Các loại nguồn điện tái tạo thường được thiết kế tích hợp vào các hệ thống điện với cấu trúc khá tương đồng nhau. Trong đó, các bộ biến đổi điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển được xem là yếu tố giúp các loại nguồn điện có thể đáp ứng được các yêu cầu khác nhau của hệ thống điện. Sự khác biệt về đặc điểm của mỗi loại nguồn điện cần được người thiết kế nắm được để có những cách lựa chọn cấu trúc cụ thể trong mỗi mạng điện. Với mục tiêu hướng người đọc đến việc thiết kế cấu trúc của mỗi loại nguồn điện tái tạo, tích hợp các nguồn này vào hệ thống điện và ứng dụng các phần mềm chuyên dụng để phân tích các luồng công suất trong toàn hệ thống, cuốn sách này được bố cục thành 3 chương: Chương 1. Tổng quan về năng lượng tái tạo; Chương 2. Bộ biến đổi điện tử công suất, kho điện và kỹ thuật điều khiển trong hệ thống khai thác nguồn năng lượng tái tạo; Chương 3. Thiết kế tích hợp nguồn năng lượng tái tạo. Sách dùng cho mục đích phục vụ cho công tác đào tạo trình độ đại học và sau đại học ngành kỹ thuật điện cho các trường đại học kỹ thuật trên toàn quốc. Quyển 1: chương 1, 2.
Giới thiệu chung
Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu sơ cấp như than, dầu, khí, ngày cảng cạn kiệt và các ảnh hưởng xấu tới môi trường của các nguồn điện truyền thống, năng lượng tái tạo (NLTT) được xem là nguồn năng thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống 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 sinh 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 đây 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 tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như sóng biển, thủy triều, ) trong các quy trình còn diễn tiễn trong một thời gian dài trên trái đất
NLTT hiện nay đang có những bước phát triển ngoạn mục Điện gió và pin mặt trời đang dẫn đầu về sự phát triển bởi các công ty như GE, Siemens với thị trường điện gió; BP, Shell, Sharpe và Sanyo với thị trường nguồn pin mặt trời (nguồn PV) Sự phát triển của NLTT trên toàn thế giới được mô tả trên
Bảng 1.1 Các chỉ số về NLTT toàn cầu năm 2018 được thể hiện trên Hình 1.1 và Hình 1.2 (theo báo cáo toàn cầu về NLTT năm 2019)
Bảng 1.1 Các chỉ số về NLTT toàn cầu năm 2018
Don vi_| 2017 2018 Đâu tư mới (hang nam) vé cong suat tai tao va | Ti USD 326 289 nhiên liệu
Công suât lắp đặt năng lượng tái tạo (bao gôm GW 2197 2378 cả thủy điện)
Công suât lắp đặt năng lượng tái tạo (không GW 1081 1246 bao gôm cả thủy điện)
Công suât thủy điện GW 1112 1132
Công suât điện PV GW 405 505
Công suât nguồn điện sinh khôi GW 121 130
Công suât điện địa nhiệt GW 12,8 13,3
Công suât nhiệt điện mặt trời GW 4,9 5,5
Cong suat dién dai duong GW 0,5 0,5
Nguồn điện sinh học (hàng năm) GW 532 581
(không tái tạo) Đến: Điện tái tạo
| 2.2% Dig sinh und Điện PV Điện địa nhiệt,
Hinh 1.1 Tỷ lệ công suất ước tính sản lượng điện năng cuỗi năm 2018
Tông thể chịna EU-28 United Germany India Japan United giới States Kingdom
Hình 1.2 Dung lượng điện tải tạo trên thế giới, EU-28 và 6 quốc gia cao nhất năm 2018
Nguồn điện mặt trời „l1 12-1; Giới thiệu:ChUnB zssussssiotrntotusuagdiitLEEiAGSSSG-GB101 Q18 2003068 12 2 So đồ tương đương và các chế độ làm việc đặc trưng của nguồn PV
Nguồn điện giÓ - - 22222222 2222221111 2211211112 ceeree 26 1 Giới thiệu chung 2222¿+2222+2+2222122222211222222112 22121 re 26 2 Các loại turbine g1Ó tt tt 10H re 27 3 Máy phát điện giÓ 222¿ 222 2222221122227111222111 E11 ccrrrke 34 4 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất phát của nguồn điện gió
Nguồn điện gió biến đổi năng lượng gió thành điện năng thông qua dạng năng lượng trung gian là cơ năng (chuyển động quay trên trục) nhờ sử dụng turbine và máy phát
Nẹ guồn điện giú đó được thay đổi diện mạo một cỏch toàn điện cả về kết cấu, vật liệu và chức năng tham gia vào hoạt động sản xuất điện năng, kèm theo đó là những tên gọi mới mang tính khoa học kỹ thuật như: “wind generator” (WG), “wind turbine” (WT), “wind-turbine generator” (WTG), va
“wind energy conversion system” (WECS) Khi nghién cứu về WG không thê quên được một số thành phần khác luôn đi kèm như tháp đỡ, hộp số, các
BBĐ chúng sẽ được giới thiệu rõ tủy theo mức độ khi được đề cập
Với thời gian phát triển từ lâu dài, hệ thống khai thác nguồn điện gió đã được nhiều nhà nghiên cứu phát triển theo nhiều hướng khác nhau như turbine gió được bố trí theo nhiều loại cánh khác nhau, máy phát điện (MF) cũng có nhiều chủng loại khác nhau Trong đó, sự phân biệt của các loại nguồn điện gió 26 được dựa trên chủng loại của ME được sử dụng Tương ứng với đó là sự phát triển của các loại bộ biến đổi và các kỹ thuật điều khiển để làm cho nguồn điện gió có thể thích ứng với các điều kiện vận hành, các yêu cầu khác nhau
Hau hết các turbine gió hiện nay là turbine trục ngang HAWT
(Horizontal Axis Wind Turbine) như mô tả trên Hình 1.17
Gió Thân a ff turbine Gió
——— mẽ a Gió trước (upwind HAWT) b Gió sau (Downwind HAWT)
Hình 1.17 Turbine gió trục ngang
Hình 1.17 minh họa hai loại tua-bin gió trục ngang: tua-bin đón gió từ phía trước và tua-bin đón gió từ phía sau Tuy nhiên, tua-bin đón gió từ phía sau gặp hạn chế là dòng gió thường bị nhiễu loạn bởi luồng gió đi qua thân trụ trước khi tới cánh quạt.
Từ khoảng năm 1995, hầu hết các turbine gió trục ngang được thiết kế với nguyên tắc đón gió trước
Cấu hình cánh turbine tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên có nhiều thiết kế khác nhau nhưng phần lớn đều dựa trên kinh nghiệm chế tạo máy bay như của Hội đồng tư vấn hàng không NACA - Mỹ (National Advisory Committee for Aeronautics) hoặc Viện khí động lực học Nga với cấu hình TsAGI, Nguyên tắc chung cho những thiết kế này là phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học và định luật Betz để tạo được công suất cao, 6n định kế cả ở
27 chế độ điều chỉnh số vòng quay của hệ thống cánh rotor cũng như các yếu tố khác như độ ồn phát sinh, tần số rung khi hoạt động
Turbine gió trục ngang có thể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh Diện tích quét gió phụ thuộc vào bề mặt cũng như chiều dài cánh turbine nên số lượng cánh không phải là yếu tố quyết định cơ bản về công suất turbine, tuy nhiên turbine
2 cánh có thể đạt được công suất cao hơn turbine 1 cánh khoảng 10% Trên phương diện khí động lực học, số cánh càng ít (dưới 3 cánh) thì hiệu quả càng cao nhưng sẽ phát sinh những nhược điểm ở tốc độ quay lớn như gây rung động (khiến turbine gió mất ồn định và ảnh hưởng đến những chỉ tiết khác) khi xét trên phương diện cơ học
Turbine gió 3 cánh hoạt động ồn định hơn turbinel hoặc 2 cánh do có sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay Đồng thời, turbine 3 cánh có thé phát công suất cao hơn so với turbine hai cánh khoảng (3:4)% Việc nâng số cánh quạt của turbine lên 4 cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa là I đến 2% so với turbine 3 cánh nên những turbine loại nhiều cánh chỉ ton tai trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế Chính vi vay, turbine gid trục ngang 3 cánh đã dần thay thế tất cả những loại turbine khác trong thời gian gần đây
Sắp xếp các thiết bị trong turbine trục ngang được mô tả trên Hình 1.18
Hệ thống đổi tan Máy phát điện Phanh Thiết bị do gió| _ Tủ điều khiến
Hệ thống làm mát máy phát : cánh quạt
May biến áp sửa chữa Cánh quạt
Hình 1.18 Nguyên tắc sắp xếp céc thiét bi trong turbine trục ngang
Turbine trục đứng VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) có các cánh quay theo trục thắng đứng như mô tả trên Hình 1.19
Hinh 1.19 Turbine gió trục đứng
Chỉ có rotor Darrieus (thuộc VAWT) do kỹ sư người Pháp G.M Darrieus phát minh ra và đã được thương mại hóa thành công những năm 1920 Các cánh liên kết đầu trên và đầu dưới, quay quanh trục thắng đứng tạo nên hình dạng như quả trứng không lồ Ưu điểm chính của VAWT, như rotor Darrieus, là không cần điều chỉnh
Yaw Ưu điểm tiếp theo đó là phần máy móc khối lượng lớn (máy phát, hộp số và các chỉ tiết cơ khí khác) được đặt ở đưới đất nên có thể sửa chữa dễ dàng Điều này sẽ giúp cấu trúc của tháp không cần phải chắc chắn như HAWT Các cánh của rotor Darieus quay quanh trục nên luôn luôn đồng tâm, trọng lượng nhẹ và giá thành không cao
VAWT có một số nhược điểm cần phải kể đến Nhược điểm chính là các cánh khá gần mặt đất, nơi có tốc độ gió thấp và rối loan hơn nhiều so với gió ở trên cao Rotor Darrieus có mô men khởi động nhỏ nên khéng thé ham rotor dé dàng khi có gió lớn để bảo vệ máy phát như điều khiển Pitch của HAWT
Do ít gây tiếng ồn, turbine trục đứng phù hợp với các ứng dụng công suất nhỏ trong khu dân cư Ngày nay, thiết kế của turbine trục đứng ngày càng đa dạng, đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ khác nhau.
Hình 1.20 Một số kiểu dáng mới của turbine trục đứng
* Một số loại turbine gió thế hệ mới
Công nghệ điện gió đã phát triển từ lâu với dạng turbine trục đứng và trục ngang, đã được áp dụng lấp đặt với dung lượng lớn Tuy nhiên các công nghệ này vẫn gặp những vấn dé liên quan đến tiếng ồn, vị trí lắp đặt, Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu và các công ty công nghệ trên toàn thế giới đã tiến hành cải tiến, thiết kế mới các chủng loại turbine để có thể đáp ứng được các yêu cầu khác nhau Nhiều mô hình turbine gió đang ở giai đoạn lắp đặt thử nghiệm và chưa thực sự phô biến Một số turbine thế hệ mới đưới đây đã bất đầu được thương mại hóa
- Turbine gió cánh nghiêng BTPS (Blade Tip Power System):
Turbine gió BTPS là một sản phẩm của hãng WindTronics (Hình 1.21), không có hộp số, đường kính chỉ 1,8 m và trọng lượng 84 kg Dải tốc độ gió dé turbine này hoạt động được rộng hơn các turbine thông thường (khởi động ở tốc độ gió 0,2 ms và tự động cắt ở tốc độ gió 17 m/s)
Máy phát của BTPS bao gồm các nam châm điện đặt ở đầu của các cánh (vành trong của vòng tròn) và stator nằm ở vành ngoài của vòng tròn Tuy loại turbine này có công suất nhỏ nhưng không phát sinh tiếng ồn, có thể lắp đặt ở các khu đông dân cư
Một số nguồn điện tái tạo khác 22¿¿2222+2cteEzEkerrrrrrkrrrerrkes 42 1 Nguồn thủy điện nhỏ
Điện thủy triều 44 1.4.3 Điện sóng biển 2-2222 2+2 EE221112271111711122711.02111 E11 45 1.4.4 Thủy điện hải lưu 22¿2222+2+t222E12+EE2EEE2EE2EE1e tre 45 1.4.5 Nguồn điện địa nhiỆt .- 222-2222 E22 2211227112211 .Ecrtre 47 1.4.6 Dién sinh KhOi ec eeccccsccsceessssessssessssesssssesssseessssecssseessssecssseesssseessseesssses 50
Điện thuỷ triều đơn giản là một dạng năng lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong các khối nước chuyền động do thuỷ triều
Nhà máy điện thủy triều thường được xây dựng ở khu vực có eo biển hẹp và độ chênh mức thủy triều lớn với phần chính là đập chắn và các tổ turbine-
ME Như vậy, cả hai chu trình nước biển vào ra hồ chứa đều có khả năng quay turbine và phát ra điện
Hoạt động của nhà máy điện thủy triều được mô tả trên Hình 1.33
Khi thủy triều lên Khi thủy triều xuống
Hình 1.33 Điện thúy triều sử dụng loại turbine nước
44 Đề thu được năng lượng từ thuỷ triều, người ta sử dụng phương pháp dao động cột nước Khi thuỷ triều lên, đẩy mực nước lên trong một phòng rộng xây dựng bên trong dải đất ven bờ biển, một phần được chìm dưới mặt nước biển Khi nước dâng, không khí bên trong phòng bị day ra theo một lỗ trống vào một turbine Khi nước thuỷ triều rút đi, mực nước hạ xuống bên trong phòng hút không khí đi qua turbine theo hướng ngược lại Turbine xoay tròn làm quay một máy phát để sản xuất điện Điểm mấu chốt của hệ thống này là việc sử dụng turbine có hệ thống các cánh quay đảm bảo luôn quay theo một chiều có định, trong khi dòng nước qua turbine đảo chiều theo chu kỳ Nguyên lý làm việc của mô hình: Lúc thuỷ triều xuống thấp: chu trình nước biển qua turbine theo hướng từ biển (vịnh) vào hồ chứa; Lúc thuỷ triều dâng cao: chu trình nước biển qua turbine theo hướng từ hỗ chứa ra biển (vịnh)
Năng lượng của sóng biển (tidal energy) bị giới hạn và khó khai thác Mặc dù đã có nhiều đề xuất khác nhau để phát điện từ loại năng lượng này nhưng chỉ có một số công trình đã được thương mại hóa dưới một số dạng khác nhau như:
- Hệ thống phao dao động dạng thu gọn (Oscillating Float System) hoặc dang dai (Oscillating Snake System),
- Hệ thống cánh dao d6ng (Oscillating Paddle System),
- Hé thong cột nước dao dong (Oscillating Water Column),
- Hệ thống biến đổi áp suat (Pressure Transducer System),
- Hệ thống thu sóng (Wave Capture Systems),
- Hệ thống sóng tran dinh (Overtopping Wave Systems),
- Hệ thống đòn bẩy (Lever Systems)
Khu vực tốt nhất đề khai thác năng lượng hải lưu là khu vực giữa các đảo, xung quanh các bờ biền thụt vào (nơi có dòng thủy triều mạnh hoặc sự chênh lệch nhiệt độ của nước ấm với nước lạnh trên 20°C) Các cánh cua turbine có
45 thé chỉ cần dai 20 m (bang 1/3 độ dài cánh turbine gió) nhưng có thể đem lại công suất gấp 3 lần turbine gió Mỗi turbine được gắn trên một tháp và máy phát được kết nối với lưới điện dưới nước như tháp gió ngoài biển Các công nghệ phát điện của nguồn điện hải lưu tương tự như công nghệ của nguồn điện gió Một số dang turbine cho nguồn điện hải lưu được mô tả trên Hình 1.34 Phương pháp xác định công suất cho các máy phát tương tự như thủy điện thủy triều
Hình 1.34 Một số dạng turbine cho nguồn điện hải lưu
Nguồn điện hải lưu cũng phải đối mặt với một số thách thức như hiện tượng khí thực (hình thành bong bóng khí và gây rỗ cánh turbine), sự tích tụ của các sinh vật biển, chỉ phí bảo trì cao, hiện tượng ăn mòn kim loại, phát sinh trường điện từ, độc tính của sơn và dầu nhờn, sự tác động của động vật di cư đến cánh và các bộ phận di chuyển khác VỊ trí đặt tháp cần được lắp đèn để cảnh báo cho tàu và tháp được thiết kế có thể nâng lên khỏi mặt nước để bảo trì, làm sạch cỏ biển hoặc các sinh vật bám vào cánh turbine
Một giải pháp giúp giảm bớt khó khăn cho điện hải lưu đã được nhận ra và áp dụng trong thời gian gần đây Đó là tốc độ dòng chảy tăng lên khi nước biển chảy từ một lòng dẫn sâu và rộng vào một lòng dẫn nông và hẹp Khi nước biển chảy qua những nơi như thé với vận tốc cao thi turbine kiểu ngập sẽ hoạt động với hiệu suất cao Có thể khai thác năng lượng theo cách khác như tạo một đường ham duéi dai đất hep chia cat hai vung bién nay nhằm tạo một dòng chảy ngầm giữa hai bờ đại dương Turbine trong đường hầm có thể hoạt động với hiệu suất biến đổi năng lượng trên 80% khi nước chảy nhanh trong khi thiết kế của turbine kiểu ngập sẽ chỉ hoạt động với hiệu suất gần 45% trong nước chảy chậm Turbine đường hầm kết hợp với các trạm phát điện thuỷ triều có thể giúp mang lại tính khả thi cao hơn cho điện hải lưu khi được xem xét thêm yếu tổ kinh tế
1.4.5 Nguồn điện địa nhiệt Địa nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất, với ước đoán tương đương với khoảng 42x10 MW Dự báo lòng dat van còn tiếp tục nóng hàng tỷ năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận Chính vì vậy địa nhiệt được đánh giá thuộc vào dạng NLTT sạch và bền vững So với các dạng
NLTT khác, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu
Nguồn nhiệt từ địa nhiệt được chuyền lên mặt đất qua dạng hơi hoặc nước nóng khi nước chảy qua đất đá nóng
Nguồn địa nhiệt liên quan mật thiết đến cấu trúc nhiệt độ của Trái đất và chu trình đối lưu nhiệt trong lòng trái đất Nhiệt độ của trái đất tăng dần theo độ sâu và đạt đến 5000”C tai tâm như mô tả trên Hình 1.35
Hình 1.35 Phân bồ nhiệt độ theo độ sâu
Một phần trong tổng khối nhiệt lượng khổng lỗ trong lòng trái đất này bắt nguồn từ quá trình hình thành hành tỉnh trong khoảng 4,5 tỷ năm trước đây (trái đất hình thành từ một khối cầu vật chất cực nóng, luôn từ quay xung quanh một trục nghiêng và nguội dần từ trong ra ngoài) và phần còn lại là kết quả của quá trình phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong lõi trái đất Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng từ nơi nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt của trái đất di chuyển từ trong lõi ra ngoài vỏ
Công nghệ phát điện hơi khô
Chu trình này sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao, khoảng trên 235”C và một ít nước nóng từ bể địa nhiệt Hơi nước sẽ được dẫn qua ống dẫn vào thắng turbine lam quay turbine va MF (Hinh 1.36) Day là dạng kỹ thuật cô điển nhất
47 và được sử dụng ở nhà máy địa nhiệt đầu tiên trên thế giới tại Lardarello, Ý (1904)
Nhà máy điện hơi khô
Hình 1.36 Mô hình nhà máy điện địa nhiệt hơi khô Công nghệ phát điện hơi nhanh
Công nghệ này là dang kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay Nhà máy dạng hơi nhanh (flash steam) sử đụng nước nóng ở áp suất cao với nhiệt độ khoảng trên 182C từ bể địa nhiệt Nước nóng ở nhiệt độ cao này tự phụt lên bề mặt thông qua giếng khoan do chính áp suất của chúng Trong quá trình nước nóng được đây vào turbine, áp suất của nước giảm rất nhanh khi phụt lên gần mặt đất Nhờ sự giảm áp này khiến nước nóng bốc hơi hoàn toàn và hơi nước sinh ra sẽ làm quay turbine phát điện Lượng nước nóng không bốc thành hơi sẽ được bơm xuống trở lại bê địa nhiệt thông qua giếng bơm sâu (Hình 1.37)
Nhà máy điện hơi nhanh
Binh hoi Turbine May phat
Hinh 1.37 M6 hinh nha may dién dia nhiét hoi nhanh
Công nghệ phát điện chu trình hơi kép (Hình 1.38)
Nhà máy địa nhiệt chu trình hơi kép sử dụng nước nóng trung bình từ 107-182°C từ bể địa nhiệt Chất lỏng địa nhiệt đi qua một bên của bộ trao đổi nhiệt, nung nóng chất lỏng thứ cấp ở ống dẫn bên cạnh Chất lỏng thứ cấp, thường là hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp như isobutane hoặc isopentane, được đun sôi tạo áp suất cao khi đi qua bộ trao đổi nhiệt Sau đó, chất lỏng thứ cấp dạng hơi được dẫn vào tuabin để phát điện.
Lợi thế chủ yếu của chu trình kép là chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, do đó các bể địa nhiệt có nhiệt độ thấp vẫn có thể được sử dụng Mặt khác, do đây là một chu trình tương đối kín nên hầu như không có khí thải nào được sinh ra Vì những lý do kể trên mà các chuyên gia địa nhiệt dự đoán rằng hệ thống chu trình kép sẽ là giải pháp kỹ thuật chủ đạo cho việc sản xuất điện địa nhiệt trong tương lai
Nhà máy điện chu trình hơi kép Tải
Turbine Máy phát sh ie 4 ơ
Bộ trao đôi nhiệt với chât lòng làm việc a
Giêng lạnh Hình 1.35 Mô hình nhà máy điện địa nhiệt chu trình kép
Trong qua trinh van hanh cua bat kỳ nhà máy địa nhiệt điện nao, hé thống làm mát đóng một vai trò hết sức quan trọng Các tháp làm mát giúp turbine không bị quá nóng và từ đó kéo dài thời gian sử dụng Có hai dạng hệ thống làm nguội chính yếu: dùng nước hoặc dùng không khí
Kỹ thuật điều khiển hòa lưới 3 pha không có ESS
Cấu trúc điều khiển ghép nói lưới được thực hiện bởi 2 mạch vòng điều khiển (mạch điều khiển điện áp ở vòng ngoài, mạch điều khiển dòng điện ở vòng trong) như mô tả trên Hình 2.37
AC Lưới điện a Bộ biến đổi DC/AC 3 pha trong bài toán hòa lưới không có ESS
Vecref [Bộ điêu khien] igre , Bộđiều |uzr | Bộ điều chế
+ điện áp He khién dong Ixung điều khiển ® C3 b Cấu trúc điều khiển Hình 2.37 Cấu trúc điều khiến phía lưới 88
Nhiệm vụ của bộ điều khiển điện áp là đánh giá sai lệch giữa giá trị điện áp đặt Vaer với giá trị Vac phản hồi đo được trên DCbus đề cung cấp thông tin về 1zr cho mạch vòng điều khiến dòng điện ở vòng trong
Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển dòng điện là liên tục đánh giá độ chênh lệch giữa dòng điện đặt i,e; với dòng điện phản hồi được đo là i, để tạo ra tín hiệu điện áp đặt u,i cấp cho bộ điều chế xung điều khiển của BBD DC/AC.
Với cách thực hiện cấu trúc điều khiển trên, lượng công suất khai thác được từ nguồn NLTT sẽ luôn được hấp thụ hoàn toàn bởi lưới điện nhờ việc bộ điều khiển dòng điện trong cấu trúc điều khiến phía lưới Để xác định thông số bộ điều khiển, quy ước ký hiệu các phần tử trên sơ đồ mạch lực BBĐ DC/AC 3 pha được mô tả trên Hình 2.38 sw, ‘, SW; ‘>: SWs fv
SW; D; SW, Dy SWe De
Hình 2.38 So dé céu tao mach lc BBD DC/AC
Sơ đồ mạch tương đương phía DC, AC của BBĐ DC/AC được mô tả trên Hình 2.38
Hinh 2.39 So do mach tuong dwong BBD DC/AC
R=Rige + Raa, X=Xioc + XBa, với Riec, RsA, Xiec, Xga là điện trở, điện cảm của bộ lọc và MBA, Eaeconv là sức điện động ở dau ra BBD DC/DC,
Eucinv, Raciny là sức điện động và điện trở phía DC của BBĐ DC/AC
Nhìn vào Hình 2.38, công suất chỉ có thể đưa từ BBĐ DC/DC sang BBĐ
DCŒ/AC khi Eacconv>Eaeiny, tức là dòng điện ia.> 0
Phương trình cân bằng dòng điện phía AC: ig, tig, +1, =Ô (2.24)
Phương trình cân bằng điện áp phía AC cho mỗi pha:
L—+Ri, =Au di (2.25) dt trong do:
AU =Ujny Ug Để giảm kích thước của mô hình toán cũng như thiết kế các bộ điều khiển, hai phép biến đổi cơ bản là œB và dq thường được sử dụng trong các hệ thống có mạng điện xoay chiều 3 pha có kết nối lưới Trong đó, biến đổi œB đưa các biến trong mạng điện 3 pha abc về hệ trục cố định œ còn biến đổi dq sử dụng hệ trục dq quay với tần số có định (tần số cơ bản của lưới)
Các vectơ dién ap uiny 6 dau ra BBD DC/AC, dong điện ¡¿ được biểu diễn trên hệ tọa độ dq tựa điện áp lưới như mô tả trên Hình 2.40
Hình 2.40 Hệ trục tọa độ dq tựa điện áp lưới 90
Vụa=U; là điện áp thành phan d của điện áp lưới,
Vinva 1 điện áp thành phần d của điện áp đầu ra BBĐ DC/AC, igd, igq 14 thanh phần d và q của dong dién ig,
Áp dụng công thức chuyển hệ trục tọa độ Park chuyển từ hệ trục 3 pha abc sang hệ trục quay dq tựa điện áp lưới cho ta biểu thức dòng điện $i_d$ và điện áp $u_d$ như sau:$i_d = \sqrt{\frac{2}{3}} \left[i_{ga} \cos(\omega t) + i_{gb} \cos\left(\omega t - \frac{2\pi}{3}\right) + i_{gc} \cos\left(\omega t + \frac{2\pi}{3}\right)\right]$$u_d = \sqrt{\frac{2}{3}} \left[u_{ga} \cos(\omega t) + u_{gb} \cos\left(\omega t - \frac{2\pi}{3}\right) + u_{gc} \cos\left(\omega t + \frac{2\pi}{3}\right)\right]$
2 2m 2m ig 3 igq SIN(Wet) + igh SIN] O, tos tig, Sin Ot += (2.27)
AVg = 2] as, cos(@,t) + Au, sa lo = =) + Au, cos(g t+ =) (2.28)
AV, = 2h, sin(@,t) + Au, sin [o t- =) + Au, sin Le, t+ =) (2.29) trong đó:
Aug, Aup, Aue là độ lệch điện áp tương ứng của các pha A, B, C Đạo hàm hai về (2.30) theo t: dị _ 2[di, dig, DÀNG 2n
== — t)+ "cos @yt -— +—== cos @.t+—_ dt 3] dt dt 3 dt 3
“3% igq SIN(Wgt) +igy SiN] Me kh +ig, Sin atts
91 ®#“=—Au -—i„ dt L LỄ di,, 1 = =—Au,-—i1 R 2.31 d L ° L® eo di, & =—Au,-—i 1 R
Sử dụng (2.26), (2.27), (2.28) và (2.29) và hệ phương trình (2.31) được viết lại theo hệ tọa độ dq: dig = gig -—ig +—AV, R 1 2.32 dé °“' L’-yp 4 (2:52) di " =a — Tig + PAV R, 1 (2.33)
Từ (2.32) và (2.33) ta có mô hình đối tượng điều khién trên miền toán tử
Laplace như mô tả trên Hình 2 41
Hình 2.41 Mô hình đối tượng điều khiến trên miền toán tứ Laplace
Ti=L/R là hằng số thời gian của mạch
Xác định thông số bộ điều khiển trong cấu trúc điều khiển ghép nối lưới
Căn cứ mô hình đối tượng trên Hình 2.41, mạch vòng điều khiển trong cấu trúc điều khiển ghép nối lưới được mô tả trên Hình 2.42
Hình 2.42 Cấu trúc mạch vòng điều khiển ghép nỗi lưới
Xác định thông số bộ điều khiến dòng điện:
Sơ đồ thay thế mạch vòng dòng điện bỏ qua thành phần xen kênh dq được thể hiện trên Hình 2.43 Trong đó: i là dòng điện vòng; L là độ tự cảm vòng; a là điện trở vòng; fg là tần số lưới; S là hệ số trượt.
Hình 2.43 Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện
Hàm truyền mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và độ lệch điện áp ở đầu ra BBĐ DC/AC dưới dạng toán tử Laplace được xác định bởi (2.34): i,(s)
Viết lại (2.34) dưới dạng toán tử Laplace: i,(s) 1
G„(s)=————[GaG) Pip a Ga)
Hình 2.44 Mô tả toán học mạch vòng điều khiển dòng điện
Hàm truyền hệ hở của mạch vòng dòng điện được xác định theo (2.36):
Gin (8) = Gg Gpwm GigGg, > Gin (S) = Gi (I+sT, )(1+sTs) L 1/R 8 (2.36)
Bộ diéu khién Gy cho mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu module được xác định bởi (2.37) :
Xác định thông số bộ điều khiến điện áp:
Viết phương trình Kirchhoff 1 ở phía DC của BBĐ DC/AC trong mô hình tín hiệu nhỏ: dva Vac xy _ ve+s.RweCac)
=lực — SP lac = dt Rực Rực
(2.38) trong đó: Re là điện trở tải tương đương ở phía DCbus
Cân bằng công suất đầu vào một chiều và công suất đầu ra phía xoay chiều:
30,1, = Vqclqc ©3I,U, +3i,U, = Vạclạc + Vục lạc + Ÿac lục + Ÿac lạc (2.39) 94 trong đó:
Giá trị ôn định 3I,U, = Vụ lạ,
Thanh phan Ÿ,.j,„ rất nhỏ có thể bỏ qua
3i,U, = Vac Vacl = tức de) 4 Tụ, tdc Ỹ 3U,R
Ye = se ig Wae(2+SRigeCae) (2.40)
Hàm truyền mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện:
2 Cấu trúc điều khiển mạch vòng điều khiển điện áp cho BBĐ DC/AC được mô tả trên Hình 2.45
V, aaa + “ > Ge ằ| Gi(s) >| Gvi(s) Vee >
Hình 2.45 Cấu trúc mạch vòng điều khiến dién dp cho BBD DC/AC
Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện được xác định theo (2.41):
Ham truyén hệ hở của mạch vòng điện áp được xác định theo (2 42):
Thông số bộ điều khiển G.„ cho mạch vòng điện áp được xác định theo tiêu chuẩn tối ưu module tương ứng với bộ điều khiển PI như (2 43):