TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 133
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO
CHO NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT HỢP BỘ LƯU ĐIỆN
RESEARCH ON PREDICTIVE CONTROL FOR SOLAR POWER
COMBINED WITH BATTERY STORAGE SYSTEM
Phan Hồng Quang1,*, Nguyễn Thị Kiều Chinh2, Nguyễn Văn Nam3,
Trương Bình Anh3, Dương Đức Minh4, Đào Thị Lan Phương5
1Lớp Điện 08 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Điện 08 - K17, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp Điện 04 - K17, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Lớp Điện 03 - K17, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
5Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: quangneed2k2@gmail.com
TÓM TẮT
Cấu hình hệ thống điện mặt trời kết hợp bộ lưu điện ngày càng trở nên phổ biến trong lưới điện nhỏ do có nhiều ưu
điểm. Đảm bảo điện năng tiêu thụ cho phụ tải trong các điều kiện thời tiết khác nhau là một mục tiêu điều khiển hệ thống
này. Bài báo đề xuất một chiến lược áp dụng điều khiển dự báo vào hệ thống lai ghép điện mặt trời kết hợp bộ lưu điện
trong lưới điện nhỏ. Bài báo được mô phỏng và kiểm nghiệm trên công cụ Matlab/simulink.
Từ khóa: Hệ thống điện mặt trời, Bộ lưu điện, Lưới điện nhỏ, Điều khiển dự báo.
ABSTRACT
The configuration of a PV solar system combined with a battery energy storage system (BESS) is becoming
increasingly popular in the microgrid due to a lot of advantages. Ensuring power consumption for loads in different weather
conditions is the purpose of controlling this system. This paper proposes a strategy of model predictive control to hybrid
PV solar and BESS in microgrids. This paper is simulated and verified on the Matlab/Simulink tool.
Keywords: PV solar system, Battery energy storage system, Microgrid, Model predictive control.
1. GIỚI THIỆU
Sự nóng lên của khí hậu toàn cầu gây nên bởi hiệu ứng
nhà kính dẫn tới sản lượng của năng lượng truyền thống bị
sụt giảm, việc sử dụng năng lượng tái tạo hứa hẹn là một
giải pháp đã và đang được sử dụng rộng rãi trên khắp thế
giới. Hệ thống điện mặt trời đã được xem xét rộng rãi để
giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng thông thường
cùng với việc tăng cường chất lượng của hệ thống điện[1].
Theo cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) tới 2050, hệ thống
điện mặt trời đóng góp 16% lượng năng lượng của thế giới
và 20% lắp cho tải địa phương[2]. Hệ thống điện mặt trời
phụ thuộc vào bức xạ của mặt trời nên không đảm bảo được
tính liên tục dẫn tới sự biến động về tần số, điện áp. Vì vậy,
để đảm bảo được độ tin cậy của hệ thống điện mặt trời để
có thể hoạt động ổn định và linh hoạt nên cần được kết hợp
với bộ lưu điện (BESS).
Đã có một số nghiên cứu về PV-BESS và một số cấu
hình lai ghép, cách vận hành được mô tả trong [3,4]. Các
phương pháp chủ yếu dựa vào bộ điều khiển PI thông
thường, mặc dù bộ điều khiển PI rất dễ dàng triển khai với
các hệ thống nhỏ nhưng với các hệ thống lớn với nhiều các
đầu vào việc thiết kế PI có những hạn chế nhất định[5, 6].
Điều này ảnh hưởng tới chất lượng đầu ra của hệ thống như
công suất, tần số, điện áp. Gần đây, điều khiển dự báo
(MPC) được ứng dụng vào thực tế thực tế cho phương tiện,
hướng tàu thủy, quá trình hóa học[7-9]. Trong microgrid,
MPC đang dần trở nên phổ biến trong việc quản lý năng
lượng để giảm chi phí hoạt động. Bộ điều khiển dựa trên
mô hình dự báo rất linh hoạt và có thể xử lý các mô hình
tuyến tính và phi tuyến tính để quản lý năng lượng[10].
Chiến lược quản lý năng lượng được trình bày trong [11]
cho nguồn lai ghép PMSG kết hợp với BESS hoạt động với
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 134hai chế độ nối lưới và tách đảo dựa trên điều khiển dự báo
trong microgrid. Điều khiển dự báo cho nguồn lai ghép
PV,BESS,SC so sánh hiệu suất của PI với MPC nhưng chưa
xem xét tới chiến lược quản lý năng lượng [12]. Trong [13]
điều khiển dựa trên MPC với nguồn điện gió mà chưa xem
xét tới các thiết bị lưu trữ.
Bài báo đề xuất một chiến lược quản lý năng lượng dựa
trên điều khiển dự báo đảm bảo điện năng tiêu thụ cho các
phụ tải trong các thời tiết khác nhau. Những mục tiêu của
bài báo này được tóm tắt như sau:
• Xây dựng được mô hình dự báo PV, kiểm soát trên
MPPT.
• Xây dựng mô hình dự báo BESS.
• Chiến lược quản lý năng lượng đảm bảo điện năng tiêu
thụ trong các thời tiết khác nhau.
2. MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT KIỂM SOÁT DỰ BÁO PV-
BESS
2.1. Mô hình điều khiển dự báo PV
- Điều khiển dòng điện dự báo cho mạch tăng áp
Trong mạch chuyển đổi tăng áp DC-DC có vai trò ổn
định điện áp một chiều trước khi đi vào bộ biến đổi nghịch
lưu xoay chiều. Việc ổn định điện áp một chiều dựa vào
việc nạp và cung cấp năng lượng dựa vào các thành phần
linh kiện bán dẫn được thể hiện như hình 1. Bộ chuyển đổi
có thể được phân tích theo hai trạng thái được trình bày như
2a và 2b với (S=1 là đóng và S=0 là mở). Khi S=1, S=0
dòng điện cảm ứng IL được mô tả lần lượt (1).
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc đề xuất của PV
Hình 2a và 2b. Trạng thái công tắc bật và Trạng thái công tắc
tắt
Đối với nguồn PV trong lưới điện siêu nhỏ DC, mô hình
trên bộ chuyển đổi được thể hiện trên hình 2 và mô hình
động của nó được thể hiện như sau:
(1 )
LPV
LPV DC
dI
L SV
dt
dI
L V V S
dt
(1)
Trong đó L là cuộn cảm của mạch tăng áp, Vpv là điện áp
đầu vào của PV, Ipv là dòng điện đầu vào của PV, Vdc là điện
áp đầu ra của mạch tăng cường, S là công tắc trạng thái
chuyển mạch.
Phương pháp tính gần đúng Euler được áp dụng, mô
hình rời rạc của hệ thống được mô tả như sau:
( 1) ( )
dx x k x k
dt Ts (2)
Giá trị dự đoán dòng điện của nguồn PV từ (1) được mô
tả dưới đây với Ts là thời gian lấy mẫu, k là số lần lặp.
( 1) [ ( ) ( )(1 )]+ (k)
L PV DC L
Ts
I k V k V k S I
L (3)
Bên cạnh đó, điều khiển dự báo không thể xác định trạng
thái tối ưu chỉ dựa trên các dự đoán. Việc giảm thiểu sai số
giữa giá trị tham chiếu và giá trị dự đoán cũng cần được yêu
cầu bằng cách sử dụng hàm chi phí. Hàm chi phí là một
trong những ứng dụng dựa trên điều khiển dự báo và nó
được sửa đổi như sau:
r
( 1) | I ( 1) |
ef L
g k I k (4)
Trong đó Iref là dòng điện tham chiếu từ MPPT, IL(k+1)
là dòng điện dự báo.
- Kiểm soát MPPT dựa trên điều khiển dự báo
Pin quang điện tạo ra công suất tối đa với điểm uốn
đường cong V-I như trong hình 3. Trong đó Vmpp và Impp lần
lượt là điện áp và dòng điện tại điểm đạt công suất tối đa.
Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC được thiết lập hoạt động ở
điện áp tối ưu nhằm đảm bảo công suất đầu ra bằng thuật
toán MPPT. Để xác định điểm MPP, thuật toán P&O là một
phương pháp phổ biến được áp dụng để thay đổi giá trị đầu
ra. Tham số này có thể là chu kỳ hoạt động của của tín
chuyển đổi, đó là Vmpp và Impp tại điểm MPP. Trong đó giá
trị đầu ra của thuật toán MPPT là giá trị dòng điện và được
sử dụng làm giá trị tham chiếu trong thuật toán MPC
(Model predictive control). Thuật toán điều khiển đề xuất
được thể hiện trong hình 4.
Hình 3. Đặc tính I-V của PV
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 135
Hình 4. Thuật toán điều khiển đề xuất
Thuật toán dự đoán dựa trên giá trị dự đoán dòng điện
và hàm chi phí cho tất cả các trạng thái chuyển đổi có thể
xảy ra. Các giá trị dự đoán của dòng điện được sử dụng để
ước tính các trạng thái tiếp theo của hệ thống. Thuật toán sẽ
xem xét các trạng thái chuyển đổi có thể xảy ra trong tương
lai gần dựa trên dự đoán này. Đối với mỗi trạng thái chuyển
đổi, hàm chi phí được tính toán để đánh giá sự ưu tiên của
việc chuyển đổi đó. Do đó, Thuật toán dự đoán điều khiển
dòng điện hiện tại dựa trên tham chiếu từ MPPT.
2.2. Mô hình dự báo của BESS
Hình 5. Dòng điện của PV-BESS
Trong lưới điện nhỏ, bộ chuyển đổi DC-DC chủ yếu
nhằm mục đích kết nối các nguồn năng lượng tái tạo khác
với nhau tại DC-bus nhằm tăng độ tin cậy cho hệ thống lai
ghép. Một số bộ chuyển đổi phổ biến đó là bộ chuyển đổi
tăng áp và bộ chuyển đổi hạ áp [14].Trong bộ điều khiển
truyền thống, giá trị sai lệch dòng điện thông qua bộ điều
khiển PI và đầu ra của bộ điều khiển PI được chuyển đổi
đến bộ điều chế xung [15, 16]. Đã có một số mô hình sử
dụng MPC cho bộ chuyển đổi tăng cường. Mô hình kiểm
soát công suất dự báo của BESS bao gồm mô hình dự báo
và điều khiển tối ưu hóa hành vi. Mô hình dự báo được xây
dựng dựa trên bộ chuyển đổi DC-DC ở trạng thái thời điểm
hiện tại và dự báo trạng thái trong tương lai. Trong đó, điều
khiển tối ưu hành vi cơ bản là một hàm chi phí được áp
dụng để kiểm soát chi phí có thể xảy ra.
Việc cân bằng công suất trong microgrid, BESS đóng
vai trò quan trọng trong việc điều tiết công suất thông qua
chế độ sạc/xả. Áp dụng định luật Kirchhoff 1 cho hình 5,
mối quan hệ dòng điện được mô tả như sau:
2
DC PV C AC
I I I I (5)
Trong đó IAC là dòng điện đi qua bộ biến đổi converter
với tải xoay chiều, IDC là dòng điện trong hai chế độ sạc/xả
của BESS, IC2 là dòng điện của tụ C2. Công suất của BESS
được mô tả như sau:
* *
.
BESS DC DC
P I V (6)
Trong đó V*DC là điện áp tham chiếu, dòng điện IC2 có
thể được dự báo như sau:
*
2
2
1
( 1) ( .( ( )))
C DC DC
C
I k V V k
N Ts (7)
Trong đó N là hệ số giới hạn dòng của tụ điện [19], kết
hợp (5) và (7) dòng điện dự báo của BESS được mô tả như
sau:
2
( 1) ( ) ( 1) ( )
DC PV C AC
I k I k I k I k
(8)
Với dòng điện dự báo dựa trên (5) và (8) công suất dự
báo của BESS được mô tả như sau:
* *
( 1) | . ( 1) |
BESS DC DC
P k V I k (9)
Bộ chuyển đổi tăng cường ảnh hưởng tới trạng thái
chuyển mạch của bộ lưu điện với nguồn điện DC-bus. Hình
6 mô tả liên kết giữa bộ lưu điện và bộ chuyển đổi Buck-
Boost thông qua các trạng thái chuyển mạch S1, S2 và chiến
lược MPC đề xuất. Nếu S1 đang trong trạng thái chuyển đổi
(1 hoặc 0) trong quá trình hoạt động chính và S2 hoạt động
trong trạng thái bổ sung, nó hoạt động ở chế độ Buck.
Ngược lại, Nếu S2 đang trong trạng thái chuyển đổi (1 hoặc
0) và S1 hoạt động trong trạng thái bổ sung, nó hoạt động ở
chế độ Boost. BESS sẽ được sạc/xả thông qua năng lượng
từ DC-bus.
Hình 6. Sơ đồ dự báo của BESS
Hình 7 và 8 mô tả hai trạng thái trong hai chế độ tùy
thuộc vào hướng của dòng điện.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 136
Hình 7. Chế độ Boost
Hình 8. Chế độ Buck
Trong chế độ Boost, áp dụng định luật Kirchhoff 2 mối
quan hệ dòng điện được mô tả như sau:
1 2
1 2
0, 1:
1, 0,:
BB
BB DC
dI
S S L V
dt
dI
S S L V V
dt
(9)
Trong đó LB là cuộn cảm của mạch chuyển đổi Buck-
Boost, VB là điện áp của bộ lưu điện. Dòng điện cảm ứng
qua cuộn cảm bằng dòng điện đầu ra của BESS, Điện áp
của BESS thay đổi tương đối chậm tùy thuộc vào chế độ
sạc và xả. Công suất của BESS có thể được dự báo như sau:
( 1) | ( ). ( 1)|
BESS B B
P k V k I k (10)
BESS hoạt động ở 2 chế độ cung cấp và hấp thụ năng
lượng để điều khiển công suất đầu ra ổn định, cân bằng. Do
đó, hàm chi phí của BESS được mô tả như sau:
*
( 1) | ( 1) ( 1)|
BESS BESS
J k P k P k
Hàm chi phí của BESS được chọn làm đối tượng điều
khiển cho bộ chuyển đổi Buck-Boost qua đó điện áp DC-
bus được giữ ở trạng thái ổn định đảm bảo lượng công suất
đầu ra được tối ưu. Tín hiệu chuyển mạch cho bộ chuyển
đổi Buck-Boost được thể hiện trong hình 9.
Chiến lược quản lý năng lượng phụ thuộc vào sự cân
bằng công suất trong Microgrid. Nếu nhu cầu của tải vượt
quá lượng công suất được sản xuất ra thì chế độ Boost sẽ
được hoạt động ở chế độ xả cung cấp năng lượng cho tải
tiêu thụ. Mặt khác, nếu SOC lớn hơn ngưỡng cho phép thì
tải sẽ được ưu tiên ngắt để đảm bảo cho hệ thống. Ngược
lại, lượng công suất sản xuất ra vượt quá nhu cầu của tải
điện áp DC-bus sẽ được tăng lên và chế độ Buck đươc hoạt
động thực hiện chế độ sạc. Nếu BESS được sạc đầy (SOC
lớn hơn ngưỡng cho phép) MPPT sẽ ngừng hoạt động.
Hình 9. Tín hiệu chuyển mạch của BESS
3. MÔ HÌNH DỰ BÁO ĐIỆN ÁP (MPVC)
Trong chế độ tách lưới, mục tiêu của mô hình dự báo
điện áp (MPVC) trong hệ thống PV-BESS đóng vai trò giữ
lưới nhằm duy trì điện áp ổn định. Sơ đồ tổng quát hệ thống
mô tả như hình 10.
Hình 10. Sơ đồ tổng quát mô tả hệ thống
Trong MPVC, điện áp trên tụ C là mục tiêu điều khiển
của đề tài này. Dựa vào hình 10, áp dụng định luật Kirchhoff
1 mối quan hệ dòng điện được mô tả như sau:
cf o c
dV
C I I I
dt
(12)
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 mối quan hệ điện áp được
mô tả như sau:
f
i c
dI
V L V
dt
(13)
Trong đó L, C lần lượt là cuộn cảm và tụ điện trong bộ
lọc LC.
Ma trận trạng thái của hệ thống được kết hợp từ (12) và
(13) được thể hiện như sau:
i o
dx Ax BV CI
dt (14)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 137Mô hình dự đoán rời rạc dựa vào thời gian lấy mẫu Ts
cho MPVC:
( 1) ( ) ( ) ( )
d d i d o
x k A x k B V k C I k
(15)
Trong đó:
ATs
0 0
, ,
Ts Ts
A A
d d d
A e B e Bd C e Cd
(16)
Hàm chi phí được xây dựng dựa trên điện áp tham chiếu
V*c và Vc(k+1) được thể hiện như sau:
* 2 * 2
( 1) ( ( 1)) ( ( 1))
c c c c
Q k V V k V V k
(17)
Trong đó trục
được sử dụng nhằm kiểm soát phần
thực và phần ảo. Hình 11 mô tả mô hình dự báo đề xuất.
Hình 11. Mô hình dự báo đề xuất
Đối với các hệ thống hoạt động ở chế độ độc lập, bộ điều
khiển độ đốc dựa trên hệ số phân bổ công suất tác dụng, hệ
số phân bổ công suất phản kháng nhằm duy trì tần số cho
MG. Mối quan hệ được xác định theo đường đặc tính
Droop.
* *
* *
( )
( )
m P P
E E n Q Q
(18)
4. CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG
Hình 12. Chiến lược quản lý năng lượng
Trong nghiên cứu này, nguồn năng lượng cung cấp
chính là PV và thường hoạt động tại điểm MPP để tối ưu
lượng công suất đầu ra. Tham chiếu MPPT dựa trên sự
nhiễu loạn được thể hiện trong [21] tạo ra điện áp tham
chiếu cho PV. Bộ điều khiển dòng điện dựa trên MPC điều
chỉnh dòng điện đến tham chiếu của nó. Sự cân bằng công
suất trong MG dựa trên BESS bằng cách điều chỉnh điện áp
DC-bus. Mặt khác, tải tiêu thụ quá nhỏ so với công suất tạo
ra của PV dẫn tới hệ thống PV không hoạt động ở MPP làm
giảm công suất đầu ra. Nhóm nghiên cứu đề xuất chiến lược
quản lý năng lượng của hệ thống PV-BESS được mô tả
trong hình 12.
5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Ứng dụng MPC cho hệ thống PV-BESS vào lưới điện
thử nghiệm tại hình 13 ở chế độ tách đảo. Thông số các
phần tử trong sơ đồ được thể hiện như trong bảng 1, 2.
Hình 13. Sơ đồ lưới nghiên cứu của hệ thống PV-BESS
Bảng 1. Thông số lưới
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
PV BESS
VMP,VOC 30V; 36,3V Vb 300V
IMP,ISC 7,45A; 7,84A
Q 300Ah
CPV 0,2mF Cb 0,22mF
LPV 0,2mH Lb 0,2mH
C 1mF SOCmax,SOCmin
90,20(%)
Phụ tải
Phụ tải 1 18+j10 kVA Phụ tải 2 15 kW
Bảng 2. Thông số điều khiển
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
Lf 1,14mH m 0,08
Cf 1,1
F n 0,08
L12 1,5mH Vdc 600
R12 0,03Ω N 500
Chế độ 1
Ban đầu, công suất của PV lớn hơn so với nhu cầu của
tải đang tiêu thụ là 18kW và SOC của BESS còn lại nhỏ
hơn ngưỡng tối đa, năng lượng dư thừa được BESS lưu trữ
lại. Với mức công suất sẵn có của PV tiếp tục hoạt động ở
chế độ MPP, BESS sẽ tiếp tục hấp thụ năng lượng. Tại thời
điểm 4-7s bức xạ của PV thay đổi, bộ lưu điện có vai trò