Điều khiển tối ưu hệ thống điện lai diesel sức gió mặt trời cho hai đảo việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Diệp Thanh Thắng ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI DIESEL-SỨC GIÓ-MẶT TRỜI CHO HẢI ĐẢO VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Diệp Thanh Thắng ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI DIESEL-SỨC GIÓ-MẶT TRỜI CHO HẢI ĐẢO VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG TS NGUYỄN ĐỨC HUY Hà Nội – 2019 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Ngày tháng 09 năm 2019 Tác giả luận án Diệp Thanh Thắng Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến hướng dẫn tận tình, động viên khích lệ đồng cảm tập thể hướng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, TS Nguyễn Đức Huy suốt trình thực luận án từ hình thành ý tưởng cho đề tài, xây dựng kế hoạch thực thiết kế cấu trúc theo trình tự bước hình thành luận án Tơi xin cảm ơn Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa tạo điều kiện thuận lợi cho tơi có mơi trường nghiên cứu cởi mở nghiêm túc sở vật chất cần thiết để thực luận án, quan trọng có đóng góp trao đổi thiết thực sâu sắc nội dung chuyên môn q trình thực luận án Tơi xin cảm ơn đến thầy cô giáo Viện Điện – ĐHBK Hà Nội, với hướng dẫn chuyên môn cần thiết giá trị Tôi xin cảm ơn đến người bạn, nghiên cứu sinh Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Viện Điện động viên giúp đỡ tơi nhiều q trình thực luận án Cuối cùng, tơi dành tình cảm lời cảm ơn chân thành đến gia đình, đặc biệt vợ tôi, người động viên, chia sẻ giúp đỡ tơi lúc khó khăn suốt ngày tháng thực luận án Mục lục Lời cam đoan………………………………… Lời cảm ơn…………………………………… Mục lục……………………………………… Danh mục chữ viết tắt ký hiệu…………… Danh mục bảng………………………… 11 Danh mục hình vẽ, đồ thị……………………………… 12 Mở đầu……………………………………… 15 Sự cần thiết đề tài Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu luận án Phương pháp luận phương pháp toán học Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đóng góp luận án Bố cục luận án Chương Tổng quan……………………… 1.1 Sơ lược lượng tái tạo 1.2 Hệ thống điện lai có diesel chạy 1.3 1.2 1.2 1.2 Chế độ làm việc hệ thống 1.4 1.3 1.3 1.3 1.3 Các nguồn phát hệ thống đ 1.5 Bài tốn phân bố tối ưu cơng suấ 1.6 Hướng nghiên cứu luận án 1.7Nhiệm vụ luận án 1.8Kết luận chương Chương Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu……………… 2.1Mở đầu 2.2Khái niệm điều khiển tối ưu 2.2 2.2 2.3Phương pháp quy hoạch động 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.4Lời giải phương trình HJB ph 2.5Kết luận chương Chương Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu phương pháp quy hoạch động……………………………………………………………… 3.1Mở đầu 3.2Mô tả tốn tối ưu cơng suất phát 3.2.1 Hệ thống điện MG không nố 3.2.2 Các thành phần tham gia phá 3.2.3 Ý tưởng dùng hàm phạt cho 3.2.4 Bài toán phân bố tối ưu cơng 3.3Mơ hình tốn điều khiển tối ưu cơng suất phát 3.3.1 Biến điều khiển 3.3.2 Hàm mục tiêu 3.3.3 Các ràng buộc 3.3.4 Phương pháp quy hoạch độn 3.3.5 Phân tích sách lược điều khiể 3.3.6 Hệ thống điều khiển cung-cầ 3.4Sơ đồ tìm dòng cơng suất phát tối ưu 3.5Phương pháp số giải phương trình HJB 3.6Ví dụ với thơng số giả định 3.6.1 Ví dụ 1: Hệ thống gồm má 3.6.2 Ví dụ 2: Hệ thống gồm má 3.7Ảnh hưởng công suất inverter 3.8Kết luận chương Chương Xây dựng chiến lược phát công suất với bước nhảy Markov…………… 4.1Mở đầu 4.1 4.1 4.2Giới thiệu tốn 4.2 4.2 4.2 4.3Phát triển mơ hình tốn học 4.3 4.3 4.3 4.4Phương pháp số cho mơ hình Ri 4.5Ví dụ số 4.5 4.5 4.6Kết luận chương Chương Mô thông số thực tế cài đặt hệ thống SCADA………………… 99 5.1 Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời 5.2 Giới thiệu hệ thống điện diesel-sức gió liệu thực tế 5.2.1 Thực trạng hệ thốn 5.2.2 Logic điều khiển h 5.2.3 Điều khiển tần số 5.2.4 Các điều kiện kỹ th 5.3 Bài toán điều khiển cơng suất phát hệ thống điện sức gió-diesel tr 5.3.1 Đặt tốn 5.3.2 Phương trình Hami 5.3.3 Kết chạy mô h 5.4 Đề xuất HTĐ sức gió-mặt trời-diesel Phú Quý 5.4.1 Lựa chọn công suấ 5.4.2 Tiềm điện mặ 5.4.3 Lựa chọn cơng ngh 5.4.4 Bài tốn điều khiển tối ưu công suất phát 116 5.5 Sơ đồ cài đặt hệ thống SCADA 120 5.6 Kết luận chương 123 Kết luận chung kiến nghị………………… 124 Tài liệu tham khảo…………………………… 126 Danh mục cơng trình cơng bố luận án 131 Phụ lục……………………………………… 132 Phụ lục A: Các nguồn phát hệ thống điện MG 132 A.1 Máy phát điện mặt trời 132 A.1.1 Sản xuất pin quang điện thị trường 132 A.1.2 Mơ hình hóa điện mặt trời 133 A.1.3 Tổng quan cấu trúc biến đổi điện mặt trời 135 A.2 Máy phát điện sức gió 140 A.2.1 Cấu tạo 140 A.2.2 Mô hình tốn học 141 A.2.3 Cấu trúc biến đổi máy phát điện sức gió 141 A.2.4 Phân loại máy phát điện gió 142 A.2.5 Khái quát hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát đồng 144 A.3 Máy phát điện diesel 146 A.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc 147 A.3.2 Mô hình tốn học 147 A.4 Kho điện 148 A.4.1 Khái niệm kho điện 148 A.4.2 Các loại kho điện 149 A.4.3 Cấu trúc thiết bị kho điện dùng siêu tụ 151 A.4 Khái niệm tải giả 151 Phụ lục B: Giả thiết Rischel 153 Phụ lục C: Xây dựng phương trình HJB 154 C1 Chứng minh điều điều kiện tối ưu phương trình HJB 154 C.2 Phương trình tích phân 154 C.3 Phương trình vi phân đạo hàm riêng 155 C.4 Điều khiển phản hồi 155 Phụ lục D: Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời 157 D.1 Các định nghĩa 157 D.2 Quy trình lựa chọn cơng suất thiết kế 158 Phụ lục E: Hình ảnh số liệu hệ thống điện đảo Phú Quý 159 E.1 Hình ảnh Phú Quý 159 E.2 Số liệu công suất phát phụ tải Phú Quý 160 Danh mục chữ viết tắt ký hiệu Chữ viết tắt Chữ AC CG CIT CSPK DC DEG DFIG DL DP DG ĐKTƯ EMS IBS IEC IED HJB HPS HTĐ MG MTBF MTTR OPF PCC PMG PHS PV RES WTG Tiếng Anh Alternating Current Conventional Generation Communication and Information Technology Direct Current Diesel Engine Generator Doubly-Fed Induction Generator Dump load Dynamic Programing Distributed Generation Energy Management System Intelligent Bypass Switch International Electrotechnical Committee Intelligent Electronic Device Hamilton-Jacobi-Bellman Hybrid power system Micro Grid Mean time between failures Mean time to repair Optimal Power Flow Point of Common Coupling Permanent magnet generator Power Hybrid System Photovoltaic Renewable Energy Source Wind Turbine Generator Phụ lục trung hạn Nhược điểm lớn BESS thời gian nạp xả lâu, tuổi thọ không cao, tần suất DG2 DG3 nạp/xả hạn chế, có giá thành thấp cỡ 150$/kWh so với 250$/kWh siêu tụ AC SCESS Nạp e - DG1 Xả DG2 DG3 Hình A.20: Minh họa kho điện sử dụng siêu tụ cho bù phân tán DG1 Hình A.21: Kho điện sử dụng ắc quy cho bù tập trung 150 Phụ lục A.4.3 Cấu trúc thiết bị kho điện dùng siêu tụ Trong tiểu mục giới thiệu cấu trúc thiết bị kho điện dùng siêu tụ cho máy phát điện sức gió [95] SCESS có tác dụng lọc cơng suất đầu WTG để đảm bảo ổn định ngắn hạn biến đổi thất thưởng lượng gió SCESS có khả trao đổi cơng suất hai chiều với lưới thông qua hệ thống biến đổi điện gồm hai biến đổi điện tử công suất DC/DC DC/AC Lựa chọn dung lượng ESS Hiện chưa có tiêu chuẩn thức cho dung lượng ESS, việc lựa chọn dung lượng xây dựng theo nghiên cứu [97] sau: xây dựng hệ thống WTG PV có dung lượng ESS chiếm 10% cơng suất danh định, cụ thể sau Nếu ta chọn cơng suất danh định cho tồn hệ thống lượng tái tạo 10MW, công suất cho ESS 1MW Bảng A.2 số công suất ESS hỗ trợ hệ thống MG: Supercapacitor Pack + usc Hình A.22: Cấu trúc biến đổi ĐTCS cho kho điện dùng siêu tụ Bảng A.2 Công suất thời gian đáp ứng hệ thống TT A.4 Khái niệm tải giả Do tính bất định điện gió mặt trời, hệ thống bị dư thừa lượng điện gió, điện mặt trời sinh nhiều phụ tải Trường hợp này, phải giảm điện gió cách điều chỉnh cánh gió điều khiển inverter điện mặt trời cho khơng cần dùng thuật tốn MPPT Đối với hệ thống MG, người ta sử dụng lượng dư thường để bơm tưới tiêu chạy nhà máy sản xuất đá lạnh Như vậy, lượng dư thừa không bị Tải giả sử dụng trường hợp phần phụ tải giúp cho hệ thống cân lượng Gọi PdL công suất tải giả, PdLref công suất đặt tải giả, mơ hình dòng điện hệ tọa độ d-q viết sau: 151 id dL đó, Ud, Uq hai thành phần điện áp dọc trục ngang trục Gọi tg(ϕ) độ lệch pha dòng áp, cơng suất phản kháng tính toán sau: Q dL* = PdL* tg (ϕ ) 152 Phụ lục Phụ lục B: Giả thiết Rischel Trong phụ lục trình bày giả thiết Rishel’ Sử dụng giả thiết Rishel [48] để xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu ngắn hạn H.1 Tồn hai kiện hệ thống bất định, hai kiện mô tả hai kiểu bước nhảy sau: (1) Lấy χ(t) = i, mật độ xác suất để bước nhảy thứ trình χ(t) thời điểm s chuyển từ i sang j với s > t là: ( −t ) p ij e p s (2) Lấy χ(t) = i, xác suất khơng tồn bước nhảy q trình χ(t) khoảng thời ii gian [t, s] là: p (s −t ) e ii (B.2) H.2 Ta coi trình diễn biến khoảng [0, T] tổng kiện trình χ(t) gồm n bước nhảy, n = 0,1,…,T Giả định T điều kiện biên, với xác suất 1; hiểu theo cách khác, kiện q trình χ(t) có bước ngày lớn tổng bước nhảy n khoảng [0, T] xảy với sác xuất không Gọi (Ω, , P ) không gian xác suất Đặt ηn (t,ω) hàm đặc tính tập ω ∈ Ω, χ(t,ω) có xác n bước τ = t i (t , X ) Tính chất kỳ vọng có điều kiện Gọi A,B biến ngẫu nhiên Kỳ vọng điều kiện biến A phụ thuộc biến B định nghĩa sau: Nếu B biến ngẫu nhiên rời rạc gồm n biến, tức ta có: E [ A ] = ∑ E [ A / B = j ] Pr{B = j} j=1 Tính chất ergodic chuỗi Markov Tính chất trình bày chi tiết tài lieu [59] 153 Phụ lục Phụ lục C: Xây dựng phương trình HJB C1 Chứng minh điều điều kiện tối ưu phương trình HJB Để chứng minh điều kiện tối ưu phương trình HJB ta xem xét hai thành phần riêng biệt, thành phần thứ gồm việc xây dựng phương trình tích phân, thành phần thứ hai xây dựng phương trình vi phân Trước tiên ta viết lại phương trình trạng thái: Gọi t i (t , X ε (C.1) cho C.2 Phương trình tích phân Sử dụng giả thiết H2 ta đặt phương trình sau: ϕ (τ , X ε (τ ), U (τ )) = ∫G ( s , ψ i (t , X ε )= ∑ E[ηn (t )ϕ (τ , X U ( t )∈ ( i ,t ) Nhắc lại tính chất q trình Markov với số lượng trạng thái rời rạc hữu hạn đặc trưng ma trận ( pij ) với i ≠ j: Pr đó: Sử dụng phương trình B.1, B.3, B.4, xác suất xảy kiện bước nhảy từ trạng thái i sang j, kết hợp phương trình (C.4) ta có:  E  η n (t ) | ϕ (τ , X ε = Sử dụng giải thiết H.1, khơng có bước nhảy khoảng thời gian từ  E η Phương (t ) | ϕ (τ , X ε (τ ) ,.)| X ε (t ) = X ε trình t τ = t i (t , X ε ) với sác xuất khơ Phụ lục Kết hợp phương trình (C.3)-(C.9) ta rút phương trình sau: ψ i (t , X ε = )= U ( t )∈ ( i , t ) C.3 Phương trình vi phân đạo hàm riêng Để thiết lập phương trình vi phân đạo hàm riêng ta rút từ phương trình (C.11) cách tích phân hai vế dẫn đến: T ∫ − p ij e p (T s )d s ij p ψ ij t s ;.))ds  =  Cuối cùng, rút gọn ta được: U ( t )∈ ( i , t )   ψ i (t , X ε ) =  i  ϕ ( T , X ε (s ; t , X U ( t )∈ ( i , t ) Thay phương trình (B.3) hàm chi phí J ε i (t , X , U ) (B.4) hàm giá trị v i (t , X ) cho ta phương trình sau: pij v j (s , X ε i (s ; t , X ε v i (t , X ε Phần chứng minh Định lý 4.2 tìm thấy chi tiết tài liệu [48], [57] [51] C.4 Điều khiển phản hồi U ( t ) = π (t , X ε ( t ) ) X ε (t ) = Xε ,0 π (t , X ε ) Hình C.1: Điều khiển phản hồi mạch kín 155  Phụ lục Để minh họa đầy đủ điều khiển phản hồi, ta gọi ξ (t ) thông số ngẫu nhiên biến đổi cơng suất gió, xạ mặt trời, hay thay đổi phụ tải ta gọi chung nhiễu hệ thống (disturbance), trường hợp ta chưa xét đến tham gia kho điện ESS π (t , X ε (t)) Cho nên gọi ánh xạ biến điều khiển U (t ) cho π (t , X ε (t)) ∈ (t , χ (t)) Xét phương trình trạng thái PWTG(t) PPV(t) Do vậy, điều khiển phản hồi 156 Phụ lục Phụ lục D: Xác định cơng suất đặt HTĐ MG dieselsức gió-mặt trời Mục giới thiệu cách tính tốn thiết kế hệ thống điện lai diesel-sức gió-mặt trời có tính đến khả tăng trường phụ tải, áp dụng để thiết kế cho hệ thống điện lai thời gian trung hạn từ năm đến mười năm Quy trình thiết kế rút từ yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điện lai có máy phát diesel chạy D.1 Các định nghĩa Gọi PL tổng công suất phụ thời điểm tại, gọi PLr tổng công suất phụ tải năm thứ r, r = 1,2,….Gọi iL tỷ lệ % tăng trưởng phụ tải hàng năm, mối liên P r hệ P L L Gọi PDEG , PWT G , PPV tổng công suất định mức máy phát diesel, điện sức gió, điện mặt trời thời điểm tại, gọi PDEGr , PWTr G , PPVr tổng công suất định mức năm thứ r, r = 1,2,…, Về nguyên tắc trình bày mục phần yêu cầu kỹ thuật hệ thống điện lai có máy phát diesel chạy nền, để đảm bảo dự phòng nóng số máy phát hệ thống khơng phép vận hành mức đầy tải Mặt khác, điện gió điện mặt trời có chi phí vận hành thấp số trường hợp không, chúng ưu tiên phát hết công suất điều giúp cho tận dụng tối đa lượng tái tạo hệ thống Gọi R dự phòng nóng, NDEG số máy diesel vận hành, điều kiện dự phòng nóng xác định sau: N DEG ∑ P max,DEG,k −P ≥R L k =1 NG số máy phát đồng (diesel) hệ thống Hay viết lại sau: N DEG ∑ P max,DEG,k ≥R+P >P L L k =1 Trong thiết kế, tính đến tăng trưởng phụ tải, điều kiện công suất lắp đặt máy phát diesel năm thứ r tính tốn sau: PDEGr ≥ PLk = (1+iL )r PL Mặt khác, HTĐ lai thiết kế cho tỷ lệ máy phát diesel so với tổng điện gió mặt trời 1:1, cho san tải lượng tái tạo máy phát diesel ngang nhau: 157 ≅P P DEG +P WTG PV Lựa chọn tỷ lệ diesel:(điện gió+điện mặt trời) 1:1 tức 10MW máy phát diesel, cho phép đến 10MW điện gió điện mặt trời D.2 Quy trình lựa chọn cơng suất thiết kế Quy trình xác định cơng suất thiết kế gồm bốn bước cho trường hợp sau: Xét trường hợp thời điểm Bước Xác định nhu cầu phụ tải Bước Tính tốn dự phòng nóng cho máy phát diesel Bước Tính tốn tổng cơng suất máy phát diesel Buốc Thiết kế hệ thống điện lai diesel-sức gió-mặt trời sử dụng tỷ lệ 1:1 Xét thời điểm năm thứ k có tính đến khả tăng trưởng phụ tải a) Đến thời điểm năm thứ k, mặt xây dựng điện gió điện mặt trời hạn chế ta thiết kế máy phát diesel theo công bước sau: Bước Xác định nhu cầu phụ tải PLr = (1+ iL )r PL Bước Tính tốn dự phòng nóng cho máy phát diesel theo nhu cầu Bước Tính tốn tổng cơng suất máy phát diesel cho năm thứ k Bước Thiết kế hệ thống điện lai diesel-sức gió-mặt trời sử dụng tỷ lệ (diesel):1 b) Mặt khác, mặt tự nhiên cho phép (khơng hạn chế) bước tính tốn thiết kế sau: Bước Xác định nhu cầu phụ tải PLr = (1+ iL )r PL Bước Tính tốn dự phòng nóng cho máy phát diesel theo nhu cầu Bước Tính tốn tổng cơng suất máy phát diesel cho năm thứ k Buốc Thiết kế hệ thống điện lai diesel-sức gió-mặt trời sử dụng tỷ lệ 1:1 158 Phụ lục Phụ lục E: Hình ảnh số liệu hệ thống điện đảo Phú Quý E.1 Hình ảnh Phú Quý Hình E.1: Máy phát Cummins CAT Hình E.2: Nhà máy điện gió Phú Q (gồm 03 tuabin xã Ngũ Phụng Long Hải) 159 Phụ lục Hình E.3: Tuabin gió VESTAS trạm 22kW Các hình ảnh tác giả nhân viên vận hành nhà máy phát điện Phú Quý chụp E.2 Số liệu công suất phát phụ tải Phú Quý Hình E.4: Phụ tải điển hình ngày 26/5/2015 160 Phụ lục Hình E.5: Phụ tải điển hình ngày 17/11/2015 Hình E.6: Phụ tải điển hình khơng chạy tuabin gió ngày 01/07/2018 ( IPV = ISC − I0 eq (V +IR )/aK s B T ) −1 161 ... số hệ thống điện sức gió -diesel- mặt trời, kho điện ESS 68 Bảng 3.2: Thông số hệ thống điện lai sức gió -diesel- mặt trời 74 Bảng 4.1: Thông số hệ thống điện lai sức gió -diesel- mặt trời. .. Diệp Thanh Thắng ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI DIESEL- SỨC GIÓ-MẶT TRỜI CHO HẢI ĐẢO VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG... hệ thống điện mặt trười sinh hàng tháng 115 Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống điện lai sức gió -diesel- mặt trời đảo Phú Quý 116 Hình 5.16 Sơ đồ hệ thống điện MG sức gió -diesel- mặt trời- kho điện