88_9367

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 KHOA HỌC - KỸ THUẬT MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN TỬ - NHỮNG HỨA HẸN CHO CÔNG NGHIỆP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN THE SOLID STATE TRANSFORMER - MANY PROMISING FOR DISTRIBUTION POWER SYSTEM THÂN NGỌC HOÀN1, PHẠM TÂM THÀNH2 1Trường Đại học Dân lập Hải Phịng Phịng Khoa học - Cơng nghệ, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bài báo giới thiệu biến áp điện tử (SST) máy biến áp kích thước nhỏ, hiệu suất cao nghiên cứu để sử dụng vào lưới điện phân phối SST cho phép điều chỉnh điện áp dòng điện theo cách FACTs (Flexible Alternating Current Transmission System) để bù chênh lệch điện áp, giới hạn lỗi Có thể dùng cáp DC để kết nối lưới điện siêu nhỏ tạo lưới điện nhỏ SST thiết bị quản lý lượng thông minh Pin nguồn lượng tái tạo nối trực tiếp với SST trao đổi trực tiếp với lưới điện khơng cần khâu trung gian Từ khóa: Biến áp, biến áp điện tử, lưới điện thông minh Abstract This article introduces the Solid State Transformer (SST), a small, high-performance voltage transformer that is being studied for using in distribution grids SST allows to regulate voltage and current in the same way FACTs to compensate the voltage difference, current error limits You can use a DC cable to connect the micro grid to create a new small grid SST is a smart power management device Batteries and renewable energy sources can be connected directly to the SST exchanged directly with uninterruptible power supply Keywords: Transformer, Solid State Transformer, smart grid Giới thiệu Nhiệm vụ chủ yếu biến áp biến đổi lượng điện xoay chiều có điện áp dòng điện giá trị vào lượng điện xoay chiều có điện áp dịng điện giá trị khác tần số không đổi Biến áp dùng nhiều công nghiệp truyền lượng điện xa Sở dĩ ta truyền lượng điện S1=UI xa để đến nơi tiêu thụ ta nhận số lượng có giá trị gần S1 (S2≈S1), tổn hao đường truyền phải nhỏ Để giảm tổn hao phải giảm dòng (I) tăng điện áp U S=const Khi giảm dòng I giảm tiết diện dây dẫn, giảm chi phí cho cột điện dọc đường dây Điện áp đường dây truyền lượng điện thường 220 - 500kV điện áp định mức máy phát đồng thường 6kV, phải dùng biến áp để tăng điện áp Nhưng nơi tiêu thụ, phải hạ điện áp xuống giá trị chuẩn 110 - 220V nên phải dùng biến áp hạ áp Mặt khác đường truyền lượng điện áp bị giảm, để giữ cho điện áp không đổi ta phải dùng biến áp trung gian Tóm lại đường dây truyền lượng xa ta cần biến áp sau: 1-Biến áp nâng áp đặt trạm phát điện; 2-Biến áp trung gian đảm bảo điện áp truyền không bị suy giảm; 3-Biến áp hạ áp đặt nơi tiêu thụ Ngồi biến áp cịn dùng nhà máy, khu dân cư để điều hòa lượng điện, dùng cho biến đổi tĩnh dùng cơng nghiệp cho mục đích cụ thể khác Biến áp dùng làm biến áp đo lường gồm biến dòng, biến áp đo điện áp Các biến áp có cơng suất nhỏ dùng gia đình dạng sun-von-tơ (máy ổn áp) hay biến áp dùng truyền thông Tuy nhiên biến áp lượng cấu tạo vật liệu sắt từ (lõi thép), đồng (cuộn dây), thiết bị phụ khác làm việc tần số 50 - 60Hz nên kích thước, trọng lượng lớn, tổn hao nhiều Ngày mục tiêu tiết kiệm lượng điện đặt lên hàng đầu nguồn lượng hóa thạch - nguồn lượng chủ yếu để tạo lượng điện cạn kiệt gây nhiễm mơi trường, việc sử dụng lượng tái tạo yêu cầu giảm tổn thất lượng điện cấp Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 bách Biến áp điện tử (Solid State Transformers - SST) thiết bị có nhiều đặc tính trội hy vọng thay loại biến áp thông thường Ở SST dùng chuyển đổi điện áp có tần số 5060Hz sang điện áp có tần số cao cách ly, nhằm giảm khối lượng, trọng lượng so với máy biến áp truyền thống Qua thử nghiệm nhận thấy điện áp 50/60Hz biến đổi thành điện áp tần số cao cỡ (kHz-đến hàng chục kHz), máy biến áp tần số cao, điện áp tăng lên giảm xuống để trở lại điện áp 50/60Hz cấp cho tải công nghiệp hay dân sinh giảm khối lượng trọng lượng đáng kể [1] Ngoài chức biến đổi điện áp tần số thấp sang điện áp tần số cao, SST cịn có số chức khác mà biến áp truyền thống khơng thể có được, cụ thể sau: - Thứ nhất, sử dụng tổ hợp bán dẫn công suất cấu trúc mạch bán dẫn khác nên cho phép điều chỉnh điện áp dòng điện tương tự thiết bị FACTs Tính chất cho phép bù điện áp, giới hạn lỗi mà máy biến áp truyền thống khơng thể có - Thứ hai, biến đổi nguồn điện áp từ đầu thứ cấp SST hỗ trợ cấp dịng chiều điều chỉnh cho phép tạo vi lưới Ở biến áp truyền thống [4] để điều chỉnh điện áp cần có tiếp điểm khí, SST cho phép điều chỉnh điện áp cách nhanh chóng mà khơng cần tiếp điểm khí SST cịn thiết bị quản lý lượng thơng minh, có khả phục hồi tốt hơn, có hiệu suất cao (96%), có kích thước trọng lượng nhỏ Trong cổng SST có cổng chiều, pin nguồn lượng tái tạo kết nối trực tiếp vào cổng chiều SST thực trao đổi trực tiếp với điện lưới, giảm tổn thất cần qua cấp chuyển đổi để hòa vào lưới điện mà không cần biến đổi trung gian [5] Cấu tạo biến áp SST Cấu tạo pha biến áp điện tử cho Hình 1, gồm tầng biến đổi: Tầng (Chỉnh lưu AC/DC): Bộ chỉnh lưu biến đổi từ điện áp AC sang DC Tầng chỉnh lưu đối xứng dùng van điện tử công suất IGBT hay MOSFET Sở dĩ dùng van bán dẫn có điều khiển thay Diode tần số đóng ngắt van lớn nhiều lần tần số lưới (50Hz hay 60Hz) nhờ băm sóng hình sin tới mức cực mịn để loại bỏ nhiễu sóng hài từ phía nguồn cấp sóng hài gây tổn hao nhiệt Tầng (Bộ biến đổi DC/DC): Bộ biến đổi dòng điện chiều DC thành AC tần số cao cỡ kHz Dòng điện xoay chiều truyền qua biến áp tần số cao để hạ xuống điện áp thấp phù hợp với biến đổi tiếp sau Việc dùng biến áp tần số cao nhằm giảm kích thước, trọng lượng tăng hiệu suất biến áp Ở phía hạ áp biến đổi điện tử công suất điện áp thấp lại biến đổi dòng AC tần số cao thành DC Bộ biến đổi DC/DC Chỉnh lưu AC/DC Nghịch lưu DC/AC Biến áp tần số cao 10kV DC 400V DC 120V AC 7,2kV AC Cầu H điện áp cao Cầu H điện áp cao Cầu H điện áp thấp Cầu H điện áp thấp Hình Cấu trúc biến áp điện tử Tầng thứ (Nghịch lưu DC/AC) biến tần để biến dịng DC thành AC có tần số lưới Tùy thuộc vào việc sử dụng van bán dẫn công suất cấu trúc biến đổi mà điện áp có mức khác Nếu biến áp SST dùng IGBT để hạ điện áp ví dụ từ 7,2kV xuống 120V 240V cần tới van mắc nối tiếp làm việc tần số không 3kHz, dùng MOSFET điện áp cần van làm việc với tần số 20kHz, kích thước biến đổi cơng suất giảm xuống cịn 20% so với làm việc với tần số 60Hz, kích thước tổng SST 1/3 so với biến áp thông thường Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 Hiện SST chưa dùng rộng rãi công nghiệp phân phối điện công suất định mức SST hạn chế Sự hạn chế công suất định mức điện áp công suất định mức van bán dẫn bị giới hạn, biến đổi dùng SST biến đổi kiểu cũ Các lưu ý thiết kế SST Cấu trúc SST gồm: Mạch điện tử điện áp cao, công suất lớn, máy biến áp tần số cao, mạch điều khiển van bán dẫn, tản nhiệt, mạch điều khiển, hệ thống làm mát, mạch phụ trợ khác Do cấu trúc phức tạp nên việc thiết kế máy biến áp SST cần đặc biệt ý, trước tiên vấn đề tản nhiệt mục đích giảm kích thước trọng lượng không dùng dầu để làm mát, mặt khác thiết bị điện làm việc với điện áp cao nên vấn đề cách điện để đảm bảo an toàn cho người thiết bị cần phải ý đặc biệt, thiết kế khơng tốt mục đích giảm kích thước, trọng lượng hiệu suất cao làm việc an tồn khơng đáp ứng Thiết kế lựa chọn phần tử sau đây: a Chọn vật liệu làm lõi thép Hiện vật liệu sắt từ làm lõi biến áp có loại sau: Thép silic, ferrit, thép vơ định hình tinh thể nano Lõi ferrit có tổn hao khơng lớn, giá thành rẻ mật độ từ thơng bão hịa thấp, khơng đáp ứng u cầu giảm kích thước, trọng lượng SST Thép vơ định hình dùng để chế tạo lõi biến áp SST, nhiên lõi làm từ tinh thể nano lại có mật độ cơng suất, mật độ từ thơng bão hịa cao lõi thép làm từ thép vơ định hình vật liệu ferrit, thép vơ định hình có tổn thất lõi thấp nhất, hứa hẹn hiệu suất cao Khi so sánh kết mghiên cứu loại lõi thép làm từ vật liệu từ khác nhận thấy lõi tinh thể nano có hiệu suất (>99,5%), trọng lượng (22kg), hiệu suất lõi vơ định hình đạt (98,5%) [1] Rõ ràng thép tinh thể nano nên chọn làm lõi biến áp điện tử b Lựa chọn van bán dẫn công suất sơ đồ biến đổi Thyristor thiết bị bán dẫn công suất có tần số đóng ngắt nhỏ 1kHz làm việc với tần số chuyển mạch cố định tổn hao lớn khơng phù hợp với SST khơng đảm bảo u cầu kích thước, trọng lượng nhỏ hiệu suất lớn Các MOSFET thích hợp cơng tác điện áp khóa 95% với kích thước trọng lượng, giảm đáng kể chi phí giảm xuống cịn nửa cơng nghệ thơng thường [3] Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 P Điện gió P AC/AC Điện gió P Điện thủy triều P SST Tích hợp lượng tái tạo AC/AC Điện mặt trời P Điện thủy triều P Điện mặt trời DC/AC P Tích lượng P SST Biến đổi điện áp DC/AC M Tích lượng SST Tích trữ lượng DC/AC P Hệ thống kéo P Q Q Hệ thống kéo SST Bù công suất phản kháng Var Bù công suất phản kháng Var Sóng hài M Sóng hài Bộ lọc SST Lọc sóng hài Hiện Tương lai Hình Các khả sử dụng SST cho truyền tải lượng điện [1] Trạm điện gió + SCIG ~ Máy biến áp Trạm điện gió + SCIG ~ Lưới SST (AC/AC) Lưới Hộp tụ điện STATCOM b) a) Hình Hệ thống lượng gió giao tiếp với SST a) Hệ thống truyền thống, b) Hệ thống dùng SST [9] Ngoài tính thay biến áp thơng thường số mạch điện tử lưới điện truyền thống SST dùng cho lưới phân phối điện, biến áp SST cịn sử dụng để biến đổi điện áp điều chỉnh điện áp Hình biểu diễn sơ đồ hệ thống lưới điện tàu hỏa, Hình 4a sơ đồ hệ thống truyền động điện tàu hỏa truyền thống, gồm biến áp tần số lưới, biến đổi AC/DC biến tần DC/AC cấp cho động kéo tàu hỏa, hiệu suất hệ thống khoảng ~88% - 92% [2] Nếu sử dụng biến áp SST (Hình 4b) hiệu suất hệ >95%, có kích thước trọng lượng nhỏ Kích thước thu gọn mang lại nhiều khơng gian cho hành khách Mật độ công suất hệ thống đạt từ 0,5 đến 0,75 kVA/kg, hẳn 0,2 - 0,35kVA/kg máy biến áp thông thường cộng với cấu trúc chỉnh lưu ABB công bố công suất máy biến áp SST cỡ MW, áp dụng vào năm 2012 [2] Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 Lưới AC 15kV, 16,7Hz/25kV, 50Hz Lưới AC 15kV, 16,7Hz/25kV, 50Hz Biến áp tần số trung Biến áp tần số thấp DC AC DC AC M M AC AC AC DC DC/DC cách ly b) a) Tàu hỏa Tàu hỏa Hình SST cho hệ thống tầu hỏa a) Hệ thống dùng biến áp 50/60Hz, b) Dùng SST [2] Máy máy biến áp điện tử sử dụng để bù cơng suất phản kháng lọc sóng hài: Căn vào cấu trúc hệ thống, SST làm nhiệm vụ bù công suất phản kháng Một hệ thống lượng gió dùng SST làm nhiệm vụ truyền cơng suất tác dụng, bù công suất phản kháng biến đổi điện áp giới thiệu [9] Việc sử dụng khả bù công suất phản kháng SST, làm cho khối lượng trọng lượng hệ thống giảm, thị trường quan tâm Các nhà khoa học nghiên cứu khả phục hồi điện áp, lọc sóng hài SST Khả lọc sóng hài phụ thuộc nhiều vào băng thông điều khiển tần số chuyển mạch SST Như trình bày SST dùng tích hợp lưới điện thông minh SST đề xuất định tuyến lượng để tích hợp ứng dụng lưới điện thơng minh [6] Hình sơ đồ lưới mini dựa SST Ở dùng liên kết điện áp chiều thấp (LVDC) để kết nối tài nguyên lượng tái tạo (DRER) phân phối lượng (DESD) cho thiết bị lưu trữ Như có tầng biến đổi so với lưới điện AC bình thường, biến đổi DC/DC với biến tần để kết nối nguồn DC tải vào lưới điện Ngoài ra, lưới điện AC dân dụng tích hợp cách sử dụng cổng điện áp thấp xoay chiều SST Ta nhận hệ thống nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn, tích hợp nhiều lưới mini [7] SST nhúng với chức điều khiển định phát lỗi cách ly giới hạn lỗi Phương pháp bảo vệ đề xuất sử dụng SST hệ thống FREEDM, cho thấy kết thỏa đáng kỹ thuật số mô thời gian thực [8] Khả bù công suất phản kháng SST chấp nhận hệ thống điện cho lỗi độ tạm thời STATCOM thực hệ thống lưới điện yếu Hơn nữa, nguồn lượng tái tạo thiết bị lưu trữ lượng nối cổng DC SST cung cấp chức cung cấp điện liên tục lỗi xảy tuyến phân phối, đảm bảo cung cấp lượng cao cho tải [1] Hình SST cho tích hợp lưới thơng minh [1] Những vấn đề cần nghiên cứu Những vấn đề sau cần tiếp tục nghiên cứu máy biến áp SST: - Cần có nhiều số liệu kiểm tra kết trường SST để chứng tỏ có khả đạt hệ thống phân phối nhỏ gọn thông minh tương lai; - Biến áp lai có nhiều điểm tương đồng ưu máy SST, cần tiến hành nghiên cứu biến áp lai để thay SST; - Như thấy van bán dẫn công suất dùng SST có u cầu cao điện áp cơng tác điện áp khóa, mật độ dịng điện, tần số đóng ngắt tổn hao Tương lai cần tập trung nghiên cứu van điện tử cơng suất thuộc khía cạnh sau: Cách đóng gói thiết bị Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018 bán dẫn thương mại, van bán dẫn cơng suất có dịng điện lớn, có nhiệt độ làm việc cao vấn đề tản nhiệt giảm tổn hao tăng tuổi thọ để công suất SST đạt tới vài mega oat (MW) cao hơn; - Tối ưu thủ tục thiết kế để đạt hiệu suất cao khối lượng dựa vật liệu lõi, dây, cách điện, mục đích giảm kích thước trọng lượng SST; - Cần nghiên cứu việc thiết kế sử dụng vật liệu từ hợp kim có số lượng từ tính tốt hơn, nhằm giảm tổn thất lõi vận hành với tần tần số cao Kết luận SST nhận quan tâm ngày tăng công nghiệp đơn vị nghiên cứu phục vụ cho ứng dụng lưới điện thông minh Bài báo trình bày ngắn gọn vấn đề SST, gợi ý thiết kế thành phần SST, số tính biến áp điện tử dùng cho lưới điện phân phối, tích hợp lưới điện mini nguồn lượng tái tạo cung cấp Bài báo nội dung cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển SST cụ thể nghiên cứu van bán dẫn cơng suất có điện áp, dòng điện nhiệt độ làm việc lớn, nghiên cứu vật liệu làm lõi thép biến áp, nghiên cứu SST ứng dụng hệ thống phân phối Những tiến đáng kể đạt công nghệ SST Sự tập trung nghiên cứu nhà sản xuất ứng dụng tính chất vượt trội SST, ngày không xa SST ứng dụng rộng rãi công nghiệp phân phối lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xu She, Member, Alex Q Huang, and Rolando Burgos, “Review of Solid-State Transformer Technologies and Their Application in Power Distribution Systems,” IEEE Journal of Emerging and selected Topics in Power Electronics, Vol No 3, 2013 [2] D Dujic, C Zhao, A Mester, J K Steinke, M Weiss, S L Schmid,T Chaudhuri, and P Stefanutti, “Power electronic traction transformer: Low voltage prototype,” IEEE Trans Power Electron., vol 28, no 12, pp 5522-5534, 2013 [3] D Peeples, “The Next Big Thing? EPRI’s Fast, Flexible and Cheaper EV Charging System”, Available:http://www.smartgridnews.com, 2012 [4] Thân Ngọc Hoàn, Máy điện, Nhà xuất Xây dựng, 2004 [5] Nguyễn Huy Đỉnh, “Máy biến áp điện tử (SST) giải pháp giúp lưới điện linh hoạt hơn,” Tự động hóa ngày nay, Tháng 10/2017 [6] A Q Huang, M L Crow, G T Heydt, J P Zheng, and S J Dale, “The future renewable electric energy delivery and management system: The energy Internet,” Proc IEEE, vol 99, no 1, pp 133-148, Jan 2011 [7] X She, A Q Huang, S Lukic, and M Baran, “On integration of solid state transformer with zonal DC microgrid,” IEEE Trans Smart Grid, vol 3, No 2, pp 975-985, Jun 2012 [8] P Tatcho, Y Jiang, and H Li, “A novel line section protection for the FREEDM systems based on the solid state transformer,” in Proc IEEE PES General Meeting, pp 1-8., 2011 [9] X She, A Q Huang, F Wang, and R Burgos, “Wind energy system with integrated active power transfer, reactive power compensation, and voltage conversion functions,” IEEE Trans Ind Electron, Vol 60, No 10, pp 4512-4524, 2013 Ngày nhận bài: 25/01/2018 Ngày nhận sửa: 27/03/2018 Ngày duyệt đăng: 02/04/2018 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 54 - 4/2018