Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Điều khiển và Tự động hóa: Các phương pháp điều khiển thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở chế độ ốc đảo

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel; chỉ ra mối tương quan giữa công suất của hệ PĐSG với SCESS, xác định các thông số kỹ thuật của SCESS đối với các mức độ yêu cầu công suất theo profile gió cụ thể đối với hệ PĐSG.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Điều khiển và Tự động hóa: Các phương pháp điều khiển thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở chế độ ốc đảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM TUẤN ANH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ ỐC ĐẢO Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang Hà Nội – 2015
Công trình này được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Điện năng giữ một vai trò then chốt trong phát triển kinh tế xã hội. Nhưng hơn 1,3 tỷ người trên thế giới vẫn chưa được tiếp cận với điện [38, 54] ở những khu vực xa xôi như các hải đảo, vùng núi cao, vùng băng tuyết - những nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới. Hệ thống điện ở những khu vực đó tạm gọi tên là hệ thống điện ốc đảo hay Remote Area Power Systems (RAPS). Nguồn điện trong RAPS sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng. Các nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện ốc đảo. Hệ thống điện ốc đảo thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [17, 61]. Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ. Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao. Trong hệ thống PĐSG, công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90]. Khi một hệ thống PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định trong Grid-Codes, lưới điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng công suất phát vào. Với hệ thống điện ốc đảo, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện ốc đảo mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải. Để đảm bảo nguyên tắc cân bằng cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải. Khi điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện ốc đảo có hai khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel. Với hệ thống PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố gió tự nhiên. Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn chủ động ra theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát sức gió được huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp. Trong khi đó ở RAPS, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel. Chính hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel. Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống điện ốc đảo cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (tần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC như Bảng 1.4. Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua đó làm làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG. Siêu tụ có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS – Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng (tầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng [12, 14, 21, 27, 29, 49, 61, 64, 90]. Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến. 1
Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, tham số của hệ thay đổi. Vì vậy, trong luận án này, tác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính có thể làm suy giảm chất lượng động học của hệ thống khi điểm làm việc thay đổi và thực sự chưa phù hợp với bản chất phi tuyến của mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ. Do đó, luận án tiếp tục giải quyết vấn đề điều khiển phi tuyến thiết bị kho điện SCESS nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống biến đổi điện năng gồm 2 bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm cơ sở để hoàn thành mục tiêu ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG, đảm bảo chất lượng tần số lưới. Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều, bộ biến đổi DC-AC hai chiều. Mục đích nghiên cứu:  Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.  Chỉ ra mối tương quan giữa công suất của hệ PĐSG với SCESS, xác định các thông số kỹ thuật của SCESS đối với các mức độ yêu cầu công suất theo profile gió cụ thể đối với hệ PĐSG.  Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện được đề xuất thông qua những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu:  Nghiên cứu trên lý thuyết các thuật toán điều khiển thiết bị kho điện đảm bảo tính ổn định, chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.  Tổng hợp hệ thống bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả nghiên cứu thuật toán điều khiển trên lý thuyết.  Kiểm chứng khả năng làm việc của các cấu trúc điều khiển đề xuất cho SCESS trên công cụ mô phỏng thời gian thực dSPACE-DS1104 và trên mô hình thí nghiệm SCESS trao đổi công suất hai chiều với lưới điện xoay chiều ba pha. Phạm vi nghiên cứu: o Hệ thống điện ốc đảo được vận hành ở chế độ gió biến động ngẫu nhiên, không xem xét đến điều kiện thời tiết khắc nghiệt như bão. o Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố tập trung, đối xứng với hai dạng thuần trở và tải trở cảm. o Thiết bị kho điện không vận hành ở chế độ sự cố lưới: Ngắn mạch, lồi/lõm điện áp, mất đối xứng điện áp/dòng điện. o Thiết bị kho điện chỉ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất từng turbine PĐSG riêng rẽ (bù phân tán); không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải đỉnh, vấn đề gián đoạn tạm thời của nguồn phát (không hỗ trợ chức năng UPS); công suất phản kháng do nhà quản trị hệ thống quy định trong Grid-Codes. o Luận án chỉ tập trung vấn đề điều khiển SCESS – điều khiển cấp thiết bị không giải quyết bài toán điều khiển mang đặc điểm “điều độ” toàn bộ hệ thống điện ốc đảo. Ý nghĩa của đề tài: Sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phát điện sức gió trên thế giới cũng như tại trường ĐHBK Hà Nội (xem PHỤ LỤC C) trong những năm gần đây trên cả phương diện nghiên cứu lẫn ứng dụng nhưng đa số tập trung vào những hệ thống PĐSG hòa lưới quốc gia. Với đặc điểm giàu tài nguyên gió, đặc biệt là các khu vực hải đảo, Việt Nam gần đây đã nghiên cứu, triển khai một số dự án phát điện sức gió tại một số hải đảo Phú Quý, Côn Đảo, Bạch Long Vĩ,… nhưng chưa thể đi vào vận hành khai thác hiệu quả do kiến trúc tổng thể của hệ thống điện trên những khu vực đó không đảm bảo sự ổn định và chất lượng điện năng khi được tích hợp các turbine PĐSG, rất cần phải có giải pháp kỹ thuật để giải quyết vấn đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng biến động công suất đầu ra của turbine PĐSG đến hệ thống điện ốc đảo trong khi chưa có một công trình nghiên cứu nào tại Việt Nam về vấn đề thiết bị kho điện cho hệ thống PĐSG hoạt động trong hệ thống điện ốc đảo. 2
Luận án đặt ra mục tiêu thiết kế cấu trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho điện nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của turbine PĐSG, qua đó đảm bảo chất điện năng trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel. Với những tiền đề như vậy luận án hứa hẹn đem lại những ý nghĩa tích cực cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn:  Ý nghĩa khoa học: Chỉ ra khả năng ổn định công suất đầu ra của mỗi turbine PĐSG bằng thiết bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển thích hợp sẽ nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.  Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp thiết bị kho điện phù hợp với một số lưới điệc ốc đảo nói riêng và hệ thống điện vi lưới cô lập nói chung tại Việt Nam để nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch so với lưới điện truyền thống (chưa tích hợp kho điện). Những kết quả mới của luận án: - Xây dựng mô hình động học hợp nhất hai chế độ trao đổi năng lượng của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly mang đặc điểm phi tuyến phù hợp với mục tiêu thiết kế điều khiển kho điện sử dụng siêu tụ. - Đề xuất cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ có tích hợp thuật toán toán điều khiển phi tuyến cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly đảm bảo kiểm soát độc lập các thành phần công suất tác dụng, công suất phản kháng với động học phù hợp với những biến động công suất đầu ra của turbine PĐSG có đầu ra là điện xoay chiều ba pha. - Chứng minh tính khả thi của thuật toán điều khiển thiết bị kho điện được đề xuất nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của hệ thống PĐSG với giải pháp bù phân tán bằng các bằng các kết quả mô phỏng offline. - Kiểm chứng cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện được đề xuất trong luận án bằng các kết quả mô phỏng thời gian thực trên nền tảng DSP dSPACE DS1104 và trên mô hình thí nghiệm SCESS. Bố cục luận án gồm 5 chương chính như sau: Chương 1. TỔNG QUAN giới thiệu cấu trúc hệ thống điện hải đảo. Vấn đề phân cấp điều khiển trong hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp được nghiên cứu khái quát để định hướng rõ ràng về các yêu cầu điều khiển đối với thiết bị kho điện hỗ trợ ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG. Tác giả cũng phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ. Từ đó nêu những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2. CÁC NGUỒN PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỐC ĐẢO trình bày về hệ thống điện ốc đảo sử dụng nguồn phát hỗn hợp giữa gió và diesel. Hệ thống phát điện sức gió và hệ thống phát điện diesel sẽ được phân tích những điểm cốt lõi về nguyên tắc làm việc, các cấu trúc cơ bản và các vấn đề điều khiển. Chương 3. MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ trình bày về mô hình toán của siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly và nghịch lưu nguồn áp DC-AC. Các mô hình toán học được xây dựng trên cở sở phân tích các trạng thái làm việc của các bộ biến đổi để thiết lập các mối quan hệ về điện giữa các biến trạng thái, biến điều khiển, biến đầu ra sẽ được trình bày chi tiết. Chương 4. CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN trình bày về cấu trúc điều khiển tổng thể của SCESS và cấu trúc điều khiển chi tiết của các bộ biến đổi DC-AC và DC-DC. Chương 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM thể hiện những kết quả kiểm chứng cho các cấu trúc điều khiển đã đã đề xuất. Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink/SimPowerSystems, mô phỏng thời gian thực trên dSPACE DS1104 và mô hình thí nghiệm SCESS chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của những giải pháp được đề xuất. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo. 3
1. TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về hệ thống điện ốc đảo Hệ thống điện ốc đảo (RAPS) là một hệ thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa xôi – nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được. Đối với RAPS truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm phát sử dụng năng lượng từ dầu diesel (gọi là tổ hợp phát điện diesel – DG). Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các turbine phát điện sức gió được tích hợp thêm vào RAPS với mục tiêu giảm tiêu hao nhiên liệu hóa thạch. Khi đó, RAPS trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa trên Hình 1.1. RAPS không bao giờ trao đổi năng lượng với lưới điện chính, tự chịu trách nhiệm về cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ tiêu chất lượng điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép. Các nguồn phát trong RAPS và Microgrids bao gồm cả nguồn phát có khả năng điều độ là những trạm phát điện diesel và những nguồn phát biến động thất thường từ turbine gió. Do đó, để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, RAPS và Microgrids thường được tích hợp thêm thiết bị tích trữ năng lượng tạm gọi tắt là kho điện (Energy Storage Systems – ESS). Thiết bị kho điện có thể được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung). HT SCADA HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TOÀN BỘ LƯỚI ĐIỆN ỐC ĐẢO TRẠM PHÁT DIESEL Hệ thống phát điện tập trung sử dụng Diesel Governor AVR Governor AVR DIESEL SG DIESEL SG ENGINE ENGINE 0.4/22kV Thiết bị kho điện tập trung ESS 22/0.4kV Lưới sử dụng Thiết bị kho điện Lưới truyền tải phân tán ESS 0.4kV HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN ESS 0.69/22kV LƯỚI SỬ DỤNG 22kV HT PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ HT đo lường và điều khiển turbine PĐSGn HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN HT đo lường và điều khiển turbine PĐSG2 WIND PARK HT đo lường và điều khiển turbine PĐSG1 Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel 1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng RAPS phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng trên cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ hệ thống điện nào: Công suất nguồn phát phải cân bằng với tải tiêu thụ. Trong hệ thống điện ốc đảo, công suất phản kháng được đáp ứng bởi nguồn phát diesel, các bộ tụ bù, kháng điện, các bộ SVC, STATCOM được tích hợp một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng điện áp [7, 8, 116, 119]. Đối với vấn đề ổn định công suất tác dụng: RAPS mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải. Ở RAPS, tần số lưới tỷ lệ trực tiếp với tốc độ của động cơ sơ cấp diesel. Trong trường hợp mất cân bằng công suất tác dụng, bộ điều tốc tác động điều chỉnh công suất cơ của động cơ diesel để đưa tần số trở lại giá trị định mức trong khoảng thời gian cho phép từ 10-15 giây gọi là tác động điều chỉnh sơ cấp (Primary load frequency 4
