Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, việc giảm phát thải khí nhà kính trở thành ưu tiên hàng đầu. Ở Việt Nam, tỷ trọng năng lượng tái tạo (NLTT) trong tổng công suất phát điện đã đạt khoảng 11%, phản ánh xu hướng chuyển đổi mạnh mẽ từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng sạch. Tuy nhiên, sự phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết và đặc tính không có quán tính của các nguồn NLTT giao tiếp qua bộ biến tần (NBT) đã đặt ra thách thức lớn trong việc duy trì ổn định hệ thống điện, đặc biệt là trong các lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG).

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển máy điện đồng bộ ảo (Virtual Synchronous Generator - VSG) theo mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ (Synchronverter) kết hợp bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) và bộ lọc LLCL nhằm cải thiện đáp ứng tần số, công suất và giảm sóng hài trong MG. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các kịch bản vận hành nối lưới và tách lưới, với mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink, nhằm đánh giá hiệu quả của giải thuật điều khiển đề xuất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tính ổn định và hiệu quả vận hành của hệ thống điện tích hợp NLTT, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các chỉ số đánh giá như đáp ứng tần số, công suất tác dụng, tổng độ méo dạng sóng hài (THD) được sử dụng làm metrics chính để đo lường hiệu quả giải pháp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ (Synchronverter): Đây là mô hình máy điện đồng bộ ảo, mô phỏng đặc tính quán tính và đáp ứng tần số-công suất của máy phát đồng bộ truyền thống. Mô hình bao gồm các vòng điều khiển công suất tác dụng (APL) và công suất phản kháng (RPL), kết hợp khâu đệm dao động tích cực (Active Damping Loop - ADL) để cải thiện đáp ứng quá độ và ổn định hệ thống.

  2. Bộ điều khiển logic mờ (FLC): FLC được áp dụng để điều chỉnh thích nghi các tham số quán tính ảo (Jg) và độ dốc (Dp) trong mô hình Synchronverter, dựa trên đầu vào là độ lệch tần số và tốc độ thay đổi độ lệch tần số. Phương pháp này giúp tối ưu hóa đáp ứng hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: quán tính ảo, độ dốc tần số-công suất (droop control), bộ lọc LLCL, tổng độ méo dạng sóng hài (THD), và điều khiển tạo lưới (Grid Forming Control).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink, sử dụng mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ kết hợp bộ lọc LLCL và giải thuật điều khiển FLC đề xuất. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các kịch bản vận hành nối lưới và tách lưới, với các sự kiện như sự cố ba pha và tăng tải đột ngột.

Phương pháp phân tích tập trung vào so sánh đáp ứng tần số, công suất tác dụng, các tham số điều khiển (quán tính ảo và độ dốc), cũng như phân tích sóng hài qua chỉ số THD. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2023, bao gồm giai đoạn thiết kế, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cải thiện đáp ứng tần số và công suất tác dụng: Mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL với giải thuật điều khiển FLC cho thấy đáp ứng tần số và công suất tác dụng ổn định trong các kịch bản vận hành tách lưới, với thời gian ổn định nhanh hơn so với mô hình truyền thống. Ví dụ, khi phụ tải tăng 30% công suất định mức, hệ thống vẫn duy trì tần số ổn định và công suất phát liên tục.

  2. Điều chỉnh thích nghi tham số điều khiển: FLC hiệu quả trong việc tính toán giá trị quán tính ảo (Jg) và độ dốc (Dp) phù hợp với từng trạng thái vận hành, giúp giảm dao động và tăng tính ổn định. Các tham số này được điều chỉnh linh hoạt trong khoảng thời gian mô phỏng, đảm bảo đáp ứng tối ưu.

  3. Giảm sóng hài với bộ lọc LLCL: So với bộ lọc LCL truyền thống, bộ lọc LLCL giảm đáng kể điện cảm phía lưới (giảm từ 3.6 mH xuống 0.64 mH), đồng thời giảm tổn thất công suất nhờ điện trở đệm thấp hơn. Kết quả mô phỏng cho thấy THD của dòng điện và điện áp đầu ra giảm rõ rệt, đáp ứng tiêu chuẩn IEEE 519-2014.

  4. Ổn định vận hành trong sự cố: Trong kịch bản sự cố ba pha kéo dài 200 ms, hệ thống với giải thuật điều khiển đề xuất duy trì được sự ổn định, không xảy ra mất đồng bộ hay mất điện, thể hiện khả năng tự đồng bộ và đáp ứng quán tính ảo hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện hiệu suất là do việc áp dụng FLC cho phép điều chỉnh tham số quán tính ảo và độ dốc một cách thích nghi, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế, thay vì sử dụng các giá trị cố định như trong các nghiên cứu trước đây. Bộ lọc LLCL với cấu trúc bổ sung cuộn cảm giúp giảm sóng hài tần số cao hiệu quả hơn, đồng thời giảm kích thước và tổn thất so với bộ lọc LCL.

So sánh với các nghiên cứu trước, giải thuật điều khiển đề xuất khắc phục được hạn chế về điều chỉnh tham số cố định và chỉ tập trung vào một tham số duy nhất. Kết quả mô phỏng minh họa qua biểu đồ đáp ứng tần số, công suất và THD cho thấy sự vượt trội rõ rệt.

Ý nghĩa của nghiên cứu là mở ra hướng phát triển các hệ thống điều khiển máy điện đồng bộ ảo linh hoạt, thích nghi cao, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành của Microgrid và hệ thống điện tích hợp NLTT.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng FLC trong điều khiển máy điện đồng bộ ảo: Khuyến nghị các nhà phát triển hệ thống Microgrid áp dụng giải thuật điều khiển logic mờ để điều chỉnh tham số quán tính ảo và độ dốc, nhằm cải thiện đáp ứng tần số và công suất trong các điều kiện vận hành đa dạng. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6-12 tháng.

  2. Sử dụng bộ lọc LLCL thay thế bộ lọc LCL truyền thống: Đề xuất các đơn vị vận hành và thiết kế hệ thống điện tích hợp NLTT áp dụng bộ lọc LLCL để giảm sóng hài và tổn thất, đồng thời giảm kích thước thiết bị. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất biến tần và đơn vị thiết kế hệ thống.

  3. Nâng cao khả năng tự đồng bộ và ổn định trong sự cố: Khuyến nghị tích hợp các giải thuật điều khiển thích nghi vào các thiết bị biến tần trong Microgrid để đảm bảo vận hành ổn định khi xảy ra sự cố mất nguồn hoặc tăng tải đột ngột. Thời gian triển khai có thể từ 1-2 năm, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp.

  4. Phát triển nghiên cứu mở rộng về điều khiển công suất phản kháng: Đề xuất nghiên cứu tiếp theo tập trung vào áp dụng FLC hoặc các phương pháp điều khiển thích nghi cho vòng điều khiển công suất phản kháng (RPL) nhằm nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp đầu cực. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình máy điện đồng bộ ảo, điều khiển logic mờ và thiết kế bộ lọc LLCL, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống Microgrid: Các kỹ sư có thể áp dụng giải thuật điều khiển và thiết kế bộ lọc trong thực tế để nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống điện phân tán tích hợp NLTT.

  3. Doanh nghiệp sản xuất biến tần và thiết bị điện: Thông tin về bộ lọc LLCL và giải thuật điều khiển thích nghi giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển Microgrid và tích hợp NLTT bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy điện đồng bộ ảo là gì và tại sao cần thiết trong Microgrid?
    Máy điện đồng bộ ảo (VSG) là mô hình điều khiển biến tần mô phỏng đặc tính quán tính và đáp ứng tần số-công suất của máy phát đồng bộ truyền thống. Nó giúp tăng tính ổn định và khả năng tự đồng bộ trong hệ thống Microgrid, đặc biệt khi tỷ lệ NLTT cao và quán tính hệ thống thấp.

  2. Bộ lọc LLCL có ưu điểm gì so với bộ lọc LCL truyền thống?
    Bộ lọc LLCL bổ sung một cuộn cảm trong nhánh lọc tụ điện, giúp giảm sóng hài tần số cao hiệu quả hơn, giảm điện cảm phía lưới, giảm tổn thất và kích thước thiết bị so với bộ lọc LCL, từ đó nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra.

  3. Tại sao sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC) trong điều khiển máy điện đồng bộ ảo?
    FLC cho phép điều chỉnh thích nghi các tham số quán tính ảo và độ dốc dựa trên biến đầu vào như độ lệch tần số và tốc độ thay đổi tần số, giúp hệ thống phản ứng linh hoạt và tối ưu trong các điều kiện vận hành khác nhau mà không cần mô hình toán học phức tạp.

  4. Giải thuật điều khiển đề xuất có thể áp dụng trong thực tế như thế nào?
    Giải thuật có thể được tích hợp vào phần mềm điều khiển biến tần trong Microgrid, giúp tự động điều chỉnh tham số điều khiển theo điều kiện vận hành thực tế, nâng cao độ ổn định và giảm thiểu sự cố mất điện.

  5. Các kết quả mô phỏng có thể được trình bày như thế nào để minh họa hiệu quả?
    Kết quả có thể trình bày qua biểu đồ đáp ứng tần số và công suất tác dụng theo thời gian, biểu đồ thay đổi tham số quán tính ảo và độ dốc, cũng như bảng so sánh chỉ số THD giữa bộ lọc LLCL và LCL trong các kịch bản vận hành nối lưới và tách lưới.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công giải thuật điều khiển máy điện đồng bộ ảo theo mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ kết hợp bộ điều khiển logic mờ và bộ lọc LLCL, cải thiện đáng kể đáp ứng tần số, công suất và giảm sóng hài trong Microgrid.
  • Việc điều chỉnh thích nghi tham số quán tính ảo và độ dốc giúp hệ thống vận hành ổn định trong các kịch bản nối lưới, tách lưới và sự cố.
  • Bộ lọc LLCL thể hiện hiệu quả vượt trội so với bộ lọc LCL truyền thống về giảm sóng hài và tổn thất.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống điều khiển biến tần linh hoạt, thích nghi cao, phù hợp với xu hướng tích hợp NLTT ngày càng tăng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu điều khiển công suất phản kháng, thử nghiệm thực tế và phát triển sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và Microgrid nên tiếp cận và ứng dụng các giải pháp điều khiển đề xuất để nâng cao hiệu quả và độ ổn định hệ thống điện trong tương lai.