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 - 2022 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: GS.TS Lê Kim Hùng PGS TS Nguyễn Hữu Hiếu Đà Nẵng - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Văn Tấn THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 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 TINH CẤP THIẾT CỦA DỀ TAI MỤC TIEU NGHIEN CỨU ĐỐI TƯỢNG VA PHẠM VI NGHIEN CỨU CACH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHAP NGHIEN CỨU BỐ CỤC DỀ TAI .7 Ý NGHIA KHOA HỌC VA Ý NGHIA THỰC TIỄN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ CÁC CHIẾN LƯỢC, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID 1.1 Tổng quan Microgrid 1.1.1 Khái niệm Microgrid .9 1.1.2 Các cấu trúc Microgrid 10 1.1.3 Vai trò Microgrid .12 1.1.4 Các chế độ vận hành 13 1.1.5 Thách thức vận hành Microgrid .14 1.1.6 Các tiêu chuẩn sử dụng Microgrid 15 1.2 Các chiến lược quản lý điều khiển Microgrid .16 1.2.1 Chiến lược điều khiển tập trung .16 1.2.2 Chiến lược điều khiển phân tán 17 1.2.3 Chiến lược điều khiển phân cấp .18 1.3 Các chiến lược điều khiển cấp điều khiển sơ cấp 21 1.3.1 Vận hành chế độ nối lưới 22 1.3.2 Vận hành chế độ độc lập .22 1.4 Các phương pháp điều khiển .24 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.4.1 Phương pháp điều khiển truyền thống PID 24 1.4.2 Phương pháp điều khiển PID nâng cao (Advanced PID) 24 1.4.3 Các phương pháp điều khiển đại 25 1.5 Sơ đồ cấu trúc Microgrid nghiên cứu .29 1.6 Nhận xét kết luận chương 30 CHƯƠNG MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID .32 2.1 Đặt vấn đề 32 2.2 Mơ hình cấu trúc điều khiển hệ thống lượng mặt trời (PVs) .32 2.2.1 Mơ hình tế bào quang điện 33 2.2.2 Mơ hình pin quang điện (PV) 35 2.2.3 Điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPP) .36 2.2.4 So sánh đánh giá thuật toán MPPT 41 2.3 Mô hình điều khiển máy phát Diesel 42 2.4 Mơ hình điều khiển hệ thống lưu trữ 44 2.4.1 Tổng quan hệ thống lưu trữ 45 2.4.2 Mơ hình biến đổi kết nối HESS với Microgrid 51 2.4.3 Các phương pháp điều khiển HESS Microgrid 56 2.5 Mơ hình điều khiển tần số Microgrid .58 2.6 Mô phân tích kết 60 2.6.1 Mơ hình mơ 61 2.6.2 Thông số kịch mô 63 2.6.3 Phân tích ảnh hưởng hệ thống PV đến Microgrid .67 2.6.4 Phân tích ảnh hưởng thay đổi phụ tải đến Microgrid 71 2.6.5 Kết luận kết mô 73 2.7 Nhận xét kết luận chương 74 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG MICROGRID .75 3.1 Đặt vấn đề 75 3.2 Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến dựa thông số P, V D 75 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 3.2.1 Thuật toán MPPT đề xuất 76 3.2.2 Mơ đánh giá thuật tốn MPPT đề xuất 81 3.2.3 Đánh giá ảnh hưởng thuật toán MPPT đề xuất đến khả thâm nhập hệ thống PV vào Microgrid 90 3.3 Nhận xét kết luận chương 93 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỤNG CHO HESS ĐỂ NÂNG CAO BỀN VỮNG H INF ÁP HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA MICROGRID ĐỘC LẬP .95 4.1 Đặt vấn đề 95 4.2 Bài toán điều khiển bền vững Hinf 95 4.2.1 Vấn đề điều khiển độ nhạy hỗn hợp .96 4.2.2 Cấu trúc điều khiển P-K 97 4.2.3 Hàm trọng số toán điều khiển Hinf 99 4.2.4 Các bước thiết kế tổng hợp điều khiển Hinf 102 4.2.5 Phân tích tính bền vững hệ thống sử dụng cấu trúc M-Δ 103 4.3 Đề xuất phương pháp hạ bậc cho điều khiển Hinf .104 4.3.1 Tổng quan nguyên lý hạ bậc điều khiển .105 4.3.2 Đề xuất thuật toán hạ bậc điều khiển 106 4.4 Đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu HESS Microgrid 108 4.4.1 Cấu trúc điều khiển ổn định tần số Microgrid .108 4.4.2 Xây dựng mơ tốn Microgrid .109 4.4.3 Thiết kế điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lưu .110 4.4.4 Tổng hợp điều khiển sử dụng hạ bậc so sánh với điều khiển đầy đủ bậc 117 4.5 Mô đánh giá ảnh hưởng giải pháp điều khiển đề xuất đến hiệu vận hành Microgrid 121 4.5.1 Bộ điều khiển bền vững Hinf đủ bậc .123 4.5.2 So sánh đánh giá giải pháp điều khiển 127 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 4.5.3 Kết luận 134 4.6 Nhận xét kết luận chương 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136 Kết luận .136 Kiến nghị .137 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số tiêu chuẩn tần số theo ENTSO-E .16 Bảng 1.2: So sánh phương pháp điều khiển áp dụng cho Microgrid 28 Bảng 2.1 So sánh thuật toán MPPT 42 Bảng 2.2 Thông số hệ thống PV điều kiện tiêu chuẩn 63 Bảng 2.3 Thông số máy phát điện Diesel 66 Bảng 2.4 Thông số HESS 67 Bảng 3.1 Các trường hợp xảy khác thuật toán đề xuất 81 Bảng 3.2 Công suất đầu công suất quanh điểm MPP xạ 1000W/m2 87 Bảng 3.3 So sánh hiệu suất bám điểm MPP thuật toán điều kiện xạ thay đổi Dstep khác 89 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc Microgrid điển hình Hình 1.2 Cấu trúc Microgrid DC .10 Hình 1.3 Cấu trúc Microgrid AC .11 Hình 1.4 Cấu trúc Microgrid lai DC-AC 12 Hình 1.5 Các tiêu chuẩn vận hành Microgrid .15 Hình 1.6 Chiến lược điều khiển tập trung MGCC 17 Hình 1.7 Chiến lược điều khiển phân tán LC 18 Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển phân cấp Microgrid 19 Hình 1.9 Thời gian điều khiển cấp Microgrid 19 Hình 1.10 Sơ đồ khối điều khiển sơ cấp Microgrid .20 Hình 1.11 Sơ đồ khối điều khiển thứ cấp hệ thống MG 21 Hình 1.12 Sơ đồ khối điều khiển toàn cục hệ thống MG 21 Hình 1.13 Chiến lược điều khiển chia sẻ công suất DERs Microgrid 22 Hình 1.14 Các đặc tính độ dốc truyền thống P/f .23 Hình 1.15 Cấu trúc Microgrid nghiên cứu 30 Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống PV kết nối Microgrid 33 Hình 2.2 Mơ hình tương đương tế bào quang điện 33 Hình 2.3 Đường đặc tính ( I PV − VPV ) ( P PV − VPV ) tế bào quang điện 34 Hình 2.4 Sơ đồ mạch tương đương pin mặt trời 35 Hình 2.5 Đường đặc tính ( I PV − VPV ) tổ hợp tế bào PV ghép nối tiếp song song .36 Hình 2.6 Đặc tuyến dịng điện-điện áp điển hình cho pin PV 36 Hình 2.7 Quan hệ cơng suất – điện áp pin PV 37 Hình 2.8 Lưu đồ thuật tốn P&O 38 Hình 2.9 Quan hệ công suất – độ rộng xung (D) .39 Hình 2.10 Lưu đồ thuật toán Hill Climbing .40 Hình 2.11 Cấu trúc lưu đồ MPPT dựa FL 41 Hình 2.12 Cấu trúc máy phát Diesel 43 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Hình 2.13 Mơ hình thay hệ thống điều tốc máy phát Diesel 43 Hình 2.14 Mơ hình điều khiển tần số máy phát Diesel 44 Hình 2.15 Phân loại theo mật độ lượng công suất lưu trữ 46 Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc HESS kết nối Microgrid 47 Hình 2.17 Mơ hình Pin Lithium .48 Hình 2.18 Mơ hình siêu tụ điện cổ điển 49 Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC/DC hai chiều 52 Hình 2.20 Mơ hình trung bình DC/DC hai chiều chế độ tăng áp .52 Hình 2.21 Mơ hình trung bình DC/DC hai chiều chế độ giảm áp 52 Hình 2.22 Sơ đồ nghịch nối với lưới 54 Hình 2.23 Mạch điện thay trung bình hệ tọa độ dq nghịch lưu 54 Hình 2.24 Cấu trúc điều khiển HESS theo phương pháp điều khiển thứ hai 57 Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển HESS .57 Hình 2.26 Sơ đồ vịng lặp kín điều khiển dịng điện 58 Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Microgrid 59 Hình 2.28 Cấu trúc điều khiển tín hiệu nhỏ Microgrid .60 Hình 2.29 Mơ hình mơ Microgrid xây dựng Simulink 62 Hình 2.30 Kịch xạ mặt trời .64 Hình 2.31 Cơng suất đầu hệ thống PV sử dụng MPPT P&O .64 Hình 2.32 Cơng suất đầu hệ thống PV sử dụng MPPT FL 65 Hình 2.33 Kịch phụ tải thay đổi 15% 66 Hình 2.34 Đáp ứng tần số Microgrid ứng với MPPT P&O 68 Hình 2.35 Đáp ứng tần số Microgrid ứng với MPTT FL 69 Hình 2.36 Đáp ứng công suất máy phát Diesel .70 Hình 2.37 Đáp ứng cơng suất đầu SC .71 Hình 2.38 Đáp ứng cơng suất đầu Pin 71 Hình 2.39 Độ lệch tần số phụ tải thay đổi 72 Hình 2.40 Đáp ứng máy phát Diesel phụ tải thay đổi .72 Hình 2.41 Đáp ứng hệ thống lưu trữ HESS phụ tải thay đổi .73 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội TS Le Cao Quyen: He thong Microgrid luan van nghien ciru bao gorn t6 hop PV, Diesel, he thong luu trir pin, he thong sieu tu dien (SC) va phu tai Trong m\1C phan tich anh huang cua he thong PV dSn Microgrid (muc 2.6.3) a chS xac lap can bang c6ng sudt khoang thai gian ill dSn g§n lOs c6 th~ th~y t6ng nguon phat bao gom PV = 300 kW; Diesel = 900 kW; SC = kW; PIN = kW la 1200 kW can bang voi Load = 1200 kW Nhu vay xem nhu kh6ng c6 t6n th~t c6ng su~t cua hroi truyen tai Khi birc xa mat troi thay d6i PV giam th~p nr 1000W/m2 xuong 200W/m2 Xet tai thai diem he thong dff tri a vi tri xac lap moi khoang nr 18s dSn 20s tong nguon PV = 50 kW; Diesel = 990 kW; SC = kW; PIN = 150 kW la 1190 kW so voi tai Load = 1200 kW; nhu vay c6 th~ thay he thong dang thieu 10 kW cua nguon d~ bu d~p cho tai DS nghi NCS giai trinh vAn dS 10.TS Trinh Trung HiSu: Thu~t toan bam di~m c6ng suAtCl,lCd~i tac gia dS xuAt c6 ap dl,lllgduQ'cvai cac cAutruc khac Cllainverter? TRA LOI eVA NGHrEN ctru SINH Cau 1: NCS xin dircc tiep tim y kiSn va co giai trinh nhir sau: Trong chuang 3, NCS da:trinh bay dS so sanh thuat toan MPPT dS xuftt voi cac thuat toan MPPT khac luan an sir dung rna hinh h~ thong PV "Average model of a lOOkW Grid connected PV array" thir vien Matlab/Simulink nham dam bao tin cay cua rna hinh - H~ thong PV Microgrid xem nhir h~ thong PV n6i lucrivoi gia thiet duoc dieu khiSn phat cong su~t MPP Do vay, rna hinh cua he thong PV khong co Sl,I thay d6i du true Microgrid su dung nghien ciru Cau Z: - Trong luan an, dung hrong cua hru trfr pin duoc tinh chon dira tren cong suat PPV_ffiPP = 500 kW (cong su~t Ian nhat cua h~ thong PV co kha nang phat len) gio Trong luan an, chua tinh dSn bai toan t6i iru vS kinh tS tinh chon dung hrong pin, chi moi quan tam dSn khia canh ky thuat - Trong luan an da:trinh bay ly sir dung hru till HESS da:duQ'ctrinh bay ml,lC 2.4.1 - Hi~n nay, cac nghien Clm dS nang tinh kha thi vS hi~u qua kinh tS thi cac luu tm pin se duQ'csu d\lIlg cua cac xe di~n n6i lucri (V2G), NCS cling da:dua vao huang phat triSn cua dS tai Cau 3: - Trong lu~n an, quan tam dSn diSu khiSn 6n dinh d.n s6 Microgrid a dp sa c~p co cac dao dong nh6 (thay d6i cua phl,l tai va ngu6n phan tan) nen d6i vcri cac rna hinh may phat Diesel chi su d\lIlg rna hinh diSu khiSn tftn s6 dan gian - Trong lu~n an, vcri cac dap Ung a tfu1s6 cao (tfu1s6 switching cua PWM, ho~c bo PLL) duQ'cquan tam chon cac ham s6 Wu Cau 4: Trong bang 2.3 thong s6 cua may phat Diesel thi thai gian dap Ung la Tdiesel= 0.8s Cau 5: Vi~c so sanh cac phuO'ngphap diSu khiSn ml,lC1.4.3.5la NCS t6ng hO'P til cac tai li~u tham khao (trong lu~ an co trinh bay) 6 Cau 6: Trong phan gioi han cua luan an chi xet d~n cdp di~u khien sa cap va di~u khien 6n dinh tftn s6 cua Microgrid vay luan an chi xem xet mo hinh h6a khau di~u khien tftn s6 cua may phat Diesel cdu true Microgrid nghien ciru Cau 7: Theo nhu tai lieu tham khao [112]-[114] thi chon M, nen ducc gioi han nho han hoac bang (nrong dirong dB) thi dap irng cua he thong di~u khien phan h6i kin luon dam bao qua di~u chinh n~ Cau 8: Phftn uu diem iru diem gioi han cho phep cua thuat toan MPPT d~ xu~t la birc xa on dinh thi dao dong quanh diem MPP be ducc trinh bay a muc 3.2.2.4, co bang so sanh cong su~t dftu va cong su~t quanh diSm MPP tai birc x