Tài liệu 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

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Phạm Tuấn Anh 2 LỜI CẢM ƠN Trước hết, học trò xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang – người Thầy hướng dẫn khoa học của luận án đã chỉ bảo tận tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ và động viên kịp thời trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cảm ơn Ban Lãnh đạo cùng toàn thể cán bộ Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Trường ĐHBK Hà Nội đã có những sự trao đổi thiết thực về nội dung chuyên môn cũng như những sự hỗ trợ quý báu về cơ sở vật chất để tôi có thể hoàn thành luận án. Cám ơn Ban chủ nhiệm đề tài KC.03.01/11-15 và TS. Vũ Hoàng Phương (BM Tự động hóa công nghiệp – ĐHBK Hà Nội, thành viên thực hiện đề tài KC.03.01/11-15) đã hỗ trợ tôi trong quá trình thí nghiệm. Cảm ơn Ban Chủ nhiệm cùng các bạn đồng nghiệp Bộ môn Điện tự động công nghiệp – Trường ĐH Hàng hải Việt Nam với những sự hỗ trợ về công việc tại cơ quan công tác trong quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi dành những lời biết ơn chân thành nhất gửi đến gia đình. Sự động viên, chia sẻ và giúp đỡ của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN............................................................................................... 2 MỤC LỤC ................................................................................................... 3 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................... 6 DANH MỤC BẢNG .................................................................................... 11 DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................... 12 MỞ ĐẦU ................................................................................................... 17 1 TỔNG QUAN ......................................................................................... 22 1.1 Khái niệm về hệ thống điện ốc đảo ................................................. 22 1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng ............................................ 24 1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo ............................. 25 1.3.1 Điều khiển cấp hệ thống........................................................... 25 1.3.1.1 Điều khiển tập trung.......................................................... 25 1.3.1.2 Điều khiển phân tán .......................................................... 26 1.3.2 Điều khiển cấp thiết bị ............................................................. 26 1.3.2.1 Điều khiển thiết lập lưới cơ sở ........................................... 27 1.3.2.2 Điều khiển cấp năng lượng lên lưới .................................... 28 1.3.2.3 Điều khiển hỗ trợ lưới........................................................ 28 1.4 Tình hình nghiên cứu về thiết bị kho điện trên thế giới.................... 29 1.4.1 Khái quát về một số loại kho năng lượng................................... 29 1.4.1.1 Hệ thống có khả năng đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm .......... 31 1.4.1.2 Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao .......... 32 1.4.2 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện .......................................... 34 1.5 Lựa chọn hướng nghiên cứu ........................................................... 38 1.6 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận án......................................... 42 1.7 Kết luận chương 1 .......................................................................... 43 2 CÁC NGUỒN PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ỐC ĐẢO......................... 44 2.1 Hệ thống phát điện sức gió ............................................................. 44 2.1.1 Nguyên tắc làm việc.................................................................. 44 2.1.2 Các cấu trúc PĐSG cơ bản ....................................................... 46 2.1.3 Chế độ điều khiển của hệ thống PĐSG ..................................... 47 2.1.4 Các vấn đề điều khiển trong hệ thống PĐSG ............................. 48 2.1.5 Các vấn đề điều khiển cấp thiết bị ............................................ 49 2.1.6 Sự khác biệt chính về ĐK giữa DFIG và PMSG .......................... 51 2.1.7 Điều khiển khi xảy ra lỗi lưới ................................................... 53 2.1.8 Cấu trúc điều khiển hệ PĐSG sử dụng PMG với BBĐ CLKĐK ... 54 2.2 Hệ thống phát điện diesel ............................................................... 57 2.2.1 Nguyên tắc làm việc.................................................................. 57 2.2.2 Mô hình động cơ diesel............................................................. 57 4 2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ diesel .............................................. 58 2.2.4 Điều chỉnh điện áp................................................................... 59 2.3 Kết luận chương 2 .......................................................................... 60 3 MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ .............................. 61 3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện............................................................... 61 3.2 Thiết kế kho điện........................................................................... 62 3.2.1 Tính chọn dải điện áp làm việc của siêu tụ ............................... 63 3.2.2 Tính chọn điện dung của siêu tụ............................................... 66 3.2.3 Tính chọn dung lượng tụ DC-link ............................................. 71 3.2.4 Tính chọn giá trị cuộn cảm....................................................... 71 3.3 Mô hình hóa thiết bị kho điện......................................................... 72 3.3.1 Mô hình động học siêu tụ ......................................................... 72 3.3.1.1 Sơ lược về cấu tạo.............................................................. 72 3.3.1.2 Mô hình của siêu tụ dùng trong thiết bị kho điện ............... 73 3.3.2 Mô hình bộ biến đổi DC-DC dùng trong thiết bị kho điện .......... 75 3.3.2.1 Mô hình chính xác ............................................................. 76 3.3.2.2 Mô hình trung bình ngắn hạn ............................................ 79 3.3.2.3 Kiểm chứng mô hình ......................................................... 80 3.3.3 Mô hình bộ biến đổi DC-AC dùng trong thiết bị kho điện .......... 83 3.3.3.1 Mô hình bộ biến đổi DC-AC ............................................... 83 3.3.3.2 Mô hình BBĐ DC-AC ghép với lưới điện ............................. 87 3.4 Kết luận chương 3 .......................................................................... 90 4 CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN .................................................................... 91 4.1 Cấu trúc điều khiển tổng thể .......................................................... 91 4.2 Điều khiển bộ biến đổi DC-AC ........................................................ 93 4.2.1 Khâu điều chỉnh dòng điện....................................................... 93 4.2.2 Điều khiển điện áp DC-link ...................................................... 95 4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC........................................................ 96 4.3.1 Điều khiển tuyến tính............................................................... 96 4.3.2 Điều khiển phi tuyến ................................................................ 99 4.3.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp ....................................... 99 4.3.2.2 Các bước thiết kế............................................................... 99 4.4 Kết luận chương 4 ........................................................................ 104 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .............................................. 105 5.1 Mô phỏng Offline.......................................................................... 105 5.1.1 Chương trình mô phỏng Offline .............................................. 105 5.1.1.1 Hệ phát điện sức gió ........................................................ 107 5.1.1.2 Hệ phát điện diesel.......................................................... 107 5.1.1.3 Thiết bị kho điện ............................................................. 108 5.1.2 Tham số mô phỏng ................................................................ 112 5.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của hệ phát điện sức gió đến hệ thống điện ốc đảo ........................................................................................ 114 5.1.3.1 Kịch bản mô phỏng ......................................................... 114 5 5.1.3.2 Kết quả các quá trình động học của hệ thống điện ốc đảo. 115 5.1.4 Mô phỏng động học hệ thống điện ốc đảo tích hợp với cấu trúc điều khiển tuyến tính của thiết bị kho điện..................................... 117 5.1.5 Mô phỏng động học hệ thống điện ốc đảo tích hợp với cấu trúc điều khiển phi tuyến của thiết bị kho điện...................................... 122 5.1.6 Nhận xét kết quả mô phỏng.................................................... 127 5.2 Mô phỏng thời gian thực............................................................... 128 5.3 Hệ thống thí nghiệm..................................................................... 130 5.3.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm thiết bị kho điện....................... 130 5.3.2 Chuẩn hóa cấu trúc điều khiển............................................... 132 5.3.3 Kết quả thí nghiệm................................................................. 134 5.4 Kết luận chương 5 ........................................................................ 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .............................................. 150 PHỤ LỤC A............................................................................................. 151 PHỤ LỤC B ............................................................................................ 160 PHỤ LỤC C ............................................................................................ 163 6 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt BBĐ ĐC/ĐK CLKĐK DC-AC ĐCCS DC-DC ĐCVTKG SVM DFIG Ý nghĩa Bộ biến đổi Điều chỉnh/Điều khiển Chỉnh lưu không điều khiển Nghịch lưu nguồn áp ba pha Điều chỉnh công suất Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly Điều chế vector không gian Space Vector Modulation Máy phát không đồng bộ nguồn kép Doubly Fed Induction Generator DGs Tổ hợp Diesl – Generator DPC Điều khiển trực tiếp công suất (Direct Power Control) DSP Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) ESS Thiết bị kho điện (Energy Storage System) FC Bộ biến đổi phía lưới (Frontend converter) GC Bộ biến đổi phía máy phát (Generator-side converter) GCs Tiêu chuẩn lưới điện (Grid-Codes) HPS Hệ thống điện lai (Hybrid Power System) HSCS Hệ số công suất IG Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc Squirrel Cage Induction Generator IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MPPT Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (Maximum power point tracking) NLNA Nghịch lưu nguồn áp NLPL Nghịch lưu phía lưới PĐSG Phát điện sức gió PLL Vòng khóa pha (Phase Locked Loop) PMSG/PMG Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu Permanent Magnet Synchronous Generator PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) RAPS Hệ thống điện ốc đảo(Remote Area Power Systems) SCESS Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ SuperCapacitor Energy Storage System SG Máy phát đồng bộ (Synchronous Generator) VFOC Điều khiển tựa từ thông ảo (Virtual Flux Oriented Control) 7 VOC WDHPS WECS WPS WT Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control) Hệ thống điện lai sức gió – diesl (Win – Diesel HPS) Hệ thống biến đổi năng lượng từ gió (Wind Energy Conversion System) Hệ thống điện gió (Wind Power System) Tua-bin gió (Wind Turbine) 8 Các ký hiệu Ký hiệu iL 0 u DC 0 ˆL , ˆC ∆tmax A C Cp CSC d D d1, d2 da, db, dc dS1÷dS6 Emax eN ESR igd, igq iinv iL isd, isq JD Jdg Jge k1, k 2 kψ L Lg mGD mGD,mMD mMD Ns, Np Pmax-req Ý nghĩa Giá trị trung bình ngắn hạn của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ DC-DC Giá trị trung bình ngắn hạn của điện áp trên tụ BBĐ DC-DC Các giá trị ước lượng của điện cảm, điện dung BBĐ DC-DC Thời gian huy động công suất tối đa của dàn siêu tụ Diện tích đón gió của cánh turbine PĐSG Giá trị tụ điện của mạch DC-Link trong SCESS Hệ số khai thác công suất từ gió của turbine PĐSG Giá trị điện dung của dàn siêu tụ trong SCESS Hệ số điều chế của BBĐ DC-DC Giá trị xác lập của hệ số điều chế BBĐ DC-DC Hệ số điều chế hai vector chuẩn trong mỗi sector Hệ số điều chế mỗi pha của nghịch lưu nguồn áp Hệ số điều chế cho mỗi van bán dẫn BBĐ DC-AC Năng lượng huy động tối da từ dàn siêu tụ Vector điện áp lưới Điện trở nối tiếp trong mạch điện tương đương mô hình siêu tụ Thành phần dòng điện phía lưới theo trục d, q của hệ tọa độ tựa điện áp lưới VOC Dòng điện phía DC-AC trao đổi với lưới quy đổi về phía một chiều Giá trị tức thời của dòng điện chảy qua cuộn cảm BBĐ DC-DC Thành phần dòng điện đầu ra DC-AC theo trục d, q của hệ tọa độ tựa điện áp lưới VOC Mô men quán tính của động cơ diesel trong tổ hợp phát điện diesel Mô men quán tính của rotor máy phát PMG Mô men quán tính của máy phát trong tổ hợp phát điện diesel Các hằng số dương là tham số của bộ điều khiển phi tuyến BBĐ DC-DC Hằng số điện áp của máy phát PMG Giá trị điện cảm của mạch DC-DC Điện cảm phía mạch nghịch lưu Mô men điện từ sinh ra bởi tải của máy phát trong tổ hợp phát điện diesel Mô men cơ của máy phát, động cơ diesel Mô men cơ sinh ra bởi động cơ diesel Số lượng siêu tụ mắc nối tiếp, song song Công suất huy động tối đa từ dàn siêu tụ 9 Popt Pwt q qCh qDch R Rg RL Rp s TS-dc Twt uDC udc, Udc udcg uge Ugem ULN uN, iN USC-idl USC-max USC-min v, vwind x1 x2 xDSP z1 z2 zp zpD α, α1 β γL, γC θs Công suất khai thác tối ưu turbine PĐSG Công suất cơ khai thác bởi rotor hệ PĐSG Hàm chuyển mạch của BBĐ DC-DC khi điều khiển hợp nhất hai chế độ Hàm chuyển mạch của BBĐ DC-DC khi điều khiển ở chế độ nạp (Buck) Hàm chuyển mạch của BBĐ DC-DC khi điều khiển ở chế độ xả (Boost) Chiều dài cánh turbine PĐSG Nội trở của cuộn cảm Lg Giá trị điện trở cuộn cảm DC-DC Điện trở song song trong mạch điện tương đương mô hình siêu tụ Toán tử Laplace Chu kỳ điều chế PWM BBĐ DC-DC Mô men cơ khai thác từ gió Giá trị tức thời của điện áp một chiều trung gian Giá trị trung bình, xác lập điện áp một chiều trung gian DC-AC Điện áp sau chỉnh lưu hệ PĐSG sử dụng PMG Điện áp đầu cực PMG Giá trị điện áp dây lớn nhất đầu cực PMG Giá trị hiệu dụng điện áp pha Vector điện áp, dòng điện đầu ra mạch DC-AC Điện áp dàn siêu tụ ở chế độ chờ (sẵn sàng hoạt động) Điện áp làm việc lớn nhất của dàn siêu tụ Điện áp làm việc bé nhất của dàn siêu tụ Tốc độ gió Giá trị trung bình ngắn hạn của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ DC-DC Giá trị trung bình ngắn hạn của điện áp một chiều trung gian Đại lượng x được cài đặt trên DSP (sau khi chuẩn hóa) Sai lệch điều khiển của dòng điện chảy qua cuộn cảm BBĐ DCDC Sai lệch giữa giá trị thật của biến trạng thái với giá trị mong muốn BBĐ DC-DC Số cực của máy phát PMG Số cặp cực của máy phát trong tổ hợp DG Hàm ổn định hóa (Stabilizing function) của bộ điều khiển phi tuyến BBĐ DC-DC Góc nghiêng cánh turbine PĐSG Các hằng số thích nghi của bộ điều khiển phi tuyến BBĐ DCDC Góc pha đồng bộ điện áp lưới 10 λ ρ τge ωge ωgm ωr ωs, ωN Tỷ lệ vận tốc quay của turbine với vận tốc gió Mật độ không khí Mô men điện từ sinh ra bởi tải của máy phát PMG Tốc độ cơ học của máy phát trong tổ hợp phát điện diesel Tốc độ cơ học của máy phát PMG Tốc độ quay turbine Tần số góc của thành phần cơ bản điện áp lưới 11 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại kho năng lượng theo thời gian .................................................. 30 Bảng 1.2 Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy ................................... 31 Bảng 1.3 Tóm tắt các hướng nghiên cứu về kho điện ............................................. 37 Bảng 1.4 Một số tiêu chuẩn đánh giá tần số ............................................................. 41 Bảng 3.1. Thống kê dữ liệu các bộ lọc thông thấp .................................................... 70 Bảng 3.2. Các tham số của dàn siêu tụ ....................................................................... 70 Bảng 5.1. Tham số hệ phát điện Diesel .................................................................... 112 Bảng 5.2. Tham số hệ phát điện sức gió PMG[9] ................................................... 112 Bảng 5.3. Tham số kho điện....................................................................................... 112 Bảng 5.4. So sánh chất lượng điều khiển BĐK tuyến tính và phi tuyến .............. 113 Bảng 5.5. Tham số thí nghiệm thiết bị kho điện SCESS ........................................ 131 Bảng 5.6. Giới hạn đại lượng chuẩn hóa theo mạch đo lường. ............................. 132 12 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel ........ 23 Hình 1.2 Cấu trúc điều khiển dòng điện bộ biến đổi phía lưới điển hình ............ 27 Hình 1.3 Đặc tí nh điều khiển theo độ dốc giữa các nguồn phát ............................ 27 Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển cấp năng lượng lên lưới ........................................... 28 Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển hỗ trợ lưới.................................................................. 28 Hình 1.6 Mối quan hệ giữa công suất và thời gian giải phóng theo lĩnh vực ứng dụng của kho năng lượng ........................................................................... 30 Hình 1.7 Hệ thống thủy điện PHS ............................................................................. 31 Hình 1.8 Hệ thống tích trữ năng lượng CAES ......................................................... 32 Hình 1.9 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà ....................................... 32 Hình 1.10 Hệ thống tích trữ năng lượng SMES......................................................... 33 Hình 1.11 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng acqui............................................ 33 Hình 1.12 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng siêu tụ.......................................... 34 Hình 1.13 Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ .............................................. 34 Hình 1.14 Hai khả năng tích hợp thiết bị kho điện vào hệ thống PĐSG ................ 35 Hình 1.15 Cấu trúc WD–HPS được lựa chọn để nghiên cứu................................... 39 Hình 2.1 Quá trình biến đổi năng lượng của một turbine PĐSG .......................... 44 Hình 2.2 Lớp đường đặc tính khai thác điện năng từ gió ....................................... 45 Hình 2.3 Các hệ phát điện sức gió ............................................................................ 47 Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển tổng quát của hệ thống PĐSG ............................... 48 Hình 2.5 Khái quát về các vấn đề ĐK 3 loại máy phát trong hệ thống PĐSG .... 50 Hình 2.6 Chế độ điều khiển của máy phát DFIG phụ thuộc tốc độ quay trên đồng bộ hay dưới đồng bộ ................................................................................... 52 Hình 2.7 Chế độ điều khiể n của máy phát PMSG không phụ thuộc tốc độ quay 53 Hình 2.8 Chuẩn hóa khả năng ride through của tập đoàn E.On Netz, CHLB Đức ....................................................................................................................... 54 13 Hình 2.9 Cấu trúc hệ PĐSG sử dụng PMG với BBĐ CLKĐK ............................. 54 Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng PMG với BBĐ CLKĐK56 Hình 2.11 Sơ đồ khối của tổ hợp diesel – máy phát.................................................. 57 Hình 2.12 Mô hình toán học của động cơ diesel ....................................................... 58 Hình 2.13 Mô hình hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ Diesel .............................. 59 Hình 2.14 Sơ đồ điều khiể n hệ thống kích từ máy phát đồng bộ ............................ 60 Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống biến đổi điện năng SCESS ......................................... 62 Hình 3.2 Profile gió được sử dụng trong luận án .................................................... 63 Hình 3.3 Sự thay đổi năng lượng theo điện áp của siêu tụ ..................................... 65 Hình 3.4 Cách xác định lượng đặt công suất cho kho điện .................................... 67 Hình 3.5 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp bậc 1 với các tần số cắt khác nhau ............................................................................................................... 68 Hình 3.6 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp bậc 2 với các tần số cắt khác nhau. .............................................................................................................. 68 Hình 3.7 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp bậc 3 với các tần số cắt khác nhau. .............................................................................................................. 69 Hình 3.8 Khảo sát hiệu quả của bộ lọc thông thấp khi thay đổi bậc. .................... 69 Hình 3.9 Cấu trúc siêu tụ - hai lớp ............................................................................ 72 Hình 3.10 Mô hình của siêu tụ ..................................................................................... 74 Hình 3.11 Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC dùng trong SCESS................... 76 Hình 3.12 Phân tích các cấu hình mạch điện của DC-DC ở chế độ nạp ................ 77 Hình 3.13 Phân tích các cấu hình mạch điện của DC-DC ở chế độ xả................... 78 Hình 3.14 Kiểm chứng động học của mô hình trung bình với mô hình switched ở tần số 5 kHz.................................................................................................. 80 Hình 3.15 Ảnh hưởng của tần số PWM đến dạng tín hiệu dòng điện giữa mô hình trung bình với mô hình switched ............................................................... 81 Hình 3.16 Ảnh hưởng của tần số PWM đến sai số giữa mô hình trung bình với mô hình switched ............................................................................................... 81 Hình 3.17 Khảo sát sự thay đổi chế độ làm việc của DC-DC theo hệ số điều chế 82 14 Hình 3.18 Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu nguồn áp 3 pha[95, 96] ........................ 83 Hình 3.19 Sơ đồ tổng quát BBĐ DC- AC ghép với lưới điện [95] .......................... 88 Hình 3.20 Sơ đồ thay thế tương đương BBĐ DC-AC ghép với lưới điện [95] ..... 88 Hình 3.21 Sơ đồ tối giản BBĐ DC-AC ghép với lưới điện [95] ............................. 88 Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tổng thể thiết bị kho điện..........................................92 Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu phía lưới ................................................. 95 Hình 4.3 Các thành phần công suất trong SCESS................................................... 95 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển điện áp DC-link ........................ 96 Hình 4.5 Đồ thị Bode hệ kín khi thay đổi Kp .......................................................... 98 Hình 4.6 Đáp ứng hệ kín với tín hiệu step................................................................ 98 Hình 5.1 Chương trình mô phỏng tổng thể RAPS trên MATLAB/Simulink .... 106 Hình 5.2 Mô hình turbine hệ PĐSG ........................................................................ 107 Hình 5.3 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía máy phát hệ PĐSG .................... 107 Hình 5.4 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới hệ PĐSG ............................. 107 Hình 5.5 Cấu trúc hệ thống điều tốc Diesel trên MATLAB/Simulink................ 108 Hình 5.6 Cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR trên MATLAB/Simulink .................................................................................. 108 Hình 5.7 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-AC trong SCESS......................... 108 Hình 5.8 Cấu trúc điều khiển tuyến tính BBĐ DC-DC......................................... 109 Hình 5.9 Cấu trúc điều khiển phi tuyến BBĐ DC-DC .......................................... 109 Hình 5.10 Hàm trung gian trong cấu trúc ĐK phi tuyến BBĐ DC-DC ................ 109 Hình 5.11 Hàm điều khiển trong cấu trúc ĐK phi tuyến BBĐ DC-DC ................ 110 Hình 5.12 Cấu trúc điều khiển phi tuyến thích nghi tham số BBĐ DC-DC......... 110 Hình 5.13 Hàm trung gian trong cấu trúc ĐK phi tuyến thích nghi tham số........ 111 Hình 5.14 Hàm điều khiển trong cấu trúc ĐK phi tuyến thích nghi tham số ....... 111 Hình 5.15 Đáp ứng dòng điện nạp/xả siêu tụ với tín hiệu step .............................. 113 Hình 5.16 Phóng to đáp ứng dòng điện phóng/nạp siêu tụ ..................................... 114 Hình 5.17 Profile gió được sử dụng trong quá trình mô phỏng[53] ...................... 114 15 Hình 5.18 Kịch bản thay đổi tải trong quá trình mô phỏng .................................... 115 Hình 5.19 Động học của hệ thống điện ốc đảo chỉ có nguồn phát Diesel ............ 116 Hình 5.20 Các thành phần công suất trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp Gió-Diesel .................................................................................................. 116 Hình 5.21 Tần số lưới trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp Gió -Diesel ..................................................................................................................... 117 Hình 5.22 Công suất tác dụng và diến biến năng lượng của SCESS với cấu trúc điều khiển tuyến tính ......................................................................................... 118 Hình 5.23 Điện áp một chiều trung gian và dòng điện phóng/nạp siêu tụ của SCESS với cấu trúc điều khiển tuyến tính ........................................................... 118 Hình 5.24 Đáp ứng các thành phần của vector dòng điện 3 pha của SCESS với cấu trúc điều khiển tuyến tính ......................................................................... 119 Hình 5.25 Tác dụng lọc công suất WT của SCESS với cấu trúc điều khiển tuyến tính ..................................................................................................................... 119 Hình 5.26 Hiệu quả ổn định tần số lưới khi có tích hợp SCESS với cấu trúc điều khiển tuyến tính ......................................................................................... 120 Hình 5.27 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp với cấu trúc điều khiể n tuyến tính ..................................... 121 Hình 5.28 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp với cấu trúc điều khiển tuyến tính ........................................................... 121 Hình 5.29 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả với cấu trúc điều khiể n tuyến tính ..................................... 122 Hình 5.30 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả với cấu trúc điều khiển tuyến tính ........................................................... 122 Hình 5.31 Công suất tác dụng và diến biến năng lượng của SCESS với cấu trúc điều khiển phi tuyến .......................................................................................... 123 Hình 5.32 Điện áp một chiều trung gian và dòng điện phóng/nạp siêu tụ của SCESS với cấu trúc điều khiểnphi tuyến ............................................................. 123 Hình 5.33 Đáp ứng các thành phần của vector dòng điện 3 pha của SCESS với cấu trúc điều khiển phi tuyến .......................................................................... 124 16 Hình 5.34 Tác dụng lọc công suất WT của SCESS với cấu trúc điều khiển phi tuyến ..................................................................................................................... 124 Hình 5.35 Hiệu quả ổn định tần số lưới khi có tích hợp SCESS với cấu trúc điều khiển phi tuyến .......................................................................................... 125 Hình 5.36 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp với cấu trúc điều khiể n phi tuyến....................................... 126 Hình 5.37 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp với cấu trúc điều khiển phi tuyến ............................................................ 126 Hình 5.38 Điện áp một chiều trung gian trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả với cấu trúc điều khiể n phi tuyến....................................... 127 Hình 5.39 Dòng điện 3 pha trong quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả với cấu trúc điều khiển phi tuyến ............................................................ 127 Hình 5.40 Hệ thống mô phỏng thời gian thực với DS1104 .................................... 129 Hình 5.41 Kết quả mô phỏng với dSPACE DS1104 ............................................... 129 Hình 5.42 Cấu trúc hệ thống thiết bị kho điện trong phòng thí nghiệm................ 131 Hình 5.43 Hình ảnh thiết bị thí nghiệm SCESS ....................................................... 132 Hình 5.44 Kết quả điều khiển phía DC-AC .............................................................. 135 Hình 5.45 Động học quá trình SCESS trao đổi công suất hai chiều với lưới và quá trình đảo chiều dòng công suất từ nạp sang xả ...................................... 136 Hình 5.46 Động học quá trình SCESS trao đổi công suất hai chiều với lưới và quá trình đảo chiều dòng công suất từ xả sang nạp ...................................... 137 17 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 18 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. 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 DCDC 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. 19  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 GridCodes. 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. 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 20 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