Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng dùng ăcquy trong mạng điện cục bộ thuỷ điện nhỏ

Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm nghiên cứu ứng dụng Hệ thống tích trữ năng lượng ăcquy (BESS) trong mạng điện cục bộ thuỷ điện nhỏ, nhằm phát huy hiệu quả khai thác công suất nguồn phát và nâng cao chất lượng điện năng. Mời các bạn cùng tham khảo luận án để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Ngô Đức Minh NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG DÙNG ĂCQUY TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 62 52 60 01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2010 Công trình hồn thành tại: Bộ mơn Tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1- PGS TS Nguyễn Văn Liễn 2- PGS TS Võ Minh Chính Phản biện 1: PGS TS Tơ Văn DựcPGS TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: PGS TS Lê TòngPGS TS Đồn Quang Vinh Phản biện 3: PGS TS Đào Văn Tân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại: nhà C1-P318 trường ĐHBK Hà Nội vào hồi: 8h30 ngày 23 tháng năm 2010 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện quốc gia Hà Nội - Thư viện trường ĐHBK Hà Nội DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Đà CƠNG BỐ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN Ngo Đuc Minh, Nguyen Van Lien Dynamic improvement of BESS using deadbeat type controller in local power networks (IEEE Việt Nam Section, International Forum on Strategic Technologies (IFOST) 2009, 21-23 October 2009 in HoChiMinh City, Vietnam) Ngô Đức Minh Ứng dụng chỉnh lưu PWM cho bù cơng suất phản kháng lọc sóng hài mạng điện cục (tạp chí khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái nguyên, số (48) năm 2008) Ngơ Đức Minh, Trần Xn Minh Kết hợp tích trữ lượng nguồn ắc quy (BESS) với thủy điện nhỏ để nâng cao chất lượng điện hiệu khai thác nguồn thủy (tạp chí khoa học & Công nghệ Đại học Thái nguyên, số 3(47) năm 2008) Ngô Đức Minh Ứng dụng biến đổi PWM điều khiển công suất nguồn điện cục (tạp chí khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái nguyên, số 4(44) năm 2007) Ngô Đức Minh, Hỏa Thái Thanh, Nguyễn Văn Liễn Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp tựa theo vector từ thông ảo hệ thống điều chỉnh xoay chiều pha (tạp chí Tự động hóa ngày nay, tháng năm 2006) Ngơ Đức Minh, Nguyễn Ngọc Kiên Nghiên cứu tổng quan hệ điều khiển q trình có khâu thời gian chết lớn (tạp chí khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái nguyên, số 2(34) năm 2005) Ngô Đức Minh, Nguyễn Hữu Công, Lâm Hùng Sơn Phương pháp biến phân giải tốn điều khiển tối ưu cho hệ có tham số phân bố (tạp chí khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái nguyên, số 2(34) năm 2005) 1 PHẦN GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết cứu đề tài Hiện nay, 10 năm trở lại có số lượng lớn nguồn cung cấp lượng thúc đẩy phát triển mạch mẽ riêng nước ta, mà phạm vi toàn cầu Trong đó, số thủy điện nhỏ vùng núi, cách xa trung tâm kinh tế phát triển khai thác theo hình thức mạng điện cục Trước đây, mạng điện cục thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) chưa quan tâm khai thác phát triển nên ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát toàn mạng chưa đề cập đến Chính thế, làm cho tính kinh tế hệ thống thấp, chất lượng điện cung cấp chưa đảm bảo MĐCBTĐN hiểu mạng điện độc lập, không kết nối với lưới điện quốc gia, nguồn phát có cơng suất nhỏ (≤6 MW) Một số nhược điểm MĐCBTĐN phân tích ngun nhân xuất phát từ hoạt động hệ máy phát-turbine thủy điện Trong đó, hoạt động bình thường máy phát đồng xoay chiều ba pha đảm bảo thông qua chất lượng điều khiển hai hệ thống: 1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp huy động công suất phản kháng 2- Hệ thống turbine để ổn định tần số huy động công suất tác dụng Với thủy điện nhỏ nhược điểm phát sinh có nguyên nhân từ hệ thống turbine Thực tế thủy điện nhỏ thường xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính điều chỉnh cơng suất tốc độ có thời gian trễ lớn, khả tải thấp nên không đáp ứng nhu cầu đòi hỏi phụ tải thực tế Ví dụ: Khi động khởi động dẫn đến số vấn đề kỹ thuật sau: - Để động cấp đủ công suất cho khởi động máy phát phải ln vận hành với hệ số mạng tải thấp - Quá trình khởi động động bị kéo dài - Chất lượng điện thấp, khơng ổn định Như vậy, để khắc phục tình trạng cần thiết phải có nguồn dự trữ lượng khác máy phát Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu ứng dụng Hệ thống tích trữ lượng ăcquy (BESS) MĐCBTĐN, nhằm phát huy hiệu khai thác công suất nguồn phát nâng cao chất lượng điện Phạm vi nghiên cứu Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ BESS MĐCBTĐN thực chức là: - Huy động cơng suất đỉnh cho chế độ khởi động động - Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lượng điện áp điểm kết nối - San tải, điều hòa cơng suất MĐCBTĐN Ý nghĩa khoa học đề tài - Xây dựng mơ hình MĐCBTĐN kết hợp với BESS đáp ứng hai vấn đề nâng cao chất lượng điện khai thác hiệu nguồn phát - Thực nghiệm cho hệ BESS phòng thí nghiệm thực chức bù công suất đỉnh Ý nghĩa thực tiễn đề tài Kết nghiên cứu luận án có ý nghĩa thực tiễn cho việc ứng dụng hệ BESS vào MĐCBTĐN thúc đẩy phát triển khai thác hiệu mạng điện cục khác tương tự: Năng lượng gió, lượng mặt trời V.V Cấu trúc luận án Luận án gồm chương, 124 trang, 49 tài liệu tham khảo, 12 trang phụ lục, 90 hình vẽ đồ thị 3 PHẦN NỘI DUNG LUẬN ÁN Chương I MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan mạng điện cục thủy điện nhỏ 1.1.1 Tình hình phát triển Mạng điện cục hệ thống điện riêng rẽ, hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia Đại diện cho loại mạng điện nguồn phát thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN), hình 1.1, hình 1.2 thay đổi tập quán sản xuất sắc văn hóa địa phương 1.1.2 Những vấn đề tồn Xuất phát từ điều kiện địa hình địa bàn khu vực miền núi trạm thủy điện thường xây dựng kiểu kênh dẫn, hình 1.2 Vấn đề điều chỉnh tăng hay giảm công suất vận hành thực thông qua điều chỉnh lưu lượng q Trong q trình điều chỉnh q có nẩy sinh số hạn chế: - Giới hạn phạm vi điều chỉnh hẹp - Đặc tính điều chỉnh q có thời gian trễ lớn, xem hình 1.3 400 Dien ap luoi ( V ) Tan so luoi f (Hz) 50 40 30 20 300 200 100 10 Time (s) Hình 1.3 Đặc tính ổn định tần số theo tải Hình 1.1 Mơ tả mạng điện cục thủy điện nhỏ dq1 dq2 〈〈 dt dt Hình 1.2 Cấu trúc trạm thủy điện nhỏ Ưu điểm thủy điện nhỏ: - Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên dòng chảy nhỏ sẵn có vùng núi Có ý nghĩa đặc biệt khu vực miền núi xa xôi hẻo lánh mà việc đưa điện lưới quốc gia đến thực - Sản xuất điện theo cơng nghệ sạch, khơng phải xây dựng lòng hồ nên không xâm hại môi trường tự nhiên, di dân làm Time (s) Hình 1.4 Đặc tính ổn định điện áp Đặc điểm dẫn đến hạn chế khả điều chỉnh công suất máy phát hai yếu tố là: - Khả tải - Tốc độ huy động cơng suất Khi đó, MĐCBTĐN bộc lộ số nhược điểm: 1) Nhược điểm thứ nhất: Máy phát cấp đủ công suất cho động khởi động hệ số mang tải máy phát vận hành mức cao (Kpt ≥0,7) 2) Nhược điểm thứ hai: Quá trình khởi động động bị kéo dài làm giảm chất lượng điện tiêu tần số điện áp, chí khởi động không thành công Như vậy, MĐCBTĐN để đáp ứng nhu cầu thực tế cần phải tìm giải pháp kỹ thuật thích hợp Đó ứng dụng hệ thống tích trữ lượng ăcquy 1.2 Tổng quan hệ tích trữ lượng 1.2.1 Vấn đề tích trữ lượng hệ BESS Tích trữ lượng toán đặt từ sớm Năng lượng tích trữ đầu vào dư thừa để sử dụng lại nguồn phát thiếu Trên giới ứng dụng nhiều hình thức tích trữ: Hệ thống tích trữ kinh điển hệ thống thủy điện dùng bơm Điện tạo từ nguồn lượng khác (gió, mặt trời, nhiệt ) dư thừa bơm nước lên hồ chứa thủy điện Ví dụ, cơng trình Northfield Mountain bang Massachusetts – Mỹ năm 1972 tích trữ 2.7 triệu KWh [28] Hệ thống CAES (Compressed Air Energy Storage) bơm khí nén vào hệ thống chứa sau khai thác lại qua turbine khí, phát lại thành điện.Ví dụ, trạm 110MW McIntosh, Alabama – Mỹ chứa lượng cho nhà máy phát 26 [21], [38] Về mặt công sử dụng, hai hệ thống có ý nghĩa mặt tích trữ lượng gần khơng có khả bù tức thời Hệ tích điện ắcquy (BESS) có lịch sử phát triển gần đồng thời với hệ thống tích lượng theo kiểu bơm cưỡng Hệ thống BESS thể ưu điểm không gian chiếm chỗ khả phản ứng BESS tỏ đặc biệt lợi hệ cấp điện không kết nối lưới quốc gia hệ thống lượng tái tạo hoạt động độc lập Đối với hệ thống phát điện độc lập, vấn đề đáng quan tâm hàng đầu ổn định điện áp lưới cục Bản chất, vấn đề cân lượng phát-thu Các nhân tố tác động làm ổn định cân lượng cho hệ thống đến từ hai phía Về phía phát, lượng có đáp ứng chậm bị giới hạn Về phía thu, đặc tính tải tiêu thụ khơng ổn định Hơn nữa, q trình độ thiết bị gây nên nhân tố ổn định lưới (ví dụ: q trình khởi động động lớn) Để giải vấn đề cân này, bắt buộc hệ thống phát điện không hòa lưới phải có “vùng đệm” lượng Vấn đề sử dụng BESS cho hệ thống phát điện sức gió, mặt trời, lai sức gió mặt trời tiến hành nghiên cứu đưa vào thực tiễn từ với nhiều hình thức phong phú Cho đến thời điểm này, BESS chiếm số lượng áp đảo 1.2.2 Giải pháp ứng dụng BESS MĐCBTĐN Khả huy động cơng suất tức thời vấn đề đáng bàn với thủy điện sử dụng kênh dẫn Khi có biến động đầu tải tăng đột biến, thủy điện nhỏ kênh dẫn khơng có khả huy động công suất mà phải chấp nhận độ trễ thời gian (dòng chảy phần kênh dẫn) Trong trường hợp xấu, tải có cơng suất đỉnh vượt cơng suất máy phát hay dòng chảy đỉnh kênh dẫn, chất lượng điện áp rơi vào trạng thái nghiêm trọng Chính vậy, nghiên cứu mong muốn góp phần thực hóa phương án kỹ thuật khả thi cho mạng điện cục thủy điện nhỏ: Sử dụng BESS huy động công suất đỉnh, san tải ổn định chất lượng điện áp, hạn chế nhược điểm thủy điện nhỏ kênh dẫn Cấu trúc hệ BESS MĐCBTĐN xây dựng hình 1.5 Hình 1.5 Mạng điện cục thủy điện nhỏ BESS 1.3 Kết luận MĐCBTĐN cần quan tâm cách thỏa đáng để thực mục tiêu thiết cho vần đề phát triển nguồn lượng Trong đó, khắc phục số nhược điểm thủy điện nhỏ cần phải thực trước tiên Vì thế, nội dung luận án là: “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ lượng ăcquy mạng điện cục thủy điện nhỏ” Chương II MƠ TẢ TỐN HỌC MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 2.1 Cấu trúc mạng điện cục thuỷ điện nhỏ Từ sơ đồ hình 1.1, từ mạng điện cục thủy điện nhỏ có biến đổi đưa sơ đồ dạng tổng quát hình 2.1 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc cuộn dây stator rotor máy điện đồng s ωb Hình 2.6 Điện cảm hỗ cảm cuộn dây rotor mơ hình dq l fD s s Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mạng điện cục thủy điện nhỏ 2.2 Mơ tả tốn học hệ turbinr-máyphát Nguồn phát trạm thủy điện nhỏ, gồm hai thiết bị turbine thủy lực máy phát đồng xoay chiều ba pha, hình 2.2 ωb iD1 s ωb lD11 s ωb lf1 rf rs I q ωr Ψ d rs ωb ls1 Id ωb lD1 s ldm rD s ωb Ψd Uq Ud IQ Imq = Iq + IQ Idm = Id +If +ID s ωb rD1 ls1 s ωb s Ψq ωb s ωb lq1 lqm rQ s ωb lq11 rQ1 s ωb lq12 rQ Uf a) b) Hình 2.8 Mạch điện tương đương máy phát đồng ⎧ s s L ) I − U f = − Ψ dm ⎪( R f + ωb σ f f ωb ⎪ ⎪ s s Lσ D ) I D = − Ψ dm ⎪( RD + ωb ωb ⎪ ⎪⎪ s s L ) I = − Ψ qm ⎨( RQ + ωb σ Q Q ωb ⎪ ⎪ s s Lσ s )id + ud − ωr Ψ q = − Ψ dm ⎪( Rs + ωb ωb ⎪ ⎪ s s L )i + u + ωr Ψ d = − Ψ qm ⎪( Rs + ωb σ s q q ωb ⎪⎩ Hình 2.2 Mơ hình trạm thủy điện nhỏ 2.2.1 Mơ tả tốn học máy phát 2.2.1.1 Khái niệm vector không gian Theo lý thuyết [1], [5] [13], đại lượng ba pha đối xứng áp dụng phép biến đổi Park hệ tọa độ abc, αβ dq 2.2.1.2 Mô tả máy phát đồng xoay chiều pha Máy phát điện đồng ba pha có sơ đồ hình 2.4, 2.6 2.8a,b mơ tả tốn học hệ phương trình 2.42 (2.42) 2.2.3 Mơ tả tốn học hệ turbine Một mơ hình turbine thủy điện chuẩn dùng để nghiên cứu hệ điều tốc turbine thủy điện xây dựng hình 2.9 [30] mơ hình mối quan hệ phụ tải với động lực học hệ turbine-máy phát, ảnh hưởng tham số khác như: động học đường ống dẫn nước 9 10 ⎡u B a ⎤ ⎡iB a ⎤ ⎡uPCC a ⎤ ⎡iB a ⎤ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ i ⎥ + L d ⎢ i ⎥ + ⎢u u R = Bb PCC b ⎥ ⎢ Bb ⎥ ⎢ Bb ⎥ dt ⎢ ⎥ ⎢ ⎢uBc ⎥ ⎢ iBc ⎥ ⎢ uPCC c ⎥ ⎢⎣ iBc ⎥⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Cấu trúc đơn giản sử dụng mơ hình tuyến tính turbine để xây dựng điều tốc hình 2.15 Động học Điều khiển turbine h tương ứng với mơ hình thể hình 2.18 Tm Động học turbine q Động học rotor Tc − sTω + sTω / Động học đường nước Js Động học tải Tự động điều khiển máy phát Hình 2.9 Sơ đồ khối chức điều tốc turbine thủy điện Hình 2.15 Cấu trúc điều tốc turbine thủy điện 2.3 Mơ tả tốn học biến đổi BESS mạng MĐCBTĐN Từ sơ đồ hình 1.4 hình 2.1, coi BESS nguồn áp Hình 2.17 Sơ đồ thay biến đổi BESS ™ UN b UN c RS, LS IB a RS, LS IB b UPCC b RS, LS IB c UPCC c UPCC a BESS iBd Hình 2.16 a)Thay BESS nguồn áp PCCi, b) Cấu trúc biến đổi BESS Các q trình trao đổi cơng suất BESS với lưới mơ tả tốn học thơng qua mơ hình thay hình 2.17 ™ Mơ hình biến đổi BESS tọa độ abc Giả thiết nguồn điện ba pha lý tưởng, mơ tả tốn học viết hệ ba pha abc hệ phương trình vi phân sau: di ⎧ (2.53) +u ⎪u = Ri + L Ba Ba Ba PCCa dt ⎪ diBb ⎪ u Ri L = + + u PCCb ⎨ Bb Bb dt ⎪ diBc ⎪ ⎪u Bc = RiBc + L dt + u PCCc ⎩ Hay viết dạng ma trận: iBa uBa uPCCb L iBb uBb uPCCc L iBc uBc Hình 2.18 Mơ hình tín hiệu tb biến đổi BESS tọa độ abc (2.59) Từ phương trình (2.59) có mơ hình biến đổi BESS tọa độ quay dq, hình 2.19, mơ hình hố biến đổi BESS miền tốn tử Laplace, hình 2.20 Máy phát a) L diBd ⎧ ⎪⎪u Bd = RiBd + L dt + u PCCd − LωiBq ⎨ ⎪u = Ri + L diBq + u Bq PCCq + Lω iBd ⎪⎩ Bq dt biến đổi BESS mơ tả đầy đủ hình 2.16b a uPCCa Mơ hình biến đổi BESS tọa độ dq điểm kết nối PCC với mạch điện điện ba pha hình 2.16a UN (2.54) u PCCd L, R ω Liq u PCCd u Bd iBd R + Ls u Bd ωL iBq ωL L, R u PCCq ω Lid u Bq u Bq R + Ls iBq u PCCq Hình 2.19 Mơ hình biến đổi BESS hệ tọa độ quay dq Hình 2.20 Mơ hình biến đổi BESS miền tốn tử Laplace Nhận xét: Mơ hình dòng phía lưới mơ hình tuyến tính nhiều đầu vào (MIMO) Vì áp dụng thuật tốn điều khiển tuyến tính cho mơ hình đối tượng 2.4 Mơ hình kho tích trữ lượng battery 11 12 Mơ hình tính tốn ăcquy siêu tụ thay giống mơ hình mạch điện Thevenin hình 2.23 Giả sử xét cho ăcquy 120% cơng suất máy phát; Ở thời điểm t3 t6 BESS huy động hồn tồn phần cơng suất khởi động động - BESS làm việc chế độ tích lượng khoảng thời gian từ (0÷6) giờ, từ (11÷13) từ (22÷24) - BESS phát cơng suất khoảng thời gian từ (8÷10) giờ, Hình 2.23 Mơ hình thay kiểu Thevenin ăcquy Ở chế độ làm việc bỏ qua tổn hao mạch vòng tự phóng điện Khi mơ tả toán học ăcquy viết: ⎧U b = Eb − ib R1 (2.56) ⎨ ⎩ Pb = U bib 2.5 Vận hành MĐCBTĐN giới hạn tải máy phát Dựa sở sơ đồ mạng điện hình 2.1a,b kết tính tốn cho thấy đồ thị phụ tải ngày hình 2.25 Nếu khơng có BESS động khởi động thành công thời điểm máy phát vận hành với tải tĩnh Ptĩnh ≤ Ptĩnh gh(pu) = 72% từ (14÷17) 2.6 Kết luận chương Kết thúc chương cho ta cách nhìn đầy đủ mơ hình mạng điện cục thủy điện nhỏ thơng qua việc mơ tả tốn học hệ làm sở cho công việc chương thiết kế điều khiển BESS đáp ứng cho yêu cầu MĐCBTĐN Chương III CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS Dựa kết nghiên cứu chương luận án đưa cấu trúc điều khiển hệ BESS hình 3.1 θ sqrt (u 2pcc d + u 2pcc q ) θ Hình 2.25 Đồ thị phụ tải ngày - Khơng có BESS động khởi động thành cơng uBα αβ θ uBβ thời điểm t1, t4, t8 - Khi có BESS động ln khởi động thành cơng nhờ BESS huy động công suất đỉnh cho khởi động: Ở thời điểm t2, t5 t7 BESS huy động phần đỉnh công suất khởi động vượt qua Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS MĐCBTĐN 13 14 Bộ điều khiển thiết kế gồm khối làm việc hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới sau: Bộ điều chỉnh dòng điện Ri điều chỉnh thành phần dòng chiều iBd (huy động P cần P đỉnh), iBq (huy động Q để ổn định điện áp PCC) - Bộ điều chỉnh điện áp điểm kết nối PCC có tác dụng cải thiện động học điện áp điểm xuất biến thiên điện áp - Bộ điều chỉnh công suất tác dụng điều chỉnh trình trao đổi lượng biến đổi BESS với lưới điện 3.2 Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp Chức năng: Xác định góc tựa điện áp lưới θ để chuyển hệ tọa Luận án chọn phương pháp vòng khóa pha (PLL) có cấu trúc hình 3.3 cấu trúc điều khiển góc pha hình 3.4 Luận án sử dụng phương pháp thiết kế điều chỉnh dòng hệ tọa độ quay dq đồng với điện áp điểm kết nối chung PCC, thông qua phương pháp thiết kế: Thiết kế điều chỉnh dòng kiểu PI, thiết kế điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat 3.4.1 Cấu trúc điều chỉnh kiểu PI Hệ phương trình mạch vòng dòng dòng điện hệ tọa độ quay dq viết: diBd ⎧ ⎪⎪uBd = RiBd + L dt + uPCCd − LωiBq ⎨ ⎪u = Ri + L diBq + u Bq PCCq + LωiBd ⎪⎩ Bq dt (3.15) Giả sử ta thực khử thành công thành phần tương tác chéo –ωLiBd ωLiBq đo thành phần dòng iBd, iBq Cấu trúc điều khiển hình 3.10 Từ phương trình (3.16) nhận thấy mối quan hệ ∆ud iBd, ∆uq iBq có đặc điểm tỷ lệ qn tính bậc (PT1) Trong 0.2 Hình 3.3 Cấu trúc khối đồng với điện áp lưới 0.21 0.22 0.23 0.24 Time (s) 0.25 0.26 0.27 0.28 Hình 3.4 Dạng tín hiệu tựa đồng điện áp lưới 3.3 Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS Phương pháp điều khiển phát xung chọn phù hợp với thiết kế điều khiển, luận án chọn phương pháp phát xung kiểu SVM, dạng sóng biến điệu vector SVM hình 3.9 uPCCd uPCCq thành phần phía lưới biến đổi BESS đo khử tác động phương thức bù xi Do đặc điểm khâu PT1 ta sử dụng điều chỉnh PI để điều khiển thành phần dòng iBd, iBq u Bd iBq 0.8 iBd 0.6 iBd ωL ωL ωL ωL u Bq 0.2 0.21 0.22 0.23 Time (s) 0.24 0.25 0.26 Hình 3.9 Dạng sóng biến điệu vector SVM 3.4 iBd R + Ls uPCCd iBq Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS R + Ls iBd R + Ls * iBd ωL ωL ωL ωL R + Ls * iBq 0.4 0.2 uPCCd u PCCd iBq u PCCq iBq uPCCq uPCCq Hình 3.10 Cấu trúc khử tương tác thành phần dòng iBd iBq Hình 3.11 Cấu trúc điều chỉnh dòng kiểu PI cho biến đổi BESS Hàm truyền đạt khâu điều chỉnh dòng kiểu PI sau: 15 GRI ( s ) = K p (1 + 16 (3.19) L )= (1 + ) 2Tt sTi sTi Nhận xét: Bộ điều chỉnh dòng điện kênh d,q có tham số Kp¸ Ki giống 3.4.2 Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat Để cải thiện thời gian đáp ứng mà đảm bảo chất lượng hệ thống, luận án đưa thiết kế điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat Nội dung trình bày sau: Viết lại (3.15) dạng mơ hình trạng thái: 1 ⎧ diBd ⎪ dt =- T iBd +ωs iBq + L ( u Bd -u PCCd ) ⎪ L ⎨ ⎪ diBq =-ω i - i + ( u -u s Bd Bq Bq PCCq ) ⎪⎩ dt TL L H H u B (k ) Ri H −1 z −1 I z−1 I H i B (k ) y (k ) Φ Hình 3.12 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat Giả thiết y(k) biến đầu khâu điều chỉnh vector Ri , bù ảnh hưởng điện áp lưới trễ thời gian thực điều chỉnh: -1 (3.25) u B ( k+1) =H ⎡ y ( k ) +H u PCC ( k+1) ⎤ ⎣ h11 Z −1 h11 Z −1 iBd * iBd Z −1 h11−1 Φ11 U PCCd Φ12 =Φ21 ωT * Bq i iBq Z −1 U PCCq Φ 22 h22−1 Z −1 −1 Z −1 h22 h22 Hình 3.14 Cấu trúc điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat u PCC (k ) * Z −1 Z Từ (3.22), (3.23) (3.24) xây dựng sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện hình 3.12 thiết kế khâu điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat hình 3.12 i B (k ) Cấu trúc điều khiển dòng kiểu Dead-Beat thiết kế hình 3.14 (3.20) Từ phương trình trạng thái thu mơ hình dòng gián đoạn [13]: (3.21) i B ( k+1) =Φ i B ( k ) +H u B ( k ) -H u PCC ( k ) u PCC (k + 1) (3.27) * i B (z)=z -2 i B (z) ⎦ Mục tiêu đặt cho giá trị thực đuổi kịp giá trị đặt hai chu kì trích mẫu, thỏa mãn biểu thức : 3.5 Thiết kế điều chỉnh điện áp điểm kết nối chung PCC Từ hình 2.16.a, viết hệ phương trình cân điện áp đầu cực máy phát điểm kết nối chung hệ tọa độ abc : ⎧ ⎪u PCCa = RS iBa + LS ⎪ ⎪ ⎨u PCCb = RS iBb + LS ⎪ ⎪ ⎪u PCCc = RS iBc + LS ⎩ diBa + u Na dt diBb + u Nb dt diBc + u Nc dt (3.34) Áp dụng chuyển đổi Park phương trình (3.34) viết lại hệ tọa độ tựa điện áp đầu cực máy phát: diBd ⎧ ⎪⎪u PCCd = RS iBd + LS dt + u Nd − ω LS iBq ⎨ diBq ⎪u = RS iBq + LS + u Nq + ω LS iBd ⎪⎩ PCCq dt (3.35) Viết lại (3.35) dạng mơ hình trạng thái RS ⎧ diBd ⎪ dt =- L iBd +ωs iBq + L ( u PCCd -u Nd ) ⎪ S S ⎨ di R Bq S ⎪ =- iBq -ωs iBd + ( uPCCq -u Nq ) ⎪⎩ dt LS LS (3.36) 17 18 d dt Ở chế độ xác lập đạo hàm thành phần dòng iLd iLq : RS ⎧ ⎪0=- L iBd +ωs iBq + L ( uPCCd -u Nd ) ⎪ S S ⎨ R S ⎪0=- i -ω i + ( u Bq s Bd PCCq -u Nq ) ⎪⎩ LS LS (3.37) Nhận xét: Điện áp điểm PCC điều chỉnh cách đẩy lượng phù hợp thành phần dòng iBq Như đầu điều chỉnh điện áp điểm kết nối chung PCC lượng đặt cho điều chỉnh dòng kênh q Tuy nhiên, điện áp điểm kết nối PCC phụ thuộc lớn vào trở kháng đường dây tham số khó xác định xác Vì thế, luận án đề xuất sử dụng điều chỉnh tham số thích nghi thơng qua việc nhận dạng đáp ứng động học đối tượng hình 3.17 3.6 Bộ điều khiển công suất tác dụng Điều khiển công suất tác dụng với chức điều chỉnh q trình phóng/nạp ăcquy, q trình phóng (hỗ trợ máy phát có phụ tải đột biến ) đặt cơng suất tác dụng đặt P* > Ngược lại, trình nạp ăcquy đặt P* < Trong trình huy động cơng suất tác dụng, P* tính tốn từ yêu cầu công suất tải công suất máy phát để xác định lượng đặt phù hợp cho điều chỉnh công suất Công suất tác dụng tính tốn thơng đại lượng dòng điện điện áp tức thời: + Trong hệ tọa độ abc: P = uaia + ubib + ucic (3.43) + Trong hệ tọa độ tĩnh αβ: (3.44) P = uαiα + uβiβ + Trong hệ tọa độ quay dq: (3.45) P = 1.5(udid + uqiq) Đầu điều chỉnh công suất tác dụng lượng đặt cho thành phần dòng theo kênh d (hình 3.18) uPCC u *PCC K Kp + i s * iBq uPCC iL ε P * Kp + PB i*Bd Ki s uPCC iB Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển thích nghi mạch vòng điện áp Hình 3.18 Cấu trúc điều khiển cơng suất tác dụng 3.7 Kết luận chương Chương đưa cấu trúc điều khiển hệ BESS MĐCBTĐN xây dựng hệ tọa độ dq Cấu trúc điều khiển gồm phần chính: Đầu điều chỉnh dòng lượng đặt cho khâu điều chế vector không gian SVM Bộ điều chỉnh vòng ngồi thực chức công nghệ hệ BESS gồm: Bộ điều khiển công suất tác dụng, điều khiển điện áp điểm kết nối chung PCC Đầu điều chỉnh vòng ngồi lượng đặt cho điều chỉnh dòng điện Chương IV MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS VỚI MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 4.1 Mô hệ BESS với MĐCBTĐN Matlab Nội dung mô phỏng: 1) BESS huy động công suất đỉnh cho động khởi động mô MĐCBTĐN công suất MVA 2) BESS bù cơng suất phản kháng, điều hòa tải, phóng tích lượng mơ MĐCBTĐN công suất 85 kVA 4.1.1 Mô MĐCBTĐN cơng suất MVA 4.1.1.1 Xây dựng mơ hình mơ Sơ đồ mơ hình 4.1 20 Cong suat may phat 2.5 x 10 May phat thuy dien nho S ( VA ) P(W ) 1.5 Q ( VAr ) 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 D ie n a p m a y p h a t U m f ( V 19 May phat thuy dien nho 400 200 -200 -400 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 Hình 4.5 Hệ turbine-máy phát thủy điện nhỏ không đáp ứng phụ tải đỉnh x 10 May phat thuy dien nho co Bao ve role 2.5 S ( VA ) Cong suat may phat Cong suat may phat 2.5 P(W) 1.5 Q ( VAr ) 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) a)Tải tĩnh 1,6 MW 1.2 x 10 May phat thuy dien nho co Bao ve role S ( VA ) P(W ) 1.5 15 x 10 bo dieu chinh dong kieu Dead-Beat Cong suat may phat 4.1.1.2 Kết mô a) Trường hợp chưa có BESS Khởi động động 160 KW, cơng suất đỉnh toàn mạng áp đặt lên máy phát 2,5 MVA vượt công suất định mức máy phát ≈1,2 lần làm cho máy phát thủy điện nhỏ kiểu kênh dẫn không đáp ứng Bảo vệ rơle tác động cắt mạch điện, động khởi động không thành công Kết hình 4.4a tải tĩnh 1,6 MW, hình 4.4b tải tĩnh 1,3 MW P tai 10 P pcc ( W ) Hình 4.1 Mơ hình mơ hệ BESS MĐCBTĐN cơng suất 2MVA Để đối phó với tình phải giảm tải tĩnh giảm xuống 1,2 MW Tuy nhiên, giảm tải tĩnh làm tính kinh tế hệ thống b) Trường hợp có BESS BESS huy động tồn cơng suất tác dụng cho động khởi động, Công suất tác dụng máy phát không tăng, xem hình 4.7 - 4.8 P bess P mayphat -5 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 Hình 4.7 BESS huy động cơng suất tác dụng động khởi động x 10 bo dieu khien kieu Dead-Beat S ( VA ) P(W) -1 0.2 Q ( VAr ) 0.4 0.6 0.8 Time (s) Hình 4.8 Các thành phần cơng suất máy phát động khởi động 4.1.2 Mô MĐCBTĐN công suất 85 kVA 4.1.2.1 Xây dựng mơ hình mơ Sơ đồ mơ hình 4.14 Q ( VAr ) 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 b)Tải tĩnh 1,3 MW Hình 4.4 Các thành phần cơng suất máy phát thủy điện nhỏ có bảo vệ rơle khởi động động 160 KW, với tải tĩnh 1,6 MW 1,3 MW • Trường hợp mơ với máy phát thủy điện nhỏ khơng có bảo vệ rơle, tốc độ máy phát suy giảm mạnh, kéo theo tần số giảm điện áp giảm nghiêm trọng dẫn đến tan rã lưới Kết mơ hình 4.5 Hình 4.14 Mơ hình mơ hệ BESS MĐCBTĐN công suất 85 kVA 4.1.2.2 Kết mô 1.2 21 22 a) Trường hợp chưa có BESS Do phụ tải PCC2 lớn, tổn thất điện áp đường dây lớn (340V/400V) Kết mơ hình 4.15 - 4.17 BESS đóng vai trò nguồn dự phòng có đáp ứng nhanh: Kết mơ trường hợp nguồn cho thấy điều khiển dòng kiểu Dead-Beat có đáp ứng nhanh nhiều so với kiểu PI thơng thường, xem hình 4.24 4 P pcc1 Q ( VAr ) P pcc2 P(W) 4 Q pcc1 Q pcc2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 0.2 1.6 Hình 4.15 Công suất P đo PCC1 PCC2 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 Hình 4.16 Cơng suất Q đo PCC1 PCC2 400 300 300 U pcc2 ( V ) 400 200 0.4 100 200 100 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 0.2 1.4 Hình 4.17 Điện áp đầu cực máy phát UPCC1 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 Hình 4.18 Điện áp tải UPCC2 b) Trường hợp có BESS BESS điều hòa cơng suất tác dụng: Trong khoảng thời gian (0,3-0,8)s BESS phát 10 kW, đảm bảo cho máy phát không bị tải Sau thời điểm 1,2 s phụ tải giảm thấp, BESS chuyển sang chế độ tích lượng, xem hình 4.19 Tác dụng bù công suất phản kháng giữ cho điện áp điểm PCC2 có điện áp sai lệch ≤ 5%, hình 4.21 x 10 bo dieu chinh dong kieu PI 4 bo dieu chinh dong kieu Dead-Beat Ptai = Pbess Ptai = Pmayphat Pbess=0 Pmayphat=0 -1 0.2 x 10 P tai = Pmayphat Pbess=0 Ptai = Pbess Pmayphat=0 0.3 0.4 0.5 Tim (s) 0.6 0.7 0.8 -1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 Hình 4.24 BESS đóng vai trò thay nguồn máy phát 4.2 Thực nghiệm hệ BESS phòng thí nghiệm Nội dung thực nghiệm đề kiểm chứng tính BESS huy động công suất đỉnh cho động khởi động 4.2.1 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS Cấu trúc khối thí nghiệm hệ BESS kết nối với lưới điện xây dựng sơ đồ hình 4.25, hình 4.26 bo dieu chinh dong kieu Dead-Beat bo dieu chinh dong kieu Dead-Beat x 10 0.2 U pcc1 ( V ) x 10 P(W) x 10 P(W) 400 P(W) U pcc2 ( V ) P may phat P pcc2 0.4 P bess 0.6 0.8 Time (s) BESS phát 10kW 1.2 1.4 1.6 300 200 Hình 4.25 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS 100 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 BESS tích 5kW Hình 4.19 BESS điều hòa cơng suất P Hình 4.21 Điện áp tải UPCC2 có BESS Hình 4.26 Mơ hình thí nghiệm hệ BESS 4.2.3 Kết thí nghiệm hệ BESS Cho động 2,2 kW khởi động không tải, đặt BESS bù 70% công suất tác dụng động khởi động, phần chênh lệch cơng suất lại nguồn cung cấp Kết xem hình 4.35, 4.36 23 Hình 4.35 BESS bù thành phần cơng suất tác dụng cho động khởi động 24 Hình 4.36 Sai lệch công suất tác dụng P tải BESS máy phát cấp Dòng điện đỉnh nhọn động khởi động, hình 4.40 điện áp ăcquy BESS phát cơng suất tác dụng, hình 4.43 Hình 4.40 Biên độ dòng điện đỉnh nhọn động khởi động BESS Hình 4.43 Điện áp ăcquy BESS phóng điện 4.3 Kết luận chương Kết mô thực nghiệm cấu trúc điều khiển hệ BESS phòng thí nghiệm xây dựng chương chứng tỏ tính BESS phân tích nghiên cứu chương chương Khẳng định tính trung thực khoa học phương pháp nghiên cứu BESS mà luận án áp dụng Đây sở quan trọng để triển khai ứng dụng BESS vào thực tế cho mạng điện cục thủy điện nhỏ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Mục tiêu luận án đề sử dụng BESS để nâng cao hiệu khai thác công suất đồng thời đảm bảo ổn định lưới (điện áp tần số) mạng điện cục thủy điện nhỏ Kết nghiên cứu giải số vấn đề sau: - Ứng dụng BESS để phủ đỉnh cho chế độ khởi động động lớn Cụ thể áp dụng cho động có cơng suất 160 kW mạng điện cục thủy điện nhỏ có cơng suất máy phát MVA, nhờ có BESS nâng công suất vận hành máy phát lên 90% cơng suất định mức Khi khơng có BESS cơng suất vận hành máy phát nhỏ 1,3 MW (70%) kết tính tốn mơ - Luận án đưa cấu trúc điều khiển hệ BESS thỏa mãn yêu cầu đáp ứng nhanh công suất (bám theo công suất đỉnh) thơng qua thiết kế điều chỉnh dòng điện kiểu PI Dead-Beat cho hệ BESS Nhờ điện áp giữ vững ổn định thời gian có động khởi động - Kết nghiên cứu kiểm chứng thực nghiệm khẳng định tính khả thi ý nghĩa thực tiễn đề tài Kiến nghị - Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy mơ hình BESS cần nghiên cứu chế thử phát triển thành sản phẩm thương mại đáp ứng cho thực tế áp dụng thủy điện nhỏ phát triển phổ biến tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam - Tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu đề tài cho điều kiện khác lưới điện Ví dụ: + Lưới khơng đối xứng, lưới pha + Điều khiển thích nghi với thông số đường dây khác - Nghiên cứu sử dụng BESS cho mạng điện cục siêu mềm khác (ví dụ: Hệ thống phát điện sức gió)  ... dung luận án là: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ lượng ăcquy mạng điện cục thủy điện nhỏ Chương II MƠ TẢ TỐN HỌC MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 2.1 Cấu trúc mạng điện cục thuỷ điện nhỏ. .. PHẦN NỘI DUNG LUẬN ÁN Chương I MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan mạng điện cục thủy điện nhỏ 1.1.1 Tình hình phát triển Mạng điện cục hệ thống điện riêng... quan hệ tích trữ lượng 1.2.1 Vấn đề tích trữ lượng hệ BESS Tích trữ lượng tốn đặt từ sớm Năng lượng tích trữ đầu vào dư thừa để sử dụng lại nguồn phát thiếu Trên giới ứng dụng nhiều hình thức tích