Điều khiển song song các bộ nghịch lưu trong hệ thống phát điện kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Các nghiên cứu đã thực hiện Khi số lượng nguồn năng lượng tái tạo và các máy phát phân phối ngày càng tăng thì yêu cầu có các chiến lược điều khiển mới cho việc hoạt động và quản lý của

ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

TRONG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ tên học viên: LÊ TẤN ĐẠI MSHV: 13180507

Ngày, tháng, năm sinh: 09/6/1990 Nơi sinh: TP HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60520202

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN SONG SONG CÁC BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan về Microgrid

2 Điều khiển song song các bộ nghịch lưu trong lưới Microgrid

3 Giải thuật SOGI

4 Mô phỏng và kết quả mô phỏng

5 Thực nghiệm

II Ngày giao nhiệm vụ: 07/07/2014

III Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/06/2015

IV Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

……… …………

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gởi đến thầy PGS.TS Lê Minh Phương và thầy ThS Nguyễn Minh Huy lời biết ơn sâu sắc vì đã dành thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như cho tôi những lời khuyên bổ ích để hoàn thành luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy Cô Bộ Môn Cung Cấp Điện, Phòng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất và nhóm nghiên cứu của thầy PGS

TS Lê Minh Phương đã giúp đỡ và hổ trợ để tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu Ngoài ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Bách Khoa – ĐHQG

Tp HCM, tôi đã được các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, bên cạnh đó tôi cũng được các bạn bè cùng khóa, cùng lớp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị Xin gởi đến các Thầy Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất

Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến ban giám đốc công ty Công Ty Cổ Phần Kỹ Thuật & Thương Mại H.T.G đã tạo điều kiện cho tôi có thời gian học tập

và nghiên cứu trong quá trình đi làm ở quý công ty

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Cha Mẹ đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 06 năm 2015

LÊ TẤN ĐẠI

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Các máy phát phân tán (Distributed generation - DG) ngày càng được phổ biến do tính năng thân thiện môi trường, sụ phát triển các đơn vị phát điện mới, và khả năng hoạt động trong một khu vực xa xôi Bằng cách tập hợp các DG song song, hệ thống lưu trữ và tải, một Microgrid có thể cung cấp một hệ thống công suất với độ tin cậy, tính linh hoạt, chi phí hiệu quả và tính năng tiết kiệm năng lượng tăng Các nguồn năng lượng phổ biến như pin quang điện, turbine gió, và pin nhiên liệu yêu cầu các giao diện điện tử công suất như là cầu nối để kết nối với hệ thống lưới chính cho việc truyền tải

Luận văn này sẽ bao gồm việc thiết kế và thực hiện mô phỏng một Microgrid trong đó có hai bộ nghịch lưu kết nối song song kết nối tải, hoạt động ở chế độ độc lập với nguồn vào của các bộ nghịch lưu là pin quang điện, turbine gió và acquy Ngoài ra, một mô hình thực nghiệm với hai bộ nghịch lưu kết nối song song kết nối với tải trong chế độ độc lập cũng được thực hiện

Nhiệm vụ chính trong luận văn này: đảm bảo việc chia công suất PQ đều khi các bộ nghịch lưu kết nối song song với nhau, đồng thời chất lượng điện áp đầu ra tại tải được cải thiện khi các bộ nghịch lưu kết nối với nhau

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống thiết kế có thể hoạt động

ổn định ở trong chế độ hoạt động độc lập của Microgrid Với mô hình đề xuất, công suất PQ tại tải được chia đều và đồng thời cải thiện chất lượng điện áp tại tải khi các biến tần kết nối song song

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mô hình mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài Mô hình mô phỏng được xây dựng sử dụng Sim Power system, các hàm truyền

Mô hình thực nghiệm được xây dựng dựa trên vi xử lý DSP F28335 được thử nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử Công suất

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tôi tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đều do chính bản thân tôi tự làm ra, hoàn toàn không phải sao chép của từ bất kỳ một tài liệu hoặc công trình nghiên cứu nào khác

Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường cũng như pháp luật Nhà nước

LÊ TẤN ĐẠI

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ 1

CHƯƠNG 1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 7

1.1 Tổng quan 7

1.1.1 Giới thiệu 7

1.1.2 Tiềm năng năng lượng tái tạo ở Việt Nam 8

1.2 Các nghiên cứu đã thực hiện 9

1.3 Phạm vi đề tài 11

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC CHUNG CỦA MICROGRID 13

2.1 Giới thiệu 13

2.2 Tổng quan về Microgrid với các nguồn phát phân tán 15

2.3 Tính khả thi của hệ thống Microgrid AC và Microgrid DC 17

2.3.1 Hệ thống Microgrid AC 18

2.3.2 Hệ thống Microgrid DC 19

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID AC (AC MICROGRID) 21

3.1 Giới thiệu 21

3.2 Điều khiển cấp thứ 1: 22

3.2.1 Chia tải tích cực: 25

3.2.2 Các kỹ thuật điều khiển droop control đặc trưng 26

3.3 Điều khiển cấp thứ 2: 35

3.4 Điều khiển cấp thứ 3: 38

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MICROGRID AC VÀ PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT SOGI 40

4.1 Phương pháp điều khiển droop control 40

4.2 Phát triển mô hình trở kháng ảo có dạng thuật toán SOGI cho bộ nghịch lưu ba pha 43

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 51

5.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển phía DC của Microgird AC cấp nguồn cho tải 51

5.1.1 Tổng quan 51

5.1.2 Chiến lược điều khiển hệ thống điều khiển phía DC của Microgird AC cấp nguồn cho tải 52

5.1.3 Mô phỏng hệ thống năng lượng lai 53

5.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển phía AC của Microgird AC cấp nguồn cho tải 61

5.3 Kết quả mô phỏng 69

CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 87

6.1 Thiết kế bộ lọc DC/DC: 88

6.2 Thiết kế mạch nguồn phụ: 89

6.3 Thiết kế mạch cảm biến dòng điện, điện áp: 94

6.3.1 Mạch khuếch đại và offset 94

6.3.2 Mạch cảm biến 95

6.4 Thiết kế bộ nghịch lưu 3 phase: 99

6.5 Thiết kế mạch điều khiển: 101

6.6 Kết quả thực nghiệm 107

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 111

7.1 Nhận xét và tổng kết 111

7.2 Hướng phát triển tương lai: 111

CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ: 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 116

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các hình các dạng của Microgrid 8

Hình 1.2 Mô hình nghiên cứu trong luận văn 12

Hình 2.1 Cấu trúc lưới AC với các nguồn năng lượng phân tán và các loại tải cố định 19

Hình 2.2 Khái niệm của một hệ thống Microgrid DC với các nguồn phân tán và các loại tải cố định 20

Hình 3.1 Các cấp điều khiển theo phân cấp của một Microgrid 22

Hình 3.2 Chế độ điều khiển PQ với công suất tác dụng và công suất phản kháng 23

Hình 3.3 Xác định điện áp tham khảo của chế độ điều khiển áp 24

Hình 3.4 Các vòng lặp vòng và áp trong chế độ điều khiển áp 24

Hình 3.5 Các vòng lặp điều khiển cấp 0 cho một kết nối các nguồn năng lượng với một bus AC 25

Hình 3.6 Nguyên tắc hoạt động theo phương pháp chính-phụ của một hệ thống cung cấp bao gồm một nguồn điện áp, các nguồn dòng và tải thụ động 26

Hình 3.7 Phương pháp điều khiển droop control đặc trưng 27

Hình 3.8 Sơ đồ đơn giản của một bộ biến đổi kết nối tới Microgrid 27

Hình 3.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ điều khiển công suất tác dụng quy ước 30

Hình 3.10 Sơ đồ khối của cấp điều khiển thứ 2 và thứ 3 36

Hình 3.11 Sơ đồ khối của kỹ thuật dựa trên hàm khả năng 37

Hình 3.12 Bù sự mất cân bằng điện áp trong điều khiển cấp thứ 2 38

Hình 3.13 Biên hàm chi phí đạt được giữa bộ biến đổi 39

Hình 4.1 Mô hình đơn giản của bộ nghịch lưu kết nối lưới 40

Hình 4.2 Đường đặc trưng phương pháp điều khiển droop control theo đường dây thuần trở 42

Hình 4.3 Sơ đồ khối của một bộ lọc thích nghi bậc 2 44

Hình 4.4 Bộ phát tín hiệu vuông góc dựa trên một bộ lọc thích nghi bậc 2 44

Hình 4.5 Đáp ứng của bộ tích phân chung (Generalized Integrator – GI) tại (ω’ = 2π50 rad/s) với (a) bước đơn vị ngõ vào và (b) sin/cos đơn vị ngõ vào 45

Hình 4.6 Bộ lọc tích cực bậc 2 dựa trên một bộ tích phân chung (GI) và (b) Bộ lọc tích cực bậc 2 dựa trên một bộ tích phân chung bậc 2 ( second-order generalized- integrator – SOGI ) 46 Hình 4.7 Đáp ứng của bộ SOGI-QSG (ts = 20.7ms, k=√2, ω’ = 2π50 rad/s) 49 Hình 4.8 Cấu trúc bộ tích phân chung bậc 2 50 Hình 5.2 Mô phỏng hệ thống phía DC của Microgrid AC cấp nguồn cho tải trên Matlab Simulink 53 Hình 5.3 Mô phỏng hệ thống pin quang điện trên Matlab Simulink 54 Hình 5.4 Mô phỏng mo-dun pin quang điện trên Matlab Simulink 54 Hình 5.5 Mô phỏng bộ điều khiển MPPT sử dụng giải thuật P&O trên Matlab Simulink 55 Hình 5.6 Code giải thuật P&O trên Matlab Simulink 56 Hình 5.7 Mô phỏng bộ buck/boost converter của pin quang điện trên Matlab Simulink 57 Hình 5.8 Mô phỏng khối tạo xung với tín hiệu vào từ bộ MPPT điều khiển bộ buck/boost converter của pin quang điện trên Matlab Simulink 57 Hình 5.9 Mô phỏng hệ thống máy phát gió trên Matlab Simulink 58 Hình 5.10 Mô phỏng máy phát gió với tuabine gió và máy phát không đồng bộ ba pha trên Matlab Simulink 58 Hình 5.11 Mô phỏng bộ điều khiển Voltage control của hệ thống máy phát gió trên Matlab Simulink 58 Hình 5.12 Mô phỏng bộ boost converter của hệ thống máy phát gió trên Matlab Simulink 59 Hình 5.13 Mô phỏng hệ thống pin quang điện trên Matlab Simulink 59 Hình 5.14 Mô phỏng bộ điều khiển BESS Mode Control của hệ thống pin trên Matlab Simulink 60 Hình 5.15 Code điều khiển của bộ điều khiển BESS Mode Control của hệ thống pin trên Matlab Simulink 60

Hình 5.16 Mô phỏng bộ buck/boost converter của hệ thống pin trên Matlab

Simulink 61

Hình 5.17 Mô hình hệ thống điều khiển phía AC của Microgrid AC cấp nguồn cho tải 62

Hình 5.18 Mô phỏng hệ thống điều khiển phía AC của Microgrid AC cấp nguồn cho tải trên Matlab Simulink 63

Hình 5.19 Sơ đồ khối khối tính toán P&Q 64

Hình 5.20 Mô phỏng khối tính toán P&Q trên Matlab Simulink 64

Hình 5.21 Sơ đồ khối khối droop control truyền thống 65

Hình 5.22 Mô phỏng khối Droop Control & Virtual Impedance trên Matlab Simulink 65

Hình 5.23 Bên trong khối Virtual Impedance trên Matlab Simulink 66

Hình 5.24 Sơ đồ khối khối Voltage Control 66

Hình 5.25 Mô phỏng khối Voltage Control trên Matlab Simulink 67

Hình 5.26 Sơ đồ khối khối Current Control 67

Hình 5.27 Mô phỏng khối Current Control trên Matlab Simulink 68

Hình 5.28 Mô phỏng khối SVPWM trên Matlab Simulink 68

Hình 5.29 Điện áp ở bus DC chung 69

Hình 5.30 Công suất thay đổi của turbine gió, PV và acquy ở những giai đoạn khác nhau 69

Hình 5.31 Công suất P, Q tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 1a 70

Hình 5.32 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 1a 71

Hình 5.33 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 1a 71

Hình 5.34 Công suất P, Q tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 2a 72

Hình 5.35 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 2a 73

Hình 5.36 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 2a 73 Hình 5.37 Công suất P, Q tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 3a 74 Hình 5.38 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 3a 75 Hình 5.39 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 3a 75 Hình 5.40 Công suất P, Q tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 1b 76 Hình 5.41 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 1b 77 Hình 5.42 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 1b 77 Hình 5.43 Công suất P, Q tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 2b 78 Hình 5.44 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 2b 78 Hình 5.45 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 2b 79 Hình 5.46 Công suất P, Q tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 3b 80 Hình 5.47 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 3b 80 Hình 5.48 Điện áp pha và dòng điện tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ở trường hợp 3b 81 Hình 5.49 Công suất phía DC và phía AC của Microgrid AC cấp nguồn cho tải của hai bộ nghịch lưu ứng với phương pháp droop control truyền thống 82 Hình 5.50 Công suất phía DC và phía AC của Microgrid AC cấp nguồn cho tải của hai bộ nghịch lưu ứng với phương pháp droop control sử dụng trở kháng ảo SOGI 82 Hình 5.51 Điện áp VDC tại bus DC chung, điện áp ba pha và dòng điện ba pha tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ứng với phương pháp droop control truyền thống 83

Hình 5.52 Điện áp VDC tại bus DC chung, điện áp ba pha và dòng điện ba pha tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ứng với phương pháp droop control sử dụng trở

kháng ảo SOGI 83

Hình 5.53 Điện áp VDC tại bus DC chung, điện áp ba pha và dòng điện ba pha tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ứng với phương pháp droop control truyền thống 84

Hình 5.54 Điện áp VDC tại bus DC chung, điện áp ba pha và dòng điện ba pha tại phía tải của hai bộ nghịch lưu ứng với phương pháp droop control sử dụng trở kháng ảo SOGI 84

Hình 5.55 THD% của áp pha tại phía tải của một bộ nghịch lưu theo phương pháp truyền thống 85

Hình 5.56 THD% của áp pha tại phía tải của một bộ nghịch lưu theo phương pháp droop control sử dụng trở kháng ảo SOGI 85

Hình 6.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc DC 89

Hình 6.2 Mạch lọc DC 3D 89

Hình 6.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bộ Push-Pull DC/DC 91

Hình 6.4 Sơ đồ layout và sơ đồ thi côngmạch điều khiển bộ Push-Pull DC/DC 91

Hình 6.5 Sơ đồ nguyên lý mạch Half-Bridge 1 pha 92

Hình 6.6 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 93

Hình 6.7 Sơ đồ nguồn phụ tuyến tính 93

Hình 6.8 Mạch nguồn 3D 94

Hình 6.9 Sơ đồ chân của OP-07 từ nhà sản xuất 94

Hình 6.10 Sơ đồ chân của TL431 95

Hình 6.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo offset và khuếch đại 95

Hình 6.12 Sơ đồ đấu nối cảm biến điện áp LV 25-NP 96

Hình 6.13 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp và cảm biến dòng 97

Hình 6.14 Mạch cảm biến áp và dòng được thiết kế trên Altium 98

Hình 6.15 Vấn đề offset tín hiệu hồi tiếp 99

Hình 6.16 Sơ đồ đấu nối 3 module IGBT 100

Hình 6.17 Module IGBT SEMiX202GB128 và mạch kích tích hợp 100

Hình 6.18 Mạch DSP TMS320F28335 102

Hình 6.19 Sơ đồ chân kết nối kit DSP TMS320F28335 103

Hình 6.20 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý phím nhấn và giao tiếp internet 104

Hình 6.21 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị led 7 đoạn 105

Hình 6.22 Sơ đồ kết nối mạch lái với mạch công suất 105

Hình 6.23 Sơ đồ nguyên lý mạch lái cách ly 106

Hình 6.24 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối module Semikron 107

Hình 6.25 Mạch điều khiển trung tâm 3D 107

Hình 6.26 Sơ đồ đấu nối và điều khiển của mô hình thực nghiệm 108

Hình 6.27 Sơ đồ đấu nối bên ngoài thực tế 108

Hình 6.28 Đồ thị công suất 2 bộ inverter ứng với từng giai đoạn 109

Hình 6.29 Điện áp và dòng điện trên các bộ inverter 110

Hình 6.30 THD điện áp trên 1 bộ inverter 110

ra năng lượng tại cấp điện áp phân phối là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như khí thiên nhiên, khí sinh học, năng lượng gió, pin quang điện, pin nhiên liệu…

và hòa chúng vào mạng lưới điện phân phối Đây là hình thức phát công suất được gọi là hệ thống phát điện phân tán và các nguồn năng lượng gọi là các nguồn năng lượng phân tán

Microgrid có quy mô nhỏ, mạng lưới cung ứng kết hợp nhiệt và điện hạ thế được thiết kế để cung cấp điện và tải nhiệt cho một cộng đồng nhỏ, chẳng hạn như một khu chung cư hoặc một vùng ngoại ô địa phương, hoặc một cộng đồng học tập hoặc một cộng đồng công cộng như một trường đại học hoặc trường học, một khu vực thương mại, một khu công nghiệp hoặc một khu vực đô thị Microgrid về cơ bản là một mạng lưới phân phối tích cực vì nó tập hợp các hệ thống phát điện phân tán và các tải khác nhau ở cấp điện áp phân phối Các máy phát điện làm việc trong một Microgrid thường là các nguồn năng lượng tái tạo tập hợp lại với nhau để tạo ra điện tại cấp điện áp phân phối Nhìn từ góc độ hoạt động, các nguồn năng lượng tái tạo phải được trang bị với các giao diện điện tử công suất và được điều khiển linh hoạt để đảm bảo hoạt động như là một hệ thống tổng hợp duy nhất và để duy trì chất lượng điện năng và năng lượng ngõ ra Tính linh hoạt trong điều khiển này sẽ cho phép các Microgrid hỗ trợ cho hệ thống lưới chính như một nguồn đơn có điều khiển đáp ứng năng lượng cục bộ cần độ tin cậy và an ninh

Sự khác biệt chủ yếu giữa một Microgrid và một nhà máy điện thông thường là:

(1) Các nguồn cung cấp trong Microgrid thường có công suất nhỏ hơn nhiều đối với các máy phát điện lớn trong các nhà máy điện thông thường

(2) Sản lượng điện phát ở cấp điện áp phân phối của một Microgrid có thể được đưa trực tiếp vào mạng lưới phân phối tiện ích

(3) Các nguồn cung cấp trong Microgrid thường được lắp đặt gần cơ sở của khách hàng do đó các tải điện/nhiệt có thể được cung cấp một cách hiệu quả với độ lệch điện áp và tần số đạt yêu cầu và tổn thất đường dây không đáng kể

Các Microgrid hoạt động trong hai chế độ: nối lưới và độc lập

a/Microgrid hoạt động độc lập b/Kết nối với lưới chính

Hình 1.1 Các hình các dạng của Microgrid

1.1.2 Tiềm năng năng lượng tái tạo ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nguồn năng lượng hóa thạch đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ nguồn năng lượng này đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Trong khi đó, tiềm năng

để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là rất lớn, việc phát triển năng lượng tái tạo sẽ góp phần giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính Do đó, các nguồn điện được sản xuất ra từ các nguồn năng lượng tái tạo đang được xem là sự bổ sung lý tưởng cho sự thiếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng mà còn góp phần phân tán rủi ro, tăng cường đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

Năng lượng gió

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho Châu Á, Ngân Hàng Thế Giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất với tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020

Năng lượng mặt trời

Việt Nam cũng được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân Ở Việt Nam, bức

xạ mặt trời trung bình 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện

và cung cấp nhiệt

Do những yếu tố thuận lợi trên, ta cần phải nghiên cứu và phát triển các hệ thống năng lượng có kết cấu dạng Microgrid có hoặc không có kết nối lưới