control)[61, 62, 68]. Tuy nhiên, tác động điều chỉnh của bộ điều tốc thường chậm hơn so với những biến động nhanh của nguồn PĐSG làm cho trạng thái cân bằng trong hệ thống không được đảm bảo. Giải pháp điều độ các nguồn phát sức gió là không khả thi, thay vào đó người ta sử dụng giải pháp “vá – patch” những biến động của công suất tác dụng đầu ra hệ PĐSG bằng thiết bị kho điện. Kho điện sẽ hấp thụ công suất khi nguồn sơ cấp dư thừa và giải phóng công suất khi nguồn sơ cấp thiếu hụt. Khả năng “vá” những khoảng lồi lõm đến đâu, trong thời gian bao lâu phụ thuộc vào mục tiêu điều độ cấp trên như: Ổn định ngắn hạn, ổn định theo đặc điểm phụ tải, ổn định theo mùa… 1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo Như đã thể hiện trên Hình 1.1, nguồn phát trong hệ thống điện ốc đảo chia làm 2 loại: Nguồn phát kết nối trực tiếp với AC-bus (các tổ hợp DGs) và nguồn phát kết nối với AC-bus thông qua các bộ biến đổi công suất (nguồn phát sức gió, thiết bị kho điện). Vấn đề điều khiển trong RAPS được chia thành hai cấp: Cấp hệ thống (system-level controls) và cấp thiết bị (component-level controls)[57, 58, 62]. Mỗi nguồn phát phải đáp ứng những yêu cầu điều khiển khác nhau trong cấu trúc điều khiển tổng thể của hệ thống điện hải đảo. 1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới 1.4.1 Khái quát về một số loại kho năng lượng Tùy theo ứng dụng mà kho cần phải đáp ứng về công suất cũng như thời gian giải phóng năng lượng phù hợp như: Ứng dụng quản lý năng lượng yêu cầu ESS phải có dung lượng lớn, thời gian giải phóng có thể kéo dài hàng giờ; Ứng dụng chuyển nguồn yêu cầu dung lượng thấp hơn, thời gian giải phóng năng lượng có thể kéo dài cỡ vài phút; Ứng dụng đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy đòi hỏi ESS phải có khả năng giải phóng nhanh (cỡ mili giây). Các công nghệ tích trữ năng lượng cần thiết phải có một hệ thống biến đổi năng lượng để có thể trao đổi công suất với lưới điện. Siêu tụ có khả năng tích lũy trực tiếp năng lượng ở dạng điện năng DC với một số ưu điểm vượt trội như: Điện dung lớn với kích thước nhỏ gọn (có thể đến hàng nghìn Farad); Động học nhanh: thời gian xả nạp năng lượng cực nhanh với công suất lớn; Mật độ năng lượng lớn hơn nhiều so với tụ thường, acqui; Hiệu năng cao, tần số xả nạp lớn, có thể xả kiệt mà không bị ảnh hưởng đến tuổi thọ, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thân thiện với môi trường. 1.4.2 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện Trong hệ thống điện hải đảo phân chia thành nhiều cấp điều khiển, các nguồn phát có vai trò khác nhau trong hệ thống sẽ phải đáp ứng các yêu cầu về điều khiển khác nhau. Đối với RAPS nguồn phát hỗn hợp gió – diesel có tích hợp thiết bị kho điện: - Nguồn phát diesel đóng vai trò thiết lập lưới cơ sở. - Hệ PĐSG được điều khiển cấp năng lượng lên lưới. - Kho điện đóng vai trò là một thiết bị phụ trợ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của hệ PĐSG tránh lây lan các biến động công suất có thể dẫn tới nguy cơ mất ổn định hệ thống. Thiết bị kho điện được đặc trưng bởi hai yếu tố: Dung lượng thiết kế và cấu trúc điều khiển hệ thống biến đổi năng lượng. Hệ thống biến đổi năng lượng biến đổi dạng năng lượng tích trữ thành điện năng phù hợp với phương án tích hợp kho điện (phân tán hay tập trung) và phụ thuộc cấu trúc của RAPS (AC-tập trung hay DC-tập trung) sẽ dẫn tới những yêu cầu về điều khiển khác nhau.  Phương án bù tập trung, dung lượng kho điện đòi hỏi lớn, tỷ lệ với dung lượng của toàn hệ thống điện. Vấn đề điều khiển kho điện bù tập trung sẽ dựa trên thông tin về các đại lượng và thông số của lưới điện với những rằng buộc chặt chẽ của vấn đề điều độ - điều khiển cấp hệ thống (như đã giới thiệu ở mục 1.3.1). 5
 Phương án bù phân tán, thiết bị kho điện chỉ hỗ trợ các turbine PĐSG riêng lẻ, sử dụng thông tin về công suất đầu ra của từng turbine PĐSG để thực hiện chức năng cấp năng lượng lên lưới (như đã giới thiệu ở mục 1.3.2) nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra. Khả năng tích hợp SCESS vào hệ thống PĐSG cũng đem lại hai sự lựa chọn:  SCESS kết nối vào mạch một chiều trung gian của các tầng biến đổi điện năng của hệ thống PĐSG gọi là DC-coupled.  SCESS kết nối vào đầu ra xoay chiều của hệ thống PĐSG gọi là AC-coupled. Thiết bị kho điện đóng vai trò là một hệ thống phụ trợ, một chức năng mở rộng của hệ thống phát điện sức gió. Kho điện được điều khiển nạp/xả một cách hợp lý để hỗ trợ ổn định công suất đầu ra của turbine PĐSG, bản thân turbine PĐSG lại hoạt động tuân theo những quy định của nhà quản trị hệ thống điện được định nghĩa trong Grid-Codes. Điều khiển quá trình trao đổi năng lượng giữa kho điện với lưới bản chất là quá trình điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất DC-DC và DC-AC. Nếu phân loại chiều dòng năng lượng trao đổi của kho điện thì có hai phương pháp điều khiển: Điều khiển hai chế độ độc lập ([72, 113] đối với phương án DC-coupled và [42, 65, 83] đối với phương án AC-coupled) hoặc điều khiển hợp nhất ([40, 41, 80-82, 94] đối với phương án DC-coupled và [11, 69-71, 99, 100] đối với phương án AC- coupled). Điểm hạn chế của phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập là luôn đòi hỏi một khóa chuyển chế độ. Điều này không những làm suy giảm chất lượng động học mà còn tiểm ẩn những nguy cơ gây mất ổn định hệ thống khi yêu cầu chuyển trạng thái nạp/xả xảy ra với tần số cao hoặc trạng thái nạp/xả không thực sự rõ ràng. So với phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập, phương pháp điều khiển hợp nhất hai chế độ đem lại độ tin cậy về điều khiển cao hơn do số lượng các bộ điều khiển giảm đi, không tồn tại khóa chuyển giữa các cấu trúc điều khiển. Sản phẩm thương mại trên thị trường: Trong quá trình thực hiện luận án này, tác giả mới chỉ thấy sự hiện diện của thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ của công ty M&P CHLB Đức. 1.5 Lựa chọn hướng nghiên cứu Bài toán thiết kế cấu trúc hệ thống điện hải đảo không thuộc phạm vi nghiên cứu mà tác giả sử dụng (giả thiết) một cấu trúc đơn giản đủ để đáp ứng các yêu cầu về kiểm nghiệm chất lượng quá trình điều khiển ổn định ngắn hạn công suất turbine PĐSG như minh họa trên Hình 1.15. - Về vấn đề lựa chọn loại máy phát sức gió: Hệ PĐSG sử dụng PMG PMG không tiêu thụ công suất phản kháng của lưới và đang được các nhà sản xuất chế tạo với công suất phù hợp với cỡ công suất và môi trường hoạt động khu vực hải đảo [7, 8, 61, 90, 95, 112, 122]. Sự lựa chọn này đặc biệt phù hợp với những hải đảo ở Việt Nam. - Về phương án bù phân tán được lựa chọn cho phép kiểm soát và can thiệp trực tiếp vào công suất đầu ra đối với từng hệ PĐSG, hiệu quả tác động được đánh giá trực tiếp ngay tại mỗi đầu ra của hệ PĐSG. - Công nghệ tích trữ điện năng dùng siêu tụ được lựa chọn vì đặc điểm động học của quá trình nạp/xả vượt trội hơn so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác theo những khuyến cáo của các tác giả đã nghiên cứu trước đây [12, 14, 21, 27, 29, 49, 61, 64, 90] hứa hẹn đem lại hiệu quả ổn định ngắn hạn công suất đầu ra biến động của hệ PĐSG. - Kho điện được tích hợp vào phía AC của hệ PĐSG vì tính linh hoạt của phương án này cao hơn hẳn phương án tích hợp vào bus DC trung gian trong cấu trúc back-to-back. - Vấn đề điều khiển: Để đảm bảo các chất lượng điều khiển, cơ sở đầu tiên là mô hình toán học mô tả thống nhất hai quá trình trao đổi công suất của BBĐ DC-DC, kế tiếp là phương pháp thiết kế điều khiển phù hợp. Tuy nhiên, trong những công bố ở trên, tác giả luận án chưa tìm thấy sự mô tả tường minh về mô hình hợp nhất hai chế độ của BBĐ DC-DC. Vì vậy, tác giả sẽ bổ sung về mô hình chính xác và mô hình trung bình ngắn hạn mô tả hợp nhất hai quá trình trao đổi công suất BBĐ DC-DC hai chiều so với các công trình nghiên cứu trước đây về thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ. Thêm vào đó, bộ điều khiển chỉ sử dụng cấu trúc P, PI truyền thống, cơ sở lựa chọn tham số bộ điều khiển cũng chưa được chỉ ra rõ ràng. Vì vậy, tác giả cũng sẽ thiết kế điều khiển theo hai phương pháp tuyến tính và phi tuyến để thể hiện rõ ưu thế của điều khiển phi tuyến so với điều 6
khiển tuyến tính. Cấu trúc điều khiển phi tuyến cũng sẽ là điểm bổ sung của vấn đề điều khiển thiết bị kho điện dùng siêu tụ so với các công trình nghiên cứu trước đây. Tác giả vận dụng các kết quả nghiên cứu của một số công trình nghiên cứu trước đây theo tài liệu [8, 95, 101] để thiết kế điều khiển BBĐ DC-AC theo phương pháp tựa hướng điện áp lưới VOC với các thuật toán điều khiển truyền thống PI, Dead-beat. Với bộ biến đổi DC-DC, xuất phát từ ý tưởng điều khiển hợp nhất [73, 124, 125], tác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính có thể làm suy giảm chất lượng động học của hệ thống khi điểm làm việc thay đổi và thực sự chưa phù hợp với bản chất phi tuyến của mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ. Trong luận án này, tác giả đề xuất thuật toán điều khiển phi tuyến theo lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng cho đối tượng DC-DC. Phối hợp giữa các cấu trúc điều khiển cho hai bộ biến đổi DC-DC và DC-AC hình thành lên cấu trúc điều khiển tổng thể SCESS nhằm thực hiện bài toán “Ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của hệ thống PĐSG trong hệ thống điện ốc đảo. Hệ thống phát điện tập trung sử dụng Diesel Bộ điều tốc ref Governor Bộ ĐK điện áp U ref Dầu AVR BUS 1 Diesel 400V Lưới sử dụng Van Diesel nhiên liệu Engine SG PLoad , QLoad Pdiesel , Qdiesel HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TRẠM PHÁT ĐIỆN DIESEL HT ĐO LƯƠNG & ĐIỀU KHIỂN Hệ thống phát điện sức gió LƯỚI SỬ DỤNG BUS 2 400V PSCESS , QSCESS AC PWT SCESS AC Công suất Nạp/xả AC Nạp DC Xả HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TURBINE PĐSG - e e- Xả Nạp N-cell đấu nối tiếp/song song HT SCADA HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN TOÀN BỘ LƯỚI ĐIỆN ỐC ĐẢO KHO ĐIỆN Hình 1.15 Cấu trúc WD–HPS được lựa chọn để nghiên cứu - Để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất, cho đến thời điểm cuối năm 2014, hiệp hội IEEE vẫn đang hoàn thiện các chỉ tiêu đánh giá về thiết bị kho điện tích hợp vào lưới điện trong bộ tiêu chuẩn IEEE P2030.3 và IEEE P2030.2. Vì vậy tác giả sẽ đánh giá gián tiếp thông qua hiệu quả ổn định tần số lưới theo chỉ tiêu chất lượng điện năng được quy định bởi IEEE 1547.4, EN50160, AEMO, AEMC. 1.6 Kết luận chương 1 Nội dung chương này đã nghiên cứu đặc điểm hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp giữa các nguồn năng lượng truyền thống từ với các nguồn năng lượng tái tạo để hình thành lên hệ thống phát điện lai mà trong đó hệ thống phát điện lai sức gió – diesel là đối tượng điển hình thu hút các công 7
trình nghiên cứu trên thế giới. Thông qua việc khảo sát những công trình nghiên cứu đã công bố trên thế giới trong những năm gần đây, tác giả sẽ đề xuất cấu trúc điều khiển để hoàn thiện các phương pháp điều khiển đã được áp dụng cho SCESS. Những đề xuất đó sẽ được kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink. Tác giả cũng kiểm chứng sự làm việc của SCESS trong phòng thí nghiệm tại Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (ICEA), Đại học Bách khoa Hà Nội. Nội dung tóm tắt của Chương 1 đã được tác giả công bố trong bài báo số [1]. 2. CÁC NGUỒN PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỐC ĐẢO 2.1 Hệ thống phát điện sức gió Nội dung mục này trình bày nguyên tắc làm việc nói chung của một hệ thống phát điện sức gió cùng các cấu trúc cơ bản có thể có và các chế độ vận hành hệ thống. Tiếp đó, các vấn đề điều khiển cho hệ PĐSG phù hợp với hệ thống điện ốc đảo sẽ được trình bày chi tiết. 2.1.1 Nguyên tắc làm việc input Biến đổi cơ năng Biến đổi điện năng output G Gió Turbine Hộp số Máy phát Bộ biến đổi Biến áp Lưới điện Hình 2.1 Quá trình biến đổi năng lượng của một turbine PĐSG Quá trình biến đổi năng lượng của một turbine PĐSG được minh họa trên Hình 2.1. Năng lượng từ gió tự nhiên là đầu vào được biến đổi thành điện năng đưa lên lưới ở đầu ra. Các cánh đón gió của turbine biến năng lượng gió thành cơ năng ở dạng chuyển động quay trên trục máy phát. Đối với các turbine gió công suất cỡ vài MW, tốc độ quay của rotor turbine tương đối chậm (trong dải 5-16 rpm) nên hộp số (gearbox) thực hiện nhiệm vụ biến đổi tốc độ lên cao hơn (nhưng mô men cũng giảm đi) cho phù hợp với tốc độ công tác của máy phát. Điện năng được sinh ra từ máy phát sẽ phải được điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu hòa lưới bằng các bộ biến đổi điện tử công suất và biến áp. 2.1.2 Chế độ điều khiển của hệ thống PĐSG Có thể phân ra 2 chế độ vận hành, và từ đó là 2 chế độ ĐK chính của hệ thống PĐSG: a) Chế độ có hòa lưới quốc gia có một số đặc điểm sau: Lưới quốc gia có thể được coi là lưới cứng với P vô cùng lớn, điện áp và tần số ổn định; Công suất P của hệ thống PĐSG thường được ĐK bám theo đường công suất tối ưu, nhằm khai thác tối đa năng lượng từ gió; Hệ số công suất cos thường được đặt cố định, thậm chí xấp xỉ 1. Nghĩa là: không phát cũng không tiêu thụ Q. b) Chế độ không hòa lưới quốc gia, chỉ hòa lưới ốc đảo với các đặc điểm: Lưới ốc đảo thường do một nhóm máy phát diesel thiết lập với công suất P nhỏ. Lưới ốc đảo là lưới mềm với điện áp và tần số kém ổn định; Phụ tải được phân chia giữa nhóm máy phát diesel và hệ thống PĐSG. Hệ thống PĐSG chỉ được phép phát với P = const theo tỷ lệ phân chia đã quy định (thị phần do nhà quản trị chi phối); Hệ số công suất cos của PĐSG phải được đặt linh hoạt ở giá trị thích hợp, bảo đảm an toàn cũng như hiệu quả khai thác nguồn phát diesel. 2.1.3 Các vấn đề điều khiển trong hệ thống PĐSG Hệ thống điều khiển được phân thành nhiều cấp điều khiển như minh họa trên Hình 2.4 đảm bảo kiểm soát được dòng năng lượng vào và ra trong hệ thống PĐSG. a) Điều khiển cấp I 8
Đây là tầng thực hiện các bài toán điều khiển ở chế độ thời gian thực (real-time control) để điều khiển dòng công suất tác dụng (điều khiển mô men cơ của máy phát) và công suất phản kháng (điều khiển hệ số công suất của hệ phát điện sức gió) đáp ứng yêu cầu đưa ra của tầng điều khiển cấp trên. b) Điều khiển cấp II Đây là tầng ĐK turbine với vòng ĐK (có phản hồi) tốc độ quay ω của turbine. Thông qua các thông số đo thực của tốc độ gió vwind và căn cứ trên chế độ ĐK đã được chọn trước, hệ thống sử dụng bảng tra đặc tính (look-up table) để tra tốc độ quay ω cần đạt (tìm set point). Qua đó thay đổi góc cánh  để ĐK sao cho đạt được tốc độ đã chọn. c) Điều khiển cấp III Tầng này có đặc điểm ĐK giám sát (SCADA), phục vụ mục tiêu tích hợp hệ thống PĐSG với lưới (quốc gia, địa phương). Tùy theo chế độ ĐK, đây là nơi quyết định các giá trị đặt cho P và Q. Generator-Side Frontend Converter Converter DFIG Line GRID Filter Braking Wind Gear Box PMG Chopper Tầng I: Bao gồm 2 cấu uDC Xfilter CONTROL LEVEL I trúc ĐK nhiều mạch igenerator igrid Generator-Side and Frontend vòng, ĐK NL phía MP và ugenerator Converter Control, Realtime Control ugrid NL phía lưới * mG u*DC * Cos Cos* Phía GC Q* Q* Phía FC Generator velocity Tầng II: Cấu trúc ĐK Turbine Pitch actuator CONTROL LEVEL II v với chức năng điều khiển góc Wind speed Wind Turbine Control Strategy cánh, ĐK tốc độ quay P* Q* CONTROL LEVEL III Tầng III: Cấu trúc ĐK giám sát Wind Park and Wind Turbine Integration Strategy, mang tính chất điều độ SCADA (Energy Management) * * * f grid , U grid , cos grid Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển tổng quát của hệ thống PĐSG 2.2 Hệ thống phát điện diesel Tác giả sử dụng cấu trúc hệ thống và mô hình mô phỏng của MATLAB/SimPowerSystems như một thành phần đã hoàn chỉnh trong hệ thống điện ốc đảo nên nội dung mục này được trình bày nguyên tắc làm việc cơ bản và vai trò của các thành phần (động cơ diesel và cấu trúc điều khiển) được tổng hợp vắn tắt từ các tài liệu nghiên cứu trước đó. Cấu trúc của tổ hợp diesel – máy phát đồng bộ KTĐL được minh họa trên Hình 2.11 bao gồm: Động cơ Diesel cung cấp mômen cơ làm quay rotor của máy phát điện đồng bộ thông qua trục quay cơ khí; Máy phát đồng bộ biến đổi năng lượng cơ được cung cấp bởi động cơ diesel và từ trường cung cấp bởi hệ thống kích từ sinh ra điện năng phát lên lưới. Trong chế độ vận hành bình thường, tần số của điện áp đầu ra phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ. Hệ thống điều khiển bao gồm hai mạch vòng:  Điều khiển tốc độ quay của động cơ diessel (động học chậm) do bộ điều tốc thực hiện: điều khiển tốc độ quay của động cơ sơ cấp cũng chính là điều khiển tần số điện áp máy phát thông qua điều khiển mômen cơ mà động cơ diesel cung cấp.  Điều khiển điện áp (động học nhanh) do bộ AVR thực hiện: điều khiển hệ thống kích từ với nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu ra không đổi và tránh quá tải cho mạch kích từ. 9
ref Bộ điều tốc rD Bộ ĐK điện áp U ref Nhiên AVR liệu Grid rD Động cơ U Van Diesel MPĐB Pdiesel , Qdiesel Hình 2.11 Sơ đồ khối của tổ hợp diesel – máy phát 2.3 Kết luận chương 2 Nội dung chương này đã trình bày cấu trúc và yêu cầu điều khiển của hệ thống phát điện được sử dụng trong hệ thống điện ốc đảo là hệ thống phát điện sức gió và tổ hợp phát điện diesel phục vụ quá trình xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng động học của toàn hệ thống RAPS trên MATLAB/Simulink đối với bất kỳ profile gió, kịch bản phụ tải nào. Nội dung tóm tắt Chương 2 đã được trình bày ở các công trình số [2], [3], [4]. 3. MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện SCESS được tích hợp vào RAPS theo phương án bù phân tán cho mỗi WT có tác dụng như một bộ lọc công suất ngay phía đầu ra của mỗi WT để đảm bảo khả năng ổn định ngắn hạn sự biến động thất thường của năng lượng gió. Để thực hiện chức năng đó, SCESS phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều với lưới thông qua hệ thống biến đổi điện năng gồm hai bộ biến đổi công suất là DC- DC và DC-AC cũng phải có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều như thể hiện trên Hình 3.1. Cấu trúc mạch lực này có thể được tìm thấy trong một số sản phẩm thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ của công ty M&P CHLB Đức. Supercapacitor BBĐ DC BBĐ Filter Grid Pack DC-DC Link DC-AC iDC iinv SBK SAH SBH SCH iC Rg,Lg eN iL DBS + C udc A B RL,L C usc SBS DBK SAL SBL SCL - Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống biến đổi điện năng SCESS 3.2 Thiết kế kho điện Dữ liệu đầu vào của bài toán thiết kế điều khiển thiết bị kho điện là giả thiết đã ước lượng được dữ liệu chính xác của gió (wind profile). Kích thước siêu tụ phụ thuộc vào công suất lớn nhất cần bù Pmax-req trong khoảng thời gian ∆tmax được lựa chọn. Pmax-req sẽ được xác định thông qua chương trình tính toán sử dụng bộ lọc thông thấp đối với Profile gió. Tác giả sử dụng mô hình tạo gió ngẫu nhiên được nghiên cứu và phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia về năng lượng tái tạo (Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy) thuộc đại học kỹ thuật Đan mạch (Technical University of Denmark). 10
3.2.1 Tính chọn dải điện áp làm việc của siêu tụ Trong luận án này, tác giả lựa chọn: U SC  max  90%U DC (3.3) Giá trị điện áp tối thiểu USC-min cần lựa chọn sao cho siêu tụ không xả kiệt năng lượng, phù hợp với khả năng làm việc của bộ biến đổi công suất và khả năng trao đổi năng lượng càng lớn càng tốt. Thêm vào đó, dòng điện chảy qua cuộn cảm của bộ biến đổi DC-DC bị giới hạn nên điện áp USC-min không thể nhỏ tới giá trị không. 1 USC min  USC  max (3.7) 2 Khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng của siêu tụ phải như nhau. Do đó ở chế độ chờ (sẵn sàng nạp hoặc xả) siêu tụ sẽ phải làm việc ở một điện áp USC-idl. 1 2 1 2 1 2 5 USC idl  (USC  max  USC 2  min )  USC  max  ( USC  max )   U (3.13) 2 2 2  8 SC max 3.2.2 Tính chọn điện dung của siêu tụ Năng lượng siêu tụ cần phải nạp hoặc xả ở trạng thái làm việc chờ (điện áp USC-idl) được lựa chọn tỷ lệ với khả năng đáp ứng công suất Pmax-req trong khoảng thời gian được lựa chọn ∆t. 8 Pmax req tmax CSC  3 (3.18) 1 2 U 2 SC max Theo cách lựa chọn điện dung dàn siêu tụ như (3.18) yêu cầu phải biết được công suất tối đa mà dàn siêu tụ phải đáp ứng. Cơ sở để lựa xác định được thực hiện như sau: - Mục đích ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của WT có thể được diễn đạt theo một cách khác là những biến động công suất có tần số lớn hơn tần số được lựa chọn sẽ được hấp thụ bởi thiết bị kho điện. - Giá trị công suất đặt 𝑃𝑊𝑇 của một hệ PĐSG là kết quả của bài toán tracking công suất. Giá 𝑟𝑒𝑓 𝑟𝑒𝑓 trị 𝑃𝑊𝑇 do từ tầng điều khiển cấp hệ thống gửi đến tầng điều khiển turbine. Áp dụng thuật 𝑟𝑒𝑓 toán lọc thông thấp đối với 𝑃𝑊𝑇 mang bản chất loại bỏ các thành phần công suất dao động tần số cao. Như vậy, tác động hấp thụ công suất dư thừa và bù đắp công suất khi thiếu hụt sẽ được quyết định khi so sánh giá trị giữa hai tín hiệu. Tác giả thực hiện khảo sát trên profile gió với các bộ lọc có bậc và tần số cắt thay đổi. Từ các kết quả thu được dưới dạng đồ thị và dữ liệu dạng số để lựa chọn bậc và tần số cắt sao cho đảm bảo khử được các biến động công suất bậc cao nhưng công suất yêu cầu của kho điện là nhỏ nhất. Từ các kết quả mô phỏng và số liệu thống kê, tác giả lựa chọn khâu lọc bậc 2 với tần số cắt 0,5Hz. 3.3 Mô hình hóa thiết bị kho điện 3.3.1 Mô hình động học siêu tụ Theo một số tài liệu nghiên cứu trước đó, cấu tạo của siêu tụ bao gồm: Các điện cực, lớp điện môi và màng cách ly nằm giữa các điện cực đó. Ở các tụ điện truyền thống (tụ điện thường) thì các điện cực là các mặt phẳng. Với siêu tụ, các điện cực được làm bằng cacbon hoạt tính có cấu trúc hình lỗ như các tổ ong. Do cấu trúc của cacbon hoạt tính có rất nhiều các lỗ giống như tổ ong, khi xảy ra quá trình nạp điện cho tụ, các ion dương bị hút về cực âm còn các ion âm thì bị hút về cực dương. Chính vì bề mặt điện cực có hình lỗ nên sẽ làm tăng diện tích bề mặt điện cực lên gấp nhiều lần, do đó sẽ có nhiều ion dương, âm bị hút đến các bề mặt điện cực hơn.Vì thế mà điện tích tích trữ trên tụ điện sẽ lớn hơn rất nhiều so với tụ điện thường. Có thể tìm thấy ở những công trình nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề mô hình hóa và nhận dạng tham số siêu tụ. Luận án này sử dụng siêu tụ như một đối tượng có các đặc điểm động học của quá 11
trình trao đổi công suất phù hợp với sự biến động nhanh nên không đi sâu vào bài toán mô hình hóa và nhận dạng tham số mà giả thiết siêu tụ đã xác định được tham số. 3.3.2 Mô hình bộ biến đổi DC-DC dùng trong thiết bị kho điện Quá trình mô hình hóa được tóm tắt như sau: Xác định các cấu trúc mạch điện ứng với các trạng thái chuyển mạch của van; xây dựng mô hình chính xác của DC-DC đối với các biến trạng thái được lựa chọn là dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tụ của mạch điện một chiều trung gian; xác định mô hình trung bình ngắn hạn. 3.3.2.1 Mô hình chính xác Hai van SBK, SBS được điều khiển hoạt động ở chế độ nghịch đảo trạng thái của nhau, nên chỉ cần dùng một hàm chuyển mạch như (3.35) là có thể kết hợp các hệ phương trình (3.31), (3.32), (3.33) và (3.34) để thu được hệ phương trình mô tả thống nhất hai chế độ nạp/xả của bộ biến đổi như (3.36). 1 SBK ON; SBS OFF q qCh 0 SBK OFF; SBS ON (3.35) qDch 1 qCh diL RL 1 iL u q uSC dt L L DC (3.36) duDC 1 i q iinv dt C L RL 1 uSC iL 0 iL 0 iL L L q L (3.37) uDC u 1 0 uDC iinv 0 0 DC C C A B W 3.3.2.2 Mô hình trung bình ngắn hạn Để chuyển mô hình (3.37) về dạng mô hình trung bình sử dụng phép trung bình ngắn hạn hay trung bình trượt – Sliding average [24, 96, 118]. Như vậy, nếu sử dụng vector biến trạng thái m là các giá trị trung bình ngắn hạn của dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tụ, mô hình trung bình ngắn hạn của (3.37) được viết lại như (3.46) dựa trên các tính chất (3.43) và (3.44). Mô hình (3.46) thể hiện đặc điểm phi tuyến cấu trúc với phép nhân giữa biến trạng thái và biến điều khiển. dm1 RL 1 uSC m1 md dt L L 2 L (3.46) dm2 1 iinv md dt C 1 C 3.3.2.3 Kiểm chứng mô hình Sử dụng công cụ mô phỏng Matlab-Simulink/SimPowerSystems để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình trung bình với diễn biến trên mô hình mạch van thực tế. Mô hình trung bình cho ra các giá trị biến trạng thái dòng điện, điện áp trung bình. 3.3.3 Mô hình bộ biến đổi DC-AC dùng trong thiết bị kho điện Ghép với lưới điện được là bộ biến đổi DC-AC hoạt động ở hai chế độ: Chỉnh lưu khi nhận năng lượng từ lưới và nghịch lưu khi đưa năng lượng lên lưới. Những nội dung sau đây trình bày ngắn gọn về mô hình DC-AC dùng trong thiết bị kho điện [95, 96]. 12
3.3.3.1 Mô hình bộ biến đổi DC-AC ghép với lưới điện BBĐ DC-AC thường có thể sử dụng sơ đồ thay thế tối giản để phục vụ cho việc mô hình hóa và thiết kế như ở Hình 3.21. 3PVSC RD LD = 3~ iT CF iN ~ eN iF RF uN ud Hình 3.21 Sơ đồ tối giản BBĐ DC-AC ghép với lưới điện [95] d) Mô hình liên tục BBĐ DC-AC Mô hình trạng thái của nghịch lưu phía lưới là: dx  Ax  Bu (3.77) dt Trong đó:  1   1   T N   0  i  uNd  eNd  A D  ; B   LD  ; x   Nd  ; u    (3.78)   N 1     0 1    iNq   uNq  eNq   TD   LD  e) Mô hình gián đoạn BBĐ DC-AC Theo tài liệu, từ hệ phương trình (3.76), ta thu được mô hình dòng gián đoạn phía lưới như sau: i T (k  1)  N i T (k)  H N u N (k)  H N e Nv (k) (3.79) Với:  T  T  1  T N T  L 0  N   D  ;H   D  (3.80)  T N  T   N T 1    0   TD   LD  3.4 Kết luận chương 3 Các vấn đề cơ bản nhưng cốt lõi nhất của quá trình thiết kế điều khiển là bài toán mô hình hóa đã được trình bày chi tiết ở Chương 3 này. Các nội dung về mô hình động học siêu tụ, mô hình BBĐ DC-AC ghép với lưới điện 3 pha được tác giả kế thừa từ những tài liệu tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ. Mô hình (3.36) và (3.46) của BBĐ DC-DC hai chiều không cách ly chính là điểm bổ sung của tác giả so với các công trình [40, 41, 80-82, 94], [11, 69-71, 99, 100]. Mô hình động học là cơ sở toán học tường minh để có thể đề xuất các phương pháp điều khiển phù hợp ở Chương 4. Những kết quả của Chương 3 được tác giả công bố ở công trình [5]. 4. CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN Công suất tác dụng đầu ra WT sẽ được ổn định ngắn hạn (làm trơn) nếu các thành phần công suất biến động tần số cao được hấp thụ bởi thiết bị kho điện như đã thể hiện ở mục 3.2.2. Thuật toán lọc thông thấp sẽ được sử dụng để xác định lượng đặt công suất (tầng điều khiển cấp thiết bị) cho tầng điều khiển cấp bộ biến đổi. Bộ biến đổi DC-AC thường áp dụng theo một số phương pháp quen thuộc như VOC, VFOC, DPC với các thuật toán điều khiển truyền thống như PI, Dead-beat đã được kiểm 13
chứng trên các công cụ mô phỏng, các mô hình thí nghiệm và đã được triển khai áp dụng thực tế. Do đó, trong luận án này, tác giả vận dụng các kết quả nghiên cứu theo tài liệu [95, 101] để điều khiển BBĐ DC-AC theo phương pháp VOC sử dụng các bộ điều khiển kinh điển PI, Dead-beat. Với bộ biến đổi DC-DC, tác giả không đi theo con đường điều khiển độc lập hai chế độ nạp và xả năng lượng của kho điện như ở các công trình [42, 65, 72, 83, 113] mà xuất phát từ mô hình hợp nhất hai chế độ trao đổi năng lượng đã được xây dựng ở mục 3.3.2 để thiết kế điều khiển theo các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến là điểm bổ sung của tác giả so với các công trình [40, 41, 73, 80-82, 94, 124, 125]. Các phương pháp điều khiển hai BBĐ phối hợp để hình thành lên một cấu trúc điều khiển tổng thể nhằm thực hiện bài toán “Ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của WT trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel. 4.1 Cấu trúc điều khiển tổng thể Như đã giới thiệu ở mục 1.3, hệ thống điện ốc đảo bao gồm hai cấp điều khiển: cấp hệ thống và cấp thiết bị và điều khiển SCESS thuộc về vấn đề điều khiển cấp thiết bị. Trong bài toán điều khiển cấp thiết bị, SCESS sẽ được điều khiển theo chức năng điều khiển cấp năng lượng lên lưới (grid- feeding control) như đã giới thiệu ở mục 1.3.2.2. Chức năng thiết lập lưới do trạm phát diesel thực hiện, SCESS cũng không thực hiện chức năng hỗ trợ cả lưới mà chỉ hỗ trợ các turbine PĐSG đơn lẻ (bù phân tán). Như vậy, điều khiển SCESS chính là quá trình điều khiển bám chính xác lượng đặt công suất do tầng điều khiển cấp hệ thống đưa tới như đã minh họa trên Hình 1.4. SIÊU TỤ BBĐ DC BBĐ Filter DC-DC Link DC-AC SBK PCC iinv SAH SBH SCH udc DBS A + C B Lf Cf iL RL,L C usc SBS DBK SAL SBL SCL - SBK SBS SVM PWM uN uN N uN e j PLL d u Nd u Nq KĐC Dòng KĐC uN điện DC-DC Dòng điện DC-AC iL* iNd iN * abc iN ÷ iNd iNq e j iN uDC KĐC uDC * p ESS u *DC * pWT Từ HT ĐK hệ PĐSG * QESS Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tổng thể thiết bị kho điện 14
4.2 Điều khiển bộ biến đổi DC-AC 4.2.1 Khâu điều chỉnh dòng điện Xuất phát từ mô hình gián đoạn đã thu được ở chương trước, mục tiêu thiết kế khâu điều chỉnh dòng với đáp ứng dead-beat và đảm bảo tách kênh giữa hai thành phần dòng điện thì mô hình khâu điều chỉnh dòng có dạng như (4.5). I  z1N R IN  (4.5) 1  z2 Đầu ra bộ điều khiển uN được tính như (4.6), (4.7) với các quy ước như (4.8). LD T u Nd (k 1) yNd (k ) eNd (k 1) T LD (4.6) LD T u Nq (k 1) yNq (k ) eNq (k 1) T LD T yNd (k ) xTd (k ) 1 xTd (k 1) N TxNq (k 1) y Nd (k 2) TD (4.7) T yNq (k ) xTq (k ) N TxTd (k 1) 1 xTq (k 1) y Nq (k 2) TD x T  xTd  jxTq ; xTd  iTd *  iTd ; xTq  iTq *  iTq (4.8) y N  yNd  jyNq Bộ điều khiển được tổng hợp theo kiểu Dead-beat cho phép kiểm soát các thành phần dòng điện bám chính xác theo giá trị đặt với động học nhanh là cơ sở để điều khiển ổn định điện áp một chiều trung gian thông qua thành phần dòng điện iNd. Thành phần dòng điện iNq bám đuổi theo giá trị đặt do Grid- Codes quy định. 4.2.2 Điều khiển điện áp DC-link Quá trình nạp là quá trình hút công suất từ lưới về siêu tụ, điện áp DC link sẽ suy giảm tức thời; và ngược lại quá trình siêu tụ xả năng lượng, điện áp DC link sẽ dâng lên tức thời. Kiểm soát được sự ổn định của điện áp DC link chính là kiểm soát sự cân bằng của quá trình trao đổi năng lượng. Điện áp uDC được ổn định do cấu trúc điều khiển phía DC-AC. Cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển như Hình 2 4.4 với 𝜂 = 𝑢𝐷𝐶 là biến điều khiển, pSC là nhiễu tác động đến hệ thống. pSC  * * 1 id  i d 3 2 PI u 1  2TRI s 2 Nd sC Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển điện áp DC-link Theo [5], thực hiện tổng hợp bộ điều khiển sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng cho đối tượng ta thu được bộ điều khiển PI với các tham số như sau:  1  GRUdc (s)  k pu 1    Tu s  (4.14) C 1 k pu  ; Tu  8Tt k 4Tt 15
4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC Từ việc phân tích chế độ làm việc của DC-DC dẫn tới mô hình đã được dẫn dắt và chứng minh tính đúng đắn ở Chương 3. Trong luận án này, tác giả sẽ sử dụng hai phương pháp thiết kế điều khiển: 1) Điều khiển tuyến tính với cấu trúc bộ điều khiển PI trên cơ sở mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. 2) Điều khiển phi tuyến sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov trên cơ sở mô hình phi tuyến. 4.3.1 Điều khiển tuyến tính Khi thiết kế bộ điều khiển dòng điện, ta có thể giả thiết biến động của điện áp trên tụ là chậm hơn rất nhiều so với dòng điện chảy qua cuộn cảm. Thêm vào đó, giả sử bộ điều khiển ổn định điện áp trên DC-link trong cấu trúc điều khiển của DC-AC phát huy hiệu quả thì uDC sẽ được duy trì là hằng số. Hàm truyền đạt giữa dòng điện chảy qua cuộn cảm và hệ số điều chế như sau: K IiL GCiL (s) K PiL (4.1) s Tham số của bộ điều khiển được lựa chọn dựa trên đáp ứng mong muốn của hệ kín trên miền thời gian đối với hệ bậc hai về hệ số suy giảm ζ (Damping ratio) và tần số dao động tự nhiên 𝜔𝑛 (Undamped natural frequency) như (4.2). K IiL a n K PiL 1 2 (4.2) tan( ) (3o 5o ) 4.3.2 Điều khiển phi tuyến 4.3.2.1 Các bước thiết kế Hệ có đặc điểm phi tuyến cấu trúc, trong quá trình thiết kế điều khiển phi tuyến tác giả đặt ra hai trường hợp giả thiết liên quan đến tham số của mô hình: - Giả thiết các tham số điện cảm L và điện dung C không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động của hệ (tham số là hằng số). - Giả thiết các tham số điện cảm L và điện dung C bị biến đổi nhỏ theo thời gian hoặc sai số do chế tạo giữa giá trị thực và giá trị danh định (tham số bất định). f) Trường hợp tham số L và C là hằng số Gọi sai lệch giữa biến trạng thái x1 và giá trị đặt iLref là z1. z1 x1 iLref (4.3) Hàm α1 được gọi là hàm ổn định hóa (Stabilizing function). 1 RL u  1   k1z1  x1  SC  iLref  (4.28) d L L  Gọi sai lệch giữa giá trị thật của biến trạng thái với giá trị mong muốn là z2 như (4.33) x2 z2   1 (4.31) L Từ đó xác định tín hiệu điều khiển thực chính là hàm điều chế như (4.41)   k1  dz2  k1z1    1  2 1 iinv   d d z1  dk2 z2  x1d  d 2  R  R 1 u  u  (4.39)   LC LC  L  L x1  x2 d  SC   SC  iLref     L L L L  L  g) Trường hợp tham số L và C bất định 16
̂𝐿 , 𝜃 Đặt θL=1/L và θC=1/C; Gọi giá trị ước lượng online là 𝜃 ̂𝐶 . Giả sử giá trị thực θ sai khác 𝜃̃ so với giá trị ước lượng 𝜃̂ theo biểu thức (4.45) L L L (4.43) C C C Gọi sai lệch giữa x1 và iLref là z1: z1  x1  iLref (4.45) Hàm α1 được gọi là hàm ổn định hóa (Stabilizing function). iLref  ˆL usc  k1z1 1  (4.52) dˆL Gọi sai lệch x2 và α1 là z2: z2  x2  1 (4.53) Từ đó xác định tín hiệu điều khiển thực chính là hàm điều chế như sau: iLref z dx2 usc usc dz1 d ˆL L 1 1 k2 z2 C iinv dx1 d L ˆu k1z1 (4.63) ˆ L sc 1 L 1 d z dx2 L 1 usc 4.4 Kết luận chương 4 Nội dung Chương 4 trình bày những cấu trúc điều khiển cho các bộ biến đổi công suất DC-AC và DC-DC. Cấu trúc điều khiển DC-AC thuần túy là vận dụng những tư tưởng của các công trình nghiên cứu trước đây. Vấn đề điều khiển DC-DC áp dụng hai phương pháp thiết kế: Thiết kế tuyến tính tối ưu tham số cho cấu trúc bộ điều khiển PI và thiết kế thuật toán điều khiển phi tuyến theo lý thuyết ổn định Lyapunov (4.39), (4.63). Sự kết hợp giữa các bộ điều khiển DC-AC và bộ điều khiển phi tuyến cho DC-DC hình thành lên cấu trúc điều khiển tổng thể cho hệ SCESS là đóng góp của tác giả trong vấn đề điều khiển SCESS, là điểm phát triển so với các công trình nghiên cứu trước đây [42, 65, 72, 83, 113], [40, 41, 73, 80-82, 94, 124, 125]. Nội dung Chương 4 được tác giả công bố ở công trình số [5], [6], [7]. 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM Những kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink sẽ được trình bày trong chương này để kiểm tra những hiệu quả ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra turbine PĐSG trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel với cấu trúc điều khiển SCESS đã đề xuất ở Chương 4. Thêm vào đó, kết quả mô phỏng thời gian thực trên nền tảng DSP dSPACE DS1104 và các kết quả thí nghiệm trên mô hình kho điện sử dụng siêu tụ BMOD0058 E016 B02 (58F/16V/19A) được xây dựng trong phòng thí nghiệm tại Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa – ĐH Bách khoa Hà Nội để kiểm chứng khả năng trao đổi công suất hai chiều với lưới xoay chiều ba pha cũng được trình bày trong chương này. 5.1 Mô phỏng Offline 5.1.1 Tham số mô phỏng Trong thực tế, hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel có thể bao gồm một vài trạm phát diesel kết hợp với một vài turbine PĐSG. Tuy nhiên khả năng tính toán của máy tính mà tác giả thực hiện mô phỏng chỉ thực hiện được chương trình mô phỏng với một trạm phát diesel, một hệ PĐSG sử dụng PMG và thiết bị kho điện SCESS (khảo sát động học chi tiết của tất cả các tầng điều khiển của các thành phần trong hệ thống) với thời gian mô phỏng hạn chế. Trong luận án này, tác giả mô phỏng RAPS chỉ bao gồm hai nguồn phát: hệ phát điện diesel có công suất 60 kVA và hệ phát 17
điện sức gió với công suất 20 kVA. Loại máy phát PMG công suất 20kW được lựa chọn để mô phỏng do tham số đầy đủ và tin cậy của hệ PĐSG có thể tìm thấy ở nguồn tài liệu thuộc đề tài KC.05.20CN được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu – triển khai công nghệ cao (nay là Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa) – ĐH Bách khoa Hà Nội. 5.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của hệ phát điện sức gió đến hệ thống điện ốc đảo 5.1.2.1 Kịch bản mô phỏng Tác giả sử dụng profile gió như minh họa trên Hình 5.17 là dữ liệu thu được từ mô hình tạo gió ngẫu nhiên được nghiên cứu và phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia về năng lượng tái tạo thuộc đại học kỹ thuật Đan mạch. Hệ thống WDHPS được kiểm chứng với kịch bản thay đổi tải có thể chia thành hai giai đoạn:  Giai đoạn kiểm tra phản ứng của hệ thống với tải thay đổi và gió vẫn biến động (từ thời điểm bắt đầu mô phỏng đến thời điểm t=27 giây) o Hệ thống bắt đầu làm việc với tải S1=20+j0 kVA. o Thời điểm t=7 giây, tiếp tục đóng tải S2=10+j0 kVA o Thời điểm t=17 giây, đóng tải S3=10+j5 kVA o Thời điểm t=27 giây, tải S3 ngắt ra khỏi hệ thống.  Giai đoạn kiểm tra phản ứng của hệ thống khi tải ổn định (S1+S2) và gió vẫn biến động (từ thời điểm t=27 giây đến khi kết thúc quá trình mô phỏng t=60 giây) 9.5 9 8.5 8 vWind [m/s] 7.5 7 6.5 6 5.5 5 0 10 20 30 40 50 60 Thêi gian [s] Hình 5.17 Profile gió được sử dụng trong quá trình mô phỏng C¤NG SUÊT t¸c dông C¸C NGUåN PH¸T TRONG RAPS TÇN Sè L¦íI 50 PLoad 52 45 PDG 50 f [Hz] PWT 40 48 35 46 30 44 P [kW] 0 10 20 30 40 50 60 25 SAI Sè T¦¥NG §èI CñA TÇN Sè L¦íI 20 15 10 f [%] 10 5 5 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Thêi gian [s] Thêi gian [s] Hình 5.20 Các thành phần công suất trong HT Hình 5.21 Tần số lưới trong HT điện ốc đảo điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp Wind-Diesel nguồn phát hỗn hợp Wind-Diesel 18