1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

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

123 8 0
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán
Tác giả Nguyễn Văn Hùng
Người hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đức Huy, PGS.TS Trần Bách
Trường học Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành Kỹ thuật Điện
Thể loại Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Điện
Năm xuất bản 2024
Thành phố Hà Nội
Định dạng
Số trang 123
Dung lượng 4,57 MB

Cấu trúc

  • 1.1 Tổng quan về cấu trúc Microgrid (20)
  • 1.2 Tổng quan về mô hình toán học Microgrid (22)
  • 1.3 Tổng quan phối hợp điều khiển trong Microgrid (24)
    • 1.3.1 Phân cấp điều khiển Microgrid (24)
    • 1.3.2 Điều khiển sơ cấp (27)
    • 1.3.3 Điều khiển thứ cấp (32)
    • 1.3.4 Điều khiển cấp 3 (34)
  • 1.4 Kết luận chương 1 (35)
  • CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH DAO DỘNG NHỎ MICROGRID (36)
    • 2.1 Cơ sở toán học (36)
      • 2.1.1 Mô hình tuyến tính trong không gian trạng thái (36)
      • 2.1.2 Biến đổi trục tọa độ abc – dq (38)
    • 2.2 Mô hình dao động nhỏ máy phát điện đồng bộ (40)
      • 2.2.1 Phương trình máy điện theo hệ trục rotor (41)
      • 2.2.2 Mô hình trạng thái đầy đủ máy điện đồng bộ .................................................. 29 2.3 Mô hình dao động nhỏ nguồn phân tán nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất (43)
      • 2.3.1 Cấu trúc bộ biến đổi công suất (45)
      • 2.3.2 Mô hình trung bình bộ biến đổi công suất (48)
      • 2.3.3 Chế độ nguồn áp (49)
      • 2.3.4 Chế độ nguồn dòng (55)
    • 2.4 Mô hình dao động nhỏ đường dây và phụ tải (59)
      • 2.4.1 Mô hình nhánh điện kháng (59)
      • 2.4.2 Mô hình phụ tải (60)
    • 2.5 Mô hình dao động nhỏ đầy đủ MG (61)
    • 2.6 Xác thực mô hình (63)
      • 2.6.1 Thông số sơ đồ mô hình lưới nghiên cứu (63)
      • 2.6.2 So sánh mô hình không gian trạng thái và mô hình trên Simcape (65)
    • 2.7 Phân tích mô hình dao động nhỏ MG (66)
      • 2.7.1 Phân tích trị riêng mô hình dao động nhỏ (66)
      • 2.7.2 Đáp ứng thời gian và tần số (67)
    • 2.8 Kết luận Chương 2 (72)
  • CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 59 (73)
    • 3.1 Đặc tính độ dốc P-ω và Q-V (73)
    • 3.2 Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn áp (76)
    • 3.3 Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn dòng (78)
    • 3.4 Mô hình bộ điều khiển tần số trong lưới (80)
    • 3.5 Mô hình bộ điều khiển điện áp trong lưới (81)
    • 3.6 Phân tích trị riêng và các đáp ứng của mô hình khi có mạch vòng điều khiển . 68 (82)
      • 3.6.1 Vòng điều khiển điện áp (82)
      • 3.6.2 Vòng điều khiển tần số (86)
    • 3.7 Phân tích độ nhạy và ảnh hưởng của thay đổi tham số điều khiển (88)
      • 3.7.1 Thay đổi công suất máy diesel (89)
      • 3.7.2 Thay đổi hệ số điều khiển của bộ PLL (90)
      • 3.7.3 Thay đổi hệ số khuếch đại mạch vòng điều khiển điện áp (90)
      • 3.7.4 Thay đổi công suất phát của máy IBR3 (92)
      • 3.7.5 Ảnh hưởng của thông số bộ điều khiển độ dốc (92)
      • 3.7.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ X/R (93)
    • 3.8 Kết luận chương 3 (94)
  • CHƯƠNG 4. ỔN ĐỊNH CỦA MICROGRID VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO (96)
    • 4.1 Ảnh hưởng của quán tính quay tới ổn định tĩnh hệ thống (96)
      • 4.1.1 Quán tính quay của máy phát đồng bộ (96)
      • 4.1.2 Quán tính ảo cho nguồn IBRs (99)
    • 4.2 Mô hình bộ điều khiển quán tính ảo bộ biến đổi nguồn áp dựa trên phương trình (100)
  • quay 86 (0)
    • 4.2.1 Điều khiển công suất tác dụng có giả lập quán tính (101)
    • 4.2.2 Điều khiển công suất phản kháng (102)
    • 4.2.3 Mô hình dao động nhỏ Microgrid có xét tới bộ điều khiển VSG (103)
    • 4.3 Phân tích ổn định của mô hình (103)
      • 4.3.1 Phân tích trị riêng (104)
      • 4.3.2 Phân tích đáp ứng quán tính trong miền tần số và miền thời gian (108)
    • 4.4 Mô phỏng trong miền thời gian (111)
    • 4.5 Kết luận Chương 4 (112)
    • 1. KẾT LUẬN (113)
    • 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN (115)
  • TÀI LIỆU THAM KHẢO (116)

Nội dung

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.

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 [8][9][10] 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 [11][12] Cấu trúc điển hình của một MG được thể hiện trong Hình 1-1

Hình 1-1 Cấu trúc điển hình MG

Có nhiều định nghĩa về MG, tuy nhiên cách diễn giải trong [8] là đầy đủ, khoa học và có nhiều điểm chung với các tài liệu công bố khác Theo đó, “Microgrid được định nghĩa là một mạng lưới cung cấp điện và nhiệt quy mô nhỏ, điện áp thấp, thiết kế để cung cấp điện và nhiệt cho các cộng đồng nhỏ: các khu dân cư ngoại ô, như trường đại học hoặc trường học, khu vực thương mại, khu công nghiệp, khu thương mại, hoặc khu vực đô thị Microgrid hoạt động như một mạng lưới phân phối chủ động 2 , bao gồm các hệ thống phát điện phân tán (DG) và các phụ tải Các máy phát hoặc nguồn trong một microgrid thường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo hoặc phi truyền thống và được tích hợp để vận hành, đảm bảo chất lượng điện và đáp ứng nhu cầu năng lượng tại chỗ như một thực thể độc lập.”

Tài liệu [8] cũng chỉ rõ: “… trên phương diện vận hành, các nguồn trong lưới microgrid cần được trang bị giao diện điện tử công suất (PEI) Các thiết bị điện tử công suất đóng vai trò thiết yếu vì chúng tạo ra khả năng vận hành linh hoạt, đảm bảo các thông số vận hành Sự linh hoạt cũng giúp cho nhiều nguồn PEI có thể phối hợp với nhau, khiến cho MG tham gia vào lưới điện như một thể thống nhất, ” Điều khiển và vận hành MG có những khác biệt so với lưới truyền thống Cụ thể,

Tần số của lưới điện truyền thống được duy trì nhờ quán tính quay của máy điện đồng bộ, trong khi máy phát điện phân tán (MG) lại thiếu quán tính do chủ yếu kết nối với lưới thông qua thiết bị điện tử công suất có quán tính nhỏ MG thường kết nối với lưới hạ áp hoặc trung áp, nơi công suất tác dụng truyền đi phụ thuộc vào biên độ điện áp Ngược lại, lưới truyền tải truyền thống dựa vào chênh lệch góc pha để truyền công suất tác dụng Nguồn sơ cấp của MG chủ yếu là năng lượng tái tạo, vốn có tính liên tục không cao và gây ảnh hưởng đến quá trình điều khiển vận hành MG.

Trong chế độ nối lưới, điện áp và tần số phụ thuộc nhiều vào lưới hệ thống Tuy nhiên, khi tách lưới, điện áp và đặc biệt là tần số được quyết định bởi quan hệ công suất trong nội bộ MG [15] Điều chỉnh phân bố công suất giữa các DG cũng như điện áp tại mỗi đầu cực được thực hiện bởi bộ điều khiển của các DG Theo đó, nghiên cứu [16][17] đề xuất DG kết nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất có thể vận hành ở chế độ nguồn dòng CSI hoặc chế độ nguồn áp VSI Trong chế độ tách lưới, bộ biến đổi VSI đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định dao động nhỏ trong MG khi không có sự tham gia của lưới hệ thống Tuy nhiên, cách thức tham gia giữ ổn định điện áp và tần số lưới với thiết bị điện tử công suất có quán tính nhỏ khác với cách tiếp cận của máy phát đồng bộ trong lưới truyền thống

Một số mô hình dao động MG được đề xuất trong [18][19][20] Trong [19], mô hình dao động MG với mô hình trung tâm là các bộ VSI chịu ảnh hưởng từ sự thay đổi giá trị đặt của tần số được đề xuất trong chế độ tách lưới Tuy nhiên, mô hình này chưa đề cập tới DG là máy điện đồng bộ Mô hình được đề xuất trong [20] dựa trên sự đồng bộ các mô hình phân tử trong hệ trục tọa độ quay vuông góc dq Việc kết nối

2 Thuật ngữ: “active distribution network”

8 các mô hình phần tử dựa trên các phương trình cân bằng điện áp tại các nút trong lưới nên gặp nhiều khó khăn khi số lượng nút trong lưới lớn.

Tổng quan về mô hình toán học Microgrid

Theo lý thuyết về ổn định và điều khiển ổn định các hệ thống điện [21][22], mô hình dao động nhỏ phản ánh chính xác các quá trình động học đóng vai trò quan trọng trong phân tích ổn định và điều khiển các hệ thống điện Đối với MG, bài toán điều khiển tần số và điện áp được đặt ra với nhiều ràng buộc mới Các phần tử phát chủ yếu là máy phát đồng bộ công suất nhỏ hoặc các bộ biến đổi điện tử công suất, các phần tử phát này có quán tính nhỏ Do vậy, quá trình duy trì ổn định lưới dựa trên quán tính lớn của nguồn phát không còn hiệu quả

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 [22] Đối với MG, do tồn tại nhiều quá trình động học ở tần số dao động cao, nếu bỏ qua quá trình quá độ trên lưới sẽ gây ra nhiều sai số [18] 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 [23][24][25]

Trong các mô hình toán học của lưới vi mô, mô hình dao động nhỏ dựa trên phép biến đổi dq được sử dụng phổ biến nhờ có nhiều ưu điểm Phép biến đổi này giúp khử các đại lượng biến thiên thời gian, kết hợp các mô hình máy phát và mô hình nguồn phân tán với mô hình máy điện đồng bộ Tuy nhiên, mô hình dựa trên phép biến đổi dq cũng có hạn chế như không nghiên cứu được các hiện tượng bất đối xứng và những ảnh hưởng của sóng hài bậc 3.

Nghiên cứu [26] đã tiến hành xây dựng mô hình đầy đủ cho một MG ở chế độ tách lưới với 4 DGs và 4 phụ tải tương ứng Các DG trong MG được nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất Nghiên cứu chia MG thành 3 mô hình độc lập: mô hình các nguồn nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất IBRs, mô hình lưới và mô hình các phụ tải Với mô hình dao động nhỏ của các IBRs nghiên cứu tiến hành tuyến tính hóa các thành phần của IBR bao gồm bộ điều khiển công suất, bộ điều khiển điện áp, bộ điều khiển dòng điện và mạch lọc LC

Nghiên cứu [27] xây dựng mô hình đơn lẻ của IBR, mạch lọc LCL, bộ điều khiển IBR và lưới điện của MG trong chế độ nối lưới Các mô hình được đồng bộ bằng cách sử dụng hệ trục tọa độ vuông góc dq, nghiên cứu đã đưa ra cách thức chuyển hệ trục tọa độ địa phương dq n của mỗi IBR và bộ điều khiển IBR về hệ trục tọa độ chung

3 Do toàn bộ động học được mô tả trên hệ tọa độ quay với một tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)

9 dq g Nghiên cứu cũng đã được xác thực thông qua mô phỏng trên phần mềm PSCAD/EMTDC với lưới nghiên cứu được đề xuất bởi CERTS MG Test Bed [28] Tuy nhiên, mô hình do nghiên cứu này đề xuất chưa đề cập đến một số phần tử có thể xuất hiện trong MG như máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ và phụ tải

Trong nghiên cứu [29] tác giả tập trung xây dựng mô hình đơn lẻ của IBR Nghiên cứu chỉ ra những điểm tương tự trong việc xây dựng mô hình giữa các máy điện quay và các IBRs IBR bao gồm chức năng khóa pha và các vòng lặp điều khiển bên trong

Mô hình IBR được xây dựng dựa trên mô hình của các phần tử vòng điều khiển dòng điện bên trong, vòng điều chỉnh công suất bên ngoài, khâu đo lường công suất trung bình và vòng khóa pha PLL Nghiên cứu đã chỉ ra phương pháp xây dựng mô hình trạng thái cho IBR Kết quả nghiên cứu được kiểm nghiệm thông qua mô phỏng trên phần mềm PLECS/Simulink.

Nghiên cứu cứu [18] trình bày một phương pháp xây dựng mô hình trạng thái cho

MG một cách có hệ thống Nghiên cứu nhận định thành phần nguồn IBR có vai trò quan trọng trong MG nên tập trung xây dựng mô hình trạng thái các bộ IBRs Mô hình IBR được xây dựng dựa trên mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất, bộ điều khiển điện áp, bộ điều khiển dòng điện và mạch lọc LC Trong nghiên cứu này, ngoài mô hình lưới điện được đề cập thì mô hình phụ tải động cũng được xét tới Các mô hình sau đó được đồng bộ hóa trên một hệ trục tọa độ quay dq duy nhất

Nghiên cứu [19] nối tiếp nghiên cứu [18] 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 véc tơ đầu vào của IBR là véc tơ điện áp, véc tơ biến đầu ra là véc tơ dòng điện Để phù hợp cho việc kết nối các mô hình trạng thái, mô hình trạng thái lưới điện có biến đầu vào véc tơ dòng điện và véc tơ đầu ra là véc tơ điện áp Nghiên cứu cũng đề xuất mô hình MG trong cả hai chế độ độc lập và nối lưới, phân tích trị riêng của hai mô hình cũng được đề cập đến trong nghiên cứu

Nghiên cứu [20] 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 độ 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 véc tơ biến đầu vào là điện áp và véc tơ biến đầu ra là dòng điện Trong khi đó, sơ đồ khối của IBR là biến đầu vào là véc tơ dòng điện và véc tơ 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 véc tơ biến đầu vào là điện áp và véc tơ biến đầu ra là véc tơ dòng điện Nghiên cứu cũng được kiểm chứng bằng mô phỏng trên phần mềm PSCAD/EMTDC Việc khái quát hóa mô hình các phần tử thành các dạng sơ đồ khối với véc tơ đầu vào và đầu ra giúp việc kết nối các phần tử với số lượng lớn trở lên dễ dàng hơn 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 [30] đề xuất một phương pháp xây dựng mô hình toán học cho MG tương đối đầy đủ Trong nghiên cứu, mô hình toán học của các DG khác nhau như máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ và các bộ lưu điện được xây dựng độc lập trên các hệ trục tọa độ riêng biệt Các mô hình này được đồng bộ hóa dưới cùng một hệ trục tọa dộ chung dq g

Các nghiên cứu được đề cập ở trên đề xuất một số phương pháp xây dựng mô hình trạng thái dao động nhỏ MG Xuất phát từ việc tuyến tính hóa quanh điểm làm việc các mô hình động các phần tử trong MG trên hệ trục tọa độ độc lập của phần tử đó, sau đó đồng bộ hóa các mô hình này trên cùng một hệ trục tọa độ vuông góc duy nhất toàn lưới Các nghiên cứu trên chia MG thành các phần tử nguồn phát, lưới điện và phụ tải Phần tử nguồn phát có thể là máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ, hoặc bộ lưu điện, nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió được nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất Các mô hình được đề cập trong các nghiên cứu trên phần nào mô tả được tương đối đầy đủ đặc tính động học của một số MG cụ thể Tuy nhiên, các nghiên cứu trên vẫn tồn tại một số vấn đề Cụ thể, một số mô hình chưa kết hợp đầy đủ mô hình nguồn phân tán dựa trên điện tử công suất và các máy điện truyền thống; cách thức kết nối các mô hình phần tử chưa thể áp dụng được cho lưới có số lượng lớn nguồn phân tán.

Tổng quan phối hợp điều khiển trong Microgrid

Phân cấp điều khiển Microgrid

Sự linh hoạt trong chế độ hoạt động của MG cải thiện độ tin cậy và kinh tế của hệ thống điện Tuy nhiên, sự ổn định và điều khiển MG đặt ra những thách thức như tính liên tục của nguồn sơ cấp và thiếu quán tính quay do nguồn IBR.

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 [31]:

▪ 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;

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

Hình 1-2 Phân cấp điều khiển theo UCTE [14]

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 được thể hiện trong Hình 1-2 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 [32]

Hình 1-3 Cấu trúc điều khiển điển hình trong MG [33]

Cấu trúc điều khiển điển hình trong MG được minh họa trong Hình 1-3 Điều khiển sơ cấp đóng vai trò quan trọng trong phân cấp điều khiển MG Cấp điều khiển này có phạm vi điều chỉnh trong các vòng lặp điều khiển dòng điện và điện áp nội bộ DG nhằm đáp ứng nhanh nhất với các thay đổi diễn ra trong MG Tùy thuộc vào công nghệ mỗi DG khác nhau như máy phát cảm ứng, máy phát đồng bộ hoặc các nguồn phân tán nối lưới thông qua các bộ biến đổi thì điều khiển sơ cấp sẽ khác nhau Trong cấp điều khiển này, ngoài điều khiển nội bộ các DG còn xuất hiện điều khiển phân bố công suất giữa các DG với nhau thông qua các vòng lặp ngoài điều khiển dòng điện và điện áp Điều chỉnh phân bố công suất giữa các DG đáp ứng lại yêu cầu cân bằng công suất trong lưới nhằm điều chỉnh các thông số điện áp và tần số trong toàn lưới Cấp điều khiển sơ cấp có thể được cụ thể hóa thành các vấn đề sau:

▪ Điều khiển sơ cấp điện áp;

▪ Điều khiển sơ cấp tần số;

▪ Điều khiển sơ cấp công suất tác dụng;

▪ Điều khiển sơ cấp công suất phản kháng Điều khiển thứ cấp trong MG tương tự điều khiển thứ cấp trong lưới truyền thống, đó là giảm độ lệch tần số và điện áp còn lại sau điều khiển sơ cấp, đưa các đại lượng này về giá trị danh định Cấp điều khiển này được thực hiện đồng loạt, tác động đồng thời tới toàn bộ DG và phụ tải Khi MG hoạt động ở chế độ nối lưới, toàn bộ DG sử dụng giá trị đặt từ lưới hệ thống làm tham chiếu, nhưng các giá trị tham chiếu sẽ không còn khi MG hoạt động ở chế độ tách lưới Do vậy, khi MG hoạt động ở chế độ tách lưới, một DG hoặc nhiều DG sẽ được lựa chọn làm điểm tham chiếu tùy theo từng phương thức điều khiển MG Điều khiển cấp ba được thực hiện trong chế độ MG nối lưới thông qua bộ điều khiển trung tâm (MGCC) Cấp điều khiển này điều chỉnh trào lưu công suất giữa lưới hệ thống và MG trong chế độ nối lưới với mục tiêu tối ưu chỉ tiêu kinh tế thông qua việc điều khiển tần số và biên độ điện áp trong MG Điều khiển cấp ba có vai trò quan trọng với MG trong quá trình tách lưới và nối lưới trở lại

Quá trình phân cấp điều khiển cũng như nhiệm vụ của từng cấp điều khiển trong

MG được minh họa trong Hình 1-4

Hình 1-4 Phân cấp điều khiển MG [15]

Điều khiển sơ cấp

Bộ điều khiển sơ cấp được thiết kế với các mục tiêu sau:

Sự ổn định của điện áp và tần số hệ thống đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi chế độ vận hành từ nối lưới sang tách lưới Những thay đổi đột ngột về cân bằng công suất có thể gây ra biến động lớn về điện áp và tần số, ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống Do đó, các bộ điều khiển đóng vai trò tối quan trọng trong việc can thiệp kịp thời để ngăn ngừa tình trạng mất ổn định điện áp và tần số.

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

Nhằm đảm bảo được các mục tiêu trên, cấp điều khiển sơ cấp bao gồm (i) điều khiển mạch vòng điều khiển dòng diện và điện áp nội bộ các DG (ii) phân bổ công suất giữa các DGs theo đường đặc tính tĩnh của mỗi DG

1.3.2.1 Vòng lặp điều khiển điện áp và dòng điện Điều khiển sơ cấp đưa ra các giá trị đặt trong hệ thời gian thực cho các mạch vòng điều khiển điện áp và dòng điện trong các bộ điều khiển DG Các vòng điều khiển này thông thường được gọi là điều khiển cấp độ không Điều khiển cấp độ không này được tiến hành trên cả hai chế độ làm việc của MG là CSI và VSI [16], [34]

Trong chế độ nguồn dòng, công suất tác dụng và công suất phản kháng được đưa vào được điều khiển dựa trên giá trị đặt trước P ref và Q ref Trong đó, các bộ điều khiển đóng vai trò đưa ra được giá trị đặt của dòng điện I ref là giá trị đầu vào của bộ PMW đóng mở hệ thống van điều khiển nghịch lưu từ DC sang AC

Trong chế độ nguồn áp, DG hoạt động như một nguồn áp với giá trị điện áp đặt v * 0 được xác định bởi vòng điều khiển sơ cấp thông qua đường đặc tính độ dốc

Hình 1-5 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển chế độ nguồn áp [15]

1.3.2.2 Điều khiển độ dốc truyền thống

Với lưới truyền thống phương pháp độ dốc được thể hiện như trong Hình 1-6 Trong đó, thông số E và ω được tạo ra từ việc tổng hợp lần lượt thông số đầu ra vòng điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q

Hình 1-6 Điều khiển độ dốc truyền thống Kết nối giữa nguồn với lưới được thể hiện trong Hình 1-7

Hình 1-7 Kết nối nguồn phát với lưới

15 Đặc tính phụ thuộc tần số, điện áp vào công suất tác dụng và công suất phản kháng được thể hiện trong công thức:

Trong đó giá trị tham chiếu của điều khiển sơ cấp ω * và E * lần lượt là tần số góc và điện áp đầu ra của DG khi không tải Theo cách tiếp cận truyền thống hệ số D P và

D Q được xác định dựa trên công suất định mức của bộ biến đổi và độ lệch tần số, điện áp tối đa Trong cách tiếp cận mới, với MG có nhiều DGs, hệ số D P và D Q thỏa mãn ràng buộc sau [35][36] :

Trong đó Δω max và ΔE max là độ lệch tần số góc và điện áp tối đa cho phép P ni và

Q ni là công suất tác dụng và định mức của DG thứ i

Mô hình tuyến tính hóa của (1.1):

Với V com0 , E 0 , δ 0 là các đại lượng tại điểm tuyến tính hóa Và:

Từ (1.3)(1.4)(1.5) đưa ra mô hình dao động nhỏ cho điều khiển công suất tác dụng cho (1.1)

Sơ đồ khối của mô hình được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 1-8 Sơ đồ điều khiển độ dốc truyền thống [15]

Mô hình dạng truyền thống này áp dụng lên MG sẽ gặp một số vấn đề như sau:

• Do chỉ có duy nhất một hệ số D P trên mỗi vòng lặp nên khó đáp ứng được yêu cầu của bài toán điều khiển nhiều mục tiêu

Trong tiếp cận lưới điện truyền thống, phương pháp độ dốc dựa vào giả thiết về trở kháng lớn của lưới Tuy nhiên, giả định này không còn phù hợp với lưới điện hạ thế hiện đại, vốn chủ yếu có đặc tính trở kháng nhỏ.

1.3.2.3 Phương pháp san tải hiệu chỉnh

Phương pháp san tải hiệu chỉnh này nhằm mục đích thay đổi được hệ số thời gian của các bộ điều khiển công suất tác dụng và phản kháng mà không gây ảnh hưởng đến tần số và điện áp của DG Phương pháp mới bảo lưu đề xuất bộ điều khiển công suất trong (1.1), tuy nhiên đại lượng góc pha của bộ biến đổi δ được điều chỉnh như sau [37] :

Với hệ số K P thêm mới, mô hình dao động nhỏ mới như sau :

Mô hình dao động nhỏ mới được thể hiện trong hình dưới:

Hình 1-9 Phương pháp san tải hiệu chỉnh

Với mô hình dao động nhỏ mới (1.8) việc thay đổi hằng số thời gian có thể được thực hiện trực tiếp khi thay đổi K P

Tiến hành tương tự, phương pháp thêm hệ số K Q khi xây dựng mô hình dao động nhỏ cho bộ điều khiển công suất phản kháng (1.9)

Trong đó: H được tính dựa trên các giá trị tại điểm tuyến tính hóa cos 0

Mô hình mới được thể hiện dưới dạng sơ đồ như trong hình dưới :

Hình 1-10 Mô hình dao động nhỏ bộ điều khiển công suất phản kháng hiệu chỉnh

1.3.2.4 Phương pháp độ dốc VPD/FQB

Trong MG điện áp thấp, lưới điện mang tính trở chủ yếu Do vậy, góc truyền tải δ đủ nhỏ, có thể coi sinδ ≈ δ Từ đó đưa ra mô hình điều khiển độ dốc VPD/FQB [37]

Phương pháp VPD/FQB giúp cải thiện đặc tính điều khiển trong MG với đường dây truyền tải chủ yếu tính điện trở Hằng số thời gian của bộ điều khiển có thể được thay đổi được mà không thay đổi độ lệch điện áp và tần số

Hình 1-11 Phương pháp độ dốc VPD/FQB

Trong chế độ điều khiển VPD, điện áp thanh cái nối DG được điều khiển theo điện áp đặt V ref :

Trong chế độ điều khiển FBQ, δ được xác định trên bộ PI

Hằng số thời gian của các vòng lặp kín được điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh các các hệ số K P1 , K P2 , K I1 , K I2

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 [38][39][40]

Trong đó: K Pω , K Iω , K PE , K Iω là các hệ số điều khiển trong điều khiển thứ cấp, và Δω s là tần số góc đồng bộ giữa MG và lưới lớn, trong trường hợp tách lưới thì Δω s nhận giá trị không Trong khi điều khiển sơ cấp dựa trên các đo lường điện áp và

19 dòng điện tại điểm kết nối mỗi DG với MG, điều khiển thứ cấp được tiến hành trên phạm vi toàn lưới với các bộ điều khiển bên ngoài các DG và cấp các giá trị đặt cho điều khiển sơ cấp Cấu trúc tập trung theo truyền thống của điều khiển thứ cấp được minh họa trọng Hình 1-12 [41], [42]

Hình 1-12 Điều khiển thứ cấp cấu trúc tập trung [41]

Trong (1.15) độ lệch tần số, độ lệch điện áp qua các bộ PI trở thành δω và δE rồi gửi đến từng DG như thể hiện trên Hình 1-13

Hình 1-13 Sơ đồ điều khiển thứ cấp tập trung cho một DG trong MG [41]

Hình 1-14 Điều khiển sơ cấp và thứ cấp trong MG.

Điều khiển cấp 3

Hình 1-15 Điều khiển cấp 3 trong MG[43]

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

21 vào từ lưới hệ thống Tần số góc ω ref , thông số đặt vào điều khiển thứ cấp là thông số được điều khiển thông qua bộ điều khiển PI các sai số giữa P ref và P G Tương tự, điện áp v ref được điều chỉnh bởi khâu điều khiển PI các sai số của công suất phản kháng

Q ref và Q G Trong đó: P G và Q G là giá trị được tính toán dựa trên giá trị dòng điện và điện áp đo được P ref và Q ref là giá trị đặt của điều khiển cấp 3 [44], [45]

( ) ( ) ref PP ref G IP ref G ref PQ ref G IQ ref G

MÔ HÌNH DAO DỘNG NHỎ MICROGRID

Cơ sở toán học

2.1.1 Mô hình tuyến tính trong không gian trạng thái

Mô hình động học của lưới điện, tương tự như các hệ thống vật lý phức tạp, được mô tả bằng các hệ phương trình vi phân bậc cao Tuy nhiên, việc nghiên cứu các hệ thống này thông qua các phương trình đó thường gặp nhiều khó khăn Do đó, phương pháp không gian trạng thái được sử dụng, chuyển đổi mô tả động học của hệ thống thành một tập hợp các phương trình vi phân bậc nhất Phép biến đổi này bao gồm phương trình trạng thái và phương trình đầu ra.

Trong đó, x là véc tơ trạng thái tập hợp n biến trạng thái của hệ thống, u là véc tơ bao gồm r biến đầu vào, y là véc tơ tập hợp p biến đầu ra Các ma trận liên kết bao gồm, ma trận trạng thái A (n×n), ma trận đầu vào B (n×r), ma trận đầu ra C (p×n) và ma trận liên thông D (p×r) Để xây dựng mô hình dao động nhỏ của hệ thống, cần tuyến tính hóa quanh điểm làm việc của hệ thống, ký hiệu x 0 Tại điểm làm việc của hệ thống xung quanh điểm cân bằng, ta có:

Phương trình vi phân phi tuyến được viết ở dạng tổng quát như sau: x f x

Sử dụng phương pháp xấp xỉ bậc nhất theo khai triển Taylor và thay vào (2.3) ta thu được:

Từ đó, thu được phương trình tuyến tính hóa trong không gian trạng thái:

Các thành phần của ma trận A phụ thuộc vào các trị quanh điểm làm việc của biến trạng thái x0 [48] Bên cạnh phép biểu diễn sử dụng các ma trận trạng thái, hệ thống tuyến tính có thể được nghiên cứu trong miền tần số Phương trình trạng thái trong miền tần số thu được khi biến đổi Laplace như sau:

Nghiệm của hệ phương trình trạng thái trên thể hiện các điểm cực của Δx(s) và Δy(s) là nghiệm của phương trình sau: det(sI − A )=0 (2.9)

Trong đó I là ma trận đơn vị Phương trình trên được gọi là phương trình đặc trưng và các giá trị của s thỏa mãn các điều kiện trên được gọi là trị riêng λ của ma trận A

Theo tiêu chuẩn Routh-Hurwitz, hệ thống ổn định nếu tất cả các trị riêng của ma trận hệ số đều có phần thực âm Ngược lại, hệ thống sẽ không ổn định nếu ít nhất một trong các trị riêng có phần thực dương.

Các chế độ dao động trong các hệ thống có trị riêng phức tạp được cho dưới dạng cặp liên hợp:

Trong đó, tần số dao động được xác định từ thành phần ảo, trong khi hệ số tắt dần phụ thuộc vào thành phần thực Tần số dao động được xác định:

Với mỗi cặp nghiệm phức có thể xác định hệ số tắt theo công thức sau:

Hệ số tắt dần ζ xác định tốc độ suy giảm biên độ dao động đối với các chu kỳ dao động

2.1.2 Biến đổi trục tọa độ abc – dq

Hình 2-1 Quan hệ hệ trục abc và hệ trục tọa độ quay dq Để thuận lợi trong việc ghép nối đồng bộ các mô hình không gian trạng thái của các phần tử khác nhau, hệ trục tọa độ vuông góc quay dq được sử dụng Trước tiên, mỗi phần tử được mô hình trên một hệ trục tọa độ địa phương riêng biệt dq n gắn với mỗi phần tử Việc chuyển đổi các đại lượng trên trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ vuông góc quay dq được dựa trên công thức biến đổi Park [22]

Nghịch đảo của phép biến đổi trên, ta có:

Khi kết hợp các mô hình phần tử cần đồng bộ hóa các hệ trục toạ độ địa phương dq n sang hệ trục tọa độ toàn lưới dq g [49] Quan hệ giữa các hệ tọa độ được thể hiện trong Hình 2-2 Phương trình chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ như sau: cos sin sin cos g n q n n q g n n n d d f f f f

Tuyến tính hóa (2.15) thu được:

Trong đó: f n =   f f q n d n   T ; f g =   f f q g d g   T lần lượt là các đại lượng trong hệ tọa độ địa phương dq n và toàn lưới dq g Góc δ n là góc lệch giữa hai trục tọa độ dq n và dq g Chỉ số “0” là giá trị các đại lượng tại điểm vận hành

Hình 2-2 Hệ trục tọa độ địa phương dq n và toàn lưới dq g

Nghịch đảo công thức (2.16), thu được phép biến đổi các đại lượng từ hệ trục tọa độ toàn lưới dq g sang hệ trục tọa độ địa phương dq n

Mô hình dao động nhỏ máy phát điện đồng bộ

Mô hình dao động nhỏ máy phát đồng bộ ba pha hai cực được xây dựng bởi Krause [50] Hình 2-3 mô tả mô hình máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực trong hệ trục tọa độ vuông góc quay dq Trong đó, cách thức bố trí các cuộn stator, cũng như cuộn dây kích từ f d , các cuộn hãm k d , k q,1 và k q,2

Hình 2-3 Mô hình máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực trong hệ trục dq

2.2.1 Phương trình máy điện theo hệ trục rotor

Theo quy ước về dấu và các đại lượng danh định, các phương trình liên kết từ thông trên trục tọa độ dq bao gồm :

Trong đó: i d , i q : Dòng điện trong cuộn stator i kd , i kq1 , i kq2 : Dòng điện trong các cuộn hãm i fd : Dòng điện trong cuộn kích từ ψ d , ψ q : Từ thông theo trục d, q

X ls , X mq , X md : Điện kháng hỗ cảm trên trục d, q và điện kháng tản

Các phương trình từ thông phía rotor :

1 1 1 ( 1 2 ) kq X lkq kq i X mq i q i kq i kq

2 2 2 ( 1 2 ) kq X lkq i kq X mq i q i kq i kq

( ) fd X lfd fd i X mq i d i fd i kd

( ) kd X lkd kd i X mq i d i fd i kd

Trong đó: v d , v q : Điện áp trong cuộn stator v kd , v kq1 , v kq2 : Điện áp trong các cuộn hãm v fd : Điện áp trong cuộn kích từ

Với các đại lượng được thể hiện trong hệ đơn vị tương đối, mômen khe hở không khí T e được tính như sau: e q d d q

( ) ( ) e md d fd kd mq q kq kq

2.2.1.4 Phương Trình Dao Động Điện - Cơ

Phương trình vi phân mô tả hệ cơ điện: m e

Trong đó: T m là mômen cơ, T e là mômen điện J là mô men quán tính (kg.m 2 ) Khi biểu diễn bằng hằng số quán tính:

Trong đó H là hằng số quán tính của MF

Phương trình vi phân đối với 𝛿 :

2.2.2 Mô hình trạng thái đầy đủ máy điện đồng bộ

2.2.2.1 Ma trận hóa hệ các phương trình vi phân

Biến trạng thái của hệ thống :

Thay thế các đại lượng từ thông trong các công thức (2.18) ÷ (2.24) vào các công thức (2.25) ÷ (2.31) Dạng ma trận hệ phương trình vi phân dòng điện stato và roto được thể hiện trong công thức (2.39):

B B B B B B r r r q s d mq mq md md q B B B B B B d mq kq kq mq kq B B B kq mq mq kq kq

0 0 0 q d kq kq fd fd md kd

Phương trình vi phân góc quay:

2.2.2.2 Tuyến tính hóa hệ phương trình vi phân máy phát điện

Tuyến tính hóa hệ phương trình vi phân trên, véc tơ biến trạng thái mới như sau :

Phương trình tuyến tính hóa (2.39) có dạng sau:

E q mq mq d md md mq kq mq mq mq kq md fd md md

B fd fd fd md md kd

F s d md md d d md fd q s mq mq q q kq kq md kd mq d md d fd md q mq q mq d md q md q md q

Véc tơ tín hiệu đầu vào:

Sơ đồ khối của máy phát đồng bộ được mô tả ở Hình 2-4, trong đó véc tơ biến đầu vào là điện áp và véc tơ biến đầu ra là 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

Khác với các máy phát đồng bộ truyền thống nối lưới trực tiếp, đa phần các DGs như điện gió, điện mặt trời hay các bộ lưu điện được kết nối với lưới điện thông qua các bộ biến đổi công suất DC-AC Chính vì vậy, bộ biến đổi DC-AC đóng vai trò quan trọng trong MG Không chỉ là phần tử kết nối đơn thuần nguồn sơ cấp với lưới điện, bộ biến đổi DC-AC còn giữ vai trò quyết định trong việc điều khiển các thông

32 số chế độ đối với các DGs Cấu trúc và chế độ điều khiển của các bộ biến đổi này ảnh hướng lớn tới chế độ hoạt động của lưới điện, đặc biệt là các MG do tỷ lệ công suất các nguồn IBRs chiếm đáng kể

Tùy thuộc vào nguồn sơ cấp cũng như công suất và yêu cầu đầu ra khác nhau mà có thể sử dụng các bộ biến đổi công suất với các cấu trúc khác nhau Một số cấu trúc phổ biến sử dụng trong MG như cấu trúc hai mức, cấu trúc ba mức có điểm trung tính NPC hoặc cấu trúc cầu chữ H xếp tầng lần lượt được thể hiện trong Hình 2-5, Hình 2-6 và Hình 2-7

Với cấu trúc bộ biến đổi 2 mức phù hợp với những ứng dụng công suất nhỏ, điện áp DC thấp Do mang một số ưu điểm như tổn thất dẫn thấp, số lượng linh kiện ít, nguyên tắc hoạt động đơn giản Tuy nhiên, bộ biến đổi hai mức cũng mang một số nhược điểm về chất lượng điện áp ra còn thấp, tốc độ biến thiên lớn, độ méo sóng hài cao, điện áp trên van lớn, tổn thất chuyển mạch cao [51][52]

Hình 2-5 Cấu trúc bộ biến đổi hai mức Để khắc phục các nhược điểm trên của bộ biến đổi hai mức, bộ biến đổi ba mức điểm trung tính NPC được sử dụng thay thế qua đó giảm được đáng kể tổn thất trong quá trình đóng cắt van, kiểm soát được các sóng hài sinh ra do vậy mức độ phức tạp khi thiết kế bộ lọc sóng hài giảm đi so với bộ biến đổi hai mức [53][54]

Hình 2-6 Cấu trúc bộ biến đổi ba mức NPC

Hình 2-7 Cấu trúc bộ biến đổi CHB

Khác với cấu trúc hai mức và ba mức ở trên, cấu trúc bộ biến đổi cầu chữ H xếp tầng CHB không bao gồm ba chân được kết nối với một liên kết DC chung Thay vào đó, nó dựa trên ba cầu chữ H, mỗi cầu có liên kết DC riêng biệt So với cấu trúc hai

34 mức và ba mức, mỗi cầu của CHB cần có một nửa điện áp liên kết DC để bộ chuyển đổi có thể tạo ra cùng điện áp đầu ra [55] Với các nguồn sơ cấp công suất lớn, kết nối lưới ở mức trung áp, bộ biến đổi cấu trúc cầu chữ H xếp tầng mang nhiều ưu điểm và lợi thế hơn Với ưu điểm có độ tin cậy cao và dễ dàng tăng giảm mức độ điện áp cũng như chất lượng điện áp đầu ra được cải thiện đáng kể Và quan trọng, cấu trúc này có khả năng đáp ứng tốt với nhiều thuật toán điều khiển khác nhau nhằm phục vụ các bài toán đa mục tiêu Để phân tích chính xác mô hình của MG, các mô hình thành phần bao gồm mô hình các bộ biến đổi bên trong lưới điện phải được mô tả đầy đủ bao gồm các quan hệ phi tuyến Mặt khác, để mô hình hóa toàn bộ hệ thống lưới điện MG cũng cần có những biểu diễn đơn giản nhất định các thành phần để mô phỏng toàn bộ hệ thống với tốc độ mô phỏng hợp lý

Như đã đề cập trong kết luận của CHƯƠNG 1 Luận án tập trung vào việc xây dựng mô hình trung bình, dựa trên mô tả động học các phần tử trên hệ tọa độ dq Mô hình này có thể đủ đơn giản để tích hợp vào mô hình MG nhưng vẫn đủ để mô tả một số quan hệ phi tuyến của các bộ biến đổi [56][57]

2.3.2 Mô hình trung bình bộ biến đổi công suất

Chế độ vận hành nối lưới hay độc lập của MG quyết định chế độ vận hành của các IBRs Cụ thể, khi MG ở chế độ nối lưới thì các DG đóng vai trò như các nguồn dòng bơm công suất vào lưới hệ thống nhằm đạt được chỉ tiêu kinh tế, ngược lại khi MG ở chế độ độc lập, nhiệm vụ duy trì tần số và điện áp trong MG được đặt lên các IBR nội bộ ở chế độ nguồn áp Khi đó, vai trò và quá trình điều khiển mỗi DG sẽ khác nhau nhằm xác lập và duy trì các thông số chế độ trong giới hạn cho phép [58][59] Hình 2-8 và Hình 2-9 thể hiện mô tả tối giản chế độ nguồn dòng và chế độ nguồn áp của nguồn phân tán nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất Các giá trị P ref , Q ref , ω, v ref trong hai chế độ nguồn dòng và nguồn áp là đầu ra của các vòng lặp điều khiển phía ngoài bao gồm điều khiển sơ cấp và điều khiển thứ cấp

Hình 2-8 Chế độ nguồn dòng CSI

Hình 2-9 Chế độ nguồn áp VSI

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, như được thể hiện trong Hình 2-10

Các vòng điều khiển là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động theo yêu cầu Đối với chế độ nguồn áp, vòng điều khiển điện áp bên ngoài sẽ cân bằng nguồn áp đầu ra, trong khi vòng điều khiển dòng điện bên trong sẽ giám sát và điều chỉnh dòng điện đầu ra Chế độ này mô phỏng một nguồn áp lý tưởng, đóng vai trò thiết yếu trong việc ổn định điện áp và tần số của lưới MG khi hoạt động độc lập, tương tự như vai trò của máy phát đồng bộ trong lưới điện truyền thống.

Hình 2-10 Sơ đồ khối điều khiển IBR chế độ nguồn áp

2.3.3.1 Mô hình bộ lọc LC

Thành phần kết nối giữa bộ biến đổi và điểm PCC thông thường sẽ là các bộ lọc Tùy thuộc vào các thiết kế khác nhau của bộ biến đổi sẽ có thể có các bộ lọc với các cấu trúc khác nhau như bộ lọc LC hoặc bộ lọc LCL Tuy nhiên, trong việc xây dựng mô hình dao động nhỏ nói chung của bộ biến đổi, luận văn tập trung vào bộ lọc LC được thể hiện trong Hình 2-11, bộ lọc này đầy đủ thành phần điện kháng và điện dung để không làm mất tính tổng quát của nghiên cứu Đối với bộ lọc LC, hai biến trạng thái cần quan tâm đó là dòng điện trên điện kháng L và điện áp trên điện dung C

Phương trình vi phân mô tả mạch được thể hiện trong (2.46) (2.47)

Phương trình vi phân mô tả mạch : tabc f tabc f tabc sabc

Chuyển hệ trục abc sang hệ trục quay vuông góc dq (2.46) (2.47) thu được

( ) ( ) td tq f td tq f f td tq td tq sd sq d i ji

R i ji L j L i ji dt v jv v jv

( ) ( ) sd sq f f sd sq td tq sd sq d v jv

Chuyển vế và phân tách theo đại lượng theo thành phần thực ảo thu được:

1 1 td f td td sd tq f f f di R i v v i dt = − L + L − L + (2.50)

1 1 tq f tq tq sq td f f f di R i v v i dt = − L + L − L − (2.51)

1 1 sd td sd sq f f dv i i v dt = C − C + (2.52)

1 1 sq tq sq sd f f dv i i v dt = C − C − (2.53)

Tuyến tính hóa (2.50) ÷ (2.53) thu được :

. f td td td sd tq tq f f f i R i v v i i

. f tq tq tq sq td td f f f i R i v v i i

. sd td sd sq sq f f v i i v v

. sq tq sq sd sd f f v i i v v

Với véc tơ biến trạng thái :

LC td tq sd sq x  i i v v 

Véc tơ tín hiệu đầu vào :

LC td tq sd sq u  v v i i 

Véc tơ tín hiệu đầu ra :

LC td tq sd sq y  i i v v 

LC LC LC LC LC

LC LC LC LC LC x A x B u y C x D u

2.3.3.2 Mô hình bộ điều khiển điện áp

Hình 2-12 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển điện áp

Mô hình dao động nhỏ đường dây và phụ tải

Với các phần tử R, L của lưới điện, một nhánh nối từ nút j sang nút k có thể được mô tả tổng quát như trên Hình 2-20 dưới đây

Hình 2-20 Mô hình lưới đơn giản hóa

2.4.1 Mô hình nhánh điện kháng

Với sơ đồ thay thế tổng quát nhánh nối nút j tới nút k được thể hiện trong Hình 2-20, phương trình của nhánh điện kháng được viết như sau:

, , , linei abc linei linei linei abc j abc k abc

Chuyển (2.82) sang hệ tọa độ dq:

1 1 linei d linei linei d linei q j d k d linei linei linei di R i i v v dt = − L + + L − L (2.83)

1 1 linei q linei linei q linei d j q k q linei linei linei di R i i v v dt = − L − + L − L (2.84)

Mở rộng (2.83), (2.84) cho n nhánh thuộc lưới, tuyến tính hóa và ma trận hóa thu được:

Br line dq line dq linen dq N dq dq ndq x  i i i  v  v v v 

Br Br Br Brn n n Br Br Br Brn

Bri Bri linei s linei linei linei m

Phương trình động học của tải điện kháng:

, loadj loadj loadj loadj j abc

Chuyển (2.87) sang hệ trục tọa độ quay vuông góc dq

1 loadjd loadj loadjd s loadjq j d loadj loadj loadjq loadj loadjq s loadjd j q loadj loadj di R i i v dt L L di R i i v dt L L

Mở rộng (2.88) cho m tải thuộc m nút, tuyến tính và ma trận hóa thu được:

1 2 T load load dq load dq loadmdq x  i i i 

0 loadj b loadj loadj loadj loadj loadj b loadj loadj m

Tổng hợp và (2.85) và (2.89) thu được mô hình không gian trạng thái lưới điện:

NET Br load NET Br load

Véc tơ biến trạng thái bao gồm dòng điện trên các thành phần điện kháng và điện áp trên các thành phần điện dung Với lưới điện kháng, véc tơ điện áp là biến đầu vào và véc tơ biến dòng điện là biến đầu ra Mô hình được biểu diễn sơ đồ khối trong Hình 2-21

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

Mô hình dao động nhỏ đầy đủ MG

Để kết nối vào lưới điện, các phần tử trong lưới cần có dòng điện là biến đầu vào và điện áp là biến đầu ra Mô hình máy phát đồng bộ là một ví dụ về phần tử kết nối vào lưới, do đó cần có hiệu chỉnh để đảm bảo khả năng kết nối.

48 chỉnh mô hình nguồn máy phát điện đồng bộ bằng cách kết nối song song với một điện dung

Phương trình vi phân của tụ điện mắc song song:

Hình 2-22 Mô hình tuyến tính đầy đủ máy phát đồng bộ hiệu chỉnh

Kết nối các mô hình thành phần linh hoạt của máy phát điện hiệu chỉnh (DG) với mô hình lưới điện thu được mô hình trạng thái dao động nhỏ MG Mô hình này phản ánh hành vi động lực của hệ thống điện kết hợp khi xảy ra các nhiễu động nhỏ, giúp các nhà điều hành hiểu, dự đoán và kiểm soát hệ thống hiệu quả hơn.

Hình 2-23 Mô hình tổng thể kết nối các thành phần tuyến tính hóa của MG

Mô hình MG được thể hiện trong Hình 2-23 là kết quả tổng hợp từ (2.42),(2.61), (2.63),(2.70),(2.72),(2.73),(2.80),(2.90)

MG MG MG MG MG

MG MG MG MG MG x A x B u y C x D u

Xác thực mô hình

2.6.1 Thông số sơ đồ mô hình lưới nghiên cứu

Hình 2-24 Sơ đồ MG nghiên cứu

50 Áp dụng phương pháp xây dựng mô hình trạng thái được đề xuất cho lưới IEEE 6 nút [63] hiệu chỉnh thể hiện trong Hình 2-24 Thông số các phần tử trong sơ đồ được cho trong các Bảng 2-1, Bảng 2-2 và Bảng 2-3

Bảng 2-1 Thông số nguồn DG

C f2 22 mF C f3 22 mF r s 0.0052 pu k pc2 25 k pw3 280 X ls 0.2 pu k ic2 6.25 k iw3 6.2 r fd 0.0026 pu k pv2 2.5 k pc3 2.5 X lfd 0.6157 pu k iv2 1.0 k ic3 6.5 r kd 0.0026 pu

Bảng 2-2 Thông số nhánh Đường dây Z d = R d + jX d (pu) (S b = 0.1 MVA; V b = 0.38 kV)

Bảng 2-3 Thông số phụ tải Phụ tải S t = P t +j Q t (kVA), U đm = 0.38 kV

Thông số chế độ xác lập của lưới điện được tính toán dựa trên công cụ phần mềm Matpower [64], thể hiện trên Bảng 2-4

Bảng 2-4 Thông số chế độ xác lập

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

Nhằm xác thực mô hình không gian trạng thái ở trên, luận án tiến hành mô phỏng và so sánh mô hình với mô hình trên công cụ Simcape của Matlab/Simulink với các thông số trùng khớp nhau

Hình ảnh và thông số biên độ tại DG2 trùng khớp giữa hai mô hình (Hình 2-25) Sự thay đổi công suất tại DG3 dẫn đến biên dạng tần số của hai mô hình tương đồng cao Điều này cho thấy mô hình không gian trạng thái đề xuất phản ánh trung thực mô hình đã kiểm chứng của 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 công suất.

Phân tích mô hình dao động nhỏ MG

2.7.1 Phân tích trị riêng mô hình dao động nhỏ

Bảng 2-5 thể hiện giá trị các trị riêng của mô hình Micrgrid trong Hình 2-24 ở chế độ tách lưới được xây dựng dựa trên công thức (2.92) Toàn bộ 43 trị riêng có giá trị phần thực âm

Bảng 2-5 Trị riêng của mô hình đối tượng lưới nghiên cứu

Real (1/s) Im (rad/s) Trị riêng Real (1/s) Im (rad/s)

2.7.2 Đáp ứng thời gian và tần số

Mô hình dao động nhỏ trong (2.92) được sử dụng khảo sát đáp ứng trong miền thời gian và miền tần số Cụ thể, tiến hành khảo sát đáp ứng các thông số tần số, điện áp khi có sự thay đổi công suất đặt vào các nút trong lưới

Hình 2-27 và Hình 2-28 thể hiện đáp ứng tần số lưới điện trong miền thời gian và miền tần số, khi có tăng công suất tác dụng tại nút 3

Hình 2-27 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω từ P ref3

Kết quả phân tích cho thấy tần số lưới điện tăng lên khi bơm thêm công suất tác động vào nút Đáp ứng tần số có dạng một khâu bậc nhất đơn giản, chồng thêm một thành phần dao động nhỏ khoảng 1 Hz Các thành phần dao động riêng còn lại (như trên Hình 2-28) không được quan sát rõ ràng trong đáp ứng tần số.

Hình 2-28 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω từ P ref3

Trên thực tế, tần số đưa vào các bộ điều khiển không phải là giá trị tần số toán học ω, mà là giá trị tần số do bộ PLL ghi nhận được Hình 2-29 và Hình 2-30 thể hiện đáp ứng tần số lưới trong miền thời gian và miền tần số, ghi nhận được ở đầu ra của bộ PLL So sánh đáp ứng tần số thực và tần số ghi nhận được cho thấy ảnh hưởng rất rõ nét của bộ PLL Khi quá trình khóa góc pha chưa kết thúc, bộ điều khiển sẽ ghi nhận giá trị tần số khác với tần số thực của lưới Đây là điểm cần lưu ý khi thiết kế các bộ điều khiển tần số và điện áp cho IBR dựa trên PLL, bởi PLL với các tham số không tối ưu có thể đưa ra thông tin không chính xác về tần số và điện áp lưới trong quá trình quá độ, dẫn đến ảnh hưởng không tốt đến chất lượng điều khiển

Hình 2-29 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω 3 từ P ref3

Hình 2-30 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω 3 từ P ref3

Hình 2-31 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω từ T m4

Hình 2-32 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω từ T m4

Chất lượng điều khiển điện áp có thể được đánh giá sơ bộ dựa trên đáp ứng bước nhảy của điện áp khi đưa thêm công suất phản kháng ở đầu vào Q ref3 Hình 2-33 và Hình 2-34 lần lượt thể hiện đáp ứng trong miền thời gian và đáp ứng miền tần số của

56 hàm truyền Q ref3 -V d3 Việc đưa thêm công suất phản kháng từ IBR làm tăng điện áp tại nút Tuy nhiên kết quả đáp ứng tần số cho thấy tiềm ẩn một số dao động bậc cao, có thể do vòng điều khiển dòng điện, hoặc do bộ PLL

Hình 2-33 Đáp ứng miền thời gian điện áp v D3 từ Q ref3

Hình 2-34 Đáp ứng miền tần số điện áp v D3 từ Q ref3

Nhận định tương tự cũng có thể được rút ra khi phân tích vòng điều khiển V f4 -V d4

Kết quả thể hiện trên Hình 2-35 và Hình 2-36

Hình 2-35 Đáp ứng miền thời gian điện áp v D4 từ V f4

Hình 2-36 Đáp ứng miền tần số điện áp v D4 từ V f4

Kết luận Chương 2

Xây dựng mô hình dao động nhỏ có vai trò quan trọng trong phân tích ổn định, tính toán và lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển MG mang nhiều đặc điểm khác so lưới điện truyền thống khi phân tích ổn định, sự khác biệt xuất phát từ các DG liên kết với lưới điện thông qua bộ biến đổi công suất Khi đó, cần thiết xem xét các dao động nhỏ trên lưới thường bị bỏ qua khi phân tích lưới truyền thống

Chương này đề xuất phương pháp xây dựng mô hình dao động nhỏ của máy phát đồng bộ và máy phát nối lưới qua bộ biến đổi công suất Chương cũng đề xuất cách thức kết nối các mô hình phần tử khác nhau trong chế độ tách lưới, xây dựng mô hình đầy đủ của lưới vi mô bao gồm nhiều loại máy phát, lưới điện và phụ tải, xét tới dao động quá độ trên lưới điện Các cải tiến của mô hình so với nghiên cứu trước đây gồm:

• Hoàn toàn dựa trên mô hình toán học của các phần tử, thay vì sử dụng mô hình tổng trở (impedance based) của một số nghiên cứu gần đây [65], [66]

• Xét đến mô hình điều khiển chi tiết của bộ PLL Một số nghiên cứu trước đây bỏ qua phần tử này [19] Phân tích ở mục 2.7 đã cho thấy PLL có thể ảnh hưởng lớn đến các bộ điều khiển microgrid, nếu tham số bộ PLL được lựa chọn không hợp lý có thể dẫn đến tương tác giữa các vòng điều khiển của các IBR, hoặc mất ổn định

• Xét đến sự biến động nhỏ của tần số quanh giá trị cân bằng khi thực hiện tuyến tính hóa, do đó mô hình của luận án có độ chính xác cải thiện so với [20]

Công cụ được xây dựng trong chương này cho phép đánh giá phân tích ổn định của MG dựa trên mô hình tuyến tính Trong các chương sau, luận án sẽ phát triển thêm các vòng điều khiển điện áp/tần số để đánh giá tương tác giữa các vòng điều khiển và tính ổn định chung của lưới điện nhỏ trong quá trình phối hợp vận hành giữa các nguồn IBR

XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 59

Đặc tính độ dốc P-ω và Q-V

Máy phát điện đồng bộ có mối quan hệ cố hữu giữa tần số quay, công suất hữu dụng và giữa điện áp, công suất phản kháng Tuy nhiên, trong các nguồn điện IBR không tồn tại những mối quan hệ này Do đó, để thuận tiện cho vận hành và điều khiển lưới điện độc lập tích hợp nguồn IBR, cần tạo ra các mối quan hệ giữa tần số, điện áp với công suất hữu dụng, phản kháng Các mối quan hệ này được thể hiện theo cách truyền thống tương tự như máy phát điện đồng bộ thông qua bộ điều khiển độ dốc.

Hình 3-1 Đặc tính độ dốc P-ω

Hình 3-2 Đặc tính độ dốc Q-V Đặc tính độ dốc đặc trưng trên các nguồn IBR được xây dựng phỏng theo đường đặc tính tĩnh của các máy phát đồng bộ lần lượt là đặc tính tĩnh giữa công suất tác dụng P và tần số góc ω, và đặc tính giữa công suất phản kháng Q và điện áp V được thể hiện trong Hình 3-1và Hình 3-2

V −V =n Q Q −Q (3.2) Độ dốc đường đặc tính m P , n Q và điểm đặt danh định (P * ,ω * ), (Q * ,V * ) với mỗi máy phát khác nhau và quyết định tới mức độ công suất nguồn phát tham gia vào lưới

Các giá trị công suất danh định P*, Q* của mỗi máy phát là độc lập, nhưng mức độ thay đổi công suất bị giới hạn bởi tần số và điện áp tại các nút mạng.

Các giá trị giới hạn tần số, điện áp và công suất tối đa được dùng để xác định độ dốc đặc tính với mỗi IBRs max min

Hình 3-3 Bộ điều khiển độ dốc trên IBR ở chế độ nguồn áp

Hình 3-4 Bộ điều khiển độ dốc trên IBR ở chế độ nguồn dòng

Tùy thuộc vào đặc tính của nguồn sơ cấp của IBR sẽ tương ứng xây dựng đường đặc tính tĩnh như máy phát điện đồng bộ Vị trí và các đầu vào ra của bộ điều khiển độ dốc tương ứng với các IBR nguồn áp và IBR nguồn dòng được thể hiện trong Hình 3-3 và Hình 3-4 Theo đó, với IBR nguồn áp, đầu vào của bộ điều khiển độ dốc bao gồm các thông số P * , ω * , Q * , V * , P, Q và tương ứng đầu ra của bộ điều khiển độ dốc là đầu vào của bộ điều khiển điện áp và tần số ω, v dref , v qref Đối với các IBRs nguồn dòng, đầu vào bộ điều khiển độ dốc là các đại lượng tần số ω và điện áp V và đại lượng đầu ra là giá trị đặt P ref và Q ref đưa vào bộ điều khiển công suất.

Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn áp

Hình 3-5 Điều khiển độ dốc IBR chế độ nguồn áp

Bộ điều khiển độ dốc với véc tơ biến đầu vào công suất tác dụng và phản kháng phát ra [P out Q out ] và véc tơ biến đầu ra [ω, V] thể hiện trong Hình 3-5

Khi phân tách chi tiết các thành phần điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng, cụ thể thành phần điều khiển công suất tác dụng được thể hiện trong Hình 3-6

Hình 3-6 Điều khiển công suất tác dụng trên IBR nguồn áp

Trong đó: tần số đầu ra được xác định theo (3.7)

Với P out là công suất phát của IBR được tính như sau:

3 out 2 sd td sq tq

Tuyến tính hóa các công thức (3.7) ÷ (3.9) thu được

3( ) out 2 q td d sq sd tq tq sd

Hình 3-7 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn áp trục d

Hình 3-8 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn áp trục q

Thành phần điều khiển công suất phản kháng được phân tách dựa trên 2 trục d, q và được thể hiện trong Hình 3-7 và Hình 3-8

Và Q out là công suất phát của IBR :

3 out 2 sq td sd tq

Phương trình biểu diễn bộ điều khiển điện áp:

( ) 0 dref pv dref sd iv vd sd f sq i = k v − v + k i + i −  C v (3.14)

( ) 0 qref pv qref sq iv vq sq f sd i = k v − v + k i + i +  C v (3.15)

Tuyến tính hoặc hệ các phương trình (3.12) ÷ (3.15)

3( ) out 2 sq td td sq sd tq tq sd

( ) 0 dref pv dref sd iv vd sd f sq i k v v k i i  C v

( ) 0 qref pv qref sq iv vq sq f sd i k v v k i i  C v

Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn dòng

Hình 3-9 Điều khiển độ dốc IBR nguồn dòng

Với các IBR có vai trò các nguồn dòng và thông số đầu vào bộ điều khiển công suất là các giá trị đặt P ref , Q ref như đã trình bày trong Chương 2, nhiệm vụ của bộ điều khiển độ dốc là đưa ra được các giá trị đặt công suất để đưa vào bộ điều khiển công suất

= + n − (3.21) id ref out di P P dt = − (3.22) iq ref out di Q Q dt = − (3.23)

Hình 3-10 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn dòng

Hình 3-11 Điều khiển công suất tác dụng IBR nguồn dòng

Tuyến tính hóa các công thức (3.20) ÷ (3.23) thu được:

3 ( ) dref 2 pd sd td td sd sq tq tq sq pd ref id id i k v i i v v i i v k P k i

3 ( ) qref 2 pq sq td td sq sd tq tq sd pq ref iq iq i k v i i v v i i v k Q k i

Mô hình bộ điều khiển tần số trong lưới

Khi xảy ra các biến động trong lưới, đặc biệt là các biến động liên quan tới công suất tác dụng khiến cân bằng công suất tác dụng dịch chuyển, bộ điều khiển tần số lưới cần đưa tần số lưới về giá trị đặt Sơ đồ bộ điều khiển tần số của IBR trong luận án được minh họa trên Hình 3-12 Sơ đồ thể hiện khâu điều khiển PI, tác động tỉ lệ với độ lệch tần số, và với tích phân theo thời gian của độ lệch tần số

Hình 3-12 Mô hình bộ điều khiển tần số

Về mặt bản chất, sơ đồ điều khiển ở Hình 3-12 thể hiện đáp ứng điều khiển sơ cấp và thứ cấp trên cùng một IBR Tùy thuộc vào chỉnh định các hệ số K prw và K irw , tác động điều khiển sơ cấp hoặc thứ cấp sẽ trở nên rõ nét hơn Vòng lặp điều khiển tần số nằm phía ngoài của bộ điều khiển độ dốc, với mục tiêu kiểm soát và đưa độ lệch tần số tồn tại sau bộ điều khiển độ dốc tác động về không [69] Với tín hiệu đầu vào là sai số độ lệch tần số được đưa vào bộ điều khiển, và tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là đại lượng công suất tác dụng P ref được đưa vào bộ điều khiển độ dốc như trên Hình 3-12

* ref prw ref irw ref

Hệ phương trình mô tả động học bộ điều khiển tần số: p •  =  ref −  (3.30)

Tuyến tính hóa (3.30) thu được: p  

Ma trận hóa theo các véc tơ trạng biến trạng thái, véc tơ đầu vào và véc tơ đầu ra như sau: x p  p 

Mô hình bộ điều khiển điện áp trong lưới

Hình 3-13 Mô hình bộ điều khiển điện áp trên IBR

Vòng lặp điều khiển điện áp được trang bị trên các IBRs nguồn dòng, nhằm điều khiển điện áp tại các nút nguồn [70] Với thông số đầu vào vòng điều khiển là chênh lệch điện áp giữa điện áp đo thực thế và điện áp danh định và đầu ra của bộ điều khiển là đầu vào của bộ điều khiển công suất phản kháng Cụ thể bộ điều khiển điện áp được thể hiện trong Hình 3-13

Bộ điều khiển điện áp trên máy phát điện đồng bộ được thiết kế như trên Hình 3-14

Hình 3-14 Mô hình bộ điều khiển điện áp trên DG

Trong hệ thống điều khiển kích từ exciter đồng bộ, đầu vào của bộ điều khiển là chênh lệch giữa điện áp đo thực tế và điện áp danh định Từ đó, bộ điều khiển sẽ tính toán và đưa ra điện áp kích từ phù hợp, đóng vai trò như đầu ra của hệ thống.

Phân tích trị riêng và các đáp ứng của mô hình khi có mạch vòng điều khiển 68

3.6.1 Vòng điều khiển điện áp

Với sơ đồ lưới được thể hiện trong Hình 2-24, các vòng điều khiển điện áp được đưa vào máy IBR tại nút 3, và máy DG tại nút 4, với mục đích giữ điện áp tại điểm kết nối Hệ thống điều khiển điện áp được mô tả bởi các khâu khuếch đại bậc nhất, với thông số thể hiện trong bảng dưới đây

Bảng 3-1 Thông số các bộ điều khiển điện áp

Tham số Ý nghĩa Giá trị

K AVR3 Hệ số khuếch đại, AVR tại IBR3 4

T A.AVR3 Hằng số thời gian, AVR tại IBR3 0.01

K AVRDG Hệ số khuếch đại, AVR tại DG4 1

T A.AVRDG Hằng số thời gian, AVR tại DG4 0.4

Bảng 3-2 thể hiện giá trị các trị riêng của mô hình Micrgrid trong Hình 2-24 ở chế độ tách lưới được xây dựng dựa trên công thức (2.92) Toàn bộ 50 trị riêng có phần thực âm, thể hiện hệ thống ổn định khi khép các vòng điều khiển điện áp

Bảng 3-2 Trị riêng của mô hình đối tượng khi gắn bộ điều khiển điện áp

Real (1/s) Im (rad/s) Trị riêng

Hình 3-15 thể hiện đáp ứng bước nhảy trong miền thời gian của hàm truyền 𝑉 𝑟𝑒𝑓3 −

𝑉 3 Khi mạch vòng điều khiển điện áp được khép kín, tín hiệu đầu ra của IBR3 bám theo đúng tín hiệu đặt Hình 3-16 thể hiện đáp ứng trong miền tần số của hàm truyền

𝑉 𝑟𝑒𝑓3 − 𝑉 3 Kết quả cho thấy điện áp đầu ra sẽ bám sát giá trị đặt trong dải tần số thấp (nhỏ hơn vài chục rad/s) Ở tần số cao hơn, điện áp đầu ra sẽ không bám được tín hiệu đặt, do độ trễ của các khâu điều khiển và PLL bắt đầu có ảnh hưởng rõ rệt khi tần số tín hiệu tăng

Hình 3-15 Đáp ứng trong miền thời gian điện áp tại nút 3

Hình 3-16 Đáp ứng trong miền tần số điện áp tại nút 3

Cuối cùng, ta xem xét đáp ứng trong miền thời gian và tần số của đáp ứng điện áp tại máy phát đồng bộ tại nút 4 (𝑉 𝑟𝑒𝑓4 − 𝑉 4 ) Đáp ứng điện áp của máy phát này mang đặc trưng rõ rệt của máy điện đồng bộ có quán tính, bao gồm quán tính quay và độ

71 trễ trong mạch vòng từ thông giữa stato và cuộn kích thích 4 Do vậy đáp ứng điện áp theo giá trị đặt có độ trễ cao hơn

Hình 3-17 Đáp ứng trong miền thời gian điện áp tại nút 4

Trong miền tần số (Hình 3-18), đáp ứng điện áp của máy đồng bộ cũng khác biệt rõ rệt so với bộ IBR2 và IBR3 Do quán tính lớn của máy phát và mạch điện từ, điện áp ra có độ suy hao rất rõ rệt về biên độ ở dải tần số cao Có thể thấy máy đồng bộ có đáp ứng tự nhiên như một bộ lọc thông thấp, đáp ứng của nguồn đồng bộ chậm hơn, tuy nhiên điều này cũng làm tăng một cách tự nhiên tính ổn định cho lưới điện có nhiều máy đồng bộ

Hình 3-18 Đáp ứng trong miền tần số điện áp tại nút 4

72 Để quan sát kỹ hơn, đáp ứng tần số của hai vòng điều khiển điện áp được vẽ trên cùng một đồ thị được thể hiện trong Hình 3-19 Hai vòng điều khiển đều có đáp ứng ở tần số thấp 0dB, thể hiện điện áp đầu cực bám sát giá trị đặt trong chế độ xác lập Hai vòng điều khiển đều thể hiện các nghiệm riêng của hệ ở các mức độ khác nhau Trong đó, mạch vòng điều khiển điện áp của máy DG có độ suy hao nhiều hơn ở tần số cao Đặc điểm này đến từ hằng số thời gian lớn của các cuộn dây và mạch từ Đặc điểm này cũng giúp giảm ảnh hưởng của AVR trên DG đến các dao động tần số cao

Hình 3-19 So sánh đáp ứng tần số của AVR tại IBR nút 3 và tại máy DG nút 4

3.6.2 Vòng điều khiển tần số

Thực hiện bổ sung vòng điều khiển tần số, với sơ đồ khối như Hình 3-12 cho máy phát IBR tại nút 3 và máy DG tai nút 4 Tham số của các bộ điều khiển được thể hiện trong bảng dưới đây

Bảng 3-3 Thông số các bộ điều khiển tần số

Tham số Ý nghĩa Giá trị

K pwr.3 Hệ số tỉ lệ, máy phát tại IBR3 25

K Iwr.3 Hệ số tích phân, máy phát tại IBR3 5

K pwr.4 Hệ số tỉ lệ, máy phát tại DG4 25

K Iwr.4 Hệ số tích phân, máy phát tại DG4 5

Hệ thống tuyến tính hóa có 54 nghiệm riêng, tất cả đều có phần thực âm, thể hiện trong bảng dưới đây So với trường hợp chưa có mạch vòng điều khiển tần số (mục

3.6.1), bổ sung thêm các bộ điều khiển sơ cấp và thứ cấp làm thay đổi nhẹ nghiệm dao động điện cơ của máy DG4

Bảng 3-4 Nghiệm riêng của lưới điện khi bổ sung mạch điều khiển tần số

Real (1/s) Im (rad/s) Trị riêng

53 0.00 0.00 54 0.00 0.00 Đáp ứng của các mạch vòng điều khiển tần số khi thay đổi tín hiệu đầu vào có thể khảo sát thông qua hàm truyền từ ref đến  của các máy phát Kết quả với máy IBR tại nút 3 và DG tại nút 4 thể hiện trên Hình 3-20 Tần số của lưới bám sát tín hiệu tham chiếu ở các tín hiệu tần số thấp Ở tần số cao hơn, đáp ứng biên độ của máy

74 diesel có mức giảm nhanh hơn Kết quả này cũng tương tự với kết quả phân tích mạch vòng điều khiển điện áp

Hình 3-20 So sánh đáp ứng  ref -  với hai bộ điều khiển tần số ở IBR3 và DG4.

Phân tích độ nhạy và ảnh hưởng của thay đổi tham số điều khiển

Tiếp theo, luận án thực hiện một số phân tích về độ nhạy của các nghiệm riêng đối với các thay đổi của tham số của mô hình Bảng 3-5 trình bày các phân tích độ nhạy của nghiệm riêng được khảo sát trong chương này

Bảng 3-5 Dải biến thiên các tham số khi phân tích độ nhạy của nghiệm riêng

STT Tham số Ý nghĩa Dải biến thiên

1 P DG Công suất máy diesel 10kW-

1 K PLL Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển khóa pha PLL 1-3

2 K AVR2 Hệ số khuếch đại KA của mạch vòng điều khiển điện áp máy phát IBR3 0.4-5

Hệ số khuếch đại KA của mạch vòng điều khiển điện áp máy phát diesel nút 4 0.4-5

4 m p Độ dốc đặc tính điều khiển tần số IBR 2 0.01-10%

5 Tỉ lệ X/R Tỉ lệ X/R của các nhánh lưới điện 0.1 – 2.25*

*: thay đổi so với tỉ lệ X/R ban đầu

3.7.1 Thay đổi công suất máy diesel

Khảo sát sự thay đổi của các nghiệm riêng khi công suất máy diesel thay đổi từ 10kW đến 200 kW, kết quả được thể hiện trên Hình 3-21 dưới đây Do các nghiệm riêng có dải giá trị biến thiên rộng, kết quả được thể hiện trên hai khu vực khác nhau Nhìn chung, hệ thống có độ ổn định tương đối tốt khi công suất máy DG thay đổi Nghiệm riêng tương ứng với dao động điện cơ (8rad/s) có xu thế dịch về phía phải mặt phẳng phức (giảm ổn định) khi máy DG tăng công suất Tuy nhiên trong dải công suất được khảo sát, mức độ ổn định của nghiệm này vẫn được đảm bảo

Hình 3-21 Quỹ đạo nghiệm riêng khi thay đổi công suất máy DG: a) Các nghiệm riêng tần số cao, b) Các nghiệm riêng tương ứng dao động điện cơ của máy DG

3.7.2 Thay đổi hệ số điều khiển của bộ PLL

Hình 3-22 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số K PLL

Hình 3-22 thể hiện dịch chuyển của các nghiệm riêng khi thay đổi hệ số phản hồi của bộ PLL (k pll ) Khi tăng hệ số này, nghiệm riêng có xu thế dịch sang phải (tiến đến trục ảo) Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu liên quan, khi tăng hệ số khuếch đại bộ PLL có thể gây mất ổn định Mặc dù vậy đối với ví dụ cụ thể đang xét, mức độ ổn định của cặp nghiệm này vẫn rất cao do phần thực có giá trị âm lớn

3.7.3 Thay đổi hệ số khuếch đại mạch vòng điều khiển điện áp

Trong khảo sát này, hệ số khuếch đại của vòng điều khiển điện điện áp tại IBR3, hoạt động ở chế độ nguồn dòng được tăng từ 1 đến 1000, quỹ đạo các nghiệm thể hiện trên Hình 3-23 Để dễ quan sát, hình vẽ quỹ đạo nghiệm được tập trung vào các cặp nghiệm có nhiều thay đổi nhất AVR tại IBR3 dịch chuyển một cặp nghiệm phức với tần số 20 – 80 rad/s (cặp số 1 trên Hình 3-23) Với cặp nghiệm phức ở tần số 7.98 rad/s, thay đổi AVR tại IBR3 không làm thay đổi tần số của nghiệm này, chỉ ảnh hưởng đến hệ số tắt (cặp số 2 trên Hình 3-23)

Hình 3-23 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số K AVR (máy IBR3)

Khi thay đổi hệ số khuếch đại của AVR tại máy DG4, kết quả thể hiện trên Hình 3-24 Bộ điều khiển điện áp của máy DG4 có ảnh hưởng rõ nét đến tính ổn định của dao động điện cơ của máy này Hệ số điều khiển quá lớn có thể gây mất ổn định

Hình 3-24 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số K AVR (máy DG4)

3.7.4 Thay đổi công suất phát của máy IBR3

Khi thay đổi công suất tác dụng của máy IBR3, một số cặp nghiệm riêng có sự thay đổi đáng kể, tuy nhiên đây là các nghiệm có hệ số tắt rất cao, vì vậy không ảnh hưởng đến mức độ ổn định của hệ thống Thay đổi công suất phát của IBR3 cũng có ảnh hưởng không đáng kể đến dao động điện cơ của máy DG4

Hình 3-25 Quỹ đạo nghiệm số khi thay đổi công suất máy IBR3

3.7.5 Ảnh hưởng của thông số bộ điều khiển độ dốc

Bộ điều khiển độ dốc đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tần số lưới điện thông qua IBR nguồn áp Trong nghiên cứu, mômen cơ trên máy phát tại nút 4 được chọn làm kích động khảo sát Kết quả cho thấy thay đổi độ dốc không làm đổi cấu trúc dao động, chỉ làm dịch chuyển đáp ứng tần số Giảm hệ số độ dốc sẽ làm giảm độ nhạy tần số lưới với tín hiệu công suất cơ bổ sung.

Hình 3-26 Biểu đồ Bode quan hệ tần số với T m khi thay đổi độ dốc m p

Về mặt năng lượng, khi thay đổi một lượng công suất cơ T m đồng nghĩa với việc cung cấp thêm cho lưới điện một năng lượng tỉ lệ với độ thay đổi mô men này Tuy nhiên khi giảm độ dốc m p , bộ điều khiển của IBR tại nút 2 (IBR2) có đáp ứng tiến dần đến đáp ứng của máy phát thực hiện chức năng điều tần thứ cấp 5 Vì vậy khi độ dốc giảm dần, IBR2 có xu thế hấp thụ năng lượng do máy phát cấp thêm vào lưới, khiến tần số chung đáp ứng ít đi với các kích động bên ngoài Kết quả này thể hiện tính hợp lý của mô hình được xây dựng trong luận án Tuy nhiên để phân tích đầy đủ hơn sẽ cần mô tả thêm động học của tụ DC và hệ thống thiết bị lưu trữ phía trước nguồn DC

3.7.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ X/R

Tỷ số X/R có ảnh hưởng nhất định tới các dao động nhỏ trong lưới điện, đặc biệt là các lưới điện nhỏ có khả năng giữ ổn định được đánh giá kém hơn so với lưới điện truyền thống Để có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ X/R tới mức độ ổn định của MG, luận án tiến hành thay đổi tỷ lệ X/R và quan sát sự dịch chuyển của các trị riêng Kết quả dịch chuyển trị riêng được thể hiện trong Hình 3-27

5 Do cách thức xây dựng hệ phương trình trạng thái, luận án không mô tả được trường hợp m p = 0 tuyệt đối, tương ứng với trường hợp máy phát thực hiện chức năng điều tần thứ cấp

Hình 3-27 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng tỷ lệ X/R

Sự dịch chuyển gần như đồng bộ các trị riêng khi tăng dần các tỷ lệ X/R về phía phải cho thấy mức độ ảnh hưởng lớn của tỷ lệ này tới sự ổn định của MG Tỉ lệ X/R thay đổi có ảnh hưởng rõ nét với các nghiệm riêng có tần số lớn.

Kết luận chương 3

Dựa trên mô hình đối tượng lưới MG được xây dựng trong Chương 2, Chương 3 đã 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 Nội dung chính của chương là thiết lập các mạch vòng điều khiển tần số và điện áp, dựa trên mô hình tín hiệu nhỏ đã được phát triển trong Chương 2 Đồng thời, chương này thực hiện các phân tích độ nhạy của các nghiệm riêng khi thay đổi các tham số và chế độ vận hành để đánh giá tính ổn định của lưới MG

Các phân tích trong chương này có sự tương đồng với kết quả chương 2, qua đó cho thấy các mạch vòng điều khiển tần số, điện áp của máy diesel có hệ số suy giảm mạnh hơn ở miền tần số cao Đây thực chất là một ưu điểm, bởi nó cho phép giảm thiểu các tương tác giữa các bộ điều khiển khi thay đổi tham số điều khiển Tuy nhiên, các phân tích độ nhạy khác trong chương cho thấy mức độ ổn định tương đối tốt của hệ MG được khảo sát với sự biến thiên của các tham số

Các kết quả và công cụ tính toán đã xây dựng trong chương 2, được hoàn thiện ở chương 3 cho phép giúp tiến hành phân tích ổn định của lưới MG có hỗn hợp các bộ IBR ở chế độ nguồn áp, nguồn dòng và máy phát diesel trên phương diện ổn định dao động nhỏ.

ỔN ĐỊNH CỦA MICROGRID VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO

Ảnh hưởng của quán tính quay tới ổn định tĩnh hệ thống

Quán tính quay là yếu tố có mối quan hệ chặt chẽ với việc giữ ổn định hệ thống, đặc biệt là ổn định tần số Minh họa cho sự khác biệt về đáp ứng tần số giữa lưới điện có quán tính lớn và lưới điện có quán tính nhỏ được thể hiện trong Hình 4-1 Các thông số đánh giá quá trình thay đổi tần số khi xuất hiện yếu tố gây mất ổn định như tần số thấp nhất và tốc độ thay đổi tần số (RoCoF) đều suy giảm đáng kể khi quán tính lưới điện giảm xuống [71]

Hình 4-1 So sánh đáp ứng tần số trong lưới quán tính nhỏ và lưới quán tính lớn Động năng của rotor trong MFĐ đồng bộ được xác định:

Trong đó: J – mômen quán tính rotor [kg.m 2 ] ω r – tốc độ quay của rotor [rad/s]

Vi phân (4.1) thu được công suất: r r r dE d dt J dt

Quá trình động học mô tả phương trình chuyển động quay rotor máy phát đồng bộ được giản đồ hóa trong Hình 4-2

Hình 4-2 Mô hình động học phương trình quay máy phát đồng bộ nối lưới [72]

Biểu diễn công thức (4.2) trong hệ đơn vị tương đối, trong điều kiện tốc độ góc rotor chỉ dao động xung quanh tần số đồng bộ ω ro (rad/s) thu được phương trình quay bậc 1 như sau:

P m : Công suất cơ của động cơ sơ cấp

P e : Công suất điện ω r : tốc độ quay của rotor [rad/s]

84 ω ro : tốc độ quay đồng bộ của rotor [rad/s] ω g : tốc độ góc quay tham chiếu của lưới [rad/s] δ : góc lệch của rotor

S Base : Công suất cơ bản của máy phát [VA]

K s : Hệ số mômen đồng bộ giữa máy phát và lưới

Phương trình quay (4.3) thể hiện mối liên hệ giữa mức chênh lệch công suất cơ và công suất điện 6 được với sự thay đổi tốc độ quay của rotor máy phát điện qua đó hình thành các dao động tần số lưới điện Thành phần giữ vai trò quan trọng trong việc giúp cho sự dao động tần số ổn định chính là hằng số quán tính H, đặc trưng cho quán tính quay của rotor máy phát điện

Quán tính quay đặc trưng cho một phần năng lượng của lưới điện lưu trữ ở dạng động năng Năng lượng lưu trữ này sẽ góp phần nâng cao ổn định cho lưới điện khi có các kích động xảy ra Với xu thế tăng cường tỉ lệ các nguồn IBR, quán tính của các hệ thống điện có xu thế sụt giảm [73] Một hệ quả rõ rệt nhất của suy giảm quán tính là hệ số RoCoF khi có các kích động sẽ tăng lên, làm tăng nguy cơ các rơ le làm việc không đúng, hoặc tần số hệ thống sụt giảm mạnh dẫn đến kích hoạt chức năng sa thải phụ tải [74]

Hình 4-3 Ảnh hưởng của sụt giảm quán tính [74]

6 Còn gọi là công suất gia tốc

4.1.2 Quán tính ảo cho nguồn IBRs Đối mặt với thách thức của sụt giảm quán tính, nhiều giải pháp đã và đang được nghiên cứu để cải thiện quán tính và ổn định tần số cho hệ thống điện Một trong các giải pháp được đề xuất ở châu Âu [75] đề xuất là phát triển các biện pháp giả lập quán tính 7 cho hệ thống điện Một cách hiểu đơn giản nhất của quán tính giả lập là bộ điều khiển IBR tạo ra các biến đổi rất nhanh về công suất tác dụng [76], để thay thế đáp ứng quán tính của máy phát đồng bộ Đối với các lưới điện nhỏ (MG), việc quan tâm đến đáp ứng quán tính càng trở nên cần thiết, do MG là lưới có kích thước nhỏ, dễ bị dao động mạnh về tần số và điện áp hơn nhiều so với các hệ thống lớn Quá trình bù quán tính cho MG được thực hiện trên các bộ biến đổi công suất, phỏng theo hoạt động của máy phát đồng bộ Các cấu hình mô phỏng quán tính ảo có thể được phân loại như sau [77]:

▪ Cấu hình dựa trên máy phát điện đồng bộ

▪ Cấu hình dựa trên phương trình quay

▪ Cấu hình dựa trên đáp ứng tần số - công suất

Cấu hình mô phỏng dựa trên máy phát đồng bộ được xây dựng trên mô hình động học đầy đủ SG, bao gồm phần điện và phần cơ của SG Nhờ sự mô phỏng đầy đủ các thành phần động học của SG mà cấu hình này cho độ chính xác cao [78] Ise Lab [79] [80] đề xuất cấu hình mô phỏng dựa trên phương trình quay chỉ tập trung mô phỏng quán tính ảo dựa phương trình quay của SG Cấu hình làm việc dựa trên việc đo lường tần số lưới và công suất tác dụng phát ra của bộ biến đổi VSYNC [81] đề xuất cấu hình mô phỏng quán tính ảo dựa trên đáp ứng tần số - công suất Cấu hình này xuất phát từ các thông số đo lường vi phân tần số thay đổi để tiến hành mô phỏng quán tính ảo

Hiện nay, sự hình thành Microgrid phụ thuộc chính vào các nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ, do vậy sẽ tồn tại những Microgrid chỉ bao gồm các nguồn IBR và không xuất hiện các nguồn máy phát đồng bộ, cũng như các nguồn có dự trữ quán tính quay [82] Sự ảnh hưởng do thiếu hụt quán tính quay tới các thông số lưới điện sẽ thể hiện rõ nét với lưới Microgrid chỉ dựa trên các IBRs [83][84] Do vậy với các lưới Microgrid này, việc bù quán tính thông qua bộ điều khiển VSG là một giải pháp cần thiết Nhằm khảo sát và đánh giá sự tác động của các thông số bộ điều khiển VSG tới sự ổn định chung của toàn lưới, cần thiết xây dựng mô hình dao động nhỏ toàn lưới

Microgrid có xét tới bộ điều khiển VSG

Phân tích ổn định dao động nhỏ của máy phát đồng bộ ảo trong lưới điện yếu được các nghiên cứu [85][86][87] đề cập Các nghiên cứu này cũng đã đưa ra cách thức xây dựng mô hình dao động nhỏ của các máy phát đồng bộ ảo thông qua phương pháp tọa độ quy chiếu quán tính đồng bộ và tối ưu hóa thông số các bộ điều khiển

VSG như quán tính đồng bộ ảo, độ giảm chấn dựa trên phương pháp tối ưu hóa PSO Các nghiên cứu này chưa xét tới sự tương tác giữa các mô hình dao động nhỏ của VSG và mô hình của lưới điện và các phụ tải điện.

Mô hình bộ điều khiển quán tính ảo bộ biến đổi nguồn áp dựa trên phương trình

Tùy thuộc vào chế độ vận hành chung của MG, các bộ biến đổi công suất trong

MG có thể được điều khiển như với nguồn dòng hoặc nguồn áp [58] Ở chế độ nguồn dòng, bộ biến đổi không thể làm việc hoàn toàn độc lập khi tách lưới mà chỉ có thể tham gia điều chỉnh tần số và điện áp MG thông qua điều khiển lượng công suất tác dụng và phản kháng phát ra Khi MG ở chế độ độc lập, quá trình điều khiển điện áp và tần số phụ thuộc lớn vào bộ biến đổi hoạt động ở chế độ nguồn áp Sơ đồ khối điều khiển bộ biến đổi nguồn áp trong chế độ tách lưới dựa trên cấu hình mô phỏng phương trình quay được biểu diễn trong Hình 4-4

Sơ đồ khối điều khiển bộ biến đổi công suất dựa trên các khối cơ bản “Điều khiển công suất tác dụng”, khối “Điều khiển công suất phản kháng” và các khối “Điều khiển dòng điện” và khối “Điều khiển điện áp” bên trong Để thuận lợi trong quá trình điều khiển, hệ trục tọa độ vuông góc quay dq được sử dụng Việc chuyển đổi các đại lượng trên trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ vuông góc quay dq được dựa trên công thức biến đổi Park

Hình 4-4 Sơ đồ khối điều khiển bộ biến đổi nguồn áp dựa trên mô phỏng phương trình chuyển động quay.

Điều khiển công suất tác dụng có giả lập quán tính

Bộ “Điều khiển công suất tác dụng” bao gồm hai khâu điều khiển sơ cấp và điều khiển thứ cấp và một khâu quán tính ảo Khâu quán tính ảo được xây dựng phỏng theo đặc tính quán tính của máy phát đồng bộ Hai khâu điều khiển sơ cấp và điều khiển thứ cấp giúp đưa tần số về giá trị đặt khi các kích động về công suất tác dụng xuất hiện thông qua đại lượng P out “Khâu quán tính” mô tả mối liên hệ động học điện cơ được thêm vào bộ điều khiển IBR nguồn áp nhằm giảm thiểu sự thiếu hụt quán tính của các thiết bị điện tử công suất qua đó giúp các nguồn IBR có thể hoạt động gần với sự phỏng theo hoạt động máy phát đồng bộ Mô hình tuyến tính hóa bộ “Điều khiển công suất tác dụng” được thể hiện trong Hình 4-5

Hình 4-5 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất tác dụng

Phương trình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất tác dụng: irw g P

H : Hằng số quán tính ảo [s]

K p : Hệ số độ dốc trong điều khiển sơ cấp

K irw : Hệ số tích phân của điều khiển thứ cấp

Với véc tơ biến trạng thái x P =      P g  P in  

Và véc tơ biến đầu vào  = u P  P out 

Ma trận trạng thái A P và ma trận đầu vào B P :

Điều khiển công suất phản kháng

Quá trình điều khiển điện áp dựa trên điều khiển công suất phản kháng Q được chia thành hai giai đoạn và kết nối với bộ điều khiển điện áp bên trong của bộ điều khiển bộ biến đổi Giai đoạn đầu tiên là bộ điều khiển độ dốc công suất phản kháng, tiếp theo là bộ điều khiển tự động công suất phản kháng dựa trên bộ điều khiển PI Mô hình tuyến tính hóa của "Điều khiển công suất phản kháng" được minh họa trong Hình 4-6.

Hình 4-6 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất tác dụng

( ) iq dref in out pq v Q Q k k s

Với véc tơ biến trạng thái = x Q  x q 

Véc tơ biến đầu vào u P =    Q in  Q out  ;

Véc tơ biến đầu ra y Q =  v dref ;

Với các ma trận trạng thái A Q và ma trận đầu vào B Q và ma trận đầu ra C Q :

Mô hình dao động nhỏ Microgrid có xét tới bộ điều khiển VSG

Sơ đồ khối kết nối các phần tử được thể hiện trong Hình 4-7 Để kết nối vào mô hình lưới, các phần tử cần có biến đầu vào là dòng điện và biến đầu ra là điện áp Mô hình IBRs dựa trên bộ điều khiển VSG được xây dựng theo đầu vào ra như vậy nên việc kết nối với mô hình lưới điện rất thuận lợi

Hình 4-7 Mô hình kết nối IBR có gắn VSG với lưới điện

Mô hình dao động nhỏ lưới MG :

MG MG MG MG MG

MG MG MG MG MG x A x B u y C x D u

Trong đó:  x MG =    x VSG  x Net  x Load   T

Phân tích ổn định của mô hình

Ứng dụng mô hình bộ biến đổi nguồn áp quán tính ảo cấu hình dựa trên phương trình quay vào MG thử nghiệm tại Hình 4-8 ở chế độ độc lập Thông số các phần tử trong sơ đồ được cho trong Bảng 4-1

Hình 4-8 Sơ đồ lưới Microgrid có sự tham gia VSG

Bảng 4-1 Thông số bộ điều khiển VSG

Bảng 4-2 thể hiện giá trị các trị riêng của mô hình MG trong Hình 4-8 ở chế độ tách lưới Toàn bộ 46 trị riêng có giá trị phần thực âm, cho thấy mô hình hệ thống

Microgrid được xét ở trạng thái ổn định Các trị riêng có phần ảo khác không đều tồn tại theo cặp số phức liên hợp, còn lại là các trị riêng có phần ảo bằng không Các cặp nghiệm đặc trưng cho dao động tần số lưới điện là cặp nghiệm phức λ 21,22, cặp nghiệm λ 25,26 và cặp nghiệm λ 27,28 Trị riêng của mô hình cũng được thể hiện trực quan dạng biểu đồ điểm cực – điểm không trên Hình 4-9

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

Trị riêng Real (1/s) Im (rad/s) Trị riêng Real (1/s) Im (rad/s)

Trong số các nghiệm riêng của mô hình Microgrid, cặp nghiệm đặc trưng quan trọng của mô hình là cặp nghiệm λ 36,37 Do cặp nghiệm có phần thực nhỏ nhất trong các trị riêng Giới hạn của hệ thống phụ thuộc lớn vào cặp nghiệm này Để nâng mức giới hạn ổn định của hệ, cần thiết tính chọn các thông số của bộ điều khiển VSG sao cho cặp trị riêng này di chuyển sang phía trái, tăng độ ổn định cho hệ thống Trong đó đồ thị chi tiết Hình 10.b, thể hiện rõ cặp nghiệm λ 36,37 nằm sát đường trục ảo, đặc trưng cho giới hạn ổn định của mô hình

Hình 4-9 Bản đồ điểm cực- điểm không của mô hình

Từ các phân tích trên, tiến hành thay đổi chỉ số K p thuộc bộ điều khiển VSG Kết quả, quỹ đạo cặp trị riêng λ 36,37 di chuyển theo hướng gia tăng độ ổn định cho hệ thống khi thay đổi cho thấy khi hệ số K p thay đổi từ 5 đến 25 Chi tiết các di chuyển cặp trị riêng được thể hiện trong Hình 4-10 Từ đó cho thấy, việc tăng tốc độ đáp ứng của bộ điều khiển VSG thông qua việc tăng chỉ số K p giúp tăng độ ổn định của hệ thống, đây là điểm lưu ý quan trọng khi tiến hành thiết kế bộ điều khiển VSG cho các nguồn IBRs

Hình 4-10 Quỹ đạo cặp trị riêng λ 36,37 khi K p thay đổi Đối với bộ điều khiển công suất phản kháng, thông số bộ điều khiển công suất phản kháng là K pq cần được khảo sát Với khoảng khảo sát K pq từ 0.6 tới 9, thu được quỹ đạo các nghiệm riêng di chuyển trong Hình 4-11 và Hình 4-12 Quỹ đạo trị riêng λ 12,13, λ 23,24 thể hiện trong Hình 4-11 cho thấy khi tăng K pq có xu hướng di chuyển về phía rời xa trục ảo giúp gia tăng mức độ ổn định của hệ thống Trong khi, cặp trị riêng λ 14,15 có xu hướng di chuyển về phía trục ảo khả năng có thể gây mất ổn định hệ thống Đây là điểm cần lưu ý khi gia tăng hệ số tỷ lệ K pq thuộc bộ điều khiển công suất phản kháng

Hình 4-11 Quỹ đạo của cặp trị riêng λ 12,13 , λ 14,15 , λ 23,24 khi K pq thay đổi

Quỹ đạo các trị riêng λ 38, λ 43, λ 44 được ghi nhận trong Hình 4-12 cho thấy khi tăng

K pq các trị riêng này có xu hướng di chuyển về gần trục ảo và làm tăng khả năng mất ổn định hệ thống Đặc biệt các trị riêng này thuộc nhóm các trị riêng có phần thực nhỏ, nhạy cảm trong nhóm các trị riêng của hệ thống

Hình 4-12 Quỹ đạo trị riêng λ 38 , λ 43 , λ 44 khi K pq thay đổi

4.3.2 Phân tích đáp ứng quán tính trong miền tần số và miền thời gian

Mô hình dao động nhỏ lưới Microgrid cho phép khảo sát các đáp ứng của hệ thống trong cả miền thời gian và miền tần số Các thông số đầu ra chính được quan tâm bao gồm tần số và điện áp của lưới Trong mô phỏng đáp ứng tần số, tần số đầu ra được quan sát tại Bus 3 khi thay đổi các giá trị tần số đặt Hình 4-13 minh họa đáp ứng tần số trong miền thời gian.

Hình 4-13 Đáp ứng trong miền thời gian của tần số ω

Phản hồi tần số trong miền tần số được thể hiện ở Hình 4-14 với các trường hợp thông số hằng số quán tính H khác nhau của bộ điều khiển VSG Đây là một kết quả khá thú vị.

• Khi tạo giả lập đáp ứng quán tính, hệ thống xuất hiện một nghiệm riêng ở khu vực tần số thấp (

Ngày đăng: 25/09/2024, 10:02

Nguồn tham khảo

Tài liệu tham khảo Loại Chi tiết
[1] North American Electric Reliability Corporation (NERC), “Reliability Guideline BPS-Connected Inverter-Based Resource Performance,” 2018. [Online]. Available:https://www.nerc.com/comm/PC_Reliability_Guidelines_DL/Inverter-Based_Resource_Performance_Guideline.pdf Sách, tạp chí
Tiêu đề: Reliability Guideline BPS-Connected Inverter-Based Resource Performance
[2] IEEE, Microgrid Stability Definitions, Analysis, and Modeling (TR66). 2018. Accessed: Aug. 21, 2022. [Online]. Available: https://resourcecenter.ieee- pes.org/publications/technical-reports/PES_TR0066_062018.html Sách, tạp chí
Tiêu đề: Microgrid Stability Definitions, Analysis, and Modeling (TR66)
[3] J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, J. Matas, L. G. de Vicuna, and M. Castilla, “Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids—A General Approach Toward Standardization,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 1, pp Sách, tạp chí
Tiêu đề: Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids—A General Approach Toward Standardization,” "IEEE Trans. Ind. Electron
[4] IEEE, “Microgrid Stability Definitions, Analysis, and Modeling - Technical Report (PES-TR66),” IEEE Power Energy Soc., no. April, p. 120, 2018 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Microgrid Stability Definitions, Analysis, and Modeling - Technical Report (PES-TR66),” "IEEE Power Energy Soc
[5] N. Pogaku, S. Member, M. Prodanovic, T. C. Green, and S. Member, “Modeling , Analysis and Testing of Autonomous Operation of an Inverter-Based Microgrid,”IEEE Trans. Power Electr., vol. 22, no. 2, pp. 613–625, 2007 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Modeling , Analysis and Testing of Autonomous Operation of an Inverter-Based Microgrid,” "IEEE Trans. Power Electr
[6] D. E. Olivares et al., “Trends in Microgrid Control,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 5, no. 4, pp. 1905–1919, Jul. 2014, doi: 10.1109/TSG.2013.2295514 Sách, tạp chí
Tiêu đề: et al.", “Trends in Microgrid Control,” "IEEE Trans. Smart Grid
[7] Y. Gu, Y. Li, Y. Zhu, and T. C. Green, “Impedance-Based Whole-System Modeling for a Composite Grid via Embedding of Frame Dynamics,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 36, no. 1, pp. 336–345, Jan. 2021, doi: 10.1109/TPWRS.2020.3004377 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Impedance-Based Whole-System Modeling for a Composite Grid via Embedding of Frame Dynamics,” "IEEE Trans. Power Syst
[8] S. P. . C. P. Chowdhury S.; Chowdhury, Microgrids and active distribution networks. 2009 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Microgrids and active distribution networks
[9] J. A. P. Lopes, “Intergration of Dispersed Generation on Distribution Networks - Impact studies,” 2002 IEEE Power Eng. Soc. Winter Meet. Conf. Proc. (Cat.No.02CH37309), vol. 00, no. C, 2002 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Intergration of Dispersed Generation on Distribution Networks - Impact studies,” "2002 IEEE Power Eng. Soc. Winter Meet. Conf. Proc. (Cat. "No.02CH37309)
[10] P. IEEE Standards Coordinating Committee 21 (Fuel Cells, IEEE-SA Standards Board., and Institute of Electrical and Electronics Engineers., IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2003 Sách, tạp chí
Tiêu đề: IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems
[11] R. H. Lasseter, “MicroGrids,” 2002 IEEE Power Eng. Soc. Winter Meet. Conf. Proc. (Cat. No.02CH37309), vol. 1, pp. 305–308, 2002, doi: 10.1109/PESW.2002.985003 Sách, tạp chí
Tiêu đề: MicroGrids,” "2002 IEEE Power Eng. Soc. Winter Meet. Conf. Proc. "(Cat. No.02CH37309)
[12] P. Piagi and R. H. Lasseter, “Autonomous control of microgrids,” 2006 IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meet., p. 8 pp., 2006, doi: 10.1109/PES.2006.1708993 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Autonomous control of microgrids,” "2006 IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meet
[15] A. Bidram and A. Davoudi, “Hierarchical Structure of Microgrids Control System,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 3, no. 4, pp. 1963–1976, Dec. 2012, doi:10.1109/TSG.2012.2197425 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Hierarchical Structure of Microgrids Control System,” "IEEE Trans. Smart Grid
[16] J. A. P. Lopes, S. Member, C. L. Moreira, and A. G. Madureira, “Defining Control Strategies for Analysing MicroGrids Islanded Operation,” pp. 1–7, 2002 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Defining Control Strategies for Analysing MicroGrids Islanded Operation
[17] F. K. and N. H. J. A. Peỗas Lopes, C. L. Moreira, A. G. Madureira, F. O. Resende, X. Wu, N. Jayawarna, Y. Zhang, N. Jenkins, “Control Strategies for MicroGrids Emergency Operation,” Int. Conf. Futur. Power Syst., pp. 1–6, 2005 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Control Strategies for MicroGrids Emergency Operation,” "Int. Conf. Futur. Power Syst
[18] N. Pogaku, M. Prodanovic, and T. C. Green, “Inverter-Based Microgrids: Small- signal Modeling and testing,” 3rd IET Int. Conf. Power Electron. Mach. Drives - PEMD 2006, pp. 499–504, 2006 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Inverter-Based Microgrids: Small-signal Modeling and testing,” "3rd IET Int. Conf. Power Electron. Mach. Drives - PEMD 2006
[19] N. Pogaku, M. Prodanovic, and T. C. Green, “Modeling, Analysis and Testing of Autonomous Operation of an Inverter-Based Microgrid,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 2, pp. 613–625, Mar. 2007, doi: 10.1109/TPEL.2006.890003 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Modeling, Analysis and Testing of Autonomous Operation of an Inverter-Based Microgrid,” "IEEE Trans. Power Electron
[20] F. Katiraei, M. R. R. Iravani, and P. W. W. Lehn, “Small-signal dynamic model of a micro-grid including conventional and electronically interfaced distributed resources,” vol. 1, 2007, doi: 10.1049/iet-gtd:20045207 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Small-signal dynamic model of a micro-grid including conventional and electronically interfaced distributed resources
[22] P. Kundur et al., Power system stability and control. McGraw-Hill, 1994. doi: 10.1016/S0022-3115(02)01404-6 Sách, tạp chí
Tiêu đề: et al., Power system stability and control
[23] S. Wang, J. Su, X. Yang, Y. Du, Y. Tu, and H. Xu, “A Review on the Small Signal Stability of Microgrid,” no. 2, 2016 Sách, tạp chí
Tiêu đề: A Review on the Small Signal Stability of Microgrid

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

  • Đang cập nhật ...

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w