Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học điều khiển tối ưu hệ thống điện lai diesel sức gió mặt trời cho hải đảo việt nam...

Tài liệu điều khiển tối ưu hệ thống điện lai diesel sức gió mặt trời cho hải đảo việt nam

.DOCX
288
102
54

Mô tả:

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 chính xác và trung thực. Ngày tháng 09 năm 2019 Tác giả luận án Diệp Thanh Thắng 1 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự hướng dẫn tận tình, cũng như sự động viên khích lệ và sự đồng cảm của tập thể hướng dẫn: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, TS. Nguyễn Đức Huy trong suốt quá trình thực hiện luận án từ hình thành ý tưởng cho đề tài, xây dựng kế hoạch thực hiện và thiết kế cấu trúc theo trình tự từng bước hình thành luận án. Tôi xin được cảm ơn Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có môi trường nghiên cứu cởi mở và nghiêm túc cùng cơ sở vật chất cần thiết để thực hiện luận án, quan trọng hơn đã có những đóng góp trao đổi thiết thực và sâu sắc về nội dung chuyên môn trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin được cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Viện Điện – ĐHBK Hà Nội, với những hướng dẫn chuyên môn hết sức cần thiết và rất giá trị. Tôi xin được cảm ơn đến những người bạn, các nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa và Viện Điện đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi dành tình cảm và lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đặc biệt là vợ tôi, những người đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn suốt những ngày tháng thực hiện luận án. 2 Mục lục Lời cam đoan………………………………….. .................................................................. 1 Lời cảm ơn…………………………………… .................................................................... Mục lục……………………………………….. ................................................................... 3 Danh mục chữ viết tắt và các ký hiệu………… … ............................................................ Danh mục các bảng………………………….. ................................................................. 11 Danh mục các hình vẽ, đồ thị……………………………….. ......................................... 12 Mở đầu……………………………………….. .................................................................. 15 1. Sự cần thiết của đề tài ........................................... 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......... 3. Mục tiêu của luận án ............................................. 4. Phương pháp luận và phương pháp toán học ........ 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................... 6. Đóng góp của luận án ............................................ 7. Bố cục của luận án .................................................................................................. Chương 1 Tổng quan……………………… .................................................................. 1.1 Sơ lược năng lượng tái tạo ........ 1.2 Hệ thống điện lai có diesel chạy 1.3 1.2 1.2 1.2 Chế độ làm việc của hệ thống đi 1.4 1.3 1.3 1.3 1.3 Các nguồn phát trong hệ thống đ 1.5 Bài toán phân bố tối ưu công suấ 1.6 Hướng nghiên cứu của luận án . 1.7Nhiệm vụ của luận án ............... 1.8Kết luận chương 1 .................... Chương 2 Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu……………… ........................................... 2.1Mở đầu ...................................... 2.2Khái niệm điều khiển tối ưu ..... 2.2 2.2 2.3Phương pháp quy hoạch động .. 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.4Lời giải phương trình HJB và ph 2.5Kết luận chương 2 .................... Chương 3 Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu bằng phương pháp quy hoạch động……………………………………………………………… 3.1Mở đầu .......................................................................................... 3.2Mô tả bài toán tối ưu công suất phát ............................................. 3.2.1 Hệ thống điện MG không nố 3.2.2 Các thành phần tham gia phá 3.2.3 Ý tưởng dùng hàm phạt cho 3.2.4 Bài toán phân bố tối ưu công 3.3Mô hình bài toán điều khiển tối ưu công suất phát ....................... 3.3.1 Biến điều khiển .................... 3.3.2 Hàm mục tiêu ...................... 3.3.3 Các ràng buộc ...................... 3.3.4 Phương pháp quy hoạch độn 3.3.5 Phân tích sách lược điều khiể 3.3.6 Hệ thống điều khiển cung-cầ 3.4Sơ đồ tìm dòng công suất phát tối ưu ............................................ 3.5Phương pháp số giải phương trình HJB ........................................ 3.6Ví dụ với thông số giả định ........................................................... 3.6.1 Ví dụ 1: Hệ thống gồm 1 má 3.6.2 Ví dụ 2: Hệ thống gồm 2 má 3.7Ảnh hưởng công suất inverter .. 3.8Kết luận chương 3 .................... Chương 4 Xây dựng chiến lược phát công suất với bước nhảy Markov…………… .. 4.1Mở đầu ...................................... 4.1 4.1 4.2Giới thiệu bài toán .................... 4.2 4.2 4.2 4.3Phát triển mô hình toán học ...... 4.3 4.3 4.3 4.4Phương pháp số cho mô hình Ri 4.5Ví dụ bằng số ............................ 4.5 4.5 4.6Kết luận chương 4 .................... Chương 5 Mô phỏng thông số thực tế và cài đặt hệ thống SCADA………………….. 99 5.1 Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời .............. 5.2 Giới thiệu hệ thống điện diesel-sức gió dữ liệu thực tế ................. 5.2.1 Thực trạng hệ thốn 5.2.2 Logic điều khiển h 5.2.3 Điều khiển tần số . 5.2.4 Các điều kiện kỹ th 5.3 Bài toán điều khiển công suất phát hệ thống điện sức gió-diesel tr ........................................................................................................ 5.3.1 Đặt bài toán .......... 5.3.2 Phương trình Hami 5.3.3 Kết quả chạy mô h 5.4 Đề xuất HTĐ sức gió-mặt trời-diesel Phú Quý ............................ 5.4.1 Lựa chọn công suấ 5.4.2 Tiềm năng điện mặ 5.4.3 Lựa chọn công ngh 5.4.4 Bài toán điều khiển tối ưu công suất phát................................................ 116 5.5 Sơ đồ cài đặt hệ thống SCADA........................................................................120 5.6 Kết luận chương 5............................................................................................123 Kết luận chung và kiến nghị…………………............................................................... 124 Tài liệu tham khảo……………………………...............................................................126 Danh mục các công trình đã công bố của luận án........................................................ 131 Phụ lục………………………………………...................................................................132 Phụ lục A: Các nguồn phát trong hệ thống điện MG................................................132 A.1 Máy phát điện mặt trời....................................................................................... 132 A.1.1 Sản xuất pin quang điện và thị trường.........................................................132 A.1.2 Mô hình hóa điện mặt trời...........................................................................133 A.1.3 Tổng quan cấu trúc bộ biến đổi điện mặt trời............................................. 135 A.2 Máy phát điện sức gió........................................................................................ 140 A.2.1 Cấu tạo.........................................................................................................140 A.2.2 Mô hình toán học.........................................................................................141 A.2.3 Cấu trúc bộ biến đổi máy phát điện sức gió.............................................. 141 A.2.4 Phân loại máy phát điện gió........................................................................142 A.2.5. Khái quát về hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ...............144 A.3 Máy phát điện diesel.........................................................................................146 A.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc...................................................................147 A.3.2 Mô hình toán học.......................................................................................147 A.4 Kho điện........................................................................................................... 148 A.4.1 Khái niệm về kho điện.................................................................................148 A.4.2 Các loại kho điện...................................................................................... 149 A.4.3 Cấu trúc thiết bị kho điện dùng siêu tụ......................................................151 A.4 Khái niệm tải giả...............................................................................................151 Phụ lục B: Giả thiết của Rischel................................................................................153 Phụ lục C: Xây dựng phương trình HJB................................................................... 154 C1. Chứng minh điều điều kiện tối ưu của phương trình HJB..............................154 C.2. Phương trình tích phân.................................................................................. 154 C.3. Phương trình vi phân đạo hàm riêng............................................................. 155 C.4. Điều khiển phản hồi.......................................................................................155 Phụ lục D: Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời.........................157 D.1 Các định nghĩa cơ bản.................................................................................. 157 D.2 Quy trình lựa chọn công suất thiết kế...........................................................158 6 Phụ lục E: Hình ảnh và số liệu hệ thống điện trên đảo Phú Quý..............................159 E.1. Hình ảnh Phú Quý..........................................................................................159 E.2. Số liệu công suất phát và phụ tải Phú Quý....................................................160 7 Danh mục chữ viết tắt và các ký hiệu Chữ viết tắt Chữ AC CG CIT Tiếng Anh Alternating Current Conventional Generation Communication and Information Technology CSPK DC DEG DFIG DL DP DG ĐKTƯ EMS IBS IEC IED HJB HPS HTĐ MG MTBF MTTR OPF PCC PMG PHS PV RES WTG Direct Current Diesel Engine Generator Doubly-Fed Induction Generator Dump load Dynamic Programing Distributed Generation Energy Management System Intelligent Bypass Switch International Electrotechnical Committee Intelligent Electronic Device Hamilton-Jacobi-Bellman Hybrid power system Micro Grid Mean time between failures Mean time to repair Optimal Power Flow Point of Common Coupling Permanent magnet generator Power Hybrid System Photovoltaic Renewable Energy Source Wind Turbine Generator Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị A A m (t ) 2 Định nghĩa Vùng quét của cánh quạt tuabin gió Miền xác định của biến điều khiển cp u,uDEG, uEES c Hệ số công suất phụ thuộc vào tỷ số cDEG D E[] tốc Độ và góc quay trục rotor Chi phí phạt do mất cân bằng công H[] G(.), g(.) suất Chi phí sản xuất điện diesel Miền xác định chấp nhận được Ký hiệu kỳ vọng toán học Hàm trạng thái IPV ir,s Hàm Hamilton Hàm chi phí đơn vị i I Đặc tính V-A của pin quang điện J(t,X ,.) Dòng điện rơi trên rotor/stator K Chỉ số trạng thái máy phát diesel KB PDEG Hàm chi phí tổng (hàm mục tiêu) f Hệ số trên trục cứng Hằng số Boltzmann Công suất của máy phát diesel Pdis/charge PL PWTG PPV P Công suất nạp/xả của inverter Nhu cầu phụ tải Công suất của máy phát tuabin gió Công suất của máy phát điện mặt trời Công suất max/min của máy phát diesel max/ min P Công suất max/min của máy phát tuabin gió max/ min PV 1,2 P Công suất max/min của máy phát điện mặt trời Năng lượng sinh ra từ gió max/ min Pw pr P ij(t) pij Xác suất chuyển đổi trạng thái i sang j Tỷ số chuyển đổi trạng thái i sang j 9 Q Rr,s S(T,.) TM coulomb uDEG u vr,vs v(t, x) v(t, X) ohm $ Nm uEES x Z MG Điện tích electron Ký hiệu tập xác định trong bài toán điều khiển tối ưu Điện trở trên rotor và stator Điều kiện biên hàm giá trị v(t,X) Mômen xoắn của trục kW kW Volt Biến điều khiển công suất của DEG Vector biến điều khiển $ kW điện áp rơi trên rotor/stator của WTG Hàm giá trị theo biến x Hàm giá trị theo biến X Biến điều khiển inverter nạp/xả kWh Vector biến trạng thái Điểm tối ưu trạng thái (hedging point) (t ) Hệ số xoắn trên trục 3 kg/m Biến liên kết, biến phụ dùng trong hàm Hamilton Tỷ số phá hủy (failure rate) (t) (t) M DM. Mật độ không khí Tỷ số phục hồi (repair rate) M Quá trình Markov, t 0 r ,s Hàm nhiễu, t 0 rad/s Tốc độ góc của tuabin gió Độ giảm mômen xoắn trong tuabin Wb gió Từ thông rotor và stator 10 Danh mục các bảng Bảng 3.1: Thông số hệ thống điện sức gió-diesel-mặt trời, kho điện ESS..........................68 Bảng 3.2: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời.............................................74 Bảng 4.1: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời.............................................94 Bảng 5.1: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel năm tháng 02 năm 2018.................108 Bảng 5.2 So sánh ba phương án công nghệ tấm pin mặt trời............................................ 114 Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật của inverter 3 pha ở điều kiện tiêu chuân.............................114 Bảng 5.4. Thông số hệ thống…………………................................................................. 115 Bảng 5.5: Thông số tương lai hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời-kho điện............117 Bảng A.1. Phân loại công nghệ kho điện theo thời gian nạp/xả........................................149 Bảng A.2. Công suất và thời gian đáp ứng hệ thống......................................................... 151 11 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình M.1. Sơ đồ 1 sợi rút gọn hệ thống điện lai MG.......................................................... 16 Hình M.2. Bố cục của luận án…………………..................................................................20 Hình 1.1: Đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo [tỷ USD]............................................... 21 Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện MG….................................................................... 22 Hình 1.3: Hệ thống điện MG không nối lưới…...................................................................23 Hình 3.1. Mô hình hệ thống điện MG không nối lưới quốc gia.......................................... 50 Hình 3.2: Sản xuất điện theo nhu cầu…………..................................................................62 Hình 3.3a: Sơ đồ quá trình tìm dòng công suất phát tối ưu cho hệ thống điện MG............64 Hình 3.3b: Minh họa thuật toán tìm kiếm chiến lược điều khiển tối ưu..............................65 Hình 3.4: Thuật toán Kushner giải phương trình HJB.........................................................67 Hình 3.5 Dự báo nhu cầu phụ tải…………….....................................................................68 Hình 3.6 Dự báo công suất điện gió…………………………............................................ 69 Hình 3.7 Dự báo công suất điện mặt trời……….................................................................69 Hình 3.8 Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel......................................... 70 Hình 3.9 Chính sách nạp/xả của kho điện…………............................................................70 Hình 3.10 Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]..............................................................71 Hình 3.11 Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW]..................71 Hình 3.12 Sai số mô hình và phụ tải trên sản lượng điện [%].............................................72 Hình 3.13 Hệ thống điện MG gồm 2 máy phát DEG và ESS..............................................72 Hình 3.14: Dự báo nhu cầu phụ tải……………..................................................................73 Hình 3.15: Dự báo công suất điện gió…………................................................................. 73 Hình 3.16 Dự báo công suất điện mặt trời……...................................................................74 Hình 3.17 Chính sách phát công suất tối ưu của hai máy phát diesel..................................75 Hình 3.18 Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]..............................................................76 Hình 3.19: Sai số giữa mô hình và phụ tải trên sản lượng điện [%]....................................76 Hình 3.20 Tổng hợp phụ tải, các nguồn phát và kho điện ESS [kW]..................................77 Hình 3.21 Ảnh hưởng công suất inverter kho điện lên hàm giá trị......................................78 12 Hình 4.1: Hệ thống điện MG cách ly lưới quốc gia.............................................................82 Hình 4.2: Quá trình chuyển đổi trạng thái của máy phát DEG............................................84 Hình 4.3. Thuật toán Kushner cho mô hình Markov........................................................... 92 Hình 4.4. Mô hình hệ thống điện lai độc lập lưới................................................................93 Hình 4.5: Dự báo nhu cầu phụ tải……………....................................................................94 Hình 4.6: Dự báo công suất điện gió……………............................................................... 94 Hình 4.7. Dự báo công suất điện mặt trời…………............................................................95 Hình 4.8. Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel........................................ 96 Hình 4.9. Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]...............................................................96 Hình 4.10. Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW].................97 Hình 5.1 Hệ thống điện lai sức gió-diesel đảo Phú Quý....................................................100 Hình 5.2 Phụ tải điển hình ngày tết trên đảo Phú Quý...................................................... 101 Hình 5.3 Phụ tải điển hình ngày bình thưởng trên đảo Phú Quý.......................................101 Hình 5.4: Đặc tính công suất phát của turbine V80 và máy phát diesel Cummin.............102 Hình 5.5: Mô hình hệ thống điện lai nhỏ cách ly lưới quốc gia........................................ 106 Hình 5.6: Chính sách phát công suất tối ưu của hai máy phát diesel [kW].......................109 Hình 5.7: Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]............................................................ 109 Hình 5.8: Sai số giữa phụ tải và mô hình tính toán [kW]..................................................109 Hình 5.9. Sản lượng điện hàng năm trên đảo Phú Quý..................................................... 111 Hình 5.10. Các kịnh bản tăng trưởng phụ tải trên đảo Phú Quý........................................111 Hình 5.11: Bản đồ bức xạ mặt trời trên toàn lãnh thổ Việt Nam.......................................112 Hình 5.12: Bức xạ mặt trời trên đảo Phú Quý…............................................................... 112 Hình 5.13. Sản lượng tấm pin mặt trời theo từng loại công nghệ (%)...............................113 Hình 5.14 Sản lượng điện do hệ thống điện mặt trười sinh ra hàng tháng........................115 Hình 5.15. Sơ đồ hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời trên đảo Phú Quý..................116 Hình 5.16. Sơ đồ hệ thống điện MG sức gió-diesel-mặt trời-kho điện............................. 116 Hình 5.17: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2023............................................................ 117 Hình 5.18: Dự báo công suất điện gió…………............................................................... 118 Hình 5.19: Dự báo công suất điện mặt trời……................................................................118 Hình 5.20: Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel.................................... 119 13 Hình 5.21. Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]...........................................................119 Hình 5.22. Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW]...............120 Hình 5.23. Sơ đồ xây dựng biểu đồ vận hành SCADA sử dụng dòng công suất tối ưu....121 Hình A.1: Định luật Swanson…………………................................................................132 Hình A.2: Mô hình tế bào quang điện…………................................................................133 Hình A.3: Quan hệ I(U) và P(U) của PV…………...........................................................134 Hình A.4: Hệ thống điện mặt trời…………….................................................................. 136 Hình A.5: Cấu trúc và sơ đồ kết nối hệ thống điện mặt trời..............................................137 Hình A.6: Sơ đồ khối chức năng điều khiển ĐTCS nối lưới cho pin mặt trời..................138 Hình A.7: Tái cấu trúc các tấm pin……………................................................................139 Hình A.8:a) Đặc tính công suất ppv(upv) và b) sơ đồ khối điều khiển................................139 Hình A.10: Turbine truyền động trực tiếp……................................................................. 140 Hình A.11: Hệ thống phát điện gió căn bản……...............................................................141 Hình A.12: Phân loại máy phát điện gió [90]…................................................................ 142 Hình A.13: Hệ thống điều khiển điện tử công suất nối lưới cho máy phát điện gió [24] . 143 Hình A.14: Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu........................................................... 144 Hình A.15 Hệ thống phát điện gió dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với bộ CL đơn giản .. 145 Hình A.16: Hệ thống phát điện gió với dàn ắc-quy...........................................................145 Hình A.17. Khái quát cấu trúc HTPĐ gió sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ....146 Hình A.18: Minh họa máy phát diesel [95]……............................................................... 147 Hình A.20: Minh họa kho điện sử dụng siêu tụ cho bù phân tán...................................... 150 Hình A.21: Kho điện sử dụng ắc quy cho bù tập trung..................................................... 150 Hình C.1: Điều khiển phản hồi mạch kín……….............................................................. 155 Hình E.1: Máy phát Cummins và CAT………................................................................. 159 Hình E.2: Nhà máy điện gió Phú Quý…………............................................................... 159 Hình E.3: Tuabin gió VESTAS và trạm 22kW…..............................................................160 Hình E.4: Phụ tải điển hình ngày 26/5/2015……..............................................................160 Hình E.5: Phụ tải điển hình ngày 17/11/2015…................................................................161 Hình E.6: Phụ tải điển hình không chạy tuabin gió ngày 01/07/2018............................... 161 14 Mở đầu 1. Sự cần thiết của đề tài Trong tất cả các hệ thống công nghiệp thì hệ thống điện (HTĐ) là hệ thống có độ phức tạp vào bậc nhất. Độ phức tạp không những vì cấu trúc vật lý mà còn tính an sinh xã hội, vì HTĐ ảnh hưởng trực tiếp lên tất cả đời sống kinh tế xã hội hàng ngày từ công nghiệp, truyền thông, thông tin, nông nghiệp, sinh hoạt, giao thông vận tải, vui chơi giải trí và thương mại. Ngoài ra HTĐ là hệ thống sản xuất công nghiệp duy nhất mà việc sản xuất ra thành phâm không có khả năng tích trữ. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện lực từ hơn một trăm năm qua đã cho phép xây dựng các hệ thống lớn đáng tin cậy và kinh tế, ngành công nghiệp điện lực không dừng lại thiết kế xây dựng các hệ thống gồm các nhà máy điện truyền thống CG (conventional generation) như thủy điện, nhiệt điện, hạt nhân, mà còn phát triển mạnh mẽ thống điện tái tạo RES (renewable enegry system) như điện gió, điện mặt trời quy mô lớn trên phạm vi toàn cầu. Bên cạnh sự tồn tại của hệ thống điện quốc gia gồm các nhà máy điện truyền thống CG, và các trang trại sử dụng điện gió WTG (wind turbine generator), điện mặt trời PV (photovoltaic generator) ở quy mô lớn có nối lưới quốc gia tạo nên hệ thống điện có nguồn phát và phụ tải tiêu thụ vô cùng lớn, sự xuất hiện của các mô hình các hệ thống điện lai nhỏ MG (microgrid) gồm các nguồn phát điện phân tán DG (distributed generation) không nối lưới quốc gia cung cấp cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa nơi chưa có điều kiện kết nối với lưới điện quốc gia. Các hệ thống điện MG có công suất từ vài trăm kW đến hàng chục MW hoạt động ở chế độ không nối lưới quốc gia bao gồm chủ yếu máy phát diesel DEG (diesel engine generator), turbine điện gió WTG, và điện mặt trời PV. Các hệ phát điện sức gió và mặt trời được tạo ra từ các nguồn sơ cấp phụ thuộc vào yếu tố thời tiết khí hậu, cho nên một mặt sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất để chuyển đổi sang năng lượng điện, mặt khác chúng được phát lên lưới MG nhờ có máy phát điện diesel phát nền. Cũng giống như HTĐ quy mô lớn, các hệ thống điện MG đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật như điều khiển tần số, điều khiển công suất phản kháng, khả năng trụ lưới khi có sụt áp, dự phòng nóng cho hệ thống, việc cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải trong khi duy trì tỷ lệ thâm nhập điện gió và điện mặt trời sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện trên lưới MG. Ngoài việc đảm bảo các điều kiện kỹ thuật về chất lượng và ổn định hệ thống, bài toán kinh tế trong việc vận hành các nguồn phát phân tán đặt ra nhằm tối ưu công suất phát có lợi về kinh tế khi vận hành. 15 Hơn nữa, yêu cầu lập biểu đồ vận hành cho hệ thống SCADA về công suất phát là cần thiết trong quá trình vận hành lưới MG. Bài toán tối ưu công suất phát ở chế độ xác lập tương đương với điều tần cấp III trong cấu trúc điều khiển phân tầng. Trong đó, cấu trúc điều khiển phân tầng hệ thống điện MG bao gồm ba cấp điều khiển cơ bản: (i) điều khiển sơ cấp (primary frequency control) hay còn gọi điều tần cấp I, (ii) điều khiến thứ cấp (secondary frequency control) − điều tần cấp II, và điều khiển cấp ba (tertiary frequency control) − điều tần cấp III. (iii) Điều tần cấp III có tác dụng phục hồi dự trữ từ thứ cấp, ở cấp này bài toán điều khiển trở thành bài toán vận hành kinh tế và phân bố tối ưu công suất. Do đó, luận án đặt ra nhiệm vụ “điều khiển tối ưu công suất phát cho hệ thống điện lai MG không nối lưới điện quốc gia” sử dụng phương pháp quy hoạch động để tìm lời giải tối ưu. Việc điều khiển nhằm vào đối tượng máy phát diesel và kho điện, trong khi máy phát điện gió và điện mặt trời cũng như phụ tải là những yếu tố được dự báo trước. Trong luận án này, hệ thống điện MG bao gồm các nguồn phân tán là máy phát diesel DEG, máy phát điện gió WTG, máy phát điện mặt trời PV và kho điện ESS (energy storage system) được miêu tả rút ngọn trong Hình M.1. P P2 1 P B-1 V G1 P (t) WTG Phụ tải 3 WTG Hình M.1. Sơ đồ 1 sợi rút gọn hệ thống điện lai MG Trong đó: Máy phát diesel DEG là nguồn phát dùng để phát nền và phủ đỉnh, có chức năng bảo đảm ổn định dài hạn (long-term stability); Máy phát điện mặt trời PV và điện sức gió WTG là nguồn cung cấp năng lượng lên lưới; Kho điện ESS có chức năng bảo đảm ổn định ngắn hạn (short-term stability) công suất biến đổi đầu ra khi xảy thay đổi phụ tải, điện gió hay điện mặt trời như sau: dP t L () dt pcc v là điện áp điểm nối chung từ các nguồn phân tán tới lưới phân phối, PL(t) là phụ tải tiêu thụ tại thời điểm t với PL(t) = PL1(t)+ PL2(t)+ PL3(t), Pi là các tổn hao trên đường dây. 16 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: Đề xuất cách tiếp cận mới mô hình điều khiển tối ưu công suất phát cho hệ thống điện lai không nối lưới diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện sử dụng phương pháp quy hoạch động. Nhờ sự có mặt kho điện nên bài toán trở thành điều khiển quá trình. Trong đó mô hình sử dụng hàm phạt nhằm xử lý độ biến thiên mất cân bằng công suất, với điều kiện các nguồn sơ cấp bất định và phụ tải biển đổi mục đích nhằm đảm bảo cân bằng công suất trong hệ thống. Ngoài ra tính đến khả năng máy phát diesel xảy ra sự cố. Đối tượng nghiên cứu: Công suất phát của hệ thống điện lai diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện là đối tượng nghiên cứu. Công suất phát máy phát điện sức gió, điện mặt trời và phụ tải là những thành phần không điều khiển được có các giá trị đầu vào được biết trước nhờ dự báo, đối tượng điều khiển là công suất phát máy phát diesel và công suất nạp/xả của kho điện nhằm đảm bảo cân bằng giữa công suất phát và phụ tải tiêu thụ. Phạm vi nghiên cứu: Các vấn đề được luận văn giải quyết trong các phạm phi hạn chế trong các giả thiết (assumption) sau đây: A.1. Công suất đặt của máy phát diesel lớn hơn công suất tiêu thụ của phụ tải. A.2. Bỏ qua điện kháng đường dây, chỉ xét tổn thất công suất hữu công P coi là hằng số. A.3. Hệ thống điện MG được coi như đã thiết kế đáp ứng dòng công suất đặt của hệ thống. A.4. Dữ liệu phụ tải được dự báo trước. Dữ liệu công suất phát của điện sức gió và điện mặt trời được dự báo phụ thuộc vào tốc độ gió và bức xạ mặt trời. Không xét chế độ bất khả kháng với các điều kiện khắc nghiệt như bão, giông, động đất. A.5. Không giải quyết bài toán dự báo riêng cho phụ tải và hệ thống điện tái tạo. A.6. Máy phát điện diesel thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật như điều tần, điều áp. Ngoài giới hạn điều chỉnh thì máy phát điện sức gió và điện mặt trời có khả năng tham gia điều chỉnh bằng cách đóng cắt một phần. A.7. Kho điện có nhiệm vụ đảm bảo ổn định ngắn hạn và trung hạn. A.8. Luận án chỉ tập trung vấn đề điều khiển công suất phát của máy phát diesel – cấp điều khiển điều độ, không giải quyết bài toán điều khiển thiết bị của toàn hệ thống. 17 3. Mục tiêu của luận án Với mục đích, đối tượng và phạm vi miêu tả như trên, mục tiêu của luận án gồm ba điểm sau: I. Tìm công suất phát tối ưu của HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời-kho điện ở chế độ xác lập với các điều kiện: o Bài toán điều khiển biến thiên theo thời gian sử dụng tỷ lệ thâm nhập điện gió, điện mặt trời và sự biến đổi của phụ tải trong thời gian 1 ngày (24h); o Dữ liệu đầu vào gồm công suất điện gió, mặt trời và phụ tải dựa vào dự báo; o Đảm bảo ổn định trong hệ thống đáp ứng Điều tần cấp I và cấp II. o Hàm mục tiêu là cực tiểu hóa chi phí vận hành máy phát diesel và hàm phạt do mất cân bằng công suất. II. Tính toán và thiết kế công suất đặt HTĐ lai dựa trên nền HTĐ diesel-sức gió ngoài hải đảo. III. Thiết kế và cài đặt biểu đồ vận hành cho hệ thống SCADA với các điểm đặt công suất (set point) theo tỷ lệ thâm nhập điện gió, mặt trời, biến động của phụ tải một cách mềm dẻo và gần với thực tiễn. 4. Phương pháp luận và phương pháp toán học Phương pháp luận: Toàn bộ luận án, phương pháp luận được sử dụng bằng việc trả lời bốn câu hỏi dưới đây. 1. Có thể sử dụng phương pháp quy hoạch động để phát triển mô hình điều khiển tối ưu công suất phát HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời có sự tham gia kho điện trong trường hợp máy phát diesel hoạt động bình thường không? 2. Có thể sử dụng mô hình Rishel để phát triển mô hình điều khiển tối ưu công suất phát HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời-kho điện trong trường hợp máy phát diesel xảy ra sự cố hỏng hóc không? 3. Có thể áp dụng phương pháp số Kushner để giải phương trình HamiltonJacobi-Bellman từ hai bài toán trên không? 4. Có thể thiết kế HTĐ lai trên nền HTĐ diesel-sức gió và lập biểu đồ vận hành SCADA cho hệ thống áp dụng các các mô hình trên không? Phương pháp toán học: • Lý thuyết điều khiển tối ưu, cụ thể sử dụng phương pháp quy hoạch động (nguyên lý Bellman) để xây dựng mô hình xác định (deterministic model) tìm điều kiện tối ưu cho hệ, trường hợp máy phát diesel hoạt động bình thường. 18 • Mượn mô hình của Rishel (1975) để xây dựng mô hình ngẫu nhiên (stochastic model) khi máy phát diesel xảy ra sự cố hỏng hóc bằng việc sử dụng quá trình Markov để đặc tính hóa hiện tượng hỏng hóc. • Điều kiện cần và đủ để hai mô hình (xác định và ngẫu nhiên) thỏa mãn phương trình vi phân đạo hàm riêng Hamilton-Jacobi-Bellman. • Sử dụng phương pháp số Kushner để tìm lời giải phương trình HJB cho các trường hợp cụ thể. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Chiến lược phát công suất tối ưu sử dụng phương pháp quy hoạch động cho phép mô phỏng và tính toán công suất phát tối ưu hệ thống điện không nối lưới diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện trong thời gian xác định (một ngày 24h), điểm này là yếu tố quyết định cho chiến lược vận hành hệ thống điện trong khi đối mặt với sự bất định của điện gió, điện mặt trời và sự biến đổi của phụ tải. Bài toán đề xuất là bài toán điều khiển quá trình do sự có mặt của kho điện. Kết quả của đề tài là nền tảng lý thuyết xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu cho bài toán dòng công suất tối ưu của hệ thống điện MG không nối lưới. Ý nghĩa thực tiễn: Mô hình điều khiển tối ưu công suất được đề xuất có tiềm năng sử dụng tốt cho hệ thống điện MG diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện cần yếu tố điều khiển quá trình. Thực tế trong luận án đã được sử dụng hiệu quả cho số liệu từ hệ thống điện MG thực tiễn và giả định. Đơn giản hóa và giảm chi phí cho vận hành hệ thống điện có các nguồn phân tán không nối lưới. 6. Đóng góp của luận án Luận án giải quyết bài toán tối ưu công suất phát của hệ thống MG có máy phát diesel chạy nền, trong đó các nguồn điện phân tán điện gió, mặt trời và phụ tải là các thành phần bất định không điều khiển được, các thành phần máy phát diesel và kho điện là các thành phần điều khiển được. Luận án lần đầu tiên xây dựng mô hình điều khiển tối ưu hoàn chỉnh sử dụng phương pháp quy hoạch động (nguyên lý Bellman) cho hệ thống điện MG dieselsức gió-mặt trời tích hợp kho điện không nối lưới là nền tảng lý thuyết cho bài toán tối ưu công suất phát. Do vậy, luận án dự kiến đóng góp những kết quả như sau: 19
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan