Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống microgrid tóm tắt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG 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 : 52 02 02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2022 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Lê Kim Hùng Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Đức Huy Phản biện 2: PGS.TS Trương Đình Nhơn Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Liêm Luận án bảo vệ Hội đồng chấm Luận án tốt nghiệp Tiến sĩ Kỹ thuật họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 12 tháng 02 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin – Học liệu Truyền thông, ĐHĐN THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Một vấn đề mà nước giới phải đối mặt làm để đáp ứng nhu cầu lượng ngày tăng Điều làm tăng nhu cầu tài nguyên lượng, lượng hóa thạch mà ban đầu coi vô tận Tuy nhiên, chúng sử dụng đến mức cạn kiệt việc dẫn đến tác động tiêu cực biến đổi khí hậu, gây nóng lên tồn cầu Để giải vấn đề nóng lên toàn cầu nước tập trung vào nghiên cứu giải pháp làm giảm thiểu phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, cắt giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch chuyển trọng tâm sang sử dụng nguồn lượng bền vững, thân thiện với môi trường sản xuất điện Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn lượng phân tán (DER) đặt số thách thức nảy sinh từ yếu tố bất định chúng (công suất đầu phụ thuộc vào yếu tố thời tiết…) Khi lưới điện có thâm nhập cao nguồn lượng tái tạo (RES) gây nên cân công suất, với vấn đề liên quan chất lượng điện độ tin cậy hệ thống Hiện nay, Microgrid cấu trúc lưới điện quan tâm nghiên cứu có khả tích hợp nhiều DER chủ yếu RES làm giảm đáng kể mối quan tâm biến đổi khí hậu Tuy nhiên, so với lưới điện truyền thống, Microgrid chuyển sang hoạt động chế độ vận hành độc lập gặp phải số thách thức: tích hợp nhiều RES nên hệ thống có qn tính thấp, RES phụ thuộc yếu tố thời tiết (biến động, ngẫu nhiên gián đoạn) nên gây khó khăn việc điều khiển cân công suất hệ thống, gây dao động tần số hệ thống dẫn đến ổn định, ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện Do vậy, để nâng cao hiệu vận hành Microgrid độc lập khai thác tối đa tiềm DER cần phải có chiến lược, giải pháp phương pháp điều khiển phù hợp cho Microgrid độc lập THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Trên sở bối cảnh nguồn lượng mặt trời phát triển mạnh mẽ tác giả lựa chọn “Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thống Microgrid” nhằm đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu sử dụng nguồn lượng mặt trời (PV) nguồn DER khác Microgird Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để tối ưu vận hành hệ thống Microgrid Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu luận án phương pháp điều khiển áp dụng cho Microgrid Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu luận án xây dựng mơ hình, đề xuất giải pháp điều khiển cấp điều khiển sơ cấp Microgrid độc lập có dao động bé (sự thay đổi cơng suất tải thay đổi công suất hệ thống PV) nhằm nâng cao hiệu vận hành Cấu trúc Microgrid luận án nghiên cứu: gồm máy phát Diesel, hệ thống lượng mặt trời, hệ thống lưu trữ lai phụ tải Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mơ hình tốn mơ phỏng, nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa kết nghiên cứu công bố giới đặc biệt công bố tác giả luận án Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về mặt khoa học sau luận án có đóng góp sau: Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến nhằm nâng cao hiệu sử dụng hệ thống PV Đề xuất áp dụng điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho nghịch lưu HESS cấp điều khiển cấp sơ cấp nhằm nâng cao khả vận hành Microgrid độc lập Đề xuất thuật toán hạ bậc dựa toán tử Hankel phương pháp cân cho điều khiển điều khiển bền vững Hinf nhằm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội giảm thời gian tính tốn, xử lý thời gian thực để dễ dàng áp dụng thực tế Kết đạt luận án mang lại đóng góp mặt thực tiễn sau: Trên sở giải pháp điều khiển đề xuất luận án, áp dụng Microgrid cho tịa nhà, khu cơng nghiệp, đảo lập để khai thác tối đa hiệu RES Trên sở thuật toán hạ bậc đề xuất cho điều khiển luận án, cho phép giảm thời gian tính tốn, xử lý hệ thống điều khiển Microgrid để dễ dàng triển khai áp dụng thực tế Những đóng góp luận án Đóng góp thứ 1: Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến, áp dụng cho hệ thống PV với yêu cầu cấu hình điều khiển MPPT đơn giản, giúp nâng cao khả tích hợp hệ thống PV hiệu vận hành Microgrid vận hành độc lập Đóng góp thứ 2: Đề xuất xây dựng điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS Bộ điều khiển bền vững Hinf giúp nâng cao hiệu vận hành Microgrid vận hành độc lập Đóng góp thứ 3: Đề xuất thuật tốn hạ bậc cho điều khiển bền vững Hinf có chất lượng điều khiển tương đương với điều khiển bền vững Hinf đủ bậc Bớ cục chung luận án Ngồi phần mở đầu, kết luận kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo mục lục luận án bố cục thành chương, đóng góp luận án trình bày Chương Chương Chương 1: Tổng quan Microgrid chiến lược, phương pháp điều khiển Microgrid Chương 2: Mơ hình hóa điều khiển Microgrid Chương 3: Đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thống lượng mặt trời Microgrid Chương 4: Đề xuất giải pháp điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho HESS để nâng cao khả vận hành Microgrid độc lập THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ CÁC CHIẾN LƯỢC, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID 1.1 Tổng quan Microgrid Microgrid tác giả Hansen định nghĩa sau: “Microgrid lưới điện phân tán điện áp thấp có cấu trúc bao gồm DER, tải linh hoạt, thiết bị lưu trữ (bánh đà, siêu tụ, ắcqui…) phần tử điều khiển Do có khả điều khiển, Microgrid vận hành chế độ kết nối lưới, chế độ độc lập, linh hoạt chuyển đổi hai chế độ có yêu cầu” 1.2 Các chiến lược quản lý và điều khiển Microgrid Để giải thách thức phát huy vai trò Microgrid, nghiên cứu đưa ba chiến lược quản lý, điều khiển vận hành Microgrid sau: - Chiến lược điều khiển tập trung - Chiến lược điều khiển phân tán - Chiến lược điều khiển phân cấp 1.3 Các chiến lược điều khiển cấp điều khiển sơ cấp Như phân tích trên, Microgrid chuyển sang chế độ độc lập gặp số thách thức Do vậy, để khai thác hiệu RES nâng cao hiệu vận hành Microgrid, cần phải có chiến lược điều khiển phù hợp để điều khiển DER cấp sơ cấp Trong nghiên cứu đề xuất chiến lược điều khiển cho cấp điều khiển sơ cấp Microgrid 1.4 Các phương pháp điều khiển Trong phần này, tiến hành tổng hợp phân tích, đánh giá phương pháp điều khiển áp dụng cho cấp điều khiển sơ cấp Microgrid Các phương pháp điều khiển bao gồm: điều khiển truyền thống PID, điều khiển nâng cao, kỹ thuật thích nghi, điều khiển bền vững, kỹ thuật điều khiển dựa thuật tốn thơng minh ANN, FL, thuật toán PSO,… THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.5 Sơ đồ cấu trúc Microgrid nghiên cứu Hiện nay, tốc độ phát triển nguồn lượng mặt trời phân tán tích hợp vào lưới điện ngày gia tăng Việt Nam nói riêng giới nói chung Các phụ tải như: nhà, bệnh viện, sân bay, xí nghiệp khu vực đảo … có nguồn dự phịng sử dụng máy phát Diesel Do đó, việc đề xuất giải pháp điều khiển để khai thác tối đa công suất nguồn lượng mặt trời phân tán, nâng cao khả tích hợp vào lưới điện khả vận hành hiệu Microgrid quan tâm Từ phân tích trên, luận án đề xuất cấu trúc Microgrid nghiên cứu Hình 1.15 MBA MBA Phụ tải Máy phát Diesel MGCC MBA MPPT MBA Lưu trữ Pin DC DC DC DC DC AC DC AC Siêu tụ điện DC DC HESS Hệ thống PV Hình 1.15 Cấu trúc Microgrid nghiên cứu 1.6 Nhận xét và kết luận chương Qua kết nghiên cứu Microgrid tài liệu tham khảo chọn lọc, chương giới thiệu khái niệm, chế độ vận hành, vai trò vấn đề đặt để vận hành hiệu Microgrid Từ vấn đề đặt Microgrid, chương giới thiệu chiến lược cấu trúc điều khiển để chia sẻ công suất phù hợp DER ESS Microgrid vận hành nối lưới độc lập Với chiến lược điều khiển, kết nghiên cứu tham khảo tiến hành phân tích, so sánh đánh giá phương pháp điều khiển áp dụng Microgrid Đề xuất mơ hình Microgrid sử dụng để nghiên cứu luận án Kết nghiên cứu chương luận án công bố cơng trình số danh mục cơng bố đề tài THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID 2.1 Đặt vấn đề Trong mơ hình Microgrid đề xuất luận án Hình 1.15, chuyển sang hoạt động độc lập máy phát Diesel nguồn phát chính, nguồn phân tán sử dụng lượng tái tạo hệ thống PV, để đảm bảo Microgrid vận hành ổn định, luận án đề xuất sử dụng hệ thống lưu trữ lai (HESS) làm nguồn điều chỉnh tần số có khả đáp ứng với thay đổi nhanh hệ thống PV phụ tải Mục đích chương xây dựng mơ hình tốn, cấu trúc điều khiển Microgrid để tiến hành mơ phỏng, phân tích đánh giá ảnh hưởng hệ thống PV với tỉ lệ thâm nhập cao, vai trò HESS đến hiệu vận hành nguồn Microgrid vận hành độc lập 2.2 Mơ hình hóa và điều khiển hệ thớng PV 2.3 Mơ hình và điều khiển máy phát Diesel 2.4 Mơ hình và điều khiển hệ thống lưu trữ Hệ thống lưu trữ (ESS) tích hợp Microgrid, có vai trị việc điều chỉnh ổn định tần số, điện áp nâng cao chất lượng điện độ tin cậy lưới điện 2.4.1 Tổng quan hệ thống lưu trữ Trong Microgrid có tỉ lệ thâm nhập cao RES yêu cầu ESS vừa đảm bảo đáp ứng công suất nhanh với thay đổi nguồn tái tạo phụ tải để ổn định tần số (hoạt động độc lập) vừa phải có khả lưu trữ để thục chức phân tích (khi hoạt động nối lưới) Nếu xét riêng loại, tất thiết bị lưu trữ khơng có khả đáp ứng tất tiêu chí, chẳng hạn mật độ lượng, mật độ cơng suất, tốc độ phóng điện, tuổi thọ chi phí, lúc Do đó, để tối ưu hóa tính lưu trữ phân phối lượng cần phải kết hợp hai nhiều loại lưu trữ có đặc tính bổ sung lẫn tạo thành hệ thống lưu trữ lai (HESS) để đảm bảo tối ưu hiệu suất ESS Microgrid THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 2.4.2 Mô hình biến đổi kết nối HESS với Microgrid Hệ thống lưu trữ lượng kết nối với Microgrid thông qua biến đổi điện tử cơng suất Hình 2.17 Trong đó, nghịch lưu DC/AC sử dụng để điều khiển trao đổi công suất tác dụng phản kháng HESS Microgrid Ngoài ra, biến đổi DC/DC hai chiều điều khiển dòng điện hai chiều (sạc, xả) hệ thống lưu trữ, đồng thời giữ cho điện áp DC đầu vào DC/AC ổn định IHESS ISC DC VSC IDC ISC_DC DC CDC + - DC Siêu tụ điện chiều DSC AC IIA Rf Lf IPCC_A IIB Rf Lf IPCC_B IIC Rf Lf IPCC_C Cf Cf Cf IPin_DC VIA VIB VIC IPin PCC Microgrid DC VPin DC Pin DP Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc HESS kết nối Microgrid 2.4.2.1 Mơ hình biến đổi hai chiều DC/DC 2.4.2.2 Mơ hình nghịch lưu (VSI) 2.4.3 Các phương pháp điều khiển HESS Microgrid 2.4.3.1 Cấu trúc điều khiển phương pháp thứ 2.4.3.2 Điều khiển biến đổi DC/DC hai chiều 2.4.3.3 Điều khiển nghịch lưu (VSI) 2.5 Mơ hình và điều khiển tần sớ Microgrid Từ mơ hình mạch điện thay thế, phương trình tốn phương pháp điều khiển xây dựng phân tích ta có mơ hình điều khiển Microgrid Hình 2.29 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội DC/DC + - Rf DC AC CDC PCC Lf Lưới điện Cf MPPT Điều khiển HESS VDC_ref DSC Tải VDC DP SC CDC + - Rf DC AC Cf mq md Pin Vòng điều khiển bên HESS Diesel Lf fMG Độ dốc Độ dốc Hình 2.29 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Microgrid Từ phương trình (2.42) (2.43), ta có cấu trúc điều khiển tín hiệu nhỏ Microgrid vận hành độc lập hình 2.30 Điều khiển sơ cấp Điều khiển độ dốc Tải Ptai Diesel Tdiesel s + PDiesel + + Hệ thống PV PPV_DC TPV s +  Microgrid P −  PHESS PPV 2H.s + D HESS THESS s + fMG Điều khiển sơ cấp Điều khiển độ dốc Hình 2.30 Cấu trúc điều khiển tín hiệu nhỏ Microgrid 2.6 Mơ và phân tích kết Để đánh giá ảnh hưởng giải pháp điều khiển Microgrid đến hiệu vận hành, phần tiến hành mơ vấn đề sau: Phân tích ảnh hưởng thuật toán điều khiển MPPT đến khả thâm nhập hệ thống PV hiệu vận hành, ổn định tần số Microgrid THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 3.2.3 Kết luận đánh giá thuật toán MPPT đề xuất Thuật toán MPPT đề xuất dựa tham số PPV, VPV D có khả bám điểm MPP hiệu với tốc độ nhanh điều kiện thời tiết Ngoài ra, dao động công suất ngõ hệ thống PV điểm MPP nhỏ điều kiện xạ ổn định, khơng có thay đổi cơng suất đột ngột trường hợp thời tiết thay đổi nhanh Với việc giải nhược điểm thuật tốn truyền thống, có hiệu bám tương tự thuật tốn MPPT dựa FL có quy tắc điều khiển đơn giản, thuật toán MPPT đề xuất áp dụng vào tất hệ thống PV thực tế để nâng cao hiệu suất hệ thống với chi phí đầu tư thấp 3.2.4 Đánh giá ảnh hưởng thuật toán MPPT đề xuất đến khả thâm nhập hệ thống PV vào Microgrid Để đánh giá ảnh hưởng thuật toán MPPT đề xuất đến khả thâm nhập hệ thống PV vào Microgrid, tỉ lệ thâm nhập hệ thống PV tăng lên 501,5 (kW) với thông số kịch mục 2.6.3 3.2.4.1 Đánh giá ảnh hưởng đến sai lệch tần số Microgrid Hình 3.12 Đáp ứng tần số Microgrid Đối với trường hợp tỉ lệ thâm nhập PV tăng lên, tiến hành mô đánh giá với thuật toán MPPT FL, P&O MPPT đề xuất Kết thể Hình 3.12 3.4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng đến máy phát Diesel 3.4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng đến hệ lưu trữ dùng SC 12 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 3.4.2.4 Đánh giá ảnh hưởng đến hệ lưu trữ dùng Pin 3.4.2.5 Kết luận Qua kết mơ từ Hình 3.12 đến 3.15, thể thuật toán đề xuất nâng cao hiệu vận hành tỉ lệ thâm nhập hệ thống PV vào Microgrid 3.3 Nhận xét và kết luận chương Từ kết trên, thuật toán MPPT đề xuất cho kết với hiệu suất bám điểm MPP tất kịch xạ (thay đổi nhanh, chậm không đổi) tương đương với thuật tốn MPPT FL Ngồi ra, thuật tốn đề xuất cịn khắc phục nhược điểm thuật tốn P&O dao động cơng suất quanh điểm MPP Dstep bé Từ kết mô phỏng, so sánh, đánh giá cho thấy thuật toán MPPT đề xuất giúp nâng cao hiệu sử dụng, tỉ lệ thâm nhập hệ thống PV vào Microgrid Tuy nhiên, thay đổi hệ thống PV nguồn HESS Diesel tham gia vào trình điều chỉnh tần số sơ cấp máy phát Diesel có cơng suất đầu dao động theo thay đổi hệ thống PV điều làm giảm chất lượng điện độ tin cậy Microgrid Do vậy, để nâng cao ổn định, chất lượng điện độ tin cậy cần áp dụng phương pháp điều khiển đại cho HESS để tính tốn xác cơng suất cần huy động để đáp ứng nhanh với thay đổi hệ thống PV tải (nguồn điều tần chính) Từ kết luận chương tiếp theo, luận án đề xuất giải pháp điều khiển bền vững đa biến Hinf áp dụng cho nghịch lưu HESS để nâng cao hiệu vận hành Microgrid Kết nghiên cứu chương luận án cơng bố cơng trình số danh mục công bố đề tài 13 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG Hinf ÁP DỤNG CHO HESS ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA MICROGRID ĐỘC LẬP 4.1 Đặt vấn đề Trong điều khiển hệ thống điện nói chung điều khiển Microgrid nói riêng, tác động nhiễu đến tham số điều khiển, hay thay đổi tham số mơ hình xảy thường xun Do đó, điều khiển cổ điển PID, PI phải tinh chỉnh tham số điều khiển thường xuyên để đảm bảo chất lượng điều khiển Trong phương pháp điều khiển đại, phương pháp điều khiển bền vững Hinf luôn đảm bảo chất lượng điều khiển với tất tác động nhiễu mơ hình đối tượng có tham số bất định, làm cho toán điều khiển hệ thống điện trở nên bền vững Tuy nhiên, phương pháp điều khiển đại thường điều khiển có bậc cao làm tăng đáng kể khối tượng tính tốn, xử lý làm giảm tính khả thi điều khiển đưa vào thực tế áp dụng Do đó, tốn hạ bậc mơ hình thường quan tâm nhằm giúp giảm thiểu khối lượng tính tốn, tăng tính khả thi điều khiển đại đề xuất 4.2 Bài toán điều khiển bền vững Hinf 4.2.1 Vấn đề điều khiển độ nhạy hỗn hợp 4.2.2 Cấu trúc điều khiển P-K z w Cấu trúc điều khiển P-K P(s) dạng cấu trúc chung mà thuật tốn điều khiển đại: điều v u khiển thích nghi, điều khiển dự K(s) báo hay kể điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng có sơ đồ Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển Hình 4.2 P-K tối giản Hệ thống điều khiển Hình 4.2 mơ tả sau: 14 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội z  w  P11 ( s) P12 ( s)   w v  = P( s) v  =  P ( s) P ( s)  v  (4.5)      21 22   (4.6) u = K (s).v Hàm truyền vịng kín từ w đến z tính phép chuyển đổi tuyến tính đây: Fl ( P, K ) = P11 + P12 K ( I − P22 K ) −1 P21 (4.7) Mục tiêu điều khiển Hinf tìm điều khiển K(s) để tối thiểu chuẩn vô ma trận hàm truyền đạt Fl ( P, K ) , thể đây: (4.8) Fl ( P, K )( s)  = max  ( Fl ( P, K )( j ))  Tuy nhiên, với phần lớn ứng dụng thực tế, khơng thiết phải tìm điều khiển tối ưu toàn cục cho toán Hinf mà cần giải toán tối ưu đơn giản (về mặt số học) Gọi γmin giá trị nhỏ Fl ( P, K )( s )  (giá trị tối ưu tồn cục) Giả sử γ > γmin, tốn tối ưu tìm điều khiển ổn định K(s) sau: Fl ( P, K )( s )   (4.9) Bài tốn cịn gọi toán cận tối ưu Bằng cách giảm dần γ, ta đưa lời giải tối ưu cho toán điều khiển Hinf 4.2.3 Hàm trọng số toán điều khiển Hinf Để giải toán tối ưu nêu trên, có nhiều phương pháp thiết kế điều khiển, phương pháp thiết kế điều khiển bền vững độ lợi vòng thông qua hàm trọng số Do vậy, bước quan trọng thiết kế điều khiển bền vững Hinf xác định hàm trọng số Các hàm trọng số giúp việc thiết kế đặc tính chất lượng điều khiển hệ thống theo mong muốn thỏa mãn mục tiêu chất lượng mục tiêu ổn định bền vững trước thay đổi nhiễu đầu vào Các đặc tính chất lượng mong muốn điều khiển Hinf thể thông qua hàm trọng số (bộ lọc tần số) đặc tính hàm truyền độ nhạy 15 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 4.2.4 Các bước thiết kế tổng hợp điều khiển Hinf 4.2.5 Phân tích tính bền vững hệ thống sử dụng cấu trúc M- 4.3 Đề xuất thuật toán hạ bậc cho điều khiển Hinf 4.3.1 Tổng quan nguyên lý hạ bậc điều khiển 4.3.2 Đề xuất thuật toán hạ bậc cho điều khiển Trên sở phân tích chuẩn Hankel phương pháp hạ bậc cân trên, để phù hợp với đối tượng nghiên cứu, luận án đề xuất thuật toán hạ bậc cho ma trận hàm truyền đạt [m x n] n đầu vào m đầu 4.4 Đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS Microgrid Để đảm bảo Microgrid độc lập đảm bảo vận hành ổn định với tần số giới hạn cho phép có thay đổi nguồn nguồn phụ tải cần phải đề xuất phương pháp điều khiển phù hợp cho HESS Trong phần này, luận án đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS Microgrid đề xuất thuật toán hạ bậc cho điều khiển bền vững Hinf 4.4.1 Cấu trúc điều khiển ổn định tần số Microgrid Để nâng cao hiệu vận hành Microgrid, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS Microgrid cấp điều khiển sơ cấp, có cấu trúc Hình 4.10 VDC_ref Điều khiển HESS VDC DSC SC DC DC DP Pin  Pdiesel DP CDC + - + DC PHESS  AC md mq + PPV Microgrid 2H.s + D  −  fMG Ptai  Pdiesel DC DC Bộ điều khiển bền vững Hinf K(s)  fMG Hình 4.10 Mơ hình cấu trúc điều khiển ổn định tần số Microgrid sử dụng điều khiển bền vững cho HESS 16 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 4.4.2 Xây dựng mơ hình tốn Microgrid 4.4.3 Thiết kế điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu Thực bước xây dựng điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS sau: 4.4.3.1 Xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái Từ hệ phương trình (4.13) ta xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái tuyến tính mơ hình tín hiệu nhỏ sau: x = Ax + B1u + B2 w  y = C x + D1u + D2 w (4.14) 4.4.3.2 Xây dựng cấu trúc P-K Từ mơ hình P - P w e không gian trạng thái z e (4.14) tiến hành thiết e P kế điều khiển bền f =0 m m v u vững Hinf có cấu trúc Pf P K biểu diễn Hình 4.11 Các tín hiệu K(s) K cấu trúc P-K xác Hình 4.11 Cấu trúc điều khiển P-K áp định sau: dụng cho Microgrid 4.4.3.3 Xác định hàm trọng số tải PV Wp1 (s) Wu1 (s) Wu2 (s) diesel * MG d q Mô hình khơng gian trạng thái tín hiệu nhỏ G(s) -+ MG 4.4.3.4 Tổng hợp điều khiển K Sau chọn xong hàm trọng số phù hợp, điều khiển K tổng hợp (chương trình tính tốn Phụ lục 3) đưa giá trị γ (hay gọi GAM) tương ứng GAM = 5,5766.10-6 Hàm truyền điều khiển K gồm đầu vào (Input: f MG ) đầu (Output1: md Output2: mq ) 4.4.3.5 Đánh giá điều khiển dựa tiêu chuẩn chất lượng Biểu đồ cấu trúc giá trị suy biến (độ lợi biến hệ thống) nói lên mối quan hệ hàm độ nhạy S, KS với hàm trọng số chất lượng Wp (s) Wu (s) Các hàm độ nhạy thể quan hệ tín hiệu hệ thống điều khiển sau: 17 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội f MG v = w (Ptai − PPV ) md u KS1 = = w (Ptai − PPV ) S= mq u2 = w (Ptai − PPV ) Các kết từ Hình 4.13 Hình 4.14 cho thấy biểu đồ hàm độ nhạy S, KS1 KS2 nằm đường bao đặc tính KS2 = chất lượng  W p (s) kiện Fl ( P, K )( s)   Wu (s) = tức điều khiển K thỏa mãn điều Wp S Wu KS   chất lượng điều  khiển thiết kế đảm bảo Hình 4.13 Hàm S sai lệch tần số fMG Hình 4.14 Hàm KS sai lệch tín hiệu md mq 4.4.3.6.Đánh giá điều khiển xét đến yếu tố không chắn 4.4.4 Tổng hợp so sánh điều khiển hạ bậc đầy đủ bậc Sử dụng thuật toán hạ bậc đề xuất, ta tiến hành hạ bậc cho điều khiển K có bậc tổng hợp Sau thực phương pháp hạ bậc đề xuất, bậc cao hàm truyền điều khiển K giảm xuống thành bậc 4.4.4.1 Đánh giá điều khiển hạ bậc Bộ điều khiển bề vững Hinf sử dụng thuật toán đề xuất để hạ bậc dựa toán tử Hankel hạ bậc cân xét sai lệch biên độ góc pha biểu đồ Bode điều khiển, trước tiên ta so sánh, 18 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội đánh giá biểu đồ Bode hai điều khiển đầy đủ bậc hạ bậc Hình 4.18 hình 4.19, so sánh biên độ góc pha biểu đồ Bode điều khiển K1 K2 hạ bậc, đầy đủ bậc Từ kết quả, so sánh biểu đồ Bode chất lượng điều khiển hai điều khiển bền vững hạ bậc đầy đủ bậc không sai khác nhiều Hình 4.18 Biểu đồ Bode Hình 4.19 Biểu đồ Bode điều khiển K2 điều khiển K1 Tiếp theo, từ đường đặc tính chất lượng hàm độ nhạy S KS tương ứng với điều khiển hạ bậc đầy đủ bậc giống thể Hình 4.20 Hình 4.21 Kết rằng, điều khiển K sau hạ bậc có đặc tính chất lượng điều khiển hàm độ nhạy S KS đảm bảo Hình 4.20 So sánh hàm độ nhạy S điều khiển đầy đủ bậc hạ bậc Hình 4.21 So sánh hàm độ nhạy KS điều khiển đầy đủ bậc hạ bậc 4.4.4.2 Đánh giá điều khiển hạ bậc xét đến yếu tố không chắn 4.5 Mô đánh giá giải pháp điều khiển đề xuất đến hiệu vận hành Microgrid Sử dụng kịch hệ thống PV phụ tải chương để tiến hành mô để đánh giá ảnh hưởng phương pháp 19 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội điều khiển bền vững Hinf đầy đủ bậc, hạ bậc phương pháp độ dốc áp dụng cho HESS đến hiệu vận hành Microgrid, sau đưa kết luận giải pháp điều khiển đề xuất chương 4.5.1 Bộ điều khiển bền vững Hinf đầy đủ bậc 4.5.1.1 Kịch hệ thống PV thay đổi phụ tải không đổi 4.5.1.2 Kịch hệ thống PV không đổi phụ tải thay đổi 4.5.2 So sánh đánh giá giải pháp điều khiển Trong phần này, tiến hành so sánh đánh giá phương pháp điều khiển áp dụng cho HESS luận án, từ đưa kết luận giải pháp đề xuất đến hiệu vận hành Microgrid 4.5.2.1 Kịch hệ thống PV thay đổi phụ tải khơng đổi Hình 4.31 thể kết đáp ứng tần số Microgrid trường hợp nghịch lưu HESS sử dụng phương pháp điều khiển theo độ dốc, điều khiển bền vững Hinf đầy đủ bậc hạ bậc ứng với kịch công suất hệ thống PV thay đổi Hình 4.25 Tương tự, Hình 4.32 thể kết so sánh điện áp VDC DC nghịch lưu đối tương ứng với phương pháp điều khiển Hình 4.31 Đáp ứng tần số Microgrid Hình 4.32 Điện áp VDC DC Hình 4.33 4.34 thể kết so sánh đáp ứng công suất máy phát Diesel SC tương ứng với phương pháp điều khiển áp dụng cho nghịch lưu HESS 20 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Hình 4.33 Đáp ứng cơng suất Diesel Tương tự Hình 4.35 thể kết đáp ứng công suất Pin tương ứng với phương pháp điều khiển áp dụng cho nghịch lưu HESS Hình 4.34 Đáp ứng cơng suất SC Hình 4.35 Đáp ứng cơng suất Pin 4.5.2.2 Kịch hệ thống PV không đổi phụ tải thay đổi Hình 4.36 thể đáp ứng tần số Microgrid phụ tải thay đổi tăng giảm 15% Đối với phương pháp điều khiển Hinf tần số Microgrid thay đổi bé, nguồn lưu trữ SC có khả đáp ứng cơng suất nhanh, xác với thay đổi phụ tải Hình 4.36 Đáp ứng tần số Hình 4.37 Điện áp VDC Microgrid DC Hình 4.37 thể kết điện áp VDC DC ứng với phương pháp điều khiển áp dụng cho nghịch lưu HESS phụ tải thay đổi tăng giảm tức thời 15% Hình 4.39 Đáp ứng cơng suất SC Hình 4.38 Đáp ứng công suất Diesel 21 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Tương tự trường hợp kịch công suất hệ thống PV thay đổi, kịch phương pháp điều khiển bền vững Hinf đầy đủ bậc hạ bậc áp HESS điều khiển nhanh xác cơng suất đáp ứng với thay đổi tải cấp điều khiển tần số sơ cấp công suất nguồn Diesel khơng tham gia vào q trình này, kết đáp ứng công suất máy phát Diesel thể Hình 4.38 Kết Hình 4.39 thể với trường hợp phụ tải thay đổi đột ngột 15% tương tự kịch công suất hệ thống PV thay đổi, công suất SC đáp ứng trường hợp sử dụng thuật toán điều khiển bền vũng Hinf đầy đủ bậc hạ bậc lớn so với trường hợp sử dụng phương pháp điều khiển dựa theo độ dốc Tương tự Hình 4.40 thể kết đáp ứng công suất Pin HESS tương ứng với phương pháp điều khiển Hình 4.40 Đáp ứng công suất Pin 4.5.3 Kết luận Từ kết mơ từ Hình 4.25 đến Hình 4.40, rút kết luận sau: Bộ điều khiển bền vững Hinf đầy đủ bậc cho nghịch lưu HESS thiết kế có chất lượng điều khiển đảm bảo tiêu chuẩn yêu cầu ổn định tần số điện áp VDC Bộ điều khiển vững Hinf hạ bậc theo thuật toán hạ bậc đề xuất có chất lượng điều khiển tương đương với điều khiển đầy đủ bậc Kết so sánh phương pháp điều khiển bền vững Hinf đầy đủ bậc hạ bậc so với phương pháp điều khiển dựa theo độ dốc có ưu điểm như: điện áp VDC DC, công suất máy phát Diesel tần số Microgrid thay đổi nhỏ so với sử dụng phương pháp độ dốc thơng thường, điều giúp nâng cao tính linh hoạt vận hành Microgrid giúp dễ dàng chuyển đổi chế độ vận hành Microgrid từ độc lập sang nối lưới ngược lại 22 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Như vậy, từ kết mô phỏng, phân tích so sánh đánh giá giải pháp điều khiển đề xuất chương nâng cao hiệu vận hành Microgrid với mục tiêu sau: Giảm sai lệch tần số Microgrid Giảm dung lượng hệ thống lưu trữ Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch Giảm thiểu phát thải Tối ưu việc sử dụng lượng tái tạo Microgrid vận hành ổn định tăng cường độ tin cậy 4.6 Nhận xét và kết luận chương Trong chương này, luận án giới thiệu lý thuyết điều khiển bền vững dựa Hinf Đề xuất thuật toán hạ bậc cho điều khiển bền vững Hinf dựa chuẩn Hankel phương pháp hạ bậc cân Từ đó, đề xuất áp dụng thiết kế điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS Microgrid độc lập có xét đến ảnh hưởng yếu tố bất định Từ thuật toán hạ bậc đề xuất, tổng hợp điều khiển bền vững Hinf hạ bậc cho nghịch lưu HESS Microgrid độc lập Tiếp theo, tiến hành mô đánh giá chất lượng điều khiển, chất lượng bền vững điều khiển bền vững đa biến đủ bậc, hạ bậc với phương pháp độ dốc Cuối cùng, từ kết mơ phỏng, phân tích so sánh đánh giá đưa kết luận ảnh hưởng giải pháp điều khiển đề xuất chương đến hiệu vận hành Microgrid Kết nghiên cứu chương luận án cơng bố cơng trình số danh mục công bố đề tài 23 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trên sở mục đích nghiên cứu đặt ra, luận án “Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thớng Microgrid” hồn thành nội dung có đóng góp lĩnh vực điều khiển, vận hành Microgrid sau: - Hiện nay, hệ thống lượng mặt trời phát triển nhanh chóng, cung cấp cho nhiều phụ tải khác có dải cơng suất rộng từ vài W đến hàng MW Các hệ thống lượng mặt trời chủ yếu sử dụng thuật toán MPPT P&O để bám điểm MPP Do vậy, thuật tốn MPPT cải tiến dựa thơng số đầu hệ thống PV điện áp, dòng điện độ rộng xung D điều khiển điện tử công suất luận án đơn giản, có hiệu suất bám điểm MPP cao, gần không dao động công suất quanh điểm MPP xạ thay đổi nhanh, chậm ổn định tương đương với thuật tốn MPPT thơng minh dựa FL, ANN, PSO… giúp nâng cao hiệu suất hệ thống PV Ngồi ra, thuật tốn MPPT đề xuất giúp tăng khả tích hợp hệ thống PV hiệu vận hành Microgrid vận hành độc lập - Microgrid phận lưới điện thông minh, Microgrid có khả vận hành chế độ kết nối lưới, độc lập linh hoạt chuyển đổi hai chế độ có yêu cầu Do vậy, đề xuất xây dựng điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS Microgrid luận án giúp điều khiển phân bố xác cơng suất nguồn tham gia điều độ có thay đổi nguồn lượng tái tạo phụ tải giữ tần số Microgrid độc lập nằm giới hạn cho phép Điều giúp cho Microgrid dễ dàng chuyển đổi linh hoạt hai chế độ vận hành Ngoài ra, điều khiển Hinf giúp nâng cao hiệu vận hành Microgrid vận hành độc lập - Việc ứng dụng điều khiển vào hệ thống thực tế chiếm tỉ lệ nhỏ điều khiển thường có bậc cao dẫn đến phần cứng phức tạp, thời gian tính tốn, xử lý lớn Đề xuất thuật 24 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội toán hạ bậc cho điều khiển dựa chuẩn Hankel phương pháp hạ bậc cân luận án thu được điều khiển có chất lượng điều khiển tương đương với điều khiển Hinf đủ bậc Do vậy, thuật toán hạ bậc đề xuất giúp hạ bậc điều khiển làm phần cứng đơn giản, giảm khối lượng, thời gian tính tốn, xử lý hệ thống áp dụng thực tế Kiến nghị Trên sở kết nghiên cứu luận án này, số hướng nghiên cứu đề xuất sau: - Nghiên cứu cải tiến thuật toán MPPT đề xuất có khả bắt điểm cơng suất cực đại hệ thống PV bị che khuất, bị bóng mờ… - Nghiên cứu áp dụng điều khiển bền vững dựa Hinf hạ bậc áp dụng để điều khiển ổn định điện áp Microgrid độc lập - Nghiên cứu sử dụng xe điện nối lưới (V2G) để nâng cao hiệu vận hành Microgrid 25 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ [1] N Van Tan, N B Nam, N H Hieu, L K Hung, M Q Duong, and L H Lam, “A Proposal for an MPPT Algorithm Based on the Fluctuations of the PV Output Power, Output Voltage, and Control Duty Cycle for Improving the Performance of PV Systems in Microgrid,” Energies, vol 13, no 17, p 4326, Aug 2020, (SCI-E) [2] B N Nguyen, V T Nguyen*, M Q Duong, K H Le, H H Nguyen, and A T Doan, “Propose a MPPT Algorithm Based on Thevenin Equivalent Circuit for Improving Photovoltaic System Operation,” Front Energy Res., vol 8, p 14, Feb 2020, (SCI-E) [3] Van Tan Nguyen, Huu Hieu Nguyen, Kim Hung Le and The Khanh Truong, “Expansion of Renewable Energy Capacities in Microgrids using Robust Control Approaches”, GMSARN International Journal, Issue 1, March 2022 (Scopus) [4] Nguyễn Hữu Hiếu, Nguyễn Văn Tấn, Nguyễn Bình Nam, Trương Đình Minh Đức, Đào Hữu Đan, Lê Quốc Cường,” Vai trò hệ thống lưu trữ đến ổn định tần số lưới điện siêu nhỏ độc lập”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, Vol 18, 2020 [5] Nguyễn Văn Tấn, Lê Thị Minh Châu, Nguyễn Hữu Hiếu, Lê Hồng Lâm, Nguyễn Anh Vũ, Nguyễn Ngọc Việt, “Đánh giá hiệu làm việc thuật toán bắt điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời bị che khuất”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, Vol 18 (No5.2), 2020 [6] Van Tan Nguyen, Duong Hung Hoang, Huu Hieu Nguyen, Kim Hung Le, The Khanh Truong, Quoc Cuong Le, “Analysis of Uncertainties for the Operation and Stability of an Islanded Microgrid”, IEEE, 2019 ICSSE, (Scopus) [7] Van Tan Nguyen, Le Hong Lam, Duong Minh Quan, Nguyen Huu Hieu, Le Kim Hung,”A Thorough Overview of Hierarchical Structure of Microgrid Systems”, IEEE, 2018 4th GTSD, (Scopus) [8] Nguyễn Hữu Hiếu, Nguyễn Văn Tấn, Trương Thị Bích Thanh, Nguyễn Văn Thiên Sơn, Nguyễn Văn Xuân, “Ứng dụng cấu trúc hệ lưu trữ lai nhằm nâng cao khả tích hợp lượng mặt trời cho phụ tải sân bay.” Tạp chí khoa học công nghệ - Đại học Đà Nẵng (JST-UD), 2021 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... triển mạnh mẽ tác giả lựa chọn ? ?Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thống Microgrid” nhằm đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu sử dụng nguồn lượng mặt trời... tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để tối ưu vận hành hệ thống Microgrid Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu luận án phương pháp điều. .. Đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thống lượng mặt trời Microgrid Chương 4: Đề xuất giải pháp điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho HESS để nâng cao khả vận hành Microgrid