Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Điều khiển và Tự động hóa: Các phương pháp điều khiển thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở chế độ ốc đảo

Do đó, luận án tiếp tục giải quyết vấn đề điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện SCESS nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống biến đổi điện năng gồm 2 bộ biến đổi DC-DC và DC-AC là

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM TUẤN ANH

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ KHO ĐIỆN

SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ ỐC ĐẢO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 62520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TSKH Nguyễn Phùng Quang

Hà Nội – 2015

Công trình này được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

Điện năng giữ một vai trò then chốt trong phát triển kinh tế xã hội Nhưng hơn 1,3 tỷ người trên thế giới vẫn chưa được tiếp cận với điện [38, 54] ở những khu vực xa xôi như các hải đảo, vùng núi cao, vùng băng tuyết - những nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới Hệ thống điện

ở những khu vực đó tạm gọi tên là hệ thống điện ốc đảo hay Remote Area Power Systems (RAPS)

Nguồn điện trong RAPS sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải nhỏ và vừa, lưới điện

có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính

chất lưới cứng Các nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng

lượng tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện ốc đảo Hệ thống điện ốc đảo thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [17, 61]

Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao Trong hệ thống PĐSG, công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90] Khi một hệ thống PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định

trong Grid-Codes, lưới điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả

lượng công suất phát vào Với hệ thống điện ốc đảo, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền tải là hữu hạn Hệ thống điện ốc đảo mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải

Để đảm bảo nguyên tắc cân bằng cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải Khi điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện ốc đảo có hai khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel Với hệ thống PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố gió tự nhiên Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn chủ động ra theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát Khi nguồn phát sức gió được huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp Trong khi đó ở RAPS, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel Chính hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết

bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống điện ốc đảo cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (tần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC như Bảng 1.4 Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp

thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua đó làm làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của

các hệ thống PĐSG Siêu tụ có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác

trong những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS –

Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng (tầng công

suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng [12, 14, 21, 27, 29, 49, 61,

64, 90] Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến

Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, tham số của hệ thay đổi Vì vậy, trong luận án này, tác giả thực hiện phân tích các chế

độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng Các phương pháp điều khiển tuyến tính có thể làm suy giảm chất lượng động học của hệ thống khi điểm làm việc thay đổi và thực sự chưa phù hợp với bản chất phi tuyến của mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ Do đó, luận án tiếp tục giải quyết vấn đề điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện SCESS nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống biến đổi điện năng gồm 2 bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm cơ sở để hoàn thành mục tiêu ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG, đảm bảo chất lượng tần số lưới

Đối tượng nghiên cứu:

Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều, bộ biến đổi DC-AC hai chiều

Mục đích nghiên cứu:

 Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho điện sử dụng siêu tụ

để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel

 Chỉ ra mối tương quan giữa công suất của hệ PĐSG với SCESS, xác định các thông số kỹ thuật của SCESS đối với các mức độ yêu cầu công suất theo profile gió cụ thể đối với hệ PĐSG

 Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện được đề xuất thông qua những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu trên lý thuyết các thuật toán điều khiển thiết bị kho điện đảm bảo tính ổn định, chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel

 Tổng hợp hệ thống bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả nghiên cứu thuật toán điều khiển trên lý thuyết

 Kiểm chứng khả năng làm việc của các cấu trúc điều khiển đề xuất cho SCESS trên công cụ

mô phỏng thời gian thực dSPACE-DS1104 và trên mô hình thí nghiệm SCESS trao đổi công suất hai chiều với lưới điện xoay chiều ba pha

o Thiết bị kho điện chỉ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất từng turbine PĐSG riêng

rẽ (bù phân tán); không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải đỉnh, vấn đề gián đoạn tạm thời của nguồn phát (không hỗ trợ chức năng UPS); công suất phản kháng do nhà quản trị hệ thống quy định trong Grid-Codes

o Luận án chỉ tập trung vấn đề điều khiển SCESS – điều khiển cấp thiết bị không giải quyết bài toán điều khiển mang đặc điểm “điều độ” toàn bộ hệ thống điện ốc đảo

Ý nghĩa của đề tài:

Sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phát điện sức gió trên thế giới cũng như tại trường ĐHBK

Hà Nội (xem PHỤ LỤC C) trong những năm gần đây trên cả phương diện nghiên cứu lẫn ứng dụng nhưng đa số tập trung vào những hệ thống PĐSG hòa lưới quốc gia Với đặc điểm giàu tài nguyên gió, đặc biệt là các khu vực hải đảo, Việt Nam gần đây đã nghiên cứu, triển khai một số dự án phát điện sức gió tại một số hải đảo Phú Quý, Côn Đảo, Bạch Long Vĩ,… nhưng chưa thể đi vào vận hành khai thác hiệu quả do kiến trúc tổng thể của hệ thống điện trên những khu vực đó không đảm bảo sự

ổn định và chất lượng điện năng khi được tích hợp các turbine PĐSG, rất cần phải có giải pháp kỹ thuật để giải quyết vấn đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng biến động công suất đầu ra của turbine PĐSG đến hệ thống điện ốc đảo trong khi chưa có một công trình nghiên cứu nào tại Việt Nam về vấn đề thiết bị kho điện cho hệ thống PĐSG hoạt động trong hệ thống điện ốc đảo

Luận án đặt ra mục tiêu thiết kế cấu trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho điện nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của turbine PĐSG, qua đó đảm bảo chất điện năng trong

hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel

Với những tiền đề như vậy luận án hứa hẹn đem lại những ý nghĩa tích cực cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn:

 Ý nghĩa khoa học: Chỉ ra khả năng ổn định công suất đầu ra của mỗi turbine PĐSG bằng thiết

bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển thích hợp sẽ nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel

 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp thiết bị kho điện phù hợp với một số lưới điệc ốc đảo nói riêng và hệ thống điện vi lưới cô lập nói chung tại Việt Nam để nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch so với lưới điện truyền thống (chưa tích hợp kho điện)

Những kết quả mới của luận án:

- Xây dựng mô hình động học hợp nhất hai chế độ trao đổi năng lượng của bộ biến đổi DC-DC

hai chiều không cách ly mang đặc điểm phi tuyến phù hợp với mục tiêu thiết kế điều khiển kho điện sử dụng siêu tụ

- Đề xuất cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ có tích hợp thuật toán toán điều

khiển phi tuyến cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly đảm bảo kiểm soát độc lập các thành phần công suất tác dụng, công suất phản kháng với động học phù hợp với những biến động công suất đầu ra của turbine PĐSG có đầu ra là điện xoay chiều ba pha

- Chứng minh tính khả thi của thuật toán điều khiển thiết bị kho điện được đề xuất nhằm ổn

định ngắn hạn công suất đầu ra của hệ thống PĐSG với giải pháp bù phân tán bằng các bằng các kết quả mô phỏng offline

- Kiểm chứng cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện được đề xuất trong luận án bằng các kết quả

mô phỏng thời gian thực trên nền tảng DSP dSPACE DS1104 và trên mô hình thí nghiệm SCESS

Bố cục luận án gồm 5 chương chính như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN giới thiệu cấu trúc hệ thống điện hải đảo Vấn đề phân cấp điều khiển

trong hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp được nghiên cứu khái quát để định hướng rõ ràng về các yêu cầu điều khiển đối với thiết bị kho điện hỗ trợ ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG Tác giả cũng phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

Chương 2 CÁC NGUỒN PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỐC ĐẢO trình bày về hệ thống

điện ốc đảo sử dụng nguồn phát hỗn hợp giữa gió và diesel Hệ thống phát điện sức gió và hệ thống phát điện diesel sẽ được phân tích những điểm cốt lõi về nguyên tắc làm việc, các cấu trúc cơ bản và các vấn đề điều khiển

Chương 3 MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ trình bày về mô hình toán của

siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly và nghịch lưu nguồn áp DC-AC Các mô hình toán học được xây dựng trên cở sở phân tích các trạng thái làm việc của các bộ biến đổi để thiết lập các mối quan hệ về điện giữa các biến trạng thái, biến điều khiển, biến đầu ra sẽ được trình bày chi tiết

Chương 4 CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN trình bày về cấu trúc điều khiển tổng thể của SCESS và

cấu trúc điều khiển chi tiết của các bộ biến đổi DC-AC và DC-DC

Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM thể hiện những kết quả kiểm chứng cho

các cấu trúc điều khiển đã đã đề xuất Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink/SimPowerSystems, mô phỏng thời gian thực trên dSPACE DS1104 và mô hình thí nghiệm SCESS chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của những giải pháp được đề xuất KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo

1 TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm về hệ thống điện ốc đảo

Hệ thống điện ốc đảo (RAPS) là một hệ thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm

ở những khu vực xa xôi – nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được Đối với RAPS truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm phát sử dụng năng lượng từ dầu diesel (gọi là tổ hợp phát điện diesel – DG) Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các turbine phát điện sức gió được tích hợp thêm vào RAPS với mục tiêu giảm tiêu hao nhiên liệu hóa thạch Khi

đó, RAPS trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa trên Hình 1.1 RAPS không bao giờ trao đổi năng lượng với lưới điện chính, tự chịu trách nhiệm về cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ tiêu chất lượng điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép Các nguồn phát trong RAPS và Microgrids bao gồm cả nguồn phát có khả năng điều

độ là những trạm phát điện diesel và những nguồn phát biến động thất thường từ turbine gió Do đó,

để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, RAPS và Microgrids thường được tích hợp thêm thiết

bị tích trữ năng lượng tạm gọi tắt là kho điện (Energy Storage Systems – ESS) Thiết bị kho điện có

thể được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung)

Lưới truyền tải

Governor AVR

DIESEL ENGINE SGGovernor AVR

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TRẠM PHÁT DIESEL

ESS

Thiết bị kho điện tập trung

HT đo lường và điều khiển turbine PĐSG1

HT đo lường và điều khiển turbine PĐSG2

HT đo lường và điều khiển turbine PĐSGn

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN LƯỚI SỬ DỤNG

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN WIND PARK

HT SCADA TOÀN BỘ LƯỚI ĐIỆN ỐC ĐẢO

Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel

1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng

RAPS phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng trên cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ

hệ thống điện nào: Công suất nguồn phát phải cân bằng với tải tiêu thụ

Trong hệ thống điện ốc đảo, công suất phản kháng được đáp ứng bởi nguồn phát diesel, các bộ tụ

bù, kháng điện, các bộ SVC, STATCOM được tích hợp một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng điện

áp [7, 8, 116, 119]

Đối với vấn đề ổn định công suất tác dụng: RAPS mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất

nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải Ở RAPS, tần số lưới tỷ lệ trực tiếp với tốc độ của động cơ sơ cấp diesel Trong trường hợp mất cân bằng công suất tác dụng, bộ điều tốc tác động điều chỉnh công suất cơ của động cơ diesel để đưa tần số trở lại giá trị định mức trong

khoảng thời gian cho phép từ 10-15 giây gọi là tác động điều chỉnh sơ cấp (Primary load frequency

control)[61, 62, 68] Tuy nhiên, tác động điều chỉnh của bộ điều tốc thường chậm hơn so với những

biến động nhanh của nguồn PĐSG làm cho trạng thái cân bằng trong hệ thống không được đảm bảo Giải pháp điều độ các nguồn phát sức gió là không khả thi, thay vào đó người ta sử dụng giải pháp

“vá – patch” những biến động của công suất tác dụng đầu ra hệ PĐSG bằng thiết bị kho điện Kho

điện sẽ hấp thụ công suất khi nguồn sơ cấp dư thừa và giải phóng công suất khi nguồn sơ cấp thiếu

hụt Khả năng “vá” những khoảng lồi lõm đến đâu, trong thời gian bao lâu phụ thuộc vào mục tiêu

điều độ cấp trên như: Ổn định ngắn hạn, ổn định theo đặc điểm phụ tải, ổn định theo mùa…

1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo

Như đã thể hiện trên Hình 1.1, nguồn phát trong hệ thống điện ốc đảo chia làm 2 loại: Nguồn phát kết nối trực tiếp với AC-bus (các tổ hợp DGs) và nguồn phát kết nối với AC-bus thông qua các bộ biến đổi công suất (nguồn phát sức gió, thiết bị kho điện) Vấn đề điều khiển trong RAPS được chia

thành hai cấp: Cấp hệ thống (system-level controls) và cấp thiết bị (component-level controls)[57, 58,

62] Mỗi nguồn phát phải đáp ứng những yêu cầu điều khiển khác nhau trong cấu trúc điều khiển tổng thể của hệ thống điện hải đảo

1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới

1.4.1 Khái quát về một số loại kho năng lượng

Tùy theo ứng dụng mà kho cần phải đáp ứng về công suất cũng như thời gian giải phóng năng lượng phù hợp như: Ứng dụng quản lý năng lượng yêu cầu ESS phải có dung lượng lớn, thời gian giải phóng có thể kéo dài hàng giờ; Ứng dụng chuyển nguồn yêu cầu dung lượng thấp hơn, thời gian giải phóng năng lượng có thể kéo dài cỡ vài phút; Ứng dụng đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy đòi hỏi ESS phải có khả năng giải phóng nhanh (cỡ mili giây)

Các công nghệ tích trữ năng lượng cần thiết phải có một hệ thống biến đổi năng lượng để có thể trao đổi công suất với lưới điện Siêu tụ có khả năng tích lũy trực tiếp năng lượng ở dạng điện năng

DC với một số ưu điểm vượt trội như: Điện dung lớn với kích thước nhỏ gọn (có thể đến hàng nghìn Farad); Động học nhanh: thời gian xả nạp năng lượng cực nhanh với công suất lớn; Mật độ năng lượng lớn hơn nhiều so với tụ thường, acqui; Hiệu năng cao, tần số xả nạp lớn, có thể xả kiệt mà không bị ảnh hưởng đến tuổi thọ, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thân thiện với môi trường

