Luận án Nghiên cứu điều khiển điện áp và tần số trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ NGUỒN PHÂN TÁN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ NGUỒN PHÂN TÁN Ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Nguyễn Đức Huy 2. PGS.TS Trần Bách Hà Nội - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Đức Huy PGS.TS Trần Bách Nguyễn Văn Hùng ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Đức Huy và PGS.TS Trần Bách đã trực tiếp bằng tâm huyết hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể Khoa Điện – Trường Điện – Điện Tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên, đóng góp chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các cộng sự, các đồng nghiệp của tác giả tại Khoa Điện Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nơi tác giả công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả được yên tâm học tập, nghiên cứu. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai con và toàn thể gia đình đã hết lòng ủng hộ, động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành tốt luận án này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Hùng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................. ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN MICROGRID ................................. 6 1.1 Tổng quan về cấu trúc Microgrid ........................................................................ 6 1.2 Tổng quan về mô hình toán học Microgrid ......................................................... 8 1.3 Tổng quan phối hợp điều khiển trong Microgrid .............................................. 10 1.3.1 Phân cấp điều khiển Microgrid ........................................................................ 10 1.3.2 Điều khiển sơ cấp ............................................................................................. 13 1.3.3 Điều khiển thứ cấp ........................................................................................... 18 1.3.4 Điều khiển cấp 3 .............................................................................................. 20 1.4 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 21 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH DAO DỘNG NHỎ MICROGRID ............................. 22 2.1 Cơ sở toán học ................................................................................................... 22 2.1.1 Mô hình tuyến tính trong không gian trạng thái .............................................. 22 2.1.2 Biến đổi trục tọa độ abc – dq ........................................................................... 24 2.2 Mô hình dao động nhỏ máy phát điện đồng bộ ................................................. 26 2.2.1 Phương trình máy điện theo hệ trục rotor ........................................................ 27 2.2.2 Mô hình trạng thái đầy đủ máy điện đồng bộ .................................................. 29 2.3 Mô hình dao động nhỏ nguồn phân tán nối lưới thông qua bộ biến đổi công suất - IBR 31 iv 2.3.1 Cấu trúc bộ biến đổi công suất ........................................................................ 31 2.3.2 Mô hình trung bình bộ biến đổi công suất ....................................................... 34 2.3.3 Chế độ nguồn áp .............................................................................................. 35 2.3.4 Chế độ nguồn dòng .......................................................................................... 41 2.4 Mô hình dao động nhỏ đường dây và phụ tải .................................................... 45 2.4.1 Mô hình nhánh điện kháng .............................................................................. 45 2.4.2 Mô hình phụ tải ................................................................................................ 46 2.5 Mô hình dao động nhỏ đầy đủ MG .................................................................... 47 2.6 Xác thực mô hình ............................................................................................... 49 2.6.1 Thông số sơ đồ mô hình lưới nghiên cứu ........................................................ 49 2.6.2 So sánh mô hình không gian trạng thái và mô hình trên Simcape .................. 51 2.7 Phân tích mô hình dao động nhỏ MG ................................................................ 52 2.7.1 Phân tích trị riêng mô hình dao động nhỏ ........................................................ 52 2.7.2 Đáp ứng thời gian và tần số ............................................................................. 