Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện "Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan điều khiển microgrid; Mô hình dao động nhỏ microgrid; Xây dựng mô hình điều khiển tần số và điện áp; Ổn định của microgrid với phương pháp điều khiển dựa trên máy phát đồng bộ ảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ NGUỒN PHÂN TÁN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ NGUỒN PHÂN TÁN Ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Nguyễn Đức Huy 2. PGS.TS Trần Bách Hà Nội - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Đức Huy PGS.TS Trần Bách Nguyễn Văn Hùng i
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Đức Huy và PGS.TS Trần Bách đã trực tiếp bằng tâm huyết hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể Khoa Điện – Trường Điện – Điện Tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên, đóng góp chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các cộng sự, các đồng nghiệp của tác giả tại Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nơi tác giả công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả được yên tâm học tập, nghiên cứu. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai con và toàn thể gia đình đã hết lòng ủng hộ, động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành tốt luận án này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Hùng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................. ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN MICROGRID ................................. 6 1.1 Tổng quan về cấu trúc Microgrid ........................................................................ 6 1.2 Tổng quan về mô hình toán học Microgrid ......................................................... 8 1.3 Tổng quan phối hợp điều khiển trong Microgrid .............................................. 10 1.3.1 Phân cấp điều khiển Microgrid........................................................................ 10 1.3.2 Điều khiển sơ cấp............................................................................................. 13 1.3.3 Điều khiển thứ cấp ........................................................................................... 18 1.3.4 Điều khiển cấp 3 .............................................................................................. 20 1.4 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 21 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH DAO DỘNG NHỎ MICROGRID ............................. 22 2.1 Cơ sở toán học ................................................................................................... 22 2.1.1 Mô hình tuyến tính trong không gian trạng thái .............................................. 22 2.1.2 Biến đổi trục tọa độ abc – dq ........................................................................... 24 2.2 Mô hình dao động nhỏ máy phát điện đồng bộ ................................................. 26 2.2.1 Phương trình máy điện theo hệ trục rotor ........................................................ 27 2.2.2 Mô hình trạng thái đầy đủ máy điện đồng bộ .................................................. 29 2.3 Mô hình dao động nhỏ nguồn phân tán nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất - IBR 31 iii
2.3.1 Cấu trúc bộ biến đổi công suất ........................................................................ 31 2.3.2 Mô hình trung bình bộ biến đổi công suất ....................................................... 34 2.3.3 Chế độ nguồn áp .............................................................................................. 35 2.3.4 Chế độ nguồn dòng .......................................................................................... 41 2.4 Mô hình dao động nhỏ đường dây và phụ tải .................................................... 45 2.4.1 Mô hình nhánh điện kháng .............................................................................. 45 2.4.2 Mô hình phụ tải ................................................................................................ 46 2.5 Mô hình dao động nhỏ đầy đủ MG .................................................................... 47 2.6 Xác thực mô hình ............................................................................................... 49 2.6.1 Thông số sơ đồ mô hình lưới nghiên cứu ........................................................ 49 2.6.2 So sánh mô hình không gian trạng thái và mô hình trên Simcape .................. 51 2.7 Phân tích mô hình dao động nhỏ MG ................................................................ 52 2.7.1 Phân tích trị riêng mô hình dao động nhỏ........................................................ 52 2.7.2 Đáp ứng thời gian và tần số ............................................................................. 53 2.8 Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 58 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 59 3.1 Đặc tính độ dốc P-ω và Q-V .............................................................................. 59 3.2 Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn áp .................................................. 62 3.3 Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn dòng ............................................. 64 3.4 Mô hình bộ điều khiển tần số trong lưới ............................................................ 66 3.5 Mô hình bộ điều khiển điện áp trong lưới ......................................................... 67 3.6 Phân tích trị riêng và các đáp ứng của mô hình khi có mạch vòng điều khiển . 68 3.6.1 Vòng điều khiển điện áp .................................................................................. 68 3.6.2 Vòng điều khiển tần số .................................................................................... 72 3.7 Phân tích độ nhạy và ảnh hưởng của thay đổi tham số điều khiển .................... 74 iv
3.7.1 Thay đổi công suất máy diesel ......................................................................... 75 3.7.2 Thay đổi hệ số điều khiển của bộ PLL ........................................................... 76 3.7.3 Thay đổi hệ số khuếch đại mạch vòng điều khiển điện áp .............................. 76 3.7.4 Thay đổi công suất phát của máy IBR3 ........................................................... 78 3.7.5 Ảnh hưởng của thông số bộ điều khiển độ dốc ............................................... 78 3.7.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ X/R ................................................................................. 79 3.8 Kết luận chương 3 .............................................................................................. 80 CHƯƠNG 4. ỔN ĐỊNH CỦA MICROGRID VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO ............................................. 82 4.1 Ảnh hưởng của quán tính quay tới ổn định tĩnh hệ thống ................................. 82 4.1.1 Quán tính quay của máy phát đồng bộ ............................................................ 82 4.1.2 Quán tính ảo cho nguồn IBRs .......................................................................... 85 4.2 Mô hình bộ điều khiển quán tính ảo bộ biến đổi nguồn áp dựa trên phương trình quay 86 4.2.1 Điều khiển công suất tác dụng có giả lập quán tính ........................................ 87 4.2.2 Điều khiển công suất phản kháng .................................................................... 88 4.2.3 Mô hình dao động nhỏ Microgrid có xét tới bộ điều khiển VSG .................... 89 4.3 Phân tích ổn định của mô hình ........................................................................... 89 4.3.1 Phân tích trị riêng ............................................................................................. 90 4.3.2 Phân tích đáp ứng quán tính trong miền tần số và miền thời gian .................. 94 4.4 Mô phỏng trong miền thời gian ......................................................................... 97 4.5 Kết luận Chương 4 ............................................................................................. 98 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .................................................................................... 99 1. KẾT LUẬN .......................................................................................................... 99 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................... 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 102 v
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 109 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/Viết tắt Ý nghĩa MG Lưới điện nhỏ MGCC Bộ điều khiển trung tâm (Microgrid Control Center) DG Nguồn phân tán (Distributed Generation) CSI Chế độ nguồn dòng (Current Source Inverter) VSI Chế độ nguồn áp (Voltage Source Inverter) Nguồn nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất IBR (Inverter Based Resource) PLL Bộ khóa pha (Phased Locked Loop) Điểm nối chung lưới điện nhỏ và lưới hệ thống (Point of PCC Common Coupling) PEI Giao diện điện tử công suất (Power Electronic Interface) ROCOF Tốc độ biến thiên tần số (Rate Of change Of Frequency) VSG Máy phát điện đồng bộ ảo (Virtual Synchronous Generator) Liên minh điều phối truyền tải điện (Union for the Co- UCTE ordination of Transmission of Electricity) CHB Cầu chữ H xếp tầng (Cascaded H Bridge) vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Thông số nguồn DG ............................................................................ 50 Bảng 2-2 Thông số nhánh ................................................................................... 50 Bảng 2-3 Thông số phụ tải .................................................................................. 50 Bảng 2-4 Thông số chế độ xác lập ...................................................................... 51 Bảng 2-5 Trị riêng của mô hình đối tượng lưới nghiên cứu ............................... 52 Bảng 3-1 Thông số các bộ điều khiển điện áp .................................................... 68 Bảng 3-2 Trị riêng của mô hình đối tượng khi gắn bộ điều khiển điện áp ......... 69 Bảng 3-3 Thông số các bộ điều khiển tần số ...................................................... 72 Bảng 3-4 Nghiệm riêng của lưới điện khi bổ sung mạch điều khiển tần số ........ 73 Bảng 3-5 Dải biến thiên các tham số khi phân tích độ nhạy của nghiệm riêng ... 74 Bảng 4-1 Thông số bộ điều khiển VSG. ............................................................. 90 Bảng 4-2 Trị riêng của mô hình đối tượng lưới nghiên cứu. .............................. 91 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Cấu trúc điển hình MG. .......................................................................... 6 Hình 1-2 Phân cấp điều khiển theo UCTE [14] ................................................... 11 Hình 1-3 Cấu trúc điều khiển điển hình trong MG [33] ...................................... 11 Hình 1-4 Phân cấp điều khiển MG [15] ............................................................... 13 Hình 1-5 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển chế độ nguồn áp [15] ..................... 14 Hình 1-6 Điều khiển độ dốc truyền thống............................................................ 14 Hình 1-7 Kết nối nguồn phát với lưới .................................................................. 14 Hình 1-8 Sơ đồ điều khiển độ dốc truyền thống [15] .......................................... 16 Hình 1-9 Phương pháp san tải hiệu chỉnh ............................................................ 16 Hình 1-10 Mô hình dao động nhỏ bộ điều khiển công suất phản kháng hiệu chỉnh [15]............................................................................................................................ 17 Hình 1-11 Phương pháp độ dốc VPD/FQB ......................................................... 18 Hình 1-12 Điều khiển thứ cấp cấu trúc tập trung [41] ......................................... 19 Hình 1-13 Sơ đồ điều khiển thứ cấp tập trung cho một DG trong MG [41] ........ 19 Hình 1-14 Điều khiển sơ cấp và thứ cấp trong MG ............................................. 20 Hình 1-15 Điều khiển cấp 3 trong MG[43] .......................................................... 20 Hình 2-1 Quan hệ hệ trục abc và hệ trục tọa độ quay dq ..................................... 24 Hình 2-2 Hệ trục tọa độ địa phương dqn và toàn lưới dqg.................................... 26 Hình 2-3 Mô hình máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực trong hệ trục dq ............. 26 Hình 2-4 Mô hình tuyến tính đầy đủ máy phát đồng bộ ...................................... 31 Hình 2-5 Cấu trúc bộ biến đổi hai mức ................................................................ 32 Hình 2-6 Cấu trúc bộ biến đổi ba mức NPC ........................................................ 33 Hình 2-7 Cấu trúc bộ biến đổi CHB .................................................................... 33 Hình 2-8 Chế độ nguồn dòng CSI ........................................................................ 34 Hình 2-9 Chế độ nguồn áp VSI ............................................................................ 34 ix
Hình 2-10 Sơ đồ khối điều khiển IBR chế độ nguồn áp ...................................... 35 Hình 2-11 Bộ lọc LC ............................................................................................ 36 Hình 2-12 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển điện áp ................................... 38 Hình 2-13 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển dòng điện ............................... 39 Hình 2-14 Mô hình tuyến tính đầy đủ nguồn IBR ở chế độ nguồn áp................. 40 Hình 2-15 Sơ đồ khối điều khiển IBR chế độ nguồn dòng .................................. 41 Hình 2-16 Bộ khóa pha PLL ................................................................................ 41 Hình 2-17 Mô hình tuyến tính bộ khóa pha PLL ................................................. 42 Hình 2-18 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất ................................ 42 Hình 2-19 Mô hình tuyến tính hóa đầy đủ nguồn IBR ở chế độ nguồn dòng...... 44 Hình 2-20 Mô hình lưới đơn giản hóa ................................................................ 45 Hình 2-21 Mô hình tuyến tính đường dây và phụ tải. .......................................... 47 Hình 2-22 Mô hình tuyến tính đầy đủ máy phát đồng bộ hiệu chỉnh .................. 48 Hình 2-23 Mô hình tổng thể kết nối các thành phần tuyến tính hóa của MG. ..... 48 Hình 2-24 Sơ đồ MG nghiên cứu. ........................................................................ 49 Hình 2-25 So sánh điện áp tại nút 2 giữa hai mô hình ......................................... 51 Hình 2-26 So sánh tần số giữa hai mô hình khi có biến động công suất ............. 52 Hình 2-27 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω từ Pref3...................................... 53 Hình 2-28 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω từ Pref3 .................................. 53 Hình 2-29 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω3 từ Pref3 .................................... 54 Hình 2-30 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω3 từ Pref3 ................................. 55 Hình 2-31 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω từ Tm4 ...................................... 55 Hình 2-32 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω từ Tm4 ................................... 55 Hình 2-33 Đáp ứng miền thời gian điện áp vD3 từ Qref3 ....................................... 56 Hình 2-34 Đáp ứng miền tần số điện áp vD3 từ Qref3 ............................................ 56 x
Hình 2-35 Đáp ứng miền thời gian điện áp vD4 từ Vf4 ......................................... 57 Hình 2-36 Đáp ứng miền tần số điện áp vD4 từ Vf4 .............................................. 57 Hình 3-1 Đặc tính độ dốc P-ω. ............................................................................. 59 Hình 3-2 Đặc tính độ dốc Q-V ............................................................................. 60 Hình 3-3 Bộ điều khiển độ dốc trên IBR ở chế độ nguồn áp. .............................. 61 Hình 3-4 Bộ điều khiển độ dốc trên IBR ở chế độ nguồn dòng .......................... 61 Hình 3-5 Điều khiển độ dốc IBR chế độ nguồn áp .............................................. 62 Hình 3-6 Điều khiển công suất tác dụng trên IBR nguồn áp ............................... 62 Hình 3-7 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn áp trục d ....................... 63 Hình 3-8 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn áp trục q ....................... 63 Hình 3-9 Điều khiển độ dốc IBR nguồn dòng ..................................................... 64 Hình 3-10 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn dòng ........................... 65 Hình 3-11 Điều khiển công suất tác dụng IBR nguồn dòng ................................ 65 Hình 3-12 Mô hình bộ điều khiển tần số ............................................................. 66 Hình 3-13 Mô hình bộ điều khiển điện áp trên IBR ............................................ 67 Hình 3-14 Mô hình bộ điều khiển điện áp trên DG ............................................. 68 Hình 3-15 Đáp ứng trong miền thời gian điện áp tại nút 3. ................................. 70 Hình 3-16 Đáp ứng trong miền tần số điện áp tại nút 3. ...................................... 70 Hình 3-17 Đáp ứng trong miền thời gian điện áp tại nút 4. ................................. 71 Hình 3-18 Đáp ứng trong miền tần số điện áp tại nút 4. ...................................... 71 Hình 3-19 So sánh đáp ứng tần số của AVR tại IBR nút 3 và tại máy DG nút 4. 72 Hình 3-20 So sánh đáp ứng ref -  với hai bộ điều khiển tần số ở IBR3 và DG4. .................................................................................................................................. 74 Hình 3-21 Quỹ đạo nghiệm riêng khi thay đổi công suất máy DG: a) Các nghiệm riêng tần số cao, b) Các nghiệm riêng tương ứng dao động điện cơ của máy DG... 75 Hình 3-22 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số KPLL. ................................. 76 xi
Hình 3-23 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số KAVR (máy IBR3) ............. 77 Hình 3-24 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số KAVR (máy DG4).............. 77 Hình 3-25 Quỹ đạo nghiệm số khi thay đổi công suất máy IBR3. ...................... 78 Hình 3-26 Biểu đồ Bode quan hệ tần số với Tm khi thay đổi độ dốc mp ............. 79 Hình 3-27 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng tỷ lệ X/R. ................................... 80 Hình 4-1 So sánh đáp ứng tần số lưới trong lưới quán tính nhỏ và lưới quán tính lớn ............................................................................................................................. 82 Hình 4-2 Mô hình động học phương trình quay máy phát đồng bộ nối lưới [72] 83 Hình 4-3 Ảnh hưởng của sụt giảm quán tính [74] ............................................... 84 Hình 4-4 Sơ đồ khối điều khiển bộ biến đổi nguồn áp dựa trên mô phỏng phương trình quay .................................................................................................................. 86 Hình 4-5. Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất tác dụng .................. 87 Hình 4-6 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất tác dụng ................... 88 Hình 4-7 Mô hình kết nối IBR có gắn VSG với lưới điện. .................................. 89 Hình 4-8 Sơ đồ lưới Microgrid có sự tham gia VSG. .......................................... 90 Hình 4-9 Bản đồ điểm cực- điểm không của mô hình. ........................................ 92 Hình 4-10 Quỹ đạo cặp trị riêng λ36,37 khi Kp thay đổi ........................................ 93 Hình 4-11 Quỹ đạo của cặp trị riêng λ12,13, λ14,15, λ23,24 khi Kpq thay đổi ............ 93 Hình 4-12 Quỹ đạo trị riêng λ38, λ43, λ44 khi Kpq thay đổi.................................... 94 Hình 4-13 Đáp ứng trong miền thời gian của tần số ω. ....................................... 94 Hình 4-14 Đáp ứng miền tần số của tần số góc ω................................................ 95 Hình 4-15 Đáp ứng trong miền thời gian điện áp tại nút 4 .................................. 96 Hình 4-16 Đáp ứng miền tần số điện áp tại nút 4 ................................................ 96 Hình 4-17 Đáp ứng tần số với các giá trị H khác nhau. ....................................... 97 Hình 4-18 Điện áp tại nút 2 khi thay đổi công suất tải ........................................ 97 Hình 4-19 Điện áp tại nút 4 khi thay đổi công suất tải. ....................................... 98 xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Xu hướng phát triển lưới điện gắn liền với phát triển các nguồn điện phân tán (DG) sử dụng năng lượng tái tạo. Nguồn DG kết nối vào lưới điện có thể là nguồn năng lượng mặt trời, nguồn điện gió, nguồn khí tự nhiên, khí biogas... Các DG này có thể được lắp đặt, vận hành đơn lẻ tại một phụ tải địa phương hoặc tập trung thành một tổ hợp công suất lớn phát điện lên lưới. Điểm kết nối các DG với lưới thường thuộc lưới điện phân phối trung, hạ áp nơi kết nối trực tiếp với phụ tải, những thay đổi trên DG ảnh hưởng trực tiếp tới phụ tải, do vậy cần có những nghiên cứu và quy định kết nối DG với lưới điện phân phối. Mức độ tham gia của DG vào lưới điện ngày càng lớn đóng góp một phần công suất đáng kể cho các phụ tải, giúp góp phần giảm tải cho các nguồn năng lượng truyền thống. Khái niệm lưới điện nhỏ, hoặc siêu nhỏ (microgrid - MG) được đề xuất để mô tả các hệ thống điện quy mô nhỏ, tuy nhiên có đầy đủ các thành phần của lưới điện, bao gồm các nguồn phát, hệ thống đường dây truyền tải và các phụ tải. Các nguồn phân tán, đặc biệt các nguồn điện dựa trên thiết bị biến đổi điện tử công suất (IBR), có những khác biệt căn bản về đặc tính động học so với máy điện đồng bộ. Có rất nhiều tài liệu phân tích về các đặc điểm này, từ các nguồn của NERC [1], EPRI, IEEE/PES [2], tuy nhiên tất cả đều thống nhất nhận định: đặc tính động học của các nguồn IBR được quyết định bởi hệ thống điều khiển điện tử công suất. Đặc điểm này đúng trong cả chế độ làm việc bình thường cũng như trong chế độ sự cố (ngắn mạch, sụt áp ngắn hạn). Đây là khác biệt căn bản với các máy điện truyền thống, với một hệ tuabin máy phát có quán tính rất lớn – do vậy hệ thống điều khiển có ảnh hưởng ít hơn đến đặc tính động học của hệ thống phát điện. Với việc động học của nguồn IBR phụ thuộc vào hệ thống điều khiển, bên cạnh các thách thức kỹ thuật, các thiết bị này có khả năng linh hoạt tùy biến để phối hợp trong quá trình vận hành, nâng cao ổn định của lưới điện. Các thách thức này càng trở nên rõ nét với lưới điện nhỏ, vì đây là các hệ thống điện thu nhỏ, có tỉ trọng cao của các nguồn IBR. Bên cạnh sự khác biệt về mặt động học, độ linh hoạt trong vận hành cũng là một yếu tố đặc trưng của các lưới điện nhỏ. Các cụm lưới điện quy mô nhỏ MG có các DG phối hợp với nhau, các phụ tải có thể điều khiển được và các bộ lưu điện được kết nối với nhau, có khả năng vận hành nối lưới hoặc vận hành độc lập. MG được kết nối với lưới hệ thống thông qua thiết bị đóng cắt, nhờ đó MG có thể linh hoạt chuyển đổi giữa các chế độ vận hành. Hai chế độ vận hành bao gồm kết nối lưới điện hệ thống hoặc vận hành độc lập. Khả năng thay đổi chế độ vận hành của MG giúp đảm bảo các chỉ tiêu độ tin cậy trong nội bộ MG cũng như trong toàn hệ thống. Trường hợp lưới hệ thống có sự cố nghiêm trọng, MG sẽ tách lưới hoạt động độc lập. Trong chế độ này, sự đóng góp và mức độ ảnh hưởng của các DG dưới sự điều khiển của các bộ điều khiển thể hiện rõ nét hơn. Cụ thể, việc duy trì điện áp và tần số trong MG phụ thuộc hoàn toàn vào các DG trong lưới. Để cân bằng công suất tác 1
dụng và công suất phản kháng với mục đích điều chỉnh điện áp và tần số trong MG cần thay đổi vai trò của một số DG. DG được tính toán cần thay đổi từ một nút PQ sang một nút ở chế độ PV. Điều khiển sự thay đổi và duy trì các thông số điện áp và tần số trong quá trình quá độ chuyển chế độ và duy trì trong suốt chế độ tách lưới là bài toán phức tạp nhiều yếu tố ràng buộc do vậy cần được xem xét. Một số đặc điểm khác biệt giữa MG và lưới điện truyền thống: • Trong lưới truyền thống, khả năng cân bằng công suất và duy trì tần số trước các dao động nhỏ dựa trên quán tính quay của các máy điện đồng bộ. Trong khi đó, thiết bị phát chủ yếu trong MG là các thiết bị điện tử công suất có quán tính nhỏ. Vì vậy vấn đề ổn định tần số trở nên đặc biệt quan trọng với các MG có nguồn không đồng bộ. Quán tính nhỏ cũng làm ảnh hưởng đến các dao động điện áp, làm phức tạp hơn quá trình động học của lưới điện. • MG kết nối với lưới hạ áp hoặc trung áp chủ yếu là lưới điện trở, công suất tác dụng truyền giữa các đường dây dựa vào biên độ điện áp, trong khi lưới truyền thống là lưới điện kháng truyền tải công suất tác dụng dựa vào chênh lệch góc pha. • Nguồn sơ cấp trong MG chủ yếu là nguồn năng lượng tái tạo có tính liên tục không cao nên cũng ảnh hưởng tới công tác điều khiển vận hành MG. Thêm nữa, sự đa dạng trong công nghệ của các DG cũng gây ra sự khó khăn trong quá trình điều khiển vận hành MG. Mặc dù có nhiều khác biệt về đặc điểm động học và vận hành, kiến trúc điều khiển của MG, cho đến thời điểm hiện nay vẫn dựa trên nguyên tắc điều khiển phân tầng được áp dụng cho các hệ thống lớn [3]. Theo đó, các quá trình điều khiển tần số và điện áp được phân tầng thành điều khiển sơ cấp, thứ cấp, điều khiển cấp 3 – tương tự như kiến trúc điều khiển của các hệ thống điện lớn. Điều khiển phân tầng là một kiến trúc mà tính hiệu quả của nó đã được minh chứng cho lưới điện truyền thống với các máy điện đồng bộ, với lưới điện có tỉ số X/R lớn. Đối với lưới điện nhỏ, hiệu quả của kiến trúc điều khiển này, cũng như phương pháp tính toán tối ưu thông số cho các vòng điều khiển là một chủ đề vẫn cần nhiều nghiên cứu phát triển. Báo cáo của nhóm nghiên cứu IEEE về mô hình hóa và điều khiển MG năm 2018 [4] tóm lược một số vấn đề căn bản, gồm có: • Tỉ số X/R thấp dẫn đến sự tương tác mạnh giữa vòng điều khiển tần số và điện áp; • Sự thiếu hụt nguồn đồng bộ dẫn đến quán tính của lưới rất yếu, dễ dẫn đến các vấn đề về ổn định điện áp; • Sự xuất hiện các quá trình động học và các dạng ổn định mới, liên quan đến các bộ điều khiển khóa pha (PLL), và các dạng ổn định liên quan đến cộng hưởng sóng hài. 2
Mô hình tín hiệu nhỏ1 là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong phân tích ổn định và điều khiển các hệ thống điện lớn. Mô hình này dựa trên giả thiết quá trình động học phi tuyến của hệ thống điện có thể được mô tả xấp xỉ bằng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Cách tiếp cận tương tự cũng được áp dụng cho phân tích ổn định của các MG [5]–[7]. Ưu điểm của phương pháp sử dụng mô hình tuyến tính quanh điểm làm việc là cho phép quan sát được toàn bộ các nghiệm riêng, đặc trưng cho các quá trình động học trong các phần tử của lưới, sự tương tác giữa các phần tử. Nhược điểm của phương pháp này là mô hình tính toán phức tạp, yêu cầu có được mô hình giải tích của tất cả các phần tử trong lưới điện và tham số của chúng. Đối với MG, tần số của các dao động riêng cao hơn nhiều các tần số dao động điện-cơ trong lưới điện truyền thống. Vì vậy quá trình quá độ trong các mạch RLC của lưới điện cần được xét đến, làm tăng thêm tính phức tạp của phương pháp này. Mặc dù vậy, mô hình tuyến tính hóa vẫn có những ưu điểm nổi bật, như cho phép đánh giá được cấu trúc của các quá trình động học, ảnh hưởng của các tín hiệu vào và ra đối với các nghiệm riêng cụ thể, khảo sát tính bền vững của hệ thống khi có thay đổi của tham số và chế độ làm việc. Vì vậy công cụ này đóng vai trò quan trọng và cần được sử dụng. 2. Mục đích nghiên cứu Quá trình hình thành MG mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện, điển hình tăng độ tin cậy của lưới cũng như tận dụng tối đa tiềm lực của các nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, MG cũng mang nhiều đặc điểm mới cần nghiên cứu nhằm có thể điều khiển và kiểm soát do vậy việc xây dựng mô hình lưới điện, cụ thể là mô hình dao động nhỏ phản ánh sát các quá trình động học trên lưới phục vụ cho các nghiên cứu và mô phỏng là rất cần thiết. Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình dao động nhỏ MG có xét đầy đủ các yếu tố có ảnh hưởng đến ổn định, đã được chỉ ra trong các kết quả trước đó: quá trình quá độ trong các phần tử của lưới điện, mạch vòng khóa pha PLL. Trên cơ sở đó, nghiên cứu tiếp tục đi sâu xây dựng các bộ điều khiển tần số và điện áp lưới trong chế độ tách lưới. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là mô hình động học của lưới điện nhỏ, được thể hiện bằng mô hình mô phỏng trong miền thời gian, kết hợp với phân tích mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Thông qua kết hợp mô hình phân tích tuyến tính và mô phỏng trong miền thời gian, luận án nghiên cứu đặc điểm động học của các lưới điện nhỏ, ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến sự làm việc của cấu trúc điều khiển phân tầng, áp dụng cho bài toán điều khiển tần số và điện áp. 1 Thuật ngữ tiếng Anh: Small signal stability: Trong các tài liệu tiếng Việt có nhiều cách dịch khác nhau bao gồm: ổn định dao động nhỏ, ổn định tín hiệu nhỏ hoặc ổn định kích động nhỏ. 3
Ngoài ra, nghiên cứu cũng hướng tới đối tượng là các phương pháp điều khiển mới áp dụng trên MG như các phương pháp bù quán tính ảo dựa trên bộ điều khiển máy phát đồng bộ ảo. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu xây dựng và xác thực mô hình dao động nhỏ của MG có xét đến các chế độ làm việc cụ thể của các nguồn nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất. Một mô hình dao động nhỏ phản ánh đầy đủ các quá trình động học trên lưới giúp phát triển các nghiên cứu liên quan xây dựng, thiết kế bộ điều khiển lưới điện. Ý nghĩa thực tiễn: Mô hình được đề xuất trong luận án được xây dựng và xác thực với lưới mẫu của IEEE và được thực hiện bởi công cụ trên Matlab/Simulink, qua đó cho thấy khả năng ứng dụng trong thực tế thiết kế xây dựng các bộ điều khiển trên mô hình đề xuất. 5. Phương pháp nghiên cứu của luận án Tổng hợp và phân tích các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về quá trình xây dựng mô hình dao động nhỏ các phần tử đơn lẻ cũng như toàn thể MG. Đề xuất mô hình và kiểm chứng mô hình trên công cụ Matlab/Simulink với lưới mẫu của IEEE. Từ đó nghiên cứu gắn các bộ điều khiển tần số và điện áp vào mô hình, kiểm chứng lại các kết quả khi đưa các kích động về công suất. Các đề xuất về mô hình dao động nhỏ và các phương pháp điều khiển đều được xác thực dựa trên các công cụ mô phỏng Matlab/Simulink. 6. Các đóng góp mới của luận án Luận án nghiên cứu mô hình điều khiển tần số và điện áp trong MG, trong chế độ vận hành độc lập hoặc nối lưới. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu được dựa trên mô hình tín hiệu nhỏ của lưới điện. Kết hợp giữa phân tích các trị riêng của mô hình tín hiệu nhỏ và các mô phỏng trong miền thời gian, luận án đánh giá được chất lượng của các kiến trúc điều khiển tần số và điện áp cho MG. Những đóng góp chính của luận án: - Xây dựng mô hình dao động nhỏ của MG ở dạng tổng quát. Kiểm chứng sự tương đồng giữa mô hình dao động nhỏ và kết quả mô phỏng trong miền thời gian. Mô hình dao động nhỏ có xét đến ảnh hưởng của bộ điều khiển PLL, xét đến mô hình bậc cao của máy điện đồng bộ. - Nghiên cứu bài toán điều khiển tần số và điện áp dựa trên mô hình đề xuất. Phát triển mô hình dao động nhỏ của MG với các vòng điều khiển tần số và điện áp theo kiến trúc phân tầng (điều khiển sơ cấp, thứ cấp). Đánh giá tính ổn định của MG với mô hình điều khiển phân tầng nói trên. 4
- Áp dụng mô hình dao động nhỏ, khảo sát ảnh hưởng của chế độ điều khiển máy đồng bộ ảo (VSG) trong điều khiển tần số của MG với mô hình đề xuất. 7. Kết cấu của luận án Luận án bao gồm phần mở đầu đã trình bày ở trên và 4 chương chính với nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan điều khiển microgrid Nội dung chính của Chương 1 là tổng quan về cấu trúc lưới, các mô hình toán học đã được xây dựng của MG. Chương 1 cũng tiến hành tổng quan các nghiên cứu liên quan phối hợp điều khiển trong MG bao gồm các phân cấp điều khiển và một số cấu trúc hệ thống điều khiển. Chương 2: Mô hình dao động nhỏ microgrid Nội dung chương 2 là xây dựng mô hình dao động nhỏ MG với các nguồn đặc trưng bao gồm máy phát điện đồng bộ, các nguồn nối lưới thông qua các bộ biến đổi công suất, đường dây truyền tải và các phụ tải điện. Trên cơ sở mô hình được xây dựng và xác thực với mô hình trên Simcape, chương 2 cũng đã tiến hành phân tích mô hình bao gồm phân tích trị riêng cũng như các đáp ứng mô hình trong miền thời gian và miền tần số. Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển tần số và điện áp Dựa trên mô hình đối tượng MG được xây dựng trong Chương 2, Chương 3 tiến hành xây dựng các bộ điều khiển tần số và điện áp và kiểm tra các đáp ứng của đối tượng với bộ điều khiển, khảo sát ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tính ổn định của MG. Chương 4: Ổn định của microgrid với phương pháp điều khiển dựa trên máy phát đồng bộ ảo Nội dung chương 4 tiến hành nghiên cứu về phương pháp quán tính ảo nhằm gia tăng quán tính lưới thông qua bộ điều khiển máy phát đồng bộ ảo gắn trên các bộ IBRs nguồn áp. Chương 4 cũng tiến hành phân tích, hiệu chỉnh bộ điều khiển máy phát đồng bộ ảo nhằm đưa các thông số lưới, đặc biệt là tần số trong giới hạn cho phép trong trường hợp các biến động công suất xuất hiện. Nội dung cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển của luận án, tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố và phần phụ lục. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN MICROGRID Vấn đề điều khiển điện áp và tần số trong MG đã được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt trong những năm gần đây khi xu hướng tích hợp nguồn phân tán và tải địa phương hình thành MG ngày càng trở nên phổ biến. Các nghiên cứu tập trung vào một số vấn đề xây dựng mô hình toán học của MG, các phương pháp điều khiển tần số và điện áp và lập kế hoạch vận hành lưới trong các kịch bản khác nhau. 1.1 Tổng quan về cấu trúc Microgrid Sự gia tăng mức độ tham gia của các nguồn điện phân tán như điện gió, điện mặt trời trong những năm gần đây giúp cải thiện chỉ tiêu độ tin cậy trong hệ thống điện [8][9][10]. Tuy nhiên, quá trình điều khiển và vận hành các DG, chủ yếu là nguồn phát đồng bộ công suất nhỏ hoặc được nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất, mang nhiều đặc điểm khác biệt với nguồn phát truyền thống. Theo đó, xu hướng hình thành MG từ việc kết nối các DG và phụ tải địa phương có khả năng hoạt động trong cả hai chế độ nối lưới và tách lưới giúp tăng sự hiệu quả hoạt động của các DG cũng như chỉ tiêu độ tin cậy toàn hệ thống [11][12]. Cấu trúc điển hình của một MG được thể hiện trong Hình 1-1. Hình 1-1 Cấu trúc điển hình MG. 6