Điều khiển tối ưu hệ thống điện lai diesel sức gió mặt trời cho hai đảo việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Diệp Thanh Thắng

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI
DIESEL-SỨC GIÓ-MẶT TRỜI CHO HẢI ĐẢO VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Diệp Thanh Thắng

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI
DIESEL-SỨC GIÓ-MẶT TRỜI CHO HẢI ĐẢO VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG
2. TS. NGUYỄN ĐỨC HUY

Hà Nội – 2019


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả
nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện
trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được chính xác và trung thực.

Ngày

tháng 09 năm 2019
Tác giả luận án

Diệp Thanh Thắng

1


Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự hướng dẫn tận tình, cũng như sự
động viên khích lệ và sự đồng cảm của tập thể hướng dẫn: GS.TSKH. Nguyễn Phùng
Quang, TS. Nguyễn Đức Huy trong suốt quá trình thực hiện luận án từ hình thành ý tưởng
cho đề tài, xây dựng kế hoạch thực hiện và thiết kế cấu trúc theo trình tự từng bước hình
thành luận án.
Tôi xin được cảm ơn Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi có môi trường nghiên cứu cởi mở và nghiêm túc cùng cơ sở vật chất cần thiết để
thực hiện luận án, quan trọng hơn đã có những đóng góp trao đổi thiết thực và sâu sắc về

nội dung chuyên môn trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin được cảm ơn đến các thầy
cô giáo trong Viện Điện – ĐHBK Hà Nội, với những hướng dẫn chuyên môn hết sức cần
thiết và rất giá trị.
Tôi xin được cảm ơn đến những người bạn, các nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật Điều
khiển và Tự động hóa và Viện Điện đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình
thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi dành tình cảm và lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đặc biệt là vợ
tôi, những người đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn suốt những
ngày tháng thực hiện luận án.

2


Mục lục

Lời cam đoan………………………………….. .................................................................. 1

Lời cảm ơn…………………………………… ....................................................................
Mục lục……………………………………….. ................................................................... 3

Danh mục chữ viết tắt và các ký hiệu…………… ............................................................
Danh mục các bảng………………………….. ................................................................. 11
Danh mục các hình vẽ, đồ thị……………………………….. ......................................... 12
Mở đầu……………………………………….. .................................................................. 15

1.

Sự cần thiết của đề tài ...........................................

2.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........

3.

Mục tiêu của luận án .............................................

4.

Phương pháp luận và phương pháp toán học ........

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...............................

6.

Đóng góp của luận án ............................................

7.

Bố cục của luận án ................................................

Chương 1 Tổng quan……………………… ..................................................................
1.1

Sơ lược năng lượng tái tạo ........

1.2

Hệ thống điện lai có diesel chạy

1.3

1.2
1.2
1.2
Chế độ làm việc của hệ thống đi

1.4

1.3
1.3
1.3
1.3
Các nguồn phát trong hệ thống đ

1.5

Bài toán phân bố tối ưu công suấ

1.6

Hướng nghiên cứu của luận án .


1.7Nhiệm vụ của luận án ...............

1.8Kết luận chương 1 ....................
Chương 2 Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu……………… ...........................................

2.1Mở đầu ......................................

2.2Khái niệm điều khiển tối ưu .....

2.2
2.2
2.3Phương pháp quy hoạch động ..

2.3
2.3
2.3
2.3
2.3
2.4Lời giải phương trình HJB và ph

2.5Kết luận chương 2 ....................
Chương 3 Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu bằng phương pháp quy hoạch

động………………………………………………………………

3.1Mở đầu ..........................................................................................

3.2Mô tả bài toán tối ưu công suất phát .............................................

3.2.1 Hệ thống điện MG không nố
3.2.2 Các thành phần tham gia phá
3.2.3 Ý tưởng dùng hàm phạt cho
3.2.4 Bài toán phân bố tối ưu công
3.3Mô hình bài toán điều khiển tối ưu công suất phát .......................

3.3.1 Biến điều khiển ....................
3.3.2 Hàm mục tiêu ......................
3.3.3 Các ràng buộc ......................
3.3.4 Phương pháp quy hoạch độn
3.3.5 Phân tích sách lược điều khiể
3.3.6 Hệ thống điều khiển cung-cầ
3.4Sơ đồ tìm dòng công suất phát tối ưu ............................................

3.5Phương pháp số giải phương trình HJB ........................................

3.6Ví dụ với thông số giả định ...........................................................

3.6.1 Ví dụ 1: Hệ thống gồm 1 má
3.6.2 Ví dụ 2: Hệ thống gồm 2 má


3.7Ảnh hưởng công suất inverter ..

3.8Kết luận chương 3 ....................
Chương 4 Xây dựng chiến lược phát công suất với bước nhảy Markov…………… ..

4.1Mở đầu ......................................

4.1
4.1
4.2Giới thiệu bài toán ....................

4.2
4.2

4.2
4.3Phát triển mô hình toán học ......

4.3
4.3
4.3
4.4Phương pháp số cho mô hình Ri

4.5Ví dụ bằng số ............................

4.5
4.5
4.6Kết luận chương 4 ....................
Chương 5 Mô phỏng thông số thực tế và cài đặt hệ thống SCADA………………….. 99

5.1 Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời ..............

5.2 Giới thiệu hệ thống điện diesel-sức gió dữ liệu thực tế .................

5.2.1 Thực trạng hệ thốn
5.2.2 Logic điều khiển h
5.2.3 Điều khiển tần số .
5.2.4 Các điều kiện kỹ th
5.3 Bài toán điều khiển công suất phát hệ thống điện sức gió-diesel tr
........................................................................................................

5.3.1 Đặt bài toán ..........
5.3.2 Phương trình Hami
5.3.3 Kết quả chạy mô h
5.4 Đề xuất HTĐ sức gió-mặt trời-diesel Phú Quý ............................

5.4.1 Lựa chọn công suấ
5.4.2 Tiềm năng điện mặ
5.4.3 Lựa chọn công ngh


5.4.4 Bài toán điều khiển tối ưu công suất phát........................................................ 116
5.5 Sơ đồ cài đặt hệ thống SCADA................................................................................... 120
5.6

Kết luận chương 5.......................................................................................................... 123

Kết luận chung và kiến nghị…………………......................................................................... 124
Tài liệu tham khảo……………………………......................................................................... 126
Danh mục các công trình đã công bố của luận án................................................................. 131
Phụ lục………………………………………............................................................................. 132
Phụ lục A: Các nguồn phát trong hệ thống điện MG........................................................ 132
A.1 Máy phát điện mặt trời..................................................................................................... 132
A.1.1 Sản xuất pin quang điện và thị trường................................................................. 132
A.1.2 Mô hình hóa điện mặt trời....................................................................................... 133
A.1.3 Tổng quan cấu trúc bộ biến đổi điện mặt trời..................................................... 135
A.2 Máy phát điện sức gió...................................................................................................... 140
A.2.1 Cấu tạo......................................................................................................................... 140
A.2.2 Mô hình toán học...................................................................................................... 141
A.2.3 Cấu trúc bộ biến đổi máy phát điện sức gió...................................................... 141
A.2.4 Phân loại máy phát điện gió................................................................................... 142
A.2.5. Khái quát về hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ.................. 144
A.3 Máy phát điện diesel....................................................................................................... 146
A.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc.............................................................................. 147
A.3.2 Mô hình toán học..................................................................................................... 147

A.4 Kho điện............................................................................................................................. 148
A.4.1 Khái niệm về kho điện............................................................................................. 148
A.4.2 Các loại kho điện................................................................................................... 149
A.4.3 Cấu trúc thiết bị kho điện dùng siêu tụ............................................................... 151
A.4 Khái niệm tải giả.............................................................................................................. 151
Phụ lục B: Giả thiết của Rischel............................................................................................ 153
Phụ lục C: Xây dựng phương trình HJB.............................................................................. 154
C1. Chứng minh điều điều kiện tối ưu của phương trình HJB.................................. 154
C.2. Phương trình tích phân............................................................................................... 154
C.3. Phương trình vi phân đạo hàm riêng....................................................................... 155
C.4. Điều khiển phản hồi.................................................................................................... 155
Phụ lục D: Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời............................. 157
D.1 Các định nghĩa cơ bản................................................................................................ 157
D.2 Quy trình lựa chọn công suất thiết kế..................................................................... 158
6


Phụ lục E: Hình ảnh và số liệu hệ thống điện trên đảo Phú Quý................................... 159
E.1. Hình ảnh Phú Quý....................................................................................................... 159
E.2. Số liệu công suất phát và phụ tải Phú Quý............................................................ 160

7


Danh mục chữ viết tắt và các ký hiệu

Chữ viết tắt
Chữ
AC
CG

CIT
CSPK
DC
DEG
DFIG
DL
DP
DG
ĐKTƯ
EMS
IBS
IEC
IED
HJB
HPS
HTĐ
MG
MTBF
MTTR
OPF
PCC
PMG
PHS
PV
RES
WTG

Tiếng Anh
Alternating Current
Conventional Generation

Communication and Information
Technology

Direct Current
Diesel Engine Generator
Doubly-Fed Induction Generator
Dump load
Dynamic Programing
Distributed Generation
Energy Management System
Intelligent Bypass Switch
International Electrotechnical
Committee
Intelligent Electronic Device
Hamilton-Jacobi-Bellman
Hybrid power system
Micro Grid
Mean time between failures
Mean time to repair
Optimal Power Flow
Point of Common Coupling
Permanent magnet generator
Power Hybrid System
Photovoltaic
Renewable Energy Source
Wind Turbine Generator


Các ký hiệu
Ký hiệu

A

Định nghĩa
Vùng quét của cánh quạt tuabin gió

(t )

Miền xác định của biến điều khiển

cp

u,uDEG, uEES
Hệ số công suất phụ thuộc vào tỷ số

cε

Chi phí phạt do mất cân bằng công

cDEG
D
E[]

suất Chi phí sản xuất điện diesel

tốc Độ λ và góc quay trục rotor β

fε

Miền xác định chấp nhận được
Ký hiệu kỳ vọng toán học

Hàm trạng thái

H[]
G(.), g(.)
IPV
ir,s
i∈ I

Hàm Hamilton
Hàm chi phí đơn vị
Đặc tính V-A của pin quang điện

J(t,Xε,.)

Hàm chi phí tổng (hàm mục tiêu)

K

Hệ số trên trục cứng

KB
PDEG

Hằng số Boltzmann
Công suất của máy phát diesel

Pdis/charge
PL
PWTG
PPV

Công suất nạp/xả của inverter
Nhu cầu phụ tải
Công suất của máy phát tuabin gió
Công suất của máy phát điện mặt trời
Công suất max/min của máy phát
diesel
Công suất max/min của máy phát
tuabin gió
Công suất max/min của máy phát điện
mặt trời
Năng lượng sinh ra từ gió
Xác suất chuyển đổi trạng thái i sang j

P
m ax/ m in

DEG 1,2

P

WTG 1,2

max/ min

Pmax/PV1,2min
Pw
pr

P ij(t)

pij

Dòng điện rơi trên rotor/stator
Chỉ số trạng thái máy phát diesel

Tỷ số chuyển đổi trạng thái i sang j

9


Q

coulomb

Rr,s
S(T,.)

ohm
$

TM
uDEG

Nm
kW

u
vr,vs
v(t, x)
v(t, X)

uEES

kW
Volt
$
kW

x
Z

kWh

θMG
ρ

kg/m

3

(t )

λ

λ
µ
χ(t)
ζ(t)
ωM

rad/s

DM.ωM

ψ

r,s

Wb

10


Danh mục các bảng

Bảng 3.1: Thông số hệ thống điện sức gió-diesel-mặt trời, kho điện ESS.............................. 68
Bảng 3.2: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời.................................................... 74
Bảng 4.1: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời.................................................... 94
Bảng 5.1: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel năm tháng 02 năm 2018.................... 108
Bảng 5.2 So sánh ba phương án công nghệ tấm pin mặt trời................................................... 114
Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật của inverter 3 pha ở điều kiện tiêu chuẩn................................. 114
Bảng 5.4. Thông số hệ thống…………………........................................................................... 115
Bảng 5.5: Thông số tương lai hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời-kho điện..............117
Bảng A.1. Phân loại công nghệ kho điện theo thời gian nạp/xả.............................................. 149
Bảng A.2. Công suất và thời gian đáp ứng hệ thống.................................................................. 151

11


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình M.1. Sơ đồ 1 sợi rút gọn hệ thống điện lai MG................................................................... 16
Hình M.2. Bố cục của luận án…………………............................................................................ 20
Hình 1.1: Đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo [tỷ USD]....................................................... 21
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện MG….............................................................................. 22
Hình 1.3: Hệ thống điện MG không nối lưới…............................................................................. 23
Hình 3.1. Mô hình hệ thống điện MG không nối lưới quốc gia................................................. 50
Hình 3.2: Sản xuất điện theo nhu cầu…………............................................................................ 62
Hình 3.3a: Sơ đồ quá trình tìm dòng công suất phát tối ưu cho hệ thống điện MG..............64
Hình 3.3b: Minh họa thuật toán tìm kiếm chiến lược điều khiển tối ưu.................................. 65
Hình 3.4: Thuật toán Kushner giải phương trình HJB.................................................................. 67
Hình 3.5 Dự báo nhu cầu phụ tải……………................................................................................ 68
Hình 3.6 Dự báo công suất điện gió…………………………................................................... 69
Hình 3.7 Dự báo công suất điện mặt trời………........................................................................... 69
Hình 3.8 Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel................................................ 70
Hình 3.9 Chính sách nạp/xả của kho điện………….................................................................... 70
Hình 3.10 Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]....................................................................... 71
Hình 3.11 Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW].....................71
Hình 3.12 Sai số mô hình và phụ tải trên sản lượng điện [%].................................................... 72
Hình 3.13 Hệ thống điện MG gồm 2 máy phát DEG và ESS..................................................... 72
Hình 3.14: Dự báo nhu cầu phụ tải……………............................................................................ 73
Hình 3.15: Dự báo công suất điện gió…………........................................................................... 73
Hình 3.16 Dự báo công suất điện mặt trời……............................................................................. 74
Hình 3.17 Chính sách phát công suất tối ưu của hai máy phát diesel....................................... 75
Hình 3.18 Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]....................................................................... 76
Hình 3.19: Sai số giữa mô hình và phụ tải trên sản lượng điện [%]......................................... 76
Hình 3.20 Tổng hợp phụ tải, các nguồn phát và kho điện ESS [kW]....................................... 77
Hình 3.21 Ảnh hưởng công suất inverter kho điện lên hàm giá trị........................................... 78
12

Hình 4.1: Hệ thống điện MG cách ly lưới quốc gia...................................................................... 82
Hình 4.2: Quá trình chuyển đổi trạng thái của máy phát DEG................................................... 84
Hình 4.3. Thuật toán Kushner cho mô hình Markov.................................................................... 92
Hình 4.4. Mô hình hệ thống điện lai độc lập lưới.......................................................................... 93
Hình 4.5: Dự báo nhu cầu phụ tải…………….............................................................................. 94
Hình 4.6: Dự báo công suất điện gió……………......................................................................... 94
Hình 4.7. Dự báo công suất điện mặt trời…………..................................................................... 95
Hình 4.8. Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel............................................... 96
Hình 4.9. Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]........................................................................ 96
Hình 4.10. Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW]................... 97
Hình 5.1 Hệ thống điện lai sức gió-diesel đảo Phú Quý............................................................ 100
Hình 5.2 Phụ tải điển hình ngày tết trên đảo Phú Quý............................................................... 101
Hình 5.3 Phụ tải điển hình ngày bình thưởng trên đảo Phú Quý............................................. 101
Hình 5.4: Đặc tính công suất phát của turbine V80 và máy phát diesel Cummin...............102
Hình 5.5: Mô hình hệ thống điện lai nhỏ cách ly lưới quốc gia............................................... 106
Hình 5.6: Chính sách phát công suất tối ưu của hai máy phát diesel [kW]........................... 109
Hình 5.7: Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh]...................................................................... 109
Hình 5.8: Sai số giữa phụ tải và mô hình tính toán [kW].......................................................... 109
Hình 5.9. Sản lượng điện hàng năm trên đảo Phú Quý.............................................................. 111
Hình 5.10. Các kịnh bản tăng trưởng phụ tải trên đảo Phú Quý.............................................. 111
Hình 5.11: Bản đồ bức xạ mặt trời trên toàn lãnh thổ Việt Nam............................................. 112
Hình 5.12: Bức xạ mặt trời trên đảo Phú Quý…......................................................................... 112
Hình 5.13. Sản lượng tấm pin mặt trời theo từng loại công nghệ (%)................................... 113
Hình 5.14 Sản lượng điện do hệ thống điện mặt trười sinh ra hàng tháng............................ 115
Hình 5.15. Sơ đồ hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời trên đảo Phú Quý..................... 116
Hình 5.16. Sơ đồ hệ thống điện MG sức gió-diesel-mặt trời-kho điện.................................. 116
Hình 5.17: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2023...................................................................... 117
Hình 5.18: Dự báo công suất điện gió…………......................................................................... 118
Hình 5.19: Dự báo công suất điện mặt trời…….......................................................................... 118
Hình 5.20: Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel.......................................... 119

13


Hình 5.21. Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh].................................................................... 119
Hình 5.22. Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW]................. 120
Hình 5.23. Sơ đồ xây dựng biểu đồ vận hành SCADA sử dụng dòng công suất tối ưu....121
Hình A.1: Định luật Swanson………………….......................................................................... 132
Hình A.2: Mô hình tế bào quang điện………….......................................................................... 133
Hình A.3: Quan hệ I(U) và P(U) của PV………….................................................................... 134
Hình A.4: Hệ thống điện mặt trời……………............................................................................ 136
Hình A.5: Cấu trúc và sơ đồ kết nối hệ thống điện mặt trời..................................................... 137
Hình A.6: Sơ đồ khối chức năng điều khiển ĐTCS nối lưới cho pin mặt trời...................... 138
Hình A.7: Tái cấu trúc các tấm pin…………….......................................................................... 139
Hình A.8:a) Đặc tính công suất ppv(upv) và b) sơ đồ khối điều khiển..................................... 139
Hình A.10: Turbine truyền động trực tiếp……............................................................................ 140
Hình A.11: Hệ thống phát điện gió căn bản……......................................................................... 141
Hình A.12: Phân loại máy phát điện gió [90]….......................................................................... 142
Hình A.13: Hệ thống điều khiển điện tử công suất nối lưới cho máy phát điện gió [24] . 143

Hình A.14: Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu..................................................................... 144
Hình A.15 Hệ thống phát điện gió dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với bộ CL đơn giản .. 145

Hình A.16: Hệ thống phát điện gió với dàn ắc-quy.................................................................... 145
Hình A.17. Khái quát cấu trúc HTPĐ gió sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ.....146
Hình A.18: Minh họa máy phát diesel [95]……......................................................................... 147
Hình A.20: Minh họa kho điện sử dụng siêu tụ cho bù phân tán............................................. 150
Hình A.21: Kho điện sử dụng ắc quy cho bù tập trung.............................................................. 150
Hình C.1: Điều khiển phản hồi mạch kín………........................................................................ 155
Hình E.1: Máy phát Cummins và CAT………............................................................................ 159

Hình E.2: Nhà máy điện gió Phú Quý…………......................................................................... 159
Hình E.3: Tuabin gió VESTAS và trạm 22kW…........................................................................ 160
Hình E.4: Phụ tải điển hình ngày 26/5/2015……....................................................................... 160
Hình E.5: Phụ tải điển hình ngày 17/11/2015….......................................................................... 161
Hình E.6: Phụ tải điển hình không chạy tuabin gió ngày 01/07/2018.................................... 161

14


Mở đầu

1. Sự cần thiết của đề tài
Trong tất cả các hệ thống công nghiệp thì hệ thống điện (HTĐ) là hệ thống có độ phức
tạp vào bậc nhất. Độ phức tạp không những vì cấu trúc vật lý mà còn tính an sinh xã hội, vì
HTĐ ảnh hưởng trực tiếp lên tất cả đời sống kinh tế xã hội hàng ngày từ công nghiệp,
truyền thông, thông tin, nông nghiệp, sinh hoạt, giao thông vận tải, vui chơi giải trí và
thương mại. Ngoài ra HTĐ là hệ thống sản xuất công nghiệp duy nhất mà việc sản xuất ra
thành phẩm không có khả năng tích trữ. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp
điện lực từ hơn một trăm năm qua đã cho phép xây dựng các hệ thống lớn đáng tin cậy và
kinh tế, ngành công nghiệp điện lực không dừng lại thiết kế xây dựng các hệ thống gồm
các nhà máy điện truyền thống CG (conventional generation) như thủy điện, nhiệt điện,
hạt nhân, mà còn phát triển mạnh mẽ thống điện tái tạo RES (renewable enegry system)
như điện gió, điện mặt trời quy mô lớn trên phạm vi toàn cầu.
Bên cạnh sự tồn tại của hệ thống điện quốc gia gồm các nhà máy điện truyền thống CG,
và các trang trại sử dụng điện gió WTG (wind turbine generator), điện mặt trời PV
(photovoltaic generator) ở quy mô lớn có nối lưới quốc gia tạo nên hệ thống điện có nguồn
phát và phụ tải tiêu thụ vô cùng lớn, sự xuất hiện của các mô hình các hệ thống điện lai nhỏ
MG (microgrid) gồm các nguồn phát điện phân tán DG (distributed generation) không nối
lưới quốc gia cung cấp cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa nơi chưa có điều kiện kết nối với
lưới điện quốc gia. Các hệ thống điện MG có công suất từ vài trăm kW đến hàng chục MW

hoạt động ở chế độ không nối lưới quốc gia bao gồm chủ yếu máy phát diesel DEG (diesel
engine generator), turbine điện gió WTG, và điện mặt trời PV. Các hệ phát điện sức gió và
mặt trời được tạo ra từ các nguồn sơ cấp phụ thuộc vào yếu tố thời tiết khí hậu, cho nên
một mặt sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất để chuyển đổi sang năng lượng điện,
mặt khác chúng được phát lên lưới MG nhờ có máy phát điện diesel phát nền.
Cũng giống như HTĐ quy mô lớn, các hệ thống điện MG đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật
như điều khiển tần số, điều khiển công suất phản kháng, khả năng trụ lưới khi có sụt áp, dự
phòng nóng cho hệ thống, việc cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải trong khi
duy trì tỷ lệ thâm nhập điện gió và điện mặt trời sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm
bảo cung cấp điện trên lưới MG. Ngoài việc đảm bảo các điều kiện kỹ thuật về chất lượng
và ổn định hệ thống, bài toán kinh tế trong việc vận hành các nguồn phát phân tán đặt ra
nhằm tối ưu công suất phát có lợi về kinh tế khi vận hành.

15


Mở đầu

Hơn nữa, yêu cầu lập biểu đồ vận hành cho hệ thống SCADA về công suất phát là cần
thiết trong quá trình vận hành lưới MG. Bài toán tối ưu công suất phát ở chế độ xác lập
tương đương với điều tần cấp III trong cấu trúc điều khiển phân tầng. Trong đó, cấu trúc
điều khiển phân tầng hệ thống điện MG bao gồm ba cấp điều khiển cơ bản:
(i)
điều khiển sơ cấp (primary frequency control) hay còn gọi điều tần cấp I,
(ii)

điều khiến thứ cấp (secondary frequency control) − điều tần cấp II,

và điều khiển cấp ba (tertiary frequency control) − điều tần cấp III.
Điều tần cấp III có tác dụng phục hồi dự trữ từ thứ cấp, ở cấp này bài toán điều khiển trở

thành bài toán vận hành kinh tế và phân bố tối ưu công suất. Do đó, luận án đặt ra nhiệm vụ
“điều khiển tối ưu công suất phát cho hệ thống điện lai MG không nối lưới điện quốc gia” sử
dụng phương pháp quy hoạch động để tìm lời giải tối ưu. Việc điều khiển nhằm vào đối tượng
máy phát diesel và kho điện, trong khi máy phát điện gió và điện mặt trời cũng như phụ tải là
những yếu tố được dự báo trước. Trong luận án này, hệ thống điện MG bao gồm các nguồn
phân tán là máy phát diesel DEG, máy phát điện gió WTG, máy phát điện mặt trời PV và kho
(iii)

điện ESS (energy storage system) được miêu tả rút ngọn trong Hình M.1.

PWTG(t)

WTG

PL1(t)
Phụ tải 3

Hình M.1. Sơ đồ 1 sợi rút gọn hệ thống điện lai MG
Trong đó:
- Máy phát diesel DEG là nguồn phát dùng để phát nền và phủ đỉnh, có chức năng
bảo đảm ổn định dài hạn (long-term stability);
- Máy phát điện mặt trời PV và điện sức gió WTG là nguồn cung cấp năng lượng lên
lưới;
- Kho điện ESS có chức năng bảo đảm ổn định ngắn hạn (short-term stability) công
suất biến đổi đầu ra khi xảy thay đổi phụ tải, điện gió hay điện mặt trời như sau:

dP t
L

dt

;

dP
WTG

dt

t

;

dP
PV

dt

t

;


16


Mở đầu

-

v

pcc

là điện áp điểm nối chung từ các nguồn phân tán tới lưới phân phối, PL(t) là phụ

tải tiêu thụ tại thời điểm t với PL(t) = PL1(t)+ PL2(t)+ PL3(t), ∆Pi là các tổn hao trên
đường dây.

2.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu:
Đề xuất cách tiếp cận mới mô hình điều khiển tối ưu công suất phát cho hệ thống điện
lai không nối lưới diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện sử dụng phương pháp quy
hoạch động. Nhờ sự có mặt kho điện nên bài toán trở thành điều khiển quá trình. Trong đó
mô hình sử dụng hàm phạt nhằm xử lý độ biến thiên mất cân bằng công suất, với điều kiện
các nguồn sơ cấp bất định và phụ tải biển đổi mục đích nhằm đảm bảo cân bằng công suất
trong hệ thống. Ngoài ra tính đến khả năng máy phát diesel xảy ra sự cố.
Đối tượng nghiên cứu:
Công suất phát của hệ thống điện lai diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện là đối
tượng nghiên cứu. Công suất phát máy phát điện sức gió, điện mặt trời và phụ tải là những
thành phần không điều khiển được có các giá trị đầu vào được biết trước nhờ dự báo, đối
tượng điều khiển là công suất phát máy phát diesel và công suất nạp/xả của kho điện nhằm
đảm bảo cân bằng giữa công suất phát và phụ tải tiêu thụ.
Phạm vi nghiên cứu:
Các vấn đề được luận văn giải quyết trong các phạm phi hạn chế trong các giả thiết
(assumption) sau đây:
A.1. Công suất đặt của máy phát diesel lớn hơn công suất tiêu thụ của phụ tải.
A.2. Bỏ qua điện kháng đường dây, chỉ xét tổn thất công suất hữu công ∆P coi là hằng

số.
A.3. Hệ thống điện MG được coi như đã thiết kế đáp ứng dòng công suất đặt của hệ
thống.
A.4. Dữ liệu phụ tải được dự báo trước. Dữ liệu công suất phát của điện sức gió và điện
mặt trời được dự báo phụ thuộc vào tốc độ gió và bức xạ mặt trời. Không xét chế độ bất
khả kháng với các điều kiện khắc nghiệt như bão, giông, động đất.
A.5. Không giải quyết bài toán dự báo riêng cho phụ tải và hệ thống điện tái tạo.
A.6. Máy phát điện diesel thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật như điều tần, điều áp. Ngoài
giới hạn điều chỉnh thì máy phát điện sức gió và điện mặt trời có khả năng tham gia điều
chỉnh bằng cách đóng cắt một phần.
A.7. Kho điện có nhiệm vụ đảm bảo ổn định ngắn hạn và trung hạn.
A.8. Luận án chỉ tập trung vấn đề điều khiển công suất phát của máy phát diesel – cấp
điều khiển điều độ, không giải quyết bài toán điều khiển thiết bị của toàn hệ thống.

17


Mở đầu

3. Mục tiêu của luận án
Với mục đích, đối tượng và phạm vi miêu tả như trên, mục tiêu của luận án gồm ba điểm
sau:
I.
Tìm công suất phát tối ưu của HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời-kho điện ở chế độ
xác lập với các điều kiện:
o Bài toán điều khiển biến thiên theo thời gian sử dụng tỷ lệ thâm nhập điện gió,
điện mặt trời và sự biến đổi của phụ tải trong thời gian 1 ngày (24h);
o Dữ liệu đầu vào gồm công suất điện gió, mặt trời và phụ tải dựa vào dự báo;
o
o

AI.
BI.

Đảm bảo ổn định trong hệ thống đáp ứng Điều tần cấp I và cấp II.
Hàm mục tiêu là cực tiểu hóa chi phí vận hành máy phát diesel và hàm phạt do
mất cân bằng công suất.
Tính toán và thiết kế công suất đặt HTĐ lai dựa trên nền HTĐ diesel-sức gió ngoài
hải đảo.
Thiết kế và cài đặt biểu đồ vận hành cho hệ thống SCADA với các điểm đặt công
suất (set point) theo tỷ lệ thâm nhập điện gió, mặt trời, biến động của phụ tải một
cách mềm dẻo và gần với thực tiễn.

4.

Phương pháp luận và phương pháp toán học
Phương pháp luận:
Toàn bộ luận án, phương pháp luận được sử dụng bằng việc trả lời bốn câu hỏi dưới đây.
1. Có thể sử dụng phương pháp quy hoạch động để phát triển mô hình điều khiển tối

ưu công suất phát HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời có sự tham gia kho điện trong
trường hợp máy phát diesel hoạt động bình thường không?
2. Có thể sử dụng mô hình Rishel để phát triển mô hình điều khiển tối ưu công suất
phát HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời-kho điện trong trường hợp máy phát diesel xảy
ra sự cố hỏng hóc không?
3. Có thể áp dụng phương pháp số Kushner để giải phương trình Hamilton-JacobiBellman từ hai bài toán trên không?
4. Có thể thiết kế HTĐ lai trên nền HTĐ diesel-sức gió và lập biểu đồ vận hành
SCADA cho hệ thống áp dụng các các mô hình trên không?
Phương pháp toán học:
 Lý thuyết điều khiển tối ưu, cụ thể sử dụng phương pháp quy hoạch động (nguyên lý

Bellman) để xây dựng mô hình xác định (deterministic model) tìm điều kiện tối ưu
cho hệ, trường hợp máy phát diesel hoạt động bình thường.

18


Mở đầu

 Mượn mô hình của Rishel (1975) để xây dựng mô hình ngẫu nhiên (stochastic

model) khi máy phát diesel xảy ra sự cố hỏng hóc bằng việc sử dụng quá trình
Markov để đặc tính hóa hiện tượng hỏng hóc.
 Điều kiện cần và đủ để hai mô hình (xác định và ngẫu nhiên) thỏa mãn phương trình
vi phân đạo hàm riêng Hamilton-Jacobi-Bellman.
 Sử dụng phương pháp số Kushner để tìm lời giải phương trình HJB cho các trường
hợp cụ thể.

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:
Chiến lược phát công suất tối ưu sử dụng phương pháp quy hoạch động cho phép mô
phỏng và tính toán công suất phát tối ưu hệ thống điện không nối lưới diesel-sức gió-mặt
trời tích hợp kho điện trong thời gian xác định (một ngày 24h), điểm này là yếu tố quyết
định cho chiến lược vận hành hệ thống điện trong khi đối mặt với sự bất định của điện gió,
điện mặt trời và sự biến đổi của phụ tải. Bài toán đề xuất là bài toán điều khiển quá trình do
sự có mặt của kho điện.
Kết quả của đề tài là nền tảng lý thuyết xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu cho bài
toán dòng công suất tối ưu của hệ thống điện MG không nối lưới.

Ý nghĩa thực tiễn:
Mô hình điều khiển tối ưu công suất được đề xuất có tiềm năng sử dụng tốt cho hệ
thống điện MG diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện cần yếu tố điều khiển quá trình.
Thực tế trong luận án đã được sử dụng hiệu quả cho số liệu từ hệ thống điện MG thực tiễn
và giả định.
Đơn giản hóa và giảm chi phí cho vận hành hệ thống điện có các nguồn phân tán không
nối lưới.

6. Đóng góp của luận án
Luận án giải quyết bài toán tối ưu công suất phát của hệ thống MG có máy phát diesel
chạy nền, trong đó các nguồn điện phân tán điện gió, mặt trời và phụ tải là các thành phần
bất định không điều khiển được, các thành phần máy phát diesel và kho điện là các thành
phần điều khiển được. Luận án lần đầu tiên xây dựng mô hình điều khiển tối ưu hoàn chỉnh
sử dụng phương pháp quy hoạch động (nguyên lý Bellman) cho hệ thống điện MG dieselsức gió-mặt trời tích hợp kho điện không nối lưới là nền tảng lý thuyết cho bài toán tối ưu
công suất phát. Do vậy, luận án dự kiến đóng góp những kết quả như sau:

19


Mở đầu

1. Đề xuất chiến lược phát công suất tối ưu sử dụng phương pháp quy hoạch động cho

trường hợp máy phát diesel không xảy ra sự cố và máy phát diesel xảy ra sự cố hỏng
hóc. Cụ thể mô hình sử dụng hàm phạt cho phép áp dụng phương pháp quy hoạch
động để tìm lời giải ưu. Mô phỏng với các thông số giả định.
2. Áp dụng mô hình đề xuất để mô phỏng với thông số thực tiễn của hệ thống MG trên
đảo Phú Quý.
3. Đề xuất sử dụng lời giải số (phương pháp Kushner) cho hai mô hình xác định (diesel
hoạt động bình thường) và bất định (diesel xảy ra sự cố).

4. Đề xuất thuật toán cài đặt và lập biểu đồ vận hành SCADA.

7.

Bố cục của luận án
Luận án được trình bầy thành 5 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu
Chương 3. Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu bằng phương pháp quy hoạch

động.
Chương 4. Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu với bước nhảy Markov.
Chương 5. Mô phỏng thông số thực tế và cài đặt hệ thống SCADA.
Bố cục của luận án được tóm tắt trong Hình M.1 dưới đây.
-

Nền tảng HTĐ lai có diesel chạy nền,
Cấu trúc bộ biến đổi ĐTCS
Cấu trúc điều khiển phân tầng cho HTĐ lai không nối

lưới
Lý thuyết điều khiển tối ưu và

nguyên lý Bellman

Ứng dụng mô hình toán học cho hệ thống điện lai

sức gió-diesel dựa trên dữ liệu thực tiễn
Phát triển thêm mô hình có sự
cố ngầu nhiên hỏng hóc

Chương 1

1. Năng lượng tái tạo

2. Cấu trúc bộ biến đổi ĐTCS
cho điện gió và mặt trời
3. HTĐ lai có diesel chạy nền
4. Cấu trúc điều khiển phân tầng
cho HTĐ lai không nối lưới

Hình M.2. Bố cục của luận án
1. Lựa chọn công suất phát cho hệ phát điện phân tán.
2.Mô phỏng HTĐ lai sức gió-diesel dựa trên dữ liệu HTĐ trên

Phú Quý
3. Đề xuất lắp thêm HTĐ mặt trời 1MWp.
4. Thiết kế và quy trình cài đặt vận hành SCADA.

20


Chương 1 Tổng quan

1.1 Sơ lược năng lượng tái tạo
Nguồn năng lượng tái tạo RES được hiểu là nguồn năng lượng tự thân nó có khả năng
tái tạo trong khoảng thời gian nhất định gồm thủy điện, gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều,
sinh khối và các nguồn khác. Trong khuôn khổ giới hạn của đề tài nghiên cứu, mục này chỉ
giới thiệu sơ lược về quy mô đầu tư năng lượng tái tạo trên toàn cầu đặc biệt điện gió và

điện mặt trời là hai đối tượng chính của đề tài nghiên cứu.

Hình 1.1: Đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo [tỷ USD]
Hình 1.1 giới thiệu về đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo năm 2015 và tăng trưởng
tính từ năm 2014 từ nguồn [1]. Qua đó cho thấy, năng lượng gió và mặt trời chiếm tỷ trọng
cao và phát triển nhanh.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo hiện tại là giải pháp bổ sung, tương lai là một giải pháp
thay thế các nhà máy điện truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Một ưu điểm vượt
trội của điện mặt trời và điện gió là chi phí vận hành rất nhỏ, thi công lắp đặt nhà máy rất
nhanh so với các nhà máy điện truyền thống CG.