Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu

Nghiên cứu và ứng dụng nguồn pin nhiên liệu để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, vừa có nguy cơ cạn kiệt, vừa gây ô nhiễm môi trường và thường biến động về giá. Pin nhiên liệu với ưu điểm là sự chủ động về nguồn nhiên liệu đầu vào, việc ứng dụng mô hình điều khiển phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu, nhằm đảm bảo nguồn pin nhiên liệu luôn hoạt động ở công suất tối đa. Ưu điểm của mô hình điều khiển phân tầng là tần số, biên độ và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn định. Ngoài ra giảm được các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method) nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống.

Lê Kim Anh Mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới MƠ HÌNH PHÂN TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGUỒN PIN NHIÊN LIỆU Lê Kim Anh(1) (1) Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung Ngày nhận bài: 15/8/2018; Ngày gửi phản biện 22/8/2018; Chấp nhận đăng 25/11/2018 Email: tdhlekimanh@gmail.com Tóm tắt Nghiên cứu ứng dụng nguồn pin nhiên liệu để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, vừa có nguy cạn kiệt, vừa gây ô nhiễm môi trường thường biến động giá Pin nhiên liệu với ưu điểm chủ động nguồn nhiên liệu đầu vào, việc ứng dụng mơ hình điều khiển phân tầng điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu, nhằm đảm bảo nguồn pin nhiên liệu hoạt động công suất tối đa Ưu điểm mơ hình điều khiển phân tầng tần số, biên độ độ lệch điện áp ln đạt giá trị ổn định Ngồi giảm sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện Bài báo đưa kết mô ứng dụng mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method) nhằm trì cơng suất phát tối đa hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống Từ khóa: điều khiển nối lưới, lượng tái tạo, pin nhiên liệu, phân tầng Abstract HIERARCHICAL MODEL IN CONTROLLING OF GRID - CONNECTED FUEL CELLS The research aims at of using and exploiting effectively fuel cell sources to generate electricity It is meaningful to reduce the climate change and the energy dependence on fossil energy sources which are at risk of exhausting, causing environmental pollution and changing in price The using fuel cells in power generation has the advantage of active fuel inputs The application of hierarchical control structure in controlling of grid-connected fuel cells will ensure capacities of fuel cells are always at maximum This control structure has advantages of stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation Besides, the elimination of high order harmonics will also have a significant effect on power quality improving The article gives the simulation results of applying hierarchical struture in controlling of gridconnected fuel cells using droop control method in order to maintain maximum generating capacity of the system, irrespective of connected power loads Đặt vấn đề Ngày nay, pin nhiên liệu thu hút quan tâm nhà hoạch định phát triển lượng quốc gia giới Những ưu điểm tuyệt đối công nghệ pin nhiên liệu so với hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch Theo Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui (2010), hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hiệu suất đạt khoảng 35%, hệ thống phát điện sử dụng cơng nghệ pin nhiên liệu đạt 40 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 hiệu suất cao hơn, khoảng 47% Với tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm môi trường nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), đặc biệt carbon dioxit (CO2) thấp Pin nhiên liệu loại thiết bị sử dụng nhiên liệu giàu hydro oxy để tạo điện thông qua phản ứng điện hóa Pin nhiên liệu bao gồm cực âm cực dương, bao quanh chất điện phân Nhiên liệu đưa đến cực âm oxy đưa đến cực dương để tạo phản ứng Mô hình điều khiển phân tầng, bao gồm tầng điều khiển: Tầng điều khiển thứ 1, dùng để điều khiển tải với nghịch lưu, sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (độ dốc) Tầng điều khiển thứ 2, dùng để đồng với lưới đưa tín hiệu độ lệch tần số, độ lệch điện áp đến tầng điều khiển thứ Tầng điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi công suất nguồn pin nhiên liệu với công suất lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần số biên độ điện áp đến tầng điều khiển thứ Ứng dụng mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo Xây dựng mơ hình điều khiển phân tầng cho nguồn pin nhiên liệu Mơ hình điều khiển phân tầng theo Lê Kim Anh (2012), bao gồm tầng điều khiển sau: Tầng điều khiển thứ (Primary Control), dùng để điều khiển dòng điện, điện áp cơng suất tải với nghịch lưu Tầng điều khiển thứ (Secondary Control), dùng để đồng với lưới Tầng điều khiển thứ (Tertiary Control), dùng để trao đổi công suất nguồn pin nhiên liệu (FC) với lưới Hệ thống điều khiển nối lưới FC theo mơ hình phân tầng, hình Hình Sơ đồ điều khiển nguồn pin nhiên liệu theo mơ hình phân tầng Hình Sơ đồ điều khiển tầng thứ 41 Lê Kim Anh Mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới 2.1 Mơ hình pin nhiên liệu (FC) Dựa vào mối quan hệ điện áp đầu áp suất riêng phần hydro, oxy nước theo HalukGorg (2006), mơ hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) tính sau: qH q K an K an   K H (1); H O   K H 2O (2) pH pH O M H2 M H 2O Trong đó: qH : dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); pH : áp suất riêng phần   kmol.kg / atm.s  ; M H : khối lượng phân tử hydro (kg/kmol); K H : số phân tử van hydro [kmol/(atm.s)] Đối với dòng chảy hydro phân tử, có ba yếu tố quan trọng: dòng chảy đầu vào hydro, dòng chảy đầu hydro dòng chảy hydro phản ứng Mối quan hệ yếu tố biểu diễn sau: hydro (atm); Kan: số van anốt  d RT in out r pH  qH  qH  qH 2 dt Van  (3) Trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3); qHin2 :dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); qHout2 :dòng chảy đầu hydro (kmol/s); qHr :dòng chảy hydro phản ứng (kmol/s); Với qHr tính sau: N N s I FC (4)  K r I FC 2F Với: N0: số lượng pin nhiên liệu ngăn xếp; NS: số ngăn xếp sử dụng nhà máy điện; IFC: dòng điện pin nhiên liệu (A); Kr: số mơ hình [kmol/(s.A)] Từ công thức (1) (4) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro viết lại sau: qHr  pH  KH2   H2 H q S in H2  K r I FC  (5) V an : số thời gian hydro (s)  H  K (6) H RT Điện áp hệ thống pin nhiên liệu tính sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (7) đây: act   B ln(CI FC ) (8) ohmic   Rint I FC (9) Trong đó: Rint : nội trở pin nhiên liệu (Ω); B,C: số để mơ q điện áp kích hoạt hệ thống PEMFC (A-1) (V); E: điện áp tức thời (V); ηact : điện áp kích hoạt (V); ηohmic : áp nội trở (V); Vcell : điện áp đầu hệ thống pin nhiên liệu (V) Theo [4], điện áp tức thời xác định sau: Với:   pH PO RT  E  N o Eo  log  2F   PH O      (10) Trong đó: E0: điện áp chuẩn khơng tải (V); PO2: áp suất riêng phần oxy (atm); PH20 : áp suất riêng phần nước (atm); Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro theo nhu cầu phụ tải điện 42 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 Theo Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao (2012), lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa hydro tính sau: N N s I FC req qH  (11) 2 FU Trong đó, qHreq2 : số lượng khí hydro cần thiết để đáp ứng thay đổi tải (kmol/s); U: hệ số sử dụng, tùy thuộc vào cấu hình hệ thống pin nhiên liệu, dòng chảy khí hydro oxy Từ biểu thức trên, ta xây dựng mơ hình pin nhiên liệu matlab/simulink, hình Hình Mơ hình pin nhiên liệu 2.2 Điều khiển tầng thứ 2.2.1 Điều khiển P,Q theo phương pháp độ trượt (độ dốc) Phương pháp điều khiển theo độ trượt (DCM) thường sử dụng điều khiển cho nguồn phân tán nói chung nguồn FC nói riêng như: điều khiển tải với nghịch lưu (biến tần), sử dụng nghịch lưu nguồn áp (Voltage source inverter, VSI) Trong phương pháp điều khiển công suất tác dụng điều khiển theo độ trượt tần số công suất phản kháng điều khiển theo độ trượt biên độ điện áp Ưu điểm phương pháp DCM giảm sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện Theo Mohamed, Radwan (2011), sơ đồ mạch điện tương đương nghịch lưu, hình Ở đây: i E : dòng điện điện áp nghịch lưu; V0 : điện áp lưới Z : trở kháng đường dây nghịch lưu Hình Sơ đồ mạch điện tương đương nghịch lưu Từ sơ đồ hình 4, phương trình cho cơng suất tính sau: V E   V  S  V I *   (12) Z Z Từ biểu thức (12) công suất tác dụng công suất phản kháng tính sau: V  P  ( E cos   V ) cos   E.sin  sin    Z  (13) V Q  ( E cos   V ) sin   E cos  sin    Z Giả sử trở kháng đường dây Z cảm   90 , biểu thức (13) viết lại sau: V E   P  Z sin   (14) Q  V E cos   V Z  Nếu khác biệt điện áp nghịch lưu với điện áp lưới khơng đủ lớn sin    cos   , biểu thức (14) viết lại sau: 43 Lê Kim Anh Mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới V E   P  Z   Q  V E  V  Z (15) Theo Brabandere et al., (2004), biểu thức (15) chuyển sang hệ tọa độ dq tính tốn cho cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng kết hợp với mạch lọc thông thấp tính sau: c   P  s   p(vod iod  voqioq )  c  (16) Q  c q(v i  v i ) oq od od oq  s  c Trong đó: ωc: tần số cắt lọc thông thấp; vod, voq: điện áp vodq hệ trục tọa độ dp; iod, ioq: dòng điện iodq hệ trục tọa độ dp Hình Mơ hình tính tốn công suất tác dụng công suất phản kháng kết hợp với mạch lọc thơng thấp Hình Mơ hình tính tốn cơng suất P,Q Tần số điện áp theo Kohansal et al., (2012), điều khiển sử dụng phương pháp DCM tính sau: *      m.P (17)  *   E  E  n.Q Trong đó:  * , E * giá trị số tần số điện áp từ hệ thống đo tần số điện áp (RMS); m   / Pmax , n  E / 2Qmax : hệ số tần số biên độ điện áp điều khiển theo phương pháp điều khiển DCM, hình Hình Điều khiển P,Q theo độ trượt tần số điện áp Từ biểu thức (16) (17) xây dựng sơ đồ mơ hình điều khiển cơng suất P, Q theo phương pháp DCM, hình Hình Mơ hình điều khiển P,Q theo phương pháp DCM 2.2.2 Điều khiển dòng điện điện áp Theo He, Wu & Liang (2013), phương trình điện áp dòng điện điều khiển theo mạch vòng chuyển sang hệ tọa độ dq tính sau: Phương trình điều khiển mạch vòng ngồi điện áp sử dụng điều khiển PI * *  iLd  iod  Cvoq  (vod  vod )(k vp  k vi / s) * (18) *  iLq  ioq  Cvod  (voq  voq )(k vp  k vi / s) * * * * * * Trong đó: i Ld , i Lq : dòng điện i Ldq hệ trục tọa độ dp; v od , v oq : điện áp vodq hệ trục tọa độ dp; ω: tần số góc; kvp, kvi: thơng số điều khiển; s: tốn tử Laplace; C: điện dung mạch lọc 44 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 Phương trình điều khiển mạch vòng dòng điện sử dụng điều khiển PI *  v  vod  LiLq  (iLd  iLd )(k ip  k ii / s) (19)  * *  viq  voq  LiLd  (iLq  iLq )(k ip  k ii / s) * * * Trong đó: vid , viq : điện áp vidq hệ * id trục tọa độ dp; iLd , iLq : dòng điện i Ldq hệ trục tọa độ dp; kip, kii: thông số điều khiển; L: điện cảm mạch lọc Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp dòng điện, hình Hình Điều khiển mạch vòng điện áp dòng điện 2.2.3 Điều khiển điện áp mạch trở kháng ZD(s) Theo Alireza Raghami et al., (2013), trở kháng đầu nguồn phân tán, trở kháng đường dây chủ yếu cảm kháng Tuy nhiên sử dụng biến đổi điện tử cơng suất như: DC/DC DC/AC trở kháng đầu phụ thuộc vào điều khiển dòng điện, điện áp Đối với điều khiển điện áp thấp nguồn pin nhiên liệu trở kháng đường dây xem trở, điện áp đầu mạch trở kháng tính sau: vo*  vref  Z D (s).io (20) Hình Sơ đồ điện áp đầu mạch trở kháng 2.3 Điều khiển tầng thứ Theo Josep et al., (2009), điều khiển tầng thứ dùng để điều khiển tần số biên độ, độ lệch điện áp tải nối với thay đổi Đồng thời thực đồng với lưới, hình Phương trình giới hạn độ lệch tần số điện áp tính sau:   k p ( ref   * )  k i ( ref   * )dt   s    (21) * * E  k pE ( Eref  E )  k iE  (Eref  E )dt Trong đó: kpω, kiω, kpE kiE: thông số điều khiển tầng thứ 2; Δωs: hệ số đồng lưới theo tần số lấy từ tín hiệu PLL; δω δE: tín hiệu điều khiển tầng Hình 10 Giới hạn khả phục hồi tần số 2.4 Điều khiển tầng thứ Điều khiển tầng thứ dùng để điều khiển công suất nguồn pin nhiên liệu với công suất lưới cách điều chỉnh tần số (hoặc độ lệch pha) biên độ điện áp, hình Phương trình tần số biên độ điện áp tính sau:  ref  k pP ( Pref  PG )  kiP ( Pref  P )dt   G  (22) Eref  k pQ (Qref  QG )  kiQ  (Qref  QG )dt 45 Lê Kim Anh Mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới Trong đó: kpP, kiP, kpQ kiQ thông số điều khiển tầng thứ 3; PG QG: công suất tác dụng công suất phản kháng lưới; Pref Qref: cơng suất đặt; ωref Eref: tín hiệu điều khiển tầng thứ Xây dựng mơ hình mơ matlab/simulink 3.1 Xây dựng mơ hình matlab/simulink Mơ hình xây dựng dựa sơ đồ mơ hình điều khiển nối lưới hình 1, mục Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mơ hình phân tầng xây dựng matlab/simulink, hình 11 Hình 11 Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mơ hình phân tầng Bảng Thơng số điều khiển Bảng Các thông số pin nhiên liệu 3.1 Xây dựng mơ hình matlab/simulink 50 x 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -50 Hình 12 Cơng suất pin nhiên liệu (W) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 Hình 13 Dòng điện ngõ Iabc (A) 46 0.1 Selected signal: cycles FFT window (in red): cycles 200 -200 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 0.01 0.02 0.03 Mag (% of Fundamental) 600 400 200 -200 -400 -600 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 14 Điện áp ngõ Uabc(V) 0.04 0.05 Time (s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 16 18 20 Fundamental (50Hz) = 324.1 , THD= 0.36% 0.15 0.1 0.05 0 10 Harmonic order 12 14 Hình 15 Đặc tính sóng hài điện áp Hình 16 Đặc tính sóng hài điện áp Hình 17 Cơng suất nối lưới 1.5 x 10 0.5 0 -0.5 -1 -1 -1.5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 -2 0.1 Hình 18 Dòng điện nối lưới Iabc (p.u) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 19 Điện áp nối lưới Uabc (V) Nhận xét: Qua kết mô phỏng, ta thấy thời điểm t = 0.02s đóng tải thực nối lưới, dòng điện điện áp công suất đầu giá trị đặt Biên độ độ lệch tần số thời điểm dao động nằm phạm vi cho phép ( 0.2Hz, điều kiện làm việc bình thường, 0.5 Hz, cố) Đặc tính sóng hài điện áp (THD < 5%), t > 0.02s hệ thống nối lưới làm việc trạng thái ổn định Kết luận Ứng dụng mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu phát huy đối đa công suất phát hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống Hệ thống nối lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV đường dây tải điện, tần số độ lệch điện áp đạt giá trị ổn định Điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu theo mơ hình phân tầng nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alireza Raghami, Mohammad Taghi Ameli, Mohsen Hamzeh (2013) Primary and Secondary Frequency Control in an Autonomous Microgrid Supported by a Load-Shedding Strategy IEEE [2] Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui (2010) Hierarchical Control Techniques Applied in Microgrid IEEE 47 Lê Kim Anh Mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới [3] HalukGorg (2006) Dynamic modelling of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer International Journal of Hydrogen Energy, 31 [4] Josep M Guerrero, Juan C Vásquez, Remus Teodorescu (2009) Hierarchical Control of Droop-Controlled DC and AC Microgrids – A General Approach Towards Standardization IEEE [5] Junping He, Ning Wu, Liang Liang (2013) Dynamic Virtual Resistance Droop Control Scheme for Distributed Generation System TELKOMNIKA, Vol.11, No.3, March [6] K De Brabandere, B Bolsens, J Van den Keybus, A Woyte, J Driesen and R Belmans (2004) A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters IEEE [7] Lê Kim Anh (2012) Xây dựng mơ hình điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin nhiên liệu Tạp chí Khoa học Công nghệ, số 12 [8] M Kohansal, G B Gharehpetian, M Abedi and M J Sanjari (2012) Droop Controller Limitation for Voltage Stability in Islanded Microgrid International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Santiago de Compostela (Spain), 28th to 30th March [9] M.Y El-Sharkh, A Rahman, M.S Alam, P.C Byrne, A Sakla, T Thomas (2004) Adynamic model for a stand-alonePEM fuel cell power plant for residential applications Journal of Power Sources, 138 [10] Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao (2012) Study on the Control Strategies of Low Voltage Microgrid International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems [11] Yasser Abdel-Rady I Mohamed, Amr A Radwan (2011) Hierarchical Control System for Robust Microgrid Operation and Seamless Mode Transfer in Active Distribution Systems IEEE 48 ... mơ hình phân tầng, hình Hình Sơ đồ điều khiển nguồn pin nhiên liệu theo mơ hình phân tầng Hình Sơ đồ điều khiển tầng thứ 41 Lê Kim Anh Mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới 2.1 Mơ hình pin nhiên. .. mơ hình phân tầng điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo Xây dựng mơ hình điều khiển phân. .. nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mơ hình phân tầng xây dựng matlab/simulink, hình 11 Hình 11 Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mơ hình phân tầng Bảng Thơng số điều khiển