Thiết bị quan trọng của hệ thong phát điện từ năng lượng gidhoặc năng lượng mặt trời là bộ nghịch lưu inverter sử dụng để biến đổi dòng điện mộtchiều dc ở ngõ vào nhận được từ máy phát đ
DANH MUC TU VIET TAT
Alternating Current Direct Current Field Oriented Control Maximum Power Point Tracking Kilo Watt Hour
Permanent Magnet Synchronous Generator Pulse Width Modulation
CHUONG1: MỞ ĐẦU
LUONG TAI TAO
MICROGRID
1 Tổng quan về Microgrid Microgrid là một khái niệm mới trong hệ thông phân phối năng lượng điện cho phép tích hợp các dạng năng lượng tái tạo: mặt trời, gió, diesel cùng với việc sử dụng tuabin nhỏ Microgrid bao gồm nhiều nguồn phát điện phân tán (distributed generation- INVERTER) được giao tiếp với lưới điện thông qua các bộ biến đổi công suất.
Microgrid được thiết kế sao cho có thé làm việc linh hoạt ở hai chế độ: độc lập và kết nối lưới Trong chế độ độc lập, microgrid có hai nhiệm vụ quan trọng là chia đều công suất theo yêu cau của phụ tải giữa các bộ nghịch lưu kết nối song song và duy trì sự 6n định điện áp, tần số Trong chế độ kết nối lưới, microgrid phải được điều khiến hòa đồng bộ đồng thời phát công suất lên lưới nhiều nhất có thé [1].
Microgrid (Microgrids) có quy mô nhỏ, kết hợp với lưới điện hạ thé dé cung cấp điện cho một cộng đồng nhỏ, chang han như một khu chung cu hoặc một vung ngoại 6 địa phương, một trường đại học hoặc trường học, một khu vực thương mại, một khu công nghiệp hoặc một khu vực đô thị Microgrid về cơ bản là một mạng lưới phân phối tích cực vì nó tập hợp các hệ thong phat điện phan tan và các tai khác nhau ở cấp điện áp phân phối Các máy phát điện làm việc trong Microgrid thường là các nguồn năng lượng tái tạo tập hợp lại với nhau để tạo ra điện tại cấp điện áp phân phối Các nguồn năng lượng tái tạo phải được trang bị các giao diện là các bộ biến đối công suất và được điều khiến linh hoạt để đảm bảo hoạt động như là một hệ thống tổng hợp nhăm đảm bảo duy tri chất lượng điện năng và năng lượng ngõ ra Tính linh hoạt trong điều khiến này sẽ cho phép các Microgrid hỗ trợ cho hệ thống lưới chính như một nguồn đơn có điều khiến đáp ứng năng lượng cục bộ cần độ tin cậy và an toàn.
Các nguôn phát phân tán (Distributed generation -INVERTER) được định nghĩa là các máy phát loại nhỏ hoặc các máy phát phân cấp có thể được sử dụng như là các hệ thống độc lập tại một khu vực cách biệt (ví dụ như khu vực nông thôn) hay các hệ thống kết nối lưới Khi được sử dụng như là hệ thống độc lập, các nguồn phát phân tán thường được sử dụng để phục vụ cho hộ gia đình đến các tòa nhà lớn ví dụ khu dân cư hoặc vùng ngoại ô địa phương, công cộng, khu công nghiệp hoặc khu vực thành phố Công suất lớn hơn của các nguồn phát phân tán được quản lý bởi lưới điện hoặc một nhà sản xuất điện độc lập (Independent Power Producer — IPP) Ưu điểm của việc sử dụng các nguồn phát phân tán giúp chúng cải thiện tính linh hoạt trong cung cấp công suất, chất lượng và khả năng mở rộng, ôn định hệ thống, tối ưu hóa hệ thống phân phối và giảm chi phí truyền tải và phân phối.
Nguồn phát điện phân tán (INVERTER) sẽ ngày càng đóng một vai trò chủ đạo trong sản xuất và cung cấp điện Hiện nay, các INVERTER được quan tâm rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp và trở thành một trong các hướng nghiên cứu đang được quan tâm nhất trong lĩnh vực năng lượng [1] Mặc dù, nguồn phân tán sử dụng gió, năng lượng mặt trời hay diesel là những nguồn năng lượng có thé sản xuất điện quy mô nhỏ, nhưng tương lai nó có thé được coi như một nguôn thay thế bố sung cho nguồn điện truyền thong, giúp đỡ để giải quyết sự gia tăng của hiện tượng am lên toàn cầu gây ra bởi năng lượng hóa thạch.
Với việc mở rộng lưới điện, hệ thống điện thông thường khó đáp ứng các yêu cau về độ tin cậy và các nhu cau đa dạng của người sử dụng điện Hơn nữa, nguồn phát phân tán (INVERTER) có lợi thế của việc giảm ô nhiễm, vị trí lắp đặt linh hoạt, và giảm tốn thất truyền tải điện năng Các INVERTER có khả năng điều khiến và độ tin cậy cao hơn so với các máy phát điện thông thường [1], điều này cho phép microgrid đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ôn định của lưới điện [2] - [4] Vì vậy, microgrid sẽ dan dan hỗ trợ mạnh mẽ và hiệu quả cho lưới điện chính, và trở thành một trong những xu hướng tương lai của hệ thống điện [5].
