Ứng dụng thuật toán đồng thuận điều khiển bù mất đối xứng điện áp trong luới điện siêu nhỏ độc lập
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.98 MB, 98 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------------
NGUYỄN VĂN NGHĨA
ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỒNG THUẬN ĐIỀU KHIỂN BÙ
MẤT ĐỐI XỨNG ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ
ĐỘC LẬP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng –Năm 2018
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------------
NGUYỄN VĂN NGHĨA
ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỒNG THUẬN ĐIỀU KHIỂN BÙ
MẤT ĐỐI XỨNG ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ
ĐỘC LẬP
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 8520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS: Trần Thị Minh Dung
Đà Nẵng – Năm 2018
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ..................................................................... 4
1.1 Bối cảnh.......................................................................................................................................4
1.1.1 Hệ thống đa đối tượng.................................................................................... 4
1.1.1.1
Khái niệm hệ thống đa đối tượng .................................................................................4
1.1.1.2
Các ứng dụng của hệ thống đa đối tượng .....................................................................7
1.1.2 Nguồn điện phân tán ...................................................................................... 8
1.1.2.1
Định nghĩa nguồn điện phân tán...................................................................................8
1.1.2.2
Những lợi ích tích cực của nguồn phân tán ................................................................10
1.1.2.3
Các hạn chế của nguồn phân tán ................................................................................11
1.2 Lưới điện siêu nhỏ .....................................................................................................................11
1.2.1 Khái niệm lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) ......................................... 11
1.2.2 Các chế dộ vận hành lưới điện siêu nhỏ ...................................................... 13
1.2.3 Ứng dụng của lưới điện siêu nhỏ ................................................................. 15
1.3 Thuật toán đồng thuận ...............................................................................................................16
1.3.1 Phân loại thuật toán đồng thuận ................................................................... 16
1.3.1.1
Hệ thống thời gian rời rạc ..........................................................................................17
1.3.1.2
Hệ thống thời gian tuyến tính .....................................................................................18
1.3.1.3
Vấn đề đồng thuận trong thời gian hữu hạn ...............................................................18
1.3.2 Thiết kế ma trận đồng thuận ........................................................................ 19
1.3.2.1
Trọng số có bậc lớn nhất ............................................................................................19
1.3.2.2
Trọng số Metropolis ...................................................................................................19
1.3.2.3
Trọng số cạnh là hằng số ............................................................................................19
1.3.2.4
Tối ưu hóa ..................................................................................................................20
1.4 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................................20
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ ........................................................................... 21
2.1 Khái niệm ..................................................................................................................................21
2.1.1 Định nghĩa .................................................................................................... 21
2.1.2 Biểu diễn đồ thị ............................................................................................ 22
2.1.3 Đồ thị có hướng và đồ thị vô hướng ............................................................ 22
2.1.4 Đơn đồ thị (simple graph) và đa đồ thị (Multiple graph)............................. 22
2.1.5 Ví dụ ............................................................................................................. 22
2.2 Tính kết nối đồ thị .....................................................................................................................23
2.3 Đặc tính đồ thị đại số.................................................................................................................24
2.4 Đặc tính quang phổ đồ thị .........................................................................................................26
2.5 Các loại đồ thị tiêu chuẩn ..........................................................................................................28
3.1 Giới thiệu thuật toán đồng thuận ...............................................................................................31
3.2 Đánh giá ....................................................................................................................................33
3.2.1 Phương pháp dựa trên khái niệm đa thức tối thiểu ...................................... 33
3.2.2 Phương pháp dựa trên hệ số ma trận ............................................................ 36
3.2.2.1
Sự tồn tại ....................................................................................................................37
3.2.2.2
Bài giải cho các biểu đồ cụ thể ...................................................................................38
3.2.2.3
Giải pháp chung .........................................................................................................41
3.2.3 So sánh giữa phương pháp đa thức tối thiểu và cách tiếp cận hệ số ma trận
hóa ...................................................................................................................... 42
3.3 Giải pháp phân tán tìm tham số cho ma trận cho hệ số ma trận hóa. ........................................43
3.4 Các kết quả tính toán bằng số ....................................................................................................51
3.4.1 Ví dụ 1 .......................................................................................................... 52
3.4.2 Ví dụ 2 .......................................................................................................... 55
3.5 Kết luận .....................................................................................................................................58
CHƯỢNG IV: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỒNG THUẬN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN BÙ
MẤT ĐỐI XỨNG TRONG MG ĐỘC LẬP ................................................................. 60
4.1 Chế độ không đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ độc lập..........................................................60
4.1.1 Định nghĩa không đối xứng trong hệ thống điện. ........................................ 60
4.1.2 Nguyên nhân gây mất đối xứng trong lưới điện MG độc lập. ..................... 61
4.1.2.1
Không đối xứng lâu dài ..............................................................................................61
4.1.2.2
Chế độ không đối xứng ngắn hạn. ..............................................................................61
4.1.3 Ảnh hưởng của chế độ không đối xứng trong MG độc lập ......................... 61
4.1.3.1
Ảnh hưởng của chế độ không đối xứng đối với chất lượng điện năng.......................61
4.1.3.2
Ảnh hưởng của chế độ không đối xứng đối với các thiết bị dùng điện ......................62
4.2 Phân tích chế độ không đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ độc lập ..........................................63
4.2.1 Phân tích mô hình hệ thống MG độc lập mất đối xứng. .............................. 66
4.2.2 Phương pháp bù mất đối xứng điện áp và cách phân chia dòng thứ tự
nghịch...................................................................................................................... 67
4.3 Thiết lập sơ đồ điều khiển bù mất đối xứng cho SLB trong MG ..............................................69
4.3.1
Phương pháp VUC tập trung ......................................................................................69
4.3.2
Cách tiếp cận phân phối VUC ....................................................................................70
4.4 Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink ..................................................................................75
4.4.1.
Đặt vất đề ...........................................................................................................................75
4.5 Kết luận .....................................................................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 82
LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự
nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng
như sự động viên ủng hộ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian học
tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến
Cô TS. Trần Thị Minh Dung người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất
cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý
thầy cô trong bộ môn Tự động hóa – kho điện - Đại học Bách Khoa – Đại học Đà
Nẵng đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài
luận văn. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách
hoàn chỉnh
Đà Nẵng, tháng 6 năm 2018
Học viên thực hiện
Nguyễn Văn Nghĩa
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan, đây là công trình nguyên cứu của riêng tôi, có tham khảo một số tài
liệu và của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. 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.
Tác giả
Nguyễn Văn Nghĩa
TÓM TẮT
ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỒNG THUẬN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN BÙ MẤT ĐỐI
XỨNG ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ ĐỘC LẬP
Học viên: Nguyễn Văn Nghĩa. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
Mã số: 8520216 Khóa: K33 TĐH.DL Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt - Luận văn này nghiên cứu về phương pháp tối ưu hóa trong thiết kế thuật toán
đồng thuận trung bình trong thời gian hữu hạn (FACA) cho hệ thống đa đối tượng, hệ thống lưới
điện siêu nhỏ (MG). Mục tiêu của thuật toán đồng thuận là tất cả các đối tượng (DG) trong hệ
thống MG đều đạt đến một giá trị chung, là giá trị trung bình của tất cả các giá trị ban đầu của các
đối tượng trong hệ thống đó. Để một thuật toán đồng thuận trung bình có thể hoạt động được,
chúng ta cần thực hiện hai bước: bước tự cấu hình và bước thực thi. Tại bước cấu hình, thuật toán
đồng thuận sẽ được thiết kế và cập nhật lên mỗi đối tượng trong hệ thống sao cho tại bước thực
thi, các đối tượng của hệ thống đạt đến giá trị chung trung bình trong thời gian ngắn nhất có thể.
Phương pháp tối ưu hóa được đề xuất trong luận văn này dựa vào phương pháp học và quá trình
huấn luyện của mạng nơ-ron. Bằng cách này (FACA) và kết hợp với điều khiển phân tầng
(Primary control và Secondary Control) sẵn có [30] cho phép mỗi máy phát phân tán (DG) chia sẻ
và hợp tác trong việc bù lại phần điện áp không đối xứng trên bus tải nhạy cảm (SLB) được bù.
Khái niệm mức đóng góp (CL) bù áp lần đầu tiên được đề xuất cho từng DG cục bộ để chỉ ra khả
năng bù của nó. Cấu trúc bù thứ cấp hai lớp bao gồm lớp giao tiếp và lớp bù được thiết kế cho
mỗi DG cục bộ. Một chiến lược phân phối hoàn toàn liên quan đến chia sẻ thông tin và trao đổi
được đề xuất, dựa trên thuật toán mới phát triển đó là đồng thuận trung bình về thời gian hữu hạn.
Chiến lược này không yêu cầu biết trước toàn bộ cấu trúc hệ thống như trước mà chỉ cần biết số
lượng các đối tượng có trong hệ thống.
Từ khóa: Lưới điện siêu nhỏ độc lâp; phương pháp truyền ngược; hệ thống đa đối tượng;
thuật toán đồng thuận trung bình trong thời gian hữu hạn, lượng bù tham khảo (UCR).
FINITE –TIME AVERAGE CONSENSUS ALGORITHM BASED DISTRIBUTED
VOLTAGE UNSYMMETRY COMPENSATION IN ISLANDED MICROGRIDS
Abstract – This thesis deals with, the optimization methods in designing a finite-time
average consensus protocol for multi-agent systems or wireless sensors network are taken into
account. As we all know, the purpose of the average consensus protocol is that all agents reach the
final common value, which is the average of the initial values. In order to run a consensus
protocol, there are 2 main steps: self-configuration step, and execution step. In the selfconfiguration step, the consensus protocol is designed and uploaded to each agent of the system so
that the final average value is achieved in the minimal execution time. The proposed optimization
method is based on learning and training methods applied for neural network. In this way (FACA)
and in combination with available control (Primary Control and Secondary Control) [30] letting
each distributed generator (DG) share the compensation effort cooperatively, unbalanced voltage
in sensitive load bus (SLB) can be compensated. The concept of contribution level for
compensation is first proposed for each local DG to indicate its compensation ability. A two-layer
secondary compensation architecture consisting of communication layer and compensation layer
is designed for each local DG. A totally distributed strategy involving information sharing and
exchange is proposed, which is based on finite-time average consensus. This strategy does not
require the whole system structure in a priori but the number of nodes of the given network. The
proposed scheme not only achieves similar voltage unbalance compensation performance to the
centralized one, but also brings some advantages, such as plug-and-play property.
Key words: Microgird Islanded, back-propagation method; Multi-agent systems; Finite-time
average consensus algorithm(FACA); Unbalance Compensation Reference (UCR).
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ
viết tắt
Nội dung
TTN
Thành phần thứ tự nghịch
TTK
Thành phần thứ tự không
DG
Nguồn điện phân tán (Distributed generator)
MG
Lưới điện siêu nhỏ (Microgrids)
MAS
Hệ thống đa đối tượng (Multi-agent systems)
MSE
Mean Square Error
GPRS/3G
3G
CIGRE
IEA
IEEE
EPRI
DC/AC
GPRS là giao thức kết nối internet (General Packet Radio Service)
Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn
công nghệ điện thoại di động
Một định nghĩa khác của nguồn điện phân tán (International Council
on Large Electricity Systems)
Một định nghĩa khác của nguồn điện phân tán (International Energy
Agency)
Một định nghĩa khác của nguồn điện phân tán (Institute of Electrical
and Electronics Engineers Inc)
Một định nghĩa khác của nguồn điện phân tán (Electric Power
Research Institute)
Bộ nghịch lưu điện áp 1 chiều sang điện áp xoay chiều
DER
Nguồn năng lượng phân tán (Distributed energy resources)
G
Đồ thị vô hướng G(V,E) - (The (undirected) graph G(V, E)
xi
Véc tơ thứ I (The ith element of the vector x)
R
Số thực R
X
Ma trận X
XT
Ma trận chuyển vị của ma trận X
||x||
Định thức Euclidien
V
Tập hợp đỉnh (nút hoặc đối tượng)
E
Tập hợp các cạnh
di
Độ góc của một nút thứ i
dmax
Độ góc lớn nhất dmax = maxidi
Ni
Hàng xóm lân cận của nút i
N
Số nút
d(G)
Đường kính đồ thị G
A
Ma trận kề
D
Ma trận góc
L
Ma trận Laplacian
sp(L)
Ma trận phổ Laplacian Laplacian
W
Ma trận đồng thuận
wij
Phần tử trên hàng i và cột j của ma trận W (phần tử (i, j))
sp(W)
λi(L)
Ma trận phổ của ma trận W
Giá trị riêng thứ i của ma trận Laplacian
Λ
Tập hợp các giá trị riêng biệt Laplacian không phân biệt
SG
Tập hợp ma trận SG = {W ∈ RN×N|wij = 0 nếu (i, j) E và i ≠ j}
ρ(A)
Bán kính quang phổ ρ(A) = max{|λ1(A)|, . . . , |λN(A)|}
≜
UCRdq
Định nghĩa
Bù mất cân bằng tham chiếu (Unbalance Compensation Reference)
VUF
Hệ số điện áp mất cân bằng (Voltage Unbalance Factor)
CLi
Mức đóng góp của đối tượng thứ i (contribution levels)
FACA
SLB
Thuật toán đồng thuận trung bình trong thời gian hữu hạn (Finitetime average consensus algorithm)
Tải nhạy cảm (sensitive load bus)
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng
Tên bảng
4.1
Thông số của các DG và Primary Controller
4.2
Tham số của hệ thống MG và Secondary
Controller
Trang
75-76
77
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
1.1
Cấu trúc chung của một hệ thống đa đối tượng MAS
5
1.2
Điều khiển phương tiện tham gia giao thông trong thành phố
5
1.3
Giám sát và điều khiển trạm bơm từ xa qua mạng GPRS/3G
6
1.4
Sơ đồ phân loại các loại nguồn phân tán
10
1.5
Công nghệ điều khiển nối lưới cho MG Singapore
12
1.6
Công nghệ điều khiển nối lưới cho MG tại Mỹ
12
1.7
Cấu trúc điển hình của một MG linh hoạt
13
1.8
Cấu trúc MG ở Mỹ
14
1.9
Cấu trúc MG năng lượng mặt trời
14
1.10
Sơ đồ khối MG độc lập
15
1.11
Đồng thuận trung bình trong một mạng
16
1.12
Phân loại thuật toán đồng thuận
17
2.1
Đồ thị có hướng (G1) a), Đồ thị vô hướng (G2) b).
22
2.2
Đồ thị G1 vô hướng 6 nút a), đồ thị G2 có hướng 5 nút b)
23
2.3
Biểu đồ không được kết nối được kết nối
24
2.4
Biểu đồ bị ngắt kết nối
24
2.5
Biểu đồ hoàn chỉnh
24
2.6
Đồ thị trọng số
28
2.7
Đồ thị thông thường
28
2.8
Đồ thị khoảng cách thông thường
29
2.9
Đồ thị Clebsch 5 - thường xuyên (SRG (16, 5, 0, 2))
30
3.1
Biểu đồ Hamming AH(4,2)
38
3.2
Lược đồ lặp tuyến tính trong không gian và thời gian
44
3.3
Hàm cơ chế của phương pháp dựa trên sự truyền ngược được đề
xuất
45
3.4
Biểu đồ 6 nút
52
3.5
So sánh cho hai yếu tố có hệ số
53
55
3.6
Quỹ đạo của giao thức đồng thuận hữu hạn được đề xuất a) Quỹ
đạo của một giao thức đồng thuận tiệm cận bằng cách sử dụng
trọng số cạnh tối ưu liên tục (b)
3.7
Biểu đồ 5 nút hình tròn
56
3.8
Sự đồng thuận trung bình trong 2 bước
57
3.9
Tỷ lệ hội tụ của các số mẫu khác nhau P
57
3.10
So sánh giữa biểu đồ hình tròn 5-nút với P = 8 trong hai trường
hợp: có tác động và không tác động
58
4.1
Sơ đồ nguyên lý lưới điện siêu nhỏ độc lập
64
4.2
Sơ đồ nguyên lý điều khiển phân tầng trong MG độc lập
65
66
4.3
Mô hình hệ thống MG độc lập mất đối xứng: (a) Sơ đồ thay thế
tương đương của tải không cân bằng trong hệ thống MG 3 pha 3
dây; (b) Sơ đồ thay thế tương đương của dòng thứ tự nghịch
4.4
a) Phương pháp bù mất đối xứng điện áp đơn giản; b) Phương
pháp phân chia dòng điện thứ tự nghịch đơn giản
68-69
4.5
Sơ đồ khối bù mất đối xứng điện áp trong MG độc lập
71
4.6
Minh họa bù áp ở tầng điều khiển thứ cấp trong miền thời gian
72
4.7
Sơ đồ lược đồ kiểm soát hợp tác phụ được phân phối
73
4.8
Sơ đồ Simulink hệ thống MG độc lập có tải không cân bằng
75
4.9
Đồ thị điện áp trên SLB có tải không cân bằng ZUB khi chưa bù
76
4.10
Đồng thuận trung bình đạt được sau 2 bước
78
4.11
Tỷ lệ hội tụ đồng thuận trung bình trong 2 bước
79
4.12
Đồ thị điện áp trên SLB sau khi bù
79
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng
điện của con người ngày càng tăng cao, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như
than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định, vận
chuyển khó khăn, tốn kém đặc biệt là tới những vùng sâu, vùng xa, hải đảo… thì nhiều
nguồn năng lượng điện thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu để
phát điện đó là nguồn năng lượng tái tạo như: pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine
gió,... được gọi chung là các nguồn điện phân tán (DG) là những nguồn năng lượng
sạch có tiềm năng lớn trên thế giới và Việt Nam.
Khái niệm lưới điện siêu nhỏ MicroGrid (MG) đã ra đời với mục đích sử dụng
hiệu quả và linh hoạt các nguồn phát điện phân tán (Distributed generation - DG). Một
lưới điện siêu nhỏ là một nhóm các nguồn điện phân tán được kết nối với nhau và nó
có thể hoạt động độc lập hoàn toàn với lưới điện phân phối, kết nối hoặc ngắt kết nối
với lưới phân phối, hoặc cho phép nó hoạt động cả chế độ kết nối lưới và chế độ độc
lập “island”. Bằng phương pháp đó, nó cung cấp một hệ thống năng lượng cho người
tiêu dùng linh hoạt và hiệu quả hơn lưới điện truyền thống. Để có thể khai thác được
ưu thế của lưới điện siêu nhỏ, cần giải quyết nhiều vấn đề quan trọng khi nó hoạt động
ở chế độ độc lập như: mất đối xứng, sự phối hợp giữa các nguồn phát phân tán (DG),
phân chia công suất, ổn định hệ thống, v.v…. Trong đó, mất đối xứng trong lưới điện
rất được quan tâm. Mặc dù một lần sự cố mất điện gây hậu quả nặng nề hơn một lần
mất đối xứng, nhưng trong thực tế tần suất xảy ra hiện tượng mất đối xứng lại lớn hơn
rất nhiều so với hiện tượng mất điện cho nên nếu xét một cách tổng thể thì hiện tượng
mất đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ lại gây ra hậu quả lớn hơn hiện tượng mất điện.
Vấn đề đặt ra làm thế nào để khắc phục được hiện tượng mất đối xứng trong
lưới điện siêu nhỏ để đảm bảo chất lượng điện năng ở đầu ra của các phụ tải. Như
chúng ta đã biết nguyên nhân mất đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ là do các phụ tải
một pha gây nên, do bản thân các phần tử 3 pha được hoàn thành không đối xứng hoàn
toàn hay áp dụng một số chế độ làm việc đặc biệt. Việc mất đối xứng trong MG làm
xuất hiện các dòng thứ tự nghịch (TTN) và thứ tự không (TTK) gây ảnh hưởng xấu
đến các DG, đến sự tác động mất tin cậy của các thiết bị bảo vệ rơle và đây cũng là
2
nguyên nhât làm gia tăng tổn thất trong mạng, giảm độ tin cậy cung cấp điện cũng như
giảm chất lượng điện năng cho các phụ tải. Vì vây, vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào
để các nguồn phân tán có thể hợp tác và chia sẻ công việc với nhau một cách hiệu quả.
Để khắc phục hiện tượng mất đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ vận hành ở chế độ độc
lập, ta đưa ra giải pháp mới đó là “ứng dụng thuật toán đồng thuận để điều khiển bù
mất đối xứng điện áp trong lưới điện siêu nhỏ độ độc lập”. Mục đích của giải pháp
đưa hệ thống MG quay về trạng thái đối xứng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển,
để nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện, đó chính là nội dung mà đề tài
nguyên cứu hướng đến.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu thuật toán đồng thuận là thiết kế thuật toán đồng thuận
trung bình trong thời gian hữu hạn đưa ra một quy luật chung cho các nguồn phân tán
trong MG có thể chia sẻ và hợp tác hiệu quả việc bù mất đối xứng điện áp trong lưới
điện siêu nhỏ vận hành ở chế độ độc lập nhằm nâng cao chất lượng điện năng cho phụ
tải.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu:
- Nguồn điện phân tán (DG);
- Hệ thống đa đối tượng;
- Lý thuyết đồ thị;
- Lý thuyết thuật toán đồng thuận;
- Lưới điện siêu nhỏ (MG) và hiện tượng mất đối xứng trong lưới điện siêu
nhỏ vận hành ở chế độ độc lập;
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu các nguyên nhân mất đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ độc lập;
- Ứng dụng thuật toán đồng thuận trung bình trong thời gian hữu hạn để điều
khiển bù mất đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ vận hành ở chế độ độc lập.
- Phương pháp lập trình và công cụ mô phỏng chương trình điều khiển trên
Matlab Simulink.
4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng;
3
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu tài liệu, giáo trình, báo khoa học
viết về vấn đề:
-
Lưới điện siêu nhỏ vận hành ở chế độ độc lập.
-
Các nguồn điện phân tán;
-
Hệ thống điều khiển đa đối tượng;
-
Thuật toán đồng thuận;
Phương pháp nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm: nghiên cứu mô phỏng
bằng phân mềm Matlab Simulink;
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài nghiên cứu hiện tượng mất đối xứng trong lưới điện siêu nhỏ vận hành ở
chế độ độc lập và ứng dụng thuật toán đồng thuận trung bình trong thời gian hữu hạn
để điều khiển bù mất đối xứng điện áp trong lưới điện siêu nhỏ vận hành độc lập nhằm
nâng cao chất lượng điện năng cho các phụ tải.
6. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc luận văn gồm 5 chương cụ thể như sau:
Chương I: Giới thiệu tổng quan
- Giới thiệu tổng quan về hệ thống đa đối tượng hiện đang phát triển mạnh trong
những năm gần đây và cách tiếp cận cũng như giá trị ứng dụng của nó vào thực tiễn.
- Tổng quan về nguồn điện phân tán, các lợi ích và hạn chế của nguồn điện
DG;
-
Giới thiệu tổng quan về lưới điện siêu nhỏ, các chế độ vận hành và ứng
dụng;
-
Lý thuyết thuật toán đồng thuận và các ứng dụng.
Chương II: Lý thuyết đồ thị
-
Giới thiệu tổng quan lý thuyết đồ thị, các khái niệm, đặc tính của nó;
Chương III: Thiết kế thuật toán đồng thuận trung bình trong thời gian hữu hạn;
-
Giới thiệu tổng quan thuất toán đồng thuận;
-
Thiết kế cấu hình ma trận thuật toán đồng thuận;
Chương IV: Ứng dụng thuật toán đồng thuận trung bình trong thời gian hữu hạn
để điều khiển bù mất đối xứng điện áp trong lưới điện MG vận hành ở chế độ độc lập.
Chương V: Kết luận chung.
4
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Bối cảnh
1.1.1 Hệ thống đa đối tượng
1.1.1.1 Khái niệm hệ thống đa đối tượng
Hệ thống đa đối tượng MAS (MAS: Multi-agent systems) là một hệ thống được
ghép nối nhiều đối tượng riêng lẻ lại với nhau, giữa chúng có đa xử lý ghép lỏng và
cùng giải quyết một vấn đề (đối tượng) phức tạp. Chúng làm việc cùng nhau để tìm
câu trả lời cho các vấn đề vượt quá khả năng một đối tượng. Họ cùng nhau giải quyết
một vấn đề phức tạp hoặc kiểm soát một hệ thống phức tạp.
Ngày nay, hệ thống đa đối tượng (MAS) đã nhận được sự quan tâm ngày càng
nhiều trong những thập kỷ qua. Chúng được phát triển cho nhu cầu linh hoạt, mạnh mẽ
và cấu hình lại các tính năng xuất hiện trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau bao
gồm sản xuất, hậu cần, lưới điện thông minh, tự động hóa tòa nhà, cứu trợ thiên tai, hệ
thống giao thông thông minh, giám sát, theo dõi và thăm dò môi trường, và bảo vệ hệ
thống hạ tầng, vv... và đặc biệt là các nguồn điện phân tán DG trong lưới điện siêu nhỏ
(MG).
Một hệ thống đa đối tượng (MAS) có thể thực hiện những nhiệm vụ mà một đối
tượng không thể nào thực hiện được. Chính vì vậy, mà MAS đã trở thành một đề tài
nổi bậc trong nghiên cứu ở các ngành như sinh học, toán học, vật lý, khoa học máy
tính và khoa học xã hội đặc biệt là trong ngành điện.
Một hệ đa đối tượng bao gồm:
-
Sự tương tác qua lại giữa các đối tượng thông minh (cảm biến, đối tượng,
phương tiện giao thông, robot, nguồn điện phân tán ….);
-
Môi trường của các đối tượng được mô tả như hình 1.1
5
Hình 1. 1 Cấu trúc chung của một hệ thống đa đối tượng MAS
Mô hình hệ thống giao thông thông minh
Hình 1. 2 Điều khiển phương tiện tham gia giao thông trong thành phố
Mô hình giám sát và điều khiển của một trạm bơm
6
Hình 1. 3 Giám sát và điều khiển trạm bơm từ xa qua mạng GPRS/3G
Một cách tổng quát, một hệ thống đa đối tượng là một nhóm các điểm nút (đối
tượng) thể hiện cho phương tiện giao thông, cảm biến, đối tượng….mà chúng có thể
trao đổi thông tin để đạt đến một mục tiêu chung. Theo cách mô tả các bằng chứng mô
hình, một hệ đa đối tượng có thể được biểu diễn bỡi một mạng lưới các điểm nút kết
nối với nhau thông qua một sơ đồ truyền thông. Sự kết hợp qua lại giữa các đối tượng
trong một hệ thống đa đối tượng thường được mô hình hóa bỡi những đồ thị trực tiếp
hoặc gián tiếp.
Một điều cần chú ý ở đây là một hệ thống đa đối tượng có thể giải quyết những
nhiệm vụ khó tưởng chừng như không thể thực hiện được bỡi một đối tượng riêng lẻ.
trong những thập niên gần đây, hệ thống đa đối tượng thu hút được sự chú ý rỗng rãi
trong nhiều lĩnh vực như toán học, vật lý, sinh học, khoa học máy tính, khoa học xã
hội….Những đề tài nghiên cứu đang có xu hướng chiếm lĩnh rộng rãi trong công trình
nghiên cứu hệ thống đa đối tượng bao gồm hợp tác và phối hợp trong điều khiển, tính
toán rời rạc, điều khiển tự động, mạng lưới truyền thông không dây, vv…
7
Trong điều khiển tự động, điểm nổi bậc của hệ thống đa đối tượng đặc biệt liên
quan đến việc khi người nào đó đối mặt với những hệ thống chứa nhiều phiện tiện giao
thông (được xem như là các đối tượng) với một vài cảm biến, cơ cấu chấp hành mà dự
định biểu diễn một nhiệm vụ phối hợp. Trong những năm gần đây, khả năng điều
khiển phối hợp này bao gồm điều khiển mô hình, điểm hẹn, phân phối độ cao, nhóm,
điều khiển tắc nghẽn trong mạng lưới truyền thông, phân bổ nhiệm vụ và vai trò, điều
khiển giao thông hàng không được phân tích rất nhiều.
Đối với các chiến lược điều khiển hợp tác thành công, những vấn đề lớn được
liệt kê ra bao gồm định nghĩa và quản lý thông tin chia sẻ trong nhóm các đối tượng để
hỗ trợ sự phân phối của những đối tượng này. Hơn nữa, thông tin chia sẽ có thể định
hình những mực tiêu chung, những thuật toán thông thường, những thông tin vị trí liên
quan thông tin cần thiết cho sự hợp tác có thể chia sẻ bằng nhiều cách. Ví dụ, để trách
ùn tắc giao thông trong thành phố thì thông tin từ trung tâm điều khiển giao thông
được phát ra và truyền các phương tiện tham gia gao thông, hoặc thông tin được truyền
từ các phương tiện.
Với cấu trúc tập trung cơ bản, một trung tâm liên hợp tập trung tất cả những
thông tin đo lường từ các đối tượng và sau đó thực hiện tính toán cuối cùng. Tuy
nhiên, do dòng thông tin cao nên khi đến trung tâm liên hợp, sự tắc nghẽn có thể xảy
ra. Cấu trúc như vậy rất nhạy cảm khi bị lõi. Và những yêu cầu về phần cứng để xây
dựng truyền thông không dây có thể là nguyên nhân gây sự tăng giá của các thiết bị, vì
vậy, đưa đến chi phí giá trị tổng cao hơn mạng lưới. Với những nguyên nhân này, một
cấu trúc điều khiển tập trung sẽ không mang lại hiểu quả. Vì vậy, xu hướng nguyên
cứu mới của hệ thống đa đối tượng đã chuyển sang hệ đa đối tượng rời rạc, nơi mà sự
tương tác giữa các đối tượng đươc thực hiện một cách cục bộ không cần thông tin
chung toàn cục.
1.1.1.2 Các ứng dụng của hệ thống đa đối tượng
MAS được áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như sinh học, toán học, vật
lý, khoa học máy tính và khoa học xã hội đặc biệt là trong ngành điện...Nó bao gồm
mô phỏng thị trường, giám sát, chẩn đoán hệ thống và các biện pháp khắc phục hậu
quả.
8
-
Hệ thống đa đối tượng cho các ứng dụng kỹ thuật điện và trong hệ thống
điện;
-
Giám sát an ninh vật lý trực tuyến của trạm biến áp điện;
- Trong quân đội: theo dõi chiến trường, hướng dẫn quân đội một cách thân
thiện…
-
Môi trường: Cảnh báo khi phát hiện cháy rừng, phát hiện thức ăn, vv…
-
Giao thông: Cảnh báo, điều tiếc phân luồng giao thông tránh ùn tắc.
-
Tự động hóa tòa nhà thông minh.
1.1.2 Nguồn điện phân tán
1.1.2.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán
Hiện nay trên thế giới cũng chưa có định nghĩa thống nhất về nguồn điện phân
tán. Một số quốc gia định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện theo các thông số
cơ bản như sau: Nguồn điện phân tán là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, không
điều khiển tập trung…. hoặc một số khác căn cứ theo cấp điện áp mà nguồn điện đó
nối vào. “Nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối vào lưới điện cung cấp điện trực
tiếp cho phụ tải khách hàng”. Các tổ chức quốc tế cũng đưa ra những định nghĩa khác
nhau về nguồn điện phân tán. Các định nghĩa đó như sau:
- CIGRE (International Council on Large Electricity Systems) định nghĩa
nguồn phân tán là nguồn điện không được quy hoạch tập trung, không được điều khiển
tập trung và thường đấu nối vào lưới điện phân phối với quy mô công suất nhỏ 50 hoặc
100MW;
- IEA (International Energy Agency) định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn
điện phục vụ trực tiếp phụ tải khách hàng hoặc hỗ trợ cho lưới điện phân phối, được
đấu nối vào hệ thống điện ở các cấp điện áp của lưới phân phối;
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc) định nghĩa nguồn
điện phân tán là nguồn phát điện nhỏ hơn những nhà máy điện trung tâm, thường nhỏ
hơn hoặc bằng 10MW, cho phép đấu nối vào bất kỳ điểm nào trong hệ thống điện;
- EPRI (Electric Power Research Institute) định nghĩa nguồn điện có công suất
từ vài kW đến 50MW và /hoặc các thiết bị lưu điện có vị trí gần phụ tải khách hàng
hoặc lưới điện phân phối và các trạm biến áp truyền tải trung gian là ngững nguồn điện
phân tán.
9
- Như vậy, những định nghĩa về nguồn điện phân tán thường căn cứ vào quy
mô công suất và cấp điện áp nối. Do chưa có sự thống nhất về quy mô công suất cũng
như cấp điện áp đấu nối nên định nghĩa tổng quan về nguồn điện phân tán là cần thiết:
Nguồn phân tán (distributed generation - DG) là nguồn phát có công suất nhỏ
(<30MW), được lắp đặt gần nơi tiêu thụ điện năng thường kết nối với lưới điện phân
phối trung/ hạ áp hoặc cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải nên loại trừ được những chi
phí truyền tải và phân phối không cần thiết, đồng thời nó mang tính dự phòng và độ
tin cậy lớn trong cung ứng điện do không phụ thuộc quá nhiều vào hệ thống lưới điện
truyền tải và phân phối. Định nghĩa về nguồn điện phân tán này được sử dụng trong
nguyên cứu của đề tài.
Sự ra đời hệ thống nguồn phát DG là thiết thực cho nhu cầu năng lượng đối với
một xã hội phát triển, hiện đại nhằm bổ sung và đáp ứng nhanh chóng nguồn điện cho
phụ tải. Hiện nay có hai loại DG chính trên thị trường.
- Một là: nguồn điện áp một chiều sau khi qua bộ nghịch lưu DC/AC chuyển
thành nguồn áp xoay chiều, ví dụ như pin nhiên liệu, hệ thống các tuabin siêu nhỏ, pin
mặt trời…
- Hai là: nguồn điện áp xoay chiều nối trực tiếp vào hệ thống phân phối như
máy phát diesel, khí gas…
Tuy nhiên, việc kết nối tích hợp các DG vào mạng lưới điện phân phối lại nổi
lên một số vấn đề cần quan tâm:
- Trạng thái ổn định và sự kiểm soát ngắn mạch;
- Chất lượng điện năng;
- Điều khiển điện áp và công suất phản kháng;
- DG và các dịch vụ phụ thuộc;
- Tính ổn định và khả năng của DG chống chịu các nhiễu loạn;
- Kết hợp bảo vệ;
- Cách ly và chế độ vận hành cách ly.
Các vấn đề nêu trên có thể gây ra các hạn chế không cần thiết đến việc sử dụng
nhiều các máy phát phân tán tích hợp vào mạng lưới phân phối.
10
NGUỒN ĐIỆN
PHÂN TÁN
Nguồn điện sử dụng
công nghệ truyền thống
Động cơ
đốt trong
Tuabin
Diesel, khí
Thủy
điện nhỏ
Nguồn điện sử dụng
công nghệ mới
Thiết bị
điện hóa,
tích điện
Pin nhiện
liệu
Năng
Năng lượng
lượng gió
mặt trời
Tuabin
gió
Pin năng
lượng
mặt trời,
nhiệt điện
năng
lượng
mặt trời
Hình 1. 4 Sơ đồ phân loại các loại nguồn phân tán
1.1.2.2 Những lợi ích tích cực của nguồn phân tán
Nguồn điện phân tán đóng vai trò ngày càng quan trọng trong hệ thống điện. Nó
đem lại nhiều lợi ích to lớn:
- Với vị trí đặt DG hợp lý sẽ có thể giảm gánh nặng cho đầu tư xây dựng mới
lưới điện. Ngoài ra, do công suất nhỏ, nên các DG có thời gian xây dựng ngắn, giảm
thiểu nguy cơ rủi ro trong thực hiện quy hoạch, kế hoạch xây dựng nguồn điện mới so
với các nhà máy điện công suất lớn.
- Các DG có thể làm nguồn dự phòng hoặc phủ đỉnh để tăng cường độ tin cậy
cung cấp điện cũng như nâng cao chất lượng điện năng của cả khách hàng và đơn vị
phân phối điện;
- Các DG sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, thủy
điện nhỏ, tuabin gió…là những nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, giảm
thiểu khí thái nhà kính, khí CO, NOX, SOX ra môi trường, góp phần quan trọng trong
việc thực hiện các cam kết quốc tế của mỗi quốc gia về môi trường và biến đổi khí hậu
toàn cầu.
11
- Các DG kết hợp với các nhà máy điện có thể làm giảm tổn thất trên đường
dây truyền tải, nâng cao chất lượng điện năng và tăng lợi ích về kinh tế.
- Việc phát triển của DG làm đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp,
giúp chúng ta tránh phụ thuộc vào các dạng năng lượng tập trung.
- Hơn nữa, DG còn khuyến khích cạnh tranh trong thị trường phát điện do thời
gian thu hồi vốn nhanh và cung cấp điện trực tiếp tới các hộ phụ tải và đơn vị phân
phối điện.
1.1.2.3 Các hạn chế của nguồn phân tán
Bên cạnh những lợi, các DG cũng có những hạn chế nhất định so với các máy
phát truyền thống:
- Giá thành sản xuất đơn vị công suất điện năng cao hơn so với các nhà máy
điện trung tâm, giá điện bán lẽ thường cao hơn so với giá điện của phát điện tập trung
nên mức cạnh tranh của DG trên lưới thấp hơn so với các nguồn phát điện truyền
thống.
- Gây ra các dao động điện áp và độ võng điện áp lớn trong lưới điện ở trong
quá trình vận hành, khởi động hay dừng do sự cố của DG;
- Có thể làm làm méo dạng sóng hài trên lưới điện do các bộ biến đổi điện tử
công suất hiện đại giao tiếp với lưới điện;
- Làm tăng mức độ dòng sự cố do tổng trở sự cố bị giảm khi DG mắc song
song với lưới điện;
- Dòng chảy công suất trên lưới sẽ thay đổi hướng của nó so với ban đầu nếu
công suất phát của nguồn phát lơn hơn công suất phụ tải cục bộ tại nơi nó được gắn
vào.
1.2 Lưới điện siêu nhỏ
1.2.1 Khái niệm lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG)
Hiện nay, hệ thống nguồn phân tán (DG) sử dụng nguồn năng lượng tái tạo mặt
trời, gió và nguồn lưu trữ được phát triển rộng rãi. Tuy nhiên các nguồn điện này
không trực tiếp tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha được, vì vậy yêu cầu phải sử dụng các
bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha làm giao diện. Các bộ nghịch lưu này tạo lưới siêu nhỏ
(MG - Microgrid) trước khi kết nối với lưới điện.
12
Vậy lưới điện siêu nhỏ là gì? Có thể có nhiều định nghĩa cho khái niệm MG,
nhưng một định nghĩa tương đối đầy đủ là của Navigan Research: “Lưới điện siêu nhỏ
(MG) là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán
(DER - Distributed energy resources), một số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống
này có thể hoạt động như một lưới điện độc lập, tách khỏi lưới điện phân phối hiện
hành”.
Như vậy định nghĩa về MG sử dụng trong đề tài này là: lưới điện siêu nhỏ (MG
- Microgrid) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng lượng có công suất nhỏ và
nguồny phát điện phân tán (DER - Distributed Energy Resources) như: nguồn pin mặt
trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine vv… Ngoài ra còn có các bộ nghịch lưu
nguồn áp 3 pha làm giao diện, hệ thống đo lường và các phụ tải.
MG cung cấp cho một nhóm phụ tải, chủ yếu sử dụng các DG tại chỗ và sử
dụng rất thuận lợi ở các vùng sâu, vùng xa chưa có lưới điện quốc gia hay lưới liên kết
yếu.
Công nghệ điều khiển cho MG có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp chúng
vào lưới điện phân phối, thông qua hệ thống điều khiển và giám sát.
Hình 1. 5 Công nghệ điều khiển nối lưới cho MG Singapore
