Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Microgrid

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:202

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Microgrid" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về Microgrid các chiến lược, phương pháp điều khiển trong Microgrid; Mô hình hóa và điều khiển trong Microgrid; Đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời trong Microgrid; Đề xuất giải pháp điều khiển bền vững dựa trên Hinf áp dụng cho HESS để nâng cao khả năng vận hành của Microgrid độc lập.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Microgrid

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN TẤN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG MICROGRID LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2021
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN TẤN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG MICROGRID CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 9.52.02.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Lê Kim Hùng 2. PGS. TS Nguyễn Hữu Hiếu Đà Nẵng - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Văn Tấn
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ..........................................................................1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU....................................................................................2 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................3 4. CÁCH TIẾP CẬN, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................3 5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI ....................................................................................................6 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN ...........................................7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ CÁC CHIẾN LƢỢC, PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID ....................................8 1.1. Tổng quan về Microgrid .....................................................................................8 1.1.1. Khái niệm về Microgrid .............................................................................8 1.1.2. Các cấu trúc Microgrid...............................................................................9 1.1.3. Vai trò Microgrid .....................................................................................11 1.1.4. Các chế độ vận hành ................................................................................12 1.1.5. Thách thức trong vận hành Microgrid .....................................................13 1.1.6. Các tiêu chuẩn sử dụng trong Microgrid..................................................14 1.2. Các chiến lƣợc quản lý và điều khiển trong Microgrid ....................................15 1.2.1. Chiến lƣợc điều khiển tập trung ...............................................................15 1.2.2. Chiến lƣợc điều khiển phân tán................................................................16 1.2.3. Chiến lƣợc điều khiển phân cấp ...............................................................17 1.3. Các chiến lƣợc điều khiển ở cấp điều khiển sơ cấp ..........................................20 1.3.1. Vận hành ở chế độ nối lƣới ......................................................................21 1.3.2. Vận hành ở chế độ độc lập .......................................................................21 1.4. Các phƣơng pháp điều khiển .............................................................................23
1.4.1. Phƣơng pháp điều khiển truyền thống PID ..............................................23 1.4.2. Phƣơng pháp điều khiển PID nâng cao (Advanced PID) ........................23 1.4.3. Các phƣơng pháp điều khiển hiện đại ......................................................24 1.5. Sơ đồ cấu trúc Microgrid nghiên cứu................................................................29 1.6. Nhận xét và kết luận chƣơng 1..........................................................................29 CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID ...............31 2.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................31 2.2. Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống năng lƣợng mặt trời (PVs) ..............31 2.2.1. Mô hình tế bào quang điện. ......................................................................32 2.2.2. Mô hình tấm pin quang điện (PV) ...........................................................34 2.2.3. Điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPP).......................................35 2.2.4. So sánh đánh giá các thuật toán MPPT ....................................................40 2.3. Mô hình và điều khiển máy phát Diesel ...........................................................41 2.4. Mô hình và điều khiển hệ thống lƣu trữ. ..........................................................44 2.4.1. Tổng quan về hệ thống lƣu trữ. ................................................................45 2.4.2. Mô hình các bộ biến đổi kết nối giữa HESS với Microgrid ....................52 2.4.3. Các phƣơng pháp điều khiển HESS trong Microgrid. .............................57 2.5. Mô hình và điều khiển tần số của Microgrid ...................................................60 2.6. Mô phỏng và phân tích kết quả ........................................................................62 2.6.1. Mô hình mô phỏng ...................................................................................63 2.6.2. Thông số và kịch bản mô phỏng ..............................................................64 2.6.3. Phân tích ảnh hƣởng của hệ thống PV đến Microgrid .............................68 2.6.4. Phân tích ảnh hƣởng thay đổi của phụ tải đến Microgrid ........................72 2.6.5. Kết luận các kết quả mô phỏng ................................................................74 2.7. Nhận xét và kết luận chƣơng 2 .........................................................................75 CHƢƠNG 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TRONG MICROGRID. .........................................................................................................76 3.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................76
3.2. Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến dựa trên các thông số P, V và D .........76 3.2.1. Thuật toán MPPT đề xuất ........................................................................77 3.2.2. Mô phỏng đánh giá thuật toán MPPT đề xuất .........................................82 3.2.3. Đánh giá ảnh hƣởng của thuật toán MPPT đề xuất đến khả năng thâm nhập của hệ thống PV vào Microgrid .......................................................................91 3.3. Nhận xét và kết luận chƣơng 3 .........................................................................94 CHƢƠNG 4. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG HINF ÁP DỤNG CHO HESS ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA MICROGRID ĐỘC LẬP .......................................................................................96 4.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................96 4.2. Bài toán điều khiển bền vững Hinf ....................................................................96 4.2.1. Vấn đề điều khiển độ nhạy hỗn hợp.........................................................97 4.2.2. Cấu trúc điều khiển P-K. ..........................................................................98 4.2.3. Hàm trọng số trong bài toán điều khiển Hinf ..........................................100 4.2.4. Các bƣớc thiết kế và tổng hợp bộ điều khiển Hinf ..................................103 4.2.5. Phân tích tính bền vững của hệ thống sử dụng cấu trúc M-Δ ................104 4.3. Đề xuất phƣơng pháp hạ bậc cho bộ điều khiển Hinf ......................................105 4.3.1. Tổng quan về nguyên lý hạ bậc bộ điều khiển .......................................106 4.3.2. Đề xuất thuật toán hạ bậc bộ điều khiển ................................................107 4.4. Đề xuất sử dụng phƣơng pháp điều khiển bền vững Hinf cho bộ nghịch lƣu của HESS trong Microgrid ............................................................................................109 4.4.1. Cấu trúc điều khiển ổn định tần số Microgrid .......................................109 4.4.2. Xây dựng mô toán của Microgrid. .........................................................110 4.4.3. Thiết kế bộ điều khiển bền vững Hinf cho bộ nghịch lƣu .......................111 4.4.4. Tổng hợp bộ điều khiển sử dụng hạ bậc và so sánh với bộ điều khiển đầy đủ bậc ......................................................................................................................118 4.5. Mô phỏng đánh giá ảnh hƣởng của các giải pháp điều khiển đề xuất đến hiệu quả vận hành của Microgrid ....................................................................................123 4.5.1. Bộ điều khiển bền vững Hinf đủ bậc .......................................................125
4.5.2. So sánh đánh giá các giải pháp điều khiển.............................................129 4.5.3. Kết luận ..................................................................................................136 4.6. Nhận xét và kết luận chƣơng 4 .......................................................................137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................138 1. Kết luận ..............................................................................................................138 2. Kiến nghị ............................................................................................................139 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số tiêu chuẩn tần số theo ENTSO-E . ...............................................15 Bảng 1.2. So sánh các phƣơng pháp điều khiển áp dụng cho Microgrid..................27 Bảng 2.1. So sánh các thuật toán MPPT ...................................................................41 Bảng 2.2. Thông số của hệ thống PV ở điều kiện tiêu chuẩn ...................................64 Bảng 2.3. Thông số của máy phát điện Diesel ..........................................................67 Bảng 2.4. Thông số của HESS ..................................................................................68 Bảng 3.1. Các trƣờng hợp xảy ra khác của thuật toán đề xuất..................................82 Bảng 3.2. Công suất đầu ra và công suất quanh điểm MPP tại bức xạ 1000W/m2 ..88 Bảng 3.3. So sánh hiệu suất bám điểm MPP của các thuật toán dƣới các điều kiện bức xạ thay đổi và Dstep khác nhau. ...........................................................................90
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc Microgrid điển hình .......................................................................8 Hình 1.2. Cấu trúc Microgrid DC ...............................................................................9 Hình 1.3. Cấu trúc Microgrid AC .............................................................................10 Hình 1.4. Cấu trúc Microgrid lai DC-AC .................................................................11 Hình 1.5. Các tiêu chuẩn vận hành của Microgrid....................................................14 Hình 1.6. Chiến lƣợc điều khiển tập trung MGCC ...................................................16 Hình 1.7. Chiến lƣợc điều khiển phân tán LC ..........................................................17 Hình 1.8. Cấu trúc điều khiển phân cấp trong Microgrid. ........................................18 Hình 1.9. Thời gian điều khiển các cấp trong Microgrid. .........................................18 Hình 1.10. Sơ đồ khối điều khiển sơ cấp trong Microgrid........................................19 Hình 1.11. Sơ đồ khối điều khiển thứ cấp trong hệ thống MG .................................19 Hình 1.12. Sơ đồ khối điều khiển toàn cục trong hệ thống MG ...............................20 Hình 1.13. Chiến lƣợc điều khiển chia sẻ công suất của DERs trong Microgrid .....21 Hình 1.14. Các đặc tính độ dốc truyền thống P/f ......................................................22 Hình 1.15. Cấu trúc Microgrid nghiên cứu ...............................................................29 Hình 2.1. Sơ đồ điều khiển hệ thống PV kết nối Microgrid .....................................32 Hình 2.2. Mô hình tƣơng đƣơng của một tế bào quang điện ....................................32 Hình 2.3. Đƣờng đặc tính ( I PV 1  VPV 1 ) và ( PPV 1  VPV 1 ) của tế bào quang điện. ........33 Hình 2.4. Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của tấm pin mặt trời .........................................34 Hình 2.5. Đƣờng đặc tính ( I PV  VPV ) của tổ hợp tế bào PV ghép nối tiếp hoặc song song............................................................................................................................35 Hình 2.6. Đặc tuyến dòng điện-điện áp điển hình cho tấm pin PV ................................35 Hình 2.7. Quan hệ công suất – điện áp của tấm pin PV ................................................36 Hình 2.8. Lƣu đồ thuật toán P&O .............................................................................37
