Tóm tắt Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được nghiên cứu triển khai góp phần làm giảm sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch, kìm hãm sự nóng lên toàn cầu. Lưới điện hải đảo có đặc điểm “lưới mềm” khi có sự kết hợp giữa nguồn năng lượng truyền thống từ nhiên liệu hóa thạch với năng lượng gió có đặc điểm cố hữu là sự không ổn định dẫn tới chất lượng điện năng thấp, do đó sự cần thiết phải có một thiết bị kho điện để đảm bảo chất lượng điện năng. Một giải pháp khả thi là sử dụng thiết bị kho điện tích hợp vào hệ thống phát điện sức gió lưới điện hải đảo sử dụng công nghệ tiên tiến với đặc điểm động học nhanh siêu tụ để có thể thực hiện các chức năng như: Trao đổi công suất với lưới, điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối, nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ thống. Abstract: Wind power generation is one of renewable energy which save natural resources and lower the global warming speed. A negative aspect of the wind power generation is that the output voltage changes as the wind power changes. A potential solution for standalone power generation to smooth the output of the wind power generation is to use a hybrid energy system in parallel with energy storage. The potential integrated approach used a shuntconnected voltagesource converter with added supercapacitors as storage included on the DC link bus to enable fastdynamic energy storage for high power dynamic requirement. The system can: Exchange active power with the system; Regulate voltage at the point of common coupling; Increase power quality and system stability.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 107 Mã bài: 29 Thiết bị kho điện cho hệ thống phát điện sức gió lưới hải đảo: Cấu trúc hệ thống, nguyên tắc làm việc và những vấn đề kỹ thuật cần giải quyết Energy storage systems for stand-alone wind power generation: System topology, principles and technical conception necessities Phạm Tuấn Anh Trường ĐH Hàng hải Việt Nam e-Mail: phamtuananh@vimaru.edu.vn Nguyễn Phùng Quang Trường ĐH Bách khoa Hà nội e-Mail: quangnp-ac@mail.hut.edu.vn Tóm tắt Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được nghiên cứu - triển khai góp phần làm giảm sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch, kìm hãm sự nóng lên toàn cầu. Lưới điện hải đảo có đặc điểm “lưới mềm” khi có sự kết hợp giữa nguồn năng lượng truyền thống từ nhiên liệu hóa thạch với năng lượng gió có đặc điểm cố hữu là sự không ổn định dẫn tới chất lượng điện năng thấp, do đó sự cần thiết phải có một thiết bị kho điện để đảm bảo chất lượng điện năng. Một giải pháp khả thi là sử dụng thiết bị kho điện tích hợp vào hệ thống phát điện sức gió lưới điện hải đảo sử dụng công nghệ tiên tiến với đặc điểm động học nhanh - siêu tụ để có thể thực hiện các chức năng như: Trao đổi công suất với lưới, điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối, nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ thống. Abstract: Wind power generation is one of renewable energy which save natural resources and lower the global warming speed. A negative aspect of the wind power generation is that the output voltage changes as the wind power changes. A potential solution for stand-alone power generation to smooth the output of the wind power generation is to use a hybrid energy system in parallel with energy storage. The potential integrated approach used a shunt-connected voltage-source converter with added supercapacitors as storage included on the DC link bus to enable fast-dynamic energy storage for high power dynamic requirement. The system can: Exchange active power with the system; Regulate voltage at the point of common coupling; Increase power quality and system stability. Chữ viết tắt D-G Diesel – Generator ESS Energy Storage System WTG Wind Turbine Generator WDHS Wind Diesel Hybrid System SC Supercapacitor 1. Đặt vấn đề Đối với khu vực hải đảo, hệ thống điện năng chủ yếu được cung cấp từ những tổ hợp Diesel – Generator (D–G). Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của những nguồn năng lượng tái tạo như: gió, mặt trời,… đã dẫn tới xu hướng tích hợp thêm các hệ thống phát điện sử dụng sức gió, pin mặt trời,… vào trong hệ thống năng lượng khu vực hải đảo. Ưu điểm chính của năng lượng tái tạo là ít gây ô nhiễm môi trường, giảm sự tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Hạn chế của năng lượng tái tạo là khu vực lắp đặt đặc thù, giá thành xây lắp cao và sự bất ổn định về mặt công suất dẫn tới phải có giải pháp cân bằng điện năng, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của hệ thống. H. 1 Các nguồn năng lượng tái tạo ghép với lưới điện 108 Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Phùng Quang VCM2012 Một hệ thống điện năng có sự kết hợp của một vài nguồn năng lượng như minh họa trên hình H.1 được gọi là hệ thống năng lượng lai (Hybrid Power Systems) [1, 2]. Đó là sự vận hành kết hợp giữa những thiết bị: Thiết bị phát điện sức gió, pin mặt trời, thiết bị tích trữ năng lượng, thiết bị biến đổi và điều khiển dòng năng lượng. Với đặc trưng giàu tài nguyên gió, hơn thế nữa là sự phát triển tương đối hoàn thiện của công nghệ phát điện sức gió, năng lượng gió được xem là sự bổ sung lý tưởng cho hệ thống phát điện khu vực hải đảo nhằm giảm sự tiêu hao nhiên liệu, nâng cao tuổi thọ hệ thống D – G. H. 2 Biểu đồ minh họa năng lượng gió hàng năm (MidWest of the US) [3] Tuy nhiên, năng lượng gió với đặc điểm cố hữu là tính thất thường, biến động nhanh (hình H.2) đòi hỏi phải có biện pháp kỹ thuật phù hợp để đảm bảo chất lượng điện năng. Thiết bị kho điện ESS chính là một giải pháp giúp ổn định công suất, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy, tăng dung lượng điện năng phối ghép với lưới đặc biệt là lưới điện hải đảo (vận hành ở chế độ độc lập, mang tính chất lưới mềm)[4]. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ hứa hẹn khả năng đáp ứng phù hợp với hệ thống phát điện sức gió do khả năng phóng nạp nhanh, mật độ công suất lớn, tuổi thọ cao. 2. Hệ thống điện lai Wind-Diesel Hybrid Các hệ thống Hybrid thường được thiết kế cho lưới điện khu vực hải đảo công suất hàng MW cho tới lưới điện nhỏ của một hộ tiêu thụ công suất vài kW. Hệ thống trên 100 kW thông thường sử dụng lưới AC, bao gồm: D–G, thiết bị phát điện sử năng lượng tái tạo, thiết bị kho điện. Hệ thống dưới 100 kW thường kết hợp giữa lưới AC và DC. Những hệ thống dưới 5kW sử dụng lưới DC thường chỉ bao gồm những phụ tải DC công suất nhỏ (ví dụ: Các trạm repeater viễn thông). Một cách tổng quát, các thành phần có thể có của hệ thống Hybrid có thể được minh họa trên hình H.3 [2] H. 3 Cấu trúc tổng quát của hệ thống Hybrid lưới ốc đảo sử dụng năng lượng tái tạo Hệ thống lai giữa thiết bị phát điện sức gió (Wind Turbine Generator – WTG) với thiết bị phát điện sử dụng diesel (D-G) được gọi là Wind Diesel Hybrid System (WDHS). Sự kết hợp giữa máy phát sức gió với máy phát diesel nhằm mục đích phát huy tối đa năng lượng từ gió đồng thời vẫn duy trì được sự phát điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Nếu một hệ thống WDHS có khả năng dừng hẳn tổ hợp D-G thì được gọi là hệ thống có tỷ lệ năng lượng gió cao. Hệ thống này có 3 chế độ vận hành: Chỉ Diesel (Diesel Only – DO), Diesel kết hợp với gió (Wind Diesel – WD) và chỉ gió (Wind Only – WO). Ở chế độ DO, các tổ hợp D-G cung cấp công suất tác dụng và phản kháng theo yêu cầu phụ tải. Việc phân chia tải, điều chỉnh điện áp, tần số được thực hiện bởi việc điều chỉnh tốc độ các diesel và điều chỉnh dòng kích từ các máy phát. ESS cũng có thể tham gia và quá trình điều phối dòng năng lượng để đảm bảo hiệu suất của các D-Gs lớn nhất. Ở chế độ WD, các WTGs chia sẻ công suất với các D-Gs thực hiện chức năng điều chỉnh điện áp và tần số lưới. Lúc này, thiết bị ESS được sử dụng để hỗ trợ quá trình điều tiết dòng năng lượng giữa các WTGs và D-Gs để tránh hiện tượng công suất ngược đối với các D- Gs. Ở chế độ WO, không có D-G nào hoạt động, chỉ có các WTGs cung cấp công suất cho lưới để thực hiện chức năng điều chỉnh điện áp và tần số. Lúc này cần phải có ESS hỗ trợ việc điều khiển dòng công suất để đảm bảo chất lượng điện năng của các WTGs. Như vậy, vai trò của ESS là tương đối quan trọng trong việc hỗ trợ các thiết bị phát điện WTGs, D-Gs để đảm bảo chất lượng điện năng, nâng cao hiệu suất làm việc. Năng lượng có thể được tích lũy năng lượngdưới ba hình thức: Điện cơ (Electromechanical, ví dụ như: bánh đà, khí nén,…), điện hóa (Electrochemical, ví dụ như: acqui, tế bào nhiên liệu Fuel Cell), điện (Electrical, ví dụ như: tụ điện, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 109 Mã bài: 29 cuộn dây). ESS có thể bao gồm một hoặc một vài thiết bị tích lũy năng lượng kết hợp với thiết bị biến đổi năng lượng sang dạng điện năng và điều tiết dòng công suất. Như vậy đòi hỏi ESS cần thiết phải được lựa chọn công nghệ tích trữ năng lượng, hệ thống thiết bị biến đổi năng lượng phù hợp cùng với các phương pháp điều khiển có hiệu quả đối với lưới điện. Nội dung này sẽ được phân tích kỹ ở mục 3. H. 4 Các nguyên lý điều khiển máy phát sức gió[5, 6] Thiết bị phát điện sức gió phổ biến hiện này đều sử dụng một trong số các nguyên lý máy phát được minh họa trên hình H.4. Động học của hệ thống điều khiển một turbine gió bao gồm cả quá trình nhanh và chậm. Công suất được điều khiển dựa trên hệ thống khí động học và giá trị đặt sao cho tối đa công suất đầu ra. Hai hệ thống điện và cơ phối hợp với nhau. Điều khiển bộ biến đổi công suất phía máy phát nhằm mục đích tối đa hóa công suất đầu ra và đảm bảo sự vận hành không bị phá hủy của máy phát. Điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng yêu cầu, đồng bộ với lưới, điều chỉnh hướng dòng công suất. Do đặc điểm lưới điện hải đảo là lưới yếu (weak grid), điện áp rất dễ bị dao động do tác động của sự thay đổi phụ tải hoặc nguồn phát nên việc hòa năng lượng từ máy phát sức gió vào lưới sẽ bị hạn chế về dung lượng để tránh làm biến động biên độ điện áp vượt quá ngưỡng cho phép. Ý tưởng cơ bản điều khiển công suất là sử dụng một bộ đệm (buffer) để phóng/nạp số lượng công suất phù hợp mà không làm biến động điện áp tại điểm kết nối – thiết bị kho điện. 3. Các công nghệ tích trữ năng lượng ESS được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Tùy theo ứng dụng mà ESS cần phải đáp ứng về công suất cũng như thời gian giải phóng năng lượng phù hợp như minh họa trên hình H.5. Ví dụ như: Ứng dụng quản lý năng lượng yêu cầu ESS phải có dung lượng lớn, thời gian giải phóng có thể kéo dài hàng giờ; ứng dụng chuyển nguồn yêu cầu dung lượng thấp hơn, thời gian giải phóng năng lượng có thể kéo dài cỡ vài phút; ứng dụng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy, ESS phải có khả năng giải phóng năng lượng nhanh (cỡ mili giây) [1, 3]. H. 5 Mối quan hệ giữa công suất và thời gian giải phóng năng lượng theo lĩnh vực ứng dụng của ESS[1] Các công nghệ tích trữ năng lượng được nghiên cứu ứng dụng và triển khai cho đến nay có gặp như: Nhóm điện năng (Electrical energy storage): Siêu tụ (Supercapacitors – SC hay Ultracapacitor - UC); Cuộn dây từ trường siêu dẫn (Superconducting magnetic energy storage-SMES). Nhóm cơ năng (Mechanical energy storage): Bánh đà (Fywheels); Thủy điện tích năng (Pumped hydroelectric storage – PHS); Khí nén (Compressed air energy storage – CAES). Nhóm hóa năng (Chemical energy storage): Pin-Acqui (Batteries: lead-acid, nickel metal hydride, lithium ion, zinc bromine, vanadium redox); pin nhiên liệu (fuel cells, molten carbonate fuel cells – MCFCs; Metal -Air batteries). Mỗi công nghệ có những đặc điểm riêng phù hợp với những lĩnh vực ứng dụng đặc thù khác nhau như thể hiện trên hình H.6. Những công nghệ ở góc trên bên phải như PHS, CAES, FC-HS phù hợp với yêu cầu dung lượng lớn và thời gian giải phóng dài. Ngược lại, những công nghệ ở góc dưới bên trái như là SCs, SMES, Flywheels phù hợp với yêu cầu công suất lớn với thời gian xả nhanh cho các ứng dụng về nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ thống. 110 Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Phùng Quang VCM2012 Các nghiên cứu về ứng dụng các công nghệ tích trữ năng lượng đã được công bố trong thời gian gần đây có thể tìm thấy ở [7-12]. Các tác giả đã xuất phát từ cấu trúc hệ thống phát điện sức gió như đã trình bày trên hình H.4, sau đó tích hợp thêm vào WTG một hoặc một vài công nghệ tích trữ năng lượng. H. 6 Phân loại các lĩnh vực ứng dụng ESS[1] Hầu hết các công bố đều nhằm vào các hệ thống mà WTGs nối với lưới cứng hoặc chỉ xem xét ở mức độ đơn lẻ WTG mà chưa xem xét hệ thống phát điện sức gió đối với lưới hải đảo cũng như ảnh hưởng của việc công tác song song giữa nhiều WTGs kết hợp với nhiều D-G. Trong nội dung tiếp theo, tác giả giới thiệu một cấu trúc hệ thống dự định nghiên cứu có sử dụng thiết bị kho điện để đảm bảo chất lượng điện năng đối với lưới điện khu vực hải đảo. 4. Thiết bị kho điện cho hệ thống phát điện sức gió khu vực hải đảo Những lưới điện hải đảo được vận hành ở chế độ độc lập và vận hành ở chế độ độc lập và có đặc điểm lưới mềm: Điện áp rất kém ổn định và khó đồng bộ giữa các thành phần của. Việc điều khiển lưới đòi hỏi phải sử dụng thiết bị kho điện, thiết bị điều độ điều độ năng lượng và truyền thông giữa các thành phần. [6] Để đảm bảo chất lượng điện năng, công nghệ tích trữ năng lượng đòi hỏi phải có động học nhanh để đáp ứng được sự biến động bất thường của gió. Như đã phân tích ở trên, công nghệ tích trữ năng lượng phù hợp và khả thi nhất ở thời điểm hiện tại được tác giả lựa chọn để nghiên cứu là siêu tụ - Supercapacitors với một số ưu điểm vượt trội như: Mật độ công suất rất cao, thời gian nạp/xả cực nhanh, tuổi thọ làm việc lâu dài. Hạn chế cơ bản là điện áp mỗi đơn vị (cell) thấp nên phải sử dụng kết hợp nhiều cells để nâng cao điện áp làm việc dẫn tới yếu tố chi phí giá thành lớn. Cấu trúc tổng thể thiết bị kho điện được trình bày trên hình H.7. Thiết bị kho điện được Supercapacitor ESS (SCESS) cấu thành bởi ba thành phần: Phần tử tích trữ năng lượng sử dụng siêu tụ (Supercapacitors – Ultracapacitors); bộ biến đổi DC/DC trao đổi năng lượng hai chiều (Bidirectional) và bộ nghịch lưu DC/AC cũng có khả năng trao đổi năng lượng theo hai chiều. Kho điện được thiết kế sử dụng tụ DLC (Maxwell boostcap capacitors) Tụ DLC rất tiện cho các ứng dụng đòi hỏi xả lượng điện năng lớn trong thời gian ngắn nhờ có điện trở trong nhỏ. Tụ có tuổi thọ cao và chi phí bảo dưỡng thấp. Vì điện áp công tác tối đa của mỗi tụ chỉ là 2,7V nên sẽ phải mắc nối tiếp một lượng lớn tụ để đạt được điện áp cần thiết. Tùy thuộc lượng điện năng cần đuợc nạp vào kho ta có thể mắc song song nhiều nhánh tụ DLC. Tụ DLC phải được giám sát điện áp và nhiệt độ chặt chẽ cũng như phải có giải pháp cân bằng điện áp trên từng tụ khi ghép thành bộ tụ để đảm bảo vận hành an toàn cho hệ thống. H. 7 Cấu trúc SCESS sử dụng siêu tụ ghép với lưới AC Nghịch lưu Inverter là bộ biến đổi sử dụng van IGBT. Khi điện áp lưới ổn định nghĩa là: khi chức năng kho điện không cần thiết, nghịch lưu có thể hoạt động như bộ lọc tích cực, giúp cải thiện hệ số công suất cũng như chất lượng điện lưới. Khi cần công suất lớn có thể mắc song song nhiều nghịch lưu. Ưu điểm khi vận hành ở chế độ lọc tích cực: Cải thiện hệ số công suất, loại trừ điều hòa bậc cao, hạn chế tổn thất trên lưới, tăng hiệu suất truyền tải điện năng. Chopper ghép nối nghịch lưu với kho điện (bản chất là dàn siêu tụ) có chức năng biến đổi giảm áp (buck converter) khi nạp vào kho và chức năng biến đổi tăng áp (boost converter) khi xả điện hỗ trợ lưới. Giới hạn dòng nạp/xả khi điện áp quá thấp nhằm hạn chế tổn hao và quá trình phát nhiệt. Khi công suất lớn có thể mắc song song nhiều bộ biến đổi DC/DC. SCESS được ghép với lưới điện ở những vị trí như hình H.8 theo hai phương án: Tập trung (Centralize) hoặc phân tán (Decentralize) [6]. Với phương án bù tập trung, bộ biến đổi công suất của thiết bị kho điện phải được thiết kế với công suất lớn tương ứng với dung lượng kho điện dẫn tới Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 111 Mã bài: 29 khó khăn về mặt kỹ thuật chế tạo. Do đó phương án bù phân tán được lựa chọn. Với phương án bù phân tán, thiết bị kho điện được ghép với lưới ngay tại đầu ra của các WTGs hoặc ghép với điểm sử dụng để thực hiện chức năng điều phối dòng năng lượng. SCESS điều tiết công suất tác dụng thông qua việc nạp/phóng của siêu tụ. Hơn nữa, việc điều tiết công suất phản kháng sẽ giúp ổn định điện áp tại điểm đấu nối. Việc điều khiển độc lập hai thành phần công sất là yêu cầu bắt buộc. Yêu cầu điều khiển đó được thực hiện thông qua hai bộ biến đổi được trình bày dưới đây. Có hai vòng điều khiển sẽ phải được giải quyết là vòng điều khiển dòng điện (phía bên trong) của các khâu nghịch lưu I inv và mạch chooper I chopper để can thiệp và các biến điều khiển vòng ngoài bao gồm điện áp một chiều V dc link , điện áp tại điểm Vpcc, và công suất tác dụng của SCESS [13-15]. Diesel Diesel G 3~ Village G 3~ G 3~ V i l l a g e 0.4/22 KV 0.4/22 KV G 3~ 0.4/22 KV 22/0.4 KV D-Decentralize Bù phân tán C-Centralize Bù tập trung Factory Airport G 3~ H. 8 Các phương án lắp đặt SCESS cho lưới hải đảo Khâu nghịch lưu (mô hình đơn giản được thể hiện trên hình H.9) hoạt động như một nguồn áp có điều khiển. Trong mô hình này, bỏ qua sự ảnh hưởng của sóng hài dòng điện, các yếu tố như khâu lọc đầu ra, biến áp nối lưới cũng không được xem xét. H. 9 Mô hình đơn giản khâu nghịch lưu Hệ phương trình toán học mô tả khâu nghịch lưu như sau: . . pcca inva inva inva invb invb invb pccb invc invc invc pccc V V I I d V R I L I V dt V I I V (1) Để thuận lợi cho việc thiết kế điều khiển, phép biến đổi Park được sử dụng để đưa các đại lượng xoay chiều trong (1) về dạng tín hiệu một chiều như (2). 0 0 0 0 0 0 0 . . 0 0 . 0 0 0 . invd invd invd invq invq invq inv inv inv pccd invd invq pccq inv pcc V I I V R I L I V I I V I d L I V dt I V w w (2) Sơ đồ cấu trúc thiết kế khâu điều chỉnh dòng điện được thể hiện ở hình H.10 1 R Ls 1 R Ls L L + - + pcc d V + - - pcc q V inv q I inv d I ˆ ˆ . L ˆ ˆ . L + ˆ pcc d V ˆ pcc q V + + + - + Controller inv d R Controller inv q R * inv d I * inv q I + + - - Current Controller System Model inv d I inv q I H. 10 Cấu trúc điều khiển dòng điện khâu nghịch lưu Khâu điều chỉnh được thiết kế đảm bảo chất lượng điều khiển chính xác với động học nhanh nhất để phục vụ quá trình điều khiển của các mạch vòng bên ngoài. Ở đây khâu điều chỉnh có thể được thiết kế trên miền tần số với cấu trúc PI hoặc miền thời gian gián đoạn với phương pháp thiết kế dead- beat. Đối với mạch Chopper, sơ đồ cấu trúc như hình H.11 được mô tả với hệ phương trình toán học như (3) Chopper VDC Link Vstorage Lchopper ichoper H. 11 Cấu trúc mạch Chopper Để điều khiển i chopper có nhiều phương pháp thiết kế điều khiển như: thiết kế điều khiển tuyến tính với bộ điều khiển P hoặc điều khiển phi tuyến với 112 Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Phùng Quang VCM2012 một số phương pháp như: Điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng Flatness Based, hệ thụ động Passivity-based,… khi xem xét các yếu tố phi tuyến của Chopper như: ảnh hưởng của độ bão hòa từ cuộn dây, sự thay đổi các tham số của phần tử tích trữ năng lượng theo chế độ công tác,… . . storage chopper chopper chopper storage chopper d V L I V dt d V V L I dt (3) Nếu giải quyết tốt bài toán điều khiển các đại lượng dòng điện Inverter và Chopper sẽ là điều kiện tiên quyết để thực hiện vấn đề điều khiển sau đây: Điều khiển giữ ổn định điện áp một chiều Vdc Link: Việc điều khiển giữ ổn định Vdc Link được thực hiện thông qua điều khiển I chopper theo phương trình (4) . chopper dc link losses inv out dc link chopper chopper inv out losses P P P P P I V P P (4) Khi giả sử tổn hao P losses =0 ta thu được: 2 1 . . 2 dc link dc link chopper storage inv out d C V I V P dt (5) Nếu thực hiện tuyến tính hóa phương trình (5) quanh điểm làm việc của điện áp V storage ta có: 2 1 . . ( ) ( ). ( ) 2 dclink dclink chopper storage invout C sV s I s V P s (6) 2 2. ( ) ( ) ( ) storage out dc link chopper dc link storage V P s V s I s C V (7) Sơ đồ cấu trúc phục vụ thiết kế điều khiển như hình H.12 out storage P V ˆ ˆ out storage P V 2. . storage dc link V C s link dc V R 2 link dc V 2 link ref dc V chopper I H. 12 Cấu trúc điều khiển điện áp một chiều V dc link Điều khiển ổn định điện áp tại điểm kết nối Vpcc. Khả năng điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối phụ thuộc và trở kháng của lưới. Việc điều chỉnh được thực hiện thông qua thành phần dòng điện ngang trục của nghịch lưu I invq . a pcc V b pcc V c pcc V c inv I b inv I a inv I source R source L source R source L source R source L a source V b source V c source V Inverter Vpcc a R L Vpcc b R L Vpcc c R L C VDC Link Iinv a Iinv b Iinv c Vinv a Vinv b Vinv c H. 13 Mô hình đơn giản inverter nối với lưới Đơn giản hóa mọi yếu tố phi tuyến như ảnh hưởng của biến áp, sự đóng cắt của van bán dẫn,… ta có mối quan hệ: . . pcca inva inva src a pccb source invb source invb src b invc invc src c pccc V I I V d V R I L I V dt I I V V (8) Thực hiện biến đổi Park, bỏ đi thành phần thứ tự 0, biến đổi Laplace, định nghĩa độ chênh điện áp rơi trên trở kháng của lưới là ΔV thì ta có mối quan hệ với các thành phần dòng điện nghịch lưu như sau: 2 2 2 2 2 / 1/ ( ) . ( ) . ( ) / 1/ ( ) . ( ) source source inv d q d source source source source source source source sou inv q d source source L L I s V s V s R R s s L R L s L L L I s V s R s L w w w w w 2 . ( ) rce q source source source source V s R s L R s L w (9) Điện áp rơi trên trở kháng nguồn phụ thuộc cả vào hai thành phần dòng điện dọc trục và ngang trục của nghịch lưu. Tuy nhiên ở tần số thấp, sự liên hệ giữa thành phần xen kênh I inv-q lớn hơn nhiều sự ảnh hưởng trực tiếp của I inv-d nên việc điều chỉnh điện áp V pcc chỉ được thực hiện thông qua thành phần ngang trục I inv-q . Bộ điều khiển ở đây có thể được tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết kế trên miền tần số theo tiêu chuẩn nào đó hoặc thiết kế điều khiển số. Mặt khác, tham số trở kháng nguồn là biến động không thể dự đoán nên cần thiết phải có giải pháp điều khiên thích nghi để điều chỉnh tham số của bộ điều khiển. Vấn đề điều chỉnh công suất tác dụng bản chất là tính toán lượng đặt công suất cho khâu nghich lưu để ổn định công suất hệ thống nằm trong giới hạn cho phép. Thành phần công suất tác dụng được điều khiển thông qua dòng I inv-d . Đối với lưới ốc đảo Hybrid, công suất tác dụng được sinh ra do hai nguồn phát là D-G và WTGs. Ba chế độ làm việc của hệ thống điện gió lai diesel như đã giới thiệu ở Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 113 Mã bài: 29 phần 2, SCESS đều tham gia vào quá trình điều phối dòng công suất để cân bằng giữa nguồn phát và phía tiêu thụ. Phương pháp xác định lượng đặt công suất cho inverter có thể áp dụng là: sử dụng khâu lọc để loại bỏ những biến động tần số cao, sử dụng kết hợp với phương pháp điều khiển dự báo dựa trên dữ liệu thống kê về biểu đồ gió trong ngày, theo mùa, theo năm,…hay dữ liệu thống kê về biến động phụ tải để tính toán lượng đặt tối ưu. 5. Kết luận Bắt kịp xu hướng ứng dụng, triển khai những hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió, bài viết này đã giới thiệu về sự cần thiết như một yếu tố bắt buộc phải trang bị cho hệ thống phát điện sức gió lưới điện hải đảo thiết bị kho điện để đảm bảo chất lượng điện năng. Những nguyên tắc làm việc cơ bản cũng như cơ sở thiết kế điều khiển hệ thống cũng đã được trình bày và gợi mở hướng giải quyết. Tài liệu tham khảo [1] J. K. Kaldellis: "Stand-alone and hybrid wind energy systems," ed: Woodhead Publishing Limited, 2010. [2] J. F. Manwell, A. Rogers, G. Hayman, C. T. Avelar, J. G. McGowan, U. Abdulwahid, and K. Wu: "Hybrid2-A hybrid system simulation model," June 30, 2006. [3] EPRI-PAC-Coporation: "EPRI-DOE Handbook Supplement of Energy storage for grid connection wind generation applications," ed: US Department of Energy, 2004. [4] David Connolly: "A Review of Energy Storage Technologies For the integration of fluctuating renewable energy," ed: University of Limerick, 2010. [5] R. Teodorescu, M. Liserre, and P. Rodríguez: (2011). Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems [6] N. P. Quang: "Hệ thống năng lượng sức gió lai dành cho hải đải đảo," in Giải pháp đấu nối và hoạt động hỗn hợp gió - Diesel vào lưới điện Quốc gia và lưới điện độc lập trên đảo, Thành phố Hồ Chí Minh, 2012. [7] K. Yoshimoto, T. Nanahara, and G. Koshimizu: "Analysis of data obtained in demonstration test about battery energy storage system to mitigate output fluctuation of wind farm," in Integration of Wide-Scale Renewable Resources Into the Power Delivery System, 2009 CIGRE/IEEE PES Joint Symposium, 2009, pp. 1-1. [8] N. Mendis, K. M. Muttaqi, S. Sayeef, and S. Perera: "Application of a hybrid energy storage in a remote area power supply system," in Energy Conference and Exhibition (EnergyCon), 2010 IEEE International, 2010, pp. 576-581. [9] L. Barote and C. Marinescu: "Storage analysis for stand-alone wind energy applications," in Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), 2010 12th International Conference on, 2010, pp. 1180-1185. [10] C. N. Rasmussen: "Improving wind power quality with energy storage," in Sustainable Alternative Energy (SAE), 2009 IEEE PES/IAS Conference on, 2009, pp. 1-7. [11] C. Abbey and G. Joos: "Supercapacitor Energy Storage for Wind Energy Applications," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 43, pp. 769-776, 2007. [12] A. Abdelkafi, L. Krichen, and A. Ouali: "Control and energy management of a hybrid power source including WECS-FC-SC," in Systems, Signals and Devices (SSD), 2011 8th International Multi-Conference on, 2011, pp. 1-7. [13] A. M. Leon: "Advanced Power Electronic For Wind-Power Generation Buffering," University Of Florida, 2005. [14] R. Sebastián and R. P. Alzola: "Simulation of an isolated Wind Diesel System with battery energy storage," Electric Power Systems Research, vol. 81, 2011. [15] G. Mandic and A. Nasiri: "Modeling and simulation of a wind turbine system with ultracapacitors for short-term power smoothing," in Industrial Electronics (ISIE), 2010 IEEE International Symposium on, 2010, pp. 2431-2436. Nguyễn Phùng Quang Sau khi tốt nghiệp phổ thông Chu Văn An năm 1970, đi du học tại Đức (TU Dresden, viết tắt: TUD). Tháng 9/1975 tốt nghiệp Dipl Ing. (Uni.) tại TUD về truyền động điện tự động. Tháng 11/1991 bảo vệ luận án Dr Ing. với đề tài về “Áp nhanh mômen quay cho động cơ xoay chiều ba pha nuôi bởi biến tần nguồn áp”. Trong 4 năm 1992-1995 làm việc tại công ty REFU Elektronik Metzingen với nhiệm vụ phát triển thế hệ biến tần mới điều khiển trên cơ sở phương pháp tựa theo từ thông rotor, tháng 4/1994 bảo vệ và nhận bằng Dr Ing. habil. thuộc lĩnh vực “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”. Firmware điều khiển đã được cài đặt trong các biến tần REFU 402 Vectovar, RD500 (REFU Elektronik), Simovert 6SE42, Master Drive MC (Siemens). 114 Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Phùng Quang VCM2012 Ba năm 1996-1998 là giảng viên tại TUD và tháng 10/1997 được TUD công nhận là Privatdozent. Tháng 1/1999 quay về Việt Nam và là giảng viên của ĐHBK Hà Nội từ đó đến nay. Tháng 2/2004 được TUD phong Honorarprofessor, tháng 11/2004 nhận chức danh Phó Giáo sư và 11/2009 Giáo sư về Tự động hóa của ĐHBK Hà Nội. Trong hơn 10 năm ĐHBK Hà Nội đã hướng dẫn 70 kỹ sư, 45 thạc sĩ, hướng dẫn 9 NCS (1 NCS người Đức của TUD), trong số đó 5 NCS đã bảo vệ thành công. Là tác giả / đồng tác giả của hơn 110 bài báo, báo cáo hội nghị trong và ngoài nước. Là tác giả / đồng tác giả của 7 đầu sách chuyên khảo và tham khảo, trong đó có 3 quyển bằng tiếng Đức và 1 quyển tiếng Anh “Vector Control of Three-Phase AC Machines – System Development in the Practice” xuất bản 2008 tại nhà xuất bản Springer. Các lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển truyền động điện, điều khiển chuyển động và robot, điều khiển vector cho các loại máy điện, điều khiển điện tử công suất, điều khiển các hệ thống năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời), hệ thống điều khiển số, mô hình hóa và mô phỏng. Phạm Tuấn Anh tốt nghiệp hệ đào tạo chính quy kỹ sư Điện tự động công nghiệp (2005), nhận bằng Thạc sỹ khoa học về Tự động hóa (2009) của trường Đại học Hàng hải Việt nam – cơ quan công tác từ năm 2005 cho đến nay. Từ tháng 2/2011 là Nghiên cứu sinh chuyên ngành Thiết bị và hệ thống điều khiển tự động tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Các lĩnh vực nghiên cứu: Hệ thống điều khiển số, điều khiển điện tử công suất, điều khiển máy điện, hệ thống năng lượng tái tạo. . trúc hệ thống dự định nghiên cứu có sử dụng thiết bị kho điện để đảm bảo chất lượng điện năng đối với lưới điện khu vực hải đảo. 4. Thiết bị kho điện cho hệ thống phát điện sức gió khu vực hải. lượng điện năng thấp, do đó sự cần thiết phải có một thiết bị kho điện để đảm bảo chất lượng điện năng. Một giải pháp khả thi là sử dụng thiết bị kho điện tích hợp vào hệ thống phát điện sức gió. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 107 Mã bài: 29 Thiết bị kho điện cho hệ thống phát điện sức gió lưới hải đảo: Cấu trúc hệ thống, nguyên tắc làm việc và những