(Tiểu luận) khảo sát hoạt động của hệ thống lưới điện siêu nhỏ dạng lai dc – ac sử dụng bộ biến đổi liên kết

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mở đầu

Lưới điện siêu nhỏ (LĐSN) microgrid được định nghĩa như một hệ thống bao gồm nhiều nhóm tải liên kết cùng với các hệ thống cung cấp và phân phối điện được điều khiển có dự toán nhằm tăng độ tin cậy của hệ thống điện LĐSN không phải là một khái niệm mới với các nguồn phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hay khí đốt được khai thác từ nhiều thập kỷ qua Ví dụ khi điện từ lưới bị ngắt do sự cố, máy phát điện chạy dầu diesel của tòa nhà bắt đầu chạy nhằm giữ cho các thiết bị trong tòa nhà hoạt động liên tục Những hệ thống này liên tục phát triển với sự tiến bộ trong việc tăng tính hiệu quả của động cơ phát điện cũng như cách sử dụng nhiên liệu.

Ngày nay, các hệ thống microgrid ngày càng phát triển theo định hướng tận dụng các nguồn năng lượng mới như điện gió, điện mặt trời, điện thủy triều, … cùng với các bước tiến trong công nghệ quản lý và truyền tải dữ liệu năng lượng Giá các thiết bị khai thác năng lượng mới ngày càng giảm cộng với sự phát triển trong công nghệ lưu trữ, truyền tải thông tin và các chính sách ưu đãi khuyến khích phát triển khiến tốc độ xây dựng và đưa vào hoạt động các công trình này tăng vượt bậc Sự hội nhập của công nghệ năng lượng tái tạo giúp giảm chi phí vận hành khi so sánh với các hệ thống truyền thống, đồng thời tối ưu hóa độ tin cậy, hiệu quả và linh hoạt.

Việc phát triển các chiến lược điều khiển và các mô hình quản lý năng lượng trong LĐSN trở nên thiết yếu nhằm phục vụ cho sự phát triển mạnh mẽ của mô hình này.

Mục tiêu của luận văn

Luận văn nhắm vào việc xây dựng một hệ thống LĐSN dạng lai rút gọn hoạt động độc lập Từ đó mô phỏng hệ thống ứng dụng nguồn DC microgrid và phát triển mô hình điều khiển cho hệ thống theo hướng điều khiển phân tán đa bậc nhằm cải tiến độ tin cậy cũng như sự linh hoạt của hệ thống.

Các mô hình liên kết (interlinking) đang được nghiên cứu và phát triển ở nhiều nơi trên thế giới Các kết quả nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá và cải thiện độ tin cậy, chất lượng điện năng cũng như tốc độ đáp ứng trong các trường hợp cụ thể. Nghiên cứu này sẽ tập trung xây dựng mô phỏng chia sẻ công suất sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết (IC – Interlinking converter) trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai. Trong đó, nguồn điện DC sẽ được phát triển với cơ sở là năng lượng tái tạo gồm nhiều nguồn phân tán

Mục tiêu của luận văn hướng đến xây dựng mô hình mô phỏng chân thực nhất, nhằm tăng tính ứng dụng của mô hình vào thực tế Kết quả của mô phỏng sẽ được thực hiện bằng phần mềm Matlab.

TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU VÀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG THỰC TẾ

Khảo sát nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam

Nhu cầu về điện ở Việt Nam đang tăng khoảng 8% -10% mỗi năm Theo dự báo của ngành điện, từ 2021 mỗi năm Việt Nam sẽ thiếu hàng tỉ kWh điện Với tốc độ tăng trưởng bình quân 8,6%/năm theo quy hoạch điện VII (điều chỉnh), mỗi năm sản lượng điện sản xuất cần bổ sung bình quân 26,5 tỉ kWh Theo tính toán của Cục Điện lực và năng lượng tái tạo (Bộ Công thương), sản lượng thiếu hụt năm 2021 khoảng 6,6 tỉ kWh, đến năm 2022 tăng lên khoảng 11,8 tỉ kWh, năm 2023 có thể lên đến 15 tỉ kWh (tương ứng 5% nhu cầu) [1]

Hình 2.1 Dự báo của EVN về sản lượng điện thiếu hụt trong 5 năm tiếp theo [1] Để giải quyết vấn đề này, Bộ Công Thương đã đề xuất, trong các giải pháp tổng thể, cần đặc biệt quan tâm tới tăng cường phát triển các nguồn điện năng lượng tái tạo.Năm 2019, số lượng các dự án điện mặt trời tăng vọt, đạt công suất khoảng 4.500 MW.Trước đó vào cuối tháng 10 và giữa tháng 11 năm 2019, liên tiếp các dự án năng lượng tái tạo tại tỉnh Ninh Thuận đã được Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia giải phóng công suất lên lưới điện quốc gia nhờ vào việc đầu tư nhanh và đưa vào vận hành các trạm biến áp, đường dây truyền tải 220KV và 500KV Đây là 2 trong 8 dự án nằm trong kế hoạch huy động vốn đầu tư nâng công suất Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia cũng khẳng định sẵn sàng đáp ứng giải tỏa công suất cho 4500MW điện mặt trời.

Tuy nhiên nhu cầu điện dự báo sẽ tiếp tục tăng cao trong những năm tới trong bối cảnh Việt Nam liện tục thu hút dòng vốn FDI chảy vào lĩnh vực sản xuất và xây dựng Điều này đặt ra những thách thức cho ngành điện Việt Nam trong việc đáp ứng nhu cầu sử dụng điện.

Tình hình cung – cầu điện trên thế giới

Năm 2017, sản xuất điện từ các nước không thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh tế OECD (non-OECD) chiếm 57% sản lượng điện sản xuất trên thế giới, tăng hơn 2 lần so với con số 28% vào năm 1974 Sản lượng điện sản xuất từ các nước non- OECD vượt sản lượng điện của các nước thuộc OECD từ 2011 và liên tục tăng cao sau đó Trong đó, điện được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu dễ cháy như khí, than, dầu… chiếm 66.8% tổng sản lượng điện sản xuất toàn cầu – số liệu năm 2017.

Hình 2.2 Thống kê tổng sản lượng điện sản xuất trên thế giới [2]

Nhóm các nước thuộc OECD đang chứng kiến sự chuyển dịch về cơ cấu nguồn điện Các nguồn điện truyền thống như dầu, than và thủy điện đang có xu hướng giảm dần, trong khi đó điện hạt nhân, nhiệt điện khí và nguồn năng lượng tái tạo bắt đầu tăng mạnh trong 10 năm trở lại đây Đặc biệt, trong năm 2018, lần đầu tiên nhiệt điện khí đã vượt nhiệt điện than trở thành nguồn điện chiếm phần lớn trong nhóm các nước OECD.

Hình 2.3 Tổng thị phần sản lượng điện theo sản xuất tại các nước thuộc OECD.

[2] Ngược lại, trong nhóm các nước không thuộc OECD lại chứng kiến sự tăng mạnh mẽ của nguồn nhiệt điện than và tiếp tục là nguồn điện chủ yếu tại các nước này Nguồn điện năng lượng tái tạo cũng có sự tăng trưởng đột biến, tuy vậy vẫn chỉ chiếm một phần nhỏ trong cơ cấu nguồn điện.

Như vậy trong những năm trở lại đây, nguồn điện được phát triển đa dạng và xu hướng tập trung vào các nguồn năng lượng tái tạo và nhiệt điện khí.

Đánh giá tiềm năng của năng lượng tái tạo và hướng đi trong tương lai

Theo các số liệu đã thu thập, nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng tại Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới Sản lượng tiêu thụ điện tập trung chủ yếu ở các ngành công nghiệp và xây dựng Trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn dần và gây ô nhiễm khi hoạt động, thủy điện bị hạn chế do các tác động dây chuyền lên môi trường và hệ sinh thái dọc nguồn nước, điện hạt nhân còn nhiều hạn chế về công nghệ xử lý chất thải phóng xạ và các rào cản chính trị, năng lượng tái tạo đang là một hướng đi giàu tiềm năng trên thế giới Tại Việt Nam, theo Quy hoạch điện 7 (điều chỉnh) - QHĐ7- ĐC, dự kiến đến năm 2020 chúng ta sẽ có tổng gần 6.000 MW nguồn điện tái tạo (800 MW điện gió, 850 MW ĐMT, 540 MW điện sinh khối, 3.800 MW thủy điện nhỏ) đạt khoảng 7% tổng sản lượng điện cả nước, nhưng trên thực tế con số năm 2019 của công suất ĐMT đã vượt xa Quy hoạch Theo thống kê đến hết tháng 6 năm 2019, theo Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), đã có 89 nhà máy điện gió và điện mặt trời hòa lưới với tổng công suất đặt 5.038 MW, chiếm 9,5% tổng công suất đặt của hệ thống điện quốc gia Một số nghiên cứu cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió và bức xạ mặt trời để phát triển các dự án điện quy mô lớn Dữ liệu từ tập đoàn The World Bank Group năm 2020, lượng bức xạ

Mặt Trời trung bình hàng năm tại Việt Nam có thể sản sinh ra 4.42 kWh/m 2 , vùng có bức xạ cao nhất đạt 5.58 kWh/m 2 Cũng theo tập đoàn này, tiềm năng điện gió tại độ cao 80m của Việt Nam trung bình đạt 137 W/m 2 , cao nhất trong bốn nước Việt Nam, Lào, Cam-pu-chia và Thái Lan.

Tuy nhiên, năng lượng tái tạo còn nhiều hạn chế do sự non trẻ và phụ thuộc nhiều vào thời tiết và điều kiện khí hậu Đa số các nguồn năng lượng tái tạo sản sinh ra điện một chiều và cần đường truyền tải điện đặc thù cung cấp điện cho các tải điện một chiều Các lưới điện siêu nhỏ một chiều bắt đầu trở nên phổ biến nhờ vào sự hiệu quả,chi phí thấp và hệ thống quản lý có thể loại bỏ các pha biến đổi giữa điện dc/ac cùng với các tổn thất của chúng [3] Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống điện hiện hữu lại là điện xoay chiều, lưới điện siêu nhỏ xoay chiều vẫn chiếm ưu thế Do đó không thể mong đợi hệ thống điện vận hành hoàn toàn bằng điện một chiều Dưới sự ràng buộc của cơ sở hạ tầng, việc liên kết giữa các lưới điện siêu nhỏ một chiều và xoay chiều nhằm tận dụng các lợi ích của cả hai loại lưới điện đã thu hút nhiều nghiên cứu. Ý tưởng được đưa ra nhắm đến mục tiêu hợp nhất hai loại lưới điện thông qua một bộ biến đổi hai chiều giúp biến đổi điện một chiều sang xoay chiều và ngược lại Trong lưới điện xoay chiều hay một chiều, điện năng truyền tải một cách linh hoạt và công suất được trao đổi hài hòa giữa các lưới điện siêu nhỏ.

Trên các cơ sở đó, việc liên kết giữa nguồn năng lượng mới và các nguồn năng lượng truyền thống là hướng đi tất yếu trong tương lai, trong bối cảnh các hệ thống điện truyền tải và nguồn điện trở nên ngày càng phong phú và đa dạng.

Các mô hình đã được nghiên cứu

2.4.1 Hoạt động của lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp AC-DC (AC-DC hybrid microgrid) với bộ biến đổi công suất liên kết [4]

Rema V K, R Dhanalakshmi (2014) mô phỏng hoạt động của lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp AC-DC sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết Bài báo khảo sát hoạt động này dựa trên ý tưởng điều khiển rơi Trong đó kỹ thuật chuẩn hóa thích hợp được áp dụng để đồng bộ các lưới điện phụ với lưới điện chính.

Bài báo hướng đến mô hình nguồn công suất phân tán (distributed generation: DG) thay thế cho nguồn công suất tập trung nhằm giải quyết các vấn đề về môi trường, kỹ thuật và kinh tế của hệ thống điện hiện thời Lưới điện siêu nhỏ được miêu tả như phiên bản hệ thống điện rời rạc bao gồm các nguồn công suất phân Hình 2.5 Công suất thực và công suất phản tán và các phụ tải có khả năng hoạt động kháng trong lưới điện AC phụ [4] song song hoặc độc lập với lưới điện chính Lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp được cấu thành dựa trên việc kết nối lưới điện phụ AC (AC subgrid) và lưới điện phụ DC (DC subgrid) thông qua một bộ biến đổi liên kết (IC) Cấu hình lắp đặt cho phép một hoặc nhiều bộ biến đổi liên kết được kết nối giữa các lưới điện phụ, cung cấp phương thức truyền tải hai chiều nguồn năng lượng giữa các lưới điện phụ vốn phụ thuộc vào điều kiện cung cầu năng lượng Hệ thống điều độ thông minh đảm nhận vai trò kết nối các lưới điện hỗn hợp vào lưới điện chính Nếu bất kỳ sự cố được phát hiện từ lưới điện chính, hệ thống điều độ thông minh sẽ tách các lưới điện hỗn hợp ra khỏi lưới điện chính tạo thành một dạng lưới điện độc lập Thông tin được chia sẻ trên hệ thống thông qua kênh giao tiếp có thể được đánh giá như sự cố một điểm Hoạt động đồng bộ các lưới điện phụ với lưới điện chính dựa vào điều khiển rơi theo đó buộc phải dừng lại Do đó mỗi nguồn điện cần phải có khả năng đánh giá phụ tải đầu cuối và chia sẻ giá trị biên độ điện áp, tần số và góc pha.

Với tải AC thay đổi, hệ thống lưới điện DC phụ áp dụng phương pháp điều khiển công suất từng nguồn công suất để xác định tần số và điện áp tham chiếu thông qua đo công suất và công suất phản kháng Sự gia tăng công suất dẫn tới giảm tần số Chiến lược điều khiển công suất phản kháng chỉ được áp dụng cho nguồn điện xoay chiều, các nguồn điện một chiều không tham gia thành phần điều khiển này Do không có công suất phản kháng, nguồn điện một chiều có hệ thống phụ đơn giản hơn.

Tiếp theo, sử dụng phương pháp chuẩn hóa và bộ biến đổi PI để đồng bộ hai lưới điện phụ AC và DC Trong mô phỏng của tác giả, công suất được truyền tải từ lưới DC sang AC Bộ biến đổi công suất sẽ làm nhiệm vụ điều chỉnh lượng công suất này cho phù hợp với sự thay đổi tải AC Bộ biến đổi công suất liên kết hoạt động như tải của lưới DC và là nguồn công suất bổ sung cho lưới AC.

Bài báo thành công trong việc sử dụng kỹ thuật điều khiển rơi (droop control) để quản lý dòng công suất giữa các nguồn công suất cả AC lẫn DC Kết quả mô phỏng chứng minh được tính hiệu quả của bộ biến đổi công suất liên kết khi sử dụng trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai Hình 2.6 thể hiện sự thay đổi công suất trong lưới điện DC khi tải AC thay đổi.

2.4.2 Bộ biến đổi công suất liên kết tự động trong Hybrid AC – DC

Microgrid ứng dụng bộ tích trữ năng lượng [5]

Poh Chiang Loh, Ding Li, Yi

Kang Chai và Frede Blaabjerg (2013) nghiên cứu về điều khiển tự động cho bộ biến đổi công suất liên kết với bộ lưu điện trong Hybrid AC-DC

Microgrid Theo bài báo, chia sẻ công suất giữa các nguồn điện trong lưới điện AC có thể thực hiện bởi điều khiển rơi trong chế độ cách ly Điều khiển rơi đối với nguồn DC cũng được thực hiện tương tự Từng bộ điều khiển này được khảo sát độc lập trong các phần của bài báo.

Hình 2.7 Ví dụ cho lưới điện dạng lai

DC và bộ biến đổi công suất liên kết

Hình 2.7 biểu diễn sơ đồ khối của mô hình được thiết lập Mô hình giả định bao gồm các nguồn điện AC cung cấp năng lượng cho lưới điện Các nguồn điện DC truyền tải điện năng của mình lên lưới thông qua bộ biến đổi công suất liên kết. Điều khiển rơi cho hai nguồn

AC được thể hiện trong Hình 2.8 bởi hai đường rơi Units 1 và 2 trong

Hình 2.8 đại diện cho nguồn 1 và 2 Hình 2.8 Minh họa tổng quát của điều khiển Đối với công suất thực, x và y trên rơi cho lưới điện hai nguồn [5] biểu đồ lần lượt đại diện cho giá trị công suất và tần số Tại trạng thái ổn định, lưới

AC tuân theo tần số chung f mà trên Hình 2.8 được thể hiện bởi đường đứt nét nằm ngang Đường này giao với hai đường rơi tại hai điểm hoạt động ổn định Tổng giá trị công suất tại điểm hoạt động ổn định đúng bằng lượng công suất tải AC cần nếu chỉ có lưới AC hoạt động độc lập Giá trị công suất tỷ lệ với công suất nguồn AC trong trường hợp hệ số dốc được đặt như sau:

= (2.1) Với và là giá trị công suất kVA của hai nguồn AC trên mô hình.

Nguyên lý điều khiển rơi có thể áp dụng tương tự cho trao đổi công suất phản kháng với một sai số kèm theo Sai số hình thành do khác biệt tại điện áp đầu cuối, sai số này luôn luôn hiện hữu do sai số đo đếm và trở kháng đường dây ( và ) Củng cố điện áp đầu cuối cho từng pha do đó gặp nhiều khó khăn mặc dù ứng dụng các phương pháp cải tiến Vấn đề này sẽ không được thảo luận ở đây bởi vì mục tiêu nghiên cứu không hướng đến việc tìm ra lưu đồ mới cho điều khiển rơi Thay vào đó,mục tiêu là phát triển một lưu đồ điều khiển tự động hoặc phân tán cho sự kết hợp dòng công suất giữa lưới AC phụ và lưới DC phụ trong mô hình hybrid microgrid.

Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển cho bộ biến đổi công suất liên kết [5] Điều khiển rơi cho hai nguồn DC cũng được thực hiện tương tự nhưng đơn giản hơn vì không có sự hiện diện của công suất phản kháng và tần số Hai trục trong Hình 2.8 khi đó đại diện cho công suất nguồn một chiều và điện áp ngõ ra Tại trạng thái ổn định, lưới DC điều chỉnh giá trị ngõ ra của các nguồn DC gần bằng nhau (không hoàn toàn bằng nhau do sự khác biệt trở kháng trên đường dây) Sự sai khác này tạo ra độ lệch công suất trao đổi do trở kháng đường dây ( và ), tương tự như độ lệch công suất thực trao đổi trong lưới AC.

Thách thức bài báo này đưa ra là thiết kế một sơ đồ điều khiển tự động cho bộ biến đổi công suất liên kết nhằm liên kết lưới điện AC và lưới điện DC để tạo ra lưới điện hybrid đã đề xuất Có thể hình dung sơ đồ lưới điện như hai nguồn điện độc lập cùng kết nối vào bộ biến đổi công suất liên kết Lấy lưới điện phụ AC được nhắc đến trong hình 2.7, nếu bộ biến đổi công suất liên kết có thể được điều khiển để hoạt động như một lưới điện AC, công suất hiệu dụng tương ứng được trao đổi sẽ đổ qua lại giữa hai nguồn độc lập và từ đó đi vào các nguồn riêng lẻ trong từng mạng lưới Bài báo hướng đến việc xác định cách thức kết nối hệ thống sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết với Chuỗi tụ điện hoặc Bộ lưu điện.

Để các nguồn AC có thể hoạt động song song trên lưới điện, tần số và biên độ điện áp của chúng phải giống nhau Bộ điều khiển đồng bộ phải đảm bảo rằng các giá trị rơi áp dụng trên các nguồn AC được kết hợp chính xác.

DC trong Hình 2.9) Các giá trị này trước hết phải được chuẩn hóa về cùng một giá trị per-unit (đơn vị p.u) từ -1 đến 1 hoặc một tham số nào đó bằng cách áp dụng các phương trình sau:

Với diễn giải max, min đại diện cho giới hạn trên và giới hạn dưới của giá trị tương ứng Sai lệch giữa hai giá trị chuẩn hóa ,

) có thể được triệt tiêu bởi bộ điều khiển PI (được đánh số PI trên Hình ( 2.9 ) −

1 Tại trạng thái ổn định, độ chênh lệch lý tưởng là bằng không Điều đó có nghĩa là hai giá trị chuẩn hóa được kéo về bằng nhau tương tự như lưới điện AC cân bằng với lưới điện AC phụ Các lưới điện được hệ thống nhận diện là đã đồng bộ, từ đó cho phép hai lưới điện phụ chia sẻ công suất cho nhau theo tỷ lệ bất kể sự thay đổi tải diễn ra trên lưới nào Các bộ nguồn độc lập trong từng lưới phụ cũng chia sẻ công suất theo tỷ lệ từ khi chúng được điều khiển bởi phương pháp điều khiển rơi.

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT LIÊN KẾT

Giới thiệu

Sau khi khảo sát các nghiên cứu về hoạt động và tối ưu hiệu suất của bộ biến đổi liên kết, bước tiếp theo của đề tài sẽ xây dựng mô hình của một bộ biến đổi công suất liên kết trong lưới điện siêu nhỏ dạng lai Từ đó, đưa ra các phương án cải tiến và nâng cấp hệ thống để bộ biến đổi công suất có thể dung cho lưới điện phân tán.

Yêu cầu thiết kế

Hệ thống khi hoạt động phải đảm bảo chất lượng điện đảm bảo tiêu chuẩn

IEEE Std 519-1992 về biến dạng sóng hài của điện áp.

Hình 3.1 Tiêu chuẩn biến dạng sóng hài theo IEE 519-1992.

Giá trị điện áp và tần số cũng phải đảm bảo các tiêu chuẩn do Bộ Công

Thương Việt Nam ban hành như sau:

- Về điện áp: trong điều kiện bình thường, độ lệch điện áp cho phép trong khoảng ±5% so với điện áp danh định của lưới điện và được xác định tại vị trí đặt thiết bị đo đếm Đối với lưới điện chưa ổn định sau sự cố, độ chênh lệch điện áp cho phép từ +5% đến -10%.

- Về tần số: trong điều kiện bình thường, độ lệch tần số hệ thống điện cho phép trong phạm vi ± 0.2 C so với tần số danh định là 50Hz Đối với lưới điện chưa ổn định sau sự cố đơn lẻ, độ lệch tần số cho phép là

Theo thông tư 39-2015 TT-BCT trong các lưới điện có ứng dụng năng lượng ± 0.5 C tái tạo, điện mặt trời và điện gió cần đáp ứng những tiêu chuẩn sau:

Chương 3-Mô hình mô phỏng hoạt động Trần Việt Tính-1870078

- Hệ thống điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện liên tục trong dải tần số từ 49 Hz đến 51 Hz Khi tần số hệ thống điện nằm ngoài dải từ 49 Hz đến 51 Hz thì hệ thống điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện trong thời gian tối thiểu 0.2 giây.

- Hệ thống điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện liên tục khi điện áp tại điểm đấu nối trong dải từ 85 % đến 110 % điện áp định mức Khi điện áp tại điểm đấu nối nằm ngoài dải từ 85 % đến 110 % điện áp định mức thì hệ thống điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện trong thời gian tối thiểu 02 giây.

Lưới điện siêu nhỏ dạng lai AC-DC (HMG) sử dụng bộ biến đổi công suất liên kết (IC) để kết nối Bộ IC đóng vai trò điều khiển điện áp tại điểm hòa lưới và trao đổi công suất giữa hai nguồn độc lập AC và DC Mỗi bộ chuyển đổi nguồn được điều khiển độc lập Dựa vào phân tích giá trị điện áp đầu cực IC, bộ điều khiển cho ra giá trị dòng IC mong muốn mà không cần khảo sát dòng tải Phương pháp này giúp cắt giảm chi phí của các thiết bị liên lạc giữa các bộ chuyển đổi nguồn hay hệ thống đo đếm dòng tải trong xây dựng hệ thống điều khiển.

Các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió và thủy điện nhỏ hiện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng Trong số này, các nguồn điện tái tạo thuần DC như điện mặt trời yêu cầu có bộ chuyển đổi DC/AC để tích hợp vào hệ thống lưới điện Mô hình này mang lại lợi thế về chi phí điều khiển thấp hơn, độ tin cậy cung cấp điện cao hơn và giảm tổn thất công suất do chuyển đổi điện năng.

Xây dựng mô hình căn bản sử dụng Matlab Simulink

Mô hình tối giản được xây dựng bao gồm lưới điện siêu nhỏ AC và lưới điện siêu nhỏ DC liên kết với nhau thông qua bộ IC Hệ thống tối giản sẽ sử dụng nguồn điện lý tưởng (công suất vô hạn) và không tích hợp lưu trữ.

Hình 3.2 Mạch điện tương đương của mô hình căn bản [6]

3.3.2 Chuẩn hóa điện áp và tần số Áp dụng công thức chuẩn hóa theo phương pháp điều khiển rơi cho tần số và điện áp DC [6] :

- F, và F, lần lượt là tần số tối đa, tần số tối thiểu cho phép, Flà tần số tức thời, là hệ số rơi và Flà công suất hiệu dụng AC.

- J, và J, lần lượt là điện áp DC tối đa, điện áp DC tối thiểu cho phép, Jlà điện áp DC tức thời, I là hệ số rơi và Jlà công suất hiệu dụng DC. Áp dụng công thức chuẩn hóa cho tần số và điện áp DC [6] :

J, Klà giá trị tần số và điện áp DC tức thời sau khi chuẩn hóa Đường đặc tính rơi trước và sau khi chuẩn hóa được thể hiện trong hình 3.3 dưới đây Sau khi chuẩn hóa ta có thể quan sát sự tương tác giữa AC MG và DC

MG từ góc nhìn của công suất hiệu dụng cơ bản. Để kết hợp đặc tính rơi của AC và DC, giá trị vi sai K giữa hai giá trị chuẩn hóa được mô tả như sau:

(3.5) bản của IC được hiệu chỉnh để giảm thiểu sai số

Công suất hiệu dụng cơ = −

∗ K (3.6) của công suất hiệu dụng cơ bản của bộ IC và

Với ∗ là giá trị tham chiếu =

∗ của dòng điện cơ bản của bộ IC được là hằng số độ lợi Từ đó giá trị tham chiếu trình bày như sau:

Hình 3.3 Đặc tính rơi trước khi chuẩn hóa của (a) tần số, (b) điện áp

DC và sau khi chuẩn hóa của (c) tần số, (d) điện áp DC [6]

Phương pháp điều khiển rơi và chuẩn hóa các giá trị của hệ thống sẽ được áp dụng trong các bước thiết kế hệ thống điều khiển dưới đây

3.3.3 Pha điều khiển điện áp lưới AC

Sơ đồ điều khiển điện áp lưới AC được mô tả trong hình 3.4 dưới đây.

Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển điện áp lưới AC [6] Đầu vào của hệ điều khiển là giá trị điện áp và dòng điện tức thời của ngõ ra IC được đưa qua một số bộ lọc thụ động (LR/RC) hướng về phía điểm hòa lưới Công suất tức thời của ngõ ra IC được tính trong hệ tọa độ d-q theo công thức dưới đây:

Các giá trị điện áp và dòng điện được biến đổi từ hệ quy chiếu abc sang hệ quy chiếu dq bằng biến đổi Park [7] Các giá trị công suất tức thời được đưa qua một bộ lọc thông thấp (LPF) để lọc bỏ nhiễu tần số cao nhằm tăng độ chính xác cho kết quả tính toán trong vòng điều khiển Phương pháp điều khiển rơi được áp dụng cho giá trị tham chiếu của tần số góc AC và điện áp AC như sau:

Giá trị tần số góc được đưa qua vòng lặp khóa pha (phase-locked loop hay

PLL) để xác định góc cho việc chuyển đổi hệ quy chiếu abc-dq Điện áp tham chiếu sẽ được so sánh với điện áp tức thời ở khung tham chiếu d qua bộ điều khiển PI để giá trị điện áp tức thời đạt giá trị mong muốn Ngoài ra, giá trị điện áp tức thời ở khung tham chiếu q được điều khiển về 0 Việc chuyển đổi hệ quy chiếu giúp giảm chi phí xây dựng bộ điều khiển và sai số nhờ việc chuyển đổi tín hiệu dạng sóng sin sang dạng tín hiệu liên tục Sau khi đạt đến giá trị điện áp mong muốn trong hệ quy chiếu dq, ta chuyển đổi giá trị điện áp trở về hệ quy chiếu abc Sử dụng phương pháp chuẩn hóa và điều chế PWM để điều chỉnh giá trị điện áp lưới AC theo giá trị tham chiếu.

3.3.4 Pha điều khiển điện áp lưới DC

Sau khi lưới AC ổn định điện áp và tần số, bộ điều khiển chuyển sang giai đoạn tiếp theo là điều chế điện áp của lưới DC để đồng bộ với lưới AC Sơ đồ điều khiển điện áp lưới DC được mô tả trong hình dưới đây Tại thời điểm này hai lưới

AC và DC vẫn trong trại thái tách biệt.

Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển điện áp lưới DC [6]

Đầu vào hệ thống là điện áp tải nhân hệ số F cùng điện áp đầu ra điều chế được của lưới DC Sau khi quy về hệ quy chiếu dq, giá trị được điều khiển về giá trị điện áp tải bằng bộ điều khiển PI Tiếp theo, xung PWM được điều chế để đạt được giá trị điện áp đầu ra đồng bộ về biên độ, tần số và góc pha Bước này chuẩn bị cho quá trình nối hai lưới và trao đổi công suất ở pha tiếp theo.

3.3.5 Pha điều khiển dòng điện lưới DC

Sau khi nối lưới, bộ điều khiển bước qua pha tiếp theo được mô tả như hình dưới đây.

Giá trị dòng điện tham chiếu được tính theo công thức sau:

Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển điện áp lưới DC [6]

Trong đó, F là công suất hiệu dụng AC:

F = F,L − F (3.11) là tần số góc tham chiếu và F là tần số góc tức thời; là hệ số rơi trong pha điều khiển điện áp lưới AC.100

Tiếp theo, các giá trị dòng điện đo được sẽ được đưa vào bộ điều khiển PI (Proportional-Integral) Bộ điều khiển PI sẽ tính toán và đưa ra giá trị ngõ ra để điều chỉnh dòng điện theo dòng tham chiếu Giá trị ngõ ra này sau đó sẽ được đưa vào bộ điều chế xung PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển dòng điện theo yêu cầu.

Hình 3.7 Mô hình lưới điện siêu nhỏ hỗn hợp dạng lai AC-DC.

Mô hình hệ thống được xây dựng bằng Matlab/Simulink gồm hai lưới điện

Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Bảng 3.1 Các thông số thiết lập mô hình.

Khởi động hệ thống với lưới điện DC cấp nguồn 615 V cho một tải thuần trở

DC Biến tần được sử dụng để chuyển đổi công suất DC sang AC Lưới điện AC được mô phỏng tương tự bằng một nguồn áp DC 615 V được biến đổi sang công suất AC cấp nguồn trực tiếp cho tải AC Bộ biến đổi công suất liên kết bao gồm hai inverter nói trên, mỗi inverter được cấu thành từ sáu khóa công suất (MOSFET) Xung đóng cắt được điều chế bằng giải thuật PWM truyền thống với tần số đóng cắt 10 kHz. Độ biến dạng sóng hài của điện áp trước khi kết nối hai lưới điện có giá trị như sau:

Cấu hình Giá trị cài Bậc sóng hài Độ biến Tiêu chuẩn đặt dạng yêu cầu

Tần số lấy mẫu Bậc 2 1.14 % < 3%

Số chu kỳ lấy mẫu

Tần số định mức 50 Hz Bậc 4 0.34 % < 3%

Biên độ điện áp định mức

Bảng 3.2 Giá trị ngõ ra của mô hình lưới AC tại trạng thái xác lập trước khi kết nối 2 lưới.

Hình 3.8 Giá trị tần số tại trạng thái xác lập.

Hình 3.9 Kết quả chất lượng điện áp ngõ ra lưới AC.

Trước khi kết nối hai lưới điện, điện áp đo được là 303,1 V, thấp hơn 2,6% so với điện áp định mức Tương tự, tần số đo được là 49,5 Hz, thấp hơn 0,5 Hz so với tần số quy định Cả hai giá trị này đều nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn do Bộ Công Thương Việt Nam ban hành, đảm bảo chất lượng điện an toàn và ổn định.

Sau khi 2 lưới liên kết với nhau, dòng công suất trao đổi giữa hai lưới điện được ghi lại như hình 3.8 dưới đây.

Hình 3.10 Kết quả trao đổi công suất giữa hai lưới điện và sự thay đổi tần số

Lượng công suất của nguồn DC tăng lên giúp lưới DC đổ về lưới AC lượng công suất là 11.6 kW Nguồn AC theo đó giảm công suất từ 36.28 kW xuống còn 25.98 kW để cân bằng công suất tải Đồng thời, giá trị tần số cũng được cải thiện, đạt

Chất lượng điện áp đạt kết quả như bảng 3.3 dưới đây.

Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến Tiêu chuẩn dạng yêu cầu

Tần số điện áp 49.79 Hz Bậc 4 1.05 % < 3%

Biên độ điện áp tải 310.4 V Tổng biến dạng 3.48 % < 5%

Bảng 3.3 Chất lượng điện áp tải sau khi liên kết hai lưới điện.

Hình 3.11 Kết quả chất lượng điện áp của tải sau khi liên kết.

Tổng biến dạng sóng hài sau liên kết tăng từ 2,83% đến 3,48% do trao đổi công suất, vẫn thấp hơn giới hạn cho phép (dưới 5%).

Xây dựng mô hình sử dụng nguồn điện mặt trời

3.4.1 Xây dựng mô hình MPPT

Thay thế nguồn điện lý tưởng bằng nguồn điện sử dụng tấm pin mặt trời Công suất nguồn pin mặt trời được thiết kế với điều kiện có thể đáp ứng công suất đầy tải cho hệ thống Ứng dụng giải thuật vi phân công suất theo điện áp dP/dV kiểu leo đồi

Nguyên lý cơ bản của giải thuật này là thay đổi tỷ số đóng cắt của bộ MPPT(Maximum Power Point Tracking) nhằm tối đa công suất ngõ ra của tấm pin mặt trời thông qua việc điều chỉnh điện áp ngõ ra của tấm pin mặt trời Việc thay đổi tỷ số đóng cắt cần chọn một bước nhảy phù hợp Nếu bước nhảy quá lớn thì việc dò tìm điểm công suất cực đại (MPP) sẽ đạt hiệu suất thấp vì giải thuật không dừng được khi bước nhảy đi lố MPP Nếu bước nhảy quá nhỏ thì giải thuật sẽ tốn nhiều thời gian để dò ra MPP Để giải quyết vấn đề này, ta cần sử dụng tính chất vi phân của giải thuật Càng tiến về gần MPP độ lớn của dP/dV sẽ càng nhỏ, nên tỷ số đóng cắt sẽ nhỏ dần khi tiến về gần MPP.

Hình 3.12 Đặc tuyến P-V và I-V của pin mặt trời theo hệ số bức xạ mặt trời.

Nguồn [Jinko Solar – Cheetah series]. Để ổn định hoạt động của MPPT khi có sự thay đổi đột ngột của độ bức xạ, ta đặt giới hạn chặn trên và chặn dưới cho giá trị dP/dV Nếu giá trị thay đổi nằm ngoài giới hạn này thì tỷ số đóng cắt sẽ không thay đổi Nhờ đó điện áp ngõ ra của MPPT giữ nguyên, chỉ có dòng điện thay đổi dẫn đến công suất thay đổi.

Giá trị chặn trên là giá trị tại điểm ngắn mạch Tại đây ta có: d

Với dòng điện ngắn mạch hầu như không đổi: d => d ≈ )

Giá trị chặn dưới được xác định khi dP/dV đạt giá trị âm, do đó ta có thể xấp xỉ bằng biểu thức: d d = −

K: điện áp hở mạch của pin

: công suất cực đại của pin

Hình 3.13 Lưu đồ giải thuật của phương pháp vi phân công suất theo điện áp.

3.4.2 Mô phỏng hệ thống trong trường hợp bức xạ mặt trời ổn định

Công suất hệ thống nguồn năng lượng mặt trời được tổng hợp trong bảng 3.4 sau đây.

Nguồn Số lượng tấm Số lượng Công suất Công suất đỉnh pin/chuỗi chuỗi tấm pin

Bảng 3.4 Thông số hệ thống nguồn điện mặt trời.

Ngõ vào của mô hình hệ thống pin là giá trị bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm pin Ngõ ra của hệ thống pin được đưa qua mô hình MPPT để tối ưu công suất.

Hình 3.14 Mô hình hệ thống thay nguồn lý tưởng bằng nguồn điện mặt trời Giai đoạn 1, ta kiểm tra chất lượng điện áp tại trạng thái xác lập khi công suất hai nguồn điện mặt trời đủ cung cấp đầy hai tải, tức giá trị bức xạ mặt trời là

. Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến dạng Tiêu chuẩn yêu cầu

Bảng 3.5 Giá trị ngõ ra của mô hình lưới AC tại trạng thái xác lập trước khi kết nối 2 lưới.

Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến dạng Tiêu chuẩn yêu cầu

Bảng 3.6 Chất lượng điện áp tải sau khi liên kết hai lưới.

Kết quả cho thấy chất lượng điện áp trước và sau khi liên kết hai lưới đều đạt yêu cầu Biểu đồ trao đổi công suất giữa hai lưới điện được mô tả trong hình 3.15 dưới đây Giá trị công suất nguồn DC đẩy sang lưới AC là 12.19 kW Giá trị công suất thay đổi của nguồn AC giảm từ 37.56 kW còn 27.15 kW.

Kết quả cho thấy mô hình hoạt động tốt với nguồn điện năng lượng mặt trời khi bức xạ mặt trời ổn định.

3.4.3 Mô phỏng hệ thống trong trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi

Trong phần này sẽ khảo sát khả năng trao đổi công suất giữa hai lưới điện và chất lượng điện áp khi bức xạ mặt trời thay đổi, tức nguồn công suất thay đổi.

Khảo sát hệ thống khi đã đạt trạng thái ổn định sau khi liên kết Đầu tiên bức xạ tại nguồn DC giảm, công suất từ nguồn AC sẽ đổ sang lưới DC để đảm bảo công suất cho tải DC Sau đó nguồn DC trở lại ổn định Tiếp theo, bức xạ tại nguồn AC giảm để khảo sát khả năng cân bằng công suất của hệ thống.

Hình 3.18 thể hiện kết quả trao đổi công suất giữa hai lưới điện khi bức xạ mặt trời thay đổi Tại thời điểm nguồn DC không đủ khả năng cung cấp cho tải, công suất từ nguồn AC đổ về giúp cân bằng hệ thống Tuy nhiên giá trị biến dạng sóng hài chưa đạt tiêu chuẩn chất lượng Do đó mô hình bổ sung bộ lọc thụ động tại vị trí tải để cải thiện vấn đề sóng hài.

Tần số lấy mẫu Bậc 2 2.20% < 3%

Tần số điện áp 49.57 Hz Bậc 4 1.02% < 3%

Biên độ điện áp tải 326.2 V Tổng biến dạng 4.40% < 5%

Bảng 3.7 Kết quả chất lượng điện áp khi công suất của nguồn DC suy giảm.

Hình 3.16 Kết quả biến dạng sóng hài khi công suất lưới DC suy giảm.

Bảng 3.8 Kết quả chất lượng điện áp khi công suất của nguồn DC trở lại như cũ, nguồn AC suy giảm.

Hình 3.17 Kết quả chất lượng điện áp khi công suất của nguồn DC trở lại như cũ, nguồn AC suy giảm.

Kết quả cho thấy quá trình trao đổi công suất giữa hai lưới điện gây gia tăng biến dạng sóng hài Vấn đề này sẽ được cải thiện bằng việc nâng cấp bộ lọc RLC trên đường dây truyền tải Sau khi nâng cấp bộ lọc, hệ thống đáp ứng tốt khi hệ số bức xạ mặt trời thay đổi Giá trị điện áp đạt 326.2 V khi công suất đẩy từ lưới AC qua lưới DC và đạt 324.6 V khi công suất đẩy từ lưới DC qua lưới AC Giá trị tần số luôn đạt trong ngưỡng 49.5 Hz đến 50.5 Hz trong suốt quá trình mô phỏng.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÂN TÁN ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TỰ ĐIỀU CHỈNH SÓNG MANG

Các mô hình được đề xuất

Các bộ điều khiển đa bậc đã được nghiên cứu nhiều năm nay Các hình mẫu này cho phép quản lý dòng – áp cao chỉ với dòng – áp thấp dùng để đóng cắt các khóa công suất Hơn nữa việc định vị giá trị áp pha trở nên dễ dàng và chính xác hơn, giúp tăng hiệu quả đáng kể, đồng thời giảm kích thước và khối lượng của các bộ lọc thụ động. Các khóa công suất này có thể được kết nối với nhau theo mô hình cascade để tăng khả năng xử lý điện áp cao hoặc mắc song song để tăng khả năng tải dòng Hình 4.1(A) mô tả một bộ biến đổi đa bậc cấu hình song song và hình 4.1(B) mô tả một bộ biến đổi đa bậc cấu hình nối tiếp Phương pháp điều khiển căn bản nhất được áp dụng trong bộ biến đổi đa bậc là bộ điều khiển tập trung tính toán một hệ xung PWM cho toàn bộ khóa công suất Trong trường hợp một khóa công suất gặp sự cố, thiết bị tại vùng có sự cố phát hiện và gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm Sau đó bộ điều khiển trung tâm thực hiện cấu hình lại toàn bộ hệ thống Mô hình này không tránh

Hình 4.1 Bộ biến đổi đa bậc [9]

(A) Bộ biến đổi nhiều pha (6 pha, sơ đồ song song)

(B) Bộ biến đổi nhiều cấp biên độ (7 cấp, sơ đồ nối tiếp) khỏi việc chậm trễ do tốc độ xử lý của thiết bị nhận diện sự cố, tốc độ truyền tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm và tốc độ xử lý của bộ điều khiển trung tâm. Để xử lý vấn đề của cấu hình điều khiển trung tâm, một số nghiên cứu đề xuất cấu hình điều khiển phân tán nguồn điều chế pha PWM Phương pháp này sử dụng các bộ điều khiển cục bộ giao tiếp với các bộ điều khiển kế cận nhằm điều chỉnh tức thời xung điều chế PWM Tuy nhiên, vòng lặp của sự điều chỉnh này bị hạn chế bởi số lượng bộ khóa công suất Cấu trúc càng nhiều bậc, số vòng lặp cần thực hiện để đạt trạng thái ổn định càng nhiều Dẫn đến sự suy giảm của tốc độ tái cấu hình hệ thống.

Công trình nghiên cứu về nguyên lý điều khiển tự cân bằng sóng mang [9] đã đề xuất cấu hình tối ưu cho bộ biến đổi đa bậc điện áp hoặc đa góc pha Mỗi bộ khóa tự đồng bộ tần số sóng mang của chính nó, đồng thời tự cấu hình góc pha (PS) hoặc biên độ (LS) dựa trên tín hiệu trao đổi giữa các bộ khóa công suất, bao gồm góc pha hoặc điện áp, vị trí bộ khóa và bộ khóa kế bên, tổng số lượng bộ khóa trong hệ thống Kết quả nghiên cứu mang lại nguyên lý tự cấu hình lại biên độ hoặc góc pha trong các bộ điều khiển đa bậc với thời gian đáp ứng cực nhanh, ngay cả với các bộ biến đổi có số lượng bộ khóa công suất rất lớn, đặc biệt là các hệ thống đòi hỏi khả năng cấu hình lại tức thời.

Nguyên lý hoạt động tự cấu hình sóng mang

4.2.1 Bộ điều khiển thông thường

Hình 4.2 mô tả cấu trúc của một bộ điều khiển tự cấu hình góc pha căn bản.

Mỗi bộ khóa trao đổi thông tin về góc pha với hai bộ khóa kế bên.

Hình 4.2 Mô hình nguyên lý điều khiển phân tán cho bộ đa góc pha [9] Dựa trên giá trị dòng pha của bộ khóa kế bên, sóng mang được điều chỉnh cục bộ để cân bằng pha tại trạng thái xếp chồng mong muốn (hình 4.2B) hoặc khi gặp sự cố sẽ tiến tới cấu hình mới bằng việc loại bỏ bộ khóa bị trục trặc (hình 4.2C) nhằm duy trì chuỗi giao tiếp liên tục giữa các bộ khóa công suất.

Với : Góc pha tịnh tiến của sóng mang thứ n tại bước lặp [k+1];

4.2.2 Nguyên lý điều khiển đề xuất cho bộ biến đổi pha tự điều chỉnh tức thời

Các thông tin trao đổi giữa các bộ khóa công suất bao gồm: góc pha, vị trí của bộ khóa ( ) và tổng số khóa đang hoạt động ( - K ) Bộ điều khiển riêng biệt của từng bộ khóa tính toán ngay lập tức giá trị pha của nó dựa vào giá trị góc pha của bộ khóa trước đó ( ) và giá trị góc pha đơn vị (Δ v ) Sau đó cập nhật các tín hiệu cho bộ khóa kế tiếp Cấu hình tự điều chỉnh pha tức thời được thiết kế dựa trên công thức sau [9] :

(A) Nguyên lý cập nhật thông tin (B) Tịnh tiến sóng mang

Hình 4.3 Quy tắc cập nhật góc pha sóng mang được đề xuất [9]

Hình 4.4 Kết nối các bộ điều khiển khóa công suất đề xuất cho bộ điều khiển tịnh tiến pha [9]

Giải thuật được vận hành như sau: tại bộ khóa thứ n, vòng lặp thứ k, chỉ dấu của bộ khóa thứ n-1 (được đặt tên count_in) được thu nhận và tăng lên 1 đơn vị và gán tên count_out Quá trình tương tự được áp dụng cho toàn bộ khóa công suất.

Riêng chỉ dấu của dải giao tiếp ở vòng lặp mở, bộ điều khiển tại điểm đầu được gán chỉ dấu = 1 do giá trị trước đó là 0 (không có tín hiệu) Giá trị count_out của bộ khóa cuối cùng chính là tổng số lượng bộ khóa trong chuỗi và được gửi đến toàn bộ bộ khóa bằng đường dẫn giao tiếp số lượng Tổng kết tín hiệu vào ra của một bộ điều khiển khóa như bảng sau:

Chương 4- Xây dựng mô hình nguồn phân tán Trần Việt Tính-1870078

EN Mô phỏng tín hiệu loại bỏ bộ khóa

Count_in Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n-1,

Number _in Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống nhận được

Count_out Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n,

Number_out Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống được truyền tải

Giá trị đơn vị của góc pha chênh lệch Δ

Bảng 4.1 Ngõ vào – ngõ ra của các bộ khóa trong phương pháp tự cấu hình pha [9]

Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật của phương pháp tự cấu hình pha [9]

4.2.3 Nguyên lý điều khiển đề xuất cho bộ biến đổi biên độ tự điều chỉnh tức thời

Tương tự bộ biến đổi pha tự điều chỉnh tức thời, các bộ khóa trong hệ thống trao đổi thông tin về chỉ dấu của bộ khóa kế bên ( ) và tổng số bộ khóa đang hoạt tin về góc pha, các bộ khóa công suất sẽ trao đổi bậc biên độ ( ) thông qua đường truyền giao tiếp Bộ điều khiển cục bộ sẽ tính toán và cập nhật nhanh chóng giá trị đỉnh của biên độ sóng mang ( , S) dựa trên giá trị đỉnh của biên độ sóng mang của bộ khóa trước đó ( ) và giá trị đơn vị đỉnh – đỉnh ( Δ

) Cấu hình tự điều chỉnh biên độ được thiết , kế S dựa trên công thức sau [9] : Δ v = 2 (4.7)

Hình 4.6 Quy tắc cập nhật biên độ sóng mang được đề xuất [9]

Quy tắc cập nhật biên độ sóng mang được minh họa như hình 4.6, quy luật chỉ dấu bộ điều khiển thứ n tại vòng lặp thứ k và tổng số bộ điều khiển khóa ( - K ) được trình bày trong hình 4.7.

Hình 4.7 Sơ đồ giải thuật của phương pháp tự cấu hình biên độ [9]

Giải thuật điều khiển tương tự phương pháp tự cấu hình pha Lưu đồ giải thuật được trình bày như hình 4.8 dưới đây Các tín hiệu ngõ vào – ngõ ra của bộ điều khiển được liệt kê trong bảng 4.2.

EN Mô phỏng tín hiệu loại bỏ bộ khóa

Count_in Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n-1,

Number _in Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống nhận được

Count_out Chỉ dấu từ bộ khóa thứ n,

Number_out Giá trị tổng số bộ khóa trong hệ thống được truyền tải

Giá trị đơn vị chênh lệch của biên độ đỉnh – đỉnh,

Bảng 4.2 Ngõ vào – ngõ ra của các bộ khóa trong phương pháp tự cấu hình biên Δ độ [9]

Hình 4.8 Lưu đồ giải thuật của phương pháp tự cấu hình biên độ [9]

Áp dụng vào mô hình bộ biến đổi công suất liên kết

Nguồn cho lưới AC trong mô hình bộ biến đổi công suất liên kết được thay thế bởi một hệ thống gồm các nguồn phân tán tương đương công suất Các nguồn này được mô phỏng từ nguồn lý tưởng Nghiên cứu có thể cho ra kết quả thực tiễn hơn nếu các nguồn này là nguồn điện tái tạo Nhưng do cấu hình máy tính sử dụng trong quá trình mô phỏng không đủ khả năng đáp ứng khối lượng tính toán, nên kết quả sẽ dựa trên mô hình nguồn công suất lý tưởng.

Trong mô hình này, tổng số nguồn phân tán sử dụng cho lưới AC là 9 bộ, được chia làm ba nhóm, mỗi nhóm 3 bộ Mỗi nhóm này được cấu hình cho từng pha Bộ điều khiển tự cấu hình sẽ được tích hợp cho bộ biến đổi công suất liên kết.

Ta tạm gọi hệ thống này là hệ thống 6 cells để phân biệt với các hệ thống nâng cấp ở các mục tiếp theo.

Hình 4.9 Cấu trúc kết nối các nguồn phân tán cho một pha.

Mô hình này chú trọng vấn đề kiểm soát pha và tần số sau khi liên kết hai lưới.

Do đó, cấu hình tự điều chỉnh biên độ được áp dụng Khi xảy ra sự cố cục bộ tại một trong những nguồn phân tán, hệ thống sẽ tự điều chỉnh biên độ điện áp nhằm giữ giá trị tần số và cân bằng góc pha, giúp duy trì cân bằng hệ thống Với phương pháp này, các giá trị điện áp tham chiếu được đưa về từng bộ điều khiển phân tán để điều chế xung đóng cắt riêng biệt cho từng khóa công suất thông qua giải thuật tự cấu hình pha được nêu ở mục trước Các giá trị này được đặt tên Alpha1, Alpha2, Alpha3 như trong hình 4.10.

Hình 4.10 Mô hình bộ điều khiển cho 3 bộ khóa đóng cắt, mỗi bộ khóa cấu hình cho một pha.

Hình 4.11 Cấu trúc mô phỏng toàn hệ thống.

4.3.1 Kết quả mô phỏng Ưu điểm của hệ thống này là cho phép tải tiếp tục hoạt động khi xuất hiện sự cố trên nguồn phân tán Trong điều kiện đó điện áp, tần số và công suất của hệ thống vẫn phải đảm bảo Các kết quả của ICIT thể hiện khả năng tự điều hòa góc pha hoặc điện áp của mỗi bộ nguồn phân tán dựa trên thông tin trao đổi giữa các bộ nguồn kế cận. Phương pháp này cực kỳ hiệu quả cho hệ thống tự động cấu hình tức thời bao gồm số lượng lớn các thành phần đóng cắt Điều đó cho phép tăng tốc độ đáp ứng cho cân bằng sóng mang và hiệu suất làm việc của toàn hệ thống Kết quả của nghiên cứu thể hiện tính khả thi cũng như tiềm năng của mô hình DSA-PSC và DSA-LSC.

Kịch bản đầu tiên cho mô hình là hệ thống là ngắt bộ điều khiển của nguồn phân tán số 3 tại thời điểm 2.25 s mô phỏng sự cố mất điện nguồn tại vị trí nguồn phân tán này Sau đó sự cố được khắc phục ở giây 3.5 bằng cách đóng lại nguồn này vào hệ thống Các giá trị công suất, tần số, điện áp, biến dạng sóng hài điện áp sẽ được quan sát và đánh giá so với tiêu chuẩn đã đề ra ở mục 3.2 Yêu cầu thiết kế.

Hình 4.12 Kết quả trao đổi công suất và thay đổi tần số của mô hình.

Kết quả tại điểm xác lập sau khi hòa lưới.

Cấu hình Giá trị cài Bậc sóng hài Độ biến dạng Tiêu chuẩn yêu đặt cầu

Số chu kỳ lấy mẫu Bậc 3 2.17% < 3%

Bảng 4.3 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi hòa lưới.

Kết quả tại thời điểm sau khi xảy ra sự cố.

Bảng 4.4 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi xảy ra lỗi tại nguồn số 3.

Hình 4.13 Kết quả biến dạng sóng hài tại thời điểm xác lập sau khi hòa lưới.

Hình 4.14 Kết quả biến dạng sóng hài tại thời điểm xác lập sau khi xuất hiện sự cố.

Kết quả sau khi sự cố được khắc phục.

Cấu hình Giá trị cài Bậc sóng hài Độ biến dạng Tiêu chuẩn yêu đặt cầu

Số chu kỳ lấy mẫu 1 Bậc 3 2.30% < 3%

Bảng 4.5 Kết quả sau khi sự cố được khắc phục.

Hình 4.15 Kết quả biến dạng sóng hài sau khi sự cố được khắc phục.

So sánh kết quả trước khi xảy ra sự cố và sau khi sự cố được khắc phục với kết quả ở bảng 3.3 Chất lượng điện áp tải sau khi liên kết hai lưới điện của mô hình căn bản Các kết quả cho thấy chất lượng điện năng ở mô hình phân tán tốt hơn với tổng biến dạng sóng hài nhỏ hơn đến 3 lần.

Công suất trao đổi và tần số luôn được giữ ổn định với thời gian quá độ khoảng 0.5 s Tuy nhiên, tần số vẫn được giữ trong dải cho phép từ 49.5 Hz đến

50.5 Hz Kết quả cho thấy độ tin cậy cao và độ ổn định đáp ứng được yêu cầu của thông tư 39-2015 TT-BCT của Bộ Công Thương.

4.3.2 Kết quả mô hình nâng cấp thứ nhất

Kịch bản tiếp theo, hệ thống nguồn phân tán được tăng số lượng lên 18 bộ nguồn, chia cho ba pha, mỗi pha 6 bộ Hệ thống này tạm gọi là hệ thống 12 cells. Kịch bản sự cố tương tự như mục 4.3.1.

Hình 4.16 Kết quả trao đổi công suất và thay đổi tần số.

Hình 4.17 Cấu trúc mô phỏng toàn hệ thống nâng cấp số lượng nguồn phân tán.

Kết quả tại thời điểm hòa lưới.

Bảng 4.6 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi hòa lưới.

Hình 4.18 Kết quả biến dạng sóng hài khi hòa lưới.

Kết quả tại thời điểm xảy ra sự cố.

Bảng 4.7 Kết quả tại thời điểm xác lập sau khi xảy ra sự cố.

Hình 4.19 Kết quả biến dạng sóng hài khi xuất hiện sự cố.

Kết quả tại sau khi sự cố được khắc phục.

Hình 4.20 Kết quả biến dạng sóng hài khi sự cố được khắc phục.

So sánh kết quả mô hình nâng cấp 12 cells với mô hình 6 cells cho thấy biến dạng sóng hài khi sự cố xảy ra được cải thiện rõ rệt từ 8.06% xuống còn 5.33% Biến dạng sóng hài đơn lẻ cũng được cải thiện cụ thể là sóng hài bậc 5 từ 19.81% còn14.31%, và sóng hài bậc 3 từ 14.42% còn 0.67% Tuy nhiên ở chế độ xác lập khi hòa lưới và sau khi khắc phục sự cố, biến dạng sóng hài bậc 2 lại lớn hơn 3% với giá trị là 4.66% và 4.67% Điều này có thể khắc phục bằng cách nâng cấp bộ lọc và không quá tốn kém do biến dạng sóng hài không quá lớn.

Kết quả phản ánh số lượng nguồn phân tán ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng điện năng đặc biệt là khi xảy ra sự cố Số lượng nguồn phân tán càng nhiều, chất lượng điện năng khi xảy ra sự cố mất điện cục bộ càng được đảm bảo.

4.3.3 Kết quả mô hình nâng cấp thứ hai

Mô hình này giữ nguyên mô hình ban đầu, chỉ tăng mức điện áp của các nguồn

AC phân tán Nói cách khác, ở mục 4.3.2 nâng cấp dựa trên số lượng nguồn phân tán thì ở phần này, hệ thống được nâng cấp bằng cách nâng công suất của từng bộ nguồn.

Kết quả khi hòa lưới.

Bảng 4.9 Kết quả khi hòa lưới.

Kết quả khi xuất hiện sự cố.

Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến Tiêu chuẩn yêu dạng cầu

Bảng 4.10 Kết quả khi xuất hiện sự cố.

Hình 4.23 Kết quả biến dạng sóng hài khi xảy ra sự cố.

Kết quả sau khi khắc phục sự cố.

Bảng 4.11 Kết quả sau khi khắc phục sự cố.

So với mô hình ban đầu, việc tăng công suất cho các nguồn phân tán không đem lại hiệu quả giảm biến dạng sóng hài khi xảy ra sự cố.

Mô hình sử dụng nguồn điện mặt trời DC

Ở mô hình này, mô hình nguồn phân tán căn bản thay thế nguồn DC lý tưởng bằng nguồn năng lượng mặt trời có cấu hình 18 chuỗi pin song song, mỗi chuỗi 15 tấm pin nối tiếp, mỗi tấm pin công suất 315 Wp.

Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến Tiêu chuẩn

Hình 4.25 Kết quả biến dạng sóng hài khi hòa lưới

Kết quả khi xảy ra sự cố.

Số chu kỳ lấy mẫu 1 Bậc 3

Bảng 4.13 Kết quả khi xảy ra sự cố.

Hình 4.26 Kết quả biến dạng sóng hài khi xảy ra sự cố.

Khi sự cố được khắc phục.

Cấu hình Giá trị cài đặt Bậc sóng hài Độ biến Tiêu chuẩn yêu

Bảng 4.14 Kết quả khi sự cố được khắc phục.

Sự cố nguồn điện mặt trời làm điện áp biến dạng sóng hài và tăng mạnh hơn 22% so với điện áp định mức Tổng biến dạng sóng hài cũng lên tới 22,76% Tuy nhiên, khi không có sự cố, chất lượng điện áp ở mô hình sử dụng nguồn điện mặt trời tốt hơn so với mô hình năng lượng mặt trời ở mục 2.3.6.

Tiếp theo là khảo sát khả năng đáp ứng của hệ thống khi công suất của điện mặt trời suy giảm trong quá trình xảy ra sự cố.

Kết quả khi xuất hiện sự cố và suy giảm công suất điện mặt trời.

Biên độ điện áp tải 327.8V Tổng biến dạng 22.41% < 5%

Bảng 4.16 Kết quả khi xuất hiện sự cố và suy giảm công suất điện mặt trời.

Kết quả sau khi khắc phục sự cố.

Bảng 4.17 Kết quả sau khi khắc phục sự cố.

Kết quả cho thấy sự suy giảm trong công suất của nguồn điện mặt trời gây tác động lớn đến chất lượng điện năng của hệ thống Tuy công suất vẫn được cân bằng nhờ sự bù công suất từ lưới AC, tần số vẫn bị suy giảm Giá trị tần số bị suy giảm không vượt ra khỏi ngưỡng cho phép, nhưng biến dạng sóng hài bị ảnh hưởng nghiêm trọng dẫn tới chất lượng điện năng không đạt tiêu chuẩn lưới điện khi sự cố được khắc phục.

Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời và tăng cường số lượng nguồn phân tán

nguồn phân tán Ở mô hình này, số lượng nguồn phân tán được tăng lên giống hệ thống được nâng cấp thứ nhất như mục 4.3.2 Trước hết hệ thống được khảo sát theo kịch bản sự cố mất nguồn Kịch bản suy giảm công suất của hệ thống điện mặt trời được khảo sát tiếp theo đó.

Kết quả tại thời điểm hòa lưới.

Tần số điện áp 49.78Hz Bậc 4 2.84% < 3%

Bảng 4.18 Kết quả tại thời điểm hòa lưới.

Kết quả tại thời điểm xảy ra sự cố.

Bảng 4.19 Kết quả tại thời điểm xảy ra sự cố.

Sau khi sự cố được khắc phục

Với mô hình nâng cấp, biến dạng sóng hài và quá trình trao đổi công suất không quá khác biệt so với mô hình sử dụng nguồn lý tưởng Tổng biến dạng sóng hài trong quá trình xảy ra sự cố được cải thiện đáng kể xuống còn hơn 10% so với mô hình 6 cells (hơn 22%).

Tiếp theo kịch bản suy giảm công suất tương tự mô hình 6 cells được khảo sát.

Kết quả khi xảy ra sự cố.

Bảng 4.21 Kết quả khi xảy ra sự cố.

Kết quả khi sự cố được khắc phục.

Bảng 4.22 Kết quả khi sự cố được khắc phục.

Kết quả thể hiện hiệu quả của mô hình nâng cấp trong việc cải thiện biến dạng sóng hài trong cả tình trạng hệ thống xảy ra sự cố và sau khi sự cố được khắc phục Mô hình 12 cells vượt trội so với mô hình 6 cells, giảm hơn 50% biến dạng sóng hài khi sự cố xảy ra Sau khi khắc phục sự cố, mô hình 12 cells đưa biến dạng sóng hài về gần với tiêu chuẩn chất lượng điện mong muốn.

Hình 4.38 Kết quả công suất tải.

Công suất trao đổi của nguồn AC đủ để bù phần suy giảm của nguồn DC giúp tải hoạt động ổn định Tại các thời điểm xảy ra sự cố và khắc phục sự cố, công suất tải bị thay đổi đột ngột trong phạm vi 0.2 s Theo tiêu chuẩn về điện trong TT39, các hệ thống vẫn có khả năng tiếp tục hoạt động trong điều kiện này.

Mô hình tự cấu hình siêu nhanh được áp dụng thành công trong mô hình bộ biến đổi công suất liên kết với các ưu điểm vượt trội Hệ thống nguồn phân tán giúp tăng độ tin cậy của hệ thống kể cả khi xuất hiện sự cố cục bộ Khả năng tự cấu hình với thời gian đáp ứng nhanh (dưới 0.5s) và giữ điện áp cũng như tần số trong giới hạn tiêu chuẩn cho phép giúp gia tăng độ ổn định của hệ thống.

Hệ thống nguồn phân tán giúp dễ dàng nâng cấp chất lượng điện năng thông qua việc gia tăng số lượng nguồn cung cấp Hệ thống điều khiển có cấu trúc giống nhau nên việc nâng cấp, điều chỉnh hệ thống cực kỳ dễ dàng, có thể thực hiện nâng cấp số lượng lớn với chi phí thấp.

CHƯƠNG 5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ KẾT LUẬN

Hướng phát triển

Hệ thống điện tại Việt Nam và trên thế giới ngày càng chú trọng vào năng lượng tái tạo khi năng lượng hạt nhân gặp nhiều rảo cản về chính trị và các nguồn năng lượng truyền thống không được ủng hộ do tác động xấu đến môi trường. Khuyết điểm lớn nhất của năng lượng tái tạo chính là sự thiếu ổn định Do đó xu hướng kết hợp các lưới điện dạng lai đang mang tiềm năng rất lớn trong việc giải quyết các vấn đề về năng lượng Kết quả nghiên cứu đã cho thấy một trong các phương pháp phát triển lưới điện giúp tăng tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống.

5.1.1 Cấu trúc hệ thống lưới điện liên kết

Vấn đề cơ bản của các cấu trúc liên kết chính là độ ổn định và tốc độ đáp ứng.

Sự thay đổi công suất, điện áp hay tần số trên một lưới điện bất kỳ cần được điều chỉnh tức thì dựa vào các hệ thống trong mạng lưới Báo cáo đã cho thấy hướng đi liên kết các nguồn điện DC là khả thi và còn rất nhiều tiềm năng để khai thác Tốc độ đáp ứng của hệ thống có thể được cải thiện dựa vào công nghệ của khóa công suất cũng như tốc độ truyền tải thông tin của các bộ điều khiển Các thách thức đặt ra cho cấu trúc này là liên kết các hệ thống có điện áp định mức khác nhau cũng như tần số khác nhau Ngoài ra sự thiếu ổn định của các nguồn năng lượng tái tạo cũng đặt ra bài toán về các giải pháp quản lý năng lượng như sử dụng bộ tích năng hay điều tiết công suất từ các nguồn năng lượng truyền thống Các mô hình này cần được liên kết và quản lý chặt chẽ để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống Đó là những thách thức và cũng là hướng phát triển cho hệ thống lưới điện liên kết dạng lai.

5.1.2 Hệ thống nguồn phân tán

Hệ thống điện ngày càng đòi hỏi độ tin cậy cao và đáp ứng tức thời Việc tăng cường nguồn điện phân tán là giải pháp hiệu quả nhất cho đến thời điểm hiện tại Các phương pháp cân đối công suất từ các nguồn phân tán, đặc biệt là các nguồn năng lượng tái tạo đem đến cho hệ thống điện độ tin cậy và ổn định cao Các nguồn phân tán này ngày càng đa dạng về quy mô cũng như bản chất (năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, điện địa nhiệt, điện thủy triều… và các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện công suất nhỏ, nhiệt điện, …) Các phương thức biến đổi năng lượng khác nhau đem đến thách thức về khả năng đồng bộ và cân bằng hệ thống. Việc liên kết các lưới điện dạng lai bằng bộ biến đổi liên kết giúp giảm các tổn hao trong việc chuyển đổi năng lượng Hướng phát triển này ngoài giúp giảm tổn hao còn giúp giảm chi phí trong đầu tư các hệ thống chuyển đổi năng lượng cũng như các hệ thống truyền tải.

5.1.3 Giao tiếp giữa các lưới điện siêu nhỏ

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông không dây, các hệ thống lưới điện siêu nhỏ hoàn toàn có khả năng liên kết với nhau từ xa Các hệ thống quản lý có thể tính toán các phương án điều tiết năng lượng nhanh chóng và chính xác Theo đó, các hệ thống bảo mật của an ninh năng lượng cũng cần được đầu tư và phát triển Hệ thống tích năng và quản lý năng lượng từ xa sẽ là mô hình tương lai của mạng lưới năng lượng.

5.1.4 Các vấn đề kinh tế và công nghệ

Sự phát triển của hệ thống năng lượng là một trong những nền móng căn cơ của phát triển kinh tế Một mạng lưới năng lượng ổn định, tin cậy và an toàn giúp tháo bỏ các rào cản trong sản xuất cũng như các dự án nghiên cứu quy mô lớn Việc ứng dụng các công nghệ mới vào phát triển nền công nghiệp năng lượng giúp mở ra một thị trường mới về thiết bị và công nghệ Các nghiên cứu về vật liệu bán dẫn và siêu dẫn đem lại rất nhiều tiềm năng cho các mô hình chuyển đổi và truyền tải năng lượng Các mô hình này tiếp nhận và truyền tải một lượng công suất cực lớn với tổn hao cực nhỏ Trong tương lai, việc truyển tải năng lượng DC bằng vật liệu siêu dẫn sẽ trở nên khả thi với chi phí hợp lý và các phương án thi công hiệu quả.

Kết luận

Các mô hình được trình bày trong báo cáo giải quyết được các vấn đề dưới đây:

- Liên kết các mô hình lươi điện siêu nhỏ với chất lượng điện năng và đáp ứng đạt yêu cầu của tiêu chuẩn đặt ra.

- Mô hình hoạt động ổn định với các giá trị nằm trong tiêu chuẩn khi sử dụng mô hình năng lượng tái tạo.

- Xây dựng hệ thống sử dụng nguồn phân tán liên kết với lưới điện siêu nhỏ.

Mô hình sử dụng phương pháp điểu khiển tiên tiến giúp tăng độ tin cậy của hệ thống với thời gian đáp ứng nhanh và chất lượng điện năng ổn định.

- Hệ thống sử dụng nguồn phân tán hoạt động tốt với nguồn điện năng lượng tái tạo.

Hệ thống nguồn phân tán sở hữu khả năng nâng cấp dễ dàng và tiết kiệm nhờ tính đồng bộ của các tế bào điều khiển Bên cạnh việc nâng cao độ tin cậy, việc nâng cấp còn góp phần cải thiện chất lượng điện năng khi hệ thống gặp sự cố, mang lại hiệu quả vận hành tối ưu trong nhiều trường hợp.

Thông qua báo cáo này, các mô hình phát triển lưới điện siêu nhỏ có thêm góc nhìn về phương pháp điều khiển cũng như nâng cấp hệ thống các lưới điện liên kết Việc trao đổi công suất trong một hệ thống độc lập có thể được tăng cường độ tin cậy cũng như tính ổn định nhờ vào số lượng các nguồn công suất phân tán Các nguồn năng lượng phân tán này hoàn toàn có thể là năng lượng tái tạo.

Thách thức đặt ra cho các mô hình hướng đến giải quyết các vấn đề về cân bằng tải và công suất nguồn hoặc tìm ra các giải pháp về tích năng và điều tiết công suất từ các nguồn công suất khác nhau, tùy vào nhu cầu tải và khả năng cung cấp năng lượng tại một thời điểm nhất định.

Tiêu đề	Khảo Sát Hoạt Động Của Hệ Thống Lưới Điện Siêu Nhỏ Dạng Lai DC – AC Sử Dụng Bộ Biến Đổi Liên Kết
Tác giả	Trần Việt Tính
Người hướng dẫn	PGS. TS. Phan Quốc Dũng
Trường học	Đại học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	14,29 MB