LƯỚI điện THÔNG MINH DC MICROGRID

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TIỂU LUẬN MÔN LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH DC MICROGRID GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng HVTH: Nguyễn Thanh Phong Cao Kim Cường Tp Hồ Chí Minh, năm 2019 1870053 1870633 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TIỂU LUẬN MÔN LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH DC MICROGRID GVHD: PGS.TS Phan Quốc Dũng HVTH: Nguyễn Thanh Phong Cao Kim Cường 1870053 1870633 Tp Hồ Chí Minh, năm 2019 Mục lục Tìm hiểu cấu hình hệ thống DC Microgrid 2 Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển biến đổi công suất 2.1 PV Power System 2.2 Battery Power System Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển hệ thống 10 Mô chế độ làm việc điển hình 12 Tài liệu tham khảo 19 Tìm hiểu cấu hình hệ thống Microgrid Khi siêu bão Sandy đổ vào nước Mỹ (năm 2012) gây thiệt hại ước tính lên đến 71 tỷ USD, có thiệt hại nặng nề hệ thống lưới điện, gây điện diện rộng cho 3,5 triệu hộ dân sử dụng điện Từ đến nay, có nhiều tranh luận hiệu lưới điện phân tán so với lưới điện tập trung, đặc biệt việc khai thác lưới điện siêu nhỏ giảm thiểu thiệt hại toàn hệ thống điện trường hợp xảy thiên tai Vậy lưới điện siêu nhỏ gì? Có thể có nhiều định nghĩa cho khái niệm này, định nghĩa tương đối đầy đủ là: “Lưới điện siêu nhỏ (microgrid) hệ thống lượng tích hợp bao gồm nguồn lượng phân tán (DER distributed energy resources) kết hợp với thiết bị lưu trữ lượng, số phụ tải hệ thống đo đếm, giao diện điện tử công suất điều khiển để đảm bảo chất lượng, độ tin cậy anh ninh, hệ thống hoạt động lưới điện độc lập, tách khỏi lưới điện phân phối hành” Cấu hình hệ thống DC Microgrid: Hình 1.1: Cấu hình hệ thống DC Microgrid mơ Matlab Hình 1.2: Cấu hình hệ thống Microgrid Sơ đồ khối Microgrid: GRID 20KW AC/DC PV 20KW DC/DC BATTERY DC/DC DC BUS LOAD 20kW LOAD 2.5kW DC BUS LOAD 2.5kW LOAD 5kW Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống DC Microgrid Mơ hình hệ thống DC Microgrid mô matlab bao gồm: Local slack bus, hệ thống PV, pin tải DC:  Local slack bus sử dụng chuyển đổi VSC converter kết nối với lưới AC để điều khiển điện áp bus DC  Nguồn lượng phân tán (DER): Hệ thống PV sử dụng mơ hình PV tiêu chuẩn kết hợp boost converter  Hệ thống tích trữ lượng (Energy storage): Pin sử dụng kiểu pin Li-ion tiêu chuẩn kết hợp chuyển đổi dual active bridge converter  Tải DC bao gồm: tải có cơng suất 20kW kết nối với DC bus 1, tải có cơng suất 2.5kW 5kW kết nối với DC bus  Hệ thống giám sát điều khiển: giao diện điện tử công suất điều khiển để đảm bảo chất lượng, độ tin cậy anh ninh biến đổi công suất DC/DC (boost converter), dual active bridge converter chuyển đổi VSC converter kết nối với lưới điện AC để điều khiển điện áp bus DC Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển biến đổi công suất Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện nhỏ với nguồn phát điện phân tán phát huy đối đa công suất phát hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống Nối lưới thông qua biến đổi AC/DC, DC/DC DC/AC với ưu điểm như: biến đổi DC/DC tự động điều chỉnh công suất cung cấp cho DC/AC, biến đổi có khả truyền lượng theo hướng, với góc điều khiển thay đổi được, dung lượng sóng hài thấp v.v Mặt khác sử dụng cơng nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ mang lại hiệu cao tính kinh tế so với điều khiển nguồn điện độc lập Công nghệ điều khiển lưới điện siêu nhỏ nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo 2.1 PV Power System Pin mặt trời (Photovoltaic cell) gồm lớp bán dẫn chịu tác dụng quang học để biến đổi lượng phôton xạ mặt trời thành lượng điện Hiệu suất pin mặt trời lớn pin mặt trời cung cấp cho ta công suất cực đại Công nghệ để điều khiển pin mặt trời sử dụng phương pháp hệ bám điểm công suất cực đại (Maximum Point Power Tracking - MPPT) đảm bảo pin mặt trời luôn làm việc điểm MPP bất chấp tải nối vào pin Hình 2.1: Tấm pin lượng mặt trời thực tế Phương pháp điều khiển: Phương pháp điều khiển bám điểm công suất cực đại (Maximum Point Power Tracking – MPPT): có nhiều kỹ thuật để điều khiển pin mặt trời bám điểm công suất cực đại Những kỹ thuật phân thành nhóm sau: kỹ thuật tìm kiếm kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Ở kỹ thuật tìm kiếm dễ thực đòi hỏi số bước lớn hội tụ điểm cực đại MPP hội tụ nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa mơ hình Kỹ thuật địi hỏi phải biết xác thơng số pin mặt trời số đo nhiệt độ xạ mặt trời Hình 2.2: PV system với giải thuật MPPT Boost Converter Hệ thống PV system kết hợp với chuyển đổi boots converter giải thuật MPPT thể hình 2.2 Bộ boost converter hoạt động cách lưu trữ lượng cuộn cảm đóng điện cung cấp lượng cho tải điều khiển khóa đóng cắt để tăng điện áp đầu Bộ Boost Converter lấy tín hiệu vào điện áp từ dàn Pin Mặt trời Upv, xuất tín hiệu Udc kết nối với DC bus thơng qua lọc Filter Trong q trình chuyển đổi điện áp từ Upv sang Udc có điện áp cao có tham gia điều khiển lấy điểm công suất dàn Pin cực đại MPPT Một điện áp đặt 750V đầu vào so sánh với điện áp tính tốn từ giải thuật MPPT sau tín hiệu gửi đến để điều khiển khóa đóng cắt chuyển đổi Boost Converter thơng qua thay đổi độ rông xung PWM để tạo điện áp mong muốn theo u cầu, theo mơ hình mô matlab +/- 375V Việc điều khiển cho Boost Converter cho kết dòng điện điện áp có cơng suất phù hợp với tải đầu Hình 2.3: Bộ biến đổi cơng suất cho nguồn PV xây dựng matlab 2.2 Battery Power System Pin Li-ion hay pin lithi-ion loại pin sạc Trong trình sạc, ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, ngược lại trình xả (quá trình sử dụng) Pin Li-ion thường sử dụng điện cực hợp chất mà cấu trúc tinh thể chúng có dạng lớp (layered structure compounds), q trình sạc xả, ion Li xâm nhập điền đầy khoảng trống lớp này, nhờ phản ứng hóa học xảy Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương hợp chất xít kim loại chuyển tiếp Li, LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm graphite Dung dịch điện ly pin cho phép ion Li chuyển dịch từ cực sang cực nghĩa có khả dẫn ion Li, nhiên, yêu cầu dung dịch không dẫn điện Hệ thống lưu trữ lượng sử dụng Pin Li-ion sử dụng hệ thống DC Microgrid hệ thống hấp thu lưu trữ lượng thời gian trước giải phóng theo nhu cầu cung cấp phụ tải Cơng nghệ tích trữ lượng tối ưu hóa hiệu suất hệ thống lượng tạo thuận lợi để tích hợp nguồn lượng tái tạo Công nghệ cần thiết để thu hẹp thời gian khoảng cách địa lý cung cầu lượng Phương pháp điều khiển: Hình 2.4: Cấu trúc Dual Active Bridge Converter tổng quát Dual Active Bridge Converter chuyển đổi hai chiều, kết nối lưu trữ lượng với DC bus Dual Active Bridge Converter với mạch full- bridge bên có cấu tạo thành phần giống Hai bên mạch full bridge điều khiển xung sóng PWM Mỗi cơng tắc đóng cắt 50% thời gian chuyển đổi tương ứng, cặp công tắc hai bên mạch full-bridge có thời gian chuyển mạch vận hành cho bên mạch full-bridge có dịch pha đưa dựa tín hiệu đo phản hồi thu thập Tín hiệu điện áp đầu tạo dựa giá trị đặt tín hiệu cung cấp thơng qua điều chỉnh kỹ thuật số để tạo tỷ lệ dịch pha cho điều chế PWM Hình 2.5: Bộ điều khiển Dual Active Bridge Converter xây dựng matlab Hình 2.6: Bộ biến đổi cơng suất cho nguồn Pin Li-ion xây dựng matlab Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển hệ thống (Central Controller) Điện áp bus DC điều khiển nút slack bus thông qua chuyển đổi VSC kết nối với lưới điện AC 10 Hình 3.1: Mơ hình điều khiển VSC kết nối với lưới điện AC tổng qt Mơ hình điều khiển sử dụng VSC converter kết nối với lưới điện AC chia thành vịng điều khiển Inner loop Outer loop Inner loop dựa tín hiệu dịng điện iabc, điện áp vabc góc pha thu thập từ lưới điện AC sau gửi tín hiệu điều khiển đến converter cho giá trị phù hợp với công suất tải Outer loop điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng điều chỉnh điện áp DC để giữ cân điện áp DC bus Hình 3.2: Mơ hình điều khiển điện áp DC 11 Dựa mơ hình điều khiển, kết nối lưới u cầu để tương tác với lưới cung cấp tần số hỗ trợ điện áp Do để đảm bảo hiệu suất trạng thái ổn định nguồn điện kết nối lưới yêu cầu chuyển đổi VSC verter cần phải thiết lập đặc tính phù hợp điều khiển điện áp DC bus để cung cấp tất lượng có sẵn cung cấp nguồn lượng phân tán khác PV pin tích trữ Nguồn điện phân tán kết nối với lưới qua chuyển đổi VSC converter hoạt động nạp cho lưới điện Hình: Mơ matlab Bộ VSC converter kết nối với lưới điện điều khiển theo phương pháp điều khiển trực tiếp điều khiển véc tơ Điều khiển trực tiếp dựa điều khiển điện áp VSC cách kiểm sốt góc pha biên độ điện áp hoạt động truyền tải công suất phản kháng Phương pháp điều khiển véc tơ có số ưu điểm so với điều khiển trực tiếp bao gồm chất lượng điện tốt bị ảnh hưởng sóng hài nhiễu VSC converter coi nguồn điện áp hệ thống điều khiển có quyền tự xác định cường độ, pha tần số dạng sóng điện áp hình sin tạo Tuy nhiên, điều quan trọng phải tính đến giới hạn chuyển đổi khả truyền công suất tác dụng công suất phản kháng Mô chế độ làm việc điển hình 4.1 Trường hợp sử dụng nguồn lưới kết hợp PV system Load 20kW: ON Local slack bus: ON PV system: ON Battery: OFF 12 Load DC Bus 2: OFF Quan sát điện áp bus voltage: 751.4V Hình 4.1: Điện áp DC bus điều khiển qua VSC converter Hình 4.2: Cơng suất thành phần đầu DC bus 13 Theo kết ta quan sát được: Pslack = -20kW; Pdemand = -20kW; Ppv = 40kW, Pbus2 = Nhận xét: Với việc sử dụng nguồn điện từ hệ thống PV system kết hợp với điện áp lưới thông qua VSC converter điện áp DC bus1 điều khiển xác lập cách nhanh chóng 751.4 V Với tải có cơng suất Pdemand = -20kW trường hợp hệ thống PV system cung cấp cho tải phần cơng suất cịn lại theo khả hệ thống pin mặt trời cung cấp hỗ trợ cho lưới ta có kết hình 4.2 Từ suy hệ thống PV system có cơng suất khoảng 40kW Ngồi hệ thống pin mặt trời sơ đồ mơ cịn có hệ thống tích trữ lượng sử dụng pin li-on Trường hợp có xét đến việc kết hợp thêm hệ thống pin tích trữ lượng 4.2 Trường hợp sử dụng nguồn lưới kết hợp PV system Battery Load 20kW: ON Local slack bus: ON PV system: ON Battery: ON Load DC Bus 2: OFF Quan sát điện áp bus voltage: 751.4V 14 Hình 4.3: Điện áp DC bus điều khiển qua VSC converter Hình 4.4: Công suất thành phần đầu DC bus Theo kết ta quan sát được: Pslack = Ppin = -10kW; Ppv = 40kW; Pdemand = -20kW 15 Nhận xét: Ở trường hợp 4.1 ta có nhận xét Ppv = 40kW ngồi cung cấp cho tải Pdemand cịn hỗ trợ cho lưới Trong trường hợp có hệ thống tích pin trữ lượng phần cơng suất sau cung cấp cho tải phần lại dùng để tích trữ hệ thống pin hỗ trợ cho lưới Ngoài tải Pdemand DC bus sơ đồ mơ matlab cịn kết hợp với số tải khác DC bus với công suất Pbus = 10kW trường hợp xét đết việc kết hợp với tải DC bus 4.3 Trường hợp sử dụng nguồn lưới kết hợp PV system, Battery kết hợp với Pbus Load 20kW: ON Local slack bus: ON PV system: ON Battery: ON Load DC Bus 2: ON Quan sát điện áp bus voltage: 750.8V Hình 4.5: Điện áp DC bus điều khiển qua VSC converter 16 Hình 4.6: Công suất thành phần đầu DC bus Theo kết ta quan sát được: Pslack = 0kW; Ppv = 40kW; Pload1 = -20Kw; Pbus2 = Ppin = -10kW Nhận xét: Với việc cung cấp thêm cho hệ thống tải DC bus 10kW trường hợp lượng công suất hệ thống PV system sau cung cấp cho Pdemand tích trữ lượng phần lại cấp cho tải Pload không sử dụng nguồn từ lưới Việc kết nối lưới thơng qua VSC converter đóng vai trò trọng việc điều khiển điện áp DC bus ổn định xác lập cách nhanh chóng Trường hợp xét đến hệ thống DC microgrid không kết nối với lưới 4.4 Trường hợp tách lưới sử dụng PV system, Battery kết hợp với Pbus Load 20kW: OFF Local slack bus: ON PV system: ON 17 Battery: ON Load DC Bus 2: ON Quan sát điện áp bus voltage Hình 4.7: Điện áp DC bus Hình 4.8: Cơng suất thành phần đầu DC bus 18 Theo kết ta quan sát được: Pslack = 0kW; Ppv = 40kW; Pload1 = -20Kw; Pbus2 = Ppin = -10kW Nhận xét: Hệ thống DC Microgrid có khả cung cấp công suất cho nhu cầu tải nhiên không ổn định q trình làm việc, bên cạnh điện áp Bus DC khơng ổn định khó xác lập điện áp đặt 750V Qua thấy việc kết nối lưới qua VSC converter đóng vai trị quan trọng việc điều chỉnh điện áp DC bus hoạt động ổn định hệ thống DC microgrid Tài liệu tham khảo Control of grid connected power converters with grid support functionalities - Weiyi Zhang Design and Control of a Bidirectional Dual Active Bridge DC-DC Converter to Interface Solar, Batery Storage, and Grid-Tied Inverters - Kenny George -University of Arkansas, Fayeteville Metrology Requirements of State-of-the-Art Protection Schemes for DC Microgrids Chunpeng Li*, Puran Rakhra*, Patrick Norman*, Graeme Burt*, Paul Clarkson† 19 ... Cấu hình hệ thống DC Microgrid mơ Matlab Hình 1.2: Cấu hình hệ thống Microgrid Sơ đồ khối Microgrid: GRID 20KW AC /DC PV 20KW DC/ DC BATTERY DC/ DC DC BUS LOAD 20kW LOAD 2.5kW DC BUS LOAD 2.5kW... điều khiển nối lưới cho lưới điện nhỏ với nguồn phát điện phân tán phát huy đối đa công suất phát hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống Nối lưới thông qua biến đổi AC /DC, DC/ DC DC/ AC với ưu điểm... nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ mang lại hiệu cao tính kinh tế so với điều khiển nguồn điện độc lập Công nghệ điều khiển lưới điện siêu nhỏ nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh