Điều khiển tối ưu hệ thống điện lai diesel sức gió mặt trời cho hải 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 PGS.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 03 tháng 12 năm 2019 Tác giả luận án Diệp Thanh Thắng Tập thể hướng dẫn HD1: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HD2: TS Nguyễn Đức Huy 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 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 15 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 17 Mục tiêu luận án 18 Phương pháp luận phương pháp toán học 18 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 19 Đóng góp luận án 19 Bố cục luận án 20 Chương Tổng quan hệ thống điện lai không nối lưới…………………………… 21 1.1 Sơ lược lượng tái tạo 21 1.2 Hệ thống điện lai có diesel chạy 22 1.2.1 Khái niệm hệ thống điện lai MG 22 1.2.2 Hệ thống điện MG chế độ không nối lưới 23 1.2.3 Vấn đề đánh giá kinh tế hệ thống điện MG 24 1.3 Chế độ làm việc hệ thống điện MG 25 1.3.1 Nguồn điện chế độ làm việc 26 1.3.2 Chất lượng điện 27 1.3.3 Dự phịng nóng 29 1.3.4 Đối tượng điều khiển đề tài 29 1.4 Các nguồn phát hệ thống điện MG 30 1.5 Bài tốn phân bố tối ưu cơng suất 30 1.6 Hướng nghiên cứu luận án 35 1.7 Nhiệm vụ luận án 36 1.8 Kết luận chương 36 Chương Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu…………………………………………… 38 2.1 Mở đầu 38 2.2 Khái niệm điều khiển tối ưu 38 2.2.1 Phương pháp biến phân 38 2.2.2 Nguyên lý cực đại Pontryagin 39 2.3 Phương pháp quy hoạch động 40 2.3.1 Các định nghĩa 41 2.3.2 Bài toán điều khiển tối ưu cho hệ xác định 42 2.3.3 Đặt toán 42 2.3.4 Phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman 42 2.3.5 Bài toán điều khiển tối ưu cho hệ ngẫu nhiên 45 2.4 Lời giải phương trình HJB phương pháp số 47 2.5 Kết luận chương 47 Chương Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu phương pháp quy hoạch động………………………………………………………………………… 49 3.1 Mở đầu 49 3.2 Mơ tả tốn tối ưu cơng suất phát 50 3.2.1 Hệ thống điện MG không nối lưới trường hợp tổn thất số 50 3.2.2 Các thành phần tham gia phát điện 51 3.2.3 Ý tưởng dùng hàm phạt cho tốn điều khiển tối ưu cơng suất phát 51 3.2.4 Bài toán phân bố tối ưu công suất phát dạng tổng quan 54 3.3 Mơ hình tốn điều khiển tối ưu cơng suất phát 56 3.3.1 Biến điều khiển 56 3.3.2 Hàm mục tiêu 56 3.3.3 Các ràng buộc 56 3.3.4 Phương pháp quy hoạch động 56 3.3.5 Phân tích sách lược điều khiển tối ưu, chứng minh hàm phạt 60 3.3.6 Hệ thống điều khiển cung-cầu 63 3.4 Sơ đồ tìm dịng cơng suất phát tối ưu 63 3.5 Phương pháp số giải phương trình HJB 66 3.6 Ví dụ với thơng số giả định 67 3.6.1 3.6.2 Ví dụ 1: Hệ thống gồm máy phát diesel 67 Ví dụ 2: Hệ thống gồm máy phát diesel 72 3.7 Ảnh hưởng công suất inverter 78 3.8 Kết luận chương 79 Chương Xây dựng chiến lược phát công suất với bước nhảy Markov…………… 81 4.1 Mở đầu 81 4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 81 4.1.2 Lược sử khoa học 81 4.2 Giới thiệu toán 82 4.2.1 Mô tả hệ thống MG DEG xảy hỏng hóc 82 4.2.2 Hàm mục tiêu 85 4.2.3 Các ràng buộc 85 4.3 Phát triển mơ hình tốn học 86 4.3.1 Lựa chọn biến điều khiển xây dựng hàm phạt 86 4.3.2 Phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman 87 4.3.3 Sách lược điều khiển tối ưu tối ưu phát công suất 89 4.4 Phương pháp số cho mơ hình Rischel 91 4.5 Ví dụ số 93 4.5.1 Thông số hệ thống 93 4.5.2 Kết chạy mô hình 95 4.6 Kết luận chương 97 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 99 5.2 Giới thiệu hệ thống điện diesel-sức gió liệu thực tế 99 5.2.1 Thực trạng hệ thống sức gió-diesel 99 5.2.2 Logic điều khiển hệ thống SCADA 102 5.2.3 Điều khiển tần số 103 5.2.4 Các điều kiện kỹ thuật khác 104 5.3 Bài tốn điều khiển cơng suất phát hệ thống điện sức gió-diesel đảo Phú Quý 104 5.3.1 Đặt toán 104 5.3.2 Phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman 105 5.3.3 Kết chạy mơ hình viết Matlab 108 5.4 Đề xuất HTĐ sức gió-mặt trời-diesel Phú Quý 110 5.4.1 5.4.2 5.4.3 Lựa chọn công suất phát 110 Tiềm điện mặt trời Việt Nam đảo Phú Quý 111 Lựa chọn công nghệ pin mặt trời 113 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 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 Mơ 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 Mơ 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 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 Tiếng Việt Dòng xoay chiều Phát điện truyền thống Công nghệ truyền thông thông tin Cơng suất phản kháng Dịng chiều Máy phát điện diesel Máy phát điện cảm ứng nguồn kép Tải giả Quy hoạch động Phát điện phân tán Điều khiển tối ưu Hệ thống quản lý lượng Thiết bị chuyển mạch thông minh Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Thiết bị điện tử thông minh Gọi chung cho phương trình HJB Hệ thống điện lai Hệ thống điện Lưới điện siêu nhỏ Thời gian trung bình hai lần hư hỏng Thời gian trung bình từ lúc máy hỏng máy phục hồi Dịng cơng suất tối ưu Điểm kết nối chung Máy phát nam châm vĩnh cửu Hệ thống điện lai Pin quang điện Nguồn lượng tái tạo Máy phát điện tuabin gió A.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc Máy phát điện Diesel biến đổi động đốt nhiên liệu Diesel thành điện máy phát đồng (MPĐB) Bộ điều tốc Nhiên liệu rDref Bộ ĐK điện áp AVR V ref rD Động Diesel Van V MPĐB PDEG , QDEG Hình A.17: Minh họa máy phát diesel [95] Hình A.17 giới thiệu minh họa máy phát diesel gồm động diesel máy phát đồng Nhiên liệu sơ cấp dầu diesel cung cấp cho động qua van điều tốc; Động diesel quay cung cấp mômen nối trục (hoặc dây courua) làm quy rotor (MPĐB); Máy phát sử dụng từ trưởng hệ thống kích từ cung cấp quay rotor thành điện phát lên lưới Như trình bày Chương 1, tần số máy phát đồng diesel phụ thuộc vào tốc độ quay rotor Vận tốc máy điện đồng trì tốc độ đồng (n = 60 f/p, với f = 50Hz tần số danh định lưới điện, p số cặp cực máy phát) Hệ thống điều khiển bao gồm hai mạch vịng: • Điều khiển tốc độ quay động diesel điều tốc (điều tần) • Điều khiển điện áp AVR thực việc điều khiển hệ thống kích từ với nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu khơng đổi A.3.2 Mơ hình tốn học Gọi m MD mômen động diesel sinh ra, m MD mômen máy phát điện đồng Nếu bỏ qua tổn hao truyền động trục khí, ta có phương trình chuyển động hệ là: J D dωrD (A.12) mMD − mGD = p dt đó: J D mơmen qn tính rotor mát phát, p số cặp cực máy phát, ωrD vận tốc quay rotor.Ta có quan hệ công suất điện mômen sau: = PDEG m= mω MDωrD (A.13) 147 A.4 Kho điện Nội dung mục tổng hợp từ tài liệu [21], [42], [96]–[101] A.4.1 Khái niệm kho điện Hours Kho điện ESS có chức tích lũy lượng dư thừa thơi điểm thấp điểm xả lên lưới vào thời điểm cao điểm tùy theo ứng dụng cụ thể Thời gian xả/nạp kho điện với công suất danh định đặc trưng bản, thời gian từ mini giây đến vài giây gọi ngắn hạn (short-term), từ vài giây đến vài phút gọi trung hạn (middle-term), cỡ lớn gọi dài hạn (long-term) Ứng dụng kho điện định thời gian huy động lượng từ kho điện hệ thống Đối với công suất khác sử dụng loại kho điện khác theo loại ứng dụng Chẳng hạn Hình A.18 ta sử dụng cho việc đảm bảo chất lượng điện nên dùng siêu tụ bánh đà có thời gian nạp/xả ngắn cỡ vài mili giây đến 60 giây dùng cho gam công suất MW Trong ứng dụng điều độ phải sử dụng thủy điện tích kho điện dạng nén khí CAES (Compressed air energy storage) Như vậy, với loại ESS khác sử dụng với mục đích khác tùy theo địi hỏi đáp ứng tần số IEC [96] quy định rõ mục đích sử dụng Metal-Air Pumped Hydro Flow-Batteries High Energy Fly Wheels ƯD điều độ CAES High Energy Supercapacitors Lead-Acid Ni-Cd Li-on ƯD chuyển nguồn High Power Fly Wheels & Supercapacitor ƯD đảm bảo chất lượng điện Minutes Seconds Thời gian xả điện NaS 1KW 10KW 100KW 1MW 10MW 100MW 1GW Cơng suất Hình A.18: Ứng dụng kho điện theo gam công suất thời gian xả điện [21] 148 A.4.2 Các loại kho điện Các công nghệ kho điện ESS phân loại theo Bảng A.1 [21] Vệc lựa chọn công nghệ tính tốn kỹ lưỡng tùy theo mục đích sử dụng Trong luận án ta dùng ESS cho việc bù tập trung bù phân tán lưới điện nhỏ lựa chọn siêu tụ (Supercapacitor) cho bù phân tán với mục đích đảm bảo chất lượng điện tần số điện áp ngắn hạn Chọn pin lưu trữ BESS (Battery energy storage system) để bù tập trung nhằm đảm bảo cung cấp cho phụ tải trường hợp phụ tải tăng đột biến trung hạn Bảng A.1 Phân loại công nghệ kho điện theo thời gian nạp/xả STT Khoảng thời gian xả Ngắn hạn Công nghệ SMES Flywheels Supercapacitor Công suất [MW] 0,1-10 0-10 0-0,3 Thời gian xả ms-8s ms-40 ms-60 Hiệu suất [%] 80-90 90-95 90-100 Trung hạn Batt-Nas Batt-Lead Acid Batt-NiCd 0,05-50 0-20 0-40 s-h s-h s-h 75-90 70-80 60-70 Dài hạn PHS 100-5000 1-24h 70-85 a) ESS sử dụng siêu tụ Hệ thống lưu trữ lượng sử dụng siêu tụ SCESS (supercapacitor energy storage system) minh họa Hình A.19 Đặc điểm siêu tụ có khả tích trữ trực tiếp đạng điện DC Ngoài ra, đặc điểm quan trọng siêu tụ nghiên cứu [42], [96], [97], [21], [101], [102] [95] sau: • Điện dung lớn từ 5Farad đến 2700Farad, kích thước cell nhỏ gọn, điện áp cỡ 2,5VDC/cell • Mật độ cơng suất cao so với ắc quy lưu trữ, , siêu tụ điện áp cao (100400VDC) có mật độ lên đến 20kWh/m3; • Động học nhanh: thời gian nạp xả lượng cực nhanh với công suất lớn; Hiệu suất cao (lên đến 100%) với tần suất nạp/xả lớn, bị ảnh hưởng nhiệt độ thân nhiệt môi trường Các biến đổi công suất điều khiển q trình nạp/xả siêu tụ trao đổi công suất chiều sử dụng nghịch lưu riêng biệt sử dụng biến đổi công suất có khả trao đổi cơng suất hai chiều hình minh họa b) Hệ thống ắc quy lưu trữ BESS Hệ thống BESS (battery energy storage system) cơng nghệ tích trữ lượng sử dụng phổ biến cho việc ứng dụng quản lý lượng với thời gian đáp ứng nạp/xả mức • 149 trung hạn Nhược điểm lớn BESS thời gian nạp xả lâu, tuổi thọ không cao, tần suất nạp/xả hạn chế, có giá thành thấp cỡ 150$/kWh so với 250$/kWh siêu tụ PSCESS , QSCESS PSCESS , QSCESS HT máy phát diesel (DEG) Hình A.19: Minh họa kho điện sử dụng siêu tụ cho bù phân tán = ~ ~ = ~ = Máy phát diesel (DEG) Hình A.20: Kho điện sử dụng ắc quy cho bù tập trung 150 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 công suất đầu WTG để đảm bảo ổn định ngắn hạn biến đổi thất thưởng lượng gió SCESS có khả trao đổi công 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% công suất danh định, cụ thể sau Nếu ta chọn công suất danh định cho toàn 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 DC Link DC-DC SBK iL + usc iCDC DBS C RL,L SBS iinv DC-AC SAH udc SBH Filter SCH Rg,Lg A B C DBK SAL SBL SCL - Hình A.21: Cấu trúc biến đổi ĐTCS cho kho điện dùng siêu tụ Bảng A.2 Công suất thời gian đáp ứng hệ thống TT Ứng dụng Chất lượng điện Điều tần Phụ tải Tiêu chuẩn chung Công suất 10 MW 10 MW MW 10 MW Thời gian cần thiết 30 sec 15 5h 1.5 h Dung lượng BESS 83,3 kWh 2.500 kWh 15.000 kWh 15.000 kWh 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 không 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 151 thống cân lượng Gọi P dL công suất tải giả, PdLref công suất đặt tải giả, mơ hình dịng điện hệ tọa độ d-q viết sau: i = d dL PdLref U d + QdLref U q U d2 + U q2 ,i = q dL PdLref U q − QdLref U d U d2 + U q2 (A.15) đó, U d , U q hai thành phần điện áp dọc trục ngang trục Gọi tg(ϕ) độ lệch pha dịng áp, cơng suất phản kháng tính tốn sau: QdL* = PdL* tg (ϕ ) 152 Phụ lục B: Giả thiết Rischel Trong phụ lục trình bày giả thiết Rishel’ Sử dụng giả thiết Rishel [48] để xây dựng mô 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: pij e p ii ( s −t ) (B.1) (2) Lấy χ(t) = i, xác suất khơng tồn bước nhảy q trình χ(t) khoảng thời gian [t, s] là: e p ( s −t ) 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, F , 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: (B.3) E [ A] = E  E [ A / B ] Nếu B biến ngẫu nhiên rời rạc gồm n biến, tức ta có: = E [ A] [ A / B j= ] Pr {B j} ∑ E= n (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: (C.1) X = f i ( s, X ,U ) ε ε ε Gọi t i ( t , X ε ) , X ε i ( t , X ε ) thời gian vị trí trạng thái X i ( s; t , X ) phương trình (C.1) cho ( t i ( t , X ε ) , X ε i ( t , X ε ) ) ∈ ¤ = [0, T ]´ Â , i Ỵ W Vit gn li, nu (t , X )ẻ Ô : ( t (t, X ), X (t, X )) = (t, X ) i i ε ε ε (C.2) ε C.2 Phương trình tích phân Sử dụng giả thiết H2 ta đặt phương trình sau: τ ϕ (τ , X ε (τ ) ,U (τ ) ) = ∫ G ( s, X ε ( s ) ,U ( s ) ) ds (C.3) t i ψ= (t, X ε ) ∞ i] ∑ E[ηn (t )ϕ (τ , X ε (τ ) ,U (τ ) )= | X ε ( t ) X= ε ; χ (t ) U ( t )∈A ( i ,t ) (C.4) n =0 Nhắc lại tính chất q trình Markov với số lượng trạng thái rời rạc hữu hạn đặc trưng ma trận ( pij ) với i ≠ j: ù Pr é ëc (t + D t ) = i | c (t ) = i û= + piiD t + O (D t ) (C.5) ù Pr é ëc (t + D t ) = j | c (t ) = i û= pij D t + O (D t ) (C.6) đó: lim ∆t →0 O ( ∆t ) =0 ∆t (C.7) 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: i E  ηn ( t ) | ϕ (τ , X ε (τ ) ,U (τ ) ,W (τ ) = ) | X ε ( t ) X= ε ; χ (t ) = j  ti (t , X ) p ( s −t ) i j  ds E  ηn−1 ( s ) | ϕ (τ , X ε (τ ) ,.= ) | X ε ( s ) X= ∑ ε ; χ (s) ∫t pij e j ≠i ij (C.8) Sử dụng giải thiết H.1, khơng có bước nhảy khoảng thời gian từ t đến t i ( t , X ε ) p t t , X −t E  η0 ( t ) | ϕ (τ , X ε (τ ) ,.) | X ε ( t= ) X ε i ; χ ( t=) j= ϕ ( t i ( t , X ε ) , X ε ,.) e ( ( ) ) i ii Phương trình (C.9) mơ tả (C.9) kiện khơng có bước nhảy, X ε ( s ) = X ε i ( s; t , X ε ) , τ = t i ( t , X ε ) với sác xuất không bước nhảy khoảng thời gian [t ,τ ] là: 154 e ( pii t i ( t , X ε ) −t ) (C.10) Kết hợp phương trình (C.3)-(C.9) ta rút phương trình sau: i ψ= (t, X ε ) ∞ ∑ E[ηn (t )ϕ (τ , X ε (τ ) ,.)= | X ε ( t ) X= i] ε ; χ (t ) U ,W ∈ ( t ) A n=0 t (t , X )  p s −t p (τ −t ) i , ; , X t X e pij e ( )ψ ϕ τ τ + ∑  ( ∫ ε ( ε )) U ( t )∈A ( i ,t ) j ≠i t  i ij ii j  ( s, X ( s; t , X ) ) ds  i ε ε (C.11)  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:   i i i ϕ (T , X ε ( s; t , X ε ) , U , W (T ) ) ∫ pij e ∫t pijψ ( s, X ε ( s; t , X ε ) ) ds = U (min t )∈A ( i , t ) t T T T + ∑ ∫ ∫ pij e T pij ( s − z ) ψ j ≠i t z j pij (T − s ) ds ( s, X ( s; t , X ) ) dsdz  i ε ε T  i i = − − ψ ϕ t X T X s t X U W T , , ; , , , ( ) ( ) ( ) ( ) ∑  ∫ pijψ ε ε U ( t )∈A ( i , t ) j ≠i t   ( s, X ( s;.) ) ds  (C.12) ( s, X ( s; t , X ) ) ds  (C.13) j i ε  Cuối cùng, rút gọn ta được: ψ i (t, X ε ) = T  i ϕ T , X s ; t , X , + ( ) ( ) ∑  ε ε ∫ pijψ U ( t )∈A ( i , t ) j t  j i ε ε  Thay phương trình (B.3) hàm chi phí J i ( t , X ε , U ) (B.4) hàm giá trị v i ( t , X ) cho ta phương trình sau: = vi ( t , X ε ) T T  + G s , X , U , W ds ( ) ∑j ∫ pij v j ( s, X ε i ( s; t , X ε ) ) ds   ε U ( t )∈A ( i , t ) ∫ t  t (C.14) Phần chứng minh Định lý 4.2 tìm thấy chi tiết tài liệu [48], [57] [51] C.4 Điều khiển phản hồi ζ ( t ) (if any) Disturbance U (t ) = π (t, X ε (t )) X ε ( t0 ) = X ε , System X ε ( t ) = fε ( t , X ε , U ) T Xε= ( t ) X ε ,0 + ∫ fε ( s, X ε ,U ) ds t0 π (t, X ε ) Hình C.1: Điều khiển phản hồi mạch kín 155 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 ( ) ( Cho nên gọi π t , X ε ( t ) ánh xạ biến điều khiển U ( t ) cho π t , X ε ( t ) ) ∈ A ( t , χ ( t ) ) Xét phương trình trạng thái X ε ( t ) , nhiễu hệ thống ξ ( t ) bao gồm P L (t), P WTG (t) P PV (t) Do vậy, điều khiển phản hồi X ε ( t ) minh họa Hình C.1 156 Phụ lục D: Xác định cơng suất đặt HTĐ MG diesel-sức 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 hệ PL PLr sau: PL=r (1 + iL ) PL r (D.1) Gọi PDEG , PWTG , PPV tổng công suất định mức máy phát diesel, điện sức gió, r r điện mặt trời thời điểm tại, gọi PDEG , PWTG , 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 phịng 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 phịng nóng, N DEG số máy diesel vận hành, điều kiện dự phịng nóng xác định sau: N DEG ∑P k =1 max,DEG,k − PL ≥ R (D.2) N G số máy phát đồng (diesel) hệ thống Hay viết lại sau: N DEG ∑P k =1 max,DEG,k ≥ R + PL > PL (D.3) Trong thiết kế, tính đến tăng trưởng phụ tải, điều kiện công suất lắp đặt máy phát diesel năm thứ r tính tốn sau: r PDEG ≥ PLk =(1 + iL ) PL r (D.4) 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 PDEG ≅ PWTG + PPV (D.5) 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 công 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 phịng 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 PL=r (1 + iL ) PL r Bước Tính tốn dự phịng 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 (không hạn chế) bước tính tốn thiết kế sau: Bước Xác định nhu cầu phụ tải PL=r (1 + iL ) PL r Bước Tính tốn dự phịng 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 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 Quý (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 01/07/2018 q V + IR / aK T I PV = I SC − I e ( s ) B − ( ) (A.8) 161 ... 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... Mở đầu Bài toán điều khiển tối ưu hệ thống điện MG sức gió -diesel- mặt trời nhằm vận hành hiệu hệ thống nguồn phát điện phân tán cho, mặt tận dụng nguồn điện gió điện mặt trời với chi phí vận... giải pháp điều khiển tối ưu công suất phát hệ thống điện MG không nối lưới sau: • Lựa chọn cấu hình hệ thống: Hệ thống điện MG diesel- sức gió- mặt trời tích hợp kho điện • Các ràng buộc hệ thống: