Điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Minh Phương đã tận tâm hướng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

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

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh ngày 28 tháng 7 năm 2018

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)

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày … tháng… năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ TRỌNG CHINH Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17 – 7 – 1978 Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1641830003

I- Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

1 Tổng quan về microgrit

2 Các phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất

3 Điều khiển song song các bộ nghịch lưu

4 Mô phỏng giải thuật điều khiển

III- Ngày giao nhiệm vụ: 04/12/2017

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28/7/2017

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LÊ MINH PHƯƠNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

VÕ TRỌNG CHINH

LỜI CÁM ƠN

Thành công nào mà cũng gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều,

dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Cơ - Điện - Điện tử Trường Đại Học Công Nghệ TP HCM đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng

em trong suốt thời gian học tập tại trường Và đặc biệt, trong học kỳ này, Phòng Quản Lý Khoa Học và Đào Tạo Sau Đại Học đã tổ chức cho chúng em được tiếp cận với những môn học mà theo em là rất hữu ích đối với tất cả các sinh viên thuộc các chuyên ngành điện Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Minh Phương đã tận tâm hướng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI Bước đầu đi tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo khoa học còn nhiều bỡ ngỡ, kiến thức của

em còn gặp nhiều hạn chế Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em được hoàn thiện hơn Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy

Cô trong Khoa Cơ - Điện - Điện tử, Viện Đào Tạo Sau Đại Học và PGS.TS Lê Minh Phương thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao quý của mình

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2018 NGƯỜI THỰC HIỆN

VÕ TRỌNG CHINH

TÓM TẮT

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu về bộ điều khiển droop thích nghi để phân chia công suất cho các bộ nghịch lưu dùng cho hệ thống lưới điện siêu nhỏ (microgrid) có thể vận hành linh hoạt ở chế độ độc lập hoặc chế độ nối lưới

Hệ thống điện được đề xuất bao gồm 3 bộ biến tần mỗi bộ công suất 2kW với các thông số về đường dây khác nhau được kết nối song song để cung cấp cho tải hoặc nối lưới

Các kết quả mô phỏng được thực hiện bằng công cụ Simulink trong phần mềm Matlab với các chế độ hoạt động khác nhau cũng như các kịch bản khác nhau được đưa ra trong từng chế độ như tỷ lệ phân chia công suất tác dụng và công suất phản kháng khác nhau cho ba biến tần Ngoài ra, sự thay đổi tần số của lưới cũng được xem xét để đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống

Có thể kết luận từ các kết quả mô phỏng rằng, bộ điều khiển droop thích nghi

đề xuất cho phép chia công suất chính xác theo tỷ lệ với công suất định mức của các

bộ nghịch lưu áp ba pha kết nối song song trong lưới điện độc lập Cũng như thể hiện việc bám sát tần số và góc pha của lưới điện trong chế độ nối lưới giúp nhanh chóng hòa đồng bộ để cung cấp công suất tối đa cho hệ thống giúp cải thiện chất lượng lưới điện và giảm tổn hao truyền tải

ABSTRACT

The thesis presents the results of a study on adaptive droop controller to allocate power to inverters for microgrid systems that can operate flexibly in stand-alone or grid-connected modes

The proposed studied system consists of three 2 kW inverters with different line parameters connected in parallel to provide power to load or grid connection Simulation results are provided by the Simulink toolbox in the Matlab software, with different operating modes as well as different scenarios given in each mode, such as diffetent active power and reactive power ratio for 3 inverters In addition, the frequency change of the grid is also considered to assess the response

of the proposed controller

It can be concluded from the simulation results that the proposed adaptive droop controller allows for a precise power sharing to the rated power of three-phase alternating voltage inverters connected in stand-alone power system As well

as demonstrating the frequency and phase angle of the grid in grid-connected mode,

it quickly synchronizes to provide maximum power for the system to improve power quality and reduce transmission losses

MỤC LỤC

3.1.1Điều khiển tập trung 24

4.2 Điều khiển thích nghi dùng trở kháng ảo kết hợp với thông tin liên lạc 46

Chương 5: 59

6.1.3 Trường hợp 3- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 trước sau đó chuyển sang

6.1.4 Trường hợp 4- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 trước sau đó chuyển sang

6.1.5 Trường hợp 5- Tỷ lệ công suất P là 1:1:1, tỷ lệ công suất Q là 1:2:3,

6.2.2 Kết nối lưới, tần số lưới thay đổi từ 50Hz lên 60Hz từ 3s, tải không đổi,

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ khối của một bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng điện

Hình 2.3 Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống biến đổi nguồn áp dạng điều khiển

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển của bộ P f và Q V droop control thông thường 29 Hình 3.3 Đặc tính droop boost của điện áp thấp AC microgrid (a) phương pháp

Hình 4.3 Sơ đồ điều khiển thời gian của một DG với hai sự kiện đồng bộ hóa

Hình 4.7 Mạng nhìn từ DG 1 53

Hình 6.3 Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:1:1 khi chuyển

Hình 6.4 Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:2:3 khi chuyển

Hình 6.6 Kết quả mô phỏng đồ thị công suất tác dụng và phản kháng 77

Hình 6.8 Đồ thị công suất tác dụng và phản kháng khi tần số lưới thay đổi 78 Hình 6.9 Đồ thị công điện áp và dòng điện khi tần số lưới thay đổi 79

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Ưu và nhược điểm của phương pháp điều khiển dựa trên các giao tiếp 38

Bảng 6.9 Sai số của hệ thống trong trường hợp 5 ở Mode 1 75 Bảng 6.10 Sai số của hệ thống trong trường hợp 5 ở Mode 0 76

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID

1.1 GIỚI THIỆU

Năng lượng tái tạo (NLTT) ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Hệ thống NLTT gồm nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, địa nhiệt… Các nguồn NLTT tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia Việc đưa vào sử dụng NLTT nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế

Hệ thống điện sử dụng các nguồn NLTT là cần thiết để cung cấp điện liên tục phục

vụ cho những vùng sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới

Để thực hiện được điều này người ta kết hợp nhiều nguồn NLTT khác nhau trong một hệ thống gọi là hệ thống lưới siêu nhỏ (microgrid) Hệ thống này có thể hoạt động một cách độc lập hay kết nối với lưới điện tùy vào nhu cầu sử dụng [1]

1.2 KHÁI NIỆM MICROGRID VÀ NGUỒN PHÂN TÁN

Về cơ bản một microgrid tích hợp nhiều nguồn phân tán (DG), với chức năng thu thập, xử lý và phân phối điện để đáp ứng theo yêu cầu của phụ tải Trong đó, các bộ biến đổi điện năng kết hợp với hệ thống microgrid tạo thành thể thống nhất

Để điều khiển hoạt động của hệ thống microgrid có nhiều nguồn phân tán thì cần phải có các bộ điều khiển nhằm đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra của hệ thống thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật

1.2.1 So sánh giữa lưới điện thông thường và microgrid

So với lưới điện thông thường thì hệ thống microgrid có những khác biệt như sau:

- Công suất đầu ra của mỗi nguồn nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện thông thường

- Microgrid thường được lắp đặt gần với phụ tải vì vậy tổn thất trong đường dây truyền tải nhỏ Do đó, microgrid có hiệu quả cao trong điều kiện cung cấp điện áp và tần số

- Microgrid có thể dùng để cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa nơi chưa

có lưới điện quốc gia

- Quá trình khôi phục hệ thống điện truyền thống là phức tạp, đòi hỏi một sự can thiệp nhanh chóng, thường là bằng tay và trong thời gian thực Trong khi

đó, với microgrid toàn bộ quá trình phục hồi rất dễ dàng và nhanh chóng

1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid

Hệ thống DG hạ áp và trung áp phát triển nhanh chóng trên toàn cầu Chúng được cung cấp bởi các nguồn NLTT, máy phát điện không thông thường bao gồm tế bào nhiên liệu, tua bin gió, và hệ thống quang điện Thông thường, chúng được sử dụng để tăng cường cho lưới điện công cộng trong thời gian tải cao điểm hoặc thiếu điện Chúng cũng có thể cung cấp điện trong trường hợp hệ thống lưới điện chính bị

Trong khi với microgrid khi lưới điện chính ngừng cung cấp, các microgrid sẽ ngắt kết nối từ lưới và hoạt động độc lập, tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải cục bộ của mình cho đến khi lưới điện trở lại bình thường

1.2.3 Ưu điểm của microgrid

So với các hệ thống điện khác, hệ thống microgrid có ưu điểm sau [2]:

- Microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm môi trường vì nó sử dụng nguồn có khí thải thấp hoặc bằng không

- Các microgrid làm việc song song với lưới công cộng nhằm hỗ trợ lưới điện bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ giúp ngăn chặn tình trạng quá tải

và mất điện của lưới điện quốc gia

- Các hệ thống microgrid cục bộ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng

và tổn thất truyền tải Sử dụng microgrid cũng giúp trong việc giảm tiêu thụ năng lượng hóa thạch

- Bằng cách vận hành trong cả hai chế độ nối lưới và độc lập, microgrid đảm bảo tải quan trọng được cung cấp điện liên tục

1.3 CẤU TRÖC VÀ THÀNH PHẦN CỦA LƯỚI MICROGRID

Năm thành phần này được kết nối với một mạng lưới phân phối điện áp thấp

Sự phân bố điện áp thấp kết hợp nhiều loại nguồn công suất nhỏ và các loại tải khác nhau được hỗ trợ bởi các bộ biến đổi điện tử công suất Để hòa đồng bộ và điều khiển các hoạt động trong chế độ kết nối lưới điện hoặc chế độ độc lập, phương thức hoạt động có thể được xác định bởi tại bus kết nối chung (PCC) Đây là điểm

mà các microgrid là kết nối với lưới điện chính thông qua máy cắt CB4 trong hình 1.1 Chức năng của CB4 là để kết nối hoặc ngắt kết nối microgrid với lưới điện chính Điều khiển hoạt động của microgrid được hỗ trợ và phối hợp thông qua mức

độ điều khiển khác nhau để đảm bảo sự ổn định của hệ thống, sử dụng các bộ điều khiển như: điều khiển nguồn (MC), điều khiển trung tâm (CC) [3]

Hình 1.1 Sơ đồ lưới Microgrid thông thường

1.3.2 Các loại microgrid

Microgrid tương tự như một hệ thống điện nhỏ trong đó bao gồm nhiều thành phần như các DG, tải và thiết bị lưu trữ được kết nối với nhau Theo dạng công suất, microgrid có thể được phân loại: microgrid xoay chiều AC, microgrid một chiều

DC, hoặc một hệ thống kết hợp (hybrid) Mỗi loại microgrid có những ưu điểm riêng Hình 1.2 dưới đây mô tả một các loại microgrid

Hình 1.2 Các dạng microgrid thông thường

- Hầu hết các tải kết nối với DC-microgrid là thiết bị điện tử, TV, máy tính, đèn huỳnh quang, hộ gia đình, doanh nghiệp và các thiết bị công nghiệp Vì vậy chúng ta không cần quá nhiều bộ chuyển đổi AC-DC, DC-AC hoặc AC-DC-AC như đối với AC-microgrid

- Các DC-microgrid không sử dụng máy biến áp; điều này làm cho nó hiệu quả hơn, kích thước nhỏ hơn và đáng tin cậy trong một hệ thống điện DC Ngoài ra một DC-microgrid hoạt động với dây cáp đôi, trong khi một AC-microgrid hoạt động với ba, bốn dây hay nhiều hơn nữa

- Dòng công suất phản kháng không tồn tại trong DC-microgrid, vì vậy việc kiểm soát điện áp chỉ chịu ảnh hưởng của công suất tác dụng, trong khi ở AC-microgrid điều khiển điện áp có liên quan đến các dòng công suất phản kháng cùng lúc công suất tác dụng sẽ ảnh hưởng góc pha điện áp

Tuy nhiên, một DC-microgrid vẫn có một số thách thức cần được khắc phục

Nó cũng không được phát triển để xử lý các điều kiện lỗi và thiếu thiết bị bảo vệ cơ bản như bộ phận ngắt mạch, cầu chì, và rơle bảo vệ, như đã thấy trong AC-microgrids AC [4, 5] Rất tốn kém để thực hiện các hệ thống bảo vệ hiện tại của một AC-microgrid và làm cho nó để tương thích với một DC-microgrid Các mạng

DC phải đối mặt với một vấn đề mất cân bằng Sự gia tăng của các thiệt hại hệ thống là do các vấn đề về tải không cân bằng hoặc giữa nguồn tích cực và tiêu cực của dòng lưỡng cực DC-microgrid Điều này tạo ra một dòng chảy trong một hệ tham chiếu thứ ba của cáp DC [6] Hình 1.3 cho thấy một cấu trúc điển hình của

một DC-microgrid kết nối với một mạng lưới AC trung áp của nhà máy điện thông thường

Hình 1.3 DC-microgrid

1.3.2.2 Lưới AC-Microgrid

Tất cả các nguồn phân tán sản xuất điện AC, như tua bin gió và khí sinh học,

có thể được kết nối trực tiếp với đường dây AC của microgrid hoặc thông qua một

bộ chuyển đổi điện AC-DC-AC [7] AC-microgrid có thể sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn

có từ lưới công cộng, nhờ bản chất giống nhau và khả năng tương thích của nó với lưới điện Khi sử dụng AC-microgrid, không yêu cầu cấu hình lại tải hay hệ thống cung cấp điện Điều này có nghĩa là tải AC được kết nối trực tiếp đến các microgrid

AC mà cần giao diện bộ biến đổi AC-DC [8] Ngoài ra, nó góp phần vào sự ổn định lưới điện bằng cách cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng để cân bằng Với mục tiêu chia tải, có rất nhiều bộ điều khiển đã được phát triển với mục đích duy trì sự

ổn định trong AC-microgrid Vòng điều khiển chia công suất dẫn đến sự ổn định của AC-microgrid Ví dụ như chia công suất cho biến tần song song đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả [9, 10] Hình 1.4 dưới đây cho thấy các cấu trúc điển hình của AC-microgrid kết nối với nhau và lưới AC điện áp trung thế

Hình 1.4 Lưới điện AC-microgrid

1.3.2.3 Lưới Hybrid Microgrid

Các hybrid microgrid là hệ thống kết hợp của cả AC và DC microgrid Trong

hệ thống này, bộ biến đổi công suất cho phép dòng điện chạy theo cả hai chiều được

sử dụng Hệ thống này có được lợi thế từ cả AC và DC microgrid Tải AC hoặc DC

có thể được cung cấp mà không cần bổ sung bộ biến đổi công suất, làm tăng hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống Tuy nhiên, nhược điểm là hệ thống yêu cầu một thuật toán điều khiển phối hợp để thực hiện ổn định hoạt động

1.4 NGUỒN NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN

Công nghệ nguồn năng lượng phân tán (DER) được xác định là nguồn năng lượng nhỏ và tài nguyên lưu trữ thường nằm ở phía khách hàng tải và cung cấp năng lượng cần thiết để cung cấp toàn bộ hoặc một phần nhu cầu phụ tải điện cho người dùng cuối Ngoài ra, nó có khả năng hoạt động song song với hệ thống phân phối chung Hệ thống này có thể làm việc riêng rẽ với các tiện ích như một hệ thống độc lập trong một khu vực bị cô lập [11]

Các nguồn năng lượng tái tạo cũng được gọi là DERs Nó là những đơn vị nguồn nhỏ tích hợp vào một microgrid Hoặc có thể là những đơn vị năng lượng tái tạo hoặc máy phát điện thông thường như máy phát điện đồng bộ và máy phát cảm ứng như trong hình 1.5 Từ phía nguồn đầu ra của một máy phát điện đòi hỏi các bộ chuyển đổi công suất để chuyển đổi thành nhiều dạng khác nhau; nó có thể sản xuất

tần, hoặc cả hai chỉnh lưu và một biến tần để đảm bảo rằng các tần số đầu ra và điện

áp là tương tự như của lưới điện

Hình 1.5 Phân loại nguồn năng lượng DER Trong điều kiện kiểm soát dòng công suất, một nguồn nhỏ có thể được coi như một trong hai hệ thống có thể truyền đi xa hay không thể truyền xa Các hệ thống điều khiển giám sát xác định các điểm hoạt động sản xuất của các đơn vị truyền đi

xa Vì thế, máy phát điện đồng bộ là đơn vị thông thường có thể được điều chỉnh và kiểm soát bên ngoài DG sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là đơn vị thường không truyền đi xa; công suất đầu ra của họ chỉ có thể được quy định, dựa trên công suất đầu ra tối ưu của các nguồn năng lượng sơ cấp - ví dụ, kiểm soát theo dõi công suất tối đa trong một hệ thống quang điện

Có một số công nghệ DG, chẳng hạn như: hệ thống nhiệt điện kết hợp (CHP),

hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS), hệ thống quang điện năng lượng mặt trời, thủy điện quy mô nhỏ và các thiết bị lưu trữ nguồn năng lượng tái tạo khác là những ví dụ của các công nghệ được phát triển từ các DERs Khí hậu và các cấu trúc liên kết của một khu vực là những yếu tố quan trọng để xem xét trước khi cài đặt DER

1.5 CÁC VẤN ĐỀ CỦA LƯỚI MICROGRID

1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lượng

Một microgrid bao gồm là một cụm các tải và nguồn phân tán hoạt động như một hệ thống điều khiển thống nhất cung cấp điện cho khu vực cục bộ của mình Đối với lưới công cộng, các microgrid có thể được coi như là một tải điều khiển thống nhất trong vài giây đáp ứng nhu cầu của các hệ thống truyền tải Đối với hộ tiêu thụ, các microgrid có thể đáp ứng nhu cầu đặc biệt của họ chẳng hạn như, nâng cao độ tin cậy cục bộ, giảm thiểu tổn thất đường dây, hỗ trợ điện áp tại chỗ, đem lại hiệu quả thông qua việc sử dụng nhiệt thải, hiệu chỉnh điện áp hoặc các chức năng cung cấp điện liên tục Trong [12], trọng tâm là trên các hệ thống phân phối nguồn phân tán có thể chuyển đổi chế độ linh hoạt từ kết nối lưới điện sang chế độ độc lập

