Quản lý công suất cho đa nguồn phát phân tán hệ thống vi lưới (Microgrid)

Nội dung text: Quản lý công suất cho đa nguồn phát phân tán hệ thống vi lưới (Microgrid)

1. QUẢN LÝ CÔNG SUẤT CHO ĐA NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN HỆ THỐNG VI LƯỚI (MICROGRID) POWER CONTROL STRATEGY FOR MULTIPLE DISTRIBUTED GENERATION OF A MICROGRID Nguyễn Trọng Trí Trương Việt Anh Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nguyentrongtri88@gmail.com tvanhspkt@gmail.com TÓM TẮT Với sự gia tăng mức độ cảnh báo toàn cầu về năng lượng, các máy phát phân tán dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo (DGs) sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất điện năng. Máy phát phân tán dựa trên năng lượng mặt trời (quang điện và quang nhiệt), gió, sinh khối, thủy điện nhỏ vùng với việc sử dụng pin nhiên liệu và máy phát điện tua bin nhỏ đã có những bước phát triển mạnh mẽ và đáng kể trong những năm qua. Trong quá trình hoaṭ đôṇ g của các bộ pin năng lượng mặt trời kết nối lưới điện phân phối, ngoài việc phải hoạt động tại điểm có công suất lớ n nhất theo sư ̣ thay đổi của cườ ng đô ̣bứ c xa ̣măṭ trờ i thì yêu cầu về tối thiểu hóa tổ ng đô ̣méo daṇ g sóng hài (THD) là một yêu cầu cần phải đạt được để đảm bảo chất lượng điện năng theo tiêu chuẩn IEC – 1547. Còn trong lĩnh vực năng lượng gió, đối với các máy phát điện gió công suất nhỏ chỉ được thiết kế để hoạt động độc lập. Vì vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng gió hòa đồng bộ lưới điện phân phối là một yêu cầu cấp thiết hiện nay. 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 đồng thời tối ưu hóa công suất phát điện của các nguồn phân tán (mặt trời và gió) và nâng cao chất lượng điện năng trong điều kiện thay đổi của môi trường bên ngoài. ABSTRACT With the increase in the level of global warming, renewable energy based distributed generators (DGs) will increasingly play a dominant role in electricity production. Distributed generation based on solar energy (photovoltaic and solar thermal), wind, biomass, mini-hydro along with use of fuel cells and micro turbines will gain considerable momentum in the near future. The solar cell units current was injected to power grid, that need to operate at the maximum power point, must have minimum total hamonic disturbance (THD) in oder to meet the IEC – 1547 standards. In the other hand, on the wind energy field which small wind generators were operated independently, designing of relevant wind generators which can connect to distribution network is very necessary. This paper focuses on solving the problems of maintaining normal operation of the static load when microgrid changing from grid-connected to autonomous operation due to the lost of power grid. Build a method to maintain load voltage stability during the appearance of grid power failures, power load changing and simultaneously maximize the power extracted from DGs as well as enhance the output power quality.
2. I. GIỚI THIỆU Một vi lưới (microgrid) bao gồm một nhóm phụ tải và các nguồn phân tán (DG), có thể hoạt động như một hệ thống có điều khiển riêng biệt. Sự kết nối của các DG với lưới điện thông qua một bộ chuyển đổi điện tử công suất đã nhận được sự quan tâm ngày càng tăng cao, chủ yếu liên quan đến việc vận hành an toàn và bảo vệ các thiết bị. Các thành phần DG thường là các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, điện gió, thủy điện giỏ, pin Hình 1.2:Hệ thống PV nhiên liệu Trong đó năng lượng gió và năng lượng mặt trời đang nhận được nhiều sự quan tâm, đặc biệt là ở các a) không DC/DC boost, b) có DC/DC boost. nước phát triển. Hơn thế nữa, sử mở rộng phạm vi công suất tiếp cận theo các công nghệ mới đã mở ra thị trường cho các vi lưới có công suất nhỏ tầm vài chục đến vài kW. Đây là hai cấu hình cơ bản được dùng trong nhiều tài Bài báo này với một cấu hình thử nghiệm của một vi liệu nghiên cứu về pin năng lượng mặt trời. Một là cấu hình lưới với hai thành phần nguồn phân tán công suất nhỏ là điều khiển MPPT không mạch tăng áp DC ngõ ra và một là pin năng lượng mặt trời và gió. Một hệ thống pin lưu trữ có cấu hình điều khiển MPPT với một mạch tăng áp Boost, để thể điều khiển được nhằm duy trì giá trị điện áp tại nút kết tăng điện áp DC ngõ ra. nối được thêm vào. Hệ thống được nối lưới tại điểm kết nối Thuật toán điều khiển Tổng dẫn gia tăng (INC) được chung (PCCC) và thông qua các CB. áp dụng cho mạch MPPT được đưa ra trong sơ đồ sau: Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của microgid dùng trong mô phỏng. Quá trình ổn định tĩnh của hệ thống được khão sát thông qua sự thay đổi của môi trường bên ngoài như gió và bức xạ mặt trời có xét đến giá trị điện áp tham chiếu và Tổng méo dạng sóng hài (THD) theo tiêu chuẩn IEC – 1547. II. CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁC THÀNH PHẦN DG A. PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (PV) Hình 1.3: Lưu đồ giải thuật INC. B. NĂNG LƯỢNG GIÓ Một hệ thống máy phát điện không đồng bộ nam châm vĩnh cữu (PSMG) được sử dụng trong mô hình hóa hệ thống gió.
3. Công suất cơ của máy phát điện gió có được là: Việc tối ưu hóa công suất phát điện của pin năng 1 3 lượng mặt trời theo thay đổi của phụ thuộc vào khối MPPT. PACmech R P (  ,  )  (W) (1.1) 2 Với giải thuật INC được mô tả ở trên, điện áp một chiều Theo công thức (1.1) thì giá trị tốc độ gió (tốc độ tua Vdc ngõ ra được điều chỉnh bám theo điện áp tham chiếu bin) là hàm mũ ba của công suất cơ trục tua bin , như vậy Vref , lúc này công suất phát ra luôn là cực đại. tốc độ gió ảnh hưởng rất lớn đến công suất ngõ ra , mặt Việc điều khiển được thực hiện gần tương tự với hệ khác mối liên hê ̣giữa thông lươṇ g nam châm và điêṇ áp thống gió. ngõ ra của PMSG được thể hiện qua phương trình: Wind tubin Converter Invertor Grid & PMSG 6 Ep  (1.2) speed Wind sm0 I 2 Vdc Idc Vg g V Như vậy, điện áp stato, là điện áp ngõ ra bộ chỉnh dc V * PLL ref MPPT lưu, cũng là một giá trị gián tiếp để điều khiển vận tốc tua t V Imppt I g SS12, bin. Khối MPPT sử dụng điện áp stato để điều khiển việc I Iv ref LP- I Hysteresis PI_V X erro trích xuất công suất gió làm việc theo chế độ như hình sau: filter controler Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng. Trong mạch mô phỏng, khối battery có chức năng bù trừ lượng thiếu hụt công suất để duy trì ổn định điện áp tại nút tải, sự duy trì này sẽ kéo dài cho đến khi pin hết lượng năng lượng lưu trữ của chính nó, lưu ý là khối battery axít chì được cho là lý tưởng, không xét đến sự thay đổi điện trở nội của pin và các thông số là không đổi trong chu kỳ nạp và xả, cũng như với tác động của nhiệt độ môi trường Hình 1.4: Đường cong công suất lí tưởng của tubin gió. và các hiệu ứng phụ khác. Khi hệ thống cách ly với lưới điện, dao động điện áp III. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN. xuất hiện do sự thiếu hụt công suất của các vi nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy, thông qua bộ điều khiển nghịch lưu PV Panel Invertor Grid dòng, sự dao động điện áp được nhận biết và được bù bởi Vdc Idc Vg I g pin, nguyên lý điều khiển và mạch mô phỏng được thể hiện V dc trong hình 1.9 như sau: V * PLL ref MPPT t V Imppt I g SS12, I I I Hysteresis PI_V v ref DC/AC erro controler Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng.
4. Tất cả các giá trị trong i_pv Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K) sơ đồ là giá trị RMS TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) V_ref Δi i_cont i_batt PI λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) i_wind V_grid I_load V. TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển battery VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trường hợp nghiên cứu mô phỏng hệ thống IV. MÔ HÌNH HÓA microgrid bao gồm nguồn năng lượng mặt trời có công suất định mức 5 KVA, máy phát điện gió có công suất 5 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 suất 10KW nối với lưới thông qua các điểm kết nối PCC1 – PCC6. Trường hợp nghiên cứu có tính đến trường Hình 1.5: Mạch điện tương đương của pin mặt trời hợp thay đổi của cả năng lượng gió (tốc độ gió) và năng lượng mặt trời (lượng bức xạ mặt trời) đến công suất của cả Sơ đồ trên là mô hình một đi ốt được sử dụng trong hệ thống. mô phỏng của một tế bào pin năng lượng mặt trời. Do tính chất phức tạp của việc mô phỏng các trường q VI R kTC A VI R hợp sự cố của lưới như chất lượng điện năng kém, sụp đổ I I I e 1 (1.2) PH S R SH hệ thống lưới do sự cố, cũng như mô phỏng các điều kiện Trong đó: cách ly lưới của microgrid, cho nên việc cách ly lưới được Iph: Dòng quang điện (A) mô phỏng bằng trạng thái cắt của CB lưới thông qua tín Is: Dòng bão hòa (A) hiệu điều khiển CB tại thời điểm t = 0.5s (CB = 0: trạng q: Điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C thái cách ly, CB = 1: trạng thái nối lưới). k: Hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K Để dễ dàng cho việc minh họa quá trình mô phỏng TC: Nhiệt độ vận hành của pin (K) hoạt động của các khối chức năng hệ thống và điều khiển, A: Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo ta có thể lập lưu đồ hoạt động cho 3 khối chính là: pin, ví dụ: công nghệ Si-monoA=1.2, Si-Poly A = 1.3 Khối pin năng lượng mặt trời và bộ điều khiển của nó. Mối liên hệ giữa dòng quang điện và bức xạ năng Khối máy phát điện gió và bộ điều khiển của nó. lượng mặt trời được thể hiện trong công thức sau: Khối pin lưu trữ năng lượng, bộ nạp pin và bộ điều IIKTT  khiển của nó. PH SC1 C Ref (1.3) Các khối chức năng này phối hợp hoạt động với Trong đó: nhau thông qua một chu trình điều khiển giả lập với thời Isc: Dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) gian mô phỏng t = 4s như sau: và bức xạ 1kW/m2 K1: Hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
5. 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; Hình 1.9: Công suất tác dụng và phản kháng ngõ ra Đúng 4 0.3 hòa lưới Sai Công suất Công suất Hệ số công Vận tốc gió tác dụng phản kháng suất CB NLMT = 0 (m/s) (W) (VAR) cos 10 3387 -8.8 0.99999 Sai Thời gian mô phỏng t 1.5s 11 4510 -10.19 0.99998 Đúng 11.5 5094 -26.28 0.99998 CB lưới = 0 13 5853 -32.83 0.99997 CB bộ xạc LTNL = 0 CB pin LTNL = 1 Kết quả thu được cho hệ thống PV: Đo đếm và Xuất kết quả Kết thúc Hình 1.8: Lưu đồ quá trình mô phỏng Trong mô phỏng, 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 thời điểm mô phỏng t =1s, từ 11 m/s đến 11,5 m/s tại t = Hình 1.11: Công suất bộ pin năng lượng mặt trời 2s và từ 11,5 m/s đến 13 m/s tại t = 3s. Kết quả thu được hòa lưới. được thể hiện trong hình 1.9.
6. Trong thực hiện mô phỏng bộ pin năng lượng mặt trời nối lưới, khối pin năng lượng mặt trời có công suất định mức 5KW kết hợp với hệ thống máy phát điện gió để cung cấp công suất cho tải trong điều kiện có sự thay đổi về công suất bức xạ của mặt trời. Công suất của pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào hai thông số chính là năng lượng bức xạ và nhiệt độ môi trường. Trong trường hợp nghiên cứu này ta chỉ xét đến sự thay đổi liên tục của năng Hình 1.12: Giá trị SOC, dòng điện và điện áp đo được của lượng bức xạ, và coi như nhiệt độ là không đổi, bức xạ mặt battery trời thay đổi từ 7 sang 8 (kW.m2) tại thời điểm mô phỏng t Giá trị điện áp nút kết nối RMS được chọn như một = 1s, từ 8 sang 9 (kW.m2) tại thời điểm t = 2s và từ 9 sang hệ số quan trọng để đánh giá sự ổn định hệ thống. 10 (kW.m2) tại t = 3s. Bảng 1.2: Bảng kết quả mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới Công suất Bức xạ Công suất Hệ số công phản NLMT tác dụng suất kháng (kW.m2) (W) cos (VAR) 7 3476 -35 0.99994 8 4003 -38.6 0.99995 Hình 1.10: Dạng sóng điện áp ngõ ra tại điểm kết nối 9 4532 -52.8 0.99993 chung ở giá trị: 10 5063 -58.75 0.99993 a) biên độ đỉnh; b) rms. KẾT LUẬN Trong các giai đoạn chuyển chế độ nối lưới sang cách ly, cũng như việc tăng dần công suất ngõ ra của hệ Công suất thu được từ hệ thống pin PV và máy phát thống pin PV và Gió, pin lưu trữ năng lượng hoạt động như điện gió hòa đồng bộ lưới điện phân phối luôn đạt được giá một bộ ổn áp, nó bơm dòng công suất còn thiếu của tải để trị cao nhất tại mỗi vận tốc gió tương ứng. Điều này đã duy trì giá trị điện áp tham chiếu. giúp cho máy phát điện luôn hoạt động ở chế độ phát ra Kết quả mô phỏng của pin theo giải thuật nêu trên công suất lớn nhất có thể đạt được. thu được là: Khi có sự thay đổi điện áp lưới điện phân phối thì công suất sau một thời gian quá độ ngắn đã ổn định lại, hệ thống pin lưu trữ năng lượng đã cung cấp chính xác lượng thiếu hụt điện áp bằng cách bơm dòng điện điều hòa vào PCCC. Luận văn đã điều khiển hiệu quả công suất tác dụng
7. và công suất phản kháng bơm ra từ bộ nghịch lưu theo sự Permanent Magnet Synchronous Generator for Integration thay đổi của vận tốc gió từ môi trường bên ngoài. [13] Pranamita B., and Aiswarya H. (2009): Power System Stability Studies using Matlab. A Project Report, Department of Electrical Engineering, TÀI LIỆU THAM KHẢO National Institute of Technology, Rourkela [14] Rolan A., Alvaro L., Gerardo V., and Daniel A. I. English recommendation (2009): Modelling of a Variable Speed Wind [1] IEEE Standard for Interconnecting Distributed Turbine with a Permanent Magnet Synchronous Resources with Electric Power Systems, " IEEE Std Generator. 1547-2003 , vol., no., pp.0_1-16, 2003. URL: [15] SaifurR., and ManisaP. (2010): Modeling and Simulation of a Distributed Generation-Integrated =1225051&isnumber=27496 Intelligent Microgrid, SERDP Project SI-1650. [2] L. Hassaine, E. Olias, J. Quintero, M. Haddadi "Digital [16] Sina L. and Mahyar S. (2011): Modeling and power factor control and reactive power regulation Application of Permanent Magnet Synchronous for grid-connected photovoltaic inverter" power Generator Based Variable Speed Wind electronics systems group, universidad cartas III de Generation System. Department of Electrical madrid, avda, de la universidad 30, 28911 leganes, Engineering,Ahar Branch, Islamic Azad University, Madrid, Spain. Ahar, Iran. [4] Babak FARHANGI, student member IEEE, Shahrokh [17] B.O.Omijeh, C. S. Nmom, E. Nlewem (2013): FARHANGI member IEEE "Application of Z- Modeling of a Vertical Axis Wind Turbine with source converter in photovoltaic grid-connected Permanent Magnet Synchronous Generator for transformer-less inverter" School of ECE, Tehran, Nigeria. Electrical/Electronic Engineering, Iran. university of Port Harcourt, Rivers State, Nigeria [5] Ayman A. Hamad, Mohammad A. Alsaad "A software [18] L. Hassaine, E. Olias, J. Quintero, M. Haddadi application for energy flow simulation of a grid "Digital power factor control and reactive power connected photovoltaic system" University of regulation for grid-connected photovoltaic inverter" Jordan, Amman, 11942, Jordan. power electronics systems group, universidad cartas [6] Nguyen Van Nho, Hong - Hee Lee, "Analysis of carrier III de madrid, avda, de la universidad 30, 28911 PWM Method for Common Mode Elimination in leganes, Madrid, Spain. Multilevel Inverter", IEEE . [19] Sachin Jain, member IEEE, "Single Stage Grid [7] Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, "A New PWM Connected Photovoltaic Systems with Maximum Strategy for Common Mode Voltage Reduction in Power Point Tracking", INDIAN INSTITUTE OF Neutral - Point - Clamped Inverter - Fed AC Motor TECHNOLOGY, BOMBAY. Drives", IEEE. [20] S. Jain and V. Agarwal , “A Single-Stage Grid [8] Ahmad M., Mazen A., M. and Tharwat (2006): Connected Inverter Topology for Solar PV Systems Vertical axis wind turbine modeling and with Maximum Power Point Tracking,” IEEE performance with axial flux permanent magnet Transactions on Power Electronics, vol. 22, no.5, synchronous generator for battery charging pp. 1928-1940, September 2007. applications. Retrieved September 14, 2012 [21] Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, "A New PWM [9] Bharanikumar R., Yazhini A.C., Kumar N., Strategy for Common Mode Voltage Reduction in (2012): Modelling and Simulation of Wind Neutral - Point - Clamped Inverter - Fed AC Motor Turbine Driven Permanent Magnet Generator Drives", IEEE. with New MPPT Algorithm. Asian Power [22] Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Ngo Manh Dung, electronics journal, Vol. 4. Phan Quang An, Pham Dinh Truc and Nguyen Huu [10] Ece (2004): Modeling of Induction Motor using qd0 Phuc "Active and Reactive power controller for Transformations. single-phase Grid-connected photovoltaic syntems" [11] Heier S. (1998): Grid Integration of Wind Department of Electrical- Electronics Engineering- Energy Conversion Systems. John Wiley & Sons HoChiMinh City University of Technology.Vietnam Ltd, ISBN 0-471-97143-X National University in HoChiMinh, Vietnam. [12] Ming Y., Gengyin L., Ming Z., and Chengyong [23] Bharanikumar R., Yazhini A.C., Kumar N., Z. (2007): Modeling of the Wind Turbine with a (2012): Modelling and Simulation of Wind Turbine Driven Permanent Magnet Generator
8. with New MPPT Algorithm. Asian Power electronics journal, Vol. 4. [24] Heier S. (1998): Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. John Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-471-97143-X [25] Rolan A., Alvaro L., Gerardo V., and Daniel A. (2009): Modelling of a Variable Speed Wind Turbine with a Permanent Magnet Synchronous Generator. II. Tài liệu tiếng Việt [26] Nguyễn Văn Nhờ, “ Điện tử công suất 1 ”, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2005.
9. 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.