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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Nguyễn Đức Huy
2. PGS. TS Trần Bách
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày …… tháng …… năm ……..
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
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... 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.
Một số đặc điểm khác biệt giữa MG và lưới điện truyền thống:
• Trong lưới truyền thống, khả năng cân bằng công suất giữa
nguồn và tải để duy trì tần số trước các dao động nhỏ dựa trên quán
tính quay của hệ thống. Trong khi đó, thiết bị phát chủ yếu trong MG
là các thiết bị điện tử công suất có quán tính không đủ lớn .
• 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.
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 microgrid năm 2018 tóm lược
một số vấn đề căn bản, gồm có:
2
• 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.
Mô hình tín hiệu nhỏ 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 của hệ thống điện có thể được mô
tả xấp xỉ bằng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. 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 đóng vai trò quan trọng và cần được sử dụng.
Mục tiêu
Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình dao động
nhỏ MG có xét đầy đủ các yếu tố có thể được lược bỏ trong quá trình
xây dựng mô hình lưới hệ thống. Từ mô hình xây dựng được, nghiên
cứu tiếp tục đi sâu xây dựng các bộ điều khiển tần số và điện áp lưới
trong chế độ tách lưới.
Phương pháp nghiên cứu
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.
Đóng góp chính của luận án
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
3
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.
- 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.
Bố cục của luận án
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 lưới 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 tập trung vào 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.
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.
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.