Tính toán và điều khiển thiết bị BESS trong mạng cục bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ THỊ THANH HOA TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN HÀ NỘI – 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp tự hoàn thành hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Đề hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu tham khảo ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không liệt kê phần tài liệu tham khảo Học viên Đỗ Thị Thanh Hoa LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn Tự động hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho trình thực luận văn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, người định hướng tận tình bảo, hướng dẫn để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 20/10/2010 LỜI MỞ ĐẦU Như biết, hệ thống điện cục hệ thống điện riêng rẽ, hệ thống điện tự dùng xí nghiệp công nghiệp, tòa nhà cao tầng hay hệ thống điện nhỏ địa phương vùng sâu, vùng xa hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia Ví dụ mạng điện tự dùng xí nghiệp công nghiệp, nhà máy Hơn với mạng điện cục vấn đề huy động công suất đóng tải nặng tải cao điểm hay huy động công suất khởi động động vấn đề cần đặt Và nhà khoa học nghiên cứu hệ thống tích trữ lượng nguồn ăcquy BESS (Battery Energy Storage System) BESS đời nhờ kết hợp tiến công nghệ ăcquy với công nghệ điện tử công suất dựa tảng lý thuyết chỉnh lưu PWM với thuật toán điều khiển khác Ở nước ta, yêu cầu công nghiệp hoá đại hoá kinh tế, ngày xuất nhiều dây truyền sản xuất có mức độ tự động hoá cao với hệ truyền động đại, song bên cạnh việc nghiên cứu vấn đề “Nghiên cứu tính toán điều khiển thiết bị BESS (bettery energy storage system) mạng điện cục bộ”cũng vấn đề quan trọng cấp thiết Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp, bạn bè, thầy cô tận tình hướng dẫn giúp đỡ hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến PGS.TS Nguyễn Văn Liễn nhiệt tình hướng dẫn, bảo cho trình làm trình hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010 Học viên MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN MẠNG ĐIÊN CỤC BỘ 1.1 Khái niệm mạng cục 1.2 Phụ tải điện yêu cầu phụ tải điện 1.2.1 Phụ tải điện 1.2.2 Các yêu cầu phụ tải điện 1.3 Đặc điểm mạng điện cục 1.3.1 Ưu điểm mạng cục 1.3.2 Nhược điểm mạng cục 1.4 Tìm hiểu hệ thống điện linh hoạt FACTS 1.4.1 Khái niệm hệ thống FACTS 1.4.2 Các thiết bị điển hình FACTS 11 1.4.3 Các ưu điểm FACTS 13 1.5 Kết luận 15 Chương 2: HỆ BESS TRONG LƯỚI ĐIỆN CỤC BỘ 16 2.1 Khái niệm BESS 16 2.2 Ứng dụng mô hình BESS lưới điện cục 16 2.3 Mô hình tương đương acqui 24 2.3.1 Quá trình phóng điện acqui 27 2.3.2 Quá trình nạp cho acqui 29 Chương 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS 32 3.1 Tìm hiều phương pháp điều khiển hệ BESS 32 3.2 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM 34 3.2.1 Mô tả dòng điện điện điện áp nguồn 35 3.2.2 Mô tả điện áp vào chỉnh lưu PWM 36 3.2.3 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM 37 3.3 Tìm hiểu cẩu trúc điều khiển dòng công suất hệ BESS 42 3.3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC 42 3.3.2 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC 47 3.4 Tính toán tham số cho hệ BESS cụ thể 56 3.4.1 Tính toán công suất bù của BESS 56 3.4.2 Tính toán tụ lọc DC 56 3.4.3 Tính toán điện cảm L 56 3.4.4 Tính chọn acqui 57 3.4.5 Tính chọn van biến đổi công suất 58 Chương 4: MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS 61 4.1 Tìm hiều phần mềm mô 61 4.2 Cấu trúc hệ BESS mô 62 4.3 Kết mô hệ BESS khởi động động KĐB 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ 1.1 Khái niệm mạng cục Để nghiên cứu mạng điện cục ta tìm hiều sơ qua hệ thống điện loại hệ thống điện thực tế Điện sau sản xuất từ nhà máy điện, truyền tải, cung cấp, phân phối tới hộ tiêu thụ điện nhờ mạng lưới điện Một hệ thống điện thường bao gồm: Nguồn phát điện, truyền tải, cung cấp, phân phối, tới hộ tiêu thụ điện Mạng lưới điện bao gồm hai phận chủ yếu: lưới truyền tải trạm biến áp trung gian lớn Trong đó, mạng điện tiêu thụ có phạm vi nhỏ hơn, gồm trạm biến áp mạng điện nội hộ tiêu thụ nhằm mục đích phân phối điện đến thiết bị dùng điện hộ tiêu thụ Hệ thống điện cục hệ thống điện riêng rẽ, hệ thống điện tự dùng xí nghiệp công nghiệp, tòa nhà cao tầng, khách sạn hay hệ thống điện nhỏ địa phương vùng sâu, vùng xa hẻo lánh, hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia Ví dụ mạng điện tự dùng xí nghiệp công nghiệp, nhà máy mía đường, nhà máy giấy có nhà máy nhiệt điện chạy nhiên liệu phế thải hay mạng điện với nguồn máy phát diesel để dự phòng nhà chung cư, khách sạn, bệnh viện, phân xưởng,…mạng điện với nguồn máy phát từ sức gió, từ lượng mặt trời, từ thủy triều, mạng điện với nguồn thủy điện nhỏ miền núi, vùng sâu, vùng xa chủ yếu phục vụ cho điện sinh hoạt công nghiệp địa phương miền núi,… Hoạt động lưới điện đánh giá theo tiêu chuẩn sau: - An toàn điện - Chất lượng điện - Độ tin cậy cung cấp điện - Hiệu kinh tế Trong đó: Ba tiêu chuẩn đầu nhằm phục vụ khách hàng, riêng tiêu chuẩn thứ tư lại nhằm ngành điện Hiệu kinh tế là: thất thu nhất, chi phí vận hành nhỏ nhất, tránh nguy làm hư hại thiết bị 1.2 Phụ tải điện yêu cầu phụ tải điện 1.2.1 Phụ tải điện Ta biết phụ tải điện công suất tác dụng công suất phản kháng yêu cầu điểm lưới điện làm việc với điện áp định mức gọi điểm đặt hay điểm đấu phụ tải Công suất tác dụng P công suất có tiêu hao lượng nguồn điện để sinh công, công suất phản kháng Q công suất để tạo từ trường, mang tính cảm, không tiêu thụ lượng nguồn để sinh công Cả hai thành phần công suất P Q gây tổn thất công suất tác dụng tổn thất điện áp thiết bị truyền dẫn mạng điện P Q có tương quan với đặc trưng công suất biểu kiến S hệ số công suất cosφ theo biểu thức sau: S = 3UI , ϕ = arctag P = S.cosϕ , Q = S.sin ϕ P , S = P + Q2 Q Phụ tải điện có đặc điểm quan trọng mà ta cần quan tâm giá trị phụ tải thường xuyên biến động theo thời gian, mức độ biến động khác nhau: - Biến thiên theo thời gian, theo quy luật ngày đêm, quy luật sinh hoạt sản xuất - Phụ tải điện có tính chất theo mùa: mùa mưa khác mùa hạn, khô - Phụ tải điện biến thiên mạnh theo thời tiết, nhiệt độ môi trường - Phụ tải điện phát triển không ngừng thời gian không gian Phụ tải thông số đầu vào quan trọng toán quy hoạch, thiết kế vận hành hệ thống điện Biết xác phụ tải thiết kế hệ thống điện tối ưu chi phí sản xuất, phân phối điện nhỏ nhất, chi phí vận hành nhỏ Trong tính toán, phụ tải có quy luật hoạt động giống xếp vào loại để có phương pháp tính riêng Thông thường sau phân loại ta có cách gọi cho loại riêng như: phụ tải sinh hoạt, phụ tải thương mại, phụ tải dịch vụ, phụ tải công nghiệp, … 1.2.2 Yêu cầu phụ tải điện Phụ tải điện đòi hỏi với hệ thống điện hai yếu tố là: Chất lượng điện độ tin cậy cung cấp điện Chất lượng điện bao gồm chất lượng tần số chất lượng điện áp: ƒ Chất lượng tần số đánh giá độ lệch tần số so với tần số định mức độ dao động tần số Độ dao động tần số đặc trưng độ lệch giá trị lớn giá trị nhỏ tần số tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn 1%/s Độ lệch tần số so với tần số định mức: ∆f = f − f dm 100% ≤ [∆f] = ± 0,5 Hz f dm ƒ Chất lượng điện áp đánh giá tiểu: Độ lệch điện áp thực tế điểm cung cấp so với điện áp định mức lưới điện, độ dao động điện áp, độ không đối xứng độ không sin Độ lệch điện áp khỏi điện áp định mức lưới điện: δU = U − U dm 100% U dm δU phải thỏa mãn điều kiện: δU − ≤ δU ≤ δU + với δU- δU+ giới hạn độ lệch điện áp Khi điện áp cao hay thấp gây phát nóng phụ cho thiết bị điện, làm giảm tuổi thọ, làm giảm suất gây hỏng thiết bị,… Ngoài ra, điện áp thấp nhiều thiết bị không hoạt động Độ dao động điện áp cho công thức: ∆U = U max − U 100% U dm Tốc độ biến thiên từ Umax đến Umin không nhỏ 1%/s Dao động điện áp gây dao động ánh sáng có hại cho mắt người lao động, gây nhiễu thiết bị điện tử… Độ không đối xứng: Các phụ tải pha không đối xứng dẫn đến điện áp pha không đối xứng Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu công tác tuổi thọ thiết bị dùng điện, giảm khả truyền tải lưới điện tăng tổn thất điện Độ không sin: Các phụ tải phi tuyến chỉnh lưu công suất, làm biến thiên dạng đường đồ thị điện áp không dạng sin, xuất thành phần sóng hài bậc cao Sóng hài bậc cao gây giảm điện áp đèn điện thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ động cơ, tổn thất điện môi cách điện, tăng tổn thất lưới điện thiết bị dùng điện, gây nhiễu thiết bị bảo vệ, điều khiển điện tử,… Theo tiêu chuẩn 519-IEEE đề nghị: tổng thành thành phần sóng hài cao không vượt 5% sóng hài (THD ≤ 5%) yr(k-1) x(k) z x(k-1) 1 D z x y y(k) V 1/V ud(k)-udr(k) z Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển kiểu PI số Trong : V = Kp D = 1− Ki.T Kp T : chu kỳ cắt mẫu điều khiển Trên sở yêu cầu công suất phản kháng Q công suất tác dụng P cần bù khởi động động ta tính thành phần dòng bù Id_com Id_com Đây lượng đặt cho điều khiển dòng điện Enable abc >anphabeta Uanpha Uanpha Scope1 p Ua p p den(s) Net Voltage Ubeta Ubeta Ianpha Ianpha Saturation Low pass Filter Id_comp* SRF->RRF2 Gain1 comp_current em em -1 q IL Load Current Ibeta q S-Function1 Ibeta abc >anphabeta Tinh p.q Phi Iq_comp* Hình 4.8 Cấu trúc khối tính lượng bù dòng dựa yêu cầu thành phần công suất hệ BESS bù cho tải Từ phương pháp xây dựng điều chỉnh dòng chương ta có mô hình điều khiển dòng Matlab/Simulink hình 4.9 Enable PI Regler x Add2 y Id* Ud Id Id_comp -KGain Product Omega Udq* -KProduct1 Gain1 PI Regler1 Iq* x y Iq Iq_comp Scope4 Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển dòng hệ BESS Việc xác định góc tựa điện áp lưới cách sử dụng điều chỉnh PI để điều khiển thành phần điện áp uq = (trên hệ tọa độ quay dq) Đầu PI tín hiệu tần số góc ω, sau lấy tích phân tần số góc với chu kỳ 2pi Ud Vabc Und PI x y 3ph->RRF Uq K Ts f(u) Fcn theta_n z-1 -CConstant1 Hình 4.10 Mô hình cấu trúc khối xác định góc tựa Scope1 Các thành phần công suất xác định đo tức thời giá trị điện áp dòng điên mô hình hình 4.11 This block computes the 3-phase instantaneous real power and reactive power using the following equations: 1) P = Va*Ia + Vb*Ib + Vc*Ic 2) Q = 1/sqrt(3)* (Vbc*Ia + Vca*Ib + Vab*Ic) Note: Equation is valid only for a balanced and harmonic-free system Vabc P P PQ Iabc em 1/sqrt(3) Q Hình 4.11 Mô hình cấu trúc khối tính thành phần công suất 4.3 Kết mô hệ BESS khởi động động KĐB Hình 4.12 Dạng sóng điều chế vector không gian SVM Hình 4.13 Đặc tính góc tựa điện áp lưới Hình 4.14 Đặc tính điện áp nguồn Hình 4.15 Thành phần dòng điện bù Id_com (tương ứng thành phần công suất tác dụng P) Hình 4.16 Thành phần dòng điện bù Iq_com (tương ứng thành phần công suất phản kháng Q) Hình 4.17 Đặc tính dòng điện Id Id* Hình 4.18 Đặc tính dòng điện Iq Iq* Ptải Pbess Hình 4.19 Đặc tính thành phần công suất tác dụng tải BESS Qbess Qtải Hình 4.20 Đặc tính thành phần công suất phản kháng tải BESS Sai lệch thành phần công suất tải BESS công suất nguồn cần huy động Hình 4.211 Đặc tính thành phần công suất tác dụng nguồn Hình 4.22 Đặc tính thành phần công suất phản kháng nguồn Hình 4.22 Đặc tính thành phần công suất biểu kiến S BESS Hình 4.22 Đặc tính thành phần công suất biểu kiến S tải Hình 4.22 Đặc tính thành phần công suất biểu kiến S nguồn KẾT LUẬN Với đề tài trên, ta tiến hành nghiên cứu ứng dụng hệ BESS lưới điện cục Trong phạm vi luận văn trình bày số vấn đề sau: - Phân tích đặc điểm nguồn cục Đưa ưu nhược điểm nguồn cục - Phân tích đưa ứng dụng hệ BESS cho lưới điện cục Nhiệm vụ hệ BESS bù phụ tải đỉnh, nâng cao chất lượng lưới điện cục - Phân tích đưa phương pháp điều khiển hệ BESS lưới điện cục bộ, sở nghiên cứu để đưa cấu trúc điều khiển hệ BESS thực tế - Tiến hành mô ứng dụng hệ BESS khởi động động không đồng phần mềm Matlab/Simulink Kết mô hệ BESS có phản ứng tốt động khởi động, hỗ trợ lưới, phù hợp với lý thuyết xây dựng Qua nghiên cứu trên, ta thấy hướng phát triển đề tài là: - Nghiên cứu thêm ứng dụng khác hệ BESS lưới điện cục bộ: ổn định điện áp lưới, lọc sóng điều hòa bậc cao - Tiến hành thực nghiệm cấu trúc điều khiển BESS TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đào Phương Nam, Vũ Hoàng Phương, Nguyễn Minh Long: Một số vấn đề điều chế vector không gian cho nghịch lưu ba pha bốn nhánh van Chuyên san Kỹ thuật Điều khiển Tự động tháng -2007 [2] Vũ Hoàng Phương, Đào Phương Nam: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha bốn nhánh van Chuyên san Kỹ thuật Điều khiển Tự động tháng -2007 [3] Nguyễn Phùng Quang: Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha Nhà xuất giáo dục [4] Nguyễn Phùng Quang: MATLAB Simulink dành cho kĩ sư Điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học kĩ thuật-2004 Tiếng Anh [5] Michael J Ryan, Rik W De Doncker and Robert D Lorenz: Decoupled Control of a 4-Leg Inverter via a New 4x4 Transformation Matrix IEEE in 1999 [6] Richard Zhang: High performance power converter systems for nonlinear and unbalanced load/source [7] Robert A Gannett: Control strategies for high power four-leg voltage source inverters [8] Katsuhiko Ogata: Modern control engineering University in minesota [9] dSPACE (2004): dSPACE 1103 User manual version 4.1 [10] Plexim GmbH: PLECS User Manual ... cạnh việc nghiên cứu vấn đề “Nghiên cứu tính toán điều khiển thiết bị BESS (bettery energy storage system) mạng điện cục bộ cũng vấn đề quan trọng cấp thiết Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành... 47 3.4 Tính toán tham số cho hệ BESS cụ thể 56 3.4.1 Tính toán công suất bù của BESS 56 3.4.2 Tính toán tụ lọc DC 56 3.4.3 Tính toán điện cảm L 56 3.4.4 Tính chọn acqui 57 3.4.5 Tính chọn van... khả việc điều khiển luồng CSTD, CSPK Một thiết bị tao UPSC Ở kết hợp tính Statcom SSSC: Vừa điều khiển góc lệch δ, vừa điều khiển điện kháng X đường dây, điện áp Ut 1.4.2 Các thiết bị điển hình