1.2 Các nghiên cứu đã thực hiện

Khi số lượng nguồn năng lượng tái tạo và các máy phát phân phối ngày càng tăng thì yêu cầu có các chiến lược điều khiển mới cho việc hoạt động và quản lý của lưới điện để duy trì hoặc cải thiện độ tin cậy và chất lượng trong việc cung cấp công

suất được đề ra Ngoài ra, sự mở rộng tự do của các lưới dẫn đến có các cấu trúc quản lý mới, phục vụ cho việc kinh doanh mua bán năng lượng ngày càng trở nên quan trọng

Việc lưu trữ năng lượng trong một hệ thống phát và cung cấp điện cho phép tách việc phát điện theo yêu cầu Nói cách khác, lượng điện có thể được sản xuất vào những thời điểm mà nhu cầu thấp, chi phí phát điện thấp hoặc từ các nguồn năng lượng tái tạo, để cung cấp tại những thời điểm nhu cầu cao, chi phí phát điện cao hoặc khi không có sự cung cấp nào khác có sẵn Việc tích hợp thích hợp của các nguồn năng lượng tái tạo với các hệ thống lưu trữ cho phép thâm nhập một thị trường lớn hơn và kết quả là tiết kiệm được các nguồn năng lượng sơ cấp và giảm khí thải Trong luận văn này, một xu hướng trong kỹ thuật điện tử công suất cho việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo với hệ thống lưu trữ được trình bày Ngoài ra như thể hiện ở hình 1.1, khi ta có hai hay nhiều bộ nghịch lưu ba pha

có công suất như nhau, kết nối với nhau và hoạt động như một Microgrid độc lập Cần phải có biện pháp để các bộ nghịch lưu có thể hoạt động song song với nhau

mà vẫn bảo đảm tính ổn định của hệ thống và giúp cho các bộ nghịch lưu không bị quá tải

Trên thế giới, một vài phương pháp điều khiển đã được thực hiện để đạt được điều này, như là phương pháp điều khiển tập trung [1], phương pháp điều khiển chính-phụ (master-slave) [2]-[4], phương pháp điều khiển sai lệch công suất [5],[6], phương pháp điều khiển mạng lưới kết nối chung [7], và phương pháp điều khiển droop control cho tần số và điện áp [8]-[13] Trong phương pháp cuối cùng, bộ điều khiển chỉ dựa trên thông tin đo lường tại các bộ nghịch lưu, không cần sự liên lạc hay trao đổi thông tin giữa các bộ nghịch lưu mà vẫn có thể chia công suất PQ đều nhau giữa các bộ nghịch lưu có cùng công suất Công suất PQ giữa các bộ đều nhau, dẫn tới việc kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị khi chạy tải nhẹ cũng như giúp cho hệ thống ổn định Do đó tiết kiệm được chi phí bảo dưỡng thiết bị và chi phí phát sinh khi cần tăng công suất tiêu thụ, chỉ cần bổ sung thêm các bộ nghịch lưu có

1.3 Phạm vi đề tài

Phương pháp điều khiển droop control không sử dụng giao tiếp tỏ ra thuận lợi khi không cần sự liên lạc hay trao đổi thông tin giữa các bộ nghịch lưu có cùng công suất mà vẫn có thể chia sẻ được công suất PQ đều nhau giữa các bộ nghịch lưu khi ta dự đoán trước được công suất tiêu thụ của các bộ nghịch lưu Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của phương pháp điều khiển droop control truyền thống là khả năng chia công suất sẽ kém đi nếu tổng trở kháng ngõ ra và trở kháng đường dây không bằng nhau Để giải quyết vấn đề này, các cuộn cảm có thể được thêm vào giữa các bộ nghịch lưu và tải, nhưng chúng khá nặng và cồng kềnh [14] Như một phương pháp thay thế, một vòng lặp trở kháng ảo được cộng vào để cải thiện

độ chính xác trong việc chia tải [15], [16] Nhưng vẫn dừng lại ở dạng các bộ nghịch lưu một pha hay nếu là ba pha thì công suất vẫn còn thấp, dùng cuộn cảm lọc khá lớn, và trở kháng đường dây khá nhỏ khi kết nối với tải phi tuyến

Luận văn phát triển mô hình hai bộ nghịch lưu ba pha kết nối song song với một dạng trở kháng ảo áp dụng giải thuật tích phân chung bậc hai (second-order general-integrator – SOGI) nhằm giải quyết tốt vấn đề chia công suất PQ, THD% áp khi sử dụng cuộn lọc nhỏ và trở kháng đường dây kết nối tải lớn hơn Hình 1.2 thể hiện mô hình nghiên cứu trong luận văn gồm hai phần:

(1) Sự kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo với hệ thống lưu trữ

(2) Hai bộ nghịch lưu kết nối song song với nhau

a Sự kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo với hệ thống lưu trữ

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC CHUNG CỦA MICROGRID

2.1 Giới thiệu

Theo quan điểm lịch sử, [17] mạng điện AC là một sự lựa chọn tiêu chuẩn cho các hệ thống năng lượng thương mại điện, từ các loại đèn sợi đốt trong khu dân cư tới các động cơ trong các nhà máy của chúng ta kể từ cuối thế kỷ 19 Sự dễ dàng để chuyển đổi điện áp AC thành các nấc điện áp khác nhau cho các ứng dụng khác nhau, khả năng truyền tải điện năng trên một khoảng cách dài, làm cho mạng điện

AC trở thành sự lựa chọn chính Đến thời điểm này, mạng điện AC đã tồn tại hơn một thế kỷ trước cùng với tải AC thống trị trên thị trường Tuy nhiên, chi phí năng lượng cao cùng với nguồn năng lượng hóa thạch có hạn để xây dựng mới nhà máy điện lớn và các đường dây truyền tải khoảng cách dài là một số hạn chế để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Hơn nữa, sự nóng lên toàn cầu, sự lão hóa của

cơ sở hạ tầng hệ thống điện hiện nay, sự nâng cao nhận thức về các nguồn tài nguyên, sự nâng cao các tiêu chuẩn tiêu thụ và sự tăng số lượng của các tải DC để cải tiến phát triển các thiết bị điện tử điện, từ đó việc hiện đại hóa hệ thống năng lượng hiện nay là không thể tránh khỏi

Trong hai thập kỷ qua, các giải pháp hiện đại như các nguồn phát phân tán dạng năng lượng tái tạo, hệ thống lưu trữ năng lượng (energy storage systems – ESSs), hệ thống truyền tải AC linh hoạt (flexible AC transmission systems – FACTS), quản lý nhu cầu hoạt động (active demand management – ADM), Microgrid AC và các chiến lược điều khiển tiên tiến dựa trên các công nghệ thông tin và truyền thông, đã có thể làm cho các kỹ sư năng lượng và các nhà nghiên cứu thiết kế lại các hệ thống điện truyền thống Tuy nhiên, không phải tất cả các quá trình thiết kế lại đều hoàn thành cho đến bây giờ, cần có thêm các nghiên cứu cần thiết để làm cho các hệ thống tiên tiến thành hiện thực Trong trường hợp đó, cần thiết kế và thực hiện hệ thống Microgrid AC sử dụng các tiêu chuẩn hệ thống điện

AC hiện tại chẳng hạn như tần số, cấp điện áp và nguyên tắc bảo vệ cho các hoạt động của chúng Mặt khác, sự giới thiệu về điều khiển lưới điện bằng cách sử dụng chỉnh lưu hơi thủy ngân khoảng năm 1903 đã tăng lên, đến các ứng dụng thiết bị

điện tử trong truyền tải điện áp cao một chiều vào năm 1928 Điều này là do khả năng vượt trội của chúng trong việc hiệu chỉnh và đảo ngược của điện DC Kể từ

đó, các hệ thống điện DC đã bị hạn chế dần chỉ cho một số ứng dụng đặc biệt như

hệ thống viễn thông, hàng hải, motor kéo, hệ thống truyền tải HVDC và hệ thống điều khiển và bảo vệ cho hệ thống điện AC Tuy nhiên, sự phát triển công nghệ điện

tử công suất đã nâng số lượng các tải DC và các bộ chuyển đổi năng lượng để chuyển đổi điện áp thấp DC thành các cấp điện áp khác nhau cho các ứng dụng khác nhau Ngày nay, các hệ thống phân phối DC (hệ thống Microgrid DC) được áp dụng trong hệ thống điện tử, ô tô, hàng hải và phân phối điện cho các ngành công nghiệp sản xuất Trạm không gian quốc tế (ISS), tải tàu vũ trụ, máy bay hiện đại và các tải điện tử hiện đại như máy tính và máy chủ trong trung tâm dữ liệu, các ngân hàng và các nhà máy thiết bị điện tử, yêu cầu cung cấp điện DC

Để quản lý nhu cầu năng lượng của chúng ta trong tương lai, cần có dạng một cấu hình, linh hoạt hơn, giao tiếp hơn và hệ thống năng lượng vật lý hơn trong các mạng lưới phân phối điện áp thấp nếu không phải là mạng điện toàn bộ, là bắt buộc

Do quan điểm này, các Microgrid đang nổi lên và trở thành cấu trúc hấp dẫn hơn với sự tích hợp của các nguồn phát phân tán dạng năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng Cho đến nay, các nguồn phát phân tán bao gồm một số công nghệ như turbine gió, pin quang điện, các tế bào nhiên liệu, và vi-turbine trong khi

hệ thống lưu trữ năng lượng là pin, bánh đà và siêu tụ điện Các thành phần này là những ý tưởng trung tâm trong các cấu trúc Microgrid và cũng được coi là giải pháp cho các vùng dân số không được tiếp cận với năng lượng hoặc khả năng cung cấp năng lượng kém và hiệu quả trong việc giảm khí thải nhà kính Hơn nữa, các nguồn phát phân tán cung cấp một sự giảm nhẹ áp lực trong truyền tải điện truyền thống và các cấu trúc hạ tầng phân phối Bên cạnh đó, thị trường điện tự do hoá với nhu cầu

về các nguồn năng lượng hiệu quả, đáng tin cậy và đa dạng, tạo động lực cho sự thâm nhập cao các nguồn phát phân tán vào các hệ thống năng lượng

2.2 Tổng quan về Microgrid với các nguồn phát phân tán

Các nguồn phát phân tán được quy vào các máy phát loại nhỏ hoặc các máy phát phân cấp có thể được sử dụng như là các hệ thống độc lập tại một khu vực cách biệt (ví dụ như khu vực nông thôn) hay các hệ thống kết nối lưới Khi được sử dụng như là hệ thống độc lập, các nguồn phát phân tán thường được điều hành bởi các cá nhân để phục vụ cho hộ gia đình đến các tòa nhà lớn ví dụ khu dân cư hoặc vùng ngoại ô địa phương, công cộng, khu công nghiệp hoặc khu vực thành phố Công suất lớn hơn của các nguồn phát phân tán được quản lý bởi nhà điện hoặc một nhà sản xuất điện độc lập Các lợi ích của việc sử dụng các nguồn phát phân tán giúp cải thiện tính linh hoạt trong cung cấp công suất, chất lượng và khả năng mở rộng, ổn định hệ thống, tối ưu hóa hệ thống phân phối và giảm chi phí truyền tải và phân phối Trong hầu hết các trường hợp, các nguồn năng lượng phân tán tạo ra điện AC hoặc điện DC không tương thích, kết quả là biên độ điện áp, tần số và góc pha mong muốn thường thu được thông qua việc sử dụng các giao diện điện tử công suất [17]

Microgrid là các hệ thống điện rất nhỏ với các thành phần khác nhau như tải

có điều khiển và không có điều khiển, các nguồn phát phân tán và các thiết bị lưu trữ hoạt động cùng nhau theo kiểu ngang hàng với các thiết bị điện tử công suất có điều khiển (các bộ điều khiển luồng công suất tác dụng và công suất phản kháng, điều chỉnh tần số và điện áp) được tích hợp với thiết bị bảo vệ Chúng có thể hoạt động dựa trên nguyên tắc của hệ thống điện AC (tức là Microgrid AC) hoặc hệ thống điện DC (nghĩa là Microgrid DC) Trong bối cảnh này, hệ thống năng lượng tương lai tức là "lưới điện thông minh" được dự đoán sẽ có tính năng sau đây: [17]

 Hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng, có tính bền vững cao với các nguồn năng lượng tái tạo ở đầu vào

 Độ ổn định, an toàn cao của các hệ thống lưu trữ năng lượng và các nguồn phát phân tán dạng nguồn năng lượng tái tạo

 Cảm biến, đo lường và phương pháp quản lý tiên tiến

 Nhận thức trong việc sử dụng tải, hệ thống quản lý năng lượng thời gian thực

và nâng cao thành phần tải (ví dụ như xe điện, máy sưởi và các thiết bị lái động cơ công nghiệp)

 Tích hợp đầy đủ an ninh mạng cho cơ sở hạ tầng thông tin và truyền thông Các tính năng trên một cách thỏa đáng có thể đạt được thông qua việc sử dụng Microgrid, với chi phí thấp và hiệu quả cao hơn các biện pháp áp dụng cho lưới điện AC thông thường Hơn nữa, Microgrid có thể có lợi cho cả lưới điện chính và các khách hàng như sau:

Với lưới điện chính: Microgrid được xem như những thực thể có điều khiển

hoạt động như một đơn vị điều phối độc lập (tải hoặc máy phát điện) để cung cấp năng lượng hoặc các dịch vụ phụ trợ và đáp ứng nhu cầu của các mạng lưới chính Hơn nữa, Microgrid liên quan đến các nguồn năng lượng tái tạo có thể cung cấp hiệu suất cao hơn và giảm ảnh hưởng môi trường so với các máy phát truyền thống Chúng cũng lắp đặt gần các tải để cung cấp một sự đa dạng các lợi ích như điều chỉnh điện áp và tần số mạng lưới nếu hoạt động đúng cách

Với khách hàng: Microgrid có thể cung cấp cả nhiệt và điện để đáp ứng cho

nhu cầu đặc biệt, và có thể cải thiện chất lượng điện năng bằng cách hỗ trợ điện áp

và tần số cục bộ Chúng không chỉ làm giảm việc sụt điện áp mà còn cung cấp một nguồn điện liên tục cần thiết trong các lĩnh vực với tải quan trọng, chẳng hạn như hệ thống ngân hàng, ngành công nghiệp bán dẫn, bệnh viện và các trung tâm dữ liệu Microgrid cũng có thể được điều chỉnh cho phù hợp với các nhu cầu của một khu vực nào đó sẽ được cung cấp Ví dụ, Microgrid có thể là nguồn năng lượng cơ bản cung cấp năng lượng cho chiếu sáng theo yêu cầu ở hầu hết các khu vực nông thôn Microgrid có thể hoạt động trong chế độ kết nối lưới hoặc chế độ độc lập hoặc

cả hai, chế độ hoạt động của Microgrid có thể được mô tả ngắn gọn như sau: Khi đi kèm với hệ thống lưới điện chính (tức là chế độ kết nối lưới), nó được gọi là "Chế

độ On-grid" Trong chế độ này, Microgrid thường được kết nối với mạng trung thế (Ví dụ 11-66 kV), hoặc mạng hạ thế (Ví dụ 110-690V) tùy thuộc vào vị trí và khả

năng tổng của các nguồn phát phân tán lắp đặt Microgrid hoặc nhận hoặc bơm một

số lượng công suất vào hệ thống chính và cung cấp công suất hỗ trợ cho phụ tải địa phương của mình Hơn nữa, chức năng chính của các nguồn phát phân tán là tạo ra năng lượng và cung cấp địa phương và hỗ trợ năng lượng trong các hệ thống Microgrid Với các bộ chuyển đổi công suất, điều khiển công suất PQ có thể được thực hiện trong các Microgrid, theo đó các giá trị tham khảo của mỗi nguồn phát phân tán được điều khiển bởi người quản lý điều hành Microgrid Ngoài ra, một số các nguồn phát phân tán có thể được điều khiển để theo dõi điểm công suất cực đại của chúng như trong các turbine gió và pin quang điện Khi lỗi xảy ra và sự cố chuyển mạch theo sau, hoặc các sự kiện chuyển mạch đã lên kế hoạch, Microgrid phải được ngắt kết nối với lưới chính ngay càng sớm càng tốt và cung cấp cho tải địa phương Trong trường hợp này, Microgrid ở chế độ hoạt động độc lập còn được gọi là "chế độ Off-lưới" và nó hoạt động tự chủ khi ngắt kết nối từ mạng chính Các tải ít quan trọng nhất có thể được loại ra nếu công suất điện của Microgrid là không

đủ để hỗ trợ tất cả các tải cục bộ của nó

2.3 Tính khả thi của hệ thống Microgrid AC và Microgrid DC

Các mạng lưới hệ thống điện gồm hai hệ thống chính [17], cụ thể là: (i) hệ thống truyền tải và (ii) hệ thống phân phối Hệ thống truyền tải cung cấp điện từ các nhà máy điện đến các trạm phân phối trong khi hệ thống phân phối cung cấp điện từ các trạm phân phối đến người tiêu dùng Trong trường hợp đó, các nhà máy điện chính thường nằm khá xa tâm phụ tải Do đó, khó khăn cho các nhà quản lý hệ thống điện để theo dõi và giải quyết các rối loạn xảy ra tại tâm phụ tải Tuy nhiên, các nguồn phát phân tán kết nối với lưới điện ở cấp điện áp thấp ở dạng Microgrid đang dần dần thay đổi cấu trúc của lưới điện thông thường từ thụ động thành các mạng phân phối tích cực Kết nối của chúng với hệ thống điện ở cấp phân phối mở

ra khả năng dễ dàng điều khiển bất kỳ thành phần trong mạng Hơn nữa, trong tương lai gần, khách hàng được dự kiến có thể phát điện, lưu trữ, điều khiển và quản lý phần năng lượng mà họ tiêu thụ thông qua việc triển khai các Microgrid Các hệ thống năng lượng trong tương lai được dự đoán sẽ kết hợp các thiết bị thông

minh hơn được cài đặt trong các đơn vị phát, đường dây truyền tải, trạm biến áp, và mạng lưới phân phối và một số tải có điều khiển Nó sẽ là một sự kết hợp của cả hệ thống điện và hệ thống mạng thông tin và liên lạc Hai mạng lưới này sẽ được kết hợp để tạo thành một cấu trúc cao cấp hơn theo đó luồng công suất và thông tin sẽ

là một hệ thống hai chiều, cho phép khách hàng có thể truy cập đến trạng thái của lưới điện chẳng hạn như: (i) nhu cầu điện cao nhất ở hiện tại, (ii) giá điện tại các thị trường năng lượng và (iii) làm thế nào để giảm thiểu hóa đơn của họ Trong quá trình thực hiện, khách hàng dễ dàng có thể giao tiếp và bán lượng điện dư thừa của

họ hoặc lưu trữ năng lượng cho lưới điện với mức giá hợp lý

và tần số áp dụng trong hầu hết các hệ thống phân phối thông thường

Hình 2.1 Cấu trúc lưới AC với các nguồn năng lượng phân tán và các loại tải cố

định

2.3.2 Hệ thống Microgrid DC

Hệ thống điện truyền thống được thiết kế để truyền công suất điện AC từ các trạm trung tâm, qua các đường dây truyền tải điện áp cao AC (HVAC) và các đường dây phân phối điện áp thấp hơn đến các hộ gia đình và các doanh nghiệp sử dụng năng lượng trong các đèn sợi đốt, động cơ AC và các thiết bị AC khác Trong khi đó, các hệ thống điện DC đã được sử dụng trong các hệ thống phân phối điện công nghiệp, cơ sở hạ tầng viễn thông và việc truyền tải ở khoảng cách xa hay qua đường cáp biển và kết nối lưới AC với tần số khác nhau Các thiết bị ngày nay và các nguồn phát phân tán ngày mai chịu ảnh hưởng lớn bởi các thiết bị điện tử công suất Những thiết bị (như máy tính, thiết bị lái thay đổi tốc độ, các thiết bị công nghiệp) cần điện DC cho hoạt động của chúng Tuy nhiên, tất cả các thiết bị DC yêu cầu chuyển đổi từ AC có sẵn thành DC để sử dụng, và đa số các chuyển đổi thường

sử dụng chỉnh lưu không hiệu quả Hơn nữa, công suất DC từ các nguồn phát phân tán phải được chuyển đổi thành AC để kết nối với lưới AC hiện có, sau đó được chuyển đổi sang DC cho người sử dụng, các bước chuyển đổi DC-AC-DC dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể Sử dụng những kinh nghiệm xác thực trong hoạt động

HVDC và sự tiến bộ trong công nghệ điện tử công suất, lợi ích trong việc theo đuổi các giải pháp hiệu quả đã tăng lên Các mạng lưới phân phối LVDC là một khái niệm mới, một khả năng để giải quyết các vấn đề về phân phối điện hiện tại và nhận diện hệ thống điện trong tương lai Nó có các tính năng đáp ứng các yêu cầu mới của mạng lưới phân phối điện Hình 2.2 biểu thị các hệ thống Microgrid DC điển hình nối với các hệ thống chính tại điểm kết nối chung, có thể là mạng trung thế AC (MVAC) từ nhà máy điện thông thường hoặc một đường dây truyền tải HVDC kết nối với một trang trại gió ngoài khơi Trong trường hợp của cấu hình Microgrid DC, điện áp thấp DC liên kết được dựa trên cấu hình lưỡng cực nơi tải có thể được kết nối qua cực dương và đất hoặc giữa hai cực [17]

Hình 2.2 Khái niệm của một hệ thống Microgrid DC với các nguồn phân tán và các

loại tải cố định

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID AC (AC MICROGRID) 3.1 Giới thiệu

Các hệ thống điện truyền thống đang đối mặt với những thay đổi liên tục và nhanh chóng để làm giảm bớt ảnh hưởng đến môi trường, vấn đề về chính sách ưu đãi của chính phủ, và đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Khái niệm về lưới điện thông minh gần đây đã xuất hiện để giới thiệu về một mạng lưới điện thông minh Nâng cao độ tin cậy và tính bền vững là một trong những đặc điểm mong muốn của lưới điện thông minh tác động lên cấp phân phối Những thuộc tính này chủ yếu được thực hiện thông qua các Microgrid, thứ tạo thuận lợi cho việc tích hợp hiệu quả các nguồn năng lượng phân tán Microgrid có thể hoạt động ở cả hai chế độ nối lưới và độc lập Điều khiển phù hợp cho Microgrid là một điều kiện tiên quyết cho trạng thái ổn định và hoạt động hiệu quả kinh tế Vai trò quan trọng của cấu trúc điều khiển Microgrid là:

 Điều khiển điện áp và tần số cho cả hai chế độ;

 Chia tải thích hợp và phối hợp các nguồn năng lượng phân tán;

 Đồng bộ Microgrid với lưới điện chính;

 Điều khiển luồng công suất giữa Microgrid và lưới điện chính;

 Tối ưu hóa chi phí vận hành Microgrid

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 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 3.1 Điều khiển cấp thứ 1 duy trì điện áp

và tần số Microgrid ổn định trong chế độ độc lập Điều này rất cần thiết để đảm bảo điều khiển độc lập chia công suất PQ trong trường hợp tải tuyến tính và phi tuyến Ngoài ra, việc điều khiển chia công suất sẽ tránh được dòng điện tuần hoàn không mong muốn Cấp điều khiển thứ 1 bao gồm phần cứng điều khiển cơ bản, thường được gọi là cấp 0, trong đó bao gồm vòng điều khiển điện áp và vòng điều khiển dòng điện của nguồn năng lượng phân tán Cấp điều khiển thứ 2 điều khiển bù cho

sự sai lệch điện áp và tần số gây ra bởi hoạt động của cấp điều khiển thứ 1 Cuối cùng, cấp điều khiển thứ 3 thực hiện kiểm soát dòng công suất giữa Microgrid và lưới điện chính và tạo điều kiện cho Microgrid hoạt động tối ưu về kinh tế [18]

Điều khiển cấp thứ 1 được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau đây: [18]

Ổn định điện áp và tần số Sau chế độ độc lập, Microgrid có thể bị mất ổn định điện áp và tần số do sự không phù hợp giữa công suất phát và công suất tiêu thụ

Cho phép kết nối và cung cấp năng lượng từ các nguồn năng lượng phân tán

và chia công suất PQ hợp lý Tốt nhất là không sử dụng thiết bị truyền thông

Giảm thiểu dòng điện tuần hoàn lưu thông, giảm khả năng quá dòng trong các thiết bị điện tử công suất và làm hỏng tụ điện DC-link

Điều khiển cấp thứ 1 cung cấp các điểm tham chiếu cho vòng điều khiển điện

áp, dòng điện của các nguồn năng lượng phân tán Vòng điều khiển bên trong thường được gọi là cấp 0 Cấp điều khiển 0 thường được thực hiện trong cả hai chế

độ điều khiển PQ hoặc điện áp

Trong chế độ điều khiển PQ, công suất tác dụng và công suất phản kháng của các nguồn năng lượng phân tán được điều khiển tại điểm tham chiếu được xác định trước, như thể hiện trong hình 3.2 Chiến lược điều khiển được thực hiện với một bộ biến đổi nguồn áp dạng điều khiển dòng Trong hình 3.2, bộ điều khiển H1 điều chỉnh điện áp DC-link và công suất tác dụng thông qua việc điều chỉnh biên độ của dòng điện tác dụng ngõ ra của bộ biến đổi, bộ điều khiển H2 điều chỉnh đầu ra công suất phản kháng bằng cách điều chỉnh biên độ của dòng điện phản kháng ngõ ra của

bộ chuyển đổi

Hình 3.2 Chế độ điều khiển PQ với công suất tác dụng và công suất phản kháng

Trong chế độ điều khiển điện áp, các nguồn năng lượng phân tán hoạt động như một biến đổi nguồn áp được điều khiển bằng điện áp mà điện áp tham chiếu được xác định bởi điều khiển cấp thứ 1, thông thường thông qua phương pháp điều

khiển droop control, như thể hiện trong hình 3.3 Các vòng điều khiển điện áp và tần số lồng nhau trong chế độ điều khiển điện áp được thể hiện trong hình 3.4 Bộ điều khiển này cấp tín hiệu dòng như một giới hạn tín hiệu trước thông qua hàm truyền (ví dụ như trở kháng ảo) Để đáp ứng đạt chất lượng tốt có thể sử dụng bộ điều khiển (PID), bộ điều khiển thích nghi, và bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ cho

bộ điều khiển điện áp

Hình 3.3 Xác định điện áp tham khảo của chế độ điều khiển áp

Hình 3.4 Các vòng lặp vòng và áp trong chế độ điều khiển áp

Chất lượng điện năng của các hệ thống độc lập quy mô nhỏ có tầm quan trọng đặc biệt do sự hiện diện của tải phi tuyến và các tải một pha và quán tính thấp của Microgrid Để nâng cao chất lượng điện năng cho một tập hợp các nguồn năng lượng kết nối một bus chung, cấu trúc điều khiển được sử dụng thể hiện trên hình 3.5 Trong hình này, HLPF(s) biểu thị hàm truyền của một bộ lọc thông thấp Mỗi bộ biến đổi có một vòng điều khiển dòng điện độc lập, và một vòng điều khiển điện áp trung tâm được áp dụng để phân phối thành phần cơ bản của công suất PQ giữa các nguồn khác nhau Các điểm tham chiếu cho các vòng điều khiển điện áp được xác định bởi điều khiển cấp thứ 1 Các bộ điều khiển dòng điện riêng lẻ đảm bảo chất

lượng điện năng bằng cách điều khiển các thành phần hài của dòng điện cung cấp cho bus chung AC

Các chế độ điều khiển của các nguồn năng lượng phân tán thường được thực hiện bằng cách sử dụng chia tải tích cực và các phương pháp điều khiển droop control đặc trưng

Hình 3.5 Các vòng lặp điều khiển cấp 0 cho một kết nối các nguồn năng lượng với

một bus AC

3.2.1 Chia tải tích cực:

Điều khiển chia tải tích cực là phương pháp dựa trên cơ sở truyền thông và sử dụng cho cấu hình các bộ nghịch lưu song song Điểm tham chiếu dòng điện hoặc công suất tác dụng / công suất phản kháng được xác định thông qua phương pháp

tiếp cận khác nhau như tập trung, chính-phụ, chia tải trung bình, và các phương pháp điều khiển chuỗi tròn

Trong phương pháp điều khiển tập trung, dòng tải chung được phân bố đều giữa các nguồn bằng cách thiết lập dòng điện giống nhau cho tất cả các bộ biến đổi Trong phương pháp chính-phụ, bộ biến đổi chính hoạt động như một bộ biến đổi nguồn áp và điều chỉnh điện áp đầu ra trong khi bộ biến đổi phụ hoạt động như bộ biến đổi nguồn dòng và thực hiện theo khuôn mẫu dòng điện của bộ biến đổi chính Trong điều khiển chia sẻ tải trung bình, các dòng điện tham chiếu cho các bộ biến đổi được cập nhật liên tục và là dòng điện trung bình của tất cả các bộ biến đổi (nhưng không phải là dòng điện tải) Trong điều khiển chuỗi tròn, các bộ biến đổi được coi là kết nối nối tiếp theo chuỗi, và dòng điện tham chiếu cho mỗi bộ biến đổi được xác định bởi bộ biến đổi trước đó Phương pháp chia tải tích cực đòi hỏi phải

có truyền thông với băng thông cao.Tuy nhiên, phương pháp này cho phép chia dòng điện chính xác và chất lượng điện năng cao

Hình 3.6 Nguyên tắc hoạt động theo phương pháp chính-phụ của một hệ thống cung

cấp bao gồm một nguồn điện áp, các nguồn dòng và tải thụ động

3.2.2 Các kỹ thuật điều khiển droop control đặc trưng

Phương pháp điều khiển droop control là điều khiển độc lập, tự chủ, và không

sử dụng truyền thông giữa các bộ biến đổi Điều khiển công suất tác dụng (đặc

tuyến droop control tần số) và điều khiển công suất ảo (đặc tuyến droop control điện áp) thường được quy ước như vậy, tất cả được miêu tả ở hình 3.7, thường được sử dụng trong điều khiển chế độ áp [18]

Hình 3.7 Phương pháp điều khiển droop control đặc trưng

Nguyên tắc của phương pháp điều khiển droop control truyền thống có thể được giải thích bằng cách xem xét một mạch tương đương của một bộ biến đổi nguồn áp kết nối với một bus AC, như thể hiện trong hình 3.8

Hình 3.8 Sơ đồ đơn giản của một bộ biến đổi kết nối tới Microgrid

Nếu bỏ qua gợn sóng chuyển mạch và các thành phần hài bậc cao, bộ biến đổi nguồn áp có thể được mô hình hóa như một nguồn AC,với điện áp E Ngoài ra, giả định rằng điện áp AC của bus là Vcom0 và tổng trở đầu ra của bộ biến đổi và tổng trở đường dây được gộp lại thành trở kháng đường dây Z Khi đó, công suất biểu kiến chuyển đến bus được tính như sau:

Trong đó E* và * là trị hiệu dụng điện áp ngõ ra bộ biến đổi nguồn áp và tần

số góc khi không tải Các hệ số droop control DP và DQ, có thể được điều chỉnh bằng các thuật toán ( ví dụ, tối ưu hóa ) Trong cách tiếp cận cũ, DP và DQ được xác định dựa trên công suất định mức và sai lệch tối đa cho phép của tần số và điện áp

Ví dụ, trong một Microgrid với n bộ biến đổi nguồn áp, DP và DQ phải thoả mãn các ràng buộc sau đây:



kháng ngõ ra tham chiếu của bộ biến đổi, Pref và Qref có thể được điều chỉnh thông qua E* và * như:

DP Mặt khác, như đã thấy trong công thức (3.4), DP cũng ảnh hưởng đến tần số của

bộ biến đổi Do đó, một sự ràng buộc giữa thời hằng và điều chỉnh tần số

Hình 3.9 Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ điều khiển công suất tác dụng quy ước

Trái ngược với kỹ thuật chia tải tích cực, phương pháp điều khiển droop control truyền thống có thể được thực hiện mà không cần truyền thông, và do đó, là đáng tin cậy hơn Tuy nhiên, nó có một số hạn chế như được liệt kê dưới đây:

Vì chỉ có một biến điều khiển cho một đặc tính droop control, ví dụ, DP cho đặc tính droop control của tần số, nên không thể đáp ứng nhiều hơn một mục tiêu điều khiển Ví dụ, một thiết kế trao đổi cần cân nhắc giữa thời hằng vòng điều khiển điện áp và điều chỉnh tần số

Phương pháp điều khiển droop control truyền thống được giả định rằng tổng trở giữa bộ biến đổi nguồn áp và bus có tính cảm cao Tuy nhiên, giả thiết này không hoàn toàn chính xác trong các ứng dụng Microgrid bởi vì tổng trở đường dây truyền tải điện áp thấp chủ yếu là điện trở Do đó, công thức (3.3) không có giá trị cho các ứng dụng Microgrid

Trái ngược với tần số, điện áp không phải là đại lượng toàn cục trong Microgrid Vì vậy, điều khiển công suất phản kháng trong công thức (3.4) có thể ảnh hưởng xấu đến điều chỉnh điện áp cho tải quan trọng

Trong trường hợp tải phi tuyến, phương pháp điều khiển droop control truyền thống không thể phân biệt hài của dòng điện tải hay dòng điện tuần hoàn Hơn nữa, những thành phần hài dòng điện làm biến dạng điện áp đầu ra bộ biến đổi Phương pháp điều khiển droop control truyền thống có thể được cải tiến để giảm THD của điện áp đầu ra

Những phương pháp tiềm năng đã được thảo luận rộng rãi trong các tài liệu Giải pháp đề xuất được thảo luận ở dưới đây.[18]