Trong bài này, đề xuất một phương pháp chia công suất phản kháng bằng cách điều chỉnh độ dốc điện áp droop, nhằm làm tăng độ chính xác cho việc chia công suất phản kháng. Sai lệch về trở kháng đường dây dẫn đến sai lệch về độ sụt áp trên đường dây được bù trừ bằng việc điều chỉnh độ dốc điện áp droop.
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ, TẬP 1, SỐ 3, 2018 Thiết kế phân tích phương pháp điều khiển chia công suất cho nghịch lưu Microgrid độc lập Phạm Thị Xuân Hoa*, Trần Thị Như Hà Tóm tắt—Trong này, đề xuất phương pháp chia công suất phản kháng cách điều chỉnh độ dốc điện áp droop, nhằm làm tăng độ xác cho việc chia công suất phản kháng Sai lệch trở kháng đường dây dẫn đến sai lệch độ sụt áp đường dây bù trừ việc điều chỉnh độ dốc điện áp droop Độ dốc điện áp droop điều chỉnh thích ứng theo thay đổi tải, phương pháp đề xuất cho kết chia cơng suất phản kháng xác nhiều so với phương pháp thông thường Phương pháp điều khiển đơn giản khơng đòi hỏi phải biết trước thơng số trở kháng đường dây Tính khả thi hiệu chiến lược đề xuất chứng minh kết mơ Từ khóa—Điều khiển chia công suất, lưới siêu nhỏ, kết nối song song nghịch lưu, điều khiển Droop, microgrid độc lập, trở kháng đường dây GIỚI THIỆU Hệ thống phân phối (distributed generation DG) gần ý giải pháp tiềm để đáp ứng nhu cầu gia tăng điện, để giảm bớt tải hệ thống điện có, để kết hợp lượng tái tạo Khái niệm Microgrid lên cách tiếp cận đầy hứa hẹn để phối hợp loại khác nguồn lượng có hiệu Microgrid cho phép đơn vị DG làm việc cấu hình độc lập kết lưới [1 - 2] Tuy nhiên, vấn đề điều khiển Microgrid độc lập vấn đề thách thức, chẳng hạn khó khăn việc Ngày nhận thảo: 07-10-2018; Ngày chấp nhận đăng: 2012-2018; Ngày đăng: 30-12-2018 Phạm Thị Xuân Hoa Trần Thị Như Hà giảng viên khoa Điện-Điện tử trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM (e-mail: hoaptx@cntp.edu.vn; hattn@cntp.edu.vn) trì cân cơng suất chia sẻ cơng suất phản kháng Khi Microgrid hoạt động chế độ độc lập, đơn vị nguồn phát DG cung cấp cơng suất theo tỷ lệ cơng suất định mức Để đạt điều này, kỹ thuật điều khiển tần số điện áp Droop sử dụng Lý cho phổ biến kỹ thuật điều khiển Droop cung cấp khả điều khiển phân cấp mà không phụ thuộc vào liên kết truyền thơng bên ngồi [3] Có thể sử dụng truyền thông, truyền thông sử dụng bên ngồi vòng điều khiển Droop để nâng cao hiệu suất hệ thống mà không làm giảm độ tin cậy [4 - 12] Mặc dù kỹ thuật Droop tần số (Droop P/f) đạt độ xác cho việc chia sẻ công suất tác dụng, kỹ thuật Droop điện áp (Droop Q/V) thường cho kết sai lệch việc chia sẻ công suất phản kháng sai lệch trở kháng đơn vị DG, khác công suất định mức đơn vị DG [13] Do đó, vấn đề chia sẻ cơng suất phản kháng Microgrid độc lập nhận ý đáng kể nghiên cứu nhiều kỹ thuật điều khiển phát triển để giải vấn đề Trong nghiên cứu [14] sử dụng phương pháp Droop kết hợp với việc điều chỉnh để bù sai lệch điện áp ngõ điều khiển Droop truyền thống, nhằm khử ảnh hưởng cân trở kháng đường dây Tuy nhiên, kết chia cơng suất phương pháp có độ xác khơng cao Một phương pháp điều khiển Droop kết hợp với trở kháng ảo để giảm thiểu sai lệch việc chia sẻ công suất phản kháng trình bày nghiên cứu [15 - 18], phương pháp trở kháng ảo cho phép điều chỉnh điện áp ngõ tham chiếu nghịch lưu dựa vào hồi tiếp dòng ngõ nhân với trở kháng ảo Phương pháp giảm sai lệch việc chia cơng suất phương pháp làm giảm sai lệch trở kháng ngõ Tuy nhiên, xuất trở kháng ảo dẫn đến sụt giảm chất lượng SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL ENGINEERING & TECHNOLOGY, VOL 1, ISSUE 3, 2018 điện áp hệ thống, khơng đảm bảo cho việc điều chỉnh điện áp [4 - 5] Một phương pháp Droop trình bày để giảm lỗi chia sẻ cơng suất kháng, lỗi chia sẻ giảm xuống, khơng hồn tồn loại bỏ hiệu suất cải thiện không đáng kể tải cục kết nối đầu đơn vị nguồn phát DG [19 - 21] Nghiên cứu [22 - 23] trình bày cấu trúc điều khiển phân cấp để giải yêu cầu hệ thống theo cấp khác nhau, gồm có cấp: cấp điều khiển thứ thực điều khiển dòng công suất Microgrid lưới điện, cấp điều khiển thứ chịu trách nhiệm cho việc tối ưu hóa hoạt động Microgrid; cấp điều khiển thứ thực điều khiển bù cho sai lệch điện áp tần số gây hoạt động cấp điều khiển thứ Ngoài ra, điều khiển cấp thứ chịu trách nhiệm điều khiển phục hồi biên độ điện áp tần số chung để giữ tần số điện áp Microgrid nằm giới hạn cho phép; cấp điều khiển thứ thực trì điện áp tần số Microgrid ổn định chế độ độc lập Điều cần thiết để đảm bảo điều khiển chia công suất tác dụng, công suất phản kháng trường hợp tải tuyến tính phi tuyến Ngồi ra, việc điều khiển chia cơng suất tránh dòng điện cân không mong muốn Tuy nhiên, kết nghiên cứu chưa khảo sát chia công suất cho nghịch lưu trường hợp cân trở kháng đường dây nối từ nghịch lưu đến điểm chung Nghiên cứu [24] cho yếu tố ảnh hưởng đến việc chia sẻ công suất phản kháng phân tích sở lý thuyết từ thông ảo, nghiên cứu dựa vào phép đo lường điện áp dòng điện ngõ nghịch lưu để ước lượng véc tơ tử thơng ảo, từ thiết kế điều khiển chia công suất phản kháng bao gồm ba phần: điều khiển bù, điều khiển phục hồi điện áp điều khiển từ thông Các kết mô hệ thống điều khiển đề xuất đạt chia sẻ công suất phản kháng xác Tuy nhiên, mơ hình tốn học điều khiển phức tạp, việc mơ hình tốn học khó khăn Microgrid có tải cục ngõ nghịch lưu tải phi tuyến Trong này, đề xuất phương pháp chia công suất phản kháng cách điều chỉnh độ dốc điện áp Droop, nhằm làm tăng độ xác cho việc chia cơng suất phản kháng trường hợp cân trở kháng đường dây nối từ nghịch lưu đến điểm chung Độ dốc điện áp Droop điều chỉnh thích ứng theo thay đổi tải Cấu hình Microgrid khảo sát hiển thị hình Các nghịch lưu Microgrid kết nối song song với thông qua điểm chung (PCC- Point of common coupling) Microgrid gồm có n hệ thống (DG1, DGn) Mỗi hệ thống DG gồm nguồn phát điện nhỏ (microsource) là: lượng mặt trời, gió, diesel, ; hệ thống tích trữ lượng; nghịch lưu Cấu trúc với microsource kết nối bus DC nghịch lưu nhằm làm giảm số lượng nghịch lưu, nên giảm chi phí đầu tư, thuận tiện cho việc điều khiển, ắc qui tích trữ giúp ổn định điện áp ngõ vào nghịch lưu Cấu trúc Microgrid cho phép giảm tổn thất đường dây, nâng cao hiệu suất nguồn phát nâng cao độ tin cậy Trong chế độ độc lập, Microgrid phải thực chia công suất cho nghịch lưu để ổn định tần số điện áp Hình Cấu hình Microgrid độc lập với hệ thống quản lý lượng PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT 2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển chia công suất Theo nghiên cứu [1 - 32] sở lý thuyết phương pháp điều khiển đề xuất hình thành sở phương pháp Droop truyền thống, thành lập cách phân tích mạch tương đương nghịch lưu kết nối với tải thể hình TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ, TẬP 1, SỐ 3, 2018 Hình (a) Sơ đồ phát cơng suất nghịch lưu, (b) đồ thị vec tơ dòng điện điện áp ω0 điện áp định mức tần số góc định mức nguồn tải; V ω điện áp tần số góc ngõ nghịch lưu, Vmin ωmin điện áp tần số góc cực tiểu cho phép Microgrid Theo tiêu chuẩn EN 50160 độ lệch tần số cho phép 1% so với tần số định mức độ lệch điện áp cho phép ±10% so với điện áp định mức R X điện trở điện kháng đường dây ( ) I dòng điện chạy đường dây nối từ nghịch lưu đến điểm chung (A) Từ hình 2, cơng suất cung cấp nghịch lưu tính: Từ (1) (2) suy ra: Trường hợp đường dây có X>>R góc nhỏ Khi cơng thức (3) (4) viết: Cơng thức (5) (6) cho thấy độ lệch tần số phụ thuộc vào công suất tác dụng P độ lệch điện áp phụ thuộc vào công suất phản kháng Q Vì điện áp ngõ nghịch lưu điều khiển Q, tần số ngõ nghịch lưu điều khiển P Do đó, có đặc tính Droop P/f Q/V thể công thức (7) (8): Hệ số Droop mp mq chọn theo độ thay đổi điện áp tần số cho phép so với định mức: mp P max ; mp V0 Vmin Q max (9) Trong đó: P Q công suất tác dụng phản kháng nghịch lưu phát ra; V Hình Đồ thị biểu diễn đường đặc tính Droop (a) Đặc tính Droop P/f, (b) Đặc tính Droop Q/V Trong trường hợp trở kháng đường dây nối nghịch lưu đến điểm chung PCC khác ta thấy việc thực chia tải xác theo tỉ lệ công suất định mức, việc điều chỉnh sai lệch công suất sai lệch điện áp so với giá trị định mức khó khăn phụ thuộc vào thơng số hệ thống Theo nghiên cứu [1 - 20] việc chia công suất tác dụng theo phương pháp Droop không bị ảnh hưởng đáng kể sai lệch trở kháng đường dây nối nghịch lưu đến điểm chung PCC Tuy nhiên, sai lệch trở kháng đường dây ảnh hưởng lớn đến việc chia cơng suất phản kháng, trình bày sau: Cơng thức (6) viết lại: SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL ENGINEERING & TECHNOLOGY, VOL 1, ISSUE 3, 2018 VDC i1 Đường đặc tuyến (10) cho nghịch lưu có trở kháng đường dây khác thể hình i*1 Điều khiển dòng điện V*inv Điều chế PWM Lf Rf vinv vc L R PCC C Tải Bộ nghịch lưu Điều khiển điện áp vc V*c Điều khiển Droop P Q Tính tốn cơng suất lọc thơng thấp vc i2 Hình Sơ đồ khối điều khiển công suất cho nghịch lưu Hình Đường đặc tuyến điện áp theo cơng suất kháng Theo hình ta thấy kháng hai đường dây khác đường đặc tuyến Q = f(V) khác Vòng điều khiển bên ngồi vòng điều khiển cơng suất (Droop control), để điều khiển công suất phát nguồn (các nghịch lưuinverter) Vòng điều khiển bên vòng điều khiển dòng điện (current control), để điều khiển dòng điện ngõ nghịch lưu (i1) vòng điều khiển điện áp (voltage control) để điều khiển điện áp ngõ nghịch lưu sau lọc (vc) Bộ điều chế vec tơ không gian (modulator) để tạo điện áp pha ngõ nghịch lưu pha (vinv) Bộ điều khiển công suất cho nghịch lưu gồm khối sau: 2.2.1 Khối calculation) Hình Đường đặc tính điện áp theo cơng suất kháng đường đặc tính Droop Q/V Hình cho thấy hai nghịch lưu có cơng suất định mức kết nối đến đường dây có kháng khác sinh sai lệch việc chia công suất kháng, X2 >X1 nên dẫn đến cơng suất chia cho hai nghịch lưu Q2