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 ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường 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

Chủ tịch

2

PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Phản biện 1

3

PGS.TS Ngô Cao Cường

Phản biện 2

4

PGS.TS Nguyễn Hùng

5

TS Võ Hoàng Duy

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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


TRƯỜNG 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
LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Tổng quan về microgrit.
2. Các phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất.
3. Điều khiển song song các bộ nghịch lưu.
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 PHƯƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

LÊ MINH PHƯƠNG

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 chưa từng được 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 được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được 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 người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học
tập ở trường đến nay, em đã nhận được 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 Trường 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 trường. Và đặc biệt, trong học kỳ này, Phòng
Quản Lý Khoa Học và Đào Tạo Sau Đại Học đã tổ chức cho chúng em được 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 Phương đã tận
tâm hướng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI.
Bước 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 được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng
lớp để kiến thức của em được 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 Phương 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
NGƯỜI 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 lưu dùng cho hệ thống lưới điện siêu nhỏ
(microgrid) có thể vận hành linh hoạt ở chế độ độc lập hoặc chế độ nối lưới.
Hệ thống điện được đề xuất bao gồm 3 bộ biến tần mỗi bộ công suất 2kW với
các thông số về đường dây khác nhau được kết nối song song để cung cấp cho tải
hoặc nối lưới.
Các kết quả mô phỏng được thực hiện bằng công cụ Simulink trong phần mềm
Matlab với các chế độ hoạt động khác nhau cũng như các kịch bản khác nhau được
đưa ra trong từng chế độ như 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 lưới cũng được
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 lưu áp ba pha kết nối song song trong lưới điện độc lập. Cũng như thể
hiện việc bám sát tần số và góc pha của lưới điện trong chế độ nối lưới giúp nhanh
chóng hòa đồng bộ để cung cấp công suất tối đa cho hệ thống giúp cải thiện chất
lượng lưới điện và giảm tổn hao truyền tải.

3


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.

4


MỤC LỤC
Chương 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 lưới điện thông thường và microgrid

1

1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid

2

1.2.3 Ưu điểm của microgrid

2

1.3 Cấu trúc và thành phần của lưới microgrid

3

1.3.1 Cấu trúc microgrid

3

1.3.2 Các loại microgrid

4

1.4 Nguồn năng lượng phân tán

7

1.5 Các vấn đề của lưới microgrid

9

1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lượng

9

1.5.2 Microgrid và chế độ tự động

10

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

11

1.5.4 Độ tin cậy và chất lượng hệ thống

11

1.5.5 Ổn định hệ thống

12

1.6 Mục tiêu của luận văn

13

Chương 2:

14

THIẾT KẾ MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU 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 lưu kết nối song song

21

2.6 Vòng khóa pha

22

Chương 3:

24

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG
MICROGRID

24

3.1 Kỹ thuật điều khiển truyền thông

24

5


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 thường

27

3.2.2 Điều khiển droop VPD/FGB

30

3.2.3 Phương pháp dự đoán trở kháng đường dây

31

3.2.4 Phương pháp điều khiển góc

33

3.2.5 Droop control dựa trên điện áp

33

3.3 Phương 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 được tăng cường

34

3.3.3 Phương pháp chuyển đổi hệ qui chiếu ảo

35

3.4 Phương pháp kết hợp và điều khiển tín hiệu nhỏ

37

Chương 4:

40

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỘ NGHỊCH LƯU TRONG MICROGRID

40

4.1 Giới thiệu các phương pháp điều khiển thích nghi

40

4.1.1 Điều khiển điện áp thích nghi

40

4.1.2 Phương pháp đồng bộ bù công suất phản kháng

42

4.1.3 Điều khiển độ trượt dựa trên đồng bộ hoạt động

43

4.1.4 Phương pháp Droop control Q-V

44

4.1.5 Phương 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

6


Chương 5:

59

MÔ HÌNH MATLAB SIMULINK

59

5.1 Các khối đo lường

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

Chương 6:

69

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

69

6.1 Chế độ lưới độc lập (Mode 0 và 1)

70

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

70

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

71

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

75
76

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

76

6.2.2 Kết nối lưới, tần số lưới 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 lưới microgrid thông thường

4

Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thường

4

Hình 1.3. DC-microgrid

6

Hình 1.4. Lưới điện AC-microgri

7

Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lượng 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 lưu 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 thường

29

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

31

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

32

Hình 3.5. Sơ đồ khối của phương pháp tăng cường 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 phương pháp bơm tín hiệu tần số

39

Hình 4.1. Mô hình hệ thống hai DG

41

Hình 4.2 Điều khiển độ trượt 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 trượt và sơ đồ khối điều khiển của một DG

45

Hình 4.5. Mô hình lưới microgird độc lập với đường truyền thông tin liên

48

Hình 4.6. Hai bộ nghịch lưu hoạt động song song

49

8


Hình 4.7. Mạng nhìn từ DG 1

53

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

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 tương 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 trường hợp 5

9

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 lưới thay đổi

78

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

79

10


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Ưu và nhược điểm của phương 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 đường 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 trường hợp 4 ở Mode 1

74

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

74

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

75

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

76

11


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MICROGRID
1.1 GIỚI THIỆU
Năng lượng tái tạo (NLTT) ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Hệ
thống NLTT gồm nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: năng lượng mặt trời,
năng lượng gió, năng lượng thủy triều, địa nhiệt… Các nguồn NLTT tồn tại khắp
nơi trên nhiều vùng địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở
một số quốc gia. Việc đưa vào sử dụng NLTT nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan

trọng trong an ninh năng lượng, 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 được điều này người ta kết hợp nhiều nguồn NLTT khác nhau
trong một hệ thống gọi là hệ thống lưới siêu nhỏ (microgrid). Hệ thống này có thể
hoạt động một cách độc lập hay kết nối với lưới 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 lượng điện năng đầu ra của hệ thống
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật.
1.2.1 So sánh giữa lưới điện thông thường và microgrid
So với lưới điện thông thường thì hệ thống microgrid có những khác biệt như

1


sa
u:Công
suất
đầu
ra
của
mỗi
nguồ
n
nhỏ
hơn

nhiều
so
với
một
nhà
máy
điện
thô
ng
thư
ờn
g.

2


- Microgrid thường được lắp đặt gần với phụ tải vì vậy tổn thất trong đường
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 chưa
có lưới điện quốc gia.
- Quá trình khôi phục hệ thống điện truyền thống là phức tạp, đòi hỏi một sự
can thiệp nhanh chóng, thường 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
được cung cấp bởi các nguồn NLTT, máy phát điện không thông thường bao gồm tế
bào nhiên liệu, tua bin gió, và hệ thống quang điện. Thông thường, chúng được sử
dụng để tăng cường cho lưới điện công cộng trong thời gian tải cao điểm hoặc thiếu
điện. Chúng cũng có thể cung cấp điện trong trường hợp hệ thống lưới điện chính bị

sự cố.
Trong những năm gần đây, khái niệm này đã được phát triển tạo thành cụm tải
kết nối với các DG song song, tạo thành một microgrid.
Trong các phương pháp kết nối truyền thống, các máy phát điện nhỏ có thể
được tích hợp vào hệ thống điện nhằm giảm bớt của hoạt động lưới điện. Trong
trường hợp này, khi có sự cố trong lưới điện chính, sẽ ảnh hưởng đến hệ thống và
ngưng hoạt động của các nguồn phát điện nhỏ.
Trong khi với microgrid khi lưới điện chính ngừng cung cấp, các microgrid sẽ
ngắt kết nối từ lưới và hoạt động độc lập, tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải cục bộ
của mình cho đến khi lưới điện trở lại bình thường.
1.2.3 Ưu điểm của microgrid
So với các hệ thống điện khác, hệ thống microgrid có ưu điểm sau [2]:
- Microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm môi trường vì nó sử dụng nguồn có khí thải
thấp hoặc bằng không.

3


- Các microgrid làm việc song song với lưới công cộng nhằm hỗ trợ lưới điện
bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ giúp ngăn chặn tình trạng quá tải
và mất điện của lưới 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 lượng hóa thạch.
- Bằng cách vận hành trong cả hai chế độ nối lưới và độc lập, microgrid đảm
bảo tải quan trọng được cung cấp điện liên tục.
1.3 CẤU TRÖC VÀ THÀNH PHẦN CỦA LƯỚI MICROGRID
1.3.1 Cấu trúc microgrid
Cấu trúc của một microgrid bao gồm năm thành phần chính như sau:
- Các nguồn điện nhỏ

- Phụ tải
- Thiết bị lưu trữ
- Hệ thống điều khiển
- Các điểm kết nối.
Năm thành phần này được kết nối với một mạng lưới 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 được 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 lưới điện hoặc chế độ độc lập, phương
thức hoạt động có thể được xác định bởi tại bus kết nối chung (PCC). Đây là điểm
mà các microgrid là kết nối với lưới 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 lưới điện
chính. Điều khiển hoạt động của microgrid được 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 như: điều khiển nguồn (MC), điều khiển trung tâm (CC) [3].

4


Hình 1.1. Sơ đồ lưới Microgrid thông thường
1.3.2 Các loại microgrid
Microgrid tương tự như một hệ thống điện nhỏ trong đó bao gồm nhiều thành
phần như các DG, tải và thiết bị lưu trữ được kết nối với nhau. Theo dạng công suất,
microgrid có thể được phân loại: microgrid xoay chiều AC, microgrid một chiều
DC, hoặc một hệ thống kết hợp (hybrid). Mỗi loại microgrid có những ưu điểm
riêng. Hình 1.2 dưới đây mô tả một các loại microgrid.

Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thường

5

1.3.2.1 Lưới DC-Microgrid
Hệ thống DC-microgrid có thể được sử dụng trong chế độ kết nối lưới và tự
vận hành. Hệ thống này có những ưu điểm như 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 lưu trữ cũng dùng điện DC
do đó chỉ cần chỉnh điện áp trong lưới 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
lưới 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 như đối với AC-microgrid.
- Các DC-microgrid không sử dụng máy biến áp; điều này làm cho nó hiệu
quả hơn, kích thước 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 hưởng 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 hưởng góc pha điện áp.
Tuy nhiên, một DC-microgrid vẫn có một số thách thức cần được khắc phục.
Nó cũng không được phát triển để xử lý các điều kiện lỗi và thiếu thiết bị bảo vệ cơ
bản như bộ phận ngắt mạch, cầu chì, và rơle bảo vệ, như 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 tương 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 lưỡng 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

6

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

Hình 1.3. DC-microgrid
1.3.2.2 Lưới AC-Microgrid
Tất cả các nguồn phân tán sản xuất điện AC, như tua bin gió và khí sinh học,
có thể được kết nối trực tiếp với đường 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 lưới công cộng, nhờ bản chất giống nhau và khả năng tương thích của nó với
lưới 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 được 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
lưới 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 được 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 như chia công suất cho biến tần song song đã được nghiên
cứu bởi nhiều tác giả [9, 10]. Hình 1.4 dưới đây cho thấy các cấu trúc điển hình của
AC-microgrid kết nối với nhau và lưới AC điện áp trung thế.

7


Hình 1.4. Lưới 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 được
sử dụng. Hệ thống này có được lợi thế từ cả AC và DC microgrid. Tải AC hoặc DC
có thể được 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, nhược điểm là hệ thống yêu cầu một

thuật toán điều khiển phối hợp để thực hiện ổn định hoạt động.
1.4 NGUỒN NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN
Công nghệ nguồn năng lượng phân tán (DER) được xác định là nguồn năng
lượng nhỏ và tài nguyên lưu trữ thường nằm ở phía khách hàng tải và cung cấp
năng lượng cần thiết để cung cấp toàn bộ hoặc một phần nhu cầu phụ tải điện cho
người 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 như một hệ thống
độc lập trong một khu vực bị cô lập [11].
Các nguồn năng lượng tái tạo cũng được gọi là DERs. Nó là những đơn vị
nguồn nhỏ tích hợp vào một microgrid. Hoặc có thể là những đơn vị năng lượng tái
tạo hoặc máy phát điện thông thường như máy phát điện đồng bộ và máy phát cảm
ứng như 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

8


tần, hoặc cả hai chỉnh lưu và một biến tần để đảm bảo rằng các tần số đầu ra và điện
áp là tương tự như của lưới điện.

Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lượng DER
Trong điều kiện kiểm soát dòng công suất, một nguồn nhỏ có thể được coi như
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 thường có thể được điều chỉnh và
kiểm soát bên ngoài. DG sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là đơn vị thường
không truyền đi xa; công suất đầu ra của họ chỉ có thể được quy định, dựa trên công
suất đầu ra tối ưu của các nguồn năng lượng 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 như: hệ thống nhiệt điện kết hợp (CHP),
hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS), hệ thống quang điện năng lượng mặt
trời, thủy điện quy mô nhỏ và các thiết bị lưu trữ nguồn năng lượng tái tạo khác là
những ví dụ của các công nghệ được 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 trước khi cài
đặt DER.

9


1.5 CÁC VẤN ĐỀ CỦA LƯỚI MICROGRID
1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lượng
Một microgrid bao gồm là một cụm các tải và nguồn phân tán hoạt động như
một hệ thống điều khiển thống nhất cung cấp điện cho khu vực cục bộ của mình.
Đối với lưới công cộng, các microgrid có thể được coi như 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 như, nâng
cao độ tin cậy cục bộ, giảm thiểu tổn thất đường 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 lưới điện sang chế độ độc lập
mà không ảnh hưởng đến các tải quan trọng. Chiến lược điều khiển cho microgrid
và kỹ thuật quản lý điện năng được thảo luận trong [13-15]. Năng lượng cao cấp là
một khái niệm dựa trên việc sử dụng các thiết bị điện điện tử (chẳng hạn như 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 lượng cho các tải quan trọng. Nguồn năng lượng
này cần phải có một mức độ cao về độ tin cậy và chất lượng 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 lưới điện và tải của nó. Trong nhiều
trường hợp, nguồn điện áp DC (ví dụ như PV), khi đó phải được chuyển đổi sang

một điện áp xoay chiều có tần số, cường độ và góc pha cần thiết. Trong những
trường hợp này, việc chuyển đổi sẽ được 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 cường độ điện áp. Độ tin cậy, chế độ vận hành kinh tế và quy hoạch của
microgrid được trình bày trong [16-17].
Một số vấn đề cơ bản cần phải được 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 lượng lớn nguồn phân tán.

10