Mô hình các phần tử trong lưới điện nhỏ

Bài viết Mô hình các phần tử trong lưới điện nhỏ nghiên cứu các vấn đề về điều khiển trong lưới điện nhỏ (microgrid-MG). Trong đó, PV được mô hình hóa như nguồn dòng với điều khiển PQ; trong khi đó bộ BESS được kết nối với hệ thống qua bộ chuyển đổi (inverter) được điều khiển theo kiểu V/f, và mô hình máy phát diesel với bộ điều khiển của hệ thống điều tốc và bộ điều chỉnh điện áp.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 05(114).2017-Quyển 1 MƠ HÌNH CÁC PHẦN TỬ TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ MODELING OF THE MICROGRID COMPONENTS Lưu Ngọc An Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lnan@dut.udn.vn Tóm tắt - Trong báo này, mơ hình phần tử lưới điện nhỏ bao gồm hệ thống pin mặt trời (Photovoltaic-PV), dự trữ (battery energy storage system-BESS), diesel thể Các phần tử mơ hình hóa với mục đích nhằm nghiên cứu vấn đề điều khiển lưới điện nhỏ (microgrid-MG) Trong đó, PV mơ hình hóa nguồn dịng với điều khiển PQ; BESS kết nối với hệ thống qua chuyển đổi (inverter) điều khiển theo kiểu V/f, mơ hình máy phát diesel với điều khiển hệ thống điều tốc điều chỉnh điện áp Các mơ hình phân tử mơ hình hóa phần mềm Matlab-Simulink Kết mơ trình vận hành điều khiển hệ thống để chứng minh tính đắn mơ hình phần tử xây dựng Abstract - In this paper, the modelization of components of a microgrid that includes Photovoltaic system, battery energy storage system (BESS), diesel is taken into account for analyzing some control problems for microgrid Particularly, PV system is modelized as a current source with PQ control, while BESS is connected with system via inverter, which is controlled by V/f controller, and modelling of diesel with the controller of speed governing system and voltage regulator As a result, these models are simulated by Matlab/Simulink through the operations and control of a system to evaluate the accuracy as well as the effectiveness of the proposed component models of a microgrid Từ khóa - hệ thống lượng mặt trời; dự trữ lượng; diesel; điều khiển PQ; lưới điện nhỏ Key words - PV system; battery energy storage system; diesel; PQ control; microgrid Đặt vấn đề Ngày nay, với nóng lên khí hậu tồn cầu gây hiệu ứng nhà kính với sản lượng nhiên liệu hóa thạch ngày giảm giá thành ngày tăng, việc sử dụng lượng thay thế, tái tạo giải pháp sử dụng rộng rãi nước giới Do vậy, việc tích hợp nguồn vào lưới điện truyền thống vấn đề quan tâm nghiên cứu ứng dụng Hơn nữa, với việc lưới điện tích hợp nguồn tái tạo làm lưới điện trở nên thông minh (smart grid), tức điện lúc truyền từ phía, có nghĩa điện từ nguồn tái tạo cung cấp cho tải bán trở lại cho lưới điện hệ thống Từ đấy, khái niệm gọi lưới điện nhỏ (Microgrid) đời Microgrid định nghĩa lưới điện tích hợp nguồn lượng phân tán (gió, mặt trời, …), dự trữ tải, hoạt động kết nối với lưới điện chế độ độc lập [1] Tuy nhiên, lưới điện nhỏ gồm nguồn tái tạo không ổn định (phụ thuộc vào thời tiết khí hậu), vấn đề điều khiển vận hành xây dựng chiến lược quản lý tối ưu lượng cần nghiên cứu giải Để nghiên cứu xây dựng chiến lược điều khiển, kết nối vận hành hệ thống Microgrid vấn đề mơ hình hóa phần tử lưới điện nghiên cứu thời gian gần Trong đó, vấn đề đáng quan tâm mơ hình hóa phần tử với mục đích điều khiển mục đích thiết kế Để tính tốn thiết kế tối ưu lưới điện nhỏ, mơ hình phần tử mơ tả theo [2]-[4] Trong đó, phần tử mơ tả theo hàm toán học với ràng buộc vật lý Từ đó, xây dựng thuật tốn tối ưu dựa yếu tố Trong [5][7], mơ hình điều khiển phần tử đưa để xây dựng phương pháp điều khiển cho chuyển đổi DC/AC như: điều khiển PI [5], điều khiển lặp [6]; điều khiển H [7] Trong báo này, mơ hình phần tử microgrid gồm hệ thống lượng mặt trời kết hợp với diesel dự trữ giới thiệu Trong đó, tác giả sử dụng mơ hình điều khiển PQ mơ hệ thống mặt trời mơ hình VSI cho phần tử diesel BESS Để kiểm chứng tính xác mơ hình phần tử, phần mềm Matlab/Simulink sử dụng để mô hệ thống gồm phần tử mơ hình hóa trường hợp làm việc khác lưới điện nhỏ Mơ hình phần tử lưới điện nhỏ Một lưới điện nhỏ thể Hình DC Bộ dự trữ AC DC Nguồn mặt trời AC AC BUS Phụ tải Diesel Hình Lưới điện nhỏ bao gồm PV-Diesel-BESS 2.1 Nguồn mặt trời (PV) Một hệ thống PV mơ nguồn dịng mà điều khiển cơng suất Để đơn giản, ta mơ hình PV nguồn dịng với điều khiển P/Q Mục đích việc điều khiển giữ cho công suất tác dụng phản kháng đầu không đổi theo giá trị cho trước Mô hình PV thể Hình Cơng suất tác dụng phản kháng tính tốn Ptt, Qtt Giá trị cơng suất P, Q tính tốn từ điện áp pha dòng điện đo tức thời Ptt = Vbcic-Vabia (1) Qtt = Vbc (2ia +ib )+Vca (2ib +ia ) √3 (2) Hoặc tính theo thành phần dọc, ngang trục sau: Pmes = (Vd Id +Vq Iq ) (3) Qmes =- (Vq Id -Vd Iq ) (4) Lưu Ngọc An Psp Imes Pmes P&Q Cal Vmes P PI Id Qmes Id, Iq Cal Q PI Qsp Iq Dynamic 1+sT dq Iabc Iabc Vd V Vq Vd,Vq PLL Hình Mơ hình điều khiển hệ thống mặt trời - Điện áp Vd, Vq Thành phần điện áp dọc ngang trục tính sau: Vd = Vc -Vb 1 2 Iq = (P.Vd +Q.Vq ) (7) (V2d +V2q ) (P.Vq -Q.Vd ) (8) (V2d +V2q ) - Khối PI Hai khối PI đóng vai trị điều chỉnh cho cơng suất tác dụng phản kháng theo giá trị định sẵn Để tính tốn giá trị ki and kp, ta có vịng điều khiển cơng suất tác dụng Hình refPref error + CPI(s) PmecP G Id H(s) G2 mes Hình Vịng điều khiển điều khiển cơng suất tác dụng Hàm truyền G1 tính sau: G1 = (9) 3.Vd Hàm truyền G2 xác định sau: G2 = Vd Id (10) Các công thức (10) (11) viết lại từ (8), (9), tương ứng với Vq=0, Vd=constant Hàm truyền PI thông thường biểu diễn: CPI (s)=k p + ki s (11) Hàm truyền đạt H(s) cho sau: H(s)= = (6) - Dòng Điện Id, Iq Thành phần dịng điện dọc ngang trục tính sau: N(s) K(s)= 1+ (5) √3 Vq = (Va - Vb - Vc ) Id = truyền bậc xác định sau : 1+.s Hàm truyền vịng điều khiển hình (12) 2 n s+ 2n s2 = CPI (s) G1 H(s) 1+CPI (s) G1 G2 H(s) G1 (kp s+ki) G1 G2 kp +1  1+ ki G1 G2 s+ ki G1 G2 s2 (13) Do 2 n = G1 G2 kp +1 ki.G1 G2 (14) 2n  = k G i G2 (15) Chúng ta có  n =  < 1, hệ số ki, kp xác  định sau: ki = n; kp = 2.-1 Tương tự với vòng điều khiển công suất phản kháng xác định hệ số điều khiển ki, kp tương ứng 2.2 Bộ trữ (BESS) Trong phần này, tác giả đề cập đến giao diện dự trữ với hệ thống BESS kết nối với lưới thông qua giao diện điện tử cơng suất mà trao đổi cơng suất qua lại trực tiếp với hệ thống Trong phần chuyển đổi inverter điều khiển theo kiểu V/f, tức điện áp tần số phải điều chỉnh theo giá trị định trước Psp, Qsp Bộ điều khiển V/f chuyển đổi thể Hình Khối điều khiển inverter thực đặc tính droop xác định số droop Giá trị Psp Qsp cho đầu khối điều khiển droop, đáp ứng với sai lệch điện áp tần số Điều đảm bảo tần số điện áp gần với giá trị định trước Các Psp, Qsp cho đầu vào điều khiển P / Q trình bày phần Để kiểm chứng tính đắn mơ hình trình bày trên, ta xét ví dụ hệ thống độc lập đơn giản Hình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 05(114).2017-Quyển P/Q control fmes f/P droop fref Vmes Pmes Psp Id PI dq Iabc Cal Id,Iq V/Q droop Vref Qsp Iq PI abc Qmes Vmes Hình Mơ hình BESS với giao diện điện tử công suất – điều khiển V/f N_PV1 30 Ina Aa a Outb Inb Bb b Outc Inc Cc c Outn Inn neutre PV_3P N_1 A N_Sto1 LL_2 Aa Outa Ina B Bb Outb C Cc Outc Outn Inn Three-Phase Load1 Storage Aa Conn1 Inb Bb Conn2 Inc Cc Conn3 Cong suat tac dung (kW) LL_1 Outa Loads Storage PV 25 20 15 10 10 + Time (s) 50.2 Hình Mơ hình hệ thống PV - dự trữ Matlab/Simulink - Hệ thống bao gồm: * PV ba pha (nút N_PV1): PPV_3P (max) = 20 kW * BESS (nút N_Sto1): Sto1: Pmax = 20 kW *Phụ tải: Tải ba pha (bus N_1): PLoad = 20 kW - Mô trường hợp: * Trường hợp 1: Thay đổi phụ tải * Trường hợp 2: Thay đổi công suất PV Trường hợp 1: Tăng phụ tải Trong trường hợp này, giả sử ban đầu công suất phát PV với công suất phụ tải 20 kW Tại thời điểm t = 4s công suất phụ tải tăng từ 20 kW lên Pload = 24 kW (tăng 20% cơng suất phụ tải) Hình thấy, dự trữ (BESS) với giao diện điều khiển V/f đóng vai trị điều tần Nó xả công suất (4 kW) để đáp ứng cho phụ tải tải tăng 20% Tần số hệ thống thể Hình Tần số hệ thống sụt xuống tăng tải Sau đó, tần số trở lại giá trị ban đầu (quá trình điều chỉnh BESS) tan so (Hz) 50.1 50 49.9 49.8 49.7 49.6 10 Time (s) Hình Cơng suất tác dụng tần số trường hợp Trường hợp 2: Thay đổi công suất PV Trong trường hợp này, giả sử công suất phát hệ thống PV giảm từ 100% xuống 30% sau tăng từ 30% đến 80% * Thông số ban đầu: - Công suất ban đầu BESS (nạp xả) * Giả sử rằng: - T = 3s: Công suất PV giảm từ 100% xuống 30% - T = 7s: Công suất PV tăng lên lại 80% Sự thay đổi công suất tác dụng hệ thống thể Hình Sau công suất PV giảm từ 100% xuống 30%, BESS xả để đảm bảo cân công suất phát tải Sau đó, thời điểm t = 7s, cơng suất PV tăng lên 80%, dẫn đến tăng tần số Để ngăn chặn gia tăng này, BESS phải giảm lượng công suất xả Lưu Ngọc An Điều chỉnh điện áp Cong suat tac dung (kW) 30 Loads Storage PV 25 Điều khiển nguồn nhiên liệu 20 15 Máy phát đồng Kết nối với nguồn 10 Tốc độ Hình Sơ đồ khối diesel 50.2 Động đốt tích hợp với điều chỉnh tốc độ trục động cách thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho động Một điều khiển PID sử dụng cho điều khiển tốc độ 50 49.8 + 49.6 49.4 Bộ điều chỉnh Cơ cấu chấp hành 10 Time (s) tan so (Hz) Động đốt  Cơ cấu chấp hành Hệ thống điều khiển Bộ tích phân B ộ X 10 Time (s) Droop Hình Sự thay đổi công suất tác dụng tần số trường hợp  Như thấy Hình 7, tần số giảm sau công suất phát PV giảm Sau đó, BESS điều chỉnh để mang lại tần số trở lại giá trị danh định (50 Hz) Tiếp theo, công suất PV tăng trở lại từ 30% đến 80%, tần số lên tới giá trị cao so với giá trị danh định Cuối cùng, BESS thay đổi công suất đầu để khôi phục lại tần số trở với giá trị 50 Hz 2.3 Mơ hình diesel Một máy phát điện diesel (DER) bao gồm động đốt (IC) với máy phát điện đồng (SG) Sơ đồ khối diesel (DG) hiển thị Hình Hình Sơ đồ khối điều tốc Động đồng phối hợp với phận kích từ điều chỉnh điện áp Bộ điều chỉnh điện áp nhằm giữ điện áp theo yêu cầu P0 Q0 tg    K Q 1  sT s   1Ts Hình 10 Bộ điều chỉnh VAR/PF Để chứng minh tính đắn mơ hình diesel, xét hệ thống gồm diesel tải thể Hình 11 N_3 N_4 Ina Outa aA Ina Outa aA Ina Outa aA Inb Outb bB Inb Outb bB Inb Outb bB Inc Outc cC Inc Outc cC Inc Outc cC Inn Outn Inn Outn Inn Outn L_02 + L_01 L_03 Three-Phase Load3 A B C N_5 N_6 Ina Outa aA Ina Outa aA Ina Outa aA bB Inb Outb bB Inb Outb bB Inb Outb bB cC Inc Outc cC Inc Outc cC Inc Outc cC Inn Outn Inn Outn Inn Outn + Conn3 Diesel1 N_1 aA L_18 L_14 L_15 A B C Three-Phase Load5 Three-Phase Load7 A Circuit breaker a A B b B C c C Hình 11 Mơ hình hệ thống MATLAB/Simulink + Conn2 N_D1 + N_2 Conn1 EFD ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 05(114).2017-Quyển Hệ thống ban đầu: * Diesel: 50 kW (công suất đặt) * Phụ tải : - Tổng phụ tải: P = 35 kW; Q =7 kVAr gồm: - tải pha (tại nút 2, 6) P2 = P4 = P6 = kW - tải pha (tại nút 3, 5) P3 = P5 = 10 kW Tại t = 4s, tải pha (tải 7) (PL7 = 10 kW, QL7 = kVAr) thêm vào hệ thống Cong suat tac dung (kW) 50 Từ Hình 12, ta thấy công suất diesel thay đổi theo thay đổi phụ tải Bộ điều chỉnh diesel đáp ứng với thay đổi để đưa tần số trở giá trị danh định Kết luận Bài báo trình bày mơ hình phần tử lưới điện nhỏ bao gồm hệ thống pin mặt trời, máy phát diesel dự trữ Với mơ hình, tác giả xây dựng khối phần tử phần mềm Matlab/Simulink từ mơ trình vận hành để đánh giá mơ hình Từ kết mơ đạt chứng tỏ tính xác mơ hình xây dựng Trong báo tới, tác giả phân tích an tồn với điều kiện vận hành khác lưới điện nhỏ từ mơ hình xây dựng báo 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 35 30 10 12 Time (s) 50.4 50.2 tan so (Hz) 50 49.8 49.6 10 12 Time (s) Hình 12 Sự thay đổi công suất tác dụng diesel tần số hệ thống [1] Hatziargyriou, N, “Microgrids: Architectures and Control”, WileyIEEE Press, 2014 [2] T Khatib, A Mohamed, K Sopian, “A review of photovoltaic system size optimization techniques”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22 (2013), pp 454–46 [3] J.L Bernal-Agustín, R Dufo-López, D.M Rivas-Ascaso, “Design of isolated hybrid systems minimizing costs and pollutant emissions”, Renew Energy, 31 (14) (2006), pp 2227–2244 [4] Luu Ngoc An, Control and management strategies for a Microgrid, PhD Thesis, Grenoble University, France, 2014 [5] N Pogaku, M Prodanovic and T C Green, “Modeling, Analysis and Testing of Autonomous Operation of an Inverter-Based Microgrid”, in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 22, no 2, March 2007, pp 613-625 [6] G Weiss, Qing-Chang Zhong, T C Green and Jun Liang, “H∞ repetitive control of DC-AC converters in microgrids”, in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 19, no 1, Jan 2004, pp 219-230 [7] Qing-Chang Zhong, Tomas Hornik, Control of Power Inverters in Renewable Energy and Smart Grid Integration, John Willey & son, 2012 (BBT nhận bài: 24/03/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/04/2017) ... (BESS) Trong phần này, tác giả đề cập đến giao diện dự trữ với hệ thống BESS kết nối với lưới thông qua giao diện điện tử công suất mà trao đổi cơng suất qua lại trực tiếp với hệ thống Trong phần. .. phần tử lưới điện nhỏ bao gồm hệ thống pin mặt trời, máy phát diesel dự trữ Với mơ hình, tác giả xây dựng khối phần tử phần mềm Matlab/Simulink từ mơ q trình vận hành để đánh giá mơ hình Từ kết... giá mơ hình Từ kết mơ đạt chứng tỏ tính xác mơ hình xây dựng Trong báo tới, tác giả phân tích an tồn với điều kiện vận hành khác lưới điện nhỏ từ mơ hình xây dựng báo 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 35