Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện, Điện tử và Viễn thông: Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài xây dựng chiến lược cho chương trình DSM nhằm vận hành hệ thống khai thác PVG và WG trong EPS Việt Nam. Chiến lược này sẽ phân tích biểu đồ giá bán và giá mua điện tại Việt Nam. Đồng thời, đề tài sẽ xây dựng các bộ điều khiển để có thể đáp ứng được các yêu cầu của chương trình DSM.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện, Điện tử và Viễn thông: Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Minh Cường NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG BẰNG BIỆN PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2020
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Minh Cường NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG BẰNG BIỆN PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Thái Quang Vinh Hà Nội – Năm 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn đầy đủ theo quy định. Hà Nội, ngày 10 tháng 8 năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Minh Cường
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự hướng dẫn tận tình, cũng như sự động viên khích lệ và sự đồng cảm của thầy hướng dẫn: PGS.TS. Thái Quang Vinh trong suốt quá trình thực hiện luận án từ hình thành ý tưởng cho đề tài, xây dựng kế hoạch thực hiện và thiết kế cấu trúc theo trình tự từng bước hình thành luận án. Tôi xin được cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có môi trường nghiên cứu cởi mở và nghiêm túc cùng cơ sở vật chất cần thiết để thực hiện luận án, quan trọng hơn đã có những đóng góp trao đổi thiết thực và sâu sắc về nội dung chuyên môn trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin được cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Viện Công nghệ Thông tin, với những hướng dẫn chuyên môn hết sức cần thiết và rất giá trị. Tôi xin được cảm ơn đến những người bạn, các nghiên cứu sinh của Viện Công nghệ Thông tin đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi dành tình cảm và lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đặc biệt là vợ và con tôi, những người đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn suốt những ngày tháng thực hiện luận án.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..................................................... vii KÝ HIỆU ....................................................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... xiv MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2 4. Trọng tâm nghiên cứu của luận án ............................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................... 3 7. Cấu trúc luận án ............................................................................................ 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG …………………………….……….5 1.1. Khái quát về nguồn pin mặt trời và điện gió ............................................. 5 1.1.1. Khái quát về nguồn pin mặt trời ............................................................. 5 1.1.2. Khái quát về nguồn điện gió ................................................................... 5 1.2. Vấn đề DSM trên thế giới và tại Việt Nam ............................................... 7 1.2.1. Vấn đề DSM trên thế giới ....................................................................... 7 1.2.2. Vấn đề DSM tại Việt Nam....................................................................... 9 1.3. Cấu trúc của hệ thống khai thác hệ nguồn vận hành theo chương trình DSM.....10 1.4. Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết ........................... 12 1.4.1. Một số vấn đề còn tồn tại...................................................................... 12
iv 1.4.2. Đề xuất hướng giải quyết ..................................................................... 16 1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................... 17 Chương 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ NGUỒN VÀ BÀI TOÁN DSM .......... 18 2.1. Nguồn pin mặt trời................................................................................... 18 2.1.1. Phương trình mô tả đặc tính của nguồn pin mặt trời ........................... 18 2.1.2. Các tham số mô tả toán học của nguồn pin mặt trời............................ 19 2.2. Nguồn điện gió ........................................................................................ 20 2.2.1. Phương trình mô tả toán học turbine gió ............................................. 20 2.2.2. Các tham số mô tả toán học của nguồn điện gió.................................. 21 2.3. Xây dựng chương trình DSM tại nút khai thác hệ nguồn trong điều kiện cụ thể của hệ thống điện Việt Nam ..................................................................... 24 2.3.1. Chiến lược điều độ luồng công suất theo mô hình DSM ...................... 24 2.3.2. Một số ràng buộc và giới hạn ............................................................... 24 2.3.3. Đề xuất thuật toán DSM vận hành tại nút có sự tham gia của hệ nguồn trong điều kiện cụ thể của hệ thống điện Việt Nam ........................................ 30 2.3.4. Đề xuất phương pháp đánh giá hiệu quả của chương trình DSM và dung lượng ES tối ưu cho bài toán DSM ................................................................. 38 2.4. Kết quả mô phỏng chương trình DSM vận hành hệ thống khai thác hệ nguồn áp dụng vào hệ thống điện Việt Nam .................................................. 41 2.4.1. Thông số đầu vào.................................................................................. 41 2.4.1.1. Kịch bản DSM 1 ................................................................................ 41 2.4.1.2. Kịch bản DSM 2 ................................................................................ 42 2.4.1.3. Dữ liệu liên quan đến BBĐ................................................................ 43 2.4.2. Xác định dung lượng tối ưu của ES ...................................................... 44 2.4.3. Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu quả bài toán DSM kịch bản 1 .......... 44 2.4.4. Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu quả bài toán DSM kịch bản 2.......... 48 2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................... 53
v Chương 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHAI THÁC HỆ NGUỒN CÓ DSM .. 54 3.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác hệ nguồn có DSM ..................... 54 3.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển và mô tả toán học các bộ biến đổi điện tử công suất57 3.2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển theo mô hình tín hiệu nhỏ .......................... 57 3.2.2. Mô tả các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC/DC buck ..................... 58 3.2.3. Mô tả các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC/DC boost.................... 58 3.2.4. Mô tả các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC/AC một pha ................ 59 3.3. Xây dựng bộ điều khiển nguồn pin mặt trời ............................................ 61 3.3.1. Kỹ thuật IB xác định điểm công suất cực đại ....................................... 61 3.3.2. Xác định thông số bộ điều khiển IB-AVC ............................................. 64 3.3.3. Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC boost theo phương pháp IB-AVC 67 3.4. Xây dựng bộ điều khiển nguồn điện gió.................................................. 68 3.5. Xây dựng bộ điều khiển ghép nối lưới theo yêu cầu DSM ..................... 71 3.5.1. Cấu trúc điều khiển............................................................................... 71 3.5.2. Bộ điều khiển dòng điện ....................................................................... 72 3.5.3. Bộ điều khiển công suất ........................................................................ 75 3.6. Kết quả mô phỏng.................................................................................... 77 3.6.1. Thông số mô phỏng............................................................................... 77 3.6.1.1. Thông số của PVG ............................................................................. 77 3.6.1.2. Thông số của WG .............................................................................. 79 3.6.1.3. Thông số vận hành............................................................................. 79 3.6.2. Sơ đồ mô phỏng trên MATLAB/Simulink ............................................. 81 3.6.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................. 83 3.7. Kết luận chương 3 ................................................................................... 88 Chương 4 THỰC NGHIỆM BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN DÒNG CÔNG SUẤT TẠI NÚT CÓ SỰ THAM GIA CỦA HỆ NGUỒN ....................................... 89 4.1. Xây dựng mô hình cấu trúc thiết bị thực ................................................. 89 4.2. Phương pháp vận hành mô hình thiết bị thực .......................................... 91
vi 4.3. Các thiết bị chính ..................................................................................... 95 4.3.1. Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt trời ......................................... 95 4.3.2. Cảm biến đo nhiệt độ ............................................................................ 95 4.3.3. Ắc quy, tải AC, máy biến áp ................................................................. 96 4.3.4. Mạch điều khiển.................................................................................... 96 4.3.5. Lắp đặt các thiết bị và cài đặt .............................................................. 97 4.4. Kết quả thực nghiệm................................................................................ 98 4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................. 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 108 1. Kết luận..................................................................................................... 108 2. Kiến nghị .................................................................................................. 109 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾNLUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................................................. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 111
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Cụm từ được viết tắt trong Cụm từ được viết tắt từ tiếng tiếng Việt tương đương Anh tương đương AC Dòng điện xoay chiều Alternative Current AVC Kỹ thuật điều khiển điện áp trung Average Voltage Control bình BBĐ Bộ biến đổi Power Converter DSM Quản lý yêu cầu năng lượng Demand-Side Management ES Kho điện Energy Storage EH Trung tâm năng lượng Energy Hub EPS Hệ thống điện Electric Power System DC Dòng điện một chiều Direct Current IB Kỹ thuật dò và chia đôi Iterative and Bisectional technique PVG Nguồn pin mặt trời Photovoltaic Power Ggeneration PMSG Máy phát điện nam châm vĩnh cửu Pernament Magnet Synchronous Generator WG Nguồn điện gió Wind Power Generation H-CS Hệ thống điều khiển ghép Hybrid Control Signal HCS Kỹ thuật leo đồi Hill-Climb Search STC Điều kiện tiêu chuẩn Standard Test Condition PYR Cảm biến đo công suất của bức xạ Pyranometer mặt trời TempS Cảm biến đo nhiệt độ Temperature sensor TSR Tỷ số tốc độ đầu cánh Tip Speed Ratio PSF Phản hồi tín hiệu công suất Power Signal Feedback
viii KÝ HIỆU Ký Đơn vị Ý nghĩa hiệu C F Điện dung Cins Wh hoặc kWh Dung lượng tức thời của ES Cr Wh hoặc kWh Dung lượng định mức của ES Cmin Wh hoặc kWh Dung lượng tối thiểu của ES C(i) Wh hoặc kWh Biến dung lượng trung gian tạm thời CTI %/0C hoặc Hệ số thay đổi của dòng điện theo nhiệt độ mA/0C CTP %/0C Hệ số thay đổi của Pmpp theo nhiệt độ CTV %/0C hoặc Hệ số thay đổi của điện áp theo nhiệt độ mV/0C Cp Hệ số chuyển đổi công suất gió thành điện năng D, d Hệ số điều chế độ rộng xung trung bình hoặc tức thời Dp Hệ số cản dịu của rotor Eas Wh hoặc kWh Lượng năng lượng có thể bán Erb Wh hoặc kWh Lượng năng lượng phải mua Es Wh hoặc kWh Dung lượng thừa tức thời EG Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn EGconv Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus EGconvH Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện cao EGconvH1 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện cao thứ nhất EGconvH2 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện cao thứ hai
ix EGconvM Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện trung bình EGconvM1 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện trung bình thứ nhất EGconvM2 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện trung bình thứ hai EGconvM3 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện trung bình thứ ba EGconvL Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện thấp EGconvL1 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện thấp thứ nhất EGconvL2 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá điện thấp thứ hai Eload Wh hoặc kWh Năng lượng của tải EloadH Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện cao EloadH1 Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện cao thứ nhất EloadH2 Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện cao thứ hai EloadM Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình EloadM1 Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình thứ nhất EloadM2 Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình thứ hai EloadM3 Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình thứ ba EloadL Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện thấp EloadL1 Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện thấp thứ nhất EloadL2 Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện thấp thứ hai fS kHz Tần số phát xung G W/m2 Công suất của bức xạ mặt trời I0 A Dòng quang điện bão hòa
x Id A Dòng điện chạy qua diode của PVG ig A Dòng điện các pha tức thời tại điểm liên kết với lưới Ig A Biên độ dòng điện các pha tại điểm liên kết với lưới iL A Dòng điện trung bình hoặc tức thời qua cuộn cảm BBĐ Impp A Dòng điện tại MPP Ip A Dòng điện chạy qua điện trở song song của PVG Iph A Dòng quang điện phát ra của PVG ipv, Ipv A Dòng điện tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVG ISC A Dòng điện ngắn mạch của PVG J kgm2 Hằng số quán tính của rotor và turbine k eV/K Hằng số Boltzmann L H Điện cảm n Hệ số đặc trưng của diode  Hiệu suất của quá trình biến đổi công suất Np Số lượng đơn vị ghép song song của PVG NS Số lượng đơn vị ghép nối tiếp của PVG Pg W hoặc kW Công suất tác dụng ở phía AC của BBĐ DC/AC p Số đôi cực của máy phát Pgref W hoặc kW Công suất tác dụng yêu cầu ở phía AC của BBĐ DC/AC Pmpp W hoặc kW Công suất tại MPP PoP Tỷ lệ công suất huy động giữa các nguồn Pm W hoặc kW Công suất hữu ích turbine nhận được từ gió PACload W hoặc kW Công suất của phụ tải xoay chiều PDCload W hoặc kW Công suất của phụ tải một chiều Pload W hoặc kW Công suất tổng hợp của phụ tải tính tại DCbus
xi PPVconv Công suất thu được trên nhánh PV nối với DCbus PWGconv Công suất thu được trên nhánh WG nối với DCbus PGconv Tổng công suất thu được từ hệ nguồn tại DCbus PPVr Công suất định mức của PVG PWGr Công suất định mức của WG q C Điện tích của electron Rdc, R  Điện trở cuộn cảm phía DCbus và điện trở phía AC của BBĐ DC/AC Req  Điện trở tương đương của PVG Rp  Điện trở song song của PVG RS  Điện trở nối tiếp của PVG RLP Tỷ số lượng công suất thiếu hụt T 0C hoặc 0K Nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n Tamb 0C hoặc Nhiệt độ môi trường 0K Tm giây Mô men cơ Te giây Mô men điện từ Tfi giây Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo dòng điện TS giây Chu kỳ phát xung Tfv giây Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo điện áp  giờ Thời gian của chu kỳ tính toán DSM i giờ Thời gian của mỗi phân đoạn trong chu kỳ tính toán DSM Ug V Biên độ điện áp pha của lưới điện ug V Điện áp pha tức thời tại điểm liên kết với lưới điện Ug V Biên độ điện áp tại điểm liên kết với lưới điện Vdc, vdc V Điện áp trung bình hoặc tức thời trên DCbus
xii Veq V Điện áp tương đương của PVG Vmpp V Điện áp tại MPP VOC V Điện áp hở mạch của PVG vpv, Vpv V Điện áp tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVG Vt V Điện áp nhiệt lớp tiếp giáp p-n vr m/s Tốc độ gió định mức Vcut-in m/s Tốc độ gió bắt đầu làm việc Vcut-out m/s Tốc độ gió bị cắt ra vw m/s Tốc độ gió  Tỷ số tốc độ đầu cánh  độ Góc pitch của cánh turbine turbine rad/s Tốc độ quay của turbine  Rad/s Tốc độ quay của hệ trục r Rad/s Tốc độ quay của rotor máy phát  sd , sq Weiber Từ thông stator dò trên trục d-q  Weiber Từ thông nam châm vĩnh cửu tạo nên bởi rotor
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn và lượng điện năng yêu cầu của phụ tải trong kịch bản DSM 1 ...................... 42 Bảng 2.2 Lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn và lượng điện năng yêu cầu của phụ tải trong kịch bản DSM 2 ...................... 43 Bảng 2.3. Kết quả mối liên hệ giữa Cr và Cins(25)............................ 44 Bảng 2.4. Kết quả đánh giá hiệu quả của chương trình DSM .......... 52 Bảng 3.1. Các thông số cấu trúc ghép của PVG ............................... 78 Bảng 3.2. Thông số của WG............................................................. 79
xiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Khả năng làm việc của WG.................................................................. 6 Hình 1.2. Mô hình tách đảo khi vận mạng điện phân tán thông minh ................. 8 Hình 1.3. Khung giá mua điện theo biểu đồ ba giá tại Việt Nam ........................ 9 Hình 1.4. Cấu trúc hệ thống khai thác hệ nguồn vận hành theo mô hình DSM . 11 Hình 2.1. Sơ đồ mạch tương đương mỗi cấu trúc của PVG............................... 18 Hình 2.2. Đường đặc tính vpv-ipv và vpv-ppvtrên mặt phẳng v-i, v-p ................... 19 Hình 2.3. Sơ đồ mạch tương đương của PMSG trên hệ trục dq........................ 23 Hình 2.4. Phương pháp xấp xỉ diện tích thành lập đồ thị hình chữ nhật ............ 25 Hình 2.5. Thuật toán tạo bước tính cho chương trình DSM .............................. 26 Hình 2.6. Quy ước ký hiệu các đại lượng công suất trong toàn hệ thống .......... 27 Hình 2.7. Các chế độ phân bổ luồng công suất trong hệ thống khai thác hệ nguồn .................................................................................................................. 28 Hình 2.8. Đề xuất thuật toán DSM cho hệ thống khai thác hệ nguồn ................ 32 Hình 2.9. Đề xuất thuật toán vận hành toàn hệ thống cho kịch bản DSM 1 ...... 33 Hình 2.10. Thuật toán vận hành toàn hệ thống giờ L1 của kịch bản DSM 1 ..... 34 Hình 2.11. Thuật toán vận hành toàn hệ thống giờ L2 ....................................... 35 Hình 2.12. Đề xuất thuật toán vận hành toàn hệ thống cho kịch bản DSM 2 .... 36 Hình 2.13. Chương trình giai đoạn L1 của kịch bản DSM2 .............................. 37 Hình 2.14. Thuật toán vận hành hệ nguồn khi không áp dụng DSM ................. 39 Hình 2.15. Thuật toán xác định dung lượng ES tối ưu ...................................... 40 Hình 2. 16. Công suất thu được trên DCbus từ PVG và WG kịch bản DSM 1 . 41 Hình 2.17. Công suất thu được từ hệ nguồn và công suất yêu cầu .................... 41 của phụ tải kịch bản DSM 1 ............................................................................... 41 Hình 2.18. Công suất thu được trên DCbus từ PVG và WG kịch bản 2 ............ 42 Hình 2.19. Công suất thu được từ hệ nguồn và công suất yêu cầu .................... 43 của phụ tải kịch bản 2 ......................................................................................... 43 Hình 2.20. Đồ thị dung lượng tức thời của ES kịch bản 1 ................................. 45 Hình 2.21. Đồ thị Erb và Eas của kịch bản 1........................................................ 46
xv Hình 2.22. Đồ thị Zrb và Zas của kịch bản 1........................................................ 47 Hình 2.23. Đồ thị dung lượng tức thời của ES của kịch bản DSM 2 ................. 49 Hình 2.24. Đồ thị Erb và Eas của kịch bản DSM 2 .............................................. 50 Hình 2.25. Đồ thị Zrb và Zas của kịch bản DSM 2 .............................................. 51 Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác hệ nguồn ..................... 54 Hình 3.2. Sơ đồ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC buck ....................................... 58 Hình 3.3. Sơ đồ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC buck ..... 58 Hình 3.4. Sơ đồ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC boost ...................................... 59 Hình 3.5. Sơ đồ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC boost .... 59 Hình 3.6. Sơ đồ mạch lực BBĐ AC/DC 1 pha................................................... 59 Hình 3.7. Chế độ làm việc của BBĐ AC/DC 1 pha ở chế độ nghịch lưu .......... 60 Hình 3.8. Chế độ làm việc của BBĐ AC/DC 1 pha ở chế độ chỉnh lưu ............ 60 Hình 3.9. Mô hình đơn giản khóa chuyển mạch của BBĐ DC/AC ................... 60 Hình 3.10. Thuật toán xác định cặp giá trị tương ứng giữa v(i) với i(i) ............... 62 Hình 3.11. Trạng thái dịch chuyển của các điểm kế tiếp nhau .......................... 62 Hình 3.12. Quá trình dò tìm MPP trên đường đặc tính v-p ................................ 63 Hình 3.13. Thuật toán IB tìm MPP .................................................................... 63 Hình 3.14. Sơ đồ mạch tương đương ở trạng thái tín hiệu nhỏ .......................... 64 BBĐ DC/DC boost ............................................................................................. 64 Hình 3.15.Cấu trúc mạch vòng điều khiển BBĐ DC/DC boost......................... 65 theo phương pháp IB-AVC ................................................................................ 65 Hình 3.16. Mô hình Thevenin mạch điện tương đương của PVG ..................... 66 Hình 3.17. Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-AVC.......................... 68 Hình 3.18. Quá trình tìm MPP của phương pháp HCS ...................................... 69 Hình 3.19. Thuật toán HCS tìm MPP................................................................. 70 Hình 3.20. Cấu trúc điều khiển BBĐ DC/AC 1 pha .......................................... 71 Hình 3.21. Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện .............................. 72 nghịch lưu nguồn áp ........................................................................................... 72 Hình 3.22. Mô tả toán học mạch vòng điều khiển dòng điện ............................ 73 Hình 3.23. Mô hình cấu trúc mạch vòng công suất của BBĐ DC/AC .............. 76
xvi Hình 3.24. Đồ thị đặc tính v-i và v-p của cấu trúc PVG ghép ........................... 78 Hình 3.25. Sự biến thiên của G .......................................................................... 80 Hình 3.26. Sự biến thiên của tốc độ gió ............................................................. 80 Hình 3.27. Sự biến thiên của Pgref ....................................................................... 80 Hình 3.28. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống trên MATLAB/Simulink ................ 81 Hình 3.29. Sơ đồ mô phỏng khối PVG trên MATLAB/Simulink ..................... 81 Hình 3.30. Sơ đồ mô phỏng khối WG trên MATLAB/Simulink ....................... 82 Hình 3.31. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển IB-AVC trên MATLAB/ Simulink 82 Hình 3.32. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển HCS trên MATLAB/Simulink ....... 82 Hình 3.33. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển phía lưới trên MATLAB/Simulink 82 Hình 3.34. Đường đặc tính Pmpp và Ppv .............................................................. 83 Hình 3.35. Đường đặc tính công suất phát ra từ WG ......................................... 83 Hình 3.36. Đường đặc tính công suất thu được trên DCbus của nhánh PVG .... 84 Hình 3.37. Đường đặc tính công suất thu được trên DCbus của nhánh WG ..... 84 Hình 3.38. Đường đặc tính công suất trao đổi của ES ....................................... 84 Hình 3.39. Đường đặc tính công suất Pgref và Pg của BBĐ DC/AC ................... 85 Hình 3.40. Đặc tính điện áp ở đầu ra BBĐ DC/AC ........................................... 85 Hình 3.41. Đặc tính dòng điện ở đầu ra BBĐ DC/AC ....................................... 86 Hình 4.2. Cấu trúc đo lường, điều khiển và hiển thị dữ liệu .............................. 90 trong thực nghiệm .............................................................................................. 90 Hình 4.3. Cấu trúc hệ thống trong nguồn 1 ........................................................ 91 Hình 4.4. Chiến lược điều khiển hệ thống trong nguồn 1 .................................. 92 Hình 4.5. Cấu trúc BBĐ DC/DCs1 và BBĐ DC/DCs2 ........................................ 93 Hình 4.6. Các trường hợp phân bố dòng công suất trong toàn hệ thống ............ 94 Hình 4.7. Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực ..................................... 94 Hình 4.8. Cảm biến PYR-BTA đo công suất của bức xạ mặt trời ..................... 95 Hình 4.9. Cảm biến LM35 đo nhiệt độ .............................................................. 96 Hình 4.10. Các thiết bị trên mô hình thực .......................................................... 97 Hình 4.11. Giao diện chương trình điều khiển nguồn 1 ..................................... 98 Hình 4.12. Giao diện chương trình điều tiết luồng công suất giữa các nguồn ... 98
xvii Hình 4.13. Kết quả lấy mẫu lần thứ nhất kiểm nghiệm ..................................... 99 khả năng khai thác MPP ..................................................................................... 99 Hình 4.14. Kết quả lấy mẫu lần thứ hai kiểm nghiệm ..................................... 100 khả năng khai thác MPP ................................................................................... 100 Hình 4.15. Kết quả lấy mẫu lần thứ ba kiểm nghiệm khả năng khai thác MPP .......................................................................................................................... 101 Hình 4.16. Kết quả lấy mẫu thứ nhất và thứ hai kiểm nghiệm ........................ 104 khả năng phân phối dòng công suất tự nhiên ................................................... 104 Hình 4.17. Kết quả lấy mẫu thứ nhất và thứ hai kiểm nghiệm khả năng phân phối dòng công suất theo yêu cầu .................................................................... 106 Hình 4.18. Dạng sóng của tín hiệu điện áp xoay chiều .................................... 107 ở phía hạ và phía cao áp của MBA .................................................................. 107
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các nguồn điện truyền thống sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch, thủy năng của các dòng sông đang hủy hoại môi trường ngày càng nghiêm trọng. Đồng thời, đường truyền công suất trong hệ thống điện (EPS - Electric Power System) truyền thống đã bộc lộ những nhược điểm như chỉ truyền công suất theo một hướng duy nhất từ nguồn đến tải, gây tổn thất công suất lớn. Các quốc gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều đang đề ra các chương trình kích thích nhằm phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Điều này đã tạo động lực cho các nhà đầu tư và các nhà khoa học nghiên cứu vào lĩnh vực ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo mà chủ yếu là nguồn pin mặt trời (PVG - Photovoltaic Power Generation) và nguồn điện gió (WG - Wind Power Generation). Với lợi thế có thể lắp đặt ở các mái nhà, PVG và các loại WG ít tạo tiếng ồn đã và đang xu hướng được lắp đặt tại các hộ phụ tải để đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải trước khi bán điện về EPS. Trong các hệ thống này, chương trình quản lý nhu cầu năng lượng theo yêu cầu (DSM - Demand-Side Management) cũng là một trong những trọng tâm nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm đề ra các chiến lược vận hành khác nhau theo yêu cầu của EPS ở mỗi quốc gia. Cho đến nay, DSM đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào giải quyết trọn về hệ thống khai thác PVG và WG trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Đồng thời, chưa kết hợp giải quyết các bài toán khai thác tối đa năng lượng từ hai loại nguồn này trong cùng một hệ thống. Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm đầy đủ như đã kể trên.