Chương 1 cũng tiến hành tổng quan các nghiên cứu liên quan phối hợp điều khiển trong MG bao gồm các phân cấp điều khiển và một số cấu trúc hệ thống điều khiển. Chương 2: Mô hình dao động nhỏ microgrid Nội dung chương 2 là xây dựng mô hình dao động nhỏ MG với các nguồn đặc trưng bao gồm máy phát điện đồng bộ, các nguồn nối lưới thông qua các bộ biến đổi công suất, đường dây truyền tải và các phụ tải điện. Trên cơ sở mô hình được xây dựng và xác thực với mô hình trên Simcape, chương 2 cũng đã tiến hành phân tích mô hình bao gồm phân tích trị riêng cũng như các đáp ứng mô hình trong miền thời gian và miền tần số. Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển tần số và điện áp Dựa trên mô hình đối tượng MG được xây dựng trong Chương 2, Chương 3 tiến hành xây dựng các bộ điều khiển tần số và điện áp và kiểm tra các đáp ứng của đối tượng với bộ điều khiển, khảo sát ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến tính ổn định của MG.
Chương 4: Ổn định của microgrid với phương pháp điều khiển dựa trên máy phát đồng bộ ảo Nội dung chương 4 tiến hành nghiên cứu về phương pháp quán tính ảo nhằm gia tăng quán tính lưới thông qua bộ điều khiển máy phát đồng bộ ảo gắn trên các bộ IBRs nguồn áp. Chương 4 cũng tiến hành phân tích, hiệu chỉnh bộ điều khiển máy phát đồng bộ ảo nhằm đưa các thông số lưới, đặc biệt là tần số trong giới hạn cho phép trong trường hợp các biến động công suất xuất hiện. Nội dung cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển của luận án, tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố và phần phụ lục. TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN MICROGRID Vấn đề điều khiển điện áp và tần số trong MG đã được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt trong những năm gần đây khi xu hướng tích hợp nguồn phân tán và tải địa phương hình thành MG ngày càng trở nên phổ biến.
Các nghiên cứu tập trung vào một số vấn đề xây dựng mô hình toán học của MG, các phương pháp điều khiển tần số và điện áp và lập kế hoạch vận hành lưới trong các kịch bản khác nhau.1 Tổng quan về cấu trúc Microgrid Sự gia tăng mức độ tham gia của các nguồn điện phân tán như điện gió, điện mặt trời trong những năm gần đây giúp cải thiện chỉ tiêu độ tin cậy trong hệ thống điện [8][9][10]. Tuy nhiên, quá trình điều khiển và vận hành các DG, chủ yếu là nguồn phát đồng bộ công suất nhỏ hoặc được nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất, mang nhiều đặc điểm khác biệt với nguồn phát truyền thống. Theo đó, xu hướng hình thành MG từ việc kết nối các DG và phụ tải địa phương có khả năng hoạt động trong cả hai chế độ nối lưới và tách lưới giúp tăng sự hiệu quả hoạt động của các DG cũng như chỉ tiêu độ tin cậy toàn hệ thống [11][12]. Cấu trúc điển hình của một MG được thể hiện trong Hình 1-1.
Hình 1-1 Cấu trúc điển hình MG. 6 Có nhiều định nghĩa về MG, tuy nhiên cách diễn giải trong [8] là đầy đủ, khoa học và có nhiều điểm chung với các tài liệu công bố khác. Theo đó, “Microgrid được định nghĩa là một mạng lưới cung cấp điện và nhiệt quy mô nhỏ, điện áp thấp, thiết kế để cung cấp điện và nhiệt cho các cộng đồng nhỏ: các khu dân cư ngoại ô, như trường đại học hoặc trường học, khu vực thương mại, khu công nghiệp, khu thương mại, hoặc khu vực đô thị. Microgrid hoạt động như một mạng lưới phân phối chủ động2, bao gồm các hệ thống phát điện phân tán (DG) và các phụ tải.
Các máy phát hoặc nguồn trong một microgrid thường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo hoặc phi truyền thống và được tích hợp để vận hành, đảm bảo chất lượng điện và đáp ứng nhu cầu năng lượng tại chỗ như một thực thể độc lập. Các thiết bị điện tử công suất đóng vai trò thiết yếu vì chúng tạo ra khả năng vận hành linh hoạt, đảm bảo các thông số vận hành. Sự linh hoạt cũng giúp cho nhiều nguồn PEI có thể phối hợp với nhau, khiến cho MG tham gia vào lưới điện như một thể thống nhất, .” Điều khiển và vận hành MG có những khác biệt so với lưới truyền thống. Trong chế độ nối lưới, điện áp và tần số phụ thuộc nhiều vào lưới hệ thống.
Tuy nhiên, khi tách lưới, điện áp và đặc biệt là tần số được quyết định bởi quan hệ công suất trong nội bộ MG [15]. Điều chỉnh phân bố công suất giữa các DG cũng như điện áp tại mỗi đầu cực được thực hiện bởi bộ điều khiển của các DG. Theo đó, nghiên cứu [16][17] đề xuất DG kết nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất có thể vận hành ở chế độ nguồn dòng CSI hoặc chế độ nguồn áp VSI. Trong chế độ tách lưới, bộ biến đổi VSI đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định dao động nhỏ trong MG khi không có sự tham gia của lưới hệ thống.
Tuy nhiên, cách thức tham gia giữ ổn định điện áp và tần số lưới với thiết bị điện tử công suất có quán tính nhỏ khác với cách tiếp cận của máy phát đồng bộ trong lưới truyền thống. Một số mô hình dao động MG được đề xuất trong [18][19][20]. Trong [19], mô hình dao động MG với mô hình trung tâm là các bộ VSI chịu ảnh hưởng từ sự thay đổi giá trị đặt của tần số được đề xuất trong chế độ tách lưới. Tuy nhiên, mô hình này chưa đề cập tới DG là máy điện đồng bộ.
Mô hình được đề xuất trong [20] dựa trên sự đồng bộ các mô hình phân tử trong hệ trục tọa độ quay vuông góc dq. Việc kết nối 2 Thuật ngữ: “active distribution network” 7 các mô hình phần tử dựa trên các phương trình cân bằng điện áp tại các nút trong lưới nên gặp nhiều khó khăn khi số lượng nút trong lưới lớn.2 Tổng quan về mô hình toán học Microgrid Theo lý thuyết về ổn định và điều khiển ổn định các hệ thống điện [21][22], mô hình dao động nhỏ phản ánh chính xác các quá trình động học đóng vai trò quan trọng trong phân tích ổn định và điều khiển các hệ thống điện. Đối với MG, bài toán điều khiển tần số và điện áp được đặt ra với nhiều ràng buộc mới. Các phần tử phát chủ yếu là máy phát đồng bộ công suất nhỏ hoặc các bộ biến đổi điện tử công suất, các phần tử phát này có quán tính nhỏ.
Do vậy, quá trình duy trì ổn định lưới dựa trên quán tính lớn của nguồn phát không còn hiệu quả. Khi phân tích ổn định dao động nhỏ trong hệ thống điện truyền thống, hằng số thời gian của các dao động điện cơ lớn hơn rất nhiều hằng số thời gian quá trình quá độ trên lưới. Do vậy, các phân tích ổn định này bỏ qua các quá trình quá độ trên lưới [22]. Đối với MG, do tồn tại nhiều quá trình động học ở tần số dao động cao, nếu bỏ qua quá trình quá độ trên lưới sẽ gây ra nhiều sai số [18].
Vì vậy việc xây dựng một mô hình toán học đầy đủ nhằm phân tích ổn định MG có xét tới dao động quá độ trên lưới là rất cần thiết [23][24][25]. Trong các nghiên cứu về mô hình toán học của microgrid, mô hình dao động nhỏ dựa trên biến đổi dq được sử dụng phổ biến. Cách tiếp cận này có nhiều ưu điểm [24]: cho phép khử các đại lượng biến thiên theo thời gian bằng phép biến đổi từ hệ trục abc sang hệ dq; cho phép kết hợp nhiều mô hình máy phát bằng phép chuyển đổi các hệ dq đơn lẻ sang hệ tọa độ quay chung (DQ); Dễ dàng kết hợp mô hình của các nguồn phân tán IBR với mô hình của máy điện đồng bộ (cũng được mô tả trên hệ tọa độ dq). Tuy nhiên, mô hình dựa trên phép biến đổi này cũng có một số hạn chế nhất định: không cho phép nghiên cứu các hiện tượng không đối xứng; không phù hợp để nghiên cứu các ảnh hưởng của sóng hài3.
Nghiên cứu [26] đã tiến hành xây dựng mô hình đầy đủ cho một MG ở chế độ tách lưới với 4 DGs và 4 phụ tải tương ứng. Các DG trong MG được nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất. Nghiên cứu chia MG thành 3 mô hình độc lập: mô hình các nguồn nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất IBRs, mô hình lưới và mô hình các phụ tải. Với mô hình dao động nhỏ của các IBRs nghiên cứu tiến hành tuyến tính hóa các thành phần của IBR bao gồm bộ điều khiển công suất, bộ điều khiển điện áp, bộ điều khiển dòng điện và mạch lọc LC.
Nghiên cứu [27] xây dựng mô hình đơn lẻ của IBR, mạch lọc LCL, bộ điều khiển IBR và lưới điện của MG trong chế độ nối lưới. Các mô hình được đồng bộ bằng cách sử dụng hệ trục tọa độ vuông góc dq, nghiên cứu đã đưa ra cách thức chuyển hệ trục tọa độ địa phương dqn của mỗi IBR và bộ điều khiển IBR về hệ trục tọa độ chung 3 Do toàn bộ động học được mô tả trên hệ tọa độ quay với một tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz) 8 dqg. Nghiên cứu cũng đã được xác thực thông qua mô phỏng trên phần mềm PSCAD/EMTDC với lưới nghiên cứu được đề xuất bởi CERTS MG Test Bed [28]. Tuy nhiên, mô hình do nghiên cứu này đề xuất chưa đề cập đến một số phần tử có thể xuất hiện trong MG như máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ và phụ tải.
Trong nghiên cứu [29] tác giả tập trung xây dựng mô hình đơn lẻ của IBR. Nghiên cứu chỉ ra những điểm tương tự trong việc xây dựng mô hình giữa các máy điện quay và các IBRs. IBR bao gồm chức năng khóa pha và các vòng lặp điều khiển bên trong. Cụ thể, các phần tử vòng điều khiển dòng điện bên trong, vòng điều chỉnh công suất bên ngoài, khâu đo lường công suất trung bình và vòng khóa pha PLL.
Mô hình IBR được xây dựng dựa trên mô hình của từng phần tử và được tổng hợp lại. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra tương đối phương pháp xây dựng mô hình trạng thái cho IBR. Kết quả nghiên cứu cũng được kiểm nghiệm dựa trên mô phỏng trên phần mềm PLECS/Simulink. Nghiên cứu cứu [18] trình bày một phương pháp xây dựng mô hình trạng thái cho MG một cách có hệ thống.