Nghiên cứu lưới điện microgrid: Nguyên tắc vận hành và các chế độ trong môi trường MATLAB

• Tác giả: Lê Nguyễn Yến Trúc
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Lưới Điện Microgrid: Nguyên Tắc Và Chế Độ Vận Hành Trong MATLAB
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài trong và ngoài nước
• 0.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước
• 0.3. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong nước
• 0.4. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.5. Mục tiêu đề tài
• 0.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MICROGRID
• 1.1. Khái niệm về MicroGrid
• 1.2. Các thành phần trong MicroGrid
• 1.2.1. Các thiết bị lưu trữ năng lượng
• 1.2.2. Tải khu vực
• 1.2.3. Thiết bị đóng cắt kết nối lưới
• 1.3. Cấu trúc của MicroGrid
• 1.3.1. Cấu trúc MicroGrid AC
• 1.3.2. Cấu trúc MicroGrid DC
• 1.3.3. Cấu trúc MicroGrid kết hợp AC-DC
• 1.3.4. Cấu trúc MicroGrid AC với bộ lưu trữ DC
• 1.3.5. Cấu trúc MicroGrid DC - khu vực
• 1.3.6. Cấu trúc Microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn (Cấu trúc Microgrid chuyển đổi trạng thái)
• 1.4. Đặc điểm của MicroGrid
• 1.4.1. MicroGrid ở chế độ nối lưới
• 1.4.2. MicroGrid ở chế độ tách lưới
• 1.5. Phân bố trào lưu công suất trong Microgrid
• 1.5.1. Mục đích của việc phân bố trào lưu công suất
• 1.6. Ưu điểm, nhược điểm và những thách thức của MicroGrid
• 1.6.1. Ưu điểm của MicroGrid
• 1.6.2. Nhược điểm của MicroGrid
• 1.6.3. Những thách thức của MicroGrids
• 2. CHƯƠNG II: CÁC MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN TRONG MÔ HÌNH MICROGRID
• 2.1. Pin quang điện
• 2.1.1. Tổng quan về pin quang điện
• 2.1.2. Mô hình tương đương
• 2.1.3. Mô hình MG sử dụng pin quang điện
• 2.2. Cấu tạo của turbin gió
• 2.3. Nguyên lý làm việc của tuabin gió
• 2.4. Mô hình tương đương của tuabin gió
• 2.5. Bộ Boost Converter (DC/DC)
• 2.5.1. Bộ Boost Converter (DC/DC) trong hệ thống năng lượng mặt trời
• 2.5.2. Nguyên lý bộ DC-DC Boost Converter
• 2.6. Bộ nghịch lưu (DC/AC)
• 2.6.1. Bộ nghịch lưu (DC/AC) trong hệ thống năng lượng mặt trời
• 2.6.2. Nguyên lý hoạt động
• 2.7. Cấu tạo máy biến áp ba pha
• 2.8. Nguyên lý hoạt động của máy biến áp 3 pha
• 3. CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID Ở CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
• 3.1. Mô hình POWER PV - BATTERY MICRO GRID
• 3.1.1. Tổng quan mô hình
• 3.1.2. Nguyên tắc vận hành mô hình
• 3.1.3. Các chế độ vận hành
• 3.1.4. Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid
• 3.2. Mô hình POWER WIND_DFIG MICRO GRID
• 3.2.1. Tổng quan mô hình
• 3.2.2. Nguyên tắc vận hành mô hình
• 3.2.3. Các chế độ vận hành
• 3.2.4. Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ nối lưới
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Kết luận
• 4.2. Hướng phát triển
• PHỤ LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC
• THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• MỤC LỤC THAM KHẢO

I. Tổng quan về Microgrid

Phần này giới thiệu khái niệm microgrid, cấu trúc, và các thành phần chính. Microgrid được định nghĩa là một hệ thống điện nhỏ, tích hợp nhiều nguồn năng lượng phân tán (nguồn năng lượng tái tạo trong microgrid). Cấu trúc microgrid có thể là AC, DC, hoặc kết hợp AC-DC, tùy thuộc vào ứng dụng. Các thành phần chính bao gồm: nguồn năng lượng mặt trời trong microgrid, nguồn năng lượng gió trong microgrid, pin trong microgrid, hệ thống điều khiển microgrid, và phụ tải. Mô hình hóa microgrid trong MATLAB đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về từng thành phần này, đặc biệt là đặc tính điện áp, dòng điện, và công suất của chúng. Phân tích lưới điện microgrid cần xem xét đến chế độ vận hành nối lưới và tách lưới. Thiết kế microgrid phải đảm bảo độ tin cậy, an toàn, và hiệu quả hoạt động. Việc sử dụng MATLAB và Simulink giúp mô phỏng và phân tích hiệu quả hoạt động của microgrid trong điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm cả các sự cố.

1.1 Khái niệm và cấu trúc microgrid

Định nghĩa microgrid như một hệ thống điện nhỏ, tích hợp nhiều nguồn năng lượng phân tán. Cấu trúc microgrid đa dạng: AC, DC, hoặc kết hợp. Các thành phần chính gồm nguồn năng lượng mặt trời trong microgrid, nguồn năng lượng gió trong microgrid, pin trong microgrid, hệ thống điều khiển microgrid, và phụ tải. Mô hình hóa microgrid trong MATLAB đòi hỏi hiểu rõ đặc tính điện của từng thành phần. Chế độ vận hành quan trọng: nối lưới và tách lưới. Thiết kế microgrid cần đảm bảo độ tin cậy và an toàn. MATLAB và Simulink hỗ trợ mô phỏng và phân tích hiệu quả hoạt động, bao gồm cả sự cố. Ứng dụng microgrid ngày càng phổ biến do nhu cầu năng lượng sạch và phân tán. An toàn microgrid là yếu tố cần thiết. Quản lý năng lượng microgrid cần tối ưu hóa. Mục tiêu tối ưu hóa microgrid là hiệu quả và độ tin cậy cao. Bài toán microgrid phức tạp cần giải pháp hiệu quả.

1.2 Mô hình hóa các thành phần microgrid trong MATLAB

Mô hình hóa chính xác các thành phần microgrid trong MATLAB là then chốt. Nguồn năng lượng mặt trời trong microgrid được mô hình bằng các khối PhotoVoltaics (PV), nguồn năng lượng gió trong microgrid với Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) hoặc mô hình tương đương. Pin trong microgrid được mô hình hóa bằng các phương trình trạng thái. Bộ nghịch lưu (DC/AC) và bộ chỉnh lưu (AC/DC) được mô hình hóa dựa trên nguyên lý hoạt động và đặc tính của chúng. Hệ thống điều khiển microgrid được mô hình hóa bằng các thuật toán điều khiển phù hợp, ví dụ như thuật toán điều khiển microgrid. Môi trường MATLAB/Simulink cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa và mô phỏng các thành phần này. Power System Toolbox hỗ trợ mô hình hóa hệ thống điện. Mô hình điện lưới microgrid cần chính xác. Mô hình hóa toán học microgrid là cơ sở. Giải thuật microgrid cần được tối ưu. Case study microgrid giúp minh họa.

II. Nguyên tắc hoạt động microgrid và các chế độ vận hành

Phần này tập trung vào nguyên tắc hoạt động microgrid, bao gồm chế độ nối lưới và chế độ tách lưới. Trong chế độ nối lưới, microgrid đồng bộ với lưới điện chính, cung cấp và nhận điện năng. Chế độ tách lưới, microgrid hoạt động độc lập, tự cung tự cấp. Điều khiển microgrid đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi giữa các chế độ vận hành. Phân phối điện trong microgrid cần được tối ưu để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Mô phỏng thời gian thực microgrid trong MATLAB giúp phân tích hiệu quả của các chiến lược điều khiển microgrid trong các điều kiện vận hành khác nhau. Kiểm soát đảo lưới microgrid cần được nghiên cứu kỹ.

2.1 Chế độ nối lưới

Trong chế độ nối lưới, microgrid hoạt động song song với lưới điện chính. Phân phối điện trong microgrid cần cân bằng. Điều khiển microgrid duy trì điện áp và tần số ổn định. Quản lý năng lượng microgrid tối ưu hóa dòng điện từ và đến lưới điện. Mô phỏng microgrid trong MATLAB giúp phân tích hiệu suất trong chế độ này. Simulink cung cấp các khối mô hình sẵn có. Kiểm soát đảo lưới microgrid cần cơ chế bảo vệ. Phân tích độ tin cậy microgrid trong chế độ nối lưới cần đánh giá. Ôn định microgrid là yếu tố quan trọng. Hệ thống điện thông minh hỗ trợ quản lý. Lưới điện thông minh là xu hướng. Năng lượng bền vững là mục tiêu. Mô hình toàn cục microgrid cần được xây dựng. Thuật toán điều khiển microgrid cần tối ưu.

2.2 Chế độ tách lưới

Chế độ tách lưới, microgrid hoạt động độc lập, tự cung cấp điện cho phụ tải. Quản lý năng lượng microgrid quan trọng. Điều khiển microgrid duy trì điện áp và tần số ổn định. Phân phối điện trong microgrid cần được tối ưu. Mô phỏng microgrid trong MATLAB giúp đánh giá hiệu quả trong chế độ này. An toàn microgrid cần đảm bảo. Ổn định microgrid cần được đảm bảo. Phân tích độ tin cậy microgrid cần thiết. Mô hình hóa microgrid trong MATLAB phải chính xác. Thuật toán điều khiển microgrid cần thiết kế phù hợp. Vận hành microgrid cần giám sát chặt chẽ. Dữ liệu microgrid cần thu thập và xử lý. Phân tích dữ liệu microgrid cung cấp thông tin quan trọng. Ứng dụng microgrid trong thực tế ngày càng nhiều.

III. Mô phỏng microgrid trong MATLAB và Simulink

Phần này trình bày chi tiết quá trình mô phỏng microgrid sử dụng MATLAB và Simulink. Các mô hình của các thành phần microgrid được kết hợp thành một hệ thống tổng thể. Mô hình hóa điện lưới microgrid trong Simulink sử dụng các khối mô hình sẵn có. Mô phỏng thời gian thực microgrid cho phép phân tích đáp ứng động của hệ thống trước các sự cố. Phân tích dữ liệu microgrid từ kết quả mô phỏng. Power System Toolbox hỗ trợ nhiều chức năng phân tích. Ví dụ microgrid minh họa cách áp dụng. Giải thuật microgrid được kiểm chứng. Kết quả mô phỏng microgrid cần được phân tích kỹ lưỡng.

3.1 Xây dựng mô hình trong Simulink

Mô hình hóa microgrid trong MATLAB bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình các thành phần trong Simulink. Mô hình điện lưới microgrid bao gồm các nguồn phát, phụ tải, và các thiết bị điều khiển. Power System Toolbox cung cấp các khối mô hình sẵn có. Mô hình hóa toán học microgrid cần được thực hiện chính xác. Kết nối các khối mô hình trong Simulink tạo thành hệ thống hoàn chỉnh. Cài đặt các thông số cho từng khối mô hình. Mô hình hóa lưới điện phải chính xác. Mô phỏng microgrid cần được thực hiện cẩn thận. Thuật toán điều khiển microgrid được tích hợp vào mô hình. Kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình trước khi chạy mô phỏng. Phân tích kết quả mô phỏng sau khi hoàn thành. Ví dụ microgrid thực tế giúp minh họa.

3.2 Phân tích kết quả mô phỏng microgrid

Sau khi mô phỏng microgrid, phân tích kết quả là bước quan trọng. Phân tích dữ liệu microgrid thu được từ MATLAB. Đồ thị và bảng biểu giúp trực quan hóa kết quả. Đánh giá hiệu suất microgrid dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật. Phân tích độ ổn định microgrid. Xác định các điểm yếu của hệ thống. Đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu suất. Phân tích độ tin cậy microgrid. Phân tích rủi ro microgrid. Báo cáo kết quả rõ ràng và dễ hiểu. Vận hành microgrid hiệu quả cần dựa trên phân tích này. Dữ liệu microgrid được sử dụng để nâng cao hệ thống. Giải pháp microgrid cần được cải tiến liên tục. Mô hình toán học microgrid cần được cập nhật.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Tóm tắt kết quả nghiên cứu. Ứng dụng microgrid trong thực tế. Hướng phát triển của công nghệ microgrid. Thách thức microgrid trong tương lai. Nghiên cứu microgrid cần tiếp tục.