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 (FULL TEXT)

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

Ý nghĩa
BBĐ Bộ biến đổi
ĐC/ĐK Điều chỉnh/Điều khiển
CLKĐK Chỉnh lưu không điều khiển
DC-AC Nghịch lưu nguồn áp ba pha

ĐCCS Điều chỉnh công suất
DC-DC Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly
ĐCVTKG
SVM
Điều chế vector không gian
Space Vector Modulation
DFIG 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 Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control)
WDHPS Hệ thống điện lai sức gió – diesl (Win – Diesel HPS)
WECS Hệ thống biến đổi năng lượng từ gió (Wind Energy
Conversion System)
WPS Hệ thống điện gió (Wind Power System)
WT Tua-bin gió (Wind Turbine)

8


Các ký hiệu
Ký hiệu Ý nghĩa

0
L
i

Giá trị trung bình ngắn hạn của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ
DC-DC
0

DC
u

Giá trị trung bình ngắn hạn của điện áp trên tụ BBĐ DC-DC
ˆ
L

,
ˆ
C


Các giá trị ước lượng của điện cảm, điện dung BBĐ DC-DC
∆t
max
Thời gian huy động công suất tối đa của dàn siêu tụ
A Diện tích đón gió của cánh turbine PĐSG
C Giá trị tụ điện của mạch DC-Link trong SCESS
C
p
Hệ số khai thác công suất từ gió của turbine PĐSG
C
SC
Giá trị điện dung của dàn siêu tụ trong SCESS
d Hệ số điều chế của BBĐ DC-DC
D Giá trị xác lập của hệ số điều chế BBĐ DC-DC
d
1
, d
2

Hệ số điều chế hai vector chuẩn trong mỗi sector
d
a
, d
b
, d
c
Hệ số điều chế mỗi pha của nghịch lưu nguồn áp
d
S1
÷d
S6
Hệ số điều chế cho mỗi van bán dẫn BBĐ DC-AC
E
max
Năng lượng huy động tối da từ dàn siêu tụ
e
N
Vector điện áp lưới
ESR Điện trở nối tiếp trong mạch điện tương đương mô hình siêu tụ
i
gd
, i
gq
Thành phần dòng điện phía lưới theo trục d, q của hệ tọa độ
tựa điện áp lưới VOC
i
inv
Dòng điện phía DC-AC trao đổi với lưới quy đổi về phía một
chiều

i
L
Giá trị tức thời của dòng điện chảy qua cuộn cảm BBĐ DC-DC
i
sd
, i
sq
Thành phần dòng điện đầu ra DC-AC theo trục d, q của hệ tọa
độ tựa điện áp lưới VOC
J
D
Mô men quán tính của động cơ diesel trong tổ hợp phát điện
diesel
J
dg
Mô men quán tính của rotor máy phát PMG
J
ge
Mô men quán tính của máy phát trong tổ hợp phát điện diesel
k
1
, k
2
Các hằng số dương là tham số của bộ điều khiển phi tuyến
BBĐ DC-DC
k
ψ
Hằng số điện áp của máy phát PMG
L Giá trị điện cảm của mạch DC-DC
L

g
Điện cảm phía mạch nghịch lưu
m
GD
Mô men điện từ sinh ra bởi tải của máy phát trong tổ hợp phát
điện diesel
m
GD
,m
MD
Mô men cơ của máy phát, động cơ diesel
m
MD
Mô men cơ sinh ra bởi động cơ diesel
N
s
, N
p
Số lượng siêu tụ mắc nối tiếp, song song
P
max-req
Công suất huy động tối đa từ dàn siêu tụ
9


P
opt
Công suất khai thác tối ưu turbine PĐSG
P
wt

Công suất cơ khai thác bởi rotor hệ PĐSG
q Hàm chuyển mạch của BBĐ DC-DC khi điều khiển hợp nhất
hai chế độ
q
Ch
Hàm chuyển mạch của BBĐ DC-DC khi điều khiển ở chế độ
nạp (Buck)
q
Dch
Hàm chuyển mạch của BBĐ DC-DC khi điều khiển ở chế độ xả
(Boost)
R Chiều dài cánh turbine PĐSG
R
g
Nội trở của cuộn cảm L
g

R
L
Giá trị điện trở cuộn cảm DC-DC
R
p
Điện trở song song trong mạch điện tương đương mô hình siêu
tụ
s Toán tử Laplace
T
S-dc
Chu kỳ điều chế PWM BBĐ DC-DC
T
wt

Mô men cơ khai thác từ gió
u
DC
Giá trị tức thời của điện áp một chiều trung gian
u
dc
, U
dc
Giá trị trung bình, xác lập điện áp một chiều trung gian DC-AC
u
dcg
Điện áp sau chỉnh lưu hệ PĐSG sử dụng PMG
u
ge
Điện áp đầu cực PMG
U
gem
Giá trị điện áp dây lớn nhất đầu cực PMG
U
LN
Giá trị hiệu dụng điện áp pha
u
N
, i
N
Vector điện áp, dòng điện đầu ra mạch DC-AC
U
SC-idl
Điện áp dàn siêu tụ ở chế độ chờ (sẵn sàng hoạt động)
U

SC-max
Điện áp làm việc lớn nhất của dàn siêu tụ
U
SC-min
Điện áp làm việc bé nhất của dàn siêu tụ
v, v
wind
Tốc độ gió
x
1
Giá trị trung bình ngắn hạn của dòng điện qua cuộn cảm BBĐ
DC-DC
x
2
Giá trị trung bình ngắn hạn của điện áp một chiều trung gian
x
DSP
Đại lượng x được cài đặt trên DSP (sau khi chuẩn hóa)
z
1
Sai lệch điều khiển của dòng điện chảy qua cuộn cảm BBĐ DC-
DC
z
2
Sai lệch giữa giá trị thật của biến trạng thái với giá trị mong
muốn BBĐ DC-DC
z
p
Số cực của máy phát PMG
z

pD
Số cặp cực của máy phát trong tổ hợp DG
α, α
1
Hàm ổn định hóa (Stabilizing function) của bộ điều khiển phi
tuyến BBĐ DC-DC
β

Góc nghiêng cánh turbine PĐSG
γ
L
, γ
C
Các hằng số thích nghi của bộ điều khiển phi tuyến BBĐ DC-
DC
θ
s
Góc pha đồng bộ điện áp lưới
10


λ

Tỷ lệ vận tốc quay của turbine với vận tốc gió
ρ

Mật độ không khí
τ
ge
Mô men điện từ sinh ra bởi tải của máy phát PMG

ω
ge
Tốc độ cơ học của máy phát trong tổ hợp phát điện diesel
ω
gm
Tốc độ cơ học của máy phát PMG
ω
r
Tốc độ quay turbine
ω
s
, ω
N
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 tính 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 khiển 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 khiển 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 khiển 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 khiển 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 khiển 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 khiển 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 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.
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 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.
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

21


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.
1 TỔNG QUAN 22

1 TỔNG QUAN
Các hệ thống phát điện sức gió tăng trưởng rất mạnh mẽ [44, 90, 104]. Đó
phần lớn là những hệ thống hòa vào các lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, những hệ
phát điện sức gió công suất nhỏ trên hải đảo (nơi mà lưới điện quốc gia không
vươn tới được) cũng không mất đi sự quan tâm của các nhà sản xuất, nhà khoa
học. Theo [8, 17, 44, 61, 90], hệ phát điện sức gió loại này hoạt động kết hợp với
những nguồn năng lượng truyền thống từ các tổ hợp diesel – máy phát (DGs),
hình thành hệ thống điện ốc đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel (WDHPS –
Wind-Diesel Hybrid Power Systems).
Nội dung chương này trình bày tổng quan về cấu trúc hệ thống, các vấn đề về
điều khiển, đồng thời tóm lược những xu hướng nghiên cứu về thiết bị kho điện
thực hiện chức năng hỗ trợ turbine PĐSG trong hệ thống điện ốc đảo nguồn phát

hỗn hợp. Từ đó tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu và các nhiệm vụ cần giải
quyết trong luận án này.
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. Hệ thống điện nói chung bao gồm các nhà máy điện,
trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo
vệ,…) được liên kết với nhau[1]. 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
thụ nhiên liệu hóa thạch. Khi đó, RAPS trở thành một hệ thống điện với nguồn
phát hỗn hợp như minh họa Hình 1.1. Hệ thống điện ốc đảo có thể phối hợp
nhiều nguồn phát điện nhưng phổ biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ
PĐSG với các tổ hợp phát điện diesel, hệ thống khi đó được gọi là Wind-Diesel
HPS (WDHPS). WDHPS được hình thành bởi một hoặc vài turbine phát điện sức
gió kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện diesel cung cấp điện năng cho phụ
tải thông qua lưới điện thấp áp (dưới 1 kV AC) hoặc trung bình (1 kV đến dưới
36 kV AC)[17, 61]. Theo tiêu chuẩn IEC 61400-2 năm 2013 [44, 122] thì những
hệ phát điện sức gió dựa trên máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMG) là
phù hợp cho hệ thống điện ốc đảo. Tùy theo quy mô và đặc điểm phân bố của
phụ tải mà RAPS có thể có hoặc không có lưới truyền tải. Phụ tải điện của khu
vực hải đảo chủ yếu là phụ tải 0,4kV.
Theo phân loại hệ thống điện trong [1], RAPS được gọi là hệ thống điện cô lập,
là hệ thống không thể nối vào hệ thống điện quốc gia. Một số thuật ngữ tiếng Anh
tương đương có thể được sử dụng để mô tả về RAPS như: standalone power
1.1 Khái niệm về hệ thống điện ốc đảo 23

systems, off-grid power systems, isolated power systems đều để chỉ tính chất
tách biệt với lưới điện quốc gia và có thể sử dụng tương đương nhau. Một số thuật

ngữ khác như mini-grids để chỉ những hệ thống phát điện tập trung cho một khu
vực có công suất lớn hơn RAPS, đó có thể là một thị trấn, một ngôi làng. Thuật
ngữ autonomous power systems dùng để chỉ một hệ thống phát điện có công
suất từ vài trăm Watts đến vài mega-Watts nhưng không có lưới truyền tải lớn.
Microgrid là một thuật ngữ được định nghĩa trong IEEE 2030, IEEE 1547 để chỉ
một hệ thống điện có khả năng vận hành được cả hai chế độ: Độc lập (island
mode) và kết nối với lưới điện quốc gia (grid-connected mode). Ngược lại, RAPS
luôn luôn hoạt động ở chế độ độc lập, không bao giờ trao đổi năng lượng với lưới
điện chính. Khi Microgrids ở chế độ nối lưới nó phải đáp ứng các chỉ tiêu chất
lượng điện năng của nhà quản trị hệ thống gọi là Grid-Codes.

Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện hải đảo nguồn phát hỗn hợp gió - diesel
Ở chế độ độc lập Microgrids cũng như RAPS 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: 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
1 TỔNG QUAN 24

bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù
tập trung) như thể hiện trên Hình 1.1.
1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng
Khi hệ PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản
của lưới về điện áp, tần số, các thành phần 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 hệ PĐSG phát vào. Với RAPS, công suất nguồn phát
lẫn dung lượng lưới truyền tải là hữu hạn. RAPS không trao đổi công suất với

lưới điện quốc gia, 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 những nhân tố đó, phụ tải biến động ngẫu
nhiên (có thể dự đoán được nhưng không hoàn toàn chính xác); nguồn phát sức
gió có công suất đầu ra hoàn toàn biến động ngẫu nhiên theo những yếu tố địa lý
tự nhiên, gần như không thể dự đoán chính xác. Vì vậy, đảm bảo cân bằng trong
hệ thống RAPS là một vấn đề không đơn giản. Nếu công suất tác dụng của các
nguồn phát nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần số sẽ giảm và ngược lại. Tần số
là thước đo cân bằng công suất tác dụng. Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép
(quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện năng) thì có nghĩa là đủ công suất tác
dụng. Với công suất phản kháng, nếu công suất phản kháng phát nhỏ hơn yêu
cầu thì điện áp sẽ giảm, còn khi công suất phản kháng nguồn lớn hơn yêu cầu
của phụ tải thì điện áp sẽ tăng. Điện áp là thước đo cân bằng công suất phản
kháng trong hệ thống điện.
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. Khi huy động thêm nguồn phát điện sức gió biến động (công suất cơ
của các turbine gió tỷ lệ với tốc độ gió [16, 90]). Trung tâm điều khiển phải thực
hiện tác động điều độ các nguồn phát về công suất tác dụng để giữ ổn định hệ
thống.
- Đối với hệ thống PĐSG: tốc độ gió biến động ngẫu nhiên nên tác động
điều độ công suất tác dụng chỉ có thể diễn ra theo chiều hướng giảm
công suất thông qua điều chỉnh góc cánh đón gió hoặc đơn giản là sử
dụng tải giả (Dump load). Điều này gây lãng phí năng lượng và hiệu quả
điều chỉnh không đủ nhanh để giữ ổn định hệ thống.
- Đối với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra theo cả chiều
tăng và giảm công suất nguồn phát bằng hai phương pháp độc lập: điều

chỉnh công suất phản kháng thông qua điều chỉnh kích từ máy phát sử
dụng bộ AVR và điều chỉnh công suất tác dụng thông qua điều chỉnh
1.3 Phân cấp điều khiển trong hệ thống điện ốc đảo 25

lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ sơ cấp sử dụng bộ điều tốc
(Governor)[36, 68, 74, 121].
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 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. Hiện tượng này
làm suy giảm 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.
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: tích hợp kho điện tại từng turbine PĐSG (bù
phân tán) hoặc tích hợp kho điện tại bus chung của các nguồn phát (bù tập
trung). 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.
1.3.1 Điều khiển cấp hệ thống
Điều khiển cấp hệ thống mang đặc điểm điều khiển giám sát (SCADA) phục
vụ mục tiêu đảm bảo các chế độ vận hành an toàn của cả hệ thống thông qua các
tác động mang tính chất điều độ công suất giữa các nguồn phát.
Có hai chiến lược điều khiển cấp hệ thống là: Điều khiển tập trung
(Centralized Control Strategies - CCS) và điều khiển phân tán (Decentralized
Control Strategies - DCS).
1.3.1.1 Điều khiển tập trung
Chiến lược điều khiển tập trung được vận hành dựa trên cơ chế trao đổi thông
tin giữa trung tâm điều khiển với các bộ điều khiển cấp thấp gọi là LCs (Local
Controllers). LCs gửi thông tin về các điều kiện hoạt động như: Công suất đầu ra
của các nguồn phát, sự biến động về tần số và điện áp, ước lượng về nhu cầu phụ