Nghiên cứu mô hình điều khiển phân tầng và ứng dụng cho các nguồn phát có công suất nhỏ

Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả các nhà máy điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo có công suất nhỏ và phát điện phân tán (Distributed Generation – DG) để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Mặc dù sử dụng các DG có thể giảm sự phụ thuộc vào các nhà máy điện truyền thống, tuy nhiên việc kết hợp chúng vào hệ thống cung cấp điện là một vấn đề lớn.

Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TẦNG VÀ ỨNG DỤNG CHO CÁC NGUỒN PHÁT CĨ CƠNG SUẤT NHỎ Lê Kim Anh* TĨM TẮT Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nhà máy điện sử dụng nguồn lượng tái tạo có cơng suất nhỏ phát điện phân tán (Distributed Generation – DG) để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Mặc dù sử dụng DG giảm phụ thuộc vào nhà máy điện truyền thống, nhiên việc kết hợp chúng vào hệ thống cung cấp điện vấn đề lớn Vì kết hợp DG vào lưới điện thường xuất dao động điện áp tần số Nghiên cứu mơ hình điều khiển phân tầng để điều khiển DG với ưu điểm tần số, biên độ độ lệch điện áp đạt giá trị ổn định Ngồi giảm sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện Bài báo đưa kết mô điều khiển DG theo cấu trúc phân tầng sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method, DCM) nhằm trì cơng suất phát tối đa hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống Từ khóa: Cấu trúc phân tầng; phương pháp điều khiển theo độ trượt; lượng tái tạo; nguồn công suất nhỏ; nguồn phân tán STUDY ON HIERARCHICAL CONTROL MODEL AND APPLICATION IN CASE OF SMALL SCALE SOURCES ABSTRACT The research on effectively using and exploiting of small and scattered capacity renewable energy sources (Distributed Generation - DG) to generate electricity is meaningful to decrease the dependance on fossil energy sources Although the power dependance on conventional power plants could be reduced because of DG penetration, the integration of these sources into electric power distribution networks is still a big issue This is because of voltage and frequency fluctuations The using of hierarchical control structure in controlling of DG gives some advantages as stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation Besides, the elimination of high order harmonics will also have a significant effect on power quality improvement The article gives simulation results of applying hierarchical struture in controlling of DG using droop control method (DCM) in order to maintain maximum generating capacity of the system, irrespective of connected power loads Key words: Hierarch ical; droop control method; renewable energy; small power sources; distributed generation * GV Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Tuy Hòa, Phú n 112 Nghiên cứu mơ hình ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, với phát mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Theo [1], [2], nguồn lượng tái tạo (Renewable Energy sources, RES) nói chung, nguồn phân tán (Distributed generation, DG) nói riêng như: nguồn lượng gió, pin mặt trời, pin nhiên liệu v.v dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng nguồn phân tán nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác sử dụng nguồn phát công suất nhỏ phát điện phân tán cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm môi trường, nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), đặc biệt carbon dioxit (CO2) mục tiêu nghiên cứu nhà quản lý Mô hình điều khiển phân tầng, bao gồm tầng điều khiển: Tầng điều khiển thứ 1, dùng để điều khiển tải với nghịch lưu, sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (độ dốc) Tầng điều khiển thứ 2, dùng để đồng với lưới đưa tín hiệu độ lệch tần số (δω), độ lệch điện áp (δE) đến tầng điều khiển thứ Tầng điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi công suất nguồn phân tán với công suất lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần số (ωref) biên độ điện áp (Eref) đến tầng điều khiển thứ Nghiên cứu mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát công suất nhỏ nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TẦNG Mơ hình điều khiển phân tầng (Hierarchical Control) theo [3], bao gồm tầng điều khiển sau: Tầng điều khiển thứ (Primary Control) dùng để điều khiển dòng điện, điện áp công suất tải với nghịch lưu (biến tần) Tầng điều khiển thứ (Secondary Control) dùng để đồng với lưới Tầng điều khiển thứ (Tertiary Control) dùng để trao đổi công suất nguồn phân tán với lưới Mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát công suất nhỏ, hình Hình Mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát công suất nhỏ Hình Mơ hình điều khiển tầng thứ 113 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Giả sử trở kháng đường dây Z∠θ cảm θ = 900, biểu thức (2) viết lại sau: ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC TẦNG 3.1 Điều khiển tầng thứ 3.1.1 Điều khiển P, Q theo phương pháp độ trượt (độ dốc) Phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method, DCM) thường sử dụng điều khiển cho DG như: điều khiển tải với nghịch lưu, sử dụng nghịch lưu nguồn áp (Voltage source inverter, VSI) Trong phương pháp điều khiển công suất tác dụng điều khiển theo độ trượt tần số công suất phản kháng điều khiển theo độ trượt biên độ điện áp Ưu điểm phương pháp DCM giảm sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện Theo [4], sơ đồ mạch điện tương đương nghịch lưu, hình Ở đây: i E∠φ : dòng điện điện áp nghịch lưu; V∠0 : điện áp lưới Z∠θ : trở kháng đường dây nghịch lưu  V E  P = Z sin φ  (3) Q = V E cos φ − V Z  Nếu khác biệt điện áp nghịch lưu với điện áp lưới khơng đủ lớn sin φ ≈ φ cos φ ≈ , biểu thức (3) viết lại là: V E  φ P=  Z  (4)  Q = V E − V  Z  Theo [5], biểu thức (4) chuyển sang hệ tọa độ dq tính tốn cho cơng suất tác dụng, công suất phản kháng kết hợp với mạch lọc thơng thấp tính sau: Trong đó: ωc: tần số cắt lọc thơng thấp; vod, voq: điện áp vodq hệ trục tọa độ dp; iod, ioq: dòng điện iodq hệ trục tọa độ dp Hình Mơ hình tính tốn cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng kết hợp với mạch lọc thơng thấp Hình Sơ đồ mạch điện tương đương nghịch lưu Từ sơ đồ hình 3, phương trình cho cơng suất tính sau: V E∠θ − φ V ∠θ S = V I = − (1) Z Z * Từ biểu thức (1) công suất tác dụng cơng suất phản kháng tính sau: Hình Mơ hình tính tốn cơng suất P,Q  V E V2 cos( θ − φ ) − cos θ  P = Z Z (2)  Q = V E sin( θ − φ ) − V sin θ  Z Z Tần số điện áp theo [6], điều khiển sử dụng phương pháp DCM tính sau: ω = ω * − m.P (6)   E = E * − n.Q 114 Nghiên cứu mơ hình Trong đó: ω * , E * giá trị số tần số điện áp từ hệ thống đo tần số điện áp (RMS); m = ∆ω / Pmax , n = ∆E / 2Qmax : hệ số tần số biên độ điện áp điều khiển theo phương pháp điều khiển DCM, hình * Phương trình điều khiển mạch vòng dòng điện sử dụng điều khiển PI Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp dòng điện, hình Hình Điều khiển P,Q theo độ trượt tần số điện áp Từ biểu thức (5) (6) xây dựng sơ đồ cấu trúc điều khiển công suất P, Q theo phương pháp DCM, hình Hình Điều khiển mạch vòng điện áp dòng điện 3.1.3 Điều khiển điện áp mạch trở kháng ZD(s) Trong cấu trúc điều khiển tầng thứ 1, sử dụng phương pháp điều khiển DCM Đối với nguồn DG có cơng suất lớn, theo [8], trở kháng đầu nguồn DG trở kháng đường dây chủ yếu cảm kháng Tuy nhiên sử dụng biến đổi điện tử công suất như: DC/DC, AC/DC DC/AC trở kháng đầu phụ thuộc vào điều khiển dòng điện, điện áp Đối với điều khiển DG điện áp thấp trở kháng đường dây xem trở, điện áp đầu mạch trở kháng tính sau: Hình Mơ hình điều khiển cơng suất P,Q theo phương pháp DCM 3.1.2 Điều khiển điện áp dòng điện Theo [7], phương trình điện áp dòng điện điều khiển theo mạch vòng chuyển sang hệ tọa độ dq tính sau: * Phương trình điều khiển mạch vòng ngồi điện áp sử dụng điều khiển PI 115 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 3.2 Điều khiển tầng thứ Theo [9], Trong tầng điều khiển thứ để điều khiển tần số điện áp thông qua điều chỉnh công suất biến tần, điều dẫn đến tần số điện áp dao động Để bù lại dao động tần số điện áp, đồng thời đưa giá trị định mức mới, phương pháp điều khiển tầng đưa Trong điều khiển tầng này, nguồn phát điện phân tán đưa tần số ω* biên độ điện áp E*, sau tiến hành so sánh với giá trị tham khảo ωref Eref, đưa sai lệch tần số δω sai lệch điện áp δE Các sai lệch đưa đến điều khiển DG tầng điều khiển thứ 1, tần số biên độ điện áp DG sau so sánh đạt giá trị ổn đinh Sai lệch tần số sai lệch điện áp thể công thức sau: 3.3 Điều khiển tầng thứ Theo [10], điều khiển tầng thứ dùng để điều khiển công suất nguồn DG với công suất lưới cách điều chỉnh tần số (hoặc độ lệch pha) biên độ điện áp, hình Phương trình tần số biên độ điện áp tính sau: Trong đó: kpP, kiP, kpQ kiQ : thông số điều khiển tầng thứ 3; PG QG: công suất tác dụng công suất phản kháng lưới; Pref Qref: công suất đặt; ωref Eref: tín hiệu để điều khiển tầng thứ XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 4.1 Xây dựng mơ hình matlab / simulink Mơ hình xây dựng dựa sơ đồ cấu trúc điều khiển nguồn phân tán hình 1, mục Theo [11], [12], [13], [14] [15] nguồn phân tán (DG) bao gồm: DG1: tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG); DG2: nguồn pin mặt trời (PV); DG3: nguồn pin nhiên liệu (FC) Mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát công suất nhỏđược xây dựng matlab/ simulink, hình 11 Trong đó: kpω, kiω, kpE kiE : thông số điều khiển tầng thứ 2; Δωs: hệ số đồng lưới theo tần số lấy từ tín hiệu PLL; δω δE: tín hiệu để điều khiển tầng Sai lệch tần số cho phép điều kiện lưới điện vận hành bình thường 0.2Hz Trong trường hợp lưới điện xảy cố tần số sai lệch cho phép 0.5Hz Hình Giới hạn khả phục hồi tần số 116 Nghiên cứu mơ hình 4.2 Kết mơ 117 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Nhận xét: Qua kết mô phỏng, ta thấy thời điểm t = 0.02s đóng tải thực nối lưới, dòng điện điện áp công suất đầu giá trị đặt Ngồi đặc tính sóng hài điện áp (THD < 5%), t > 0.02s hệ thống nối lưới trạng thái làm việc ổn định KẾT LUẬN Thông qua kết mô báo giải vấn đề sau: Các nguồn phát có cơng suất nhỏ kết nối lưới điện sử dụng phương pháp điều khiển theo độ dốc thông qua điều chỉnh biến tần, công suất nguồn phát công suất nhỏ phân phối cân tối ưu Khi phụ tải thay đổi tần số biên độ điện áp hệ thống nối lưới luôn ổn định, sai lệch tần số, điện áp, sóng hài điều nằm phạm vi cho phép thõa mản theo tiêu chuẩn IEEE 1547 Nghiên cứu mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát có cơng suất nhỏ phát huy đối đa công suất phát hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống Sử dụng nguồn phân tán (tuabin gió, pin mặt trời pin nhiên liệu) nhằm giảm phụ thuộc vào lưới điện truyền thống, DG kết hợp với hệ thống nối lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV đường dây tải điện Tần số độ lệch điện áp đạt giá trị ổn định Điều khiển nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo 118 Nghiên cứu mơ hình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Kim Anh, 2013, Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện nhỏ, http://nangluongvietnam.vn [2] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Xin Ai, 2013, Điều khiển nguồn phân tán theo mơ hình nhà máy điện ảo, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Đại Học Đà Nẵng, số 3(64) [3] Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui, 2010, Hierarchical Control Techniques Applied in Microgrid, IEEE [4] Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao, 2012, Study on the Control Strategies of Low Voltage Microgrid, International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems [5] Yasser Abdel-Rady I Mohamed, Amr A Radwan, 2011, Hierarchical Control System for Robust Microgrid Operation and Seamless Mode Transfer in Active Distribution Systems, IEEE [6] K De Brabandere, B Bolsens, J Van den Keybus, A Woyte, J Driesen and R Belmans, 2004, A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters, IEEE [7] M Kohansal, G B Gharehpetian, M Abedi and M J Sanjari, 2012, Droop Controller Limitation for Voltage Stability in Islanded Microgrid, International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Santiago de Compostela (Spain), 28th to 30th March [8] Junping He, Ning Wu, Liang Liang,2013, Dynamic Virtual Resistance Droop Control Scheme for Distributed Generation System, TELKOMNIKA, Vol.11, No.3, March [9] Alireza Raghami, Mohammad Taghi Ameli, Mohsen Hamzeh, 2013, Primary and Secondary Frequency Control in an Autonomous Microgrid Supported by a Load-Shedding Strategy, IEEE [10] Josep M Guerrero, Juan C Vásquez, Remus Teodorescu,2009, Hierarchical Control of DroopControlled DC and AC Microgrids – A General Approach Towards Standardization,IEEE [11] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh, 2012, Nghiên cứu mơ hình tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu, Tạp san khoa học công nghệ, Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh [12] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy, 2012, Mơ hình điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 11(60), [13] Lê Kim Anh, 2012, Xây dựng mơ hình điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin nhiên liệu, Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học công nghiệp Hà Nội, số 12 [14] Lê Kim Anh, Đặng Ngọc Huy, Xin Ai, 2013, Hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió kết hợp nguồn pin mặt trời pin nhiên liệu, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 10(71) [15] Lê Kim Anh,2013, Ứng dụng biến đổi điện tử công suất điều khiển nối lưới nguồn phân tán, Tạp chí khoa học, Trường Đại học Cần Thơ, số (28), 1-8 [16] IEEE 1547, 2008, Application guide for IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power system 119 ... Nghiên cứu mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát công suất nhỏ nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TẦNG... điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát cơng suất nhỏ, hình Hình Mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát cơng suất nhỏ Hình Mơ hình điều khiển tầng thứ 113 Tạp chí Kinh tế - Kỹ... áp, sóng hài điều nằm phạm vi cho phép thõa mản theo tiêu chuẩn IEEE 1547 Nghiên cứu mơ hình điều khiển phân tầng ứng dụng cho nguồn phát có cơng suất nhỏ phát huy đối đa cơng suất phát hệ thống,