Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện Microgrid

Nội dung text: Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện Microgrid

1. KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID COMBINATION OF WIND AND SOLAR ENERGY POWER IN MICROGRID (1)PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc (2)Huỳnh Văn Dũng (1)Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM (2)Trường Đại Học SPKT TP.HCM TÓM TẮT Các máy phát điện gió công suất nhỏ vốn chỉ được thiết kế để hoạt động độc lập, nhu cầu nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu là rất lớn. Giải thuật bang-bang điều khiển dòng điện đã được sử dụng để điều khiển dòng công suất bơm từ các bộ nghịch lưu. Bài báo này tập trung xử lí vấn đề duy trì vận hành bình thường cho các phụ tải khi lưới điện chuyển từ trạng thái nối lưới sang trạng thái vận hành độc lập do mất nguồn điện lưới. Xây dựng phương pháp ổn định điện áp cho phụ tải trong một thời gian sau khi xuất hiện sự cố mất nguồn điện lưới. Từ khóa: Pin năng lượng mặt trời, Bộ điều khiển PI, Bộ nghịch lưu nối lưới, Nguồn năng lượng tái tạo, Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu. ABSTRACT The minor solar and wind generators were designed only for operating independently, hense, the need to integrate to distribution network using grid converters, bang-bang controller is also used to control power flow of DG converters retaining the minimum total hamonic disturbance (THD) This paper focuses on solving the problems of maintaining normal operation of the power load when microgrid changing from grid-connected to autonomous operation due to the lost of power grid connection. Propose a method to maintain load voltage stability during the present of grid power failures. Key words: Photovoltaic (PV), Proportional-Resonant Controller, Renewable Energy Source, Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). I. GIỚI THIỆU bảo vệ để duy trì mức độ ổn định và tin cậy Theo truyền thống, dòng điện ở cấp của hệ thống và cũng làm mất đặc tính gián phân phối là dòng điện một hướng. Ngày đoạn của các nguồn năng lượng tái tạo. [1], nay, lưới điện phân phối điện áp trung bình [2]. và thấp được biến đổi thành một mạng lưới Hơn nữa, khả năng đo đếm tín hiệu sử điện hoạt động với dòng công suất đa chiều. dụng khối Đơn Vị Đo Đếm Góc Pha (PMUs) Một số lượng lớn các thành phần phát điện có thể cung cấp các thông tin có giá trị và hỗ phân tán (DG) và thiết bị lưu trữ được kết trợ cho quá trình mô hình hóa vi lưới cũng nối hay lên kế hoạch kết nối với lưới điện như ước lượng thông số hệ thống. Nó cũng phân phối tạo ra nhu cầu xem xét lại cấu quan trọng khi cấu trúc của hệ thống điện trúc, việc vận hành, nguyên lý điều khiển và hiện nay thay đổi thường xuyên hơn chính
2. nó trong quá khứ, và do đó các thông số cần 2. Mô hình các nguồn phân tán được cập nhật thường xuyên [3]. Để thuận tiện trong việc tính toán, thiết Bài báo này đề xuất đến pin lưu trữ kế, một mạch điện tương đương được đưa ra năng lượng dùng kết hợp với hệ thống nguồn để thay thế pin mặt trời phân tán trong chế độ cách ly, có thể sử dụng như một bộ lưu trữ năng lượng và bộ bù công suất tác dụng, mang lại nhiều lợi ích cho sự ổn định của hệ thống điện. [4] II. TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU Hình 2.4 Mạch điện tương đương của pin 1. Mô hình nghịch lưu nối lưới mặt trời Nhiệm vụ của khối điều khiển bang bang là nhận kết quả sai lệch giữa dòng điện Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, mong muốn bơm vào lưới điện phân phối với điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp dòng điện thực tế bơm vào lưới điện từ bộ Rs, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V. nghịch lưu. Kết quả sai số này được đưa vào Dựa trên mạch điện tương đương của pin khối relay để cho ra các tín hiệu đóng cắt năng lượng mặt trời được đưa ra trong hình IGBT s1, s2 2.4, một phương trình toán học được đưa ra để thể hiện mối tương quan giữa dòng điện và điện áp ngõ ra của pin năng lượng mặt trời. q VI R VI I I I e kTC A 1 R PH S R SH (2.1) Trong đó: Hình 2.1. Sơ đồ kết nối mạch ngạch I : Dòng quang điện (A) lưu nguồn dòng ph Is: Dòng bão hòa (A) q: Điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: Hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K TC: Nhiệt độ vận hành của pin (K) Hình 2.2. Dạng sóng dòng điện trong A: Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công phương pháp bang bang trên một pha nghệ chế tạo pin, ví dụ: công nghệ Si-mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3 Sơ đồ điều khiển của bộ nghịch lưu 3. Mô hình pin lưu trữ năng lượng nguồn dòng sử dụng phương pháp điều khiển Mạch điện tương đương của pin axít chì trễ bang-bang được minh họa như sau: cho các chế độ hoạt động tĩnh và động, S I * I 1 tương đương với các dòng điện nạp và xả a S 4 của pin được mô tả ở hình 2.5. I a Hình 2.3. Giải thuật điều khiển bang bang trên một nhánh của bộ nghịch lưu
3. nguồn bù vào phần công suât thiếu hụt khi nguồn điện chính bị mất. Bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi AC/DC DC/AC Bus 1 pha CB_wind Tuabin Gió 220V-AC 5 kW Nguồn năng lượng tái V tạo phân tán (HR-DG) Bộ điều khiển lưới Bộ xử lý trung DSP tâm Dãy pin CB_pv Năng lượng Mặt Hình 2.5: Mạch tương đương của pin trời CB_grid Lưới điện phân 5kW phối 220VAC – 50 Hz V Bộ điều khiển lưới Trong đó: DSP CB_load Tải 1 pha Rdischarge: điện trở tự phóng điện (tầm kΩ) 220VAC - 10 kW CB_battery CB: điện dung điện hóa của các cell pin Battery 100 Ah Bộ đo đếm và thu E0: điện áp hở mạch của các cell pin đã nhận tín hiệu I , V Bộ điều khiển tải lưới xả hoàn toàn (có nghĩa là Cb và CB đã xả) DSP Iwind_ref, Ipv_ref Rseries: điện trở nối tiếp phi tuyến (1-0.05Ω) CB_charger Cb: điện dung phi tuyến Bộ chuyển đổi Buck Máy biến áp 220/550 V (t): điện áp hở mạch của các cell pin DC/DC boc Hình 2.7: Sơ đồ kế nối lưới điện V (t): điện áp các cell pin Bover Microgrid mô phỏng VB(t): điện áp đầu cực pin iB(t): dòng điện đầu cực pin Thực hiện mô phỏng theo lưu đồ sau với idischarge(t): dòng xạc pin. thời gian mô phỏng là 4s: Với mục tiêu là pin lưu trữ năng lượng sẽ giữ điện áp ổn định tại đầu cực tải, khi vi Khời động mô phỏng Khởi tạo các thông số mô phỏng ban đầu A) Thời gian mô phỏng lưới đã được ngắt kết nối với lưới phân phối B) Giá trị mặc định của tải, điện gió và NLMT. chính, bộ điều khiển phải đóng vai trò bù Khởi tạo CB CB tải = 1; CB lưới = 1; dòng điện thiếu hụt từ các nguồn phân tán CB Pin NLMT = 1; CB MFĐ gió = 1; CB Bộ xạc Pin LTNL = 1; cung cấp đến tải, do vậy giải thuật điều khiển CB Pin LTNL =0; được mô tả trong hình sau: Đúng 4 < Tốc độ gió < 14 Tất cả các giá trị trong i_pv sơ đồ là giá trị RMS Sai V_ref Δi i_cont i_batt PI CB gió = 0 Đúng V_grid I_load i_wind Công suất bức xạ < 0.3 Sai Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển CB NLMT = 0 battery Sai Thời gian mô phỏng t ≥ 1.5s Đúng 4. Mô phỏng CB lưới = 0 CB bộ xạc LTNL = 0 Xét một lưới điện Microgrid mô phỏng CB pin LTNL = 1 gồm có một turbine gió có công suất 5KWA, Đo đếm và Xuất kết quả Kết thúc một dàng pin năng lượng mặt trời có công suất 5KWA, tải là 10KW như hình 2.7. Hình 2.8: Lưu đồ quá trình mô phỏng Trong đó turbine gói và pin năng lượng mặt được đề xuất trời luôn ở chế độ làm việc công suất tối ưu, Còn pin lưu trữ luôn được nạp đầy và chỉ cấp
4. III. KẾT QUẢ 1. Kết quả mô phỏng nguồn DG – máy phát điện gió nối lưới. Trong mô phỏng của luận văn này, công suất định mức của turbin gió là 10 KVA, trong khi công suất thức thời thay đổi theo vận tốc gió đầu vào và việc điều chỉnh góc của cánh gió, ta giả định giá trị tốc độ gió được thay đổi từ 10 m/s đến 11 m/s tại Hình 3.2 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại thời điểm mô phỏng t =1s, từ 11 m/s đến điểm kết nối chung ở giá trị: a) biên độ đỉnh; 11,5 m/s tại t = 2s và từ 11,5 m/s đến 13 m/s b) rms tại t = 3s. Kết quả thu được được thể hiện trong hình 3.1. Từ hình 3.2 ta có thể thấy rằng, điện áp ngõ ra tại điểm kết nối chung của các DG có dao động nhẹ về biên độ (sụt áp khoảng 8V) tại thời điểm chuyển chế độ, sau đó trở lại bình thường sau 20 chu kỳ. Sau khi cắt microgrid ra khỏi lưới, khối ước lượng góc pha (phasor estimator) đã làm việc tốt khi đưa biên độ điện áp trở lại trạng thái ổn định trong giới hạn cho phép (thường là 5% đến 10% của giá trị biên độ cực đại). Hình 3.1 Công suất tác dụng và phản Ta có thể dễ dàng theo dõi dạng sóng kháng ngõ ra của máy phát điện gió của điện áp ngõ ra hơn bằng cách phóng lớn hình 3.2 ở trên trong thời đoạn từ t = 1.4s Bảng 3-1 Bảng kết quả mô phỏng năng đến t = 2s. lượng gió hòa lưới hòa lưới Công suất Vận tốc Công suất Hệ số phản gió tác dụng công suất kháng (kW.m2) (W) cos (VAR) 10 3387 -8.8 0.99999 4510 -10.19 (- 0.99998 11 25.3) 11.5 5094 -26.28 0.99998 13 5853 -32.83 0.99997 Hình 3.3: Dạng sóng điện áp ngõ ra từ Qua kết quả thu được, ta thấy sau khi t = 1.4s đến t = 2s. dao động công suất ở thời điểm đầu của mô phỏng, công suất ngõ ra của máy phát điện Hình 3.4 bên dưới là dạng sóng điện áp gió đã bám sát theo sự thay đổi của tốc độ DC sau chỉnh lưu (trước nghịch lưu) của gió đầu vào, lưu ý là hệ thống microgrid máy phát điện gió, điện áp DC đã đáp ứng chuyển sang trạng thái cách ly tại thời điểm t nhanh với sự thay đổi của tốc độ gió mặt và = 1,5s, dao động không xảy ra nhiều vào thời cho thấy sự ổn định tức thì sau các quá độ. điểm chuyển chế độ làm việc và hệ thống vẫn duy trì được điện áp nút kết nối lưới (chế độ nối lưới) và cả điện áp tải (chế độ cách ly) (hình 3.2).
5. Công Công Hệ số Bức xạ suất suất tác công NLMT phản dụng suất (kWm2) kháng (W) cos (VAR) 7 3476 -35 0.99994 4003 -38.6 (- 0.99995 8 50.5) 9 4532 -52.8 0.99993 Hình 3.4: Điện áp DC trước nghịch 10 5063 -58.75 0.99993 lưu của máy phát điện gió Cũng tương tự như hệ thống năng lượng gió, dao động công suất xảy ra ở thời 2. Kết quả mô phỏng nguồn DG – điểm đầu của mô phỏng, sau đó công suất năng lượng mặt trời nối lưới. ngõ ra của hệ thống năng lượng mặt trời đã Trong thực hiện mô phỏng bộ pin năng bám sát theo sự thay đổi của bức xạ NLMT lượng mặt trời nối lưới, khối pin năng lượng đầu vào, hệ thống microgrid chuyển sang mặt trời có công suất định mức 5KW kết hợp trạng thái cách ly tại thời điểm t = 1,5s, dao với hệ thống máy phát điện gió để cung cấp động không xảy ra nhiều vào thời điểm công suất cho tải trong điều kiện có sự thay chuyển chế độ làm việc và hệ thống vẫn duy đổi về công suất bức xạ của mặt trời. Công trì được điện áp nút kết nối lưới và cả điện suất của pin năng lượng mặt trời phụ thuộc áp tải tuần tự ở cả hai chế độ (hình 3.6). vào hai thông số chính là năng lượng bức xạ và nhiệt độ môi trường. Trong trường hợp Hình 3.6 bên dưới mô tả sự thay đổi nghiên cứu này ta chỉ xét đến sự thay đổi liên điện áp DC của bộ pin NLMT tục của năng lượng bức xạ, và coi như nhiệt độ là không đổi, bức xạ mặt trời thay đổi từ 7 sang 8 (kW.m2) tại thời điểm mô phỏng t = 1s, từ 8 sang 9 (kW.m2) tại thời điểm t = 2s và từ 9 sang 10 (kW.m2) tại t = 3s. Hình 3.6: Giá trị điện áp và dòng điện DC ngõ ra bộ pin NLMT Như đã được mô tả ở phần trên, khi microgrid mất kết nối với lưới điện do sự cố phía lưới. Các DG sử dụng năng lượng gió và mặt trời sẽ cung cấp cho tải nội bộ của Hình 3.5: Công suất bộ pin năng lượng microgrid, nhưng lúc này dao động điện áp mặt trời hòa lưới sẽ xảy ra do bộ ước lượng góc pha không dùng tín hiệu tham chiếu điện áp và góc pha, Qua kết quả mô phỏng ta có bảng kết tần số lưới điện nữa, mà chính nó sẽ ước quả tương ứng sau: lượng, thiết lập tín hiệu góc pha và biên độ dòng điện chuyển đến các bộ điều khiển. Bảng 3.2: Bảng kết quả mô phỏng hệ Như vậy dao động điện áp tại nút tải này thống năng lượng mặt trời hòa lưới được giải quyết bằng cách bù lượng thiếu hụt dòng điện của các DG bằng dòng điện bơm ra từ battery.
6. không bơm thành phần công suất phản kháng lên lưới điện phân phối. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ, “ Điện tử công suất 1 ”, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2005. [2] Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Ngo Manh Dung, Phan Quang An, Pham Hình 3.7: Giá trị SOC, Dòng điện và Dinh Truc and Nguyen Huu Phuc Điện áp đo được của battery "Active and Reactive power controller for single-phase Grid-connected Qua hình 3.7 ta thấy giá trị dòng điện photovoltaic syntems" Department of âm của pin trước thời điểm t = 1.5s thể hiện Electrical- Electronics Engineering- cho việc battery đã được xạc từ lưới điện, HoChiMinh City University of sau khi lưới điện cắt ra, battery đã chuyển Technology.Vietnam National tức thì sang chế độ xả năng lượng, nó đã University in HoChiMinh, Vietnam. bơm dòng điện vào nút tải để giữ cân bằng [3] Nguyen Van Nho, Hong - Hee Lee, điện. "Analysis of carrier PWM Method for Common Mode Elimination in IV. THẢO LUẬN Multilevel Inverter", IEEE . Nhận xét, bình luận và diễn dịch các [4] L. Hassaine, E. Olias, J. Quintero, M. kết quả thu được. Haddadi "Digital power factor control and reactive power regulation for grid- V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ connected photovoltaic inverter" power Hệ thống pin năng lượng mặt trời và electronics systems group, universidad cartas III de madrid, avda, de la máy phát điện gió hòa đồng bộ lưới điện universidad 30, 28911 leganes, phân phối luôn hoạt động tại điểm có công Madrid, Spain. suất cực đại khi có sự thay đổi cường độ bức [5] Babak FARHANGI, student member xạ mặt trời và vận tốc gió từ môi trường bên IEEE, Shahrokh FARHANGI member ngoài. Trong khi đó, thời gian quá độ của hệ IEEE "Application of Z-source thống khi xuất hiện sự thay đổi cường độ bức converter in photovoltaic grid- connected transformer-less inverter" xạ mặt trời từ môi trường bên ngoài không School of ECE, Tehran, Iran. quá 2 chu kì điện áp lưới điện phân phối, cho [6] Ayman A. Hamad, Mohammad A. thấy khả năng đáp ứng rất nhanh với sự thay Alsaad "A software application for đổi cường độ bức xạ mặt trời liên tục của energy flow simulation of a grid môi trường bên ngoài. Đối với hệ thống gió, connected photovoltaic system" thời gian quá độ của hệ thống khi xuất hiện University of Jordan, Amman, 11942, sự thay đổi vận tốc gió từ môi trường bên Jordan. [7] Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, "A ngoài không quá 1s, đây là thời gian hợp lí New PWM Strategy for Common trong hệ thống cơ khí với lực quán tính và Mode Voltage Reduction in Neutral - ma sát cơ học lớn. Point - Clamped Inverter - Fed AC Bộ nghịch lưu có hệ số công suất bơm Motor Drives", IEEE. vào lưới điện xấp xỉ bằng 1, đạt trên 0.99, [8] Ahmad M., Mazen A., M. and điều này có thể coi như hệ thống mô phỏng Tharwat (2006): Vertical axis wind chỉ bơm thành phần công suất tác dụng và turbine modeling and performance with axial flux permanent magnet
7. synchronous generator for battery charging applications. Retrieved September 14, 2012 [9] Bharanikumar R., Yazhini A.C., Kumar N., (2012): Modelling and Simulation of Wind Turbine Driven Permanent Magnet Generator with New MPPT Algorithm. Asian Power electronics journal, Vol. 4. [10] Ece (2004): Modeling of Induction Motor using qd0 Transformations. [11] Heier S. (1998): Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. John Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-471- 97143-X [12] Matlab (2009): Overview of the MATLAB Environment. Matlab Getting Started Guide, The MathWorks, Inc. [13] Ming Y., Gengyin L., Ming Z., and Chengyong Z. (2007): Modeling of the Wind Turbine with a Permanent Magnet Synchronous Generator for Integration [14] Pranamita B., and Aiswarya H. (2009): Power System Stability Studies using Matlab. A Project Report, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela [15] Rolan A, Alvaro L, Gerardo V, and Daniel A. (2009): Modelling of a Variable Speed Wind Turbine with a Permanent Magnet Synchronous Generator.
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.