Luận văn thạc sĩ về điều khiển bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới, tối ưu hiệu suất và ổn định.

• Tác giả: Võ Trọng Chinh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Khiển Các Bộ Biến Đổi Công Suất Trong Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Kết Nối Lưới
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MICROGRID
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Khái niệm microgrid và nguồn phân tán
• 1.3. So sánh giữa lưới điện thông thường và microgrid
• 1.4. Nguyên tắc cơ bản của microgrid
• 1.5. Ưu điểm của microgrid
• 1.6. Cấu trúc và thành phần của lưới microgrid
• 1.7. Các loại microgrid
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU ÁP TRONG MICROGRID
• 2.1. Bộ điều khiển công suất
• 2.2. Điều khiển chế độ áp và chế độ dòng điện
• 2.3. Mô hình toán học của bộ điều khiển công suất
• 2.4. Bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng
• 2.5. Xây dựng mô hình các bộ nghịch lưu kết nối song song
• 2.6. Vòng khóa pha
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG MICROGRID
• 3.1. Kỹ thuật điều khiển truyền thông
• 3.2. Điều khiển tập trung
• 3.3. Điều khiển sơ cấp/ thứ cấp
• 3.4. Điều khiển phân tán
• 3.5. Kỹ thuật điều khiển droop độc lập
• 3.6. Điều khiển droop thông thường
• 3.7. Điều khiển droop VPD/FGB
• 3.8. Phương pháp dự đoán trở kháng đường dây
• 3.9. Phương pháp điều khiển góc
• 3.10. Droop control dựa trên điện áp
• 3.11. Phương pháp dùng trở kháng ảo
• 3.12. Vòng lặp đầu ra trở kháng ảo
• 3.13. Vòng lặp trở kháng ảo được tăng cường
• 3.14. Phương pháp chuyển đổi hệ qui chiếu ảo
• 3.15. Phương pháp kết hợp và điều khiển tín hiệu nhỏ
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỘ NGHỊCH LƯU TRONG MICROGRID
• 4.1. Giới thiệu các phương pháp điều khiển thích nghi
• 4.2. Điều khiển điện áp thích nghi
• 4.3. Phương pháp đồng bộ bù công suất phản kháng
• 4.4. Điều khiển độ trượt dựa trên đồng bộ hoạt động
• 4.5. Phương pháp Droop control Q-V
• 4.6. Phương pháp điều khiển dựa trên biến chung
• 4.7. Điều khiển thích nghi dùng trở kháng ảo kết hợp với thông tin liên lạc
• 4.8. Phân tích chế độ chia tải trong microgrid
• 4.8.1. Phân tích chia công suất tác dụng
• 4.8.2. Phân tích chia công suất phản kháng
• 4.9. Sơ đồ điều khiển droop đề xuất
• 4.10. Sơ đồ điều khiển công suất P, Q
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH MATLAB SIMULINK
• 5.1. Khối đo dòng điện
• 5.2. Các khối điều khiển
• 5.3. Khối đo công suất P và Q
• 5.4. Bộ điều khiển điện áp
• 5.5. Bộ điều khiển dòng điện
• 5.6. Khối chuyển đổi dq αβ
• 5.7. Khối tạo xung SVPWM
• 5.8. Khối Droop Control chia tải
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN
• 6.1. Chế độ lưới độc lập (Mode 0 và 1)
• 6.1.1. Trường hợp 1- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1
• 6.1.2. Trường hợp 2- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1
• 6.1.3. Trường hợp 3- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 trước sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s
• 6.1.4. Trường hợp 4- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 trước sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s
• 6.1.5. Trường hợp 5- Tỷ lệ công suất P là 1:1:1, tỷ lệ công suất Q là 1:2:3, Mode 1 trước sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s
• 6.2. Chế độ kết nối lưới
• 6.2.1. Kết nối lưới sau 3s, tần số lưới 50Hz, tải không đổi, t = 6s
• 6.2.2. Kết nối lưới, tần số lưới thay đổi từ 50Hz lên 60Hz từ 3s, tải không đổi, t = 6s
• 6.2.3. Kết luận
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi công suất

Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật điện. Hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng mà còn đảm bảo tính ổn định cho lưới điện. Việc điều khiển chính xác các bộ biến đổi công suất giúp cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu tổn thất trong quá trình truyền tải.

1.1. Khái niệm về bộ biến đổi công suất trong năng lượng mặt trời

Bộ biến đổi công suất là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn DC sang AC, giúp kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp và tần số, đảm bảo cung cấp điện ổn định cho phụ tải.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

Hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới không chỉ cung cấp điện cho các khu vực xa xôi mà còn hỗ trợ lưới điện chính trong việc giảm tải. Điều này giúp nâng cao độ tin cậy và tính bền vững của hệ thống điện.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển bộ biến đổi công suất

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc điều khiển bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như sự biến động của nguồn năng lượng tái tạo, độ ổn định của lưới điện và khả năng đồng bộ hóa giữa các bộ biến đổi là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Biến động của nguồn năng lượng tái tạo

Năng lượng mặt trời phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, dẫn đến sự biến động trong sản lượng điện. Điều này yêu cầu các bộ biến đổi công suất phải có khả năng điều chỉnh linh hoạt để duy trì hiệu suất tối ưu.

2.2. Độ ổn định của lưới điện

Sự kết nối giữa hệ thống năng lượng mặt trời và lưới điện chính có thể gây ra các vấn đề về độ ổn định. Việc điều khiển không chính xác có thể dẫn đến sự cố trong lưới điện, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

III. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi công suất hiệu quả

Để giải quyết các thách thức trong việc điều khiển bộ biến đổi công suất, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo tính ổn định cho hệ thống.

3.1. Phương pháp điều khiển droop

Điều khiển droop là một phương pháp phổ biến trong việc chia sẻ công suất giữa các bộ biến đổi. Phương pháp này cho phép các bộ biến đổi hoạt động đồng bộ mà không cần thông tin liên lạc giữa chúng.

3.2. Điều khiển thích nghi

Điều khiển thích nghi giúp điều chỉnh các tham số của bộ biến đổi theo điều kiện hoạt động thực tế. Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ biến đổi công suất trong năng lượng mặt trời

Bộ biến đổi công suất không chỉ được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời mà còn có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như điện gió, điện sinh khối. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống điện thông minh

Bộ biến đổi công suất đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện thông minh, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và cải thiện chất lượng dịch vụ điện.

4.2. Kết quả nghiên cứu và mô phỏng

Các nghiên cứu và mô phỏng cho thấy bộ điều khiển droop thích nghi có thể chia sẻ công suất chính xác, cải thiện chất lượng điện năng và giảm tổn thất truyền tải.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi công suất

Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới đang mở ra nhiều cơ hội mới. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về công nghệ và phương pháp điều khiển, giúp nâng cao hiệu suất và tính bền vững của hệ thống năng lượng.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ điều khiển bộ biến đổi công suất sẽ tiếp tục phát triển, với sự xuất hiện của các giải pháp thông minh và tự động hóa, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong lĩnh vực này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp năng lượng bền vững, góp phần vào việc giảm thiểu biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm, hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới (grid-connected solar energy systems) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện sạch và bền vững. Theo ước tính, các hệ thống microgrid, bao gồm nhiều nguồn phân tán như năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, đang phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng tại các vùng sâu, vùng xa và hải đảo. Tuy nhiên, việc điều khiển các bộ biến đổi công suất trong microgrid để đảm bảo chia sẻ công suất chính xác, ổn định và hiệu quả vẫn là thách thức kỹ thuật lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu bộ điều khiển droop thích nghi nhằm phân chia công suất cho các bộ nghịch lưu trong hệ thống microgrid có thể vận hành linh hoạt ở chế độ độc lập hoặc kết nối lưới. Mục tiêu cụ thể là cải thiện kỹ thuật phân chia công suất, điều khiển chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ vận hành, nâng cao chất lượng điện năng và độ ổn định hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện trên hệ thống gồm ba bộ biến tần công suất 2 kW kết nối song song với các thông số đường dây khác nhau, mô phỏng bằng Matlab Simulink trong các kịch bản vận hành đa dạng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào microgrid AC tại Việt Nam, với các mô hình toán học và thuật toán điều khiển được phát triển và kiểm chứng qua mô phỏng. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả vận hành microgrid, giảm tổn thất truyền tải, cải thiện chất lượng điện áp và tần số, đồng thời tăng cường khả năng hòa đồng bộ với lưới điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết microgrid và nguồn phân tán (Distributed Energy Resources - DER): Microgrid là hệ thống điện nhỏ tích hợp nhiều nguồn phân tán, có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. DER bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo và máy phát điện nhỏ, được điều khiển để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy điện năng.

• Mô hình toán học bộ điều khiển công suất trên trục dq: Sử dụng biến đổi không gian để điều khiển công suất tác dụng và phản kháng thông qua các thành phần dòng điện id và iq, giúp tách biệt và điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng.

• Phương pháp điều khiển droop: Dựa trên nguyên lý điều khiển tần số và điện áp theo công suất tác dụng và phản kháng, cho phép chia sẻ công suất giữa các bộ biến tần song song mà không cần giao tiếp truyền thông. Các biến thể như droop thông thường, droop VPD/FGB, droop dự đoán trở kháng và droop dựa trên điện áp được áp dụng để phù hợp với đặc điểm trở kháng của microgrid.

• Phương pháp điều khiển thích nghi: Bộ điều khiển droop thích nghi được đề xuất nhằm điều chỉnh linh hoạt các hệ số droop dựa trên điều kiện vận hành thực tế, giúp cải thiện độ chính xác chia sẻ công suất và khả năng hòa đồng bộ với lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được thu thập từ hệ thống microgrid gồm ba bộ biến tần 2 kW kết nối song song với các thông số đường dây khác nhau, mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng động học hệ thống với các kịch bản vận hành khác nhau, bao gồm chia sẻ công suất theo tỷ lệ 1:1:1, 1:2:3, chuyển đổi giữa chế độ độc lập và kết nối lưới, cũng như thay đổi tần số lưới từ 50 Hz lên 60 Hz để đánh giá đáp ứng của bộ điều khiển.

• Cỡ mẫu và timeline: Mô hình microgrid thu nhỏ với ba bộ biến tần, nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 12/2017 đến tháng 7/2018. Các kết quả mô phỏng được phân tích chi tiết để đánh giá hiệu quả và độ ổn định của bộ điều khiển đề xuất.

• Lý do lựa chọn phương pháp: Mô phỏng Matlab Simulink cho phép mô hình hóa chính xác các đặc tính động của hệ thống biến tần và microgrid, đồng thời kiểm tra các thuật toán điều khiển trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau mà không cần thử nghiệm thực tế phức tạp và tốn kém.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chia sẻ công suất chính xác theo tỷ lệ định mức: Bộ điều khiển droop thích nghi cho phép chia công suất tác dụng và phản kháng giữa ba bộ biến tần theo tỷ lệ 1:1:1 và 1:2:3 với sai số hệ thống dưới 5%, thể hiện qua các bảng sai số và đồ thị công suất mô phỏng.

2. Khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ độc lập và kết nối lưới: Khi chuyển từ chế độ kết nối lưới (Mode 1) sang chế độ độc lập (Mode 0) tại thời điểm 2 giây, hệ thống duy trì ổn định, công suất phân chia không bị gián đoạn, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho tải.

3. Đáp ứng nhanh với biến đổi tần số lưới: Khi tần số lưới thay đổi từ 50 Hz lên 60 Hz, bộ điều khiển nhanh chóng điều chỉnh tần số và góc pha của các bộ biến tần để hòa đồng bộ, cung cấp công suất tối đa cho hệ thống, giảm tổn thất truyền tải và cải thiện chất lượng điện áp.

4. Ổn định hệ thống trong các kịch bản tải phi tuyến và không cân bằng: Bộ điều khiển đề xuất duy trì được độ ổn định tần số và điện áp trong các trường hợp tải phi tuyến, không cân bằng, nhờ khả năng điều chỉnh điện áp và tần số theo công suất phản kháng và tác dụng.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển droop thích nghi vượt trội so với các phương pháp droop truyền thống nhờ khả năng điều chỉnh linh hoạt các hệ số droop dựa trên điều kiện vận hành thực tế. Việc chia sẻ công suất chính xác giúp tránh quá tải cho từng bộ biến tần, đồng thời giảm thiểu tổn thất do sụt áp trên đường dây.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, bộ điều khiển đề xuất khắc phục được nhược điểm của droop thông thường trong môi trường trở kháng hỗn hợp (điện trở và cuộn cảm), phù hợp với đặc điểm microgrid điện áp thấp tại nhiều địa phương. Việc mô phỏng các kịch bản chuyển đổi chế độ và biến đổi tần số lưới cũng chứng minh tính linh hoạt và độ tin cậy cao của hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ công suất tác dụng và phản kháng theo thời gian, bảng sai số chi tiết từng trường hợp, cũng như đồ thị điện áp và dòng điện để minh họa sự ổn định và đáp ứng của hệ thống. Những biểu đồ này giúp trực quan hóa hiệu quả điều khiển và hỗ trợ đánh giá kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển droop thích nghi trong các microgrid thực tế: Khuyến nghị các đơn vị quản lý năng lượng và nhà đầu tư áp dụng bộ điều khiển này để nâng cao hiệu quả phân chia công suất và ổn định hệ thống, đặc biệt tại các khu vực có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

2. Phát triển hệ thống giám sát và điều khiển tích hợp: Xây dựng hệ thống giám sát trực tuyến để theo dõi công suất, tần số và điện áp, hỗ trợ điều chỉnh tham số droop theo thời gian thực nhằm tối ưu hóa vận hành microgrid. Chủ thể thực hiện: các trung tâm điều khiển điện lực. Timeline: 12 tháng.

3. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển microgrid và bộ biến tần cho kỹ sư vận hành và bảo trì, đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian: liên tục hàng năm.

4. Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm thực tế: Thực hiện các dự án thí điểm tại các địa phương có điều kiện địa lý và tải đa dạng để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển trong môi trường thực tế, từ đó hoàn thiện thuật toán và thiết kế hệ thống. Thời gian: 18-24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển bộ biến tần trong microgrid, giúp phát triển các giải pháp kỹ thuật mới.

2. Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện phân phối: Tham khảo để áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, nâng cao độ ổn định và chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối có nguồn phân tán.

3. Nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án năng lượng tái tạo: Hiểu rõ về kỹ thuật điều khiển và vận hành microgrid, từ đó tối ưu hóa thiết kế và khai thác hiệu quả các dự án năng lượng mặt trời kết nối lưới.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu khoa học và phát triển luận văn, giúp nâng cao kiến thức thực tiễn và lý thuyết về microgrid và điều khiển biến tần.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển droop thích nghi là gì và có ưu điểm gì?
   Bộ điều khiển droop thích nghi là thuật toán điều chỉnh linh hoạt các hệ số droop dựa trên điều kiện vận hành thực tế, giúp chia sẻ công suất chính xác và ổn định hơn so với droop truyền thống. Ví dụ, nó cho phép điều chỉnh khi trở kháng đường dây thay đổi, cải thiện hiệu quả vận hành microgrid.

2. Microgrid có thể vận hành ở những chế độ nào?
   Microgrid có thể vận hành ở chế độ độc lập (stand-alone) hoặc kết nối lưới (grid-connected). Chế độ độc lập cung cấp điện cho tải cục bộ khi lưới chính bị sự cố, còn chế độ kết nối giúp hòa đồng bộ và hỗ trợ lưới điện quốc gia.

3. Tại sao việc chia sẻ công suất giữa các bộ biến tần lại quan trọng?
   Chia sẻ công suất chính xác giúp tránh quá tải cho từng bộ biến tần, đảm bảo tuổi thọ thiết bị và ổn định hệ thống. Ngoài ra, nó giảm tổn thất truyền tải và cải thiện chất lượng điện áp, đặc biệt trong các hệ thống có nhiều nguồn phân tán.

4. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng các kịch bản vận hành microgrid với ba bộ biến tần 2 kW kết nối song song, đánh giá hiệu quả bộ điều khiển trong các điều kiện khác nhau như thay đổi tải, chuyển đổi chế độ và biến đổi tần số lưới.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả có thể được áp dụng thông qua việc triển khai bộ điều khiển droop thích nghi trong các microgrid thực tế, kết hợp với hệ thống giám sát và điều khiển tích hợp, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy hệ thống.

Kết luận

• Bộ điều khiển droop thích nghi được phát triển và mô phỏng thành công cho hệ thống microgrid gồm ba bộ biến tần 2 kW kết nối song song.
• Thuật toán cho phép chia sẻ công suất tác dụng và phản kháng chính xác theo tỷ lệ định mức, giảm sai số dưới 5%.
• Hệ thống vận hành ổn định khi chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ độc lập và kết nối lưới, đồng thời đáp ứng nhanh với biến đổi tần số lưới.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất truyền tải và tăng độ tin cậy cho microgrid tại các vùng sâu, vùng xa.
• Đề xuất triển khai thực tế và mở rộng nghiên cứu nhằm hoàn thiện giải pháp điều khiển, hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Các đơn vị quản lý và phát triển dự án năng lượng tái tạo nên xem xét áp dụng bộ điều khiển droop thích nghi, đồng thời phối hợp với các trung tâm nghiên cứu để triển khai thí điểm và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------------- HVTH: VÕ TRỌNG CHINH ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------------- HVTH: VÕ TRỌNG CHINH ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh ngày 28 tháng 7 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS Huỳnh Châu Duy Chủ tịch 2 PGS.TS Nguyễn Thanh Phƣơng Phản biện 1 3 PGS.TS Ngô Cao Cƣờng Phản biện 2 4 PGS.TS Nguyễn Hùng Ủy viên 5 TS Võ Hoàng Duy Ủy viên, Thƣ ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ TRỌNG CHINH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17 – 7 – 1978 Nơi sinh: Nghệ An Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1641830003 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI II- Nhiệm vụ và nội dung: 1.

Tổng quan về microgrit. Các phƣơng pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất. Điều khiển song song các bộ nghịch lƣu. Mô phỏng giải thuật điều khiển.

III- Ngày giao nhiệm vụ: 04/12/2017 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28/7/2017 V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LÊ MINH PHƢƠNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn VÕ TRỌNG CHINH i LỜI CÁM ƠN Thành công nào mà cũng gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác.

Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở trƣờng đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Cơ - Điện - Điện tử Trƣờng Đại Học Công Nghệ TP HCM đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Và đặc biệt, trong học kỳ này, Phòng Quản Lý Khoa Học và Đào Tạo Sau Đại Học đã tổ chức cho chúng em đƣợc tiếp cận với những môn học mà theo em là rất hữu ích đối với tất cả các sinh viên thuộc các chuyên ngành điện. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Minh Phƣơng đã tận tâm hƣớng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI.

Bƣớc đầu đi tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo khoa học còn nhiều bỡ ngỡ, kiến thức của em còn gặp nhiều hạn chế. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em đƣợc hoàn thiện hơn. Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Cơ - Điện - Điện tử, Viện Đào Tạo Sau Đại Học và PGS.TS Lê Minh Phƣơng thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao quý của mình. Trân trọng! TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2018 NGƢỜI THỰC HIỆN VÕ TRỌNG CHINH ii TÓM TẮT Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu về bộ điều khiển droop thích nghi để phân chia công suất cho các bộ nghịch lƣu dùng cho hệ thống lƣới điện siêu nhỏ (microgrid) có thể vận hành linh hoạt ở chế độ độc lập hoặc chế độ nối lƣới.

Hệ thống điện đƣợc đề xuất bao gồm 3 bộ biến tần mỗi bộ công suất 2kW với các thông số về đƣờng dây khác nhau đƣợc kết nối song song để cung cấp cho tải hoặc nối lƣới. Các kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện bằng công cụ Simulink trong phần mềm Matlab với các chế độ hoạt động khác nhau cũng nhƣ các kịch bản khác nhau đƣợc đƣa ra trong từng chế độ nhƣ tỷ lệ phân chia công suất tác dụng và công suất phản kháng khác nhau cho ba biến tần. Ngoài ra, sự thay đổi tần số của lƣới cũng đƣợc xem xét để đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống. Có thể kết luận từ các kết quả mô phỏng rằng, bộ điều khiển droop thích nghi đề xuất cho phép chia công suất chính xác theo tỷ lệ với công suất định mức của các bộ nghịch lƣu áp ba pha kết nối song song trong lƣới điện độc lập.

Cũng nhƣ thể hiện việc bám sát tần số và góc pha của lƣới điện trong chế độ nối lƣới giúp nhanh chóng hòa đồng bộ để cung cấp công suất tối đa cho hệ thống giúp cải thiện chất lƣợng lƣới điện và giảm tổn hao truyền tải. iii ABSTRACT The thesis presents the results of a study on adaptive droop controller to allocate power to inverters for microgrid systems that can operate flexibly in stand- alone or grid-connected modes. The proposed studied system consists of three 2 kW inverters with different line parameters connected in parallel to provide power to load or grid connection. Simulation results are provided by the Simulink toolbox in the Matlab software, with different operating modes as well as different scenarios given in each mode, such as diffetent active power and reactive power ratio for 3 inverters.

In addition, the frequency change of the grid is also considered to assess the response of the proposed controller. It can be concluded from the simulation results that the proposed adaptive droop controller allows for a precise power sharing to the rated power of three- phase alternating voltage inverters connected in stand-alone power system. As well as demonstrating the frequency and phase angle of the grid in grid-connected mode, it quickly synchronizes to provide maximum power for the system to improve power quality and reduce transmission losses. iv MỤC LỤC Chƣơng 1: 1 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 1 1.2 Khái niệm microgrid và nguồn phân tán 1 1.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid 1 1.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid 2 1.3 Ƣu điểm của microgrid 2 1.3 Cấu trúc và thành phần của lƣới microgrid 3 1.1 Cấu trúc microgrid 3 1.4 Nguồn năng lƣợng phân tán 7 1.5 Các vấn đề của lƣới microgrid 9 1.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lƣợng 9 1.2 Microgrid và chế độ tự động 10 1.3 Điều khiển ở chế độ kết nối lƣới và độc lập 11 1.4 Độ tin cậy và chất lƣợng hệ thống 11 1.5 Ổn định hệ thống 12 1.6 Mục tiêu của luận văn 13 Chƣơng 2: 14 THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƢU ÁP TRONG MICROGRID 14 2.1 Bộ điều khiển công suất 14 2.2 Điều khiển chế độ áp và chế độ dòng điện 14 2.3 Mô hình toán học của bộ điều khiển công suất 15 2.4 Bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng 18 2.5 Xây dựng mô hình các bộ nghịch lƣu kết nối song song 21 2.6 Vòng khóa pha 22 Chƣơng 3: 24 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG MICROGRID 24 3.1 Kỹ thuật điều khiển truyền thông 24 v 3.1 Điều khiển tập trung 24 3.2 Điều khiển sơ cấp/ thứ cấp 26 3.3 Điều khiển phân tán 26 3.2 Kỹ thuật điều khiển droop độc lập 27 3.1 Điều khiển droop thông thƣờng 27 3.2 Điều khiển droop VPD/FGB 30 3.3 Phƣơng pháp dự đoán trở kháng đƣờng dây 31 3.4 Phƣơng pháp điều khiển góc 33 3.5 Droop control dựa trên điện áp 33 3.3 Phƣơng pháp dùng trở kháng ảo 33 3.1 Vòng lặp đầu ra trở kháng ảo 33 3.2 Vòng lặp trở kháng ảo đƣợc tăng cƣờng 34 3.3 Phƣơng pháp chuyển đổi hệ qui chiếu ảo 35 3.4 Phƣơng pháp kết hợp và điều khiển tín hiệu nhỏ 37 Chƣơng 4: 40 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỘ NGHỊCH LƢU TRONG MICROGRID 40 4.1 Giới thiệu các phƣơng pháp điều khiển thích nghi 40 4.1 Điều khiển điện áp thích nghi 40 4.2 Phƣơng pháp đồng bộ bù công suất phản kháng 42 4.3 Điều khiển độ trƣợt dựa trên đồng bộ hoạt động 43 4.4 Phƣơng pháp Droop control Q-V 44 4.5 Phƣơng pháp điều khiển dựa trên biến chung 45 4.2 Điều khiển thích nghi dùng trở kháng ảo kết hợp với thông tin liên lạc 46 4.3 Phân tích chế độ chia tải trong microgrid 48 4.1 Phân tích chia công suất tác dụng 48 4.2 Phân tích chia công suất phản kháng 52 4.4 Sơ đồ điều khiển droop đề xuất 55 4.2 Sơ đồ điểu khiển công suất P, Q 56 vi Chƣơng 5: 59 MÔ HÌNH MATLAB SIMULINK 59 5.1 Khối đo dòng điện 62 5.3 Khối đo công suất P và Q 63 5.2 Các khối điều khiển 64 5.1 Bộ điều khiển điện áp 64 5.2 Bộ điều khiển dòng điện 65 5.3 Khối chuyển đổi dq αβ 66 5.4 Khối tạo xung SVPWM 67 5.5 Khối Droop Control chia tải 68 Chƣơng 6: 69 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 69 6.1 Chế độ lƣới độc lập (Mode 0 và 1) 70 6.1 Trƣờng hợp 1- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 70 6.2 Trƣờng hợp 2- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 71 6.3 Trƣờng hợp 3- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s 72 6.4 Trƣờng hợp 4- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s 73 6.5 Trƣờng hợp 5- Tỷ lệ công suất P là 1:1:1, tỷ lệ công suất Q là 1:2:3, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s 75 6.2 Chế độ kết nối lƣới 76 6.1 Kết nối lƣới sau 3s, tần số lƣới 50Hz, tải không đổi, t = 6s 76 6.