Điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
----------------------------

HVTH: VÕ TRỌNG CHINH

ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
----------------------------

HVTH: VÕ TRỌNG CHINH

ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh
ngày 28 tháng 7 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS.TS Huỳnh Châu Duy

2

PGS.TS Nguyễn Thanh Phƣơng

Phản biện 1

3

PGS.TS Ngô Cao Cƣờng

Phản biện 2

4

PGS.TS Nguyễn Hùng

5

TS Võ Hoàng Duy

Chủ tịch

Ủy viên
Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn


TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ TRỌNG CHINH

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17 – 7 – 1978

Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1641830003

I- Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Tổng quan về microgrit.
2. Các phƣơng pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất.
3. Điều khiển song song các bộ nghịch lƣu.
4. Mô phỏng giải thuật điều khiển.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 04/12/2017
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28/7/2017
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

LÊ MINH PHƢƠNG

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

VÕ TRỌNG CHINH

i


LỜI CÁM ƠN
Thành công nào mà cũng gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều,
dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học
tập ở trƣờng đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý
Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý
Thầy Cô ở Khoa Cơ - Điện - Điện tử Trƣờng Đại Học Công Nghệ TP HCM đã cùng
với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng
em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Và đặc biệt, trong học kỳ này, Phòng
Quản Lý Khoa Học và Đào Tạo Sau Đại Học đã tổ chức cho chúng em đƣợc tiếp
cận với những môn học mà theo em là rất hữu ích đối với tất cả các sinh viên thuộc
các chuyên ngành điện. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Minh Phƣơng đã tận
tâm hƣớng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI
CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI.
Bƣớc đầu đi tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo khoa học còn nhiều bỡ ngỡ, kiến thức của

em còn gặp nhiều hạn chế. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong
nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng
lớp để kiến thức của em đƣợc hoàn thiện hơn. Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy
Cô trong Khoa Cơ - Điện - Điện tử, Viện Đào Tạo Sau Đại Học và PGS.TS Lê
Minh Phƣơng thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao quý
của mình.
Trân trọng!
TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2018
NGƢỜI THỰC HIỆN

VÕ TRỌNG CHINH

ii


TÓM TẮT
Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu về bộ điều khiển droop thích nghi để
phân chia công suất cho các bộ nghịch lƣu dùng cho hệ thống lƣới điện siêu nhỏ
(microgrid) có thể vận hành linh hoạt ở chế độ độc lập hoặc chế độ nối lƣới.
Hệ thống điện đƣợc đề xuất bao gồm 3 bộ biến tần mỗi bộ công suất 2kW với
các thông số về đƣờng dây khác nhau đƣợc kết nối song song để cung cấp cho tải
hoặc nối lƣới.
Các kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện bằng công cụ Simulink trong phần mềm
Matlab với các chế độ hoạt động khác nhau cũng nhƣ các kịch bản khác nhau đƣợc
đƣa ra trong từng chế độ nhƣ tỷ lệ phân chia công suất tác dụng và công suất phản
kháng khác nhau cho ba biến tần. Ngoài ra, sự thay đổi tần số của lƣới cũng đƣợc
xem xét để đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống.
Có thể kết luận từ các kết quả mô phỏng rằng, bộ điều khiển droop thích nghi
đề xuất cho phép chia công suất chính xác theo tỷ lệ với công suất định mức của các
bộ nghịch lƣu áp ba pha kết nối song song trong lƣới điện độc lập. Cũng nhƣ thể

hiện việc bám sát tần số và góc pha của lƣới điện trong chế độ nối lƣới giúp nhanh
chóng hòa đồng bộ để cung cấp công suất tối đa cho hệ thống giúp cải thiện chất
lƣợng lƣới điện và giảm tổn hao truyền tải.

iii


ABSTRACT
The thesis presents the results of a study on adaptive droop controller to
allocate power to inverters for microgrid systems that can operate flexibly in standalone or grid-connected modes.
The proposed studied system consists of three 2 kW inverters with different
line parameters connected in parallel to provide power to load or grid connection.
Simulation results are provided by the Simulink toolbox in the Matlab
software, with different operating modes as well as different scenarios given in each
mode, such as diffetent active power and reactive power ratio for 3 inverters. In
addition, the frequency change of the grid is also considered to assess the response
of the proposed controller.
It can be concluded from the simulation results that the proposed adaptive
droop controller allows for a precise power sharing to the rated power of threephase alternating voltage inverters connected in stand-alone power system. As well
as demonstrating the frequency and phase angle of the grid in grid-connected mode,
it quickly synchronizes to provide maximum power for the system to improve
power quality and reduce transmission losses.

iv


MỤC LỤC
Chƣơng 1:

1

TỔNG QUAN VỀ MICROGRID

1

1.1 Giới thiệu

1

1.2 Khái niệm microgrid và nguồn phân tán

1

1.2.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid

1

1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid

2

1.2.3 Ƣu điểm của microgrid

2

1.3 Cấu trúc và thành phần của lƣới microgrid

3

1.3.1 Cấu trúc microgrid

3

1.3.2 Các loại microgrid

4

1.4 Nguồn năng lƣợng phân tán

7

1.5 Các vấn đề của lƣới microgrid

9

1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lƣợng

9

1.5.2 Microgrid và chế độ tự động

10

1.5.3 Điều khiển ở chế độ kết nối lƣới và độc lập

11

1.5.4 Độ tin cậy và chất lƣợng hệ thống

11

1.5.5 Ổn định hệ thống

12

1.6 Mục tiêu của luận văn

13

Chƣơng 2:

14

THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƢU ÁP TRONG MICROGRID

14

2.1 Bộ điều khiển công suất

14

2.2 Điều khiển chế độ áp và chế độ dòng điện

14

2.3 Mô hình toán học của bộ điều khiển công suất

15

2.4 Bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng

18

2.5 Xây dựng mô hình các bộ nghịch lƣu kết nối song song

21

2.6 Vòng khóa pha

22

Chƣơng 3:

24

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG
MICROGRID

24

3.1 Kỹ thuật điều khiển truyền thông

24

v


3.1.1 Điều khiển tập trung

24

3.1.2 Điều khiển sơ cấp/ thứ cấp

26

3.1.3 Điều khiển phân tán

26

3.2 Kỹ thuật điều khiển droop độc lập

27

3.2.1 Điều khiển droop thông thƣờng

27

3.2.2 Điều khiển droop VPD/FGB

30

3.2.3 Phƣơng pháp dự đoán trở kháng đƣờng dây

31

3.2.4 Phƣơng pháp điều khiển góc

33

3.2.5 Droop control dựa trên điện áp

33

3.3 Phƣơng pháp dùng trở kháng ảo

33

3.3.1 Vòng lặp đầu ra trở kháng ảo

33

3.3.2 Vòng lặp trở kháng ảo đƣợc tăng cƣờng

34

3.3.3 Phƣơng pháp chuyển đổi hệ qui chiếu ảo

35

3.4 Phƣơng pháp kết hợp và điều khiển tín hiệu nhỏ

37

Chƣơng 4:

40

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỘ NGHỊCH LƢU TRONG MICROGRID

40

4.1 Giới thiệu các phƣơng pháp điều khiển thích nghi

40

4.1.1 Điều khiển điện áp thích nghi

40

4.1.2 Phƣơng pháp đồng bộ bù công suất phản kháng

42

4.1.3 Điều khiển độ trƣợt dựa trên đồng bộ hoạt động

43

4.1.4 Phƣơng pháp Droop control Q-V

44

4.1.5 Phƣơng pháp điều khiển dựa trên biến chung

45

4.2 Điều khiển thích nghi dùng trở kháng ảo kết hợp với thông tin liên lạc

46

4.3 Phân tích chế độ chia tải trong microgrid

48

4.3.1 Phân tích chia công suất tác dụng

48

4.3.2 Phân tích chia công suất phản kháng

52

4.4 Sơ đồ điều khiển droop đề xuất

55

4.4.1 Sơ đồ truyền tín hiệu

55

4.4.2 Sơ đồ điểu khiển công suất P, Q

56

vi


Chƣơng 5:

59

MÔ HÌNH MATLAB SIMULINK

59

5.1 Các khối đo lƣờng

62

5.1.1 Khối đo dòng điện

62

5.1.2 Khối đo điện áp

62

5.1.3 Khối đo công suất P và Q

63

5.2 Các khối điều khiển

64

5.2.1 Bộ điều khiển điện áp

64

5.2.2 Bộ điều khiển dòng điện

65

5.2.3 Khối chuyển đổi dq αβ

66

5.2.4 Khối tạo xung SVPWM

67

5.2.5 Khối Droop Control chia tải

68

Chƣơng 6:

69

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

69

6.1 Chế độ lƣới độc lập (Mode 0 và 1)

70

6.1.1 Trƣờng hợp 1- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1

70

6.1.2 Trƣờng hợp 2- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1

71

6.1.3 Trƣờng hợp 3- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang
Mode 0 ở 2s
72
6.1.4 Trƣờng hợp 4- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang
Mode 0 ở 2s
73
6.1.5 Trƣờng hợp 5- Tỷ lệ công suất P là 1:1:1, tỷ lệ công suất Q là 1:2:3,
Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s
6.2 Chế độ kết nối lƣới

75
76

6.2.1 Kết nối lƣới sau 3s, tần số lƣới 50Hz, tải không đổi, t = 6s

76

6.2.2 Kết nối lƣới, tần số lƣới thay đổi từ 50Hz lên 60Hz từ 3s, tải không đổi,
t = 6s
78
6.3 Kết luận

79

Tài liệu tham khảo

81

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ lƣới microgrid thông thƣờng

4

Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thƣờng

4

Hình 1.3. DC-microgrid

6

Hình 1.4. Lƣới điện AC-microgri

7

Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lƣợng DER

9

Hình 2.1. Sơ đồ khối của một bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng điện
trên trục dq

14

Hình 2.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng của hệ thống biến đổi nguồn áp

15

Hình 2.3. Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống biến đổi nguồn áp dạng điều khiển
dòng ở hình 2.2

21

Hình 2.4. Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lƣu đề xuất

21

Hình 2.5. Sơ đồ khối điều khiển của PLL

23

Hình 2.6. Sơ đồ mạch của PLL

24

Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển của điều khiển tập trung

25

Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển của bộ P f và Q V droop control thông thƣờng

29

Hình 3.3. Đặc tính droop boost của điện áp thấp AC microgrid (a) phƣơng pháp
VPD (b) Phƣơng pháp FQB

31

Hình 3.4. Thuật toán điều khiển với phƣơng pháp P-Q-V

32

Hình 3.5. Sơ đồ khối của phƣơng pháp tăng cƣờng sử dụng trở kháng ảo

35

Hình 3.6. Sơ đồ chi tiết của chuyển đổi hệ qui chiếu ảo ω’-E’

36

Hình 3.7. Sơ đồ khối của phƣơng pháp bơm tín hiệu tần số

39

Hình 4.1. Mô hình hệ thống hai DG

41

Hình 4.2 Điều khiển độ trƣợt với đồng bộ bù công suất phản kháng

42

Hình 4.3. Sơ đồ điều khiển thời gian của một DG với hai sự kiện đồng bộ hóa

liên tiếp

44

Hình 4.4. Q-V điều khiển độ trƣợt và sơ đồ khối điều khiển của một DG

45

Hình 4.5. Mô hình lƣới microgird độc lập với đƣờng truyền thông tin liên

48

Hình 4.6. Hai bộ nghịch lƣu hoạt động song song

49

viii


Hình 4.7. Mạng nhìn từ DG 1

53

Hình 4.8. Sơ đồ truyền tín hiệu của các bộ nghịch lƣu

56

Hình 4.9. Mạch điều khiển P và Q

57

Hình 5.1. Mô hình Microgrid thu nhỏ

59

Hình 5.2. Mô hình điều khiển một biến tần

60

Hình 5.3. Mô hình hệ thống nghiên cứu trong Matlab Simulink

61

Hình 5.4. Mô hình điều khiển một biến tần trong Matlab Simulink

61

Hình 5.5. Mô hình khối đo dòng điện

62

Hình 5.6. Mô hình khối chuyển đổi dòng điện sang điện áp

62

Hình 5.7. Bên trong của khối chuyển đổi với T1 và T3 là các hàm truyền

62

Hình 5.8. Mô hình khối đo điện áp

62

Hình 5.9. Mô hình khối đo điện áp trên Matlab Simulink

63

Hình 5.10. Mô hình khối đo công suất P và Q

63

Hình 5.11. Mô hình mô phỏng khối đo công suất P và Q

64

Hình 5.12. Mô hình khối điều khiển điện áp

64

Hình 5.13. Mô hình mô phỏng bộ điều khiến áp

65

Hình 5.14. Mô hình khối điều khiển dòng điện

65

Hình 5.15. Mô hình mô phỏng của khối điều khiển dòng điện

66

Hình 5.16. Mô hình khối chuyển đổi dq αβ

67

Hình 5.17. Khối tính toán góc tƣơng ứng của hệ trục α và β

67

Hình 5.18. Khối tạo xung SVPWM

68

Hình 5.19. Khối tạo điều khiển droop

68

Hình 6.1. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:1:1

70

Hình 6.2. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:2:3

71

Hình 6.3. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:1:1 khi chuyển
từ Mode 1 sang Mode 0

72

Hình 6.4. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:2:3 khi chuyển
từ Mode 1 sang Mode 0

74

Hình 6.5. Kết quả mô phỏng trong trƣờng hợp 5

ix

75


Hình 6.6. Kết quả mô phỏng đồ thị công suất tác dụng và phản kháng

77

Hình 6.7. Kết quả mô phỏng đồ thị điện áp và dòng điện

77

Hình 6.8. Đồ thị công suất tác dụng và phản kháng khi tần số lƣới thay đổi

78

Hình 6.9. Đồ thị công điện áp và dòng điện khi tần số lƣới thay đổi

79

x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp điều khiển dựa trên các giao tiếp 38
Bảng 4.1. Các chế độ điều khiển và trạng thái các Switch

58

Bảng 6.1. Các thông số cơ bản của các biến tần

69

Bảng 6.2. Thông số định mức đƣờng dây

69

Bảng 6.3. Sai số của hệ thống khi điều khiển theo tỷ lệ 1:1:1

71

Bảng 6.4. Sai số của hệ thống khi điều khiển theo tỷ lệ 1:2:3

72

Bảng 6.5. Sai số của hệ thống ở Mode 1

73

Bảng 6.6. Sai số của hệ thống ở Mode 0

73

Bảng 6.7. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 4 ở Mode 1

74

Bảng 6.8. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 4 ở Mode 0

74

Bảng 6.9. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 5 ở Mode 1

75

Bảng 6.10. Sai số của hệ thống trong trƣờng hợp 5 ở Mode 0

76

xi


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ MICROGRID
1.1 GIỚI THIỆU
Năng lƣợng tái tạo (NLTT) ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến. Hệ
thống NLTT gồm nhiều nguồn năng lƣợng khác nhau nhƣ: năng lƣợng mặt trời,
năng lƣợng gió, năng lƣợng thủy triều, địa nhiệt… Các nguồn NLTT tồn tại khắp
nơi trên nhiều vùng địa lý, ngƣợc lại với các nguồn năng lƣợng khác chỉ tồn tại ở
một số quốc gia. Việc đƣa vào sử dụng NLTT nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan
trọng trong an ninh năng lƣợng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế.
Hệ thống điện sử dụng các nguồn NLTT là cần thiết để cung cấp điện liên tục phục

vụ cho những vùng sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới.
Để thực hiện đƣợc điều này ngƣời ta kết hợp nhiều nguồn NLTT khác nhau
trong một hệ thống gọi là hệ thống lƣới siêu nhỏ (microgrid). Hệ thống này có thể
hoạt động một cách độc lập hay kết nối với lƣới điện tùy vào nhu cầu sử dụng [1].
1.2 KHÁI NIỆM MICROGRID VÀ NGUỒN PHÂN TÁN
Về cơ bản một microgrid tích hợp nhiều nguồn phân tán (DG), với chức năng
thu thập, xử lý và phân phối điện để đáp ứng theo yêu cầu của phụ tải. Trong đó,
các bộ biến đổi điện năng kết hợp với hệ thống microgrid tạo thành thể thống nhất.
Để điều khiển hoạt động của hệ thống microgrid có nhiều nguồn phân tán thì cần
phải có các bộ điều khiển nhằm đảm bảo chất lƣợng điện năng đầu ra của hệ thống
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật.
1.2.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid
So với lƣới điện thông thƣờng thì hệ thống microgrid có những khác biệt nhƣ
sau:
- Công suất đầu ra của mỗi nguồn nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện
thông thƣờng.

1


- Microgrid thƣờng đƣợc lắp đặt gần với phụ tải vì vậy tổn thất trong đƣờng
dây truyền tải nhỏ. Do đó, microgrid có hiệu quả cao trong điều kiện cung
cấp điện áp và tần số.
- Microgrid có thể dùng để cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa nơi chƣa
có lƣới điện quốc gia.
- Quá trình khôi phục hệ thống điện truyền thống là phức tạp, đòi hỏi một sự
can thiệp nhanh chóng, thƣờng là bằng tay và trong thời gian thực. Trong khi
đó, với microgrid toàn bộ quá trình phục hồi rất dễ dàng và nhanh chóng.
1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid
Hệ thống DG hạ áp và trung áp phát triển nhanh chóng trên toàn cầu. Chúng

đƣợc cung cấp bởi các nguồn NLTT, máy phát điện không thông thƣờng bao gồm tế
bào nhiên liệu, tua bin gió, và hệ thống quang điện. Thông thƣờng, chúng đƣợc sử
dụng để tăng cƣờng cho lƣới điện công cộng trong thời gian tải cao điểm hoặc thiếu
điện. Chúng cũng có thể cung cấp điện trong trƣờng hợp hệ thống lƣới điện chính bị
sự cố.
Trong những năm gần đây, khái niệm này đã đƣợc phát triển tạo thành cụm tải
kết nối với các DG song song, tạo thành một microgrid.
Trong các phƣơng pháp kết nối truyền thống, các máy phát điện nhỏ có thể
đƣợc tích hợp vào hệ thống điện nhằm giảm bớt của hoạt động lƣới điện. Trong
trƣờng hợp này, khi có sự cố trong lƣới điện chính, sẽ ảnh hƣởng đến hệ thống và
ngƣng hoạt động của các nguồn phát điện nhỏ.
Trong khi với microgrid khi lƣới điện chính ngừng cung cấp, các microgrid sẽ
ngắt kết nối từ lƣới và hoạt động độc lập, tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải cục bộ
của mình cho đến khi lƣới điện trở lại bình thƣờng.
1.2.3 Ƣu điểm của microgrid
So với các hệ thống điện khác, hệ thống microgrid có ƣu điểm sau [2]:
- Microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm môi trƣờng vì nó sử dụng nguồn có khí thải
thấp hoặc bằng không.

2


- Các microgrid làm việc song song với lƣới công cộng nhằm hỗ trợ lƣới điện
bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ giúp ngăn chặn tình trạng quá tải
và mất điện của lƣới điện quốc gia.
- Các hệ thống microgrid cục bộ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng
và tổn thất truyền tải. Sử dụng microgrid cũng giúp trong việc giảm tiêu thụ
năng lƣợng hóa thạch.
- Bằng cách vận hành trong cả hai chế độ nối lƣới và độc lập, microgrid đảm
bảo tải quan trọng đƣợc cung cấp điện liên tục.

1.3 CẤU TRÖC VÀ THÀNH PHẦN CỦA LƢỚI MICROGRID
1.3.1 Cấu trúc microgrid
Cấu trúc của một microgrid bao gồm năm thành phần chính nhƣ sau:
- Các nguồn điện nhỏ
- Phụ tải
- Thiết bị lƣu trữ
- Hệ thống điều khiển
- Các điểm kết nối.
Năm thành phần này đƣợc kết nối với một mạng lƣới phân phối điện áp thấp.
Sự phân bố điện áp thấp kết hợp nhiều loại nguồn công suất nhỏ và các loại tải khác
nhau đƣợc hỗ trợ bởi các bộ biến đổi điện tử công suất. Để hòa đồng bộ và điều
khiển các hoạt động trong chế độ kết nối lƣới điện hoặc chế độ độc lập, phƣơng
thức hoạt động có thể đƣợc xác định bởi tại bus kết nối chung (PCC). Đây là điểm
mà các microgrid là kết nối với lƣới điện chính thông qua máy cắt CB4 trong hình
1.1. Chức năng của CB4 là để kết nối hoặc ngắt kết nối microgrid với lƣới điện
chính. Điều khiển hoạt động của microgrid đƣợc hỗ trợ và phối hợp thông qua mức
độ điều khiển khác nhau để đảm bảo sự ổn định của hệ thống, sử dụng các bộ điều
khiển nhƣ: điều khiển nguồn (MC), điều khiển trung tâm (CC) [3].

3


Hình 1.1. Sơ đồ lƣới Microgrid thông thƣờng
1.3.2 Các loại microgrid
Microgrid tƣơng tự nhƣ một hệ thống điện nhỏ trong đó bao gồm nhiều thành
phần nhƣ các DG, tải và thiết bị lƣu trữ đƣợc kết nối với nhau. Theo dạng công suất,
microgrid có thể đƣợc phân loại: microgrid xoay chiều AC, microgrid một chiều
DC, hoặc một hệ thống kết hợp (hybrid). Mỗi loại microgrid có những ƣu điểm
riêng. Hình 1.2 dƣới đây mô tả một các loại microgrid.

Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thƣờng

4


1.3.2.1 Lưới DC-Microgrid
Hệ thống DC-microgrid có thể đƣợc sử dụng trong chế độ kết nối lƣới và tự
vận hành. Hệ thống này có những ƣu điểm nhƣ sau:
- Hầu hết các DG trong trong microgrid là các tấm pin quang điện (PV) hay
pin nhiên liệu cung cấp nguồn DC. Các thiết bị lƣu trữ cũng dùng điện DC
do đó chỉ cần chỉnh điện áp trong lƣới microgrid để kết nối chúng. So với
một AC-microgrid ta cần đồng bộ hóa điện áp, tần số và góc pha khi hòa vào
lƣới điện.
- Hầu hết các tải kết nối với DC-microgrid là thiết bị điện tử, TV, máy tính,
đèn huỳnh quang, hộ gia đình, doanh nghiệp và các thiết bị công nghiệp. Vì
vậy chúng ta không cần quá nhiều bộ chuyển đổi AC-DC, DC-AC hoặc ACDC-AC nhƣ đối với AC-microgrid.
- Các DC-microgrid không sử dụng máy biến áp; điều này làm cho nó hiệu
quả hơn, kích thƣớc nhỏ hơn và đáng tin cậy trong một hệ thống điện DC.
Ngoài ra một DC-microgrid hoạt động với dây cáp đôi, trong khi một ACmicrogrid hoạt động với ba, bốn dây hay nhiều hơn nữa.
- Dòng công suất phản kháng không tồn tại trong DC-microgrid, vì vậy việc
kiểm soát điện áp chỉ chịu ảnh hƣởng của công suất tác dụng, trong khi ở
AC-microgrid điều khiển điện áp có liên quan đến các dòng công suất phản
kháng cùng lúc công suất tác dụng sẽ ảnh hƣởng góc pha điện áp.
Tuy nhiên, một DC-microgrid vẫn có một số thách thức cần đƣợc khắc phục.
Nó cũng không đƣợc phát triển để xử lý các điều kiện lỗi và thiếu thiết bị bảo vệ cơ
bản nhƣ bộ phận ngắt mạch, cầu chì, và rơle bảo vệ, nhƣ đã thấy trong ACmicrogrids AC [4, 5]. Rất tốn kém để thực hiện các hệ thống bảo vệ hiện tại của
một AC-microgrid và làm cho nó để tƣơng thích với một DC-microgrid. Các mạng
DC phải đối mặt với một vấn đề mất cân bằng. Sự gia tăng của các thiệt hại hệ
thống là do các vấn đề về tải không cân bằng hoặc giữa nguồn tích cực và tiêu cực
của dòng lƣỡng cực DC-microgrid. Điều này tạo ra một dòng chảy trong một hệ

tham chiếu thứ ba của cáp DC [6]. Hình 1.3 cho thấy một cấu trúc điển hình của

5


một DC-microgrid kết nối với một mạng lƣới AC trung áp của nhà máy điện thông
thƣờng.

Hình 1.3. DC-microgrid
1.3.2.2 Lưới AC-Microgrid
Tất cả các nguồn phân tán sản xuất điện AC, nhƣ tua bin gió và khí sinh học,
có thể đƣợc kết nối trực tiếp với đƣờng dây AC của microgrid hoặc thông qua một
bộ chuyển đổi điện AC-DC-AC [7]. AC-microgrid có thể sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn
có từ lƣới công cộng, nhờ bản chất giống nhau và khả năng tƣơng thích của nó với
lƣới điện. Khi sử dụng AC-microgrid, không yêu cầu cấu hình lại tải hay hệ thống
cung cấp điện. Điều này có nghĩa là tải AC đƣợc kết nối trực tiếp đến các microgrid
AC mà cần giao diện bộ biến đổi AC-DC [8]. Ngoài ra, nó góp phần vào sự ổn định
lƣới điện bằng cách cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng để cân bằng. Với mục
tiêu chia tải, có rất nhiều bộ điều khiển đã đƣợc phát triển với mục đích duy trì sự
ổn định trong AC-microgrid. Vòng điều khiển chia công suất dẫn đến sự ổn định
của AC-microgrid. Ví dụ nhƣ chia công suất cho biến tần song song đã đƣợc nghiên
cứu bởi nhiều tác giả [9, 10]. Hình 1.4 dƣới đây cho thấy các cấu trúc điển hình của
AC-microgrid kết nối với nhau và lƣới AC điện áp trung thế.

6


Hình 1.4. Lƣới điện AC-microgrid
1.3.2.3 Lưới Hybrid Microgrid
Các hybrid microgrid là hệ thống kết hợp của cả AC và DC microgrid. Trong

hệ thống này, bộ biến đổi công suất cho phép dòng điện chạy theo cả hai chiều đƣợc
sử dụng. Hệ thống này có đƣợc lợi thế từ cả AC và DC microgrid. Tải AC hoặc DC
có thể đƣợc cung cấp mà không cần bổ sung bộ biến đổi công suất, làm tăng hiệu
quả và độ tin cậy của hệ thống. Tuy nhiên, nhƣợc điểm là hệ thống yêu cầu một
thuật toán điều khiển phối hợp để thực hiện ổn định hoạt động.
1.4 NGUỒN NĂNG LƢỢNG PHÂN TÁN
Công nghệ nguồn năng lƣợng phân tán (DER) đƣợc xác định là nguồn năng
lƣợng nhỏ và tài nguyên lƣu trữ thƣờng nằm ở phía khách hàng tải và cung cấp
năng lƣợng cần thiết để cung cấp toàn bộ hoặc một phần nhu cầu phụ tải điện cho
ngƣời dùng cuối. Ngoài ra, nó có khả năng hoạt động song song với hệ thống phân
phối chung. Hệ thống này có thể làm việc riêng rẽ với các tiện ích nhƣ một hệ thống
độc lập trong một khu vực bị cô lập [11].
Các nguồn năng lƣợng tái tạo cũng đƣợc gọi là DERs. Nó là những đơn vị
nguồn nhỏ tích hợp vào một microgrid. Hoặc có thể là những đơn vị năng lƣợng tái
tạo hoặc máy phát điện thông thƣờng nhƣ máy phát điện đồng bộ và máy phát cảm
ứng nhƣ trong hình 1.5. Từ phía nguồn đầu ra của một máy phát điện đòi hỏi các bộ
chuyển đổi công suất để chuyển đổi thành nhiều dạng khác nhau; nó có thể sản xuất
một điện áp AC tần số cố định hoặc DC. Việc chuyển đổi có thể yêu cầu một biến

7


tần, hoặc cả hai chỉnh lƣu và một biến tần để đảm bảo rằng các tần số đầu ra và điện
áp là tƣơng tự nhƣ của lƣới điện.

Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lƣợng DER
Trong điều kiện kiểm soát dòng công suất, một nguồn nhỏ có thể đƣợc coi nhƣ
một trong hai hệ thống có thể truyền đi xa hay không thể truyền xa. Các hệ thống
điều khiển giám sát xác định các điểm hoạt động sản xuất của các đơn vị truyền đi
xa. Vì thế, máy phát điện đồng bộ là đơn vị thông thƣờng có thể đƣợc điều chỉnh và

kiểm soát bên ngoài. DG sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo là đơn vị thƣờng
không truyền đi xa; công suất đầu ra của họ chỉ có thể đƣợc quy định, dựa trên công
suất đầu ra tối ƣu của các nguồn năng lƣợng sơ cấp - ví dụ, kiểm soát theo dõi công
suất tối đa trong một hệ thống quang điện.
Có một số công nghệ DG, chẳng hạn nhƣ: hệ thống nhiệt điện kết hợp (CHP),
hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió (WECS), hệ thống quang điện năng lƣợng mặt
trời, thủy điện quy mô nhỏ và các thiết bị lƣu trữ nguồn năng lƣợng tái tạo khác là
những ví dụ của các công nghệ đƣợc phát triển từ các DERs. Khí hậu và các cấu
trúc liên kết của một khu vực là những yếu tố quan trọng để xem xét trƣớc khi cài
đặt DER.

8


1.5 CÁC VẤN ĐỀ CỦA LƢỚI MICROGRID
1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lƣợng
Một microgrid bao gồm là một cụm các tải và nguồn phân tán hoạt động nhƣ
một hệ thống điều khiển thống nhất cung cấp điện cho khu vực cục bộ của mình.
Đối với lƣới công cộng, các microgrid có thể đƣợc coi nhƣ là một tải điều khiển
thống nhất trong vài giây đáp ứng nhu cầu của các hệ thống truyền tải. Đối với hộ
tiêu thụ, các microgrid có thể đáp ứng nhu cầu đặc biệt của họ chẳng hạn nhƣ, nâng
cao độ tin cậy cục bộ, giảm thiểu tổn thất đƣờng dây, hỗ trợ điện áp tại chỗ, đem lại
hiệu quả thông qua việc sử dụng nhiệt thải, hiệu chỉnh điện áp hoặc các chức năng
cung cấp điện liên tục. Trong [12], trọng tâm là trên các hệ thống phân phối nguồn
phân tán có thể chuyển đổi chế độ linh hoạt từ kết nối lƣới điện sang chế độ độc lập
mà không ảnh hƣởng đến các tải quan trọng. Chiến lƣợc điều khiển cho microgrid
và kỹ thuật quản lý điện năng đƣợc thảo luận trong [13-15]. Năng lƣợng cao cấp là
một khái niệm dựa trên việc sử dụng các thiết bị điện điện tử (chẳng hạn nhƣ các
thiết bị điện và các bộ lọc tùy chỉnh hoạt động). Bộ phận phân phối và nguồn cung
cấp điện liên tục để cung cấp năng lƣợng cho các tải quan trọng. Nguồn năng lƣợng

này cần phải có một mức độ cao về độ tin cậy và chất lƣợng điện năng hơn so với
nguồn cung cấp công cộng. Những công nghệ này đòi hỏi sử dụng các bộ biến đổi
điện tử công suất để giao tiếp với các mạng lƣới điện và tải của nó. Trong nhiều
trƣờng hợp, nguồn điện áp DC (ví dụ nhƣ PV), khi đó phải đƣợc chuyển đổi sang
một điện áp xoay chiều có tần số, cƣờng độ và góc pha cần thiết. Trong những
trƣờng hợp này, việc chuyển đổi sẽ đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một bộ biến
tần nguồn áp, sử dụng điều chế độ rộng xung để đảm bảo điều khiển nhanh chóng
của cƣờng độ điện áp. Độ tin cậy, chế độ vận hành kinh tế và quy hoạch của
microgrid đƣợc trình bày trong [16-17].
Một số vấn đề cơ bản cần phải đƣợc giải quyết là:
- Vấn đề điều khiển: Điều quan trọng nhất trong hệ phân phối là những khó
khăn kỹ thuật liên quan đến điều khiển của một số lƣợng lớn nguồn phân tán.

9


- Vận hành và đầu tƣ nguồn phát: Phát triển các nguồn có quy mô lớn hơn.
Đối với các nguồn của microgrid thì việc bảo vệ kết nối có thể phải thêm 50%
chi phí của hệ thống [14]. Sử dụng microgrid phép cho các lợi thế chi phí
cùng các đơn vị DG lớn bằng cách đặt nhiều nguồn trên thanh cái DC duy
nhất với 01 bộ biến đổi công suất làm giao diện.
- Vấn đề chất lƣợng/ Quản lý công suất Độ tin cậy: DG có thế mạnh là tăng
độ tin cậy của hệ thống và chất lƣợng điện do sự phân cấp cung cấp. Tăng
mức độ tin cậy có thể thu đƣợc nếu DG đƣợc phép hoạt động độc lập trong
chế độ quá độ.
1.5.2 Microgrid và chế độ tự động
Các bộ biến đổi công suất kết nối song song đƣợc điều khiển để cung cấp công
suất mong muốn cho hệ thống. Tín hiệu cục bộ đƣợc sử dụng nhƣ thông tin phản
hồi để điều khiển bộ biến đổi, vì trong một hệ thống thực sự, khoảng cách giữa các
bộ chuyển đổi có thể làm cho thông tin liên lạc không thực hiện đƣợc. Cách tiếp cận

chung cho việc chia công suất tác dụng và công suất phản kháng là điều khiển theo
nguyên lý droop của hai đại lƣợng độc lập đó là tần số và biên độ điện áp [18-20].
Trong đó, công suất tác dụng điều khiển tần số hệ thống, trong khi công suất phản
kháng điều khiển biên độ điện áp.
Trong microgrid, ngƣời ta quan tâm là tất cả các DGs đáp ứng với bất kỳ sự
thay đổi tải trong một tỷ lệ định mức để tránh sự quá tải của một DG. Nếu tồn tại cả
hai DG quán tính và không quán tính, thời gian đáp ứng của mỗi DG đối với sự thay
đổi trong nhu cầu nạp năng lƣợng sẽ khác nhau. DG không quán tính thông qua bộ
biến đổi công suất có thể điều khiển điện áp đầu tức thời và nhƣ vậy sự thay đổi
trong nhu cầu năng lƣợng có thể đƣợc đáp ứng một cách nhanh chóng. Trong khi
một DG quán tính, tốc độ thay đổi công suất bị giới hạn bởi sức ì máy. Để đảm bảo
rằng sự thay đổi tải tất cả các DG với cùng một tốc độ, thì tốc độ thay đổi trong DG
không quán tính là do bộ biến đổi thực hiện.

10