Nghiên cứu giải pháp điều khiển để tối ưu hóa hiệu quả vận hành hệ thống microgrid

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển để cải thiện kết quả vận hành hệ thống microgrid, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri

• Tác giả: Nguyễn Văn Tấn
• Người hướng dẫn: Lê Kim Hùng
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Giải Pháp Điều Khiển Nâng Cao Hiệu Quả Hệ Thống Microgrid
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID
• 1.1. Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời (PVs)
• 1.2. Mô hình tế bào quang điện
• 1.3. Mô hình tấm pin quang điện (PV)
• 1.4. Điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPP)
• 1.5. So sánh đánh giá các thuật toán MPPT
• 1.6. Mô hình và điều khiển máy phát Diesel
• 1.7. Mô hình và điều khiển hệ thống lưu trữ
• 1.7.1. Tổng quan về hệ thống lưu trữ
• 1.7.2. Mô hình các bộ biến đổi kết nối giữa HESS với Microgrid
• 1.7.3. Các phương pháp điều khiển HESS trong Microgrid
• 1.8. Mô hình và điều khiển tần số của Microgrid
• 1.9. Mô phỏng và phân tích kết quả
• 1.9.1. Mô hình mô phỏng
• 1.9.2. Thông số và kịch bản mô phỏng
• 1.9.3. Phân tích ảnh hưởng của hệ thống PV đến Microgrid
• 1.9.4. Phân tích ảnh hưởng thay đổi của phụ tải đến Microgrid
• 1.9.5. Kết luận các kết quả mô phỏng
• 1.10. Nhận xét và kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG MICROGRID
• 2.1. Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến dựa trên các thông số ΔP, ΔV và ΔD
• 2.2. Thuật toán MPPT đề xuất
• 2.3. Mô phỏng đánh giá thuật toán MPPT đề xuất
• 2.4. Đánh giá ảnh hưởng của thuật toán MPPT đề xuất đến khả năng thâm nhập của hệ thống PV vào Microgrid
• 2.5. Nhận xét và kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG HINF ÁP DỤNG CHO HESS ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA MICROGRID ĐỘC LẬP
• 3.1. Bài toán điều khiển bền vững Hinf
• 3.2. Vấn đề điều khiển độ nhạy hỗn hợp. Cấu trúc điều khiển P-K. Hàm trọng số trong bài toán điều khiển Hinf
• 3.3. Các bước thiết kế và tổng hợp bộ điều khiển Hinf
• 3.4. Phân tích tính bền vững của hệ thống sử dụng cấu trúc M-Δ
• 3.5. Đề xuất phương pháp hạ bậc cho bộ điều khiển Hinf
• 3.5.1. Tổng quan về nguyên lý hạ bậc bộ điều khiển
• 3.5.2. Đề xuất thuật toán hạ bậc bộ điều khiển
• 3.6. Đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển bền vững Hinf cho bộ nghịch lưu của HESS trong Microgrid
• 3.7. Cấu trúc điều khiển ổn định tần số Microgrid
• 3.7.1. Xây dựng mô toán của Microgrid
• 3.7.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững Hinf cho bộ nghịch lưu
• 3.8. Tổng hợp bộ điều khiển sử dụng hạ bậc và so sánh với bộ điều khiển đầy đủ bậc
• 3.9. Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của các giải pháp điều khiển đề xuất đến hiệu quả vận hành của Microgrid
• 3.9.1. Bộ điều khiển bền vững Hinf đủ bậc
• 3.9.2. So sánh đánh giá các giải pháp điều khiển
• 3.10. Nhận xét và kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Microgrid

Microgrid là một hệ thống điện nhỏ có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Hệ thống này tích hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo (RES) như năng lượng mặt trời và gió, cùng với các nguồn năng lượng truyền thống như máy phát Diesel. Microgrid không chỉ giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính mà còn nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng. Tuy nhiên, việc tích hợp nhiều nguồn năng lượng phân tán cũng đặt ra thách thức trong việc điều khiển và quản lý công suất. Các vấn đề như sự biến động của công suất đầu ra từ các RES và sự mất cân bằng giữa công suất phát và phụ tải có thể dẫn đến dao động tần số trong hệ thống. Do đó, việc phát triển các giải pháp điều khiển hiệu quả cho hệ thống điện thông minh là rất cần thiết.

1.1. Khái niệm và vai trò của Microgrid

Microgrid được định nghĩa là một hệ thống điện có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Vai trò của Microgrid trong việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo là rất quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Hệ thống này giúp giảm thiểu chi phí truyền tải điện, cải thiện độ tin cậy và chất lượng điện năng. Việc sử dụng công nghệ năng lượng tái tạo trong Microgrid không chỉ giúp giảm phát thải mà còn tạo ra một mô hình năng lượng bền vững hơn cho tương lai.

II. Các chiến lược điều khiển trong Microgrid

Các chiến lược điều khiển trong hệ thống điện phân phối bao gồm điều khiển tập trung, điều khiển phân tán và điều khiển phân cấp. Mỗi chiến lược có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Điều khiển tập trung thường mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý công suất, nhưng lại phụ thuộc vào một điểm duy nhất, có thể gây ra rủi ro khi hệ thống gặp sự cố. Ngược lại, điều khiển phân tán cho phép các thành phần trong Microgrid tự quản lý, giúp tăng tính linh hoạt và độ tin cậy. Tuy nhiên, điều này cũng có thể dẫn đến sự không đồng bộ trong hoạt động của các nguồn năng lượng. Việc áp dụng công nghệ IoT trong microgrid có thể cải thiện khả năng giám sát và điều khiển, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành.

2.1. Điều khiển tập trung và phân tán

Điều khiển tập trung cho phép quản lý toàn bộ hệ thống từ một điểm duy nhất, giúp tối ưu hóa việc phân phối năng lượng. Tuy nhiên, điều này cũng tạo ra rủi ro khi hệ thống gặp sự cố. Trong khi đó, điều khiển phân tán cho phép các thành phần trong microgrid tự quản lý, giúp tăng tính linh hoạt và độ tin cậy. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh có thể cải thiện khả năng điều khiển và giám sát, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống.

III. Giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành Microgrid

Để nâng cao hiệu quả vận hành của microgrid, cần áp dụng các giải pháp điều khiển bền vững và tối ưu hóa hiệu suất. Một trong những giải pháp quan trọng là phát triển các thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) để tối ưu hóa việc khai thác năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo. Việc áp dụng các công nghệ như công nghệ thông tin trong năng lượng và phân tích dữ liệu năng lượng cũng giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Các giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí vận hành mà còn cải thiện độ tin cậy và chất lượng điện năng.

3.1. Thuật toán MPPT và ứng dụng

Thuật toán MPPT là một trong những công cụ quan trọng giúp tối ưu hóa công suất đầu ra từ các nguồn năng lượng mặt trời. Việc áp dụng các thuật toán MPPT cải tiến có thể giúp tăng cường khả năng thâm nhập của hệ thống PV vào microgrid. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các thuật toán như P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance) có thể cải thiện hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về giải pháp điều khiển nâng cao hiệu quả hệ thống microgrid đã chỉ ra rằng việc áp dụng các công nghệ mới và các chiến lược điều khiển hiệu quả là rất cần thiết để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống. Các giải pháp như phát triển thuật toán MPPT, áp dụng công nghệ IoT và phân tích dữ liệu năng lượng có thể giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành. Để đạt được những mục tiêu này, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu, các nhà quản lý và các doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển mới cho microgrid, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tối ưu hóa hoạt động của hệ thống. Ngoài ra, cần có các chính sách hỗ trợ từ chính phủ để thúc đẩy việc áp dụng các công nghệ này trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và mục lục thì luận án đƣợc bố cục thành 4 chƣơng, trong đó đóng góp của luận án đƣợc trình bày trong Chƣơng 3 và Chƣơng 4. - Chƣơng 1: Tổng quan về Microgrid các chiến lƣợc, phƣơng pháp điều khiển trong Microgrid. 6 luan an - Chƣơng 2: Mô hình hóa và điều khiển trong Microgrid. - Chƣơng 3: Đề xuất giải pháp điều khiển để nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống năng lƣợng mặt trời trong Microgrid.

- Chƣơng 4: Đề xuất giải pháp điều khiển bền vững dựa trên Hinf áp dụng cho HESS để nâng cao khả năng vận hành của Microgrid độc lập. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩ thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học Kết quả đạt đƣợc của luận án sẽ mang lại các đóng góp về mặt khoa học sau: - Đề xuất thuật toán MPPT cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống PV, bên cạnh đó thuật toán MPPT đề xuất có khả năng bám điểm MPP khi bức xạ thay đổi nhanh dẫn đến công suất đầu ra hệ thống PV ít dao động (  P bé) và t điều này làm giảm dao động tần số Microgrid độc lập. Ngoài ra, do đầu ra hệ thống PV ít dao động nên dung lƣợng đáp ứng của siêu tụ điện trong HESS khi tính toán chỉ quan tâm đến sự thay đổi công suất của phụ tải trong Microgrid.

- Đề xuất áp dụng điều khiển bền vững Hinf cho bộ nghịch lƣu của HESS ở cấp điều khiển sơ cấp nhằm nâng cao khả năng vận hành của Microgrid độc lập. - Đề xuất thuật toán hạ bậc dựa trên toán tử Hankel và phƣơng pháp cân bằng cho bộ điều khiển bền vững Hinf nhằm giảm thời gian tính toán, xử lý trong thời gian thực để có thể dễ dàng áp dụng thực tế. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả đạt đƣợc của luận án sẽ mang lại các đóng góp về mặt thực tiễn sau: - Thuật toán MPPT đề xuất áp dụng dễ dàng vào cho các hệ thống PV đã triển khai và sắp triển khai để nâng cao hiệu quả sử dụng và khả năng tích hợp vào lƣới điện. - Trên cơ sở các giải pháp điều khiển đề xuất của luận án, có thể áp dụng Microgrid cho các tòa nhà, khu công nghiệp, các đảo cô lập để có thể khai thác tối đa hiệu quả của các RES.

- Trên cơ sở thuật toán hạ bậc đề xuất cho bộ điều khiển của luận án, cho phép giảm thời gian tính toán, xử lý của các hệ thống điều khiển trong Microgrid để dễ dàng triển khai áp dụng thực tế. 7 luan an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ CÁC CHIẾN LƢỢC, PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG MICROGRID 1. Tổng quan về Microgrid 1.

Khái niệm về Microgrid Microgrid là một cấu trúc lƣới điện mới có khả năng tích hợp và khai thác hiệu quả các RES nhằm cải thiện chất lƣợng cũng nhƣ độ tin cậy cung cấp điện năng, nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống điện, giảm tổn thất điện năng trên toàn hệ thống điện. Microgrid có khả năng vận hành độc lập để cấp điện cho phụ tải của các khu vực tách biệt, xa các khu trung tâm, xa lƣới điện quốc gia. Lƣới điện Trạm BA PCC Nguồn phát điện PV AC Nguồn phát DC điện nhỏ DC AC AC AC DC Khóa chuyển mạch DC Pin lƣu trữ DC AC AC DC Nguồn phát AC Tải ƣu tiên điện Gió DC Lƣu trữ Siêu tụ điện Tải ƣu tiên Tải Nguồn phát điện PV DC DC AC DC DC DC Tải DC Microgrid Hình 1.1 Cấu trúc Microgrid điển hình Có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới đã đƣa ra các khái niệm về Microgrid nhƣ là một cách gọi khác của việc tích hợp các DER quy mô công suất nhỏ (thƣờng 8 luan an là nhỏ hơn 1MW) vào hệ thống điện. Nhiều thuật ngữ cũng thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả với những khái niệm đơn giản nhƣ: nhà máy điện ảo, lƣới điện nhỏ, lƣới điện phân phối thông minh, các nguồn phát điện phân tán … Trong [3]–[5], [28], [29], khái niệm Microgrid đƣợc tác giả Hansen phát biểu (định nghĩa) nhƣ sau: ―Microgrid là lưới điện phân tán điện áp thấp có cấu trúc bao gồm các DER, tải linh hoạt, các thiết bị lưu trữ (bánh đà, siêu tụ, ắcqui…) và các phần tử này có thể điều khiển được.

Do có khả năng điều khiển, Microgrid có thể vận hành ở chế độ kết nối lưới, hoặc chế độ độc lập, và có thể linh hoạt chuyển đổi giữa hai chế độ khi có yêu cầu‖. Đây là khái niệm Microgrid đƣợc sử dụng phổ biến. Các cấu trúc điển hình của một Microgrid đƣợc mô tả nhƣ Hình 1. Các cấu trúc Microgrid Trải qua quá trình nghiên cứu và phát triển, nhiều cấu trúc Microgrid đã đƣợc đề xuất để khai thác và tích hợp RES vào lƣới.

Trong phần này sẽ trình bày các cấu trúc Microgrid phổ biến đang đƣợc sử dụng hiện nay [29]. Cấu trúc Microgrid DC Hầu hết các RES và ESS có đầu ra là điện áp DC hoặc có kết nối với đầu vào DC của các bộ nghịch lƣu. Ngoài ra, có nhiều phụ tải tiêu dùng hiện nay là phụ tải DC, nên việc tích hợp các RES và ESS vào Microgrid DC thông qua các bộ biến đổi DC/DC là một giải pháp hiệu quả để giảm số lƣợng các bộ nghịch lƣu, giảm tổn thất trên các bộ chuyển đổi. Do vậy, các Microgrid DC đƣợc sử dụng cho các khu vực có nhiều phụ tải DC.

Theo [29], cấu trúc Microgrid DC điển hình đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 1. Thanh cái DC PCC MBA DC DC DC DC DC DC AC AC DC DC AC DC DC DC Bộ nghịch lƣu Lƣới điện Lƣu trữ Nguồn phát Lƣu trữ Tải AC Tải DC Siêu tụ điện Nguồn phát điện PV Pin DC Microgrid điện Gió Hình 1. Cấu trúc Microgrid DC 9 luan an 1. Cấu trúc Microgrid AC Cấu trúc của Microgrid AC các DER, các ESS và các phụ tải nối trực tiếp với thanh cái hoặc thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất (DC/DC và DC/AC) nhƣ Hình 1.

Microgrid AC có thể hoạt động ở hai chế độ, độc lập và nối lƣới, đƣợc nối với lƣới điện chính thông qua khóa chuyển mạch (van điện tử công suất) tại thanh cái kết nối chung PCC (Point of Common Coupling). Lƣới điện Trạm BA PCC Microgrid AC Nguồn điện PV AC DC DC AC AC AC DC DC Khóa chuyển mạch Lƣu trữ Pin DC AC AC DC Tải ƣu tiên AC Lƣu trữ Siêu tụ điện DC Tải ƣu tiên Xe điện Tải AC EV DC Tải Tải Hình 1. Cấu trúc Microgrid AC 1. Cấu trúc Microgrid lai DC/AC Kết hợp những ƣu điểm của cấu trúc Microgrid DC và AC, một cấu trúc Microgrid lai DC/AC đƣợc đề xuất nhƣ Hình 1.

Cấu trúc này có các lƣới DC và AC đƣợc phân biệt và liên kết với nhau thông qua bộ biến đổi DC/AC. Do vậy, cấu trúc này cho phép chúng ta phân bố các phụ tải DC và AC một cách hợp lý mà không cần phải thông qua các bộ chuyển đổi nhằm giảm tổn thất khi vận hành. 10 luan an Thanh cái AC Tải AC AC AC Nguồn phát DC DC nhỏ Nguồn điện PV Lƣu trữ Siêu tụ điện Thanh cái DC DC DC DC DC AC DC DC DC DC DC Tải DC Bộ nghịch lƣu EV Tải DC Nguồn điện Lƣu trữ Microgrid lai Gió Pin DC – AC PCC Khóa Trạm BA chuyển mạch Lƣới điện Hình 1. Cấu trúc Microgrid lai DC-AC 1.

Vai trò Microgrid Microgrid đang ngày càng đƣợc phát triển và mở rộng trong hệ thống điện của nhiều nƣớc trên thế giới [30]. Mặc dù các mục tiêu của Microgrid đặt ra cho mỗi khu vực khác nhau, phù hợp với yêu cầu và điều kiện của từng vùng, nhƣng Microgrid vẫn chứng tỏ đƣợc vai trò trong việc đảm bảo chất lƣợng điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện so với lƣới điện truyền thống. Theo [5], [28], [31], Microgrid có các vai trò nhƣ sau:  Khi vận hành ở chế độ nối lƣới, Microgrid sẽ hỗ trợ cung cấp điện cho phụ tải tại khu vực mà nó hoạt động và có các ƣu điểm sau: - Giảm tổn thất trong truyền tải điện năng: do các nguồn năng lƣợng tái tạo, 11 luan an các nguồn điện phân tán đƣợc kết nối và cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải tại khu vực, sẽ giúp giảm việc phải truyền tải lƣợng lớn điện năng đi xa. - Giảm chi phí tiêu thụ điện năng cho các hộ phụ tải: khi các nguồn điện năng từ RES hay từ các nguồn điện khác trong Microgrid có khả năng cung cấp điện nhiều hơn nhu cầu phụ tải tại khu vực.

Microgrid có thể huy động các nguồn phát điện này để tự cung cấp, đảm bảo nhu cầu điện năng cho khu vực của mình. Phần điện năng còn thiếu hoặc dƣ thừa có thể nhận hoặc truyền tải lên hệ thống điện quốc gia. Nhƣ vậy lƣợng điện phải mua từ hệ thống điện quốc gia đƣợc giảm xuống, trực tiếp làm giảm chi phí tiêu thụ điện năng cho các hộ tiêu thụ. - Tăng độ tin cậy cung cấp điện và tăng khả năng phục hồi cấp điện cho hộ phụ tải trong trƣờng hợp bị sự cố, gián đoạn cung cấp điện từ lƣới điện quốc gia.

 Khi vận hành ở chế độ độc lập: Ngoài các ƣu điểm trên, Microgrid có khả năng vận hành độc lập nên tận dụng đƣợc các RES để cung cấp điện cho các phụ tải ở khu vực xa xôi, hẻo lánh, không có điều điện tiếp cận với lƣới điện quốc gia. Điều này làm giảm chi phí xây dựng hạ tầng cấp điện cho các khu vực này. Các chế độ vận hành Microgrid có thể vận hành ở hai chế độ, vận hành nối lƣới hoặc vận hành độc lập với đầy đủ các chức năng của một lƣới điện hoàn chỉnh khi cần thiết. Hai chế độ này có thể linh hoạt chuyển đổi qua lại khi có yêu cầu của hệ thống.

Microgrid khi vận hành ở chế độ nối lƣới có thể kết nối với hệ thống truyền tải quốc gia thông qua PCC và khi đó Microgrid xem nhƣ một phần tử trong lƣới điện chính. Lúc này Microgrid có thể nhận hoặc truyền công suất cho lƣới điện. Do vậy, Microgrid cần phải đƣợc điều khiển để đảm bảo đồng bộ điện áp và tần số với hệ thống điện chính tại PCC. Các giá trị điện áp và tần số tham chiếu do hệ thống điện chính quyết định.

Khi có sự cố hay lý do nào đó, việc ngừng kết nối giữa Microgrid với hệ thống điện chính đƣợc thực hiện nhanh chóng để chuyển sang vận hành nhƣ một hệ thống độc lập, nhằm giảm tối đa thiệt hại do mất điện [32].