Mở đầu 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước Tích hợp nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời với lưới điện đang là xu hướng phát triển hiện nay của các quốc gia trên thế giới nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phá hủy môi trường sinh thái. Tuy nhiên, các hệ thống tích hợp này thường được áp dụng trong các hệ thống nhỏ, công suất vài chục mvar [1-4]. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, các hệ thống tích hợp này đã được triển khai trong các ứng dụng có công suất lớn, khoảng vài trăm mvar [5-6].
Hơn nữa, việc hòa lưới và kết hợp với các nguồn năng lượng có công suất lớn từ các nhà máy máy thủy điện, nhiệt điện là xu hướng tất yếu. Trong [7- 8], năng lượng gió, năng lượng mặt trời tích hợp với các máy phát điện phân tán đã được nghiên cứu và phần nào khẳng định được tính thiết thực trong xu hướng trên. Với những hệ thống phát điện tích hợp này, việc thiết kế các bộ điều khiển nhằm giảm dao động và nâng cao độ ổn định hệ thống đóng vai trò rất quan trọng. Vì dao động này có thể xuất phát từ sự thay đổi liên tục, ngẫu nhiên của tốc độ gió, từ sự thay đổi cường độ của ánh sáng mặt trời hay từ các nhiễu tác động trực tiếp lên các máy phát điện.
Trong đó, bộ điều khiển PID sử dụng kỹ thuật gán cực là một trong những phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao. Với kỹ thuật này, các cực quan trọng của hệ thống được gán chính xác ở các vị trí mong muốn trên mặt phẳng phức nhằm tăng tính ổn định của hệ thống [9]. Trong [9], bộ điều khiển PID nhằm nâng cao độ ổn định hệ thống được đặt ngay tại bộ chỉnh lưu trong đường dây truyền tải điện 1 chiều điện áp cao. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời [10] và năng lượng điện gió [11-12] trong hệ thống điện đã được triển khai.
Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu của hệ thống tích hợp các dạng năng lượng này với các máy phát điện đồng bộ cũng chưa tạo được sự thu hút đặc biệt. Ngoài ra, việc nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng cao ổn định của các hệ thống điện tích hợp này cũng chưa được triển khai. Trong trường hợp này, sử dụng bộ điều khiển PID dùng kỹ thuật gán cực là một trong những phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao, thiết bị này cũng phù hợp về giá thành cũng như tính năng điều khiển mà nó mang lại. Tính cấp thiết Ngày nay phần lớn điện năng được sản xuất bởi các máy phát điện đồng bộ.
Nguồn cơ năng sơ cấp kéo các máy phát điện đồng bộ này có thể là các động cơ tua bin hơi, tua bin nước hoặc tuabin vận hành qua năng lượng nhiệt qua quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (như than, khí thiên nhiên hay dầu mỏ tại các nhà máy nhiệt điện). Bên cạnh đó, năng lượng gió, năng lượng mặt trời-là nguồn năng lượng sạch và vô hạn cũng chiếm vai trò quan trọng trong lưới điện quốc gia, góp phần tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. Hiện nay có rất nhiều các dự án điện gió và điện mặt trời đang đầu tư và triển khai ở Việt Nam nhằm bổ sung điện cho hệ thống điện. Tích hợp nguồn năng lượng sạch này với các nhà máy phát điện lớn đang là xu hướng phát triển hiện nay của lưới điện quốc gia.
Với những hệ thống phát điện tích hợp này, việc thiết kế các bộ điều khiển nhằm giảm dao động và nâng cao độ ổn định hệ thống đóng vai trò rất quan trọng. Trong đó, bộ điều khiển PID sử dụng kỹ thuật gán cực là một trong những phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao. Với kỹ thuật này, các cực quan trọng của hệ thống được gán chính xác ở các vị trí mong muốn trên mặt phẳng phức nhằm tăng tính ổn định của hệ thống. Mục tiêu Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu trong hệ thống điện có tích hợp hệ thống năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng từ nhà máy nhiệt điện nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống.
Cách tiếp cận Dựa trên các công trình đã được công bố như sách chuyên ngành, bài báo khoa học. Phương pháp nghiên cứu Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu. 2 Luan van Thiết bị điều khiển dùng PID và ảnh hưởng của máy phát điện gió, của điện mặt trời, của máy phát điện đồng bộ nhiệt điện đến hệ thống điện.
3 Luan van Chương 2: Ổn định hệ thống điện 2. Các khái niệm cơ bản 2. Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ 2.1 Hệ thống điện (HTĐ) HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm: Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện.
Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện. Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích. Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ.
Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số. như là X, Y, độ từ hoá. trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định.2 Chế độ của HTĐ Chế độ của HTĐ là tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó.
Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ. tại mọi điểm của HTĐ. Đó là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc. Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ.
4 Luan van Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến. Đó là dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ, dạng phi tuyến này không thể bỏ qua trong các bài toán điện lực. Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại: Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông số này là hằng số. Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng.
CĐXL được chia thành: CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ. CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố. Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì. Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhiều.
Chế độ quá độ gồm có: Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác. Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ CĐXL bình thường, các yêu cầu là: Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn. Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ.
Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất. 5 Luan van Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện. CĐXL sau sự cố, yêu cầu là: Các yêu cầu mục a được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này để về CĐXL bình thường. Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là: Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố.
Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch. Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ. Khái niệm về ổn định HTĐ 2.1 Cân bằng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ.