Điều khiển thích nghi các bộ nghịch lưu kết nối song song trong microgrid TT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THỊ XUÂN HOA ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CÁC BỘ NGHỊCH LƢU KẾT NỐI SONG SONG TRONG MICROGRID Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số chuyên ngành: 62.52.02.02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018 Cơng trình hồn thành Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Minh Phương Người hướng dẫn khoa học 2: Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG – TP.Hồ Chí Minh vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp HCM - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM CHƢƠNG TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN 1.1 Giới thiệu chung Nguồn phát điện phân tán (DG-Distributed generation) ngày đóng vai trò chủ đạo sản xuất cung cấp điện Hiện nay, DG ý nhiều lĩnh vực công nghiệp trở thành hướng nghiên cứu quan tâm lĩnh vực lượng [1] Mặc dù, nguồn phát điện phân tán sử dụng lượng gió, lượng mặt trời hay diesel,…là nguồn lượng sản xuất điện quy mơ nhỏ, tương lai coi nguồn thay bổ sung cho nguồn điện truyền thống, giúp giải gia tăng tượng ấm lên toàn cầu gây lượng hóa thạch Microgrid lưới điện nhỏ bao gồm nhiều nguồn phát điện phân tán (DG) Nguồn phát điện phân tán DG cho phép tích hợp dạng lượng khác như: mặt trời, gió, diesel,…vào hệ thống điện 1.2 Đặc điểm chung Microgrid: Công suất ngõ Microgrid nhỏ nhiều so với nhà máy điện thông thường hiệu cao thường lắp đặt gần với tải tổn thất đường dây truyền tải nhỏ Microgrids làm việc song song với lưới công cộng, hỗ trợ lưới điện cách cung cấp nguồn cho tải cục Mặt khác, hỗ trợ việc ngăn chặn tình trạng tải điện lưới điện Quốc gia Đối với vấn đề môi trường, Microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm môi trường sử dụng nguồn có khí thải thấp không, đồng thời Microgrids giúp việc giảm tiêu thụ lượng hóa thạch Về kinh tế, có chi phí lắp đặt thấp, hệ thống Microgrids cục giúp tiết kiệm đáng kể chi phí sở hạ tầng tổn thất truyền tải Microgrids thường ứng dụng để cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa nơi mà khơng có lưới điện Quốc gia Trong vấn đề điều khiển vận hành, Microgrids đảm bảo cung cấp lượng cho tải quan trọng đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống cung cấp điện Trong Microgrid, q trình khơi phục hệ thống điện dễ dàng giới hạn số lượng biến điều khiển 1.3 Các vấn đề xây dựng hệ thống Microgrid 1.3.1 Vấn đề ứng dụng điều khiển nghịch lưu Microgrid Microgrid gồm nhiều nguồn phát điện phân tán DG giao tiếp với lưới điện thông qua biến đổi công suất Microgrid thiết kế cho làm việc linh hoạt hai chế độ: độc lập kết nối lưới [1]-[6] Trong chế độ độc lập, microgrid có hai nhiệm vụ quan trọng chia công suất theo yêu cầu phụ tải nghịch lưu kết nối song song trì ổn định điện áp, tần số Trong chế độ kết nối lưới, microgrid phải điều khiển hòa đồng đồng thời phát cơng suất lên lưới nhiều [1] 1.3.2 Điều khiển chia công suất nghịch lưu kết nối song song Việc kết nối song song nghịch lưu chung AC vấn đề khó khăn phức tạp nhiều so với việc kết nối song song nguồn DC, nghịch lưu phải đảm bảo chia công suất đồng thời đảm bảo đồng hệ thống Vấn đề đặt việc kết nối song song nghịch lưu làm để chia công suất đảm bảo chúng kết nối hay ngắt cách linh hoạt không ảnh hưởng đến độ tin cậy hệ thống 1.4 Phân tích tình hình nghiên cứu cứu ngồi nƣớc vấn đề tồn Hiện nay, tất nghiên cứu nước việc chia công suất cho nghịch lưu kết nối song song phương pháp droop truyền thống droop cải tiến gặp khó khăn sau đây: Ảnh hưởng thông số đường dây đến hiệu chia công suất nghịch lưu kết nối song song Thông số trở kháng đường dây nghiên cứu giả thiết mang tính cảm, mang tính trở, thực tế thơng số đường dây bao gồm điện trở R điện kháng X, nên kết chia công suất đạt không mang tính thực tế Theo lý thuyết nghiên cứu phương pháp droop truyền thống hay droop cải tiến cần phải biết trước thông số đường dây, mà trở kháng đường dây lại thay đổi theo nhiệt độ, tần số tái thiết kế lại microgrid Hơn nữa, cấp điện áp sử dụng microgrid cấp trung cấp hạ thế, công suất truyền tải hệ thống nhỏ, nên thay đổi dù nhỏ trở kháng đường dây ảnh hưởng lớn đến công suất phát nghịch lưu Liên kết truyền thông sử dụng số nghiên cứu cải tiến droop nhằm tăng cường xác chia cơng suất việc thực kỹ thuật nhạy cảm với chậm trễ giao tiếp, chậm trễ giao tiếp làm giảm xác việc chia công suất Độ tin cậy nghiên cứu bị ảnh hưởng trường hợp bus truyền thông bị gián đoạn Hiệu suất cải thiện độ xác việc chia cơng suất không đáng kể tải cục kết nối ngõ đơn vị nguồn phát DG Các phương pháp chia công suất cải tiến làm giảm chất lượng điện áp cung cấp cho tải (phương pháp trở kháng ảo, phương pháp droop kết hợp với bơm tín hiệu) 1.5 Mục đích luận án Để giải vấn đề khó khăn việc chia công suất cho nghịch lưu kết nối song song Mục đích luận án nghiên cứu phát triển phương pháp “Điều khiển thích nghi nghịch lƣu kết nối song song microgrid” cho phép chia công suất theo tỉ lệ công suất định mức nghịch lưu kết nối song song microgrid, điều kiện: Có khác biệt đáng kể thơng số đường dây nối từ nghịch lưu đến điểm kết nối chung (PCC) Có thay đổi điện trở, điện kháng đường dây theo nhiệt độ, tần số tái thiết kế lại Microgrid Có tồn tải cục kết nối ngõ nghịch lưu Sự gián đoạn delay hệ thống truyền thông 1.6 Đóng góp khoa học luận án Luận án trình bày số cải tiến vấn đề chia công suất nghịch lưu kết nối song song microgrid độc lập sau: Nghiên cứu sơ đồ điều khiển chia công suất cải tiến cho phép chia công suất theo tỉ lệ công suất định mức nghịch lưu kết nối song song microgrid độc lập, có khác biệt đáng kể thông số đường dây nối từ nghịch lưu đến điểm kết nối chung, tải cục nối ngõ nghịch lưu Các kết mô thực nghiệm chứng minh cho phù hợp điều khiển Trình bày phương pháp đo lường lọc Kalman cho trở kháng đường dây theo thời gian thực Trình bày chứng minh khả đáp ứng điều khiển đề xuất có ảnh hưởng tải cục mà nhóm nghiên cứu trước chưa đề cập đến vấn đề Đưa giải pháp nâng cao độ xác việc chia cơng suất độ tin cậy cho điều khiển đề xuất truyền thông bị chậm trễ hay gián đoạn Thiết kế điều khiển droop trở kháng ảo kết hợp với thuật toán ước lượng trở kháng đường dây Ưu điểm điều khiển không cần sử dụng bus truyền thông mà đảm bảo chia công suất tốt 1.7 Cấu trúc luận án Luận án bố cục chương: Chương Tính cấp thiết mục đích luận án Chương Cơ sở lý thuyết điều khiển nghịch lưu kết nối song song Microgrid Chương Phương pháp điều khiển chia cơng suất thích nghi đề xuất Chương Mơ hình mơ kết mơ Chương Mơ hình thực nghiệm kết thực nghiệm Chương Kết luận hướng phát triển CH Ƣ ƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ NGHỊCH LƢU KẾT NỐI SONG SONG TRONG MICROGRID 2.1 Phạm vi nghiên cứu đề tài Trọng tâm nghiên cứu luận án nâng cao độ xác việc chia cơng suất cho nghịch lưu kết nối song song Microgrid độc lập, với giả thiết điện áp bus DC ổn định hệ thống ba pha cân bằng, tải tuyến tính Cấu hình Microgrid áp dụng cho đề tài hiển thị hình 2.1 Các nguồn lượng gió, mặt trời, diesel, Thanh DC Thanh AC chung (PCC) Bộ lọc L, C Bộ nghịch lưu Ắc qui tích trữ lượng L1 Tải Local R1 Điện trở điện cảm đường dây Tải Public DG1 Các nguồn lượng gió, mặt trời, diesel, Thanh DC Bộ lọc L, C Bộ nghịch lưu n Ắc qui tích trữ lượng Ln Tải local n Rn Điện trở điện cảm đường dây n DG n Hình 2.1 Cấu hình Microgrid độc lập áp dụng cho đề tài 2.2 Kỹ thuật chia công suất cho nghịch lƣu kết nối song song phƣơng pháp droop truyền thống Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển droop truyền thống nghiên cứu [17]-[33] thành lập cách phân tích mạch điện tương đương nghịch lưu kết nối với tải điểm chung PCC thể hình 2.26 Hình 2.26 Mạch điện tương đương nghịch lưu kết nối với tải Từ hình 2.26, cơng suất phát nghịch lưu tính: [ ( ) ] ( ) [ ( )] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Từ (2.39 (2.40) suy ra: Từ cơng thức (2.41) (2.42), ta có trường hợp sau: 2.2.1 Trường hợp đường dây có X lớn nhiều so với R Khi cơng thức (2.41) (2.4 viết: { Cơng thức (2.43) (2.44) cho thấy tần số phụ thuộc vào công suất tác dụng P, độ lệch điện áp phụ thuộc vào cơng suất kháng Q Vì điện áp ngõ nghịch lưu điều khiển Q, tần số điều khiển P Từ công thức (2.43) (2.44) ta thu công thức cho điều khiển droop P/f Q/V: ( ( { ) ) Trong đó: P, Q cơng suất tác dụng phản kháng nghịch lưu phát ra; V0, ω0 điện áp định mức tần số góc định mức nguồn tải; V, ω điện áp tần số góc ngõ nghịch lưu Hệ số độ dốc mp mq chọn theo độ thay đổi điện áp tần số góc cho phép so với định mức Trường hợp đường dây có R X 2.2.2 Để xem xét đặc tính droop trường hợp ta sử dụng hệ trục tọa độ ảo để chuyển đổi công suất P, Q thành P’, Q’ thông qua ma trận chuyển đổi T nghiên cứu [51]-[60]: [ [ ] ] [ ][ ] [ * +[ ] ] ( ) ( ) ( ) ( ( ) ) Kết hợp (3.3), (3.4) (3.14), góc  nhỏ viết: { Cơng thức (3.15) (3.16, ta có đặc tính droop { /f /V : 4.5 Mô chia công suất điều khiển tổng hợp Mô chia công suất cho hai nghịch lưu giống nhau, trở kháng hai đường dây khác điều khiển tổng hợp Q(Var) P(W) 5000 Bộ droop thích nghi hoạt động 4000 Bộ droop trở kháng ảo hoạt động 3000 2000 1000 3000 2500 2000 1500 1000 500 P1 -500 P2 -1000 10 Bus truyền thông phục hồi, droop thích nghi hoạt động trở lại Bus truyền thông bò gián đoạn -1000 t(s) Bus truyeàn thông phục hồi, droop thích nghi hoạt động trở lại Bộ droop trở kháng ảo hoạt động Bộ droop thích nghi hoạt động Bus truyền thông bò gián ñoaïn (a) t(s) Q1 Q2 10 (b) R(Ohm) Vpcc(V) 500 400 0.8 300 0.6 200 100 0.4 0.2 -100 -200 t(s) 0 10 x 10 t(s) (c) 10 (d) L(H) -3 0.8 0.6 0.4 0.2 0 t(s) 10 (e) Hình 4.52 Cơng suất phát hai nghịch lưu, (a) Công suất tác dụng, (b) Công suất phản kháng, (c) Điện áp tải, (d) Điện trở, (e) Điện cảm Bus truyền thông bị gián đoạn t=4s, khoảng thời gian từ t=4s đến t=6s tải kháng đường dây khơng đổi nên điều khiển thích nghi chia cơng suất xác Sau khoảng thời gian cố tsc=2s bus truyền thông chưa phục hồi, lúc ta đóng điều khiển Droop trở kháng ảo vào để thay cho điều khiển thích nghi khoảng thời gian từ t=6s đến t=8s Ta thấy khoảng thời gian từ 6s đến 8s điều khiển trở kháng ảo thực chia cơng suất xác Tại t=8s bus truyền thơng phục hồi điều khiển thích nghi hoạt động chia cơng suất trở lại 26 CHƢƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Mơ hình thực nghiệm 5.2 Kết thực nghiệm 5.2.1 Thiết lập thí nghiệm đo lường trở kháng đường dây Đo lường phương pháp LSM lọc Kalman cho đường dây có điện trở thực tế Ractual =1Ω điện cảm thực tế Lactual =1mH: Hình 5.1 Đo lường lọc Kalman cho điện trở đường dây Hình 5.2 Đo lường lọc Kalman cho điện cảm đường dây Đo lường lọc cho điện trở có Ractual=1Ω, nhiệt độ mơi trường thay đổi điện trở thực tế đường dây Ractual=1.15Ω: Hình 5.3 Đo lường lọc Kalman cho điện trở đường dây 27 5.2.2 Thiết lập thí nghiệm chia cơng suất cho nghịch lưu với điều khiển thích nghi đề xuất Microgrid gồm có hai nghịch lưu giống kết nối song song, trở kháng hai đường dây khác nhau: Hình 5.4 Chia cơng suất tác dụng phản kháng cho hai nghịch lưu Hình 5.4 cho thấy điều khiển đề xuất thực chia công suất theo tỉ lệ định mức cho hai nghịch lưu, trước sau thay đổi tải Hình 5.5 Dòng điện chạy dây pha tổng độ méo dạng điện áp tải Hình 5.5 cho thấy tải tăng lên điện áp tải sụt giảm, tổng độ méo dạng điện áp tải nằm khoảng (từ 3.2% đến 3.5%) Microgrid gồm có ba nghịch lưu giống kết nối song song, trở kháng đường dây khác nhau, tải thay đổi trình thí nghiệm: Hình 5.6 Đồ thị chia cơng suất tác dụng phản kháng cho ba nghịch lưu Hình 5.6 cho thấy điều khiển đề xuất thực chia công suất theo tỉ lệ định mức cho ba nghịch lưu, trước sau thay đổi tải 28 Hình 5.7 Phân tích độ méo dạng điện áp đặt lên tải Hình5.7 cho thấy tải tăng lên điện áp tải sụt giảm, tổng độ méo dạng điện áp tải nằm khoảng (từ 3.0% đến 3.2%) 5.2.3 Kết luận thí nghiệm điều khiển đề xuất Thí nghiệm cho thấy phương pháp đo lường trở kháng đường dây LSM cho kết tốt, biên độ dao động nhỏ, lọc Kalman lọc nhiễu tốt, sai lệch đo lường điện trở điện cảm nhỏ nhiều so với kết nhóm nghiên cứu [87] [117] Thí nghiệm dùng điều khiển thích nghi đề xuất để thực chia công suất cho microgrid độc lập gồm có hai ba nghịch lưu kết nối song song, trở kháng đường dây khác nhau, tải thay đổi q trình thí nghiệm Từ kết thực nghiệm cho thấy điều khiển thích nghi đề xuất chia công suất theo tỉ lệ định mức cho nghịch lưu trường hợp trở kháng đường dây khác Kết thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Tuy nhiên việc chia cơng suất dao động, trở kháng pha chưa điều chỉnh hoàn toàn cân bằng, ảnh hưởng nhiễu đo lường 29 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Trong Luận án “Điều khiển thích nghi nghịch lưu kết nối song song microgrid”, tác giả có đóng góp khoa học vào lĩnh vực điều khiển công suất microgrid sau: Thiết kế điều khiển thích nghi để thực chia công suất theo tỉ lệ công suất định mức nghịch lưu mà không bị ảnh hưởng trở kháng đường dây tải cục Có ưu điểm độ xác việc chia cơng suất, chất lượng điện áp tốc độ đáp ứng điều khiển đề xuất so với điều khiển truyền thống hay điều khiển cải tiến nhóm nghiên cứu trước Trình bày phương pháp đo lường lọc Kalman cho trở kháng đường dây theo thời gian thực Các kết mô thực nghiệm cho thấy phương pháp đo lường trở kháng đường dây cho kết tốt, biên độ dao động nhỏ, lọc Kalman lọc nhiễu tốt Kết phương pháp so sánh với kết nhóm nghiên cứu gần Trình bày chứng minh khả đáp ứng điều khiển đề xuất có ảnh hưởng tải cục mà nhóm nghiên cứu trước chưa đề cập đến vấn đề Đưa giải pháp nâng cao độ xác việc chia cơng suất độ tin cậy cho điều khiển đề xuất truyền thông bị chậm trễ hay gián đoạn Các kết mô thực nghiệm chứng minh điều khiển ln đáp ứng tốt mục đích đặt mà khơng bị hạn chế 30 tình trạng biến đổi thông số đường dây, thông số tải chất lượng truyền thông Đây vấn đề mà nhóm nghiên cứu trước chưa đề cập đến Thiết kế điều khiển droop trở kháng ảo kết hợp với thuật toán ước lượng trở kháng đường dây Ưu điểm điều khiển không cần sử dụng bus truyền thông mà đảm bảo chia công suất tốt khắc phục tình trạng gây sụt áp đáng kể kết nghiên cứu nhóm nghiên cứu trước phương pháp trở kháng ảo 6.2 Hƣớng phát triển Mặc dù ttrong luận án, tác giả nhận kết lĩnh vực điêu khiển thích nghi chia công suất tác dụng phản kháng nghịch lưu kết nối song song Microgrid, việc áp dụng cho tải phi tuyến hạn chế gặp nhiều khó khăn Vì hướng nghiên cứu sau kết điều khiển nâng cao chất lượng điện cung cấp cho tải, giảm tổng độ méo dạng sóng hài - THD (Total harmonic distortion) điện áp đến mức tối thiểu trường hợp tải phi tuyến hay tải không cân DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ  Bài báo đăng tạp chí thuộc danh mục ISI: Phuong Minh Le, Xuan Hoa Thi Pham, Huy Minh Nguyen, Duc Duy Vo Hoang, Tuyen Dinh Nguyen, Dieu Ngoc Vo “Line Impedance Estimation Based Adaptive Droop Control Method for Parallel Inverters”, Journal of Power Electronics, Vol 18, No 1, pp 234-250, January 2018  Bài báo đăng tạp chí nƣớc: Phạm Thị Xuân Hoa, “ Adjusting the Voltage and Frequency based on Fuzzy logic Control for Parallel Inverters in Microgrid”, Journal of 31 science & technology technical universities, ISSN 2354-1083, 110 (2016) 029-035 Lê Minh Phương, Hoàng Võ Đức Duy, Phạm Thị Xuân Hoa, Nguyễn Minh Huy, “New adaptive droop control with combined line impedance estimation method for parallel inverters”, Tạp chí Phát triển KH&CN - ĐHQG-HCM, ISSN-1859-0128, tập 19, số K7-2016, pp.4564 Phạm Thị Xuân Hoa, Nguyễn Minh Huy, “Phương pháp điều khiển sliding mode droop control cho nghịch lưu Microgrid”, Science & Technology Development-VNU-HCM, ISSN 1859-0128, vol 19, 2016, pp.40-50 Lê Minh Phương, Lê Tấn Đại, Phạm Thị Xuân Hoa, “Giải thuật điều khiển chia công suất nghịch lưu song song tải phi tuyến”, Science & Technology Development-VNU-HCM, ISSN 18590128, vol 18, 2015, pp 16-28 Lê Minh Phương, Hoàng Võ Đức Duy, Phạm Thị Xuân Hoa, Nguyễn Minh Huy, Võ Ngọc Điều “Điều khiển thích nghi chia cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng chế độ lưới độc lập”, Tạp chí Phát triển KH&CN - ĐHQG-HCM, ISSN-1859-0128, tập 19, số K72016, pp.14-34  Bài báo đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế: Phuong Le Minh, Hoa Pham Thi Xuan, Duy Vo Hoang Duc, Huy Nguyen Minh, “Control of power in an island Microgrid using Adaptive Droop control”, 2017 International conference on system science and Engineering (ICSSE), pp 162-167 Phuong Le Minh, Hoa Pham Thi Xuan, Duy Vo Hoang Duc, Huy Nguyen Minh, “Control of power sharing in an island Microgrid using virtual impedance”, 2017 International conference on system science and Engineering (ICSSE), pp 168-173 Phuong Le Minh, Hoa Pham Thi Xuan, Duy Vo Hoang Duc, Huy Nguyen Minh, “Control of power inverter in islanded microgrids based on online line impedance estimation”, 2017 International conference on system science and Engineering (ICSSE), pp 194-199 32 ... VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ NGHỊCH LƢU KẾT NỐI SONG SONG TRONG MICROGRID 2.1 Phạm vi nghi n cứu đề tài Trọng tâm nghi n cứu luận án nâng cao độ xác việc chia công suất cho nghịch lưu kết nối song song... thuyết điều khiển nghịch lưu kết nối song song Microgrid Chương Phương pháp điều khiển chia cơng suất thích nghi đề xuất Chương Mơ hình mơ kết mơ Chương Mơ hình thực nghi m kết thực nghi m Chương Kết. .. suất nghịch lưu kết nối song song microgrid độc lập sau: Nghi n cứu sơ đồ điều khiển chia công suất cải tiến cho phép chia công suất theo tỉ lệ công suất định mức nghịch lưu kết nối song song microgrid