Hình 2.9. Quan hệ công suất – độ rộng xung (D) .....................................................38 Hình 2.10. Lƣu đồ thuật toán Hill Climbing .............................................................39 Hình 2.11. Cấu trúc lƣu đồ MPPT dựa trên FL ........................................................40 Hình 2.12. Cấu trúc máy phát Diesel ........................................................................42 Hình 2.13. Mô hình thay thế hệ thống điều tốc máy phát Diesel .............................42 Hình 2.14. Mô hình điều khiển tần số của máy phát Diesel. ....................................44 Hình 2.15. Phân loại theo mật độ năng lƣợng và công suất các lƣu trữ ...................47 Hình 2.16. Sơ đồ cấu trúc của HESS kết nối Microgrid ...........................................48 Hình 2.17. Mô hình Pin Lithium ...............................................................................48 Hình 2.18. Mô hình siêu tụ điện cổ điển ...................................................................50 Hình 2.19. Kiểm soát năng lƣợng siêu tụ điện ..........................................................51 Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC/DC hai chiều ........................................53 Hình 2.21. Mô hình trung bình của bộ DC/DC hai chiều ở chế độ tăng áp ..............53 Hình 2.22. Mô hình trung bình của bộ DC/DC hai chiều ở chế độ giảm áp.............53 Hình 2.23. Sơ đồ của bộ nghịch nối với lƣới ............................................................55 Hình 2.24. Mạch điện thay thế trung bình trong hệ tọa độ dq của bộ nghịch lƣu. ...55 Hình 2.25. Cấu trúc điều khiển HESS theo phƣơng pháp điều khiển thứ hai ..........58 Hình 2.26. Sơ đồ cấu trúc điều khiển HESS .............................................................58 Hình 2.27. Sơ đồ vòng lặp kín điều khiển dòng điện ................................................60 Hình 2.28. Sơ đồ cấu trúc điều khiển Microgrid.......................................................60 Hình 2.29. Cấu trúc điều khiển tín hiệu nhỏ của Microgrid .....................................62 Hình 2.30. Mô hình mô phỏng Microgrid xây dựng trong Simulink........................63 Hình 2.31. Kịch bản bức xạ mặt trời .........................................................................65 Hình 2.32. Công suất đầu ra hệ thống PV sử dụng MPPT P&O ..............................65 Hình 2.33. Công suất đầu ra hệ thống PV sử dụng MPPT FL ..................................66 Hình 2.34. Kịch bản phụ tải khi thay đổi 15% ..........................................................67
Hình 2.35. Đáp ứng tần số của Microgrid ứng với MPPT P&O ..............................69 Hình 2.36. Đáp ứng tần số của Microgrid ứng với MPTT FL ..................................70 Hình 2.37. Đáp ứng công suất của máy phát Diesel ................................................71 Hình 2.38. Đáp ứng công suất đầu ra của SC. ..........................................................72 Hình 2.39. Đáp ứng công suất đầu ra của Pin. ..........................................................72 Hình 2.40. Độ lệch tần số khi phụ tải thay đổi..........................................................73 Hình 2.41. Đáp ứng máy phát Diesel khi phụ tải thay đổi ........................................73 Hình 2.42. Đáp ứng hệ thống lƣu trữ HESS khi phụ tải thay đổi .............................74 Hình 3.1. Đặc tính P_V của tấm PV khi bức xạ thay đổi. ........................................78 Hình 3.2. Lƣu đồ thuật toán MPPT đề xuất ..............................................................79 Hình 3.3. Đáp ứng của thuật toán theo các nhánh 1, 2 .............................................80 Hình 3.4. Đáp ứng của thuật toán theo các nhánh 3, 4 và 5......................................81 Hình 3.5. Kịch bản bức xạ mặt trời ...........................................................................83 Hình 3.6. So sánh công suất đầu ra hệ thống PV khi Dstep = 3.10-4 ..........................84 Hình 3.7. So sánh công suất đầu ra hệ thống PV khi Dstep = 3.10-3 .......................84 Hình 3.8. So sánh công suất đầu ra của hệ thống PV khi bức xạ thay đổi nhanh với Dstep = 3.10-4 ...........................................................................................................85 Hình 3.9. So sánh công suất đầu ra của hệ thống PV khi bức xạ thay đổi nhanh với Dstep = 3.10-3...............................................................................................................87 Hình 3.10. So sánh công suất ngõ ra PV trong trƣờng hợp bức xạ thay đổi chậm từ 200 (W/m2) đến 1000 (W/m2) ...................................................................................88 Hình 3.11. So sánh công suất đầu ra PV khi bức xạ không thay đổi tại 1000 W/m2 89 Hình 3.12. Đáp ứng tần số của Microgrid..................................................................91 Hình 3.13. Đáp ứng công suất của máy phát Diesel .................................................92 Hình 3.14. Đáp ứng công suất SC. ............................................................................93 Hình 3.15. Đáp ứng công suất của Pin. .....................................................................94
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống hồi tiếp âm .......................................................................97 Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển P-K tối giản ................................................................99 Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển P-K. ..........................................................................100 Hình 4.4. Cấu trúc điều khiển P-K chi tiết. .............................................................101 Hình 4.5. Yêu cầu chất lƣợng hàm độ nhạy S ........................................................102 Hình 4.6. Yêu cầu chất lƣợng hàm bù nhạy KS......................................................103 Hình 4.7. Lƣu đồ thuật toán thiết kế và tổng hợp bộ điều khiển bền vững Hinf ......104 Hình 4.8. Mô hình không chắc chắn không cấu trúc M-Δ ......................................105 Hình 4.9. Lƣu đồ thuật toán hạ bậc bộ điều khiển ..................................................108 Hình 4.10. Mô hình cấu trúc điều khiển ổn định tần số Microgrid sử dụng điều khiển bền vững cho HESS ......................................................................................110 Hình 4.11. Cấu trúc điều khiển P-K áp dụng cho Microgrid nghiên cứu ...............112 Hình 4.12. Chất lƣợng tần số của Microgrid khi có dao động nhỏ .........................114 Hình 4.13. Hàm độ nhạy S đối với sai lệch tần số fMG ...........................................116 Hình 4.14. Hàm độ nhạy KS đối với các sai lệch tín hiệu điều khiển md và mq.....116 Hình 4.15. Cấu trúc điều khiển M- .......................................................................117 Hình 4.16. Hàm độ nhạy S khi xét đến các yếu tố không chắc chắn ......................117 Hình 4.17. Hàm độ nhạy KS khi xét đến các yếu tố không chắc chắn ...................118 Hình 4.18. Biểu đồ Bode của bộ điều khiển K1 ......................................................120 Hình 4.19. Biểu đồ Bode của bộ điều khiển K2 ......................................................120 Hình 4.20. So sánh hàm độ nhạy S khi bộ điều khiển đầy đủ và hạ bậc ................121 Hình 4.21. So sánh hàm độ nhạy KS khi bộ điều khiển đầy đủ và hạ bậc .............121 Hình 4.22. Hàm độ nhạy S khi xét đến các yếu tố không chắc chắn ......................122 Hình 4.23. Hàm độ nhạy KS khi xét đến các yếu tố không chắc chắn ...................122 Hình 4.24. Mô hình mô phỏng Microgrid xây dựng trong Simulink sử dụng phƣơng pháp điều khiển Hinf ................................................................................................124
Hình 4.25. Kịch bản của PV và phụ tải. ..................................................................125 Hình 4.26. Đáp ứng công suất Diesel (a) và Đáp ứng HESS (b) ............................126 Hình 4.27. Đáp ứng tần số (a) và điện áp VDC (b) ..................................................127 Hình 4.28. Kịch bản phụ tải và PV .........................................................................127 Hình 4.29. Đáp ứng công suất Diesel (a) và Đáp ứng HESS (b) ............................128 Hình 4.30. Đáp ứng tần số (a) và điện áp VDC (b) ..................................................129 Hình 4.31. Đáp ứng tần số của Microgrid ...............................................................130 Hình 4.32. Điện áp VDC trên thanh cái DC .............................................................131 Hình 4.33. Đáp ứng công suất Diesel .....................................................................131 Hình 4.34. Đáp ứng công suất SC ...........................................................................132 Hình 4.35. Đáp ứng công suất Pin ..........................................................................133 Hình 4.36. Đáp ứng tần số của Microgrid ...............................................................134 Hình 4.37. Đáp ứng điện áp VDC .............................................................................134 Hình 4.38. Đáp ứng công suất Diesel .....................................................................135 Hình 4.39. Đáp ứng công suất SC ...........................................................................135 Hình 4.40. Đáp ứng công suất Pin. .........................................................................136
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiêu, Diễn giải Giải nghĩa từ viết tắt ANN Artificial Neural Network Mạng nơ ron nhân tạo Hệ thống tự động điều chỉnh AVR Automatic Voltage Regulator điện áp CAGR Compound Annual Growth Rate Tỷ lệ tăng trƣởng lũy kế hằng năm CE The continental Europe Lục địa Châu Âu Consortium for Electric Reliability Hiệp hội các giải pháp công nghệ CERTS Technology Solutions độ tin cậy cung cấp điện DER Distributed Energy Resource Nguồn năng lƣợng phân tán DG Distributed Generation Nguồn điện phân tán DMS Distribution Managemet System Hệ thống quản lí phân phối DSM Demand Side Management Quản lý nhu cầu phụ tải ESS Energy Storage Systems Hệ thống lƣu trữ FLC Fuzzy logic control Điều khiển logic mờ GB Great Britain Nƣớc Anh HC Hill Climbing Leo đồi HESS Hybrid Energy Storage Systems Hệ thống lƣu trữ lai Information and Communications Công nghệ thông tin và truyền ICT Technology thông IEA International Energy Agency Cơ quan năng lƣợng quốc tế INC Incremental Conductance Điện dẫn gia tăng IRE The all-island Irish system Hệ thống các đảo Ireland LC Local Controller Điều khiển cục bộ LMI Linear Matrix Inequality Bất đẳng thức ma trận tuyến tính MG Microgrid Lƣới điện siêu nhỏ MGCC Microgrid Central Controller Điều khiển trung tâm Microgrid
Ký hiêu, Diễn giải Giải nghĩa từ viết tắt MIMO Multi Input Multi Output Nhiều đầu vào/ nhiều đầu ra MPC Mode Predictive Control Điều khiển mô hình dự báo MPP Maximum Power Point Điểm công suất cực đại MPPT Maximum Power Point Tracking Bám điểm công suất cực đại NE The inter - Nordic system Hệ thống Bắc Âu P&O Perturb and Observe Nhiễu loạn và quan sát PCC Point of Common Coupling Điểm kết nối PI Proportional - Integral Bộ điều khiển PI PID Proportional - Integral - Derivative điều khiển PID PSO Particle swarm optimization Tối ƣu bầy đàn PV Photovoltaic Pin quang điện RES Renewable Energy Source Nguồn năng lƣợng tái tạo SC Super capacitors Siêu tụ điện SoC State of Charge Trạng thái sạc STC Standards Conditions Điều kiện tiêu chuẩn VSI Voltage Source Inverter Bộ nghịch lƣu nguồn áp VSG Virtual Synchronous Generator Máy phát điện đồng bộ ảo
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Một trong những vấn đề mà các nƣớc trên thế giới đang phải đối mặt là làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lƣợng ngày càng tăng. Điều này làm tăng nhu cầu về tài nguyên năng lƣợng, nhất là năng lƣợng hóa thạch mà ban đầu đƣợc coi là vô tận. Tuy nhiên, chúng đã đƣợc sử dụng đến mức cạn kiệt và việc này đã dẫn đến những tác động tiêu cực nhƣ biến đổi khí hậu, gây nóng lên toàn cầu. Đây cũng là một trong những mối bận tâm của xã hội ngày nay [1]. Thỏa thuận Paris 2015, đã đƣợc thông qua nhằm ngăn chặn sự gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu, xác định các nguyên nhân chính của biến đổi khí hậu, đó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch cho các phƣơng tiện giao thông và sản xuất năng lƣợng gây phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính [2]. Để giải quyết vấn đề nóng lên toàn cầu các nƣớc đang tập trung vào nghiên cứu giải pháp làm giảm thiểu phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, đó là cắt giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch và chuyển trọng tâm sang sử dụng các nguồn năng lƣợng bền vững, thân thiện với môi trƣờng hơn trong sản xuất điện năng. Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn năng lƣợng phân tán (DER) đặt ra một số thách thức nảy sinh từ các yếu tố bất định của chúng (công suất đầu ra phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết,…). Khi lƣới điện có sự thâm nhập cao của các nguồn năng lƣợng tái tạo (RES) sẽ dễ gây nên sự mất cân bằng công suất, cùng với các vấn đề liên quan về chất lƣợng điện năng và độ tin cậy của hệ thống. Hiện nay, Microgrid là cấu trúc lƣới điện đang đƣợc quan tâm nghiên cứu vì có khả năng tích hợp nhiều DER chủ yếu là các RES đã làm giảm đáng kể các mối quan tâm về biến đổi khí hậu. Trong Microgrid, các nguồn đặt gần phụ tải nên giảm công suất truyền trên lƣới truyền tải và phân phối, vì vậy làm giảm yêu cầu về các cơ sở hạ tầng truyền tải và phân phối điện, tăng cƣờng độ tin cậy, giảm phát thải, cải thiện chất lƣợng điện năng, giảm giá thành phát điện. Microgrid có thể hoạt động linh hoạt ở chế độ kết nối lƣới, độc lập và có thể chuyển đổi linh hoạt giữa 2 chế độ khi có yêu cầu của hệ thống [3]–[5]. 1
Tuy nhiên, so với lƣới điện truyền thống, khi Microgrid chuyển sang hoạt động chế độ vận hành độc lập gặp phải một số thách thức nhƣ sau: do tích hợp nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo (kết nối với lƣới thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất) nên hệ thống có quán tính thấp, các RES phụ thuộc yếu tố thời tiết (biến động, ngẫu nhiên và gián đoạn) nên gây khó khăn trong việc điều khiển và cân bằng công suất trong hệ thống, sự mất cân bằng giữa công suất nguồn phát và phụ tải gây ra các dao động tần số trong hệ thống dẫn đến các tình huống không mong muốn nhƣ mất ổn định, ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện năng. Do vậy, để nâng cao hiệu quả vận hành của Microgrid độc lập và khai thác tối đa tiềm năng của các DER thì cần phải có các chiến lƣợc, giải pháp và phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho Microgrid độc lập. Đã có rất nhiều công trình đƣợc công bố trong và ngoài nƣớc đề xuất các chiến lƣợc, giải pháp và phƣơng pháp điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của Micogrid, tuy nhiên mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu điểm và hạn chế nhất định. Trên cơ sở đó và bối cảnh nguồn năng lƣợng mặt trời đang đƣợc phát triển mạnh mẽ hiện nay tác giả lựa chọn ―Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Microgrid‖ nhằm đề xuất các giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả sử dụng của nguồn năng lƣợng mặt trời (PV) và các nguồn DER khác liên quan trong Microgrid. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở các vấn đề đã đặt ra về các chiến lƣợc, giải pháp và kỹ thuật điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành của Microgrid, các mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm: - Nghiên cứu đề xuất thuật toán MPPT để nâng cao hiệu quả của hệ thống năng lƣợng mặt trời trong Microgrid. - Nghiên cứu đề xuất áp dụng kỹ thuật điều khiển bền vững dựa trên Hinf áp dụng cho bộ nghịch lƣu của hệ thống lƣu trữ ESS để nâng cao hiệu quả vận hành Microgrid khi hoạt động ở chế độ độc lập. - Nghiên cứu đề xuất thuật toán hạ bậc cho bộ điều khiển áp dụng kỹ thuật điều khiển Hinf áp dụng cho bộ nghịch lƣu của hệ thống lƣu trữ ESS để có thể dễ dàng ứng dụng. 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là các phƣơng pháp điều khiển áp dụng cho Microgrid. b. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình, đề xuất các giải pháp điều khiển ở cấp điều khiển sơ cấp của Microgrid độc lập khi có các dao động bé (sự thay đổi công suất tải và thay đổi công suất hệ thống PV) nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và giúp cho Microgrid dễ dàng, linh hoạt khi chuyển sang kết nối lƣới. Cấu trúc Microgrid luận án nghiên cứu: gồm máy phát Diesel, hệ thống năng lƣợng mặt trời, hệ thống lƣu trữ lai và phụ tải. 4. Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu a. Cách tiếp cận Từ các kết quả công bố của các nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc liên quan đến các vấn đề nghiên cứu của luận án, luận án tiến hành phân tích, đánh giá các kết quả đó nhƣ sau:  Trong nƣớc Thời gian gần đây, việc nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sử dụng và khả năng tích hợp của năng lƣợng tái tạo vào lƣới điện ở Việt Nam ngày càng đƣợc chú trọng và phát triển. Đã có các nghiên cứu về đề xuất các giải pháp, chiến lƣợc và kỹ thuật điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành Microgrid đƣợc công bố, trong đó có thể kể đến các công trình tiêu biểu sau: - Tính toán và đề xuất các chiến lƣợc điều khiển, kỹ thuật điều khiển phân chia công suất giữa các bộ nghịch lƣu kết nối song song, nhằm nâng cao khả nâng cao hiệu quả vận hành Microgrid độc lập, của tác giả Phạm Thị Xuân Hoa và các cộng sự đã nghiên cứu [6], [7]; - Tính toán và đề xuất thuật toán quản lý năng lƣợng dựa trên PSO và Belman-Zadeh trong Microgrid độc lập để đảm bảo vận hành ổn định của tác giả Phan Thị Thanh Bình [8]; 3
- Đề xuất cấu trúc điều khiển của hệ thống lƣu trữ trong lƣới điện nhỏ độc lập với nguồn phát hỗn hợp gió-diesel, nhằm nâng cao khả năng vận hành của lƣới điện của tác giả Phạm Anh Tuấn [9]; - Đề xuất thuật toán nhằm giảm phụ tải đỉnh trong Microgrid thông qua việc sử dụng hệ thống lƣu trữ nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế cho các khách hàng công nghiệp trong thời gian cao điểm của tác giả Lê Duy Phúc [10]; - Nghiên cứu tính toán trào lƣu công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp của tác giả Võ Thanh Hải [11]; - Nghiên cứu một số biện pháp nâng cao chất lƣợng và hiệu suất cho hệ thống khai thác hệ thống PV nhƣ vận hành tại MPP, sử dụng các BBĐ hiệu suất cao của tác giả Lê Tiên Phong [12]; - Nâng cao chất lƣợng và hiệu suất cho hệ thống khai thác hệ thống PV bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều khiển lai, thông minh Fuzzy logic và ANN trong bắt điểm MPP của các tác giả Lê Tiên Phong[12].  Ngoài nƣớc Với vai trò ngày càng quan trọng của Microgrid nên các nghiên cứu để hệ thống vận hành ổn định, đảm bảo độ tin cậy, chất lƣợng điện năng và phải đảm bảo linh hoạt khi chuyển chế độ nối lƣới sang chế độ độc lập hoặc ngƣợc lại đang là vấn đề đƣợc quan tâm hiện nay. Do vậy, từ kết quả thống kê về các bài báo công bố trên các tạp chí quốc tế có uy tín bởi trang Google Scholar (Hình 0.1) cho thấy đã có nhiều công trình nghiên cứu đƣợc công bố về Microgrid độc lập với các cách tiếp cận nhƣ sau: - Nghiên cứu tổng quan về Microgrid; - Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng của Microrid dựa trên cải tiến các thuật toán MPPT trong hệ thống PV; - Nghiên cứu về điều khiển tần số trong Microgrid độc lập; - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho điều khiển tần số trong Microgrid; 4
- Các cấu trúc Microgrid, các chiến lƣợc điều khiển, kỹ thuật điều khiển và quản lý vận hành [3], [4], [13]–[15]; - Trong Microgrid các nguồn năng lƣợng tái tạo sử dụng năng lƣợng mặt trời có công suất đầu ra bất định phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Do đó, có rất nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng của Microgrid bằng cách cải tiến các thuật toán MPPT truyền thống và các phƣơng pháp MPPT sử dụng các kỹ thuật điều khiển thông minh [16]–[18]; - Các phƣơng pháp điều khiển Microgrid vận hành lập bao gồm: điều khiển chính/phụ (master/slave), điều khiển phân bậc, điều khiển hệ thống đa tác nhân (Multi Agent System - MAS), điều khiển độ dốc (droop control) và các cải tiến của điều khiển độ dốc [19], [20], phƣơng pháp máy phát điện ảo (VSG) và các phƣơng pháp điều khiển nâng cao cũng đƣợc sử dụng để cải thiện và nâng cao sự ổn định tần số Microgrid độc lập [21], [22]; 38600 A: Nâng cao hiệu quả sử dụng của Microrid dựa 40000 15800 17300 trên cải tiến các 35000 7660 thuật toán 14700 30000 MPPT trong hệ 25000 thống PV 20000 3540 203 1080 2011-2020 B: Điều khiển 15000 10000 172 1760 2001-2010 tần số cho 7 40 5000 Microgrid độc 1990-2000 0 lập sử dụng kỹ A B C D thuật điều khiển 1990-2000 2001-2010 2011-2020 bền vững. Hình 0.1. Các bài báo công bố quốc tế về Microgrid và điều khiển Microgrid độc lập từ 1990-2020 (Theo Google Scholar) - Microgrid là một cấu trúc phức tạp, phi tuyến, mô hình không cấu trúc, có các yếu tố bất định và nhiều đầu vào và đầu ra (MIMO)…. Do vậy, để nâng cao hiệu quả sử dụng của Microgrid độc lập, phƣơng pháp điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho điều khiển tần số cho Microgrid độc lập đang đƣợc quan tâm nghiên cứu. Trong [23] các tác giả sử dụng bộ điều khiển Hinf nhằm giảm thiểu sự dao động tần 5