CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Cơ sở và động lực nghiên cứu Vấn đề nóng lên toàn cầu do phát thải khí nhà kính đang là bài toán tuy có lời giải nhưng việc thực hiện vô cùng khó khăn. Tuy nhiên, việc chuyển đổi việc sản xuất điện năng từ nhiên liệu hóa thạch sang NLTT hiện đang là cách giải quyết nhanh chóng và mạnh mẽ nhất. Ở Việt Nam, cơ cấu nguồn NLTT chiếm tỷ trọng khoảng 11. Có thể thấy việc chuyển dần sang NLTT ở Việt Nam cũng như nhiều quốc gia có thể giúp hạn chế tác động của biến đổi khí hậu trong tương lai tuy nhiên lại đặt ra một thách thức rất lớn trong vận hành hệ thống chính là việc giảm quán tính đáng kể có thể dẫn đến mất ổn định.
Sa thải phụ tải nhiều hơn với lượng công suất lớn hơn để đảm bảo an toàn hệ thống. Vấn đề tương tự cũng đặt ra trong vận hành Microgrid (MG). Microgrid với bản chất là một hệ thống điện thu nhỏ với cơ cấu nguồn phân tán được đặt rất gần đến tâm phụ tải. Các nguồn phân tán trong MG chủ yếu đến từ các nguồn năng lượng tái tạo giao tiếp qua biến tần như nguồn quang điện (PV power), hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) và máy phát Diesel.
Với ưu điểm tận dụng nguồn phân tán, việc cung cấp xây dựng hệ thống truyền tải và quản lý tổn thất, năng lượng bên trong MG sẽ hiệu quả hơn rất nhiều so với lưới điện truyền thống [55,56]. Mặt khác với hai chế độ vận hành, một là vận hành nối lưới (Grid connected mode) hệ thống điện lớn MG sẽ được cung cấp và đảm bảo tính ổn định cao về mặt nguồn công suất đến từ lưới, lúc này các NBT sẽ hoạt động trong chế độ bám lưới và phát tối đa công suất. Chế độ thứ hai là tách lưới vận hành độc lập (Island mode), lúc này cần có các nguồn nhất định đóng vai trò tạo lưới như nguồn Diesel hoặc BESS do các nguồn này có tính chủ động về năng lượng sơ cấp cao hơn nhiều so với các NBT còn lại vốn mang tính bất định cao do phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết [55,56,58]. Đồng thời khi vận hành ở chế độ tách lưới, MG nhạy cảm hơn với các sự kiện làm thay đổi tần số đột ngột như: sự cố mất nguồn lớn, tăng tải lớn nằm ngoài dự báo hoặc sự cố ngắn mạch, Trang 1 ….
Nguyên nhân do tách lưới cộng với các NBT có mức quán tính rất thấp hoặc gần như bằng không dẫn đến mức quán tính của MG lúc này giảm rất thấp. Với vấn đề đặt ra về tính ổn định của hệ thống điện nói chung và MG nói riêng khi tích hợp cao các NBT làm suy giảm mức quán tính chung, việc cần thiết phải có giải pháp điều khiển các NBT tham gia vào việc nâng mức quán tính chung đồng thời có đáp ứng hỗ trợ hoặc tăng cường tính ổn định. Trong các hướng nghiên cứu đã đang được tiến hành, việc “chuyển” các đặc tính của máy điện đồng bộ vào các NBT thông qua phương pháp điều khiển chung gọi là “máy điện đồng bộ ảo” đang là một hướng nghiên cứu, ứng dụng đầy tiềm năng. Đây chính là điều thúc đẩy hướng nghiên cứu của Luận văn.
Nhà máy điện lớn Lưới truyền tải Lưới phân phối Phụ tải Hình 1.1 Sự chuyển đổi cấu trúc lưới điện từ dạng xuyên suốt sang dạng lưới (mesh) do nguồn phát điện phân tán 1.2 Mục tiêu của Luận văn và định hướng trình bày Luận văn bao gồm các mục tiêu chính như sau: Trang 2 • Nghiên cứu các mô hình máy điện đồng bộ ảo cùng với các phương pháp điều khiển và ứng dụng trong hệ thống điện, và trong Microgrid. • Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ (FLC) kết hợp bộ lọc LLCL vào máy điện đồng bộ ảo dựa trên mô hình Synchronverter nhằm đạt được cải tiến về đáp ứng so với công trình đã công bố. • Thực hiện các mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả nhằm kiểm chứng hệ thống đề xuất. Định hướng: • Hiểu cách thức xây dựng hệ thống điều khiển NBT mô phỏng các đặc tính của máy điện đồng bộ trong các mô hình máy điện đồng bộ ảo (VSG và Synchronverter) đã được công bố.
• Tìm hiểu các kiến thức liên quan cho giải thuật điều khiển công bố trong Luận văn về bộ điều khiển mờ và thiết kế bộ lọc LLCL ứng dụng vào mô hình máy điện đồng bộ ảo – Synchronverter. • Lựa chọn các thông số cho hệ thống và thực hiện các mô phỏng từ đó hiệu chỉnh lại các thông số điều khiển. Đồng thời so sánh đánh giá đáp ứng của hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ – bộ lọc LLCL áp dụng giải thuật đề xuất so với phương pháp truyền thống đã được công bố. • Bàn luận các kết quả mô phỏng từ đó rút ra hạn chế cần khắc phục và hướng nghiên cứu trong tương lai.3 Sơ lược về Luận văn Phần Tổng quan trình bày về các vấn đề khi tích hợp các nguồn phân tán giao tiếp qua biến tần (trong Microgrid) hoặc các nguồn năng lượng tái tạo tỷ trọng cao vào hệ thống điện từ đó dẫn đến định hướng nghiên cứu về mô hình máy điện đồng bộ ảo trong Luận văn.
Ngoài ra các mục tiếu chính và định hướng thực hiện của Luận văn cũng được trình bày. Trang 3 Chương 2 sẽ tập trung vào tìm hiểu các mô hình, hệ thống điều khiển và ứng dụng liên quan của máy điện đồng bộ ảo đã được công bố. Cuối Chương 2 sẽ trình bày nhận xét về các điểm/nội dung mà các công trình nghiên cứu chưa đề cập từ đó trình bày ý tưởng xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ thống máy điện đồng bộ ảo theo mô hình Bộ nghịch lưu đồng bộ – Synchronverter kết hợp bộ lọc LLCL đề xuất trong Luận văn. Với định hướng về giải thuật điều khiển sẽ được đề xuất nghiên cứu trong Luận văn, Chương 3 sẽ trình bày các khái niệm và cách triển khai bộ điều khiển mờ cùng với quy trình thiết kế và ưu điểm của bộ lọc LLCL.
Sau đó sẽ tiến hành thiết kế các thông số liên quan cho giải thuật đề xuất điều khiển hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL. Tiếp đến các kịch bản mô phỏng nhằm khảo sát đánh giá đáp ứng của mô hình máy điện đồng bộ ảo được đề xuất sẽ được trình bày trong Chương 4. Ngoài ra thông qua các kết quả mô phỏng, các hạn chế cần cải thiện của giải thuật đề xuất cho hệ thống Bộ nghịch lưu đồng bộ - bộ lọc LLCL sẽ được trình bày. Cuối cùng Chương 5 sẽ đưa các nhận xét tổng kết nội dung đã thực hiện của Luận văn, các hạn chế cần khắc phục và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Trang 4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan Chuyển đổi sang năng lượng tái tạo là cách giảm lượng khí thải nhà kính sinh ra trong phát điện đã và đang được nhiều quốc gia áp dụng. Việt Nam là một trong những quốc gia hàng đầu phát triển và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện, lên tới 11,2% tổng công suất phát [1,63]. Sự tích hợp này sẽ mang lại kết quả tích cực nhằm giảm bớt sự nóng lên toàn cầu. Tuy nhiên, sự bất định và phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết của nguồn phát NLTT khiến việc chủ động điều khiển nguồn điện phát hoặc dự trữ từ các NBT trở nên khó khăn.
Hơn nữa, tổng quán tính của hệ thống điện sẽ giảm đáng kể do các RES giao tiếp với lưới điện thông qua BBT, đặc biệt là hệ thống nguồn PV [56,54]. Nếu tỷ trọng NBT trong tổng cơ cấu nguồn quá lớn đến một mức độ nhất định, hệ thống điện có thể mất đồng bộ và dẫn đến mất điện hệ thống trong các trường hợp dự phòng do dự trữ quán tính của hệ thống thấp. Như đã đề cập, các NBT có tỷ trọng phát điện cao trong lưới điện Việt Nam, với điều kiện thời tiết khắc nghiệt trong những tháng gần đây khi các nguồn phát điện truyền thống như thủy điện ngừng hoạt động do hạn hán kéo dài, hệ thống điện Việt Nam gặp phải tình trạng nguy hiểm với quán tính thấp và phải tiến hành sa thải phụ tải ở phía Bắc để tránh mất điện. Để ngăn ngừa những trường hợp tương tự như trên, rất nhiều nỗ lực đã được nghiên cứu và tiến hành để sử dụng các NBT hỗ trợ lưới điện trong các điều kiện vận hành bình thường và/hoặc cực đoan, các phương hướng này có thể được liệt kê gồm: điều khiển lái qua sự cố điện áp thấp – LVRT [2,3], mô phỏng quán tính ảo [4], và phương hướng nghiên cứu đang được quan tâm chính là điều khiển tạo lưới của các NBT mô phỏng đặc tính SG được gọi là Máy đồng bộ ảo [5-9].
Điều khiển lái qua sự cố điện áp thấp – LVRT [2,3] giúp ngăn chặn việc cắt các NBT trong trường hợp bất thường của lưới điện chính, đặc biệt là trong kịch bản điện áp thấp. Các tác giả trong [2] đã nghiên cứu rộng rãi các chiến lược điều khiển và các quy định để nguồn năng lượng gió có thể hỗ trợ lưới điện dưới sự tích hợp cao của Trang 5 loại RES này. Một cách tiếp cận khác trong chức năng hỗ trợ lưới điện của RES là điều khiển quán tính ảo [4] thông qua điều chỉnh đáp ứng về công suất phát với tốc độ thay đổi tần số hệ thống. Tuy nhiên, chiến lược điều khiển này yêu cầu một hệ thống lưu trữ năng lượng để duy trì khả năng đáp ứng hoặc mô phỏng quán tính.
Một cách tiếp cận khác đang được nghiên cứu và ứng dụng trong việc điều khiển NBT kết lưới là điều khiển chuyển tiếp liền mạch (seamless transition control) [10-12]. Phương pháp điều khiển này, các BBT điện chuyển đổi trơn tru giữa các điều kiện vận hành nối lưới và độc lập trong khi vẫn giữ ổn định của các đại lượng ngõ ra như công suất, tần số và dòng điện và điện áp. Tuy nhiên, cách tiếp cận điều khiển chuyển tiếp liền mạch của các NBT được đề xuất trong [10-12] vẫn chưa đề cập hoặc cải thiện đáp ứng quá độ của các tham số đầu ra. Ví dụ, các đáp ứng vẫn mất một khoảng thời gian dài để đạt đến trạng thái ổn định và dao động với biên độ lớn.
Mặt khác, xu hướng tích hợp cao của các NBT đã làm suy giảm đáng kể quán tính tổng của hệ thống so với hệ thống truyền thống với nguồn là các máy phát đồng bộ [53-54].