Nghiên Cứu Điều Khiển Điện Áp và Tần Số trong Lưới Điện Phân Phối với Nguồn Phân Tán

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN MICROGRID

1.1. Tổng quan về cấu trúc Microgrid

1.2. Tổng quan về mô hình toán học Microgrid

1.3. Tổng quan phối hợp điều khiển trong Microgrid

1.3.1. Phân cấp điều khiển Microgrid

1.3.2. Điều khiển sơ cấp

1.3.3. Điều khiển thứ cấp

1.3.4. Điều khiển cấp 3

1.4. Kết luận chương 1

2. MÔ HÌNH DAO ĐỘNG NHỎ MICROGRID

2.1. Cơ sở toán học

2.1.1. Mô hình tuyến tính trong không gian trạng thái

2.1.2. Biến đổi trục tọa độ abc – dq

2.2. Mô hình dao động nhỏ máy phát điện đồng bộ

2.2.1. Phương trình máy điện theo hệ trục rotor

2.2.2. Mô hình trạng thái đầy đủ máy điện đồng bộ

2.3. Mô hình dao động nhỏ nguồn phân tán nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất - IBR

2.3.1. Cấu trúc bộ biến đổi công suất

2.3.2. Mô hình trung bình bộ biến đổi công suất

2.3.3. Chế độ nguồn dòng

2.4. Mô hình dao động nhỏ đường dây và phụ tải

2.4.1. Mô hình nhánh điện kháng

2.4.2. Mô hình phụ tải

2.5. Mô hình dao động nhỏ đầy đủ MG

2.6. Xác thực mô hình

2.6.1. Thông số sơ đồ mô hình lưới nghiên cứu

2.6.2. So sánh mô hình không gian trạng thái và mô hình trên Simcape

2.7. Phân tích mô hình dao động nhỏ MG

2.7.1. Phân tích trị riêng mô hình dao động nhỏ

2.7.2. Đáp ứng thời gian và tần số

2.8. Kết luận Chương 2

3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP

3.1. Đặc tính độ dốc P-ω và Q-V

3.2. Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn áp

3.3. Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn dòng

3.4. Mô hình bộ điều khiển tần số trong lưới

3.5. Mô hình bộ điều khiển điện áp trong lưới

3.6. Phân tích trị riêng và các đáp ứng của mô hình khi có mạch vòng điều khiển

3.6.1. Vòng điều khiển điện áp

3.6.2. Vòng điều khiển tần số

3.7. Phân tích độ nhạy và ảnh hưởng của thay đổi tham số điều khiển

3.7.1. Thay đổi công suất máy diesel

3.7.2. Thay đổi hệ số điều khiển của bộ PLL

3.7.3. Thay đổi hệ số khuếch đại mạch vòng điều khiển điện áp

3.7.4. Thay đổi công suất phát của máy IBR3

3.7.5. Ảnh hưởng của thông số bộ điều khiển độ dốc

3.7.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ X/R

3.8. Kết luận chương 3

4. ỔN ĐỊNH CỦA MICROGRID VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO

4.1. Ảnh hưởng của quán tính quay tới ổn định tĩnh hệ thống

4.1.1. Quán tính quay của máy phát đồng bộ

4.1.2. Quán tính ảo cho nguồn IBRs

4.2. Mô hình bộ điều khiển quán tính ảo bộ biến đổi nguồn áp dựa trên phương trình quay

4.2.1. Điều khiển công suất tác dụng có giả lập quán tính

4.2.2. Điều khiển công suất phản kháng

4.3. Mô hình dao động nhỏ Microgrid có xét tới bộ điều khiển VSG

4.3.1. Phân tích ổn định của mô hình

4.3.1.1. Phân tích trị riêng

4.3.1.2. Phân tích đáp ứng quán tính trong miền tần số và miền thời gian

4.4. Mô phỏng trong miền thời gian

4.5. Kết luận Chương 4

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Điều Khiển Điện Áp và Tần Số Microgrid

