Tiến Sĩ Các phương pháp điều khiển thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió hoạt động ở ch

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Điện năng giữ một vai trò then chốt trong phát triển kinh tế xã hội. Nhưng hơn
1,3 tỷ người trên thế giới vẫn chưa được tiếp cận với điện [38, 54] ở những khu
vực xa xôi như các hải đảo, vùng núi cao, vùng băng tuyết - những nơi mà lưới
điện quốc gia không có khả năng vươn tới. Hệ thống điện ở những khu vực đó
tạm gọi tên là hệ thống điện ốc đảo hay Remote Area Power Systems (RAPS).
Nguồn điện trong RAPS sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải
nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn
toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng. Các nguồn năng lượng tái
tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để
bổ sung cho hệ thống điện ốc đảo. Hệ thống điện ốc đảo thông thường lấy nguồn
năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng
chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) được huy động
để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [17, 61].
Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa
nguồn phát và tải tiêu thụ. Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự cân bằng
giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho các máy phát
với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao. Trong hệ thống PĐSG,
công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió,
ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90]. Khi một hệ thống PĐSG hòa
vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà quản trị về
điện áp, tần số, sóng hài được quy định t rong Grid-Codes, lưới điện quốc gia coi
như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng công suất phát
vào. Với hệ thống điện ốc đảo, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền
tải là hữu hạn. Hệ thống điện ốc đảo mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên
rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải.
Để đảm bảo nguyên tắc cân bằng cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều
khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận
hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải. K hi
điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện ốc đảo có hai khả năng tác động:
Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel. Với hệ thống
PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố
gió tự nhiên. Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn chủ động ra
theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát sức gió được
huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa các
nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều
khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp.
Trong khi đó ở RAPS, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới
tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel. Chính hiện t ượng điều chỉnh liên
tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm
trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết
bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel. Vì vậy, để khai thác
hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống điện ốc đảo cần thiết phải có giải pháp
kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất
lượng điện năng (t ần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số
tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC như Bảng 1.4. Một trong những
giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung
công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua
đó làm làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG. Siêu tụ
có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong
những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ
(SCESS – Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống
biến đổi năng lượng (t ầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã
được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống điện
với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng [12, 14, 21, 27, 29, 49, 61, 64, 90].
Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu
trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn
nhiều hạn chế như: điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có



khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử
dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường
minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển
tuyến tính, phi tuyến. Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay
thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, t ham số của hệ thay đổi. Vì
vậy, t rong luận án này, t ác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ
biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả
thống nhất hai chiều năng lượng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính có thể
làm suy giảm chất lượng động học của hệ thống khi điểm làm việc t hay đổi và
thực sự chưa phù hợp với bản chất phi t uyến của mô hình động học thống nhất
hai chiều năng lượng của hệ. Do đó, luận án tiếp tục giải quyết vấn đề điều khiển
phi tuyến thiết bị kho điện SCESS nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống
biến đổi điện năng gồm 2 bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm cơ sở để hoàn thành
mục tiêu ổn định ngắn hạn công suất tác dụng đầu ra của turbine PĐSG, đảm
bảo chất lượng tần số lưới.
Đối tượng nghiên cứu:
Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi DCDC
hai chiều, bộ biến đổi DC-AC hai chiều.
Mục đích nghiên cứu:
 Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho
điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện ốc
đảo nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.
 Chỉ ra mối tương quan giữa công suất của hệ PĐSG với SCESS, xác định
các thông số kỹ thuật của SCESS đối với các mức độ yêu cầu công suất theo
profile gió cụ thể đối với hệ PĐSG.