https //sites ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THÀNH TRUNG ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO[.]
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
Khái niệm về chất lượng điện năng
Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, do đó đòi hỏi ngày càng nhiều năng lượng điện Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp điện một nhiệm vụ khó khăn là vừa phải thoả mãn lượng điện năng tiêu thụ, vừa phải đảm bảo chất lượng của nó Vì vậy chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn đến chế độ làm việc của các phụ tải, điều này sẽ làm ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật của các phụ tải đó Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc với hiệu quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng cao.
Chất lượng điện năng được đánh giá dựa trên hai chỉ tiêu chính là chất lượng Tần số và chất lượng Điện áp Như vậy chất lượng điện năng là mức độ trùng hợp của Tần số và Điện áp so với giá trị chuẩn đã quy định Ngoài ra, chất lượng điện năng còn được đánh giá bằng chỉ tiêu là độ tin cậy của hệ thống, tức là tính liên tục cung cấp điện.
1.1.1 Chất lượng tần số. Được đánh giá theo 2 đại lượng:
1 Độ lệch tần số (lấy trong khoảng thời gian là 10 phút) q f = f − f dm f dm 100 %
2 Độ dao động tần số (khi tốc độ biến đổi của tần số nhỏ hơn 0.2 HZ trong thời gian một giây) p f = f max−f min f dm 100 %
Giữ cho độ lệch và dao động của tần số nằm trong phạm vi cho phép là nhiệm vụ của các nhà máy phát điện, các phụ tải dùng điện ít ảnh hưởng tới tần số, vì vậy về sau này chúng ta sẽ không đề cập đến các biện pháp đảm bảo chất lượng tần số.
1.1.2 Chất lượng điện áp. Được đánh giá theo 5 đại lượng (Đối với lưới điện ba pha xoay chiều):
1 Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây) so với giá trị định mức : qU U−U dm
2 Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1% trong 1 giây) δ U=Umax−Umin
3 Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp :
U 1 - Điện áp thành phần cơ bản
Khi K K Sin ¿ 5 % thì dạng của đường cong điện áp thường chỉ cần tính đến bậc 13 là đủ.
4 Độ không đối xứng của điện áp :
Trong đó U 2 - điện áp thứ tự nghịch a = e j 120 0 ; a 2 =e j 240 0
Nếu điện áp có K 2 ¿ 1% thì có thể xem thực tế như là đối xứng.
Trong đó U 0 - điện áp thứ tự không
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng
1.2.1.1 Độ lệch tần số Độ lệch tần số so với tần số định mức: Δf = f −f dm f dm 100 Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép: Δf min ¿Δf≤Δfmax
Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép: fmin ¿ f ¿ fmax
Trong đó: fmin = fđm - Δf min fmax = fđm + Δ fmax
1.2.1.2 Độ dao động tần số Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1% Độ dao động tần số không được lớn hơn giá trị cho phép.
* Tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều
4) thì Tần số định mức trong hệ thống điện quốc gia là 50Hz Trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,2Hz so với tần số định mức Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,5Hz so với tần số định mức.
1.2.2.1 Độ lệch điện áp Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh lệch giữa điện áp thực tế U và điện áp định mức Uđm với điều kiện là tốc độ biến thiên của điện áp nhỏ hơn 1% Uđm/giây.
(1) Độ lệch điện áp ΔU có dấu âm khi điện áp thực tế nhỏ hơn điện áp định mức và có dấu dương trong trường hợp ngược lại Thông thường có nhiều nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp Vì vậy độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp điện có thể được coi như là tổng đại số các độ lệch điện áp thành phần : ΔU = ∑ i=1 n ΔU i
(2) Trong đó ΔU i - độ lệch điện áp do nguyên nhân thứ i gây ra được tính theo biểu thức (1) Chú ý khi tính ΔU i phải được tính cùng một pha và cùng một thời điểm. Độ lệch điện áp cho phép ΔU cp %ở mỗi nước khác nhau thì được quy định khác nhau
* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều 5):
- Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành cho phép được sai lệch so với điện áp danh định như sau:Tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện là 5%; Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%.
- Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5% và –10% so với điện áp danh định.
- Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng 10% so với điện áp danh định.
Những quy định trên cần phải được đảm bảo chặt chẽ, bởi vì độ lệch điện áp có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thường của các thiết bị điện.
Ví dụ khi điện áp giảm 10%, thì mômen quay của động cơ không đồng bộ giảm 19%, độ trượt tăng 27,5%, dòng trong rôto tăng 14%, trong stato tăng 10%. Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm đối với điện áp Khi điện áp giảm 25% thì quang thông của đèn dây tóc giảm 9%, còn khi điện áp tăng 10% thì tuổi thọ của nó giảm 30 - 35% Chình vì vậy độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác. Để xác định độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp điện ta phải xác định tổn thất điện áp trên các phần tử từ nguồn đến điểm đó (chủ yêú là trên đường dây và máy biến áp), đồng thời phải kể đến việc nâng cao điện áp do chọn đầu phân áp của máy biến áp và các biện pháp điều chỉnh điện áp khác.
Hình 1.1 Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện
Trong đó δU % - độ tăng điện áp do điều chỉnh đầu phân áp và các biện pháp điều chỉnh điện áp khác, ΔU dd %- tổn thất điện áp trên máy biến áp Chú ý rằng các điện áp trong công thức (3) phải được quy về cấp điện áp tại điểm xét. Hình 1.1 trình bày một ví dụ về phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện và các độ lệch điện ápdo các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gây ra Trong đó: δU 1 = 5% - độ lệch điện áp trên thanh cái trạm biến áp khu vực; δU B =5 %- độ lệch điện áp do đầu phân áp của máy biến áp gây ra. δU 1 = 6% - tổn thất điện áp trên đường dây điện áp cao; δU B =4 %- tổn thất điện áp trên máy biến áp; ΔU 2 =5 %- tổn thất điện áp trên đường dây điện áp thấp.
Từ hình 1 ta thấy rằng để duy trì điện áp trên cực của phụ tải nằm trong phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để bù vào các tổn thất điện áp do các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gâp ra. Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống điện.
1.2.2.2 Độ dao động điện áp
Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian tương đối ngắn Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó.
Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo công thức : ΔU = U max U −U min dm 100%
Tốc độ biến thiên từ U min đến U max không nhỏ hơn 1%/s.
Nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động điện áp là do các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi sự đột biến về tiêu thụ công suất tác dụng và phản kháng Các lò điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn v.v… là các thiết bị thường gây ra dao động điện áp.
Tuỳ theo biên độ và tần số dao động, người ta quy định những giá trị cho phép sau đây :
- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giờ, δU =( 3−5)%U dm
- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/phút, δU=(1−1,5)%U dm
- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giây, δU=0,5%U dm
Mức độ dao động điện áp phụ thuộc vào tỷ số giữa công suất nguồn và công suất của những phụ tải biến thiên Nói chung khi tỷ số nói trên từ 10 trở lên thì biến thiên của phụ tải thực tế chỉ gây ra dao động điện áp cục bộ tại điểm phụ tải làm việc mà thôi.
Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng và nguồn dự phòng
Sự ổn định của tần số lưới phụ thuộc vào nhà sản xuất điện Việc truyền tải, phân phối và sử dụng không ảnh hưởng tới tần số Tần số lưới ổn định hay không phụ thuộc vào việc điều tốc tua-bin của máy phát điện ở nhà máy điện. Như vậy để ổn định tần số lưới điện chúng ta cần quan tâm tới chất lượng của máy móc thiết bị của nhà sản xuất điện Việc kiểm soát máy móc, thiết bị vận hành cũng như liên tục theo dõi, bảo trì, nâng cấp sẽ làm cho tần số luôn giữ được sự ổn định trong giới hạn quy định.
1.3.2 Giải pháp ổn định điện áp.
Sự ổn định điện áp phụ thuộc vào cả 3 yếu tố truyền tải, phân phối và sử dụng Về phía nhà máy điện, công suất điện phát ra và việc điều chỉnh kích từ máy phát sẽ ảnh hưởng đến độ ổn định điện áp phát ra lưới Về phía truyền tải
- phân phối điện, mức độ tổn thất điện áp trên đường dây tất nhiên ảnh hưởng đến chất lượng điện áp Về phía sử dụng, nếu công suất tiêu thụ quá lớn đến mức quá tải thì sẽ gây sụt điện áp. Để điều chỉnh ổn định điện áp ta có thể sử dụng các biện pháp sau đây:
- Điều chỉnh điện áp máy phát điện thông qua bộ điều khiển dòng điện kích thích.
- Điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp tăng áp và của máy biến áp giảm áp thông qua điều chỉnh đầu phân ápthụ động hoặc tự đồng đối với máy biến áp có hệ thống điều áp dưới tải.
- Điều chỉnh điện áp trên đường dây tải điện bằng máy biến áp điều chỉnh và máy biến áp bổ trợ.
- Thiết lập các thiết bị bù ngang có điều chỉnh để thay đổi tổn thất điện áp trên đương dây, có thể dùng bộ tụ điện, máy bù đồng bộ hoặc động cơ điện đồng bộ có điều chỉnh kích từ.
- Đặt thiết bị bù dọc trên đường dây để thay đổi điện kháng đường dây nhằm thay đổi tổn thất điện áp.
Về địa điểm thực hiện điều chỉnh điện áp, có thể ở nhà máy điện, trên mạng điện khu vực và ở mạng điện địa phương hoặc đặt ngay tại thiết bị dùng điện.
1.3.3 Giải pháp tăng độ tin cậy của lưới điện.
Giải pháp tổ chức – kỹ thuật: Bao gồm các giải pháp[3].
- Dự trữ thiết bị và vật liệu.
- Nâng cao yêu cầu đối với nhân viên vận hành và đối với thiết bị.
- Xây dựng chế độ làm việc hợp lý, thiết lập quy trình vận hành thiết bị.
- Tổ chức hợp lý việc tìm kiếm và loại trừ sự cố.
- Tổ chức hợp lý việc đại tu sửa chữa định kỳ.
-Tổ chức sửa chữa dưới điện áp (sửa chữa khi có điện) đảm bảo về kỹ thuật và an toàn. Đây là phương pháp không cần sử dụng nhiều vốn đầu tư, thiết bị nên thường mang lại hiệu quả cao nên cần duy trì và thực hiện đầy đủ.
Giải pháp kỹ thuật:Các giải pháp thường được áp dụng rộng rãi là:
- Hoàn thiện bảo vệ rơle, sử dụng các loại rơle và phương thực bảo vệ tiên tiến nhất.
- Hoàn thiện cơ cấu tự động đóng lắp lại.
- Giảm bán kính lưới phân phối.
- Dự phòng đường dây.
- Phân đoạn đường dây.
- Nâng cao độ tin cậy của các phần tử riêng.
Các phương pháp trên đòi hỏi trang thiết bị và vốn đầu tư, mỗi phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế khác nhau Trong đó giải pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng cách Dự phòng công suất mà cụ thể là sử dụng các nguồn điện dự phòng nối lưới hiện nay đang rất được quan tâm nghiên cứu và phát triển.
Giải pháp này là sử dụng các nguồn điện dự phòng (Các nguồn tích trữ năng lượng như siêu pin, siêu tụ…) được lấy từ các nguồn năng lượng phân tán, nguồn năng lượng mới, tái tạo kết nối với lưới điện thông qua các bộ biến đổi công suất, với mục đích:
+ Cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện như: Lọc các sóng nhiễu (sóng hài bậc cao ) Bù toàn phần, cấp điện ngay lập tức cho các phụ tại quan trọng khi bị mất điện hoặc xảy ra sự cố về điện.
+ Có thể Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lượng điện áp tại điểm kết nối.
+ Trợ giúp sự phát triển các nguồn điện phân tán (phát điện, dự trữ năng lượng, cắt giảm nhu cầu…) Trợ giúp sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. + Tối ưu hóa vận hành Hệ thống điện để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện.
Kết luận chương 1
Để đáp ứng nhu cầu về cung cấp năng lượng và chất lượng điện năng được cung cấp, việc sử dụng các công nghệ tiên tiến để tăng hiệu suất của lưới điện truyền tải, phân phối là một trong những giải pháp quan trọng và cần được quan tâm
Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụng các dạng năng lượng mới, tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải hay giúp phân bố lại công suất truyền tải trong lưới phân phối Qua đó, giảm việc xây mới các nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu quả vận hành cho toàn hệ thống điện.
Các dạng nguồn năng lượng tái tạo hiện nay có thể kể đến là năng lượng mặt trời, năng lượng gió, tuy nhiên các dạng năng lượng này có đặc điểm chung là công suất không lớn, lượng công suất phát ra được phụ thuộc vào năng lượng sơ cấp (bức xạ mặt trời, gió…) thay đổi trong ngày, vị trí đặt của các nguồn này (địa hình, có phụ tải sử dụng trực tiếp, có kết nối lưới điện hay không?…) Vì vậy để khai thác hiệu quả và lâu dài các nguồn năng lượng này ta có thể sử dụng các kho tích trữ năng lượng như Pin, ác quy, tụ , khoa học phát triển hiện nay đã chế tạo ra các siêu pin, siêu tụ có thể tích trữ được lượng năng lượng lớn để sử dụng lâu dài, hiệu quả.
Ngày nay khoa học công nghệ phát triển hết sức manh mẽ, nhu cầu của con người ngày càng cao, đòi hỏi các thiết bị sử dụng điện ngày càng hiện đại kể cả thiết bị công nghiệp cũng như các thiết bị gia dụng Có thể nói, mọi thiết bị đều có điều khiển, chính vì thế chất lượng điện năng cung cấp phải đạt chuẩn Đó là mục tiêu đặt ra cho đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiểnDead – Beat để nâng chất lượng điện năng cho nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo có kết nối lưới.
BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ CHỨC NĂNG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
Tổng quan về năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT sẽ tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.
Trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu và đang ở giai đoạn cuối của sự cạn kiệt Mặt khác, sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng NLTT có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới.Trong những năm gần đây, Thế giới trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là mô hình tất yếu của một tương lai gần.
Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trường…, rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Mêtan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều sóng biển
Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu 0 C Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa Như vậy năng lượng Mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất rất lớn, khoảng 1353 W/m 2 trước khi vào tầng khí quyển trái đất, đó chính là là nguồn gốc của mọi sự sống trên Trái đất Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một phần năng lượng Mặt trời bị hấp thụ Kết quả tính toán cho thấy năng lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt Trái đất với mật độ năng lượng cực đại 1000W/m 2 , tương tương 1,5 thùng dầu cho mỗi m 2 cho mỗi năm
Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời (BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, V.V Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ PV sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế dần những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Việc khai thác sử dụng PV như một nguồn điện tại chỗ và tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn, góp phần đảm bảo cho cân bằng năng lượng bền vững.
Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của Trái đất Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực Do đó hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành gió Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 23 0 5’ so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời Điều này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo mùa Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại
Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong khoảng 10 năm gần đây Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió tăng nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2MW, lớn có thể đến 5MW Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên Thế giới ước tính đạt 93.849 MW.
Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió đã được ứng dụng phổ biến như: Máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn kép
Thủy điện nhỏ được hiểu một cách không thống nhất Đa số các nước phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW Trong loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dưới 500 kW, micro dưới 100 kW, trạm pico có công suất dưới 5 kW
Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường. Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều Hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m 3 nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng 37.500 m 3 /giây Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng.
Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến đổi thủy năng thành điện năng Nhiều trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi.
2.1.4 Các dạng năng lượng tái tạo khác.
Trên đây vừa giới thiệu ba dạng năng lượng điển hình, ngoài ra còn một số dạng NLTT khác cũng được quan tâm phát triển rất nhiều ví dụ như: Năng lượng địa nhiệt, năng lượng đại dương Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa và lớn dưới các dạng Nhà máy điện địa nhiệt hay Trung tâm địa nhiệt. Năng lượng đại dương được khai thác theo nhiều kiểutrạm phát điện rất phong phú:
Năng lượng do thủy triều và sóng biển tạo ra vô cùng to lớn và cũng rất khó khai thác Có hai giải pháp sử dụng năng lượng thủy triều và sóng biển: + Sử dụng thế năng do độ chênh mức nước thủy triều trong ngày và theo tháng để quay turbine phát điện.
+ Sử dụng động năng của sóng hoặc dòng hải lưu quay turbine-máy phát điện.
Mô hình Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN)
Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo, tác giả luận văn chọn hướng nghiên cứu của đề tài tập trung vào dạng năng lượng thủy điện nhỏ áp dụng cho mạng điện cục bộ Nhằm đưa ra một mô hình mạng điện nguồn điện khai thác từ NLTT có chất lượng cao nhờ thực hiện một số giải pháp về cấu trúc mạng và hệ điều khiển nhằm khắc phục một một số nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ
Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ trong trường hợp này là một hệ thống điện riêng rẽ, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài chục đến một vài ngàn kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối lưới được mô tả như sơ đồ như hình 2.1
Hình 2.1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ.
Mô hình này đại diện cho một hình thức phát triển mạng điện trong đó điện năng được sản xuất theo công nghệ sạch,thích hợp đối với các khu vực miền núi xa xôi hẻo lánh mà việc đưa điện lưới quốc gia đến không thực hiện được bởi lý do về tính kinh tế hoặc về điều kiện địa hình địa lý không cho phép, mạng điện cục bộ trên cơ sở khai thác tiềm năng sẵn có trong điều kiện tự nhiên để cấp điện tại chỗ cho những cụm kinh tế địa phương, những công trường khai thác khoáng sản, phục vụ dân sinh V.V sẽ mạng lại ý nghĩa to lớn cả về kinh tế và chính trị xã hội và hơn nữa là vấn đề bảo vệ môi trường.
Từ sơ đồ hình 2.1 là cũng như các sơ đồ khác tương tự đều có thể biến đổi về cùng một dạng sơ đồ thay thế tối giản như hình 2.2 để thuận tiện cho việc nghiên cứu và áp đặt một cách tính toán chung.
Hình 2.2 Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ.
Một hộ phụ tải bất kỳ thứ i nào đó tại điểm kết nối PCCi cách nguồn bằng chiều dài đường dây là Li được phân tích thành hai thành phần, gồm: + Một động cơ không đồng bộ.
+ Phần còn lại được đặc trưng bằng một phụ tải tính toán Sti=Pti+jQti
Các phụ tải còn lại của mạng được quy đổi về đầu cực máy phát tại điểm PCC1, đặc trưng bằng một phụ tải tính toán tổng S1=P1+jQ1.
2.2.2 Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN. Ưu điểm của thủy điện nhỏ:
- Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên là các dòng chảy nhỏ sẵn có ở các vùng núi Đặc biệt, thủy điện nhỏ càng có ý nghĩa hơn đối với những khu vực xa trung tâm phát triển, không có điện lưới quốc gia.
- Bán kính truyền tải ngắn (không quá 10 km), tổn thất năng lượng trên mạng nhỏ nên hệ thống có tính kinh tế cao.
- Sản xuất điện theo công nghệ sạch, không phải di dân, xây dựng lòng hồ nên không xâm hại nhiều đến môi trường tự nhiên, không làm thay đổi tập quán sản xuất và bản sắc văn hóa địa phương trong khu vực
- Phát triển thủy điện nhỏ đang được khuyến khích trên phạm vi toàn cầu.
Những vấn đề còn tồn tại
Xuất phát từ các điều kiện địa hình trên các địa bàn khu vực miền núi và đặc điểm của các dòng chảy đầu nguồn có lưu lượng nhỏ, các trạm thủy điện thường được xây dựng kiểu kênh dẫn, hình 2.3.
Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ.
Công thức cơ bản tính công suất của một máy phát thủy điện:
-P đm là công suất định mức của máy phát điện [kW].
- là hiệu suất tổng cộng của các khâu biến đổi năng lượng: turbine, máy phát.
-q là lưu tốc của dòng nước qua turbine [m 3 /s].
-h là cột nước làm vệc của turbine [m].
-T m là mô men cơ của turbine [Nm].
-là tốc độ quay của turbine [rad/s].
Vấn đề điều chỉnh tăng hay giảm công suất vận hành được thực hiện thông qua điều chỉnh đại lượng q Trong khi đó, đại lượng h được xem như có giá trị hằng (ít thay đổi theo từng giờ) Đối với các thủy điện vừa và lớn, vấn đề điều chỉnh lưu lượng q để đáp ứng nhanh công suất chỉ phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều khiển, nhưng với thủy điện nhỏ lại còn phụ thuộc cả vào điều kiện tự nhiên có cho phép hay không? Đặc biệt với thủy điện công suất nhỏ không có bể dự trữ áp lực, kênh dẫn dài, trong quá trình điều chỉnh lưu tốc q có nẩy sinh một số hạn chế:
Giới hạn trên của phạm vi điều chỉnh hẹp ( 1,1).
Đặc tính điều chỉnh q để cân bằng công suất và ổn định tần số có thời gian trễ lớn Xem hình 2.4, tại thời điểm 4s tăng công suất tiêu thụ, tốc độ máy phát giảm đột ngột tương ứng tần số lưới suy giảm nghiêm trọng và thời gian trễ kéo dài đến thời điểm 6s (sau 100 chu kỳ lưới) mới khôi phục được tần số định mức
Hình 2.4 Đặc tính ổn định tần số theo tải. Điều này dẫn đến hạn chế khả năng điều chỉnh công suất của máy phát cả về hai yếu tố là:
- Tốc độ huy động công suất đỉnh
Trong khi đó, phụ tải luôn có những đòi hỏi về yêu cầu này: Giả thiết, có động cơ không đồng bộ hoạt động, chế độ khởi động của động cơ đòi hỏi công suất đỉnh lớn từ 5 đến 7 lần công suất định mức Khi đó, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ bộc lộ một số vấn đề nhược điểm: a) Nhược điểm thứ nhất : Máy phát không thể huy động kịp thời công suất cho động cơ khởi động và nhất là khi hệ số mang tải của máy phát đang vận hành ở mức cao (Kpt 0,7). b) Nhược điểm thứ hai : Quá trình khởi động động cơ bị kéo dài làm giảm chất lượng điện năng cả về chỉ tiêu tần số và chỉ tiêu điện áp, thậm chí khởi động có thể không thành công, hoặc gây rã lưới. Đứng trước vấn đề này, một số giải pháp thông thường có thể được nêu ra, nhưng để áp dụng với mạng cục bộ thủy điện nhỏ là không phù hợp Ví dụ:
Biện pháp giảm thấp công suất vận hành máy phát ở mức Kpt = (0,6 0,7): Làm giảm tính kinh tế của hệ thống, không khai thác hiệu quả tiềm năng của thiên nhiên.
Sử dụng các thiết bị khởi động mềm riêng cho mỗi động cơ: Không kinh tế, hệ số tận dụng động cơ thấp.
Điều hành san tải: Quá trình sản xuất sẽ thụ động, không đáp ứng đòi hỏi của tải khách hàng. Để nghiên cứu mang tính tổng quát về các tác động của phụ tải, dù là phụ tải đó kết nối với mạng điện tại một điểm bất kỳ PCCi nào đó (PCC1, PCC2, hay PCC3) và khả năng đáp ứng của nguồn thủy điện nhỏ, các lượng tổn thất điện áp và tổn thất công suất trong mạng ta khảo sát hoạt động của mạng điện thông qua một số trường hợp cụ thể sau.
Trường hợp thứ nhất: Máy phát vận hành đầy tải, Kpt1 với các thông số tính toán như sau:
Các thông số suất định mức của máy phát:
SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm PHz; IđmMF = 122,69A; cosđm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:
Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcc i,trong đó gồm:
- Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA.
- Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cosđm =0,85; coskđ =0,85.
Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát:
S1 = (40+j15) kVA Áp dụng lý thuyết tính toán mạng điện, các phép tính được thực hiện trong phần mềm Excel cho các kết quả trong bảng 2.1
- Tổn thất điện áp trên đường dây Li lớn quá mức cho phép, U,99%.
- Tổn thất công suất công suất trên đường dây Li lớn, P,18% làm cho các phụ tải cuối đường dây không nhận đủ công suất danh định.
- Khi động cơ khởi động:
+ Máy phát chịu dòng khởi động vượt quá định mức 55,39% điều này hệ turbine–máy thủy điện nhỏ không có khả năng thực hiện được.
+ Sụt áp trên đường dây Li lớn, U2,24V gây dao động điện áp ảnh hưởng chất lượng điện năng.
Trường hợp thứ hai: Hạ thấp công suất vận hành của máy phát, Kpt 0,66 với các thông số tính toán như sau:
Các thông số suất định mức của máy phát:
SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm PHz; IđmMF = 122,69A; cosđm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:
Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcci, trong đó gồm:
- Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA.
- Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cosđm =0,85; coskđ =0,85.
Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát:
Tính toán tương tự cho ta kết quả trong bảng 2.2
Kết quả tính cho thấy: nếu vận hành máy phát 85 kVA với hệ số mang tải là Kpt = 66,18% thì khi động cơ 7,5 kW khởi động máy phát chịu quá tải vượt quá định mức 18,2% Ở mức này hệ turbine–máy thủy điện nhỏ có thể đáp ứng được.
Hệ thống tích trữ năng lượng dùng acquy (BESS)
BESS (Battery Energy Storage System) là một thiết bị bù song song thuộc hệ FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) là hệ thống bao gồm các thiết bị tĩnh để sử dụng cho việc nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây Về cấu trúc, một BESS hoàn chỉnh cần phải có ba yếu tố chính là:
- Thiết bị điện tử công suất PCS (power conditioning system), trong trường hợp này sử dụng bộ biến đổi công suất hai chiều (đôi khi gọi là biến tần 4Q), cụ thể hơn là bộ chỉnh lưu PWM cầu ba pha IGBT-Diode;
- Kho tích trữ năng lượng dùng ác quy Những trường hợp khác có thể dùng siêu tụ hay kho từ bằng các cuộn cảm siêu dẫn…
- Hệ điều khiển cho quá trình tích cũng như phóng năng lượng theo các kịch bản thiết kế.
Chi tiết một cấu trúc mạch lực BESS được mô tả trên hình 2.6.
Hình 2.6 Cấu trúc mạch lực của BESS
2.3.2 Bộ biến đổi công suất.
Việc lựa chọn bộ biến đổi công suất để ứng dụng cho hệ thống BESS là một vấn đề quan trọng đảm bảo chất lượng điện năng cho lưới điện, một cách lựa chọn đơn giản có thể sử dụng hai bộ cầu thyristor mắc song song ngược Tuy nhiên hệ thống này đã thể hiện nhiều nhược điểm như khả năng chịu tần số đóng cắt thấp do đó không thể ứng dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung tần số cao, phát sinh nhiều sóng hài, tồn tại dòng cân bằng… Vì vậy, trên hình 2.6 bộ biến đổi công suất sử dụng cầu ba pha IGBT là giải pháp tốt nhất
Trong đó, cấu tạo nguyên lý làm việc phần tử bán dẫn IGBT được phân tích:
Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT:
IGBT (trasistor có cực điều khiển cách ly) là phần tử kết hợp đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Điều khiển van IGBT thực hiện điều khiển theo điện áp
Hình 2.7 Cấu trúc và ký hiệu IGBT a) cấu trúc bán dẫn, b) cấu trúc tương đương với một transistor npn và một MOSFET, c) Sơ đồ tương đương, d) ký hiệu
Hình 2.7 giới thiệu cấu trúc van IGBT, cấu trúc tương đương và ký hiệu IGBT Đây là một van IGBT kiểu nghịch loại n-p-n-p Trong đó, G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc lớp bán dẫn còn lại bằng một lớp điện môi rất mỏng và có độ cách điện lớn đioxit-silic (SiO2), E là cực Emitơ cực này có cấu trúc bán dẫn loại n, C cực colecter có cấu trúc lớp bán dẫn loại p.Giữa các lớp bán dẫn hình thành tiếp giáp JGE và JGC, khi có điện trường giữa các điện cực sẽ xuất hiện điện tích trái dấu tạo nên các tụ ký sinh
CGE và CGC tại đó, làm ảnh hưởng tới quá trình đóng, mở van
Nguyên lý đóng, mở IGBT:
Hình 2.8 Sơ đồ thử nghiệm IGBT Để thấy được nguyên lý đóng, mở một van IGBT khảo sát sơ đồ đơn giản như hình 2.8 Điốt Do được mắc song song với Tải điện cảm L nhằm mục đích bảo vệ quá sức điện động cho van trong quá trình khoá van.Điốt D được mắc song song với van IGBT với mục đích bảo vệ và tăng khả năng mở, cũng như khoá van bằng cách tạo đường phóng cho các tụ ký sinh trong thời gian ngắn.Udc là nguồn một chiều cung cấp cho tải và điện áp giữa hai cực colecter-Emiter (UCE> 0).
Hình 2.9 Đặc tính đóng mở van IGBT
Khi điện áp UCE = Udc> 0 khi van đang khoá do đó để mở van thì xung điều khiển đưa vào cực G tăng dần từ 0 đến UG trên hình 2.9, trong khoảng thời gian trễ khi mở td(on) tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ CGE làm điện áp
UGE tăng theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng UGE(th) thì van bắt đầu được mở dòng điện giữa Colecter-Emiter tăng theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải Io trong thời gian tr Trong thời gian này điện áp giữa cực điều khiển và cực Emiter cũng tăng đến giá trị UGE.Io Do diode Do còn đang dẫn dòng tải lên điện áp UCE vẫn được giữ không đổi bằng điện áp nguồn Udc Tiếp theo quá trình diễn ra theo hai giai đoạn tfv1 và tfv2 Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển và Emiter giữ nguyên ở mức UGE.Io, để duy trì dòng tải ở mức Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ CGE nên IGBT vẫn làm việc trong chế độ tuyến tính, trong giai đoạn tfv1diễn ra quá trình phục hồi tính chất khoá của diode Do, dòng phục hồi diode Do tạo ra xung dòng trong dòng tải Io Điện áp UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hoà Trong giai đoạn tfv2 tiếp tục giảm điện trở giữa hai điện cực Colecter-Emiter đến giá trị Ron lúc này khoá mở bão hoà đồng thời tụ CGE phóng điện xong Sau đó nó lại được nạp tiếp làm điện áp giữa cực điều khiển và Emiter tiếp tục tăng theo hàm số mũ đến khi bằng UG với hằng số thời gian RG.CGE.
Quá trình khoá bắt đầu tại thời điểm tc trên hình 2.9 khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG trong thời gian trễ khi khoá td(off) chỉ có tụ CGE phóng qua cực điều khiển đầu vào với hằng số thời gian RG.CGE, tới mức điện áp UGE.Io(mức Miller), mức điện áp này được giữ không đổi do điện áp UCE bắt đầu tăng lên và tụ CGE bắt đầu được nạp điện Dòng điều khiển lúc này hoàn toàn là dòng nạp cho tụ CGE. Điện áp UCE tăng từ giá trị bão hoà UCEon tới giá trị điện áp nguồn Udc sau khoảng thời gian trv Cuối khoảng thời gian này điốt Do bắt đầu dẫn làm ngắn mạch dòng tải Io, do đó dòng colecter bắt đầu giảm, quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn:
+ Giai đoạn tfi1 thành phần dòng điện i1 của MOSFET của cấu trúc van suy giảm nhanh chóng về không điện áp UGE ra khỏi mức Miller Và giảm về mức điện áp điều khiển –UG với hằng số thời gian RG.(CGE+CGC) Ở cuối khoảng tfi1, UGE đạt mức ngưỡng khoá của MOSFET(UGE(th)) làm MOSFET khoá hoàn toàn.
+ Giai đoạn tfi2 thành phần dòng i2 của tranzitor p-n-p bắt đầu suy giảm, quá trình suy giảm này có thể rất dài do quá trình tự trung hoà điện tích trong lớp bán dẫn n - , khi i2 bằng không tranzitor khoá hoàn toàn.
Như vậy để điều khiển đóng hoặc mở một van IGBT kiểu nghịch phụ thuộc vào hai điều kiện UCE>0 và tín hiệu điện áp điều khiển UG.Khả năng đóng cắt của van rất cao vì cấu tạo giống như MOSFET, khả năng chịu dòng tải lớn do tính chất giống Tranzitor thường nên được ứng dụng trong dải công suất lớn Khi các van là các phần tử tạo lên các bộ biến đổi công suất thì thời điểm van khoá hoàn toàn rất quan trọng để tránh hiện tượng ngắn mạch qua các van.Tổn thất năng lượng trên van trong quá trình khoá và mở là rất nhỏ.
2.3.3 Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất.
Cuộn cảm có vai trò quan trọng đối với các bộ chỉnh lưu tích cực được điều khiển theo phương pháp PWM, nó vừa làm khâu tích phân để nâng cao chất lượng nguồn một chiều, vừa mang đặc tính nguồn dòng đầu vào làm tăng thế của bộ chỉnh lưu phía một chiều Thật vậy, xét trường hợp tại thời điểm điện áp pha A dương nhất, điện áp pha C âm nhất, lúc đầu điốt Đ1 và Đ2 dẫn dòng để nạp cho tụ từ nguồn, sau đó bộ phát xung cho T5 với tần số cao làm dòng điện qua cuộn cảm biến thiên nên xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại sự biến thiên đó, sức điện động này cùng chiều với sức điện động nguồn vì vậy mà điện áp phía một chiều bộ chỉnh lưu tích cực cao hơn so với các chỉnh lưu thông thường
Lựa chọn thông số cuộn cảm phù hợp là vấn đề khó khăn, bởi lẽ nếu cuộn cảm có trở kháng thấp sẽ làm cho dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc vào nhiều trở kháng đường dây Cảm kháng có trở kháng lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện và đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu Điện áp rơi trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn Vì vậy giá trị giới hạn cuộn cảm được tính như sau:
Trong đó: Em biên độ sức điện động phía xuay chiều. iLD dòng điện qua cuộn cảm.
Udc Điện áp một chiều. ω tần số góc điện áp lưới.
2.3.4 Kho tích trữ năng lượng một chiều.
Kho năng lượng một chiều là sự kết hợp các phần tử R, C với nguồn một chiều Vdc Được tạo thành từ việc phối hợp ghép nối tiếp và song song các ắcquy 12V(24V) để có được giá trị điện áp tương ứng với công suất theo yêu cầu của hệ thống. Ắcquy là một trong những công nghệ tích trữ năng lượng mang lại giá trị hiệu quả kinh tế cao Trên thế giới nhiều nước đã áp dụng công nghệ ắcquy khác nhau như: ắcquy chì, ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2), ắcquy Solium-Sulfur (Na/S), ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad), ắcquy Lithium Ion,…
Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS
2.4.1 Các phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS.
Dựa trên mô tả toán học của bộ biến đổi BESS trên từng hệ trục tọa độ, ta sẽ có các phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng phù hợp Hiện nay, có 3 phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện.
Phương án 1: Bộ điều chỉnh dòng điện kiểu 2 điểm Đặc điểm phương án này đã được phân tích ở trên.
Phương án 2: Bộ điều chỉnh dòng điện được thiết kế trong hệ tọa độ tĩnh αβ Đặc điểm phương án này giá trị dòng điện đặt và thực biến thiên theo hình sin, nên bộ điều chỉnh làm việc trong chế độ động Vì vậy chất lượng điều chỉnh không cao.
Phương án 3: Bộ điều chỉnh dòng điện thiết kế trong hệ tọa độ quay dq đồng bộ với điện áp tại điểm kết nối chung PCC Phương án này có một số đặc điểm sau :
+ Cải thiện động học bộ điều chỉnh trong chế độ xác lập, do các tín hiệu xoay chiều trở thành một chiều trên hệ tọa độ quay vì vậy sai lệch điều chỉnh có thể đạt được nhỏ nhất.
+ Băng thông bộ điều chỉnh dòng điện lớn do giá trị dòng điện đặt và thực là một chiều.
+ Điều chỉnh tách kênh (khử tương tác) được 2 thành phần công suất phản kháng (đại diện là dòng điện iBq) và công suất tác dụng (đại diện là dòng điện iBd).
+ Tuy nhiên cấu trúc thực hiện bộ điều chỉnh dòng trên tọa độ quay dq là phức tạp hơn so với 2 phương án trên.
Trong luận án này sử dụng phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh dòng theo phương án 3 thông qua hai phương pháp thiết kế: Thiết kế bộ điều chỉnh dòng kiểu PI, và thiết kế bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat.
2.4.2 Cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI
Theo mục 2.3 ta viết lại hệ phương trình mạch vòng dòng điện trong hệ tọa độ quay dq:
Giả sử ta có thể thực hiện khử thành công 2 thành phần tương tác chéo
–ωLi Bd và ωLi Bq khi đo được 2 thành phần dòng i Bd , i Bq Cấu trúc điều khiển như hình 2.29.
Hình 2.29 Cấu trúc khử tương tác 2 thành phần dòng i Bd và i Bq
Từ phương trình (2.19) nhận thấy mối quan hệ giữa ∆u d và i Bd , giữa
∆u q và i Bq có đặc điểm tỷ lệ quán tính bậc 1 (PT1) Trong đó u PCCd và u PCCq là 2 thành phần phía lưới của bộ biến đổi BESS luôn đo được và do đó có thể khử tác động bằng phương thức bù xuôi Do đặc điểm khâu PT1 ta có thể sử dụng 2 bộ điều chỉnh PI để điều khiển 2 thành phần dòng i Bd ,i Bq Cấu trúc như hình 2.30.
Hình 2.30.Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS Để tính tham số bộ điều khiển dòng ta giả thiết bỏ qua tác động xen kênh giữa 2 nhánh d,q và coi thành phần u PCCd , u PCCq là nhiễu và sẽ được triệt tiêu bởi thành phần tích phân của bộ điều chỉnh (hoặc triệt tiêu bằng phương thức bù xuôi) Như vậy, đối tượng điều chỉnh mạch dòng điện có hàm truyền đơn giản như sau (tổng quát cho cả thành phần dòng i Bd , i Bq ):
-T t là hằng số thời gian quán tính của bộ biến đổi.
- là hằng số thời gian mạch dòng điện. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module [1], [11] ta tìm được hàm truyền cho bộ điều chỉnh dòng có dạng khâu PI:
-T i hằng số thời gian tích phân bộ điều chỉnh PI.
-K p hệ số tỉ lệ bộ điều chỉnh PI.
Từ đó thu được hàm truyền đạt của khâu điều chỉnh dòng kiểu PI như sau:
Nhận xột: Bộ điều chỉnh dũng điện kờnh d,q sẽ cú tham số K pá K i giống nhau.
2.4.3 Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat.
Bộ điều chỉnh dòng điện được thiết kế có cấu trúc PI ở trên triệt tiêu được sai lệch tĩnh, tuy nhiên thời gian đáp ứng chậm Để cải thiện thời gian đáp ứng hệ thống và vẫn đảm bảo được chất lượng hệ thống, luận án đưa ra phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat (thực chất đây chỉ là một trường hợp riêng của phương pháp điều khiển đáp ứng hữu hạn [11]), nội dung phương pháp được trình bày như sau:
Phương trình (2.18) có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái như sau:
Trong đó: i Bd , i Bq là các biến trạng thái.
Từ phương trình trạng thái thu được mô hình dòng gián đoạn bằng cách sử dụng phép tích phân trong phạm vi giữa hai thời điểm trích mẫu [11]:
Khi chu kỳ trích mẫu của bộ điều chỉnh dòng đủ nhỏ (chọn 200 μs) dạng của ma trận , có dạng bậc nhất, điều này rất thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều chỉnh Tuy nhiên khi xét khía cạnh ổn định hệ thống, theo [11] có nhận xét: Chu kỳ cắt mẫu T càng nhỏ thì phạm vi cũng như dải tần số công tác ổn định càng lớn Nếu T càng nhỏ thì càng đòi hỏi cấu hình phần cứng mạnh (do tần số xung nhịp cao), cơ sở chọn chu kỳ cắt mẫu T:
(2.25) trong đó λi là giá trị riêng của hệ liên tục.
Từ (2.24) xây dựng được sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện như hình 2.31.Đó chính là xuất phát điểm để thiết kế khâu điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat.
Hình 2.31 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat
Giả thiết y(k) là biến đầu ra của khâu điều chỉnh vector R i , trong đó đã bù ảnh hưởng điện áp lưới và trễ thời gian thực hiện bộ điều chỉnh:
(2.26) Phương trình (2.26) thể hiện rõ trong quá trình thiết kế bộ điều chỉnh dòng đã xét cả hiện tượng hardware làm trễ một nhịp tính trong hàm đặt của khâu điều chỉnh dòng Thành phần thứ hai, có nhiệm vụ bù tĩnh nhiễu điện áp lưới
Phương trình đầu ra bộ điều chỉnh dòng:
Mục tiêu đặt ra khi thiết kế bộ điều chỉnh dòng có động học cao (đặc tính Dead-Beat) sao cho giá trị thực đuổi kịp giá trị đặt trong hai chu kì trích mẫu, thỏa mãn biểu thức :
(2.28) và được mô tả như hình 2.32.
Hình 2.32 Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh Dead-Beat
Thay (2.27) vào (2.28) ta thu được cấu trúc bộ điều khiển dòng như sau:
(2.29) Trong đó: là ma trận đơn vị
Từ phương trình (2.29) viết phương trình sai phân bộ điều chỉnh dòng:
(2.30) Như vậy, để thuận lợi cho quá trình tính toán phương trình bộ điều khiển dòng được viết qua 2 bước:
Có thể viết lại như sau:
Bước 2: Tính vector điện áp đầu ra bộ điều chỉnh dòng theo (2.32)
Có thể viết lại như sau:
Cấu trúc bộ điều khiển dòng kiểu Dead-Beat được thiết kế như hình 2.33
Hình 2.33 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat Đầu ra bộ điều khiển dòng điện cần phải giới hạn, do điện áp u B (thể hiện thông qua 2 thành phần u Bd , u Bq ) của bộ biến đổi chỉ có thể tăng tới một giới hạn nào đó, và giá trị giới hạn đó phụ thuộc vào giá trị điện áp một chiều U dc
Ta sẽ giới hạn giá trị u B thông qua 2 thành phần u Bd , u Bq theo sách lược trong tài liệu [11] để đảm bảo biên độ lớn u Bmax thỏa mãn công thức
(2.35) Đầu ra thực tế của bộ điều chỉnh dòng cần phải được quay ngược lại về hiệu chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện Trường hợp bộ điều khiển dòng kiểu Dead-Beat sai lệch cần hiệu chỉnh được tính theo công thức:
- là sai lệch điều chỉnh.
- là sai lệch điều chỉnh thực tế (đã hiệu chỉnh).
- là điện áp do bộ điều chỉnh dòng tính được
- là điện áp thực tế (sau giới hạn).
2.4.4 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC.
Kết luận chương 2
Chương 2 đưa ra cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ được xây dựng trong hệ tọa độ dq thông qua phép chuyển hệ tọa độ Điều này rất thuận lợi cho việc thiết kế các bộ điều chỉnh do các đại lượng dòng điện và điện áp trong hệ toạ độ này là các thành phần một chiều Đầu ra bộ điều chỉnh dòng là lượng đặt cho khâu điều chế vector không gian SVM phát xung điều khiển các van bán dẫn nhằm đạt được chất lượng đầu ra cao nhất của bộ biến đổi công suất Đặc biệt, chế độ nghịch lưu đảm bảo cho điện áp là gần sin nhất, không lẫn sóng hài – Đây là yếu tố quan trọng nhất để xác nhận cho một dạng “nguồn sạch”
Nhiệm vụ chính của đề tài đã được giải quyết tại chương 2 là thiết kế được bộ điều chỉnh dòng theo hai phương pháp khác nhau theo kiểu PI và kiểu Dead-Beat Đồng thời, thiết kế một số các Bộ điều chỉnh vòng ngoài thực hiện chức năng công nghệ của hệ BESS, nhằm đạt được một cấu hình BEES hoàn chỉnh áp dụng cho hệ nguồn trong MĐCBTĐN:
- Bộ điều khiển công suất tác dụng, điều khiển quá trình phóng/nạp năng lượng của ắc quy, và hỗ trợ nguồn phát thủy điện nhỏ khi có đột biến phụ tải;
- Bộ điều khiển điện áp tại điểm kết nối chung PCC, bù công suất phản kháng để nâng cao chất lượng điện áp. Đầu ra bộ điều chỉnh vòng ngoài là lượng đặt cho bộ điều chỉnh dòng điện.Tiếp theo sang chương 3, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết thông qua mô phỏng bằng Matlab-Symulink.
MÔ HÌNH HÓA PHỎNG TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ
Xây dựng mô hình mô phỏng
Sơ đồ mô phỏng MĐCBTĐN 85 kVA được thiết kế trong Matlab- simulink như hình 3.1.
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN công suất 85 kVA
Các khối chính
Nguồn được chọn là một hệ turrbine-máy phát thủy điện công suất 85 kVA, điện áp phát đầu cực 0,4 kV có cấu trúc như sau, hình 3.2:
Hình 3.2 Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV
Các thông số mạch điều khiển turbine và mạch kích từ máy phát được lựa chọn theo bảng 3.1 và bảng 3.2
Bảng 3.1 Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện
Bảng 3.2 Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát
3.2.2 Khối đường dây và tải: Đường dây 3 pha điện áp 0,4 kV xoay chiều tần số 50 HZ từ nguồn đến tải có thông số ghi trên bảng 3.3
Bảng 3.3 Thông số đường dây
Phụ tải gồm hai thành phần cơ bản là tải tĩnh và tải khởi động:
- Các tải tĩnh là dạng phụ tải ổn định đặc trưng cho hệ số mang tải của nguồn Trong đó:
- Phụ tải động, là một động cơ không đồng bộ 3 pha công suất 10HP (7,5 kW) để kiểm chứng khả năng ổn định động của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ và động học hệ thống.
3.2.3.1 Khối mạch lực của BESS.
Mạch lực khối BESS được thiết kế có cấu trúc như sau, hình 3.3.
Hình 3.3 Cấu trúc mạch lực của BESS
- Các van bán dẫn dùng loại HVIGBT Modules Dual FF1400R12IP4 có sẵn điốt của hãng EUPEC (European Power Semiconductor and Electronics Company) có các thông số như bảng 3.4
Bảng 3.4 Thông số của IGBT
Thông số Điều kiện Ký hiệu Giá trị Điện áp collector- emitter
Dòng điện peak trong tP = 1ms ICRM 280 A
Công suất tiêu hao TVj = 250C Ptot 0,765 kW Điện áp điều khiển VGE 20 V Điện áp đánh thủng f= 50Hz,t = 1 phút
VISOL 2,4 kV Điện áp giữ VGE
Thời gian mở van TVj = 250C ton 0,21 às
Thời gian khúa van TVj = 250C toff 1,1 às
Nhiệt độ cho phép TVJ -40 175 0C
- Khối một chiều: Udc = 700 V ; Cdc = 3600 μF ;
3.2.3.2 Khối đo lường của BESS
Mạch lực khối BESS được thiết kế có cấu trúc như sau, hình 3.4 thực hiện đo lường các đại lượng và thông số: Đo giá trị tức thời và giá trị hiệu dụng các đại ượng Dòng, áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến của nguồn phát (tại đầu nguồn điểm PCC1), của tải và BEES tại điểm kết chung PCC2 Đo kiểm tra thông số hoạt động của các khối trong bộ điều khiển
3.2.3.3 Khối điều khiển của BESS.
Khối BESS được thiết kế theo hai phương pháp điều khiển:
Khối điều khiển có bộ điều khiển dòng theo kiểu PI, sơ đồ cấu trúc như sau, hình 3.5 a, b.
Hình 3.5a Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu PI
Hình 3.5b Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu PI
Khối điều khiển có bộ điều khiển dòng theo kiểu D-B, sơ đồ cấu trúc như sau, hình 3.6a,b.
Hình 3.6a Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B
Hình 3.6b Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu D-B
Kết quả mô phỏng
3.3.1 So sánh động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B. Để chứng tỏ bộ điều khiển dòng kiểu D-B có động học cao hơn, ta khảo sát đáp ứng động học giữa bộ điều chỉnh kiểu PI và D-B cho cùng một đối tượng điều khiển có L = 1 mH, R = 0,02 Ω Kết quả so sánh trên hình 3.7
Hình 3.7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B
Nhận xét: Với cùng một đối tượng điều khiển đáp ứng động học hệ thống khi sử dụng bộ điều chỉnh D-B nhanh hơn rất nhiều, không có lượng quá điều khiển thể hiện trên đồ thị mô phỏng cho thấy: dòng điện đươc điều khiển đạt giá trị đặt nhanh gấp 5 lần so với bộ điều khiển kiểu PI.
3.3.2 So sánh chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động. Để chứng tỏ bộ điều khiển dòng kiểu D-B có động học cao hơn, Trong trường hợp này, kích động hệ thống được giả thiết là một dạng sự cố thoáng qua do phóng điện sét đường dây – dạng sự cố có xác suất xảy ra nhiều nhất trong vận hành mạng điện Nhiều trường hợp thời gian mất nguồn có thể duy trì đến hàng trăm ms hoặc lâu dài Nhiệm vụ đặt ra cho BESS lúc này là đóng vai trò nguồn dự phòng với thời gian tự động hóa nhanh nhất, đặc biệt khi phụ tải là các thiết bị có điều khiển điện tử.
3.3.2.1 Mô phỏng chế độ mất nguồn tạm thời:
Giả thiết: tại thời điểm 0,2s xảy ra sự cố gây mất nguồn tạm thời trong khoảng (0,2 - 0,3)s và đến thời điểm 0,5s xảy ra mất nguồn kéo dài BESS tự kích hoạt thay thế như một nguồn dự phòng cấp công suất cho tải Kết quả cho thấy phương pháp D-B có động học cao hơn rất nhiều so với phương pháp PI, thể hiện qua thời gian quá độ (các điều kiện làm việc là như nhau): Đối với phương pháp D-B, chỉ cần hơn một chu kỳ (0,025s) BESS đã đáp ứng đầy đủ điện áp danh định cấp cho tải Sau đó nguồn được khôi phục thì BESS lại trở về chế độ dự phòng (không phát công suất tác dụng) Đến thời điểm 0,5s , cũng xảy ra tương tự, hình 3.8a,b. Đối với phương pháp PI, thời gian quá độ kéo dài nên trong khoảng (0,2– 0,3)s BESS không có khả năng đáp ứng điện áp cho tải Đến thời điểm 0,5s mấy nguồn kéo dài thì sau khoảng thời gian quá độ từ 0,5s đến 1,3s BESS mới đáp ứng điện áp danh định cho tải, hình 3.8b.
Hình 3.8a Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B
U lo ad (V ) bo dieu khien D-B
Hình 3.8b Biên dạng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B
U lo ad (V ) bo dieu khien PI
Hình 3.9a Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển PI
Hình 3.9b Biên dạng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển PI
Kiểm tra chất lượng điện năng cung cấp cho thấy như sau: Ở chế độ xác lập, cả hai phương pháp đều thỏa mãn độ sai lệch điện áp nằm trong phạm vi cho phép [U]≤ 5% , nhưng xét trong thời gian quá độ: đối với phương pháp PI điều này không đạt được, điện áp trên tải rất thấp và kéo dài trong khoảng thời gian hàng trăm chu kỳ (0,9s), còn đối với phương pháp D-B thì thời gian quá độ rất ngắn khoảng 1 chu kỳ. Độ méo dạng không sin của dòng điện qua tải thì cả hai phương pháp đều đạt chuẩn THD ˂ 5%, Hình 3.10a,b,c,d
Hình 3.10a Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B
FFT window: 5 of 40 cycles of selected signal
M ag (% o f F un da m en ta l)
Hình 3.10b Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B
Ilo ad bo dieu khien PI
Hình 3.10c Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển PI
FFT window: 5 of 75 cycles of selected signal
M ag (% o f F un da m en ta l)
Hình 3.10d Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,8s, trường hợp dùng bộ điều khiển PI
3.3.2.2 Mô phỏng trong chế độ khởi động động cơ.
Trường hợp khi có động cơ khởi động, phụ tải đỉnh vượt quá khả năng mang tải của máy phát BESS sẽ đóng vai trò bù công suất đỉnh cho động cơ khởi động thành công, giảm áp lực cho máy phát đồng thời giữ vững điện áp mạng không làm ảnh hưởng chất lượng điện năng hệ thống trong trường hợp này, Bộ điều khiển dòng (BĐKD) kiểu Dead-Beat cũng thể hiện có động học cao hơn rõ rệt khi so sánh giữa hình 3.11 và 3.12.
Hình 3.11 Bess với BĐKD kiểu PI khi bù công suất đỉnh
Bo dieu khien dong kieu Dead-Beat
Hình 3.11 Bess với BĐKD kiểu Dead-Beat khi bù công suất đỉnh
Kết luận chương 3
Nội dung chương 3 đã xây dựng thành công cấu trúc mô phỏng mạng điện cụ bộ thủy điện nhỏ có kết hợp với BESS, trong đó hệ điều khiển BESS được thiết kế theo hai phương pháp điều khiển và các kết quả mô phỏng đã thể hiện rõ hệ điều khiển có bộ điều khiển dòng điện kiểu Dead – Beat (mạch điều khiển vòng trong) có động học cao hơn so với hệ điều khiển có bộ điều khiển dòng điện kiểu PI.
Trong thực tế, có nhiều hộ tiêu thụ điện đòi hỏi chất lượng điện năng cung cấp cao như các trung tâm máy tính, các thiết bị điều khiển, các máy làm việc theo chương trình… đòi hỏi tính liên tục cung cấp điện cao Khi đó,nguồn dự phòng có động học cao sẽ trở nên tín dụng hơn.
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ
Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS
Cấu trúc các khối thí nghiệm hệ BESS kết nối với lưới điện được xây dựng như sơ đồ hình 4.1.
Hình 4.1 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS
Mô hình các thiết bị thí nghiệm hệ BESS kết nối với lưới điện được thiết kế và lắp đặt như hình 4.2.
Hình 4.2 Bàn thí nghiệm hệ BESS
- Card DS1104 trong máy tính PC
- Card giao diện và hệ thống đo
Sử dụng Board R&D DS1104 để nâng cấp khả năng cho máy tính trong việc điều khiển hệ thống Phần cứng thời gian thực dựa trên công nghệ PowerPC cùng với giao diện vào/ra được thiết kế hợp lý khiến cho Board DS1104 trở thành một giải pháp lý tưởng cho việc phát triền các thuật toán điều khiển trong rất nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp Board R&D DS1104 là một bằng chứng kinh điển chỉ cho ta thấy rằng: hệ thống năng lượng không phải bao giờ cũng cần thiết phải có chi phí cao
Các thông số kỹ thuật chính Card 1104
Cấu trúc và giao diện điều khiển như hình 4.3, hình 4.4
Hình 4.4 Giao diện điển hình dùng DS1104.
Thông số kỹ thuật của bộ biến đổi
Bộ biến đổi công suất sử dụng BUS623 có các thông số cơ bản như sau: Điện áp DC_link 0…685V
Công suất bộ biến đổi 14kVA
Do lường 3 kênh đo dòng, 1 kênh đo áp Udc
- Đo điện áp đầu vào gián tiếp qua 2 máy biến áp tỷ số 220V/6V
- Đo dòng điện tải gián tiếp qua biến dòng tỷ số 150A/5A.
- Đo dòng điện nguồn gián tiếp qua biến dòng tỷ số 50A/5A.
Động cơ thí nghiệm: Động cơ không đồng bộ 2.2 kW/380V/50Hz., hình 4.5
Hình 4.5 Động cơ thí nghiệm
Sử dụng 52 ăcquy đấu nối tiếp tạo nên điện áp một chiều là 630V Mỗi ăcquy có thông số chuẩn 12V/7Ah, xem hình 4.6
Hình 4.6 Hệ thống ăcquy thí nghiệm.
Xây dựng chương trình phần mềm
Để có thể kết nối DS1104 với máy tính PC ta cần thực hiện một số thủ tục sau:
- Chuẩn bị các khối được sử dụng trong Simulink để xây dựng sơ đồ.
- Khởi động chương trình Control Desk.
- Build mô hình Simulink, trong quá trình build Matlab sẽ chuyển đổi mô hình Simulink sang dạng sdf(file mô tả hệ thống) và lưu trữ nó trong bộ vi xử lý của DS1104.
- Sau khi Build xong, file sdf sẽ tự động được chuyển tới môi trường Control Desk, file này gồm thông tin về các biến được sử dụng trong mô hình Simulink.
Thiết kế phần điều khiển:
Trên cơ sở mô phỏng Offline bằng Matlab/Simulink/Plecs ta sử dụng chính phần điều khiển đã được xây dựng, bỏ đi phần mạch lực và kết hợp với các khối giao diện của Card DS1104 để điều khiển hệ BESS.
Phần mềm Matlab/Simulink liên kết với phần mềm Control Desk để truyền các giá trị biến, tham số để điều khiển, còn phần mềm Control Desk nhận các biến, tham số để điều khiển trực tiếp cho Card DS1104 Phần mềm Matlab/Simulink để thiết kế cấu trúc điều khiển Trên phần mềm Control Desk người ta có thể thay đổi Online các tham số và hiển thị dữ liệu dưới dạng bảng và đồ thị, xem hình 4.7-4.10
Hình 4.7 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển
Hình 4.8 Cấu trúc chương trình phần mềm
Hình 4.9 Thuật toán điều khiển hệ BESS
Hình 4.10 Khối đo lường ADC.
Kết quả thí nghiệm hệ BESS
Các chế độ khởi động của động cơ điện, khi tải càng nặng thì thời gian khởi động càng kéo dài nên để kiểm tra động học của BESS ta chọn chế độ khởi động không tải Động cơ thí nghiệm là loại không đồng bộ rotor lồng sóc 2,2kW 380/220V 50Hz Kết quả thí nghiệm như sau:
Cho động cơ 2,2 kW khởi động không tải, đặt BESS bù 70% công suất tác dụng khi động cơ khởi động, phần chênh lệch công suất còn lại sẽ do nguồn cung cấp Kết quả trên hình 4.11
Hình 4.11 BESS huy động thành phần công suất tác dụng cho động cơ khởi động
Dòng điện đỉnh nhọn do động cơ khởi động của BESS thể hiện trên các hình 4.12.
Hình 4.12 Biên độ dòng điện đỉnh nhọn khi động cơ khởi động và BESS
Trong thời gian động cơ khởi động điện áp trên ăcquy giảm xuống không đáng kể, nằm trong phạm vi cho phép Kết quả thí nghiệm đo trên hình 4.12
Hình 4.13 Điện áp ăcquy khi BESS khi động cơ khởi động.
Kết luận chương 4
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cấu trúc điều khiển hệ BESS trong phòng thí nghiệm được xây dựng trong chương 4 đã chứng tỏ những tính năng của BESS như đã phân tích nghiên cứu trong chương 2 và chương 3 là đúng Đây là cơ sở quan trọng để triển khai các ứng dụng của BESS vào thực tế cho mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ cũng như các ứng dụng khác tương tự.
Luận văn đã phân tích đặc điểm căn bản của mạng điện nguồn năng lượng tái tạo, chỉ ra những thế mạnh và những yếu điểm tồn tại của chúng Từ đó đề xuất giải pháp khắc phục nhằm hiện thực hóa lợi thế của loại hình mạng điện này trong hiện tại và tương lại.
Những kết quả chính đạt được:
- Xác định giải pháp sử dụng bộ biến đổi công suất kiểu BESS trong mạng điện cục bộ kết hợp với nguồn năng lượng tái tạo mà cụ thể là nguồn thủy điện.
- Xây dựng cấu trúc mạch lực bộ biến đổi công suất có lưu trữ năng lượng bằng ác quy – BESS.
- Thiết kế bộ điều khiển có mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead- Beat có động học cao hơn so với bộ điều khiển có mach vòng điều khiển dòng điện kiểu PI.
- Mô hình hóa mô phỏng hệ thống trong phần mềm Matlab-Simulink và kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết thông qua các kết quả mô phỏng.
Kết quả nghiên cứu đã tăng cường niềm tin cho xu hướng phát triển các nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn có sự kết hợp với các bộ biến đổi, kho lưu trữ năng lượng và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn.