường dây

 Phương pháp trở kháng ảo:

Một số tác giả đã đề xuất điều khiển Droop kết hợp với trở kháng ảo để cải tiến

trong việc chia công suất tác dụng và công suất phản kháng, phương pháp trở kháng

ảo cho phép điều chỉnh điện áp ngõ ra tham chiếu của bộ nghịch lưu dựa vào hồi tiếp dòng ngõ ra nhân với trở kháng ảo [48]-[56] Phương pháp này có thể giảm sai lệch trong việc chia công suất bởi vì phương pháp này làm giảm sai lệch của trở kháng ngõ

ra Tuy nhiên, sự xuất hiện của các trở kháng ảo có thể dẫn đến sự sụt giảm chất lượng điện áp hệ thống, vì vậy không đảm bảo cho việc điều chỉnh điện áp Hơn nữa, cần phải biết thông số trở kháng đường dây để chọn trở kháng ảo [47] [56]

 Phương pháp Droop kết hợp với bơm tín hiệu:

Trong trong [57] - [60] trình bày sơ đồ điều khiển lai kết hợp Droop và bơm tín hiệu Phương pháp bơm tín hiệu không nhạy cảm với sự thay đổi của trở kháng đường

dây, phương pháp này cũng thích hợp cho các tải tuyến tính và phi tuyến Tuy nhiên, vẫn phải sử dụng truyền thông Hơn nữa, việc bơm vào tín hiệu sẽ gây những tác động không mong muốn như làm méo dạng điện áp tải [61] [62]

 Điều khiển thích nghi các bộ nghịch lưu kết nối song song:

Microgrid độc lập gặp rất nhiều thách thức như việc duy trì cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng Bộ điều khiển chia công suất thích nghi của các công trình nghiên cứu giúp cho hệ thống nhanh chóng tìm được trạng thái xác lập mới trong trường hợp tải thay đổi, nhằm ổn định hệ thống Gần đây, một số nhà nghiên cứu đã

đề xuất phương pháp điều khiển chia công suất thích nghi dựa trên ý tưởng bù điện

áp, do ảnh hưởng của sự sai lệch về trở kháng đường dây dẫn đến sự sai lệch điện áp ngõ ra của các bộ nghịch lưu Trong [63], đề xuất một sơ đồ điều khiển Droop thích

Nhóm nghiên cứu trong [81] đã đề xuất chiến lược sử dụng điều khiển Droop điện áp thích nghi để nâng cao độ chính xác trong việc chia công suất phản kháng Cụ thể của phương pháp này là điều chỉnh độ dốc của phương trình Droop điện áp theo công suất kháng (Droop Q/V) để bù đắp cho độ sụt áp trên đường dây (do ảnh hưởng của sai

10

lệch trở kháng đường dây) bằng cách sử dụng các liên kết truyền thông qua hệ thống quản lý năng lượng (energy management system-EMS) Bus truyền thông để tạo thuận lợi cho việc hiệu chỉnh độ dốc điện áp Droop Độ dốc của phương trình Droop điện áp được hiệu chỉnh thông qua hiệu chỉnh giá trị công suất phản kháng ở ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu Kết quả chia công suất của nghiên cứu [81] đã cho tính chính xác cao, chia công suất chính xác trong trường hợp bình thường và trong trường hợp bus truyền thông bị sự cố thì kết quả có sai lệch lớn nhất là 5,4%, vẫn tốt hơn rất nhiều so với bộ điều khiển Droop truyền thống là 70,3% Tuy nhiên, nghiên cứu [81] còn có những vấn đề chưa xem xét đến:

 Chưa xem xét ảnh hưởng của tải cục bộ trong Microgrid đến bộ điều khiển Droop đề xuất

