Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:104

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới" nghiên cứu trình bày tổng quan về microgrid; các phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất; điều khiển song song các bộ nghịch lưu; mô phỏng giải thuật điều khiển.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------------- HVTH: VÕ TRỌNG CHINH ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------------- HVTH: VÕ TRỌNG CHINH ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh ngày 28 tháng 7 năm 2018. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS Huỳnh Châu Duy Chủ tịch 2 PGS.TS Nguyễn Thanh Phƣơng Phản biện 1 3 PGS.TS Ngô Cao Cƣờng Phản biện 2 4 PGS.TS Nguyễn Hùng Ủy viên 5 TS Võ Hoàng Duy Ủy viên, Thƣ ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn
TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ TRỌNG CHINH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17 – 7 – 1978 Nơi sinh: Nghệ An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1641830003 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI II- Nhiệm vụ và nội dung: 1. Tổng quan về microgrit. 2. Các phƣơng pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất. 3. Điều khiển song song các bộ nghịch lƣu. 4. Mô phỏng giải thuật điều khiển. III- Ngày giao nhiệm vụ: 04/12/2017 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28/7/2017 V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LÊ MINH PHƢƠNG
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn VÕ TRỌNG CHINH i
LỜI CÁM ƠN Thành công nào mà cũng gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở trƣờng đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Cơ - Điện - Điện tử Trƣờng Đại Học Công Nghệ TP HCM đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Và đặc biệt, trong học kỳ này, Phòng Quản Lý Khoa Học và Đào Tạo Sau Đại Học đã tổ chức cho chúng em đƣợc tiếp cận với những môn học mà theo em là rất hữu ích đối với tất cả các sinh viên thuộc các chuyên ngành điện. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Minh Phƣơng đã tận tâm hƣớng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI. Bƣớc đầu đi tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo khoa học còn nhiều bỡ ngỡ, kiến thức của em còn gặp nhiều hạn chế. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em đƣợc hoàn thiện hơn. Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Cơ - Điện - Điện tử, Viện Đào Tạo Sau Đại Học và PGS.TS Lê Minh Phƣơng thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao quý của mình. Trân trọng! TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2018 NGƢỜI THỰC HIỆN VÕ TRỌNG CHINH ii
TÓM TẮT Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu về bộ điều khiển droop thích nghi để phân chia công suất cho các bộ nghịch lƣu dùng cho hệ thống lƣới điện siêu nhỏ (microgrid) có thể vận hành linh hoạt ở chế độ độc lập hoặc chế độ nối lƣới. Hệ thống điện đƣợc đề xuất bao gồm 3 bộ biến tần mỗi bộ công suất 2kW với các thông số về đƣờng dây khác nhau đƣợc kết nối song song để cung cấp cho tải hoặc nối lƣới. Các kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện bằng công cụ Simulink trong phần mềm Matlab với các chế độ hoạt động khác nhau cũng nhƣ các kịch bản khác nhau đƣợc đƣa ra trong từng chế độ nhƣ tỷ lệ phân chia công suất tác dụng và công suất phản kháng khác nhau cho ba biến tần. Ngoài ra, sự thay đổi tần số của lƣới cũng đƣợc xem xét để đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống. Có thể kết luận từ các kết quả mô phỏng rằng, bộ điều khiển droop thích nghi đề xuất cho phép chia công suất chính xác theo tỷ lệ với công suất định mức của các bộ nghịch lƣu áp ba pha kết nối song song trong lƣới điện độc lập. Cũng nhƣ thể hiện việc bám sát tần số và góc pha của lƣới điện trong chế độ nối lƣới giúp nhanh chóng hòa đồng bộ để cung cấp công suất tối đa cho hệ thống giúp cải thiện chất lƣợng lƣới điện và giảm tổn hao truyền tải. iii
ABSTRACT The thesis presents the results of a study on adaptive droop controller to allocate power to inverters for microgrid systems that can operate flexibly in stand- alone or grid-connected modes. The proposed studied system consists of three 2 kW inverters with different line parameters connected in parallel to provide power to load or grid connection. Simulation results are provided by the Simulink toolbox in the Matlab software, with different operating modes as well as different scenarios given in each mode, such as diffetent active power and reactive power ratio for 3 inverters. In addition, the frequency change of the grid is also considered to assess the response of the proposed controller. It can be concluded from the simulation results that the proposed adaptive droop controller allows for a precise power sharing to the rated power of three- phase alternating voltage inverters connected in stand-alone power system. As well as demonstrating the frequency and phase angle of the grid in grid-connected mode, it quickly synchronizes to provide maximum power for the system to improve power quality and reduce transmission losses. iv
MỤC LỤC Chƣơng 1: 1 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 1 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Khái niệm microgrid và nguồn phân tán 1 1.2.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid 1 1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid 2 1.2.3 Ƣu điểm của microgrid 2 1.3 Cấu trúc và thành phần của lƣới microgrid 3 1.3.1 Cấu trúc microgrid 3 1.3.2 Các loại microgrid 4 1.4 Nguồn năng lƣợng phân tán 7 1.5 Các vấn đề của lƣới microgrid 9 1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lƣợng 9 1.5.2 Microgrid và chế độ tự động 10 1.5.3 Điều khiển ở chế độ kết nối lƣới và độc lập 11 1.5.4 Độ tin cậy và chất lƣợng hệ thống 11 1.5.5 Ổn định hệ thống 12 1.6 Mục tiêu của luận văn 13 Chƣơng 2: 14 THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƢU ÁP TRONG MICROGRID 14 2.1 Bộ điều khiển công suất 14 2.2 Điều khiển chế độ áp và chế độ dòng điện 14 2.3 Mô hình toán học của bộ điều khiển công suất 15 2.4 Bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng 18 2.5 Xây dựng mô hình các bộ nghịch lƣu kết nối song song 21 2.6 Vòng khóa pha 22 Chƣơng 3: 24 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG MICROGRID 24 3.1 Kỹ thuật điều khiển truyền thông 24 v
3.1.1 Điều khiển tập trung 24 3.1.2 Điều khiển sơ cấp/ thứ cấp 26 3.1.3 Điều khiển phân tán 26 3.2 Kỹ thuật điều khiển droop độc lập 27 3.2.1 Điều khiển droop thông thƣờng 27 3.2.2 Điều khiển droop VPD/FGB 30 3.2.3 Phƣơng pháp dự đoán trở kháng đƣờng dây 31 3.2.4 Phƣơng pháp điều khiển góc 33 3.2.5 Droop control dựa trên điện áp 33 3.3 Phƣơng pháp dùng trở kháng ảo 33 3.3.1 Vòng lặp đầu ra trở kháng ảo 33 3.3.2 Vòng lặp trở kháng ảo đƣợc tăng cƣờng 34 3.3.3 Phƣơng pháp chuyển đổi hệ qui chiếu ảo 35 3.4 Phƣơng pháp kết hợp và điều khiển tín hiệu nhỏ 37 Chƣơng 4: 40 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỘ NGHỊCH LƢU TRONG MICROGRID 40 4.1 Giới thiệu các phƣơng pháp điều khiển thích nghi 40 4.1.1 Điều khiển điện áp thích nghi 40 4.1.2 Phƣơng pháp đồng bộ bù công suất phản kháng 42 4.1.3 Điều khiển độ trƣợt dựa trên đồng bộ hoạt động 43 4.1.4 Phƣơng pháp Droop control Q-V 44 4.1.5 Phƣơng pháp điều khiển dựa trên biến chung 45 4.2 Điều khiển thích nghi dùng trở kháng ảo kết hợp với thông tin liên lạc 46 4.3 Phân tích chế độ chia tải trong microgrid 48 4.3.1 Phân tích chia công suất tác dụng 48 4.3.2 Phân tích chia công suất phản kháng 52 4.4 Sơ đồ điều khiển droop đề xuất 55 4.4.1 Sơ đồ truyền tín hiệu 55 4.4.2 Sơ đồ điểu khiển công suất P, Q 56 vi
Chƣơng 5: 59 MÔ HÌNH MATLAB SIMULINK 59 5.1 Các khối đo lƣờng 62 5.1.1 Khối đo dòng điện 62 5.1.2 Khối đo điện áp 62 5.1.3 Khối đo công suất P và Q 63 5.2 Các khối điều khiển 64 5.2.1 Bộ điều khiển điện áp 64 5.2.2 Bộ điều khiển dòng điện 65 5.2.3 Khối chuyển đổi dq αβ 66 5.2.4 Khối tạo xung SVPWM 67 5.2.5 Khối Droop Control chia tải 68 Chƣơng 6: 69 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 69 6.1 Chế độ lƣới độc lập (Mode 0 và 1) 70 6.1.1 Trƣờng hợp 1- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 70 6.1.2 Trƣờng hợp 2- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 71 6.1.3 Trƣờng hợp 3- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s 72 6.1.4 Trƣờng hợp 4- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s 73 6.1.5 Trƣờng hợp 5- Tỷ lệ công suất P là 1:1:1, tỷ lệ công suất Q là 1:2:3, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s 75 6.2 Chế độ kết nối lƣới 76 6.2.1 Kết nối lƣới sau 3s, tần số lƣới 50Hz, tải không đổi, t = 6s 76 6.2.2 Kết nối lƣới, tần số lƣới thay đổi từ 50Hz lên 60Hz từ 3s, tải không đổi, t = 6s 78 6.3 Kết luận 79 Tài liệu tham khảo 81 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ lƣới microgrid thông thƣờng 4 Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thƣờng 4 Hình 1.3. DC-microgrid 6 Hình 1.4. Lƣới điện AC-microgri 7 Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lƣợng DER 9 Hình 2.1. Sơ đồ khối của một bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng điện trên trục dq 14 Hình 2.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng của hệ thống biến đổi nguồn áp 15 Hình 2.3. Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống biến đổi nguồn áp dạng điều khiển dòng ở hình 2.2 21 Hình 2.4. Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lƣu đề xuất 21 Hình 2.5. Sơ đồ khối điều khiển của PLL 23 Hình 2.6. Sơ đồ mạch của PLL 24 Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển của điều khiển tập trung 25 Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển của bộ P f và Q V droop control thông thƣờng 29 Hình 3.3. Đặc tính droop boost của điện áp thấp AC microgrid (a) phƣơng pháp VPD (b) Phƣơng pháp FQB 31 Hình 3.4. Thuật toán điều khiển với phƣơng pháp P-Q-V 32 Hình 3.5. Sơ đồ khối của phƣơng pháp tăng cƣờng sử dụng trở kháng ảo 35 Hình 3.6. Sơ đồ chi tiết của chuyển đổi hệ qui chiếu ảo ω’-E’ 36 Hình 3.7. Sơ đồ khối của phƣơng pháp bơm tín hiệu tần số 39 Hình 4.1. Mô hình hệ thống hai DG 41 Hình 4.2 Điều khiển độ trƣợt với đồng bộ bù công suất phản kháng 42 Hình 4.3. Sơ đồ điều khiển thời gian của một DG với hai sự kiện đồng bộ hóa liên tiếp 44 Hình 4.4. Q-V điều khiển độ trƣợt và sơ đồ khối điều khiển của một DG 45 Hình 4.5. Mô hình lƣới microgird độc lập với đƣờng truyền thông tin liên 48 Hình 4.6. Hai bộ nghịch lƣu hoạt động song song 49 viii
Hình 4.7. Mạng nhìn từ DG 1 53 Hình 4.8. Sơ đồ truyền tín hiệu của các bộ nghịch lƣu 56 Hình 4.9. Mạch điều khiển P và Q 57 Hình 5.1. Mô hình Microgrid thu nhỏ 59 Hình 5.2. Mô hình điều khiển một biến tần 60 Hình 5.3. Mô hình hệ thống nghiên cứu trong Matlab Simulink 61 Hình 5.4. Mô hình điều khiển một biến tần trong Matlab Simulink 61 Hình 5.5. Mô hình khối đo dòng điện 62 Hình 5.6. Mô hình khối chuyển đổi dòng điện sang điện áp 62 Hình 5.7. Bên trong của khối chuyển đổi với T1 và T3 là các hàm truyền 62 Hình 5.8. Mô hình khối đo điện áp 62 Hình 5.9. Mô hình khối đo điện áp trên Matlab Simulink 63 Hình 5.10. Mô hình khối đo công suất P và Q 63 Hình 5.11. Mô hình mô phỏng khối đo công suất P và Q 64 Hình 5.12. Mô hình khối điều khiển điện áp 64 Hình 5.13. Mô hình mô phỏng bộ điều khiến áp 65 Hình 5.14. Mô hình khối điều khiển dòng điện 65 Hình 5.15. Mô hình mô phỏng của khối điều khiển dòng điện 66 Hình 5.16. Mô hình khối chuyển đổi dq αβ 67 Hình 5.17. Khối tính toán góc tƣơng ứng của hệ trục α và β 67 Hình 5.18. Khối tạo xung SVPWM 68 Hình 5.19. Khối tạo điều khiển droop 68 Hình 6.1. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:1:1 70 Hình 6.2. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:2:3 71 Hình 6.3. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:1:1 khi chuyển từ Mode 1 sang Mode 0 72 Hình 6.4. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:2:3 khi chuyển từ Mode 1 sang Mode 0 74 Hình 6.5. Kết quả mô phỏng trong trƣờng hợp 5 75 ix
Hình 6.6. Kết quả mô phỏng đồ thị công suất tác dụng và phản kháng 77 Hình 6.7. Kết quả mô phỏng đồ thị điện áp và dòng điện 77 Hình 6.8. Đồ thị công suất tác dụng và phản kháng khi tần số lƣới thay đổi 78 Hình 6.9. Đồ thị công điện áp và dòng điện khi tần số lƣới thay đổi 79 x
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp điều khiển dựa trên các giao tiếp 38 Bảng 4.1. Các chế độ điều khiển và trạng thái các Switch 58 Bảng 6.1. Các thông số cơ bản của các biến tần 69 Bảng 6.2. Thông số định mức đƣờng dây 69 Bảng 6.3. Sai số của hệ thống khi điều khiển theo tỷ lệ 1:1:1 71 Bảng 6.4. Sai số của hệ thống khi điều khiển theo tỷ lệ 1:2:3 72 Bảng 6.5. Sai số của hệ thống ở Mode 1 73 Bảng 6.6. Sai số của hệ thống ở Mode 0 73 Bảng 6.7. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 4 ở Mode 1 74 Bảng 6.8. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 4 ở Mode 0 74 Bảng 6.9. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 5 ở Mode 1 75 Bảng 6.10. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 5 ở Mode 0 76 xi
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 1.1 GIỚI THIỆU Năng lƣợng tái tạo (NLTT) ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến. Hệ thống NLTT gồm nhiều nguồn năng lƣợng khác nhau nhƣ: năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng thủy triều, địa nhiệt… Các nguồn NLTT tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý, ngƣợc lại với các nguồn năng lƣợng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia. Việc đƣa vào sử dụng NLTT nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninh năng lƣợng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế. Hệ thống điện sử dụng các nguồn NLTT là cần thiết để cung cấp điện liên tục phục vụ cho những vùng sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới. Để thực hiện đƣợc điều này ngƣời ta kết hợp nhiều nguồn NLTT khác nhau trong một hệ thống gọi là hệ thống lƣới siêu nhỏ (microgrid). Hệ thống này có thể hoạt động một cách độc lập hay kết nối với lƣới điện tùy vào nhu cầu sử dụng [1]. 1.2 KHÁI NIỆM MICROGRID VÀ NGUỒN PHÂN TÁN Về cơ bản một microgrid tích hợp nhiều nguồn phân tán (DG), với chức năng thu thập, xử lý và phân phối điện để đáp ứng theo yêu cầu của phụ tải. Trong đó, các bộ biến đổi điện năng kết hợp với hệ thống microgrid tạo thành thể thống nhất. Để điều khiển hoạt động của hệ thống microgrid có nhiều nguồn phân tán thì cần phải có các bộ điều khiển nhằm đảm bảo chất lƣợng điện năng đầu ra của hệ thống thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật. 1.2.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid So với lƣới điện thông thƣờng thì hệ thống microgrid có những khác biệt nhƣ sau: - Công suất đầu ra của mỗi nguồn nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện thông thƣờng. 1
- Microgrid thƣờng đƣợc lắp đặt gần với phụ tải vì vậy tổn thất trong đƣờng dây truyền tải nhỏ. Do đó, microgrid có hiệu quả cao trong điều kiện cung cấp điện áp và tần số. - Microgrid có thể dùng để cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa nơi chƣa có lƣới điện quốc gia. - Quá trình khôi phục hệ thống điện truyền thống là phức tạp, đòi hỏi một sự can thiệp nhanh chóng, thƣờng là bằng tay và trong thời gian thực. Trong khi đó, với microgrid toàn bộ quá trình phục hồi rất dễ dàng và nhanh chóng. 1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid Hệ thống DG hạ áp và trung áp phát triển nhanh chóng trên toàn cầu. Chúng đƣợc cung cấp bởi các nguồn NLTT, máy phát điện không thông thƣờng bao gồm tế bào nhiên liệu, tua bin gió, và hệ thống quang điện. Thông thƣờng, chúng đƣợc sử dụng để tăng cƣờng cho lƣới điện công cộng trong thời gian tải cao điểm hoặc thiếu điện. Chúng cũng có thể cung cấp điện trong trƣờng hợp hệ thống lƣới điện chính bị sự cố. Trong những năm gần đây, khái niệm này đã đƣợc phát triển tạo thành cụm tải kết nối với các DG song song, tạo thành một microgrid. Trong các phƣơng pháp kết nối truyền thống, các máy phát điện nhỏ có thể đƣợc tích hợp vào hệ thống điện nhằm giảm bớt của hoạt động lƣới điện. Trong trƣờng hợp này, khi có sự cố trong lƣới điện chính, sẽ ảnh hƣởng đến hệ thống và ngƣng hoạt động của các nguồn phát điện nhỏ. Trong khi với microgrid khi lƣới điện chính ngừng cung cấp, các microgrid sẽ ngắt kết nối từ lƣới và hoạt động độc lập, tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải cục bộ của mình cho đến khi lƣới điện trở lại bình thƣờng. 1.2.3 Ƣu điểm của microgrid So với các hệ thống điện khác, hệ thống microgrid có ƣu điểm sau [2]: - Microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm môi trƣờng vì nó sử dụng nguồn có khí thải thấp hoặc bằng không. 2
- Các microgrid làm việc song song với lƣới công cộng nhằm hỗ trợ lƣới điện bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ giúp ngăn chặn tình trạng quá tải và mất điện của lƣới điện quốc gia. - Các hệ thống microgrid cục bộ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng và tổn thất truyền tải. Sử dụng microgrid cũng giúp trong việc giảm tiêu thụ năng lƣợng hóa thạch. - Bằng cách vận hành trong cả hai chế độ nối lƣới và độc lập, microgrid đảm bảo tải quan trọng đƣợc cung cấp điện liên tục. 1.3 CẤU TRÖC VÀ THÀNH PHẦN CỦA LƢỚI MICROGRID 1.3.1 Cấu trúc microgrid Cấu trúc của một microgrid bao gồm năm thành phần chính nhƣ sau: - Các nguồn điện nhỏ - Phụ tải - Thiết bị lƣu trữ - Hệ thống điều khiển - Các điểm kết nối. Năm thành phần này đƣợc kết nối với một mạng lƣới phân phối điện áp thấp. Sự phân bố điện áp thấp kết hợp nhiều loại nguồn công suất nhỏ và các loại tải khác nhau đƣợc hỗ trợ bởi các bộ biến đổi điện tử công suất. Để hòa đồng bộ và điều khiển các hoạt động trong chế độ kết nối lƣới điện hoặc chế độ độc lập, phƣơng thức hoạt động có thể đƣợc xác định bởi tại bus kết nối chung (PCC). Đây là điểm mà các microgrid là kết nối với lƣới điện chính thông qua máy cắt CB4 trong hình 1.1. Chức năng của CB4 là để kết nối hoặc ngắt kết nối microgrid với lƣới điện chính. Điều khiển hoạt động của microgrid đƣợc hỗ trợ và phối hợp thông qua mức độ điều khiển khác nhau để đảm bảo sự ổn định của hệ thống, sử dụng các bộ điều khiển nhƣ: điều khiển nguồn (MC), điều khiển trung tâm (CC) [3]. 3
Hình 1.1. Sơ đồ lƣới Microgrid thông thƣờng 1.3.2 Các loại microgrid Microgrid tƣơng tự nhƣ một hệ thống điện nhỏ trong đó bao gồm nhiều thành phần nhƣ các DG, tải và thiết bị lƣu trữ đƣợc kết nối với nhau. Theo dạng công suất, microgrid có thể đƣợc phân loại: microgrid xoay chiều AC, microgrid một chiều DC, hoặc một hệ thống kết hợp (hybrid). Mỗi loại microgrid có những ƣu điểm riêng. Hình 1.2 dƣới đây mô tả một các loại microgrid. Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thƣờng 4
1.3.2.1 Lưới DC-Microgrid Hệ thống DC-microgrid có thể đƣợc sử dụng trong chế độ kết nối lƣới và tự vận hành. Hệ thống này có những ƣu điểm nhƣ sau: - Hầu hết các DG trong trong microgrid là các tấm pin quang điện (PV) hay pin nhiên liệu cung cấp nguồn DC. Các thiết bị lƣu trữ cũng dùng điện DC do đó chỉ cần chỉnh điện áp trong lƣới microgrid để kết nối chúng. So với một AC-microgrid ta cần đồng bộ hóa điện áp, tần số và góc pha khi hòa vào lƣới điện. - Hầu hết các tải kết nối với DC-microgrid là thiết bị điện tử, TV, máy tính, đèn huỳnh quang, hộ gia đình, doanh nghiệp và các thiết bị công nghiệp. Vì vậy chúng ta không cần quá nhiều bộ chuyển đổi AC-DC, DC-AC hoặc AC- DC-AC nhƣ đối với AC-microgrid. - Các DC-microgrid không sử dụng máy biến áp; điều này làm cho nó hiệu quả hơn, kích thƣớc nhỏ hơn và đáng tin cậy trong một hệ thống điện DC. Ngoài ra một DC-microgrid hoạt động với dây cáp đôi, trong khi một AC- microgrid hoạt động với ba, bốn dây hay nhiều hơn nữa. - Dòng công suất phản kháng không tồn tại trong DC-microgrid, vì vậy việc kiểm soát điện áp chỉ chịu ảnh hƣởng của công suất tác dụng, trong khi ở AC-microgrid điều khiển điện áp có liên quan đến các dòng công suất phản kháng cùng lúc công suất tác dụng sẽ ảnh hƣởng góc pha điện áp. Tuy nhiên, một DC-microgrid vẫn có một số thách thức cần đƣợc khắc phục. Nó cũng không đƣợc phát triển để xử lý các điều kiện lỗi và thiếu thiết bị bảo vệ cơ bản nhƣ bộ phận ngắt mạch, cầu chì, và rơle bảo vệ, nhƣ đã thấy trong AC- microgrids AC [4, 5]. Rất tốn kém để thực hiện các hệ thống bảo vệ hiện tại của một AC-microgrid và làm cho nó để tƣơng thích với một DC-microgrid. Các mạng DC phải đối mặt với một vấn đề mất cân bằng. Sự gia tăng của các thiệt hại hệ thống là do các vấn đề về tải không cân bằng hoặc giữa nguồn tích cực và tiêu cực của dòng lƣỡng cực DC-microgrid. Điều này tạo ra một dòng chảy trong một hệ tham chiếu thứ ba của cáp DC [6]. Hình 1.3 cho thấy một cấu trúc điển hình của 5