Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống tích hợp gió/mặt trời và pin lưu trữ

Nội dung text: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống tích hợp gió/mặt trời và pin lưu trữ

1. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Hệ Thống Tích Hợp Gió/Mặt Trời và Pin Lưu Trữ Modeling and Simulation of wind/PV and battery hybrid system Lương Sơn Khởi PGS TS.Nguyễn Hữu Phúc Trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM TÓM TẮT Ý tưởng của bài báo là kiểm soát hệ thống phát điện tích hợp gió và mặt trời kết nối vào hệ thống điện phân phối.Chiến lược điều khiển để công suất đạt được là cực đại khi mà tốc độ gió và bức xạ mặt trời thay đổi và đảm bảo chất lượng điện năng tại một mức độ nhất định.Để đạt được công suất cực đại,biến điều khiển tốc độ phụ thuộc vào tuabin gió và điểm công suất cực đại của pin mặt trời được áp dụng.Bộ chuyển đổi nghịch lưu nối lưới chuyển đổi năng lượngtừ tuabin gió và pin mặt trời bằng cách giữ nguồn 1 chiều không đổi. Để chắc các bộ nghịch lưu tự động tắt nguồn khi điện áp xoay chiều AC cao/thấp; tần số cao/thấp; lưới điện bị lỗi; hoặc nghịch lưu sử dụng quá trình quá độ hệ thống, Matlab simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy sự kiểm soát và nguyên nhân ảnh hưởng của hệ thống gió/mặt trời. ABSTRACT This paper deals with power control of a wind and solar hybrid generation system for interconnection operation with electric distribution system. Power control strategy is to extract the maximum energy available from varying condition of wind speed and solar irradiance while maintaining power quality at a satisfactory level. In order to capture the maximum power, variable speed control is employed for wind turbine and maximum power point tracking is applied for photovoltaic system. The grid interface inverter transfers the energy drawn from the wind turbine and PV array into the grid by keeping common dc voltage constant. To ensure safety these inverters automatically shut down in the event of : High/Low grid AC-voltage; High/Low grid frequency; Grid Failure; or Inverter malfunction. Modeling and simulation study on the entire control scheme is carried out using a power system transient analysis tool, Matlab Simulink. The simulation results show the control performance and dynamic behavior of the wind/PV system. 1. Giới thiệu Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát 1
2. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền - Giảm hay thay thế việc xây dựng các tải và phân phối, cũng như đưa ra các nhà máy điện truyền thống dùng năng phương thức vận hành và sử dụng điện sao lượng hóa thạch. cho hiệu quả, tiết kiệm. Đặc biệt với hiệu - Làm giảm công suất truyền tải và tăng ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của phát điện tại nơi tiêu thụ. các nguồn năng lượng hóa thạch, sự bùng - Không gây ô nhiễm môi trường khi nổ tăng trưởng của các nước đang phát vận hành sản xuất điện năng. triển.Điều - Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt. Để có thể đạt được các mục tiêu trên, - Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện thiết. và phương thức vận hành, cũng như trong - Việc lắp đặt và xây dựng các tấm pin kinh doanh có khả năng cho phép chỉ ra năng lươṇ g măṭ trời , các turbin gió là những nhà máy điện phải nâng cao hiệu tương đối nhanh. suất, các loại nguồn năng lượng mới được - Mặc dù năng lượng măṭ trời và gió khuyến khích phát triển như năng lượng mặt hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với trời, gió, khí sinh học.v.v nguồn năng lượng truyền thống, nhưng Hệ thống mà chúng ta đang đề cập và nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên phân tích đến là xây dựng mô hình và công liệu và sự gián đoạn cung cấp. nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu - Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ nhỏ với các nguồn phát điện phân tán (DG), về thuế và các ưu đãi khác. đây cũng là một phần trong mục tiêu phát - Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so triển hệ thống điều khiển lưới điện thông với các nhà máy năng lượng khác, khi minh (Smart Grid). Hiện nay, ở một số quốc cùng sản xuất ra một đơn vị năng gia phát triển như: Đức, Hoa Kỳ, lượng. Số người làm việc cho các trung Singapore v.v đã triển khai và vận hành tâm năng lượng gió trên khắp thế giới lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện khoảng 100000 công nhân. Một phân tán. Megawatt điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc. - Công nghệ năng lượng măṭ trời và gió Khi sử dụng năng lượng tái tạo có có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có những thuận lợi như sau : công suất từ nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà 2
3. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh các nhà máy điện kiểu truyền thống 3.2 Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu không làm được. PMSG 2. Hệ thống tích hợp nối lưới Hình 3.2: Mạch điện tương đương trong hê tọa độ dq của PMSG Phương trình cơ điện trong PMSG: d 2 d J m J m T T F dt 2 dt m e  Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 3. Năng lượng gió và công thức tính toán Với 3.1 Tuabin gió: Tm : Mô men xoắn cơ nhâṇ đươc̣ của Công suất lý tưởng của tuabin : trục máy phát từ turbine gió. Te : Mô men điêṇ 1 8 2 1 16 Pm,ideal A u3 A u3 W 2 1 2 1 F : Ma sát truc̣ quay của đôṇ g cơ 2 9 3 2 27 J : Mô men quán tính của turbine , giữa Hệ số 16/27= 0.593 thường được gọi là hệ trục và máy phát điện. số Betz. Nghĩa là một turbine không thể thu 4. Pin mặt trời và công thức tính toán được nhiều hơn 59.3% năng lượng của khối khí có cùng diện tích. Hình 4.1: Sơ đồ tương tương pin mặt trời. q VI R kTC A VI R I IPH I S e 1 Hình 3.1: Đường cong công suất lí tưởng R SH của tuabin gió. 3
4. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Trong đó: Iph: Dòng quang điện (A) 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 T : Nhiệt độ vận hành của pin (K) C Hình 5.1: Giải thuật P&O trong MPPT A: Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào P công nghệ chế tạo pin, ví dụ: công nghệ Si- MPP line monoA=1.2, Si-Poly A = 1.3 C B F E D G4 G3 A G2 G1 V V1 V3 V2 Hình 5.2: Đồ thị biểu diễn giải thuật tìm điểm MPPT khi bức xạ không đổi và thay đổi. PV Panel Invertor Grid Vdc Idc Vg I g Vdc V * PLL ref MPPT t V Imppt I g SS12, I I I Hysteresis PI_V v ref DC/AC erro Hình 4.2: Mô hình pin mặt trời lý tưởng controler Công thức tính toán: Hình 5.3: sơ đồ khối điều khiển Pin mặt trời nối lưới phân phối. qV I I I e kTC A 1 6. Khối điều khiển tuabin gió. PH S d e e p Wind tubin s Converter Invertor Grid d & PMSG n i W I 5. Khối tìm điểm công suất cực đại của Vdc Idc Vg g Vdc V * PLL pin mặt trời MPPT. ref MPPT t V Imppt I g SS12, I I I Hysteresis PI_V v ref DC/AC erro controler Hình 6.1: sơ đồ nguyên lý khối điều khiển tuabin gió. 4
5. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 8. Mô hình và kết quả mô phỏng Simulink Hình 6.2: sơ đồ nguyên lý giải thuật P&O trong điều khiển tìm điểm công suất cực đại khi tốc độ gió thay đổi. BEGIN Measure Vdc,Idc Pdc(t)=Vdc*Idc N Y Pdc(t) > Pdc(t-1) N Y N Vdc(t)>Vdc(t-1) Y Vdc(t)>Vdc(t-1) Hình 8.1: Mô hình hệ thông trên Matlab Vref=Vdc(t)+Inc Vref=Vdc(t)-Inc Vref=Vdc(t)+Inc Vref=Vdc(t)-Inc Vdc(t-1)=Vdc(t) Pdc(t-1)=Pdc(t) BEGIN Hình 6.3: Giải thuật P&O trong MPPT trong bộ điều khiển tuabin gió. 7. Khối điều khiển góc pha khi hòa lưới. Hình 8.2: Thông số kỹ thuật máy phát PMSG Hình 7.1: sơ đồ nguyên lý khối PLL PLL trong mạch mô phỏng có nhiệm vụ xác định góc pha của lưới điện phân phối. Đây là nhiệm vụ rất quan trọng vì nếu ta không xác định được góc pha của lưới điện thì không thể hòa đồng bộ bộ nghịch lưu vào lưới điện phân phối được. 5
6. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh suất 10KW nối với lưới thông qua các điểm kết nối PCC1 – PCC6. Khời động mô phỏng Khởi tạo các thông số mô phỏng ban đầu A) Thời gian mô phỏng B) Giá trị mặc định của tải, điện gió và NLMT. Khởi tạo CB CB tải = 1; CB lưới = 1; CB Pin NLMT = 1; CB MFĐ gió = 1; CB Bộ xạc Pin LTNL = 1; CB Pin LTNL =0; Đúng 4 < Tốc độ gió < 14 Hình 8.3: Thông số kỹ thuật hệ thống pin Sai mặt trời CB gió = 0 Đúng Công suất bức xạ < 0.3 Sai CB NLMT = 0 Sai Thời gian mô phỏng t ≥ 1.5s Đúng CB lưới = 0 CB bộ xạc LTNL = 0 CB pin LTNL = 1 Đo đếm và Xuất kết quả Kết thúc Hình 8.4: Khối lưới điện 1 pha tần số 50Hz Hình 8.6: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống nối lưới Hình 8.5: Khối phụ tải điện 1 pha thuần trở, công suất 10kW Hệ thống microgrid bao gồm nguồn năng lượng mặt trời có công suất định mức 5 Hình 8.7: Các tín hiệu từ bộ điều khiển KVA, máy phát điện gió có công suất 5 trung tâm truyền đến các CB. KVA, pin lưu trữ năng lượng hòa vào lưới điện thông qua kết nối bộ nghịch lưu điện tử công suất, có bao gồm cả tải nội bộ có công 6
7. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nối lưới (chế độ nối lưới) và cả điện áp tải (chế độ cách ly). Hình 8.8:Công suất P,Q ngõ ra tuabin gió thay đổi theo tốc độ gió đầu vào Công suất định mức của turbine gió là 5KVA, trong khi công suất thức thời thay Hình 8.10:Giá trị điện áp và dòng điện DC đổi theo vận tốc gió đầu vào và việc điều ngõ ra bộ pin NLMT chỉnh góc của cánh gió, ta giả định giá trị tốc độ gió được thay đổi từ 13 m/s đến 11.5 m/s tại thời điểm mô phỏng t =1s, từ 11.5 m/s đến 11 m/s tại t = 2s và từ 11 m/s đến 10 m/s tại t = 3s. Hình 8.11:Quá trình nạp xả pin lưu trữ khi cắt điện lưới dẫn đến thiếu hụt công suất cho tải. Khi microgrid mất kết nối với lưới điện do sự cố phía lưới. Các DG sử dụng Hình 8.9:Công suất P,Q ngõ ra pin mặt trời. năng lượng gió và mặt trời sẽ cung cấp cho tải nội bộ của microgrid, nhưng lúc này dao Qua kết quả thu được, ta thấy sau khi dao động điện áp sẽ xảy ra do bộ ước lượng góc động công suất ở thời điểm đầu của mô pha không dùng tín hiệu tham chiếu điện áp phỏng, công suất ngõ ra của hệ thống năng và góc pha, tần số lưới điện nữa, mà chính lượng mặt trời đã bám sát theo sự thay đổi nó sẽ ước lượng, thiết lập tín hiệu góc pha của bức xạ NLMT đầu vào, lưu ý là hệ và biên độ dòng điện chuyển đến các bộ thống microgrid chuyển sang trạng thái cách điều khiển. Như vậy dao động điện áp tại ly tại thời điểm t = 1,5s, dao động không xảy nút tải này được giải quyết bằng cách bù ra nhiều vào thời điểm chuyển chế độ làm lượng thiếu hụt dòng điện của các DG bằng việc và hệ thống vẫn duy trì được điện áp dòng điện bơm ra từ battery. nút kết. 7
8. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ta thấy giá trị công suất của pin trước mặt trời, vận tốc gió từ môi trường bên thời điểm t = 1.5s là bằng không thể hiện ngoài. cho việc battery đã được xạc đầy từ lưới + Bộ nghịch lưu có hệ số công suất bơm vào điện, sau khi lưới điện cắt ra, battery đã lưới điện xấp xỉ bằng 1, đạt trên 0.9999, chuyển tức thì sang chế độ xả năng lượng, điều này có thể coi như hệ thống mô phỏng nó đã bơm công suất vào nút tải để bù phần chỉ bơm công suất tác dụng và không bơm công suất thiếu hụt và giữ cân tải. công suất phản kháng lên lưới điện phân phối. Hình 8.12: Điện áp ngõ ra tại điểm kết nối biên độ đỉnh và rms Hình 8.13: Dạng sóng điện áp ngõ ra từ 1.4s đến 2s: biên độ đỉnh và rms 9. Kết luận. + Hệ thống pin năng lượng mặt trời và máy phát điện gió hòa đồng bộ lưới điện phân phối luôn hoạt động tại điểm có công suất cực đại khi có sự thay đổi cường độ bức xạ 8
9. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Van Nho, Hong - Hee Lee, "Analysis of carrier PWM Method for Common Mode Elimination in Multilevel Inverter", IEEE . [2] L. Hassaine, E. Olias, J. Quintero, M. Haddadi "Digital power factor control and reactive power regulation for grid-connected photovoltaic inverter" power electronics systems group, universidad cartas III de madrid, avda, de la universidad 30, 28911 leganes, Madrid, Spain. [2] Babak FARHANGI, student member IEEE, Shahrokh FARHANGI member IEEE "Application of Z-source converter in photovoltaic grid-connected transformer-less inverter" School of ECE, Tehran, Iran. [4] Ayman A. Hamad, Mohammad A. Alsaad "A software application for energy flow simulation of a grid connected photovoltaic system" University of Jordan, Amman, 11942, Jordan. [5] Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, "A New PWM Strategy for Common Mode Voltage Reduction in Neutral - Point - Clamped Inverter - Fed AC Motor Drives", IEEE. [6] Ahmad M., Mazen A., M. and Tharwat (2006): Vertical axis wind turbine modeling and performance with axial flux permanent magnet synchronous generator for battery charging applications. Retrieved September 14, 2012 [7] 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. 9
10. 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.