Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán

Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ NGUỒN PHÂN TÁN

Ngành : Kỹ thuật điện Mã số : 9520201

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2024

Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Nguyễn Đức Huy 2 PGS TS Trần Bách

Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội

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

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1 Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội 2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Xu hướng phát triển lưới điện gắn liền với phát triển các nguồn điện phân tán (DG) sử dụng năng lượng tái tạo Nguồn DG kết nối vào lưới điện có thể là nguồn năng lượng mặt trời, nguồn điện gió, nguồn khí tự nhiên, khí biogas Khái niệm lưới điện nhỏ, hoặc siêu nhỏ (microgrid - MG) được đề xuất để mô tả các hệ thống điện quy mô nhỏ, tuy nhiên có đầy đủ các thành phần của lưới điện, bao gồm các nguồn phát, hệ thống đường dây truyền tải và các phụ tải

Một số đặc điểm khác biệt giữa MG và lưới điện truyền thống: • Trong lưới truyền thống, khả năng cân bằng công suất giữa nguồn và tải để duy trì tần số trước các dao động nhỏ dựa trên quán tính quay của hệ thống Trong khi đó, thiết bị phát chủ yếu trong MG là các thiết bị điện tử công suất có quán tính không đủ lớn

• MG kết nối với lưới hạ áp hoặc trung áp chủ yếu là lưới điện trở, công suất tác dụng truyền giữa các đường dây dựa vào biên độ điện áp, trong khi lưới truyền thống là lưới điện kháng truyền tải công suất tác dụng dựa vào chênh lệch góc pha

• Nguồn sơ cấp trong MG chủ yếu là nguồn năng lượng tái tạo có tính liên tục không cao nên cũng ảnh hưởng tới công tác điều khiển vận hành MG Thêm nữa, sự đa dạng trong công nghệ của các DG cũng gây ra sự khó khăn trong quá trình điều khiển vận hành MG

Mặc dù có nhiều khác biệt về đặc điểm động học và vận hành, kiến trúc điều khiển của MG, cho đến thời điểm hiện nay vẫn dựa trên nguyên tắc điều khiển phân tầng được áp dụng cho các hệ thống lớn Theo đó, các quá trình điều khiển tần số và điện áp được phân tầng thành điều khiển sơ cấp, thứ cấp, điều khiển cấp 3 – tương tự như kiến trúc điều khiển của các hệ thống điện lớn Điều khiển phân tầng là một kiến trúc mà tính hiệu quả của nó đã được minh chứng cho lưới điện truyền thống với các máy điện đồng bộ, với lưới điện có tỉ số X/R lớn Đối với lưới điện nhỏ, hiệu quả của kiến trúc điều khiển này, cũng như phương pháp tính toán tối ưu thông số cho các vòng điều khiển là một chủ đề vẫn cần nhiều nghiên cứu phát triển Báo cáo của nhóm nghiên cứu IEEE về mô hình hóa và điều khiển microgrid năm 2018 tóm lược một số vấn đề căn bản, gồm có:

• Tỉ số X/R thấp dẫn đến sự tương tác mạnh giữa vòng điều khiển tần số và điện áp;

• Sự thiếu hụt nguồn đồng bộ dẫn đến quán tính của lưới rất yếu, dễ dẫn đến các vấn đề về ổn định điện áp;

• Sự xuất hiện các quá trình động học và các dạng ổn định mới, liên quan đến các bộ điều khiển khóa pha (PLL), và các dạng ổn định liên quan đến cộng hưởng sóng hài

Mô hình tín hiệu nhỏ là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong phân tích ổn định và điều khiển các hệ thống điện lớn Mô hình này dựa trên giả thiết quá trình động học của hệ thống điện có thể được mô tả xấp xỉ bằng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc Đối với MG, tần số của các dao động riêng cao hơn nhiều các tần số dao động điện-cơ trong lưới điện truyền thống Vì vậy quá trình quá độ trong các mạch RLC của lưới điện cần được xét đến, làm tăng thêm tính phức tạp của phương pháp này Mặc dù vậy, mô hình tuyến tính hóa vẫn đóng vai trò quan trọng và cần được sử dụng

Mục tiêu

Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình dao động nhỏ MG có xét đầy đủ các yếu tố có thể được lược bỏ trong quá trình xây dựng mô hình lưới hệ thống Từ mô hình xây dựng được, nghiên cứu tiếp tục đi sâu xây dựng các bộ điều khiển tần số và điện áp lưới trong chế độ tách lưới

Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp và phân tích các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về quá trình xây dựng mô hình dao động nhỏ các phần tử đơn lẻ cũng như toàn thể MG Đề xuất mô hình và kiểm chứng mô hình trên công cụ Matlab/Simulink với lưới mẫu của IEEE Từ đó nghiên cứu gắn các bộ điều khiển tần số và điện áp vào mô hình, kiểm chứng lại các kết quả khi đưa các kích động về công suất

Đóng góp chính của luận án

Những đóng góp chính của luận án: - Xây dựng mô hình dao động nhỏ của MG ở dạng tổng quát Kiểm chứng sự tương đồng giữa mô hình dao động nhỏ và kết quả mô phỏng trong miền thời gian Mô hình dao động nhỏ có xét đến ảnh hưởng của bộ điều khiển PLL, xét đến mô hình bậc cao của máy điện đồng bộ - Nghiên cứu bài toán điều khiển tần số và điện áp dựa trên mô hình đề xuất Phát triển mô hình dao động nhỏ của MG với các vòng điều

khiển tần số và điện áp theo kiến trúc phân tầng (điều khiển sơ cấp, thứ cấp) Đánh giá tính ổn định của MG với mô hình điều khiển phân tầng nói trên

- Áp dụng mô hình dao động nhỏ, khảo sát ảnh hưởng của chế độ điều khiển máy đồng bộ ảo (VSG) trong điều khiển tần số của MG với mô hình đề xuất

Bố cục của luận án Chương 1: Tổng quan điều khiển microgrid

Nội dung chính của Chương 1 là tổng quan về cấu trúc lưới, các mô hình toán học đã được xây dựng của lưới MG Chương 1 cũng tiến hành tổng quan các nghiên cứu liên quan phối hợp điều khiển trong MG bao gồm các phân cấp điều khiển và một số cấu trúc hệ thống điều khiển

Chương 2: Mô hình dao động nhỏ microgrid

Nội dung chương 2 tập trung vào xây dựng mô hình dao động nhỏ MG với các nguồn đặc trưng bao gồm máy phát điện đồng bộ, các nguồn nối lưới thông qua các bộ biến đổi công suất, đường dây truyền tải và các phụ tải điện Trên cơ sở mô hình được xây dựng và xác thực với mô hình trên Simcape, chương 2 cũng đã tiến hành phân tích mô hình bao gồm phân tích trị riêng cũng như các đáp ứng mô hình trong miền thời gian và miền tần số

Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển tần số và điện áp

Dựa trên mô hình đối tượng MG được xây dựng trong Chương 2, Chương 3 tiến hành xây dựng các bộ điều khiển tần số và điện áp và kiểm tra các đáp ứng của đối tượng với bộ điều khiển

Chương 4: Ổn định của microgrid với phương pháp điều khiển dựa trên máy phát đồng bộ ảo

Nội dung chương 4 tiến hành nghiên cứu về phương pháp quán tính ảo nhằm gia tăng quán tính lưới thông qua bộ điều khiển máy phát đồng bộ ảo gắn trên các bộ IBRs nguồn áp Chương 4 cũng tiến hành phân tích, hiệu chỉnh bộ điều khiển máy phát đồng bộ ảo nhằm đưa các thông số lưới, đặc biệt là tần số trong giới hạn cho phép trong trường hợp các biến động công suất xuất hiện

Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển của luận án, tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố và phần phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN MICROGRID

Chương 1 tiến hành tổng quan về cấu trúc lưới, các mô hình toán học, cách thức phối hợp điều khiển trong MG bao gồm các phân cấp điều khiển và một số cấu trúc hệ thống điều khiển

1.1 Tổng quan về cấu trúc Microgrid

Sự gia tăng mức độ tham gia của các nguồn điện phân tán như điện gió, điện mặt trời trong những năm gần đây giúp cải thiện chỉ tiêu độ tin cậy trong hệ thống điện Tuy nhiên, quá trình điều khiển và vận hành các DG, chủ yếu là nguồn phát đồng bộ công suất nhỏ hoặc được nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất, mang nhiều đặc điểm khác biệt với nguồn phát truyền thống Theo đó, xu hướng hình thành MG từ việc kết nối các DG và phụ tải địa phương có khả năng hoạt động trong cả hai chế độ nối lưới và tách lưới giúp tăng sự hiệu quả hoạt động của các DG cũng như chỉ tiêu độ tin cậy toàn hệ thống

Điều khiển và vận hành MG có những khác biệt so với lưới truyền

thống Cụ thể, (i) quán tính quay của hệ thống giúp lưới truyền thống

duy trì tần số trước các dao động nhỏ, trong khi MG thiếu hụt quán tính do nguồn phát chủ yếu nối lưới thông qua thiết bị điện tử công

suất có quán tính nhỏ (ii) MG kết nối với lưới hạ áp hoặc trung áp chủ

yếu là lưới điện trở, công suất tác dụng truyền giữa các đường dây dựa vào biên độ điện áp, trong khi lưới truyền tải truyền thống là lưới điện

kháng truyền tải công suất tác dụng dựa vào chênh lệch góc pha (iii)

nguồn sơ cấp trong MG chủ yếu là nguồn năng lượng tái tạo có tính liên tục không cao nên ảnh hưởng lớn tới công tác điều khiển vận hành MG

1.2 Tổng quan về mô hình toán học Microgrid

Khi phân tích ổn định dao động nhỏ trong hệ thống điện truyền thống, hằng số thời gian của các dao động điện cơ lớn hơn rất nhiều hằng số thời gian quá trình quá độ trên lưới Do vậy, các phân tích ổn định này bỏ qua các quá trình quá độ trên lưới Đối với MG, nếu bỏ qua quá trình quá độ trên lưới sẽ gây ra nhiều sai số vì vậy việc xây dựng một mô hình toán học đầy đủ nhằm phân tích ổn định MG có xét tới dao động quá độ trên lưới là rất cần thiết

Nghiên cứu của tác giả Kateriei đã đề xuất một phương pháp xây dựng mô hình cho MG Các phần tử trong MG được nghiên cứu đề cập bao gồm máy phát đồng bộ, nguồn IBR và lưới điện Các mô hình này được xây dựng một cách độc lập với hệ trục tọa đội riêng của mỗi

phần tử, và các mô hình này được khái quát hóa dưới dạng các sơ đồ khối Máy phát đồng bộ có vector biến đầu vào là điện áp và vector biến đầu ra là dòng điện Trong khi đó, sơ đồ khối của IBR là biến đầu vào là vector dòng điện và vector biến đầu ra là điện áp Mô hình sơ đồ khối lưới điện đóng vai trò trung tâm kết nối các mô hình phần tử còn lại có vector biến đầu vào là điện áp và vector biến đầu ra là vector dòng điện Qua đó, đánh giá phương pháp được đề xuất trong nghiên cứu rất có giá trị trong việc xây dựng mô hình tổng quát MG bao gồm nhiều phần tử phức tạp

Nghiên cứu của nhóm tác giả N.Pogaku trình bày phương pháp ghép nối các mô hình IBR trong MG Nghiên cứu đã đưa mô hình trạng thái dưới dạng sơ đồ khối với vector đầu vào của IBR là vector điện áp, vector biến đầu ra là vector dòng điện Để phù hợp cho việc kết nối các mô hình trạng thái, mô hình trạng thái lưới điện có biến đầu vào vector dòng điện và vector đầu ra là vector điện áp

1.3 Tổng quan phối hợp điều khiển trong Microgrid 1.3.1 Phân cấp điều khiển Microgrid

Khi làm rõ được các đặc điểm khác biệt giữa lưới truyền thống và MG, bài toán ổn định và điều khiển MG sẽ được giải quyết, cụ thể một số vấn đề chính trong ổn định và điều khiển MG :

• Điều khiển điện áp và dòng điện đầu ra của các DG; • Cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng

trong MG; • Điều khiển điện áp và tần số trong MG; • Quản lý phụ tải;

• Quá trình quá độ chuyển đổi từ chế độ nối lưới sang độc lập và ngược lại

Các vấn đề điều khiển trên có mục tiêu khác nhau trong các giai đoạn khác nhau, do vậy cần phân cấp điều khiển MG Theo cách tiếp cận truyền thống, UCTE phân cấp điều khiển MG thành 3 cấp: Sơ cấp, Thứ cấp, Cấp ba Điều khiển sơ cấp tập trung vào các vòng lặp điều khiển dòng điện và điện áp nội bộ các DG Điều khiển thứ cấp có nhiệm vụ đảm bảo đưa sai số điện áp và tần số về không trước mỗi sự thay đổi của tải và nguồn Điều khiển cấp ba có nhiệm vụ giữ ổn định MG trước các sự cố nghiêm trọng, ngoài ra trong chế độ làm việc bình thường điều khiển cấp ba còn có nhiệm vụ giúp MG vận hành tối ưu chỉ tiêu kinh tế

Hình 1-4 Phân cấp điều khiển MG

1.3.2 Điều khiển sơ cấp

Bộ điều khiển sơ cấp được thiết kế với các mục tiêu sau: • Ổn định điện áp và tần số, trong quá trình thay đổi chế độ từ nối lưới sang chế độ hoạt động tách lưới, sự thay đổi đột ngột về cân bằng công suất gây ra các dao động lớn về điện áp và tần số Nếu các bộ điều khiển không can thiệp kịp thời có thể gây ra sự mất ổn định điện áp và tần số

• Đưa ra phân bố dung lượng công suất đặt lên các DG

1.3.3 Điều khiển thứ cấp

Kết thúc quá trình điều khiển sơ cấp, độ lệch tần số và điện áp còn tồn tại trong MG Nhiệm vụ chính của điều khiển thứ cấp là đưa độ lệch này về giá trị không sau mỗi thay đổi về tải và nguồn phát

toàn lưới với các bộ điều khiển bên ngoài các DG và cấp các giá trị đặt cho điều khiển sơ cấp

1.3.4 Điều khiển cấp 3

Trong chế độ vận hành nối lưới, mục tiêu vận hành là tối ưu hóa nguồn lợi từ các DG Các đại lượng tần số và điện áp trên điểm PCC được quyết định bởi lưới hệ thống, do đó thông số đầu vào các giá trị đặt lên điều khiển thứ cấp của MG được đưa vào từ lưới hệ thống Tần

số góc ωref, thông số đặt vào điều khiển thứ cấp là thông số được điều khiển thông qua bộ điều khiển PI các sai số giữa Pref và PG Tương

tự, điện áp vref được điều chỉnh bởi khâu điều khiển PI các sai số của

công suất phản kháng Qref và QG Trong đó: PG và QG là giá trị được

tính toán dựa trên giá trị dòng điện và điện áp đo được Pref và Qref là giá trị đặt của điều khiển cấp 3

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH DAO DỘNG NHỎ MICROGRID

Đối với lưới điện Microgrid, do quán tính nhỏ, các nghiệm riêng tương ứng với dao động điện cơ có sự liên kết mạnh hơn với các dao động điện từ trong lưới, do vậy không thể bỏ qua các quá trình quá độ trên lưới điện Vì vậy, để có thể nghiên cứu đầy đủ các vấn đề về điều khiển và ổn định đối với MG có các nguồn dựa trên điều khiển điện tử công suất, việc sử dụng mô hình toán có xét đến quá trình quá độ trên các phần tử mạch của lưới điện là cần thiết

2.1 Cơ sở toán học 2.1.1 Mô hình tuyến tính trong không gian trạng thái

2.1.2 Biến đổi trục tọa độ abc – dq

2.2 Mô hình dao động nhỏ máy phát điện đồng bộ 2.2.1 Phương trình máy điện theo hệ trục rotor 2.2.2 Mô hình trạng thái đầy đủ máy điện đồng bộ

Mô hình máy phát đồng bộ được biểu diễn dưới dạng sơ đồ khối trong Hình 2-, trong đó vector biến đầu vào là điện áp và vector biến đầu ra là vector dòng điện

Hình 2-4 Mô hình tuyến tính đầy đủ máy phát đồng bộ

2.3 Mô hình dao động nhỏ nguồn phân tán nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất - IBR

2.3.1 Cấu trúc bộ biến đổi công suất 2.3.2 Mô hình trung bình bộ biến đổi công suất 2.3.3 Chế độ nguồn áp

Máy phát đồng bộ công suất lớn giữ vai trò duy trì tần số và điện áp MG ở chế độ nối lưới, tuy nhiên trong chế độ tách lưới vai trò này được chuyển tới các nguồn IBR nội bộ Các nguồn IBR ở chế độ nguồn áp cũng được thiết kế theo hướng đảm bảo các yêu cầu về tần số và điện áp

2.3.3.1 Mô hình bộ lọc LC 2.3.3.2 Mô hình bộ điều khiển điện áp 2.3.3.3 Mô hình bộ điều khiển dòng điện 2.3.3.4 Mô hình đầy đủ nguồn IBR chế độ nguồn áp

Hình 2-14 Mô hình tuyến tính đầy đủ nguồn IBR ở chế độ nguồn áp

2.3.4 Chế độ nguồn dòng

2.3.4.1 Mô hình bộ khóa pha 2.3.4.2 Mô hình bộ điều khiển công suất

2.3.4.3 Mô hình đầy đủ IBR chế độ nguồn dòng

Hình 2-19 Mô hình tuyến tính hóa đầy đủ nguồn IBR nguồn dòng

2.4 Mô hình dao động nhỏ đường dây và phụ tải 2.4.1 Mô hình nhánh điện kháng

2.4.2 Mô hình phụ tải

Hình 2-21 Mô hình tuyến tính đường dây và phụ tải

2.5 Mô hình dao động nhỏ đầy đủ MG

Hình 2- 23 Mô hình tổng thể MG

2.6 Xác thực mô hình 2.6.1 Thông số sơ đồ mô hình lưới nghiên cứu

Hình 2-24 Sơ đồ MG nghiên cứu

2.6.2 So sánh mô hình không gian trạng thái và mô hình trên Simcape

Hình 2-25 So sánh điện áp tại nút 2 giữa hai mô hình

Hình 2-26 So sánh tần số giữa hai mô hình khi có biến động

2.7 Phân tích mô hình dao động nhỏ MG 2.7.1 Phân tích trị riêng mô hình dao động nhỏ

Bảng 2- 4 Trị riêng của mô hình đối tượng lưới nghiên cứu

Trị riêng