Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---BÙI NGUYỄN HIỆP TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG V

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-BÙI NGUYỄN HIỆP

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái

Nguyên

Cán bộ HDKH : TS Ngô Đức Minh

Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Phản biện 2 : TS Nguyễn Quân Nhu

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.Vào 16 giờ 30 phút ngày tháng năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu Đó là các dạng nguồn năng lượng mới và tái tạo (NLM&TT) Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể

là mạng điện cục bộ, mạng phân tán hay được kết nối với lưới quốc gia Tuy nhiên, đối với các dạng nguồn này đều có chung một số nhược điểm là:

- Đặc tính làm việc thuộc dạng mềm hoặc siêu mềm

- Tiềm năng phụ thuộc các yếu tố tự nhiên luôn thay đổi như thời gian, thời tiết, khí hậu…

- Khả năng dự trữ công suất thấp

Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lượng NLM&TT, Tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu cho một dạng điển hình, đó là thủy điện nhỏ Trong đó, một số thủy điện nhỏ ở các vùng núi, cách xa các trung tâm kinh tế phát triển chỉ

có thể được khai thác theo hình thức mạng điện cục bộ Trước đây, mạng điện cục

bộ thủy điện nhỏ chưa được quan tâm khai thác và phát triển nên các ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát cũng như trong toàn mạng còn chưa được đề cập đến Chính vì thế, làm cho tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo Ngày nay, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng

Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) mà đề tài quan tâm cụ thể là

1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp và huy động công suất phản kháng

2- Hệ thống turbine để ổn định tần số và huy động công suất tác dụng

Với thủy điện nhỏ thì các nhược điểm phát sinh hầu như đều có nguyên nhân

từ hệ thống turbine (hệ thống kích từ không bàn đến) Thực tế các thủy điện nhỏ thường được xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính điều chỉnh công suất và điều chỉnh tốc độ có thời gian trễ lớn, khả năng quá tải thấp, không có khả năng huy động công suất đỉnh nên không đáp ứng được nhu cầu đòi hỏi của phụ tải thực tế Ví dụ: Khi có động cơ khởi động:

- Quá trình khởi động của động cơ bị kéo dài do đặc điểm của thủy điện nhỏ không đáp ứng được tốc độ huy động công suất cho khởi động

- Chất lượng điện năng thấp, không ổn định

Như vậy, để khắc phục tình trạng trên cần thiết phải có một nguồn dự trữ năng lượng khác ngoài máy phát Một số biện pháp truyền thống đã được áp dụng cho các hoạt động tương tự, ví dụ như:

- Dự trữ năng lượng bằng hệ bánh đà

- Dự trữ năng lượng bằng buồng áp lực

Đối với một số thủy điện nhỏ thì cả hai biện pháp trên đều không thể áp dụng

Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu tìm được một giải pháp thích hợp để khắc phục những vấn đề tồn tại trên

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Xác định tên đề tài: “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” Cụ thể là:

- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác công suất nguồn phát

và đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp

Phạm vi nghiên cứu

- Xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ nhằm thực hiện các chức năng chính là:

- Huy động công suất đỉnh cho chế độ khởi động của động cơ,

- Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lượng điện áp tại điểm kết nối

Cấu trúc luận án

Luận văn gồm 4 chương, 99 trang, 32 tài liệu tham khảo

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành Tác giả xin

bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Ngô Đức Minh Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống

điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học Xin chân thành cảm ơn phòng sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2014

Bùi Nguyễn Hiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1.1 Các dạng năng lượng mới và 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 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 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 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

Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006

Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu và đang dần cạn kiệt Cùng với 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 như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới

6

Trong những năm cuối của thế kỷ XX và 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 đạt được 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

CHƯƠNG 2 MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THUỶ ĐIỆN NHỎ

2.1 Giới thiệu chung

Mạng điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ Trong đó, mạng điện cục bộ công suất nhỏ là một dạng đơn giản nhất, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài trăm đến một vài ngàn kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia Đại diện cho loại này là các mạng điện của nguồn phát thủy điện nhỏ, sơ đồ có dạng cơ bản như hình 2.1

PC 1 Máy phát

T m Q

V f

Turbine

n

S 1 =P 1 +jQ 1

S 2 =P 2 +jQ 2 S 3 =P 3 +jQ 3 Nguồn phát Lưới điện và tải tiêu thụ

Hình 2 1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng đòi hỏi phải xây dựng thêm các nhà máy điện mới Trong đó, khuyến khích phát triển các nguồn điện công suất nhỏ được sản xuất theo công nghệ sạch như: thủy điện, điện sức gió, điện mặt trời, điện thủy triều V.V 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 như hình 2.2 để thuận tiện cho việc nghiên cứu và áp đặt một cách tính toán chung

P ti +jQ ti

ĐC

L i (km)

PCC i Turbine

MF 50Hz

S 1 =P 1 +jQ 1

PCC 1

Hình 2 2 Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

2.1.1 Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN

2.1.1.1 Ưu điểm của thủy điện nhỏ

2.1.1.2 Những vấn đề còn tồn tại

2.1.1.3 Giải pháp ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

2.2 Mô tả toán học hệ turbine-máyphát

Nguồn phát của một trạm thủy điện nhỏ, gồm hai thiết bị chính là turbine thủy lực và máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha Sự làm việc bình thường của hệ được đảm bảo bằng nguyên lý cân bằng công suất giữa công suất cơ của turbine dẫn

8

động cho máy phát với mô men điện từ trong máy phát do phụ tải điện gây nên và mạch kích từ tạo nên một hệ thống kín, hình 2.7

U đm

T m

Q

Turbine

n

Máy phát

ĐC

U,i

U f

U,i a b c

U f ref

2.2.1 Mô tả toán học máy phát

2.2.1.1 Khái niệm vector không gian của các đại lượng xoay chiều ba pha

2.2.1.2 Mô tả máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha trong các hệ tọa độ thông dụng

2.2.2 Mô tả toán học hệ turbine

Turbine thủy điện đã được nghiên cứu từ lâu và ngày càng được hoàn thiện Ngày nay, một trong những cấu trúc chuẩn dùng để nghiên cứu hệ điều tốc turbine thủy điện được xây dựng (hình 2.11) Cấu trúc này chỉ ra mối quan hệ giữa phụ tải

và động học turbine-máy phát và ảnh hưởng của các tham số khác như: động học đường ống dẫn nước

Động học turbine

Động học rotor

Động học Điều khiển turbine

Động học đường nước

Động học tải

Tự động điều khiển máy phát

w w

T c

Hình 2 3 Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc turbine thủy điện

2.3 Mô tả toán học bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Bộ biến đổi BESS được mô tả như hình 2.18b

I B a

Máy phát

U PCC a

U PCC b

U PCC c

I B b

I B c

U N a

U N b

U N c

BESS a)

R S , L S

R S , L S

R S , L S

-+

R, L

C dc

BESS

I B b

I B c

I B a

R, L

R, L

b)

battery

Hình 2 4 : a)Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi,

b)Cấu trúc bộ biến đổi BESS

2.4 Mô hình kho tích trữ năng lượng battery

2.5 Vận hành MĐCBTĐN và giới hạn mang tải của máy phát

2.6 Kết luận chương 2

Kết thúc chương 2 cho ta một cách nhìn đầy đủ về mô hình của một mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ thông qua việc mô tả các phần tử chính của mạng để thấy được chức năng và những ảnh hưởng của các phần tử đó trong quá trình vận hành khai thác mạng điện Quá trình tăng tải của turbine có đáp ứng trễ theo thời

gian, gia tốc dq

dt phụ thuộc vào điều khiển góc mở a và quá trình huy động nước trên đường kênh dẫn đến trạm thủy điện Trong khi đó bộ biến đổi BESS lại có đáp ứng nhanh khi thực hiện các chức năng huy động công suất cho các chế độ tải đột biến Kết quả phân tích cho thấy MĐCBTĐN sẽ nâng cao được giới hạn công suất phát nhờ có BESS – tạo ra một động lực mạnh mẽ thúc đẩy cho vấn đề phát triển thủy điện nhỏ

10

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS

SVM

PLL

i B a

abc dq

dq

R U

R P

L

Ri u* PCC

i Bd

i Bq

i* Bq

P B

Tính công suất BEES

i B

u Bd

u Bq

U dc

C dc

Tải PCC i

battery

u pcc d

i B b i B c

Tính công suất đặt

u pcc

i L

u pcc

u pcc q

u pcc







a

B

ua

B

u

i L c

i L b

i L a

Nguồn

U Na , U Nb ,U Nc

Đường dây

Rs , Ls

2 2 (pccd pccq)

sqrt u u

3.2 Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp

abc dq Uabc

PI

Ud

Uq

dt



*



i p

K K s



Hình 3 1 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL

0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0

1 2 3 4 5 6 7

Time (s)

Hình 3 2 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng

3.3 Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS

Phương pháp phát xung hoàn toàn phụ thuộc vào nguyên lý của bộ điều khiển Trong kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi công suất thường áp dụng một số phương pháp phát xung điển hình sau:

3.4 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 Tác giả lưa chọn bộ điều

chỉnh dòng điện thiết kế kiểu PI trong hệ tọa độ quay dq đồng bộ với điện áp tại

điểm kết nối chung PCC

L

w

1

R Ls

1

R Ls

Bq

i

Bd

i

PCCd

u

PCCq

u

L

w

L

w

L

w

Bd

i

Bq

i

*

Bq

i

*

Bd

i

PCCd

u

PCCq

u

Phía điều khiển Phía BESS

Hình 3 3 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS

3.5 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC

3.6 Bộ điều khiển công suất tác dụng

Điều khiển công suất tác dụng với chức năng điều chỉnh quá trình phóng/nạp ăcquy, quá trình phóng (hỗ trợ máy phát khi có phụ tải đột biến ) ta đặt công suất tác dụng đặt P* > 0 Ngược lại, quá trình nạp ăcquy ta đặt P* < 0

i p

K K

s



PCC

u

L

i

PCC

u B

i

Tính công suất đặt

Tính công suất thực

B

P

*

P

d

d t

*

Bd

i



Hình 3 4 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng

12

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 4.1 Mô phỏng hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Các kết quả nghiên cứu trong chương 2 và 3 có thể được kiểm chứng thông qua bước tiếp theo là xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink Trong MĐCBTĐN công suất hàng ngàn KVA có thể cung cấp cho những hộ phụ tải công nghiệp

4.1.1 Mô phỏng tác dụng của BESS trong MĐCBTĐN công suất 2 MVA

4.1.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

Sơ đồ mô phỏng MĐCBTĐN 2MVA với BESS thực hiện chức năng huy động công suất đỉnh được thiết kế trong Matlab thể hiện như hình 4.1

4.1.1.2 Kết quả mô phỏng

a) Trường hợp chưa có BESS

* Khi máy phát đang vận hành ở mức 1,6 MW, khởi động động cơ 160 KW Các thành phần công suất và dòng điện khởi động của động cơ rất lớn Kết quả mô phỏng trên hình 4.2

5

a)Các thành phần công suất của động cơ

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0

500 1000 1500 2000 2500

Time (s)

b)Dòng điện khởi động của động cơ

* Trường hợp mô phỏng với máy phát lý tưởng:

Động cơ khởi động thành công, điện áp và tần số máy phát là ổn định Kết quả mô phỏng trên hình 4.3a và hình 4.3b

0 0.5 1 1.5 2 2.5x 10

6 May phat ly tuong

Time (s)

S ( VA )

P ( W )

Q ( VAr )

a)Công suất SPQ máy phát

-400 -200 0 200 400

Time (s)

May phat ly tuong

b)Điện áp (tần số) máy phát

* Trường hợp mô phỏng với máy phát thủy điện nhỏ có bảo vệ rơle:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0

0.5 1 1.5 2 2.5x 10

6 May phat thuy dien nho co Bao ve role

Time (s)

Q ( VAr )

P ( W )

S ( VA )

a)Tải tĩnh 1,6 MW

14

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0

0.5 1 1.5 2 2.5x 10

May phat thuy dien nho co Bao ve role

Time (s)

Q ( VAr )

S ( VA )

P ( W )

b)Tải tĩnh 1,3 MW

* Trường hợp mô phỏng với máy phát thủy điện nhỏ không có bảo vệ rơle

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0

0.5 1 1.5 2 2.5x 10

6 May phat thuy dien nho

Time (s)

Q ( VAr )

P ( W )

a) Công suất SPQ máy phát

-400 -200 0 200 400

Time (s)

) May phat thuy dien nho

b) Điện áp(tần số) máy phát

Để đối phó với tình huống này biện pháp không mong muốn là phải giảm bớt phụ tải, giả sử tải tĩnh giảm xuống 1,2 MW Kết quả mô phỏng trên hình 4.6 a,b

1.5 2 2.5x 10

6 May phat ly tuong

Q ( VAr )

P ( W )