mà không ảnh hưởng đến các tải quan trọng Chiến lược điều khiển cho microgrid

và kỹ thuật quản lý điện năng được thảo luận trong [13-15] Năng lượng cao cấp là một khái niệm dựa trên việc sử dụng các thiết bị điện điện tử (chẳng hạn như các thiết bị điện và các bộ lọc tùy chỉnh hoạt động) Bộ phận phân phối và nguồn cung cấp điện liên tục để cung cấp năng lượng cho các tải quan trọng Nguồn năng lượng này cần phải có một mức độ cao về độ tin cậy và chất lượng điện năng hơn so với nguồn cung cấp công cộng Những công nghệ này đòi hỏi sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất để giao tiếp với các mạng lưới điện và tải của nó Trong nhiều trường hợp, nguồn điện áp DC (ví dụ như PV), khi đó phải được chuyển đổi sang một điện áp xoay chiều có tần số, cường độ và góc pha cần thiết Trong những trường hợp này, việc chuyển đổi sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ biến tần nguồn áp, sử dụng điều chế độ rộng xung để đảm bảo điều khiển nhanh chóng của cường độ điện áp Độ tin cậy, chế độ vận hành kinh tế và quy hoạch của microgrid được trình bày trong [16-17]

Một số vấn đề cơ bản cần phải được giải quyết là:

- Vấn đề điều khiển: Điều quan trọng nhất trong hệ phân phối là những khó khăn kỹ thuật liên quan đến điều khiển của một số lượng lớn nguồn phân tán

- Vận hành và đầu tư nguồn phát: Phát triển các nguồn có quy mô lớn hơn Đối với các nguồn của microgrid thì việc bảo vệ kết nối có thể phải thêm 50% chi phí của hệ thống [14] Sử dụng microgrid phép cho các lợi thế chi phí cùng các đơn vị DG lớn bằng cách đặt nhiều nguồn trên thanh cái DC duy nhất với 01 bộ biến đổi công suất làm giao diện

- Vấn đề chất lượng/ Quản lý công suất Độ tin cậy: DG có thế mạnh là tăng

độ tin cậy của hệ thống và chất lượng điện do sự phân cấp cung cấp Tăng mức độ tin cậy có thể thu được nếu DG được phép hoạt động độc lập trong chế độ quá độ

1.5.2 Microgrid và chế độ tự động

Các bộ biến đổi công suất kết nối song song được điều khiển để cung cấp công suất mong muốn cho hệ thống Tín hiệu cục bộ được sử dụng như thông tin phản hồi để điều khiển bộ biến đổi, vì trong một hệ thống thực sự, khoảng cách giữa các

bộ chuyển đổi có thể làm cho thông tin liên lạc không thực hiện được Cách tiếp cận chung cho việc chia công suất tác dụng và công suất phản kháng là điều khiển theo nguyên lý droop của hai đại lượng độc lập đó là tần số và biên độ điện áp [18-20] Trong đó, công suất tác dụng điều khiển tần số hệ thống, trong khi công suất phản kháng điều khiển biên độ điện áp

Trong microgrid, người ta quan tâm là tất cả các DGs đáp ứng với bất kỳ sự thay đổi tải trong một tỷ lệ định mức để tránh sự quá tải của một DG Nếu tồn tại cả hai DG quán tính và không quán tính, thời gian đáp ứng của mỗi DG đối với sự thay đổi trong nhu cầu nạp năng lượng sẽ khác nhau DG không quán tính thông qua bộ biến đổi công suất có thể điều khiển điện áp đầu tức thời và như vậy sự thay đổi trong nhu cầu năng lượng có thể được đáp ứng một cách nhanh chóng Trong khi một DG quán tính, tốc độ thay đổi công suất bị giới hạn bởi sức ì máy Để đảm bảo rằng sự thay đổi tải tất cả các DG với cùng một tốc độ, thì tốc độ thay đổi trong DG không quán tính là do bộ biến đổi thực hiện

1.5.3 Điều khiển ở chế độ kết nối lưới và độc lập

Các mạch điện tử công suất tạo ra các vấn đề điều khiển mới và khả năng phát

triển Nó là cần thiết để tạo ra một giao diện điện tử công suất cho phép các cụm

nguồn phát DG hoạt động trong cả hai chế độ độc lập và như là một vệ tinh của hệ

thống điện trong cung cấp công suất chất lượng cao với mức chi phí thiết bị tối

thiểu Yêu cầu cơ bản của giao diện điện tử công suất là:

- Đảm bảo cung cấp năng lượng cố định và điều chỉnh điện áp tại chỗ

- Đảm bảo thuận lợi cho DG theo dõi thay đổi của tải và sử dụng lưu trữ

- Đảm bảo kết hợp phương pháp "tần số droop" để việc chia tải giữa các nguồn

DG hoạt động trong chế độ độc lập mà không có thông tin liên lạc giữa các

nguồn

Trong [21], nhóm tác giả đề xuất việc sử dụng một hệ thống truyền dữ liệu

băng thông thấp cùng với đo lường tín hiệu phản hồi tại chỗ cho mỗi DG Điều này

đạt được bằng cách kết hợp hai phương pháp điều khiển: Phương pháp điều khiển

droop và điều khiển công suất trung bình Phương pháp điều khiển công suất trung

bình với một tốc độ cập nhật chậm được sử dụng để bỏ qua lỗi đo lường điện áp và

dòng điện Ngoài ra, sơ đồ droop sóng hài dung để chia thành phần hài của dòng tải

cũng được đề xuất Nhưng các thông tin liên lạc giữa các DG không luôn luôn đảm

bảo trong thực tế do khoảng cách vật lý giữa chúng Việc áp dụng các điều khiển

thích nghi hoặc điều khiển bền vững nguồn phân tán được trình bày trong [22-23]

1.5.4 Độ tin cậy và chất lượng hệ thống

Độ tin cậy cũng là một vấn đề quan trọng trong hoạt động microgrid Thay đổi

thường xuyên tải, vị trí và công suất DG luôn là thách thức các hệ thống quản lý

điện năng và độ tin cậy hệ thống Từ quan điểm độ tin cậy, việc tần xuất cách ly

giữa microgrid và lưới là rất cần thiết Với số lượng lớn các DG và tải kết nối trong

một khoảng rộng của microgrid, trong hầu hết trường hợp, cách ly giữa các lưới

điện và các microgrid sẽ đảm bảo vận hành an toàn

Bất kỳ sự thay đổi hay dao động điện áp hoặc tần số phía lưới đều có tác động trực

tiếp đến điện áp tải phía microgrid Để đảm bảo cho các tải quan trọng hoạt động an

toàn, không cho phép bất kỳ sự thay đổi đột ngột trong hệ thống điện áp và tần số

Sự tách biệt giữa các lưới điện và microgrid không chỉ đảm bảo an toàn hoạt động của các tải microgrid mà còn giúp ngăn ngừa tác động trực tiếp của sự thay đổi tải microgrid hoặc thay đổi điện áp đầu ra trong DG lên trạng thái của lưới

Tải của microgrid có thể là phi tuyến hoặc không cân bằng Hơn nữa bản thân

bộ nghịch lưu nguồn áp (VSC) trong DG cũng là nguồn sinh ra các thành phần sóng hài Vì vậy, điều quan trọng là phải đảm bảo một cấu hình bù đó là phù hợp vừa để cung cấp năng lượng điện cho microgrid, đồng thời bù cho các thành phần phi tuyến tính/ hay mất cân bằng Chất lượng nguồn cung cấp luôn là mối quan tâm và các kỹ thuật khác nhau được đề xuất trong [24, 25] Xác định mức độ xâm nhập cho phép của các nguồn phân tán dựa trên giới hạn về thành phần hài đã được đề cập trong [26] Nhiều phương pháp tối ưu hóa cũng được đề xuất để lập kế hoạch và giảm tổn thất năng lượng [27, 28]

Sơ đồ đề xuất một bộ điều khiển PI điều chỉnh cho góc máy phát điện và từ thông Đặc tính động của hệ thống được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng kỹ thuật điều khiển tiên tiến Tương tự như sự ổn định của tín hiệu nhỏ so với hệ thống điện thông thường Trong [31], tác giả trình bày các sơ đồ điều khiển dẫn đến các chế độ dao động tắt dần Để xác định các tín hiệu hồi tiếp cho các bộ điều khiển, phân tích

độ nhạy được thực hiện Các vấn đề ổn định tần số thấp với sự thay đổi nhu cầu năng lượng được nghiên cứu trong [32] và chỉ ra rằng sự thay đổi trong nhu cầu

năng lượng, sự chuyển động của các dao động tần số thấp đến vị trí mới ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống Trong [33], phân tích tín hiệu nhỏ sự ổn định của droop control kết hợp và phương pháp công suất trung bình để điều khiển chia tải nhiều nguồn phân tán trong một chế độ độc lập được thảo luận Mô hình tín hiệu nhỏ được phát triển và độ chính xác của nó được xác nhận từ mô phỏng của mô hình phi tuyến gốc

1.6 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Dựa trên những tài liệu tham khảo, mục tiêu của luận văn nghiên cứu được thiết lập như sau:

- Cải thiện các kỹ thuật phân chia công suất trong một microgrid thông qua bộ biến đổi công suất

- Điều khiển chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ kết nối lưới và chế độ độc lập

- Nâng cao chất lượng điện năng trong một microgrid có tải phi tuyến và không cân bằng

- Nâng cao độ ổn định với bộ điều khiển đề xuất

Chương 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU ÁP

TRONG MICROGRID 2.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Hình 2.1 Sơ đồ khối của một bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng điện

trên trục dq Trong hệ thống microgrid, bộ biến đổi nguồn áp được sử dụng có thể mô tả như trong hình 2.1 Trong đó, có thể được sử dụng để điều khiển công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng Mục tiêu là để điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời chuyển đổi bởi hệ thống biến đổi nguồn áp tại điểm kết nối

chung, đó là P s (t) và Q s (t)

2.2 ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ ÁP VÀ CHẾ ĐỘ DÕNG ĐIỆN

Hình 2.2 minh họa cho bộ điều khiển trên trục dq Như vậy, Ps và Qs được điều khiển bởi các thành phần dòng điện dây id và iq Các tín hiệu phản hồi và chuyển tiếp đầu tiên được chuyển thành trục dq và sau đó xử lý bằng việc bù để tạo các tín hiệu điều khiển trên trục dq Cuối cùng, các tín hiệu điều khiển được chuyển

đổi thành trục abc và cung cấp bộ biến đổi nguồn áp như trong hình 2.1 Để bảo vệ

bộ biến đổi nguồn áp, các thông số tham chiếu idref và iqref được giới hạn bởi các khối bão hòa

Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng của hệ thống biến đổi nguồn áp

2.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Mô hình toán học của khối điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng được thành lập như sau:

Giả sử rằng điện áp ba pha của hệ thống AC ở hình 2.1 là:

(2.1)

Trong đó ̂ là giá trị đỉnh của điện áp đường dây và trung trính, là tần số

hệ thống AC, và là góc pha ban đầu nguồn Vecto không gian tương ứng của

Động năng phía AC của hệ thống biến đổi nguồn áp của hình 2.1 được mô tả theo hướng vector không gian được tính như sau:

f t  f  jf  f  jf e  để diễn giải công thức (2.4)

Trong công thức (2.9) - (2.11), id, iq, và ρ là các biến trạng thái, và Vtd, Vtq, và

ω là ngõ vào điều khiển Hệ thống được mô tả bởi công thức (2.9) - (2.11) là phi tuyến do sự hiện diện của ωid, ωiq, cos(ω0t + 0-ρ) và sin(ω0t + 0-ρ)

Giả sử rằng ρ có một điều kiện ban đầu bằng không và ω (t) ≡ 0 Do đó, ρ vẫn bằng không tại mọi thời điểm, và công thức (2.9) và (2.10) giả định có hình thức

hệ thống biến đổi nguồn áp trên trục αβ; so sánh công thức (2.12) và (2.13), tương ứng với công thức (2.10) và (2.11) xác nhận kết luận này

Các thảo luận ở trên cho thấy sự hữu ích của trục dq phụ thuộc vào lựa chọn đúng đắn ω và ρ Đối với hệ thống biến đổi nguồn áp ở hình 2.1, nếu ω=ω0 và ρ(t)=ω0t+ 0, thì công thức (2.9) và (2.10) có dạng

2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DẠNG ĐIỀU KHIỂN DÕNG

Với việc tham chiếu đến bộ điều khiển công suất thực / công suất phản kháng của hình 2.1, dựa trên biến đổi dq, công suất thực vào công suất phản kháng cho hệ thống AC tại điểm kết nối chung là

3 (t) ( ) ( ) 2

3 (t) ( ) ( )

Nếu hệ thống điều khiển đảm bảo hiệu suất kiểm tra lệnh nhanh chóng, đó là,

id ≈ idref và iq ≈ iqref, thì Ps ≈ Psref và Qs ≈ Qsref Từ đó cho thấy rằng Ps(t) và Qs(t) có thể được điều khiển độc lập bởi các lệnh tham chiếu tương ứng của chúng Bởi vì

Vsd là biến DC (trong trạng thái ổn định), idref và iqref cũng là các biến DC nếu Psref

và Qsref là các tín hiệu liên tục Như vậy, theo dự kiến, hệ thống điều khiển trục dq liên quan tới các biến DC, không giống như hệ thống điều khiển trục αβ liên quan tới các tín hiệu hình sin

Điều khiển trục dq của bộ điều khiển công suất thực công suất phản kháng của hình 2.1 dựa trên công thức (2.9) và (2.10) Giả sử tình trạng hoạt động ổn định

và thay ω(t) = ω0 vào trong công thức (2.9) và (2.10), ta suy ra:

định cho uq Sau đó dựa vào công thức (2.27) uq đóng góp cho mq Bộ biến đổi nguồn áp khuyết đại md và mq với một hệ số VDC 2 và tạo ra Vtd và Vtq điều khiển id

và iq dựa vào công thức (2.22) và (2.23) Trên cơ sở các quy trình điều khiển nói trên, một phác thảo có thể sơ đồ khối điều khiển đơn giản của hình 2.2, tương đương với hệ thống điều khiển của hình 4.6 Cần lưu ý rằng trong hệ thống điều khiển hình 2.2, tất cả các điều khiển, các tín hiệu hồi tiếp, các tín hiệu chuyển là thành phần DC trong trạng thái ổn định

Hình 2.3 chỉ ra rằng các mô hình điều khiển trong cả hai trục d và q các vòng điều khiển dòng là giống hệt nhau Vì vậy, các bù tương ứng cũng có thể giống hệt nhau Hãy xem xét vòng điều khiển trục d Không giống như điều khiển trục αβ bộ

bù là khá khó khăn để tối ưu hóa và thường là các bậc động năng cao, kd(s) có thể là một bộ tỷ lệ - tích phân (PI) bù đơn giản để kích hoạt tính năng kiểm tra của một lệnh tham chiếu DC

rằng 1/τi sẽ lớn, đó là băng thông của hệ thống điều khiển vòng kín

Hình 2.3 Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống biến đổi nguồn áp dạng điều khiển

dòng ở hình 2.2

2.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC BỘ NGHỊCH LƯU KẾT NỐI SONG SONG

Trong luận văn này, tác giả đề xuất bộ điều khiển droop cải tiến cho phép chia tải chính xác tỷ lệ với công suất định mức của bộ nghịch lưu đảm bảo giảm sụt áp

do ảnh hưởng của tải và các hệ số droop và duy trì điện áp tải trong phạm vi định mức Trong đó công suất tác dụng và công suất phản kháng được chia bằng cách điều chỉnh điện áp theo điện áp droop tham chiếu trong điều kiện nhiều bộ nghịch lưu làm việc song song với sự khác biệt rõ rệt giữa tổng trở đường dây, tổng trở ngõ

ra của các bộ nghịch lưu áp Sơ đồ điều khiển được trình bày như trong hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu đề xuất

ta đặt ra cơ cấu để điều chỉnh ở 0 Điều này có thế đạt đƣợc dựa trên định luật hồi tiếp sau đây:

không bám đi theo Để cản trở ngăn cản chu vi hình giới hạn từ taking place, quy luật điều khiển có thể bị biến đổi như:

Hình 2.5 Sơ đồ khối điều khiển của PLL

Phương trình (2.41) trình bày vòng điều khiển hồi tiếp cổ điển trong đó

là đầu vào tham chiêú, là đầu ra, và ̂ ( ) là hàm truyền của bộ bù có lợi, như trong sơ đồ khối của hình 2.5

Hình 2.6 minh họa sơ đồ mạch của PLL dựa trên (3.77), (3.80), và (3.81) Hình 2.6 chỉ ra rằng PLL biến đổi thành (dựa trên (4.73)) và điều chỉnh tốc độ góc của hệ quy chiếu , đó là, , để mà bị cưỡng bức thành 0 trong trạng thái xác lập Kết quả cuối cùng là và Điều này sẽ được chỉ ra trong sơ đồ khối của hình 2.5, bộ lấy tích phân của (2.38) được thực hiện bằng phương pháp bộ dao động khống chế bằng điện áp (VCO) The VCO có thể được coi như một bộ lấy tích phân có thể cài đặt lại của ngõ ra, , thì cài đặt ở 0 khi nó đạt 2π

Hình 2.6 Sơ đồ mạch của PLL.

Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI

CÂN BẰNG TRONG MICROGRID

3.1 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THÔNG

Kỹ thuật điều khiển dựa trên truyền thông có thể điều khiển điện áp và chia sẻ công suất thích hợp Biên độ điện áp đầu ra và tần số sẽ gần với giá trị định mức

mà không cần sử dụng cấp điều khiển thứ cấp [20] Tuy nhiên, các chiến lược kiểm soát đòi hỏi đường truyền thông giữa các mô-đun, dẫn đến tăng chi phí của hệ thống Đường dây truyền thông dài sẽ làm giảm độ tin cậy của hệ thống Trong phần sau

đây, một số chiến lược điều khiển dựa trên truyền thông tiêu biểu được xem xét

3.1.1 Điều khiển tập trung

Các phương pháp điều khiển tập trung trung tâm được trình bày trong [23] - [27] và được minh họa trong hình 3.1 Phương pháp điều khiển đòi hỏi các tín hiệu đồng bộ hóa chung và các mô-đun điều khiển chia công suất PLL của mỗi mô-đun

có thể đảm bảo sự thống nhất giữa tần số và pha của điện áp đầu ra và tín hiệu đồng

bộ Ngoài ra, các mô-đun chia dòng điện có thể phát hiện tổng tải, trong đó xác định các giá trị tham chiếu của dòng điện của mỗi mô-đun Dòng điện tham chiếu là một phần nhỏ của dòng điện tải ILoad Khi số mô-đun bằng N, iref = ILoad / N