53 2.8 Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 58 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 59 3.1 Đặc tính độ dốc P-ω và Q-V .............................................................................. 59 3.2 Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn áp .................................................. 62 3.3 Điều khiển độ dốc với IBR ở chế độ nguồn dòng ............................................. 64 3.4 Mô hình bộ điều khiển tần số trong lưới ............................................................ 66 3.5 Mô hình bộ điều khiển điện áp trong lưới ......................................................... 67 3.6 Phân tích trị riêng và các đáp ứng của mô hình khi có mạch vòng điều khiển . 68 3.6.1 Vòng điều khiển điện áp .................................................................................. 68 3.6.2 Vòng điều khiển tần số .................................................................................... 72 3.7 Phân tích độ nhạy và ảnh hưởng của thay đổi tham số điều khiển .................... 74 v 3.7.1 Thay đổi công suất máy diesel ......................................................................... 75 3.7.2 Thay đổi hệ số điều khiển của bộ PLL ........................................................... 76 3.7.3 Thay đổi hệ số khuếch đại mạch vòng điều khiển điện áp .............................. 76 3.7.4 Thay đổi công suất phát của máy IBR3 ........................................................... 78 3.7.5 Ảnh hưởng của thông số bộ điều khiển độ dốc ............................................... 78 3.7.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ X/R ................................................................................. 79 3.8 Kết luận chương 3 .............................................................................................. 80 CHƯƠNG 4. ỔN ĐỊNH CỦA MICROGRID VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO ............................................. 82 4.1 Ảnh hưởng của quán tính quay tới ổn định tĩnh hệ thống ................................. 82 4.1.1 Quán tính quay của máy phát đồng bộ ............................................................ 82 4.1.2 Quán tính ảo cho nguồn IBRs .......................................................................... 85 4.2 Mô hình bộ điều khiển quán tính ảo bộ biến đổi nguồn áp dựa trên phương trình quay 86 4.2.1 Điều khiển công suất tác dụng có giả lập quán tính ........................................ 87 4.2.2 Điều khiển công suất phản kháng .................................................................... 88 4.2.3 Mô hình dao động nhỏ Microgrid có xét tới bộ điều khiển VSG .................... 89 4.3 Phân tích ổn định của mô hình ........................................................................... 89 4.3.1 Phân tích trị riêng ............................................................................................. 90 4.3.2 Phân tích đáp ứng quán tính trong miền tần số và miền thời gian .................. 94 4.4 Mô phỏng trong miền thời gian ......................................................................... 97 4.5 Kết luận Chương 4 ............................................................................................. 98 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .................................................................................... 99 1. KẾT LUẬN .......................................................................................................... 99 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................... 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 102 vi DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 109 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/Viết tắt Ý nghĩa MG Lưới điện nhỏ MGCC Bộ điều khiển trung tâm (Microgrid Control Center) DG Nguồn phân tán (Distributed Generation) CSI Chế độ nguồn dòng (Current Source Inverter) VSI Chế độ nguồn áp (Voltage Source Inverter) IBR Nguồn nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất (Inverter Based Resource) PLL Bộ khóa pha (Phased Locked Loop) PCC Điểm nối chung lưới điện nhỏ và lưới hệ thống (Point of Common Coupling) PEI Giao diện điện tử công suất (Power Electronic Interface) ROCOF Tốc độ biến thiên tần số (Rate Of change Of Frequency) VSG Máy phát điện đồng bộ ảo (Virtual Synchronous Generator) UCTE Liên minh điều phối truyền tải điện (Union for the Co- ordination of Transmission of Electricity) CHB Cầu chữ H xếp tầng (Cascaded H Bridge) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Thông số nguồn DG ............................................................................ 50 Bảng 2-2 Thông số nhánh ................................................................................... 50 Bảng 2-3 Thông số phụ tải .................................................................................. 50 Bảng 2-4 Thông số chế độ xác lập ...................................................................... 51 Bảng 2-5 Trị riêng của mô hình đối tượng lưới nghiên cứu ............................... 52 Bảng 3-1 Thông số các bộ điều khiển điện áp .................................................... 68 Bảng 3-2 Trị riêng của mô hình đối tượng khi gắn bộ điều khiển điện áp ......... 69 Bảng 3-3 Thông số các bộ điều khiển tần số ...................................................... 72 Bảng 3-4 Nghiệm riêng của lưới điện khi bổ sung mạch điều khiển tần số ........ 73 Bảng 3-5 Dải biến thiên các tham số khi phân tích độ nhạy của nghiệm riêng ... 74 Bảng 4-1 Thông số bộ điều khiển VSG. ............................................................. 90 Bảng 4-2 Trị riêng của mô hình đối tượng lưới nghiên cứu. .............................. 91 ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Cấu trúc điển hình MG. .......................................................................... 6 Hình 1-2 Phân cấp điều khiển theo UCTE [14] ................................................... 11 Hình 1-3 Cấu trúc điều khiển điển hình trong MG [33] ...................................... 11 Hình 1-4 Phân cấp điều khiển MG [15] ............................................................... 13 Hình 1-5 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển chế độ nguồn áp [15] ..................... 14 Hình 1-6 Điều khiển độ dốc truyền thống ............................................................ 14 Hình 1-7 Kết nối nguồn phát với lưới .................................................................. 14 Hình 1-8 Sơ đồ điều khiển độ dốc truyền thống [15] .......................................... 16 Hình 1-9 Phương pháp san tải hiệu chỉnh ............................................................ 16 Hình 1-10 Mô hình dao động nhỏ bộ điều khiển công suất phản kháng hiệu chỉnh [15] ............................................................................................................................ 17 Hình 1-11 Phương pháp độ dốc VPD/FQB ......................................................... 18 Hình 1-12 Điều khiển thứ cấp cấu trúc tập trung [41] ......................................... 19 Hình 1-13 Sơ đồ điều khiển thứ cấp tập trung cho một DG trong MG [41] ........ 19 Hình 1-14 Điều khiển sơ cấp và thứ cấp trong MG ............................................. 20 Hình 1-15 Điều khiển cấp 3 trong MG[43] .......................................................... 20 Hình 2-1 Quan hệ hệ trục abc và hệ trục tọa độ quay dq ..................................... 24 Hình 2-2 Hệ trục tọa độ địa phương dqn và toàn lưới dqg .................................... 26 Hình 2-3 Mô hình máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực trong hệ trục dq ............. 26 Hình 2-4 Mô hình tuyến tính đầy đủ máy phát đồng bộ ...................................... 31 Hình 2-5 Cấu trúc bộ biến đổi hai mức ................................................................ 32 Hình 2-6 Cấu trúc bộ biến đổi ba mức NPC ........................................................ 33 Hình 2-7 Cấu trúc bộ biến đổi CHB .................................................................... 33 Hình 2-8 Chế độ nguồn dòng CSI ........................................................................ 34 Hình 2-9 Chế độ nguồn áp VSI ............................................................................ 34 x Hình 2-10 Sơ đồ khối điều khiển IBR chế độ nguồn áp ...................................... 35 Hình 2-11 Bộ lọc LC ............................................................................................ 36 Hình 2-12 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển điện áp ................................... 38 Hình 2-13 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển dòng điện ............................... 39 Hình 2-14 Mô hình tuyến tính đầy đủ nguồn IBR ở chế độ nguồn áp ................. 40 Hình 2-15 Sơ đồ khối điều khiển IBR chế độ nguồn dòng .................................. 41 Hình 2-16 Bộ khóa pha PLL ................................................................................ 41 Hình 2-17 Mô hình tuyến tính bộ khóa pha PLL ................................................. 42 Hình 2-18 Mô hình tuyến tính hóa bộ điều khiển công suất ................................ 42 Hình 2-19 Mô hình tuyến tính hóa đầy đủ nguồn IBR ở chế độ nguồn dòng...... 44 Hình 2-20 Mô hình lưới đơn giản hóa ................................................................ 45 Hình 2-21 Mô hình tuyến tính đường dây và phụ tải. .......................................... 47 Hình 2-22 Mô hình tuyến tính đầy đủ máy phát đồng bộ hiệu chỉnh .................. 48 Hình 2-23 Mô hình tổng thể kết nối các thành phần tuyến tính hóa của MG. ..... 48 Hình 2-24 Sơ đồ MG nghiên cứu. ........................................................................ 49 Hình 2-25 So sánh điện áp tại nút 2 giữa hai mô hình ......................................... 51 Hình 2-26 So sánh tần số giữa hai mô hình khi có biến động công suất ............. 52 Hình 2-27 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω từ Pref3 ...................................... 53 Hình 2-28 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω từ Pref3 .................................. 53 Hình 2-29 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω3 từ Pref3 .................................... 54 Hình 2-30 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω3 từ Pref3 ................................. 55 Hình 2-31 Đáp ứng miền thời gian tần số góc ω từ Tm4 ...................................... 55 Hình 2-32 Đáp ứng miền tần số giữa tần số góc ω từ Tm4 ................................... 55 Hình 2-33 Đáp ứng miền thời gian điện áp vD3 từ Qref3 ....................................... 56 Hình 2-34 Đáp ứng miền tần số điện áp vD3 từ Qref3 ............................................ 56 xi Hình 2-35 Đáp ứng miền thời gian điện áp vD4 từ Vf4 ......................................... 57 Hình 2-36 Đáp ứng miền tần số điện áp vD4 từ Vf4 .............................................. 57 Hình 3-1 Đặc tính độ dốc P-ω. ............................................................................. 59 Hình 3-2 Đặc tính độ dốc Q-V ............................................................................. 60 Hình 3-3 Bộ điều khiển độ dốc trên IBR ở chế độ nguồn áp. .............................. 61 Hình 3-4 Bộ điều khiển độ dốc trên IBR ở chế độ nguồn dòng .......................... 61 Hình 3-5 Điều khiển độ dốc IBR chế độ nguồn áp .............................................. 62 Hình 3-6 Điều khiển công suất tác dụng trên IBR nguồn áp ............................... 62 Hình 3-7 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn áp trục d ....................... 63 Hình 3-8 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn áp trục q ....................... 63 Hình 3-9 Điều khiển độ dốc IBR nguồn dòng ..................................................... 64 Hình 3-10 Điều khiển công suất phản kháng IBR nguồn dòng ........................... 65 Hình 3-11 Điều khiển công suất tác dụng IBR nguồn dòng ................................ 65 Hình 3-12 Mô hình bộ điều khiển tần số ............................................................. 66 Hình 3-13 Mô hình bộ điều khiển điện áp trên IBR ............................................ 67 Hình 3-14 Mô hình bộ điều khiển điện áp trên DG ............................................. 68 Hình 3-15 Đáp ứng trong miền thời gian điện áp tại nút 3. ................................. 70 Hình 3-16 Đáp ứng trong miền tần số điện áp tại nút 3. ...................................... 70 Hình 3-17 Đáp ứng trong miền thời gian điện áp tại nút 4. ................................. 71 Hình 3-18 Đáp ứng trong miền tần số điện áp tại nút 4. ...................................... 71 Hình 3-19 So sánh đáp ứng tần số của AVR tại IBR nút 3 và tại máy DG nút 4. 72 Hình 3-20 So sánh đáp ứng ref -  với hai bộ điều khiển tần số ở IBR3 và DG4. .................................................................................................................................. 74 Hình 3-21 Quỹ đạo nghiệm riêng khi thay đổi công suất máy DG: a) Các nghiệm riêng tần số cao, b) Các nghiệm riêng tương ứng dao động điện cơ của máy DG ... 75 Hình 3-22 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số KPLL. ................................. 76 xii Hình 3-23 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số KAVR (máy IBR3) ............. 77 Hình 3-24 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng hệ số KAVR (máy DG4). ............. 77 Hình 3-25 Quỹ đạo nghiệm số khi thay đổi công suất máy IBR3. ...................... 78 Hình 3-26 Biểu đồ Bode quan hệ tần số với Tm khi thay đổi độ dốc mp ............. 79 Hình 3-27 Dịch chuyển nghiệm riêng khi tăng tỷ lệ X/R. ................................... 80 Hình 4-1 So sánh đáp ứng tần số lưới trong lưới quán tính nhỏ và lưới quán tính lớn ............................................................................................................................. 82 Hình 4-2 Mô hình động học phương trình quay máy phát đồng bộ nối lưới [72] 83