Nghiên cứu phương pháp điều khiển máy điện đồng bộ ảo ứng dụng trong lưới điện siêu nhỏ (microgrid)

GIỚI THIỆU

Cơ sở và động lực nghiên cứu

Vấn đề nóng lên toàn cầu do phát thải khí nhà kính đang là bài toán tuy có lời giải nhưng việc thực hiện vô cùng khó khăn Tuy nhiên, việc chuyển đổi việc sản xuất điện năng từ nhiên liệu hóa thạch sang NLTT hiện đang là cách giải quyết nhanh chóng và mạnh mẽ nhất Ở Việt Nam, cơ cấu nguồn NLTT chiếm tỷ trọng khoảng 11.2% [61] trong tổng cơ cấu nguồn hệ thống, chưa xét đến các nguồn NLTT đã đầu tư xây dựng nhưng chưa vận hành thương mại [1] Có thể thấy việc chuyển dần sang NLTT ở Việt Nam cũng như nhiều quốc gia có thể giúp hạn chế tác động của biến đổi khí hậu trong tương lai tuy nhiên lại đặt ra một thách thức rất lớn trong vận hành hệ thống chính là việc giảm quán tính đáng kể có thể dẫn đến mất ổn định Sa thải phụ tải nhiều hơn với lượng công suất lớn hơn để đảm bảo an toàn hệ thống

Vấn đề tương tự cũng đặt ra trong vận hành Microgrid (MG) Microgrid với bản chất là một hệ thống điện thu nhỏ với cơ cấu nguồn phân tán được đặt rất gần đến tâm phụ tải Các nguồn phân tán trong MG chủ yếu đến từ các nguồn năng lượng tái tạo giao tiếp qua biến tần như nguồn quang điện (PV power), hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) và máy phát Diesel Với ưu điểm tận dụng nguồn phân tán, việc cung cấp xây dựng hệ thống truyền tải và quản lý tổn thất, năng lượng bên trong MG sẽ hiệu quả hơn rất nhiều so với lưới điện truyền thống [55,56] Mặt khác với hai chế độ vận hành, một là vận hành nối lưới (Grid connected mode) hệ thống điện lớn MG sẽ được cung cấp và đảm bảo tính ổn định cao về mặt nguồn công suất đến từ lưới, lúc này các NBT sẽ hoạt động trong chế độ bám lưới và phát tối đa công suất Chế độ thứ hai là tách lưới vận hành độc lập (Island mode), lúc này cần có các nguồn nhất định đóng vai trò tạo lưới như nguồn Diesel hoặc BESS do các nguồn này có tính chủ động về năng lượng sơ cấp cao hơn nhiều so với các NBT còn lại vốn mang tính bất định cao do phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết [55,56,58] Đồng thời khi vận hành ở chế độ tách lưới, MG nhạy cảm hơn với các sự kiện làm thay đổi tần số đột ngột như: sự cố mất nguồn lớn, tăng tải lớn nằm ngoài dự báo hoặc sự cố ngắn mạch,

… Nguyên nhân do tách lưới cộng với các NBT có mức quán tính rất thấp hoặc gần như bằng không dẫn đến mức quán tính của MG lúc này giảm rất thấp

Với vấn đề đặt ra về tính ổn định của hệ thống điện nói chung và MG nói riêng khi tích hợp cao các NBT làm suy giảm mức quán tính chung, việc cần thiết phải có giải pháp điều khiển các NBT tham gia vào việc nâng mức quán tính chung đồng thời có đáp ứng hỗ trợ hoặc tăng cường tính ổn định Trong các hướng nghiên cứu đã đang được tiến hành, việc “chuyển” các đặc tính của máy điện đồng bộ vào các NBT thông qua phương pháp điều khiển chung gọi là “máy điện đồng bộ ảo” đang là một hướng nghiên cứu, ứng dụng đầy tiềm năng Đây chính là điều thúc đẩy hướng nghiên cứu của Luận văn

Hình 1.1 Sự chuyển đổi cấu trúc lưới điện từ dạng xuyên suốt sang dạng lưới

(mesh) do nguồn phát điện phân tán

Mục tiêu của Luận văn và định hướng trình bày

Luận văn bao gồm các mục tiêu chính như sau:

Lưới truyền tải Nhà máy điện lớn

• Nghiên cứu các mô hình máy điện đồng bộ ảo cùng với các phương pháp điều khiển và ứng dụng trong hệ thống điện, và trong Microgrid

• Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ (FLC) kết hợp bộ lọc LLCL vào máy điện đồng bộ ảo dựa trên mô hình Synchronverter nhằm đạt được cải tiến về đáp ứng so với công trình đã công bố

• Thực hiện các mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả nhằm kiểm chứng hệ thống đề xuất Định hướng:

• Hiểu cách thức xây dựng hệ thống điều khiển NBT mô phỏng các đặc tính của máy điện đồng bộ trong các mô hình máy điện đồng bộ ảo (VSG và Synchronverter) đã được công bố

• Tìm hiểu các kiến thức liên quan cho giải thuật điều khiển công bố trong Luận văn về bộ điều khiển mờ và thiết kế bộ lọc LLCL ứng dụng vào mô hình máy điện đồng bộ ảo – Synchronverter

• Lựa chọn các thông số cho hệ thống và thực hiện các mô phỏng từ đó hiệu chỉnh lại các thông số điều khiển Đồng thời so sánh đánh giá đáp ứng của hệ thống

Bộ nghịch lưu đồng bộ – bộ lọc LLCL áp dụng giải thuật đề xuất so với phương pháp truyền thống đã được công bố

• Bàn luận các kết quả mô phỏng từ đó rút ra hạn chế cần khắc phục và hướng nghiên cứu trong tương lai.

Sơ lược về Luận văn

Phần Tổng quan trình bày về các vấn đề khi tích hợp các nguồn phân tán giao tiếp qua biến tần (trong Microgrid) hoặc các nguồn năng lượng tái tạo tỷ trọng cao vào hệ thống điện từ đó dẫn đến định hướng nghiên cứu về mô hình máy điện đồng bộ ảo trong Luận văn Ngoài ra các mục tiếu chính và định hướng thực hiện của Luận văn cũng được trình bày

Chương 2 sẽ tập trung vào tìm hiểu các mô hình, hệ thống điều khiển và ứng dụng liên quan của máy điện đồng bộ ảo đã được công bố Cuối Chương 2 sẽ trình bày nhận xét về các điểm/nội dung mà các công trình nghiên cứu chưa đề cập từ đó trình bày ý tưởng xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ thống máy điện đồng bộ ảo theo mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ – Synchronverter kết hợp bộ lọc LLCL đề xuất trong Luận văn

Theo đề xuất luận văn, chương 3 sẽ giới thiệu khái niệm và cách triển khai thuật toán điều khiển mờ cùng quy trình thiết kế và ưu điểm của bộ lọc LLCL Tiếp theo, tiến hành thiết kế các thông số liên quan cho giải thuật đề xuất nhằm điều khiển hệ thống bộ nghịch lưu đồng bộ.

Tiếp đến các kịch bản mô phỏng nhằm khảo sát đánh giá đáp ứng của mô hình máy điện đồng bộ ảo được đề xuất sẽ được trình bày trong Chương 4 Ngoài ra thông qua các kết quả mô phỏng, các hạn chế cần cải thiện của giải thuật đề xuất cho hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL sẽ được trình bày

Cuối cùng Chương 5 sẽ đưa các nhận xét tổng kết nội dung đã thực hiện của Luận văn, các hạn chế cần khắc phục và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU

Tổng quan

Sự tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo (NLT) đã giúp Việt Nam giảm thiểu lượng khí thải nhà kính, tuy nhiên sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và sự thiếu quán tính của các NLT đặt ra thách thức trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống điện Vì vậy, nhiều hướng nghiên cứu đang được tiến hành để sử dụng các NLT hỗ trợ lưới điện trong các điều kiện bình thường và cực đoan, bao gồm điều khiển lái qua sự cố điện áp thấp (LVRT), mô phỏng quán tính ảo và điều khiển tạo lưới - Máy đồng bộ ảo Các phương pháp này hỗ trợ lưới điện bằng cách ngăn chặn việc cắt NLT trong sự cố điện áp thấp, điều chỉnh đáp ứng công suất phát theo tốc độ thay đổi tần số hệ thống và mô phỏng đặc tính của máy điện đồng bộ cho các NLT.

Các công trình nghiên cứu về máy điện đồng bộ ảo

Đã có nhiều cách tiếp cận để mô phỏng đặc tính của máy phát đồng bộ (SG) được đề xuất, nghiên cứu và phát triển Mặc dù áp dụng cùng một khái niệm cơ bản, chúng khác nhau về thuật ngữ, ứng dụng và giải thuật điều khiển Một số phương pháp sử dụng mô hình toán học đầy đủ của SG để mô phỏng chính xác hành vi động lực của nó Các phương pháp khác tập trung vào mô hình động ít cồng kềnh hơn, chỉ xét đến phương trình dao động hoặc đáp ứng công suất-tần số để ước tính hành vi của SG và tập trung vào đặc tính bộ điều tốc Mỗi kỹ thuật đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào mục đích thiết kế và mức độ phức tạp.

Về cách tiếp cận dựa trên mô hình đầy đủ của máy phát điện đồng bộ, Máy đồng bộ ảo hay VISMA [13] có thể được coi là cách tiếp cận dựa trên điện tử công suất đầu tiên để điều khiển các máy phát điện NLTT mô phỏng máy điện đồng bộ VISMA ứng dụng cho hệ thống điện phân tán hoặc Microgrid, được đề xuất bới tác giả Beck và Hesse vào năm 2007, dựa trên hệ tọa độ đồng bộ dq để suy ra mô hình toán học của máy phát đồng bộ [13] Dòng điện stato của mô hình VISMA được tính toán trong hệ dq và được điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển dòng trễ (hysteresis current control) Tuy nhiên, sự không ổn định do phân kỳ toán học trong phương pháp số Euler và hạn chế về bộ xử lý số do tính phức tạp khi áp dụng phương trình bậc cao của SG chính là hạn chế của hướng tiếp cận này

Trong khi đó, điề u khi ển máy điện đồ ng b ộ ả o theo mô hình

“ Sync hronverter”, sau đây gọi là “ B ộ ngh ịch lưu đồ ng b ộ ” đã được công bố tại

[11],[19],[20-23],[28-29],[38-39],[42-44],[48] là một trong những thuật ngữ phổ biến mới nhất đại diện cho khái niệm máy điện đồng bộ ảo Điều khiển máy điện đồng bộ ảo theo mô hình “Bộ nghịch lưu đồng bộ” giúp các nguồn phân tán hoặc nguồn NLTT giao tiếp thông qua biến tần mô phỏng tương đối chính xác các tính chất của máy điện đồng bộ và hiện đang được nghiên cứu phát triển sâu rộng, điển hình là các công bố trong [62,63] Các thành phần điện và cơ học trong SG đều được xét đến trong việc thành lập phương trình toán học mô tả hệ thống điều khiển cho Bộ nghịch lưu đồng bộ Cụ thể, các phương trình liên kết từ thông stato và từ trường roto, phương trình mô men quán tính được dùng để xác định phương trình suất phản điện động (emf) và phương trình động học Tuy nhiên, sự khác biệt thực chất trong máy điện đồng bộ, mô-men xoắn điện từ có được từ năng lượng được lưu trữ trong từ trường và góc roto Đồng thời công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều chỉnh bằng vòng điều khiển độ dốc (droop control) tần số-công suất tác dụng Mặt khác, các nghiên cứu về mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ bao gồm nhưng không giới hạn bởi các hướng nghiên cứu chính được mô tả ngắn gọn như sau: Đầu tiên, giới thiệu về chiến lược điều khiển dựa trên mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ cho các NBT ứng dụng cho hệ thống điện và lưới điện siêu nhỏ đã được đề xuất trong [19]; sau đó, các nghiên nhằm cải thiện đáp ứng động trong điều kiện sự cố ngắn mạch xảy ra được trình bày chi tiết trong [20,23] và cải thiện đáp ứng quá độ trong điều kiện lưới yếu (Microgrid hoặc lưới phân phối) thông qua các khâu hiệu chỉnh đệm dao động chủ động đã được công bố trong [21,22] Thứ hai, các phương pháp thiết kế lựa chọn tham số và điều chỉnh cho bộ điều khiển của hệ thống máy điện đồng bộ ảo Bộ nghịch lưu đồng bộ đã được đề xuất trong [28,29] dựa trên phân tích giải tích mô hình toán học Hơn nữa, bằng việc phân tích mô hình tín hiệu nhỏ, nhóm tác giả trong [38] đã trình bày mối quan hệ của các thông số điều khiển cũng như thông số lưới đến đáp ứng của Bộ nghịch lưu đồng bộ, đặc biệt trong điều kiện lưới yếu như Microgrid có thể ảnh hưởng đến vận hành ổn định của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ – bộ lọc LCL Việc vận hành song song nhiều Bộ nghịch lưu đồng bộ hoặc giữa Bộ nghịch lưu đồng bộ với các nguồn phân tán truyền thống như máy phát Diesel hiện là một hướng nghiên cứu thịnh hành trong hiện trạng phát triển Microgrid hiện nay [39] Các tác giả trong [39] nêu ra sự mất ổn định khi tích hợp hai hay nhiều Bộ nghịch lưu đồng bộ vận hành song song thông qua phân tích mô hình tín hiệu nhỏ đồng thời đưa ra giải pháp bằng cách hiệu chỉnh giá trị điện kháng ảo trong khâu điều khiển Hướng điều khiển đáp ứng cũng đang được chú trọng, các tác giả trong [48] đã đề xuất các chiến lược điều khiển thích nghi áp dụng hệ thống điều khiển mờ nhằm xác định thông số thích nghi độ dốc ứng với từng điều kiện của Microgrid mà Bộ nghịch lưu đồng bộ kết nối Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, việc thiết kế bộ lọc và sự ảnh hưởng của bộ lọc vào hoạt động ổn định của Bộ nghịch lưu đồng bộ cũng đã được nghiên cứu chuyên sâu và trình bày trong [42-44], nhưng hiện vẫn chỉ giới hạn với bộ lọc LCL