1.4.2 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện

Trong hệ thống điện hải đảo phân chia thành nhiều cấp điều khiển, các nguồn phát có vai trò khác nhau trong hệ thống sẽ phải đáp ứng các yêu cầu về điều khiển khác nhau Đối với RAPS nguồn phát hỗn hợp gió – diesel có tích hợp thiết bị kho điện:

- Nguồn phát diesel đóng vai trò thiết lập lưới cơ sở

- Hệ PĐSG được điều khiển cấp năng lượng lên lưới

- Kho điện đóng vai trò là một thiết bị phụ trợ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của hệ PĐSG tránh lây lan các biến động công suất có thể dẫn tới nguy cơ mất

ổn định hệ thống

Thiết bị kho điện được đặc trưng bởi hai yếu tố: Dung lượng thiết kế và cấu trúc điều khiển hệ thống biến đổi năng lượng Hệ thống biến đổi năng lượng biến đổi dạng năng lượng tích trữ thành điện năng phù hợp với phương án tích hợp kho điện (phân tán hay tập trung) và phụ thuộc cấu trúc của RAPS (AC-tập trung hay DC-tập trung) sẽ dẫn tới những yêu cầu về điều khiển khác nhau

 Phương án bù tập trung, dung lượng kho điện đòi hỏi lớn, tỷ lệ với dung lượng của toàn hệ

thống điện Vấn đề điều khiển kho điện bù tập trung sẽ dựa trên thông tin về các đại lượng

và thông số của lưới điện với những rằng buộc chặt chẽ của vấn đề điều độ - điều khiển cấp

hệ thống (như đã giới thiệu ở mục 1.3.1)

 Phương án bù phân tán, thiết bị kho điện chỉ hỗ trợ các turbine PĐSG riêng lẻ, sử dụng

thông tin về công suất đầu ra của từng turbine PĐSG để thực hiện chức năng cấp năng lượng lên lưới (như đã giới thiệu ở mục 1.3.2) nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra

Khả năng tích hợp SCESS vào hệ thống PĐSG cũng đem lại hai sự lựa chọn:

 SCESS kết nối vào mạch một chiều trung gian của các tầng biến đổi điện năng của hệ thống

PĐSG gọi là DC-coupled

 SCESS kết nối vào đầu ra xoay chiều của hệ thống PĐSG gọi là AC-coupled

Thiết bị kho điện đóng vai trò là một hệ thống phụ trợ, một chức năng mở rộng của hệ thống phát điện sức gió Kho điện được điều khiển nạp/xả một cách hợp lý để hỗ trợ ổn định công suất đầu ra của turbine PĐSG, bản thân turbine PĐSG lại hoạt động tuân theo những quy định của nhà quản trị

hệ thống điện được định nghĩa trong Grid-Codes

Điều khiển quá trình trao đổi năng lượng giữa kho điện với lưới bản chất là quá trình điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất DC-DC và DC-AC Nếu phân loại chiều dòng năng lượng trao đổi

của kho điện thì có hai phương pháp điều khiển: Điều khiển hai chế độ độc lập ([72, 113] đối với phương án DC-coupled và [42, 65, 83] đối với phương án AC-coupled) hoặc điều khiển hợp nhất

([40, 41, 80-82, 94] đối với phương án DC-coupled và [11, 69-71, 99, 100] đối với phương án coupled) Điểm hạn chế của phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập là luôn đòi hỏi một khóa chuyển chế độ Điều này không những làm suy giảm chất lượng động học mà còn tiểm ẩn những nguy cơ gây mất ổn định hệ thống khi yêu cầu chuyển trạng thái nạp/xả xảy ra với tần số cao hoặc trạng thái nạp/xả không thực sự rõ ràng So với phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập, phương pháp điều khiển hợp nhất hai chế độ đem lại độ tin cậy về điều khiển cao hơn do số lượng các bộ điều khiển giảm đi, không tồn tại khóa chuyển giữa các cấu trúc điều khiển

AC-Sản phẩm thương mại trên thị trường: Trong quá trình thực hiện luận án này, tác giả mới chỉ thấy

sự hiện diện của thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ của công ty M&P CHLB Đức

1.5 Lựa chọn hướng nghiên cứu

Bài toán thiết kế cấu trúc hệ thống điện hải đảo không thuộc phạm vi nghiên cứu mà tác giả sử dụng (giả thiết) một cấu trúc đơn giản đủ để đáp ứng các yêu cầu về kiểm nghiệm chất lượng quá trình điều khiển ổn định ngắn hạn công suất turbine PĐSG như minh họa trên Hình 1.15

- Về vấn đề lựa chọn loại máy phát sức gió: Hệ PĐSG sử dụng PMG PMG không tiêu thụ công

suất phản kháng của lưới và đang được các nhà sản xuất chế tạo với công suất phù hợp với cỡ công suất và môi trường hoạt động khu vực hải đảo [7, 8, 61, 90, 95, 112, 122] Sự lựa chọn này đặc biệt phù hợp với những hải đảo ở Việt Nam

- Về phương án bù phân tán được lựa chọn cho phép kiểm soát và can thiệp trực tiếp vào công suất

đầu ra đối với từng hệ PĐSG, hiệu quả tác động được đánh giá trực tiếp ngay tại mỗi đầu ra của

hệ PĐSG

- Công nghệ tích trữ điện năng dùng siêu tụ được lựa chọn vì đặc điểm động học của quá trình

nạp/xả vượt trội hơn so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác theo những khuyến cáo của các tác giả đã nghiên cứu trước đây [12, 14, 21, 27, 29, 49, 61, 64, 90] hứa hẹn đem lại hiệu quả

ổn định ngắn hạn công suất đầu ra biến động của hệ PĐSG

- Kho điện được tích hợp vào phía AC của hệ PĐSG vì tính linh hoạt của phương án này cao hơn

hẳn phương án tích hợp vào bus DC trung gian trong cấu trúc back-to-back

- Vấn đề điều khiển: Để đảm bảo các chất lượng điều khiển, cơ sở đầu tiên là mô hình toán học mô

tả thống nhất hai quá trình trao đổi công suất của BBĐ DC-DC, kế tiếp là phương pháp thiết kế điều khiển phù hợp Tuy nhiên, trong những công bố ở trên, tác giả luận án chưa tìm thấy sự mô

tả tường minh về mô hình hợp nhất hai chế độ của BBĐ DC-DC Vì vậy, tác giả sẽ bổ sung về mô hình chính xác và mô hình trung bình ngắn hạn mô tả hợp nhất hai quá trình trao đổi công suất BBĐ DC-DC hai chiều so với các công trình nghiên cứu trước đây về thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ Thêm vào đó, bộ điều khiển chỉ sử dụng cấu trúc P, PI truyền thống, cơ sở lựa chọn tham

số bộ điều khiển cũng chưa được chỉ ra rõ ràng Vì vậy, tác giả cũng sẽ thiết kế điều khiển theo hai phương pháp tuyến tính và phi tuyến để thể hiện rõ ưu thế của điều khiển phi tuyến so với điều

khiển tuyến tính Cấu trúc điều khiển phi tuyến cũng sẽ là điểm bổ sung của vấn đề điều khiển thiết bị kho điện dùng siêu tụ so với các công trình nghiên cứu trước đây Tác giả vận dụng các kết quả nghiên cứu của một số công trình nghiên cứu trước đây theo tài liệu [8, 95, 101] để thiết

kế điều khiển BBĐ DC-AC theo phương pháp tựa hướng điện áp lưới VOC với các thuật toán điều

khiển truyền thống PI, Dead-beat Với bộ biến đổi DC-DC, xuất phát từ ý tưởng điều khiển hợp

nhất [73, 124, 125], tác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai

chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng Các phương pháp điều khiển tuyến tính có thể làm suy giảm chất lượng động học của hệ thống khi điểm làm việc thay đổi và thực sự chưa phù hợp với bản chất phi tuyến của mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ Trong luận án này, tác giả đề xuất thuật toán điều khiển phi tuyến theo lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng cho đối tượng DC-DC Phối hợp giữa các cấu trúc điều khiển cho hai bộ biến đổi DC-DC và DC-AC hình thành lên cấu trúc điều khiển tổng thể SCESS nhằm thực hiện bài toán “Ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của hệ thống PĐSG trong hệ thống điện ốc đảo

Hệ thống phát điện sức gió

SCESS

Lưới sử dụng

Hệ thống phát điện tập trung sử dụng Diesel

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TRẠM PHÁT ĐIỆN DIESEL

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TURBINE PĐSG

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN

KHO ĐIỆN

HT ĐO LƯƠNG & ĐIỀU KHIỂN LƯỚI SỬ DỤNG

HT SCADA TOÀN BỘ LƯỚI ĐIỆN ỐC ĐẢO

DC AC

đấu nối tiếp/song song

Công suất Nạp/xả

Diesel Engine

BUS 2 400V

Hình 1.15 Cấu trúc WD–HPS được lựa chọn để nghiên cứu

- Để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất, cho đến thời điểm cuối năm 2014, hiệp hội IEEE vẫn đang hoàn thiện các chỉ tiêu đánh giá về thiết bị kho điện tích hợp vào lưới điện trong bộ tiêu chuẩn IEEE P2030.3 và IEEE P2030.2 Vì vậy tác giả sẽ đánh giá gián tiếp thông qua hiệu quả ổn định tần số lưới theo chỉ tiêu chất lượng điện năng được quy định bởi IEEE 1547.4, EN50160, AEMO, AEMC

1.6 Kết luận chương 1

Nội dung chương này đã nghiên cứu đặc điểm hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp giữa các nguồn năng lượng truyền thống từ với các nguồn năng lượng tái tạo để hình thành lên hệ thống phát điện lai mà trong đó hệ thống phát điện lai sức gió – diesel là đối tượng điển hình thu hút các công

trình nghiên cứu trên thế giới Thông qua việc khảo sát những công trình nghiên cứu đã công bố trên thế giới trong những năm gần đây, tác giả sẽ đề xuất cấu trúc điều khiển để hoàn thiện các phương pháp điều khiển đã được áp dụng cho SCESS Những đề xuất đó sẽ được kiểm chứng bằng phần mềm

mô phỏng MATLAB/Simulink Tác giả cũng kiểm chứng sự làm việc của SCESS trong phòng thí nghiệm tại Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (ICEA), Đại học Bách khoa Hà Nội Nội dung tóm tắt của Chương 1 đã được tác giả công bố trong bài báo số [1]

2.1 Hệ thống phát điện sức gió

Nội dung mục này trình bày nguyên tắc làm việc nói chung của một hệ thống phát điện sức gió cùng các cấu trúc cơ bản có thể có và các chế độ vận hành hệ thống Tiếp đó, các vấn đề điều khiển cho hệ PĐSG phù hợp với hệ thống điện ốc đảo sẽ được trình bày chi tiết

2.1.1 Nguyên tắc làm việc

G

Hình 2.1 Quá trình biến đổi năng lượng của một turbine PĐSG

Quá trình biến đổi năng lượng của một turbine PĐSG được minh họa trên Hình 2.1 Năng lượng

từ gió tự nhiên là đầu vào được biến đổi thành điện năng đưa lên lưới ở đầu ra Các cánh đón gió của turbine biến năng lượng gió thành cơ năng ở dạng chuyển động quay trên trục máy phát Đối với các turbine gió công suất cỡ vài MW, tốc độ quay của rotor turbine tương đối chậm (trong dải 5-16 rpm) nên hộp số (gearbox) thực hiện nhiệm vụ biến đổi tốc độ lên cao hơn (nhưng mô men cũng giảm đi) cho phù hợp với tốc độ công tác của máy phát Điện năng được sinh ra từ máy phát sẽ phải được điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu hòa lưới bằng các bộ biến đổi điện tử công suất và biến áp

2.1.2 Chế độ điều khiển của hệ thống PĐSG

Có thể phân ra 2 chế độ vận hành, và từ đó là 2 chế độ ĐK chính của hệ thống PĐSG:

a) Chế độ có hòa lưới quốc gia có một số đặc điểm sau: Lưới quốc gia có thể được coi là lưới cứng

với P vô cùng lớn, điện áp và tần số ổn định; Công suất P của hệ thống PĐSG thường được ĐK bám

theo đường công suất tối ưu, nhằm khai thác tối đa năng lượng từ gió; Hệ số công suất cos thường

được đặt cố định, thậm chí xấp xỉ 1 Nghĩa là: không phát cũng không tiêu thụ Q

b) Chế độ không hòa lưới quốc gia, chỉ hòa lưới ốc đảo với các đặc điểm: Lưới ốc đảo thường do

một nhóm máy phát diesel thiết lập với công suất P nhỏ Lưới ốc đảo là lưới mềm với điện áp và tần

số kém ổn định; Phụ tải được phân chia giữa nhóm máy phát diesel và hệ thống PĐSG Hệ thống

PĐSG chỉ được phép phát với P = const theo tỷ lệ phân chia đã quy định (thị phần do nhà quản trị

chi phối); Hệ số công suất cos của PĐSG phải được đặt linh hoạt ở giá trị thích hợp, bảo đảm an toàn cũng như hiệu quả khai thác nguồn phát diesel

2.1.3 Các vấn đề điều khiển trong hệ thống PĐSG

Hệ thống điều khiển được phân thành nhiều cấp điều khiển như minh họa trên Hình 2.4 đảm bảo kiểm soát được dòng năng lượng vào và ra trong hệ thống PĐSG

a) Điều khiển cấp I

Đây là tầng thực hiện các bài toán điều khiển ở chế độ thời gian thực (real-time control) để điều

khiển dòng công suất tác dụng (điều khiển mô men cơ của máy phát) và công suất phản kháng (điều khiển hệ số công suất của hệ phát điện sức gió) đáp ứng yêu cầu đưa ra của tầng điều khiển cấp trên

b) Điều khiển cấp II

Đây là tầng ĐK turbine với vòng ĐK (có phản hồi) tốc độ quay ω của turbine Thông qua các thông số đo thực của tốc độ gió v wind và căn cứ trên chế độ ĐK đã được chọn trước, hệ thống sử dụng

bảng tra đặc tính (look-up table) để tra tốc độ quay ω cần đạt (tìm set point) Qua đó thay đổi góc

cánh  để ĐK sao cho đạt được tốc độ đã chọn

c) Điều khiển cấp III

Tầng này có đặc điểm ĐK giám sát (SCADA), phục vụ mục tiêu tích hợp hệ thống PĐSG với lưới

