Mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ (MG) trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợpvới máy phát điện diesel

Nội dung text: Mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ (MG) trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợpvới máy phát điện diesel

1. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢPVỚI MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL SIMULATION POWER QUALITY OF MICROGRID BASED ON PHOTOVOLTAIC AND WIND OPERATE UNCONECTED WITH GRID Nguyễn Viết sang Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Khi nhu cầu năng lượng của các nước ngày càng gia tăng, khả năng cung cấp nguồn của lưới điện truyền thống ngày càng hạn chế do cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên, thiên tai .Thì nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được tin dùng và có tiềm năng lớn. Việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo cũng phải đáp ứng được các tiêu chuẩn cao về chất lượng điện năng. Nguồn năng lượng tái tạo đang được sử dụng phổ biến hiện nay là nguồn năng lượng mặt trời. Chính vì thế nghiên cứu “Mô phỏng chất lượng điện năng trên lưới điện nhỏ trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp máy phát điện Diesel” 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 diesel, 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 độc lập và kết hợp Diesel 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). Từ khóa: Chất lượng điện năng, an ninh năng lượng, lưới điện nhỏ, năng lượng mặt trời ABSTRACT When energy demand of the country is increasing, the ability to provide traditional grid sources increasingly limited due to the depletion of natural resources, disaster .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 is 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. Key word: Power quality, power security, microgrid, wind power, solar energy 1. ĐỊNH NGHĨA MICROGRID. có thể hoạt động như một lưới điện độc lập, Có thể có nhiều định nghĩa cho khái tách khỏi lưới điện phân phối hiện niệm này, nhưng một định nghĩa tương đối hành”.[1] đầy đủ là của Navigan Research: “Lưới điện Bao gồm các thành phần chính như nhỏ là một hệ thống năng lượng tích hợp sau: Nguồn năng lượng, hệ thống quản lý bao gồm các nguồn năng lượng phân tán năng lượng, hệ thống lưu trữ năng lượng, (DER - distributed energy resources), một thiết bị tiêu thụ điện, và các tiện ích kết nối. số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống này
2. tái tạo. Nhưng tình trạng thiếu năng lượng đang trở nên phổ biến hơn, năng lượng mặt trời ngày càng trở nên giá cạnh tranh.Tấm năng lượng mặt trời chiếm diện tích lớn khi lắp đặt. 3. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH. Để quan sát được những vấn đề liên quan Hình 1: Lưới điện nhỏ là nguồn năng chất lượng điện năng của bản thân hệ lượng mặt trời. MicroGrid cũng như những ảnh hưởng, tác động của MicroGrid đến toàn hệ thống thì việc xây dựng mô hình mô phỏng nghiên cứu là cần thiết. Trên thực tế hầu hết các thiết bị điện đang được sử dụng là thiết bị điện xoay chiều. Do đó, ý tưởng xây dựng mô hình mô phỏng có cấu trúc AC. Nghĩa là MicroGrid sau khi tạo ra năng lượng được chuyển thành dạng DC Hình 2: Lưới điện nhỏ là năng lượng mặt qua bộ nghịch lưu tạo thành điện AC kết nối trời kết hợp Diesel. với lưới thông qua Bus chung (PCC). Bố trí 2. ƯU ĐIỂM VÀ THÁCH THỨC [2]. các máy cắt trên hệ thống MicroGrid để thực Giúp nhà đầu tư tiết kiệm tiền từ việc hiện đóng cắt cho các trường hợp mô phỏng. tiêu thu năng lượng tái tạo, thân thiện với Ý tưởng về mô hình mô phỏng được xây môi trường, giảm lượng khí thải và các chất dựng theo Hình 3 và vận hành trên nền tảng ô nhiễm gây nên hiệu ứng nhà kính, sử dụng môi trường Simulink Matlab 2015a. 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 Bên cạnh đó cũng có các thách thức như sau: Các chi phí ban đầu là bất lợi chính của việc cài đặt một hệ thống năng lượng Hình 3: Sơ đồ khối mô hình mô phỏng. mặt trời, phần lớn là vì chi phí cao của các 3.1 Mô hình hóa pin quang điện vật liệu bán dẫn được sử dụng trong việc Mô đun PV có thể được thay thế bằng xây dựng. Chi phí năng lượng mặt trời cũng mạch tương đương [3] nguồn dòng mắc là cao so với tiện ích-cung cấp điện không song song với một đi-ốt. Nguồn dòng này có
3. được do dòng điện của các phôton sinh ra và Hình 6 là sơ đồ khối các thành phần nghịch ngõ ra của nó là các hằng số nhiệt độ và lưu, bộ này sử dụng dòng điện hoặc điện áp hằng số bức xạ của ánh sáng. ngõ ra 3 pha để làm tín hiệu tạo các xung kích để đóng mở các IGBT. Hình 4:Mạch tương đương của pin quang điện Hình 6: Sơ đồ bộ nghịch lưu. Trong mạch tương đương trên, điện trở mắc song song biễu diễn dòng rò còn 3.3. Cấu hình hệ thống. điện trở mắc nối tiếp mô tả điện trở nội của dòng chảy. Hình 7: Cấu hình PV kết hợp Diesel. Hình 5: Mô hình PV trong matlab. 3.2. Bộ nghịch lưu Hình 8: Cấu hình PV kết hợp Diesel độc lập lưới điện. Để đạt được điều khiển tốt hơn và tránh được các ảnh hưởng của hài thì trong Hình 7 thể hiện các thành phần chính các công nghệ nghịch lưu, công nghệ điều của hệ MicroGrid để tạo ra được nguồn chế độ rộng xung (PWM) mang lại hiệu quả điện 3 pha, trong khi đó PV Array biến đổi cao. Tần số chuyển mạch được chọn trong năng lượng mặt trời thành điện DC. Điện khoảng từ 50 đến 100 lần tần số của lưới năng do máy phát tạo ra sẽ được đưa vào bộ điện. Phía sau các bộ nghịch lưu thường có chỉnh lưu để biến đổi thành điện áp một thêm bộ lọc để loại bỏ các sóng hài bậc cao. chiều, nó kết hợp với điện áp 1 chiều do PV
4. Array tạo ra làm nguồn ngõ vào cho bộ nghịch lưu 3 pha. Bộ điều 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 Hình 9: Điện áp và dòng điện MG. 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. Hệ thống còn tích hợp các máy cắt để giả lập các trường hợp mô phỏng. Thông số mô phỏng như sau: PV: 1Soltech 1STH-215-P Điện áp làm Vm 29V việc cực đại Hình 10: Điện áp và dòng điện tải. 4.2. PV kết hợp Diesel. Dòng điện Im 7.35 A làm việc cực đại Bức xạ T 25 0C Số tấm pin 63 mắc song song Hình 11: Điện áp DC từ MG. Số tấm pin 12 mắc nối tiếp Bảng 1: Thông số PV. Thông số máy phát: 320 KW, 0.4 KV, 50Hz. 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 4.1 PV hoạt động độc lập
5. Hình 12: Điện áp và dòng điện MG Hình 15: Điện áp và dòng điện MG. Hình 13: Điện áp và dòng điện tải. 4.3. Trường hợp tăng tải lên 10%. Hình 16: Điện áp và dòng điện tải. 4.4 Trường hợp tăng tải lên 20%. Hình 14: Điện áp DC từ MG. Hình 17: Điện áp DC từ MG.
6. Tìm hiểu khái quát về Microgrid, sơ đồ khối Microgrid.Tìm hiểu về năng lượng tái tạo (năng lượng mặ trời), ưu nhượt điểm, tình hình sử dụng trong và ngoài nước. Xây dựng được mô hình mô phỏng Matlab để mô phỏng điện áp trong các trường hợp giả định như trường hợp PV hoạt động độc lập, trường hợp PV hoạt động kết hợp với máy phát Diezel và tăng tải theo giả định. Hình 18: Điện áp và dòng điện tải. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng Microgrid 5. NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG hoàn toàn có thể hoạt động độc ập với lưới VÀ KẾT LUẬN. điện chính mà không ảnh hưởng đến các vấn đề chất lượng điện năng. Với những vấn đề Từ các kết quả mô phỏng ở hai trường hợp về năng lượng cũng như về môi trường hiện PV hoạt động độc lập và PV kết hợp máy nay thì việc áp dụng MicroGrid dùng năng phát điện Diesel cho ta thấy rằng lưới điện lượng mặt trời vào thực tiễn là hoàn toàn Microgrid hoàn toàn có thể hoạt động độc khả thi. Sử dụng MicroGrid trong thực tế lập với lưới điện chính, mà vẫn đảm bảo tiêu góp phần cải thiện môi trường (vì Microgrid chuẩn chất lượng điện năng của lưới điện. năng lượng mặt trời là năng lượng sạch, tái Sử dụng lưới điện Microgrid góp phần hạn tạo), cải thiện sự nóng lên của trái đất, góp chế sự phụ thuộc của tải vào lưới điện chính. phần đảm bảo mô trường xanh. Khi xảy ra mất điện lưới hoàn toàn, hệ thống Bên cạnh những kết quả đạt thì đề tài có sẽ kích hoạt pin dự trữ, sau đó khởi động hệ thể phát triển, cải tiến thêm mô hình mô thống năng lượng mặt trời độc lập. khi tải phỏng như sau: tăng quá 10% hệ thống sẽ khởi động máy phát điện Diesel hoạt động song song. Nghiên cứu thêm các giải thuật điều khiển nhằm tứu ưu hóa phân bố công suất. Nghiên Vào trường hợp ban đêm và mưa bảo hệ cứu các phương phát triệt nhiễu cho bộ thống sẽ chạy máy phát Diesel. nghịch lưu đễ giảm thiểu sóng hài ngõ ra. Hệ thống hoạt động đảm bảo liên tục cung Nghiên cứu và ứng dụng các giải thuật tối cấp điện và chất lượng điện năng nằm trong ưu hóa để tìm ra các hệ số Ki, Kp tốt hơn giới hạn cho phép. cho các bộ điều khiển nhằm giảm thiểu độ Kết Luận: méo dạng sóng hài cho dòng điện khi có sự thay đổi công suất bơm ra lưới từ bộ nghịch So với mục tiêu ban đầu đề ra, mô lưu. hình này đã đạt được một số kết quả sau:
7. Nghiên cứu tối ưu hóa công suất cho bộ lưu National Institute of Technology Rourkeyla điện để đưa vào sử dụng cung cấp năng 2012 lượng sạch thay thế máy phát Diezel. Các tài liệu khác: 6. LỜI CẢM ƠN. - Đại học berkeley Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, - Chris Marnay. Introdution to Microgrids. tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Phúc, giảng viên trường Đại học Bách Faculty Club, U.C. Berkeley 17 June 2005. khoa TPHCM đã tận tình hướng dẫn thực hiện nghiên cứu. Bên cạnh đó, tôi cũng cảm - Daniel Pleau, Nikolai Kemp Catala, Scott ơn các Thầy cô khoa điện – điện tử trường Clemons. Microgrid Power Quality Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã cung cấp kiến thức trong quá trình nghiên cứu. Analysis. March 2013. TÀI LIỆU THAM KHẢO. - Kolja Eger, Juergen Goetz, Rainer [1] Thái Sơn. Bùng nổ thị trường lưới điện Sauerwein, Reinhard Frank, Didier Boëda, nhỏ. Internet: Ignacio Martin Diaz de Cerio, Rafaá Artych, Eleftherios Leukokilos, Nikos Nikolaou, Lionel px?pm=ttuc&sj=tn&id=10533#.VdVKHpD 0FnM 25/04/2016. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): [2] S. Chowdhury, S.P. Chowdhury and P. Crossley. MicroGrid and Active Distribution Họ tên : NGUYỄN VIẾT SANG Networks. The Institution of Engineering Đơn vị : and Technology London, 2009 Điện thoại : 0987143946 [3] Lipsa Priyadarshanee. Modeling and control of hybrid AC/DC Microgrid Email :nguyenvietsangpn@gmail.com Department of Electrical Engineering 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.