Hướng nghiên cứu áp dụng chính thứ hai về việc mô phỏng các đặc tính máy điện đồng bộ cho các NBT chính là máy phát đồng bộ ảo “Virtual Synchronous Generator – VSG”, được công bố trong rất nhiều công trình nghiên cứu như [14-17,24-27,30-37,40-41,45-47] Chủ đề nghiên cứu chính này chủ yếu liên quan đến phương trình dao động của máy điện đồng bộ vốn được giới thiệu các rất nhiều tài liệu về nghiên cứu ổn định như [59,60] và được trình bày như sau:

𝑑𝑡 = 𝑇 𝑚 − 𝑇 𝑒 − 𝐷(𝜔 − 𝜔 𝑔 ) (1) với J là hằng số quán tính của roto, D là hệ số đệm dao động đặc trưng cho các cuộn đệm dao động ở roto máy điện đồng bộ (SG), ω tốc độ quay của roto máy phát, ωg tốc độ góc của tần số nguồn điện tại stato SG

Các chủ đề nghiên cứu cho mô hình VSG khá giống với của Bộ nghịch lưu đồng bộ bao gồm các hướng chính như sau: chiến lược điều khiển máy điện đồng bộ ảo dựa trên mô hình VSG ứng dụng cho các NBT trong hệ thống điện lớn và Microgrid cùng với đánh giá với phương pháp điều khiển theo độ dốc (droop control) đã được nghiên cứu và công bố trong [14-17] Các nghiên cứu tiếp theo nhằm cải thiện đáp ứng qua độ của VSG thông qua các khâu đệm dao động được thêm vào bộ điều khiển sử dụng bộ vòng khóa pha (phase-lock-loop, PLL) được trình bày trong [16,24,25]

Nghiên cứu về thiết kế tham số và phương pháp điều chỉnh cho VSG đã được đề xuất trong [26-27,30-31] dựa trên phân tích giải tích và thông qua mô hình tín hiệu nhỏ-trị riêng như trong [32-34] Hơn nữa, bằng việc phân tích tín hiệu nhỏ, nhóm tác giả trong [17,35-37] đã trình bày chi tiết mối quan hệ giữa các tham số của VSG và của bộ điều khiển tích phân độ dốc (PI controller) trong vận hành ổn định toàn hệ thống, điều này cũng góp phần tạo công cụ xác định tham số cho hệ thống có VSG nhằm đảm vận hành ổn định Vận hành song song nhiều VSG và/hoặc với SG cũng là chủ đề nghiên cứu được đẩy mạnh trong những năm gần đây Các tác giả trong [17,45-47] đã đề xuất các chiến lược điều khiển thích nghi thông qua việc thay đổi các tham số điều khiển theo các phương trình cố định [45-46], thông qua việc thay đổi liên tục giá trị thấp hoặc cao của hằng số quán tính như trong [17], ứng dụng các giải thuật tìm kiếm tối ưu [15] hoặc bộ điều khiển mờ được giới thiệu trong [47] Mặt khác, bằng cách điều chỉnh và sửa đổi hàm truyền của hệ thống điều khiển thông qua phân tích toán học như trong [30-31], các đáp ứng quá độ của hệ thống các VSG vận hành song song đã được cải thiện rất nhiều Hơn nữa, các tác giả trong [57] đã đề xuất một nghiên cứu mở rộng về cách điều khiển NBT dạng PV mà không cần hệ thống lưu trữ năng lượng bổ sung, hệ thống được đề xuất này đã giúp giải quyết hoàn toàn vấn đề phải có một hệ thống tích trữ năng lượng nhằm điều khiển các NBT hỗ trợ lưới khi xảy ra sự cố Đồng thời mô phỏng gần như các đặc tính của một nguồn phát điện truyền thống ở các mặt như dự trữ quay, đáp ứng quán tính và bộ điều tốc.

Phân tích quan trọng – Định hướng nghiên cứu

Xuyên suốt phần trên, đã có rất nhiều nghiên cứu về đệm dao động thích ứng cho mô hình máy điện đồng bộ ảo dạng VSG và dạng Bộ nghịch lưu đồng bộ [17-

18,45-46] Tuy nhiên, các nghiên cứu trong [17-18,46] chỉ tiếp cận phương pháp điều khiển đáp ứng với các giá trị tham số cố định Nghiên cứu trong [45] đưa ra cách thức tính toán trực tuyến của cả giá trị độ dốc và hệ số quán tính nhưng với quy tắc điều khiển cố định Mặt khác, các nghiên cứu trong [47-48] triển khai bộ điều khiển logic mờ (FLC) cùng với phương pháp tối ưu hóa để tính toán tham số điều khiển thích ứng nhưng chỉ tiếp cận theo hướng điều khiển một tham số, hệ số quán tính ảo hoặc hệ số độ dốc Đồng thời việc kết hợp các giải thuật tìm kiếm tối ưu vào hệ thống điều khiển được trình bày trong [47] đòi hỏi khá nhiều thời gian xử lý giải thuật và yêu cầu về vi xử lý Ở một khịa cạnh khác, việc áp dụng phương pháp điều khiển máy điện đồng bộ ảo cho các NBT dựa theo Bộ nghịch lưu đồng bộ tương đối “dễ” hơn so với mô hình VSG bởi vì theo các phân tích mô hình tín hiệu nhỏ trong [17,37] cho thấy sự phụ thuộc lớn vào các thông số của bộ điều khiển, bộ lọc vào đáp ứng của các thông số đầu ra cũng như việc vận hành ổn định của hệ thống VSG Tuy nhiên về mảng điều khiển thích nghi, đặc biệt là ứng dụng của FLC nhằm xác định đồng thời giá trị hai thông số điều khiển là quán tính ảo và độ dốc cho các NBT sử dụng Bộ nghịch lưu đồng bộ hiện chưa được công bố Ngoài ra, bộ lọc LLCL có hiệu quả trong việc giảm sóng hài tốt hơn so với bộ lọc LCL vẫn chưa được nghiên cứu và ứng dụng cho Bộ nghịch lưu đồng bộ Thông qua tìm hiểu các công trình nghiên cứu nêu trên, Luận văn sẽ đề xuất giải thuật điều khiển ứng dụng bộ điều khiển mờ (FLC) nhằm tính toán thích nghi các giá trị của hệ số quán tính ảo và độ dốc cho máy điện đồng bộ ảo dựa trên Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LLCL (gọi tắt là h ệ th ố ng B ộ ngh ịch lưu đồ ng b ộ - b ộ l ọ c LLCL ) trong các điều kiện vận hành khác nhau Bảng 2.1 đưa ra nhận xét sơ bộ các công trình nghiên cứu trước đây và của giải thuật điều khiển cho hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL được đề xuất trong Luận văn về điều khiển thích ứng cho máy điện đồng bộ ảo

Bảng 2.1 So sánh các phương pháp điều khiển thích ứng cho máy điện đồng bộ

Phương pháp Đối tượng điều khiển

Các tham số được dùng trong phương pháp điều khiển

Thay đổi hằng số mômen quán tính [17]

Mômen quán tính Độ lệch và tốc độ thay đổi tần số hệ thống

Thấp; Các giá trị của đối tượng điều khiển cố định Điều khiển đáp ứng sử dụng thuật toán tối ưu

Mômen quán tính và độ dốc Độ lệch góc điện áp

Cao; Mất ổn định trong một số tình huống vận hành Điều khiển đáp ứng với quy luật điều khiển cố định [45-46]

Mômen quán tính và độ dốc Độ lệch và tốc độ thay đổi tần số hệ thống

Thấp; Các giá trị của đối tượng điều khiển cố định dẫn đến đáp ứng đầu ra bị dao động Ứng dụng logic mờ kết hợp phương pháp lai tạo

Mômen quán tính Độ lệch, tốc độ thay đổi tần số hệ thống và mức độ xâm nhập của nguồn tái tạo

Cao; Chỉ tiếp cận điều khiển một đại lượng

Hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL ứng dụng điều khiển thích nghi FLC được đề xuất trong Luận văn

Mômen quán tính và độ dốc Độ lệch tần số và tốc độ thay đổi độ lệch tần số hệ thống

Thấp; Nhưng tiếp cận đồng thời hai thông số điều khiển là độ dốc và quán tính ảo.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỦA HỆ THỐNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐỒNG BỘ - BỘ LỌC LLCL VỚI GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI FLC ĐƯỢC ĐỀ XUẤT

Cơ sở lý thuyết

Phần 3.1sẽ giới thiệu ngắn gọn về mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ truyền thống Sau đó, quy trình thiết kế bộ lọc LLCL áp dụng trong mô hình đề xuất của Luận văn sẽ được trình bày Cuối cùng là ứng dụng của bộ điều khiển logic mờ để tính toán đáp ứng các tham số quán tính ảo và độ dốc

3.1.1 Máy điện đồng bộ ảo theo mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ

Mô hình đầu tiên của Bộ nghịch lưu đồng bộ được giới thiệu trong [19] với việc lấy phương trình dao động của máy phát đồng bộ là Vòng công suất tác dụng (APL) để điều khiển góc roto “ảo” cùng với bộ điều khiển Vòng công suất phản kháng (RPL) trong [22] để điều chỉnh biên độ điện áp đầu ra và/ hoặc việc phát công suất phản kháng của Bộ nghịch lưu đồng bộ trong điều kiện kết nối với lưới điện yếu Sau đó, hai vòng điều khiển công suất này sẽ giúp Bộ nghịch lưu đồng bộ mô phỏng lại các đặc tính của SG, đặc biệt là đáp ứng quán tính (inertia response) Hơn nữa, khả năng tự đồng bộ của máy điện đồng bộ (SG) sau đó sẽ được triển khai vào Bộ nghịch lưu đồng bộ theo phương pháp điều khiển được công bố trong [28] thông qua việc thay đổi chế độ hoạt động của các vòng điều khiển công suất (APL và RPL) kết hợp với bộ điều khiển PI và trở kháng ảo để mô phỏng đặc tính đồng bộ của SG Tuy nhiên, những hạn chế trong việc không thể tùy ý điều chỉnh các thông số độ dốc và quán tính ảo trong các công trình nghiên cứu [19,28,45], các tác giả trong [21,22,29] đã đề xuất một thêm một khâu đệm dao động tích cực (Active Damping Loop, ADL) vào mô hình điều khiển của Bộ nghịch lưu đồng bộ nhằm cải thiện đáp ứng quá độ Tuy nhiên việc lựa chọn giá trị của hệ số đệm trong khâu này cần được chú ý do ảnh hưởng tính ổn định của Bộ nghịch lưu đồng bộ Mô hình chung của Bộ nghịch lưu đồng bộ được thể hiện trong Hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển của Bộ nghịch lưu đồng bộ (Synchronverter) [19]

Như đã trình bày, phần điều khiển của Bộ nghịch lưu đồng bộ bao gồm hai vòng điều khiển chính là APL kết hợp ADL và RPL được mô tả thông qua các phương trình sau:

Khâu điề u khi ể n công su ấ t tác d ụ ng (APL) k ế t h ợ p v ớ i khâu đệ m tích c ự c (ADL)

Phương trình toán học của khâu APL kết hợp đệm tích cực là:

Hệ số quán tính ảo Jg, mô men cơ ảo Tm, mô men điện Tef của Bộ nghịch lưu đồng bộ, hệ số độ dốc Dp của vòng điều chỉnh công suất tác dụng, hệ số đệm Df của khâu đệm dao động tích cực là các tham số quan trọng ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ thống.

𝜔 𝑔 và 𝜔 𝑔 ∗ lần lượt là tốc độ góc ngõ ra Bộ nghịch lưu đồng bộ và giá trị danh định; và 𝜓 𝑓𝑓 từ thông roto ảo Chỉ số “f” kí hiệu cho các giá trị đã qua bộ lọc thông thấp với hàng số thời gian bộ lọc Tf được xác định theo phương trình

Từ phương trình (2), đáp ứng quá độ về công suất tác dụng cũng như về tần số ngõ ra Bộ nghịch lưu đồng bộ sẽ được cải thiện thông qua điều chỉnh các hệ số như Jg, Dp và Df Tuy nhiên, hệ số đệm Df trong khâu đệm tích cực giúp cải thiện đáp ứng quá độ nhưng ngược lại cũng là nguyên nhân gây mất ổn định hệ thống nếu lựa chọn hệ số đệm không đúng Dẫn đến giải thuật điều khiển đề xuất trong Luận văn sẽ không xét đến thông số này làm biến điều khiển đầu ra

Vòng điề u khi ể n công su ấ t ph ả n kháng (Reactive Power Loop, RPL)

RPL được tạo ra để điều khiển điện áp và cung cấp khả năng phát công suất phản kháng của Bộ nghịch lưu đồng bộ Hơn nữa, các tác giả trong [22] đã chứng minh rằng việc sử dụng RPL giúp khắc phục vấn đề mất ổn định điện áp khi công suất phát của Bộ nghịch lưu đồng bộ vượt quá khả năng truyền tải của lưới (đặc biệt là lưới yếu) Phương trình toán học của RPL được mô tả như sau:

3𝐷 𝑞 (𝑈 𝑡 ∗ − 𝑈 𝑡𝑓 ) (4) trong đó, Qg và Ut lần lượt là công suất phát phản kháng và điện áp đầu cực của

Bộ nghịch lưu đồng bộ; “*” là thể hiện giá trị cài đặt/tham chiếu Các hệ số độ dốc cho công suất phản kháng Dq và tham số tốc độ đáp ứng K của khâu RPL, có thể được chọn theo như trong [19]

Trạng thái hoạt động được xác định bởi các khóa S1 và S2 được mô tả trong [28] Sau đó, chế độ trong đó S1 luôn BẬT (đóng) và S2 BẬT khi nối lưới và TẮT khi vận hành tách lưới sẽ được áp dụng trong Luận văn

Phương trình toán họ c c ủ a B ộ ngh ịch lưu đồ ng b ộ

Các phương trình toán học mô tả Bộ nghịch lưu đồng bộ được dựa trên các phương trình của máy điện đồng bộ một cặp cực không có cuộn đệm ở roto [19] Có ba phương trình chính mô tả các phần cơ khí, công suất phát và suất điện động giúp Bộ nghịch lưu đồng bộ mô phỏng các đặc tính chính của SG được trình bày ở phương trình (5) đến (8):

Sự phát triển của công nghệ khóa bán dẫn như SiC và GaN cho phép chuyển mạch với tần số cao hơn, giúp nâng cao chất lượng điện áp đầu ra của BBT Tuy nhiên, tần số chuyển mạch cao cũng dẫn đến các vấn đề về EMI với bộ lọc truyền thống Bộ lọc LLCL với cuộn cảm bổ sung ở nhánh lọc tụ đã được nghiên cứu để giải quyết vấn đề nhiễu này Bộ lọc LLCL có thể giảm cuộn cảm lưới, kích thước nhỏ hơn và đáp ứng tần số tương tự LCL Tuy nhiên, cần lưu ý đến hiện tượng cộng hưởng của bộ lọc LLCL khi thiết kế.

Hàm truy ề n c ủ a B ộ ngh ịch lưu đồ ng b ộ khi k ế t h ợ p b ộ l ọ c LLCL và LCL

Các tác giả trong [49-51] đã nghiên cứu chi tiết đáp ứng của hệ thống khi sử dụng hai loại bộ lọc là LLCL và LCL Họ phân tích phản ứng của hệ thống thông qua các hàm truyền của đầu vào và đầu ra, cung cấp thông tin sâu sắc về hiệu suất của các bộ lọc trong việc xử lý tín hiệu và giảm nhiễu.

Quy trình và ràng bu ộ c khi thi ế t k ế b ộ l ọ c LLCL

Các ràng buộc của thiết kế bộ lọc LLCL tương tự như LCL và gồm những yêu cầu sau [49-51]:

1) Tổng độ tự cảm của cuộn lọc phía BBT (L1) và phía lưới (L2) phải dưới 10% độ tự cảm cơ bản để giảm yêu cầu về điện áp DC

2) Giá trị của cuộn cảm phía BBT được chọn bởi độ gợn cực đại của dòng điện đầu ra

3) Vì mục đích chính của bộ lọc LLCL là giữ cho tổng độ méo dạng sóng hài dòng điện theo yêu cầu nêu trong IEEE 519-2014 [52] Giới hạn dưới của điện cảm bộ lọc được xác định theo yêu cầu sóng hài dòng điện đưa vào lưới theo IEEE 519-2014 tại Bảng II

4) Giá trị của điện dung bộ lọc có thể lớn để làm suy giảm sóng hài tốt hơn nhưng ngược lại tiêu thụ nhiều công suất phản kháng hơn Do đó, giá trị này phải thấp hơn 5% trở kháng cơ bản của hệ thống, Cf ≤ 5%Cb

5) Tần số cộng hưởng của bộ lọc phải nằm trong khoảng từ mười lần tần số hệ thống để tránh các sóng hài tần số thấp và một nửa tần số chuyển mạch để tránh các vấn đề về cộng hưởng

Quy trình thiết kế bộ lọc LLCL

Theo các yêu cầu trên để BBT hoạt động ổn định, quy trình thiết kế bộ lọc LLCL được đưa ra như sau [49-51]:

Giải thuật điều khiển đề xuất trong Luận văn

Qua tổng quan tài liệu ở Chương 2 và Mục 3.1, quán tính ảo và hệ số độ dốc dường như “dễ dàng” điều chỉnh hơn nhằm cải thiện đáp ứng của Bộ nghịch lưu đồng bộ điển hình trong các nghiên cứu [45-48,17-18] Tuy nhiên, một số hạn chế bao gồm: nghiên cứu chỉ tập trung vào điều chỉnh một thông số [17-18,47-48] trong hệ thống điều khiển Bộ nghịch lưu đồng bộ hoặc cả hệ số quán tính và độ dốc nhưng việc điều chỉnh không bao gồm tất cả trường hợp vận hành của Bộ nghịch lưu đồng bộ [45-46] và tính chất cố định trong việc điều chỉnh các tham số điều khiển [45] Do đó, Luận văn sẽ đề xuất một chiến lược điều khiển dựa trên FLC nhằm tính toán đáp ứng giá trị các đại lượng Jg và Dp bao phủ gần như tất cả các điều kiện hoạt động của

Bộ nghịch lưu đồng bộ, đặc biệt là trong điều kiện vận hành nối lưới, tách lưới, và quá độ giữa các trạng thái Ngoài ra, bộ lọc LLCL được triển khai để giảm sóng hài tại điểm nối lưới chung của Bộ nghịch lưu đồng bộ Các thành phần của Bộ nghịch lưu đồng bộ được tham khảo từ công trình [22] nhằm tạo sự tương quan trong so sánh đánh giá đáp ứng của giải thuật điều khiển được đề xuất Chi tiết sẽ được đưa ra trong các tiểu mục sau

3.2.1 Các tham số và thành phần của mô hình đề xuất

Hình 3.3a thể hiện mô hình vật lý khái quát của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL trong đó Bộ nghịch lưu đồng bộ chính là Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter, VSC) được điều khiển theo phương pháp nhất định, Hình 3.3b thể hiện các sơ đồ khối MATLAB/Simulink của giải thuật điều khiển đề xuất cho hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL trong Luận văn Bộ nghịch lưu đồng bộ kết nối với hệ thống (có thể là thanh cái hạ/trung thế trong Microgrid hoặc trung/cao thế cho trường hợp ứng dụng trong hệ thống điện lớn) qua bộ lọc LLCL với phụ tải địa phương điểm tại kết nối chung (PCC) Thiết bị đóng cắt “CB” giúp tạo mô phỏng quá trình tách lưới và kết lưới vận hành của Bộ nghịch lưu đồng bộ Đồng thời tại điểm kết nối chung có kết nối một bộ mô phỏng sự cố ngắn mạch ba pha với điện trở chạm xấp xỉ 10Ω nhằm khảo sát đáp ứng của Bộ nghịch lưu đồng bộ trong trường hợp sự cố hệ thống khi vận hành độc lập Việc chọn giá trị điện trở chạm sự cố tương đối cao nhằm giảm dòng sự cố đến mức độ vừa phải do Luận văn chỉ tập trung khảo sát đáp ứng của giải thuật điều khiển đề xuất cho hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL ở các kịch bản vận hành khác nhau Chi tiết kết quả mô phỏng đáp ứng sẽ được trình bày trong Mục 4.1

Các tham số được sử dụng cho quy trình thiết kế và mô phỏng giải thuật điều khiển đề xuất cho hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL được thể hiện trong Bảng 3.1 (được tham khảo trong [29])

Hình 3.3a Mô hình minh họa hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL

Hình 3.3b Mô hình mô phỏng MATLAB/Simulink

Bảng 3.1 Các thông số của Bộ nghịch lưu đồng bộ truyền thống

Ký hiệu Đại lượng Thống số

Sb Công suất định mức/cơ bản 1.6 MVA

Vb Điện áp dây định mức 6.6 kV f Tần số định mức 60 Hz ωb Tốc độ góc định mức 377 rad/s fsw Tần số đóng ngắt/chuyển mạch 12 kHz

Ts Thời gian lấy mẫu 833.33 ns

VDC Điện áp DC 13 kV

Hệ số đệm tích cực 1.13 Vs 2 /rad Độ dốc cho khâu điều chỉnh công suất phản kháng

Hệ số khâu tích phân của RPL 27980 VAR.rad/V Hằng số thời gian bộ lọc thông thấp 0.01 s

3.2.2 Điều khiển đáp ứng giá trị quán tính ảo và độ dốc áp dụng FLC

Bộ nghịch lưu đồng bộ với các tham số quán tính và độ dốc cố định sẽ hạn chế tính linh hoạt trong các điều kiện vận hành khác nhau Bộ điều khiển có thể thay đổi các giá trị quán tính ảo và độ dốc dựa trên điều kiện động của hệ thống có thể cải thiện đáp ứng quá độ của Bộ nghịch lưu đồng bộ và hệ thống mà Bộ nghịch lưu kết nối (hệ thống điện lớn hoặc lưới điện siêu nhỏ) Do đó, FLC được đề xuất và sử dụng để hiệu chỉnh các tham số quán tính và độ dốc nhằm cải thiện đáp ứng tần số trong các sự kiện gây mất cân bằng công suất hệ thống

Hệ mờ được đề xuất bao gồm bộ mờ hóa, công cụ suy luận, luật hợp thành và giải mờ, như trong Hình 3.4 Các giá trị đã được chuẩn hóa của độ lệch tần số (error,

|Δf|) và tốc độ thay đổi độ lệch tần số (change_of_error, │dΔf /dt│) được sử dụng cho đầu vào của hệ mờ Đầu ra là các giá trị của hệ số quán tính ảo (Jg) và độ dốc (Dp) Pha mờ hóa được sử dụng để chuyển đổi các đầu vào thực tế thành các giá trị mờ thông qua các hệ số tỷ lệ Sau đó, thông qua Công cụ suy luận mờ với Luật hợp thành và khâu Giải mờ, các giá trị đầu ra thích ứng của Jg và Dp được xác định cho các tình huống vận hành khác nhau Hơn nữa, đáp ứng của hệ thống dựa trên FLC có thể được cải thiện bằng cách thay đổi tổ hợp của các hàm thành phần hoặc luật hợp thành, điều này về cơ bản phụ thuộc vào kiến thức chuyên môn và/hoặc kinh nghiệm của người thiết kế hệ thống

Hình 3.4 Hệ thống mờ được đề xuất

Dựa trên quy luật tính toán các đại lượng quán tính ảo và độ dốc được công bố trong [45] cùng với kinh nghiệm tích lũy được qua thực hành mô phỏng, giải thuật điều khiển đề xuất sử dụng các hàm thành viên bậc thang với năm thuộc tính của đầu vào là: âm lớn (NB), âm nhỏ (NS), không (Z), dương nhỏ (PS), dương lớn (PB) Các hàm thành phần của đầu ra triển khai hàm Gaussian loại II được định nghĩa là: thấp (l), trung bình (m) và cao (h) Hình 3.5a-3.5e lần lượt thể hiện các hàm thành phần của đầu vào, đầu ra và luật hợp thành của công cụ suy luận mờ được sử dụng trong giải thuật đề xuất

Hình 3.5a Hàm thành phần của biến đầu vào “tốc độ thay đổi độ lệch tần số” trong bộ FLC

Hình 3.5b Hàm thành phần của biến đầu vào “độ lệch tần số” trong bộ FLC

Hình 3.5c Hàm thành phần của biến đầu ra “hệ số độ dốc ảo” trong bộ FLC

Hình 3.5d Hàm thành phần của biến đầu ra “hệ số quán tính ảo” trong bộ FLC

Hình 3.5 FLC đề xuất với các hàm thành phần của đầu vào, đầu ra và luật hợp thành Hình 3.5e Luật hợp thành của khâu điều khiển mờ trong hệ thống đề xuất

3.2.3 Các tham số thiết kế bộ lọc LLCL và so sánh với bộ lọc LCL cho ứng dụng trong Bộ nghịch lưu đồng bộ

Theo quy trình thiết kế và các ràng buộc trong Mục 3.1 Các tham số bộ lọc LLCL và LCL thu được theo các bước sau:

1) Thông số hệ thống được quy định trong Bảng 3.1 Do đó, trở kháng cơ bản

Dựa trên giá trị điện trở cơ bản Zb = 43,56 Ω, điện dung cơ bản Cb = 60,9 μF và độ tự cảm cơ bản Lb = 115,5 mH, liên hệ với ràng buộc gợn dòng điện ngõ ra của bộ biến tần BBT, có thể thiết kế được cuộn cảm L1 bằng cách tính toán theo công thức (11), cho phép đạt được gợn dòng điện khoảng 30%.

2) Xem xét tần số chuyển mạch 12 kHz, giá trị tụ điện được thiết kế là 2.14 μF để đáp ứng giới hạn về công suất phản kháng 5%

3) Đối với nhánh cộng hưởng Lf-Cf, Lf có thể được chọn dựa trên Cf đã chọn và tần số chuyển mạch Sau đó, nó được tính là 82.2 μH

4) Giá trị cuộn cảm phía lưới (L2) có thể được xác định theo tiêu chuẩn sóng hài dòng điện bơm vào lưới Từ (13), L2 được chọn là 0.32 mH

5) Kiểm tra tổng điện cảm và tần số cộng hưởng của nhánh Lf-Cf nằm trong khoảng từ 10fb đến fsw/2

6) Với giá trị hệ số chất lượng của nhánh Lf-Cf, Q, là 40, có thể tính được điện trở đệm Rd Từ (12), Rd được chọn là 0.3 Ω

Quy trình thiết kế cho bộ lọc LCL tương tự như LLCL chỉ khác ở hàm Bessel tính toán điện cảm phía lưới, chi tiết có thể xem tại [49-51] Sau đó, các tham số cho bộ lọc LLCL và LCL được thể hiện trong Bảng 3.2 với một số nhận xét như sau:

• Điện cảm phía lưới của bộ lọc LLCL giảm đáng kể so với bộ lọc LCL, do đó làm cho tổng giá thành và khối lượng của bộ lọc LLCL nhỏ hơn nhiều so với bộ lọc LCL nhưng vẫn giữ được khả năng hạn chế sóng hài

• Điện trở đệm trong nhánh cộng hưởng của bộ lọc LLCL nhỏ hơn nhiều so với LCL, giúp giảm tổn thất công suất bên trong bộ lọc

• Hơn nữa, với điện cảm bổ sung, bộ lọc LLCL thể hiện hiệu suất tốt hơn trong việc hạn chế sóng hài, đặc biệt với sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch

Hình 3.6 thể hiện đồ thị Bode của các hàm truyền của bộ lọc LCL (đường gạch ngang màu xanh) và LLCL (đường liền màu đỏ) với các tham số lấy từ Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng trong Chương 4 sẽ kiểm chứng hiệu suất lọc sóng hài cao hơn của bộ lộc

LLCL so với LCL cho ứng dụng vào Bộ nghịch lưu đồng bộ trong Luận văn

Hình 3.6 Biểu đồ Bode của bộ lọc LLCL và LCL được thiết kế

Bảng 3.2 Thông số bộ lọc

Ký hiệu Thông số Giá trị

Bộ lọc LLCL Bộ lọc LCL

L1 Điện cảm phía BBT (mH) 3.6 3.6

L2 Điện cảm phía lưới (mH) 0.32 0.64

Cf Điện dung nhỏnh cộng hưởng (àF) 2.14 2.14

Lf Điện cảm nhỏnh cộng hưởng (àH) 82 -

3.2.4 Sơ đồ khối điều khiển của giải thuật điều khiển đề xuất cho hệ thống

Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL sử dụng trong mô phỏng

Sau khi thiết kế bộ điều khiển logic mờ và bộ lọc LLCL cho mô hình đề xuất Mô hình mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink với sơ đồ khối điều khiển của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL đề xuất được thể hiện trong Hình

Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất

ĐÁNH GIÁ ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐỒNG BỘ - BỘ LỌC LLCL VỚI GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT

MÔ PHỎNG TRONG TRƯỜNG HỢP VẬN HÀNH TÁCH LƯỚI CỦA HỆ THỐNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐỒNG BỘ - BỘ LỌC LLCL VỚI GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT

THỐNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐỒNG BỘ - BỘ LỌC LLCL VỚI GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT

Thời gian mô phỏng chế độ tách lưới là 0,8s đến 3,2s, bắt đầu từ trạng thái vận hành kết lưới của bộ nghịch lưu đồng bộ Trong chế độ tách lưới, kịch bản mô phỏng bao gồm sự cố ba pha ở đầu cực tại thời điểm t = 1,8s trong 200ms Sau đó, phụ tải địa phương tăng 30% so với công suất định mức tại thời điểm 2,4s và 2,8s.

Bảng 4.1 Các thông số mô phỏng khi vận hành ở chế độ tách lưới

Ký hiệu Thông số Giá trị ΔP load Mức tăng công suất tác dụng của phụ tải địa phương 300kW ΔQ load Mức tăng công suất phản kháng của phụ tải địa phương 90kVAR

Hình 4.1a Đáp ứng vận tốc góc của Bộ nghịch lưu đồng bộ

Hình 4.1b Công suất tác dụng của Bộ nghịch lưu đồng bộ tại PCC

Hình 4.1c Thông số độ dốc và quán tính ảo đầu ra của khâu FLC

Hình 4.1 Đáp ứng tần số, công suất tác dụng và các tham số điều khiển Độ dốc-

Quán tính ảo của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất khi vận hành tách lưới

Hình 4.1a-4.1b hiển thị đáp ứng tần số và công suất phát tác dụng giữa hệ thống

Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất và mô hình

Bộ nghịch lưu đồng bộ truyền thống trong chế độ tách lưới (từ 0.8 giây đến 3.2 giây) để so sánh Trong khi đó, Hình 4.1c lần lượt thể hiện các giá trị thích ứng của các tham số độ dốc và quán tính ảo thu được thông qua FLC được triển khai trong hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất

Như thể hiện trong Hình 4.1b, các khả năng cung cấp đáp ứng quán tính, tự đồng bộ và đáp ứng tần số-công suất tác dụng (P-f) của SG được thực hiện hoàn toàn bởi

Bộ nghịch lưu đồng bộ Toàn bộ thời gian vận hành ở chế độ tách lưới ổn định với việc phát điện liên tục lên lưới địa phương với các kịch bản nhu cầu phụ tải thay đổi và sự cố ba pha Hơn nữa, đáp ứng công suất tác dụng của mô hình được đề xuất và truyền thống là tương tự nhau khi được trang bị bộ lọc LLCL hoặc LCL Do đó, loại bộ lọc không đóng vai trò chính trong đáp ứng công suất tác dụng của Bộ nghịch lưu đồng bộ (giả sử rằng tổn thất công suất tác dụng trong bộ lọc là không đáng kể và sẽ không được xem xét)

Ngược lại, Hình 4.1a phản ánh chênh lệch đáng kể về đáp ứng tần số của mô hình đề xuất so với dạng truyền thống Cụ thể, mô hình đề xuất ổn định trạng thái đáp ứng sau khoảng 0,25 giây sau khi tách lưới, với biên độ dao động rất nhỏ (tối đa 1% giá trị định mức tần số) rồi nhanh chóng suy giảm (đường nét liền màu đen trên Hình 4.1a) Trong khi đó, mô hình truyền thống mất gấp ba thời gian để ổn định, biên độ dao động cao hơn (khoảng 5% giá trị định mức) và tắt dần chậm hơn sau 0,75 giây (đường gạch ngang màu đỏ và xanh lam trên Hình 4.1a).

Thứ nhất, áp dụng FLC trong hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL giúp có được các giá trị thích ứng của các tham số quán tính và độ dốc trong các tình huống vận hành khác nhau như trong Hình 4.1c, đặc biệt là trong các giai đoạn quá độ khi tách lưới và nối lưới trở lại

Thứ hai, mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ truyền thống [28,21-22] yêu cầu nhiều tham số điều khiển để có được đáp ứng tần số “mượt” trong quá trình chuyển đổi giữa các chế độ tách và nối lưới Ví dụ, trở kháng ảo “Virtual Impedance” cùng với các hệ số của bộ điều khiển PI trong mô hình truyền thống cần được xác định thông qua phương pháp “thử và sai” để duy trì khả năng tự đồng bộ với đáp ứng tần số “mượt” [28,21-22] Ngược lại, điều này là không cần thiết đối với mô hình đề xuất, đặc biệt khâu điều khiển PI [28] cần có trong mô hình truyền thống để vận hành nối lưới đã được loại bỏ trong hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật đề xuất trong Luận văn thông qua việc triển khai FLC thích ứng, và sẽ chỉ cần sử dụng giá trị bất kỳ và cố định của trở kháng ảo

Hình 4.2c Giá trị THDi ứng với điều kiện tăng tải địa phương của mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LLCL

Hình 4.2a Giá trị THDi ứng với sự cố 3 pha tại đầu cực Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LLCL

Hình 4.2b Giá trị THDi ứng với sự cố 3 pha tại đầu cực Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LCL

Hình 4.2d Giá trị THDi ứng với điều kiện tăng tải địa phương của mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LCL

Hình 4.2e Giá trị THDv ứng với điều kiện tăng tải địa phương của mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LLCL

Hình 4.2f Giá trị THDv ứng với điều kiện tăng tải địa phương của mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LCL

Hình 4.2 Các giá trị THD của dòng điện và điện áp đầu ra của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL và LCL với giải thuật điều khiển đề xuất trong chế độ tách lưới

Hình 4.2a-4.2d thể hiện các giá trị THD của dòng điện đầu ra (THDi) giữa mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ dựa trên bộ lọc LLCL và LCL ứng với kịch bản sự cố 3 pha (Hình 4.2a-4.2b) và tăng tải địa phương (Hình 4.2c-4.2d) Hình 4.2e-4.2f thể hiện giá trị THD của điện áp đầu cực (THDv) ứng với phụ tải cao Từ Hình 4.2a-4.2d, các giá trị THDi của Bộ nghịch lưu đồng bộ dựa trên bộ lọc LLCL thấp gần bằng một nửa so với của mô hình dựa trên LCL Điều tương tự cũng xảy ra với các giá trị THDv như trong Hình 4.2e-4.2f trong chế độ tách lưới

Ngoài ra, khả năng giới hạn sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch của bộ lọc LLCL cũng được kiêm chứng Độ lớn của sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch sử dụng bộ lọc LLCL chỉ 0.04% so với tần số cơ bản, như trong Hình 4.2e Trong khi ở Hình 4.2f với mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ dựa trên LCL, biên độ sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch là 0.85% cơ bản Những kết quả này đã cho thấy khả năng vượt trội về giới hạn sóng hài của bộ lọc LLCL so với LCL trong hoạt động ở chế độ tách lưới của Bộ nghịch lưu đồng bộ

MÔ PHỎNG TRONG VẬN HÀNH NỐI LƯỚI

Thời gian mô phỏng cho hoạt động ở chế độ kết lưới là từ 3.2 giây đến 5 giây sau khi vận hành ở chế độ tách lưới Trong điều kiện nối lưới, giá trị đặt công suất tác dụng được tăng lên 90% công suất định mức tại 3.6 giây, sau đó sự kiện tần số xảy ra ở 4 giây và kéo dài trong 0.5 giây với giá trị giảm 0.6 Hz

Các thông số mô phỏng giữ nguyên như trong phần trước

Hình 4.3a Đáp ứng vận tốc góc của Bộ nghịch lưu đồng bộ

Hình 4.3b Công suất tác dụng của Bộ nghịch lưu đồng bộ tại PCC

Hình 4.3 Đáp ứng tần số, công suất tác dụng và thông số điều khiển (Droop-Inertia) của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất khi vận hành hòa lưới

Hình 4.3a-4.3b thể hiện đáp ứng tần số và công suất tác dụng giữa mô hình đề xuất và mô hình truyền thống trong các trường hợp vận hành khác nhau khi kết lưới

Do bộ nghịch lưu đồng bộ hiện nối lưới nên phụ tải cục bộ sẽ được hệ thống cung cấp Bộ nghịch lưu đồng bộ hoạt động theo cài đặt sẵn và hỗ trợ lưới khi xảy ra sự cố Công suất tác dụng của hệ thống được minh họa trong Hình 4.3b.

Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất và truyền thống đáp ứng theo giá trị đặt trong vòng 0.4 giây và không xảy ra hiện tượng vọt lố

Do Luật hợp thành của FLC được áp dụng trong mô hình đề xuất, tuy có sự thay đổi nhưng nhỏ trong giá trị quán tính và hệ số độ dốc dẫn đến đáp ứng tần số và công suất tác dụng của các mô hình gần như giống nhau, như trong Hình 4.3b-4.3c Hơn nữa, mô phỏng khả năng đáp ứng quán tính của SG đã được thực hiện thành công thông qua Bộ nghịch lưu đồng bộ, đặc biệt là trong việc hỗ trợ lưới điện trong các kịch bản sự cố, như suy giảm tần số thể hiện ở Hình 4.3a-4.3b Như thể hiện trong

Hình 4.3a, tần số hệ thống giảm 0.6Hz đã tạo ra đáp ứng thay đổi công suất tác dụng ngay lập tức để hỗ trợ lưới điện trong điều kiện sự cố

Hình 4.3c Thông số độ dốc và quán tính ảo đầu ra của khâu FLC

Hình 4.4a Giá trị THDi ứng với sự gia tăng công suất đặt của Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LLCL

Hình 4.4b Giá trị THDi ứng sự gia tăng công suất đặt của Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LCL

Hình 4.4 Các giá trị THD của dòng điện và điện áp đầu ra của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL và LCL với giải thuật đề xuất trong chế độ nối lưới

Hình 4.4a-4.4d thể hiện các giá trị THDi của Bộ nghịch lưu đồng bộ dựa trên bộ lọc LLCL và LCL dưới sự thay đổi của công suất tác dụng Theo kết quả thu được, có thể thấy THDi của bộ lọc LLCL luôn nhỏ hơn bộ lọc LCL.

4.4b) và sự cố tần số lưới (Hình 4.4c-4.4d) Từ Hình 4.4a-4.4d, các giá trị THDi của

Bộ nghịch lưu đồng bộ dựa trên LLCL nhỏ hơn so với mô hình dựa trên LCL Đồng thời khả năng giới hạn sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch của bộ lọc LLCL vẫn được đảm bảo khi độ lớn của sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch chỉ 0.1% hài cơ bản, như trong Hình 4.4a Trong khi ở Hình 4.4b với Bộ nghịch lưu đồng bộ

Hình 4.4c Giá trị THDi ứng với sự cố suy giảm tần số hệ thống của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ sử dụng bộ lọc LLCL

Hình 4.4d Giá trị THDi ứng với sự cố suy giảm tần số hệ thống của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LCL áp dụng bộ lọc LCL, cường độ sóng hài xung quanh tần số chuyển mạch là 1.2% hài cơ bản Các kết quả trình bày ở mục 4.1 và 4.2 đã kiểm chứng khả năng vượt trội về giới hạn sóng hài của bộ lọc LLCL so với LCL trong vận hành tách lưới và nối lưới với các kịch bản khác nhau cho các mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ truyền thống và hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất Ngoài ra, ứng dụng bộ lọc LLCL cho Bộ nghịch lưu đồng bộ được đề xuất trong Luận văn đã hoàn thành mục tiêu không chỉ trong việc giảm các giá trị THD mà vẫn đảm bảo khả năng mô phỏng các đặc tính máy điện đồng bộ của Bộ nghịch lưu đồng bộ.