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

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 Tôi 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 chun mơn q trình thực luận án Tôi 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 nhiều q trình thực luận án Cuối cùng, tơi dành tình cảm lời cảm ơn chân thành đến gia đình, đặc biệt vợ tơi, người động viên, chia sẻ giúp đỡ 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 toán phân bố tối ưu công 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 3.2Mơ 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 công 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 toán 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 cơng 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 tốn điều khiển cơng suất phát hệ thống điện sức gió-diesel tr 5.3.1 Đặt toán 5.3.2 Phương trình Hami 5.3.3 Kết chạy mơ 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 công ngh 5.4.4 Bài tốn điều khiển tối ưu cơng 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 công 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 Mô 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 Mơ hình toán 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 Mơ hình toán 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 cơng 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 Tiếng Anh Alternating Current Conventional Generation Communication and Information Technology 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 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 Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị m A A (t ) Định nghĩa Vùng quét cánh quạt tuabin gió Miền xác định biến điều khiển u,uDEG, uEES Hệ số công suất phụ thuộc vào tỷ số cp tốc Độ góc quay trục rotor c Chi phí phạt cân cơng cDEG D E[] suất Chi phí sản xuất điện diesel f Hàm trạng thái H[] G(.), g(.) Hàm Hamilton Hàm chi phí đơn vị IPV ir,s Đặc tính V-A pin quang điện i I Chỉ số trạng thái máy phát diesel J(t,X ,.) Hàm chi phí tổng (hàm mục tiêu) K Hệ số trục cứng KB PDEG Hằng số Boltzmann Công suất máy phát diesel Pdis/charge PL PWTG PPV P Công suất nạp/xả inverter Nhu cầu phụ tải Cơng suất máy phát tuabin gió max/ Miền xác định chấp nhận Ký hiệu kỳ vọng tốn học Dòng điện rơi rotor/stator Cơng suất máy phát điện mặt trời Công suất max/min máy phát diesel Công suất max/min máy phát tuabin gió P max/ PV 1,2 P max/ Pw Công suất max/min máy phát điện mặt trời Năng lượng sinh từ gió Xác suất chuyển đổi trạng thái i sang j Tỷ số chuyển đổi trạng thái i sang j pr P ij(t) pij coulomb Q Rr,s S(T,.) TM uDEG u vr,vs v(t, x) v(t, X) uEES x Z Điện tích electron Ký hiệu tập xác định toán điều khiển tối ưu Điện trở rotor stator Điều kiện biên hàm giá trị v(t,X) ohm $ Nm Mômen xoắn trục kW kW Volt Biến điều khiển công suất DEG Vector biến điều khiển $ kW điện áp rơi rotor/stator WTG Hàm giá trị theo biến x Hàm giá trị theo biến X Biến điều khiển inverter nạp/xả kWh Vector biến trạng thái Điểm tối ưu trạng thái (hedging point) Hệ số xoắn trục MG kg/m (t ) Mật độ khơng khí Biến liên kết, biến phụ dùng hàm Hamilton Tỷ số phá hủy (failure rate) Tỷ số phục hồi (repair rate) (t) Quá trình Markov, t (t) Hàm nhiễu, t rad/s M DM r ,s Tốc độ góc tuabin gió Độ giảm mơmen xoắn tuabin M Wb gió Từ thơng rotor stator 10 (A.15) d i q i dL dL d d tro ng đó, Ud, Uq hai nh phầ n điệ n áp dọc trục nga ng trục Gọi tg( ) độ lệc h pha dòng áp, cơng s 152 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 (t) = i, mật độ xác suất để bước nhảy thứ trình (t) thời điểm s chuyển từ i sang j với s > t là: p ep ii (s −t (B.1) ) ij (2) Lấy χ(t) = i, xác suất không tồn bước nhảy trình (t) khoảng thời gian [t, s] là: e p (s −t ) ii H.2 Ta coi trình diễn biến khoảng [0, T] tổng kiện q trình (t) gồm n bước nhảy, n = 0,1,…,T Giả định T điều kiện biên, với xác suất 1; hiểu theo cách khác, kiện trình (t) có bước ngày lớn tổng bước nhảy n khoảng [0, T] xảy với sác xuất không Gọi ( , F , P)không gian xác suất Đặt ηn (t,ω) hàm đặc tính tập χ(t, ) có xác n bước , = 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: (B.3) E =EEA/B A Nếu B biến ngẫu nhiên rời rạc gồm n biến, tức ta có: n E A = E A / B = j Pr B = j (B.4) j =1 Tính chất ergodic chuỗi Markov Tính chất trình bày chi tiết tài lieu [59] 153 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: X Gọi t (C.1) cho X (t , X (t i C.2 Phương trình tích phân Sử dụng giả thiết H2 ta đặt phương trình sau: ( i ) t,X (C.3) (C.4) Nhắc lại tính chất q trình Markov với số lượng trạng thái rời rạc hữu hạn đặc trưng ma trận ( pij ) với i j: (C.5) Pr c (t + D t )= i | c (t )= i = 1+ p D t + O (D t ) (C.6) (C.7) đó: lim t →0 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: n ( ) ( E η t (C.8) (( Sử dụng giải thiết H.1, khơng có bước nhảy khoảng thời gian từ t đến ( E η ) t | Phương = t i (t , X ) với sác xuất không bước nhảy khoảng thời gian t, t là: i t ,X s; t,X ), e ( pii t i (t , X )−t ) 154 Kết hợp phương trình (C.3)-(C.9) ta rút phương trình sau: i ) (t , X = U ,W A ( t ) = ,X ( U ( t ) A ( 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 ij p t = U(t ) A(i ,t ) Cuối cùng, rút gọn ta được: s;t,X X i (s ; T )− ji t ), U ,W (T )) pij e t,X p ij ))dsdz (C.12) i j (t , X (s (C.13) i (B.4) hàm giá trị v (t , X ) Thay phương trình (B.3) hàm chiJ i (t , X ,U ) (C.14) (s , X phí cho ta phương trình sau: i v Phần chứng minh Định lý 4.2 tìm thấy chi tiết tài liệu [48], [57] [51] C.4 Điều khiển phản hồi (t) (if any) Disturbance U (t ) = (t , X X (t ) = X ,0 (t , X ) Hình C.1: Điều khiển phản hồi mạch kín 155 Để minh họa đầy đủ điều khiển phản hồi, ta gọi (t ) thông số ngẫu nhiên biến đổi công 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 Cho nên gọi A t, ( ( t )) Xét phương trình trạn PWTG(t) PPV(t) Do vậy, điều khiển phản hồi 156 Phụ lục D: Xác định công 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 tổng công suất phụ thời điểm tại, gọi Gọi PL năm thứ r, r = 1,2,….Gọi iL tỷ lệ % tăng trưởng phụ tải hàng năm, mối liên hệ PL P sau: PLr = (1+ iL )r PL L Gọi PDEG , PPV tổng công suất định mức máy phát diesel, điện sức gió, điện mặt trời thời điểm tại, gọi , P DEG P , PPVr tổng công suất định mức WTG 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 không 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 Pmax,DEG,k − PL R k (D.2) =1 NG số máy phát đồng (diesel) hệ thống Hay viết lại sau: N DEG P max,DEG,k k =1 Trong thiết kế, tính đến tăng trưởng phụ tải, điều kiện công suất lắp đặt máy phát diesel năm thứ r tính toán 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 DEG P WTG +P PV (D.5) L ựa ch ọn tỷ lệ di es el: (đ iệ n gi ó+ ện m ặt tr ời ) 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 công suất thiết kế gồm bốn bước cho trường hợp sau: Xét trường hợp thời 158 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 P L Bước Tính tốn dự phòng nóng cho máy phát diesel theo nhu cầu Bước Tính tốn tổng công 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 (không hạn chế) bước tính tốn thiết kế sau: Bước Xác định nhu cầu phụ tải P L 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 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 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 cơng suất phát phụ tải Phú Q Hình E.4: Phụ tải điển hình ngày 26/5/2015 160 Hình E.5: Phụ tải điển hình ngày 17/11/2015 Hình E.6: Phụ tải điển hình khơng chạy tuabin gió ngày I = ISC ) 01/07/2018 (A.8) 161 ... toán điều khiển tối ưu cho tốn dòng cơng suất tối ưu hệ thống điện MG không nối lưới Ý nghĩa thực tiễn: Mơ hình điều khiển tối ưu cơng suất đề xuất có tiềm sử dụng tốt cho hệ thống điện MG diesel-sức. .. điều khiển tối ưu cơng suất phát cho hệ thống điện lai khơng nối lưới diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện sử dụng phương pháp quy hoạch động Nhờ có mặt kho điện nên tốn trở thành điều khiển. .. Thông 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: Thơng số hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời