Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết Điều khiển tần số lưới điện nhỏ ở chế độ độc lập thông qua máy phát đồng bộ ảo có thông số tự điều chỉnh đề xuất một mô hình điều khiển tần số lưới điện nhỏ ở chế độ độc lập thông qua máy phát đồng bộ ảo có thông số tự điều chỉnh. Bài báo cũng đã tiến hành mô phỏng quá trình điều khiển tần số lưới điện nhỏ ở chế độ độc lập trên công cụ Matlab/Simulink.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ LƯỚI ĐIỆN NHỎ Ở CHẾ ĐỘ ĐỘC LẬP THƠNG QUA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO CĨ THƠNG SỐ TỰ ĐIỀU CHỈNH FREQUENCY CONTROL OF MICROGRID IN AUTONOMOUS MODE VIA VIRTUAL SYNCHRONOUS GENERATOR WITH ADJUSTABLE PARAMETERS Chu Thanh Bình1,*, Nguyễn Hồng Sơn1, Nguyễn Bá Khang1, Phan Hồng Quang1, Mai Văn Nghĩa1, Phạm Văn Cường1 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.050 TÓM TẮT Điều khiển nguồn phân tán nối lưới thông qua biến đổi công suất theo hoạt động máy phát đồng giúp cải thiện độ ổn định lưới điện Lưới điện nhỏ vận hành nhiều chế độ hoạt động khác thông số điều khiển máy phát đồng ảo cần điều chỉnh phù hợp với thay đổi lưới Bài báo đề xuất mơ hình điều khiển tần số lưới điện nhỏ chế độ độc lập thơng qua máy phát đồng ảo có thơng số tự điều chỉnh Bài báo tiến hành mơ q trình điều khiển tần số lưới điện nhỏ chế độ độc lập công cụ Matlab/Simulink Từ khóa: Nguồn phân tán, lưới điện nhỏ, điều khiển tần số, máy phát đồng ảo, thông số tự điều chỉnh ABSTRACT Controlling grid-connected distributed sources through a power converter that mimics synchronous generator operation improves grid stability The microgrid operates under many different operating modes, so the parameters of the virtual synchronous generator controller also need to be adjusted in accordance with the changes of the grid This paper proposes a microgrid frequency control model in autonomous mode through a virtual synchronous generator with adjustable parameters The article also simulates the process of controlling the frequency of microgrid in independent mode on Matlab/Simulink tool Keywords: DG, microgrid, frequency control, virtual synchronous generator, adjustable parameters Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: binhthanhchu1410@gmail.com Ngày nhận bài: 25/10/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 15/3/2023 * GIỚI THIỆU Ngày nay, nóng lên khí hậu tồn cầu gây hiệu ứng nhà kính với sản lượng nhiên liệu hóa thạch ngày giảm giá thành ngày tăng, việc sử dụng lượng tái tạo giải pháp sử dụng rộng rãi nước giới Do vậy, việc tích hợp nguồn vào lưới điện truyền thống vấn đề quan tâm nghiên cứu ứng dụng [1-3] Tuy nhiên, nguồn phân tán (DG) dựa biến tần kết nối với lưới điện có nhược điểm qn tính nhỏ [4] Qn tính nhỏ gây biến đổi công suất nhanh trường hợp có nhiễu kéo theo thơng số chế độ tần số điện áp dao động với biên độ lớn có nguy vượt ngồi giới hạn cho phép Trong đó, việc thay đổi tần số hệ thống đột ngột ảnh hưởng đến vận hành an toàn, ổn định lưới điện phân phối, phương pháp điều khiển truyền thống chưa thể thích ứng với phát triển hệ thống DG Vấn đề sụt giảm tần số trở nên nghiêm trọng với lưới điện nhỏ chế độ độc lập Vì vậy, cần thiết có phương pháp điều khiển để giảm thiểu thay đổi nhanh chóng tần số trì hoạt động ổn định lưới điện Gia tăng quán tính cho nguồn phân tán nối lưới thông qua biến đổi công suất giải pháp bước đầu áp dụng cho kết khả thi [5] Một số phương pháp hướng tới điều khiển biến đổi công suất theo hoạt động máy phát điện đồng hay gọi máy phát đồng ảo (VSG) [6] Hầu hết nghiên cứu có VSG sử dụng thơng số điều khiển cố định mà chưa xem xét tới VSG có thơng số tự điều chỉnh Nhằm cải thiện sai lệch tần số trước biến động lưới, báo đề xuất sử dụng điều khiển VSG có thơng số điều chỉnh bám theo thay đổi tần số lưới điện cụ thể Hiệu phương pháp đề xuất xác minh mô công cụ Matlab/Simulink BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT Đối với DG nối lưới qua biến đổi công suất, diễn biến dao động tần số điện áp có biến động công suất cần xem xét tương đương máy phát 110 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 đồng Quá trình điều khiển công suất phát DG phụ thuộc vào vòng lặp điều khiển dòng điện bên vịng lặp điều khiển điện áp bên ngồi [7] Sơ đồ kết nối điều khiển độ dốc với vòng lặp điều khiển dòng áp thể hình Vectơ tín hiệu đầu điều khiển ude , uqe vectơ tín hiệu đầu điều khiển udi , uqi ude id iLd ωCE q (1) uqe iq iLq ωCEd (2) udi md ωLiq E d (3) uqi mq ωLid E q (4) 2.2 Mơ hình máy phát đồng ảo 2.2.1 Tổng quan máy phát đồng ảo Để mô theo trình động học máy phát điện đồng bộ, biến đổi cần trang bị điều khiển máy phát đồng ảo VSG (Virtual Synchronorous Generator Control) Hình thể mơ hình khái quát máy phát đồng ảo [11] Hình Sơ đồ khối điều khiển biến đổi công suất Sơ đồ khối điều khiển biến đổi công suất dựa khối “Điều khiển công suất tác dụng”, khối “Điều khiển công suất phản kháng”, khối “Điều khiển dòng điện” khối “Điều khiển điện áp” bên ngồi Hình Mơ hình khái qt máy phát đồng ảo 2.1 Vòng lặp điều khiển dòng điện điện áp Các điều khiển bên DG thiết kế theo hướng đảm bảo yêu cầu tần số điện áp, thể hình Vịng lặp điều khiển dịng điện nằm bên với thông số đầu vào tạo điều khiển điện áp phía ngồi [8] Vòng lặp điều khiển độ dốc thiết kế phía ngồi dựa hệ số phân bổ cơng suất DG từ trước đó, nhiên q trình điều khiển diễn riêng biệt DG dựa ràng buộc tần số lưới điện [9] Như mơ tả báo [3], mơ hình toán học máy phát điện đồng bao gồm phần phần điện Có mối quan hệ tương đương hệ thống biến tần nối lưới hệ thống máy phát điện đồng bộ, phía chiều coi động biến tần với cuộn cảm lọc LC coi máy phát đồng [12] 2.2.2 Bộ điều khiển công suất tác dụng Khối “Điều khiển cơng suất tác dụng” gồm có hai khối nối tiếp đặc trưng cho hai trình “Bộ điều tốc” “Phương trình quay” Mơ hình “Bộ điều tốc” thể hình xây dựng dựa đường đặc tính quan hệ độ dốc kp P-ω Ngồi ra, trễ có số thời gian trễ Td theo trễ đáp ứng học điều tốc máy phát điện đồng Hình Vịng lặp điều khiển điện áp dịng điện Giả thiết q trình động học vịng lặp điều khiển dịng điện phía diễn nhanh nhiều lần q trình động học vịng lặp điện áp phía ngồi, với vịng lặp điện áp chấp nhận id idref iq iqref [10] Website: https://jst-haui.vn Hình Mơ hình điều tốc Mơ hình “Phương trình quay” mơ tả mối liên hệ động học điện máy phát điện đồng thể hình Với J thông số theo mômen quán Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 111 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 tính rotor, D theo hệ số hãm cuộn hãm máy phát điện đồng MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO THÔNG SỐ TỰ ĐIỀU CHỈNH Phương pháp điều khiển thông số tự điều chỉnh đề xuất nhằm cải thiện độ ổn định tần số cho lưới điện nhỏ Dao động tần số dao động quan trọng việc trì ổn định tần số tự hệ thống Từ đó, phương pháp điều khiển bám theo thay đổi chu kỳ đầu để đưa thay đổi thơng số J D Hình Mơ hình phương trình quay Trong đó: Pin P* kp (ωm ω* ) 1 TDs Pin Pout Jω* dωm D(ωm ω* ) dt θm ωmdt (5) (6) (7) 2.2.3 Bộ điều khiển công suất phản kháng Song song với q trình điều khiển tần số thơng qua cơng suất tác dụng trình điều khiển điện áp dựa điều khiển công suất phản kháng Q Quá trình điều khiển cơng suất phản kháng Q phân thành hai giai đoạn kết nối với điều khiển điện áp phía bên điều khiển biến đổi Giai đoạn điều khiển độ dốc Q - V thể hình Hình Điều khiển độ dốc công suất phản kháng Nối tiếp điều khiển độ dốc công suất phản kháng, để mô điều khiển tự động công suất phản kháng máy phát điện đồng cần thiết có điều khiển PI cơng suất phản kháng thể hình Hình Đường cong dao động tần số DG điển hình Quá trình tự điều chỉnh J D giai đoạn chu kỳ dao động tóm tắt hình Một chu kỳ dao động chia thành bốn phân đoạn hình Trong trường hợp Δω (Δω = ω – ωo) với dấu dω/dt tần số giảm đoạn trường hợp Trong đó, Δω dω/dt hoạt động theo hướng ngược lại đoạn tần số bắt đầu quay trở lại trạng thái ổn định Trường hợp Δω dω/dt 0, thời điểm tần số lưới trở trạng thái ổn định Mục tiêu phương pháp giảm dao động tần số cách nhanh chóng cách điều chỉnh thơng số J D qua thay đổi điều kiện tăng giảm quán tính ảo Dựa phân tích trên, yếu tố qn tính ảo thơng số tự điều chỉnh xây dựng hình Hình Bộ điều khiển PI cơng suất phản kháng Trong đó: Qref Qo k q ( Vout E* ) (8) kiq Edref E* (Qref Qout ) kpq s (9) 112 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Hình Lưu đồ thuật tốn thơng số tự điều chỉnh Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong đó, Jo Do giá trị trạng thái ổn định J D; kj kd hệ số điều tốc J D; B giá trị ngưỡng cho Δω Các thông số tự điều chỉnh hoạt động với giá trị bình thường Jo Do trường hợp trạng thái ổn định MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Tiến hành mơ mơ hình hệ thống cấu trúc điều khiển đề xuất hình 10 chế độ độc lập Thông số phần tử sơ đồ cho bảng Hình 12 Cơng suất phản kháng phát DG Hình 13 Tổng cơng suất phụ tải DG Q trình mơ điện áp dòng điện thể hình 14, 15 với Vabc, Iabc Hình 10 Sơ đồ lưới nghiên cứu Bảng Thông số DG phụ tải Thông số DG Lf Rf 0,1mH 1,0mΩ Td kpq 0,01s 0,6 Thông số tải kpv kiv 4,1.10 Tải 50kW Tải 85kW Cf 0,350mF kiq 60 J 0,0024kgm Tải 85kW kp 37,5 kpc 1,57 D 0,02kgms-2 Tổng tải 220kW kq 20 kic 15,7 B 0,05 Q trình mơ diễn chế độ lưới điện nhỏ tách lưới khỏi lưới hệ thống Tại thời điểm bắt đầu, phụ tải phụ tải cấp điện Tại thời điểm 1s phụ tải bắt đầu cấp điện với công suất 85kW Tại thời điểm 2,5s phụ tải cắt Kết mô công suất tác dụng công suất phản kháng DG thể hình 11, 12 Khi tải thay đổi thời điểm 1s, công suất DG thay đổi cân cơng suất lưới Hình 14 Điện áp Vabc nút nguồn DG Hình 15 Dịng điện Iabc nút nguồn DG Từ kết thể hình 15, dịng điện tham chiếu tiến hành mơ 100A Giá trị đỉnh dịng điện thời điểm 1s 120A Sau dịng điện tham chiếu thay đổi từ 120A thành 180A khoảng 0,02s Hình 11 Cơng suất tác dụng phát DG Website: https://jst-haui.vn Kết mô tần số lưới điện hình 16 thể khác áp dụng phương pháp VSG có thơng số tự điều chỉnh so với thông số cố định Tần số lưới áp dụng phương pháp tự điều chỉnh có biên độ dao động tần số nhỏ tốc độ thay đổi tần số có lợi cho lưới Có thể thấy hệ thống hoạt động chế độ lưới điện nhỏ tách lưới khỏi hệ thống có thay đổi tần số thời Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 113 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ điểm 1s 2,5s Sau khoảng thời gian tần số trở trạng thái ổn định cân tần số lưới hệ thống Vì vậy, thay đổi phụ tải VSG có thơng số tự điều chỉnh hệ thống hoạt động điểm ổn định Hình 16 So sánh tần số lưới điện cố định tần số lưới điện có thơng số điều chỉnh KẾT LUẬN Bài báo thực áp dụng điều khiển máy phát đồng ảo VSG vào lưới điện độc lập nhằm cải thiện quán tính nguồn DG nối lưới thông qua biến đổi công suất Thơng số điều khiển VSG thay đổi giúp tần số lưới nhanh chóng vào ổn định có biến động cơng suất tác dụng Thuật tốn thay đổi thơng số điều khiển VSG báo đề xuất Kết mô so sánh kết áp dụng hai phương pháp điều khiển thông số cố định phương pháp điều khiển dựa thông số tự điều chỉnh đề xuất cho thấy phương pháp tự điều chỉnh cho phép VSG tăng giảm quán tính ảo qua cải thiện cách hiệu độ lệch thời gian dao động tần số lưới P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Proceedings of 2019 IEEE 3rd International Electrical and Energy Conference, CIEEC 2019, pp 2055–2059 [7] I Vechiu, O Curea, A Llaria, H Camblong, 2011 Control of power converters for microgrids COMPEL - The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, vol 30, no 1, pp 300– 309 [8] A Yazdani, R Iravani, 2006 A unified dynamic model and control for the voltage-sourced converter under unbalanced grid conditions IEEE Transactions on Power Delivery, vol 21, no 3, pp 1620-1629 [9] Nguyen Van Hung, Nguyen Thi Viet Hong, Nguyen Duc Huy, 2022 Application model of virtual inertia swing equation based voltage source converter in frequency and voltage control of microgrid Journal of Science and Technology, Hanoi University of Industry, vol 58 - Special, pp 144–150 [10] Y Li, L Fan, 2017 Stability Analysis of Two Parallel Converters with Voltage-Current Droop Control IEEE Transactions on Power Delivery, vol 32, no 6, pp 2389–2397 [11] R Heydari, M Savaghebi, S Member, F Blaabjerg, 2020 Fast Frequency Control of Low-Inertia Hybrid Grid Utilizing Extended Virtual Synchronous Machine 11th Power Electronics, Drive Systems, and Technologies Conference (PEDSTC) [12] Taehan-Chŏn’gi-Hakhoe, Annual IEEE Computer Conference, IEEE Industry Applications Conference, International Conference on Electrical Machines and Systems 2013.10.26-29 Busan, and ICEMS 2013.10.26-29 Busan, International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2013 2629 Oct 2013, Busan, Korea AUTHORS INFORMATION Chu Thanh Binh, Nguyen Hong Son, Nguyen Ba Khang, Phan Hong Quang, Mai Van Nghia, Pham Van Cuong Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Blaabjerg, R Teodorescu, M Liserre, A V Timbus, 2006 Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 53, no pp 1398-1409 [2] J Fang, X Li, X Yang, Y Tang, 2017 An Integrated Trap-LCL Filter with Reduced Current Harmonics for Grid-Connected Converters under Weak Grid Conditions IEEE Trans Power Electron, vol 32, no 11, pp 8446-8457 [3] Q C Zhong, G Weiss, 2011 Synchronverters: Inverters that mimic synchronous generators IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 58, no 4, pp 1259-1267 [4] T L Vandoorn, J C Vasquez, J de Kooning, J M Guerrero, L Vandevelde, 2013 Microgrids: Hierarchical control and an overview of the control and reserve management strategies IEEE Industrial Electronics Magazine, vol 7, no 4, pp 42-55 [5] J Fang, H Li, Y Tang, F Blaabjerg, 2018 Distributed Power System Virtual Inertia Implemented by Grid-Connected Power Converters IEEE Trans Power Electron, vol 33, no 10, pp 8488-8499 [6] Z Lu, M Li, J Wang, 2019 Virtual Synchronous Generator Control Strategy Based on Improved Inner Loop Applied to Power Storage Converter in 114 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn