Luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điện: Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ

Nghiên cứu hệ thống bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ: Luận ..., phương pháp định lượng kết hợp định tính, góp phần phát triển chuyên ngành

• Tác giả: Hoàng Võ Đức Duy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều Khiển Thích Nghi Bộ Nghịch Lưu Trong Lưới Điện Siêu Nhỏ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan 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 bao gồm nhiều nguồn năng lượng phân tán (DG) như năng lượng mặt trời, gió và các nguồn tái tạo khác. Bộ nghịch lưu là thành phần quan trọng trong microgrid, giúp chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) để cung cấp cho tải tiêu thụ. Việc sử dụng microgrid mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm, tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng và khả năng cung cấp điện liên tục cho các khu vực xa xôi. Theo nghiên cứu, microgrid có thể hoạt động trong chế độ độc lập hoặc chế độ nối lưới, giúp cải thiện độ tin cậy và chất lượng điện năng. Hệ thống này cũng cho phép chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lượng, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo.

1.1 Khái niệm microgrid và nguồn năng lượng phân tán DG

Microgrid là một hệ thống điện nhỏ, có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Hệ thống này bao gồm nhiều nguồn năng lượng phân tán (DG) như năng lượng mặt trời, gió và các nguồn tái tạo khác. Bộ nghịch lưu là thành phần quan trọng trong microgrid, giúp chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) để cung cấp cho tải tiêu thụ. Việc sử dụng microgrid mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm, tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng và khả năng cung cấp điện liên tục cho các khu vực xa xôi.

1.2 So sánh giữa lưới điện thông thường và microgrid

Lưới điện thông thường thường phụ thuộc vào các nguồn phát điện tập trung, trong khi microgrid cho phép sử dụng nhiều nguồn năng lượng phân tán. Điều này giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Hệ thống năng lượng tái tạo trong microgrid có thể hoạt động độc lập, cung cấp điện cho các khu vực không có lưới điện, đồng thời có khả năng kết nối với lưới điện chính khi cần thiết. Sự linh hoạt này giúp cải thiện khả năng cung cấp điện cho các khu vực xa xôi và khó khăn.

II. Các phương pháp điều khiển chia tải cân bằng trong microgrid

Điều khiển chia tải trong microgrid là một yếu tố quan trọng để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của hệ thống. Các phương pháp điều khiển như điều khiển droop, điều khiển phân tán và điều khiển tập trung đều có vai trò quan trọng trong việc chia sẻ công suất giữa các bộ nghịch lưu. Kỹ thuật điều khiển droop cho phép các bộ nghịch lưu tự động điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng dựa trên điện áp đầu ra. Điều này giúp cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống khi có sự thay đổi về tải. Hơn nữa, việc sử dụng các phương pháp điều khiển thích nghi giúp tối ưu hóa việc chia sẻ công suất trong các điều kiện khác nhau của microgrid.

2.1 Kỹ thuật điều khiển droop độc lập

Kỹ thuật điều khiển droop độc lập cho phép các bộ nghịch lưu chia sẻ công suất mà không cần giao tiếp giữa chúng. Điều này giúp giảm thiểu độ phức tạp trong hệ thống và tăng cường độ tin cậy. Khi một bộ nghịch lưu hoạt động, nó sẽ tự động điều chỉnh công suất dựa trên điện áp đầu ra, từ đó đảm bảo rằng công suất được chia sẻ một cách hợp lý giữa các bộ nghịch lưu. Kỹ thuật này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc duy trì sự ổn định của microgrid trong các điều kiện tải khác nhau.

2.2 Phương pháp dùng trở kháng ảo

Phương pháp dùng trở kháng ảo là một kỹ thuật điều khiển tiên tiến giúp cải thiện khả năng chia sẻ công suất trong microgrid. Bằng cách sử dụng trở kháng ảo, các bộ nghịch lưu có thể điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách linh hoạt. Kỹ thuật này cho phép hệ thống duy trì sự ổn định ngay cả khi có sự thay đổi đột ngột về tải. Hơn nữa, việc sử dụng trở kháng ảo giúp cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến độ không cân bằng trong hệ thống.

III. Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong microgrid

Điều khiển thích nghi là một phương pháp quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động của bộ nghịch lưu trong microgrid. Phương pháp này cho phép các bộ nghịch lưu tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên điều kiện hoạt động thực tế. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển thích nghi giúp cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống khi có sự thay đổi về tải hoặc khi có sự cố xảy ra. Hệ thống điều khiển thích nghi cũng giúp tối ưu hóa việc chia sẻ công suất giữa các bộ nghịch lưu, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của microgrid.

3.1 Giới thiệu các phương pháp điều khiển thích nghi

Các phương pháp điều khiển thích nghi bao gồm điều khiển điện áp thích nghi, phương pháp đồng bộ bù công suất phản kháng và điều khiển độ trượt dựa trên đồng bộ hoạt động. Những phương pháp này giúp cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống khi có sự thay đổi về tải hoặc khi có sự cố xảy ra. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển thích nghi giúp tối ưu hóa việc chia sẻ công suất giữa các bộ nghịch lưu, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của microgrid.

3.2 Giải thuật điều khiển droop control cải tiến

Giải thuật điều khiển droop control cải tiến cho phép các bộ nghịch lưu chia sẻ công suất một cách hiệu quả hơn. Bằng cách điều chỉnh điện áp đầu ra và góc, hệ thống có thể nhanh chóng đạt trạng thái ổn định. Giải thuật này cũng giúp cải thiện khả năng đáp ứng động của hệ thống, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ nối lưới và chế độ độc lập. Điều này rất quan trọng để đảm bảo rằng microgrid có thể hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về Microgrid Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ 6 Chương 2: Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu áp trong Microgrid (hệ trục dq) CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN MICROGRID VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU ÁP TRONG MICROGRID (HỆ TRỤC DQ) 2.1 KHÁI NIỆM MICROGRID VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN (DG) Về cơ bản một microgrid tích hợp nhiều nguồn phân tán, với chức năng thu thập, xử lý và phân phối để đáp ứng các nhu cầu tải. Khi giao diện là bộ biến đổi với Microgrid tạo thành thể thống nhất, hoạt động của nó đòi hỏi một hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển cần thiết không chỉ linh hoạt trong cung cấp mà còn đảm bảo điện năng đầu ra và chất lượng điện. Công nghệ nguồn năng lượng phân tán (DER) được xác định là nguồn năng lượng nhỏ, và tài nguyên lưu trữ thường nằm ở phía khách hàng tải và cung cấp năng lượng cần thiết để cung cấp toàn bộ hoặc một phần nhu cầu phụ tải điện cho người dùng cuối.

Ngoài ra, nó có khả năng hoạt động song song với hệ thống phân phối chung. Hệ thống này có thể làm việc riêng rẽ với các tiện ích như một hệ thống độc lập trong một khu vực bị cô lập (Laaksonen, 2010; Kanellos & Hatziargyriou, 2009). Các microgrid được nuôi bằng năng lượng tái tạo để phát điện; năng lượng tái tạo cũng được gọi là DERs (Justo et al, 2013. Nó là những đơn vị nguồn nhỏ tích hợp vào một microgrid.

Hoặc có thể là những đơn vị năng lượng tái tạo hoặc máy phát điện thông thường như máy phát điện đồng bộ và máy phát cảm ứng như trong hình 2. Từ phía nguồn đầu ra của một máy phát điện đòi hỏi các bộ chuyển đổi công suất để chuyển đổi thành nhiều dạng khác nhau; nó có thể sản xuất một điện áp AC tần số cố định hoặc DC. Việc chuyển đổi có thể yêu cầu một biến tần, hoặc cả hai chỉnh lưu và một biến tần để đảm bảo rằng các tần số đầu ra và điện áp là tương tự như của lưới điện. Trong điều kiện kiểm soát dòng công suất, một nguồn nhỏ có thể được coi như một trong hai hệ thống có thể truyền đi xa hay không thể truyền xa.

Các hệ thống điều khiển giám sát xác định các điểm hoạt động sản xuất của các đơn vị truyền đi xa. Vì thế, máy phát điện đồng bộ là đơn vị thông thường có thể được điều chỉnh và kiểm soát bên ngoài. DG sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là đơn vị thường không truyền đi xa; công suất đầu ra của họ chỉ có thể được quy định, dựa trên công suất đầu ra tối ưu của Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ 7 Chương 2: Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu áp trong Microgrid (hệ trục dq) các nguồn năng lượng sơ cấp - ví dụ, kiểm soát theo dõi công suất tối đa trong một hệ thống quang điện. Có một số công nghệ DG, chẳng hạn như: hệ thống nhiệt điện kết hợp (CHP), hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS), hệ thống quang điện năng lượng mặt trời, thủy điện quy mô nhỏ và các thiết bị lưu trữ nguồn năng lượng tái tạo khác là những ví dụ của các công nghệ được phát triển từ các DERs.

Khí hậu và các cấu trúc liên kết của một khu vực là những yếu tố quan trọng để xem xét trước khi cài đặt DER.1 Phân loại nguồn năng lượng DER.1 So sánh giữa lưới điện thông thường và microgrid. Sự khác biệt giữa lưới điện thông thường và microgrid như sau (Chowdhury et al., 2009): • Công suất đầu ra của mỗi microsources nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện thông thường. Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ 8 Chương 2: Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu áp trong Microgrid (hệ trục dq) • Microgrid thường được lắp đặt gần với tải khách hàng vì vậy tổn thất trong đường dây truyền tải nhỏ. Do đó Microgrids có hiệu quả cao trong điều kiện cung cấp điện áp và tần số.

• Microgrid dùng để cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa nơi mà không có lưới điện quốc gia • Quá trình khôi phục hệ thống điện truyền thống là phức tạp, đòi hỏi một sự can thiệp nhanh chóng, thường là bằng tay và trong thời gian thực, trong khi đó microgrid toàn bộ quá trình phục hồi là rất dễ dàng vì giới hạn số lượng các biến điều khiển.2 Giảm thiểu tổn thất khi dùng Microgrid thay lưới thông thường.2 Nguyên tắc cơ bản của một lưới Microgrid. Hệ thống DG hạ áp và trung áp phát triển nhanh chóng trên toàn cầu. Chúng được cung cấp bởi năng lượng tái tạo, máy phát điện không thông thường bao gồm; tế bào nhiên liệu, tua bin gió, và hệ thống quang điện (Li et al, 2004;. Chowdhury et al, 2009).

Thông thường, chúng được sử dụng để tăng cường cho lưới điện công cộng trong thời gian tải cao điểm và thiếu điện. Chúng cũng có thể cung cấp điện trong trường hợp hệ thống lưới điện chính bị sự cố. Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ 9 Chương 2: Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu áp trong Microgrid (hệ trục dq) Trong những năm gần đây, khái niệm này đã được phát triển tạo thành cụm tải kết nối với các vị DG song song, tạo thành một microgrid. Trong các phương pháp kết nối truyền thống Các máy phát điện nhỏ có thể được tích hợp vào các hệ thống điện, nơi một số đơn vị phát điện nhỏ hoạt động nhằm giảm bớt của hoạt động lưới điện bao gồm nhiều nguồn nhỏ kết nối với nhau.

Trong trường hợp này, khi có sự cố trong lưới điện chính, sẽ ảnh hưởng đến hệ thống và ngưng hoạt động của các nguồn phát điện nhỏ. Trong Microgrid khi lưới điện chính ngừng cung cấp, các microgrid sẽ ngắt kết nối từ lưới và hoạt động độc lập, tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải cục bộ của mình cho đến khi lưới điện trở lại bình thường.3 Ưu điểm của Microgrid. Microgrid có ưu điểm so với các hệ thống khác, điều này được tóm tắt dưới đây (Chowdhury et al., 2009): • Đối với các vấn đề môi trường, microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm bởi vì nó sử dụng nguồn có khí thải thấp hoặc bằng không. • Microgrids làm việc song song với lưới công cộng; hỗ trợ lưới ddiingj bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ.

Microgrids cung cấp thêm công suất có thể hỗ trợ trong việc ngăn chặn tình trạng quá tải và mất điện của lưới điện quốc gia. • Về kinh tế, có giảm trong lắp đặt đường dây truyền tải dài và việc truyền dẫn. Việc cài đặt chi phí thấp của hệ thống microgrid cục bộ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng và tổn thất truyền tải. Microgrids cũng giúp trong việc giảm tiêu thụ năng lượng hóa thạch.

• Bằng cách điều hành trong cả hai chế độ nối lưới và độc lập, Microgrid đảm bảo tải quan trọng được cung cấp điện liên tục. Điều này làm cho độ tin cậy và khả năng cung cấp điện chất lượng cao cho các tải quan trọng. • Các microgrid có lợi thế trong việc tiết kiệm năng lượng nhiệt khi sử dụng nhiệt kết hợp và điện. Đây là một quá trình dễ dàng để đạt được với nhiều nguồn nhỏ Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ 10 Chương 2: Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu áp trong Microgrid (hệ trục dq) trong một microgrid.

Các microsource có thể được triển khai gần gũi hơn với tải nhiệt và điện và vì vậy nâng cao hiệu quả năng lượng.2 CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN CỦA LƯỚI MICROGRID.1 Cấu trúc Microgrid Cấu trúc của microgrid bao gồm năm thành phần chính: các nguồn điện nhỏ, tải, thiết bị lưu trữ, hệ thống điều khiển và các điểm kết nối. Năm thành phần này được kết nối với một mạng lưới phân phối điện áp thấp. Sự phân bố điện áp thấp kết hợp nhiều loại microsources và các loại tải khác nhau được hỗ trợ bởi giao diện điện tử công suất. Để hòa đồng bộ và điều khiển các hoạt động trong chế độ kết nối lưới điện hoặc chế độ độc lập, phương thức hoạt động có thể được xác định bởi các PCC.

Đây là điểm mà các microgrid là kết nối với lưới điện chính; được ký hiệu là CB4 trong hình dưới. Chức năng của CB4 là để kết nối hoặc ngắt kết nối microgrid với lưới điện chính. Điều khiển hoạt động của microgrid được hỗ trợ và phối hợp thông qua mức độ điều khiển khác nhau để đảm bảo sự ổn định của hệ thống, sử dụng các bộ điều khiển sau đây: điều khiển nguồn, điều khiển trung tâm (Katiraei et al, 2008;. Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ 11 Chương 2: Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu áp trong Microgrid (hệ trục dq) Hình 2.3 Sơ đồ lưới Microgrid thông thường.2 Các loại Microgrid: AC and DC Microgrid tương tự như một hệ thống điện nhỏ trong đó bao gồm nhiều thành phần như các DG, tải và thiết bị lưu trữ được kết nối với nhau.

Theo dạng công suất, microgrid có thể được phân loại: Microgrid xoay chiều AC, Microgrid một chiều DC, hoặc một hệ thống hybrid. Mỗi loại microgrid có những thuận lợi và bất lợi. Hình ảnh dưới đây mô tả một các loại microgrid Điều khiển thích nghi bộ nghịch lưu trong lưới điện siêu nhỏ 12 Chương 2: Thiết kế mô hình bộ nghịch lưu áp trong Microgrid (hệ trục dq) Hình 2.4 Phân loại Microgrid.1 Lưới Microgrid DC. Hệ thống DC microgrid có thể được sử dụng trong chế độ kết nối lưới và tự vận hành.

Hệ thống này có những ưu điểm như sau: - Hầu hết các DG trong trong microgrid là các tấm PV hay pin nhiên liệu cung cấp nguồn DC. Các thiết bị lưu trữ cũng dùng điện DC do đó chỉ cần chỉnh điện áp trong lưới microgrid để kết nối chúng. So với một microgrid AC ta cần đồng bộ hóa điện áp, tần số và pha vào lưới điện. - Hầu hết các tải kết nối với microgrid DC là thiết bị điện tử, TV, máy tính, đèn huỳnh quang, hộ gia đình, doanh nghiệp, và các thiết bị công nghiệp.

Vì vậy chúng ta không cần quá nhiều bộ chuyển đổi AC-to-DC, DC-to-AC hoặc AC- to-DC-to-DC như đối với AC microgrid. - Các DC microgrid không sử dụng máy biến áp; điều này làm cho nó hiệu quả hơn, kích thước nhỏ hơn, và đáng tin cậy trong một hệ thống điện DC. Ngoài ra một microgrid DC hoạt động với dây cáp đôi, trong khi một AC microgrid hoạt động với ba, bốn dây hay nhiều hơn nữa.