(quốc gia, địa phương) Tùy theo chế độ ĐK, đây là nơi quyết định các giá trị đặt cho P và Q

X filter

i grid

u grid Wind

GRID

Gear Box

Generator-Side Converter

Braking Chopper

Tầng II: Cấu trúc ĐK Turbine với chức năng điều khiển góc cánh, ĐK tốc độ quay

Tầng I: Bao gồm 2 cấu trúc ĐK nhiều mạch vòng, ĐK NL phía MP và

NL phía lưới

*

*

Cos Q

*

*

Cos Q

CONTROL LEVEL II

Wind Turbine Control Strategy

CONTROL LEVEL III

Wind Park and Wind Turbine Integration Strategy,

Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển tổng quát của hệ thống PĐSG

2.2 Hệ thống phát điện diesel

Tác giả sử dụng cấu trúc hệ thống và mô hình mô phỏng của MATLAB/SimPowerSystems như một thành phần đã hoàn chỉnh trong hệ thống điện ốc đảo nên nội dung mục này được trình bày nguyên tắc làm việc cơ bản và vai trò của các thành phần (động cơ diesel và cấu trúc điều khiển) được tổng hợp vắn tắt từ các tài liệu nghiên cứu trước đó Cấu trúc của tổ hợp diesel – máy phát đồng bộ KTĐL được minh họa trên Hình 2.11 bao gồm: Động cơ Diesel cung cấp mômen cơ làm quay rotor của máy phát điện đồng bộ thông qua trục quay cơ khí; Máy phát đồng bộ biến đổi năng lượng cơ được cung cấp bởi động cơ diesel và từ trường cung cấp bởi hệ thống kích từ sinh ra điện năng phát lên lưới

Trong chế độ vận hành bình thường, tần số của điện áp đầu ra phụ thuộc vào tốc độ quay của động

cơ Hệ thống điều khiển bao gồm hai mạch vòng:

 Điều khiển tốc độ quay của động cơ diessel (động học chậm) do bộ điều tốc thực hiện: điều khiển tốc độ quay của động cơ sơ cấp cũng chính là điều khiển tần số điện áp máy phát thông qua điều khiển mômen cơ mà động cơ diesel cung cấp

 Điều khiển điện áp (động học nhanh) do bộ AVR thực hiện: điều khiển hệ thống kích từ với nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu ra không đổi và tránh quá tải cho mạch kích từ

Động cơDiesel

3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện

SCESS được tích hợp vào RAPS theo phương án bù phân tán cho mỗi WT có tác dụng như một

bộ lọc công suất ngay phía đầu ra của mỗi WT để đảm bảo khả năng ổn định ngắn hạn sự biến động thất thường của năng lượng gió Để thực hiện chức năng đó, SCESS phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều với lưới thông qua hệ thống biến đổi điện năng gồm hai bộ biến đổi công suất là DC-

DC và DC-AC cũng phải có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều như thể hiện trên Hình 3.1 Cấu trúc mạch lực này có thể được tìm thấy trong một số sản phẩm thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ của công ty M&P CHLB Đức

C i inv i DC i

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống biến đổi điện năng SCESS

3.2 Thiết kế kho điện

Dữ liệu đầu vào của bài toán thiết kế điều khiển thiết bị kho điện là giả thiết đã ước lượng được

dữ liệu chính xác của gió (wind profile) Kích thước siêu tụ phụ thuộc vào công suất lớn nhất cần bù

P max-req trong khoảng thời gian ∆t max được lựa chọn P max-req sẽ được xác định thông qua chương trình tính toán sử dụng bộ lọc thông thấp đối với Profile gió

Tác giả sử dụng mô hình tạo gió ngẫu nhiên được nghiên cứu và phát triển bởi phòng thí nghiệm

quốc gia về năng lượng tái tạo (Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy) thuộc đại học

kỹ thuật Đan mạch (Technical University of Denmark)

3.2.1 Tính chọn dải điện áp làm việc của siêu tụ

Trong luận án này, tác giả lựa chọn:

Khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau Do đó ở chế độ chờ (sẵn sàng

nạp hoặc xả) siêu tụ sẽ phải làm việc ở một điện áp U SC-idl

3.2.2 Tính chọn điện dung của siêu tụ

Năng lượng siêu tụ cần phải nạp hoặc xả ở trạng thái làm việc chờ (điện áp USC-idl) được lựa chọn

tỷ lệ với khả năng đáp ứng công suất P max-req trong khoảng thời gian được lựa chọn ∆t

