Điều khiển máy điện đồng bộ ảo để nâng cao hiệu quả năng lượng trong lưới điện siêu nhỏ

Cơ sở và động lực nghiên cứu

Chế độ thứ hai là tách lưới vận hành độc lập (Island mode), lúc này cần có các nguồn nhất định đóng vai trò tạo lưới như nguồn Diesel hoặc BESS do các nguồn này có tính chủ động về năng lượng sơ cấp cao hơn nhiều so với các NBT còn lại vốn mang tính bất định cao do phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết [55,56,58]. Với vấn đề đặt ra về tính ổn định của hệ thống điện nói chung và MG nói riêng khi tích hợp cao các NBT làm suy giảm mức quán tính chung, việc cần thiết phải có giải pháp điều khiển các NBT tham gia vào việc nâng mức quán tính chung đồng thời có đáp ứng hỗ trợ hoặc tăng cường tính ổn định.

Mục tiêu của Luận văn và định hướng trình bày

Trong các hướng nghiên cứu đã đang được tiến hành, việc “chuyển” các đặc tính của máy điện đồng bộ vào các NBT thông qua phương pháp điều khiển chung gọi là “máy điện đồng bộ ảo” đang là một hướng nghiên cứu, ứng dụng đầy tiềm năng. • Tìm hiểu các kiến thức liên quan cho giải thuật điều khiển công bố trong Luận văn về bộ điều khiển mờ và thiết kế bộ lọc LLCL ứng dụng vào mô hình máy điện đồng bộ ảo – Synchronverter.

Sơ lược về Luận văn

Cuối Chương 2 sẽ trình bày nhận xét về các điểm/nội dung mà các công trình nghiên cứu chưa đề cập từ đó trình bày ý tưởng xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ thống máy điện đồng bộ ảo theo mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ – Synchronverter kết hợp bộ lọc LLCL đề xuất trong Luận văn. Với định hướng về giải thuật điều khiển sẽ được đề xuất nghiên cứu trong Luận văn, Chương 3 sẽ trình bày các khái niệm và cách triển khai bộ điều khiển mờ cùng với quy trình thiết kế và ưu điểm của bộ lọc LLCL.

Cơ sở lý thuyết

Tuy nhiên, việc tăng tần số chuyển mạch trong khi sử dụng các bộ lọc truyền thống như L hoặc LCL có thể dẫn đến các vấn đề về nhiễu điện từ (EMI) do các bộ lọc truyền thống này không có hiệu suất tốt trong việc hạn chế sóng hài ở tần số chuyển mạch [49,51]. Mô hình bộ lọc thụ động được nghiên cứu gần đây nhất là LLCL, bằng cách đưa một cuộn cảm vào nhánh lọc của tụ điện, có thể giải quyết vấn đề về lọc sóng hài quanh tần số chuyển mạch. Đây là một điểm nổi bật hoàn toàn lớn so với bộ. Ngoài ra, với cuộn cảm bổ sung ở nhánh lọc tụ, cuộn lọc phía lưới của bộ lọc LLCL được giảm đáng kể, làm cho toàn bộ lọc nhỏ hơn so với LCL. Đáp ứng tần số của bộ lọc LLCL cũng khá tương tự như LCL trong phạm vi một nửa tần số chuyển mạch dẫn đến đáp ứng của hệ thống dùng bộ lọc LLCL sẽ không khác nhiều so với dùng LCL. Tuy nhiên, do sự cộng hưởng của bộ lọc LLCL, đáp ứng của các NBT trong số ít trường hợp có thể không tốt nhưng có thể được giải quyết thông qua phương pháp thụ động hoặc chủ động như với bộ lọc LCL [50]. Các nội dung sau sẽ trình bày các ràng buộc và quy trình thiết kế bộ lọc LLCL sẽ được áp dụng trong Luận văn. Hàm truyền của Bộ nghịch lưu đồng bộ khi kết hợp bộ lọc LLCL và LCL. Các tác giả trong [49-51] đã nghiên cứu chi tiết đáp ứng của hệ thống khi sử dụng bộ lọc LLCL và LCL thông qua các hàm truyền của đầu vào và đầu ra như sau:. Quy trình và ràng buộc khi thiết kế bộ lọc LLCL Ràng buộc thiết kế. 2) Giá trị của cuộn cảm phía BBT được chọn bởi độ gợn cực đại của dòng điện đầu ra. Giới hạn dưới của điện cảm bộ lọc được xác định theo yêu cầu sóng hài dòng điện đưa vào lưới theo IEEE 519-2014 tại Bảng II. 4) Giá trị của điện dung bộ lọc có thể lớn để làm suy giảm sóng hài tốt hơn nhưng ngược lại tiêu thụ nhiều công suất phản kháng hơn. 5) Tần số cộng hưởng của bộ lọc phải nằm trong khoảng từ mười lần tần số hệ thống để tránh các sóng hài tần số thấp và một nửa tần số chuyển mạch để tránh các vấn đề về cộng hưởng. Quy trình thiết kế bộ lọc LLCL. Theo các yêu cầu trên để BBT hoạt động ổn định, quy trình thiết kế bộ lọc LLCL được đưa ra như sau [49-51]:. Do sử dụng điều chế PWM, điện áp đầu ra của BBT chứa sóng hài tần số cao. Để làm mịn dòng điện đầu ra BBT cuộn cảm L1 phải đáp ứng yêu cầu độ gợn dòng điện nhất định. Độ tự cảm L1 có thể được tính như sau:. trong đó Iref là biên độ dòng điện tham chiếu định mức, α là tỷ lệ gợn dòng điện phía BBT, thường thấp hơn 40% dòng tham chiếu định mức [51]. Như đã đề cập Cf nên được thiết kế theo mức tiêu thụ công suất phản kháng là ≤ 5%Cb. 3) Thiết kế cuộn lọc Lf cho mạch Lf-Cf. Bởi vì sóng hài chiếm ưu thế xung quanh tần số chuyển mạch đã bị suy giảm bởi mạch bẫy (lọc) Lf-Cf, giá trị của L2 có thể được chọn tương đối thấp. 5) Sau đó kiểm tra lại các ràng buộc tham số của tổng điện cảm và tần số cộng hưởng của mạch bẫy Lf-Cf. Thông qua kinh nghiệm hoặc kiến thức chuyên môn, các hàm thành viên và quy tắc quan hệ của các biến đầu vào và đầu ra có thể được thiết lập và với sự trợ giúp của vi xử lý tốc độ cao ngày nay, hệ thống điều khiển dựa trên FLC đã được sử dụng rộng rãi.

Giải thuật điều khiển đề xuất trong Luận văn

Việc chọn giá trị điện trở chạm sự cố tương đối cao nhằm giảm dòng sự cố đến mức độ vừa phải do Luận văn chỉ tập trung khảo sát đáp ứng của giải thuật điều khiển đề xuất cho hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL ở các kịch bản vận hành khác nhau. Dựa trên quy luật tính toán các đại lượng quán tính ảo và độ dốc được công bố trong [45] cùng với kinh nghiệm tích lũy được qua thực hành mô phỏng, giải thuật điều khiển đề xuất sử dụng các hàm thành viên bậc thang với năm thuộc tính của đầu vào là: âm lớn (NB), âm nhỏ (NS), không (Z), dương nhỏ (PS), dương lớn (PB). Biến đầu vào của khâu điều khiển gồm độ lệch tần số so với định mức (error) và tốc độ thay đổi độ lệch tần số (Rate of Change Of Error) đã được điều chỉnh tỷ lệ về khoảng giá trị [-1; 1] theo hai hệ số điều chỉnh nhằm đơn giản hóa việc xác định khoản giá trị của biến đầu vào.

Việc tính toán công suất được thực hiện theo (6)-(7) đồng thời khóa S1 đóng vai trò chuyển đổi phương thức tính toán trong trường hợp vận hành tách lưới của Bộ nghịch lưu đồng bộ thông qua điện kháng ảo “Virtual Impedance” để cung cấp khả năng tự đồng bộ giống với SG, được đề cập trong [28]. Sau cùng Hình 3.11 thể hiện hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL hoàn thiện được đề xuất trong Luận văn gồm có mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ ứng dụng điều khiển đáp ứng FLC (giải thuật điều khiển đề xuất) giao tiếp với hệ thống qua bộ lọc LLCL.

MÔ PHỎNG TRONG TRƯỜNG HỢP VẬN HÀNH TÁCH LƯỚI CỦA HỆ THỐNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐỒNG BỘ - BỘ LỌC LLCL VỚI GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT

Ngược lại, Hình 4.1a cho thấy sự khác biệt đáng kể về đáp ứng tần số của mô hình đề xuất so với mô hình truyền thống với nhận xét như sau: Đáp ứng của mô hình đề xuất đạt trạng thái ổn định xấp xỉ 0.25s sau khi tách lưới với biên độ dao động nhỏ (tối đa là 1% giá trị định mức tần số) sau đó suy giảm nhanh chóng, như thể hiện trong Hình 4.1a với đường nét liền màu đen. Thứ nhất, áp dụng FLC trong hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL giúp có được các giá trị thích ứng của các tham số quán tính và độ dốc trong các tình huống vận hành khác nhau như trong Hình 4.1c, đặc biệt là trong các giai đoạn quá độ khi tách lưới và nối lưới trở lại. Ngược lại, điều này là không cần thiết đối với mô hình đề xuất, đặc biệt khâu điều khiển PI [28] cần có trong mô hình truyền thống để vận hành nối lưới đã được loại bỏ trong hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật đề xuất trong Luận văn thông qua việc triển khai FLC thích ứng, và sẽ chỉ cần sử dụng giá trị bất kỳ và cố định của trở kháng ảo.

MÔ PHỎNG TRONG VẬN HÀNH NỐI LƯỚI

Do Luật hợp thành của FLC được áp dụng trong mô hình đề xuất, tuy có sự thay đổi nhưng nhỏ trong giá trị quán tính và hệ số độ dốc dẫn đến đáp ứng tần số và công suất tác dụng của các mô hình gần như giống nhau, như trong Hình 4.3b-4.3c. Các kết quả trình bày ở mục 4.1 và 4.2 đã kiểm chứng khả năng vượt trội về giới hạn sóng hài của bộ lọc LLCL so với LCL trong vận hành tách lưới và nối lưới với các kịch bản khác nhau cho các mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ truyền thống và hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển đề xuất. Ngoài ra, ứng dụng bộ lọc LLCL cho Bộ nghịch lưu đồng bộ được đề xuất trong Luận văn đã hoàn thành mục tiêu không chỉ trong việc giảm các giá trị THD mà vẫn đảm bảo khả năng mô phỏng các đặc tính máy điện đồng bộ của Bộ nghịch lưu đồng bộ.