 Loại bỏ sai lệch về sụt áp trên đường dây bằng việc hiệu chỉnh độ dốc điện áp Droop thì không đảm bảo chất lượng điện áp cho Microgrid Vì theo nguyên lý Droop thì hệ số Droop điện áp phải được tính dựa vào độ lệch điện áp cho phép của Microgrid [17]-[37]

Nhóm nghiên cứu trong [82] đã đề xuất chiến lược chia công suất phản kháng chính xác dựa trên phương pháp Droop truyền thống và điều chỉnh công suất ngõ ra bộ nghịch lưu thông qua bộ điều khiển trung tâm (Microgrid control center-MGCC) Việc thực hiện gồm 2 giai đoạn: sử dụng điều khiển Droop truyền thống để thực hiện chia công suất và thực hiện điều chỉnh công suất ở ngõ ra của các bộ nghịch lưu Các

bộ nghịch lưu đưa thông tin về công suất ngõ ra của mình cho MGCC và nhận giá trị công suất phản kháng tham chiếu từ MGCC Dòng điện và điện áp của bộ nghịch lưu

sẽ được điều chỉnh theo công suất tham chiếu Kết của của [82] đã chia công suất chính xác trong trường hợp bình thường Tuy nhiên nghiên cứu [82] còn có những vấn

đề chưa phân tích đến:

Từ phân tích trên, có thể thấy rằng mỗi kỹ thuật điều khiển được đề xuất có ưu điểm

và nhược điểm riêng Các phương pháp dựa trên truyền thông có thể cung cấp chia công suất tốt, đáp ứng tức thời nhanh Tuy nhiên, nó đòi hỏi mạng truyền thông với độ rộng băng thông cao Hơn nữa, nó không dễ dàng mở rộng do nhu cầu đo dòng tải và

số lượng bộ nghịch lưu lớn trong hệ thống, bus truyền thông làm giảm độ tin cậy của

hệ thống Trong khi đó, bộ điều khiển Droop có thể đặt ở gần phía bộ nghịch lưu, không phụ thuộc chất lượng truyền thông Nó có nhiều tính năng như khả năng mở rộng Microgrid, tính mô đun, tính linh hoạt [17]-[37] Tuy nhiên, điều khiển Droop có một số hạn chế trong đó có độ lệch tần số và độ lệch biên độ điện áp, khả năng đáp ứng tức thời chậm, khả năng tổn tại dòng điện chạy trong các bộ nghịch lưu do sự khác biệt của trở kháng đường dây nối từ các bộ nghịch lưu đến thanh cái AC chung Chưa có nhiều công trình nghiên cứu theo hướng điều khiển thích nghi, hầu hết các phương pháp điều khiển thích nghi nhằm giúp hệ thống ổn định hơn trong điều kiện tải thay đổi nhiều, nhưng việc điều chỉnh tốc độ đáp ứng cho bộ điều khiển chia công suất của từng bộ nghịch lưu có thể làm ảnh hưởng đến luật điều chỉnh điện áp và tần

số của Microgrid Mặt khác, phương pháp này yêu cầu thông tin về điện áp tại tải, mà muốn tính toán chính xác giá trị điện áp tại tải để cung cấp cho bộ điều khiển thì phải biết trước thông số trở kháng đường dây Vậy trở kháng đường dây là một thông số quan trọng để cải tiến phương pháp Droop, và rất cần thiết để phân tích tính ổn định

12

cho Microgrid Hiện nay, tất cả các nghiên cứu trong và ngoài nước đã nêu ở trên về việc chia công suất cho các bộ nghịch lưu kết nối song song bằng phương pháp Droop truyền thống và Droop cải tiến đều gặp những khó khăn sau đây:

1 Ảnh hưởng của thông số đường dây đến hiệu quả chia công suất giữa các bộ nghịch lưu kết nối song song

2 Thông số trở kháng đường dây trong các nghiên cứu này đều được giả thiết hoặc là mang tính cảm (X rất lớn hơn R) hoặc là mang tính trở (R rất lớn hơn X), nhưng trong thực tế thì thông số đường dây bao gồm cả điện trở R và điện kháng X, nên kết quả chia công suất đạt được không mang tính thực tế

3 Theo lý thuyết của các nghiên cứu ở trên thì phương pháp Droop truyền thống hay Droop cải tiến đều cần phải biết trước thông số đường dây, mà trở kháng đường dây lại thay đổi theo nhiệt độ, tần số hoặc khi tái thiết kế lại Microgrid Hơn nữa, cấp điện áp sử dụng trong Microgrid là cấp trung thế và cấp hạ thế, công suất truyền tải trong hệ thống nhỏ, nên một sự thay đổi dù rất nhỏ của trở kháng đường dây cũng ảnh hưởng rất lớn đến công suất phát của bộ nghịch lưu Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu ở trên thì cho trở kháng đường dây là một giá trị cố định và được xác định khi thiết kế đường dây để bắt đầu xây dựng Microgrid

4 Liên kết truyền thông cũng được sử dụng trong một số nghiên cứu cải tiến Droop nhằm tăng cường sự chính xác trong chia công suất nhưng việc thực hiện kỹ thuật này nhạy cảm với sự chậm trễ trong giao tiếp, sự chậm trễ trong giao tiếp có thể làm giảm sự chính xác trong việc chia công suất

5 Độ tin cậy của các nghiên cứu này cũng bị ảnh hưởng trong trường hợp bus truyền thông bị gián đoạn

6 Hiệu suất cải thiện độ chính xác trong việc chia công suất là không đáng kể nếu các tải cục bộ được kết nối tại ngõ ra của từng đơn vị nguồn phát DG

7 Các phương pháp chia công suất cải tiến có thể làm giảm chất lượng điện áp cung cấp cho tải (phương pháp trở kháng ảo, phương pháp Droop kết hợp với bơm tín hiệu)

nghịch lưu kết nối song song trong Microgrid, trong điều kiện:

1 Có sự khác biệt đáng kể về thông số đường dây nối từ các bộ nghịch lưu đến điểm kết nối chung (PCC)

2 Có sự thay đổi của điện trở điện kháng của đường dây theo nhiệt độ, tần số hoặc khi tái thiết kế lại Microgrid

3 Có sự tồn tại của các tải cục bộ kết nối tại ngõ ra của từng bộ nghịch lưu

4 Sự gián đoạn hoặc delay trong hệ thống truyền thông

Kết quả và đóng góp khoa học của luận án

1.6

1.6.1 Kết quả

Một số kết quả chính của luận án được đăng trên các tạp chí, kỷ yếu

1.6.2 Đóng góp khoa học của luận án

Luận án đã trình bày được một số cải tiến mới trong vấn đề chia công suất giữa các bộ nghịch lưu kết nối song song trong Microgrid độc lập như sau:

1 Nghiên cứu phát triển sơ đồ điều khiển chia công suất cải tiến cho phép chia công suất đúng theo tỉ lệ công suất định mức của các bộ nghịch lưu áp ba pha kết nối song song trong Microgrid độc lập khi có sự khác biệt đáng kể về thông số đường dây nối từ các bộ nghịch lưu đến điểm kết nối chung, và các tải cục bộ nối tại ngõ ra của các bộ nghịch lưu Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cũng đã chứng minh cho sự phù hợp của bộ điều khiển này Có

ưu điểm về độ chính xác trong việc chia công suất, chất lượng điện áp và tốc

độ đáp ứng của bộ điều khiển đề xuất so với bộ điều khiển truyền thống hay các bộ điều khiển cải tiến của các nhóm nghiên cứu trước đây cũng đã được

so sánh

14

2 Trình bày được phương pháp đo lường và lọc Kalman cho trở kháng đường dây theo thời gian thực Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cũng đã cho thấy phương pháp đo lường trở kháng đường dây cho kết quả tốt biên độ dao động nhỏ bộ lọc Kalman lọc nhiễu tốt Kết quả của phương pháp này cũng đã được so sánh với kết quả của các nhóm nghiên cứu gần đây

3 Trình bày và chứng minh được khả năng đáp ứng của bộ điều khiển đề xuất khi có ảnh hưởng của tải cục bộ mà các nhóm nghiên cứu trước đây chưa đề cập đến vấn đề này

4 Đưa ra giải pháp nâng cao độ chính xác trong việc chia công suất và độ tin cậy cho bộ điều khiển đề xuất khi truyền thông bị chậm trễ hay gián đoạn Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều khiển này luôn đáp ứng tốt mục đích đặt ra mà không bị hạn chế trong bất cứ tình trạng biến đổi nào của thông số đường dây, thông số tải và chất lượng truyền thông Đây cũng là vấn đề mà các nhóm nghiên cứu trước đây chưa đề cập đến

5 Thiết kế được bộ điều khiển Droop trở kháng ảo Ưu điểm của bộ điều khiển này là không cần sử dụng bus truyền thông mà vẫn đảm bảo chia công suất tốt và khắc phục được tình trạng gây ra sụt áp đáng kể như kết quả nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trước đây về phương pháp trở kháng ảo

Cấu trúc của luận án

1.7

Ngoài các phần mục lục, danh mục các tài liệu tham khảo, các công trình khoa học, các hình vẽ, bảng biểu, phụ lục, luận án gồm 150 trang được bố cục trong 6 chương:

Chương 1 Tính cấp thiết và mục đích của luận án

Chương 2 Cơ sở lý thuyết về điều khiển các bộ nghịch lưu kết nối song song trong Microgrid

Chương 3 Phương pháp điều khiển chia công suất thích nghi đề xuất

Chương 4 Mô hình mô phỏng và kết quả mô phỏng

Chương 5 Mô hình thực nghiệm và kết quả thực nghiệm

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển

15

NGHỊCH LƯU KẾT NỐI SONG SONG TRONG MICROGRID

Cấu hình chung của Microgrid

2.1

Cấu hình của Microgrid bao gồm các thành phần chính: các nguồn phát điện nhỏ (mặt trời, gió, diesel…), tải, thiết bị lưu trữ Các thành phần này được kết nối với nhau tạo thành một Microgrid Sự kết hợp của các nguồn điện nhỏ và các tải khác nhau được

hỗ trợ bởi các bộ biến đổi công suất

Theo các nghiên cứu về cấu hình Microgrid, hiện nay cấu hình Microgrid có thể được phân thành hai kiểu chính: cấu hình theo kiểu AC và cấu hình theo kiểu DC

2.1.1 Cấu hình của Microgrid theo kiểu AC

PCC

Wind turbine AC/DC/AC

Fuel cells DC/DC DC/AC

LVAC network

Hình 2.1 Cấu hình của Microgrid AC [1]

Các nguồn sản xuất điện AC bao gồm các tua bin gió, nhà máy thủy điện nhỏ, khí sinh học, thủy triều và tuabin sóng Chúng thường được kết nối trực tiếp hoặc sử dụng

bộ chuyển đổi điện AC/DC/AC để đảm bảo sự ổn định với các mạng lưới điện áp thấp (LVAC) Trong trường hợp đó, mạng LVAC có thể nối với các hệ thống lớn (lưới điện) thông qua một biến áp công suất Ngoài ra, tải AC được kết nối trực tiếp, trong khi tải DC cần bộ chuyển đổi điện AC/DC để có kết nối với các mạng LVAC Đối với các nguồn sản xuất điện DC ngõ ra như pin quang điện, tế bào nhiên liệu và các thiết

bị lưu trữ năng lượng có thể được kết nối với bus AC của các mạng LVAC bằng việc thông qua bộ chuyển đổi DC/DC và DC/AC Hình 2.1 chỉ ra cấu hình tiêu biểu của các nguồn phát phân tán với điện AC ngõ ra (ví dụ như các tuabin gió) và điện DC ngõ ra (ví dụ như hệ thống pin quang điện và các tế bào nhiên liệu) kết nối với mạng LVAC

16

Cấu hình của Microgrid AC với các nguồn năng lượng phân tán và các tải đặt tại bus

AC chung theo [2] được hiển thị ở hình 2.2 Các nguồn phát điện phân tán và các tải

có thể tạo thành một hệ thống điện AC nhỏ độc lập tức là một Microgrid AC độc lập Microgrid có thể hoạt động ở cả hai chế độ: nối lưới và độc lập Trong điều kiện hoạt động bình thường, Microgrid và lưới điện công cộng được liên kết với nhau thông qua điểm kết nối chung, tải thì được cung cấp từ các nguồn địa phương (các nguồn năng lượng phân tán) Nếu nhu cầu của phụ tải ít hơn so với lượng điện sản xuất của các nguồn phát phân tán thì điện dư thừa có thể cung cấp cho lưới điện công cộng, nếu nhu cầu của phụ tải lớn hơn so với lượng điện sản xuất của các nguồn phát phân tán thì lưới điện công cộng sẽ hỗ trợ

PCC

Hydro- turbine

AC loads

DC/AC

Utility system

Wind turbine

PV arrays

AC loads

AC loads AC/DC

DC loads

Hình 2.2 Cấu hình của Micorgrid AC với các nguồn năng lượng phân tán và các tải

đặt tại bus AC chung [2]

 Nhận xét về cấu hình của Microgrid AC:

Các nguồn phát điện nhỏ kết nối nhau trên bus AC, với cách kết nối ở bus AC thì mỗi nguồn phát cần một bộ nghịch lưu, cấu hình Microgrid theo kiểu này làm tăng chi phí đầu tư

2.1.2 Cấu hình của Microgrid theo kiểu DC

Tất cả các nguồn sản xuất điện DC như pin mặt trời, hệ thống pin nhiên liệu thì chỉ cần thông qua bộ chuyển đổi DC/DC Còn các nguồn sản xuất điện AC như tua bin gió và khí sinh học thì phải thông qua bộ chỉnh lưu AC/DC để có thể kết nối với bus

DC

Solar power Generating station

Fuel cell power Generating station

Micro-turbine power Generating station

Energy store station

DC/AC Inverter

AC Bus

Local Utility

DC loads

Hình 2.4 Cấu hình của Microgrid DC [5]

Wind

DC/AC Inverter

DC Bus

Utility Grid

AC Local loads

Hình 2.5 Cấu hình của Microgrid DC [6]

 Nhận xét về cấu hình của Microgrid DC:

Các nguồn phát điện nhỏ kết nối nhau trên bus DC, kiểu cấu hình này làm giảm số lượng bộ nghịch lưu, hệ thống có thể hoạt động linh hoạt tùy theo cách thức điều khiển Có ắc qui tích trữ năng lượng giúp ổn định điện áp ở ngõ vào của bộ nghịch lưu Do đặc điểm của Microgrid là thường dùng để cung cấp điện cho vùng sâu, vùng

18

xa nơi mà không có lưới điện Quốc Gia, cho nên Microgrid thường bao gồm các tải cục bộ (local loads) đặt tại khu vực gần các nguồn năng lượng (ở ngõ ra của bộ nghịch lưu) và các tải tập trung (public loads) đặt ở trung tâm phụ tải cách xa nguồn năng lượng khoảng vài trăm mét, gần vị trí kết nối với lưới điện Quốc Gia [17]-[124] được thể hiện ở hình 2.6 và 2.7

Các nguồn

DG 1

Trở kháng đường dây 1

Trở kháng đường dây 2 đường dây 3 Trở kháng

Tải cục

bộ 1

Tải chung

DG 2

Năng lượng tích trữ

Bus DC

DG 2

Trở kháng đường dây 2

Bus DC

DG n

Trở kháng đường dây n

Tải cục

bộ 2

Bus AC chung

Tải chung Utility Grid

Breaker

Hình 2.7 Cấu hình của Microgrid kiểu DC theo [35]

Điều khiển phân cấp trong Microgrid AC

2 Đồng bộ Microgrid với lưới điện công cộng

3 Điều khiển luồng công suất giữa Microgrid và lưới điện chính

4 Tối ưu hóa chi phí vận hành Microgrid

Trong một Microgrid, các nguồn phát điện DG hầu như có công suất định mức khác nhau được kết nối với nhau, yêu cầu đặt ra cho việc điều khiển Microgrid là đảm bảo tính ổn định và hiệu quả kinh tế Việc điều khiển phân cấp là cần thiết để giảm thiểu chi phí vận hành trong khi tối đa hóa tính hiệu quả, độ tin cậy và khả năng điều khiển được Những yêu cầu này khác nhau về thời gian và quy mô, do đó đòi hỏi một cấu trúc điều khiển phân cấp để giải quyết từng yêu cầu của hệ thống phân theo các cấp khác nhau Cấu trúc điều khiển được phân làm ba cấp độ: điều khiển cấp thứ 1, cấp thứ 2 và cấp thứ 3 như thể hiện trong hình 2.9

20

2.2.1 Điều khiển cấp thứ 3 (tertiary control)

Cấp điều khiển thứ 3 thực hiện điều khiển dòng công suất giữa Microgrid và lưới điện, tạo điều kiện cho Microgrid hoạt động tối ưu về kinh tế Cấp điều khiển thứ 3 có chức năng điều khiển dòng công suất giữa Microgrid và lưới điện, là cấp điều khiển cuối cùng, xem xét tính kinh tế trong hoạt động tối ưu của Microgrid (hình 2.9), quản

lý các phân bố công suất giữa Microgrid và lưới điện Cấp điều khiển thứ ba chịu trách nhiệm cho việc tối ưu hóa các hoạt động của Microgrid, thiết lập sự tương tác của nó với mạng lưới phân phối bằng cách điều khiển các giá trị tham chiếu về công suất tác dụng và phản kháng đối với mỗi bộ nghịch lưu Việc tối ưu hóa này thường được dựa trên các tiêu chí kinh tế, trong đó xem xét các mối quan hệ giữa nhu cầu và cân đối cung cấp năng lượng, cùng với các chi phí biên phát điện của mỗi bộ nghịch lưu Việc đo lường trong những thay đổi tải ngắn hạn, dự báo phát điện, và khả năng lưu trữ năng lượng,…được đưa vào tính toán trong phân tích hoạt động Microgrid Cấp điều khiển thứ ba cũng chịu trách nhiệm quản lý sự quá tải sẽ xảy ra, và hỗ trợ cho điều khiển cấp thứ hai nếu cần thiết Sơ đồ khối của quá trình này được thể hiện trong hình 2.10

LPF

Đồng bộ

Cấp điều khiển thứ 2

Kết lưới

Cấp điều khiển thứ 3

+

+

-Kết lưới Độc lập

PI p

PI Q

PI

Hình 2.10 Sơ đồ khối cấp điều khiển 2 và 3 [24]

2.2.2 Điều khiển cấp thứ 2 (secondary control)

Cấp điều khiển thứ 2 thực hiện điều khiển bù cho sự sai lệch điện áp và tần số gây ra bởi hoạt động của cấp điều khiển thứ 1 Cấp điều khiển này bao gồm vòng điều khiển đồng bộ hóa, dễ dàng kết nối hoặc ngắt kết nối Microgrid với lưới phân phối (hình 2.11) Điều khiển cấp thứ hai hoạt động như một bộ điều khiển phát điện tự động tập