Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu sử dụng năng lượng điện trên quy mô toàn cầu và tại Việt Nam liên tục gia tăng, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống (nhiệt điện, thủy điện) đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, mất cân bằng sinh thái. Năng lượng hạt nhân đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và tiềm ẩn rủi ro an toàn. Do đó, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo sạch như năng lượng mặt trời và năng lượng gió trở thành xu hướng tất yếu. Trong đó, năng lượng mặt trời thời điểm nghiên cứu vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chủ yếu triển khai ở quy mô công suất nhỏ, khiến năng lượng gió trở thành lựa chọn ưu tiên tại nhiều quốc gia.

Trong các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện đại, máy điện không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK) nối với tuốc bin gió được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm nổi bật: bộ biến đổi công suất đặt ở mạch rotor chỉ cần định mức khoảng 1/3 (xấp xỉ 30%) tổng công suất của máy phát, giúp giảm đáng kể kích thước, dung lượng và giá thành so với các hệ thống sử dụng máy phát rotor lồng sóc hay máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu có bộ biến đổi đặt ở phía stator. Đồng thời, MPKĐBNK cho phép vận hành trong một dải biến thiên tốc độ rộng quanh tốc độ đồng bộ (ở cả chế độ dưới đồng bộ và trên đồng bộ), đạt hiệu suất thu hồi năng lượng cao.

Tuy nhiên, MPKĐBNK có độ nhạy cảm cao đối với các nhiễu loạn từ lưới điện. Khi xảy ra sự cố lỗi lưới trong hệ thống phân phối, sự sụt giảm điện áp làm xuất hiện dòng điện quá độ rất lớn trong các cuộn dây stator và rotor, gây nguy cơ đánh thủng các van bán dẫn của bộ biến đổi công suất. Trước đây, biện pháp phổ biến là cắt máy phát ra khỏi lưới. Khi các tuốc bin gió tập hợp thành các "vườn gió" có công suất lớn, việc ngắt hàng loạt máy phát một cách mất kiểm soát sẽ làm tình trạng mất ổn định thêm trầm trọng, dẫn đến nguy cơ rã lưới trên diện rộng và cản trở việc khôi phục lưới sau sự cố. Quy chuẩn vận hành lưới điện hiện đại đòi hỏi hệ thống phát điện sức gió phải có khả năng "trụ lưới" (duy trì nối lưới song song trong suốt thời gian xảy ra lỗi lưới, đối xứng cũng như không đối xứng) và nhanh chóng tái lập trạng thái bình thường ngay sau khi sự cố được loại bỏ, đồng thời hỗ trợ ổn định điện áp lưới.

Khoảng trống nghiên cứu

Các công trình nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào lỗi lưới đối xứng hoặc áp dụng giải pháp bảo vệ thụ động/ngắt tạm thời chế độ máy phát (dùng bộ ngắt quá điện áp crowbar). Việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng cho hệ thống ba pha ba dây không có dây trung tính vẫn chưa được giải quyết một cách triệt để. Bên cạnh đó, tác động của sóng hài và hiện tượng méo dạng điện áp gây ra bởi các phụ tải phi tuyến công suất lớn trong các lưới điện yếu chưa được tích hợp xử lý đồng thời trong cấu trúc điều khiển của hệ thống phát điện sức gió.

Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu chính của luận án

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là xây dựng sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép. Các nội dung chính được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho bộ biến đổi phía máy phát (rotor) nhằm bảo đảm quá trình vận hành đồng bộ khi xảy ra sự cố lỗi lưới mà không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối.
  2. Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để phân ly, xác định chính xác các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện, phục vụ mục đích điều khiển trụ lưới đối xứng và không đối xứng.
  3. Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng (THĐX) để nâng cao khả năng trụ lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược của hệ thống ba pha không có dây trung tính theo các tiêu chí điều khiển độc lập; tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phía lưới được tổng hợp từ các thành phần này trên các hệ tọa độ quay tương ứng.
  4. Đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho toàn bộ hệ thống phát điện MPKĐBNK: ở chế độ xác lập bình thường, bộ điều khiển phía lưới đóng vai trò như một bộ lọc tích cực làm giảm sóng hài dòng điện khi làm việc với tải phi tuyến; khi xảy ra lỗi lưới (kể cả không đối xứng), bộ điều khiển THĐX được kích hoạt để hỗ trợ điện áp lưới và cân bằng dòng điện giữa các pha.
  5. Lựa chọn và áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động (Passivity-Based Control - PBC) để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát.
  6. Kiểm chứng các giải thuật điều khiển đã thiết kế thông qua mô phỏng trên môi trường phần mềm chuyên dụng Matlab - Simulink kết hợp PLECS.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK).
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (PBC) cho bộ biến đổi phía máy phát; phát triển sách lược trụ lưới và tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điều khiển phía lưới cho hệ thống điện ba pha ba dây (không có dây trung tính). Luận án được thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, hoàn thành năm 2012.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong luận án

Tác giả đã hệ thống hóa các tài liệu khoa học trong và ngoài nước liên quan đến các khía cạnh chính sau:

  • Thống kê và xu thế phát triển năng lượng gió: Dữ liệu công bố bởi Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC) tháng 5 năm 2008 cho thấy tổng dung lượng điện gió tại hơn 70 quốc gia đạt xấp xỉ 94 GW. Liên minh Châu Âu đạt mức tăng trưởng 18% trong năm 2007 đạt 56 GW; tại Mỹ, công suất phát điện gió tăng từ khoảng 1.800 MW năm 1990 lên hơn 16 GW.
  • Mô hình hóa tuốc bin gió và đặc tính khí động học: Công thức tính công suất cơ $P_{tb} = \frac{1}{2} \rho_{tb} \pi R_{cg}^2 v_{gm}^3 C_{tb}$ với giới hạn Betz lý thuyết cực đại của hệ số công suất $C_{tb}$ là 0.593 được phân tích qua các công trình của Burton et al. [19], Hansen et al. [41], Slootweg [66], và Lubosny [48]. Các chiến lược điều khiển bám đường đặc tính công suất tối ưu thông qua điều chỉnh góc pitch $\theta_p$ và tốc độ góc tuốc bin $\omega_{tb}$ được dẫn xuất từ Bianchi et al. [16], Boukhezzar et al. [19, 23], và Tapia et al. [80].
  • Cấu hình và phương pháp điều khiển MPKĐBNK: Đặc tính giảm dung lượng bộ biến đổi rotor xuống còn khoảng 30% tổng công suất được trích dẫn từ Muller et al. [25], Datta & Ranganathan [28], Ekanayake et al. [42], Pena et al. [46], và Vas [84]. Các phương pháp điều khiển tuyến tính kinh điển dựa trên bộ điều khiển PI với khâu bù feed-forward nhằm triệt tiêu sức phản điện động được trình bày bởi Bhowmik et al. [18], Hopfensperger et al. [44], Petersson [65], Poddar & Ranganathan [67], Rathi & Mohan [69], Tremblay et al. [75], và Vas [84]. Phương pháp điều khiển dead-beat tuyến tính rời rạc được phân tích trong [49, 72]. Các tiếp cận phi tuyến gồm có: điều khiển cuốn chiếu (backstepping) của Becherif et al. [5], tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) trong [73, 74], điều khiển tựa phẳng (flatness-based) và tựa theo thụ động (passivity-based) của Abrishamcar et al. [1] và Nguyễn Phùng Quang [2, 79].
  • Động học khi lỗi lưới và các giải pháp trụ lưới hiện hữu: Các ảnh hưởng quá độ của sụt áp và dao động từ thông được nghiên cứu bởi Bolik [13], Morren & de Haan [53], Xiang et al. [82], và yêu cầu quy chuẩn đấu nối trong [34, 89]. Phương pháp bảo vệ truyền thống dùng bộ ngắt quá điện áp (crowbar) sử dụng điện trở tiêu tán kích hoạt bằng thyristor được trình bày bởi Bozhko et al. [15], Niiranen [58], Pannell et al. [61], Qin et al. [68], và Sun et al. [77]. Các giải pháp điều khiển bù lỗi lưới không đối xứng gồm có: điều khiển feedforward thành phần điện áp thứ tự ngược của Baimel et al. [11]; điều khiển vector dòng đối ngẫu (dual current vector control) của Brekken & Mohan [21], Chinchilla et al. [64], và Boyette et al. [6]; cấu hình biến tần 4 nhánh van cho hệ ba pha 4 dây trong [7, 38]; và sử dụng bộ lọc tích cực bù dòng tải phi tuyến của Angulo et al. [8]. Các nghiên cứu về dao động điện áp và chất lượng điện năng tải phi tuyến được dẫn từ [30, 50, 51, 52, 56, 81, 91].
Hướng tiếp cận trụ lưới Nguyên lý vận hành chính Hạn chế chính được chỉ ra trong văn bản
Sử dụng bộ ngắt quá điện áp (Crowbar) Ngắt bộ biến đổi rotor, nối tắt cuộn dây rotor qua điện trở tiêu tán Chuyển máy phát thành động cơ rotor dây quấn tiêu thụ năng lượng; mất khả năng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng trong lúc lỗi lưới
Feedforward điện áp thứ tự ngược Đưa thành phần điện áp thứ tự ngược vào tín hiệu ra của bộ điều khiển dòng trên hệ tọa độ thứ tự thuận Khả năng triệt tiêu dao động công suất và cân bằng dòng điện khi lỗi lưới sâu còn hạn chế
Điều khiển vector dòng đối ngẫu Sử dụng 2 bộ điều khiển dòng độc lập cho hệ tọa độ quay thứ tự thuận và thứ tự ngược Chưa tích hợp xử lý đồng thời sóng hài do tải phi tuyến trong hệ 3 pha 3 dây
Bộ biến đổi 4 nhánh van Điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận, ngược và zero Chỉ áp dụng được cho hệ thống ba pha 4 dây có dây trung tính
Bộ điều khiển THĐX của luận án Phân ly thành phần thứ tự thuận và ngược cho hệ 3 pha 3 dây, điều khiển độc lập kết hợp tích hợp lọc tích cực Khắc phục được nhược điểm của các phương pháp trên cho hệ 3 pha 3 dây

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết việc kiểm soát đồng thời công suất tác dụng và công suất phản kháng trong thời gian xảy ra lỗi lưới không đối xứng trên hệ thống ba pha ba dây không có dây trung tính, khắc phục hiện tượng mất điều khiển của các phương pháp kinh điển, đồng thời tận dụng bộ biến đổi phía lưới để triệt tiêu sóng hài sinh ra bởi các tải phi tuyến trong chế độ vận hành bình thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình toán học

Luận án sử dụng các công cụ toán học và lý thuyết điều khiển tự động kinh điển và hiện đại:

  1. Phép biến đổi hệ tọa độ Clarke và Park: Chuyển đổi các đại lượng ba pha $abc$ sang hệ tọa độ tĩnh hai pha $\alpha\beta0$ qua ma trận Clarke: $$T_{sf} = \frac{2}{3} \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{bmatrix}$$ Sau đó chuyển đổi sang hệ tọa độ quay $dq$ với góc quay $\theta_f$ qua ma trận Park: $$T_{rf} = \begin{bmatrix} \cos\theta_f & \sin\theta_f \ -\sin\theta_f & \cos\theta_f \end{bmatrix}$$ Hệ tọa độ $dq$ được chọn tựa theo vector điện áp lưới, giúp mô hình hóa độc lập với tham số biến thiên của máy điện và sai số đo tốc độ.

  2. Mô hình không gian trạng thái của MPKĐBNK: Phương trình điện áp và từ thông trên hệ tọa độ $dq$ tựa theo điện áp stator/lưới ($u_{sq} = 0$, $\Psi_{sd} = 0$): $$\mathbf{u}_s = R_s \mathbf{i}_s + \frac{d\mathbf{\Psi}_s}{dt} + j\omega_s \mathbf{\Psi}_s$$ $$\mathbf{u}_r = R_r \mathbf{i}_r + \frac{d\mathbf{\Psi}_r}{dt} + j\omega_r \mathbf{\Psi}_r$$ với $\omega_r = \omega_s - \omega_m$, hệ số tản toàn phần $\sigma = 1 - \frac{L_m^2}{L_s L_r}$, hằng số $a = \frac{1-\sigma}{\sigma}$. Phương trình trạng thái thu gọn có dạng: $$\dot{\mathbf{x}}_r = \mathbf{A}_r(\omega_m)\mathbf{x}r + \mathbf{B}s \mathbf{u}s + \mathbf{B}r \mathbf{u}r$$ trong đó vector trạng thái $\mathbf{x}r = [i{rd}, i{rq}, \Psi{sd}, \Psi{sq}]^T$, vector đầu vào $\mathbf{u}s = [u{sd}, u{sq}]^T$, $\mathbf{u}r = [u{rd}, u{rq}]^T$.

  3. Mô hình mạch điện phía lưới: Bộ biến đổi phía lưới kết nối với lưới thông qua bộ lọc gồm điện cảm $L_c$ (điện trở $R_c$), nhánh tụ lọc $C_f$ và điện trở $R_f$. Mô hình trạng thái rời rạc có dạng: $$\mathbf{i}_n(k+1) = \mathbf{A}_n \mathbf{i}_n(k) + [\mathbf{B}_n \quad \mathbf{B}_c] \begin{bmatrix} \mathbf{u}_n(k) \ \mathbf{u}_c(k) \end{bmatrix}$$

Phương pháp nghiên cứu và thuật toán điều khiển

  • Điều khiển phía máy phát (Rotor): Sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity-Based Control - PBC). Thuật toán bổ sung các tín hiệu suy giảm $D(\omega)\tilde{i}{rd}$ và $D(\omega)\tilde{i}{rq}$ vào tín hiệu điều khiển để đảm bảo tính thụ động của hàm trữ năng lượng, giúp phân ly hoàn toàn hai kênh điều khiển mômen điện từ $T_e = -\frac{3}{2} Z_p \frac{L_m}{L_s}\Psi_{sq} i_{rd}$ và công suất phản kháng $Q_g = -3 u_{sd} \frac{\Psi_{sq} - i_{rq}L_m}{L_s}$. Giải thuật được số hóa bằng phép sai phân lùi với xấp xỉ đạo hàm bậc hai để cài đặt trên vi xử lý số DSP: $$\frac{di_{rd}^}{dt} \approx \frac{1}{2T} [3i_{rd}^(k) - 4i_{rd}^(k-1) + i_{rd}^(k-2)]$$
  • Điều kiện hòa đồng bộ với lưới: Đảm bảo điện áp stator và điện áp lưới cùng tần số thông qua góc biến đổi $\theta_r = \theta_l - \theta$; trùng pha bằng cách điều khiển $i_{rd} = 0$ ($P = 0$) và $i_{rq} \neq 0$; cân bằng biên độ điện áp bằng cách áp đặt $i_{rq} = -\frac{u_{lm}}{\omega_s L_m}$.
  • Điều khiển phía lưới: Áp dụng phương pháp tuyến tính dead-beat (đáp ứng hữu hạn sau 2 chu kỳ trích mẫu $\mathbf{i}_n = z^{-2}\mathbf{i}_n^*$) kết hợp khâu bù điện áp lưới feed-forward $\mathbf{B}c^{-1}\mathbf{B}n \mathbf{u}n$ nhằm ổn định điện áp một chiều trung gian $u{DC}$ thông qua dòng $i{nd}$ và hệ số công suất $\cos\phi_n$ thông qua dòng $i{nq}$.
  • Điều khiển trụ lưới không đối xứng và lọc tích cực: Sử dụng lý thuyết công suất tức thời Clarke để xác định thành phần bù công suất dao động gây ra bởi tải phi tuyến; kết hợp bộ lọc đa biến (multivariable filter) để tách biệt các thành phần thứ tự thuận ($u_s^+, i_s^+$) và thứ tự ngược ($u_s^-, i_s^-$). Cấu trúc tổng hợp đối xứng (THĐX) điều khiển độc lập từng thành phần trên các hệ trục tọa độ quay tương ứng.

Nguồn dữ liệu và công cụ mô phỏng

Các thuật toán được mô hình hóa và kiểm chứng trên nền tảng phần mềm Matlab - Simulink tích hợp công cụ mô phỏng hệ thống điện tử công suất PLECS. Hệ thống sử dụng bộ thông số thực của máy phát MPKĐBNK theo Bảng 4.1 trong tài liệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chƣơng 1: Khái quát về năng lượng gió, hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển, yêu cầu điều khiển trụ lưới

Chương 1 khái quát bối cảnh phát triển năng lượng gió trên thế giới và phân loại các cấu hình máy phát điện gió (máy phát một chiều, xoay chiều một pha, xoay chiều ba pha gồm máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, không đồng bộ rotor lồng sóc và MPKĐBNK). Tác giả phân tích chi tiết dòng chảy năng lượng trong MPKĐBNK ở chế độ dưới đồng bộ ($1 > s > 0$) và trên đồng bộ ($0 > s > -\infty$).

Chương này trình bày mô hình toán học tính công suất tuốc bin gió, định nghĩa hệ số tốc độ đầu cánh $\lambda_{tb}(t) = \frac{\omega_{tb}(t)R_{cg}}{v_{gm}(t)}$, hệ số công suất $C_{tb}(\theta_p, \lambda_{tb})$ và các vùng làm việc trên đường đặc tính công suất tối ưu (vùng tối ưu công suất, vùng công suất không đổi, và vùng cắt máy phát khi gió vượt ngưỡng an toàn). Tiếp đó, chương điểm lại các phương pháp điều khiển MPKĐBNK tuyến tính và phi tuyến, phân tích các dạng sự cố lưới, tác hại của sóng hài từ tải phi tuyến, yêu cầu trụ lưới tránh rã lưới, và tổng kết sơ đồ các sách lược trụ lưới hiện nay (Hình 1.6).

Chương 2: Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK

Chương 2 thiết lập toàn bộ cơ sở mô hình hóa toán học và thuật toán điều khiển cơ bản cho hệ thống:

  • Trình bày chi tiết phép biến đổi tọa độ Clarke và Park.
  • Xây dựng mô hình không gian trạng thái của MPKĐBNK trên hệ tọa độ quay $dq$ tựa theo vector điện áp lưới, thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quan hệ giữa dòng điện rotor ($i_{rd}, i_{rq}$) và từ thông stator ($\Psi_{sd}, \Psi_{sq}$).
  • Xây dựng mô hình mạch điện phía lưới với bộ lọc $R_c, L_c, R_f, C_f$ và hệ phương trình không gian trạng thái biểu diễn $i_{nd}, i_{nq}$.
  • Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp Passivity-Based Control (PBC), dẫn xuất công thức điều khiển liên tục cho $u_{rd}^{PBC}$ và $u_{rq}^{PBC}$, sau đó số hóa bằng thuật toán sai phân lùi xấp xỉ bậc hai để cài đặt trên vi xử lý DSP.
  • Phân tích điều kiện hòa đồng bộ chính xác với lưới về tần số, pha và biên độ.
  • Thiết kế bộ điều khiển phía lưới sử dụng cấu trúc dead-beat đáp ứng hữu hạn 2 chu kỳ trích mẫu kết hợp khâu bù điện áp lưới feed-forward để duy trì điện áp một chiều trung gian $u_{DC}$ và điều khiển công suất phản kháng $Q_n$.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển trụ lưới

Chương 3 trình bày giải pháp cốt lõi của luận án nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới:

  • Phân tích động học của MPKĐBNK khi xảy ra lỗi lưới hoàn toàn (sụt áp 100%) và lỗi lưới một phần, chỉ rõ sự xuất hiện của các thành phần dòng điện quá độ lớn và điện áp cảm ứng rotor khi từ thông stator bị méo dạng.
  • Đánh giá hạn chế của giải pháp crowbar truyền thống (ngắt điều khiển biến tần, làm mất khả năng cấp công suất phản kháng hỗ trợ lưới).
  • Đề xuất sách lược điều khiển bộ biến đổi phía rotor khi xảy ra lỗi lưới để giữ máy phát luôn vận hành đồng bộ mà không cần cắt khỏi lưới.
  • Tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ biến đổi phía lưới dựa trên lý thuyết công suất tức thời Clarke, tính toán các thành phần dòng điện phụ để bù công suất biến thiên và sóng hài sinh ra bởi các tải phi tuyến.
  • Thiết kế bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX) cho lỗi lưới không đối xứng: áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để phân ly chính xác các thành phần thứ tự thuận ($u_{sdt}, u_{sqt}$) và thứ tự ngược ($u_{sdn}, u_{sqn}$), từ đó thiết kế các mạch vòng điều khiển dòng độc lập cho từng thành phần thứ tự trong hệ thống ba pha ba dây.
  • Đề xuất sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng thể toàn hệ thống (Hình 3.17) kết hợp linh hoạt giữa lọc tích cực ở chế độ xác lập và điều khiển THĐX ở chế độ lỗi lưới.

Chương 4: Kết quả mô phỏng

Chương 4 thực hiện mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm PLECS kết hợp Matlab - Simulink với các kịch bản vận hành cụ thể:

  • Thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống máy phát sức gió MPKĐBNK, mạch lọc tích cực, bộ điều khiển PBC phía rotor và bộ điều khiển dòng dead-beat phía lưới theo các thông số ở Bảng 4.1.
  • Khảo sát hệ thống khi cấp điện cho tải phi tuyến ở chế độ làm việc bình thường: so sánh dạng sóng dòng điện và phân tích tổng độ biến dạng sóng hài (THD) của dòng điện lưới trong hai trường hợp không có và có tích hợp chức năng lọc tích cực.
  • Khảo sát đáp ứng động học khi xảy ra lỗi lưới trong ba trường hợp: (1) Lỗi lưới không có bảo vệ, (2) Lỗi lưới có bảo vệ bằng bộ ngắt quá điện áp (crowbar), và (3) Lỗi lưới sử dụng bộ điều khiển THĐX điều khiển đồng thời thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược.
  • Phân tích và so sánh định lượng khả năng cân bằng dòng điện các pha, mức độ hỗ trợ điện áp và thời gian quá độ tái lập chế độ xác lập giữa các sách lược điều khiển.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý thuyết

  1. Xây dựng nền tảng lý thuyết và sách lược điều khiển trụ lưới không đối xứng: Luận án đã phát triển thành công giải thuật phân ly và điều khiển độc lập các thành phần thứ tự thuận và ngược cho hệ thống ba pha ba dây không có dây trung tính. Bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX) giải quyết bài toán trụ lưới không đối xứng một cách triệt để hơn so với các phương pháp feedforward hay biến tần 4 nhánh van trước đây.
  2. Ứng dụng thành công lý thuyết thụ động (PBC) cho MPKĐBNK: Thiết lập thành công cấu trúc điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho bộ biến đổi phía rotor, đảm bảo khả năng tách kênh hoàn toàn giữa điều khiển mômen điện từ và công suất phản kháng, duy trì tính ổn định trong dải làm việc rộng.
  3. Tích hợp chức năng lọc tích cực vào cấu trúc điều khiển phía lưới: Chứng minh về mặt lý thuyết khả năng kết hợp thuật toán bù công suất tức thời vào bộ biến đổi phía lưới có sẵn của hệ thống MPKĐBNK để xử lý sóng hài bậc cao từ tải phi tuyến mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Duy trì vận hành song song và hạn chế rã lưới: Sách lược điều khiển đề xuất cho phép hệ thống MPKĐBNK duy trì kết nối ổn định với lưới điện phân phối trong suốt thời gian xảy ra sự cố lỗi lưới đối xứng và không đối xứng, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới, hỗ trợ điện áp và tái lập trạng thái bình thường nhanh chóng sau sự cố.
  2. Nâng cao chất lượng điện năng: Việc tích hợp chức năng lọc tích cực giúp giảm méo dạng dòng điện lưới (giảm THD), cải thiện hệ số công suất và nâng cao chất lượng điện áp tại điểm đấu nối chung (PCC) khi làm việc với các phụ tải công nghiệp phi tuyến.
  3. Đề xuất cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh và khả thi: Luận án đã số hóa các thuật toán điều khiển (PBC sai phân lùi, dead-beat rời rạc) sẵn sàng cho việc lập trình trên các chip xử lý tín hiệu số DSP trong thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu được giới hạn cho cấu hình hệ thống điện ba pha ba dây không có dây trung tính; chưa mở rộng đánh giá cho các dạng cấu hình lưới phân phối đa dạng khác.
  • Quá trình hòa đồng bộ chỉ mới tập trung khảo sát điều kiện duy trì vận hành song song khi xảy ra lỗi lưới; chưa đi sâu giải quyết bài toán tự động hòa đồng bộ lại khi máy phát đã bị cắt hoàn toàn do tốc độ gió vượt quá ngưỡng cho phép của tuốc bin.
  • Toàn bộ các kết quả kiểm chứng thuật toán điều khiển dừng lại ở mức độ mô phỏng số thông qua phần mềm Matlab - Simulink kết hợp PLECS, chưa được kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình phần cứng vật lý hoặc trang trại điện gió thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện thuật toán tự động tái hòa đồng bộ cho MPKĐBNK sau khi bị ngắt hoàn toàn do các điều kiện thời tiết cực đoan hoặc sự cố nghiêm trọng kéo dài.
  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu ứng dụng cấu trúc điều khiển THĐX và lọc tích cực cho các hệ thống lưới điện phức tạp hơn có xét đến sự tương tác giữa nhiều cụm máy phát điện gió trong cùng một trạm.
  • Triển khai xây dựng mô hình thực nghiệm phần cứng sử dụng bộ xử lý tín hiệu số DSP để kiểm chứng thực tế các thuật toán PBC, dead-beat và THĐX đã đề xuất.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng và mục đích nghiên cứu sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển và Hệ thống Điện: Có thể tham khảo chi tiết quy trình xây dựng mô hình toán học MPKĐBNK trên hệ tọa độ $dq$ tựa điện áp lưới (Chương 2), phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (PBC) và kỹ thuật số hóa thuật toán trên DSP (Chương 2).
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực Năng lượng tái tạo và Điện tử công suất: Có thể ứng dụng cấu trúc bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX), giải thuật phân ly thành phần thứ tự thuận - ngược bằng bộ lọc đa biến, và phương pháp tích hợp lọc tích cực bù công suất tức thời vào bộ biến đổi phía lưới (Chương 3).
  • Các nhà vận hành hệ thống điện và quản lý trang trại điện gió: Tham khảo các đánh giá động học quá độ khi xảy ra lỗi lưới, nguyên lý trụ lưới không cắt máy phát nhằm đáp ứng các quy chuẩn đấu nối lưới (Grid Codes) và hạn chế nguy cơ rã lưới (Chương 1, Chương 3 và Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK lại có ưu thế về chi phí và kích thước bộ biến đổi so với các loại máy phát khác?

Theo văn bản luận án, trong hệ thống MPKĐBNK, cuộn dây stator được đấu nối trực tiếp với lưới điện, các bộ biến đổi bán dẫn chỉ được đặt ở phía mạch rotor. Do đó, bộ biến đổi phía rotor chỉ phải làm việc với công suất bằng khoảng 1/3 (xấp xỉ 30%) tổng công suất định mức của máy phát, giúp giảm đáng kể dung lượng, kích thước và giá thành của bộ biến đổi công suất so với các hệ thống sử dụng máy phát rotor lồng sóc hay máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu có bộ biến đổi đặt ở phía stator (phải chịu 100% công suất).

2. Giới hạn Betz trong tính toán công suất tuốc bin gió có giá trị bằng bao nhiêu và công suất cơ phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Trong Chương 1, công suất tuốc bin gió được xác định theo công thức $P_{tb} = \frac{1}{2} \rho_{tb} \pi R_{cg}^2 v_{gm}^3 C_{tb}$, trong đó hệ số công suất $C_{tb}$ phụ thuộc vào góc pitch $\theta_p$ và hệ số tốc độ đầu cánh $\lambda_{tb}$. Giới hạn lý thuyết cực đại của $C_{tb}$ được gọi là giới hạn Betz và có giá trị bằng 0.593. Như vậy, công suất cơ của tuốc bin phụ thuộc vào mật độ không khí $\rho_{tb}$, bán kính cánh gió $R_{cg}$, vận tốc gió $v_{gm}$, góc xoay cánh gió $\theta_p$ và tốc độ góc quay của tuốc bin $\omega_{tb}$.

3. Nhược điểm chính của giải pháp bảo vệ kinh điển bằng bộ ngắt quá điện áp (crowbar) khi xảy ra lỗi lưới là gì?

Giải pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán có thyristor đóng cắt (crowbar) sẽ ngắt hoạt động của bộ biến đổi phía máy phát và nối ngắn mạch cuộn dây rotor qua điện trở tiêu tán. Bản chất của phương pháp này là ngắt chế độ máy phát và biến MPKĐBNK thành một động cơ không đồng bộ rotor dây quấn tiêu thụ năng lượng. Nhược điểm là hệ thống hoàn toàn mất khả năng điều khiển công suất tác dụng về 0 và không thể điều khiển công suất phản kháng bám theo điện áp lưới để hỗ trợ ổn định lưới trong suốt thời gian xảy ra sự cố.

4. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX) do luận án đề xuất là gì?

Bộ điều khiển THĐX xử lý lỗi lưới không đối xứng bằng cách sử dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để phân ly các đại lượng điện áp và dòng điện ba pha không có dây trung tính thành các thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược riêng biệt. Sau đó, hệ thống thiết kế các mạch vòng điều khiển độc lập cho từng thành phần thứ tự với các tiêu chí tối ưu hóa riêng trên các hệ tọa độ quay tương ứng, rồi tổng hợp lại thành tín hiệu đặt cho bộ điều khiển dòng phía lưới nhằm cân bằng dòng điện các pha và hỗ trợ điện áp lưới.

5. Việc tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điều khiển phía lưới được thực hiện nhằm mục đích gì?

Chức năng lọc tích cực được tích hợp vào bộ biến đổi phía lưới dựa trên nguyên lý bù công suất tức thời Clarke. Ở chế độ vận hành xác lập bình thường, chức năng này cho phép bộ biến đổi phía lưới đóng vai trò như một bộ lọc tích cực song song, tự động tính toán và bơm dòng điện bù để triệt tiêu các thành phần công suất biến thiên và sóng hài bậc cao do các phụ tải phi tuyến công suất lớn gây ra, giúp dòng điện lưới duy trì dạng hình sin chuẩn và giảm tổng độ biến dạng sóng hài (THD).

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Thị Mai Hương đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao tính bền vững trụ lưới cho hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK). Tác giả đã xây dựng thành công cơ sở lý thuyết và cấu trúc điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (PBC) cho phía máy phát kết hợp bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX) và chức năng lọc tích cực cho phía lưới trong hệ thống ba pha ba dây. Các kết quả mô phỏng trên môi trường Matlab - Simulink và PLECS đã chứng minh tính khả thi của sách lược đề xuất trong việc duy trì vận hành song song, cân bằng dòng điện pha khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng, và cải thiện chất lượng điện năng khi làm việc với tải phi tuyến. Công trình đóng góp nền tảng học thuật vững chắc và giải pháp điều khiển có giá trị tham khảo cao cho lĩnh vực tự động hóa và tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống điện.