Điều khiển các nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển các DG theo cấu trúc phân tầng sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method, DCM) nhằm duy trì công suất phát t[r]

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 55 ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN

THEO CẤU TRÚC PHÂN TẦNG

HIERARCHICAL CONTROL STRUCTURE IN CONTROLLING DISTRIBUTED GENERATIONS

Lê Kim Anh

Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Tuy Hịa

Tóm tắt:

Nghiên cứu sử dụng nguồn phân tán (Distributed generations, DG) để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Mặc dù sử dụng DG giảm phụ thuộc vào nhà máy điện truyền thống, nhiên việc kết hợp chúng vào hệ thống cung cấp điện vấn đề lớn Vì kết hợp DG vào lưới điện thường xuất dao động điện áp tần số Sử dụng cấu trúc phân tầng để điều khiển DG với ưu điểm tần số, biên độ độ lệch điện áp đạt giá trị ổn định Ngoài giảm sóng hài bậc cao, điều có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện Bài báo đưa kết mô điều khiển DG theo cấu trúc phân tầng sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method, DCM) nhằm trì cơng suất phát tối đa hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống

Từ khóa:

Cấu trúc phân tầng, phương pháp điều khiển theo độ trượt, lượng tái tạo, nguồn công suất nhỏ, nguồn phân tán

Abstract:

The research of using distributed generations(DGs) to generate electricity is meaningful in terms of lessening the dependence on fossil energy sources Although the power dependence on conventional power plants could be reduced because of DGs penetration, the integration of these sources into electric power distribution networks is still a big issue This is because of voltage and frequency fluctuations The use of hierarchical control structure in controlling DGs has the advantage 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 improvement This article provides simulation results of applying hierarchical structure in controlling DGs using droop control method (DCM) in order to maintain maximum generating capacity of the system, irrespective of connected loads

Keywords:1

Hierarchical structure, droop control method, renewable energy, small power sources, distributed generation

1

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015

56

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Dựa theo [1], [2], [3], [4] nguồn lượng tái tạo (Renewable Energy sources, RES) nói chung, nguồn phân tán (Distributed generation, DG) nói riêng như: nguồn lượng gió, pin mặt trời, pin nhiên liệu dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng nguồn phân tán nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác sử dụng nguồn phân tán cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm môi trường, nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), đặc biệt carbon dioxit (CO2) mục tiêu nghiên cứu nhà quản lý Hiện có nhiều tác giả đưa chiến thuật điều khiển điều khiển dịng điện theo cơng suất điều khiển điện áp theo công suất, thông qua biến đổi điện tử công suất, DC/DC DC/AC bị ảnh hưởng sóng hài, dao động điện áp dao động tần số Bài viết tác giả đề xuất 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 (δω), độ lệch điện áp (δE) đến tầng điều khiển thứ Tầng điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi công suất nguồn phân tán với cơng suất lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần số (ωref) biên độ điện áp (Eref) đến tầng điều khiển thứ Điều khiển nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt

2 CÁC NGUỒN PHÂN TÁN 2.1 Mơ hình tuabin gió

Theo [5] cơng suất tuabin gió tính theo biểu thức:

3 p

m

2 v

A ) B , ( C

P    (1)

Trong đó: Pm: cơng suất đầu tuabin (W); Cp(λ,β): hệ số biến đổi lượng (là tỷ số tốc độ đầu cánh λ góc cánh

β); A: tiết diện vòng quay cánh quạt (m2); ρ: mật độ khơng khí,

ρ = 1.255 (kg/m3)

Từ biểu thức (1) ta thấy vận tốc gió yếu tố quan trọng công suất; công suất đầu tăng theo lũy thừa vận tốc Hệ số biến đổi lượng Cp(λ, β) biểu thức (1) theo [6] tính sau:

 

  



0.0068 )

5 0.4 116 ( 0.5176

) , (

i

21

i P

 

 

 e C

(2)

với 3

i

0.035 0.08

1

  

     (3)

Đường cong biểu diễn mối quan hệ

Cp λ, như hình

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 57 Như ta biết tỷ số tốc độ đầu cánh

tuabin gió tốc độ là:

v

R

  , ω: tốc độ quay tuabin, R: bán kính tuabin, v: vận tốc gió Mơmen tuabin gió tính sau:

3 m

m

2

  

 R Cp

P

T   (4)

Mặt khác tuabin gió vận hành theo quy tắc điều khiển khác tùy thuộc vào tốc độ gió Đường cong biểu diễn mối quan Pm tốc độ gió, hình Từ biểu thức (1), (2), (3), (4) phân tích trên, mơ hình tuabin gió xây dựng Matlab/Simulink với thơng số đầu vào tốc độ gió, tốc độ máy phát điện thông số đầu mômen, hình

2.2 Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG)

Mơ hình máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSG) có hai loại hệ trục tọa độ sử dụng: hệ tọa độ  gắn cố định với stator hệ tọa độ dq gọi hệ tọa độ tựa hướng từ thơng rotor, hình Theo [7] phương trình dịng điện điện áp PMSG biểu diển hệ tọa độ dq sau:

sd sd sq sd sq s sd sd

sd 1 u

L i L L i

T dt di

 

 

(5)

sq p s sq sq sq sd

sq sd s

sq L 1

L u

L i T i L dt

di

sq

 

   





(6) Trong đó: Lsd: điện cảm Stator đo vị trí đỉnh cực; Lsq: điện cảm Stator đo vị trí ngang cực; p: từ thơng cực (vĩnh cửu);

Tsd, Tsq: số thời gian Stator vị trí đỉnh cực.Phương trình mơmen tính sau:

 i i i ( L L )

P

mM c p sq sd sq sd sq

2

 

 

(7)

Hình Đường cong mối quan hệ giữa Pm tốc độ gió

Đường tối ưu

Hình Mơ hình tuabin gió

UA

UB UC

Tọa độ α

Tọa độ β

Tọa độ d

Tọa độ q θ

ωs

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015

58

Để xây dựng mơ hình PMSG matlab / simulink dựa vào biểu thức (5), (6), (7)

Hình Mơ hình máy phát điện PMSG băng thơng BW = 164,28MHz (S11<-10dB) 2.3 Mơ hình pin mặt trời

Dòng điện đầu pin theo [8] tính sau:

                              sh s c s s ph R IR V A KT IR V ( q exp I I I (8)

Trong đó: q: điện tích electron =1.6 x10-19 C, k: số Boltzmann’ s = 1.38 x10-23 J/K, Is: dòng điện bão hòa pin, Iph: dòng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc pin, Rsh: điện trở shunt,

Rs: điện trở pin, A: hệ số lý tưởng Theo biểu thức (8) dòng quang điện phụ thuộc vào lượng mặt trời nhiệt độ làm việc pin đó:

I K(T T ).H

Iph sc I c ref (9) với: Isc: dòng ngắn mạch nhiệt độ 25oC,

KI: hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch, Tref: nhiệt độ bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: xạ mặt trời, kW/m2 Ở giá trị dòng điện bão hòa

của pin với nhiệt độ pin tính sau:         kA T T T T qE T T I I c ref ref c G ref c RS s ( exp ) ( (10)

Trong đó: IRS: dịng bão hịa ngược bề mặt nhiệt độ xạ mặt trời,

EG: lượng vùng cấp chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng công nghệ làm pin Mặt khác pin mặt trời có điện áp khoảng 0.6 V, muốn có điện áp làm việc cao ta mắc nối tiếp pin, muốn có dịng điện lớn mắc song song, hình

Vậy dòng điện modul pin là:

                                              sh s s p c p s s s p ph p R IR N V N A kT N IR N V q exp I N I N I (11) Từ biểu thức (8), (9), (10), (11) phân tích trên, mơ hình pin mặt trời xây dựng Matlab/Simulink với ngõ vào dòng điện, nhiệt độ Ngõ công suất điện áp pin, hình

Hình Dịng điện modul pin

NpIph

NsRs/Rsh

NsRs/Rsh

Np

Ns

V

+

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 59 2.4 Mơ hình pin nhiên liệu

Dựa vào mối quan hệ điện áp đầu áp suất riêng phần hydro, oxi nước theo [9] mơ hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) tính sau:

2

2

H H

an

H H

K M

K p

q



 (12)

Và H

0 H an

0 H

0 H

2

2

2 K

M K p

q



 (13)

Trong đó:

2

H

q : dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s);

2

H

p : áp suất riêng phần hydro (atm); Kan: số van anốt

 

 kmol.kg/ atm.s; MH2: khối lượng phân tử hydro (kg/kmol); KH2: số

phân tử van hydro [kmol/(atm.s)] Đối với dòng chảy hydro phân tử, có ba yếu tố quan trọng: dịng chảy đầu vào hydro, dòng chảy đầu hydro dòng chảy hydro phản ứng

Hình Mơ hình pin mặt trời

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015

60

Mối quan hệ yếu tố biểu diễn sau:

) q q q ( V RT p dt d r H out H in H an

H2    (14)

Trong T: nhiệt độ tuyệt đối (K);

Van: thể tích anốt (m3); inH

2

q : dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); Hout

2

q : dòng chảy đầu hydro (kmol/s); Hr

2

q :dòng chảy hydro phản ứng (kmol/s) Biểu thức (14) qHr2được tính sau:

FC r FC s o r H 2

2 F K I

I N N

q   (15)

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)]; F: số Faraday (C/kmol) Từ biểu thức (12),(15) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro viết lại sau: ) 2 ( 1 1 FC r in H H H 2

2 q K I

s K

q H 

 

 (16)

Với:

2

H

 : số thời gian hydro (s) RT K V 2 H an H 

 (17) Điện áp hệ thống pin nhiên liệu tính sau:

Vcell=E+ηact+ηohmic (18) đây:

) ln(CIFC B

act 

 (19)

Và int FC

I R ohmic 

 (20)

Trong đó: Rint: nội trở pin nhiên liệu

(Ω); B,C: số để mô 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 [10] điện áp tức thời xác định sau:                   O H O H o o 2 2 P P P log F RT E N E (21) Trong đó: E0: điện áp chuẩn khơng tải (V); PO2: áp suất riêng phần oxi (atm); PH2O: áp suất riêng phần nước (atm) Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro theo nhu cầu phụ tải điện Theo [11] lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa hydro tính sau:

FU I N N

q req s FC

H

2

2  (22)

Trong đó: req H2

q : 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, dịng chảy khí hydro oxi Từ biểu thức phân tích trên, mơ hình pin nhiên liệu xây dựng Matlab/simulink, hình 3 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHÂN TẦNG

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 61 gồm tầng điều khiển sau: Tầng

điều khiển thứ (Primary Control) dùng để điều khiển dịng điện, điện áp cơng suất tải với nghịch lưu (biến tần) Tầng điều khiển thứ (Secondary Control) dùng để đồng với lưới Tầng

điều khiển thứ (Tertiary Control) dùng để trao đổi công suất nguồn phân tán với lưới Hệ thống điều khiển các nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng, hình 10

Hình Hệ thống điều khiển nguồn phân tán theo cấu trúc phân tầng