Các INVERTER sử dụng nguồn năng lượng tái tạo mặt trời, gió và nguôn lưu trữ không trực tiếp tạo ra điện áp xoay chiều, vì vậy yêu cầu phải sử dung các bộ biến đổi công suất dạng nghịch lưu làm giao diện Các bộ nghịch lưu này tạo thành microgrid trước khi kết nối với lưới điện [1] - [4] Các INVERTER của microgrid có thể được phân loại thành grid-forming (điều khiến điện áp) và grid-following (điều khiến dòng điện) INVERTER Trong chế độ nối lưới, các INVERTER được điều khiến như grid- following Trong chế độ độc lập, các INVERTER được điều khiển như grid-forming, chịu trách nhiệm cho việc chia công suất theo định mức [6]. Đối với lưới công cộng, microgrid có thé được coi như là một tải, đáp ứng nhu cầu của các hệ thông truyền tải Đối với hộ tiêu thụ, microgrid có thé đáp ứng yêu cầu đặc biệt như: nâng cao độ tin cậy cục bộ, giảm thiểu tốn thất, hỗ trợ điện áp tại chỗ, đem lại hiệu quả thông qua hiệu chỉnh điện áp và chức năng cung cấp điện liên tục [4]. Đặc điểm của microgrid:
- _ Công suất ngõ ra của mỗi microgrid nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện thông thường.
- Microgrids có hiệu qua cao do thường được lắp đặt gần với tải vì vậy ton thất trong đường dây truyén tải nhỏ.
- Microgrids dùng để cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa nơi mà không có lưới điện Quốc gia.
- Qua trình khôi phục hệ thống điện rat dé dang vì giới hạn số lượng các biến điều khiến.
- _ Đối với các van dé môi trường, microgrid giúp cat giảm ô nhiễm bởi vì nó sử dụng nguồn có khí thải thấp hoặc băng không.
- Microgrids làm việc song song với lưới công cộng, hỗ trợ lưới điện bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ Microgrids cung cấp thêm công suất có thể hỗ trợ trong việc ngăn chặn tình trạng quá tải và mắt điện của lưới điện Quốc gia.
- _ Về kinh tế, có chi phí vận hành thấp, hệ thông microgrids cục bộ giúp tiết kiệm đáng ké chi phí cơ sở hạ tang và tốn thất truyền tai.
- Microgrids cũng giúp trong việc giảm tiêu thụ năng lượng hóa thạch.
- Bang cách điều hành trong cả hai chế độ nối lưới và độc lập, microgrids đảm bảo các tải quan trọng được cung cấp điện liên tục Điều này làm cho độ tin cậy và khả năng cung cấp điện chất lượng cao cho các tải quan trọng.
2 Cau hình các Microgrid Pin quang điện, địa nhiệt và gió, sóng thủy triều, nhà máy thủy điện nhỏ, sinh khối và khí sinh học cùng với các tế bào nhiên liệu hydro (hydrogen chiết xuất bằng cách sử dụng nguồn năng lượng tái tạo) là các nguồn phát phân tán dạng nguồn năng lượng tái tạo Các nguôn phát phân tán này có thé được tổng hợp để cung cấp điện áp DC đầu vào cho các bộ nghịch lưu DC / AC phù hợp cho việc kết nối lưới hoặc kết nối với hệ thống phân phối điện áp thấp (tức là mạng LVAC hoặc LVDC) tùy thuộc vào công suất ngõ ra của chúng dé tạo thành các cấu trúc Microgrid Ngoài ra, khái niệm Microgrid cho phép sự thâm nhập cao của các nguồn phát phân tán khác nhau và ESSs mà không can cơ cấu lại hệ thống phân phối.
Trong hầu hết các trường hợp, các nguồn năng lượng phân tán tạo ra điện AC hoặc điện DC không tương thích với lưới điện hoặc tải, do vậy cần phải sử dụng các giao diện là các bộ biến đối công suất kết nối với lưới điện chính dé tạo biên độ điện áp, tan số và góc pha mong muốn Bằng cách sử dụng một giao diện điện tử công suất cho tất cả các nguồn phát phân tán đã giúp giảm tốn hao, thiết kế dễ dàng và điều khiến với chi phí giảm Hiện nay, hầu hết các nguồn phát phân tán dạng nguồn năng lượng tái tạo cung cấp trực tiếp điện áp DC hoặc tân số / điện áp AC thay đổi ở ngõ ra và do đó các thiết bị điện tử công suất (Power Electronics Devices — PED) đã trở thành nhân tố chính dé thực hiện các Microgrid Tuabin gió và pin quang điện PV thường được điều khiến với việc tìm kiếm điểm công suất cực đại (MPPT) để tối đa năng lượng phát ra của chúng.
Các Microgrid là các hệ thông điện rất nhỏ với các thành phần khác nhau như tải có điều khiến và không có diéu khiển, các nguồn phát phân tán và các thiết bị lưu trữ hoạt động song song thông qua giao diện là thiết bị điện tử công suất có điều khiến (các bộ điều khiến luồng công suất tác dụng và công suất phản kháng, điều chỉnh tần số và điện áp) được tích hợp với thiết bị bảo vệ Chúng có thé hoạt động dựa trên nguyên tắc của hệ thong điện AC (tức la Microgrid AC) hoặc hệ thong điện DC (nghĩa là Microgrid
Với các bộ chuyển đối công suất, điều khiến công suất tác dụng và công suất phản kháng có thé được thực hiện trong các Microgrid theo đó các giá trị tham chiếu của chúng của mỗi nguồn phát phân tán được điều khiến bởi người quản lý điều hành Microgrid Ngoài ra, một số các nguồn phát phân tán có thé được điều khiến dé theo dõi điểm công suất cực đại của chúng như trong các tua bin gió và pin quang điện Khi lỗi xảy ra hay sự cố chuyển mạch, hoặc đóng ngất theo kế hoạch, các Microgrid dé dang và nhanh chóng ngắt kết nối với lưới chính và cung cấp cho tải cục bộ Trong trường hợp này, Microgrid ở chế độ hoạt động độc lập còn được gọi là "chế độ Off-lưới" và nó hoạt động tự chủ khi ngắt kết nỗi từ mạng chính Các tải ít quan trọng nhất có thé được loại ra nếu công suất điện của Microgrid là không du để hỗ trợ tất cả các tải cục bộ của nó.
Hiện nay các mang LVDC được sử dung cho cung cấp điện công nghiệp và các tòa nhà thương mại đang gia tăng hàng ngày Trong tương lai, hệ thống phân phối DC sẽ trở thành một giải pháp khác dé cung cấp năng lượng điện cho tat cả các thiết bị điện nối với nhau bang một hệ thống bus và tối ưu điều khiến bởi một hệ thống quản lý năng lượng (Energy Management System — EMS) Ví dụ, các hệ thống pin quang điện có một cầu trúc mô-đun với nhiều cấu hình có thé có san dé biến tần PV có thé được kết nối.
CAC GIẢI PHAP DIEU KHIỂN CÁC BO NGHICH LUU DA NGUON TRONG MICROGRID
1 Diéu khién phan cap Microgrid AC Các hệ thống điện truyền thống đang đối mat với những thay đối liên tục và nhanh chóng để làm giảm bớt ảnh hưởng đến môi trường, xử lý các chính sách ưu đãi của chính phủ, và đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Khái niệm về lưới điện thông minh gan đây đã xuất hiện để giới thiệu về một mạng lưới điện thông minh Nâng cao độ tin cậy và tính bên vững là một trong những đặc điểm mong muốn của lưới điện thông minh tác động lên cấp phân phối Những thuộc tính này chủ yếu được thực hiện thông qua các Microgrid, thứ tạo thuận lợi cho việc tích hợp hiệu qua các nguồn năng lượng phân tán ( Distributed Energy Resources — DER ) Microgrid có thé hoạt động ở cả hai chế độ nối lưới và độc lập Điều khiến phù hợp cho Microgrid là một điều kiện tiên quyết cho trạng thái ốn định và hoạt động hiệu quả kinh tế Vai trò quan trọng của cau trúc điều khiến Microgrid là:
- Điều khiến điện áp và tần số cho cả hai chế độ:
- Chia tải thích hợpvà phối hợp các nguồn năng lượng phân tán;
- Đồng bộ Microgrid với lưới điện chính;
- Điều khiến luồng công suất giữa Microgrid và lưới điện chính;
- Tối ưu hóa chi phí vận hành Microgrid.
Trong một microgrid, ma trong đó các hệ thong phat điện khác nhau được dựa trên các công nghệ và các định mức công suất khác nhau được kết nối với nhau, điều can thiết để thực hiện một cau trúc điều khiển phân cấp được định hướng để giảm thiểu chi phí vận hành; trong khi tối đa hóa tính hiệu quả, độ tin cậy và khả năng điều khiến được.
Những yêu cầu này khác nhau về thời gian và quy mô, do đó đòi hỏi một cấu trúc điều khiến phân cấp để giải quyết từng yêu cầu của hệ thống phân theo cấp khác nhau Cau trúc điều khiến được phân làm ba cấp độ: điều khiến cấp thứ 1, cấp thứ 2 và cấp thứ 3 như thé hiện trong hình 3.1.
- Điều khiến cấp thứ 1 duy trì điện áp và tần số Microgrid 6n định trong chế độ độc lập Điều này rat cần thiết dé đảm bảo điều khiển độc lập chia công suất tác dụng, công suất phản kháng trong trường hợp tải tuyến tính và phi tuyến Ngoài ra, việc điều khiến chia công suất sẽ tránh được dòng điện cân băng không mong muốn.
- Cấp điều khiến thứ 2 điều khiến bù cho sự sai lệch điện áp và tan số gây ra bởi hoạt động của cấp điều khiến thứ 1.
- Cấp điều khiến thứ 3 thực hiện kiểm soát dòng công suất giữaMicrogrid và lưới điện chính và tạo điều kiện cho Microgrid hoạt động tối ưu về kinh tế.
Hình 4.1 Các cấp điều khiến theo phân cấp của Microgrid
1.1 Điều khiển cấp thứ 3: có chức năng điêu khiển dong công suất giữa các Microgrid và lưới điện và kiểm soát năng lượng cung cáp.
TSO {+ ỡ LTTEằ ey vn conto Tae Vil
Hình 4.2 Sơ đồ khối điều khiến microgrid thứ nhất, thứ hai và thứ ba
Cấp điều khiến thứ 3 là cấp điều khiến cuối cùng xem xét các mối quan tâm kinh tế trong hoạt động tối ưu của các Microgrid (hình 4.2) quản lý các luồng công suất giữa Microgrid và lưới chính Trong chế độ kết nối lưới, các luồng công suất giữa Microgrid và lưới điện chính có thể được quản lý bằng cách điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp các bộ biến đổi nguồn áp cấp điều khiến thứ ba chịu trách nhiệm cho việc tối ưu hóa các hoạt động microgrid và thiết lập sự tương tác của nó với các mạng lưới phân phối bang cách điều khiến các tham chiếu công suất tác dụng và phản kháng đối với mỗi đơn vị INVERTER Tối ưu hóa này thường được dựa trên các tiêu chí kinh tế, trong đó xem xét các mối quan hệ giữa nhu cau và cân đối cung cấp năng lượng, cùng với các chi phí biên phát điện của mỗi đơn vị INVERTER Việc ước lượng trong những thay đổi tải ngăn han, dự báo phát điện, và khả năng lưu trữ năng lượng cũng như các nhu cầu đặc trưng thiết lập bởi TSO/DSO và các tín hiệu mong muốn được cung cấp bởi các thị trường điện, được đưa vào tính toán trong phân tích hoạt động microgrid [24] Cấp điều khiển thứ ba cũng chịu trách nhiệm khôi phục lại dự trữ điều khiến cấp thứ hai, quản lý sự quá tải sẽ xảy ra, và hỗ trợ cho điều khiến cấp thứ hai nếu cân thiết.Sơ đồ khối của quá trình này được thể hiện trong hình 4.3.
Main AC grid mm PCC
G; ree Aa grid connected control
Hình 4.3 So đồ khối cấp điều khiến 2 va 3 1.2 Điều khiến cấp thứ 2- Level 2 (secondary control):
Có nhiệm vụ đảm bảo các thông số điện trong Microgrid năm trong ngưỡng giá trị yêu cau Cấp điều khiến này bao gồm vòng điều khiến đồng bộ hóa dé dàng kết nối hoặc ngắt kết nối Microgrid với hệ thông phân phối (xem hình 4.3) Điều khiến cấp thứ hai hoạt động như một bộ điều khiển phát điện tự động tập trung và bù các sai sỐ trạng thái ôn định trong microgrid điện áp và tần số, khôi phục lại giá tri của nó với những gia tri danh định.
Ngoài ra, điều khiến cấp thứ hai chịu trách nhiệm điều khiến biên dạng điện áp dọc theo các bus AC để mà giữ nó trong giới hạn vận hành của nó tại bất kỳ điểm nào của cau trúc microgrid Điều khiến cấp thứ hai sử dụng các thông tin liên lạc và hệ thong giám sát diện rộng để phối hợp hoạt động của tất cả các đơn vị phát điện trong một khu vực nhất định đã cho, hình thành đáp ứng thời gian của nó trong phạm vi vài phút, do đó có một biến động chậm nếu so với sự điều khiến cấp thứ nhất Trong cấp điều khiến cấp thứ 1 có thé gây ra độ lệch tần số ngay cả trong trạng thái ốn định Mặc dù các thiết bị lưu trữ có thể bù dap cho sai lệch này, chúng không thể cung cấp năng lượng để điều khiến tần số tải trong một khoảng thời gian do kha năng chứa năng lượng ngắn hạn của chúng Điều khiến cấp thứ 2, như một bộ điều khiến tập trung, phục hồi điện áp và tần số Microgrid và bù cho độ lệch gây ra bởi cấp điều khiến thứ 1 Hệ thống phân cấp điều khiến này được thiết kế để có phan ứng năng động chậm hơn so với cấp điều khiến thứ 1 Hình 4.4 đại diện cho sơ đỗ khối của bộ điều khiến cấp thứ 2.
Ong ⁄ Eục | measurements ac Saree YI ! 1 0
Low bandwidth y _—_ Inner loops | gee, —— (| | {PWM | communications P/Q Reference : Voltage x Current |1 +UPS | m= > FP Oroop |p generator | loop loo, (Pees
MG control E sin(wt) ca 1S a nverter h M
(0Ÿ Aa, " r MG ỉ nS | DO - FT ": * š Ek Fd áp 4 Inner loops | l i
E Gp(S) eo | (Pim| VE P/Q Reference Voltage [se Current ||! -UPS | d
/ +>! Droop fy generator loop loop a +}
Frequency & Voltage control E sin(wt) " ——— restoration loop Secondary control )
Hình 4.4 Sơ đỗ khói cấp điều khiến 2 1.3 Điêu khiển cấp thứ 1: Điều khiến cấp thứ nhất được dành để điều khiến các biến như tần số và điện áp, cũng như dòng điện Trong cấp điều khiến này có thé sử dụng các phương pháp điều khiến chia tải như Droop control hay điều khiến công suất trực tiếp, điều khiến kết nối với lưới. Điều khiến cấp thứ 1 được thiết kế dé đáp ứng các yêu cầu sau đây:
- Ôn định điện áp và tần số Sau chế độ độc lập, Microgrid có thé bị mat 6n định điện áp va tần số do sự không phù hợp giữa công suất phát và công suất tiêu thụ.
- Cho phép kết nối và cung cấp năng lượng từ các nguồn năng lượng phân tán và chia công suất tác dụng, công suất phản kháng hợp lý Tốt nhất là không sử dụng thiết bị truyền thông.
- Giảm thiểu dòng điện cân bằng lưu thông trong các bộ inverter.
- Giảm khả năng quá dòng trong các thiết bị điện tử công suất và làm hỏng tụ điện DC-link.
- Điều khiến cấp thứ 1 cung cấp các giá trị tham chiếu cho vòng điều khiến điện áp, dòng điện của các nguồn năng lượng phân tán Vòng điều khiến bên trong thường được gọi là cấp 0.
— Synchronization |, | : ba Z=2mH loop >&i = SE aaa — 4
` aii tales ia C=C C Ahh = == 7 C 1: ` L ban Ia Fi
H DOA ee mon ò ì ~>^ Vg fle ney 1 5 4 + f L lj ed 2 '
Vote POLS a PS fh | WR n ‘i — Ũ ot ae T } Vex ƒ Vy Ì 2p = b | Là | Lyi i, 4 li — ~ LO 4 oS a - { OO ad V5 i 1 J ‘ae abe ~~ abe ne abe abe ~~) abc abe Z l | |
= Ià—S/ (à>S©J Là< Zap œ8 ap PWM
_PH M ‘ I Lap Cap laap boas Ve ap {2a8 | tr a eg ee a oe
| | I2 k-Íu 1 iv Serio witsan | | | ap bế Inner loops 'e— Virtual Impedance loop ijt Virtual Impedance loop -ằ inner loops - ap | cancer SS ` it SE ccpei xo |
Dao a He pment stone sees Demmi | h Viera Inverter | Primary Control Strategy |! Inverter 2 Primary Control Strategy |V, „ |
! rep op - : i! : ref 208 h lculatt , ' reference ae ree Det Ce ea ae eet 1= — SA Ae
Hình 4.5 So đồ khối cấp điều khiến 1 va cấp 0
Cấp điều khiến thứ 1 bao gồm phan cứng điều khiến cơ bản, thường được gọi là cấp 0 trong đó bao gôm vòng điều khiến điện áp và vòng điều khiến dòng điện của nguồn năng lượng phân tán.
1.4 Cấp 0 (vong điều khiến bên trong)- Level 0 (inner control loops)
Van đề điều khiến của mỗi module Inverter được tích hợp ở cấp độ này Dòng điện và điện áp, thông tin hồi tiếp các vòng điều khiển tuyến tính, điều khiến phi tuyến có thé được thực hiện dé điều chỉnh điện áp đầu ra và để kiểm soát dòng điện để duy trì hệ thống
6n định: Cấp điều khiến 0 thường được thực hiện trong cả hai chế độ điều khiển PQ hoặc điện áp
Chế độ điều khiển công suất P,Q Trong chế độ điều khiến PQ, công suất tác dụng và công suất phản kháng của các nguồn năng lượng phân tán được điều khiến tại điểm tham chiếu được xác định trước, như thé hiện trong hình 4.6 Chiến lược điều khiến được thực hiện với một bộ biến đối nguồn áp dạng điều khiến dòng Trong hình 4.6, bộ điều khiến H, điều chỉnh điện áp DC-link và công suất tác dụng thông qua việc điều chỉnh biên độ của dòng điện tác dụng ngõ ra của bộ biến đối, bộ điều khiến H; điều chỉnh đầu ra công suất phản kháng bằng cách điều chỉnh biên độ của dòng điện phản kháng ngõ ra của bộ chuyền đổi. đt pc th =
PWM | *al Ío ref href ad P Và w+È Cine i) —- ig g” in, ig, Q
Hình 4.6 Chế độ điều khiến PQ với công suất tác dụng và công suất phản kháng.
N BESS
KẾT NÓI SONG SONG TRONG MICROGRID
1 Các bộ nghịch lưu kết nối song song trong Microgrid Một microgrid là tổ hợp các nguồn và cụm các tải hoạt động như một hệ thống điều khiến thong nhất cung cấp điện cho tải trong khu vực và kết nối lưới Cau trúc của microgrid bao gồm năm thành phan chính: các nguồn điện nhỏ, tải, thiết bị lưu trữ, hệ thống điều khiến và các điểm kết nối Năm thành phần này được kết nối với nhau tạo thành một mạng lưới phân phối điện Sự kết hợp của nhiều loại microsources và các loại tải khác nhau được hỗ trợ bởi giao diện là các bộ biến đối công suất.
Dé nâng cao công suất của microgrid, tăng lượng công suất truyén tải hay kết nối nhiều nguôn phát, các bộ nghịch lưu phải được kết nỗi song song Các bộ nghịch lưu hoạt động song song sẽ tạo thành hệ thống dự phòng, nâng cao độ tin cậy hệ thống, giảm khả năng quá tải của từng bộ nghịch lưu đồng thời tạo tính linh hoạt cho phép đóng ngất nguôn vào lưới một cách dễ dàng [4].
Thiết kế một hệ thống microgrid cung cấp điện với độ tin cậy cao ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt là cho các tải quan trọng Một trong những giải pháp thông dụng hiện nay là dùng các bộ nghịch lưu kết nối song song để nâng cao độ tin cậy, nâng cao hiệu suất nguồn phát, dé dang sửa chữa bảo trì bảo quản hoặc thay đổi cấu trúc microgrid Tuy nhiên, phải đảm bảo các microgrid làm việc ở cả hai chế độ: kết lưới và độc lập Trong chế độ độc lập các bộ nghịch lưu phải được điều khiến chia tải theo tỉ lệ công suất định mức của các bộ nghịch lưu, vì nếu dòng tải không được chia đều giữa các bộ nghịch lưu sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện lưu thông giữa các bộ nghịch lưu và làm quá tải thậm chí hư hỏng bộ nghịch lưu [7]-[9] Như vậy, việc chia tải cho các bộ nghịch lưu kết nối song song trong microgrid độc lập đang là van dé quan tâm hiện nay. a ms
FERRER
Hình 5.1 So đồ khối điều khiến Microgrid gồm ba bộ nghịch lưu kết nỗi song song
Sơ đồ khối Microgrid bao gồm các bộ nghịch lưu kết nỗi song song được trình bày trên hình 5.1 Trong đó các bộ nghịch lưu được tích hợp bởi bộ điều khiến với tín hiệu vào chung là điện áp và tốc độ đặt Tín hiệu hôi tiếp bao gồm điện áp và dòng điện của đo lường của từng bộ nghịch lưu.
Việc kết nối song song các bộ nghịch lưu chung thanh cái AC là van dé khó khăn và phức tap hơn nhiều so với việc kết nỗi song song các nguồn DC, vì mỗi bộ nghịch lưu phải đảm bảo chia đúng tải đồng thời đảm bảo đồng bộ trong hệ thông Vẫn đề đặt ra trong việc kết nối song song các bộ nghịch lưu là làm thế nào để chia tải và đảm bảo chúng được kết nối hay ngắt một cách linh hoạt không ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.
Một số van dé cơ ban cần phải được giải quyết khi nghiên cứu thiết kế hệ thống microgrids là van dé điều khiến: đây là van dé cơ bản quan trọng nhất trong hệ phân phối, là những khó khăn kỹ thuật liên quan đến điều khiến của một số lượng lớn nguồn phân tán Theo [1] đã đưa ra các hướng chính là:
- Chuyén đối chế độ hoạt động linh hoạt của microgrid: chế độ độc lập và chế độ kết nối lưới.
- Chia tải hợp lý giữa các bộ nghịch lưu kết nối song song trong microgrid ở chế độ độc lập.
- Đảm bảo cung cấp năng lượng ôn định và điều chỉnh điện áp.
- Đảm bảo thuận lợi cho INVERTER theo dõi sự thay đối của tải.
- Hòa đồng bộ microgrid với lưới điện công cộng.
- Nâng cao chất lượng và độ tin cậy của microgrid.
- Nâng cao hiệu suất của hệ thông.
2 Chiến lược điều khiến các bộ nghịch lưu song song trong Mierogrid Sự phát triển nhanh chóng của các bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã làm tăng các kỹ thuật điều khiến hoạt động song song các bộ nghịch lưu nhằm nâng cao tính ôn định của microgrid Trong đó, các bộ nghịch lưu điều khiển được sử dụng để đảm bảo tính chính xác của việc chia công suất, băng cách điều chỉnh được tần số và điện áp microgrid Phương pháp điều khiến được chia làm hai dạng: sử dụng truyền thông hoặc không sử dụng truyền thông [1].
2.1 _ Chiến lược điêu khiển sử dụng truyền thông Đối với microgrid, hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phương pháp chia tải cho các bộ nghịch lưu kết nối song song trong microgrid Phương pháp chia tải tích cực được sử dụng cho các bộ nghịch lưu kết nối song song dựa trên bus truyền thông Bộ điều khiến microgrid lần lượt cung cấp tín hiệu cụ thé cho từng bộ nghịch lưu Điều khiến chia tải tích cực là phương pháp dựa trên cơ sở truyền thông và sử dụng cho cau hình các bộ chuyển đổi song song Dòng điện hoặc công suất tác dụng / công suất phản kháng điểm tham chiếu được xác định thông qua phương pháp tiếp cận khác nhau như Centralized Control - Tập trung, Master-Slave, ALS — Average Load
Sharing-chia tải trung bình, và 3C- Circular Chain Control- Phương pháp điều khiến chuỗi tròn.
Chiến lược chia công suất dựa vào diéu khiến trung tâm: có sử dung giao tiếp giữa bộ điều khiến trung tâm và mỗi bộ nghịch lưu, thực hiện chia tải băng cách sử dụng bộ điều khiến trung tâm để đo lường tổng công suất tải và chia cho từng bộ nghịch lưu [10]-[12] Phương pháp này có thể điều khiển chính xác công suất thực và công suất khang, nhưng nó cần mạng truyền thông có độ rộng băng thông cao, nên độ tin cậy thấp.
Trong phương pháp điều khiến tập trung, dòng tải chung được phân bố đều giữa các nguôn bang cách thiết lập dòng điện giống nhau cho tat cả các bộ biến đối. ơ k‡ tc la
Hình 5.2 Điều khiến tập trung theo dòng điện
Hình 5.3 Điều khiến tập trung theo công suất
Chia tải theo kiểu Master/slave: trong cau hình điều khiến master/slave, bộ nghịch lưu master điều khiến giữ cô định điện áp, làm thông tin tham chiếu cho các bộ nghịch lưu slave ở chế độ điều khiển dòng hòa lưới Với việc sử dụng bộ nghịch lưu master như một máy phát đồng bộ góp phần ổn định lưới điện Dòng điện trên các bộ nghịch lưu slave được điều khiến bằng nhau và bằng đúng dòng điện trên bộ master, từ đó tai được chia đều cho tat cả các nguồn trong hệ thông Khi có một bộ nghịch lưu slave bị hỏng hoặc rã lưới, dòng điện sẽ được chia lại và vẫn bảo đảm cân băng cho tất cả các bộ nghịch lưu, nên về mặt điều khiến thì phương pháp nay tốt hơn so với việc sử dụng bộ điều khiến trung tâm Tuy nhiên, với việc điều khiến giữ cố định điện áp, công suất trên bộ nghịch lưu master không được điều khiến do dòng điện không được điều khiến [13]-[16] Hơn nữa, trong trường hợp có sự thay đối đột ngột về tải hoặc trạng thái của lưới, các bộ nghịch lưu slave không thé thay đổi tức thời với sự biến đối đó do cần phải cập nhật thông tin từ master Khi đó, bộ nghịch lưu master sẽ chịu sự quá độ về dòng và công suất lớn trong khoảng thời gian chuyển đổi cho đến khi hệ thống 6n định trở lại ở trạng thái mới nên dễ gây sự cố trong trường hợp hỏng bộ nghịch lưu master.
Nếu bộ master sự cố thi không được điều khiến chia tải, nên độ tin cậy thấp.
Trong phương pháp Master-Slaver, bộ biến đối chính hoạt động như một bộ biến đối nguồn áp và điều chỉnh điện áp đầu ra trong khi bộ biến đổi phụ hoạt động như bộ biến đổi nguồn dòng và thực hiện theo khuôn mẫu dòng điện của bộ biến đối chính.
Slave (CSI) i* (to other slaves)
Master Slaves Voltage source, | Current sources Equivalent load
Average Load Sharing: Trong điều khiến chia sẻ tải trung bình, các dòng điện tham chiếu cho các bộ biến đối được cập nhật liên tục và là dòng điện trung bình của tat cả các bộ biến doi (nhưng không phải là dòng điện tải).
(a)Syne Pay Qo Điều khiển chuỗi tròn: các bộ biến doi được coi là kết nỗi nối tiếp theo chuỗi, va dòng điện tham chiếu cho mỗi bộ biến doi được xác định bởi bộ biến đổi trước đó.
Phương pháp chia tải tích cực đòi hỏi phải có truyền thông với băng thông cao Tuy nhiên, phương pháp này cho phép chia dòng điện chính xác và chất lượng điện năng cao.
Fig.9 Block diagram of the current chain control (3C).
Hình 5.7 Điều khiến theo vòng 3C
Các phương pháp điều khiến này đạt được kết quả điều khiến điện áp và chia tải tốt nhưng yêu cầu bắt buộc có giao tiép trao đối tín hiệu giữa các bộ nghịch lưu thông qua hệ thống truyền thông phương pháp chia tải tích cực làm giảm độ tin cậy của hệ thống và khả năng mở rộng, chúng có một số nhược điểm được liệt kê dưới đây:
= Co sở hạ tang truyền thông cần một băng thông cao dé có thé chia sẻ thông tin động giữa các bộ nghịch lưu Điều này rất tốn kém và do khoảng cách kết nối giữa các biến tần là đáng kế ở trong khu vực, làm cho giải pháp không thực tế.
= Nếu có sự cô từ bộ điều khiến trung tâm sẽ làm hệ thống hoạt động không đúng.
= Thiết kế các thuật toán cho các tải của hệ thống microgrid là phức tạp bởi vì không thể đoán trước như trong các hệ thống điện thông thường.
= Các tín hiệu điều khiến phân phối làm giảm tinh thống nhất của microgrid và gây ra sự cô đặc biệt khi thông tin điều khiến là rất quan trọng.
AP=—-LAE, (5.22)
MÔ PHONG TREN NEN
1 XÂY DUNG MÔ HINH MO PHONG
Dé mô phỏng một lưới microgrid tương đối hoàn chỉnh, ta xây dựng mô hình từng biến tan kết nối với tải và lưới như bên dưới với thông số được lay từ thực tế Trong đó điện áp DC được cung cấp bởi các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, pin nhiên liệu Lưới AC sẽ cung cấp điện áp danh định với tần số 6n định lý tưởng như thực tế Mô hình có thé được mở rộng với hệ thong nhiều tải tuyến tính hay phi tuyến cũng như các nguồn INVERTERs kết hợp, các hệ thống bảo vệ quá dòng hay ồn định điện áp.
Hình 6.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống inverter đa nguồn đa chức năng
Trong từng biến tần, ta sẽ xây dựng các khối điều khiển với đường dây kết nối có thông số sát với khảo sát thực tế Từ đó hiện thực hóa phương pháp đề xuất với độ chính xác và tin cậy cao. Đầu tiên ta xây dựng với một biến tần kết nối tải và lưới, các bién tan sau có kết nối tương tự.
Lưới AC lì Œ lì Cf Til Duong day két
DC @ are ae a rd fat rd fay WY YYY > a as a Ỷ | | Ỷ YxY Y Ỷ | |
Bộ Điều Tref.abe Bô Điều Vief.abe Droop Control Tinh Vạn
Khién Khi an A & Virtual Toán = Dong P Impedance P&Q Tabe_0
Hình 6.2 Mô hình điều khiển một biến tan.
Mô hình điều khiển chia công suất và kết nỗi lưới của một bộ biến tần gồm các thành phan chính như sau:
= Cac khối đo lường dòng điện và điện áp.
= Khối tính toán công suất P, Q cân thiết cho từng bién tan.
= Bộ điều khiển áp (Voltage Control).
= Bộ điều khiển dong (Current Control).
“ Các khối chuyền trục dq/oB.
= Khdi Droop Control có nhiệm vụ chia tai cho từng bộ biến tan.
= Khối PLL kết nói lưới tạo điện áp và dòng điện tham chiếu.
Mô hình Matlab Simulink tương ứng: rp ee aa i
Program mable Voltage Source Load 1 a wT =
From1 Three-Phase Eresker 1 Local bad
Current control loos_sn _thets
Hình 6.3 Mô hình trong Matlab Simulink
11 Khối đo dòng điện Dòng điện ba pha được đọc về từ điểm nối chung sau đó đưa vào Khối đo dòng điện giúp chuyên giá tri từ hệ trục abc sang hệ trục dq, tiện lợi cho việc tính toán điêu khién.
Mô hình hóa : labc ———>| Do |——+ ld
Dong Góc [heta————* | pién| ———_ Iq Đối với dòng [i], ta có phương trình sau :
=5 lí, cos @,t +i, COs (a —120° ) +i, COS (a +120° )| i= S0 sin Ot +1, sin(/ -120°)+ là sin(®/ +120" )
Mô hình Matlab Simulink tương ứng :
——— ia ib ic vd > 149 a [I_Inv_ d] s+314”*10 Transfer Fcn8
[Theta] >—| theta_in Vq > 34410 a [I_Inv_ q] s+314*10
From2 Transfer Fcn7 Goto4 abc_dq_current
Hình 6.4 Mô hình khối do và chuyển đổi dòng điện ia ib ic
Hình 6.5 Bên trong của khối chuyển đổi với T1 và T3 là phương trình đổi trục
12 Khối đo điện áp Điện áp ba pha cũng được đọc về từ điểm nối chung sau đó đưa vào Khối đo điện áp giúp chuyên giá tri từ hệ trục abc sang hệ trục dq, tiện lợi cho việc tính toán điêu khiên.
Vabc Do Vd Điện Góc Theta———> | Áp Vq
Tương tự với dòng điện, ta có được phương trình chuyén trục như sau:
Mô hình Matlab Simulink tương ứng: theta in |£—— Va Vb Vc |££—— abc_dq Voltage4 o cơ
Hình 6.6 Mô hình khối do và chuyên đổi điện áp
13 Khối đo lường và tính toán công suất P và Q
Từ dòng điện và điện áp tại điểm nỗi chung, sau khi đã được chuyển trục, ta dé dàng tính được công suất thực và công suất phản kháng của từng bộ biến tân.
Từ đó tính được công suất như sau:
Mô hình Matlab Simulink tương ứng:
Hình 6.7 Mô hình khối do, tinh công suất P va Q
14 — Khối điều khiến điện áp Để điều khiển được điện áp ngõ ra theo đúng giá tri yêu cau, ta cần một bộ điều khiển điện áp với thông số ngõ vào là điện áp đặt được tính toán trước, điện áp đo ngay tại thời điểm tính toán, ngõ ra bộ điều khiển sẽ là dòng được tính toán phù hợp nhăm giúp điện áp đo luôn bám theo chính xác điện áp yêu cầu.
7; _f JeŒ) so Veag© d ig (t ie (t : jE (t
Suy ra: (C — en + (jw, er? = (ig er? = (ig er” = = w(t) Đơn giản e*” 2 về ta được :
Wa = Cwl(t)v, +1, —l„ dv, ơ CC = Cw(t)v, +1, —
Mô hình Matlab Simulink tương ứng:
Hình 6.8 Mô hình mô phỏng bộ điều khiến áp
15 Khối điều khiến dòng điện
Tương tự như bộ điều khiển điện áp, bộ điều khiển dòng điện có chức năng tính toán điện áp ngõ ra phù hợp nhăm mục đích điều chỉnh dòng điện đo về bám theo chính xác giá dòng điện yêu cầu được tính toán từ trước.
Ta có phương trình m(t) =(m, + jm, je"
H je) Voc - je) Tacó: “Yat JV Je = Ty Vu + jm, Je
DC mM, =——(U, ~ LWolg + Veg)2 Voc
Mô hình Matlab Simulink tương ứng:
@® 3 Current control id idref PI() ghd
Hình 6.9 Mô hình mô phỏng của khối điều khiển dòng điện
1.6 Khối chuyển đỗi hệ trục dq sang af và tính ty số điều chế biên độ m.
Sau khi đã có Vtd và Vtq phù hợp từ các khối điều khiển điện áp va dòng điện bên trên, ta sẽ chuyển đổi điện áp từ hệ trục dq sang hệ trục af và tìm được tỷ số điều chế biên độ m của ngõ ra như sau Trong đó Vdc là điện áp DC từ nguồn năng lượng mặt trời hay pin nhiên liệu. hoa = Fg COS, — Fra sind, top = Soa Sin 6, — f,, sm 6, a= cos(O)*V,.— sin(ỉ)*V., q
Mô hình Matlab Simulink tương ứng: dqthetaframe_rtheta Saturation
(3 )} beta cos_theta theta beta
Hình 6.10 Mô hình khối chuyển đổi dq/a và tinh ty số điều chế m Từ a và ở trên sẽ được tính toán dé cho ra góc 0 tương ứng của hệ trục a và B: tị phi_alpha theta
VFHình 6.11 Khối tinh toán góc 0 tương ứng của hệ trục a va B
1.7 Khối Droop Control Ta có công thức Droop Control truyền thống như sau:
Khối Droop Control truyền thống sẽ điều chỉnh điện áp và tan số ngõ ra của bộ nghịch lưu phù hợp với tỷ lệ công suất tải cho trước Tuy nhiên khi trở kháng đường dây giữa các bộ nghịch lưu chênh lệch lớn, có thé xảy ra sai số chia công suất và độ sụt áp gia tăng.
Mô hình Khối tạo xung SVPWM bao gồm ty số điều chế biên độ m va giá trị góc 0 được tinh toán từ 2 khối trên, kết hợp với tần số f, của sóng mang và bộ tính toán thời gian, được đưa vào bộ Matlab function SVPWM Đây chính là phương pháp điều chế Vector không gian (Space Vector) được viết lại dưới dạng code trong Matlab Simulink.
Mô hình Matlab Simulink tương ứng: m s m s2 alpha1 alpha s3
Hình 6.12 Khối tao xung SVPWM
19 Khối PLL 3 pha Đây là khối khi đọc về điện áp ba pha của hệ thong microgrid, nó sẽ dùng thuật toán dé dò tim được pha và tan số của điện áp ba pha đọc về.
Dưới đây là một mô hình PLL dùng trong matlab.
Gain f abc Transport abc Delay #—>|PI_in
= dq0 Pl_in đất ou >
J_ out Ƒ*> DI +—! —**>|song abc2dq0 song PID mod r3 TM ° 2*pi i234 —]Ì
Hinh 6.13 M6 hinh Matlab Simulink PLL 3 pha
1.10 Điều khiến điện áp DC đầu vào INV
Khi công suất nhận được về từ nguôn năng lượng mặt trời (PV), hoặc nguồn năng lượng gió (PMSG), trong bộ PV đã cho bộ buck — boost và trong hệ thống PMSG cũng có điều khiển điện áp DC ngõ ra cho ôn định băng phương pháp đóng cắt sáu xung IGBT băng thuật toán Nhưng dé ồn định điện áp DC đầu vào INV, và để đảm bảo công suất cấp cho hệ thống ồn định hơn, ta có thêm bộ điều khiển cho ac quy.
Temperature_op PV | Si ® 2 ` pane Boost conv -
Hinh 6.14 M6 hinh Matlab Simulink b6 PV
Cw] VSC1 Control 1/w_nom — (71)
Hình 6.18 Mô hình Matlab Simulink bộ đệm chuyên đổi từ chế độ cục bộ sang kết nối 2 KET QUÁ MO PHONG
TRIEN CUA DE TAI
Sau quá trình nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, đề tài đã đạt được những mục tiêu đề ra bao gôm:
+ Nghiên cứu làm chủ công nghệ chê tạo bộ nghịch lưu với ngõ vào đa nguồn công suat định mức 3kW với nguồn pin mặt trời, nguôn gió, ăcquy có thê làm việc linh hoạt ở chê độ độc lập, chê độ kết noi lưới điện, chê độ bộ nguồn liên tục (UPS).
+ Nghiên cứu các giải thuật điều khiến chia tai P,Q giữa các bộ nghịch lưu kết nỗi song song theo phương pháp Droop Trong đó:
- _ Nghiên cứu các giải thuật nâng cao chất lượng điện năng khi tải tuyến tính va phi tuyên.
- _ Nghiên cứu giải thuật điều khiến thích nghỉ đảm bảo các bộ nghịch lưu kết nôi linh hoạt và làm việc hiệu quả ở các chê độ.
- Dé tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết các van dé liên quan, sau đó đưa ra cải tiến và kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng mô phỏng trên phan mềm MATLAB.
2 Kiến nghị Đề tài đã nhận được những kết quả đáng kể, thông số kỹ thuật đạt được phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam và quốc tế Ngoài ra, các linh kiện dễ dang mua ở Việt Nam,vì vậy có thé phát triển công nghệ thiết kế hàng loạt trong điều kiện Việt Nam.