2

SC max

8312

req SC

- Giá trị công suất đặt 𝑃𝑊𝑇𝑟𝑒𝑓

của một hệ PĐSG là kết quả của bài toán tracking công suất Giá

trị 𝑃𝑊𝑇𝑟𝑒𝑓 do từ tầng điều khiển cấp hệ thống gửi đến tầng điều khiển turbine Áp dụng thuật toán lọc thông thấp đối với 𝑃𝑊𝑇𝑟𝑒𝑓 mang bản chất loại bỏ các thành phần công suất dao động

tần số cao Như vậy, tác động hấp thụ công suất dư thừa và bù đắp công suất khi thiếu hụt sẽ

được quyết định khi so sánh giá trị giữa hai tín hiệu

Tác giả thực hiện khảo sát trên profile gió với các bộ lọc có bậc và tần số cắt thay đổi Từ các kết quả thu được dưới dạng đồ thị và dữ liệu dạng số để lựa chọn bậc và tần số cắt sao cho đảm bảo khử được các biến động công suất bậc cao nhưng công suất yêu cầu của kho điện là nhỏ nhất Từ các kết quả mô phỏng và số liệu thống kê, tác giả lựa chọn khâu lọc bậc 2 với tần số cắt 0,5Hz

3.3 Mô hình hóa thiết bị kho điện

3.3.1 Mô hình động học siêu tụ

Theo một số tài liệu nghiên cứu trước đó, cấu tạo của siêu tụ bao gồm: Các điện cực, lớp điện môi

và màng cách ly nằm giữa các điện cực đó Ở các tụ điện truyền thống (tụ điện thường) thì các điện cực là các mặt phẳng Với siêu tụ, các điện cực được làm bằng cacbon hoạt tính có cấu trúc hình lỗ như các tổ ong Do cấu trúc của cacbon hoạt tính có rất nhiều các lỗ giống như tổ ong, khi xảy ra quá trình nạp điện cho tụ, các ion dương bị hút về cực âm còn các ion âm thì bị hút về cực dương Chính

vì bề mặt điện cực có hình lỗ nên sẽ làm tăng diện tích bề mặt điện cực lên gấp nhiều lần, do đó sẽ

có nhiều ion dương, âm bị hút đến các bề mặt điện cực hơn.Vì thế mà điện tích tích trữ trên tụ điện

sẽ lớn hơn rất nhiều so với tụ điện thường

Có thể tìm thấy ở những công trình nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề mô hình hóa và nhận dạng tham số siêu tụ Luận án này sử dụng siêu tụ như một đối tượng có các đặc điểm động học của quá

trình trao đổi công suất phù hợp với sự biến động nhanh nên không đi sâu vào bài toán mô hình hóa

và nhận dạng tham số mà giả thiết siêu tụ đã xác định được tham số

3.3.2 Mô hình bộ biến đổi DC-DC dùng trong thiết bị kho điện

Quá trình mô hình hóa được tóm tắt như sau: Xác định các cấu trúc mạch điện ứng với các trạng thái chuyển mạch của van; xây dựng mô hình chính xác của DC-DC đối với các biến trạng thái được lựa chọn là dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tụ của mạch điện một chiều trung gian; xác định

SC L

u R

q L

Để chuyển mô hình (3.37) về dạng mô hình trung bình sử dụng phép trung bình ngắn hạn hay trung

bình trượt – Sliding average [24, 96, 118] Như vậy, nếu sử dụng vector biến trạng thái m là các giá

trị trung bình ngắn hạn của dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tụ, mô hình trung bình ngắn hạn của (3.37) được viết lại như (3.46) dựa trên các tính chất (3.43) và (3.44) Mô hình (3.46) thể hiện đặc điểm phi tuyến cấu trúc với phép nhân giữa biến trạng thái và biến điều khiển

Sử dụng công cụ mô phỏng Matlab-Simulink/SimPowerSystems để kiểm chứng tính đúng đắn của

mô hình trung bình với diễn biến trên mô hình mạch van thực tế Mô hình trung bình cho ra các giá trị biến trạng thái dòng điện, điện áp trung bình

3.3.3 Mô hình bộ biến đổi DC-AC dùng trong thiết bị kho điện

Ghép với lưới điện được là bộ biến đổi DC-AC hoạt động ở hai chế độ: Chỉnh lưu khi nhận năng lượng từ lưới và nghịch lưu khi đưa năng lượng lên lưới Những nội dung sau đây trình bày ngắn gọn

về mô hình DC-AC dùng trong thiết bị kho điện [95, 96]