Xu hướng phát triển lưới điện gắn liền với các nguồn điện phân tán (DG) sử dụng năng lượng tái tạo. Nguồn DG có thể là năng lượng mặt trời, điện gió, khí tự nhiên, biogas. Các DG này được lắp đặt đơn lẻ hoặc tập trung thành tổ hợp công suất lớn. Điểm kết nối các DG với lưới thường thuộc lưới điện phân phối trung, hạ áp, nơi kết nối trực tiếp với phụ tải, những thay đổi trên DG ảnh hưởng trực tiếp tới phụ tải, do vậy cần có nghiên cứu và quy định kết nối DG với lưới điện. Mức độ tham gia của DG vào lưới điện ngày càng lớn, đóng góp một phần đáng kể, giúp giảm tải cho các nguồn năng lượng truyền thống. Khái niệm microgrid (MG) được đề xuất để mô tả hệ thống điện quy mô nhỏ, có đầy đủ các thành phần, bao gồm nguồn phát, đường dây truyền tải và phụ tải.

1.1. Cấu Trúc và Thành Phần Quan Trọng Của Microgrid

Microgrid (MG) bao gồm các nguồn phát (điện mặt trời, điện gió,...), hệ thống đường dây, và phụ tải. Các nguồn DG, đặc biệt nguồn điện dựa trên thiết bị biến đổi điện tử công suất (IBR), có những khác biệt căn bản về đặc tính động học so với máy điện đồng bộ. Hệ thống điều khiển điện tử công suất quyết định động học của nguồn IBR, khác biệt với máy điện truyền thống có quán tính lớn. Các thiết bị này có khả năng linh hoạt tùy biến để phối hợp trong quá trình vận hành, nâng cao ổn định của lưới điện.

1.2. Vai Trò và Ưu Điểm Của Microgrid Trong Hệ Thống Điện

Các cụm lưới điện quy mô nhỏ MG có các DG phối hợp, phụ tải điều khiển được và bộ lưu điện kết nối, có khả năng vận hành nối lưới hoặc độc lập. MG kết nối với lưới hệ thống thông qua thiết bị đóng cắt, chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ vận hành. Khả năng thay đổi chế độ vận hành của MG giúp đảm bảo độ tin cậy trong nội bộ MG và toàn hệ thống. Khi lưới hệ thống có sự cố nghiêm trọng, MG sẽ tách lưới hoạt động độc lập, duy trì điện áp và tần số trong MG hoàn toàn phụ thuộc vào các DG trong lưới.

II. Thách Thức Điều Khiển Điện Áp Tần Số Lưới Điện Phân Phối

Việc duy trì điện áp và tần số ổn định trong microgrid (MG) gặp nhiều thách thức. Khác với lưới điện truyền thống, MG có quán tính nhỏ, chủ yếu dựa vào các thiết bị điện tử công suất. Do đó, vấn đề ổn định tần số trở nên đặc biệt quan trọng. Tỉ lệ X/R thấp trong lưới điện hạ áp, trung áp cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền tải công suất. Nguồn sơ cấp trong MG chủ yếu là năng lượng tái tạo, có tính liên tục không cao. Sự đa dạng trong công nghệ của các DG cũng gây khó khăn trong quá trình điều khiển điện áp và điều khiển tần số.

2.1. Ảnh Hưởng Của Quán Tính Nhỏ Đến Ổn Định Tần Số Microgrid

Trong lưới truyền thống, khả năng cân bằng công suất và duy trì tần số dựa trên quán tính quay của máy điện đồng bộ. Tuy nhiên, thiết bị phát chủ yếu trong MG là thiết bị điện tử công suất có quán tính nhỏ. Vì vậy, vấn đề ổn định tần số trở nên đặc biệt quan trọng với các MG có nguồn không đồng bộ. Quán tính nhỏ cũng làm ảnh hưởng đến các dao động điện áp, làm phức tạp hơn quá trình động học của lưới điện. Điều này đòi hỏi các phương pháp điều khiển tần số hiệu quả.

2.2. Tương Tác Giữa Điều Khiển Điện Áp và Tần Số Trong Microgrid

Báo cáo của nhóm nghiên cứu IEEE về mô hình hóa và điều khiển MG năm 2018 tóm lược một số vấn đề căn bản: Tỉ số X/R thấp dẫn đến sự tương tác mạnh giữa vòng điều khiển tần số và điều khiển điện áp. Sự thiếu hụt nguồn đồng bộ dẫn đến quán tính của lưới rất yếu, dễ dẫn đến các vấn đề về ổn định điện áp. Sự xuất hiện các quá trình động học và các dạng ổn định mới, liên quan đến các bộ điều khiển khóa pha (PLL), và các dạng ổn định liên quan đến cộng hưởng sóng hài.

2.3. Tính Liên Tục Không Cao Của Nguồn Năng Lượng Tái Tạo Ảnh Hưởng Đến Điều Khiển

Nguồn sơ cấp trong MG chủ yếu là nguồn năng lượng tái tạo có tính liên tục không cao nên cũng ảnh hưởng tới công tác điều khiển vận hành MG. Thêm nữa, sự đa dạng trong công nghệ của các DG cũng gây ra sự khó khăn trong quá trình điều khiển vận hành MG.

III. Cách Xây Dựng Mô Hình Dao Động Nhỏ Cho Lưới Điện Phân Phối

Mô hình tín hiệu nhỏ là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong phân tích ổn định và điều khiển các hệ thống điện lớn. Mô hình này dựa trên giả thiết quá trình động học phi tuyến của hệ thống điện có thể được mô tả xấp xỉ bằng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Cách tiếp cận tương tự cũng được áp dụng cho phân tích ổn định của các MG. Ưu điểm của phương pháp sử dụng mô hình tuyến tính quanh điểm làm việc là cho phép quan sát được toàn bộ các nghiệm riêng, đặc trưng cho các quá trình động học trong các phần tử của lưới, sự tương tác giữa các phần tử.

3.1. Ưu Điểm Của Mô Hình Tuyến Tính Hóa Trong Phân Tích Ổn Định

Ưu điểm của phương pháp sử dụng mô hình tuyến tính quanh điểm làm việc là cho phép quan sát được toàn bộ các nghiệm riêng, đặc trưng cho các quá trình động học trong các phần tử của lưới, sự tương tác giữa các phần tử. Nhược điểm của phương pháp này là mô hình tính toán phức tạp, yêu cầu có được mô hình giải tích của tất cả các phần tử trong lưới điện và tham số của chúng.

3.2. Tính Đến Quá Trình Quá Độ RLC Trong Mô Hình Dao Động Nhỏ

Đối với MG, tần số của các dao động riêng cao hơn nhiều các tần số dao động điện-cơ trong lưới điện truyền thống. Vì vậy quá trình quá độ trong các mạch RLC của lưới điện cần được xét đến, làm tăng thêm tính phức tạp của phương pháp này. Mặc dù vậy, mô hình tuyến tính hóa vẫn có những ưu điểm nổi bật, như cho phép đánh giá được cấu trúc của các quá trình động học, ảnh hưởng của các tín hiệu vào và ra đối với các nghiệm riêng cụ thể, khảo sát tính bền vững của hệ thống khi có thay đổi của tham số và chế độ làm việc.

IV. Ổn Định Microgrid Bằng Điều Khiển Máy Phát Đồng Bộ Ảo VSG

Một phương pháp để cải thiện ổn định tần số trong microgrid (MG) là sử dụng máy phát đồng bộ ảo (VSG). VSG mô phỏng quán tính của máy phát đồng bộ truyền thống trong các bộ biến đổi điện tử công suất, giúp tăng quán tính ảo cho hệ thống. Điều này giúp giảm tốc độ biến thiên tần số (ROCOF) và cải thiện khả năng đáp ứng với các biến động công suất. Điều khiển VSG có thể được thực hiện bằng cách mô phỏng các phương trình động học của máy phát đồng bộ.

4.1. Cơ Chế Hoạt Động Của Máy Phát Đồng Bộ Ảo VSG Trong Microgrid

VSG mô phỏng quán tính của máy phát đồng bộ truyền thống trong các bộ biến đổi điện tử công suất, giúp tăng quán tính ảo cho hệ thống. Điều này giúp giảm tốc độ biến thiên tần số (ROCOF) và cải thiện khả năng đáp ứng với các biến động công suất.

4.2. Lợi Ích Của VSG Trong Việc Cải Thiện Ổn Định Tần Số

Việc sử dụng VSG trong MG có thể cải thiện đáng kể khả năng duy trì ổn định tần số khi có sự thay đổi đột ngột về phụ tải hoặc công suất phát từ các nguồn năng lượng tái tạo. VSG cung cấp quán tính ảo, giúp làm chậm quá trình thay đổi tần số và tạo thời gian cho các bộ điều khiển khác hoạt động.

V. Phân Tích Độ Nhạy Tham Số Điều Khiển Điện Áp và Tần Số

Việc phân tích độ nhạy của các tham số điều khiển là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và ổn định của microgrid (MG). Các tham số điều khiển như hệ số khuếch đại của bộ điều khiển điện áp và tần số, công suất của các nguồn DG, và tỷ lệ X/R của lưới điện có thể ảnh hưởng đáng kể đến các nghiệm riêng của hệ thống. Phân tích độ nhạy giúp xác định các tham số quan trọng và tối ưu hóa chúng để đạt được hiệu suất tốt nhất.

5.1. Ảnh Hưởng Của Hệ Số Khuếch Đại Đến Ổn Định Hệ Thống

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển điện áp và điều khiển tần số có thể ảnh hưởng đến vị trí của các nghiệm riêng của hệ thống. Tăng hệ số khuếch đại có thể cải thiện tốc độ đáp ứng nhưng cũng có thể dẫn đến dao động hoặc mất ổn định nếu không được điều chỉnh đúng cách.

5.2. Tối Ưu Hóa Tham Số Để Đạt Hiệu Suất Điều Khiển Tốt Nhất

Phân tích độ nhạy giúp xác định các tham số quan trọng và tối ưu hóa chúng để đạt được hiệu suất tốt nhất. Ví dụ, việc điều chỉnh công suất của các nguồn DG hoặc thay đổi tỷ lệ X/R của lưới điện có thể cải thiện ổn định điện áp và ổn định tần số.

VI. Triển Vọng Phát Triển Điều Khiển Điện Áp và Tần Số Microgrid

Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong microgrid (MG) vẫn là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các hướng phát triển bao gồm ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để điều khiển tự động, phát triển các thuật toán điều khiển phân cấp và phi tập trung, và tích hợp các hệ thống lưu trữ năng lượng để cải thiện ổn định và tin cậy của MG. Việc phát triển các tiêu chuẩn và quy định cho MG cũng rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả của hệ thống.

6.1. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Trong Điều Khiển Tự Động Microgrid

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để điều khiển tự động là một hướng phát triển đầy hứa hẹn. AI có thể được sử dụng để dự đoán nhu cầu phụ tải, tối ưu hóa việc phân phối công suất giữa các nguồn DG, và phát hiện và xử lý các sự cố trong MG một cách nhanh chóng và hiệu quả.

6.2. Tích Hợp Hệ Thống Lưu Trữ Năng Lượng Để Cải Thiện Độ Tin Cậy

Tích hợp các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) là một giải pháp hiệu quả để cải thiện ổn định điện áp và ổn định tần số trong MG. ESS có thể cung cấp công suất bổ sung khi cần thiết, giúp cân bằng cung cầu và giảm thiểu ảnh hưởng của các biến động từ các nguồn năng lượng tái tạo.

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ NGUỒN PHÂN TÁN