Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện, Điện tử và Viễn thông: Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.54 MB, 137 trang )

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Nguyễn Minh Cường

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHƯƠNG TRÌNH
QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG BẰNG BIỆN PHÁP
ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2020

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Nguyễn Minh Cường

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHƯƠNG TRÌNH
QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG BẰNG BIỆN PHÁP
ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9.52.02.16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Thái Quang Vinh

Hà Nội – Năm 2020

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn
đầy đủ theo quy định.
Hà Nội, ngày 10 tháng 8 năm 2020
Tác giả luận án

Nguyễn Minh Cường

ii

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 thầy hướng dẫn:
PGS.TS. Thái Quang Vinh 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 Học viện Khoa học và Công nghệ 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 Công nghệ Thông
tin, 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
Công nghệ Thông tin 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 và con 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.

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..................................................... vii
KÝ HIỆU ....................................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... xiv
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2
4. Trọng tâm nghiên cứu của luận án ............................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................... 3
7. Cấu trúc luận án ............................................................................................ 3
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH
QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG …………………………….……….5
1.1. Khái quát về nguồn pin mặt trời và điện gió ............................................. 5
1.1.1. Khái quát về nguồn pin mặt trời ............................................................. 5
1.1.2. Khái quát về nguồn điện gió ................................................................... 5
1.2. Vấn đề DSM trên thế giới và tại Việt Nam ............................................... 7
1.2.1. Vấn đề DSM trên thế giới ....................................................................... 7
1.2.2. Vấn đề DSM tại Việt Nam....................................................................... 9
1.3. Cấu trúc của hệ thống khai thác hệ nguồn vận hành theo chương trình DSM.....10
1.4. Những vấn đề cịn tờn tại và đề x́t hướng giải quyết ........................... 12
1.4.1. Một số vấn đề còn tồn tại...................................................................... 12

iv

1.4.2. Đề xuất hướng giải quyết ..................................................................... 16
1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................... 17
Chương 2 MƠ TẢ TỐN HỌC HỆ NGUỒN VÀ BÀI TỐN DSM .......... 18
2.1. Ng̀n pin mặt trời................................................................................... 18
2.1.1. Phương trình mơ tả đặc tính của nguồn pin mặt trời ........................... 18
2.1.2. Các tham số mô tả tốn học của nguồn pin mặt trời............................ 19

2.2. Ng̀n điện gió ........................................................................................ 20
2.2.1. Phương trình mơ tả tốn học turbine gió ............................................. 20
2.2.2. Các tham số mơ tả tốn học của nguồn điện gió.................................. 21
2.3. Xây dựng chương trình DSM tại nút khai thác hệ nguồn trong điều kiện cụ
thể của hệ thống điện Việt Nam ..................................................................... 24
2.3.1. Chiến lược điều độ luồng cơng suất theo mơ hình DSM ...................... 24
2.3.2. Một số ràng buộc và giới hạn ............................................................... 24
2.3.3. Đề xuất thuật tốn DSM vận hành tại nút có sự tham gia của hệ nguồn
trong điều kiện cụ thể của hệ thống điện Việt Nam ........................................ 30
2.3.4. Đề xuất phương pháp đánh giá hiệu quả của chương trình DSM và dung
lượng ES tối ưu cho bài toán DSM ................................................................. 38
2.4. Kết quả mô phỏng chương trình DSM vận hành hệ thống khai thác hệ
nguồn áp dụng vào hệ thống điện Việt Nam .................................................. 41
2.4.1. Thông số đầu vào.................................................................................. 41
2.4.1.1. Kịch bản DSM 1 ................................................................................ 41
2.4.1.2. Kịch bản DSM 2 ................................................................................ 42
2.4.1.3. Dữ liệu liên quan đến BBĐ................................................................ 43
2.4.2. Xác định dung lượng tối ưu của ES ...................................................... 44
2.4.3. Kết quả mơ phỏng đánh giá hiệu quả bài tốn DSM kịch bản 1 .......... 44
2.4.4. Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu quả bài toán DSM kịch bản 2.......... 48
2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................... 53

v

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHAI THÁC HỆ NGUỒN CÓ DSM .. 54
3.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác hệ nguồn có DSM ..................... 54
3.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển và mô tả toán học các bộ biến đổi điện tử công suất57
3.2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển theo mơ hình tín hiệu nhỏ .......................... 57
3.2.2. Mô tả các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC/DC buck ..................... 58

3.2.3. Mô tả các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC/DC boost.................... 58
3.2.4. Mô tả các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC/AC một pha ................ 59
3.3. Xây dựng bộ điều khiển nguồn pin mặt trời ............................................ 61
3.3.1. Kỹ thuật IB xác định điểm công suất cực đại ....................................... 61
3.3.2. Xác định thông số bộ điều khiển IB-AVC ............................................. 64
3.3.3. Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC boost theo phương pháp IB-AVC 67
3.4. Xây dựng bộ điều khiển nguồn điện gió.................................................. 68
3.5. Xây dựng bộ điều khiển ghép nối lưới theo yêu cầu DSM ..................... 71
3.5.1. Cấu trúc điều khiển............................................................................... 71
3.5.2. Bộ điều khiển dịng điện ....................................................................... 72
3.5.3. Bộ điều khiển cơng suất ........................................................................ 75
3.6. Kết quả mô phỏng.................................................................................... 77
3.6.1. Thông số mô phỏng............................................................................... 77
3.6.1.1. Thông số của PVG ............................................................................. 77
3.6.1.2. Thông số của WG .............................................................................. 79
3.6.1.3. Thông số vận hành............................................................................. 79
3.6.2. Sơ đồ mô phỏng trên MATLAB/Simulink ............................................. 81
3.6.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................. 83
3.7. Kết luận chương 3 ................................................................................... 88
Chương 4 THỰC NGHIỆM BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN DỊNG CƠNG SUẤT
TẠI NÚT CÓ SỰ THAM GIA CỦA HỆ NGUỒN ....................................... 89
4.1. Xây dựng mô hình cấu trúc thiết bị thực ................................................. 89
4.2. Phương pháp vận hành mô hình thiết bị thực .......................................... 91

vi

4.3. Các thiết bị chính ..................................................................................... 95
4.3.1. Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt trời ......................................... 95
4.3.2. Cảm biến đo nhiệt độ ............................................................................ 95

4.3.3. Ắc quy, tải AC, máy biến áp ................................................................. 96
4.3.4. Mạch điều khiển.................................................................................... 96
4.3.5. Lắp đặt các thiết bị và cài đặt .............................................................. 97
4.4. Kết quả thực nghiệm................................................................................ 98
4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................. 107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 108
1. Kết luận..................................................................................................... 108
2. Kiến nghị .................................................................................................. 109
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CĨ LIÊN QUAN ĐẾNLUẬN ÁN
ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 111

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu

Cụm từ được viết tắt trong

Cụm từ được viết tắt từ tiếng

tiếng Việt tương đương

Anh tương đương

AC

Dòng điện xoay chiều

AVC

Kỹ thuật điều khiển điện áp trung Average Voltage Control

Alternative Current

bình
BBĐ

Bộ biến đởi

Power Converter

DSM

Quản lý yêu cầu năng lượng

Demand-Side Management

ES

Kho điện

Energy Storage

EH

Trung tâm năng lượng

Energy Hub

EPS

Hệ thống điện

Electric Power System

DC

Dòng điện một chiều

Direct Current

IB

Kỹ thuật dị và chia đôi

Iterative

and

Bisectional

technique
PVG

Ng̀n pin mặt trời

PMSG

Máy phát điện nam châm vĩnh cửu Pernament Magnet Synchronous

Photovoltaic Power Ggeneration

Generator
WG

Nguồn điện gió

Wind Power Generation

H-CS

Hệ thống điều khiển ghép

Hybrid Control Signal

HCS

Kỹ thuật leo đồi

Hill-Climb Search

STC

Điều kiện tiêu chuẩn

Standard Test Condition

PYR

Cảm biến đo công suất của bức xạ Pyranometer
mặt trời

TempS Cảm biến đo nhiệt độ

Temperature sensor

TSR

Tỷ số tốc độ đầu cánh

Tip Speed Ratio

PSF

Phản hồi tín hiệu công suất

Power Signal Feedback

viii

KÝ HIỆU
Ký

Đơn vị

hiệu

Ý nghĩa
Điện dung

C

F

Cins

Wh hoặc kWh Dung lượng tức thời của ES

Cr

Wh hoặc kWh Dung lượng định mức của ES

Cmin

Wh hoặc kWh Dung lượng tối thiểu của ES

C(i)

Wh hoặc kWh Biến dung lượng trung gian tạm thời

CTI

%/0C

hoặc Hệ số thay đởi của dịng điện theo nhiệt độ

mA/0C

CTP

%/0C

CTV

%/0C

Hệ số thay đổi của Pmpp theo nhiệt độ
hoặc Hệ số thay đổi của điện áp theo nhiệt độ

mV/0C
Cp

Hệ số chuyển đổi công suất gió thành điện năng

D, d

Hệ số điều chế độ rộng xung trung bình hoặc tức thời

Dp

Hệ số cản dịu của rotor

Eas

Wh hoặc kWh Lượng năng lượng có thể bán

Erb

Wh hoặc kWh Lượng năng lượng phải mua

Es

Wh hoặc kWh Dung lượng thừa tức thời

EG

Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn

EGconv

Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus

EGconvH

Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện cao

EGconvH1 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện cao thứ nhất
EGconvH2 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện cao thứ hai

ix

EGconvM

Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá

điện trung bình

EGconvM1 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện trung bình thứ nhất
EGconvM2 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện trung bình thứ hai
EGconvM3 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện trung bình thứ ba
EGconvL

Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện thấp

EGconvL1 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện thấp thứ nhất
EGconvL2 Wh hoặc kWh Năng lượng thu được từ hệ nguồn tại DCbus giờ giá
điện thấp thứ hai
Eload

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải

EloadH

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện cao

EloadH1

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện cao thứ nhất

EloadH2

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện cao thứ hai

EloadM

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình

EloadM1

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình thứ nhất

EloadM2

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình thứ hai

EloadM3

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện trung bình thứ ba

EloadL

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện thấp

EloadL1

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện thấp thứ nhất

EloadL2

Wh hoặc kWh Năng lượng của tải giờ giá điện thấp thứ hai

fS

kHz

Tần số phát xung

G

W/m2

Công suất của bức xạ mặt trời

I0

A

Dòng quang điện bão hòa

x

Id

A

Dòng điện chạy qua diode của PVG

ig

A

Dòng điện các pha tức thời tại điểm liên kết với lưới

Ig

A

Biên độ dòng điện các pha tại điểm liên kết với lưới

iL

A

Dòng điện trung bình hoặc tức thời qua cuộn cảm
BBĐ

Impp

A

Dòng điện tại MPP

Ip

A

Dòng điện chạy qua điện trở song song của PVG

Iph

A

Dòng quang điện phát ra của PVG

ipv, Ipv

A

Dòng điện tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVG

ISC

A

Dòng điện ngắn mạch của PVG

J

kgm2

Hằng số quán tính của rotor và turbine

k

eV/K

Hằng số Boltzmann

L

H

Điện cảm

n

Hệ số đặc trưng của diode



Hiệu suất của quá trình biến đổi công suất

Np

Số lượng đơn vị ghép song song của PVG

NS

Số lượng đơn vị ghép nối tiếp của PVG

Pg

W hoặc kW

Số đôi cực của máy phát

p
Pgref

Công suất tác dụng ở phía AC của BBĐ DC/AC

W hoặc kW

Công suất tác dụng yêu cầu ở phía AC của BBĐ
DC/AC

Pmpp

W hoặc kW

Công suất tại MPP
Tỷ lệ công suất huy động giữa các nguồn

PoP
Pm

W hoặc kW

Công suất hữu ích turbine nhận được từ gió

PACload

W hoặc kW

Công suất của phụ tải xoay chiều

PDCload

W hoặc kW

Công suất của phụ tải một chiều

Pload

W hoặc kW

Công suất tổng hợp của phụ tải tính tại DCbus

xi

PPVconv

Công suất thu được trên nhánh PV nối với DCbus

PWGconv

Công suất thu được trên nhánh WG nối với DCbus

PGconv

Tổng công suất thu được từ hệ nguồn tại DCbus

PPVr

Công suất định mức của PVG

PWGr

Công suất định mức của WG

q

C

Điện tích của electron

Rdc, R



Điện trở cuộn cảm phía DCbus và điện trở phía AC
của BBĐ DC/AC

Req



Điện trở tương đương của PVG

Rp



Điện trở song song của PVG

RS



Điện trở nối tiếp của PVG
Tỷ số lượng công suất thiếu hụt

RLP
T

0C

hoặc 0K
0C

Tamb

Nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n

hoặc Nhiệt độ môi trường

0K

Tm

giây

Mô men cơ

Te

giây

Mô men điện từ

Tfi

giây

Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo dòng điện

TS

giây

Chu kỳ phát xung

Tfv

giây

Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo điện áp



giờ

Thời gian của chu kỳ tính toán DSM

i

giờ

Thời gian của mỗi phân đoạn trong chu kỳ tính toán
DSM

Ug

V

Biên độ điện áp pha của lưới điện

ug

V

Điện áp pha tức thời tại điểm liên kết với lưới điện

Ug

V

Biên độ điện áp tại điểm liên kết với lưới điện

Vdc, vdc

V

Điện áp trung bình hoặc tức thời trên DCbus

xii

Veq

V

Điện áp tương đương của PVG

Vmpp

V

Điện áp tại MPP

VOC

V

Điện áp hở mạch của PVG

vpv, Vpv V

Điện áp tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVG

Vt

V

Điện áp nhiệt lớp tiếp giáp p-n

vr

m/s

Tốc độ gió định mức

Vcut-in

m/s

Tốc độ gió bắt đầu làm việc

Vcut-out

m/s

Tốc độ gió bị cắt ra

vw

m/s

Tốc độ gió



Tỷ số tốc độ đầu cánh



độ

Góc pitch của cánh turbine

turbine

rad/s

Tốc độ quay của turbine



Rad/s

Tốc độ quay của hệ trục

r

Rad/s

Tốc độ quay của rotor máy phát

 sd , sq

Weiber

Từ thông stator dò trên trục d-q



Weiber

Từ thông nam châm vĩnh cửu tạo nên bởi rotor

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1.

Lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn và lượng điện năng
yêu cầu của phụ tải trong kịch bản DSM 1 ...................... 42

Bảng 2.2

Lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn và lượng điện năng
yêu cầu của phụ tải trong kịch bản DSM 2 ...................... 43

Bảng 2.3.

Kết quả mối liên hệ giữa Cr và Cins(25)............................ 44

Bảng 2.4.

Kết quả đánh giá hiệu quả của chương trình DSM .......... 52

Bảng 3.1.

Các thông số cấu trúc ghép của PVG ............................... 78

Bảng 3.2.

Thông số của WG............................................................. 79

xiv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Khả năng làm việc của WG.................................................................. 6
Hình 1.2. Mô hình tách đảo khi vận mạng điện phân tán thông minh ................. 8
Hình 1.3. Khung giá mua điện theo biểu đồ ba giá tại Việt Nam ........................ 9
Hình 1.4. Cấu trúc hệ thống khai thác hệ ng̀n vận hành theo mô hình DSM . 11
Hình 2.1. Sơ đồ mạch tương đương mỗi cấu trúc của PVG............................... 18
Hình 2.2. Đường đặc tính vpv-ipv và vpv-ppvtrên mặt phẳng v-i, v-p ................... 19
Hình 2.3. Sơ đờ mạch tương đương của PMSG trên hệ trục dq........................ 23
Hình 2.4. Phương pháp xấp xỉ diện tích thành lập đồ thị hình chữ nhật ............ 25
Hình 2.5. Thuật toán tạo bước tính cho chương trình DSM .............................. 26
Hình 2.6. Quy ước ký hiệu các đại lượng công suất trong toàn hệ thống .......... 27
Hình 2.7. Các chế độ phân bổ luồng công śt trong hệ thống khai thác hệ
ng̀n .................................................................................................................. 28
Hình 2.8. Đề xuất thuật toán DSM cho hệ thống khai thác hệ ng̀n ................ 32
Hình 2.9. Đề x́t thuật toán vận hành toàn hệ thống cho kịch bản DSM 1 ...... 33
Hình 2.10. Thuật toán vận hành toàn hệ thống giờ L1 của kịch bản DSM 1 ..... 34
Hình 2.11. Thuật toán vận hành toàn hệ thống giờ L2 ....................................... 35
Hình 2.12. Đề xuất thuật toán vận hành toàn hệ thống cho kịch bản DSM 2 .... 36
Hình 2.13. Chương trình giai đoạn L1 của kịch bản DSM2 .............................. 37
Hình 2.14. Thuật toán vận hành hệ nguồn khi không áp dụng DSM ................. 39
Hình 2.15. Thuật toán xác định dung lượng ES tối ưu ...................................... 40
Hình 2. 16. Công suất thu được trên DCbus từ PVG và WG kịch bản DSM 1 . 41
Hình 2.17. Công suất thu được từ hệ nguồn và công suất yêu cầu .................... 41
của phụ tải kịch bản DSM 1 ............................................................................... 41

Hình 2.18. Công suất thu được trên DCbus từ PVG và WG kịch bản 2 ............ 42
Hình 2.19. Công śt thu được từ hệ ng̀n và công suất yêu cầu .................... 43
của phụ tải kịch bản 2 ......................................................................................... 43
Hình 2.20. Đờ thị dung lượng tức thời của ES kịch bản 1 ................................. 45
Hình 2.21. Đờ thị Erb và Eas của kịch bản 1........................................................ 46

xv
Hình 2.22. Đờ thị Zrb và Zas của kịch bản 1........................................................ 47
Hình 2.23. Đờ thị dung lượng tức thời của ES của kịch bản DSM 2 ................. 49
Hình 2.24. Đờ thị Erb và Eas của kịch bản DSM 2 .............................................. 50
Hình 2.25. Đờ thị Zrb và Zas của kịch bản DSM 2 .............................................. 51
Hình 3.1. Sơ đờ cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác hệ ng̀n ..................... 54
Hình 3.2. Sơ đồ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC buck ....................................... 58
Hình 3.3. Sơ đờ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC buck ..... 58
Hình 3.4. Sơ đờ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC boost ...................................... 59
Hình 3.5. Sơ đồ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC boost .... 59
Hình 3.6. Sơ đờ mạch lực BBĐ AC/DC 1 pha................................................... 59
Hình 3.7. Chế độ làm việc của BBĐ AC/DC 1 pha ở chế độ nghịch lưu .......... 60
Hình 3.8. Chế độ làm việc của BBĐ AC/DC 1 pha ở chế độ chỉnh lưu ............ 60
Hình 3.9. Mô hình đơn giản khóa chuyển mạch của BBĐ DC/AC ................... 60
Hình 3.10. Thuật toán xác định cặp giá trị tương ứng giữa v(i) với i(i) ............... 62
Hình 3.11. Trạng thái dịch chuyển của các điểm kế tiếp nhau .......................... 62
Hình 3.12. Quá trình dò tìm MPP trên đường đặc tính v-p ................................ 63
Hình 3.13. Thuật toán IB tìm MPP .................................................................... 63
Hình 3.14. Sơ đồ mạch tương đương ở trạng thái tín hiệu nhỏ .......................... 64
BBĐ DC/DC boost ............................................................................................. 64
Hình 3.15.Cấu trúc mạch vòng điều khiển BBĐ DC/DC boost......................... 65
theo phương pháp IB-AVC ................................................................................ 65
Hình 3.16. Mô hình Thevenin mạch điện tương đương của PVG ..................... 66

Hình 3.17. Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-AVC.......................... 68
Hình 3.18. Quá trình tìm MPP của phương pháp HCS ...................................... 69
Hình 3.19. Thuật toán HCS tìm MPP................................................................. 70
Hình 3.20. Cấu trúc điều khiển BBĐ DC/AC 1 pha .......................................... 71
Hình 3.21. Sơ đờ mạch điện thay thế mạch vịng dịng điện .............................. 72
nghịch lưu ng̀n áp ........................................................................................... 72
Hình 3.22. Mô tả toán học mạch vịng điều khiển dịng điện ............................ 73
Hình 3.23. Mô hình cấu trúc mạch vòng công suất của BBĐ DC/AC .............. 76

xvi
Hình 3.24. Đờ thị đặc tính v-i và v-p của cấu trúc PVG ghép ........................... 78
Hình 3.25. Sự biến thiên của G .......................................................................... 80
Hình 3.26. Sự biến thiên của tốc độ gió ............................................................. 80
Hình 3.27. Sự biến thiên của Pgref ....................................................................... 80
Hình 3.28. Sơ đờ mô phỏng toàn hệ thống trên MATLAB/Simulink ................ 81
Hình 3.29. Sơ đờ mô phỏng khối PVG trên MATLAB/Simulink ..................... 81
Hình 3.30. Sơ đờ mô phỏng khối WG trên MATLAB/Simulink ....................... 82
Hình 3.31. Sơ đờ mô phỏng bộ điều khiển IB-AVC trên MATLAB/ Simulink 82
Hình 3.32. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển HCS trên MATLAB/Simulink ....... 82
Hình 3.33. Sơ đờ mô phỏng bộ điều khiển phía lưới trên MATLAB/Simulink 82
Hình 3.34. Đường đặc tính Pmpp và Ppv .............................................................. 83
Hình 3.35. Đường đặc tính công suất phát ra từ WG ......................................... 83
Hình 3.36. Đường đặc tính công suất thu được trên DCbus của nhánh PVG .... 84
Hình 3.37. Đường đặc tính công suất thu được trên DCbus của nhánh WG ..... 84
Hình 3.38. Đường đặc tính công śt trao đởi của ES ....................................... 84
Hình 3.39. Đường đặc tính công suất Pgref và Pg của BBĐ DC/AC ................... 85
Hình 3.40. Đặc tính điện áp ở đầu ra BBĐ DC/AC ........................................... 85
Hình 3.41. Đặc tính dịng điện ở đầu ra BBĐ DC/AC ....................................... 86
Hình 4.2. Cấu trúc đo lường, điều khiển và hiển thị dữ liệu .............................. 90

trong thực nghiệm .............................................................................................. 90
Hình 4.3. Cấu trúc hệ thống trong ng̀n 1 ........................................................ 91
Hình 4.4. Chiến lược điều khiển hệ thống trong ng̀n 1 .................................. 92
Hình 4.5. Cấu trúc BBĐ DC/DCs1 và BBĐ DC/DCs2 ........................................ 93
Hình 4.6. Các trường hợp phân bố dòng công suất trong toàn hệ thống ............ 94
Hình 4.7. Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực ..................................... 94
Hình 4.8. Cảm biến PYR-BTA đo công suất của bức xạ mặt trời ..................... 95
Hình 4.9. Cảm biến LM35 đo nhiệt độ .............................................................. 96
Hình 4.10. Các thiết bị trên mô hình thực .......................................................... 97
Hình 4.11. Giao diện chương trình điều khiển ng̀n 1 ..................................... 98
Hình 4.12. Giao diện chương trình điều tiết luồng công suất giữa các nguồn ... 98

xvii
Hình 4.13. Kết quả lấy mẫu lần thứ nhất kiểm nghiệm ..................................... 99
khả năng khai thác MPP ..................................................................................... 99
Hình 4.14. Kết quả lấy mẫu lần thứ hai kiểm nghiệm ..................................... 100
khả năng khai thác MPP ................................................................................... 100
Hình 4.15. Kết quả lấy mẫu lần thứ ba kiểm nghiệm khả năng khai thác MPP
.......................................................................................................................... 101
Hình 4.16. Kết quả lấy mẫu thứ nhất và thứ hai kiểm nghiệm ........................ 104
khả năng phân phối dịng công śt tự nhiên ................................................... 104
Hình 4.17. Kết quả lấy mẫu thứ nhất và thứ hai kiểm nghiệm khả năng phân
phối dòng công suất theo yêu cầu .................................................................... 106
Hình 4.18. Dạng sóng của tín hiệu điện áp xoay chiều .................................... 107
ở phía hạ và phía cao áp của MBA .................................................................. 107

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các ng̀n điện truyền thống sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch, thủy
năng của các dòng sông đang hủy hoại môi trường ngày càng nghiêm trọng.
Đồng thời, đường truyền công suất trong hệ thống điện (EPS - Electric Power
System) truyền thống đã bộc lộ những nhược điểm như chỉ truyền công suất
theo một hướng duy nhất từ nguồn đến tải, gây tổn thất công suất lớn. Các quốc
gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều đang đề ra các chương
trình kích thích nhằm phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Điều này đã tạo
động lực cho các nhà đầu tư và các nhà khoa học nghiên cứu vào lĩnh vực ứng
dụng các nguồn năng lượng tái tạo mà chủ yếu là nguồn pin mặt trời (PVG Photovoltaic Power Generation) và nguồn điện gió (WG - Wind Power
Generation).
Với lợi thế có thể lắp đặt ở các mái nhà, PVG và các loại WG ít tạo tiếng
ồn đã và đang xu hướng được lắp đặt tại các hộ phụ tải để đáp ứng trực tiếp cho
các phụ tải trước khi bán điện về EPS. Trong các hệ thống này, chương trình
quản lý nhu cầu năng lượng theo yêu cầu (DSM - Demand-Side Management)
cũng là một trong những trọng tâm nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm đề
ra các chiến lược vận hành khác nhau theo yêu cầu của EPS ở mỗi quốc gia.
Cho đến nay, DSM đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu trong
nước và trên thế giới nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào giải quyết trọn về hệ
thống khai thác PVG và WG trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Đồng thời,
chưa kết hợp giải quyết các bài toán khai thác tối đa năng lượng từ hai loại
nguồn này trong cùng một hệ thống.
Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nâng cao hiệu quả chương
trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn
phân tán" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm
đầy đủ như đã kể trên.

2

2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài xây dựng chiến lược cho chương trình DSM nhằm vận hành hệ
thống khai thác PVG và WG trong EPS Việt Nam. Chiến lược này sẽ phân tích
biểu đồ giá bán và giá mua điện tại Việt Nam. Đồng thời, đề tài sẽ xây dựng
các bộ điều khiển để có thể đáp ứng được các yêu cầu của chương trình DSM.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hệ thống khai thác PVG và WG trong
mạng điện phân tán 1 pha có đủ cơ sở dữ liệu về công tác dự báo đồ thị phụ tải
và các thông số đầu vào trong một giai đoạn tương lai nhất định. Mạng điện
này có sự tham gia của kho điện ES (Energy Storage) với vai trò cân bằng công
suất giữa các nguồn và phụ tải.
- Phạm vi nghiên cứu: các panel của PVG là đồng đều nhau và tốc độ gió
là đồng đều nhau tại mọi vị trí trên cánh quạt của turbine. Luận án không xét
đến chủng loại và khả năng phóng nạp của kho điện (ES - Energy Storage) cũng
như điều khiển ES.
4. Trọng tâm nghiên cứu của luận án
- Xây dựng các chiến lược vận hành cho chương trình DSM trong hệ
thống khai thác PVG, WG, ES và lưới điện để đáp ứng cho yêu cầu của phụ tải.
Các chiến lược này đáp ứng riêng cho EPS Việt Nam, qua đó đáp ứng yêu cầu
chỉ mua điện từ EPS vào giờ thấp điểm.
- Xây dựng các bộ điều khiển có thể đáp ứng các yêu cầu của chương
trình DSM. Đó là bộ điều khiển giúp khai thác tối đa công suất từ PVG và WG
ở mọi điều kiện vận hành, bộ điều khiển ghép nối lưới để đáp ứng yêu cầu về
công suất đặt.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích lý thuyết về các yêu cầu của chương trình DSM nói chung,
yêu cầu của EPS Việt Nam và đặc điểm của mỗi loại nguồn.
- Xây dựng chiến lược đề ra cho toàn hệ thống và mô phỏng kiểm chứng.

3

- Xây dựng các bộ điều khiển cho các BBĐ để thực hiện các yêu cầu của
chương trình DSM và mô phỏng kiểm chứng.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng khả năng khai thác tối đa công
suất tại MPP cho PVG và bài toán phân bổ công suất tự nhiên hoặc theo yêu cầu.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học của đề tài là xây dựng mô hình hệ thống khai thác
PVG và WG vận hành theo các yêu cầu của chương trình DSM trong điều kiện
thực tế EPS Việt Nam. Đồng thời xây dựng các bộ điều khiển có thể đáp ứng
được các yêu cầu của chương trình DSM đã đề ra.
-Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đề xuất một phương pháp vận hành có
khả năng đem lại hiệu quả năng lượng, giúp thay đổi luồng công suất trong toàn
hệ thống, hạn chế lượng điện năng cần mua từ EPS cho hệ thống khai thác hệ
nguồn có sự tham gia của ES dung lượng lớn và đem lại những kinh nghiệm về
lắp đặt thực nghiệm.
7. Cấu trúc luận án
Luận án được bố cục thành 4 chương.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các đặc điểm của PVG và WG, qua
đó chỉ ra đặc điểm của các đối tượng nghiên cứu. Đồng thời, chương này cũng
tìm hiểu xu hướng nghiên cứu trong nước và trên thế giới về DSM, trong đó
đưa ra được cấu trúc chung của hệ thống khai thác PVG và WG có thể vận hành
theo chương trình DSM. Từ đó, đưa ra những điểm hạn chế và đề xuất hướng
nghiên cứu cho luận án.
Chương 2: Giới thiệu mô tả toán học của PVG và WG dựa trên việc tổng
hợp từ các tài liệu tham khảo. Chương này cũng đề xuất mới các chiến lược
DSM và thuật toán xác định dung lượng tối ưu cho ES áp dụng vào các điều
kiện thực tế về EPS Việt Nam.

4

Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển cho toàn hệ thống và các bộ
điều khiển cho cấu trúc này. Bộ điều khiển IB-AVC sử dụng kết quả của thuật
toán IB và bộ điều khiển PID được áp dụng để điều khiển PVG. Bộ điều khiển
H-CS được áp dụng để điều khiển WG. Bộ điều khiển ghép nối lưới 1 pha sử
dụng bộ điều khiển cộng hưởng được áp dụng để điều khiển BBĐ DC/AC.
Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng khả năng khai
thác tối đa công suất từ PVG trong mọi điều kiện vận hành và khả năng điều tiết
luồng công suất tự nhiên hay theo yêu cầu theo mô hình của chương trình DSM.
Kết luận chung của luận án và kiến nghị.

5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH
QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG
1.1. Khái quát về nguồn pin mặt trời và điện gió
1.1.1. Khái quát về nguồn pin mặt trời
PVG hiện nay là một loại nguồn khai thác nguồn năng lượng tái tạo với
tiềm năng lớn. Mặc dù PVG hiện nay có nhiều chủng loại khác nhau nhưng phổ
biến nhất là loại được cấu tạo từ chất bán dẫn Si. Phần tử nhỏ nhất đã và được
thương mại hóa nhiều nhất của loại này là các tế bào quang điện (cell). Từ đây,
các cell được tổ hợp thành các panel bán sẵn trên thị trường với các công suất,
điện áp, dòng điện khác nhau [9].
Chế độ làm việc của PVG phụ thuộc vào công suất của bức xạ mặt trời
(G), nhiệt độ (T) của lớp tiếp giáp p-n và công suất tiêu thụ của phụ tải. Các
panel chỉ phát ra điện năng khi có bức xạ ánh sáng, trong đó bức xạ mặt trời

được xem là tốt nhất vì PVG được thiết kế với dải bước sóng hấp thụ phù hợp
nhất với loại bức xạ này. Mỗi panel được các nhà sản xuất bán ra thị trường với
các thông số đặc trưng kiểm nghiệm ở điều kiện vận hành tiêu chuẩn (STC Standard Test Condition). Trong điều kiện vận hành thực tế, các thông số này
có thể thay đổi tùy thuộc vào cặp giá trị (G, T), trong đó G có sự biến thiên liên
tục với biên độ lớn trong khi T biến thiên rất chậm [9].
Một đặc điểm cần lưu ý đối với PVG đó là lượng công suất phát ra có
thể thay đổi theo công suất yêu cầu của phụ tải tuy nhiên chỉ có một giá trị công
suất là lớn nhất tương ứng với điểm công suất cực đại (MPP - Maximum Power
Point) [9]. Điểm vận hành này cũng chính là mục tiêu của hầu hết các nghiên
cứu về PVG.
1.1.2. Khái quát về nguồn điện gió
Một WG cơ bản bao gờm một turbine, bộ trùn động, máy phát điện.
Các cánh của turbine nhận năng lượng từ gió để tạo thành chuyển động quay

6

trên trục turbine và làm quay máy phát. Khả năng phát điện của máy phát phụ
thuộc vào bộ loại máy phát được sử dụng (đồng bộ, không đồng bộ). Do nghiên
cứu này tập trung vào đối tượng WG công suất vừa và nhỏ sử dụng máy phát
đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG (Pernament Magnetment Synchronous
Generator) nên khả năng làm việc của WG có thể được phân chia thành 4 vùng
theo tốc độ gió như mô tả trên Hình 1.1 [6], [32]:
P (W)
PWGr
vùng I

vùng II

vùng III

vùng IV

Tốc độ gió vw (m/s)
vcut-in

vr

vcut-out

Hình 1.1. Khả năng làm việc của WG
trong đó:
vcut-in là vận tốc gió bắt đầu phát công suất,
vcut-out là vận tốc gió cho turbine dừng hoạt động,
vr là vận tốc gió định mức,
vw là vận tốc gió tức thời,
PWGr là công suất gió định mức của WG.
Chế độ làm việc của WG được phân chia theo vùng như trên Hình 1.1
như sau [6]:
Vùng I (vw < vcut-in) hoặc vùng IV (vw > vcut-out): WG không phát ra được
điện năng. Ở vùng I, turbine quay nhưng không đủ từ trường. Ở vùng IV, không
cho turbine quay để bảo vệ cho turbine không bị hỏng.
Vùng II (vcut-in  vw < vr): WG có thể phát ra được điện năng nhưng luôn
dưới giá trị định mức.
Vùng III (vr  vw < vcut-out): WG có thể phát ra lượng điện năng định mức.

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện, Điện tử và Viễn thông: Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về