(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống microgrid

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN TẤN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG MICROGRID CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 9.52.02.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS Lê Kim Hùng PGS TS Nguyễn Hữu Hiếu Đà Nẵng - 2021 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Một vấn đề mà nƣớc giới phải đối mặt làm để đáp ứng nhu cầu lƣợng ngày tăng Điều làm tăng nhu cầu tài nguyên lƣợng, lƣợng hóa thạch mà ban đầu đƣợc coi vô tận Tuy nhiên, chúng đƣợc sử dụng đến mức cạn kiệt việc dẫn đến tác động tiêu cực nhƣ biến đổi khí hậu, gây nóng lên tồn cầu Đây mối bận tâm xã hội ngày [1] Thỏa thuận Paris 2015, đƣợc thông qua nhằm ngăn chặn gia tăng nhiệt độ trung bình tồn cầu, xác định ngun nhân biến đổi khí hậu, sử dụng nhiên liệu hóa thạch cho phƣơng tiện giao thơng sản xuất lƣợng gây phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính [2] Để giải vấn đề nóng lên toàn cầu nƣớc tập trung vào nghiên cứu giải pháp làm giảm thiểu phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, cắt giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch chuyển trọng tâm sang sử dụng nguồn lƣợng bền vững, thân thiện với môi trƣờng sản xuất điện Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn lƣợng phân tán (DER) đặt số thách thức nảy sinh từ yếu tố bất định chúng (công suất đầu phụ thuộc vào yếu tố thời tiết,…) Khi lƣới điện có thâm nhập cao nguồn lƣợng tái tạo (RES) dễ gây nên cân công suất, với vấn đề liên quan chất lƣợng điện độ tin cậy hệ thống Hiện nay, Microgrid cấu trúc lƣới điện đƣợc quan tâm nghiên cứu có khả tích hợp nhiều DER chủ yếu RES làm giảm đáng kể mối quan tâm biến đổi khí hậu Trong Microgrid, nguồn đặt gần phụ tải nên giảm công suất truyền lƣới truyền tải phân phối, làm giảm yêu cầu sở hạ tầng truyền tải phân phối điện, tăng cƣờng độ tin cậy, giảm phát thải, cải thiện chất lƣợng điện năng, giảm giá thành phát điện Microgrid hoạt động linh hoạt chế độ kết nối lƣới, độc lập chuyển đổi linh hoạt chế độ có yêu cầu hệ thống [3]–[5] Tuy nhiên, so với lƣới điện truyền thống, Microgrid chuyển sang hoạt động chế độ vận hành độc lập gặp phải số thách thức nhƣ sau: tích hợp nhiều nguồn lƣợng tái tạo (kết nối với lƣới thông qua biến đổi điện tử công suất) nên hệ thống có qn tính thấp, RES phụ thuộc yếu tố thời tiết (biến động, ngẫu nhiên gián đoạn) nên gây khó khăn việc điều khiển cân công suất hệ thống, cân công suất nguồn phát phụ tải gây dao động tần số hệ thống dẫn đến tình khơng mong muốn nhƣ ổn định, ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện Do vậy, để nâng cao hiệu vận hành Microgrid độc lập khai thác tối đa tiềm DER cần phải có chiến lƣợc, giải pháp phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho Microgrid độc lập Đã có nhiều cơng trình đƣợc cơng bố nƣớc đề xuất chiến lƣợc, giải pháp phƣơng pháp điều khiển nhằm nâng cao hiệu vận hành Micogrid, nhiên phƣơng pháp có ƣu điểm hạn chế định Trên sở bối cảnh nguồn lƣợng mặt trời đƣợc phát triển mạnh mẽ tác giả lựa chọn ―Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thống Microgrid‖ nhằm đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu sử dụng nguồn lƣợng mặt trời (PV) nguồn DER khác liên quan Microgrid Mục tiêu nghiên cứu Trên sở vấn đề đặt chiến lƣợc, giải pháp kỹ thuật điều khiển để nâng cao hiệu vận hành Microgrid, mục tiêu cụ thể luận án bao gồm: - Nghiên cứu đề xuất thuật toán MPPT để nâng cao hiệu hệ thống lƣợng mặt trời Microgrid - Nghiên cứu đề xuất áp dụng kỹ thuật điều khiển bền vững dựa Hinf áp dụng cho nghịch lƣu hệ thống lƣu trữ ESS để nâng cao hiệu vận hành Microgrid hoạt động chế độ độc lập - Nghiên cứu đề xuất thuật toán hạ bậc cho điều khiển áp dụng kỹ thuật điều khiển Hinf áp dụng cho nghịch lƣu hệ thống lƣu trữ ESS để dễ dàng ứng dụng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu luận án phƣơng pháp điều khiển áp dụng cho Microgrid b Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu luận án xây dựng mơ hình, đề xuất giải pháp điều khiển cấp điều khiển sơ cấp Microgrid độc lập có dao động bé (sự thay đổi công suất tải thay đổi công suất hệ thống PV) nhằm nâng cao hiệu vận hành giúp cho Microgrid dễ dàng, linh hoạt chuyển sang kết nối lƣới Cấu trúc Microgrid luận án nghiên cứu: gồm máy phát Diesel, hệ thống lƣợng mặt trời, hệ thống lƣu trữ lai phụ tải Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu a Cách tiếp cận Từ kết công bố nghiên cứu nƣớc nƣớc liên quan đến vấn đề nghiên cứu luận án, luận án tiến hành phân tích, đánh giá kết nhƣ sau:  Trong nƣớc Thời gian gần đây, việc nghiên cứu để nâng cao hiệu sử dụng khả tích hợp lƣợng tái tạo vào lƣới điện Việt Nam ngày đƣợc trọng phát triển Đã có nghiên cứu đề xuất giải pháp, chiến lƣợc kỹ thuật điều khiển để nâng cao hiệu vận hành Microgrid đƣợc cơng bố, kể đến cơng trình tiêu biểu sau: - Tính tốn đề xuất chiến lƣợc điều khiển, kỹ thuật điều khiển phân chia công suất nghịch lƣu kết nối song song, nhằm nâng cao khả nâng cao hiệu vận hành Microgrid độc lập, tác giả Phạm Thị Xuân Hoa cộng nghiên cứu [6], [7]; - Tính tốn đề xuất thuật toán quản lý lƣợng dựa PSO Belman-Zadeh Microgrid độc lập để đảm bảo vận hành ổn định tác giả  Phan Thị Thanh Bình [8]; - Đề xuất cấu trúc điều khiển hệ thống lƣu trữ lƣới điện nhỏ độc lập với nguồn phát hỗn hợp gió-diesel, nhằm nâng cao khả vận hành lƣới điện tác giả Phạm Anh Tuấn [9]; - Đề xuất thuật toán nhằm giảm phụ tải đỉnh Microgrid thông qua việc sử dụng hệ thống lƣu trữ nhằm nâng cao hiệu kinh tế cho khách hàng công nghiệp thời gian cao điểm tác giả Lê Duy Phúc [10]; - Nghiên cứu tính tốn trào lƣu cơng suất Microgrid vận hành độc lập có xét tới phụ thuộc nguồn phát, phụ tải vào tần số điện áp tác giả Võ Thanh Hải [11]; - Nghiên cứu số biện pháp nâng cao chất lƣợng hiệu suất cho hệ thống khai thác hệ thống PV nhƣ vận hành MPP, sử dụng BBĐ hiệu suất cao tác giả Lê Tiên Phong [12]; - Nâng cao chất lƣợng hiệu suất cho hệ thống khai thác hệ thống PV cách sử dụng kỹ thuật điều khiển lai, thông minh Fuzzy logic ANN bắt điểm MPP tác giả Lê Tiên Phong[12]  Ngồi nƣớc Với vai trị ngày quan trọng Microgrid nên nghiên cứu để hệ thống vận hành ổn định, đảm bảo độ tin cậy, chất lƣợng điện phải đảm bảo linh hoạt chuyển chế độ nối lƣới sang chế độ độc lập ngƣợc lại vấn đề đƣợc quan tâm Do vậy, từ kết thống kê báo cơng bố tạp chí quốc tế có uy tín trang Google Scholar (Hình 0.1) cho thấy có nhiều cơng trình nghiên cứu đƣợc cơng bố Microgrid độc lập với cách tiếp cận nhƣ sau: - Nghiên cứu tổng quan Microgrid; - Nghiên cứu nâng cao hiệu sử dụng Microrid dựa cải tiến thuật toán MPPT hệ thống PV; - Nghiên cứu điều khiển tần số Microgrid độc lập; - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho điều khiển tần số Microgrid; - Các cấu trúc Microgrid, chiến lƣợc điều khiển, kỹ thuật điều khiển quản lý vận hành [3], [4], [13]–[15]; - Trong Microgrid nguồn lƣợng tái tạo sử dụng lƣợng mặt trời có cơng suất đầu bất định phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Do đó, có nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu sử dụng Microgrid cách cải tiến thuật toán MPPT truyền thống phƣơng pháp MPPT sử dụng kỹ thuật điều khiển thông minh [16]–[18]; - Các phƣơng pháp điều khiển Microgrid vận hành lập bao gồm: điều khiển chính/phụ (master/slave), điều khiển phân bậc, điều khiển hệ thống đa tác nhân (Multi Agent System - MAS), điều khiển độ dốc (droop control) cải tiến điều khiển độ dốc [19], [20], phƣơng pháp máy phát điện ảo (VSG) phƣơng pháp điều khiển nâng cao đƣợc sử dụng để cải thiện nâng cao ổn định tần số Microgrid độc lập [21], [22]; 38600 17300 15800 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 7660 14700 2011-2020 1760 172 40 3540 1080 203 2001-2010 1990-2000 A B C 1990-2000 D 2001-2010 2011-2020 A: Nâng cao hiệu sử dụng Microrid dựa cải tiến thuật toán MPPT hệ thống PV B: Điều khiển tần số cho Microgrid độc lập sử dụng kỹ thuật điều khiển bền vững Hình 0.1 Các báo công bố quốc tế Microgrid điều khiển Microgrid độc lập từ 1990-2020 (Theo Google Scholar) - Microgrid cấu trúc phức tạp, phi tuyến, mơ hình khơng cấu trúc, có yếu tố bất định nhiều đầu vào đầu (MIMO)… Do vậy, để nâng cao hiệu sử dụng Microgrid độc lập, phƣơng pháp điều khiển bền vững Hinf áp dụng cho điều khiển tần số cho Microgrid độc lập đƣợc quan tâm nghiên cứu Trong [23] tác giả sử dụng điều khiển Hinf nhằm giảm thiểu dao động tần số điện áp có thay đổi phụ tải Trong [24] thiết kế điều khiển Hinf đa biến sử dụng kĩ thuật biến đổi bất đẳng thức ma trận tuyến tính cho vịng điều khiển sơ cấp Microgrid độc lập áp dụng phân tích μ để đảm bảo bền vững hệ thống Trong [25] tác giả sử dụng thuật tốn tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) để tối ƣu hàm trọng số điều khiển Hinf nhằm giảm dao động tần số tích hợp DG vào Microgrid Ngồi ra, phƣơng pháp điều khiển Hinf đƣợc áp dụng [26] để trì cân cơng suất giảm dao động tần số Hơn nữa, để cải thiện độ lệch tần số cấu trúc điều khiển bền vững Hinf thiết kế dùng phƣơng pháp điều chỉnh độ lợi vòng lặp điều khiển theo độ dốc đƣợc trình bày [27], nhiên có xét đến việc điều khiển thay đổi tham số bất định b Phương pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô phỏng, nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa kết nghiên cứu đƣợc công bố giới đặc biệt công bố tác giả luận án, đó: - Nghiên cứu lý thuyết: thu thập, chọn lọc, phân tích tổng hợp ƣu điểm nhƣợc điểm cơng trình nghiên cứu nƣớc, báo khoa học đƣợc cơng bố gần tạp chí khoa học chun ngành có uy tín, từ nghiên cứu sinh đề xuất giải pháp điều khiển cải tiến khắc phục hạn chế, phát huy ƣu điểm giải pháp điều khiển trƣớc nhằm nâng cao hiệu vận hành Microgrid hoạt động độc lập - Nghiên cứu thực nghiệm, mơ hình tốn: nghiên cứu đƣợc trợ giúp cơng cụ mơ hình hóa mơ phỏng: Matlab/Simulnk để xây dựng mơ hình, khảo sát ảnh hƣởng thuật toán MPPT đến hiệu sử dụng hệ thống PV, đánh giá hiệu giải pháp điều khiển nghịch lƣu hệ thống lƣu trữ đến hiệu vận hành nguồn Microgrid vận hành độc lập Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo mục lục luận án đƣợc bố cục thành chƣơng, đóng góp luận án đƣợc trình bày Chƣơng Chƣơng - Chƣơng 1: Tổng quan Microgrid chiến lƣợc, phƣơng pháp điều khiển Microgrid - Chƣơng 2: Mô hình hóa điều khiển Microgrid - Chƣơng 3: Đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thống lƣợng mặt trời Microgrid - Chƣơng 4: Đề xuất giải pháp điều khiển bền vững dựa Hinf áp dụng cho HESS để nâng cao khả vận hành Microgrid độc lập Ý nghĩa khoa học ý nghĩ thực tiễn a Ý nghĩa khoa học Kết đạt đƣợc luận án mang lại đóng góp mặt khoa học sau: - Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến nhằm nâng cao hiệu sử dụng hệ thống PV, bên cạnh thuật tốn MPPT đề xuất có khả bám điểm MPP xạ thay đổi nhanh dẫn đến công suất đầu hệ thống PV dao động (  P bé) t điều làm giảm dao động tần số Microgrid độc lập Ngồi ra, đầu hệ thống PV dao động nên dung lƣợng đáp ứng siêu tụ điện HESS tính tốn quan tâm đến thay đổi công suất phụ tải Microgrid - Đề xuất áp dụng điều khiển bền vững Hinf cho nghịch lƣu HESS cấp điều khiển sơ cấp nhằm nâng cao khả vận hành Microgrid độc lập - Đề xuất thuật toán hạ bậc dựa toán tử Hankel phƣơng pháp cân cho điều khiển bền vững Hinf nhằm giảm thời gian tính tốn, xử lý thời gian thực để dễ dàng áp dụng thực tế b Ý nghĩa thực tiễn Kết đạt đƣợc luận án mang lại đóng góp mặt thực tiễn sau: - Thuật toán MPPT đề xuất áp dụng dễ dàng vào cho hệ thống PV triển khai triển khai để nâng cao hiệu sử dụng khả tích hợp vào lƣới điện - Trên sở giải pháp điều khiển đề xuất luận án, áp dụng Microgrid cho tịa nhà, khu cơng nghiệp, đảo lập để khai thác tối đa hiệu RES - Trên sở thuật toán hạ bậc đề xuất cho điều khiển luận án, cho phép giảm thời gian tính tốn, xử lý hệ thống điều khiển Microgrid để dễ dàng triển khai áp dụng thực tế CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ CÁC CHIẾN LƢỢC, PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID 1.1 Tổng quan Microgrid 1.1.1 Khái niệm Microgrid Microgrid cấu trúc lƣới điện có khả tích hợp khai thác hiệu RES nhằm cải thiện chất lƣợng nhƣ độ tin cậy cung cấp điện năng, nâng cao hiệu suất vận hành hệ thống điện, giảm tổn thất điện tồn hệ thống điện Microgrid có khả vận hành độc lập để cấp điện cho phụ tải khu vực tách biệt, xa khu trung tâm, xa lƣới điện quốc gia Lƣới điện Trạm BA PCC Nguồn phát điện PV AC Nguồn phát điện nhỏ DC AC AC DC Pin lƣu trữ DC AC Khóa chuyển mạch DC AC DC AC DC Nguồn phát điện Gió Tải ƣu tiên AC DC Lƣu trữ Siêu tụ điện Tải ƣu tiên Tải Nguồn phát điện PV DC DC AC DC DC Tải DC DC Microgrid Hình 1.1 Cấu trúc Microgrid điển hình Có nhiều nghiên cứu giới đƣa khái niệm Microgrid nhƣ cách gọi khác việc tích hợp DER quy mô công suất nhỏ (thƣờng nhỏ 1MW) vào hệ thống điện Nhiều thuật ngữ thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả với khái niệm đơn giản nhƣ: nhà máy điện ảo, lƣới điện nhỏ, lƣới điện phân phối thông minh, nguồn phát điện phân tán … Trong [3]–[5], [28], [29], khái niệm Microgrid đƣợc tác giả Hansen phát biểu (định nghĩa) nhƣ sau: ―Microgrid lưới điện phân tán điện áp thấp có cấu trúc bao gồm DER, tải linh hoạt, thiết bị lưu trữ (bánh đà, siêu tụ, ắcqui…) phần tử điều khiển Do có khả điều khiển, Microgrid vận hành chế độ kết nối lưới, chế độ độc lập, linh hoạt chuyển đổi hai chế độ có yêu cầu‖ Đây khái niệm Microgrid đƣợc sử dụng phổ biến Các cấu trúc điển hình Microgrid đƣợc mơ tả nhƣ Hình 1.1 1.1.2 Các cấu trúc Microgrid Trải qua trình nghiên cứu phát triển, nhiều cấu trúc Microgrid đƣợc đề xuất để khai thác tích hợp RES vào lƣới Trong phần trình bày cấu trúc Microgrid phổ biến đƣợc sử dụng [29] 1.1.2.1 Cấu trúc Microgrid DC Hầu hết RES ESS có đầu điện áp DC có kết nối với đầu vào DC nghịch lƣu Ngồi ra, có nhiều phụ tải tiêu dùng phụ tải DC, nên việc tích hợp RES ESS vào Microgrid DC thông qua biến đổi DC/DC giải pháp hiệu để giảm số lƣợng nghịch lƣu, giảm tổn thất chuyển đổi Do vậy, Microgrid DC đƣợc sử dụng cho khu vực có nhiều phụ tải DC Theo [29], cấu trúc Microgrid DC điển hình đƣợc mơ tả nhƣ Hình 1.2 Thanh DC PCC MBA DC AC DC DC DC DC DC AC DC DC DC DC AC DC Bộ nghịch lƣu Tải AC Tải DC Lƣu trữ Nguồn phát Siêu tụ điện Nguồn phát điện PV điện Gió Lƣu trữ Pin DC Microgrid Hình 1.2 Cấu trúc Microgrid DC Lƣới điện diq _ VSI _ e 0 dt R 1 mq _ eVDC _ e  f iq _ VSI _ e  Vq _ PCC _ e  MG _ eid _ VSI _ e  Lf Lf Lf (PL2.32) Từ (PL2.31) (PL2.32) ta có md _ e  mq _ e  Vd _ PCC  R f I d _ VSI _ e (PL2.33) VDC _ e L f MGe I _ VSI _ e (PL2.34) VDC _ e Các giá trị ban đầu (tại thời điểm cân bằng) nghịch lƣu HESS nhƣ bảng: Bảng PL2.6 Thông số nghịch lưu HESS điểm cân Thông số Giá trị Thông số Giá trị VDC_e 1000 MG_e 100π[rad/s Vd_PCC_e 400 fMG_e 50 [Hz] id_VSI_e 0[A] md_e 0,4 iq_VSI_e 0[A] md_e 0,4 Nhƣ mơ hình tuyến tính nghịch lƣu HESS nhƣ sau: VDCe R  d I d _ VSI mde  VDC  md  f I rd  2 f MGe I q _ VSI  I q _ VSIe 2f MG  Lf Lf Lf  dt  Rf  d I q _ VSI  mqe V  VDCe m  2 f I  I q _ VSI  I d _ VSIe 2f MG DC q M G d _ VSI e  dt L L L f f f  (PL2.35) PVSI  Vd _ PCC _ e I d _ VSI  Vq _ PCC _ e I q _ VSI (PL2.36) QVSI  Vq _ PCC _ e I d _ VSI  Vd _ PCC _ e I q _ VSI (PL2.37) Thông số Microgrid Với mơ hình động học Microgrid, luận án giả thiết có thơng số mơ hình nhƣ sau: Bảng PL2.7 Thông số Microgrid Sbase Công suất đặt Microgrid [MVA] H Hằng số quán tính Microgrid [MVA.s] (1 [p.u]) Bảng PL2.6 Thông số máy phát Diesel PDiesel_đm Công suất định mức 1.8 [MW] PDiesel_e Công suất điểm làm việc 0.7 [MW] K p _ diesel Hệ số trƣợt diesel 0.04 [Hz/W] Hằng số thời gian 0,8 [s] Bảng PL2.8 Thông số nguồn Pin mặt trời Kịch Công suất định mức (PPV_đm) Tỉ lệ thâm nhập (%) Công suất khởi tạo (PPV_e) 501,5 (kW) 25 501,5 (kW) Bảng PL2.9 Thông số phụ tải Ptai_đm Công suất 1,6 [MW] Ptai_e Công suất thời điểm làm việc 1,2 [MW] Dtai Hệ số hiệu chỉnh phụ tải [MW/Hz] Phụ luc 3: Lý thuyết hạ bậc điều khiển Thuật toán hạ bậc Hankel Thuật toán hạ bậc Hankel xuất phát từ toán tử Hankel đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Gọi miền chứa hàm khả tích phân hữu hạn    thỏa mãn: e(t ) dt   Khi đó, miền khơng có tính nhân quả, chứa hàm giá trị âm có tính nhân quả, chứa hàm giá trị dƣơng e(t) e(t) Miền ma trận hàm truyền đạt (kích thƣớc k x m) tƣơng Giả sử ứng hệ thống, bị chặn miền tần số, trục Toán tử Hankel hệ phép biến đổi, biến hàm số khả tích phân khơng nhân thống (e.g có giá trị âm) thành hàm số khả tích phân, nhân (e.g có giá trị dƣơng) , tuân theo quy luật sau đây: h(t )  y(t ).u(t ) Trong đó, y(t) biến đổi Fourrier ngƣợc hàm Y ( j)  G( j).F ( j) u(t) hàm bƣớc đơn vị Nhƣ vậy, toán tử Hankel hệ thống có hàm truyền đạt G giả sử ổn định phép biến đổi, trích thành phần giá trị dƣơng đáp ứng đầu hệ thống h  h(t )  y(t ).u(t ) Nếu hệ thống khơng ổn định Một cách tổng quát, việc thêm phần tử không ổn định vào hàm truyền đạt G không ảnh hƣởng đến toán tử Hankel Giả sử M ma trận a x b thể phép chuyển đổi tuyến tính từ Rb sang Ra Với lƣu ý chuẩn toán tử (operator norm) M đƣợc định nghĩa cận tối thiểu cho tất tỉ số | | | |, với v tập vector khác khơng gian Bb Ngồi ra, giá trị riêng thứ r ma trận M đƣợc định nghĩa chuẩn tốn tử hàm sai lệch ̂ , ̂ chuỗi (ranges) ma trận có hạng nhỏ r Trên sở luận này, cho phép gán giá trị riêng thứ k tốn tử Hankel với hàm ma trận giá trị cho trƣớc , bị chặn mặt phẳng phức Giá trị riêng lớn đƣợc gọi chuẩn Hankel ‖ ‖ hàm G, đó, giá trị riêng thứ k đƣợc gọi giá trị riêng Hankel thứ k hàm G Giả sử hệ thống đƣợc mô tả miền không gian trạng thái:  X  A X  BU  Y  C X Gọi λ vector giá trị riêng A, thỏa i   j với i  j Với giả thiết trên, ma trận quan sát điều khiển Gramian đƣợc định nghĩa nghiệm phƣơng trình Lyapunouv sau: AWc  Wc AT   BBT ATWo  Wo A  CC T Nếu giá trị riêng ma trận A giả thiết có giá trị âm, ma trận Gramian đƣợc biểu diễn nhƣ sau:  Wc   exp( At ) BBT exp( AT t )dt  Wo   exp( AT t )CC T exp( At )dt Đối với ma trận truyền đạt G, tính tốn giá trị riêng tốn Hankel tƣơng ứng đƣợc thực cách sử dụng ma trận quan sát điều khiển Gramian Bởi tốn tử Hankel thể phần nhân quả, hay nói cách khác phần ổn định môt ma trận hàm truyền đạt tổng thể hệ thống tuyến tính, nên chuẩn Hankel khơng thể lớn chuẩn H∞ Do đó, q trình hạ bậc hàm truyền đạt theo toán tử Hankel cách áp dụng hạ bậc tƣơng tự H∞ có thuật tốn hiệu Thuật tốn hạ bậc Hankel đƣợc định nghĩa nhƣ cách xác định hệ thống tuyến tính khác ̂ hàm truyền đạt bị chặn G với bậc nhỏ giá trị m đó, cho chuẩn Hankel hàm sai lệch ̂ nhỏ Giải pháp hạ bậc theo chuẩn Hankel dựa định lý Adamyan-ArovKrein (AAK), đƣợc phát biểu nhƣ sau: Định lý AAK: Cho có giá trị ma trận hàm truyền đạt bị chặn Giả sử m giá trị riêng lớn toán tử Hankel giá trị nhỏ chuẩn Hankel hàm sai lệch ‖ Khi đó, ̂ ‖ số hệ thống ổn định ̂ có bậc nhỏ m Q trình triển khai phân tích chứng minh định lý AAK q trình xây dựng thuật toán hạ bậc Hankel với phƣơng pháp lựa chọn phù hợp cho toán cụ thể Mơ hình hạ bậc phương pháp cắt giảm cân (Balanced truncation) Ý tƣởng phƣơng pháp hạ bậc xuất phát từ việc xem xét ma trận quan sát đƣợc điều khiển đƣợc hệ thống ảnh hƣởng đến đáp ứng hệ thống Cụ thể là, giả thiết hệ thống xem cân với hệ thống ban đầu (Balanced realization) có ma trận trạng thái tƣơng ứng ̅ ̅ ̅ biến trạng thái hệ thống đƣợc chọn cho ma trận Gramian ma trận chéo Σ, với giá trị đƣờng chéo đƣợc xếp theo thứ tự giảm dần từ xuống Khi đó, độ lớn giá trị đƣờng chéo thể ảnh hƣởng biến trạng thái tƣơng ứng đến đáp ứng hệ thống., giá trị nhỏ ma trận Σ thể ảnh hƣởng biến trạng thái tƣơng ứng đến đáp ứng hệ thống Và nhƣ vậy, sử dụng cân để cắt giảm biến trạng thái không quan trọng Khi đó, phƣơng trình Lyapounov đƣợc viết lại nhƣ sau: A  AT   BB T  A  AT   C T C  Trong đó:   diag  i  1      n giá trị riêng Hankel hệ thống ban đầu Quá trình hạ bậc phƣơng pháp cắt giảm cân đƣợc tóm tắt bƣớc sau: Xác định ma trận quan sát điều khiển P, Q từ phƣơng trình Lyapounov  AP  PAT  BBT   T T  A Q  QA  C C  Xác định ma trận khả đảo X, Y từ phƣơng trình Cholesky sau  P  X X T  T  Q  Y Y Biểu diễn trình phân tách giá trị riêng (Singular Value Decomposition) Y T X  U V T Ta tìm đƣợc ma trận U V Ma trận chuyển đổi T đƣơc xác định nhƣ sau T  X V 1/ T 1   1/ U T Y T Xây dựng mơ hình hệ thống cân (Balanced Realization)  X  A X  B.U :  Y  C.X  DU 1 1 Biết rằng: A  TAT , B  T B , C  C.T , DD Q trình chuyển đổi khơng làm thay đổi giá trị riêng ma trận P.Q Khi ma trận P, Q ma trận đƣờng chéo Σ đƣợc tạo giá trị riêng Hankel σi hệ thống ban đầu, xếp theo thứ tự giảm dần độ lớn từ xuống dƣới:  i  i ( P.Q) P  Q    diag 1, , , n  Hạ bậc mơ hình (Truncation) Biểu diễn ma trận Σ vec tơ trạng thái X ma trận trạng thái nhƣ sau x  X   1 ,  x2  A A   11  A21      1 2  A12  , A22  B  B=   ,  B2  C= C1 C2  Thành phần x2 tƣơng ứng với Σ2 chứa giá trị không trội lƣợt bỏ mà khơng làm ảnh hƣởng đến tính điều khiển đƣợc quan sát đƣợc hệ thống Bằng cách cho x2 = , ta rút đƣợc mơ hình hệ thống hạ bậc nhƣ sau  X  A11 X  B1U   Y  C1 X  DU Mơ hình hạ bậc đảm bảo điều kiện sau [131]: G ( s)  Gt ( s)  2 n  i i  k 1 Ý nghĩa điều kiện G()  Gr () Chương trình thuật toán hạ bậc điều khiển Reduction Algorithm Parameters: Threshold error(E_th); Working frequency field [f_min: f_max] Data: Model Function [mxn] Resutls: Optimal Model Function begin repeat // Initialisation step foreach transfer function model Tính biên độ, góc pha miền tần số làm việc [Mag, Phase] end // Reduction step Reduction method: Balanced truncation Opt: balredOptions (' Offset', 0001, 'StateElimMethod', 'Truncate', 'FreqIntervals', [10^-1,10^4] ); // Representation phase for i = p to Đƣa mơ hình hạ đến bậc ―i‖ tƣơng ứng với bậc tối ƣu từ mơ hình bậc ―p‖ ban đầu Tính biên độ, góc pha mơ hình hạ bậc miền tần số làm việc [rMag, rPhase]  rMag  Mag  Err _ gain  max   Mag    rPhase  Phase  Err _ phase  max   Phase   Err(i) = [Err_gain, Err_Phase] end // Optimisation phase Forall pair of relative errors of redueced model Lƣu tất mơ hình hạ bậc thỏa điều kiện  Err_gain  E _ th  Err_phase  E _ th end Mơ hình tối ƣu mơ hình gần có bậc nhỏ until m x n mơ hình end Chương trình thiết kế điều khiển bền vững Hinf % Ma trận A A1 = [-R_f/L_f 2*pi*f_e 2*pi*i_rq_e]; A2 = [2*pi*f_e -R_f/L_f 2*pi*i_rd_e]; A3 = [0 -1/T_diesel -1/(T_diesel*s_diesel)]; A4 = [V_rd_e/(2*H) V_rq_e/(2*H) 1/(2*H) -D_load/(2*H)]; A = [A1; A2; A3; A4]; % Ma trận B % Ma trận B1 B1 = [0 ;0 ;0 ;1/(2*H)]; % Ma trận B2 B21 = [V_dc_e/(L_f) 0]; B22 = [0 V_dc_e/(L_f)]; B23 = [0 0]; B24 = [0 0]; B2 = [B21; B22; B23; B24]; % Ma trận B B = [B1 B2]; % Ma trận C C = [0 0 1]; % Ma trận D D1 = zeros(1,1); D2 = zeros(1,2); D = [D1 D2]; % Mơ hình hệ thống SYS = ss(A,B,C,D); % Hàm trọng số Wp M1 = 0.08; Aep1 = 0.04; w1 = 2.3; Wp = tf([1/Ms wb],[1 wb*Aeps]); % Hàm trọng số Wu1 Wu2 Mu1 = 0.9; Au1 = 0.01; wbc1 = (1/T_p)/(1/2/pi); Wu1 = tf([1 wbc1/Mu1],[Au1 wbc1]) Mu2 = 0.9; Au2 = 0.01; wbc2 = (1/T_p)/(1/2/pi); W_u2 = tf([1 wbc2/Mu2],[Au2 wbc2]) % Xây dựng hàm đối tƣợng P(s) %% systemnames = 'SYS W_perf1 W_u1 W_u2' inputvar = '[delta_P_load; delta_beta_d; delta_beta_q]'; outputvar = '[W_perf1; W_u1; W_u2; -SYS(1)]'; input_to_SYS = '[delta_P_load; delta_beta_d; delta_beta_q]'; input_to_Wp = '[SYS(1)]'; input_to_W_u1 = '[delta_beta_d]'; input_to_W_u2 = '[delta_beta_q]'; sysoutname = 'P'; cleanupsysic = 'yes'; sysic; %% NMEAS = 1; % Numbers of system output signal NCON = 2; % Numbers of system input signal [KHinf,CLHinf,GAM,INFO] = hinfsyn(P,NMEAS,NCON,'METHOD','lmi','GMIN',1,'DISPLAY','on'); GAM % Ma trận A, B, C, D mơ hình trạng thái điều khiển Hinf KHinf_A = KHinf.a; KHinf_B = KHinf.b; KHinf_C = KHinf.c; KHinf_D = KHinf.d; % Phân tích hiệu suất G_u = ss(SYS.a,SYS.b(:,2:3),SYS.c,zeros(1,2)); G_d = ss(SYS.a,SYS.b(:,1),SYS.c,zeros(1,1)); L = G_u*KHinf; S_y = inv(eye(1)+L); S = S_y*G_d; % Ma trận hàm độ nhạy pole_S = pole(S); KS = KHinf*S; % Ma trận hàm bù nhạy pole_KS = pole(KS); % load('KHinf.mat'); Ktf = tf(KHinf); Ktf_Hankel = Ktf; % tạo biến cho điều khiển hạ bậc Hankel %% Chạy vòng lặp hạ bậc cho hàm truyền đạt for i=1:2 num = Ktf.Numerator{i,1}; den = Ktf.Denominator{i,1}; sys=tf(num,den); % thành lập tf điều khiển chƣa hạ bậc (sys) sample = 400000; freq = linspace(10^-4,10^7,sample); % chọn iền tần số cần xét [mag,phase,freq] = bode(sys,freq); % lấy giá trị biên độ góc pha biểu đồ bode Mag = 20*log(squeeze(mag)); % chuyển giá trị bode biên độ từ dB sang giá trị real Phase = squeeze(phase); % lấy giá trị góc pha biểu đồ bode TH = %bien nho' opt = balredOptions('Offset',.0001,'StateElimMethod','Truncate','FreqIntervals',[10^41,10^7]); %thiet lap option bac theo Balanced Truncation n = (length(den)-1); % chọn bậc cần hạ while TH == rsys = balred(sys,n,opt); [rmag,rphase,freq] = bode(rsys,freq); rMag = 20*log(squeeze(rmag)); rPhase = squeeze(rphase); ERR_mag = abs(rMag - Mag); ERR_phase = abs(rPhase - Phase); for j = 1:sample if ((ERR_mag(j,1)/Mag(j,1)) > 0.05 && (ERR_phase(j,1)/Phase(j,1) > 0.05)) % tai moi diem lay mau, sai lech tren gia tri bieu Bode (ca bien goc pha) > 5% thi dung vong lap, dua bac toi uu TH = 1; n_opt = n+1; % bậc tối ƣu bậc trƣớc đóbac toi uu la bac truoc j = sample +1; % kết thúc vòng lập kiểm tra mẫu end end n = n - 1; % thỏa mãn tiếp tục hạ thêm bậc end rsys = balred(sys,n_opt,opt); % đƣa mơ hình hạ bậc tối ƣu n_opt % bậc tối ƣu Ktf_Hankel.Numerator{i,1} = rsys.Numerator{1,1}; Ktf_Hankel.Denominator{i,1} = rsys.Denominator{1,1}; truyen thu i figure(i) clf bodeplot(sys,'b',rsys,'g-'); hold on if i == title('Bode điều khiển K1'); else title('Bode điều khiển K2'); end legend('bộ điều khiển đủ bậc','bộ điều khiển hạ bậc'); grid on end Ktf_Hankel % bodeplot(Ktf_Hankel); KHankelss = ss(Ktf_Hankel) KHankel_A = KHankelss.a; KHankel_B = KHankelss.b; KHankel_C = KHankelss.c; KHankel_D = KHankelss.d; L_Hankel = G_u*KHankelss; S_yHankel = inv(eye(1)+L_Hankel); S_Hankel = S_yHankel*G_d; pole_SHankel = pole(S_Hankel); KS_Hankel = KHankelss*S_Hankel; pole_KSHankel = pole(KS_Hankel); figure('color',[1 1]); clf grid on sigma(GAM/W_perf1,'r',S(1,1),'b',S_Hankel(1,1),'g-.'); %gan mau so ham title('Hàm độ nhạy S'); legend('gamma/Wp','bộ điều khiển đủ bậc','bộ điều khiển hạ bậc'); grid on figure('color',[1 1]); clf subplot(1,2,1), sigma(GAM/W_u1,'r',KS(1,1),'b',KS_Hankel(1,1),'g-.'); title('Hàm bù nhạy KS_1'); legend('gamma/Wu_1','bộ điều khiển đủ bậc','bộ điều khiển hạ bậc'); grid on subplot(1,2,2), sigma(GAM/W_u2,'r',KS(2,1),'b',KS_Hankel(2,1),'g-.'); title('Hàm bù nhạy KS_2'); legend('gamma/Wu_2','bộ điều khiển đủ bậc','bộ điều khiển hạ bậc'); grid on Mơ hình mơ phần tử sử dụng Matlab/Simulink a.Mơ hình mơ HESS Hình PL3.1 : Mơ hình mơ điều khiển HESS b Mơ hình mơ Microgrid xây dựng Simulink sử dụng phương pháp điều khiển Hinf Hình PL3.2: Mơ hình mơ Microgrid xây dựng Simulink sử dụng phương pháp điều khiển Hinf c.Mơ hình điều khiển Hinf áp dụng cho nghịch lƣu HESS Hình PL3.3: Mơ hình điều khiển Hinf ... triển mạnh mẽ tác giả lựa chọn ? ?Nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu vận hành hệ thống Microgrid? ?? nhằm đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu sử dụng nguồn lƣợng mặt trời... MPPT để nâng cao hiệu hệ thống lƣợng mặt trời Microgrid - Nghiên cứu đề xuất áp dụng kỹ thuật điều khiển bền vững dựa Hinf áp dụng cho nghịch lƣu hệ thống lƣu trữ ESS để nâng cao hiệu vận hành Microgrid. .. truyền thống, có nhiều phƣơng pháp nhằm xác định tham số điều khiển để nâng cao chất lƣợng điều khiển Các nghiên cứu [45], [46] đề xuất phƣơng pháp điều khiển nâng cao để cải thiện hệ số điều khiển