Nghiên cứu ứng dụng bộ lưu trữ năng lượng để nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - BÙI NGUYỄN HIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LƢU TRỮ NĂNG LƢỢNG ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO CÁC HỆ NGUỒN NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO Chuyên ngành : Kỹ thuật điện THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn cơng trình tác thực dƣới hƣớng dẫn TS Ngô Đức Minh Nội dung luận văn có nghiên cứu sử dụng tài liệu tham khảo nhƣ nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả Bùi Nguyễn Hiệp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Định hƣớng đề tài Từ cuối kỷ 20 đặc biệt 10 năm trở lại tình hình lƣợng thay đổi - có số lƣợng lớn nguồn cung cấp lƣợng dạng truyền thống đƣợc thúc đẩy phát triển mạch mẽ riêng nƣớc ta, mà phạm vi toàn cầu Đó dạng nguồn lƣợng tái tạo (NLM&TT) Ví dụ nhƣ: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Chúng đƣợc khai thác dƣới loại hình mạng điện khác nhau: mạng điện cục bộ, mạng phân tán hay đƣợc kết nối với lƣới quốc gia Tuy nhiên, dạng nguồn có chung số nhƣợc điểm là: - Đặc tính làm việc thuộc dạng mềm siêu mềm - Tiềm phụ thuộc yếu tố tự nhiên thay đổi nhƣ thời gian, thời tiết, khí hậu… - Khả dự trữ cơng suất thấp Qua phân tích tổng quan dạng lƣợng NLM&TT, Tác giả lựa chọn hƣớng nghiên cứu cho dạng điển hình, thủy điện nhỏ Trong đó, số thủy điện nhỏ vùng núi, cách xa trung tâm kinh tế phát triển đƣợc khai thác theo hình thức mạng điện cục Trƣớc đây, mạng điện cục thủy điện nhỏ chƣa đƣợc quan tâm khai thác phát triển nên ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát nhƣ tồn mạng cịn chƣa đƣợc đề cập đến Chính thế, làm cho tính kinh tế hệ thống thấp, chất lƣợng điện cung cấp chƣa đảm bảo Ngày nay, đứng trƣớc phát triển mặt xã hội, hoạt động sản xuất ngày phong phú, đời sống văn hóa tinh thần ngƣời ngày nâng cao dẫn đến đòi hỏi lƣới điện vận hành phải đảm bảo tiêu chất lƣợng điện Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Mạng điện cục thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) mà đề tài quan tâm cụ thể mạng điện độc lập, không kết nối với lƣới điện quốc gia Một số nhƣợc điểm MĐCBTĐN đƣợc phân tích nguyên nhân xuất phát từ hoạt động hệ turbine-máy phát Đƣơng nhiên là, hoạt động bình thƣờng máy phát đồng xoay chiều ba pha đƣợc đảm bảo thông qua chất lƣợng điều khiển hai hệ thống: 1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp huy động công suất phản kháng 2- Hệ thống turbine để ổn định tần số huy động công suất tác dụng Với thủy điện nhỏ nhƣợc điểm phát sinh hầu nhƣ có nguyên nhân từ hệ thống turbine (hệ thống kích từ khơng bàn đến) Thực tế thủy điện nhỏ thƣờng đƣợc xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính điều chỉnh cơng suất điều chỉnh tốc độ có thời gian trễ lớn, khả q tải thấp, khơng có khả huy động công suất đỉnh nên không đáp ứng đƣợc nhu cầu địi hỏi phụ tải thực tế Ví dụ: Khi có động khởi động: - Q trình khởi động động bị kéo dài đặc điểm thủy điện nhỏ không đáp ứng đƣợc tốc độ huy động công suất cho khởi động - Chất lƣợng điện thấp, không ổn định Nhƣ vậy, để khắc phục tình trạng cần thiết phải có nguồn dự trữ lƣợng khác máy phát Một số biện pháp truyền thống đƣợc áp dụng cho hoạt động tƣơng tự, ví dụ nhƣ: - Dự trữ lƣợng hệ bánh đà - Dự trữ lƣợng buồng áp lực Đối với số thủy điện nhỏ hai biện pháp khơng thể áp dụng Vì vậy, nhiệm vụ đề tài nghiên cứu tìm đƣợc giải pháp thích hợp để khắc phục vấn đề tồn Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Xác định tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng lƣu trữ lƣợng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ để nâng cao chất lƣợng điện hiệu khai thác cho hệ nguồn lƣợng tái tạo” Cụ thể là: - Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ lƣợng mạng điện cục thủy điện nhỏ, nhằm mục đích nâng cao hiệu khai thác công suất nguồn phát đảm bảo chất lƣợng điện cung cấp Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ BESS mạng điện cục thủy điện nhỏ nhằm thực chức là: - Huy động công suất đỉnh cho chế độ khởi động động cơ, - Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lƣợng điện áp điểm kết nối Cấu trúc luận án Luận văn gồm chƣơng, 99 trang, 32 tài liệu tham khảo Thái Nguyên,ngày 03 tháng12năm 2013 Tác giả Bùi Nguyễn Hiệp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 13 1.1 Các dạng lƣợng tái tạo 13 1.2 Năng lƣợng Mặt trời 15 1.2.1 Sự hình thành lƣợng Mặt trời 15 1.2.2 Tiềm năng lƣợng Mặt trời 15 1.2.3 Công nghệ sử dụng lƣợng Mặt trời 17 1.3 Năng lƣợng gió 18 1.3.1 Sự hình thành lƣợng gió 18 1.3.2 Tiềm gió 19 1.3.3 Cơng nghệ sử dụng lƣợng gió 21 1.4 Thủy điện nhỏ 22 1.4.1 Khái niệm chung thủy điện nhỏ 22 1.4.2 Tiềm tình hình khai thác Việt Nam 22 1.4.3 Công nghệ thủy điện nhỏ 23 1.5 Năng lƣợng địa nhiệt 24 1.5.1 Sự hình thành lƣợng địa nhiệt 24 1.5.2 Tiềm năng lƣợng địa nhiệt 24 1.5.3 Công nghệ khai thác địa nhiệt 26 1.6 Năng lƣợng thủy triều sóng biển 27 1.6.1 Sự hình thành lƣợng thủy triều sóng biển 27 1.6.2 Tiềm năng lƣợng thủy triều sóng biển 27 1.6.3 Cơng nghệ khai thác 28 1.7 Đề xuất hƣớng nghiên cứu 30 1.8 Kết luận chƣơng 30 CHƢƠNG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THUỶ ĐIỆN NHỎ Số hóa Trung tâm Học liệu 32 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1 Giới thiệu chung 32 2.1.1 Phân tích hoạt động MĐCBTĐN 33 2.1.1.1 Ƣu điểm thủy điện nhỏ 33 2.1.1.2 Những vấn đề tồn 34 2.1.1.3 Giải pháp ứng dụng BESS mạng điện cục thủy điện nhỏ 40 2.2 Mơ tả tốn học hệ turbine-máyphát 41 2.2.1 Mơ tả tốn học máy phát 42 2.2.1.1 Khái niệm vector không gian đại lƣợng xoay chiều ba pha 42 2.2.1.2 Mô tả máy phát đồng xoay chiều pha hệ tọa độ thơng dụng 43 2.2.2 Mơ tả tốn học hệ turbine 52 2.3 Mơ tả tốn học biến đổi BESS mạng điện cục thủy điện nhỏ 59 2.4 Mơ hình kho tích trữ lƣợng battery 64 2.5 Vận hành MĐCBTĐN giới hạn mang tải máy phát 67 2.6 Kết luận chƣơng 69 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 70 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS 70 3.2 Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp 71 3.3 Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS 73 3.4 Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS 80 3.5 Thiết kế điều chỉnh điện áp điểm kết nối chung PCC 83 3.6 Bộ điều khiển công suất tác dụng 85 3.7 Kết luận 86 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 4.1 Mô hệ BESS mạng điện cục thủy điện nhỏ 88 88 4.1.1 Mô tác dụng BESS MĐCBTĐN công suất MVA 88 4.1.1.1 Xây dựng mơ hình mơ 88 4.1.1.2 Kết mô 89 4.2 Kết luận chƣơng 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 Kết luận 96 Kiến nghị 96 PHỤ LỤC 97 PL1 Tính tốn cơng suất BESS 97 PL2 Tính tốn tụ chiều chiều trung gian 98 PL3 Tính dung lƣợng ăcquy 98 PL4 Chọn điện cảm đầu BESS 99 PL5 Chọn van biến đổi công suất 100 PL6 Các thơng số mơ phỏng: 101 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1 Các nguồn NLTT Thế giới năm 2006 13 Hình Sự hình thành gió 18 Hình Tốc độ triển khai lƣợng gió giai đoạn 1997-2010 giới 19 Hình : a) Sơ đồ máy phát điện sức gió; b) Sơ đồ nối lƣới máy phát nối lƣới khơng đồng nguồn kép 21 Hình Nhà máy điện thủy triều Rance, CH Pháp 30 Hình Trạm phát điện sử dụng dịng hải lƣu SeaGen, Bắc Ailen 30 Hình Mơ tả mạng điện cục thủy điện nhỏ 32 Hình 2 Sơ đồ thay mạng điện cục thủy điện nhỏ 33 Hình Cấu trúc trạm thủy điện nhỏ 34 Hình Đặc tính ổn định tần số theo tải 35 Hình Đặc tính ổn định điện áp theo tải 35 Hình Mạng điện cục thủy điện nhỏ có BESS 41 Hình Mơ hình turbine-máy phát 42 Hình Đồ thị vector phép chuyển đổi hệ tọa độ 42 Hình Sơ đồ bố trí cuộn dây stator rotor máy điện đồng 44 Hình 10 Mạch điện tƣơng đƣơng máy điện đồng 45 Hình 11 Sơ đồ khối chức điều tốc turbine thủy điện 52 Hình 12 Mơ hình phi tuyến turbine 54 Hình 13 Mơ hình tuyến tính turbine 55 Hình 14 Đặc tính turbine 56 Hình 15 Họ đặc tính điều chỉnh turbine 57 Hình 16 Đặc tính điều chỉnh turbine 57 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Hình 17 Cấu trúc điều tốc turbine thủy điện 58 Hình 18 : a)Thay BESS nhƣ nguồn áp PCCi, b)Cấu trúc biến đổi BESS 59 Hình 19 Sơ đồ thay biến đổi BESS 60 Hình 20 Mơ hình tín hiệu trung bình biến đổi BESS tọa độ abc 61 Hình 21 Mơ hình biến đổi BESS hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lƣới 63 Hình 22 Mơ hình biến đổi BESS miền tốn tử Laplace 63 Hình 23 Siêu tụ thiết bị ghép nối 65 Hình 24 Mơ hình ghép nối ăcquy 65 Hình 25 Mơ hình ghép nối siêu tụ 66 Hình 26 Mơ hình thay kiểu Thevenin ăcquy 66 Hình 27 Đồ thị phụ tải ngày phụ tải đỉnh động khởi động 68 Hình Cấu trúc điều khiển hệ BESS mạng điện cục thủy điện nhỏ 70 Hình Biểu diễn đại lƣợng vector tọa độ dq tựa điện áp 72 Hình 3 Cấu trúc khối đồng tựa điện áp lƣới PLL 73 Hình Dạng tín hiệu tựa đồng điện áp lƣới có đƣợc kết mơ 73 Hình Tám khả chuyển mạch biến biến đổi van 76 Hình Vị trí vector chuẩn hệ toạ độ αβ 77 Hình Tổng hợp vector chuẩn sector 78 Hình Thời gian đóng/cắt van sector 79 Hình Dạng sóng biến điệu vector SVM có đƣợc kết mơ 80 Hình 10 Cấu trúc khử tƣơng tác thành phần dịng iBd iBq Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 81 89 Hình Mơ hình mơ hệ BESS MĐCBTĐN công suất 2MVA Các tham số mô xem phần phụ lục cuối chƣơng 4.1.1.2 Kết mô a) Trƣờng hợp chƣa có BESS Khi máy phát vận hành mức 1,6 MW, khởi động động 160 KW Các thành phần cơng suất dịng điện khởi động động lớn Kết Cong suat dong co 15 x 10 S ( VA ) 10 P(W) Q ( VAr ) 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 a)Các thành phần công suất động Dong khoi dong cong co ( A ) mơ hình 4.2 2500 2000 1500 1000 500 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 b)Dòng điện khởi động động Hình Các thành phần cơng suất dịng điện động khởi động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.4 90 Cơng suất đỉnh tồn mạng áp đặt lên máy phát đạt tới trị số 2,5 MVA vƣợt công suất định mức máy phát 1,25 lần Với đặc điểm thủy điện nhỏ kiểu kênh dẫn máy phát MVA không đáp ứng đƣợc Trƣờng hợp mô với máy phát lý tƣởng: Động khởi động thành công, điện áp tần số máy phát ổn định Kết 2.5 x 10 May phat ly tuong S ( VA ) P(W) 1.5 Q ( VAr ) 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 a)Công suất SPQ máy phát 1.4 Dien ap may phat Umf ( V ) Cong suat may phat mơ hình 4.3a hình 4.3b May phat ly tuong 400 200 -200 -400 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 b)Điện áp (tần số) máy phát Hình Máy phát lý tƣởng khởi động động 160 kW với tải tĩnh 1,6 MW Trƣờng hợp mô với máy phát thủy điện nhỏ có bảo vệ rơle: - Nếu tải tĩnh Ptĩnh = 1,6 MW Động khởi động không thành công, bảo vệ rơle tác động cắt sau 0,12s công suất máy phát tăng qua giá trị cài đặt bảo vệ (tƣơng ứng với 2,2 MW) Kết mơ hình 4.4a - Giảm tải tĩnh Ptĩnh = 1,3 MW Động khởi động không thành công, bảo vệ rơle tác động cắt sau 0,2s Kết mơ hình 4.4b x 10 May phat thuy dien nho co Bao ve role 2.5 S ( VA ) Cong suat may phat Cong suat may phat 2.5 P(W) 1.5 Q ( VAr ) 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 a)Tải tĩnh 1,6 MW x 10 May phat thuy dien nho co Bao ve role S ( VA ) P(W) 1.5 Q ( VAr ) 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 b)Tải tĩnh 1,3 MW Hình 4 Các thành phần cơng suất máy phát thủy điện nhỏ có bảo vệ rơle khởi động động 160 KW, với tải tĩnh 1,6 MW 1,3 MW Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 91 Trƣờng hợp mô với máy phát thủy điện nhỏ khơng có bảo vệ rơle: Khi động khởi động, hệ turbine-máy phát thủy điện nhỏ không đáp ứng đƣợc phụ tải đỉnh nên tốc độ máy phát suy giảm mạnh, kéo theo tần số giảm điện áp giảm nghiêm trọng dẫn đến tan rã lƣới Kết mơ hình Cong suat may phat 2.5 x 10 May phat thuy dien nho S ( VA ) P(W) 1.5 Q ( VAr ) 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 a)Công suất SPQ máy phát 1.4 Dien ap may phat Umf ( V ) 4.5a,b May phat thuy dien nho 400 200 -200 -400 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 b)Điện áp (tần số) máy phát Hình Hệ turbine-máy phát thủy điện nhỏ không đáp ứng phụ tải đỉnh Để đối phó với tình biện pháp khơng mong muốn phải giảm bớt phụ tải, giả sử tải tĩnh giảm xuống 1,2 MW Kết mô hình 4.6 a,b Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Cong suat may phat 2.5 x 10 May phat ly tuong S ( VA ) P(W) 1.5 Q ( VAr ) 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 a)Công suất SPQ máy phát 1.4 Dien ap may phat Umf ( V ) 92 May phat thuy dien nho 400 200 -200 -400 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 b)Điện áp (tần số) máy phát Hình Các thành phần công suất đỉnh điện áp (tần số) máy phát khởi động động 160 kW với tải tĩnh 1,2 MW Nhận xét: Giảm tải tĩnh 1.2 MW, lúc biên độ lớn công suất biểu kiến Smax  MVA nằm giới hạn khả đáp ứng hệ thủy điện nhỏ, kết mô không khác so với máy phát lý tƣởng Tuy nhiên giảm tải tĩnh làm hiệu sử dụng máy phát, giảm tính kinh tế hệ thống b) Trƣờng hợp có BESS Các thông số mô nhƣ trƣờng hợp khởi động động có tham số nhƣ bảng PL4.2 với tải tĩnh 1.6 MW Kết mô đƣợc thực đồng thời cho hai mơ hình điều khiển sử dụng điều chỉnh dòng khác nhau: kiểu Dead-Beat kiểu PI Tồn cơng suất huy động cho chế độ động khởi động đƣợc huy động từ BESS Kết mơ hình 4.7 Vì thế, cơng suất tác dụng máy phát hầu nhƣ khơng tăng tồn công suất huy động cho chế độ động khởi động đƣợc cấp từ BESS Kết mô hình 4.8 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 93 x 10 bo dieu chinh dong kieu PI Cong suat may phat 15 P tai P pcc ( W ) 10 P bess P mayphat -5 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 x 10 S ( VA ) P(W) Q ( VAr ) -1 0.2 1.4 bo dieu chinh dong kieu PI 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 Hình BESS huy động cơng suất tác Hình Các thành phần cơng suất SPQ dụng cho động khởi động máy phát Điện áp tải tƣơng ứng với điểm kết nối PCC suy giảm nhẹ sau 0,3s lại trở giá trị ban đầu Kết mơ hình 4.9 bo dieu chinh dong kieu PI U pcc ( V ) 400 300 200 100 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 Hình Điện áp điểm kết nối chung Upcc2 BESS có khả huy động tồn cơng suất cho động khởi động nhƣ với dạng tải đột biến khác Năng lƣợng BESS cấp cho động 160 kW khởi động xuất từ nguồn chiều ăcquy: Dịng điện chiều có biên độ lớn IDC  1300 A, xem hình 4.10 tƣơng ứng điện áp ăcquy giảm xuống từ 700V xuống 650V (giảm 8% nằm giới hạn điện áp làm việc ănquy) khoảng thời gian từ 0,5 đến 0,9s, xem hình 4.11 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 94 Hình 4.11 Đáp ứng điện áp chiều Ud Hình 4.10 Đáp ứng dòng điện chiều Idc Nhận xét: Nhờ có BESS, chế độ khởi động động thực thành công sở không gây áp lực phá vỡ trạng thái làm việc ổn định cho máy phát Vì nâng cao hiệu suất khai thác vận hành máy phát Mặt khác, trƣờng hợp xảy nguồn, BESS trở thành nguồn thay với đáp ứng nhanh vòng 15 chu kỳ Kết mơ hình 4.12 x 10 bo dieu chinh dong kieu PI bo dieu chinh dong kieu PI 400 Ptai = Pbess Ptai = Pmayphat U pcc ( V ) P(W) Pbess=0 Pmayphat=0 300 Umayphat Ubess 200 100 -1 0.2 0.3 0.4 0.5 Tim (s) 0.6 0.7 0.8 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 Hình 12 BESS đóng vai trò thay nguồn máy phát Nhận xét: Nhờ có BESS thực chức san tải góp phần làm đồ thị phụ tải nâng cao tính kinh tế hệ thống chức bù công suất phản kháng đảm bảo cho điện áp điểm kết nối PCC cuối đƣờng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 0.8 95 dây hầu ổn định xung quanh giá trị định mức Một chức quan trọng BESS thực chức làm nguồn thay với đáp ứng nhanh có ý nghĩa thực tế lớn, đảm bảo cho hoạt động bền vững thiết bị sử dụng điện đại nhƣ hệ máy tính, máy sản xuất có hệ điều khiển theo chƣơng trình 4.2 Kết luận chƣơng Kết mô chứng tỏ tính BESS nhƣ phân tích nghiên cứu chƣơng chƣơng Khẳng định tính trung thực khoa học phƣơng pháp nghiên cứu BESS mà luận văn áp dụng Đây sở quan trọng để triển khai ứng dụng BESS vào thực tế cho mạng điện cục thủy điện nhỏ nhƣ ứng dụng khác tƣơng tự Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Mục tiêu luận án đề sử dụng BESS để nâng cao hiệu khai thác công suất đồng thời đảm bảo ổn định lƣới (điện áp tần số) mạng điện cục thủy điện nhỏ Kết nghiên cứu giải đƣợc số vấn đề sau: - Ứng dụng BESS để phủ đỉnh cho chế độ khởi động động lớn Cụ thể áp dụng cho động có cơng suất 160 kW mạng điện cục thủy điện nhỏ có cơng suất máy phát MVA, nhờ có BESS nâng đƣợc cơng suất vận hành máy phát lên 90% công suất định mức Khi khơng có BESS cơng suất vận hành máy phát nhỏ dƣới 1,3 MW (70%) nhƣ kết tính tốn mơ - Luận văn đƣa đƣợc cấu trúc điều khiển hệ BESS thỏa mãn yêu cầu đáp ứng nhanh công suất (bám theo cơng suất đỉnh) Nhờ điện áp đƣợc giữ vững ổn định thời gian có động khởi động Kiến nghị - Từ kết nghiên cứu cho thấy mơ hình BESS cần đƣợc nghiên cứu chế thử phát triển thành sản phẩm thƣơng mại đáp ứng cho thực tế áp dụng thủy điện nhỏ đƣợc phát triển phổ biến tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam - Tiếp tục phát triển hƣớng nghiên cứu đề tài cho điều kiện khác lƣới điện Ví dụ: + Lƣới khơng đối xứng, lƣới pha + Điều khiển thích nghi với thông số đƣờng dây khác - Nghiên cứu sử dụng BESS cho mạng điện cục siêu mềm khác (ví dụ: Hệ thống phát điện sức gió) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 97 PHỤ LỤC PL1 Tính tốn cơng suất BESS Cấu trúc mạch lực BESS đƣợc thiết kế nhƣ hình PL1.1 a b c LR Cb R2 Cdc + - Rb BESS Hình PL1 Cấu trúc mạch lực BESS Trong mạng điện cục thủy điện nhỏ công suất 85 kVA, giả thiết mạng có động dị có cơng suất lớn 7,5 kW - Cơng suất máy phát: PđmMF =85 kVA, cos= 0,85, PđmMF =72,25 kW - Chọn giới hạn tải dài hạn máy phát 105%, tƣơng ứng 75,86 kW - Chọn giới hạn tải ngắn hạn máy phát 120%, tƣơng ứng 86,7 kW Để khai thác tối đa công suất vận hành máy phát ta chọn công suất BESS động khởi động, toàn phần công suất khởi động động đƣợc huy động từ BESS: PBESS = PkđĐC = Kkđ PđmĐC= (5 6).7,5 = (37,5  45) kW động nhẹ tải chọn Kkđ = , nặng tải chọn Kkđ = Vậy chọn PBESS = 40 kW Tƣơng tự ta tính chọn cho BESS mạng 2MVA Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 98 PL2 Tính tốn tụ chiều chiều trung gian Điện áp nguồn phía xoay chiều: Uđm = 400V Điện áp Udcmin : U dc  1,1.400  622, 25V Chọn Udc = 700 V Năng lƣợng đƣợc nạp tụ khoảng thời gian tn đƣợc tính: Edc = PBESS.tn Chọn tn= 22ms; PBESS= 40 kW Tính đƣợc: Edc = 40.22 = 880J Mặt khác : Edc = Cdc Udc Suy ra: Cdc  2.Edc 2.880   0,0027F  2700F U cdc 7002 Chọn: Cdc= 2700µF PL3 Tính dung lƣợng ăcquy Điện áp ăcquy phóng điện cho phép biến thiên từ (95% ÷ 80%)Udc Chọn điện áp ắcquy 700V Chọn ăcquy CL400 hãng Shenzhen có dung lƣợng ăcquy 400Ah, chọn dịng phóng tính tốn 102A, thời gian phóng sau điện áp áp quy giảm xuống 80% Chế độ làm việc phóng điện ăcquy đƣợc coi bình thƣờng điện áp ăcquy nằm khoảng (95%÷80%) Vdc , đặc tính phóng điện ăcquy thỏa mãn đẳng thức lƣợng: 1 2 2 Cstorage (VStorage Cstorage (VStorage max  VStorage certer )  certer  VStorage ) 2 Từ đó: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 99 2 (VStorage max  VStorage ) VStorage certer  Với: VStorage max  0,95.700  665V VStorage  VStorage max 0,8  532V Tính đƣợc: (6652  5322 )  602 V VStorage certer  - Năng lƣợng phóng ăcquy tính từ biểu thức sau: EStorage PBESS  4h  EStorage = PBESS 1000.4.3600 =576000000 J - Mặt khác lƣợng ăcquy đƣợc tính: EStorage  CStorange VStorage center  CStorage  2.EStorange Storage center V  2.576000000 6022 = 3178 F Chọn: CStorage= 3000 F Rb = 0,1 ; R2 = 10000 PL4 Chọn điện cảm đầu BESS Dòng điện đầu vào BESS: IBESS  PBESS 3.Udm  40000 3.400  57,74A Độ đập mạch max: IBESS max  0,2264.57,74  13,07 A Điện cảm đƣợc tính theo [20, 47]: Lf  U dc 700   0.00153 H  1,53mH 7.I BESS f s 7.13,07.5000 Kiểm tra giới hạn điện cảm theo nguyên lý chỉnh lƣu tích cực: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 100 U -U ω i dc L< m = 0,00438 H = 4,38 mH Ld Với: - Udc = 700V - Um = 325,26V -  = 2πf = 314 radian/s - i Ld = Im = 67,92 A tƣơng ứng với công suất phát BESS=40kW Chọn: Lf = 1,5 mH PL5 Chọn van biến đổi cơng suất Chọn van có điện áp cao HVIGBT Modules Dual FF1400R12IP4 có sẵn điốt hãng EUPEC (European Power Semiconductor and Electronics Company) có thơng số nhƣ bảng PL5.1 : Bảng PL5.1 Thông số IGBT Thông số Điện áp collector- Điều kiện Ký hiệu Giá trị TVj = 250C VCES 1200 V TC = 1000C IC 140 A tP = 1ms ICRM 280 A TVj = 250C Ptot 0,765 kW VGE 20 V VISOL 2,4 kV VGE (th) 5V < VGE (th)= 5,8 < emitter Dòng collector Dịng điện peak Cơng suất tiêu hao Điện áp điều khiển Điện áp đánh thủng f= 50Hz,t = phút Điện áp giữ 6,5V Thời gian mở van TVj = 250C ton 0,21 µs Thời gian khóa van TVj = 250C toff 1,1 µs TVJ -40  175 0C Nhiệt độ cho phép Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 101 1-dz -1 Hàm truyền miền ảnh z điều chỉnh PI số: G pi (z)=V 1-z -1 Trong đó: V = Kp ; d = 1-T/Ti ; T chu kỳ trích mẫu PI PL6 Các thông số mô phỏng: Bảng PL6 Các thông số mô mạng điện cục thủy điện nhỏ MVA Máy phát S = MVA, f = 50 Hz, U = 400 V, n = 1500 rpm Điện kháng [Xd Xd’ Xd’’ Xq Xq’’ Xl] = [2.11 0.17 0.13 1.56 0.23 0.05] pu Hằng số thời gian [Td’ Td’’ Tq’’] = [0.33 0.03 0.03] s Rs = 0.0095 pu Friction factor =0.00987 ; H=0.3072 s Tham số điều tốc Kp = 1.163, Ki = 0.105, Kd = Tải tĩnh 1,6 MW Động KĐB P = 160 kW, n = 1487 vòng/phút, U = 400 V Stator: Rs = 0.08379Ω, Lσs = 0.000152 H Rotor: Rr = 0.027728, Lσr = 0.000152 H Lm = 0.00769 H, J = 2.9 kgm2, p = Bộ biến đổi BESS Lọc: L = 0.1 mH, R = 0.05 Ω; Cdc = 3600 μF ăcquy: R1 = 10kΩ, R2 = 0.1Ω, C1=15000F, Udc = 700 V Khối PLL V = 1.4, d = 0.99, Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs Bộ điều chỉnh dòng V = 0.25, d =0.99 , Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs (Rid) Bộ điều chỉnh dòng V = 0.25, d =0.99 , Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs (Riq) Bộ điều chỉnh dịng Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs deadbeat L = 0.1 mH, R = 0.05 Ω, ω = 314 rad/s Bộ điều chỉnh công suất V = 0.05, d =0.8 , Chu kỳ trích mẫu T = 800 μs tác dụng (Rp) Bộ điều chỉnh điện áp V = 0.3, d =0.6 , Chu kỳ trích mẫu T = 800 μs Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 102 PCC (RUpcc) Chiều dài đƣờng dây L = 10 km MBA MVA- 0,4 kV/35 kV ; MVA- 35 kV/0,4 kV Bảng PL6 Các thông số mô mạng điệc cục thủy điện nhỏ 85 kVA Máy phát S = 85 kVA, f = 50 Hz, U = 400 V, 72.25 kW, 122.69 A Stator : Rs=0.04808pu, Ll=0.08pu, Lmd =2.11pu, Lmq =0.93pu Field winding: Rf=0.02662pu, Llfd =0.1582pu Dampers : Rkd =0.0754pu, Llkd =0.1098pu, Rkd1 =0.07311pu, Llkq1 =0.06414pu ; H=0.1157sec Friction factor =0.01916 Tham số điều tốc Kp = 1.163, Ki = 0.105, Kd = Tải 1- Tải thứ nhất: S1=(40+j15)kVA, đóng ổn định từ đầu / khơng cắt 2- Tải thứ hai: S2=(8+j8)kVA, đóng liên tục/ khơng cắt 3- Tải thứ ba: S3=(20+j10)kVA, đóng thời điểm 0,1s / cắt thời điểm 1,2s 4- Tải thứ tƣ: S4=(10 +j5)kVA, đóng thời điểm 0,3s / cắt thời điểm 0,8s Động KĐB P = 7.5kW, n = 1487 vòng/phút, U = 400 V Stator: Rs = 0.08379Ω, Lσs = 0.000152 H Rotor: Rr = 0.027728, Lσr = 0.000152 H Lm = 0.00769 H, J = 2.9 kgm2, p = Bộ biến đổi BESS Lọc: L = 0.1 mH, R = 0.05 Ω; Cdc = 3600 μF ăcquy: R1 = 10kΩ, R2 = 0.1Ω, C1 = 15000F, Udc=700V Khối PLL V = 1.4, d =0.99 , Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs Bộ điều chỉnh dịng V = 9.3750, d = 0.99, Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 103 (Rid) Bộ điều chỉnh dòng V = 9.3750, d = 0.99, Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs (Riq) Bộ điều chỉnh dòng deadbeat Bộ điều chỉnh cơng Chu kỳ trích mẫu T = 200 μs L = 0.1 mH, R = 0.05 Ω, ω = 314 rad/s V = 0.3 , d = 0.9, Chu kỳ trích mẫu T = 800 μs suất tác dụng (Rp) Bộ điều chỉnh điện áp V = 0.08, d = 0.8, Chu kỳ trích mẫu T = 800 μs PCC (RUpcc) Chiều dài đƣờng dây L = km, R0= 0.3864 Ohms/km, L0= 4.126e-3 H/km Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/