Nghiên cứu thiết kế mạch lực cho hệ thống máy phát Đồng bộ Ảo dựa trên bộ nghịch lưu hình t

Ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống điện - Trong các hệ thống điện, các máy phát điện đồng bộ có vai trò quan trọng trong việc ổn định tần số lưới điện vì nó cung cấ

11/28/2024 1

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SCHOOL OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO HỆ THỐNG

MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ ẢO DỰA TRÊN BỘ NGHỊCH LƯU HÌNH T

Sinh viên thực hiện:

VŨ TIẾN ĐẠT 20212754DOÃN ĐỨC TÀI 20212956LƯƠNG TUẤN VIỆT 20213033

GV hướng dẫn:

PGS.TS Trần Trọng Minh Th.S Đỗ Tuấn Anh

Th.S Đào Xuân Tiến

TS Dương Anh Tuấn

GV giám sát:

PGS.TS Vũ Hoàng Phương

11/28/2024 2

CẤU TRÚC CỦA BÀI BÁO CÁO

Tìm hiểu chung về VSGI

Nguyên lý làm việc và ưu điểm của nghịch lưu hình TII

Thiết kế thông số mạch lực cho bộ nghịch lưu ba pha hình T ứng dụng trong VSG

III

Kết luậnIV

Tìm hiểu chung về VSG

I

1 Đặt vấn đề

 1.1 Tiềm năng của năng lượng tái tạo

- Theo thống kê của IEA về công suất điện của năng

lượng tái tạo những năm gần đây : [1]

+ Công suất năm 2017: 180GW 

+ Công suất cao nhất tính đến năm 2022: 320 GW

+ Công suất năm 2023: tăng vọt 107GW so với

năm 2022, lên hơn 440GW

+ Ước tính đến năm 2024: 540 GW

Hình 1: Công suất năng lượng tái tạo trong những

năm gần đây - IEA

11/28/2024 4

Tìm hiểu chung về VSG

I

1 Đặt vấn đề

  1.2 Sự thâm nhập của các nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện

- Theo [3], năm 2017, RESs chiếm 34%

sản lượng điện toàn cầu; và ước tính

sẽ đạt 54% vào năm 2040

Hình 2: Cấu trúc hệ thống điện hiện tại và tương lai [2]

  1.3 Ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống điện

- Trong các hệ thống điện, các máy phát điện đồng bộ có vai trò quan trọng trong việc ổn định tần số lưới điện vì nó cung cấp quán tính quay

- Theo [5], các nguồn năng lượng tái tạo (điển hình là năng lượng gió và năng lượng mặt trời) thường không cung cấp bất kì quán tính quay nào

[3] Comparison of Virtual Synchronous Generator Strategies for Control of Distributed Energy Sources and Power System Stability Improvement/ Guilherme Penha da Silva Junior , Thiago Figueiredo do Nascimento , Luciano Sales Barros

Tìm hiểu chung về VSG

I

1 Đặt vấn đề

  1.3 Ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống điện

- Với sự thâm nhập ngày càng tăng của RES, lưới điện sẽ bị ảnh hưởng và dần trở thành

một hệ thống điện với quán tính thấp, dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về ổn định

tần số lưới điện [4]

Hình 3: Ảnh huỏng của việc giảm quán tính của hệ thống

lên đáp ứng tần số khi có sự cố xảy ra [6]

 Đặt ra vấn đề:

- Thiết kế, điều khiển bộ biến đổi ĐTCS kết nối

các nguồn năng lượng tái tạo để mô phỏng các hoạt động của máy phát điện đồng bộ (SG), gọi là máy phát điện đồng bộ ảo (VSG)

máy phát điện đồng bộ truyền thống (SG) [4]

2.2 Cấu trúc

+ Nguồn điện DC có thể hỗ trợ năng lượng bởi ESS

+ Bộ biến đổi điện tử công suất, mạch lọc

+ Công nghệ điều khiển (công nghệ VSG)

Hình 4: Cấu trúc cơ bản của VSG 

[7] Virtual synchronous generators: A survey and new perspectives / Hassan Bevrani, Toshifumi Ise, Yushi Miura

Tìm hiểu chung về VSG

I

2 Định nghĩa, cấu trúc, chức năng của VSG

2.3 Chức năng

- VSG mô phỏng theo các hoạt động của SG

như: mô phỏng bộ điều tốc, phương trình quay,

điều khiển công suất phản kháng nên:

+ Tạo ra được các đặc tính động học tương tự

như SG (đặc tính cơ và điện)

+ Giữ điện áp tại nút (đầu cực) không đổi nhờ

mô phỏng bộ AVR ảo

+ Cho phép các RES kết nối lưới điện có thể

vận hành độc lập

Hình 5: So sánh giữa VSG và SG

11/28/2024 8

Tìm hiểu chung về VSG

I

2 Định nghĩa, cấu trúc, chức năng của VSG

2.4 Cấu trúc điều khiển

- Hệ thống điều khiển của VSG thông thường bao

gồm 3 cấp độ:

1- Vòng điều khiển bên trong

2- Mô hình máy phát đồng bộ

3- Điều chỉnh điện áp và tần số

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý và hệ thống điều khiển VSG

[8] Modelling, Implementation, and Assessment of Virtual Synchronous Generator in Power Systems / Meng Chen, Dao Zhou, and Frede Blaabjerg

11/28/2024 10

3.1 Ứng dụng của VSG trong sản xuất điện năng lượng tái tạo

- Việc tích hợp quy mô lớn của các hệ thống điện mặt trời, điện gió sẽ đặt ra thách thức đối với chất lượng và sự ổn định của lưới điện

- VSG được sử dụng để bù quán tính ảo, cải thiện tính ổn định và đồng bộ hóa của hệ thống điện

Hình 8: Sơ đồ của VSG trong sản xuất điện mặt trời Hình 9: Sơ đồ của VSG trong sản xuất điện gió

3.2 Ứng dụng của VSG trong hệ thống lưu trữ năng lượng

- Các nguồn phát điện thông thường đang dần bị thay thế bởi các nguồn năng lượng tái tạo có mức quán tính thấp hoặc hầu như không có

- Một phương tiện hiệu quả để cải thiện điều này đó là sử hệ thống lưu trữ năng lượng tích hợp với VSG Từ đó có thể cung cấp hỗ trợ quán tính và điều chỉnh tần số cho lưới điện

Hình 10: Sơ đồ của VSG trong hệ thống lưu trữ năng lượng

11/28/2024 12

3.3 Ứng dụng của VSG trong VSC-HVDC

- Truyền tải HVDC là truyền tải điện một chiều cao áp, được sử dụng rộng rãi trong truyền tải điện đường dài, kết nối lưới điện xuyên khu vực, tích hợp năng lượng phân tán, với ưu điểm là công suất truyền lớn, tổn thất điện năng nhỏ, khoảng cách truyền dài

- Hệ thống VSC-HVDC với các chiến lược điều khiển thông thường không thể cung cấp quán tính cho lưới điện Do vậy điều khiển VSG được áp dụng trong các hệ thống VSC-HVDC để cung cấp quán tính cho lưới điện

Hình 11: Sơ đồ của VSC-HVDC sử dụng VSG

[4] Virtual Synchronous Generator, a Comprehensive Overview / Wenju Sang, Wenyong Guo, Shaotao Dai

4.1 Giới thiệu, tính năng

- iVSGTM là một sản phẩm thương mại của

Kawasaki Heavy Industries (KHI) , đây là một

ứng dụng điều điều khiển cho phép bộ biến tần

hoạt động như máy phát điện truyền thống

- iVSGTM có các tính năng hữu ích góp phần vào

sự ổn định của lưới điện thông qua hệ thống điều

khiển dựa trên phần mềm:

Hình 12: iVSG TM trong lưới điện siêu nhỏ

11/28/2024 14

4.2.1 Vận hành lưới linh hoạt

- iVSGTM có thể vận hành lưới điện siêu nhỏ mà không bị mất điện

Hình 13: Hoạt động của iVSG TM trong lưới điện siêu nhỏ

4.2.2 Ổn định lưới điện

- So sánh sự dao động tần số hệ thống điện khi có sự cố xảy ra

Hình 14: Dao động tần số hệ thống điện khi có sự cố xảy ra

(1) Grid following ( constant power )

(2) Droop control ( no inertia) (3) iVSG TM

* Nhận xét:

- iVSGTM có tính năng và công dụng giống như phần lý thuyết mà đồ án đã tìm hiểu ở trên,

và đánh giá đây là một công nghệ hữu hiệu để đảm bảo sự ổn định của lưới và tích hợp

năng lượng tái tạo vào trong lưới điện

+ Tổn thất chuyển mạch thấp và chất lượng điện

áp đầu ra tốt hơn NL hai mức và ba mức NPC

11/28/2024 24

2 Tính toán các thông số

2.1 Các giá trị dòng điện, điện áp

Thiết kế thông số mạch lực cho bộ nghịch lưu ba pha hình T ứng dụng trong VSG

III

2.2 Tính tham số mạch lọc LCL 2.2.1 Các điều kiện giới hạn trong quá trình thiết kế [11]

- Công suất phản kháng của bộ lọc do tụ lọc tạo

ra phải nhỏ hơn 5% công suất định mức

- Điện áp của cuộn cảm trong bộ lọc LCL nhỏ hơn 10% điện áp ở phía lưới

- Tần số cộng hưởng nên nằm trong khoảng từ

• %x là phần trăm công suất phản kháng hấp thụ.

 

=> Cf = 125.10-6 (F)

=> Cdc = 0,056 (F)

[12] 10-kW, Bidirectional Three-Phase Three-Level (T-type) Inverter and PFC Reference Design / Texas Instruments

11/28/2024 28

Bảng 7: Thông số mạch lực tính toán

Tụ lọc ( Cf )

3 Bảng thông số mạch lực tính toán

Kết luận

IV

- Đồ án đã nghiên cứu tổng quan về máy phát đồng bộ ảo, từ đó thấy được vai trò

điện

xây dựng được phương pháp thiết kế, tính toán thông số mạch lực cho bộ nghịch lưu hình T để ứng dụng vào trong VSG.

* Nhiệm vụ tiếp theo :

- Thiết kế, tính toán mạch lực, chọn van bán dẫn cho bộ nghịch lưu hình T

công suất 15kW và mô phỏng kết quả bằng các thiết bị có sẵn ở phòng nghiên cứu trên cở sở lý thuyết đã làm.

11/28/2024 30

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SCHOOL OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING

THANK YOU!

* Tài liệu tham khảo :

[1] Renewable Energy Market Update, Outlook for 2023 and 2024 / IEA.

[2] Research Roadmap on Grid-Forming Inverters / NREL.

[3] Comparison of Virtual Synchronous Generator Strategies for Control of Distributed Energy Sources and Power System Stability Improvement/ Guilherme Penha da Silva Junior , Thiago Figueiredo do Nascimento , Luciano Sales Barros.

[4] Virtual Synchronous Generator, a Comprehensive Overview / Wenju Sang, Wenyong Guo, Shaotao Dai [5] Impact of Low Rotational Inertia on Power System Stability and Operation / Andreas Ulbig,

Theodor S Borsche, Göran Andersson.

[6] An Analysis of the Effects and Dependency of Wind Power Penetration on System Frequency Regulation / Nga Nguyen, Student Member, IEEE, and Joydeep Mitra, Senior Member, IEEE.

[7] Virtual synchronous generators: A survey and new perspectives / Hassan Bevrani, Toshifumi Ise, Yushi Miura.

11/28/2024 32

* Tài liệu tham khảo :

[8] Modelling, Implementation, and Assessment of Virtual Synchronous Generator in Power Systems /

Meng Chen, Dao Zhou, and Frede Blaabjerg/.

[9] iVSG - A Virtual Synchronous Generator realizing the maximum use of renewable energy /

Kawasaki Heavy Industries, Ltd

[10] Comparative Evaluation of Advanced Three-Phase Three-Level Inverter/Converter Topologies Against Two-Level Systems / M Schweizer, T Friedli, J W Kolar.

[11] LCL Filter Design in T-Type Three-Level Grid-Connected Inverter / Mengyan Wang, Quan Chen, Guoli Li, Cungang Hu, Long Cheng , and Rui Zhou.

[12] 10-kW, Bidirectional Three-Phase Three-Level (T-type) Inverter and PFC Reference Design /

Texas Instruments.

[13] Design and Control of an LCL-Filter-Based Three-Phase Active Rectifier / Member, IEEE