Mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ (MG) trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió làm việc với lưới điện

Nội dung text: Mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ (MG) trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió làm việc với lưới điện

1. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN SIMULATION POWER QUALITY OF MICROGRID BASED ON PHOTOVOLTAIC AND WIND OPERATE WITH GRID Nguyễn Hoài Việt Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Khi nhu cầu năng lượng cho các nước ngày một gia tăng, khả năng cung cấp của nguồn năng lượng truyền thống ngày càng hạn chế trong khi tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới rất lớn. Do đó, yêu cầu cấp thiết hiện nay là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện môi trường thay vì phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu truyền thống trong quá trình sản xuất điện và giảm bớt sự phụ thuộc cung cấp điện từ lưới điện chính nhưng phải đảm bảo an ninh cung cấp điện và an ninh hệ thống điện. Chính vì thế nghiên cứu “Mô phỏng chất lượng điện năng trên lưới điện nhỏ trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió làm việc với lưới” là rất cần thiết. Để thực hiện mô phỏng, mô hình hệ thống được xây dựng dựa trên các thành phần như pin quang điện, máy phát điện gió, bộ nghịch lưu . sử dụng công cụ có sẵn trong Simulation/Simulink của Matlab 2015a. Mô phỏng và khảo sát chất lượng điện áp của hệ thống trong các trường hợp vận hành chế độ nối lưới và chế độ độc lập để cung cấp cho phụ tải 200 kW, 400 Vac, 50 Hz. Sau thực hiện mô phỏng thì kết quả mô phỏng cho thấy rằng, mô hình đã xây dựng đáp ứng được giá trị điện áp mà tải yêu cầu (400 Vac). Trong đó, các ảnh hưởng của MicroGrid lên lưới điện chính không đáng kể vì khi so với lưới điện chính thì MicroGrid rất nhỏ. Từ khóa: Chất lượng điện năng, an ninh năng lượng, lưới điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng mặt trời ABSTRACT When demand to use energy in each country is increasing, ability to supply electric from traditional energy is limited while renewable energy is abundant in the world. Therefore, using renewable energy to supply power is important require nowadays, instead of depend on main grid but still it ensure power quality. So study “Simulation power quality of Microgrid based on photovoltaic and wind operate grid” is so necessary. To simulate, model is built from tools in Matlab 2015a environment as PV Array, inverter, Wind turbine . Simulate and survey voltage quality of system in case grid connected and island mode to supply power for load 200 kW, 400 Vac and 50 Hz. From result of simulation, this model can be response for load demand and effect of Microgrid on grid is very small. Key word: Power quality, power security, microgrid, wind power, solar energy 1. ĐỊNH NGHĨA MICROGRID MicroGrid [1] là một lưới điện được cấu thành từ các thành phần như máy phát phân tán, thiết bị lưu trữ năng lượng, tải khu vực và thiết bị đóng cắt thông minh. MicroGrid là một lưới điện độc lập có hoặc không liên kết với lưới điện quốc gia. Hình 1. Sơ đồ của MicroGrid đơn giản Trong đó các thành phần ở mô hình trên được định nghĩa như sau: • Máy phát phân tán (Distributed generator) là các tua-bin nhỏ (25 -
2. 100kW) như máy phát điện bằng sức gió, thống MicroGrid và lưới sẽ cấp điện cho năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu; phụ tải. Trên hệ thống bố trí các máy cắt ở lưới, MicroGrid và tải để thực hiện đóng cắt • Các thiết bị lưu trữ năng lượng (Energy cho các trường hợp mô phỏng. Ý tưởng về storage) được sử dụng (Flywheel, siêu tụ mô hình mô phỏng được xây dựng theo điện, ắc-quy, SMES) nhằm cải thiện độ Hình 2 và vận hành trên nền tản môi trường ổn định và cải thiện hiệu suất của hệ Simulink trong Matlab 2015a. thống và cung cấp truyền tải liên tục giữa các chế độ vận hành; • Phụ tải (Load) cũng được chia là 2 loại chính, 1 loại yêu cầu cung cấp điện liên tục, loại còn lại cho phép ngừng cấp điện để phục vụ bảo trì sửa chữa; • Thiết bị đóng cắt kết nối lưới dùng để kiểm soát các kết nối thông nhau của máy phát phân tán, tải khu vực và lưới, được đặt ở điểm liên kết chung của hệ thống Hình 2. Ý tưởng xây dựng mô hình MicroGrid và có chức năng quản lý các 3.1. Pin quang điện (Photovoltaic) [4] chế độ vận hành của hệ thống. Mô đun pin quang điện có thể được thay thế 2. ƯU ĐIỂM VÀ THÁCH THỨC CỦA bằng mạch tương đương nguồn dòng mắc MICROGRID [2] song song với một đi-ốt. Nguồn dòng này có Sự phát triển của MicroGrid đầy triển vọng được do dòng điện của các phôton sinh ra và cho ngành công nghiệp năng lượng điện do ngõ ra của nó là các hằng số nhiệt độ và các ưu điểm như giảm lượng khí thải và các hằng số bức xạ của ánh sáng. chất ô nhiễm gây nên hiệu ứng nhà kín, sử dụng năng lượng hiệu quả, cải thiện công suất phản kháng do đó nâng cao chất lượng điện năng, giảm thiểu sự quá tải ở cách nhánh truyền tải và phân tán Nhưng bên cạnh các ưu điểm chính thì MicroGrid còn những hạn chế như chi phí cao của nguồn năng lượng phân tán, các khó Hình 3. Mạch tương đương pin quang điện khăn về kỹ thuật, thiếu tiêu chuẩn căn cứ. Trong mạch tương đương trên, điện 3. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH MÔ PHỎNG trở mắc song song biễu diễn dòng rò còn Để quan sát được những vấn đề liên quan điện trở mắc nối tiếp mô tả điện trở nội của chất lượng điện năng của bản thân hệ dòng chảy. Dòng điện và điện áp của pin MicroGrid cũng như những ảnh hưởng, tác quang điện khi không xét tổn thất truyền dẫn động của MicroGrid đến toàn hệ thống thì (RS = 0) và không có dòng rò tiếp đất (RP = việc xây dựng mô hình mô phỏng nghiên ∞), có nhiều mô đun quang điện kết nối nối cứu là cần thiết. Trong đó, chất lượng điện tiếp (NS) và song song (NP) được thể hiện năng [3] được định nghĩa là bất kỳ vấn đề theo biểu thức sau: nào liên quan đến dòng điện, điện áp, sai I= N I−− N I [exp(qV / N kT A) 1] pv P PH P S pv S C (1) lệch tần số do sự cố hoặc vận hành không chính xác của các thiết bị phụ tải. Trong đó: I=+ [I K (T −λ T )] /1000 Trên thực tế hầu hết các thiết bị điện đang PH SC I C ref (2) được sử dụng là thiết bị điện xoay chiều. Do I= I (T / T )3 exp[qE (1/ T− 1/ T ) / kA] đó, ý tưởng xây dựng mô hình mô phỏng có S RS C ref G ref C (3) cấu trúc AC. Nghĩa là MicroGrid sau khi tạo I= I / [exp(qV / N kAT )− 1] RS SC oc S C (4) ra năng lượng được chuyển thành dạng DC qua bộ nghịch lưu tạo thành điện AC kết nối với lưới thông qua Bus chung (PCC). Hệ
3. Với, Vpv là điện áp ngõ ra mô-đun PV; Ipv là dòng điện ngõ ra PV; Tref là nhiệt độ tham chiếu; Tc là nhiệt độ vận hành; IPH là dòng điện được ta ra bởi ánh sáng từ mô-đun PV; Is là dòng điện bảo hòa của mô-đun PV; A = 1.6 là hệ số lý tưởng; k = 1.3805×10-23 là hằng số Boltzman; q = 1.6×10-19 là điện tích electron; Rs là điện trở mắc nối tiếp của mô- đun PV; Isc là dòng điện ngắn mạch của mô- o 2 đun PV ở nhiệt độ 25 C và 1000W/m ; KI = 0.0017 là hệ số nhiệt độ dòng ngắn mạch; λ = 1000 là bức xạ mô-đun PV; Eg là năng lượng của vật liệu tấm pin; Ns là tổng số pin mắc nối tiếp; N là tổng số pin mắc song p song. Hình 5. Mô hình tuabin gió trong Matlab Matlab xây dựng mô hình Tuabin gió thông qua các mô hình như mô hình phần điện gồm các thành phần như máy phát điện, bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC, bộ nghịch lưu Mô hình phần cơ gồm phần tuabin gió và bộ điều khiển cơ khí. 3.3. Bộ nghịch lưu Để đạt được điều khiển tốt hơn và tránh được các ảnh hưởng của hài thì trong các Hình 4. Mô hình PV trong Matlab công nghệ nghịch lưu, công nghệ điều chế độ rộng xung (PWM) mang lại hiệu quả cao. 3.2. Phong điện Tần số chuyển mạch được chọn trong Công suất của luồng gió qua cánh quạt khoảng từ 50 đến 100 lần tần số của lưới được xác định theo biểu thức sau [5]: điện [3]. Phía sau các bộ nghịch lưu thường 11 có thêm bộ lọc để loại bỏ các sóng hài bậc P=ρ=ρ ( AV )(V )23 AV (5) air 22∞∞ ∞ cao. Máy phát điện sử dụng cho việc tạo ra điện từ gió thường dùng hai loại máy phát chính là máy phát không đồng bộ DFIG (Double Fed Induction Generator) và máy phát điện nam châm vĩnh cữu PMG (Permanent Magnet Generator). Căn cứ theo [6], mô hình tuabin gió được chọn để thực hiện mô phỏng có máy phát điện loại đồng bộ nam châm vĩnh cữu (PMSG) bởi những ưu điểm Hình 6. Sơ đồ bộ nghịch lưu đơn giản thực tế của nó như không cần bộ kích từ rời và hộp số. 3.4. Cấu hình hệ thống tích hợp Hình 7 thể hiện các thành phần chính của hệ MicroGrid để tạo ra được nguồn điện 3 pha. Hệ thống này gồm Tuabin gió sử dụng sức gió để tạo ra điện áp xoay chiều, trong khi đó PV Array biến đổi năng lượng mặt trời thành điện DC. Điện năng do Tuabin gió tạo ra sẽ được đưa vào bộ chỉnh lưu để biến đổi thành điện áp một chiều, nó kết hợp với điện áp 1 chiều do PV Array tạo ra làm nguồn ngõ vào cho bộ nghịch lưu 3 pha. Bộ điều
4. chế độ rộng xung (PWM) được dùng để tạo tín hiệu điều khiển các IGBT trong bộ nghịch lưu, trong đó, bộ điều chỉnh điện áp tùy chế độ hoạt động mà lựa chọn giá trị điện áp để nghịch lưu. Bên cạnh đó mô hình còn xét đến hoạt động của hệ thống lưu trữ năng lượng thông qua việc sử dụng các Breaker B1a và B2a để mô phỏng cho việc nạp xả của bộ lưu trữ. Hệ thống lưu trữ này có điện áp 400 Vdc, 750 Ah. Hình 9. Hệ thống MicroGird khảo sát Hình 8 thể hiện các thành phần bên trong Chi tiết các thông số cung cấp cho các khối của mô hình lưới điện chính được tham khảo chính trong mô hình được cho theo các bảng từ thư viện có sẵn của Matlab. Các thành sau: phần này gồm có nguồn 3 pha 120kV Bảng 1. Thông số mô phỏng PV Array 2500MVA, máy biến áp đấu nối sao nối đất/ 1Soltech 1STH-215-P tam giác để hạ điện áp xuống còn 25kV. Thông số Ký hiệu Giá trị Nguồn truyền tải điện năng trên đường dây Công suất cực 35km, dọc đường dây có các phụ tải. P 213.15 W đại max Từ hai mô hình trên, mô hình mô phỏng Điện áp hở V 36.3 V được xây dựng như Hình 9. Trong hình này, mạch oc lưới điện chính được hạ áp xuống còn 0.4kV Dòng điện ngắn I 7.84 A cũng như MicroGrid sau khi qua bộ nghịch mạch sc lưu được nâng áp lên thành 0.4kV để cung Điện áp làm V 29 V cấp cho phụ tải 200kW 0.4kV 50Hz. Bên việc cực đại m cạnh đó, mô hình còn chứa các máy cắt Dòng điện làm I 7.35 A nhằm mục đích giả lập các trường hợp mô việc cực đại m phỏng và các khối hiển thị kết quả mô Bức xạ 1000 W/m2 phỏng. Nhiệt độ môi 0 t 25 C trường Số tấm pin mắc 63 song song Số tấm pin mắc 12 nối tiếp Dòng điện tạo IL 7.8649 A ra/1 tấm Dòng điện bảo -10 I0 2.9259 A hòa diode/1 tấm Hệ số lý tưởng A 0.98117 diode Điện trở song R 313.3991 Ω Hình 7. Cấu hình của khối tích hợp phong song sh điện và quang điện Điện trở nối tiếp Rs 0.39383 Ω Bảng 2. Thông số cho máy phát điện gió Thông số Ký hiệu Giá trị Công suất danh Pn 30 kVA định / 1 Tuabin Hình 8. Mô hình bên trong của lưới điện Số lượng tuabin 8 chính Điện áp danh định Vn 0.4 kV Tần số danh định fn 50 Hz Hệ số quán tính / 1 H 0.62 s Tuabin Hệ số ma sát / 1 F 0.01 pu
5. Tuabin Số đôi cực 1 Bảng 3. Thông số lưới điện Thông số Ký hiệu Giá trị Điện áp V 120 kV Nguồn rms Tần số f 50 Hz Đường Tần số f 50 Hz dây phân Chiều L 35 km phối dài 4. TRƯỜNG HỢP MÔ PHỎNG Hình 12. Dạng sóng và điện áp dòng điện Với cấu hình hệ thống đã xây dựng thực sau máy biến áp của MicroGrid ở chế độ hiện mô phỏng chất lượng điện năng của mô độc lập hình trong trường hợp MicroGrid kết nối lưới và ngắt kết nối lưới (Vận hành độc lập). Với mục đích chính là khảo sát chất lượng điện áp trong từng trường hợp như trên, một số giả định đưới đây được đưa ra để thuận tiện việc mô phỏng như tốc độ gió ổn định ở 8 m/s; Bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường lần lượt là 1000 W/m2 và; Thời gian thực hiện mô phỏng trong 1 giây. 4.1. Chế độ vận hành độc lập Ở trường hợp này máy cắt B3 ở Hình 9 mở Hình 13. Dạng sóng và điện áp dòng điện ra nhằm cô lặp lưới điện và MicroGird. Lúc của phụ tải ở chế độ độc lập này, MicroGrid được thiết kế với công suất Nhận xét về kết quả mô phỏng: phát ra khoảng hơn 400 kW cung cấp cho phụ tải 200 kW. Kết quả mô phỏng trường • Do hệ thống MicroGrid tách khỏi lưới hợp này như sau: điện chính để phục vụ phụ tải và do giả định ban đầu rằng đầu vào cung cấp năng lượng cho Tuabin gió và PV Array ổn định nên điện năng phát ra từ hệ này luôn nằm trong khoảng 400 Vdc (Hình 10 và 11); • Với việc sử dụng bộ nghịch lưu dạng PWM có tần số chuyển mạch là 3000 Hz (Theo [4] tần số chuyển mạch của bộ nghịch lưu nằm trong khoảng từ 50 – 100 lần tần số danh định). Hình 11 thể hiện Hình 10. Kết quả mô phỏng của PV Array dạng sóng điện áp DC tổng sau khi qua và Tuabin gió chế độ vận hành độc lập bộ nghịch lưu thì chuyển đổi thành điện áp AC 3 pha. Dạng sóng thu được sau khi qua bộ lọc vẫn chưa được tối ưu có thể nguyên nhân do chọn giá trị lọc chưa chính xác, hệ số KP, KI chưa thật tối ưu và/hoặc tần số chuyển mạch chưa hợp lý. Điện áp 3 pha dao động trong khoảng 300Vrms. Sau đó điện áp này được đưa qua máy biến áp tăng áp thành 400Vrms cung cấp cho phụ tải; Hình 11. Dạng sóng điện áp trước và sau • Hình 13 thể hiện dạng sóng điện áp và khi qua bộ nghịch lưu dòng điện của phụ tải 200 kW. Do hoạt
6. động ở chế độ độc lập nên điện áp của phụ tải hoàn toàn theo điện áp do nguồn MicroGrid tạo ra khoảng 400Vrms. So sánh 2 Hình 12 và 13, khi hoạt động ở chế độ độc lập thì năng lượng cấp cho phụ tải phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống MicroGrid. 4.2. Chế độ vận hành nối lưới Ở trường hợp này máy cắt B3 đóng lại để lưới điện và MicroGird cùng vận hành cấp Hình 17. Dạng sóng và điện áp dòng điện điện cho phụ tải 200 kW. Kết quả mô phỏng của nguồn lưới ở chế độ vận hành nối lưới trường hợp này được thể hiện ở các hình sau: Hình 18. Dạng sóng và điện áp dòng điện của phụ tải ở chế độ vận hành nối lưới Hình 14. Kết quả mô phỏng của PV Array và Tuabin gió chế độ vận hành nối lưới Nhận xét về kết quả mô phỏng: • Ở Hình 14 đến Hình 17 , khi nối MicroGrid và lưới lại để hoạt động chế độ nối lưới thì trong khoảng thời gian từ 0 đến 0.05s dạng song thu được dao động mạnh. Nhưng từ 0.1s trở về sau biên độ dạng sóng các tín hiệu trở về trạng thái xác lập; • Ở Hình 18, do phụ tải cân bằng nên điện áp và dòng điện ở phụ tải cũng cân bằng. Hình 15. Dạng sóng điện áp trước và sau Giá trị biên độ của dòng điện và điện áp khi qua bộ nghịch lưu ở chế độ vận hành nối của phụ tải lần lượt khoảng 550 Vrms và lưới 380A; • Khi vận hành ở chế độ nối lưới thì lưới điện cũng tác động ngược trở lại các thành phần trong MicroGrid. Và phụ tải lúc này hoạt động theo lưới điện. 5. KẾT LUẬN Mô hình đã xây dựng vẫn có thể phục vụ cho trường hợp thay đổi giá trị các tham số để thực hiện những mục đích nghiên cứu Hình 16. Dạng sóng và điện áp dòng điện khác. sau máy biến áp của MicroGrid ở chế độ Với những kết quả mô phỏng trên cho thấy, vận hành nối lưới giá trị điện áp cấp cho phụ tải luôn được giữ quanh 400Vac, với độ sai lệch điện áp trong ngưỡng cho phép theo TCVN +10%, -5%. Các ảnh hưởng của MicroGrid lên lưới điện
7. chính không đáng kể vì khi so với lưới điện TÀI LIỆU THAM KHẢO chính thì MicroGrid rất nhỏ. Các thiết bị chuyển mạch được sử dụng trong mô hình [1] Iván Patrao, Emilio Figueres, Gabriel tạo ra một số nhiễu loạn nhất định. Bên cạnh Garcerá, Raúl González-Medina, Microgrid architectures for low voltage distributed đó, do chưa dò tìm được hệ số KI và KP phù hợp nên dạng sóng ngõ ra vẫn còn nhiễu. generation, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43, pp. 415 – 424, 2015. Nhưng, với những vấn đề về năng lượng cũng như về môi trường hiện nay thì việc áp [2] S. Chowdhury, S.P. Chowdhury and P. dụng MicroGrid dùng năng lượng mặt trời Crossley. Microgrids and Active và năng lượng gió vào thực tiễn là hoàn toàn Distribution Networks. The Institution of khả thi. MicroGrid được sử dụng càng nhiều Engineering and Technology London, 2009. và công suất ngày càng tăng thì các phụ tải [3] Roger C. Dugan, Mark F. McGran - sẽ giảm sự phụ thuộc vào lưới điện chính aghan, Surya Santoso, and H. Wayne Beaty. góp phần bảo vệ môi trường hạn chế sự ấm Electrical Power Systems Quality, Second lên của trái đất. Edition. McGraw Hill, 2003. Ngoài những kết quả đạt được, mô hình có [4] Lipsa Priyadarshanee. Modeling and thể xét đến việc sử dụng bộ dò tìm công suất control of hybrid AC/DC MicroGrid. cực đại (MPPT), bộ nghịch lưu sử dụng Department of Electrical Engineering VSC hoặc tính toán lại giá trị bộ lọc để National Institute of Technology Rourkela, mô hình mô phỏng hoạt động tối ưu hơn. 2012. 6. LỜI CẢM ƠN [5] S. Chowdhury, S.P. Chowdhury and P. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tôi Crossley. Microgrids and Active xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Distribution Networks. The Institution of Phúc, giảng viên trường Đại học Bách khoa Engineering and Technology London, 2009. TPHCM đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ [6] The Switch. PMG vs. DFIG. The big thêm các tài liệu tham khảo phục vụ nghiên generator technology debate. cứu. Bên cạnh đó, tôi cũng cảm ơn các Thầy cô khoa điện – điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã cung cấp kiến Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu thức trong quá trình nghiên cứu. Và cuối trách nhiệm bài viết): cùng, tôi xin cảm ơn người thân, bạn bè đã Họ tên : NGUYỄN HOÀI VIỆT động viên tin thần trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Đơn vị : Điện thoại : 012 7772 9909 Email : hoaiviet_tg@yahoo.com.vn XÁC NHẬN CỦA GVHD Tp. HCM, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi họ tên)
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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.